呂金慶 楊曉涵 呂伊寧 李紫輝 李季成 杜長霖

(東北農(nóng)業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

馬鈴薯機械化收獲是馬鈴薯全程機械化的關鍵環(huán)節(jié)，可大幅提高勞動效率、增產(chǎn)增收[1]。目前，升運鏈式馬鈴薯收獲機因薯土混合物分離效果好、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好而被廣泛使用。但在收獲過程中，馬鈴薯塊莖與升運分離裝置碰撞造成的機械損傷也隨之增加，嚴重影響收獲后馬鈴薯的儲存、銷售等，進而直接影響其經(jīng)濟效益[2-6]，因此，如何減少馬鈴薯收獲過程中塊莖機械損傷成為亟待解決的問題。

國外對于馬鈴薯機械損傷的研究較早[7-9]，進行了大量的田間試驗，并且結(jié)合人造動態(tài)測試球等高新技術，能夠有效降低馬鈴薯機械損傷。國內(nèi)學者桑永英等[10]對馬鈴薯碰撞損傷進行試驗研究，并進行有限元分析，建立了馬鈴薯碰撞模型；文獻[11-13]對馬鈴薯損傷機理進行了研究；張建華等[14]進行了馬鈴薯塊莖性狀對塊莖損傷的影響研究；張華等[15]對機械收獲中馬鈴薯損傷原因進行分析，并提出改進措施。國內(nèi)學者對馬鈴薯損傷的研究多集中在馬鈴薯動態(tài)力學特性、損傷機理等方面，對收獲過程中由升運分離裝置碰撞所造成的機械損傷研究較少。馬鈴薯收獲過程產(chǎn)生機械損傷主要與其工作參數(shù)配置不合理有關。

針對上述問題，本文對升運過程馬鈴薯損傷機理進行理論分析，明確影響馬鈴薯機械損傷的主要因素，并確定影響因素的試驗取值范圍，搭建試驗臺，進行馬鈴薯挖掘機升運分離裝置優(yōu)化試驗，以期獲得馬鈴薯挖掘機升運裝置最優(yōu)的工作參數(shù)組合。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

馬鈴薯升運分離裝置試驗臺主要由一級升運裝置驅(qū)動電機、一級升運裝置、U形卡、二級升運裝置、二級升運裝置主驅(qū)動輪軸、機架、二級升運裝置驅(qū)動電機等組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 馬鈴薯機械損傷試驗臺整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Integral structure diagrams of potato mechanical damage test-bed1.一級升運裝置驅(qū)動電機 2.U形卡 3.一級升運裝置 4.二級升運裝置 5.二級升運裝置主驅(qū)動輪軸 6.機架 7. 二級升運裝置驅(qū)動電機

1.2 工作原理和主要技術參數(shù)

1.2.1工作原理

一級升運裝置通過U形卡連接在機架上，工作時，一級升運裝置在一級升運裝置驅(qū)動電機的驅(qū)動下帶動馬鈴薯向二級升運裝置方向運動，當馬鈴薯運動到一級升運裝置末端時，薯塊被拋出，掉落至二級升運裝置上，二級升運裝置在二級升運裝置驅(qū)動電機的驅(qū)動下產(chǎn)生線速度，同時帶動馬鈴薯做斜拋運動，馬鈴薯在重力的作用下落回升運鏈。

1.2.2主要技術參數(shù)

馬鈴薯機械損傷試驗臺主要用于馬鈴薯挖掘機升運過程中馬鈴薯塊莖機械損傷試驗，其主要參數(shù)如表1所示。

2 馬鈴薯升運分離碰撞過程機理分析

薯土混合物經(jīng)挖掘鏟挖起，由一級升運分離裝置進行初步薯土混合物分離，隨后運動到一級升運分離裝置末端，被拋送至二級升運分離裝置，在抖動器的作用下，薯塊在鏈面上不斷地被拋起落下，最后在二級升運裝置末端被拋送至地面[16-18]。由以上分析可知，在薯塊升運分離過程中發(fā)生碰撞繼而產(chǎn)生損傷的時刻主要是：薯塊在一級升運鏈末端被拋出與二級升運鏈桿條相碰撞；在二級升運分離裝置上被拋起落下時與鏈面桿條碰撞；薯塊在二級升運鏈末端被拋出與地面發(fā)生碰撞。因此薯塊產(chǎn)生損傷過程可歸結(jié)為薯塊與桿條發(fā)生碰撞和薯塊與平面發(fā)生碰撞，具體過程如圖2所示。

表1 馬鈴薯機械損傷試驗臺主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of potato mechanical damage test-bed

圖2 薯塊運動過程示意圖Fig.2 Schematic of potato block movement process

2.1 拋落階段運動學分析

2.1.1薯塊在升運鏈末端的拋落運動學分析

由上述可知，薯塊產(chǎn)生損傷的時刻主要為薯塊與桿條的撞擊和薯塊與地面的撞擊。雖然薯塊在第二級升運鏈上拋落至地面的跌落高度比薯塊在一級升運裝置拋落至二級升運裝置的跌落高度大，但在二級升運鏈末端薯塊所掉落至的地面為經(jīng)挖掘和薯土分離后的土壤，土質(zhì)較疏松，薯塊與地面撞擊產(chǎn)生的損傷相比于薯塊與二級升運鏈撞擊產(chǎn)生的損傷較小，因此本文對薯塊與地面的碰撞不做分析，只選取薯塊在一級升運鏈末端的運動做運動分析，運動過程分析圖如圖3所示。

圖3 一級升運鏈末端拋薯運動分析Fig.3 Analysis of movement of the first-stage elevator chain

因一級升運鏈與地面存在一定夾角，薯塊在一級升運鏈末端被拋出時速度方向沿一級升運鏈線速度方向，豎直方向先做勻減速運動，到達最高點后做勻加速直線運動至與桿條碰撞，其豎直上升最大高度為

(1)

式中v0——薯塊由一級升運鏈末端拋出速度，m/s

η——一級升運鏈與地面夾角，(°)

g——重力加速度，取9.8 m/s2

h0——薯塊上升高度，mm

馬鈴薯挖掘機一級升運鏈傾角一般為22°～34°，本文取25°，一級升運鏈線速度一般為1.6～2.0 m/s，本文取1.8 m/s，代入式(1)計算得馬鈴薯被拋出后上升高度h0為3 mm。

薯塊上升至最大高度后在重力作用下下落，薯塊與桿條發(fā)生碰撞豎直方向速度為

(2)

式中h1——薯塊從一級升運鏈末端跌落高度，mm

薯塊在水平方向做勻速直線運動，則薯塊與桿條碰撞水平方向速度為

vt1x=v0cosη

(3)

經(jīng)計算得vt1x=1.63 m/s。

薯塊最終與桿條碰撞速度為

(4)

2.1.2薯塊在二級升運鏈的拋落運動學分析

馬鈴薯在二級升運鏈上的運動過程中，將鏈面視為平面，并將馬鈴薯塊莖視為質(zhì)點，忽略薯塊在這一過程中發(fā)生的滾動以及空氣阻力對薯塊的影響。將被拋起至回落過程的運動視為與薯塊被拋起前的運動處于同一平面，此過程薯塊的運動軌跡示意圖如圖4所示。

圖4 薯塊的拋起輸送過程運動學分析Fig.4 Kinematics analysis of process of throwing and conveying potato chips

以機架為參考對象，以薯塊剛與二級升運鏈脫離瞬間薯塊質(zhì)心點為坐標系原點O，水平向右方向為X軸正向，豎直向上方向為Y軸正向建立直角坐標系。vtx和vty分別為薯塊與桿條薯塊在二級升運鏈上被拋起掉落時與桿條碰撞速度的水平分速度和豎直分速度；薯塊斜拋運動速度表達為

(5)

式中vx——薯塊斜拋運動過程水平方向速度，m/s

vy——薯塊斜拋運動過程豎直方向速度，m/s

v1——薯塊受抖動器作用產(chǎn)生的垂直于升運鏈平面的速度，m/s

v2——二級升運鏈線速度，m/s

t——薯塊斜拋運動時間，s

θ——升運鏈平面與X軸夾角，(°)

水平及豎直方向位移表達式為

(6)

在t1時刻薯塊到達最大拋起高度，此時vy=0，其被拋起最大高度為

(7)

此后薯塊在豎直方向上做勻加速運動，直至在t2時刻落到升運鏈平面上，因升運鏈平面與水平面呈一定角度，其落點位置如圖4所示。

當豎直位移fy=0時，薯塊最大水平位移為

(8)

為了方便計算，近似將∠OAB視為直角，則OA間豎直位移為

(9)

在接觸時刻t2，碰撞速度表達式為

(10)

由式(10)可知，在薯塊受抖動器作用產(chǎn)生的垂直于升運鏈平面的速度一定時，馬鈴薯與桿條碰撞速度主要與二級升運鏈線速度、二級升運鏈傾角有關。為了保證薯土混合物分離輸送順暢，不發(fā)生堵塞情況，升運鏈線速度v2應略大于機器前進速度vp[19]，即

vp=λv2

(11)

式中λ——速比，一般取0.8～2.5，本文取0.8

馬鈴薯挖掘機機具前進速度一般為0.8～1.8 m/s，根據(jù)式(11)可得二級升運鏈線速度范圍為1.0～2.25 m/s，考慮到實際調(diào)節(jié)準確性，將線速度取值上限取整處理，最終二級升運鏈線速度取值范圍選定為1.0～2.2 m/s。

2.2 撞擊階段能量學分析

薯塊撞擊過程分為兩個階段：首先是開始與桿條接觸時發(fā)生壓縮變形，當薯塊局部應力達到材料屈服極限時，彈性變形階段結(jié)束；薯塊繼續(xù)向下沖擊，發(fā)生塑性變形，當薯塊速度降低為零時，彈塑性變形階段結(jié)束；此時薯塊局部產(chǎn)生最大變形量，隨后薯塊發(fā)生回彈，彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能，薯塊產(chǎn)生的加速度使之與撞擊物體分離，該階段為回彈卸荷階段[20-24]。

兩物體碰撞時有兩種分類：正碰和斜碰。正碰指相互撞擊兩物體初速度方向與兩物體中心連線方向共線；斜碰是指初速度方向和兩球心連線方向不共線；在實際碰撞發(fā)生時，正碰是斜碰的一個特例，斜碰是更為普遍的現(xiàn)象，尤其是大角度碰撞過程中，摩擦力的作用十分明顯，所以在碰撞過程中不能忽略摩擦對損傷的影響。

馬鈴薯作為彈塑性體，薯塊的塑性變形是撞擊產(chǎn)生損傷的主要控制階段。法向塑性變形與切向摩擦是撞擊過程中能量損失最主要部分，也是回彈系數(shù)小于1的原因[25]。

2.2.1薯塊與桿條撞擊法向加載過程能量分析

薯塊法向加載過程如圖5所示，位置1為薯塊剛與桿條接觸瞬間，隨著薯塊沿其速度方向的運動，桿條與薯塊產(chǎn)生的沖擊力逐漸加大，薯塊開始發(fā)生彈性形變，到達位置2時，達到彈性變形最大壓縮量。

圖5 法向加載過程示意圖Fig.5 Schematic of normal loading process

根據(jù)接觸力學，載荷與壓縮變形量的關系為

(12)

式中F——接觸載荷，N

E*——綜合彈性模量，MPa

R*——壓縮等效半徑，mm

δ——壓縮變形量，mm

綜合彈性模量為

(13)

式中E1——馬鈴薯彈性模量

E2——桿條彈性模量

μ1——馬鈴薯泊松比

μ2——桿條泊松比

馬鈴薯彈性模量為4.15×106Pa，泊松比為0.57[26]；本文桿條材料選用65Mn鋼，查閱《機械設計手冊》[27]，桿條彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，代入式(13)計算可得，綜合彈性模量為0.17 MPa。

壓縮等效半徑為

(14)

式中R1——薯塊短軸半徑，mm

R2——桿條半徑，mm

經(jīng)實際測量后取平均值，可得薯塊短軸半徑為23 mm；查閱《農(nóng)業(yè)機械手冊》[28]，馬鈴薯挖掘機升運鏈半徑一般為6 mm，代入式(14)計算可得，壓縮等效半徑為4.8 mm。

彈塑性材料屈服應力與壓縮變形量之間的關系為

(15)

式中δy——薯塊屈服變形量，mm

σy——薯塊屈服應力，Pa

C——系數(shù)，經(jīng)計算為1.59

將式(15)代入式(12)得薯塊屈服壓力為

(16)

屈服時屈服壓力做功為

(17)

2.2.2薯塊與桿條撞擊切向沖擊過程能量分析

由于大多數(shù)情況下薯塊與桿條發(fā)生碰撞時速度方向不共線，薯塊與桿條發(fā)生的碰撞屬于斜碰[29-33]。考慮到馬鈴薯與桿條碰撞屬于低速碰撞，因此假設切向力近似等于摩擦力，薯塊在位置1時與桿條接觸于C，當薯塊與桿條相對運動到位置2時，C點運動到D點，lCD即為薯塊運動距離，馬鈴薯與桿條斜碰過程如圖6所示。

切向力表達式為

(18)

式中β——薯塊初始入射角，(°)

α——黏滯與滑動的臨界摩擦角，(°)

Fn——薯塊所受桿條支持力，N

k——薯塊與桿條間摩擦因數(shù)，本文取0.269

當β/α≤1時，接觸區(qū)間無相對運動趨勢，在整個撞擊過程中不存在微滑和滑動，當β/α>1時，接觸區(qū)發(fā)生滑動，即產(chǎn)生摩擦力。

因薯塊與桿條發(fā)生斜碰時，初始入射角與臨界摩擦角比值大于1，會發(fā)生滑動現(xiàn)象。

薯塊初始入射角β在0～90°之間，本文取45°進行計算，則薯塊所受切向力為

(19)

式中m——薯塊質(zhì)量，kg

t′——薯塊與桿條接觸時間，s

薯塊與桿條接觸滑動位移為

(20)

則切向力做功為

(21)

式中e——切向力恢復系數(shù)，處于0～1之間

根據(jù)薯塊與桿條撞擊時運動的兩個階段可知，薯塊撞擊桿條的動能轉(zhuǎn)化為：薯塊發(fā)生彈性變形所做的功、切向摩擦力所做的功和薯塊產(chǎn)生塑性變形即產(chǎn)生損傷的能量。

根據(jù)能量守恒定律，薯塊產(chǎn)生損傷的能量為

(22)

綜上可知，在薯塊質(zhì)量、力學特性、一級升運鏈線速度、桿條的半徑、材料、力學特性、升運鏈平面抖動速度等因素確定時，薯塊與桿條碰撞產(chǎn)生機械損傷的主要影響因素為薯塊與桿條撞擊速度。

薯塊與桿條撞擊若不產(chǎn)生損傷，則應盡量使Wq趨近于0，即盡可能滿足

(23)

由式(4)、(10)可知，薯塊與桿條撞擊速度vt與跌落高度h、升運鏈線速度v2、二級升運鏈傾角θ有關。收獲期馬鈴薯質(zhì)量m為100～400 g，恢復系數(shù)e為0.58～0.72；查閱文獻可知，二級升運鏈傾角一般為18°～27°，較大的傾角可提高升運分離效率，較小的傾角可降低薯塊拋起高度，為了更好地探究升運鏈傾角對馬鈴薯機械損傷的影響，適當擴大升運鏈傾角選取范圍，試驗取值范圍確定為16°～30°；確定馬鈴薯跌落高度取值范圍時，應兼顧機器安裝位置及一級升運鏈分離效果，跌落高度較低雖然有利于降低馬鈴薯損傷，但會導致一級升運鏈傾角減小，一級升運分離效果不好，不利于整機綜合性能的提升。根據(jù)上文分析和式(11)理論計算結(jié)果，選取升運鏈線速度試驗取值范圍為1.0～2.2 m/s；升運鏈傾角試驗取值范圍為16°～30°；跌落高度試驗取值范圍為200～400 mm。

3 試驗及結(jié)果分析

3.1 試驗材料與裝置

試驗于2018年10月進行，試驗地點為東北農(nóng)業(yè)大學北方馬鈴薯全程機械化試驗基地。選擇收獲3 d之內(nèi)的尤金885為試驗用種，試驗所用馬鈴薯均無內(nèi)部損傷和外部可見損傷，單顆種薯平均長、寬、厚為83.47、62.65、55.25 mm，平均形狀指數(shù)為0.797，頂部平均曲率半徑18.53 mm，中部平均曲率半徑43.22 mm，底部平均曲率半徑19.41 mm，馬鈴薯質(zhì)量范圍為100～400 g，平均含水率73.2%。利用馬鈴薯機械損傷試驗臺進行試驗，試驗過程如圖7所示。

圖7 試驗過程Fig.7 Test process

3.2 評價指標與測量方法

3.2.1評價指標

參考SB/T 10968—2013《加工用馬鈴薯流通規(guī)范》，根據(jù)實際情況將薯塊損傷分為內(nèi)部損傷、破裂傷和表皮嚴重擦傷。本試驗采用變色灰度增加值、紋理裂開長度、表皮損傷面積來評價各級損傷。為了對單個薯塊各級損傷程度進行綜合評價，對以上3種測量結(jié)果進行權重分配，由于不同評價指標之間的量綱不同，首先需要對所有測量值進行無量綱化處理

(24)

式中Xm(k)——評價指標m中第k個元素的原始數(shù)據(jù)

ψm——同一評價指標的標準差

損傷綜合指數(shù)[34]計算方法為

I=0.25X′S+0.35X′K+0.4X′L

(25)

式中X′S——無量綱化處理后表皮擦傷面積

X′K——無量綱化處理后變色灰度增加值

X′L——無量綱化處理后紋理裂開長度

傷薯率計算公式為

(26)

式中ni——產(chǎn)生損傷薯塊個數(shù)

n——試驗薯塊總個數(shù)

以損傷綜合指數(shù)和傷薯率作為馬鈴薯機械損傷試驗評價指標。

3.2.2測量方法

損傷綜合指數(shù)計算中各數(shù)值具體采集方法如下：試驗后需對損傷薯塊進行初步分類和處理，將有外部損傷薯塊在室溫(20～26℃)中靜置48 h，使用ScanTech HSCAN331型手持式激光三維掃描儀對外部損傷塊莖進行掃描，將采集的塊莖點云數(shù)據(jù)導入Geomagic StuIo進行封裝，將受損表皮圈出后使用計算工具對表皮損傷面積進行分析；將有內(nèi)部損傷塊莖切片，-30℃冷凍3 h后解凍處理，使用SONY DSC-H50型相機對變色區(qū)域進行拍照處理，在Adobe Photoshop CS6中計算變色灰度增加值；將產(chǎn)生開裂損傷的薯塊沿裂縫滴入黑色墨水后切開，使用精度為0.02 mm的游標卡尺對裂縫深度進行測量；將以上所測得值根據(jù)式(25)換算為損傷綜合指數(shù)。測量過程如圖8所示。

圖8 測量過程Fig.8 Measurement process

3.3 試驗方案與結(jié)果分析

3.3.1試驗方案與結(jié)果

采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗設計方法安排試驗，以跌落高度200～400 mm、二級升運鏈線速度1.0～2.2 m/s和二級升運鏈傾角16°～30°為試驗因素；以損傷綜合指數(shù)和傷薯率為試驗指標。試驗時，可通過調(diào)節(jié)一級升運裝置在機架上的安裝高度來調(diào)節(jié)馬鈴薯跌落至升運鏈的跌落高度；通過調(diào)節(jié)升運鏈驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速能夠調(diào)節(jié)升運鏈線速度；通過調(diào)節(jié)升運鏈主驅(qū)動輪軸在機架上的安裝位置調(diào)節(jié)升運鏈傾角。通過試驗結(jié)果對影響試驗指標的因素進行顯著性分析，根據(jù)實際需求及前文中確定的參數(shù)范圍，對各參數(shù)組合進行優(yōu)化，最終獲得較合適的各因素組合。試驗因素編碼如表2所示，試驗方案及結(jié)果如表3所示。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Experimental factors codes

表3 試驗方案與結(jié)果Tab.3 Test plan and experimental data

3.3.2結(jié)果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行二次回歸分析，并進行多元回歸擬合[35-36]，得到損傷綜合指數(shù)I和傷薯率N回歸方程，并進行顯著性檢驗。

(1)損傷綜合指數(shù)I回歸模型的建立與顯著性分析

(27)

對上述回歸方程進行失擬檢驗，結(jié)果如表4所示，失擬項P=0.505 9，不顯著(P>0.1)，證明不存在其他影響試驗指標的主要因素。試驗指標和試驗因素存在顯著的二次關系，分析結(jié)果合理。

(2)傷薯率N回歸方程的建立與顯著性檢驗

表4 損傷綜合指數(shù)I方差分析Tab.4 Variance analysis for damage comprehensive index

注：“/”后數(shù)字為剔除不顯著因素后損傷綜合指數(shù)方差分析結(jié)果；*** 表示極顯著(P<0.01)；** 表示顯著(0.01

表5 傷薯率N方差分析Tab.5 Variance analysis for injury rate

(28)

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，如表5所示，其中P=0.315 0，不顯著(P>0.1)，證明不存在其他影響指標的主要因素，試驗指標和試驗因素存在顯著的二次關系，分析結(jié)果合理。

3.3.3響應曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)的處理，得出跌落高度x1、二級升運鏈傾角x2、二級升運鏈線速度x3之間的顯著和較顯著交互作用對損傷綜合指數(shù)I、傷薯率N兩個試驗指標影響的響應曲面，如圖9所示。

圖9 損傷綜合指數(shù)和傷薯率的雙因素響應曲面Fig.9 Response surfaces of double parameters about damage composite index and damage potato rate

如圖9a所示，跌落高度一定時，損傷綜合指數(shù)隨著二級升運鏈傾角的增加呈逐漸減小趨勢，最優(yōu)的二級升運鏈傾角范圍為21.6°～27.2°；當二級升運鏈傾角一定時，損傷綜合指數(shù)與跌落高度成正相關，最優(yōu)的跌落高度在240.5～302.6 mm范圍內(nèi)，其中，跌落高度是影響損傷綜合指數(shù)的主要試驗因素。

如圖9b所示，當二級升運鏈傾角一定時，損傷綜合指數(shù)整體上隨著二級升運鏈線速度的增加呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，最優(yōu)的二級升運鏈線速度范圍為1.2～1.6 m/s；當二級升運鏈線速度一定時，損傷綜合指數(shù)整體上與二級升運鏈傾角成負相關，最佳的二級升運鏈傾角范圍為22.4°～27.2°，其中，二級升運鏈線速度是影響損傷綜合指數(shù)的主要試驗因素。

如圖9c所示，當二級升運鏈傾角一定時，傷薯率整體上隨著二級升運鏈線速度的增加呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，最優(yōu)的二級升運鏈線速度范圍為1.2～1.5 m/s；當二級升運鏈線速度一定時，傷薯率整體上與二級升運鏈傾角成負相關，最佳的二級升運鏈傾角范圍為23.3°～27.2°，其中，二級升運鏈線速度是影響傷薯率的主要試驗因素。

3.3.4參數(shù)優(yōu)化

通過對圖9中3個響應曲面的分析，得到最佳的試驗因素水平組合，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對3個回歸模型進行求解，根據(jù)馬鈴薯挖掘機收獲作業(yè)的實際工作條件、作業(yè)性能要求及上述相關模型分析結(jié)果，選擇優(yōu)化約束條件為

(29)

通過優(yōu)化求解，得到跌落高度為220～290 mm、二級升運鏈線速度為1.32～1.45 m/s、二級升運鏈傾角為25°～27°時，升運分離裝置導致馬鈴薯機械損傷最小，損傷綜合指數(shù)為0.23～0.52，傷薯率為2.6%～4.2%。

3.4 田間驗證試驗

田間驗證試驗的測試方法與正交試驗相同，比較經(jīng)過優(yōu)化調(diào)節(jié)參數(shù)后的損傷綜合指數(shù)和傷薯率與未經(jīng)優(yōu)化調(diào)節(jié)參數(shù)的損傷綜合指數(shù)和傷薯率之間的差異，進而驗證參數(shù)優(yōu)化后升運鏈式馬鈴薯挖掘機升運分離裝置的減損效果。

分別以傳統(tǒng)馬鈴薯挖掘機升運分離裝置的作業(yè)參數(shù)：升運鏈線速度1.6 m/s、升運鏈傾角18°、跌落高度260 mm，優(yōu)化后并考慮實際加工及作業(yè)情況得到的馬鈴薯挖掘機升運分離裝置的作業(yè)參數(shù)：二級升運鏈線速度1.42 m/s、二級升運鏈傾角27°、跌落高度220 mm進行試驗。試驗過程如圖10所示，對試驗結(jié)果進行分析統(tǒng)計，試驗結(jié)果為馬鈴薯挖掘機采用傳統(tǒng)升運鏈參數(shù)工作時，薯塊損傷綜合指數(shù)為1.06、傷薯率為7.3%；馬鈴薯挖掘機采用優(yōu)化升運鏈參數(shù)工作時，薯塊損傷綜合指數(shù)為0.43、傷薯率為3.6%。

田間試驗中薯塊有土壤包裹，對薯塊在一定程度上起到保護作用，升運分離過程中薯塊損傷情況應少于試驗臺試驗薯塊損傷情況，田間試驗結(jié)果會與試驗臺試驗結(jié)果存在一定誤差。本文田間試驗區(qū)土壤為沙質(zhì)土壤，在一級升運鏈上土壤與薯塊基本分離完成，故薯塊在二級升運分離裝置上的損傷情況與試驗臺試驗薯塊損傷情況基本一致。

圖10 田間驗證試驗Fig.10 Process of field validation test

優(yōu)化后的馬鈴薯挖掘機作業(yè)參數(shù)下的馬鈴薯升運過程塊莖機械損傷情況明顯低于傳統(tǒng)馬鈴薯挖掘機作業(yè)參數(shù)下的馬鈴薯升運過程塊莖機械損傷情況。驗證試驗表明相關優(yōu)化組合合理，按優(yōu)化參數(shù)調(diào)節(jié)后的馬鈴薯挖掘機升運分離裝置可有效降低馬鈴薯升運過程中機械損傷情況。

4 結(jié)論

(1)通過對馬鈴薯升運過程的運動學分析和馬鈴薯與桿條碰撞過程的能量學分析，以及對升運分離過程中損傷能量數(shù)學模型的建立，得出了影響升運過程中馬鈴薯機械損傷的主要因素為跌落高度、二級升運鏈線速度和二級升運鏈傾角。設計了馬鈴薯機械損傷試驗臺進行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，對馬鈴薯挖掘機進行了工作參數(shù)優(yōu)化，有效減少了升運過程馬鈴薯損傷。

(2)進行馬鈴薯機械損傷試驗臺試驗，建立了各試驗指標與影響因素間的回歸數(shù)學模型，并根據(jù)回歸模型進行參數(shù)優(yōu)化，試驗結(jié)果表明：當二級升運鏈線速度為1.42 m/s、二級升運鏈傾角為27°、跌落高度為220 mm時，損傷綜合指數(shù)為0.43，傷薯率為3.6%，明顯低于未經(jīng)參數(shù)優(yōu)化馬鈴薯挖掘機薯塊機械損傷情況，滿足馬鈴薯收獲作業(yè)要求。