宿金殿，王春光，謝勝仕，蒙建國

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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基于高速攝像技術(shù)的馬鈴薯在分離篩上運(yùn)動(dòng)特性研究

宿金殿，王春光，謝勝仕，蒙建國

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：為了研究馬鈴薯挖掘機(jī)在收獲過程中馬鈴薯在分離篩上的運(yùn)動(dòng)特性、改善馬鈴薯挖掘機(jī)工作性能、提高薯土分離效果及降低馬鈴薯的損傷，采用室內(nèi)試驗(yàn)和室外試驗(yàn)研究的方法，對(duì)馬鈴薯在分離篩上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。利用紅外高速攝像技術(shù)，采集室內(nèi)和田間馬鈴薯在分離篩上的運(yùn)動(dòng)情況的數(shù)據(jù)。利用高速攝像分析軟件(TEMA)對(duì)采集到的攝像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制出馬鈴薯的分離篩上的加速度時(shí)間歷程曲線，總結(jié)出馬鈴薯在篩面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。最終得出馬鈴薯在分離篩上的運(yùn)動(dòng)特性，為馬鈴薯收獲機(jī)的分離篩參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯挖掘機(jī)；分離篩； 高速攝影；運(yùn)動(dòng)規(guī)律；優(yōu)化

0引言

馬鈴薯是一種適應(yīng)性強(qiáng)、營養(yǎng)豐富的農(nóng)產(chǎn)品,在糧食產(chǎn)量排名中僅次于玉米、水稻和小麥，居第4位。隨著馬鈴薯生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)馬鈴薯挖掘機(jī)工作性能要求也越來越高，而薯土分離裝置的工作性能直接影響著明薯率和傷薯率這兩個(gè)重要指標(biāo)。目前，馬鈴薯挖掘機(jī)常用的薯土分離裝置主要有桿鏈?zhǔn)胶蜅U鏈—分離篩組合式。小型馬鈴薯挖掘機(jī)多采用桿鏈?zhǔn)绞硗练蛛x裝置，而中型馬鈴薯挖掘機(jī)多采用桿鏈—分離篩組合式薯土分離裝置。由于我國使用較多的是中小型馬鈴薯挖掘機(jī)，所以，桿鏈—分離篩組合式薯土分離裝置的應(yīng)用較為普遍[1-3]。

本文以克新1號(hào)馬鈴薯為研究對(duì)象，在自行設(shè)計(jì)的擺動(dòng)分離篩試驗(yàn)臺(tái)上，利用高速攝像技術(shù)對(duì)馬鈴薯在擺動(dòng)分離篩上的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析研究。測定在不同篩面傾角和不同篩分速度下馬鈴薯的加速度時(shí)間歷程。在此基礎(chǔ)上，通過田間試驗(yàn)對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。為深入研究馬鈴薯動(dòng)力學(xué)特征和馬鈴薯挖掘機(jī)的改進(jìn)和優(yōu)化提供一定參考[4-8]。

1試驗(yàn)材料與設(shè)備

選擇在我國北方地區(qū)具有代表性的克新1號(hào)馬鈴薯，試驗(yàn)馬鈴薯外形選擇近似圓球形和橢球形及表皮無損傷，新鮮的馬鈴薯各30顆，質(zhì)量在300～330g之間[8-10]。

自行研制了4SW-170型馬鈴薯挖掘機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[11-12]，其分離篩的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。試驗(yàn)臺(tái)與地面固定，用萬向節(jié)將電動(dòng)機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)的主軸相連接，通過變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變馬鈴薯挖掘機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)臺(tái)主要由變頻器、電動(dòng)機(jī)、萬向節(jié)、變速箱、升運(yùn)鏈、分離篩、機(jī)架、坐標(biāo)板和攝像機(jī)等組成，如圖1所示。本次試驗(yàn)采用SONY公司生產(chǎn)的 NTA-1383陣列式紅外攝像機(jī)，分辨率640×480，幀速為500幀/s。

表1　馬鈴薯挖掘機(jī)分離篩的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.VARISPEED-616G5變頻柜　2.電動(dòng)機(jī)　3.傳動(dòng)軸　4.變速箱

2試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

2.1試驗(yàn)方法

為了分析馬鈴薯在分離篩上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，試驗(yàn)時(shí)采取高速攝像機(jī)在線跟蹤拍攝。根據(jù)試驗(yàn)研究要求，馬鈴薯挖掘機(jī)主軸轉(zhuǎn)速分別選擇：271、304、330、361、395、 441、473r/min 7個(gè)轉(zhuǎn)速值；分離篩面傾角(篩面與水平面的夾角)為1.5°、7.7°。

試驗(yàn)時(shí)，先調(diào)節(jié)分離篩的角度，再用變頻器設(shè)定一個(gè)電動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速，待馬鈴薯收獲機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，將質(zhì)量為300～330g之間的圓球形和橢球形馬鈴薯放在穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)的升運(yùn)鏈上；馬鈴薯從升運(yùn)鏈運(yùn)動(dòng)到分離篩后,借助高速攝像機(jī)，采集兩類馬鈴薯在分離篩上的運(yùn)動(dòng)情況。每組試驗(yàn)重復(fù)10次。利用高速攝像分析軟件(TEMA)把高速攝像拍攝的圖片，在像素坐標(biāo)下得到一系列以像素為單位的數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)際位移值。在分析時(shí)，選取固定板上坐標(biāo)原點(diǎn)，多次分析采集到的攝影數(shù)據(jù)，總結(jié)出馬鈴薯在分離篩上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

試驗(yàn)結(jié)果表明：在主軸轉(zhuǎn)速為330 r/min、分離篩面傾角為1.5°時(shí)，圓球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度76.005m/s2，橢球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度71.286m/s2，其加速度時(shí)間歷程如圖2所示；分離篩面傾角為7.7°時(shí)，圓球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度46.632m/s2，橢球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度70.945m/ s2，其加速度時(shí)間歷程如圖3所示；在主軸轉(zhuǎn)速為361r/min、分離篩面傾角為1.5°時(shí)，圓球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度66.147m/s2，橢球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度76.918m/s2，其加速度時(shí)間歷程,如圖4所示；分離篩面傾角為7.7°時(shí)，圓球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度70.903m/s2，橢球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度81.410m/s2，其加速度時(shí)間歷程,如圖5所示。其中，細(xì)實(shí)線表示馬鈴薯的加速度，粗實(shí)線表示分離篩的加速度。

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析

3.1馬鈴薯在篩面上最大加速度的分析

馬鈴薯在分離篩上的最大加速度決定了馬鈴薯在分離篩上的最大受力、跳躍高度和碰撞強(qiáng)度，直接影響馬鈴薯在篩分過程中的傷薯率。通過高速攝像系統(tǒng)分析圓球形和橢球形馬鈴薯的最大加速度數(shù)據(jù)如下：當(dāng)分離篩面傾角分別為1.5°和7.7°時(shí)，兩類馬鈴薯在篩面上的最大加速度,如表2所示。

(a)　圓球形馬鈴薯

(b)　橢球形馬鈴薯

(a)　圓球形馬鈴薯

(b)　橢球形馬鈴薯

(a)　圓球形馬鈴薯

(b)　橢球形馬鈴薯

(a)　圓球形馬鈴薯

(b)　橢球形馬鈴薯

m/s2

由表2可見：兩類馬鈴薯在篩面上最大加速度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，傷薯率隨著主軸轉(zhuǎn)速和篩面傾角的增大而升高。在相同篩面傾角下，橢球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度大于圓球形馬鈴薯,橢球形馬鈴薯表皮的損傷大于圓球形馬鈴薯；同類馬鈴薯在篩面上最大加速度隨著篩面傾角的增大而降低，分離效果隨著篩面傾角的增大而降低。

3.2馬鈴薯在分離篩面上運(yùn)動(dòng)時(shí)間的分析

馬鈴薯在分離篩上運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長，薯土分離效果就越好，明薯率越高，但傷薯率增大。多次重復(fù)試驗(yàn)后，利用TEMA分析采集到的數(shù)據(jù)，繪制出不同篩面傾角和不同轉(zhuǎn)速條件下的兩類薯形在分離篩上加速度與時(shí)間歷程。獲得兩類馬鈴薯在篩面上運(yùn)動(dòng)時(shí)間數(shù)據(jù)如下：在不同轉(zhuǎn)速下，當(dāng)分離篩面傾角分別為1.5°和7.7°時(shí)，兩類馬鈴薯在篩面上運(yùn)動(dòng)時(shí)間的擬合曲線，如圖6所示。

圖6　主軸轉(zhuǎn)速與馬鈴薯在篩面上運(yùn)動(dòng)時(shí)間圖

由圖6分析得:兩類馬鈴薯在篩面上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小。在篩面傾角為1.5°和7.7°時(shí)，篩面傾角對(duì)圓球形馬鈴薯在篩面上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間的影響較?。辉诤Y面傾角為1.5°和7.7°時(shí)，篩面傾角對(duì)橢球形形馬鈴薯在篩面上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間的影響較大。圓球形馬鈴薯在篩面運(yùn)動(dòng)的時(shí)間比橢球形馬鈴薯短，原因是由于圓球形馬鈴薯在篩面上易滾動(dòng)，而橢球形馬鈴薯在篩面上不易滾動(dòng)。

4田間試驗(yàn)驗(yàn)證

4. 1試驗(yàn)條件和方法

田間試驗(yàn)在呼和浩特市武川縣馬鈴薯種植基地進(jìn)行。 試驗(yàn)地塊地勢平坦，土壤為沙壤土，土壤含水率11.2%；馬鈴薯品種為克新1號(hào)；試驗(yàn)機(jī)型為 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)自行研究生產(chǎn)的4SW-170 型馬鈴薯收獲機(jī)；配套拖拉機(jī)是由中國一拖集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的東方紅-X900型拖拉機(jī)，前進(jìn)速度約1.94km/h，輸出轉(zhuǎn)速約360r/min。

試驗(yàn)前，把地塊中較大的雜草和馬鈴薯秧苗割去，以免影響試驗(yàn)結(jié)果；在機(jī)架的左側(cè)焊接一個(gè)固定板，作為攝像時(shí)的固定坐標(biāo)；馬鈴薯挖掘機(jī)的右側(cè)放置1個(gè)約6m長的水平軌道，并與拖拉機(jī)的前進(jìn)速度平行；把攝像機(jī)安裝在軌道上，調(diào)節(jié)攝像機(jī)鏡頭到最佳攝像位置；調(diào)節(jié)分離篩的傾角為1.5°或7.7°。

在田間已經(jīng)挖出的馬鈴薯中選取有代表性的圓球形和橢球形馬鈴薯 (質(zhì)量接近室內(nèi)試驗(yàn)所用的馬鈴薯試驗(yàn)球300～330g)各一個(gè)，并用黑白膠帶標(biāo)記，作為田間試驗(yàn)的試驗(yàn)薯；將兩個(gè)試驗(yàn)薯預(yù)埋在即將挖掘的土壤中。在挖掘機(jī)工作穩(wěn)定后，攝像機(jī)以拖拉機(jī)的前進(jìn)速度沿軌道運(yùn)動(dòng)，開始記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行5組重復(fù)試驗(yàn)。

4.2試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

分析田間采集到的數(shù)據(jù)，正常工作情況下、篩面傾角為1.5°時(shí)，圓球形在篩面上的最大加速度為71.618m/s2，橢球形馬鈴薯在篩面上最大加速度為74.225m/s2，其加速度時(shí)間歷程如圖7所示。

(a)　圓球形馬鈴薯

(b)　橢球形馬鈴薯

篩面傾角為7.7°時(shí)，圓球形在篩面上的最大加速度為45.531m/s2，橢球形馬鈴薯在篩面上最大加速度為50.275m/s2，其加速度時(shí)間歷程如圖8所示。其中，細(xì)實(shí)線表示馬鈴薯的加速度，粗實(shí)線表示分離篩的加速度。

(a) 圓球形馬鈴薯

(b)　橢球形馬鈴薯

4.3試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)多次田間試驗(yàn)，通過TEMA分析田間采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與室內(nèi)分析的數(shù)據(jù)作對(duì)比：馬鈴薯在篩面上的最大加速度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間的規(guī)律在室內(nèi)外試驗(yàn)是相同的；在同一篩面傾角下，橢球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度大于圓球形馬鈴薯,橢球形馬鈴薯表皮的損傷大于圓球形馬鈴薯；同類馬鈴薯在篩面上最大加速度隨著篩面傾角的增大而降低，分離效果隨著篩面傾角的增大而降低；兩類馬鈴薯在篩面上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小；圓球形馬鈴薯在篩面運(yùn)動(dòng)的時(shí)間比橢球形馬鈴薯短。

5結(jié)論

1)借助高速攝影技術(shù)分析馬鈴薯在分離篩上的運(yùn)動(dòng)特性是可行的，采集到的攝影數(shù)據(jù)直觀、可靠。由高速攝像分析軟件(TEMA)可以準(zhǔn)確地分析出各參數(shù)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。

2)在篩面傾角為1.5°時(shí), 圓球形馬鈴薯的最大加速度為81.105m/s2,橢球形馬鈴薯的最大加速度為85.002m/s2；在篩面傾角為7.7°時(shí), 圓球形馬鈴薯的最大加速度為77.334m/s2,橢球形馬鈴薯的最大加速度為101.60m/s2。

3)由于田間的土壤等外界因素的影響，馬鈴薯在篩面上的最大加速度小于室內(nèi)試驗(yàn)篩面上馬鈴薯的最大加速度。橢球形馬鈴薯比圓球形馬鈴薯在分離篩上受到的加速度大，橢球形馬鈴薯的表皮易損傷；橢球形馬鈴薯比圓球形馬鈴薯在分離篩上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間長，橢球形馬鈴薯的分離效果較圓球形馬鈴薯好。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，兩類馬鈴薯在分離篩上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間逐漸變短，加速度增大。

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Study on the Movement Characteristics of Potato During Separating Based on High Speed Photography Technology

Su Jindian , Wang Chunguang, Xie Shengshi, Meng Jianguo

(College of Electricmechanical Engineering,Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot 010018，China)

Abstract：In order to improve the working performance and separation efficiency of the potato digger during potato soil separation process, methods of experiments indoor and outdoor have been done using the high-speed camera technology to get the motion characteristics of potatoes when they are moving on the separating sieve, aimed to reduce the damage of potatoes. After analyzing and processing of the image data, the kinetic characteristic curve of spherical and ellipsoidal potatoes moving on the separating screen has been draw out by using high-speed camera analysis software (TEMA). Finally, the conclusion about the potatoes movement principle on the sieve surface has been made, providing a reference for optimizing the separation sieve's parameters of potato harvesting machines.

Key words：potato digger ; separating sieve; high-speed camera technology; potatoes movement principle; optimization

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0181-06

中圖分類號(hào)：S225.7+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：宿金殿(1987-)，男(滿族)，呼和浩特人，碩士研究生，(E-mail)735663501@qq.com。通訊作者：王春光(1959-)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)jdwcg@imau.edu。

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導(dǎo)獎(jiǎng)勵(lì)基金項(xiàng)目(20121310)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014MS0541)

收稿日期：2015-04-06