王相友 祝 珊 李學(xué)強(qiáng) 李騰訓(xùn) 王琳琳 胡周勛

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255000； 2.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心，德州 253600； 3.山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司， 德州 253600)

0 引言

馬鈴薯是中國(guó)第四大主糧，每年種植面積超過(guò)600萬(wàn)hm2。馬鈴薯種薯需求逐年增多，而我國(guó)種薯制備仍然采用人工按芽切種、人工切刀消毒和人工背負(fù)式噴藥的傳統(tǒng)切塊模式[1-4]。人工切種耗費(fèi)大量勞動(dòng)力，同時(shí)存在消毒不嚴(yán)格、切塊大小不一、用種量大、出苗率難以控制等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了大面積種植效率，是馬鈴薯全程機(jī)械化種植的瓶頸之一[5-6]。

國(guó)外對(duì)馬鈴薯種薯切塊機(jī)的研究起步較早，美國(guó)All Star Manufacturing公司、Milestone公司以及BORGMANN[7]研制的雙層馬鈴薯種薯自動(dòng)化切塊機(jī)集分選、切種、噴藥、清選和輸送于一體，液控和電控相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)種薯的精確切分，但其機(jī)型體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且造價(jià)昂貴，不適合我國(guó)國(guó)情。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者對(duì)馬鈴薯種薯切塊進(jìn)行了研究。其中，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)[8]研制了一款犁刀式馬鈴薯切塊機(jī)，該機(jī)為雙層結(jié)構(gòu)，采用犁刀刀片將整薯切塊，但該機(jī)型缺少犁刀和薯塊的殺菌消毒裝置，切后的薯塊需要人工再次噴藥；周樹(shù)林[9]發(fā)明了一款舀勺定刀式馬鈴薯種薯切塊機(jī)，可對(duì)不同等級(jí)的種薯分別切塊，所切薯塊大小相對(duì)均一，但機(jī)械化作業(yè)時(shí)需要3種型號(hào)的切種機(jī)同時(shí)工作，成本較高，實(shí)際作業(yè)時(shí)占地面積大；文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一款小型馬鈴薯種薯切塊機(jī)模型，采用組合刀片將不同等級(jí)的種薯可變等分切塊，但該機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，至少需要3臺(tái)電動(dòng)機(jī)，且工作過(guò)程中有多次暫停，切塊效率較低。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于馬鈴薯種薯切塊機(jī)的研究大多是理論分析和仿真設(shè)計(jì)，市場(chǎng)定型產(chǎn)品少。本文借鑒國(guó)外相關(guān)技術(shù)，在適應(yīng)我國(guó)種植模式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種定向排列縱橫切分馬鈴薯種薯切塊機(jī)，其分選裝置可對(duì)種薯清土除雜、大小分選，定向排列裝置可實(shí)現(xiàn)種薯位姿調(diào)整，縱刀與橫刀配合對(duì)種薯進(jìn)行二次切分，噴藥裝置實(shí)時(shí)對(duì)薯塊殺菌消毒，清選輸送裝置將薯塊輸送至拌種位置。對(duì)該機(jī)進(jìn)行切塊性能試驗(yàn)，得到馬鈴薯種薯切塊機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 總體設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

針對(duì)我國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)機(jī)械化切種水平較低的問(wèn)題[11]，參考人工切種的農(nóng)藝流程，研制的集分選、切塊、殺菌消毒和清選一體的馬鈴薯種薯切塊機(jī)如圖1a所示。該馬鈴薯種薯切塊機(jī)主要由機(jī)架、上料裝置、分選裝置、定向排列裝置、縱切裝置、橫切裝置、噴藥裝置、薯種碎片清選裝置和集薯輸送裝置等組成。

圖1 馬鈴薯種薯切塊機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagrams of seed potato cutting machine 1.牽引裝置 2.上料裝置 3.分選裝置 4.定向排列裝置 5.縱切裝置 6.噴藥裝置 7.橫切裝置 8.薯種碎片清選裝置 9.集薯輸送裝置 10.中間下輸送裝置 11.地輪

馬鈴薯種薯切塊機(jī)全程工作劃分為3個(gè)階段，如圖1b所示，A階段為種薯的上料；B階段為種薯的輸送、切塊及殺菌消毒；C階段為成品薯塊的清選及輸送。工作時(shí)首先將種薯倒入上料斗，由上料裝置的輸送帶提升至B階段分選裝置，較小的種薯(質(zhì)量小于50 g，寬度10～45 mm)從分選輥間隙漏下，用于直接播種，尺寸大于分選輥間隙的種薯(寬度45～80 mm)則進(jìn)入定向排列裝置，種薯在定向排列裝置中調(diào)整重心位置，排列整齊，依次進(jìn)入縱切裝置和橫切裝置，切分后薯塊長(zhǎng)30～45 mm，寬30～40 mm，厚20～30 mm，質(zhì)量35～65 g，經(jīng)過(guò)噴藥消毒后落入C階段薯種碎片清選裝置，薯塊經(jīng)過(guò)篩選，被運(yùn)至出口處。

1.2 動(dòng)力傳遞路線(xiàn)

上料裝置由電機(jī)Ⅰ驅(qū)動(dòng)，電機(jī)Ⅰ與減速電機(jī)連接，減速電機(jī)輸出軸與鏈傳動(dòng)連接，驅(qū)動(dòng)上料裝置的輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng)；中間電機(jī)Ⅱ驅(qū)動(dòng)小帶輪，經(jīng)一級(jí)帶輪減速及兩級(jí)鏈輪減速后，分路傳動(dòng)，一路驅(qū)動(dòng)定向排列裝置及分選裝置作業(yè)，一路驅(qū)動(dòng)縱切裝置及橫切裝置作業(yè)；電機(jī)Ⅲ輸出軸連接減速電機(jī)，減速后經(jīng)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)清選裝置與集薯輸送裝置作業(yè)，完成薯塊的清選及輸運(yùn)工作。其中，B階段傳動(dòng)路線(xiàn)為整機(jī)的核心路線(xiàn)，其簡(jiǎn)圖如圖2(圖中i表示傳動(dòng)比)所示。

圖2 B階段傳動(dòng)路線(xiàn)簡(jiǎn)圖Fig.2 B-stage transmission route diagram1.中間電機(jī)Ⅱ 2.下膠皮輥 3.上膠皮輥 4.定向排列裝置 5.分選裝置 6.縱切裝置

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

定向排列縱橫切分馬鈴薯種薯切塊機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 馬鈴薯種薯切塊機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of seed potato cutter

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 定向排列裝置

定向排列裝置主體部件為滾篩，滾篩由滾篩主動(dòng)軸、滾篩從動(dòng)軸、膠輪輥鏈條、自轉(zhuǎn)鏈條和滾篩輥?zhàn)咏M成，其主要作用是排列種薯、調(diào)整種薯的入刀狀態(tài)，以方便切刀切分種薯。滾篩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 滾篩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structural diagram of rolling screen1.滾篩主動(dòng)軸 2.膠輪輥鏈條 3.滾篩從動(dòng)軸 4.圓臺(tái)橡膠輪 5.滾篩輥?zhàn)?/p>

2.1.1圓臺(tái)橡膠輪尺寸確定

滾篩的核心部件為圓臺(tái)橡膠輪，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)會(huì)影響種薯定向排列的效果。通過(guò)統(tǒng)計(jì)種薯尺寸參數(shù)，得到種薯長(zhǎng)度范圍為60～180 mm，寬度范圍為45～80 mm，厚度范圍為30～55 mm。所設(shè)計(jì)的圓臺(tái)橡膠輪應(yīng)仿形種薯形狀和人工切塊工藝，因此確定圓臺(tái)橡膠輪頂端直徑d1=115 mm，底端直徑d2=122 mm，橡膠輪厚度b1=30 mm，錐度ε=12°，兩相鄰圓臺(tái)橡膠輪之間間距b2=10 mm，作為圓盤(pán)切刀的通過(guò)位置。圓臺(tái)橡膠輪的錐度設(shè)計(jì)使得相鄰橡膠輪之間形成菱形空間，有利于種薯調(diào)整位姿，如圖4所示。

圖4 圓臺(tái)橡膠輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structure diagrams of round rubber wheel

2.1.2圓臺(tái)橡膠輪運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

對(duì)于單一圓臺(tái)橡膠輪，橡膠輪圓弧上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡取決于該點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的線(xiàn)速度v1(圓臺(tái)橡膠輪上作用點(diǎn)相對(duì)橡膠輥軸的切向速度)與滾篩輸送速度v0的比值，圓臺(tái)橡膠輪上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線(xiàn)，以圓臺(tái)橡膠輪中心為原點(diǎn)、種薯輸送方向?yàn)閤軸、垂直方向?yàn)閥軸建立坐標(biāo)系，如圖5所示。

圖5 圓臺(tái)橡膠輪運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Moving trail of round rubber wheel

圖5中，沿x軸正方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，圓臺(tái)橡膠輪圓周上任意一點(diǎn)Q(x，y)經(jīng)過(guò)時(shí)間t的坐標(biāo)方程為

(1)

式中ω1——圓臺(tái)橡膠輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s

r1——圓臺(tái)橡膠輪平均半徑，mm

v0——滾篩輸送速度，m/s

將ω1=2πn代入式(1)得

(2)

式中n——圓臺(tái)橡膠輪轉(zhuǎn)速，r/min

將式(2)對(duì)t求一階導(dǎo)數(shù)得到點(diǎn)Q的速度方程

(3)

圓臺(tái)橡膠輪推送種薯向前輸送的條件為vx>0，即

vx=v0-2πnr1sin(2πnt)>0

(4)

由上述圓臺(tái)橡膠輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知，圓臺(tái)橡膠輪圓周上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移和運(yùn)動(dòng)速度，主要受滾篩輸送速度、圓臺(tái)橡膠輪平均半徑和圓臺(tái)橡膠輪轉(zhuǎn)速的影響。滾篩輸送速度主要由中間電機(jī)Ⅱ控制，且其轉(zhuǎn)速便于調(diào)整，故選擇中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，由上述理論分析及前期預(yù)試驗(yàn)確定中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速范圍為800～1 200 r/min；圓臺(tái)橡膠輪運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)圖如圖5所示。

種薯排列過(guò)程如圖6所示。種薯輸送到滾篩前段時(shí)種薯易堆疊，種薯位姿出現(xiàn)傾斜，如圖6a所示；隨著圓臺(tái)橡膠輪順時(shí)針自轉(zhuǎn)，種薯開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，堆疊的種薯進(jìn)一步離散，種薯重心不斷調(diào)整，位姿開(kāi)始有序改變，滾篩中段種薯排列狀態(tài)如圖6b所示；由于前后及左右相鄰4個(gè)圓臺(tái)橡膠輪之間形成內(nèi)凹的菱形空間，種薯在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中開(kāi)始進(jìn)入菱形空間，1個(gè)種薯占據(jù)1～2個(gè)菱形空間，并以側(cè)躺這種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)被滾篩向前輸送，進(jìn)入下一階段被切分，滾篩后段種薯排列狀態(tài)如圖6c所示。圓臺(tái)橡膠輪自轉(zhuǎn)方向與滾篩輸送方向相反，既增加種薯調(diào)整位姿時(shí)間，且有利于種薯進(jìn)入切刀。

圖6 種薯定向排列狀態(tài)簡(jiǎn)圖Fig.6 Diagrams of seed potato orientation state

2.1.3滾篩組數(shù)與轉(zhuǎn)速

滾篩的主要作用是通過(guò)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)將種薯定向排列和向前輸送，滾篩輥?zhàn)咏M數(shù)和轉(zhuǎn)速對(duì)種薯定向排列有重要影響。綜合考慮種薯切塊機(jī)分選裝置的最佳分選轉(zhuǎn)速、配套中間電機(jī)Ⅱ功率、傳動(dòng)比分配以及圓臺(tái)橡膠輪尺寸等因素，試驗(yàn)得知當(dāng)滾篩輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為25～40 r/min時(shí)，可有效保證種薯定向排列。滾篩為環(huán)狀帶式滾動(dòng)篩，滾篩輥?zhàn)咏M數(shù)為28組，每組26個(gè)圓臺(tái)橡膠輪，相鄰兩輥?zhàn)又行木?32 mm，可增加種薯調(diào)整重心的行程，減小機(jī)組結(jié)構(gòu)體積。

2.2 縱切裝置

2.2.1結(jié)構(gòu)及工作原理

縱切裝置是將定向排列裝置輸送過(guò)來(lái)的種薯等間距切分成段狀薯塊?？v切裝置主要由支架、拉簧、行程開(kāi)關(guān)、圓盤(pán)切刀、圓盤(pán)切刀調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、磨刀機(jī)構(gòu)和鏈傳動(dòng)等組成。圓盤(pán)切刀鉛垂、等距排布在切刀軸上，圓盤(pán)切刀調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可調(diào)整切刀軸前后安裝位置，磨刀機(jī)構(gòu)及行程開(kāi)關(guān)可延長(zhǎng)刀具壽命，保護(hù)刀具。作業(yè)時(shí)，圓盤(pán)切刀轉(zhuǎn)動(dòng)，沿垂直于種薯長(zhǎng)軸方向縱切種薯，切好的段狀薯塊被輸送至下一階段?？v切裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 縱切裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.7 Structure diagram of longitudinal slitting device1.右支架 2.圓盤(pán)切刀組件 3.圓盤(pán)切刀調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 4.拉簧 5.磨刀機(jī)構(gòu) 6.鏈輪 7.左支架 8.行程開(kāi)關(guān)

2.2.2圓盤(pán)切刀的設(shè)計(jì)及力學(xué)分析

圓盤(pán)切刀是縱切裝置的核心部件，圓盤(pán)切刀的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到切種的質(zhì)量。對(duì)圓盤(pán)切刀的設(shè)計(jì)主要滿(mǎn)足尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(1)種薯切分過(guò)程的力學(xué)分析

圓盤(pán)切刀作業(yè)時(shí)，圓盤(pán)切刀切入種薯一定深度，切刀兩側(cè)受到種薯的擠壓力、種薯附著力以及其他種薯力的作用，圓盤(pán)切刀切入越深受到的阻力越大，所以在滿(mǎn)足作業(yè)要求的情況下，圓盤(pán)切刀下陷越淺，所受阻力越小，而圓盤(pán)切刀直徑太小，則在同等壓力下，可能導(dǎo)致圓盤(pán)切刀下陷過(guò)深而無(wú)法正常工作，對(duì)切薯深度造成影響，導(dǎo)致切薯深度過(guò)深，圓盤(pán)切刀直徑太大則增大整機(jī)質(zhì)量，而且整機(jī)結(jié)構(gòu)也不允許圓盤(pán)切刀直徑過(guò)大[12-13]。

種薯切分過(guò)程中受力分析如圖8所示，種薯受到相鄰圓臺(tái)橡膠輪的支持力N1、N2和摩擦力f1、f2，圓盤(pán)切刀對(duì)種薯的支持力N3和摩擦力f3，mg為種薯所受重力，圓盤(pán)切刀對(duì)種薯的壓力角為θ，圓盤(pán)切刀下陷深度即圓盤(pán)切刀切入圓臺(tái)橡膠輪深度為h，圓盤(pán)切刀直徑為D，種薯中心截面平均直徑為c，ω2為圓盤(pán)切刀的角速度，v為種薯輸送速度。

圖8 種薯切分受力位置示意圖Fig.8 Schematic of force location of seed potato cutting1.圓臺(tái)橡膠輪 2.種薯 3.圓盤(pán)切刀

對(duì)圖8簡(jiǎn)化得圖9，N0為N1、N2的合力，f0為f1、f2的合力。

圖9 種薯切分簡(jiǎn)化受力圖Fig.9 Simplified force diagram of seed potato slicing

豎直方向的平衡條件為

N0=N3cosθ+f3sinθ+mg

(5)

種薯被完全切分開(kāi)的條件為

f0+f3cosθ≥N3sinθ

(6)

其中

f3=N3tanθ1

(7)

f0=N0tanθ0

(8)

式中θ0——種薯與圓盤(pán)切刀的摩擦角，(°)

θ1——種薯與圓臺(tái)橡膠輪的摩擦角，(°)

將式(7)、(8)代入式(6)得

θ≤θ0+θ1

(9)

由圖8中位置關(guān)系得

(10)

將式(10)代入式(9)得

(11)

在式(10)中種薯中心截面平均直徑c為常數(shù)，取值為50 mm，圓盤(pán)切刀切入圓臺(tái)橡膠輪深度h為20 mm，種薯與圓盤(pán)切刀、圓臺(tái)橡膠輪的摩擦角范圍分別為20°～30°和15°～20°，各取其上限值30°和20°計(jì)算[14-17]，則由式(11)得，圓盤(pán)切刀直徑D不小于341 mm，考慮到圓盤(pán)切刀直徑不宜過(guò)大[18]，本文取341 mm。

(2)種薯與圓盤(pán)切刀接觸點(diǎn)的力學(xué)分析

由Hertz理論可知，種薯與圓盤(pán)切刀的初始接觸點(diǎn)為種薯截面上的一個(gè)橢圓區(qū)域，如圖10所示。

圖10 種薯與圓盤(pán)切刀接觸示意圖Fig.10 Schematic of contact between seed potato and disc cutter 1.種薯 2.圓盤(pán)切刀

接觸區(qū)的等效接觸半徑C為

(12)

式中μ1、μ2——種薯、圓盤(pán)切刀的泊松比

E1、E2——種薯、圓盤(pán)切刀的彈性模量，MPa

ρ1、ρ2——種薯、圓盤(pán)切刀的曲率半徑，mm

綜合曲率半徑為

(13)

綜合彈性模量為

(14)

最大接觸應(yīng)力為

(15)

總載荷為

(16)

式中a、b——橢圓接觸區(qū)的長(zhǎng)、短半軸長(zhǎng)度，mm

種薯與圓盤(pán)切刀接觸區(qū)的壓縮量δ為

(17)

對(duì)圓盤(pán)切刀與種薯接觸點(diǎn)分析，得到接觸區(qū)的最大壓縮量和最大接觸應(yīng)力，可指導(dǎo)圓盤(pán)切刀的選材以及尺寸參數(shù)選擇。經(jīng)計(jì)算，圓盤(pán)切刀選用2Cr13不銹鋼，2Cr13不銹鋼淬火狀態(tài)下硬度高，耐蝕性良好，圓盤(pán)切刀厚度為3 mm，開(kāi)刃寬度為30 mm，開(kāi)刃角7.89°，滿(mǎn)足本文設(shè)計(jì)的圓盤(pán)切刀要求?？紤]到種薯的長(zhǎng)度范圍為60～180 mm，圓臺(tái)橡膠輪為26個(gè)，每?jī)蓚€(gè)圓臺(tái)橡膠輪之間安裝一片圓盤(pán)切刀，兩端各安裝一片圓盤(pán)切刀，防止漏切，故圓盤(pán)切刀數(shù)量共計(jì)為27個(gè)，相鄰兩圓盤(pán)切刀間距為41 mm，即種薯在長(zhǎng)度方向每隔41 mm被切分成兩段。

2.3 橫切裝置

2.3.1結(jié)構(gòu)及工作原理

橫切裝置由膠皮輥、橫刀和薯刀梳子等組成。上、下膠皮輥相互對(duì)稱(chēng)通過(guò)軸承座固定于機(jī)架上，橫刀安裝于上、下膠皮輥之間，薯刀梳子位于橫刀前方。橫切裝置的主要功能是將縱切裝置切分的段狀薯塊沿薯塊中心水平切分。作業(yè)時(shí)，段狀薯塊由薯刀梳子及膠皮輥引導(dǎo)進(jìn)入橫刀，橫刀將薯塊水平切分，種薯經(jīng)過(guò)縱切裝置和橫切裝置的二次切分后，輸送至下一階段。橫切裝置結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 橫切裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.11 Structure diagram of transverse slitting device1.鏈輪 2.膠皮輥 3.橫刀組 4.鎖緊偏心手柄 5.右微調(diào)座 6.右?jiàn)A刀座 7.軸承座調(diào)整螺栓 8.薯刀梳子

2.3.2膠皮輥、薯刀梳子設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇

考慮到整機(jī)結(jié)構(gòu)以及種薯的壓縮特性，膠皮輥的主體圓筒采用Q235-A普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，圓筒半徑R為100 mm，膠皮輥圓筒外壁依次包裹海綿層和鑄膠層，綜合材料特性以及整機(jī)尺寸，海綿層厚度h1設(shè)為30 mm，鑄膠層厚度h2設(shè)為15 mm，二者對(duì)薯塊均有良好的緩沖作用，鑄膠層外均布膠層凸起，凸起半徑r為5 mm，以增加對(duì)薯塊的抓取力。膠皮輥組件剖視圖如圖12所示。

圖12 膠皮輥組件剖視圖Fig.12 Sectional view of rubber roll assembly 1.左側(cè)軸頭 2.鑄膠層 3.海綿層 4.圓筒 5.內(nèi)連接板6.外連接板 7.右側(cè)傳動(dòng)軸頭

上下膠皮輥關(guān)于橫刀對(duì)稱(chēng)，兩膠皮輥中心距H可由膠皮輥?zhàn)?、右軸承座調(diào)整螺栓調(diào)整。上下膠皮輥位置簡(jiǎn)圖如圖13所示。

圖13 上下膠皮輥位置簡(jiǎn)圖Fig.13 Position diagram of upper and lower rubber rolls1.膠皮輥 2.橫刀

上、下膠皮輥中心距H為

H=2R+2h1+2h2+2r+e

(18)

式中e——上、下膠皮輥膠層凸起間距，mm

根據(jù)種薯厚度30～55 mm，薯塊厚度20～30 mm，若上下膠皮輥膠層凸起間距e過(guò)大，則易導(dǎo)致薯塊未被切分而通過(guò)間隙，薯塊漏切，若上下膠皮輥膠層凸起間距e過(guò)小，則被橫刀切分后的薯塊不能通過(guò)間隙，導(dǎo)致薯塊擁堵，影響薯塊合格率、薯塊盲眼率及種薯?yè)p失率。綜合考慮膠皮輥材料特性，e的取值范圍設(shè)為15～35 mm，相應(yīng)H范圍為315～335 mm。

薯刀梳子的主要作用是將粘在圓盤(pán)切刀上的薯塊撥下，防止粘刀，引導(dǎo)薯塊進(jìn)入上下膠皮輥間隙。薯刀梳子安裝角γ過(guò)大或過(guò)小都不能有效撥下粘刀的薯塊，降低薯塊合格率，增加種薯?yè)p耗率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成圓盤(pán)切刀停轉(zhuǎn)，影響切塊作業(yè)。薯刀梳子調(diào)節(jié)桿的作用是調(diào)節(jié)薯刀梳子安裝角，使其達(dá)到最佳的作業(yè)效果。薯刀梳子有效安裝角范圍為100°～110°。薯刀梳子側(cè)視圖如圖14所示。

圖14 薯刀梳子側(cè)視圖Fig.14 Side view of potato knife comb1.梳齒 2.薯刀梳子調(diào)節(jié)桿

2.3.3橫刀切分薯塊過(guò)程分析

圖15 橫刀切分薯塊受力分析圖Fig.15 Stress analysis diagrams of sliced potato block with horizontal knife1.橫刀 2.薯塊

橫刀切分薯塊過(guò)程如圖15所示。圖15a中橫刀的刀刃與薯塊的接觸為點(diǎn)接觸，當(dāng)?shù)度星腥胧韷K時(shí)，刀刃與薯塊的接觸由點(diǎn)變線(xiàn)，接觸范圍逐漸增大，最后，薯塊被橫刀完全切分開(kāi)，薯塊開(kāi)始離開(kāi)橫刀刀片。在薯塊被橫刀切分過(guò)程中，薯塊與橫刀相對(duì)位置不同，橫刀刀片與薯塊的接觸長(zhǎng)度不斷變化。將橫刀刃部斷面設(shè)計(jì)為楔形，楔形斷面的頂部即為刃口，橫刀在切分薯塊時(shí)，對(duì)薯塊的作用既有刃口作用也有楔面作用，橫刀對(duì)薯塊的作用力主要為接觸應(yīng)力。橫刀所受切分阻力總載荷Fq(x)為切分阻應(yīng)力q(x)在切分薯塊時(shí)刀片與薯塊接觸長(zhǎng)度的積分[19]，即

(19)

式中q1(x)——薯塊對(duì)橫刀刃部頂端阻應(yīng)力，N/mm

q2(x)——薯塊對(duì)橫刀刃部楔形上表面的阻應(yīng)力，N/mm

q3(x)——薯塊對(duì)橫刀刃部楔形下表面的阻應(yīng)力，N/mm

q4(x)——薯塊對(duì)橫刀上表面的阻應(yīng)力，N/mm

q5(x)——薯塊對(duì)橫刀下表面的阻應(yīng)力，N/mm

l1——薯塊與橫刀刃部頂端的接觸長(zhǎng)度，mm

l2——薯塊與橫刀刃部側(cè)端上表面的接觸長(zhǎng)度，mm

l3——薯塊與橫刀刃部側(cè)端下表面的接觸長(zhǎng)度，mm

l4——薯塊與橫刀上表面的接觸長(zhǎng)度，mm

l5——薯塊與橫刀下表面的接觸長(zhǎng)度，mm

x——橫刀切分薯塊的位移，mm

由于刀片與薯塊不同的相對(duì)位置，刀刃切分薯塊時(shí)的接觸長(zhǎng)度在不斷變化，使得Fq(x)呈現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)過(guò)程。在初始切分階段，刀片所受薯塊的切割阻力上升較快，薯塊內(nèi)部組織抵抗擠壓應(yīng)力與剪切應(yīng)力比較強(qiáng)烈，薯塊在刀刃的作用下，保持著薯塊被壓縮與薯塊的抵抗壓縮力之間的正比關(guān)系，即薯塊做彈性變形，超過(guò)這個(gè)極限，當(dāng)刃口繼續(xù)壓入薯塊時(shí)，薯塊開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形，當(dāng)切割力超過(guò)薯塊塑性變形極限后薯塊即被切開(kāi)。由于薯塊切割過(guò)程很短，在薯塊被切分開(kāi)的瞬間，薯塊被分成兩部分，被分開(kāi)的薯塊由上、下膠皮輥轉(zhuǎn)動(dòng)分別帶出橫刀，薯塊沿膠皮輥切線(xiàn)速度方向移動(dòng)，落入清選裝置，繼而被輸送至下一階段。

3 樣機(jī)試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)材料與參數(shù)指標(biāo)

3.1.1試驗(yàn)材料

2019年5月，在山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司的試驗(yàn)基地進(jìn)行種薯切分試驗(yàn)。選取荷蘭15號(hào)一級(jí)良種為試驗(yàn)材料，其形狀為長(zhǎng)橢圓形，經(jīng)測(cè)量長(zhǎng)度范圍為60～180 mm，寬度范圍為45～80 mm，厚度范圍為30～55 mm，單個(gè)種薯質(zhì)量范圍20～300 g，含水率81%～85%，該品種種薯芽眼分布大致呈現(xiàn)種薯頂部及尾部芽眼稀、側(cè)芽較多的規(guī)律。試驗(yàn)所用儀器包括電子秤、游標(biāo)卡尺等。

3.1.2試驗(yàn)參數(shù)及指標(biāo)

通過(guò)前述切塊過(guò)程的力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定影響馬鈴薯種薯切塊機(jī)性能的主要因素有滾篩輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速、上下膠皮輥中心距以及薯刀梳子安裝角。由于滾篩輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速由中間電機(jī)Ⅱ控制，且其轉(zhuǎn)速便于調(diào)整，故選擇中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速、上下膠皮輥中心距以及薯刀梳子安裝角為試驗(yàn)因素。由預(yù)試驗(yàn)確定各因素取值范圍：中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速800～1 200 r/min、上下膠皮輥中心距315～335 mm以及薯刀梳子安裝角100°～110°。中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速可通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)，上下膠皮輥中心距可由軸承座調(diào)整螺栓調(diào)節(jié)，薯刀梳子安裝角可由薯刀梳子調(diào)節(jié)桿調(diào)整。

馬鈴薯種薯切塊機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)目前尚無(wú)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本試驗(yàn)依據(jù)山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以薯塊合格率、薯塊盲眼率以及種薯?yè)p耗率為試驗(yàn)指標(biāo)，考察中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速、上下膠皮輥中心距以及薯刀梳子安裝角對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，分析各因素對(duì)種薯切分性能的影響規(guī)律。每組試驗(yàn)選取100個(gè)馬鈴薯種薯，由種薯切塊機(jī)切分后統(tǒng)計(jì)薯塊數(shù)量，稱(chēng)量種薯質(zhì)量。

薯塊合格率W1指薯塊質(zhì)量35～65 g的薯塊數(shù)量占薯塊總數(shù)量的百分比，即

(20)

式中n1——質(zhì)量在35～65 g范圍內(nèi)的薯塊數(shù)量，塊

n0——薯塊總數(shù)量，塊

薯塊盲眼率W2指無(wú)芽眼的薯塊數(shù)量占薯塊總數(shù)量的百分比，即

(21)

式中s1——無(wú)芽眼的薯塊數(shù)量，塊

種薯?yè)p耗率W3指由清選裝置清選下來(lái)的種薯碎片的質(zhì)量占種薯總質(zhì)量的百分比，即

(22)

式中m0——種薯總質(zhì)量，kg

m1——清選下來(lái)的種薯碎片質(zhì)量，kg

3.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

3.2.1試驗(yàn)方案及結(jié)果

在前期單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)法建立中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速、上下膠皮輥中心距和薯刀梳子安裝角與薯塊合格率W1、薯塊盲眼率W2、種薯?yè)p耗率W3之間的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)響應(yīng)曲面法求出最優(yōu)因素組合[20-21]。

采用Design-Expert 8.0.6軟件Box-Behnken組合設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)的三因素三水平試驗(yàn)方案如表2所示，其中，中心點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)5次，共進(jìn)行17次試驗(yàn)。表3為響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果[22-23]，X1、X2、X3為中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速、上下膠皮輥中心距、薯刀梳子安裝角的編碼值。

表2 試驗(yàn)因素與編碼Tab.2 Experimental factors and codes

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表3的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合分析，得到薯塊合格率W1、薯塊盲眼率W2和種薯?yè)p耗率W3的回歸方程，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[24-25]。

(1)薯塊合格率W1的回歸模型

對(duì)薯塊合格率W1的回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，其結(jié)果如表4所示。薯塊合格率W1的回歸模型P值(0.013 8)小于0.05，顯著，失擬項(xiàng)的P值(0.115 9)大于0.05，即失擬，不顯著，表明薯塊合格率W1的回歸模型與實(shí)際相符。薯塊合格率W1的回歸方程為

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.3 Response surface test protocol and results

表4 薯塊合格率方差分析Tab.4 Variance analysis of qualified rate of potato block

注：**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)，下同。

(23)

(2)薯塊盲眼率W2的回歸模型

對(duì)薯塊盲眼率W2的回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，其結(jié)果如表5所示。薯塊盲眼率W2的回歸模型P值(0.002 3)小于0.01，極顯著，失擬項(xiàng)的P值(0.209 0)大于0.05，即失擬，不顯著，表明盲眼率W2的回歸模型與實(shí)際相符。薯塊盲眼率W2的回歸方程模型為

W2=2.69+0.68X1-1.35X2-0.076X3+0.18X1X2+0.23X1X3-0.72X2X3+ (24)

圖16 各因素對(duì)薯塊合格率的影響Fig.16 Influence of various factors on qualified rate of potato lumps

(3)種薯?yè)p耗率W3的回歸模型

對(duì)種薯?yè)p耗率W3的回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，其結(jié)果如表6所示。種薯?yè)p耗率W3的回歸模型P值(0.003 7)小于0.01，極顯著，失擬項(xiàng)的P值(0.136 2)大于0.05，即失擬，不顯著，表明種薯?yè)p耗率W3的回歸模型與實(shí)際相符。種薯?yè)p耗率W3的回歸方程模型為

W3=10.03+1.87X1-0.025X2-0.23X3+0.44X1X2+0.067X1X3-0.11X2X3+ (25)

由方差分析可得，三因素對(duì)薯塊合格率W1的影響由大到小依次為X2、X1、X3；對(duì)薯塊盲眼率W2的影響由大到小依次為X2、X1、X3；對(duì)種薯?yè)p耗率W3影響由大到小依次為X1、X3、X2。

3.2.3響應(yīng)曲面分析

(1)對(duì)薯塊合格率W1的影響規(guī)律

對(duì)薯塊合格率應(yīng)用響應(yīng)曲面法分析，結(jié)果如圖16所示。由式(23)和表4可知，在各因素中，上下膠皮輥中心距對(duì)薯塊合格率影響最大，其次是中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速，薯刀梳子安裝角影響最小，各因素交互作用不顯著。由圖16a可知，薯塊合格率隨著中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速增加先升后降，隨著上下膠皮輥中心距的加大而降低。由圖16b可知，薯塊合格率隨著中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速增加先升后降，隨著薯刀梳子安裝角的加大先升高后降低。由圖16c可知，薯塊合格率隨著上下膠皮輥中心距增加先升后降，隨著薯刀梳子安裝角的加大而降低。

(2)對(duì)薯塊盲眼率W2的影響規(guī)律

對(duì)薯塊盲眼率應(yīng)用響應(yīng)曲面法分析，結(jié)果如圖17所示。由式(24)和表5可知，在各因素中，上下膠皮輥中心距對(duì)薯塊盲眼率影響最大，其次是中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速，薯刀梳子安裝角影響最小，上下膠皮輥中心距和薯刀梳子安裝角交互作用影響顯著。由圖17a可知，隨著上下膠皮輥中心距減小，中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速降低，薯塊盲眼率逐漸減小。由圖17b可知，薯塊合格率隨著中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速增加先升后降，隨著薯刀梳子安裝角的加大先升高后降低。由圖17c可知，隨著薯刀梳子安裝角的增加，薯塊盲眼率的變化不大，隨著上下膠皮輥中心距的增加，薯塊盲眼率明顯上升。

圖17 各因素對(duì)薯塊盲眼率的影響Fig.17 Influence of various factors on blind rate of potato block

(3)對(duì)種薯?yè)p耗率W3的影響規(guī)律

對(duì)薯塊損耗率應(yīng)用響應(yīng)曲面法分析，結(jié)果如圖18所示。由式(25)和表6可知，在各因素中，中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速對(duì)薯塊損耗率影響最大，其次是薯刀梳子安裝角，上下膠皮輥中心距影響最小，各因素交互作用不顯著。由圖18a可知，種薯?yè)p耗率隨著中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速增加而升高，隨著上下膠皮輥中心距的加大損耗率變化不大。由圖18b可知，種薯?yè)p耗率隨著中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速增加而升高，隨著薯刀梳子安裝角的加大升高。由圖18c可知，隨著上下膠皮輥中心距和薯刀梳子安裝角的變化，種薯?yè)p耗率的變化不明顯。

圖18 各因素對(duì)種薯?yè)p耗率的影響Fig.18 Influence of various factors on loss rate of seed potato

3.2.4最佳參數(shù)優(yōu)化分析

在本試驗(yàn)中，由于種薯切塊性能指標(biāo)受到多因素影響，為實(shí)現(xiàn)所切薯塊的合格率較高、盲眼率較低以及種薯?yè)p耗率盡可能低的目的，采用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化功能求該切塊機(jī)的最佳參數(shù)組合。

構(gòu)建多目標(biāo)函數(shù)及約束條件為

優(yōu)化結(jié)果為中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速965.76 r/min、上下膠皮輥中心距315 mm、薯刀梳子安裝角104.61°時(shí)，薯塊合格率94.86%，薯塊盲眼率1.84%，種薯?yè)p耗率9.72%。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

2019年5月中旬，在山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)。采用荷蘭15號(hào)種薯，按照最優(yōu)參數(shù)組合試驗(yàn)。對(duì)3次試驗(yàn)結(jié)果取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可知，薯塊合格率、薯塊盲眼率及種薯?yè)p耗率與優(yōu)化值相比，其相對(duì)誤差均不大于5.04%，切分后薯塊長(zhǎng)30～45 mm，寬30～40 mm，厚20～30 mm，質(zhì)量范圍35～65 g，滿(mǎn)足馬鈴薯種薯切塊要求。馬鈴薯種薯切塊機(jī)種薯切塊過(guò)程如圖19所示。

表7 試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Test result %

圖19 馬鈴薯種薯切塊機(jī)切分前后工作場(chǎng)景Fig.19 Working scenarios of seed potatoes before and after cutting machine

4 結(jié)論

(1)針對(duì)馬鈴薯種薯需求量大、切種效率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種適用于機(jī)械化規(guī)模作業(yè)的定向排列縱橫切分馬鈴薯種薯切塊機(jī)。該機(jī)可一次完成種薯分選、種薯排列等種薯切塊前期作業(yè)和二次切塊、薯塊噴藥、薯塊清選等多種作業(yè)，滿(mǎn)足種薯切塊的農(nóng)藝要求，較傳統(tǒng)人工切塊省時(shí)、省力。

(2)通過(guò)對(duì)馬鈴薯種薯切塊機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行理論分析及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)及作業(yè)參數(shù)，得出影響馬鈴薯種薯切塊機(jī)作業(yè)性能的主要因素取值范圍：中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速800～1 200 r/min、上下膠皮輥中心距315～335 mm以及薯刀梳子安裝角100°～110°。

(3)多因素響應(yīng)曲面試驗(yàn)表明：上下膠皮輥中心距對(duì)薯塊合格率及薯塊盲眼率的影響顯著，影響由大到小依次為上下膠皮輥中心距、中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速、薯刀梳子安裝角；中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速對(duì)種薯?yè)p耗率影響顯著，影響由大到小依次為中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速、薯刀梳子安裝角、上下膠皮輥中心距。通過(guò)優(yōu)化求解并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)中間電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速為965.76 r/min、上下膠皮輥中心距為315 mm、薯刀梳子安裝角為104.61°的最優(yōu)參數(shù)組合時(shí)，薯塊合格率為92.13%，薯塊盲眼率為1.91%，種薯?yè)p耗率為10.21%，與預(yù)測(cè)值相比，薯塊合格率、薯塊盲眼率及種薯?yè)p耗率的相對(duì)誤差分別為2.88%、3.80%、5.04%，均能滿(mǎn)足種薯切塊作業(yè)要求。