马铃薯种薯平铺整序装置优化设计

杨振宇，刘发英，章启祥，李晏兴，杨元庆

（1.山东理工大学机械工程学院，；2.山东理工大学电气与电子工程学院；3.山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049）

0 引言

马铃薯已成为我国四大主粮作物之一，种植面积在不断扩大。随着我国农村务农人口的不断减少，以及农业产业结构的不断调整，马铃薯产业全程机械化、智能化需要进一步提高[1-4]。马铃薯种薯制备是马铃薯种植过程中的一个重要环节。目前，马铃薯种薯的制备主要有以下3种方式：直接使用小个体马铃薯种薯、人工刀切分块大个体马铃薯种薯和机械化刀切分块大个体马铃薯种薯。采用小个体马铃薯种薯备种，只要保证了种薯质量，就不会对后续生长产生影响；然而，采用刀切分块的备种方式，存在外界病毒感染和种薯之间交叉感染切口面的情况，从而导致减产。针对以上问题，设计一种马铃薯种薯制备生产线，如图1所示，主要包括三大部分：平铺整序装置、水射流分块切割装置和拌种装置。该生产线可实现马铃薯种薯的平铺排序、自动切割和自动拌滑石粉药剂。分块切割采用高压水射流进行切割，切割介质采用含有药剂的液体，可实现分块切割的同时进行消毒，避免病毒交叉感染。

要实现马铃薯种薯制备的全程自动化，首先需要将成堆的马铃薯种薯进行平铺和排序，以此来提高种薯分块切割的精度和效率。

1 马铃薯种薯平铺整序装置设计与基本参数

1.1 整体结构设计

为了适应大个体马铃薯种薯制备的作业环境，根据水射流分块切割装置作业时的需求。将马铃薯种薯料斗设计为倒锥型，以储存一定数量的待处理马铃薯种薯，可以顺着下料口滑落到输送带上；为了适应马铃薯种薯制备的连续、高效需求，采用平输送带输送，驱动电机采用三相交流异步电机，配合减速器和滚筒驱动输送带移动，三相交流异步电机由变频器控制其转速，从而控制输送带移动速度；为了能够尽快将料斗滑落的马铃薯种薯摊平，在输送带下方安装振动器，振动强度可以调节；为了能够将平铺后的马铃薯种薯进行排序，在输送带输送的末端设计了导流块，可将马铃薯种薯排成三排输出，分别落到水射流分块切割装置的三列滚轮上，导流块导流角度α可调。装置结构设计如图2所示。

1.2 基本参数

根据马铃薯种薯制备的需求，以及适应水射流分块切割装置的工作环境，确定马铃薯种薯平铺整序装置的主要技术参数如表1所示。

表1 马铃薯种薯平铺整序装置主要参数

2 装置试验

2.1 试验条件

装置试运行在山东理工大学农业装备工程实验室进行，马铃薯种薯品种为脱毒“夏波蒂”，平均质量在135～175 g。主要考察的参数为：输送带的输送速度（v）0.2～0.5 m/s、导流块角度（α）30°～60°和振动器的激振力（F）（0.4±0.02）～（1±0.04）kN。

2.2 正交试验设计与结果分析

试验分析的评价指标为马铃薯种薯从输送带输送装置滑落到水射流分块切割装置的滚轮上的成功率(%)，依次排列到滚轮上才被判为成功。影响因素分别为：因素A为马铃薯种薯输送带输送速度v，凭经验值确定三水平值为0.20、0.35、0.50 m/s；因素B为导流块角度α，凭经验取其三水平值为30°、45°和60°；因素C为振动器的激振力F，凭经验取其水平分别为（0.4±0.02）kN、（0.7±0.03）kN 和（1±0.04）kN。按照正交表L9(33)进行三因素三水平正交试验，设计9个试验方案，马铃薯种薯平铺整序的正交试验结果和极差分析结果如表2所示，各因素极差大小顺序为：RA＞RB＞RC，因此影响马铃薯种薯平铺整序成功率的主要因素是输送带输送速度v，其次是导流块角度α，最后是振动器的激振力F。

表2 正交试验结果和极差分析

2.3 回归试验与结果分析

如表2所示，三因素三水平的组合A1B2C2：因素A的第一水平、因素B的第二水平和因素C的第三水平，可以实现最高的平铺整序成功率98.8%。因此选择较优组合A1B2C2为最优方案，使马铃薯种薯平铺整序成功率为最高水平。选定因素B导流块角度α为45°，因素C振动器的激振力F为（0.7±0.03）kN，因素A对输送带输送速度v在0.2～0.5 m/s变化调整进行单因素回归试验，试验结果如图3所示。图中实线曲线为回归曲线、虚线曲线为多项式趋势曲线。获得的回归曲线方程为：y=-52.689x2+135.4x+40.313，获得的多项式趋势曲线方程为：y=910.11x4-3 595.5x3+5 457.1x2-3 478.4x+863.01，两条曲线能够反映马铃薯种薯平铺整序成功率随输送带输送速度的变化关系。从图3中可以看出，当输送带的输送速度为0.25 m/s时，平铺整序成功率约为98.9%是函数指标的极大值。根据以上试验的结果选择输送带输送速度0.25 m/s、导流块角度45°和振动器的激振力（0.7±0.03）kN进行试验，马铃薯种薯平铺整序的平均成功率可达98.59%，且相对稳定，因此，输送带输送速度0.25 m/s，导流块角度45°，振动器的激振力（0.7±0.03）kN的参数组合可作为马铃薯种薯平铺整序装置设计的最佳设计参数。

3 结语

针对为了实现马铃薯种薯切块制备自动化，设计了一种马铃薯种薯平铺整序装置，该装置设计结构简单，可实现成堆种薯的平铺整序作业。通过对其关键参数输送带输送速度v、导流块导流角度α和振动器激振力F进行三因素三水平回归正交试验，最终确定输送带输送速度0.25 m/s、导流块导流角度45°和振动器激振力（0.7±0.03）kN为最佳作业状态参数，种薯平铺整序成功率可达98.59%。马铃薯种薯平铺整序装置设计和最佳关键参数的确定可为马铃薯种薯制备自动化提供技术支持。