楊振宇，劉發(fā)英，章啟祥，李晏興，楊元慶

（1.山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，；2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院；3.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049）

0 引言

馬鈴薯已成為我國四大主糧作物之一，種植面積在不斷擴大。隨著我國農(nóng)村務(wù)農(nóng)人口的不斷減少，以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，馬鈴薯產(chǎn)業(yè)全程機械化、智能化需要進一步提高[1-4]。馬鈴薯種薯制備是馬鈴薯種植過程中的一個重要環(huán)節(jié)。目前，馬鈴薯種薯的制備主要有以下3種方式：直接使用小個體馬鈴薯種薯、人工刀切分塊大個體馬鈴薯種薯和機械化刀切分塊大個體馬鈴薯種薯。采用小個體馬鈴薯種薯備種，只要保證了種薯質(zhì)量，就不會對后續(xù)生長產(chǎn)生影響；然而，采用刀切分塊的備種方式，存在外界病毒感染和種薯之間交叉感染切口面的情況，從而導(dǎo)致減產(chǎn)。針對以上問題，設(shè)計一種馬鈴薯種薯制備生產(chǎn)線，如圖1所示，主要包括三大部分：平鋪整序裝置、水射流分塊切割裝置和拌種裝置。該生產(chǎn)線可實現(xiàn)馬鈴薯種薯的平鋪排序、自動切割和自動拌滑石粉藥劑。分塊切割采用高壓水射流進行切割，切割介質(zhì)采用含有藥劑的液體，可實現(xiàn)分塊切割的同時進行消毒，避免病毒交叉感染。

要實現(xiàn)馬鈴薯種薯制備的全程自動化，首先需要將成堆的馬鈴薯種薯進行平鋪和排序，以此來提高種薯分塊切割的精度和效率。

1 馬鈴薯種薯平鋪整序裝置設(shè)計與基本參數(shù)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了適應(yīng)大個體馬鈴薯種薯制備的作業(yè)環(huán)境，根據(jù)水射流分塊切割裝置作業(yè)時的需求。將馬鈴薯種薯料斗設(shè)計為倒錐型，以儲存一定數(shù)量的待處理馬鈴薯種薯，可以順著下料口滑落到輸送帶上；為了適應(yīng)馬鈴薯種薯制備的連續(xù)、高效需求，采用平輸送帶輸送，驅(qū)動電機采用三相交流異步電機，配合減速器和滾筒驅(qū)動輸送帶移動，三相交流異步電機由變頻器控制其轉(zhuǎn)速，從而控制輸送帶移動速度；為了能夠盡快將料斗滑落的馬鈴薯種薯攤平，在輸送帶下方安裝振動器，振動強度可以調(diào)節(jié)；為了能夠?qū)⑵戒伜蟮鸟R鈴薯種薯進行排序，在輸送帶輸送的末端設(shè)計了導(dǎo)流塊，可將馬鈴薯種薯排成三排輸出，分別落到水射流分塊切割裝置的三列滾輪上，導(dǎo)流塊導(dǎo)流角度α可調(diào)。裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

1.2 基本參數(shù)

根據(jù)馬鈴薯種薯制備的需求，以及適應(yīng)水射流分塊切割裝置的工作環(huán)境，確定馬鈴薯種薯平鋪整序裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 馬鈴薯種薯平鋪整序裝置主要參數(shù)

2 裝置試驗

2.1 試驗條件

裝置試運行在山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程實驗室進行，馬鈴薯種薯品種為脫毒“夏波蒂”，平均質(zhì)量在135～175 g。主要考察的參數(shù)為：輸送帶的輸送速度（v）0.2～0.5 m/s、導(dǎo)流塊角度（α）30°～60°和振動器的激振力（F）（0.4±0.02）～（1±0.04）kN。

2.2 正交試驗設(shè)計與結(jié)果分析

試驗分析的評價指標(biāo)為馬鈴薯種薯從輸送帶輸送裝置滑落到水射流分塊切割裝置的滾輪上的成功率(%)，依次排列到滾輪上才被判為成功。影響因素分別為：因素A為馬鈴薯種薯輸送帶輸送速度v，憑經(jīng)驗值確定三水平值為0.20、0.35、0.50 m/s；因素B為導(dǎo)流塊角度α，憑經(jīng)驗取其三水平值為30°、45°和60°；因素C為振動器的激振力F，憑經(jīng)驗取其水平分別為（0.4±0.02）kN、（0.7±0.03）kN 和（1±0.04）kN。按照正交表L9(33)進行三因素三水平正交試驗，設(shè)計9個試驗方案，馬鈴薯種薯平鋪整序的正交試驗結(jié)果和極差分析結(jié)果如表2所示，各因素極差大小順序為：RA＞RB＞RC，因此影響馬鈴薯種薯平鋪整序成功率的主要因素是輸送帶輸送速度v，其次是導(dǎo)流塊角度α，最后是振動器的激振力F。

表2 正交試驗結(jié)果和極差分析

2.3 回歸試驗與結(jié)果分析

如表2所示，三因素三水平的組合A1B2C2：因素A的第一水平、因素B的第二水平和因素C的第三水平，可以實現(xiàn)最高的平鋪整序成功率98.8%。因此選擇較優(yōu)組合A1B2C2為最優(yōu)方案，使馬鈴薯種薯平鋪整序成功率為最高水平。選定因素B導(dǎo)流塊角度α為45°，因素C振動器的激振力F為（0.7±0.03）kN，因素A對輸送帶輸送速度v在0.2～0.5 m/s變化調(diào)整進行單因素回歸試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。圖中實線曲線為回歸曲線、虛線曲線為多項式趨勢曲線。獲得的回歸曲線方程為：y=-52.689x2+135.4x+40.313，獲得的多項式趨勢曲線方程為：y=910.11x4-3 595.5x3+5 457.1x2-3 478.4x+863.01，兩條曲線能夠反映馬鈴薯種薯平鋪整序成功率隨輸送帶輸送速度的變化關(guān)系。從圖3中可以看出，當(dāng)輸送帶的輸送速度為0.25 m/s時，平鋪整序成功率約為98.9%是函數(shù)指標(biāo)的極大值。根據(jù)以上試驗的結(jié)果選擇輸送帶輸送速度0.25 m/s、導(dǎo)流塊角度45°和振動器的激振力（0.7±0.03）kN進行試驗，馬鈴薯種薯平鋪整序的平均成功率可達98.59%，且相對穩(wěn)定，因此，輸送帶輸送速度0.25 m/s，導(dǎo)流塊角度45°，振動器的激振力（0.7±0.03）kN的參數(shù)組合可作為馬鈴薯種薯平鋪整序裝置設(shè)計的最佳設(shè)計參數(shù)。

3 結(jié)語

針對為了實現(xiàn)馬鈴薯種薯切塊制備自動化，設(shè)計了一種馬鈴薯種薯平鋪整序裝置，該裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)成堆種薯的平鋪整序作業(yè)。通過對其關(guān)鍵參數(shù)輸送帶輸送速度v、導(dǎo)流塊導(dǎo)流角度α和振動器激振力F進行三因素三水平回歸正交試驗，最終確定輸送帶輸送速度0.25 m/s、導(dǎo)流塊導(dǎo)流角度45°和振動器激振力（0.7±0.03）kN為最佳作業(yè)狀態(tài)參數(shù)，種薯平鋪整序成功率可達98.59%。馬鈴薯種薯平鋪整序裝置設(shè)計和最佳關(guān)鍵參數(shù)的確定可為馬鈴薯種薯制備自動化提供技術(shù)支持。