甘藍(lán)包葉剔除裝置設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化研究

周成，欒非時，陳海濤，侯守印，房欣

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所，哈爾濱 150038；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

甘藍(lán)包葉剔除裝置設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化研究

周成1,2，欒非時1*，陳海濤3，侯守印3，房欣2

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所，哈爾濱 150038；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

研制甘藍(lán)包葉剔除裝置并分析工作原理，確定甘藍(lán)包葉剔除主要結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)。采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗(yàn)方法，以輸送速度、剝皮輥轉(zhuǎn)速、剝皮間距及剝皮角度四個因素為影響因子，甘藍(lán)剝皮率為目標(biāo)函數(shù)，探究甘藍(lán)包葉剔除裝置結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)最優(yōu)組合。結(jié)果表明，各影響因子對剝皮率貢獻(xiàn)率依次為剝皮輥轉(zhuǎn)速、輸送速度、剝皮間距和剝皮角度；當(dāng)輸送速度1.82～2.05 m·s-1，剝皮輥轉(zhuǎn)速194～210 r·min-1，剝皮間距40 mm，剝皮角度40°時，甘藍(lán)剝皮率為78%～80%?？蔀楦仕{(lán)收獲機(jī)包葉剔除裝置設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

甘藍(lán)；包葉；剔除裝置；試驗(yàn)；優(yōu)化；設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)出版時間2015-12-25 13:10:26[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20151225.1310.014.html

周成,欒非時,陳海濤,等.甘藍(lán)包葉剔除裝置設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015,46(12):94-100.

Zhou Cheng,Luan Feishi,Chen Haitao,et al.Design and research of parameter optimization on cabbage leaf out device[J]. Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(12):94-100.(in Chinese with English abstract)

甘藍(lán)具有耐寒、抗病、適應(yīng)性強(qiáng)、易貯耐運(yùn)、產(chǎn)量高等特點(diǎn)，成為中國東北、西北、華北等地區(qū)春、夏、秋三季主要蔬菜之一。在甘藍(lán)生產(chǎn)中，收獲環(huán)節(jié)費(fèi)力最大、耗時最多。目前國內(nèi)甘藍(lán)收獲普遍以手工為主，生產(chǎn)成本高、勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、損失率高。甘藍(lán)收獲機(jī)械化迫在眉睫[1]。1931年前蘇聯(lián)研制成功世界上第一臺甘藍(lán)收獲機(jī)，現(xiàn)已在發(fā)達(dá)國家商品化并應(yīng)用于生產(chǎn)[1-2]。甘藍(lán)收獲機(jī)械化在我國研究及應(yīng)用較少[3-4]，除臺灣地區(qū)外[5]，國內(nèi)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)分析甘藍(lán)切根力影響因素，并設(shè)計(jì)4YB-I型甘藍(lán)收獲機(jī)，但尚未制造出樣機(jī)[6-7]。浙江大學(xué)設(shè)計(jì)一種適合南方田間作業(yè)的自走式甘藍(lán)聯(lián)合收獲機(jī)，初步具備甘藍(lán)機(jī)械化收獲能力，仍處于試驗(yàn)階段，尚未推廣[8]。甘藍(lán)機(jī)械收獲過程中包葉剔除是制約收獲效率與收獲質(zhì)量的主要因素之一[9-10]。

本文主要研究對象包葉剔除裝置為自行研制甘藍(lán)收獲機(jī)主要工作部件，為確定最優(yōu)工作參數(shù)組合，提高甘藍(lán)包葉剔除效率，本研究在前期設(shè)計(jì)研究基礎(chǔ)上，通過甘藍(lán)包葉剔除裝置理論分析，采用回歸正交旋轉(zhuǎn)優(yōu)化試驗(yàn)方法，探究該裝置結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)最優(yōu)組合，為甘藍(lán)包葉剔除裝置產(chǎn)品定型設(shè)計(jì)提供理論與試驗(yàn)依據(jù)。

1　試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

甘藍(lán)包葉剔除裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由剝皮輥（鑄鐵）、輸送帶、液壓馬達(dá)、主動滾輪、被動滾輪和機(jī)架等構(gòu)件組成。該裝置工作時長、寬、高分別為1 065、880和500 mm，剝皮輥固定在機(jī)架液壓馬達(dá)端部，其軸線與輸送皮帶所在平面平行，與輸送皮帶運(yùn)動方向成角度φ，剝皮輥與輸送皮帶間距可調(diào)。

圖1　甘藍(lán)包葉剔除試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of purging leaves

作業(yè)時，包葉甘藍(lán)通過輸送帶被運(yùn)送到剝皮區(qū)，輸送帶與剝皮輥同向作用甘藍(lán)，甘藍(lán)受到二者之間距離及位置限制不能通過，只能沿二者表面滾動、滑動，使其受到一定擠壓力；由于甘藍(lán)與皮帶間摩擦力大于與剝皮輥間動摩擦力，使甘藍(lán)相對輸送帶主要做無滑動滾動運(yùn)動，甘藍(lán)沿著剝皮輥移動、旋轉(zhuǎn)；在甘藍(lán)旋轉(zhuǎn)過程中，其外包葉在擠壓力、動摩擦力作用下脫離甘藍(lán)結(jié)球體，完成剝皮作業(yè)。為減小結(jié)構(gòu)尺寸，采用垂直分布2組剔除裝置串聯(lián)，保證剝皮作業(yè)質(zhì)量[11]。

2　甘藍(lán)包葉剔除裝置工作性能影響參數(shù)確定

剔除裝置工作時，甘藍(lán)相對輸送帶做無滑動滾動，其沿著剝皮輥滑動，應(yīng)避免甘藍(lán)在剝皮輥與皮帶之間自鎖，受到過大擠壓掉落到裝置外。剝皮過程中甘藍(lán)受力分析，如圖2所示[12-13]。

圖中各符號意義如下：P-甘藍(lán)重力；FN1-輸送帶對甘藍(lán)法向力；f1-輸送帶對甘藍(lán)摩擦力；FN2-剝皮輥對甘藍(lán)法向力；f2-剝皮輥對甘藍(lán)摩擦力；v-輸送速度；α-FN2與水平面夾角；φ-剝皮輥軸線方向與輸送速度v方向夾角。

圖2　甘藍(lán)受力分析Fig.2Analysis of cabbage force

甘藍(lán)在非自鎖滑動狀態(tài)下，受到輸送帶、剝皮輥共同擠壓力FN1、FN2以實(shí)現(xiàn)包葉剔除功能。其擠壓力主要與摩擦因數(shù)、剝皮間距、剝皮輥直徑因素有關(guān)。對于不同直徑甘藍(lán)，剝皮輥直徑越大，其擠壓力FN2與水平面夾角α變化越小，剝皮輥對甘藍(lán)適應(yīng)性越好。但由于結(jié)構(gòu)尺寸限制，參考甘藍(lán)幾何尺寸，剝皮輥直徑取200 mm。

剝皮間距影響剝皮輥對甘藍(lán)包葉抓取效果，間距過小，剝皮輥對甘藍(lán)包葉沒有足夠抓取空間，而間距過大，又會使剝皮輥對甘藍(lán)包葉摩擦力下降。在剔除裝置工作時，要選取適宜剝皮間距，過大過小均會導(dǎo)致剝皮率降低。

為保證剝皮效率、避免甘藍(lán)堵塞，還要保證甘藍(lán)沿剝皮輥有足夠高運(yùn)動速度。這與剝皮輥本身轉(zhuǎn)動速度有關(guān)，同時也與輸送速度有關(guān)。

輸送速度不僅影響甘藍(lán)滾動速度，也影響甘藍(lán)沿剝皮輥方向運(yùn)動速度，從而制約剔除裝置對單個甘藍(lán)擠壓作用時間；而剝皮輥轉(zhuǎn)速越高，在單位時間內(nèi)，甘藍(lán)與剝皮輥相對運(yùn)動越大，剝皮輥對甘藍(lán)包葉壓擠作用次數(shù)越多，這與甘藍(lán)剝皮效果聯(lián)系密切。

在輸送帶寬度不變、輸送速度v相同條件下，剝皮角度φ越小，甘藍(lán)沿剝皮輥軸線方向運(yùn)動距離越長，其沿剝皮輥軸線方向運(yùn)動分速度v1也越大，如圖3所示。

圖3　甘藍(lán)輸送速度Fig.3Transportation speed of cabbage

3　試驗(yàn)材料及儀器

3.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2014年9月1～10日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程實(shí)驗(yàn)中心完成，材料選擇北方早熟甘藍(lán)（品種：倍綠60），主要物理參數(shù)如圖4、表1所示。

圖4　結(jié)球甘藍(lán)外形尺寸Fig.4Overall dimension of the cabbage

表1　結(jié)球甘藍(lán)基本物理特性參數(shù)Table 1Physical parameters of the cabbages

3.2儀器設(shè)備

EV2000型變頻器、28馬力奔野四輪拖拉機(jī)、75-I型轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)數(shù)表、量角器（精度1°）、直尺（精度1 mm）、數(shù)顯游標(biāo)卡尺（精度0.01 mm）、秒表（精度0.2 s）、數(shù)碼相機(jī)、切刀、卷尺（精度1 mm）。

4　方法

試驗(yàn)以輸送速度（x1）、剝皮輥轉(zhuǎn)速（x2）、剝皮間距（x3）、剝皮角度（x4）為影響因素，以剝皮合格率（y），為目標(biāo)函數(shù)。

輸送速度（x1）通過變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整；剝皮輥轉(zhuǎn)速（x2）通過液壓流量控制閥調(diào)整；剝皮間距（x3）與剝皮角度（x4）通過直尺和量角器標(biāo)定。

試驗(yàn)選取100個甘藍(lán)，每個甘藍(lán)有4～6片外包葉，將甘藍(lán)外包葉全部剔除，并且甘藍(lán)球無破碎定義為剝皮合格[14-15]。剝皮合格率：

式中，Kb-合格率（%）；Qm-剝皮合格甘藍(lán)個數(shù)（個）；Q-試驗(yàn)甘藍(lán)總數(shù)（個）。

試驗(yàn)采用四因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗(yàn)方法，共實(shí)施36組試驗(yàn)[16-17]，每組試驗(yàn)重復(fù)三次，取三次平均值為剝皮合格率，影響因素水平編碼表及試驗(yàn)方案，如表2、3所示[18]。

表2　試驗(yàn)因子水平編碼Table 2Experimental factors and level code

表3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Table 3Experimental design layout and results

5　結(jié)果及分析

5.1試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用Design-Expert6.0.10軟件數(shù)據(jù)處理分析，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

5.2數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)方差分析如表4所示。剝皮率回歸模型顯著，誤差不顯著，剝皮率模型有意義[19]。

表4　方差分析Table 4Analysis of variance

對于剝皮率y回歸方程中各項(xiàng)回歸系數(shù)在信度為0.05下采用F檢驗(yàn)，將不顯著項(xiàng)剔除后，得

輸送速度、剝皮輥轉(zhuǎn)速、剝皮間距、剝皮角度各因素對性能指標(biāo)函數(shù)貢獻(xiàn)率分別為2.69、3.21、2.51、1.93。

5.3各因素對剝皮率性能指標(biāo)影響分析

如圖5a所示，在試驗(yàn)水平下，甘藍(lán)剝皮合格率隨著輸送速度和剝皮輥轉(zhuǎn)速增大而升高，但當(dāng)兩因素達(dá)到一定數(shù)值后，均會導(dǎo)致剝皮合格率呈下降趨勢；達(dá)到輸送速度1.9 m·s-1和剝皮輥轉(zhuǎn)速190 r·min-1后，剝皮率趨于平緩；輸送速度大于2.0 m·s-1和剝皮輥轉(zhuǎn)速大于200 r·min-1以后，剝皮率開始下降。這是由于輸送速度和剝皮輥轉(zhuǎn)速過大，甘藍(lán)在皮帶上打滑，使剝皮受影響。

由圖5b可知，當(dāng)剝皮間距在（20、30 mm）之間時，甘藍(lán)剝皮率隨著輸送速度增大而升高，主要是由于輸送速度越高，剝皮輥與甘藍(lán)沖擊力越大從而增強(qiáng)剝皮效果；當(dāng)剝皮間距在（30、60 mm）之間時，甘藍(lán)剝皮率隨著輸送速度增大程先升高再下降趨勢，并且下降速率逐漸增大，主要由于隨著剝皮間距增大，高轉(zhuǎn)速剝皮輥來不及抓取甘藍(lán)而致；當(dāng)輸送速度在（1.7、1.9 m·s-1）之間時，甘藍(lán)剝皮率隨剝皮間距增大呈先升后降趨勢，當(dāng)輸送速度在（1.9、2.1 m·s-1）之間時，剝皮率隨剝皮間距增大而降低，這是由于低速輸送時對甘藍(lán)抓取力更強(qiáng)，但當(dāng)超過一定距離時摩擦力下降，導(dǎo)致剝皮率降低，而高速輸送時隨著剝皮間距增大輸送帶與甘藍(lán)之間打滑，導(dǎo)致剝皮率降低。

由圖5c可知，當(dāng)剝皮角度在（30°，35°）之間時，甘藍(lán)剝皮率隨著輸送速度增大升高后降低，主要是因?yàn)檩斔退俣仍黾哟偈垢仕{(lán)與剝皮輥間沖擊力增加，提高剝皮性能，而當(dāng)輸送速度達(dá)到一定值時，甘藍(lán)在輸送帶上開始滑轉(zhuǎn)；剝皮角度對甘藍(lán)沖擊和對外包葉摩擦影響較小。

由5d可知，甘藍(lán)剝皮率隨著剝皮輥轉(zhuǎn)速增大升高后降低，主要是由于剝皮輥轉(zhuǎn)速增大使單位時間內(nèi)對包葉摩擦擠壓次數(shù)增多，促使甘藍(lán)外包葉脫落。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到200 r·min-1后，甘藍(lán)與剝皮輥之間開始打滑，剝皮率降低；隨著剝皮間距增加剝皮率呈先升高后降低趨勢，這主要是由于剝皮間距過小剝皮輥對甘藍(lán)摩擦擠壓力水平分力過小，對甘藍(lán)包葉抓取空間小，抓取困難。剝皮間距過大又導(dǎo)致垂直壓力過小，造成皮帶與剝皮輥對甘藍(lán)摩擦擠壓減小，剝皮質(zhì)量降低。

由圖5e可知，甘藍(lán)剝皮率隨著剝皮輥轉(zhuǎn)速增大呈先升高后降低趨勢；隨著剝皮角度增加呈先升高后降低趨勢，但較平緩，說明剝皮角度對剝皮率影響相對比較小。

由圖5f可知，甘藍(lán)剝皮率隨著剝皮間距增加先升高后降低，剝皮率受剝皮角度變化影響較小，但隨著兩因素同時變大而顯著增大。這是因?yàn)閯兤らg距增加，使摩擦力減小，不利于外包葉去除；剝皮角度對甘藍(lán)沖擊和對外包葉摩擦影響較小。

圖5　四因素對剝皮率影響響應(yīng)曲面圖Fig.5Response surface of four factors'effects on response functions of the peeling rate

5.4優(yōu)化分析

按照提高剝皮率原則，以各因子水平區(qū)間為約束條件[20]，優(yōu)化結(jié)果見圖6。當(dāng)參數(shù)組合為：輸送速度1.82～2.05 m·s-1，剝皮輥轉(zhuǎn)速194～210 r·min-1，剝皮間距40 mm，剝皮角度40°時，剝皮率達(dá)到78%～ 80%。在優(yōu)化最佳工況范圍內(nèi)，選取輸送速度1.9 m·s-1，剝皮輥轉(zhuǎn)速200 r·min-1，剝皮間距40 mm，剝皮角度40°時進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果為：剝皮率為80.5%。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果在優(yōu)化性能指標(biāo)區(qū)間內(nèi)，表明優(yōu)化結(jié)果可信[21]。

圖6　參數(shù)優(yōu)化分析Fig.6Optimum analysis plot

6　結(jié)論

通過試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

a.試驗(yàn)分析各因素對甘藍(lán)包葉剝皮率影響，結(jié)果表明，剝皮輥轉(zhuǎn)速對甘藍(lán)包葉剝皮率影響最顯著；四個因素對甘藍(lán)包葉剝皮率影響主次關(guān)系為剝皮輥轉(zhuǎn)速、輸送速度、剝皮間距和剝皮角度。

b.采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗(yàn)方法，得到最優(yōu)參數(shù)組合：輸送速度1.82%～2.05%，剝皮輥轉(zhuǎn)速194～210 r·min-1，剝皮間距40 mm，剝皮角度40°，剝皮率可達(dá)78%～80%。

通過試驗(yàn)得到裝置工作參數(shù)最優(yōu)組合，裝置最佳剝皮率為80%，仍存在一定提升空間，在今后研究中，需對包葉剔除裝置進(jìn)一步改進(jìn)，旨在得到更好的剝皮效果，提高作業(yè)效率。

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Design and research of parameter optimization on cabbage leaf out device

ZHOU Cheng,LUAN Feishi,CHEN Haitao,HOU Shouyin,FANG Xin(1.School of Horticulture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Heilongjiang Academy of LandReclamationScience,Harbin150038,China;3.SchoolofEngineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Developed a cabbage leaves out device and analyzed its working principle,then got the main structure and working parameters which affects the process of the cabbage leaves out device. Using quadratic regression orthogonal rotary center combinatorial optimization test method,with transmission speed,the stripping roller speed,peeling spacing and peeling angle as the impact factors, kale peeling rate as the objective function to explore the optimal combination of the cabbage leaves out device structure and working parameters.Results showed that the contribution of each influence factor for peeling rate was transmission speed,the stripping roller speed,peeling spacing and peeling angle. When conveying speed was 1.82-2.05 m·s-1,stripping roller speed was 194-210 r·min-1,peeling spacing was 40 mm,peeling angle was 40°,the cabbage peeling rate was 78%-80%.The research provided the basis in theory for the design of the cabbage leaves out device.

cabbage;leaves;out device;experiment;optimization;design

S225.92

A

1005-9369（2015）12-0094-07

2015-05-15

黑龍江省博士后基金項(xiàng)目（LBH-Z13041）

周成（1973-），男，研究員，博士，研究方向?yàn)閳@藝設(shè)施與裝備。E-mail:nkzhoucheng@126.com

欒非時，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝與蔬菜分子遺傳育種研究。E-mail:luanfeishi@sina.com