王啟增

(北大荒集團黑龍江前進農(nóng)場有限公司，黑龍江 佳木斯 156331)

0 引言

馬鈴薯既是蔬菜又是主糧作物，其稱謂有很多，例如，土豆、地蛋、洋芋、甘薯、番薯仔等[1-2]。馬鈴薯是全球主要的糧食作物之一。薯土分離環(huán)節(jié)是馬鈴薯收獲環(huán)節(jié)的重要部分，分離效果直接影響了收獲作業(yè)的質(zhì)量[3]，但由于耕地環(huán)境的不明因素較多[4]，收獲的薯土混合物中含有大量雜草、石塊等，提高了分離難度和馬鈴薯分離后的損傷率[5]，我國現(xiàn)有大部分馬鈴薯收獲作業(yè)要進行分段式收獲。而現(xiàn)有的收獲機械在收獲作業(yè)時存在薯土分離不干凈和傷薯率高、破皮率高等諸多問題[6-7]。

在實際收獲環(huán)節(jié)中，薯土分離的質(zhì)量受到各方面因素的影響，機械化分離裝置在處理薯土混合物和機械指標之間的關(guān)系上還有待提高[8-9]。進行關(guān)鍵部件在工作時的理論分析，降低因機械指標過大或過小造成的機械損傷率是目前馬鈴薯分離機構(gòu)需要加強和改進的關(guān)鍵[10-11]。

1 薯土分離裝置主要結(jié)構(gòu)及工作原理

馬鈴薯收獲機薯土分離裝置試驗臺由水平輸送裝置、一級薯土分離裝置、二級薯土分離裝置等組成[12-13]，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。升運鏈分為一級升運鏈、二級升運鏈，主要由皮帶、鏈桿組成。兩條升運鏈結(jié)構(gòu)、尺寸均相同，一級升運鏈與二級升運鏈不同之處是：①二級升運鏈鏈桿上增加橡膠空心擋板；②一級升運鏈傾斜角調(diào)節(jié)范圍22°～34°，二級升運鏈傾斜角度調(diào)節(jié)范圍0°～35°，以滿足不同傾斜角度對馬鈴薯薯土分離效果的試驗需求[14-15]。兩條升運鏈由電機驅(qū)動，配合變頻器實現(xiàn)速度的調(diào)整，抖動輪則由獨立電機配變頻器控制[16]。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.水平輸送裝置；2.一級薯土分離裝置；3.二級薯土分離裝置

表1 薯土分離試驗平臺主要技術(shù)參數(shù)

2 薯土分離裝置運動分析

2.1 一級薯土分離裝置運動分析

在裝置正常工作時，對馬鈴薯在鏈上的運動進行分析，如圖2所示，設(shè)O點為原點，與鏈上平面平行的坐標軸為x軸，垂直鏈上平面的為y軸[17]。為達到馬鈴薯向后輸送的目的，薯土混合物在x軸上的速度需大于試驗平臺在x軸上的分速度，公式如下

圖2 一級薯土分離升運鏈上運動分析

vx-v0cosφ>0

(1)

式中vx—薯土分離升運鏈平行運行速度，m·s-1；

v0—薯土分離升運鏈垂直運行速度，m·s-1。

升運鏈的運行速度為式(2)所示

(2)

式中n0—驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速，r·min-1；

R0—主動分度圓半徑，mm。

工作時，n0=130 r·min-1，R0=150 mm，由此得出一級分離裝置的速度v1=1.819 m·s-1，設(shè)計的土薯分離柵條與水平面夾角為20°～22°，通過式(2)中驗證可滿足馬鈴薯輸送要求。

2.2 二級薯土分離裝置運動分析

1)抖動輪位于分離升運鏈的下方在電機的帶動下做與鏈面垂直的往復(fù)振動運動如圖3，將其簡化為簡諧運動。設(shè)與鏈面垂直向上為位移的正方向，裝置工作時升運鏈最低點為零點[18]，得到

1.導(dǎo)向輪；2.二級升運鏈；3.抖動輪；4.驅(qū)動輪

(3)

式中X—升運鏈與鏈面垂直方向的位移，m；

A—升運鏈的振幅，m；

ω—升運鏈振動的角頻率，rad·s-1；

β—簡諧振動的初相位角，°。

公式(3)對時間t求一階導(dǎo)數(shù)，得速度方程

(4)

式中v—二級升運鏈沿垂直于鏈面方向的速度，m·s-1。

公式(3)對時間求二階導(dǎo)，得

(5)

式中a—二級升運鏈沿垂直于鏈面方向的加速度，m·s-2。

二級升運鏈振動的頻率與抖動輪產(chǎn)生的頻率相同，由頻率和角速度之間的關(guān)系得

ω=2π·f

(6)

式中f—抖動器的頻率，Hz。

將公式(4)代入公式(5)和公式(6)得

v=-Afπsin(2πf·t+β)

(7)

a=-2π2Af2cos(2πf·t+β)

(8)

可得到抖動輪組作用的頻率，對y軸方向上速度、加速度的影響關(guān)系。

2)抖動輪的運動分析。抖動輪組為主動型，設(shè)轉(zhuǎn)速為n，則抖動器產(chǎn)生的頻率計算公式

(9)

式中Z—抖動輪的個數(shù)；

n—抖動輪的轉(zhuǎn)速，r·min-1。

本文設(shè)計的三輥子式主動型抖動輪，抖動輪的個數(shù)Z=3，則其產(chǎn)生的振幅為

(10)

擬定f=5 Hz，v0=0.6 m·s-1，代入不同數(shù)值的v0到式(8)進行計算，當滿足正常工作條件時，升運鏈運動的線速度v0符合要求。

從上述分析可知，升運鏈線速度在0.6～1.8 m·s-1，升運鏈工作傾角在22°～34°，抖動裝置的振幅及頻率對混合物被拋起高度影響較大，因此調(diào)節(jié)振動頻率和幅度可增強混合物的拋散作用，還可降低傷薯率。

表2 薯土分離試驗平臺參數(shù)理論計算值

3 臺架試驗

3.1 試驗條件

試驗于2021年10月在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)收獲實驗室進行。試驗選用黑龍江墾區(qū)的主要品種“延薯4號”，試驗前對試驗環(huán)境溫度和試驗對象的基本屬性進行測量。

經(jīng)測量，試驗環(huán)境溫度為23 ℃，馬鈴薯質(zhì)量范圍在100～400 g范圍內(nèi)，對其進行隨機抽取薯塊進行含水率測量，最終求得平均值為79.4%

3.2 試驗指標

以馬鈴薯的損傷率作為衡量薯土分離試驗臺的作業(yè)試驗指標，計算公式如式(11)所示[19-20]

(11)

式中Y1—傷薯率，%；

N1—損傷馬鈴薯的質(zhì)量，kg；

N2—收獲馬鈴薯的總質(zhì)量，kg。

試驗過程中，選取表面完好，未發(fā)生內(nèi)部及外部損傷的薯土混合物進行分離試驗，完成分離試驗后，將未發(fā)生外部損傷的馬鈴薯平放置于室溫環(huán)境(23 ℃左右)下儲存1周，使得發(fā)生內(nèi)部損傷的馬鈴薯擁有足夠的顯示時間。

損傷的測量主要分為面積損傷和深度損傷，當同一損傷馬鈴薯出現(xiàn)兩處及以上損傷時，將損傷程度進行加權(quán)平均值進行計算[21]。

3.3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)正交試驗結(jié)果，利用Design-Expert8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊，對損傷面積標準和損傷深度標準的回歸模型進行優(yōu)化求解，根據(jù)實際情況進行約束。

對目標函數(shù)進行優(yōu)化求解，得到最佳參數(shù)組合為當升運鏈線速度為1.495 m·s-1，工作傾斜角度為18.9°，抖動輪頻率為7.15 Hz時，損傷率為2.7%。

根據(jù)Design-Expert8.0.6分析后的最佳參數(shù)組合，試驗因素分別選取升運鏈線速度為1.5 m·s-1、工作傾斜角度為19°、抖動輪頻率為7.5 Hz，進行驗證試驗，重復(fù)5次，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 驗證試驗試驗結(jié)果

求得5次試驗結(jié)果的平均損傷率為2.86%，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

針對升運鏈式馬鈴薯收獲機上產(chǎn)生的機械損傷問題，探究薯土分離裝置主要結(jié)構(gòu)及工作原理，并對薯土分離裝置進行運動分析，得出升運鏈線速度在0.6～1.8 m·s-1，升運鏈工作傾角在22°～34°時，損傷率最小。進行5次臺架驗證試驗，得到平均損傷率為2.86%，符合國家標準滿足試驗預(yù)期，對馬鈴薯增產(chǎn)增收具有促進作用。