基于高速摄像技术的马铃薯在分离筛上运动特性研究

宿金殿，王春光，谢胜仕，蒙建国

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



基于高速摄像技术的马铃薯在分离筛上运动特性研究

宿金殿，王春光，谢胜仕，蒙建国

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：为了研究马铃薯挖掘机在收获过程中马铃薯在分离筛上的运动特性、改善马铃薯挖掘机工作性能、提高薯土分离效果及降低马铃薯的损伤，采用室内试验和室外试验研究的方法，对马铃薯在分离筛上的运动规律进行研究。利用红外高速摄像技术，采集室内和田间马铃薯在分离筛上的运动情况的数据。利用高速摄像分析软件(TEMA)对采集到的摄像数据进行处理，绘制出马铃薯的分离筛上的加速度时间历程曲线，总结出马铃薯在筛面上的运动规律。最终得出马铃薯在分离筛上的运动特性，为马铃薯收获机的分离筛参数的优化提供参考。

关键词：马铃薯挖掘机；分离筛； 高速摄影；运动规律；优化

0引言

马铃薯是一种适应性强、营养丰富的农产品,在粮食产量排名中仅次于玉米、水稻和小麦，居第4位。随着马铃薯生产的不断发展，对马铃薯挖掘机工作性能要求也越来越高，而薯土分离装置的工作性能直接影响着明薯率和伤薯率这两个重要指标。目前，马铃薯挖掘机常用的薯土分离装置主要有杆链式和杆链—分离筛组合式。小型马铃薯挖掘机多采用杆链式薯土分离装置，而中型马铃薯挖掘机多采用杆链—分离筛组合式薯土分离装置。由于我国使用较多的是中小型马铃薯挖掘机，所以，杆链—分离筛组合式薯土分离装置的应用较为普遍[1-3]。

本文以克新1号马铃薯为研究对象，在自行设计的摆动分离筛试验台上，利用高速摄像技术对马铃薯在摆动分离筛上的运动情况进行分析研究。测定在不同筛面倾角和不同筛分速度下马铃薯的加速度时间历程。在此基础上，通过田间试验对室内试验进行验证和补充。为深入研究马铃薯动力学特征和马铃薯挖掘机的改进和优化提供一定参考[4-8]。

1试验材料与设备

选择在我国北方地区具有代表性的克新1号马铃薯，试验马铃薯外形选择近似圆球形和椭球形及表皮无损伤，新鲜的马铃薯各30颗，质量在300～330g之间[8-10]。

自行研制了4SW-170型马铃薯挖掘机试验台[11-12]，其分离筛的结构参数，如表1所示。试验台与地面固定，用万向节将电动机与试验台的主轴相连接，通过变频器调节电动机的转速，进而改变马铃薯挖掘机的输入转速。试验台主要由变频器、电动机、万向节、变速箱、升运链、分离筛、机架、坐标板和摄像机等组成，如图1所示。本次试验采用SONY公司生产的 NTA-1383阵列式红外摄像机，分辨率640×480，帧速为500帧/s。

表1　马铃薯挖掘机分离筛的结构参数

1.VARISPEED-616G5变频柜　2.电动机　3.传动轴　4.变速箱

2试验方法及数据处理

2.1试验方法

为了分析马铃薯在分离筛上的运动规律，试验时采取高速摄像机在线跟踪拍摄。根据试验研究要求，马铃薯挖掘机主轴转速分别选择：271、304、330、361、395、 441、473r/min 7个转速值；分离筛面倾角(筛面与水平面的夹角)为1.5°、7.7°。

试验时，先调节分离筛的角度，再用变频器设定一个电动机输出轴转速，待马铃薯收获机运转平稳后，将质量为300～330g之间的圆球形和椭球形马铃薯放在稳定转动的升运链上；马铃薯从升运链运动到分离筛后,借助高速摄像机，采集两类马铃薯在分离筛上的运动情况。每组试验重复10次。利用高速摄像分析软件(TEMA)把高速摄像拍摄的图片，在像素坐标下得到一系列以像素为单位的数值转换为实际位移值。在分析时，选取固定板上坐标原点，多次分析采集到的摄影数据，总结出马铃薯在分离筛上的运动规律。

2.2试验数据的处理

试验结果表明：在主轴转速为330 r/min、分离筛面倾角为1.5°时，圆球形马铃薯在筛面上的最大加速度76.005m/s2，椭球形马铃薯在筛面上的最大加速度71.286m/s2，其加速度时间历程如图2所示；分离筛面倾角为7.7°时，圆球形马铃薯在筛面上的最大加速度46.632m/s2，椭球形马铃薯在筛面上的最大加速度70.945m/ s2，其加速度时间历程如图3所示；在主轴转速为361r/min、分离筛面倾角为1.5°时，圆球形马铃薯在筛面上的最大加速度66.147m/s2，椭球形马铃薯在筛面上的最大加速度76.918m/s2，其加速度时间历程,如图4所示；分离筛面倾角为7.7°时，圆球形马铃薯在筛面上的最大加速度70.903m/s2，椭球形马铃薯在筛面上的最大加速度81.410m/s2，其加速度时间历程,如图5所示。其中，细实线表示马铃薯的加速度，粗实线表示分离筛的加速度。

3试验数据的分析

3.1马铃薯在筛面上最大加速度的分析

马铃薯在分离筛上的最大加速度决定了马铃薯在分离筛上的最大受力、跳跃高度和碰撞强度，直接影响马铃薯在筛分过程中的伤薯率。通过高速摄像系统分析圆球形和椭球形马铃薯的最大加速度数据如下：当分离筛面倾角分别为1.5°和7.7°时，两类马铃薯在筛面上的最大加速度,如表2所示。

(a)　圆球形马铃薯

(b)　椭球形马铃薯

(a)　圆球形马铃薯

(b)　椭球形马铃薯

(a)　圆球形马铃薯

(b)　椭球形马铃薯

(a)　圆球形马铃薯

(b)　椭球形马铃薯

m/s2

由表2可见：两类马铃薯在筛面上最大加速度随着主轴转速的增大而增大，伤薯率随着主轴转速和筛面倾角的增大而升高。在相同筛面倾角下，椭球形马铃薯在筛面上的最大加速度大于圆球形马铃薯,椭球形马铃薯表皮的损伤大于圆球形马铃薯；同类马铃薯在筛面上最大加速度随着筛面倾角的增大而降低，分离效果随着筛面倾角的增大而降低。

3.2马铃薯在分离筛面上运动时间的分析

马铃薯在分离筛上运动时间越长，薯土分离效果就越好，明薯率越高，但伤薯率增大。多次重复试验后，利用TEMA分析采集到的数据，绘制出不同筛面倾角和不同转速条件下的两类薯形在分离筛上加速度与时间历程。获得两类马铃薯在筛面上运动时间数据如下：在不同转速下，当分离筛面倾角分别为1.5°和7.7°时，两类马铃薯在筛面上运动时间的拟合曲线，如图6所示。

图6　主轴转速与马铃薯在筛面上运动时间图

由图6分析得:两类马铃薯在筛面上运动的时间随着主轴转速的增大而减小。在筛面倾角为1.5°和7.7°时，筛面倾角对圆球形马铃薯在筛面上运动的时间的影响较小；在筛面倾角为1.5°和7.7°时，筛面倾角对椭球形形马铃薯在筛面上运动的时间的影响较大。圆球形马铃薯在筛面运动的时间比椭球形马铃薯短，原因是由于圆球形马铃薯在筛面上易滚动，而椭球形马铃薯在筛面上不易滚动。

4田间试验验证

4. 1试验条件和方法

田间试验在呼和浩特市武川县马铃薯种植基地进行。 试验地块地势平坦，土壤为沙壤土，土壤含水率11.2%；马铃薯品种为克新1号；试验机型为 内蒙古农业大学自行研究生产的4SW-170 型马铃薯收获机；配套拖拉机是由中国一拖集团有限公司生产的东方红-X900型拖拉机，前进速度约1.94km/h，输出转速约360r/min。

试验前，把地块中较大的杂草和马铃薯秧苗割去，以免影响试验结果；在机架的左侧焊接一个固定板，作为摄像时的固定坐标；马铃薯挖掘机的右侧放置1个约6m长的水平轨道，并与拖拉机的前进速度平行；把摄像机安装在轨道上，调节摄像机镜头到最佳摄像位置；调节分离筛的倾角为1.5°或7.7°。

在田间已经挖出的马铃薯中选取有代表性的圆球形和椭球形马铃薯 (质量接近室内试验所用的马铃薯试验球300～330g)各一个，并用黑白胶带标记，作为田间试验的试验薯；将两个试验薯预埋在即将挖掘的土壤中。在挖掘机工作稳定后，摄像机以拖拉机的前进速度沿轨道运动，开始记录数据，进行5组重复试验。

4.2试验结果与数据处理

分析田间采集到的数据，正常工作情况下、筛面倾角为1.5°时，圆球形在筛面上的最大加速度为71.618m/s2，椭球形马铃薯在筛面上最大加速度为74.225m/s2，其加速度时间历程如图7所示。

(a)　圆球形马铃薯

(b)　椭球形马铃薯

筛面倾角为7.7°时，圆球形在筛面上的最大加速度为45.531m/s2，椭球形马铃薯在筛面上最大加速度为50.275m/s2，其加速度时间历程如图8所示。其中，细实线表示马铃薯的加速度，粗实线表示分离筛的加速度。

(a) 圆球形马铃薯

(b)　椭球形马铃薯

4.3试验结果分析

经多次田间试验，通过TEMA分析田间采集到的试验数据，与室内分析的数据作对比：马铃薯在筛面上的最大加速度和运动时间的规律在室内外试验是相同的；在同一筛面倾角下，椭球形马铃薯在筛面上的最大加速度大于圆球形马铃薯,椭球形马铃薯表皮的损伤大于圆球形马铃薯；同类马铃薯在筛面上最大加速度随着筛面倾角的增大而降低，分离效果随着筛面倾角的增大而降低；两类马铃薯在筛面上运动的时间随着主轴转速的增大而减小；圆球形马铃薯在筛面运动的时间比椭球形马铃薯短。

5结论

1)借助高速摄影技术分析马铃薯在分离筛上的运动特性是可行的，采集到的摄影数据直观、可靠。由高速摄像分析软件(TEMA)可以准确地分析出各参数的运动变化规律。

2)在筛面倾角为1.5°时, 圆球形马铃薯的最大加速度为81.105m/s2,椭球形马铃薯的最大加速度为85.002m/s2；在筛面倾角为7.7°时, 圆球形马铃薯的最大加速度为77.334m/s2,椭球形马铃薯的最大加速度为101.60m/s2。

3)由于田间的土壤等外界因素的影响，马铃薯在筛面上的最大加速度小于室内试验筛面上马铃薯的最大加速度。椭球形马铃薯比圆球形马铃薯在分离筛上受到的加速度大，椭球形马铃薯的表皮易损伤；椭球形马铃薯比圆球形马铃薯在分离筛上运动的时间长，椭球形马铃薯的分离效果较圆球形马铃薯好。随着主轴转速的增大，两类马铃薯在分离筛上运动的时间逐渐变短，加速度增大。

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Study on the Movement Characteristics of Potato During Separating Based on High Speed Photography Technology

Su Jindian , Wang Chunguang, Xie Shengshi, Meng Jianguo

(College of Electricmechanical Engineering,Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot 010018，China)

Abstract：In order to improve the working performance and separation efficiency of the potato digger during potato soil separation process, methods of experiments indoor and outdoor have been done using the high-speed camera technology to get the motion characteristics of potatoes when they are moving on the separating sieve, aimed to reduce the damage of potatoes. After analyzing and processing of the image data, the kinetic characteristic curve of spherical and ellipsoidal potatoes moving on the separating screen has been draw out by using high-speed camera analysis software (TEMA). Finally, the conclusion about the potatoes movement principle on the sieve surface has been made, providing a reference for optimizing the separation sieve's parameters of potato harvesting machines.

Key words：potato digger ; separating sieve; high-speed camera technology; potatoes movement principle; optimization

文章编号：1003-188X(2016)05-0181-06

中图分类号：S225.7+1

文献标识码：A

作者简介：宿金殿(1987-)，男(满族)，呼和浩特人，硕士研究生，(E-mail)735663501@qq.com。通讯作者：王春光(1959-)，男，内蒙古鄂尔多斯人，教授，博士生导师，(E-mail)jdwcg@imau.edu。

基金项目：内蒙古自治区科技创新引导奖励基金项目(20121310)；内蒙古自然科学基金项目(2014MS0541)

收稿日期：2015-04-06