申海洋，王 冰，胡良龍，王公仆，紀(jì)龍龍，沈公威,2，吳 騰

4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

申海洋1，王 冰1，胡良龍1※，王公仆1，紀(jì)龍龍1，沈公威1,2，吳 騰1

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014；2. 南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，南京 211167）

為了解決4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)過程中損失率大、傷薯率高等問題，該研究在分析4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開展薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。以薯塊交接輸送過程中傷薯率和損失率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上運(yùn)用Box-Benhnken試驗(yàn)方法，以挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度、刮板鏈輸送角度、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度、刮板鏈輸送速度為試驗(yàn)因素，對(duì)4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)工作參數(shù)進(jìn)行四因素三水平試驗(yàn)研究，建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各因素的多元回歸模型，分析了各因素對(duì)作業(yè)質(zhì)量的影響，并得到了最優(yōu)結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：各因素對(duì)損失率從大到小的影響順序?yàn)楣伟彐溳斔徒嵌取⑼诰蜉斔蜋C(jī)構(gòu)速度、刮板鏈輸送速度、挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度；各因素對(duì)傷薯率從大到小的影響順序?yàn)橥诰蜉斔蜋C(jī)構(gòu)速度、挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度、刮板鏈輸送速度、刮板鏈輸送角度；當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度為1 m/s，挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度為20°、刮板鏈輸送角度為68°、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度為1.2 m/s、刮板鏈輸送速度0.67 m/s時(shí)，薯塊損失率為1.12%、損傷率為0.94%，與預(yù)測(cè)值相比，誤差分別為3.4%和1.1%。研究結(jié)果可為甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)完善和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；甘薯聯(lián)合收獲機(jī)；交接輸送機(jī)構(gòu)；響應(yīng)曲面

0 引 言

甘薯（Sweet potato）又名山芋、番薯、白薯、白芋、地瓜等[1-2]，是重要的糧食作物和能源作物，也是優(yōu)質(zhì)的抗癌保健食品[3-4]。

甘薯種植包括育苗、耕整地、栽插、田間管理和收獲5個(gè)環(huán)節(jié)[5]。由于國(guó)內(nèi)甘薯種植以高壟種植為主，壟高一般為250～330 mm，壟距一般為900 mm左右，收獲時(shí)甘薯的生長(zhǎng)深度一般達(dá)到200～250 mm左右，結(jié)薯最大直徑達(dá)到300 mm[6-8]，且薯塊皮薄肉嫩易損傷，因此機(jī)械化收獲難度大；目前甘薯機(jī)械化收獲主要采用分段收獲，先利用人工或機(jī)器割蔓，再用犁破壟松土或者采用升運(yùn)鏈?zhǔn)礁适硎斋@機(jī)將薯塊從土下翻出地面，最后由人工撿拾收獲。作業(yè)集成度高、綜合效益顯著的甘薯聯(lián)合收獲裝備處于研發(fā)階段[9-10]。隨著甘薯規(guī)?；N植的發(fā)展，甘薯收獲機(jī)械也從分段收獲向聯(lián)合收獲發(fā)展，薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)是甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的關(guān)鍵部件之一。

國(guó)外甘薯聯(lián)合收獲機(jī)研發(fā)起步早，薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)的類型也較多。美國(guó)McRae和FJohnson最早研發(fā)了四級(jí)液壓刮板鏈輸送裝置[11]；Lockwood公司研制的直接裝載式甘薯收獲機(jī)包含二級(jí)輸送裝置，但該機(jī)器在一二級(jí)交接缺少緩沖裝置，作業(yè)過程中傷薯率較高[12]；英國(guó)Standen公司生產(chǎn)的TSP1900甘薯收獲機(jī)含有多級(jí)升運(yùn)輸送裝置[13]；德國(guó)Grimme公司生產(chǎn)的GT170系列牽引式薯類收獲機(jī)的輸送提升裝置處于國(guó)際前沿，該系列機(jī)器具有較大傾斜度和柔順變形的升降機(jī)構(gòu)[14]；比利時(shí)dewulf公司研制的R2060系列馬鈴薯收獲機(jī)具有高性能偏置刮板鏈輸送裝置[15]；日本松山株式會(huì)社生產(chǎn)的GZA651甘薯收獲機(jī)采用二級(jí)輸送分離結(jié)構(gòu)[16]。

目前，國(guó)內(nèi)甘薯聯(lián)合收獲機(jī)還沒有成熟的產(chǎn)品，薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)還處于研發(fā)和優(yōu)化階段，但是馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)相對(duì)成熟，可為甘薯聯(lián)合收獲機(jī)薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)研發(fā)提供借鑒。1970年中國(guó)臺(tái)灣省嘉義農(nóng)業(yè)試驗(yàn)分析所的林金鐓研發(fā)出了首臺(tái)薯類聯(lián)合收獲機(jī)，該機(jī)器由挖掘輸送鏈、第二級(jí)刮板輸送鏈和水平輸送鏈構(gòu)成完整的輸送提升裝置[16]；立式環(huán)形分離輸送裝置是指圓形垂直分隔而成的輸送裝置，主要由皮帶式輸送機(jī)構(gòu)和橫向輸送機(jī)構(gòu)構(gòu)成[17]；中機(jī)美諾公司長(zhǎng)期致力于馬鈴薯刮板鏈輸送裝置的研發(fā)[18]；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)魏宏安教授在4U-1400FD型薯類聯(lián)合收獲機(jī)研制中，首次采用由橫向輸送裝置、傾斜輸送裝置和液壓提升裝置構(gòu)成的刮板鏈輸送裝置[19]；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所早期研發(fā)的甘薯收獲機(jī)輸送機(jī)構(gòu)為鏈桿式升運(yùn)器[20-21]。

針對(duì)國(guó)內(nèi)外目前研究現(xiàn)狀，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)甘薯種植模式，設(shè)計(jì)了一種適用于先切蔓后聯(lián)合收獲的4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)，通過對(duì)薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)作業(yè)過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析取得其工作參數(shù)，運(yùn)用臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法確定該工作參數(shù)的最佳組合，以滿足4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)整體性能要求[22-24]。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 薯塊基本特性

薯塊基本特性是設(shè)計(jì)4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，薯塊大小與硬度等對(duì)4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有重要影響。隨機(jī)選取30株“寧紫4號(hào)”甘薯，對(duì)薯塊基本特性進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1。

表1 薯塊基本特性參數(shù)值

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

研制的4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)主要由挖掘輸送機(jī)構(gòu)、限深機(jī)構(gòu)、薯秧分離機(jī)構(gòu)、刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)、弧柵交接機(jī)構(gòu)、后輸送帶、出料口、落土裝置、履帶底盤、變速箱、傳動(dòng)裝置、液壓缸、駕駛椅、護(hù)欄和機(jī)架等構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)可一次完成單壟單行薯塊的挖掘、輸送和收集等作業(yè)。甘薯聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，挖掘鏟先破壟挖掘，并經(jīng)過挖掘輸送機(jī)構(gòu)薯土分離后，進(jìn)入刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)薯土分離與輸送、集薯作業(yè)。該機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)參數(shù)見表2。

1.限深裝置 2.挖掘輸送機(jī)構(gòu) 3.薯秧分離機(jī)構(gòu) 4.液壓缸 5.刮板鏈輸送機(jī)構(gòu) 6.后輸送帶 7.落土裝置 8.出料口 9.駕駛椅 10.機(jī)架 11.護(hù)欄 12.變速箱 13.履帶底盤 14.傳動(dòng)裝置 15.弧柵交接機(jī)構(gòu)

表2 4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)參數(shù)

1.3 工作原理

甘薯聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，挖掘輸送機(jī)構(gòu)經(jīng)液壓裝置驅(qū)動(dòng)以一定角度入土挖掘，前端限深輪使挖掘鏟入土深度在合理作業(yè)范圍內(nèi)，被挖掘出的薯土通過挖掘輸送機(jī)構(gòu)輸送至薯秧分離機(jī)構(gòu)，薯塊頂部的殘留藤蔓被鏈輥夾持機(jī)構(gòu)去除，去除殘?zhí)俸蟮氖韷K落入弧柵交接刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)，將薯塊提升輸送到后輸送帶上，對(duì)大土塊進(jìn)一步分離或人工輔助分離，最后用集薯箱或編織袋兜住出料口完成集薯作業(yè)。

2 薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)算

薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)主要由限深機(jī)構(gòu)、挖掘輸送機(jī)構(gòu)、弧柵交接機(jī)構(gòu)和刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，如圖2所示。機(jī)器啟動(dòng)后發(fā)動(dòng)機(jī)通過變速箱帶動(dòng)刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)一步帶動(dòng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)[25]，通過鏈輪大小和傳動(dòng)比來調(diào)節(jié)挖掘輸送機(jī)構(gòu)和刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)的線速度。交接輸送機(jī)構(gòu)的主要作用是把經(jīng)挖掘后的薯塊順暢的輸送到后輸送帶上。

1.限深機(jī)構(gòu) 2.挖掘輸送機(jī)構(gòu) 3.弧柵交接機(jī)構(gòu) 4.刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)

2.1 挖掘輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

挖掘輸送機(jī)構(gòu)是甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的關(guān)鍵部件，其作用是挖掘、薯土輸送和分離，使其輸送到輸送鏈與取秧輥的間隙處進(jìn)入后續(xù)工序。挖掘輸送結(jié)構(gòu)主要由挖掘鏟、輸送桿條、連接機(jī)架、主動(dòng)軸、張緊輪裝置、滾子鏈和滾子鏈輪組成，如圖3所示。

1.挖掘鏟 2.輸送桿條 3.連接機(jī)架 4.主動(dòng)軸 5.張緊輪裝置 6.滾子鏈 7.滾子鏈輪

根據(jù)挖掘輸送機(jī)構(gòu)的挖掘、薯土分離和輸送功能，挖掘鏟設(shè)計(jì)為平面固定式單鏟結(jié)構(gòu)。為了使薯塊能夠沿挖掘輸送機(jī)構(gòu)上斜面向后上方滑動(dòng)而不倒滑，挖掘輸送機(jī)構(gòu)傾角存在一臨界值0，且0，但角也不能過小，否則會(huì)使輸送鏈過長(zhǎng)。

通過薯塊在挖掘輸送機(jī)構(gòu)上的受力分析來確定傾角的大小。當(dāng)薯塊在挖掘輸送機(jī)構(gòu)上處于臨界值β時(shí)，受力分析如圖4所示。

注：H為挖掘輸送機(jī)構(gòu)后端高度，mm；β0為挖掘輸送機(jī)構(gòu)的傾角臨界值，(°)；G為薯塊重力，N；N為薯塊受到的支持力，N；f為挖掘輸送機(jī)構(gòu)對(duì)薯塊的摩擦力，N；V0為機(jī)具前進(jìn)速度，m·s-1；V1為挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度，m·s-1；S為挖掘輸送機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度，mm。

由圖4可知：

sin0=（1）

cos=cos0=（2）

=（3）

?sin=（4）

式中為薯塊重力，N；為薯塊受到的支持力，N；為挖掘輸送機(jī)構(gòu)對(duì)薯塊摩擦力，N；為薯塊與挖掘輸送機(jī)構(gòu)之間的靜摩擦因數(shù)，取=0.644[25]；為薯塊的質(zhì)量，kg；為薯塊在挖掘輸送機(jī)構(gòu)上的加速度，m/s2。由式（1）～（3）可得，0=32.78°，通過液壓裝置調(diào)節(jié)，取值為20°～29°。

由式（2）～（4）可得

cos?sin=（5）

式中為重力加速度，取=9.8 m/s2。由于薯塊在挖掘輸送機(jī)構(gòu)上先勻加速再勻速運(yùn)動(dòng)，則

1=1（6）

在薯塊輸送過程中，當(dāng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)的輸送速度較快時(shí)，會(huì)造成薯塊損傷，因此，輸送速度與甘薯聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)速度（0=1 m/s）的比值應(yīng)不小于1[23]，即甘薯聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)速度稍低于輸送速度[26]，即輸送速度的范圍為1～1.3 m/s；為了防止薯塊過多的碰撞，薯塊在挖掘輸送機(jī)構(gòu)上勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間一般小于5 s，由式（5）～（7）和的取值范圍可得挖掘輸送機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度為334～3 009 mm，根據(jù)加工工藝與田間工況設(shè)定挖掘輸送機(jī)構(gòu)的總長(zhǎng)=1 800 mm。

=sin（8）

式中為挖掘輸送機(jī)構(gòu)后端高度，mm。

由式（8）和的取值范圍可得為616～900 mm，根據(jù)加工工藝與田間工況確定=660 mm。

根據(jù)輸送桿條的設(shè)計(jì)要求，即薯土分離、不傷薯、不漏小薯塊，設(shè)定輸送桿條直徑為10 mm，輸送桿條間距為40 mm，輸送桿條的輸送輪直徑為100 mm，桿條表面套有橡膠。

2.2 刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)是甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的二級(jí)提升輸送機(jī)構(gòu)，其作用是把經(jīng)過挖掘輸送機(jī)構(gòu)分離后的薯塊輸送提升到后輸送帶上。刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)主要由弧柵交接機(jī)構(gòu)、輸送桿條、刮板、主動(dòng)輪、張緊輪裝置、滾子鏈、護(hù)板和上端防護(hù)罩等組成，如圖5所示。

1.弧柵交接機(jī)構(gòu) 2.輸送桿條 3.刮板 4.主動(dòng)輪 5.張緊輪裝置 6.滾子鏈 7.護(hù)板 8.上防護(hù)罩

挖掘輸送機(jī)構(gòu)上的薯塊要能夠準(zhǔn)確落入刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)上的刮板間隙，且不傷薯，因此刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)除應(yīng)有適當(dāng)?shù)膬A角外，其運(yùn)動(dòng)速度必須小于挖掘輸送機(jī)構(gòu)輸送速度。以薯塊為研究對(duì)象，將挖掘輸送機(jī)構(gòu)上薯塊復(fù)雜運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，故薯塊從挖掘輸送機(jī)構(gòu)上最高點(diǎn)落入刮板間隙運(yùn)動(dòng)可看作是具有一定初速度的拋物運(yùn)動(dòng)[27]。以挖掘輸送機(jī)構(gòu)最高點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，如圖6所示。

1.刮板鏈輸送機(jī)構(gòu) 2.刮板 3.弧柵交接機(jī)構(gòu) 4.挖掘輸送機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪 5.挖掘輸送機(jī)構(gòu) 6.薯塊

1.Scraper chain conveyor mechanism 2.Scraper 3.Arc grid transfer echanism 4.Driving wheel of excavating and conveying mechanism 5.Excavating and conveying mechanism 6.Potato

注：為薯塊做拋物運(yùn)動(dòng)的初始點(diǎn)；為薯塊與刮板鏈機(jī)構(gòu)的交點(diǎn)；2為刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)速度，m·s-1；為挖掘輸送機(jī)構(gòu)的傾角，(°)；為刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)的傾角，(°)。

Note:is the initial point of the parabolic movement of the potato;is the intersection point of the potato and the scraper chain mechanism;2is the speed of the scraper chain conveyor mechanism, m·s-1;is the inclination angle of the excavating conveyor mechanism, (°);is the inclination angle of the scraper chain conveying mechanism, (°).

圖6 薯塊拋物運(yùn)動(dòng)模型

Fig.6 Parabolic motion model of potato

如圖6所示，薯塊運(yùn)動(dòng)的參數(shù)方程為

式中3為薯塊拋出后運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

由式（9）～（10）可得，薯塊從拋出到落到C點(diǎn)的時(shí)間3為

薯塊落到刮板鏈的瞬時(shí)速度為

根據(jù)前期試驗(yàn)可知刮板鏈輸送速度<0.72 m/s，因此>42°，又因?yàn)楣伟彐溳斔蜋C(jī)構(gòu)過于直立不利于薯塊的提升輸送，取≤70°。刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)的間距根據(jù)薯塊的大小取180 mm。

3 作業(yè)性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建

為了測(cè)試單因素對(duì)作業(yè)質(zhì)量的影響，分別用變頻器調(diào)節(jié)挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度和刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)速度，用液壓裝置調(diào)節(jié)挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度，用機(jī)械方式調(diào)節(jié)刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)角度，同時(shí)后端設(shè)計(jì)接料平臺(tái)，如圖7所示。

試驗(yàn)設(shè)備與儀器主要有4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)架、卷尺、電子臺(tái)秤、電子秒表、轉(zhuǎn)速儀、電子天平、集薯箱和一定量的“寧紫4號(hào)”等。

1.交接輸送機(jī)構(gòu) 2.臺(tái)架 3.電機(jī) 4.變頻器

3.2 試驗(yàn)參數(shù)與方法

臺(tái)架試驗(yàn)分別測(cè)定4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)不同工作參數(shù)下輸送過程中薯塊損失率1、傷薯率2作為薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。影響4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)的因素很多，通過單因素試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度和速度、刮板鏈輸送角度和速度對(duì)作業(yè)指標(biāo)的影響較大，因此在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度和速度、刮板鏈輸送角度和速度為影響作業(yè)指標(biāo)的主要因素。通過單因素試驗(yàn)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度范圍為20°～26°，刮板鏈輸送角度范圍為60°～70°，挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度范圍為1～1.3 m/s，刮板鏈輸送速度范圍為0.6～0.72 m/s。試驗(yàn)方案為四因素三水平Box-Behnken試驗(yàn)[28]，對(duì)挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度1、刮板鏈輸送角度2、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度3、刮板鏈輸送速度4四個(gè)試驗(yàn)因素開展響應(yīng)面試驗(yàn)研究[29]。試驗(yàn)因素與水平如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素和水平

試驗(yàn)選擇寧紫4號(hào)，薯塊質(zhì)量與形狀差異較小，每次試驗(yàn)前對(duì)薯塊進(jìn)行稱量，試驗(yàn)后對(duì)損失和損傷的薯塊稱量，在同一條件下每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，結(jié)果取平均值。

4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)交接輸送機(jī)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)為損失率和傷薯率，參照河南省地方標(biāo)準(zhǔn)DB41/T 1010-2015《甘薯機(jī)械化起壟收獲作業(yè)技術(shù)規(guī)程》[30]，計(jì)算方法如下：

式中1為薯塊在輸送過程的損失率，%；2為薯塊在輸送過程的傷薯率，%；1為作業(yè)前薯塊總質(zhì)量平均值,kg；2為作業(yè)后損失（輸送過程掉落或者由于速度過快甩出輸送鏈的薯塊）薯塊總質(zhì)量平均值，kg；3為作業(yè)后損傷（在交接輸送過程中由機(jī)構(gòu)和工作參數(shù)不合理引起的薯塊破碎）薯塊總質(zhì)量平均值，kg。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文四因素三水平Box-Behnken試驗(yàn)方案有29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中24個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)為分析因子，5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)為零點(diǎn)誤差估計(jì)，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表4所示。

利用Design-Expert8.0.6.1軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析[31-33]，建立損失率1、傷薯率2對(duì)挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度1、刮板鏈輸送角度2、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度3和刮板鏈輸送速度44個(gè)自變量的多元回歸方程，如式（15）和式（16）所示，回歸方程方差分析結(jié)果如表5所示。

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果

注：1、2、3、4為123、x的水平值，下同。

Note:1,2,3,4is the levels value of1,2,3,4, respectively, same as below.

表5 回歸方程方差分析

注：<0.01（極顯著，**）；0.01≤<0.05（顯著，*）。

Note:<0.01 (highly significant, **); 0.01≤<0.05 (significant, *).

通過表5的回歸方差分析可知，損失率1和傷薯率2的值都小于0.01，表明回歸方程極顯著；損失率1的失擬項(xiàng)為0.1076，傷薯率Y的失擬項(xiàng)為0.098，表明損失率1和傷薯率2的回歸方程擬合度高；損失率1和傷薯率2的決定系數(shù)2值分別為0.9033和0.9018，表明損失率1和傷薯率2的回歸方程可以解釋90%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，該模型可以優(yōu)化分析4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)交接輸送機(jī)構(gòu)參數(shù)。

值反應(yīng)回歸方程中各參數(shù)的影響程度，<0.01時(shí)，參數(shù)對(duì)回歸方程影響極顯著，<0.05時(shí)，參數(shù)對(duì)回歸方程影響顯著。損失率1回歸方程中2和22對(duì)回歸方程影響極顯著（<0.01），X42324和12對(duì)回歸方程影響顯著（<0.05）；傷薯率Y回歸方程中3、13和32對(duì)回歸方程影響極顯著（<0.01），1434和12對(duì)回歸方程影響顯著（<0.05）。剔除回歸方程不顯著回歸項(xiàng)，對(duì)回歸方程1、2進(jìn)行優(yōu)化，如式（17）和式（18）所示。

通過方差分析可知，各因素對(duì)損失率影響程度從大到小的順序?yàn)楣伟彐溳斔徒嵌?挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度3刮板鏈輸送速度4挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度1；各因素對(duì)傷薯率影響程度從大到小的順序?yàn)橥诰蜉斔蜋C(jī)構(gòu)速度3、挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度1、刮板鏈輸送速度4、刮板鏈輸送角度2。

利用Design-Expert8.0.6.1軟件繪制各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響曲面圖，結(jié)果如圖8所示。

由圖8a可以看出，刮板鏈輸送角度和挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度交互作用顯著，主要是因?yàn)槭韷K在挖掘輸送機(jī)構(gòu)末端做拋物運(yùn)動(dòng)，挖掘輸送機(jī)構(gòu)的輸送速度越快，薯塊在挖掘輸送末端的拋物運(yùn)動(dòng)初速度越大，會(huì)使薯塊飛出挖掘輸送機(jī)構(gòu)而造成損失；同時(shí)刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)傾角較小時(shí)，薯塊落入刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)的距離較小，容易造成薯塊反彈。由圖8b可知，刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)角度越大且輸送速度越慢時(shí)損失越小，這是因?yàn)樵谕诰蜉斔蜋C(jī)構(gòu)的角度與速度都處于0水平時(shí)，刮板鏈輸送角度越大，做拋物運(yùn)動(dòng)的薯塊落入刮板間的反彈越小，同時(shí)刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)速度較慢時(shí)，薯塊會(huì)在刮板間順利輸送，否則速度較快會(huì)使薯塊在輸送過程中抖落而造成損失。由圖8c可知，挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度與刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)速度的交互作用不顯著，主要是因?yàn)橥诰蜉斔蜋C(jī)構(gòu)角度和刮板鏈輸送角度都處于0水平時(shí)，薯塊在輸送鏈上都處于平穩(wěn)狀態(tài)，速度變化不會(huì)對(duì)薯塊造成較大的損失。

由圖8d可以看出，當(dāng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度和挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度皆處于低水平時(shí)傷薯率達(dá)到最大值，這是因?yàn)橥诰蜉斔蜋C(jī)構(gòu)是由桿條組成，挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度越小挖掘輸送機(jī)構(gòu)的水平距離越長(zhǎng)，挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度越慢挖掘輸送時(shí)間越久，這兩者都處于低水平時(shí)會(huì)使薯塊與挖掘輸送機(jī)構(gòu)桿條碰撞的次數(shù)增加，受傷薯塊增多。由圖8e可知，挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度與刮板鏈輸送速度的交互作用不顯著，這是因?yàn)橥诰蜉斔蜋C(jī)構(gòu)速度和刮板鏈輸送速度都處于0水平時(shí)，挖掘輸送機(jī)構(gòu)上薯塊做拋物運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)有理想的初始高度，落入刮板間會(huì)有理想的輸送速度，因此傷薯率會(huì)變小。由圖8f可知，挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度越慢且刮板鏈輸送速度越快，傷薯率達(dá)到最大值，反之，傷薯率達(dá)到最小值，這是因?yàn)橥诰蜉斔蜋C(jī)構(gòu)速度越慢，薯塊在挖掘輸送機(jī)構(gòu)上的碰撞次數(shù)越多，而刮板鏈輸送速度較快，會(huì)刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)輸送的薯塊較少且有抖動(dòng)；而挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度較快，刮板鏈輸送速度較慢，就會(huì)導(dǎo)致薯塊在交接處堵塞和碰撞而造成傷薯。

圖8 交互因素對(duì)損失率（Y1）和傷薯率（Y2）的影響

5 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

5.1 參數(shù)優(yōu)化

為了使4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)的作業(yè)性能達(dá)到最佳，要求薯塊在輸送過程中的損失率和傷薯率低，通過對(duì)薯塊在輸送過程中損失率和傷薯率的交互因素分析可知：要獲得薯塊在輸送過程中較低的損失率，就必須要求挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度小和刮板鏈輸送角度??；要獲得薯塊在輸送過程中較低的傷薯率，需同時(shí)滿足挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度慢和刮板鏈輸送速度慢的要求。根據(jù)4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的實(shí)際工況]確定優(yōu)化約束條件為

利用Design-Expert軟件對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解以達(dá)到最優(yōu)工作參數(shù)組合。當(dāng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度20°、刮板鏈輸送角度68.07°、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度1.2 m/s、刮板鏈輸送速度0.67 m/s時(shí)，甘薯聯(lián)合收獲輸送提升機(jī)構(gòu)工作時(shí)的損失率為1.16%、損失率為0.95%。

5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證回歸方程的準(zhǔn)確性，運(yùn)用優(yōu)化后的組合參數(shù)在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所甘薯試驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)要求與試驗(yàn)過程的實(shí)際工況，對(duì)優(yōu)化后的理論值取整，將挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度置為20°、刮板鏈輸送角度置為68°、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度置為1.2 m/s、刮板鏈輸送速度置為0.67 m/s，在機(jī)器行駛速度為1 m/s條件下進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證（圖9），結(jié)果見表6。

圖9 4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)田間作業(yè)圖

表6 優(yōu)化條件下各評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值

由表6可知，損失率1和傷薯率2的試驗(yàn)值與優(yōu)化值比較接近，其損失率1和傷薯率2的試驗(yàn)值與優(yōu)化值相對(duì)誤差分別為3.4%和1.1%，因此，該參數(shù)組合具有一定的可靠性。因此，在甘薯聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，可采用該優(yōu)化參數(shù)組合，即挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度20°、刮板鏈輸送角度68°、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度1.2 m/s、刮板鏈輸送速度0.67 m/s，此時(shí)甘薯聯(lián)合收獲薯塊損失率為1.12%、傷薯率為0.94%。

6 結(jié) 論

1）利用臺(tái)架試驗(yàn)與田間試驗(yàn)相結(jié)合的試驗(yàn)方法，采用Box-Benhnken試驗(yàn)方案對(duì)挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度、刮板鏈輸送角度、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度和刮板鏈輸送速度對(duì)薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)薯塊損失率和傷薯率的影響建立多元回歸方程，通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)多元回歸方程進(jìn)行分析和優(yōu)化，通過田間試驗(yàn)對(duì)多元回歸方程分析的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明試驗(yàn)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值與優(yōu)化值相對(duì)誤差分別為3.4%和1.1%，優(yōu)化結(jié)果具有一定的可靠性。

2）各因素對(duì)薯塊損失率影響程度從大到小的順序?yàn)楣伟彐溳斔徒嵌?、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度、刮板鏈輸送速度、挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度；各因素對(duì)傷薯率影響程度從大到小的順序?yàn)橥诰蜉斔蜋C(jī)構(gòu)速度、挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度、刮板鏈輸送速度、刮板鏈輸送角度。

3）當(dāng)薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)最優(yōu)工作參數(shù)組合挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度20°、刮板鏈輸送角度68°、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度1.2 m/s、刮板鏈輸送速度0.67 m/s，此時(shí)薯塊損失率為1.12%、傷薯率為0.94%。

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Yan Wei, Hu Zhichao, Wu Nu, et al. Parameter optimization and experiment for plastic film transport mechanism of shovel screen type plastic film residue collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 17-24. (in Chinese with English abstract)

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Lu Jinqing, Yi Shujuan, Tao Guixiang, et al. Parameter optimization and experiment of splitter sliding-knife opener for potato planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 44-54. (in Chinese with English abstract)

Design of potato connecting and conveying mechanism for 4UZL-1 type sweet potato combine harvester

Shen Haiyang1, Wang Bing1, Hu Lianglong1※, Wang Gongpu1, Ji Longlong1, Shen Gongwei1,2, WuTeng1

(1.,,210014,; 2.,,211167,)

Sweet potato is an important food crop and energy crop. In order to solve the problems of larger loss rate and high damage rate of 4UZL-1 sweet potato combine harvester during the operation process, a potato connection and conveying mechanism was designed based on the analysis of the structure of 4UZL-1 sweet potato combine harvester and characteristics of domestic sweet potato planting models in this paper. The potato connection and conveying mechanism was mainly composed of a depth limiting mechanism, a digging conveying mechanism, an arc grid conveying mechanism and a scraper chain conveying mechanism. The working parameters were obtained through the kinematic and mechanical analysis of the working process of the mechanism. Aiming at the main evaluation indexes of potato damage rate and loss rate during the transfer and transportation, the Box-Benhnken test was presented on the basis of single-factor test. The angle of the digging conveyor, the conveyor angle of the scraper chain, the conveyor speed of the digging and the conveyor speed of the scraper chain were selected as testing factors. The multiple regression model of evaluation index to each factor was established, and the influence of each factor on operation quality was analyzed, and the optimal structure and operation parameters were obtained. The results showed that the order of the significance influence of factors on potato loss rate from large to small was that the conveyor angle of the scraper chain, the conveyor speed of the digging conveyor, the conveyor speed of the scraper chain and the angle of the digging conveyor. The order of the factors influencing on potato damage rate from large to small was the conveyor speed of the digging, the angle of the digging conveyor, the conveyor speed of the scraper chain and the conveyor angle of the scraper chain. When the forward speed of the machine was 1 m/s, the angle of the digging conveyor was 20°, the conveyor angle of the scraper chain was 68°, the conveyor speed of the digging was 1.2 m/s, and the conveyor speed of the scraper chain was 0.67 m/s, respectively, the potato loss rate was 1.12%, and the potato damage rate was 0.94%. Compared with the predicted values, the relative errors were 3.4% and 1.1%, respectively, the results satisfied the performance requirements of the 4UZL-1 sweet potato combine harvester. The study is benefit for the structure improvement and operation parameters optimization of the sweet potato combine harvester.

agricultural machinery; design; optimization; sweet potato combine harvester; connection and conveying mechanism; response surface

申海洋，王冰，胡良龍，等. 4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)薯塊交接輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(17)：9-17.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.002 http://www.tcsae.org

Shen Haiyang, Wang Bing, Hu Lianglong, et al. Design of potato connecting and conveying mechanism for 4UZL-1 type sweet potato combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 9-17. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.002 http://www.tcsae.org

2020-05-05

2020-08-31

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0701604）；國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CSRS-10-B18）

申海洋，助理工程師，主要從事土下果實(shí)生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備研究。Email：1466265003@qq.com

胡良龍，研究員，主要從事土下果實(shí)生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備研究。Email：hurxbb@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.002

S225.7+1

A

1002-6819(2020)-17-0009-09