呂金慶，張 航，李季成，劉中原，蘇文海，竹筱歆

（東北農業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

我國馬鈴薯產量位列全球第一，但單產水平較低[1]。多采用種薯切塊播種種植模式[2-3]。除中耕、收獲等過程外，切塊薯制備也是影響馬鈴薯產量的關鍵因素[4]。機械化切割種薯可提高切塊薯質量。整列裝置為種薯切塊機重要組成，種薯切割前擺放姿態(tài)影響切出薯塊質量，形狀不規(guī)則種薯直接進塊造成薯塊質量參差不齊，增加種薯投入。

種薯整列通常分為3種方式：根據種薯摩擦特性、外形尺寸和空間動力學特性使種薯在運動過程中完成整列；利用機器視覺技術進行整列與人工整列[5]。其中，人工整列耗費人力且效率低，不適合大規(guī)模種薯切塊作業(yè)；運用機器視覺技術方法整列需采集表面特征，成本較高[6]。國外對馬鈴薯整列機械研究起步較早[7-8]，如比利時迪沃夫公司研制的PGS型種薯切塊機[9]，利用安裝于兩側的半圓錐形滾筒和中間三組圓錐形滾筒轉動實現種薯切塊前整列，自動化水平較高，但造價昂貴，不適合我國國情。國內整列機械研究多見于其他農產品[10-11]，劉向東等研制一種鮮杏定向切分去核機，設計帶有自轉鞍形輪輥子排序輸送機構，并進行排序、間隔輸送機理研究[12]；俞亞新等研究水稻整列機理，通過振動激勵使稻種在導向板上翻滾運動[13]；徐惠榮等設計雙錐式水果輸送翻轉系統，依據水果與工作元件摩擦力實現水果空間轉動[14]。

針對現有種薯切塊機整列裝置普遍存在切割種薯定位難、種薯排列混雜無法實現機械化切塊等關鍵問題，本文設計一種馬鈴薯種薯切塊機整列裝置，分析整列輸送過程中馬鈴薯受力和運動軌跡，采用二次旋轉正交組合試驗探究上料量、膠輪直徑、整列輥組轉速對整列率、平均整列時間、損傷率的影響，優(yōu)化得到最優(yōu)參數組合，搭建試驗臺作試驗驗證，以期為馬鈴薯種薯切塊機及配套技術研究提供理論依據。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

馬鈴薯種薯切塊機主要分為上料、分級、整列、切割、出料五部分（見圖1）。初步處理后種薯通過上料裝置輸送到分級裝置，在分級裝置中不同大小種薯被分選，體積較大種薯留在上層，體積較小種薯落入下層，清理種薯中土塊雜草等，分級后種薯進入整列裝置，受摩擦力矩作用種薯長軸與輥軸平行，完成整列后種薯進入到切割裝置，體積較大種薯在上層受橫切與縱切，體積較小種薯在下層僅受縱切，種薯切割完畢后進入出料裝置并消毒，最終從出料口輸出，完成切塊作業(yè)。

圖1 馬鈴薯種薯切塊機整體結構Fig.1 Overall structure of potato seed cutting machine

馬鈴薯種薯切塊機整列裝置試驗臺主要由機架、輸送裝置、擋板、傳動電機、張緊裝置等組成，整體結構如圖2所示，其中試驗臺左側為上料端。

圖2 馬鈴薯種薯切塊機整列裝置試驗臺整體結構Fig.2 Overall structure of the test bench for the sorting deviceof thepotato seed cutting machine

1.2 工作原理

傳動電機驅動整列裝置運動，整列輥組通過外鏈節(jié)并排安裝在雙排傳動鏈上，相鄰兩個整列輥組安裝有方向不同的單排鏈輪，通過張緊鏈使整列輥組在前進同時轉動，通過整列輥組轉動與向前移動可避免種薯在入料處堆積，滿足切塊裝置整列要求；整列裝置兩側擋板可以防止種薯在整列過程中運動到整列裝置外；根據種薯形狀不均勻導致重心不在幾何中心的物料特性，通過膠輪與種薯相對運動合力矩轉動種薯達到整列目的，整列完成后整列輥組帶種薯繼續(xù)向前移動，到達整列裝置右側時，單排鏈輪不再與張緊鏈接觸，整列輥組與種薯均停止轉動，此時種薯整列完成，并排安裝的整列輥組支撐種薯進入切割裝置進行縱向切割，如圖3所示。

圖3 整列裝置作業(yè)Fig.3 Operation of thesorting device

1.3 主要技術參數

種薯切塊機整列裝置試驗臺主要用于切塊機整列過程中整列輥組轉速、膠輪直徑與上料量對整列效果影響試驗，主要參數如表1所示。

表1 馬鈴薯種薯切塊機整列裝置試驗臺主要技術參數Table 1 Main technical parametersof thetest bench of the sorting device of potato seed cutting machine

2 關鍵部件設計

2.1 輸送裝置結構設計

輸送裝置為種薯切塊機核心部件，主要由整列輥組、連接軸承、外鏈節(jié)、雙排滾子鏈、單排鏈輪、雙排鏈輪、連接托板等組成，結構如圖4所示。輸送裝置通過連接托板與連接軸承、機架安裝在一起，其左側為上料端，36個整列輥組通過外鏈節(jié)安裝在雙排滾子鏈，由雙排鏈輪帶動向前移動。單排鏈輪安裝在整列輥組一側，與張緊裝置相互作用，使整列輥組在整列裝置前進時發(fā)生轉動，相鄰兩個整列輥組上單排鏈輪方向不同，使相鄰兩個單排鏈輪相互錯開，避免齒輪之間發(fā)生碰撞。

圖4 輸送裝置結構Fig.4 Structureof transmission device

2.2 整列輥組的結構設計

整列輥組為輸送裝置重要組成，整列輥組形狀決定種薯向前傳輸時運動狀態(tài)。膠輪數量決定整列裝置可同時整列種薯數量，目前已有種薯切塊機整列裝置，多采用錐形滾筒轉動方式進行整列。本文設計用于種薯切塊機上的整列輥組，由輥軸、膠輪、左側帶撥薯臺膠輪、右側帶撥薯臺膠輪等組成，結構如圖5所示，膠輪材料采用丁苯橡膠，可減少種薯跌落損傷，膠輪數量與切割裝置圓盤刀數量相匹配[4]，因此設計膠輪共35個，其中31個膠輪緊密排列在輥軸，兩側分別安裝2個帶撥薯臺的膠輪，為整列時撥薯臺通過與種薯表皮接觸給種薯向整列裝置內側提供摩擦力，使種薯向整列裝置內側移動，避免種薯與兩側擋板碰撞發(fā)生損傷。根據不同質量種薯長軸平均長度，設計膠輪寬度為41 mm。左側和右側帶撥薯臺膠輪兩端裝有鎖緊片，將安裝在輥軸上的膠輪鎖緊，防止其在輥軸上沿軸向移動。

圖5 整列輥組結構Fig.5 Structure of sorting roller

2.2.1 整列輥組間距確定

為使種薯在兩輥中間所受摩擦力僅供種薯旋轉，應使種薯僅與膠輪有接觸點。因此，膠輪直徑D和兩輥軸距離L1均為與運動直接相關因素，如圖6a所示，將馬鈴薯近似為橢球體，a、b、c分別為橢球體長軸長度、短軸長度和厚度，如圖6b所示，種薯姿態(tài)為長軸與輥軸垂直，查閱文獻[15]可知，輥子直徑應小于最小種薯直徑3倍，且膠輪間距s應最小，兩個輥軸之間距離還應大于所整列馬鈴薯長軸尺寸，如式（1）所示。

圖6 整列輥組中整列輥間距的確定Fig.6 Determination of roll spacing in directional

由前期試驗測得常見馬鈴薯物料特性可知[4]，70 g以上種薯短軸b長度普遍在40 mm以上，210～300 g種薯長軸a長度為90～110 mm，因此，由式（1）可得110 mm＜L1＜120 mm。

如圖4所示，整列輥組通過外鏈節(jié)安裝在雙排滾子鏈上，相鄰兩輥軸距離為節(jié)距p的6倍。因此選取標號為12A-2-108的雙排滾子鏈[16]，由鏈號知節(jié)距p為19.05 mm，故設計兩輥軸間距L1為114.3 mm。

2.2.2 膠輪結構設計

膠輪為整列裝置關鍵部件，主要由中間圓臺和兩側定位環(huán)組成，結構如圖7所示，整列時圓臺對種薯施加力使其發(fā)生運動，定位環(huán)可保持相鄰兩圓臺間距，切割時圓盤刀將穿過兩中間圓臺，綜合考慮已有圓盤刀組結構，取兩側定位環(huán)厚度7 mm，當膠輪安裝在輥軸上時，定位環(huán)使相鄰中間圓臺距離為14 mm，考慮到外鏈節(jié)強度與輥軸所受載荷，由經驗選取輥軸直徑為18 mm。

圖7 膠輪結構Fig.7 structural details of rubber wheel

設計圓臺結構為中間水平兩側傾斜，平面和傾斜面寬度相等，均為9 mm，整列時種薯與膠輪在傾斜面接觸，為保證種薯受膠輪旋轉時施加轉動力矩可克服種薯擺正時受到與橡膠的摩擦力矩，為避免種薯下落時與膠輪碰撞損傷，設計兩側傾斜面與輥軸夾角為13°，設計定位環(huán)直徑為37 mm。

2.2.3 兩側帶撥薯臺膠輪結構設計

為避免種薯在整列輸送過程中從裝置上掉落，將裝置兩側設計有擋板，種薯與擋板發(fā)生碰撞不僅使種薯表皮破損，且改變種薯在裝置上運動姿態(tài)，影響整列率，因此在左右兩側膠輪上分別設計撥薯臺，結構如圖8所示。

圖8 左側和右側帶撥薯臺膠輪結構Fig.8 Structure of the rubber wheelswith bosson the left and right

以左側帶撥薯臺膠輪為例，整列時種薯受力情況如圖9a所示，此時合力方向偏向裝置內側，使種薯有向內側運動趨勢。撥薯臺過高會使其與種薯接觸點較高，影響種薯運動穩(wěn)定性，為保證種薯整列效果同時避免種薯表皮破損，設計撥薯臺與輥軸夾角為40°，設計撥薯臺長度為30 mm，高度與寬度均為4.5 mm。由圖9b可知，種薯在撥薯臺作用下，合力在水平方向指向裝置內側，符合設計要求。

圖9 撥薯臺作用下種薯受力分析Fig.9 Stressanalysisof seed potato under the action of boss

3 馬鈴薯種薯整列過程分析

3.1 種薯整列過程力學分析

馬鈴薯落到整列裝置后，在裝置上姿態(tài)不一，受力情況如圖10所示。根據馬鈴薯種薯物理特性，將馬鈴薯假設為橢球體，假設種薯落入到整列裝置上任一位置時其長軸與裝置平面夾角為λ1，與輥軸夾角為λ2，對馬鈴薯在空間內瞬時狀態(tài)進行受力分析。當λ1、λ2均不為0時，以輥軸軸心為坐標原點，建立參考坐標系O-XYZ，其中X方向平行于輥軸，Y方向平行于整列輥組前進方向，Z方向垂直于該整列裝置。以馬鈴薯質心為坐標原點，建立參考坐標系O′-xyz，其中，x，y，z軸分別平行于X，Y，Z軸，將受力分析在O′-xyz上簡化，如圖11所示。

圖10 種薯整列時受力分析Fig.10 Force analysis when seed potatoesare sorted

圖11 受力簡化圖Fig.11 Simplified diagram of force

由受力分析可得力學平衡方程：

式中，M轉—種薯受到的整列輥組的轉動力矩（N·mm）；M摩—種薯受到整列輥組的摩擦力矩（N·mm）；N1，N2—膠輪對種薯的支持力（N）；G—種薯所受重力（N）；f1—種薯轉動時受到的靜摩擦力（N）；f2—種薯轉動時受到的靜摩擦力（N）；Ff1—驅動種薯轉動的滾動摩擦力（N）；Ff2—驅動種薯轉動的滾動摩擦力（N）；μ1—種薯表皮與膠輪的靜摩擦系數；h1—驅動種薯轉動的轉動力矩的力臂（mm）；h2—阻礙種薯轉動的摩擦力矩的力臂（mm）；L1—兩輥軸軸心距離，取114.3（mm）；L2—兩膠輪中心距離，取41（mm）；θ1，θ2—膠輪對馬鈴薯的支持角（°）；α—兩側傾斜面與輥軸夾角，取13°；M合—種薯在空間上受M轉與M摩的合力矩（N·mm）。

根據受力分析圖列出力學方程：

由式（3）（4）（5）可得：

其中：

由式（6）可知，膠輪對種薯作用轉動力矩M轉大于種薯轉動所受摩擦力矩M摩時，合力矩M合驅動種薯在整列裝置上轉動。馬鈴薯尺寸、輥軸間距L1和膠輪傾斜面與輥軸夾角α一定時，膠輪對馬鈴薯支持角θ1、θ2為影響種薯所受合力矩主要因素，其受膠輪直徑D影響，隨膠輪直徑D增大，支持角θ1、θ2也增大，此時力臂h1大小不變，力臂h2變大，導致轉動力矩M轉變小，摩擦力矩M摩變大，M合變小。D過大導致M合無法驅動種薯運動，D過小導致種薯在兩整列輥組溝槽中堆積，影響作業(yè)質量，因此選定膠輪直徑D為試驗因素進行試驗。此時，種薯在空間上受力矩M合和驅動種薯繞長軸轉動M′共同作用。

3.2 種薯定向輸送過程運動學分析

種薯完成整列后會隨整列輥組繼續(xù)定向傳輸，此時種薯長軸與輥軸平行，λ1、λ2均為0°，種薯在并排兩個整列輥組上受力與運動如圖12所示，此時種薯受整列輥組施加的以馬鈴薯中心點O′為轉軸力矩驅使種薯發(fā)生轉動。假設整列輥組轉速一定，該狀態(tài)下以種薯質心為坐標原點建立坐標系O-xyz，將受力分析在O-xyz上簡化，如圖13所示。

圖12 種薯定向傳輸時的受力與運動示意圖Fig.12 Schematic of forceand movement during transmission of seed potatoes

圖13 種薯傳輸時受力簡化圖Fig.13 Simplified diagram of forceduring seed potato transmission

通過運動學分析，以輥軸中心O點為坐標原點建立靜坐標系O-YZ[17]，以種薯中心點O′為坐標原點建立動坐標系O′-y1z1和牽連坐標系O′-y′z′。由于馬鈴薯截面為橢圓形，在O′-y1z1坐標系中，馬鈴薯截面橢圓方程為：

在O-YZ坐標系中，左側整列輥組上一點方程f1（y,z）為：

右側整列輥組上一點方程f2（y,z）為：

式中，R—整列輥組半徑（mm）。

根據平面直角坐標系轉軸公式：

式中，γ—坐標軸O′-y′z′與坐標軸O′-y1z1的偏轉角（°）

可得在O′-y′z′坐標系中橢圓表達式為：

假設O′點在O-YZ上坐標為（y0,z0），其中z0=f（y0），則有：

設橢圓在O-YZ上方程為F（y,z），則橢圓坐標可變換為：

在C1和C2兩點，馬鈴薯截面橢圓分別與兩個整列輥組相切，將F（y,z）分別與f1（y,z）和f2（y,z）聯立，令△1=0，△2=0可得：

假設C1點在O-yz上坐標為（yC1,zC1），C2點在Oyz上坐標為（yC2,zC2），可得：

同理由式（16）可推，C1點和C2點坐標表達式均與相鄰兩整列輥組中心距L1和整列輥組直徑D有關，對坐標方程求導，可得種薯與整列輥組接觸點在O-YZ平面上瞬時速度，其中L1取114.3 mm。馬鈴薯受力情況如圖12所示，根據受力分析圖列出力學平衡方程：

式中，θ3、θ4—膠輪對種薯支持角（°）；N3—左側整列輥組對種薯支持力（N）；N4—右側整列輥組對種薯的持力（N）；f3、f4—種薯轉動時受到靜摩擦力（N）。

對種薯運動所受力矩M′′進行分析，設O′點到N3距離為s1，到N4距離為s2，到f3距離為s3，到f4距離為s4，由點到直線距離公式：

式中，k1—N3所在直線斜率；k2—N4所在直線斜率；k3—f3所在直線斜率；k4—f4所在直線斜率。

可得輸送過程中馬鈴薯所受合力矩M′′為：

由上述分析可知，當種薯大小、整列輥組轉速n、輥軸間距L1一定時，合力矩M′′與膠輪直徑D有直接關系，是影響整列質量重要因素。

3.3 種薯定向輸送過程動力學分析

假設馬鈴薯在運動過程中重心位于位置1最低點時，y1軸與y軸夾角為β1，在位置2重心最高點處，y1軸與y軸夾角為β2，設位置1時重心位置為O1，位置2時重心位置為O2，兩個位置下重心與β1、β2關系如圖14所示，由動能定理可得：

圖14 種薯重心位置變化Fig.14 Change of the position of the center of gravity of seed potatoes

同時，由公式（23）可知整列輥組上一點的角速度ω：

由公式（24）：

種薯運動時，Z方向上分速度影響其運動狀態(tài)，可得重心最低點到最高點做功W12：

當Z方向速度過高時，種薯將被甩離整列裝置，運動不穩(wěn)定[18]。根據圖12對種薯運動過程力學分析可知，種薯在膠輪上隨整列輥組轉速n不同受靜摩擦或動摩擦兩種形式的力。當n較大時，膠輪與種薯接觸點產生動摩擦，此時種薯隨重心變化與膠輪發(fā)生磕碰造成損傷，由式（22）（23）（24）（25）可得，整列輥組轉速n為影響整列裝置穩(wěn)定性的因素。

由于該整列裝置隨整列輥組轉速增大前進速度增大，當種薯從上料口落到裝置時，會在上料處經歷落料-堆積-散開過程，裝置前進速度一定時，上料量過大會導致種薯在上料處種薯之間發(fā)生堆積，裝置前進速度過慢會增大種薯在裝置上散開所需時間，裝置前進速度過快導致種薯磕碰發(fā)生損傷，現有馬鈴薯升運裝置跌落高度一般為150～320 mm。馬鈴薯種薯切塊機作業(yè)時，種薯經分級裝置進入整列裝置，臺架試驗采用上料裝置進行供料，種薯從上料裝置落到整列裝置時，種薯以一定初速度被水平拋出，與整列裝置和其他種薯碰撞，速度過大會對種薯產生損傷。為保證試驗準確性，控制試驗變量，結合前期研究，上料量與切塊機實際作業(yè)情況[19]，選取上料跌落高度為180 mm，上料裝置輸送帶運輸速度為0.6 m·s-1。

綜合考慮以上料量、膠輪直徑D、整列輥組轉速n作為試驗因素進行二次旋轉正交組合試驗，并根據優(yōu)化結果求得整列效果最優(yōu)解。

4 臺架試驗

4.1 試驗材料與裝置

2021年7月在東北農業(yè)大學北方馬鈴薯全程機械化試驗基地進行試驗。試驗品種選擇中薯5號，平均含水率74.7%，長度范圍67.31～117.14 mm，寬度范圍58.24～89.22 mm，厚度范圍45～71 mm，長度平均值82.45 mm，寬度平均值65.57 mm，厚度平均值57.32 mm，平均形狀指數189，凈度大于98%，種薯形狀指數按式（26）計算，種薯質量范圍62～271 g，上料跌落高度180 mm，上料裝置輸送帶運輸速度0.6 m·s-1，試驗過程如圖15所示。

圖15 試驗過程Fig.15 Test process

式中，L—種薯最大長度（mm）；W—種薯最大寬度（mm）；t—種薯最大厚度（mm）。

4.2 評價指標與試驗因素

我國對于種薯切塊機整列裝置研究處于初始階段，缺少相關評價標準，本試驗針對現有種薯切塊機切塊時種薯定位難、種薯排列混雜無法實現機械化切塊的關鍵問題，將整列率μ1、平均整列時間T、損傷率μ2作為本研究的評價指標，其中，T為相鄰兩輥組中種薯整列率達到80%所用平均時間，整列率與損傷率計算公式為：

式中，K1—符合切割前整列標準種薯個數；K2—種薯總個數；K3—整列后損傷種薯個數。

根據馬鈴薯種薯在整列過程中力學特性分析及實際作業(yè)情況，結合現有對整列作業(yè)影響因素的研究，確定上料量、膠輪直徑D、整列輥組轉速n為試驗因素，上料過程中馬鈴薯從輸送帶均勻落在裝置上。

4.3 試驗結果與分析

4.3.1 試驗方案與結果

結合前期對馬鈴薯種薯切塊機試驗獲得性能參數與整列過程力學特性分析，分級裝置上料量為25 t·h-1時作業(yè)效果最佳，分級裝置根據體積不同篩選種薯，此時從分級裝置輸送到整列裝置上料量為15 t·h-1，確定試驗因素上料量范圍[19]為10～20 t·h-1，整列輥組轉速[4]范圍為18～27 r·min-1，膠輪直徑范圍為106～109 mm，整列率、平均整列時間和損傷率為試驗指標進行二次旋轉正交組合試驗，試驗因素編碼如表2所示。試驗過程中應保證上料均勻[20]，避免馬鈴薯落點過于集中，造成堆積，影響試驗結果顯著性；可通過更換膠輪實現膠輪直徑調節(jié)；可通過調節(jié)變頻器控制整列裝置傳動電機轉速調節(jié)整列輥組轉速。試驗方案與結果如表3所示。

表2 試驗因素編碼Table2 Experimental factorscodes

表3 試驗方案與結果Table 3 Test plan and experimental data

4.3.2 結果分析

將試驗結果導入Design-Expert 8.0.6軟件，進行二次回歸分析[21-22]，多元回歸擬合得到整列率μ1、平均整列時間T、損傷率μ2三個指標回歸方程，對其顯著性進行檢驗。

①整列率μ1

由表4可知，對于試驗指標整列率μ1，x1、x3、x12、x32影響極顯著（P＜0.01）；x2、x22影響顯著（0.01＜P＜0.05）；x2x3影響較顯著（0.05＜P＜0.1）；其余因素影響不顯著（P＞0.1）。

合并不顯著因素再次進行方差分析，結果如表4所示，得到影響整列率μ1各因素回歸方程：

表4 整列率μ1方差分析Table 4 Variance analysisof potato accuracy of sorting rate

對式（29）作失擬檢驗，失擬項P為0.5898，不顯著（P＞0.1），證明方程模擬較好，不存在其他主要因素影響指標，試驗因素與指標存在顯著二次關系，上述分析結果合理。

②平均整列時間T

由表5可知，對于試驗指標平均整列時間T，x2、x3、x22影響極顯著（P＜0.01）；x1、x1x2影響顯著（0.01＜P＜0.05）；其余因素不顯著（P＞0.1）。

合并不顯著因素后再次進行方差分析，結果如表5所示，得到影響平均整列時間T各因素的回歸方程：

表5 平均整列時間T方差分析Table5 Varianceanalysisof averagepotato sorting time

對式（30）進行失擬檢驗，失擬項P為0.2455，不顯著（P＞0.1），證明方程模擬較好，不存在其他主要因素影響指標，試驗因素與指標存在顯著二次關系，上述分析結果合理。

③損傷率μ2

由表6可知，對于試驗指標損傷率μ2，x1、x2、x3、x12、x22影響極顯著（P＜0.01）；x1x2影響顯著（0.01＜P＜0.05）；x32影響較顯著（0.05＜P＜0.1）；其余因素不顯著（P＞0.1）。

合并不顯著因素后再次進行方差分析，結果如表6所示，得到影響損傷率μ2各因素回歸方程：

表6 損傷率μ2方差分析Table 6 Variance analysis of potato breakage rate

對式（31）進行失擬檢驗，失擬項P為0.2692，不顯著（P＞0.1），證明方程模擬較好，不存在其他主要因素影響指標，試驗因素與指標存在顯著二次關系，上述分析結果合理。

4.3.3 響應曲面分析

采用Design-Expert 8.0.6軟件分析數據，生成上料量x1、整列輥組轉速x2、膠輪直徑x3之間顯著和較顯著因素交互作用對整列率μ1、平均整列時間T、損傷率μ2影響響應曲面[23-24]，如圖16所示。

對整列率μ1，當上料量為15 t·h-1時，整列輥組轉速與膠輪直徑交互作用如圖16a所示：當整列輥組轉速一定時，整列率隨膠輪直徑增大呈先增后減趨勢，膠輪直徑最優(yōu)范圍為106.9～108.5 mm；當膠輪直徑一定時，整列率隨整列輥組轉速增加呈先增后減趨勢，整列輥組轉速最優(yōu)范圍為19.82～23.84 r·min-1，其中，膠輪直徑為影響整列率的主要因素。

對平均整列時間T，當膠輪直徑為107.5 mm時，整列輥組轉速與上料量交互作用如圖16 b所示，當整列輥組轉速一定時，平均整列時間隨上料量增加而增大，上料量最優(yōu)范圍為15～17.97 t·h-1；當上料量一定時，平均整列時間隨整列輥組轉速增加呈先減后增趨勢，整列輥組轉速最優(yōu)范圍為21.16～25.18 r·min-1，其中，整列輥組轉速為影響平均整列時間主要因素。

對損傷率μ2，當膠輪直徑為107.5 mm時，整列輥組轉速與上料量交互作用如圖16c所示：整列輥組轉速一定時，損傷率隨上料量增加呈先增后減趨勢，上料量最優(yōu)范圍為13.33～16.67 t·h-1；當上料量一定時，損傷率隨整列輥組轉速增加呈先增后減趨勢，整列輥組轉速最優(yōu)范圍為19.82～23.84 r·min-1，其中，整列輥組轉速為影響種薯損傷率的主要因素。

圖16 整列率、平均整列時間與損傷率的雙因素影響響應曲面Fig.16 Response surface affected by two factors:sorting rate,sorting timeand skin break rate

4.3.4 參數優(yōu)化

通過Design-Expert 8.0.6軟件對3個回歸模型進行優(yōu)化求解，根據種薯切塊機整列裝置作業(yè)性能要求，優(yōu)化約束條件設置如式（32）：

通過優(yōu)化求解，得到上料量為15 t·h-1，整列輥組轉速21.18～23.80 r·min-1，膠輪直徑106.9～107.01 mm時，馬鈴薯種薯切塊機整列裝置整列效果最好，此時整列率為97.44%～97.85%，平均整列時間為6.7～8.0 s，損傷率為0.7%～0.76%。

4.4 驗證試驗

驗證試驗條件與二次旋轉正交組合試驗相同，于2021年7月在東北農業(yè)大學北方馬鈴薯全程機械化試驗基地展開，驗證該整列裝置關鍵部件結構參數與工作參數設計是否滿足要求。實際加工與作業(yè)時，選取整列輥組轉速為22 r·min-1、膠輪直徑為107 mm、上料量為15 t·h-1，優(yōu)化試驗指標整列率為97.7%、平均整列時間為7.5 s、損傷率為0.72%。將上述因素水平進行驗證試驗，測量3次結果取平均值，結果如表7所示。

表7 驗證試驗結果Table7 Verification test data

試驗結果表明，本文設計的馬鈴薯種薯切塊機整列裝置整列率為97.6%、平均整列時間為7.6 s、損傷率為0.71%。整列率較高，原因為膠輪直徑對整列率影響顯著，膠輪直徑越大，種薯運動過程中重心變化越小，運動越穩(wěn)定，整列率越高，同時，膠輪直徑過大使摩擦力矩力臂變小，影響整列率。平均整列時間較短，原因為整列輥組轉速對平均整列時間影響顯著，整列輥組轉速越大，裝置前進速度越快，平均整列時間越短。其損傷率較低，原因為上料量對損傷率影響顯著，上料量較低時，種薯均勻落在裝置表面，當上料量較多時，會導致種薯擁擠及種薯之間相互磕碰，同時種薯與裝置兩側側板發(fā)生碰撞。試驗驗證優(yōu)化參數的合理性，將整列裝置按優(yōu)化后參數調節(jié)后，馬鈴薯種薯切塊機作業(yè)質量提高。

5 結論

a.設計馬鈴薯種薯切塊機整列裝置，該機器可配合分級裝置和切割裝置對種薯進行切割前整列作業(yè)。

b.通過對種薯整列過程中力學與運動學分析，得出影響馬鈴薯種薯切塊機整列裝置整列效果主要因素為上料量、整列輥組轉速和膠輪直徑。采取二次旋轉正交組合試驗進行臺架試驗，通過Design-Expert 8.0.6軟件建立各試驗因素與指標間數學模型，優(yōu)化求解后進行驗證試驗，驗證試驗結果表明，當整列輥組轉速22 r·min-1、膠輪直徑107 mm、上料量15 t·h-1時，馬鈴薯整列裝置作業(yè)整列率為97.6%、平均整列時間為7.6 s、損傷率為0.71%，整列效果較好，與優(yōu)化結果一致，可為馬鈴薯種薯切塊機設計優(yōu)化提供參考。