馬鈴薯清選機(jī)關(guān)鍵工作參數(shù)的優(yōu)化分析

紀(jì)曉磊，于文強(qiáng)，吳峰倩

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255091)

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，馬鈴薯表皮破損極易使得受損組織發(fā)黑變質(zhì)，影響貯存。通過對(duì)英國665個(gè)農(nóng)場(chǎng)馬鈴薯損傷情況的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)表皮損傷占23%，內(nèi)部損傷占13%[1-5]。Brook估測(cè)每1%的表皮損傷就代表著英國馬鈴薯750萬美元的損失，因此減少馬鈴薯的表皮損傷，可以減少農(nóng)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的重大損失[6]。然而，馬鈴薯表皮損傷主要發(fā)生在馬鈴薯清選分選過程中，因此研究一級(jí)分選裝置的工作角度和二級(jí)清選裝置轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，對(duì)減少馬鈴薯表皮損傷和提高馬鈴薯清選效率有著重大意義。

馬鈴薯清選機(jī)工作過程中，接料斗通過液壓裝置改變上料角度，一級(jí)分選裝置通過液壓裝置改變分選尺寸，且一級(jí)分選裝置工作角度的調(diào)整由兩處的液壓裝置共同配合完成，理論上對(duì)應(yīng)于一個(gè)最佳的清選角度，既能保證最大清選效率，又能保證最小破皮率。一級(jí)分選裝置所對(duì)應(yīng)的最佳清選角度與二級(jí)清選裝置所對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速相配合，從而保證最大工作效率，因此研究?jī)梢簤貉b置伸縮量的配合，即馬鈴薯的清選角度的最佳選擇，對(duì)提高馬鈴薯清選效率和減少馬鈴薯破皮率有著重要意義。

1 馬鈴薯清選整機(jī)結(jié)構(gòu)模型及其工作原理

1.1 馬鈴薯清選整機(jī)結(jié)構(gòu)模型

現(xiàn)如今，馬鈴薯播種和收獲已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，而清選分選設(shè)備發(fā)展緩慢，作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大。收獲后的馬鈴薯表面往往粘著一層泥土，還摻雜一些薯秧和雜草等，直接影響后續(xù)儲(chǔ)存和銷售等環(huán)節(jié)。目前，清除粘著在馬鈴薯表面的泥土和雜質(zhì)以及按照不同質(zhì)量要求對(duì)馬鈴薯進(jìn)行分選等工作，基本上還是依靠人工來完成[7-9]。因此，對(duì)馬鈴薯清選設(shè)備的研究亟需解決。清選裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.超聲波傳感器 2.接收料斗 3.一級(jí)分選裝置 4.二級(jí)清選裝置 5.輸送帶 6.主機(jī)托架 7.變頻電機(jī)圖1 清選整機(jī)模型Fig.1 The adjustment device of planting spacing of existing equipment

1.2 工作原理

工作過程中，馬鈴薯通過裝卸車倒入接收料斗中，接收料斗由液壓系統(tǒng)控制其輸送角度，在接收料斗上的變頻電機(jī)可以根據(jù)輸送馬鈴薯的載荷量而調(diào)整其輸送速度，從而有效地提高了馬鈴薯的輸送效率。馬鈴薯由接收料斗輸送到一級(jí)分選裝置，小薯塊與碎土雜質(zhì)通過分選軸間隙落到下面的輸送帶上，被輸送到下一級(jí)輸送帶，分選裝置的分選軸間隙大小由液壓系統(tǒng)控制，更精確地保證了馬鈴薯大小規(guī)格的統(tǒng)一。馬鈴薯從一級(jí)分選裝置被輸送到二級(jí)清選裝置上，清選裝置采用橡膠彈性分離齒刷膠輪，既保證馬鈴薯不被碰傷，又能更好地將馬鈴薯表面的粘性土壤揉搓干凈；最后，清理干凈的馬鈴薯被輸送到下一級(jí)輸送線，完成分選清選的全過程。清選部件工作示意圖如圖2所示。

1.小薯塊 2.泥土雜質(zhì) 3.中等薯塊 4.大薯塊圖2 清選示意圖Fig.2 The structure diagram of precision planting unit

1.2.1 一級(jí)分選裝置

馬鈴薯清選機(jī)一級(jí)分選裝置包括伸縮架、電機(jī)、電機(jī)架、傳動(dòng)裝置和6條分選輥，如圖3所示。由于各分選輥的轉(zhuǎn)向相同，而相鄰分選輥上彈簧的旋向相反，避免了馬鈴薯被推向清選裝置的一端，保證分選的連續(xù)性。

1.電機(jī) 2.主動(dòng)伸縮架護(hù)罩 3.分選彈簧 4.傳動(dòng)鏈 5.雙連片體 6.單連片體 7.主動(dòng)托耳圖3 一級(jí)分選裝置Fig.3 The automatic adjustment device of planting unit

1.2.2 二級(jí)清選裝置

二級(jí)清選裝置如圖4所示。采用由橡膠材料制成的“手指”狀且朝著同一圓周方向彎曲的清選棘輪，以最大限度地減輕對(duì)馬鈴薯的損傷程度，其在相鄰兩清選輥上交錯(cuò)相間布置，使得薯土更能充分分離開。此外，變速電機(jī)能夠調(diào)節(jié)清選速度的快慢，保證最佳清選轉(zhuǎn)速。

1.變速電機(jī) 2.雙連片體 3.傳動(dòng)鏈 4.單連片體 5.主動(dòng)托耳 6.擋薯套管 7.清選棘輪 8.被動(dòng)伸縮架護(hù)罩圖4 二級(jí)清選裝置Fig.4 Structure diagrams of intelligent precision control system

1.2.3 技術(shù)指標(biāo)

泥土清除率α/%：≥95

分選準(zhǔn)確率β/%：≥90

損傷率γ/%：≤1

2 工作角度的配合調(diào)整

馬鈴薯的清選效率與破皮率主要受一級(jí)分選裝置工作角度的影響，且其工作角度主要由主輸送支撐液壓缸與三腳架液壓缸共同配合調(diào)整，調(diào)整角度示意圖如圖5所示。其中，主輸送支撐液壓缸工作行程為200mm，工作壓力16MPa，三腳架行程240mm，工作壓力16MPa。圖5中，可根據(jù)三角函數(shù)公式得出接料斗的控制角度為

θ=arctan(1325/2940)～ arctan[(1325+200)/2940]

即接料斗的控制角度范圍為24°～27°。主輸送支撐液壓缸的調(diào)節(jié)直接影響到一級(jí)分選裝置的工作角度的調(diào)整，并且與三角架液壓缸配合可使一級(jí)分選裝置的工作角度的調(diào)整范圍為0°～13°。

1.三角架液壓缸 2.主輸送支撐液壓缸圖5 液壓調(diào)整裝置示意圖Fig.5 The schematic diagram of hydraulic adjustment device

2.1 試驗(yàn)

為獲得主輸送支撐液壓缸與三腳架液壓缸最佳配合，保證清選機(jī)工作時(shí)的最佳工作效率、最大清選率與最低破皮率，取60組含有泥土、石塊情況基本一致的馬鈴薯做清選試驗(yàn)。試驗(yàn)樣品情況如表1所示；為減少誤差的影響，數(shù)據(jù)取5組試驗(yàn)的均值，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)樣品情況Table 1 The situation of samplesk g

小尺寸為d≤30；中尺寸為3055。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table2 The test results

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

一級(jí)分選裝置工作角度與清土率和破皮率之間的關(guān)系曲線圖如圖6所示，與分選正確率關(guān)系曲線圖如圖7所示。曲線中的破皮率見式(1)；清土率見式(2)；石塊、馬鈴薯的分選正確率見式(3)。

(1)

(2)

(3)

圖6 一級(jí)分選裝置傾角與破皮率和清土率關(guān)系曲線圖Fig.6 The curve of the relationship between the first cleaning device angle and broken skin rate and the relationship between the first cleaning device angle and clearing soil rate

試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著清選裝置傾角的增加，破皮率逐漸降低，清土率降低。主要原因是隨著清洗裝置傾角的增加，馬鈴薯與分選輥的接觸時(shí)間縮短，從而降低了馬鈴薯的損傷程度。同時(shí)，由于泥土和分選輥之間的接觸時(shí)間減少，所以泥土不能更好地與馬鈴薯進(jìn)行分離。因此，當(dāng)一級(jí)分選裝置工作角度為6°～7°，能達(dá)到清選參數(shù)要求。

3 二級(jí)清選裝置轉(zhuǎn)速模擬仿真

清選機(jī)在工作過程中，一級(jí)分選裝置分選輥轉(zhuǎn)速n為固定值2r/s，線速度為540mm/s。接收料斗的運(yùn)料速度在5～10mm/s之間，相對(duì)于一級(jí)分選裝置的轉(zhuǎn)速可視為馬鈴薯離開接料斗的速度為0，利用ansys workbench軟件對(duì)馬鈴薯清選過程進(jìn)行瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)模擬仿真。

1) 導(dǎo)入三維模型：將SolidWorks的實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中。

2)劃分網(wǎng)格：賦予馬鈴薯密度為1 100kg/m3，彈性模量為5.41MPa，泊松比為0.49；為減少分析誤差，簡(jiǎn)化模型，劃分網(wǎng)格[10-11]。

由以上試驗(yàn)可知：一級(jí)分選裝置最佳工作角度在6°～7°，為了便于分析，取一級(jí)分選裝置的工作角度為6.5°。分析馬鈴薯在不同角度時(shí)分選所需的時(shí)間與馬鈴薯離開一級(jí)分選裝置時(shí)的速度，結(jié)果如圖8所示。

由分析結(jié)果得出馬鈴薯離開一級(jí)分選裝置的速度，即進(jìn)入二級(jí)清選裝置的速度為0.23～0.24m/s；根據(jù)式(4)確定轉(zhuǎn)速在63～66r/min之間。

(a)

(b)圖8 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析云圖Fig.8 The cloud of transient dynamics analysis

通過試驗(yàn)結(jié)果與有限元數(shù)據(jù)分析，得出調(diào)整角度與分選時(shí)間對(duì)比關(guān)系，如圖9所示。有限元分析誤差見式(5)，即分析誤差范圍在2.9%～9.5%之間。

(4)

(5)

圖9 試驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.9 The contrast of test data and simulation result

4 結(jié)論

1)理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明：一級(jí)分選裝置工作角度取6°～7°，主輸送線液壓缸工作行程為130mm，三腳架液壓缸行程為225mm，此時(shí)分選效率最佳和破皮率最小，且實(shí)際工作參數(shù)也均能滿足泥土清除率α≥95%，損傷率γ≤1%的技術(shù)指標(biāo)。

2)對(duì)清選裝置進(jìn)行瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真分表明：當(dāng)一級(jí)分選裝置在最佳工作角度時(shí)，為了保證了清選效率最大、破皮率最小及防止物料的堆積，二級(jí)清選輥轉(zhuǎn)速需在63～66r/min之間，且動(dòng)力學(xué)仿真分析誤差在2.9%～9.5%之間，理論上應(yīng)用該數(shù)據(jù)是可行的。

3)本文通過理論計(jì)算、試驗(yàn)分析以及瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真分析，對(duì)接料斗的提升角度、一級(jí)分選裝置的工作角度和二級(jí)清選裝置轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，確定了最佳參數(shù)組合，提高馬鈴薯清選分選效率，減少馬鈴薯破皮率和避免物料堆積現(xiàn)象，對(duì)馬鈴薯清選分選設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。