马铃薯种薯切块机纵切装置的设计与试验

祝珊，王相友，王琳琳，李学强

(1. 山东理工大学 农业工程与食品科学学院, 山东 淄博 255049；2.山东省马铃薯生产装备智能化工程技术研究中心，山东 德州 253600；3.山东思代尔农业装备有限公司，山东 德州 253600)

马铃薯属茄科一年生草本植物，产量高、营养丰富，对环境的适应性较强，是一种重要的粮蔬兼用和工业原料作物， 在世界范围内种植广泛，是全球第四大重要的粮食作物，仅次于小麦、稻谷和玉米[1-6]。我国每年种植马铃薯的面积超过60 000 km2，是马铃薯第一生产大国，但与美国等发达国家相比，我国马铃薯生产机械化程度偏低，单位面积产量远低于美国、荷兰等发达国家[7-10]。影响马铃薯单位面积产量的因素很多，其中种薯的品质是决定马铃薯单位面积产量的重要因素之一[11-13]。

马铃薯是块茎繁殖，将发芽的马铃薯根据芽眼切成两块、三块、四块不等，保证每块有1～2个芽眼，将切好的薯块拌药，播种到地下[14-15]。目前，我国马铃薯种植一直沿用按芽切块的传统种植模式，其种植效率和产量都明显低于发达国家，全国每年需要薯种约1 500万t。人工切种耗费大量劳动力，同时存在消毒不严格、切块大小不一、用种量大、出苗率难以控制等问题，严重制约大规模种植模式的发展，是马铃薯全程机械化种植瓶颈之一。随着我国农业机械化进程的推进，传统人工切块模式已经不能满足现代化马铃薯种植的需求[16]。国内对马铃薯种薯切块方面的研究还处于起步阶段，大多是理论分析和仿真设计，市场定型产品少。本文借鉴国外相关技术并在适应我国种植模式的基础上，研制一款马铃薯种薯切块机纵切装置，以期为马铃薯种薯切块机的研制提供理论及技术参考。

1 纵切装置结构与工作原理

1.1 纵切装置结构

纵切装置主要由左支架、右支架、拉簧、行程开关、圆盘切刀、圆盘切刀调节机构、磨刀机构和链传动及喷药系统组成，纵切装置结构如图1所示。

1.右支架；2.圆盘切刀组件；3.圆盘切刀调节机构；4.磨刀机构；5.拉簧；6.链轮；7.左支架；8.行程开关；9.喷杆固定架。 图1 纵切装置结构图Fig.1 Structure drawing of slitting device

1.2 工作原理

纵切装置的主要作用是将输送装置排列好的种薯以垂直于种薯长轴的方向正切。作业时，电机驱动链传动，切刀轴旋转，圆盘切刀以一定转速将输送过来的种薯切分；同时，喷药系统对切刀间歇喷药消毒，切好的薯块由输送装置继续输送进入下一阶段作业。

2 关键部件

2.1 圆盘切刀组件的设计

圆盘切刀是纵切装置的核心部件，圆盘切刀设计的合理与否对纵切装置切块性能影响较大。圆盘切刀组件由切刀轴、切刀压盖、切刀隔套、圆盘切刀、隔套和切刀轴压垫等组成。圆盘切刀组件剖视图如图2所示。

圆盘切刀铅垂、等距排布在切刀轴上，根据种薯切块农艺要求，每个种薯可切分为2～6块，保证每个薯块有1～2个芽眼，薯块质量范围为35～65 g。纵切装置需完成对种薯的初切，保证所切薯块厚度和质量均匀，便于马铃薯种薯切块机后续作业。纵切装置相邻两圆盘切刀间距b=41 mm，马铃薯种薯在长轴方向每隔41 mm被圆盘切刀纵切为两块。长度范围不同的种薯被切分为2～4块，薯块质量范围为50～100 g。

1.切刀轴；2.切刀压盖；3.切刀隔套；4.圆盘切刀； 5.隔套；6.切刀轴压垫。图2 圆盘切刀组件剖视图Fig.2 Disc cutter assembly

2.2 磨刀机构

磨刀机构由固定座、导向转动轴、定位卡箍、控制把手、磨刀调节拉杆、刀头固定座、长方形磨刀石、油石垫片等组成(如图3所示)，其主要作用是打磨圆盘切刀，延长刀具寿命。磨刀调整拉杆可以在导向转动轴上左右滑动从而调整打磨不同的刀片，调整把手安装在导向转动轴上，用以上、下调整刀头固定座，作业时将刀头固定座向上或向下调整，以避开刀片。

1.磨刀调节拉杆；2.导向转动轴；3.定位卡箍；4.磨刀石； 5.刀头固定座；6.固定座；7.控制把手。图3 磨刀机构简图Fig.3 Sketch of knife grinding mechanism

2.3 圆盘切刀调节机构

圆盘切刀调节机构分为左调节和右调节，相互对称，由丝杠、链轮、链条和调节把手组成(如图4所示)。调节把手转动带动链轮和丝杠转动，丝杠带动调节垫板、压板和带立式座轴承前后滑动，从而调整切刀轴的前后位置。

1.丝杠；2.链轮；3.调节把手；4.链条。 图4 圆盘切刀调节机构简图Fig.4 Diagram of disc cutter adjustment mechanism

2.4 喷药系统

喷药系统主要由喷药泵、喷杆固定架、直通管接头、单喷体和喷杆等组成(如图5所示)。喷杆固定架安装于纵切装置左右支架之间、圆盘切刀上方。喷药系统选择HY-4700智能型隔膜泵，作为喷药泵，其自吸能力强、耐腐蚀性好。圆盘切刀消毒液选用高锰酸钾溶液，配比为1 kg颗粒状/200 L，喷药泵由PLC控制，每隔85 s喷药一次，一次作业0.8 s，可完成对圆盘切刀间歇消毒，防止切到病薯、坏薯，造成不同薯块之间交叉感染。

1.喷杆固定架；2.直通管接头；3.喷头；4.喷杆。图5 喷药系统简图Fig.5 Spray system diagram

3 圆盘切刀静力学分析

圆盘切刀是马铃薯种薯切块机纵切装置的关键部件，其结构强度及稳定性对纵切装置切块性能有重要影响。

根据圆盘切刀工作时所受载荷和约束，运用ANSYS Workbench仿真软件对其进行有限元静力学分析[17-18]。

3.1 圆盘切刀材料属性定义

利用SolidWorks三维建模软件建模，将圆盘切刀的三维模型导入ANSYSWorbench软件，并定义圆盘切刀材料属性。选用 2Cr13不锈钢作为切刀材料，2Cr13不锈钢淬火状态下硬度高、耐蚀性良好，适合做刀具，其硬度为45～50 HRC。Worbench软件材料库中没有2Cr13不锈钢，需要添加材料。2Cr13的材料属性见表1。

表1 2Cr13材料属性Tab.1 Material properties of 2Cr13

3.2 网格划分及优化

为提高网格划分质量、优化网格尺寸，对圆盘切刀采用四面体域网格Tetrahedrons划分，调整相关度Relevance值为100，相关中心为Relevance Center。选择Fine，网格尺寸Element Size值设定为6.0 mm，圆盘切刀网格划分后获得20 432个节点，9 848个单元，优化后网格划分效果图如图6所示。

图6 网格划分效果图Fig.6 Meshing effect diagram

3.3 施加载荷和约束条件

根据圆盘切刀在纵切装置中的实际工作情况，对其添加约束。圆盘切刀在切分种薯时受径向切分阻力、切向摩擦力及垂直挤压力，对圆盘切刀施加的载荷及约束如图7所示。

图7 施加载荷与约束图Fig.7 Applied load and constraint diagram

3.4 有限元求解及分析结果

完成上述前处理操作后，进行圆盘切刀有限元求解，获得的圆盘切刀等效应力云图、等效应变云图和变形云图如图8—图10所示。

图8 等效应力云图Fig.8 Equivalent stress cloud diagram

图9 等效应变云图Fig.9 Equivalent strain nephogram

图10 变形云图Fig.10 Deformation cloud chart

由图8的等效应力云图可知，圆盘切刀的主要应力集中在圆盘切刀中间孔边缘处，应力最大值为93.053 MPa，远小于2Cr13的屈服强度，满足强度要求。

由图9的等效应变云图可知，圆盘切刀的等效应变云图与等效应力云图变化规律基本一致，最大应变值为0.000 468 22 mm/mm。

由图10的变形云图可知，受载荷作用，圆盘切刀的圆周处变形量最大，为0.002 88 mm，变形量很小，在刀片合理变形范围之内，可以接受。

因此，选用2Cr13不锈钢作为圆盘切刀完全满足纵切装置切分种薯的要求。

4 切块性能试验

4.1 试验材料

2019年5月，在山东思代尔农业装备有限公司的试验基地进行了种薯切分试验。选用荷兰15号种薯(如图11所示)作为试验种薯，经测量其长度为50～180 mm，宽度为45～80 mm，厚度为30～55 mm，单个种薯质量20～300 g，含水率81%～85%。选用功率2.2 kW的电机驱动纵切装置，种薯喂入量为1.38 kg/s，圆盘切刀转速控制在35 r/min，进行马铃薯种薯切块机纵切装置切块性能试验。

图11 荷兰15号种薯Fig.11 Dutch No.15 seed potato

4.2 试验指标

马铃薯种薯切块机评价指标目前尚无国家和行业标准，本试验依据山东思代尔农业装备有限公司的企业标准，以薯块合格率和种薯损耗率为试验指标。

薯块合格率y1是指纵切装置切分后薯块厚度35～40 mm、质量50～100 g的薯块数量(n1)占薯块总块数量(n)的百分比，即

(1)

种薯损耗率y2是指由纵切装置切分的种薯顶端及脐部碎片质量小于30 g的碎片总质量(m1)占种薯总质量(m)的百分比，即

(2)

4.3 试验结果

重复5次试验，试验过程如图12所示，试验结果统计见表2。

图12 试验过程图Fig.12 Test process chart

表2 试验结果统计表Tab.2 Test results

由试验结果可知: 纵切装置的薯块合格率为93.83%，种薯损耗率为4.35%，优于指标标准值。该马铃薯种薯切块机纵切装置每小时可完成5 t种薯切块，作业效率较高，可保证薯块厚度和质量均匀，且薯块合格率较高、种薯碎片较少、损耗率较低，纵切装置喷药系统可保证对圆盘切刀间歇喷药、不漏喷。纵切装置所切薯块效果图如图13所示。

图13 种薯切后效果图Fig.13 Effect diagram of cut seed potato

5 结论

1) 设计了一种马铃薯种薯切块机纵切装置，该装置可完成马铃薯种薯的纵向切分、切刀消毒等作业，可为切块的其他工序奠定基础，减轻人工劳动强度，提高马铃薯种薯制备效率。

2) 利用ANSYSWorkben18.1有限元软件对纵切装置核心部件圆盘切刀进行静力学分析，校验了圆盘切刀强度。

3) 对马铃薯种薯切块机纵切装置进行的切块性能试验结果表明：该纵切装置切块性能稳定、作业效率比较高，所切薯块合格率为93.83%，种薯损耗率为4.35%，均优于标准值，满足切块要求。该研究可为我国马铃薯种薯切块机装备的研发提供参考，同时对推动我国马铃薯生产全程机械化的发展进程具有重要意义。