馬鈴薯料斗機除雜裝置設計與試驗

呂金慶 杜長霖 劉中原 李季成 李紫輝 李忠遠

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

剛收獲的馬鈴薯含水率較高，表面粘附的土壤不易脫落，存在收獲中未能清除的薯秧等雜質，這將嚴重影響馬鈴薯的貯藏質量，造成不必要的損失[1-2]。

清選、分級、運輸、堆垛及裝箱等過程對馬鈴薯貯藏質量有不同程度的影響，其中清選除雜作業質量對貯藏質量有著直接的影響[3]。國外馬鈴薯除雜機械起步早、發展快、技術水平高，大多采用螺旋輥式除雜裝置，加入大量的機、電、液一體化控制，并借助傳感技術控制傳送量和作業轉速，同時更加注重除雜過程中對馬鈴薯的保護[4-5]。國內對馬鈴薯專用除雜機械研究較少。李學強等[6]設計的馬鈴薯清選輸送機采用松土輪攪動揉搓的方式清選除雜，可達到較好的除雜效果；王相友等[7]設計了撥輥推送式馬鈴薯清選機，提高了除雜效率，并通過試驗確定了清選裝置的結構、作業參數，清選效果較好。

針對國內現有機型結構單一，存在傷薯率較高、除雜質量低的問題，本文設計一種除雜輥間距、轉速以及裝置傾角可調節的螺旋輥式除雜裝置，通過兩旋向相反的螺旋除雜輥與馬鈴薯之間的摩擦，達到除雜目的。對除雜裝置進行作業機理分析和除雜過程中馬鈴薯的運動、受力分析，采用正交試驗的方法，分析除雜輥間距、裝置傾角、除雜輥轉速對傷薯率、除雜率的影響，以研究影響馬鈴薯除雜作業質量的定性規律，并通過田間試驗驗證除雜效果。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

馬鈴薯料斗機除雜裝置試驗臺主要由料斗、液壓動力系統、雜質傳送帶、除雜裝置、馬鈴薯傳送帶、機架等組成，其整體結構如圖1所示。

1.2 工作原理和主要技術參數

馬鈴薯從料斗滾落到除雜裝置上，液壓馬達驅動除雜輥轉動，除雜輥采用交錯排列的安裝方式，從而避免馬鈴薯的堆積，通過除雜輥與馬鈴薯間的摩擦碰撞達到去土的目的；較小的土塊以及薯秧從除雜輥間隙掉落，分離的土雜由雜質傳送帶運送到機外；清潔后的馬鈴薯滾落到馬鈴薯傳送帶，并運輸到收集箱或下一級裝置；液壓缸推動除雜裝置在滑軌上平移，完成除雜輥間距、裝置傾角的調節。除雜裝置傾角、除雜輥間距、除雜輥轉速可實現無級調節，以適應不同地況作業需求。除雜裝置作業示意圖如圖2所示。

馬鈴薯料斗機除雜裝置試驗臺主要用于馬鈴薯入庫或出庫時除雜過程中馬鈴薯除雜率與傷薯率的試驗，其主要參數如表1所示。

表1 馬鈴薯料斗機除雜裝置試驗臺主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of potato receiving hopper machine impurity removal device test bench

2 關鍵部件設計

除雜裝置是料斗機的核心部件[8]，主要由液壓馬達、側擋板、除雜輥、外支撐架、花鍵套、內支撐架、限位板、馬達支架、套筒等組成，其結構組成如圖3所示。

由于輸送裝置與除雜裝置之間存在一定的落差，在除雜作業過程中可能引起馬鈴薯的跌落損傷，對此，可通過調整除雜裝置整體安裝高度，盡量減少落差，從而保證馬鈴薯在滾落過程中不受損傷，參照現有對升運過程損傷機理的分析[9-10]，其安全跌落高度應小于300 mm，本文的裝置安裝后跌落高度為210 mm，能夠使馬鈴薯不受損傷。

除雜輥交錯排列安裝在兩支撐架間，液壓馬達固定安裝在馬達支架上，通過花鍵套與除雜輥連接，限位板上有滑槽，用以限制除雜裝置的兩極限位置，避免調節過大或過小。側擋板安裝在外支撐架上并隨外支撐架轉動，主要起保護馬鈴薯的作用，避免馬鈴薯與支撐架碰撞，側擋板選用塑料材料，以最大限度減少馬鈴薯損傷。

2.1 除雜輥結構設計

針對現有的除雜輥傷薯率高、易堵塞的問題，設計了一種新型螺旋除雜輥。采用聚氨酯軟材料，減少了除雜作業過程中對馬鈴薯的損傷，除雜輥整體為對稱一體式結構，在保證除雜質量的同時增加了裝置的承載能力，兩側的螺旋扇葉旋向相反，可以有效避免作業中馬鈴薯向一邊偏移，進而提高除雜質量，螺旋扇葉的螺距過大會減少除雜輥與馬鈴薯的摩擦面積和摩擦時間，從而降低除雜質量，過小易造成泥土堵塞扇葉溝槽，從而降低除雜質量，收獲的馬鈴薯長軸長度范圍在40～120 mm，為保證馬鈴薯不卡在扇葉溝槽內，參考現有機型的彈簧式除雜輥結構和尺寸[11-12]，將本文設計的除雜輥螺距選為30 mm，扇葉高度15 mm，除雜輥外輪廓直徑為103 mm，長度為1.6 m，其結構如圖4所示。

圖4 除雜輥結構圖
Fig.4 Structural diagram of impurity removing roller

2.2 除雜輥組數及排列方式

除雜過程馬鈴薯每經過一級除雜裝置都會受到兩除雜輥的摩擦力而產生滾動或滑動，或與除雜輥碰撞產生彈跳，從而達到破土除雜的目的，但過多的摩擦碰撞會對馬鈴薯造成損傷[13-14]，因此，除雜輥的組數要適中，過少達不到除雜要求，降低除雜率，過多將增加傷薯率。選取4～8組進行單因素試驗，試驗中控制上料量20 t/h、除雜輥間距120 mm、裝置傾角10°、除雜輥轉速100 r/min，以馬鈴薯除雜率和傷薯率為試驗指標，試驗結果如表2所示，根據試驗結果可以看出，隨著除雜輥組數增加除雜率增加，傷薯率也增加，當組數達到6組及以上時，除雜率增長緩慢，傷薯率增長加快，綜合樣機實際情況，確定除雜輥組數為6。

表2 不同除雜輥組數的除雜質量試驗結果Tab.2 Test results of impurity removal quality with different numbers of impurity removal roller groups

除雜輥采用交錯排列的方式，目的是保證馬鈴薯在作業過程中橫向受力平衡，如圖5所示，F代表馬鈴薯所受橫向力，n為除雜輥轉速。交錯排列避免馬鈴薯因受單向力導致向一側偏移，造成堵塞堆積，影響除雜質量，另外交錯安裝還可以使驅動馬達均勻分布在裝置的兩側，使支撐架受力平衡，增加除雜裝置的穩定性和可靠性。

2.3 支撐架設計

支撐架結構圖如圖6所示。為增強支撐架的穩定性，將每個支撐架的連接點由傳統的3點增加到4點[15]，支撐架采用平行四桿機構原理，為了使安裝調節更加便捷，將支撐架連接點設為等距，使相鄰支撐架間構成菱形，從而保證有足夠支撐強度的同時實現間距的無級調節，支撐架由內外3層構成，外側的2層為同一種支撐架，根據連接點個數不同，內層支撐架又分為5種，4連接點1種，3連接點2種，2連接點2種。支撐架的運動機構簡圖如圖7所示，其中滑塊為主動件，滑塊移動帶動支撐架伸縮，對該機構進行結構分析[16-17]，其中構件數i=13，低副自由度PL=19，高副自由度PH=0,由機構自由度計算公式求得該機構的自由度為

H=3i-2PL-PH=3×13-2×19-0=1

(1)

由此可知機構的自由度數等于主動件個數，該機構具有確定的運動，即當給定滑塊的位移，支撐架有唯一對應的位置關系，從而確定了除雜輥的位置以及間距，也驗證了通過控制滑塊移動實現除雜輥間距調節是可行的。

3 馬鈴薯與除雜輥動力學分析

3.1 動力學分析

馬鈴薯從料斗滾落到除雜裝置上，完成除雜作業，其在除雜輥上的受力情況如圖8所示，假設馬鈴薯長短半軸長度分別為a、b，除雜輥直徑為d，除雜輥間距為l，裝置傾角為θ，除雜輥的轉速為n，馬鈴薯的轉速為n1，馬鈴薯中點為O點，兩相切點分別為O1、O2。

分析可知馬鈴薯在除雜輥上受到5個力，分別為馬鈴薯自身重力mg，兩除雜輥的支持力FN1、FN2，以及兩個摩擦力f1、f2。為保證作業的連續性，就要使馬鈴薯能翻越下一級除雜輥，即各力對O2點的合力矩大于零[18-19]。

由于在運動過程中馬鈴薯的位置不斷變化，不便于力的分析，因此采用坐標變換的方式，將馬鈴薯所在的動坐標系經過一次旋轉變換、一次平移變換，轉換到除雜輥所在的靜坐標系，再加以分析，其變換示意圖如圖9所示。馬鈴薯長軸與水平線夾角為α，β為支持力與除雜輥連心線的夾角，以馬鈴薯的長短半軸為坐標軸，構成x1y1動坐標系；以馬鈴薯中心為原點，以水平和豎直線為x、y坐標軸構成x′1y′1坐標系，以除雜輥圓心為原點，水平和豎直線為x、y坐標軸構成xy靜坐標系，則在x1y1坐標系中馬鈴薯橢圓方程為

(2)

在xy坐標系中左側除雜輥方程f1(x,y)為

(3)

右側除雜輥方程f2(x,y)為

(4)

在x1y1坐標系中馬鈴薯所在的橢圓方程如式(2)所示，根據坐標系旋轉變換公式

(5)

得到在x′1y′1坐標系中橢圓方程變換式為

(6)

假設O點在xy坐標系中坐標為(xo，yo)，又有坐標系橫移變換公式為

(7)

設橢圓在xy坐標系中表達式為F(x，y)，原橢圓方程變換式為

(8)

聯立方程組，得到O點在xy坐標系中的相對坐標為

(9)

O2點在xy坐標系中的相對坐標為

(10)

根據點到直線的距離公式依次求得O2點到力FN1的距離

(11)

O2點到mg的距離為

(12)

O2點到f1的距離為

t=xo2-xo

(13)

式中k1——支持力FN1所在直線的斜率

k2——支持力FN2所在直線的斜率

由此得到合力矩為

∑MO2=FN1s-f1h-mgt

(14)

將式(11)～(13)代入式(14)化簡得

∑MO2=FN1(a+b+d)2sin(α-θ)-mgasinθ-f1l+acos(α+θ)>0

(15)

馬鈴薯在除雜過程中主要受到支持力和摩擦力的作用，支持力的大小受重力和裝置傾角的影響，摩擦力的大小受支持力和摩擦因數影響，根據式(14)、(15)可知，當馬鈴薯的尺寸以及在除雜輥上的位置一定時，其所受的合力矩主要受力臂s、h、t以及裝置傾角θ影響，又因為力臂的大小與除雜輥直徑d、除雜輥間距l、裝置傾角θ有直接關系，因此除雜輥直徑d、除雜輥間距l、裝置傾角θ是影響馬鈴薯翻越的主要因素，另外馬鈴薯在翻滾過程中還會受到相鄰馬鈴薯的碰撞，運動過程比較復雜，除雜輥轉速n也是影響除雜質量的重要因素[20-21]。

除雜輥直徑d過大會導致兩除雜輥間溝槽過深，馬鈴薯難以翻越，造成堆積，影響作業質量，過小會導致馬鈴薯在裝置上停留時間過短，降低除雜率，且除雜輥直徑不便于實現在試驗中的調節，現有除雜輥的直徑一般為90～120 mm，綜合考慮輥軸直徑以及扇葉高度，將本文的除雜輥直徑d設計為103 mm，并將此結果應用到正交試驗。

3.2 馬鈴薯與土壤分離條件分析

剛收獲的馬鈴薯由于土壤含水率較高，極易黏結在馬鈴薯表面，可通過對土壤與馬鈴薯的黏結力進行分析，得到分離的條件，實現黏結土壤的破除。將土塊與馬鈴薯接觸部分等效成兩半圓，對其進行受力分析，其受力情況如圖10所示，F1、F2為薯塊與土塊的相互作用力，F3、F4為薯塊與土塊間的黏結力，G1、G2為土塊與薯塊的重力，F5為薯塊受到的整薯的合外力。

為使土塊能被正常分離，要保證破壞力大于其黏結力，即

f1+G1sinθ>F3

(16)

土壤破碎的難易程度與土壤強度成正比，黏結力是產生土壤強度的主要原因，土壤的黏結力計算公式為

F3=cS

(17)

式中c——土壤黏結強度，kPa

S——土壤斷裂面面積，cm2

黏結力還與土壤含水率有關，收獲時馬鈴薯土壤的含水率范圍在20%～25%，根據式(17)計算得平均抗剪切阻力為1 N/cm2。重力G1在單位面積上的作用力為0.05 N/cm2，因此G1sinθ在數值上很小，可以忽略不計，當滿足單位面積上f1>1 N時，馬鈴薯表面的泥土能夠被清除。根據摩擦特性有

f1=μFN1

(18)

式中μ——除雜輥與土壤的摩擦因數，取0.83

根據圖9計算化簡得

(19)

(20)

由式(18)～(20)可知，馬鈴薯所受摩擦力的大小與裝置的傾角θ以及除雜輥間距l有關，且與馬鈴薯重量mg成正比，與β-θ成反比，以最小薯塊100 g計算，當除雜輥間距l取最小值105 mm、裝置傾角θ取最小值0時，摩擦力f1最小為1.12 N，大于1 N，能夠保證馬鈴薯與土壤分離，完成除雜作業。因此，裝置傾角θ和除雜輥間距l是影響馬鈴薯與土壤分離的主要因素。馬鈴薯與土壤分離還受作業次數的影響，除雜輥間距l是作業次數的主要影響因素，在一定范圍內，除雜輥間距l與作業次數成正相關關系。

綜合考慮得以除雜輥間距l、裝置傾角θ、除雜輥轉速n作為試驗因素進行正交試驗分析，并根據試驗得到除雜效果的最優解。

4 臺架試驗

4.1 試驗材料與裝置

試驗于2019年10月進行，試驗地點為東北農業大學北方馬鈴薯全程機械化試驗基地。選擇收獲當天的尤金885為試驗對象，試驗所用馬鈴薯均無內部損傷和外部可見損傷，單顆馬鈴薯直徑范圍在30～65 mm，長軸長度范圍在40～120 mm，馬鈴薯為橢球形，平均長度、寬度、厚度為83.47、62.65、55.25 mm，平均形狀指數為0.797，馬鈴薯質量范圍為100～400 g，平均含水率73.2%[22]，試驗物料中含有薯秧、泥土等雜質，其中泥土的濕度為20%。馬鈴薯料斗機除雜裝置試驗臺試驗過程如圖11所示。

4.2 評價指標與試驗因素

根據實際作業情況，并參考DB15/T 1418—2018《馬鈴薯種薯智能倉儲技術規程》，將馬鈴薯傷薯率η和除雜率ε作為本試驗研究的評價指標，其計算公式為

(21)

(22)

式中m1——作業后損傷的馬鈴薯質量

m2——作業后馬鈴薯總質量

M——雜質總質量

根據馬鈴薯在除雜作業過程中的動力學分析以及實際作業情況，結合現有的對除雜作業影響因素的研究，確定除雜輥間距l、裝置傾角θ、除雜輥轉速n為主要試驗因素。試驗過程中以恒定20 t/h的上料速度上料，兩輸送帶的運輸速度恒定為0.6 m/s。

4.3 試驗方案與結果分析

4.3.1試驗方案與結果

采用二次旋轉正交組合試驗設計方法進行試驗安排，查閱相關機型的作業參數，并綜合樣機的工作實際情況，確定除雜輥間距范圍為105～155 mm、裝置傾角范圍為8°～16°、除雜輥轉速范圍為60～120 r/min[23]，以傷薯率和除雜率為試驗指標進行試驗。試驗過程中，應嚴格控制上料速度和上料量，避免因上料過多造成馬鈴薯堆積，從而影響試驗結果的顯著性；可通過調節液壓缸伸縮長度來調節除雜輥間距以及除雜裝置傾角；可通過調節液壓馬達的轉速來調節除雜輥轉速。試驗結束后，在測量統計過程中應輕拿輕放，避免測量過程中對馬鈴薯造成二次損傷，影響試驗結果的準確性。通過試驗結果對影響試驗指標的因素進行顯著性分析，根據實際需求及上述確定的參數范圍，對各參數組合進行優化求解，最終獲得較合適的各因素組合。試驗因素編碼如表3所示，試驗方案與結果如表4所示。

表3 試驗因素編碼Tab.3 Experimental factors and codes

表4 試驗方案與結果Tab.4 Test plan and experimental data

4.3.2試驗結果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行二次回歸分析，并對各試驗指標進行多元回歸擬合[24-25]，得到馬鈴薯傷薯率η和除雜率ε的回歸方程，最后檢驗各試驗因素的顯著性。

(1)馬鈴薯傷薯率η

(23)

對得到的回歸方程式(23)進行失擬檢驗，結果如表5所示，失擬項P=0.370 2，不顯著(P>0.1)，證明方程模擬較好，不存在其他影響試驗指標的主要因素。通過失擬檢驗表明試驗因素和試驗指標存在顯著的二次關系，上述分析結果較合理。

(2)馬鈴薯除雜率ε

表5 馬鈴薯傷薯率η方差分析Tab.5 Variance analysis of potato injury rate

表6 馬鈴薯除雜率ε方差分析Tab.6 Variance analysis of potato impurity removal rate

(24)

對上述回歸方程進行失擬檢驗，如表6所示，其中P=0.353 2，不顯著(P>0.1)，證明方程模擬較好，不存在其他影響指標的主要因素，試驗因素和試驗指標存在顯著的二次關系，上述分析結果合理。

4.3.3響應曲面分析

運用軟件Design-Expert 8.0.6對試驗數據進行處理，得出除雜輥間距x1、裝置傾角x2、除雜輥轉速x3之間的顯著和較顯著交互作用對傷薯率η和除雜率ε兩個試驗指標影響的響應曲面，如圖12所示。

如圖12a所示，當除雜輥間距一定時，馬鈴薯傷薯率隨著裝置傾角的增加呈逐漸增大的趨勢，且除雜輥的間距越大，傷薯率增加的越顯著，最優的裝置傾角范圍為8.9°～11.4°；當裝置傾角一定時，馬鈴薯傷薯率與除雜輥間距成正比，最優的除雜輥間距范圍為118.3～126.5 mm，其中，除雜輥間距是影響馬鈴薯傷薯率的主要試驗因素。

如圖12b所示，當除雜輥轉速一定時，馬鈴薯除雜率整體上隨著裝置傾角的增加呈減小趨勢，最優的裝置傾角范圍為9.2°～11.7°；當裝置傾角一定時，馬鈴薯除雜率整體上與除雜輥轉速成正比，最佳的除雜輥轉速范圍為98～116 r/min，其中，除雜輥轉速是影響馬鈴薯除雜率的主要試驗因素。

4.3.4參數優化

通過對試驗結果以及圖12中2個響應曲面的分析，得到最佳的試驗因素水平組合，并利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優化模塊對3個回歸模型進行求解，根據馬鈴薯料斗機除雜作業的實際工作條件、作業性能要求及上述相關模型分析結果，選擇優化約束條件為

(25)

通過優化求解，得到除雜輥間距為118.3～126.5 mm，裝置傾角為9.2°～11.4°，除雜輥轉速為98～116 r/min時，除雜作業過程中馬鈴薯的損傷最小，除雜效果最佳，其傷薯率為0.63%～0.81%，除雜率為95.6%～96.5%。

4.4 田間驗證試驗

田間驗證試驗的測試方法和測試環境與正交試驗相同，通過比較經過參數優化調節后的馬鈴薯傷薯率和除雜率與未經參數優化調節的馬鈴薯傷薯率和除雜率之間的差異，進而驗證參數優化后除雜裝置的除雜作業效果。

分別以傳統馬鈴薯料斗機除雜裝置的作業參數：除雜輥間距127 mm、裝置傾角12°、除雜輥轉速145 r/min，優化后馬鈴薯料斗機除雜裝置的作業參數：除雜輥間距125 mm、裝置傾角10°、除雜輥轉速112 r/min進行試驗，分別進行3次試驗，結果取平均值，試驗結果如表7所示。

由表7可知，優化后的馬鈴薯料斗機除雜裝置作業參數下的除雜作業質量明顯高于傳統馬鈴薯料斗機除雜裝置作業參數下的除雜作業質量。驗證試驗表明相關優化組合合理，按優化參數調節后的馬鈴薯料斗機除雜裝置可有效降低馬鈴薯傷薯率，提高除雜率。

表7 裝置除雜效果對比Tab.7 Comparison of device removal effect %

5 結論

(1)通過對馬鈴薯除雜過程的動力學分析和馬鈴薯與土壤分離的條件分析，建立了除雜作業過程中傷薯率、除雜率的數學模型，得到影響除雜作業質量的主要因素為除雜輥間距、裝置傾角、除雜輥轉速。設計了馬鈴薯料斗機除雜裝置試驗臺，并進行了二次正交旋轉組合試驗，對料斗機除雜裝置的工作參數進行了優化，有效提高了除雜作業質量。

(2)進行了馬鈴薯料斗機除雜裝置作業質量臺架試驗，建立了各試驗指標與影響因素間的回歸模型，并對回歸模型進行了優化求解，試驗表明：當除雜輥間距為125 mm、裝置傾角為10°、除雜輥轉速為112 r/min時，馬鈴薯除雜作業的傷薯率為0.65%、除雜率為96.03%，比未經參數優化的料斗機傷薯率減少0.12個百分點，除雜率提高0.63個百分點，能夠較好地滿足馬鈴薯倉儲作業的要求。