寒地黑土馬鈴薯收獲薯土分離裝置設(shè)計(jì)與研究

王啟增

(北大荒集團(tuán)黑龍江前進(jìn)農(nóng)場有限公司，黑龍江 佳木斯 156331)

0 引言

馬鈴薯既是蔬菜又是主糧作物，其稱謂有很多，例如，土豆、地蛋、洋芋、甘薯、番薯仔等[1-2]。馬鈴薯是全球主要的糧食作物之一。薯土分離環(huán)節(jié)是馬鈴薯收獲環(huán)節(jié)的重要部分，分離效果直接影響了收獲作業(yè)的質(zhì)量[3]，但由于耕地環(huán)境的不明因素較多[4]，收獲的薯土混合物中含有大量雜草、石塊等，提高了分離難度和馬鈴薯分離后的損傷率[5]，我國現(xiàn)有大部分馬鈴薯收獲作業(yè)要進(jìn)行分段式收獲。而現(xiàn)有的收獲機(jī)械在收獲作業(yè)時(shí)存在薯土分離不干凈和傷薯率高、破皮率高等諸多問題[6-7]。

在實(shí)際收獲環(huán)節(jié)中，薯土分離的質(zhì)量受到各方面因素的影響，機(jī)械化分離裝置在處理薯土混合物和機(jī)械指標(biāo)之間的關(guān)系上還有待提高[8-9]。進(jìn)行關(guān)鍵部件在工作時(shí)的理論分析，降低因機(jī)械指標(biāo)過大或過小造成的機(jī)械損傷率是目前馬鈴薯分離機(jī)構(gòu)需要加強(qiáng)和改進(jìn)的關(guān)鍵[10-11]。

1 薯土分離裝置主要結(jié)構(gòu)及工作原理

馬鈴薯收獲機(jī)薯土分離裝置試驗(yàn)臺(tái)由水平輸送裝置、一級(jí)薯土分離裝置、二級(jí)薯土分離裝置等組成[12-13]，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。升運(yùn)鏈分為一級(jí)升運(yùn)鏈、二級(jí)升運(yùn)鏈，主要由皮帶、鏈桿組成。兩條升運(yùn)鏈結(jié)構(gòu)、尺寸均相同，一級(jí)升運(yùn)鏈與二級(jí)升運(yùn)鏈不同之處是：①二級(jí)升運(yùn)鏈鏈桿上增加橡膠空心擋板；②一級(jí)升運(yùn)鏈傾斜角調(diào)節(jié)范圍22°～34°，二級(jí)升運(yùn)鏈傾斜角度調(diào)節(jié)范圍0°～35°，以滿足不同傾斜角度對馬鈴薯薯土分離效果的試驗(yàn)需求[14-15]。兩條升運(yùn)鏈由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配合變頻器實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)整，抖動(dòng)輪則由獨(dú)立電機(jī)配變頻器控制[16]。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.水平輸送裝置；2.一級(jí)薯土分離裝置；3.二級(jí)薯土分離裝置

表1 薯土分離試驗(yàn)平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)

2 薯土分離裝置運(yùn)動(dòng)分析

2.1 一級(jí)薯土分離裝置運(yùn)動(dòng)分析

在裝置正常工作時(shí)，對馬鈴薯在鏈上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，如圖2所示，設(shè)O點(diǎn)為原點(diǎn)，與鏈上平面平行的坐標(biāo)軸為x軸，垂直鏈上平面的為y軸[17]。為達(dá)到馬鈴薯向后輸送的目的，薯土混合物在x軸上的速度需大于試驗(yàn)平臺(tái)在x軸上的分速度，公式如下

圖2 一級(jí)薯土分離升運(yùn)鏈上運(yùn)動(dòng)分析

vx-v0cosφ>0

(1)

式中vx—薯土分離升運(yùn)鏈平行運(yùn)行速度，m·s-1；

v0—薯土分離升運(yùn)鏈垂直運(yùn)行速度，m·s-1。

升運(yùn)鏈的運(yùn)行速度為式(2)所示

(2)

式中n0—驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，r·min-1；

R0—主動(dòng)分度圓半徑，mm。

工作時(shí)，n0=130 r·min-1，R0=150 mm，由此得出一級(jí)分離裝置的速度v1=1.819 m·s-1，設(shè)計(jì)的土薯分離柵條與水平面夾角為20°～22°，通過式(2)中驗(yàn)證可滿足馬鈴薯輸送要求。

2.2 二級(jí)薯土分離裝置運(yùn)動(dòng)分析

1)抖動(dòng)輪位于分離升運(yùn)鏈的下方在電機(jī)的帶動(dòng)下做與鏈面垂直的往復(fù)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)如圖3，將其簡化為簡諧運(yùn)動(dòng)。設(shè)與鏈面垂直向上為位移的正方向，裝置工作時(shí)升運(yùn)鏈最低點(diǎn)為零點(diǎn)[18]，得到

1.導(dǎo)向輪；2.二級(jí)升運(yùn)鏈；3.抖動(dòng)輪；4.驅(qū)動(dòng)輪

(3)

式中X—升運(yùn)鏈與鏈面垂直方向的位移，m；

A—升運(yùn)鏈的振幅，m；

ω—升運(yùn)鏈振動(dòng)的角頻率，rad·s-1；

β—簡諧振動(dòng)的初相位角，°。

公式(3)對時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù)，得速度方程

(4)

式中v—二級(jí)升運(yùn)鏈沿垂直于鏈面方向的速度，m·s-1。

公式(3)對時(shí)間求二階導(dǎo)，得

(5)

式中a—二級(jí)升運(yùn)鏈沿垂直于鏈面方向的加速度，m·s-2。

二級(jí)升運(yùn)鏈振動(dòng)的頻率與抖動(dòng)輪產(chǎn)生的頻率相同，由頻率和角速度之間的關(guān)系得

ω=2π·f

(6)

式中f—抖動(dòng)器的頻率，Hz。

將公式(4)代入公式(5)和公式(6)得

v=-Afπsin(2πf·t+β)

(7)

a=-2π2Af2cos(2πf·t+β)

(8)

可得到抖動(dòng)輪組作用的頻率，對y軸方向上速度、加速度的影響關(guān)系。

2)抖動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)分析。抖動(dòng)輪組為主動(dòng)型，設(shè)轉(zhuǎn)速為n，則抖動(dòng)器產(chǎn)生的頻率計(jì)算公式

(9)

式中Z—抖動(dòng)輪的個(gè)數(shù)；

n—抖動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，r·min-1。

本文設(shè)計(jì)的三輥?zhàn)邮街鲃?dòng)型抖動(dòng)輪，抖動(dòng)輪的個(gè)數(shù)Z=3，則其產(chǎn)生的振幅為

(10)

擬定f=5 Hz，v0=0.6 m·s-1，代入不同數(shù)值的v0到式(8)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)滿足正常工作條件時(shí)，升運(yùn)鏈運(yùn)動(dòng)的線速度v0符合要求。

從上述分析可知，升運(yùn)鏈線速度在0.6～1.8 m·s-1，升運(yùn)鏈工作傾角在22°～34°，抖動(dòng)裝置的振幅及頻率對混合物被拋起高度影響較大，因此調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率和幅度可增強(qiáng)混合物的拋散作用，還可降低傷薯率。

表2 薯土分離試驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)理論計(jì)算值

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2021年10月在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)收獲實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)選用黑龍江墾區(qū)的主要品種“延薯4號(hào)”，試驗(yàn)前對試驗(yàn)環(huán)境溫度和試驗(yàn)對象的基本屬性進(jìn)行測量。

經(jīng)測量，試驗(yàn)環(huán)境溫度為23 ℃，馬鈴薯質(zhì)量范圍在100～400 g范圍內(nèi)，對其進(jìn)行隨機(jī)抽取薯塊進(jìn)行含水率測量，最終求得平均值為79.4%

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

以馬鈴薯的損傷率作為衡量薯土分離試驗(yàn)臺(tái)的作業(yè)試驗(yàn)指標(biāo)，計(jì)算公式如式(11)所示[19-20]

(11)

式中Y1—傷薯率，%；

N1—損傷馬鈴薯的質(zhì)量，kg；

N2—收獲馬鈴薯的總質(zhì)量，kg。

試驗(yàn)過程中，選取表面完好，未發(fā)生內(nèi)部及外部損傷的薯土混合物進(jìn)行分離試驗(yàn)，完成分離試驗(yàn)后，將未發(fā)生外部損傷的馬鈴薯平放置于室溫環(huán)境(23 ℃左右)下儲(chǔ)存1周，使得發(fā)生內(nèi)部損傷的馬鈴薯擁有足夠的顯示時(shí)間。

損傷的測量主要分為面積損傷和深度損傷，當(dāng)同一損傷馬鈴薯出現(xiàn)兩處及以上損傷時(shí)，將損傷程度進(jìn)行加權(quán)平均值進(jìn)行計(jì)算[21]。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，利用Design-Expert8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊，對損傷面積標(biāo)準(zhǔn)和損傷深度標(biāo)準(zhǔn)的回歸模型進(jìn)行優(yōu)化求解，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行約束。

對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到最佳參數(shù)組合為當(dāng)升運(yùn)鏈線速度為1.495 m·s-1，工作傾斜角度為18.9°，抖動(dòng)輪頻率為7.15 Hz時(shí)，損傷率為2.7%。

根據(jù)Design-Expert8.0.6分析后的最佳參數(shù)組合，試驗(yàn)因素分別選取升運(yùn)鏈線速度為1.5 m·s-1、工作傾斜角度為19°、抖動(dòng)輪頻率為7.5 Hz，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，重復(fù)5次，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

求得5次試驗(yàn)結(jié)果的平均損傷率為2.86%，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

針對升運(yùn)鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機(jī)上產(chǎn)生的機(jī)械損傷問題，探究薯土分離裝置主要結(jié)構(gòu)及工作原理，并對薯土分離裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得出升運(yùn)鏈線速度在0.6～1.8 m·s-1，升運(yùn)鏈工作傾角在22°～34°時(shí)，損傷率最小。進(jìn)行5次臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，得到平均損傷率為2.86%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)滿足試驗(yàn)預(yù)期，對馬鈴薯增產(chǎn)增收具有促進(jìn)作用。