基于高速攝像技術的馬鈴薯在分離篩上運動特性研究

宿金殿，王春光，謝勝仕，蒙建國

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特　010018)

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基于高速攝像技術的馬鈴薯在分離篩上運動特性研究

宿金殿，王春光，謝勝仕，蒙建國

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特010018)

摘要：為了研究馬鈴薯挖掘機在收獲過程中馬鈴薯在分離篩上的運動特性、改善馬鈴薯挖掘機工作性能、提高薯土分離效果及降低馬鈴薯的損傷，采用室內試驗和室外試驗研究的方法，對馬鈴薯在分離篩上的運動規律進行研究。利用紅外高速攝像技術，采集室內和田間馬鈴薯在分離篩上的運動情況的數據。利用高速攝像分析軟件(TEMA)對采集到的攝像數據進行處理，繪制出馬鈴薯的分離篩上的加速度時間歷程曲線，總結出馬鈴薯在篩面上的運動規律。最終得出馬鈴薯在分離篩上的運動特性，為馬鈴薯收獲機的分離篩參數的優化提供參考。

關鍵詞：馬鈴薯挖掘機；分離篩； 高速攝影；運動規律；優化

0引言

馬鈴薯是一種適應性強、營養豐富的農產品,在糧食產量排名中僅次于玉米、水稻和小麥，居第4位。隨著馬鈴薯生產的不斷發展，對馬鈴薯挖掘機工作性能要求也越來越高，而薯土分離裝置的工作性能直接影響著明薯率和傷薯率這兩個重要指標。目前，馬鈴薯挖掘機常用的薯土分離裝置主要有桿鏈式和桿鏈—分離篩組合式。小型馬鈴薯挖掘機多采用桿鏈式薯土分離裝置，而中型馬鈴薯挖掘機多采用桿鏈—分離篩組合式薯土分離裝置。由于我國使用較多的是中小型馬鈴薯挖掘機，所以，桿鏈—分離篩組合式薯土分離裝置的應用較為普遍[1-3]。

本文以克新1號馬鈴薯為研究對象，在自行設計的擺動分離篩試驗臺上，利用高速攝像技術對馬鈴薯在擺動分離篩上的運動情況進行分析研究。測定在不同篩面傾角和不同篩分速度下馬鈴薯的加速度時間歷程。在此基礎上，通過田間試驗對室內試驗進行驗證和補充。為深入研究馬鈴薯動力學特征和馬鈴薯挖掘機的改進和優化提供一定參考[4-8]。

1試驗材料與設備

選擇在我國北方地區具有代表性的克新1號馬鈴薯，試驗馬鈴薯外形選擇近似圓球形和橢球形及表皮無損傷，新鮮的馬鈴薯各30顆，質量在300～330g之間[8-10]。

自行研制了4SW-170型馬鈴薯挖掘機試驗臺[11-12]，其分離篩的結構參數，如表1所示。試驗臺與地面固定，用萬向節將電動機與試驗臺的主軸相連接，通過變頻器調節電動機的轉速，進而改變馬鈴薯挖掘機的輸入轉速。試驗臺主要由變頻器、電動機、萬向節、變速箱、升運鏈、分離篩、機架、坐標板和攝像機等組成，如圖1所示。本次試驗采用SONY公司生產的 NTA-1383陣列式紅外攝像機，分辨率640×480，幀速為500幀/s。

表1　馬鈴薯挖掘機分離篩的結構參數

1.VARISPEED-616G5變頻柜　2.電動機　3.傳動軸　4.變速箱

2試驗方法及數據處理

2.1試驗方法

為了分析馬鈴薯在分離篩上的運動規律，試驗時采取高速攝像機在線跟蹤拍攝。根據試驗研究要求，馬鈴薯挖掘機主軸轉速分別選擇：271、304、330、361、395、 441、473r/min 7個轉速值；分離篩面傾角(篩面與水平面的夾角)為1.5°、7.7°。

試驗時，先調節分離篩的角度，再用變頻器設定一個電動機輸出軸轉速，待馬鈴薯收獲機運轉平穩后，將質量為300～330g之間的圓球形和橢球形馬鈴薯放在穩定轉動的升運鏈上；馬鈴薯從升運鏈運動到分離篩后,借助高速攝像機，采集兩類馬鈴薯在分離篩上的運動情況。每組試驗重復10次。利用高速攝像分析軟件(TEMA)把高速攝像拍攝的圖片，在像素坐標下得到一系列以像素為單位的數值轉換為實際位移值。在分析時，選取固定板上坐標原點，多次分析采集到的攝影數據，總結出馬鈴薯在分離篩上的運動規律。

2.2試驗數據的處理

試驗結果表明：在主軸轉速為330 r/min、分離篩面傾角為1.5°時，圓球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度76.005m/s2，橢球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度71.286m/s2，其加速度時間歷程如圖2所示；分離篩面傾角為7.7°時，圓球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度46.632m/s2，橢球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度70.945m/ s2，其加速度時間歷程如圖3所示；在主軸轉速為361r/min、分離篩面傾角為1.5°時，圓球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度66.147m/s2，橢球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度76.918m/s2，其加速度時間歷程,如圖4所示；分離篩面傾角為7.7°時，圓球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度70.903m/s2，橢球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度81.410m/s2，其加速度時間歷程,如圖5所示。其中，細實線表示馬鈴薯的加速度，粗實線表示分離篩的加速度。

3試驗數據的分析

3.1馬鈴薯在篩面上最大加速度的分析

馬鈴薯在分離篩上的最大加速度決定了馬鈴薯在分離篩上的最大受力、跳躍高度和碰撞強度，直接影響馬鈴薯在篩分過程中的傷薯率。通過高速攝像系統分析圓球形和橢球形馬鈴薯的最大加速度數據如下：當分離篩面傾角分別為1.5°和7.7°時，兩類馬鈴薯在篩面上的最大加速度,如表2所示。

(a)　圓球形馬鈴薯

(b)　橢球形馬鈴薯

(a)　圓球形馬鈴薯

(b)　橢球形馬鈴薯

(a)　圓球形馬鈴薯

(b)　橢球形馬鈴薯

(a)　圓球形馬鈴薯

(b)　橢球形馬鈴薯

m/s2

由表2可見：兩類馬鈴薯在篩面上最大加速度隨著主軸轉速的增大而增大，傷薯率隨著主軸轉速和篩面傾角的增大而升高。在相同篩面傾角下，橢球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度大于圓球形馬鈴薯,橢球形馬鈴薯表皮的損傷大于圓球形馬鈴薯；同類馬鈴薯在篩面上最大加速度隨著篩面傾角的增大而降低，分離效果隨著篩面傾角的增大而降低。

3.2馬鈴薯在分離篩面上運動時間的分析

馬鈴薯在分離篩上運動時間越長，薯土分離效果就越好，明薯率越高，但傷薯率增大。多次重復試驗后，利用TEMA分析采集到的數據，繪制出不同篩面傾角和不同轉速條件下的兩類薯形在分離篩上加速度與時間歷程。獲得兩類馬鈴薯在篩面上運動時間數據如下：在不同轉速下，當分離篩面傾角分別為1.5°和7.7°時，兩類馬鈴薯在篩面上運動時間的擬合曲線，如圖6所示。

圖6　主軸轉速與馬鈴薯在篩面上運動時間圖

由圖6分析得:兩類馬鈴薯在篩面上運動的時間隨著主軸轉速的增大而減小。在篩面傾角為1.5°和7.7°時，篩面傾角對圓球形馬鈴薯在篩面上運動的時間的影響較小；在篩面傾角為1.5°和7.7°時，篩面傾角對橢球形形馬鈴薯在篩面上運動的時間的影響較大。圓球形馬鈴薯在篩面運動的時間比橢球形馬鈴薯短，原因是由于圓球形馬鈴薯在篩面上易滾動，而橢球形馬鈴薯在篩面上不易滾動。

4田間試驗驗證

4. 1試驗條件和方法

田間試驗在呼和浩特市武川縣馬鈴薯種植基地進行。 試驗地塊地勢平坦，土壤為沙壤土，土壤含水率11.2%；馬鈴薯品種為克新1號；試驗機型為 內蒙古農業大學自行研究生產的4SW-170 型馬鈴薯收獲機；配套拖拉機是由中國一拖集團有限公司生產的東方紅-X900型拖拉機，前進速度約1.94km/h，輸出轉速約360r/min。

試驗前，把地塊中較大的雜草和馬鈴薯秧苗割去，以免影響試驗結果；在機架的左側焊接一個固定板，作為攝像時的固定坐標；馬鈴薯挖掘機的右側放置1個約6m長的水平軌道，并與拖拉機的前進速度平行；把攝像機安裝在軌道上，調節攝像機鏡頭到最佳攝像位置；調節分離篩的傾角為1.5°或7.7°。

在田間已經挖出的馬鈴薯中選取有代表性的圓球形和橢球形馬鈴薯 (質量接近室內試驗所用的馬鈴薯試驗球300～330g)各一個，并用黑白膠帶標記，作為田間試驗的試驗薯；將兩個試驗薯預埋在即將挖掘的土壤中。在挖掘機工作穩定后，攝像機以拖拉機的前進速度沿軌道運動，開始記錄數據，進行5組重復試驗。

4.2試驗結果與數據處理

分析田間采集到的數據，正常工作情況下、篩面傾角為1.5°時，圓球形在篩面上的最大加速度為71.618m/s2，橢球形馬鈴薯在篩面上最大加速度為74.225m/s2，其加速度時間歷程如圖7所示。

(a)　圓球形馬鈴薯

(b)　橢球形馬鈴薯

篩面傾角為7.7°時，圓球形在篩面上的最大加速度為45.531m/s2，橢球形馬鈴薯在篩面上最大加速度為50.275m/s2，其加速度時間歷程如圖8所示。其中，細實線表示馬鈴薯的加速度，粗實線表示分離篩的加速度。

(a) 圓球形馬鈴薯

(b)　橢球形馬鈴薯

4.3試驗結果分析

經多次田間試驗，通過TEMA分析田間采集到的試驗數據，與室內分析的數據作對比：馬鈴薯在篩面上的最大加速度和運動時間的規律在室內外試驗是相同的；在同一篩面傾角下，橢球形馬鈴薯在篩面上的最大加速度大于圓球形馬鈴薯,橢球形馬鈴薯表皮的損傷大于圓球形馬鈴薯；同類馬鈴薯在篩面上最大加速度隨著篩面傾角的增大而降低，分離效果隨著篩面傾角的增大而降低；兩類馬鈴薯在篩面上運動的時間隨著主軸轉速的增大而減??；圓球形馬鈴薯在篩面運動的時間比橢球形馬鈴薯短。

5結論

1)借助高速攝影技術分析馬鈴薯在分離篩上的運動特性是可行的，采集到的攝影數據直觀、可靠。由高速攝像分析軟件(TEMA)可以準確地分析出各參數的運動變化規律。

2)在篩面傾角為1.5°時, 圓球形馬鈴薯的最大加速度為81.105m/s2,橢球形馬鈴薯的最大加速度為85.002m/s2；在篩面傾角為7.7°時, 圓球形馬鈴薯的最大加速度為77.334m/s2,橢球形馬鈴薯的最大加速度為101.60m/s2。

3)由于田間的土壤等外界因素的影響，馬鈴薯在篩面上的最大加速度小于室內試驗篩面上馬鈴薯的最大加速度。橢球形馬鈴薯比圓球形馬鈴薯在分離篩上受到的加速度大，橢球形馬鈴薯的表皮易損傷；橢球形馬鈴薯比圓球形馬鈴薯在分離篩上運動的時間長，橢球形馬鈴薯的分離效果較圓球形馬鈴薯好。隨著主軸轉速的增大，兩類馬鈴薯在分離篩上運動的時間逐漸變短，加速度增大。

參考文獻：

[1]宋玉,龔麗農,曲琳.馬鈴薯收獲動態圖像處理系統的設計[J].青島農業大學學報：自然科學版,2012,29(2):136-139.

[2]劉寶,張東興,李晶.馬鈴薯收獲機主要問題機理分析及其對策[J].農機化研究,2009，31(1):14-16.

[3]史增錄,張學軍,趙武云.4UX-550型馬鈴薯挖掘機振動篩運動特性分析及仿真研究[J].甘肅農業大學學報,2013，6(3):156-160.

[4]劉海超,王春光,顧麗霞. 馬鈴薯在擺動分離篩上的動力學試驗研究[J].中國農機化學報, 2013, 34(1): 70-72,81.

[5]陳進,邊疆,李耀明.基于高速攝像系統的精密排種器性能檢測試驗[J].農業工程學報, 2009,25(9):90-95.

[6]蔡菲.基于高速攝像技術的振動落果研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2013.

[7]翟之平,吳雅梅,王春光.物料沿拋送葉片的運動仿真與高速攝像分析[J].農業工程學報, 2012,28(2):23-28.

[8]付昱.4SW-170型馬鈴薯挖掘機振動測試研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2012.

[9]王澤京,高曉陽,畢陽.基于等效橢圓和BP神經網絡的馬鈴薯形狀分類研究[J].甘肅農業大學學報,2011，46 (3):131-135.

[10]孔彥龍，高曉陽，李紅玲，等.基于機器視覺的馬鈴薯質量和形狀分選方法[J].農業工程學報，2012，28(17)：143-148.

[11]付昱,王春光. 4SW-170型馬鈴薯挖掘機振動試驗研究[J].農機化研究,2013,35(1):147-151.

[12]趙滿全,趙士杰,佘大慶，等.組合分離式馬鈴薯挖掘機設計與研究[J].農機化研究,2007(4): 69-72.

Study on the Movement Characteristics of Potato During Separating Based on High Speed Photography Technology

Su Jindian , Wang Chunguang, Xie Shengshi, Meng Jianguo

(College of Electricmechanical Engineering,Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot 010018，China)

Abstract：In order to improve the working performance and separation efficiency of the potato digger during potato soil separation process, methods of experiments indoor and outdoor have been done using the high-speed camera technology to get the motion characteristics of potatoes when they are moving on the separating sieve, aimed to reduce the damage of potatoes. After analyzing and processing of the image data, the kinetic characteristic curve of spherical and ellipsoidal potatoes moving on the separating screen has been draw out by using high-speed camera analysis software (TEMA). Finally, the conclusion about the potatoes movement principle on the sieve surface has been made, providing a reference for optimizing the separation sieve's parameters of potato harvesting machines.

Key words：potato digger ; separating sieve; high-speed camera technology; potatoes movement principle; optimization

文章編號：1003-188X(2016)05-0181-06

中圖分類號：S225.7+1

文獻標識碼：A

作者簡介：宿金殿(1987-)，男(滿族)，呼和浩特人，碩士研究生，(E-mail)735663501@qq.com。通訊作者：王春光(1959-)，男，內蒙古鄂爾多斯人，教授，博士生導師，(E-mail)jdwcg@imau.edu。

基金項目：內蒙古自治區科技創新引導獎勵基金項目(20121310)；內蒙古自然科學基金項目(2014MS0541)

收稿日期：2015-04-06