撥輥推送式馬鈴薯清選分選機設計與試驗

王相友 孫景彬 許英超 李學強 程鵬飛

(1.山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255000； 2.山東希成農業機械科技有限公司，德州 253600；3.山東理工大學機械工程學院，淄博 255000)

撥輥推送式馬鈴薯清選分選機設計與試驗

王相友1孫景彬1許英超1李學強2程鵬飛3

(1.山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255000； 2.山東希成農業機械科技有限公司，德州 253600；3.山東理工大學機械工程學院，淄博 255000)

針對現有馬鈴薯清選分選機的薯土分離效果差、傷薯率較高、工作效率低等問題，設計了一種撥輥推送式馬鈴薯清選分選機。對該機器的工作機理進行了闡述，確定了清選裝置、分選裝置的結構參數，分析了馬鈴薯在清選分選過程中的力學特性。選取機組的轉速、上料量、機組提升角度作為試驗因素，傷薯率、分選清潔率為試驗性能指標進行正交試驗，并對試驗結果進行顯著性分析。結果表明，各因素對傷薯率影響的主次因素順序為：機組提升角度、機組轉速和上料量；對分選清潔率的影響主次因素順序為：上料量、機組轉速和機組提升角度。按照以馬鈴薯的傷薯率較低，兼顧分選清潔率較高的原則，確定較優組合，即機組轉速為145 r/min，上料量為20 t/h，機組提升角度為12°，并對該參數組合進行了驗證試驗，結果表明，在該條件下機器傷薯率為0.773%，分選清潔率為95.42%，符合基本作業要求。

馬鈴薯； 清選分選機； 撥輥推送式； 力學分析； 正交試驗

引言

伴隨著我國農業產業的結構調整以及馬鈴薯主糧化戰略的部署，馬鈴薯的種植面積逐年增加，當前馬鈴薯的總產量已經穩居世界前列[1-4]。但是，我國并不是馬鈴薯的加工和貿易出口強國，很重要的原因是分選機械相對比較落后，無法實現高質量的清選分選作業。目前馬鈴薯的清選分選作業主要依靠果蔬分級通用機械完成，專用機械比較少，難以根據馬鈴薯本身的物料特性實現低損傷分級[5]。國內有關馬鈴薯清選分選機械的研究主要有：劉洪義等[6]設計了馬鈴薯分級生產線及其關鍵設備，主要介紹了一種振動篩形式的分級裝置。申屠留芳等[7]設計的馬鈴薯分選機，主要涉及一種輥軸式分選裝置，可有效代替人工分選，提高分級效率。常超等[8]設計的基于馬鈴薯聯合收獲機的分級裝置，采用鏈板式輥軸分級方法實現較為精確的分級。但是，國內集清選與分選一體的機型研究相對較少。

針對現有馬鈴薯分選機械存在傷薯率較高、清選清潔率低的問題，本文設計一種集清選與分選于一體的撥輥推送式馬鈴薯清選分選機。該機型通過多級撥輥連續推動，從而實現薯土的分離、馬鈴薯大小級別的分選，以有效降低分選過程的傷薯率，提高分選效率和清潔率。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

撥輥推送式馬鈴薯清選分選機主要由上料斗、清選裝置、分選裝置、薯土分離裝置、泥土輸送帶、小薯輸送帶及大薯輸送帶等組成，結構如圖1所示。

圖1 馬鈴薯清選分選機整機結構圖Fig.1 Structure of potato cleaning and sorting machine1.上料斗 2.清選裝置 3.分選裝置 4.大薯輸送帶 5.中薯輸送帶 6.泥土輸送帶 7.薯土分離裝置

1.2 工作原理

該清選分選機依靠電動機提供動力，靠清選輥和分選輥的轉動實現清選和分選作業，工作原理如圖2所示，圖中箭頭所指方向為馬鈴薯的前進方向。機器的上料斗首先將馬鈴薯輸送至清選裝置，該裝置上的清選輥可以將輸送來的馬鈴薯、泥土以及雜草實現分離，較小的馬鈴薯、泥土及雜草會在清選輥的間隙中落下，落到下邊的薯土分離裝置，進而實現小薯和雜質的分離。留在清選輥上的馬鈴薯被輸送到下一級分選裝置，該裝置設計6根分選輥，分選輥上設計有撥輪，可以使馬鈴薯在翻滾的過程中進行大小分級，中薯落至分選輥下面的輸送帶上，大薯落至分選輥后面的輸送帶，從而完成馬鈴薯的整個清選分選過程。

圖2 工作原理圖Fig.2 Diagram of working principle1.清選輥 2.小薯 3.雜質 4.輸送帶 5.大薯 6.分選輥

2 關鍵機構設計

2.1 清選裝置

該裝置主要由減速電動機、伸縮架、左旋彈簧、右旋彈簧及清選輥等組成，其結構如圖3所示。6條清選彈簧中，每兩條相鄰彈簧的旋向是相反的，避免馬鈴薯在輸送過程中被推向一側，保證了清選工作的連續性。彈簧的外形設計圓滑，可以有效減輕對馬鈴薯的損傷。

圖3 清選裝置結構圖Fig.3 Structure diagram of cleaning device1.減速電動機 2.鏈條 3.短連片體 4.右旋彈簧 5.左旋彈簧 6.清選輥 7.長連片體

圖4 伸縮架結構圖Fig.4 Structure diagram of telescopic frame1.短連片體 2.長連片體

其中伸縮架是由長連片體和短連片體交錯疊加而成，如圖4所示。該伸縮架可以實現清選輥之間的間距調節。中間交叉鉸接4對雙連片體，兩端分別有一對單連片體鉸接相連，使得伸縮架整體結構形似5個菱形，這樣，伸縮架在調節清選輥軸間距時，避免了傳動鏈的張緊調節。

2.2 分選裝置

撥輥推送式分選裝置主要由減速電動機、鏈條、長連片體、短連片體、分選輥以及緩沖套管等組成，結構如圖5所示，其中伸縮架的結構與清選裝置中的伸縮架結構相同，分選裝置中的分選輥由撥輪、四方撥輥軸、間隔套等組成，其中撥輪有六齒撥輪和十二齒撥輪兩種，十二齒撥輪安裝于分選裝置的首根軸上，起到承接物料的作用，六齒撥輪安裝于其余5根軸上，起到分選作用。

圖5 分選裝置結構圖Fig.5 Structure diagram of sorting device1.減速電動機 2.鏈條 3.十二齒撥輪 4.六齒撥輪 5.間隔套 6.緩沖套管

2.3 分選輥

分選輥是撥輥推送式分選裝置中的關鍵零部件，其結構特點對分選效果的影響至關重要。

2.3.1撥輪齒數的確定

分選裝置工作時，馬鈴薯分布于相鄰的分選輥之間，分選輥上的撥輪之間形成持薯空間，撥輪的運動使得馬鈴薯產生滾動、滑動或跳動[10]。因此，分選輥的轉動應保證撥輪運動的連續性，再根據分選作業的需要，分析得撥輪的輪齒數應多于4，當輸送轉速一定時，撥輪齒數的增加會增大馬鈴薯的轉動頻率，進而提高馬鈴薯的分離效果[10]。不同齒數的撥輪產生的持薯空間如圖6所示。

圖6 持薯空間對比圖Fig.6 Comparison of space for potatoes

由圖6可知，當撥輪的齒數為5時，相鄰兩撥輪之間形成的持薯空間不相等，即S1=S3≠S2，并且空間S2易造成卡薯損傷；當撥輪的齒數為6時，相鄰的兩撥輪之間形成的持薯空間相等，即S1=S2=S3，可以避免因持薯空間不等而造成的馬鈴薯剪傷或磨傷，因此撥輪采用六齒的結構形式。

2.3.2撥輪尺寸的確定

撥輪的設計應保證馬鈴薯實現翻滾、前進的動作，撥輪的結構決定持薯空間的形狀，撥輪的尺寸決定持薯空間[10]。撥輪的尺寸過大，會導致軸徑過大、機器笨重且耗能，尺寸過小，無法達到分選的效果且不能保證馬鈴薯的輸送，進而影響分選的效率。

經力學分析，為提高馬鈴薯的分選效率、有效保證輸送，減少傷薯率，將撥輪中的邊線1(圖7)設計為內凹形狀的圓弧，邊線2設計為外凸形狀的圓弧，進而保證相鄰的2個撥齒之間形成喇叭口形狀的持薯空間[10]。為減小馬鈴薯的傷損率，持薯空間應盡可能平滑，且避免出現尖銳的邊角。

馬鈴薯的形狀近似為橢球狀，根據其形狀特點，設計撥輪輪齒的形狀如圖7所示，由4段圓弧相切過渡組成，圓弧半徑分別為：R1=5 mm；R2=40 mm；R3=10 mm；R4=70 mm。此外，R5=78.5 mm；R6=33.5 mm；R7=25 mm。

圖7 撥輪結構圖Fig.7 Structure diagram of poking wheel

2.3.3分選輥組數的確定

撥輥推送式分選機構主要實現馬鈴薯的大小分級，若分選輥的組數過少，達不到分級的目的，若分選輥的組數過多，會增加馬鈴薯在分級裝置上的輸送行程，極易造成馬鈴薯薯皮的破損[10]。對樣機進行試驗，研究4、5、6組分選輥作業時傷薯率，經分析，分選輥的數量為5組時，傷薯率最低。

2.3.4撥輪間距及分選輥間距的確定

馬鈴薯的大小決定了兩相鄰分選輥上的撥輪間距。根據實際測量，經清選之后得到馬鈴薯的平均尺寸：長度為59～110 mm，直徑為56～70 mm。為保證馬鈴薯可以在撥輪上的輸送而不從其間隙中落下，確定撥輪的間隙為54 mm。

根據撥輪的半徑(83.5 mm)以及馬鈴薯的平均尺寸，遵循馬鈴薯的卡傷率最低的原則，確定相鄰分選輥的間距為130 mm，且該間距可以根據清選過后的馬鈴薯大小進行調節。

3 馬鈴薯力學特性分析

3.1 清選過程力學特性分析

對馬鈴薯在清選彈簧上的受力分析如圖8所示，主要受到兩相鄰清選彈簧的支持力N1、N2，摩擦力Nf1、Nf2和自身重力mg作用。其中，ω1為清選彈簧的旋轉方向，O為馬鈴薯的質心位置，O1為馬鈴薯與清選彈簧的一個接觸點，O2為另一接觸點，θ為機組的提升角度，θ1為支持力N1與水平方向的夾角，θ2為支持力N2與水平方向的夾角，α1為馬鈴薯的重力mg與O2點法向的夾角，β1為支持力N1與N2的夾角，O到O1的距離為a，O到O2的距離為b。

圖8 清選過程受力分析簡圖Fig.8 Stress analysis diagram of cleaning process

由圖8可得

Nf1=N1f

(1)

Nf2=N2f

(2)

式中f——摩擦因數

馬鈴薯在清選過程中，可以忽略清選彈簧所引起的馬鈴薯的離心力，進而可得作用于馬鈴薯上的所有力對接觸點O2的合力矩為

∑MO2=N1bsin(180-β1)-mgbsinα1-
Nf1(a+bsin(β1-90))

(3)

將式(1)代入式(3)得

∑MO2=N1bsinβ1-mgbsinα1+

N1f(a+bcosβ1)

(4)

馬鈴薯在此特定位置能夠翻越清選彈簧的臨界條件是：對O2點的合力矩大于等于零，即

N1b(sinβ1+fcosβ1)+N1f-mgbsinα1≥0

(5)

同時應該滿足沿著接觸點O2切線方向的合力大于等于零，即

N1sin(180-β1)+Nf 2-Nf 1sin(β1-90)-
mgsinα1≥0

(6)

化簡得

N1sinβ1+N2f+N1fcosβ1-mgsinα1≥0

馬鈴薯在清選過程中，清選彈簧的兩作用力N1和N2之間的夾角β1變化較小，但重力mg與Y軸負方向的夾角α1是時刻變化的，主要受機組提升角度θ的影響。并且，馬鈴薯會受到鄰接馬鈴薯的撞擊力，因此，在該過程中的受力比較復雜，機組的轉速、上料量以及機組提升角度均是影響馬鈴薯受力的關鍵因素，也是影響馬鈴薯在清選過程中傷損率的重要指標。

3.2 分選過程力學特性分析

對馬鈴薯在兩相鄰撥輪上的受力分析如圖9所示，ω2為分選輥的旋轉方向。

圖9 分選過程受力分析簡圖Fig.9 Stress analysis diagrams of sorting process

在圖示位置時，馬鈴薯主要受到撥輪對其的支持力(即撥動力)Fn1、Fn2，摩擦力Ff1、Ff2，以及自身重力mg作用，其中，O點為馬鈴薯的質心位置，O3為馬鈴薯與撥輪的一個接觸點，O4點為另一接觸點，α為馬鈴薯重力mg與O4點法向的夾角，β為兩撥輪支持力的夾角，O與O3的距離為c，O與O4的距離為d。

其中

Ff1=Fn1f

(7)

Ff2=Fn2f

(8)

忽略撥輪旋轉所引起馬鈴薯的離心力，則作用于馬鈴薯上的力對接觸點O4的合力矩為

∑MO4=Fn1dsin(180-β)-mgdsinα-
Ff1(c+dsin(β-90))

(9)

將式(7)代入式(9)中，化簡得

∑MO4=Fn1dsinβ-mgdsinα+
Fn1f(c+dcosβ)

(10)

馬鈴薯能夠被撥輪撥動并且順利輸送到下一撥輪的必要條件為：對O4點的合力矩大于等于零，即

Fn1d(sinβ+fcosβ)+Fn1fc-mgdsinα≥0

(11)

同時，應滿足馬鈴薯受到的沿接觸點O4切線方向的合力大于等于零，即

Fn1sin(180-β)+Ff2-Ff1sin(β-90)-mgsinα≥0

(12)

化簡得

Fn1sinβ+Fn2f+Fn1fcosβ-mgsinα≥0

根據力學特性的分析可知，馬鈴薯在撥輪的輸送過程中，所受到的支持力Fn1和Fn2之間的夾角β變化較小，但是，馬鈴薯的重力mg與Y軸負方向夾角α不斷變化，該變化受機組(分選輥、清選輥)提升角度的直接影響。馬鈴薯在此過程中的受力是比較復雜的，機組的轉速、機組的提升角度均會對馬鈴薯的受力情況產生影響。

4 試驗

4.1 試驗條件

2016年9月在河北省沽源縣希森馬鈴薯種植基地，以荷蘭15號馬鈴薯為分選對象，對樣機進行了試驗。其中，荷蘭15號馬鈴薯為國內廣泛種植品種，試驗用樣機如圖10所示。

圖10 試驗樣機Fig.10 Experimental prototype

4.2 試驗參數和評價指標

根據馬鈴薯在清選、分選過程中的力學分析結果，確定機組(清選輥、分選輥)轉速、上料量、機組(清選輥、分選輥)提升角度為試驗研究的3個主要參數。

綜合樣機工作的實際情況，機組的轉速變化范圍可調，上料量變化范圍一般為20～50 t/h，機組的提升角度變化范圍為0°～13°。以馬鈴薯清選分選過程中的重要評價指標：傷薯率y1、分選清潔率y2作為試驗指標。

(13)

(14)

式中n1——機組作業完成后表皮損傷的馬鈴薯質量

n2——機組作業處理完成后馬鈴薯的總質量

N——雜物的總質量

4.3 試驗方案

綜合樣機工作的實際情況，對選取的3個試驗參數進行三因素四水平的正交試驗，即選用正交表L16(43)進行試驗設計與分析，其因素水平如表1所示。

表1 試驗因素與水平Tab.1 Experimental factors and levels

4.4 試驗結果與分析

根據極差值確定傷薯率、分選清潔率影響因素的主次關系，極差分析結果如表2所示。A、B、C為因素水平值。

對試驗結果進行方差分析，進而確定試驗指標在不同試驗因素水平組合下的變化規律。試驗結果的方差分析如表3所示。

綜合極差分析與方差分析的結果可知，機組轉速、上料量和機組提升角度對機器分選性能的影響是不相同的。并且，根據方差分析的結果可知，所選試驗指標對性能指標均具有顯著的影響，因此，這3種參數的選取是正確的，是影響該機器性能指標的關鍵性因素。

在所選的3個參數中，機組的轉速對傷薯率、分選的清潔率均有顯著影響。并且，機組轉速越快，單個馬鈴薯在清選輥上的轉動圈數越少，清選輥對馬鈴薯的摩擦次數減少，進而導致馬鈴薯的傷薯率降低，反之，傷薯率升高。

上料量對傷薯率的影響不顯著，但對分選的清潔率有非常顯著的影響，且上料量越大，分選的清潔率越低。原因在于，上料量越大，導致馬鈴薯的擁擠，部分馬鈴薯不易接觸到清選輥，降低了摩擦的次數，此時傷薯率會降低。

表2 試驗方案與結果Tab.2 Test design scheme and results

表3 分選性能指標方差分析Tab.3 Variance analysis of machine performance

注：*表示顯著；**表示非常顯著。F0.05(3,6)=4.757，F0.01(3,6)=9.780。

機組的提升角度對馬鈴薯的傷薯率具有非常顯著的影響，原因在于，提升角度增大，會使得馬鈴薯在分選輥上的轉動次數減少，進而導致馬鈴薯迅速完成整個清選分選過程，受到的摩擦力減少。反之，馬鈴薯被摩擦的次數增加，導致傷薯率上升。

通過極差和方差分析，綜合考慮各試驗因素對分選性能指標的影響，對傷薯率影響的主次因素順序為：機組提升角度、機組轉速和上料量；對分選清潔率影響的主次因素順序為：上料量、機組轉速和機組提升角度。按照馬鈴薯的傷薯率較低，兼顧分選清潔率較高的原則，從而確定了A4B1C4的較優參數組合，即機組轉速為145 r/min，上料量為20 t/h，機組提升角度為12°，并且該參數組合是正交試驗過程中的其中一組試驗方案，故對該參數組合進行3次重復試驗研究，而且，由于較優參數組合發生在所選參數取值的邊界處，因此進行驗證試驗，驗證試驗的結果如表4所示。

表4 驗證試驗結果Tab.4 Results of verification test

根據重復試驗結果，在參數組合A4B1C4下，馬鈴薯的傷薯率為0.773%，分選清潔率為95.42%，與正交試驗時的結果基本一致。由1號驗證試驗，保持A4、B1不變，機組提升角度C取值為13°(最大角度)，試驗結果傷薯率為0.734%，分選清潔率為94.22%，可見傷薯率有所降低，但分選清潔率降低了1.2個百分點，故根據分選性能指標的評價原則，判定機組提升角度12°優于13°；由2號驗證試驗，保持B1、C4不變，機組的轉速A增大至160 r/min(機組最高轉速)，試驗結果傷薯率為0.815%，分選清潔率為94.67%，可見傷薯率有所上升，分選清潔率有所下降，故機組轉速145 r/min優于160 r/min；由3號驗證試驗，保持A4、C4不變，上料量降低為18 t/h，此時試驗結果傷薯率為0.867%，分選清潔率為95.57%，可見傷薯率明顯上升，原因在于馬鈴薯在清選裝置、分選裝置上的摩擦時間增長，雖然分選清潔率略有上升，但綜合考慮機器的作業效率和性能評價原則，上料量20 t/h優于18 t/h。

綜上，驗證試驗表明，在A4B1C4這一組合，即機組轉速為145 r/min，上料量為20 t/h，機組提升角度為12°條件下機器的傷薯率最低，分選清潔率最高，為該馬鈴薯清選分選機的最優作業性能參數組合。

5 結論

(1)闡述了撥輥推送式馬鈴薯清選分選機的主要機構參數和工作原理，為馬鈴薯分選機械的設計研究提供了理論依據。

(2)分析了馬鈴薯在該機器的清選裝置、分選裝置上的力學特性，為馬鈴薯分選機械的改進設計提供了理論參考。

(3)通過正交試驗確定了影響機器清選分選性能指標的3個因素的主次順序。影響傷薯率的主次因素順序為：機組提升角度、機組轉速和上料量；影響分選清潔率的主次因素順序為上料量、機組轉速和機組提升角度。

(4)經極差分析和方差分析確定了最優參數組合：機組轉速為145 r/min，上料量為20 t/h，機組提升角度為12°，并且驗證試驗的結果表明這一組合確實為最優參數組合，在該條件下，機器的傷薯率為0.773%、分選清潔率為95.42%。

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DesignandExperimentofPotatoCleaningandSortingMachine

WANG Xiangyou1SUN Jingbin1XU Yingchao1LI Xueqiang2CHENG Pengfei3

(1.SchoolofAgriculturalEngineeringandFoodScience,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255000,China2.ShandongXichengAgriculturalMachineryScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Dezhou253600,China3.SchoolofMechanicalEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255000,China)

In order to solve the problems of poor separation effect, high damage rate and low working efficiency of the existing potato cleaning and sorting machine, a poking roller shoving type potato cleaning and sorting machine was designed.The working mechanism of the potato cleaning machine was described, and the structural parameters of the cleaning device and the sorting device were determined.And the mechanical properties of potato during cleaning and sorting process were analyzed.The orthogonal test was carried out with the unit speed, feeding amount and unit lifting angle as experimental factors, the damaged rate and sorting cleaning rate as experimental indexes.The test results were analyzed by using the data processing software, and it showed that the primary and secondary factors influencing the damaged rate were as follow: unit lifting angle, rotating speed and feeding amount; and the factors affecting the sorting cleaning rate were as follow: feeding amount, unit speed and unit lifting angle.According to the principle of low damage rate and good cleaning rate, the optimum experimental parameters combination were as follow: the unit speed of 145 r/min, the feeding account of 20 t/h, and the unit lifting angle of 12°.And verifying test results were as follows as follow: the damage rate of potato was 0.773% and the sorting cleaning rate was 95.42%, which met the requirement of potato cleaner.The research provided a reference for further reducing the damage rate and optimizing the parameter of potato sorting machine.

potato； sorting machine； shifting roller； mechanical analysis； orthogonal test

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.040

S226.5

A

1000-1298(2017)10-0316-07

2017-05-28

2017-07-26

國家重點研發計劃項目(2016YFD0701603-02)和山東省農機裝備研發創新計劃項目(2017YF056)

王相友(1961—)，男，教授，博士生導師，主要從事農產品加工技術與裝備研究，E-mail: wxy@sdut.edu.cn