呂金慶 王鵬榕 劉志峰 李紫輝 鄒法毅 楊德秋

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

目前中國北方粘重土壤條件下，馬鈴薯收獲機(jī)械類型較多，但收獲機(jī)械作業(yè)質(zhì)量差別較大。主要表現(xiàn)在收獲作業(yè)前、馬鈴薯殺秧作業(yè)后，秧蔓因表皮含水率過高而未完全木栓化，存在一定的韌性和強(qiáng)度，此種工況下，未安裝薯秧分離機(jī)構(gòu)的馬鈴薯收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，薯土分離效果不佳，含雜率過高，收獲質(zhì)量下降；未進(jìn)行殺秧作業(yè)，安裝薯秧分離機(jī)構(gòu)的馬鈴薯收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，容易出現(xiàn)雜草、秧蔓纏繞、堵塞薯秧分離裝置，導(dǎo)致收獲質(zhì)量下降[1-8]。所以，研究在未殺秧情況下減少馬鈴薯損傷同時(shí)提高分離效率的薯秧分離裝置具有重要意義。

國外發(fā)達(dá)國家多采用大型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行收獲作業(yè)，馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)薯秧分離裝置包括稀桿式莖葉分離器、薯塊分離器以及聯(lián)合升運(yùn)分離器等，但上述薯秧分離裝置均不適宜安裝在中小型分段式馬鈴薯收獲機(jī)上，且需要大功率驅(qū)動，油耗較大，不適宜北方一季作區(qū)的粘重土壤作業(yè)和小地塊作業(yè)[9-10]。中國馬鈴薯機(jī)械化收獲主要采用分段收獲，分段式馬鈴薯收獲機(jī)體積小，適用于小地塊收獲，符合北方一季作區(qū)的作業(yè)條件；文獻(xiàn)[11-12]設(shè)計(jì)的4UFD-1400型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)薯秧分離裝置穩(wěn)定性強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于聯(lián)合收獲機(jī)，且未安裝升運(yùn)鏈與摘秧輥間距離的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，無法根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，改變主要工作參數(shù)。甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院荊毅設(shè)計(jì)的馬鈴薯挖掘機(jī)組薯根莖分離輸送機(jī)構(gòu)工作效率高，但一級升運(yùn)鏈未配套副驅(qū)動輥，分離后的秧蔓跟隨升運(yùn)鏈向后運(yùn)動，易造成堵塞機(jī)具等問題，不適用于在不殺秧情況下進(jìn)行收獲作業(yè)。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)一種在不殺秧情況下既適用于大型聯(lián)合收獲機(jī)、也適用于中小型分段式馬鈴薯收獲機(jī)的薯秧分離裝置，通過對薯秧分離過程中的運(yùn)動學(xué)分析和分離過程中受力分析，以及分離過程中的彈性力學(xué)分析[11-16]，得出符合薯秧分離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)，并通過田間試驗(yàn)確定其最佳參數(shù)組合，以提高馬鈴薯收獲機(jī)薯秧分離的效果，降低分離后的含雜率。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的薯秧分離裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由擋秧?xiàng)U機(jī)構(gòu)、一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥及副驅(qū)動輥、升運(yùn)鏈、摘秧輥等組成。

圖1 薯秧分離裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of potato stem separation device1.擋秧?xiàng)U機(jī)構(gòu) 2.摘秧輥 3.主驅(qū)動輥 4.副驅(qū)動輥 5.升運(yùn)鏈

1.2 工作原理

挖掘鏟挖掘出的土薯、薯秧及雜草等混合物，沿鏟面向上運(yùn)動，進(jìn)入一級升運(yùn)分離篩，土壤通過鏈桿之間的間隙落下，實(shí)現(xiàn)了薯土分離，薯秧、雜草等依然在鏈條上隨著馬鈴薯薯塊向后輸送，當(dāng)輸送至薯秧分離裝置時(shí)，在擋秧?xiàng)U機(jī)構(gòu)的阻攔下，薯秧及雜草等送入摘秧輥與主驅(qū)動輥間的縫隙中，摘秧輥與主驅(qū)動輥間的距離可通過收獲機(jī)側(cè)板上的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因兩輥轉(zhuǎn)向相反，秧蔓及雜草被拽出并通過秧蔓排放口掉落在地上(如圖1所示)，在副驅(qū)動輥的作用下卷入一級升運(yùn)分離篩中的秧蔓被排放掉落在地上，抓取力度可以通過調(diào)整擋秧?xiàng)U條上方配重平衡球的位置以及摘秧輥與主驅(qū)動輪之間的縫隙大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。向上輸送的薯塊因形狀類似橢圓或圓形，可直接通過薯秧分離裝置，所以分離后的馬鈴薯薯塊繼續(xù)向后輸送，直至被升運(yùn)裝車。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 摘秧輥

摘秧輥結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)輥?zhàn)颖砻婢N合橡膠，增大摩擦力，提高摘秧效率，防止輥?zhàn)庸ぷ髅姹桓g，具有使用周期長、工作性能穩(wěn)定、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；根據(jù)雙行馬鈴薯收獲機(jī)作業(yè)幅寬[13]，本文設(shè)計(jì)摘秧輥輥?zhàn)又睆綖?3 mm，寬度為1 825 mm。

圖2 摘秧輥結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of potato stemremoval roller

2.2 擋秧?xiàng)U

擋秧?xiàng)U的結(jié)構(gòu)如圖3所示，具有調(diào)節(jié)方便、薯塊損傷率低等優(yōu)點(diǎn)；本文設(shè)計(jì)的擋秧?xiàng)U機(jī)構(gòu)由擋秧?xiàng)U、配重平衡球、機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)臂等組成；整個(gè)擋秧?xiàng)U機(jī)構(gòu)通過調(diào)節(jié)臂支座安裝在馬鈴薯收獲機(jī)的側(cè)板上，調(diào)節(jié)臂上設(shè)有5個(gè)擋位，調(diào)節(jié)角度范圍在15°～60°之間，調(diào)控?fù)跹項(xiàng)U與一級分離篩之間的距離，以便根據(jù)作業(yè)情況進(jìn)行工作參數(shù)調(diào)整；北方馬鈴薯塊莖長度在80～110 mm之間，為保證作業(yè)時(shí)薯塊順利通過，本文設(shè)計(jì)的擋秧?xiàng)U間距為120 mm，擋秧?xiàng)U的下部套有橡膠管，當(dāng)薯塊通過擋秧?xiàng)U的間隙時(shí)防止其磕碰損傷；配重平衡球單個(gè)質(zhì)量2 kg，可根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，調(diào)節(jié)配重平衡球安裝位置，防止因工作量過大導(dǎo)致的分離效果不佳等問題。

圖3 擋秧?xiàng)U結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structure diagram of block potato stem pole1.配重平衡球 2.擋秧?xiàng)U 3.機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)臂

2.3 一級升運(yùn)分離篩

一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥結(jié)構(gòu)如圖4所示，因在未殺秧工況下進(jìn)行作業(yè)，所以表面掛膠增大摩擦力，同時(shí)增大薯秧與分離篩的接觸面積，提高摘秧效率；根據(jù)雙行馬鈴薯收獲機(jī)作業(yè)幅寬，本文設(shè)計(jì)一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥輥?zhàn)又睆綖?94 mm，寬度為1 968 mm。

圖4 主驅(qū)動輥結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure diagram of main drive roller

一級升運(yùn)分離篩副驅(qū)動輥結(jié)構(gòu)如圖5所示，表面做掛膠處理，增大摩擦力，由于在未殺秧工況下進(jìn)行作業(yè)，單一的升運(yùn)分離篩易導(dǎo)致分離后的秧蔓跟隨升運(yùn)鏈向后運(yùn)動，造成堵塞機(jī)具等問題，因此將副驅(qū)動輥安裝在主驅(qū)動輥下方，工作時(shí)分離后的薯秧可在一級升運(yùn)分離篩副驅(qū)動輥?zhàn)饔孟轮苯拥袈?，具有防堵、輔助驅(qū)動升運(yùn)鏈等優(yōu)點(diǎn)；根據(jù)一級升運(yùn)分離篩安裝尺寸，本文設(shè)計(jì)一級升運(yùn)分離篩副驅(qū)動輥輥?zhàn)又睆綖?94 mm，寬度為1 968 mm。

圖5 副驅(qū)動輥結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Structure diagram of secondary drive roller

3 動力學(xué)分析及參數(shù)確定

為確定薯秧分離裝置最佳的工作參數(shù)組合，對其工作過程進(jìn)行分析，對摘秧過程中的薯秧進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析、力學(xué)分析以及彈性力學(xué)分析。薯秧分離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響薯秧升運(yùn)及分離時(shí)的運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)而影響分離效果，其中摘秧輥和驅(qū)動輥的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)以及摘秧輥與一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥之間的距離是影響薯秧分離效果的主要因素。摘秧輥與一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥之間的距離過大，會導(dǎo)致薯塊與秧蔓分離效率低；距離過小，會堵塞分離裝置；摘秧輥和驅(qū)動輥組轉(zhuǎn)速過快，會造成傷薯率偏高，且會導(dǎo)致整機(jī)結(jié)構(gòu)過長；轉(zhuǎn)速過慢，會造成升運(yùn)效果不佳、含雜率過高等問題[18]。所以針對摘秧輥與驅(qū)動輥組的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)以及摘秧輥與一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥之間距離的研究與確定具有重要意義。

3.1 摘秧過程運(yùn)動特性分析

如圖6所示，建立輸送至主驅(qū)動輥頂端的薯秧物理模型，忽略秧蔓長度，將秧蔓與薯塊看作同一整體進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析[14-18]。

圖6 薯秧分離運(yùn)動分析Fig.6 Analysis of isolation movement of potato stem

薯塊運(yùn)動速度為

(1)

式中v0——主驅(qū)動輥線速度，m/s

v1——薯塊速度，m/s

n1——主驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速，r/s

d——主驅(qū)動輥直徑，mm

r1——主驅(qū)動輥半徑，mm

ω——主驅(qū)動輥角速度，rad/s

建立輸送至主驅(qū)動輥頂端的薯秧物理模型，不忽略秧蔓長度，在擋秧?xiàng)U的作用下將秧蔓導(dǎo)入摘秧輥的喂入部分，對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析,如圖7a所示。

圖7 運(yùn)動學(xué)分析Fig.7 Kinematic analysis

薯塊繞薯秧底部O1轉(zhuǎn)動，對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析：以薯塊質(zhì)心A為研究動點(diǎn)，以此時(shí)主驅(qū)動輥線速度方向?yàn)閅軸反方向，垂直該線速度方向建立X軸。各個(gè)速度、加速度方向如圖7所示，得出

(2)

式中va——薯塊絕對速度，m/s

φ——va和Y軸夾角，(°)

ve——薯塊牽連速度，m/s

vr——薯塊相對速度，m/s

(3)

將加速度向X軸投影，得

ae,t=-ω2r1cosφ

(4)

所以ae,t方向與假設(shè)相反，角加速度為

(5)

式中aa——薯塊絕對加速度，m/s2

ae——薯塊牽連加速度，m/s2

ar——薯塊相對加速度，m/s2

ac——科氏加速度，m/s2

ω1——摘秧輥角速度，rad/s

ae,t——切向加速度，m/s2

ae,n——法向加速度，m/s2

l2——薯塊長軸長度，mm

加速度不僅反映薯秧的運(yùn)動狀態(tài)，還影響薯塊與秧蔓的分離過程中拉斷力的大小。

3.2 摘秧過程力學(xué)分析及參數(shù)確定

在上述過程中，薯塊受到力有：自身重力G、一級升運(yùn)分離篩對其的支持力FN、一級升運(yùn)分離篩對其的摩擦力f1[19-20]、秧蔓受到摘秧輥和主驅(qū)動輥共同提供的動摩擦力F，將F分解為Y軸方向Fy和X軸方向Fx，當(dāng)動摩擦力大于薯塊與秧蔓間的內(nèi)力時(shí)，秧蔓被成功摘下，方向如圖8所示。

圖8 薯秧受力分析Fig.8 Stress analysis of potato stems

當(dāng)達(dá)到薯秧分離臨界點(diǎn)時(shí)，以秧蔓為研究對象，對其進(jìn)行受力分析。

(6)

式中λ——摩擦因數(shù)

β——摩擦力與Y軸夾角，(°)

θ——重力G與X軸反向的夾角，(°)

T——摩擦力對薯塊的力矩，N·m

轉(zhuǎn)動慣量為

(7)

整理得

(8)

式中m1——秧蔓質(zhì)量，kg

m2——薯塊質(zhì)量，kg

JO——薯秧整體轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

JO1——秧蔓轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

JO2——薯塊轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

JC——薯塊質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

l1——秧蔓長度，mm

拉斷力Fx為

(9)

其中

整理得

(10)

查閱文獻(xiàn)[21]，薯秧拉斷力為0.23～0.35 kN，北方一季作區(qū)馬鈴薯薯塊質(zhì)量為100～380 g，秧蔓質(zhì)量200～500 g，秧蔓長度800～1 200 mm，根據(jù)上述分析，由于在未殺秧?xiàng)l件下進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)田間薯秧的含水率較高、韌性較強(qiáng)，且在粘重土壤條件下土壤石塊等硬度較大、沖擊力較強(qiáng)，較小的升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速可有效降低種薯損傷，較大的升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速可探究造成種薯損傷的臨界條件，故適當(dāng)擴(kuò)大速度選取范圍，尋找最優(yōu)參數(shù)組合，取摘秧輥轉(zhuǎn)速為3.0～9.0 r/s，所以取一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥的線速度為0.8～2.4 m/s。

3.3 薯秧分離彈性力學(xué)模型建立及參數(shù)確定

薯秧在分離過程中會產(chǎn)生一定的彈性變形，為更真實(shí)地模擬薯秧在分離過程中受力，結(jié)合彈性力學(xué)將其離散化[22-23]，如圖9所示建立彈性力學(xué)模型，其中單元1為秧蔓，單元2為薯塊，當(dāng)薯秧分離時(shí)，薯塊內(nèi)部的秧蔓沿其軸線方向做線性運(yùn)動，共包括3個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖9 模型圖Fig.9 Diagram of simulation model

圖中u1——節(jié)點(diǎn)1位移，mm

u2——節(jié)點(diǎn)2位移，mm

u3——節(jié)點(diǎn)3位移，mm

P3——節(jié)點(diǎn)3右端所受外力，N

秧蔓沿其軸線方向運(yùn)動，選取薯塊內(nèi)部秧蔓分離位置進(jìn)行分析，位移方程為

ue(x)=a+bx

(11)

式中a——節(jié)點(diǎn)i的位移，mm

b——節(jié)點(diǎn)j的位移，mm

該部位模型如圖10所示。

圖10 彈性力學(xué)模型圖Fig.10 Diagram of simulation model of elastic mechanics

故對于節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j，當(dāng)x=0和x=l時(shí)有

(12)

位移方程矩陣表達(dá)式為

(13)

式中l(wèi)——模型長度，mm

N(x)——薯秧位移形狀函數(shù)矩陣

δe——模型位移矢量矩陣

對于薯秧離散化模型，整個(gè)系統(tǒng)勢能為

ξ=∑Ue-Wp

(14)

(15)

式中Ue——應(yīng)變能，J

Wp——外力功，J

σ——模型應(yīng)力，Pa

ε——模型應(yīng)變

E——模型彈性模量

A——模型橫截面積，mm2

根據(jù)彈性力學(xué)位移與應(yīng)變的關(guān)系，并積分到應(yīng)變能Ue的矩陣表達(dá)式

(16)

式中Ke——?jiǎng)偠染仃?/p>

對于本模型P1=0，P2為薯秧內(nèi)力，當(dāng)

(17)

得到平衡方程

Kδ-P=0

(18)

式中P——節(jié)點(diǎn)力，N

K——模型剛度矩陣

δ——位移矢量

本模型節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)力矢量矩陣表達(dá)式為

(19)

(20)

剛度矩陣Ke為

(21)

(22)

式中E1——模型1彈性模量

E2——模型2彈性模量

A1——模型1橫截面積，mm2

A2——模型2橫截面積，mm2

由于總未知量有3個(gè)，所以總剛度矩陣的階數(shù)為3，查閱資料，可采用將Ke中與ui對應(yīng)元素相加的方法處理，總平衡方程矩陣表達(dá)式為

(23)

查閱資料，本模型按照規(guī)定位移的方法進(jìn)行約束處理，則節(jié)點(diǎn)3處的力為

(24)

故分離力的大小與其力臂長度成反比，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，摘秧輥與一級升運(yùn)分離篩之間的距離為2～5 mm，為使裝置正常工作，且便于安裝和調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)摘秧輥與一級升運(yùn)分離篩之間的距離為2～3 mm。

綜上所述，一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速、摘秧輥轉(zhuǎn)速、摘秧輥和一級升運(yùn)分離篩之間的距離直接影響薯秧分離的效果，進(jìn)而影響收獲機(jī)的工作質(zhì)量。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

薯秧分離裝置實(shí)際安裝如圖11所示，為確定分離裝置的最佳工作參數(shù)，于2018年9月在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地(作業(yè)面積4 hm2、黑粘土)、黑龍江省克山(作業(yè)面積4 hm2、黑粘土)霜降前進(jìn)行了田間收獲試驗(yàn)，試驗(yàn)前不進(jìn)行殺秧作業(yè)，薯秧含水率較低。試驗(yàn)地為旱地壟播，試驗(yàn)區(qū)的壟長大于500 m，壟距為800 mm，壟高280 mm，耕作層土壤含水率范圍為7.9%～16%。品種為：大西洋、克新19，壟播株距約為200 mm，結(jié)薯深度為180～330 mm。馬鈴薯挖掘機(jī)配套動力為約翰迪爾1354型拖拉機(jī)，其功率為100.7 kW，田間作業(yè)情況如圖12所示。

圖11 薯秧分離裝置實(shí)物圖Fig.11 Picture of potato stem separation device

圖12 收獲試驗(yàn)Fig.12 Harvest experiment

4.2 評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的試驗(yàn)方法，在壟播旱地類型馬鈴薯種植田地進(jìn)行收獲試驗(yàn)。通過考察馬鈴薯收獲機(jī)薯秧分離裝置的分離效果，以一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥線速度、摘秧輥轉(zhuǎn)速、一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥與摘秧輥之間的距離為因素進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，測定含雜率為試驗(yàn)指標(biāo)，含雜率指薯箱中薯塊的雜質(zhì)含量，為薯箱中雜質(zhì)質(zhì)量與雜質(zhì)質(zhì)量及薯塊質(zhì)量和的比值。試驗(yàn)完成后，隨機(jī)選取5組薯塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測量[23]。

4.3 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

4.3.1試驗(yàn)方案及結(jié)果

采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排試驗(yàn)，以含雜率為試驗(yàn)指標(biāo)，根據(jù)摘秧過程中的力學(xué)與運(yùn)動學(xué)分析得各因素水平范圍：一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥線速度為0.8～2.4 m/s、摘秧輥轉(zhuǎn)速為3.0～9.0 r/s、一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥與摘秧輥之間的距離為2～3 mm，田間試驗(yàn)過程中由于所用拖拉機(jī)轉(zhuǎn)速固定為760 r/min，因此通過在收獲機(jī)側(cè)板安裝齒輪箱，并根據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)出試驗(yàn)所需的16、19、32齒等齒數(shù)的齒輪，實(shí)現(xiàn)與一級升運(yùn)分離篩、摘秧輥速度的匹配，通過收獲機(jī)側(cè)板上的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥與摘秧輥之間距離的改變。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到影響試驗(yàn)指標(biāo)的顯著性，根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求對各參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化，最終得到合適的各因素水平組合。試驗(yàn)因素編碼如表1所示，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Experimental factors and codes

4.3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到含雜率Y作為試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test plan and experimental results

表3 含雜率Y方差分析Tab.3 Variance analysis for impurity rate

注：/后數(shù)字為剔除不顯著因素后含雜率Y方差分析結(jié)果：*** 表示極顯著(P<0.01)；** 表示顯著(0.01

(25)

對上述回歸方程進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示，試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系，分析結(jié)果合理。

4.3.3響應(yīng)曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)的處理[24-25]，得出一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥線速度x1、一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥與摘秧輥距離x3影響含雜率Y的響應(yīng)曲面，如圖13所示。

圖13 因素影響含雜率的響應(yīng)曲面Fig.13 Response surface of impurity rate

如圖13所示，當(dāng)分離篩與摘秧輥距離一定時(shí)，含雜率Y整體隨著一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥線速度的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，最優(yōu)的一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥線速度范圍為1.43～2.08 m/s；當(dāng)一級分離篩主驅(qū)動輥線速度一定時(shí)，含雜率Y整體上與分離篩主驅(qū)動輥與摘秧輥間距離成正相關(guān)，最佳距離范圍為2.20～2.50 mm，其中一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥線速度是影響含雜率的主要試驗(yàn)因素。

4.3.4參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

通過對圖13中響應(yīng)曲面的分析，為得到最佳的試驗(yàn)因素水平組合，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對回歸模型進(jìn)行求解，根據(jù)馬鈴薯收獲機(jī)作業(yè)時(shí)的實(shí)際工作條件、作業(yè)要求及上述相關(guān)理論模型分析結(jié)果選擇優(yōu)化約束條件[28]，為

(26)

通過優(yōu)化求解，得到一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥線速度范圍為1.43～2.08 m/s，摘秧輥轉(zhuǎn)速范圍為3.00～9.00 r/s，一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥與摘秧輥距離范圍為2.20～2.50 mm時(shí)，薯秧分離裝置分離性能最好，含雜率為2.2%～3.0%。

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)測試方法與正交試驗(yàn)相同，對經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化調(diào)節(jié)后薯秧分離裝置的分離效果進(jìn)行驗(yàn)證，并與標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指標(biāo)進(jìn)行對比，進(jìn)而驗(yàn)證馬鈴薯收獲機(jī)薯秧分離裝置的分離性能。

馬鈴薯收獲機(jī)薯秧分離裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)選擇為：一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥線速度為1.6 m/s、摘秧輥轉(zhuǎn)速為9.0 r/s、一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥與摘秧輥距離為2.5 mm。將上述因素水平進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，其中測量結(jié)果為3次測量的平均值，測得本設(shè)計(jì)的馬鈴薯收獲機(jī)薯秧分離裝置的含雜率2.4%，與優(yōu)化所得結(jié)果基本一致，且均明顯優(yōu)于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其含雜率較低，是由于一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥線速度足夠大，能夠使薯秧快速通過擋秧?xiàng)U，并且迅速接觸摘秧輥，使得薯秧順利摘落，且摘秧輥轉(zhuǎn)速和分離篩與摘秧輥之間距離等工作參數(shù)合理，提升分離效果，降低含雜率。驗(yàn)證試驗(yàn)表明相關(guān)優(yōu)化組合合理，按優(yōu)化參數(shù)調(diào)節(jié)后的馬鈴薯收獲機(jī)薯秧分離裝置有效提高了薯秧分離效果，滿足作業(yè)要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的在不殺秧情況下既適用于大型聯(lián)合收獲機(jī)也適用于分段式馬鈴薯收獲機(jī)的薯秧分離裝置，能夠滿足旱地壟播條件下的馬鈴薯收獲作業(yè)。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，提高了薯秧、雜草、地膜等雜物的分離效率。

(2)進(jìn)行田間試驗(yàn)，建立了試驗(yàn)指標(biāo)與影響因素的回歸模型，并進(jìn)行優(yōu)化求解，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥線速度為1.6 m/s、摘秧輥轉(zhuǎn)速為9.0 r/s、一級升運(yùn)分離篩主驅(qū)動輥與摘秧輥距離為2.5 mm時(shí)，相應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)含雜率為2.4%，該指標(biāo)優(yōu)于國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。