寒地黑土马铃薯收获薯土分离装置设计与研究

王启增

(北大荒集团黑龙江前进农场有限公司，黑龙江 佳木斯 156331)

0 引言

马铃薯既是蔬菜又是主粮作物，其称谓有很多，例如，土豆、地蛋、洋芋、甘薯、番薯仔等[1-2]。马铃薯是全球主要的粮食作物之一。薯土分离环节是马铃薯收获环节的重要部分，分离效果直接影响了收获作业的质量[3]，但由于耕地环境的不明因素较多[4]，收获的薯土混合物中含有大量杂草、石块等，提高了分离难度和马铃薯分离后的损伤率[5]，我国现有大部分马铃薯收获作业要进行分段式收获。而现有的收获机械在收获作业时存在薯土分离不干净和伤薯率高、破皮率高等诸多问题[6-7]。

在实际收获环节中，薯土分离的质量受到各方面因素的影响，机械化分离装置在处理薯土混合物和机械指标之间的关系上还有待提高[8-9]。进行关键部件在工作时的理论分析，降低因机械指标过大或过小造成的机械损伤率是目前马铃薯分离机构需要加强和改进的关键[10-11]。

1 薯土分离装置主要结构及工作原理

马铃薯收获机薯土分离装置试验台由水平输送装置、一级薯土分离装置、二级薯土分离装置等组成[12-13]，整体结构如图1所示。升运链分为一级升运链、二级升运链，主要由皮带、链杆组成。两条升运链结构、尺寸均相同，一级升运链与二级升运链不同之处是：①二级升运链链杆上增加橡胶空心挡板；②一级升运链倾斜角调节范围22°～34°，二级升运链倾斜角度调节范围0°～35°，以满足不同倾斜角度对马铃薯薯土分离效果的试验需求[14-15]。两条升运链由电机驱动，配合变频器实现速度的调整，抖动轮则由独立电机配变频器控制[16]。主要技术参数如表1所示。

1.水平输送装置；2.一级薯土分离装置；3.二级薯土分离装置

表1 薯土分离试验平台主要技术参数

2 薯土分离装置运动分析

2.1 一级薯土分离装置运动分析

在装置正常工作时，对马铃薯在链上的运动进行分析，如图2所示，设O点为原点，与链上平面平行的坐标轴为x轴，垂直链上平面的为y轴[17]。为达到马铃薯向后输送的目的，薯土混合物在x轴上的速度需大于试验平台在x轴上的分速度，公式如下

图2 一级薯土分离升运链上运动分析

vx-v0cosφ>0

(1)

式中vx—薯土分离升运链平行运行速度，m·s-1；

v0—薯土分离升运链垂直运行速度，m·s-1。

升运链的运行速度为式(2)所示

(2)

式中n0—驱动轴转速，r·min-1；

R0—主动分度圆半径，mm。

工作时，n0=130 r·min-1，R0=150 mm，由此得出一级分离装置的速度v1=1.819 m·s-1，设计的土薯分离栅条与水平面夹角为20°～22°，通过式(2)中验证可满足马铃薯输送要求。

2.2 二级薯土分离装置运动分析

1)抖动轮位于分离升运链的下方在电机的带动下做与链面垂直的往复振动运动如图3，将其简化为简谐运动。设与链面垂直向上为位移的正方向，装置工作时升运链最低点为零点[18]，得到

1.导向轮；2.二级升运链；3.抖动轮；4.驱动轮

(3)

式中X—升运链与链面垂直方向的位移，m；

A—升运链的振幅，m；

ω—升运链振动的角频率，rad·s-1；

β—简谐振动的初相位角，°。

公式(3)对时间t求一阶导数，得速度方程

(4)

式中v—二级升运链沿垂直于链面方向的速度，m·s-1。

公式(3)对时间求二阶导，得

(5)

式中a—二级升运链沿垂直于链面方向的加速度，m·s-2。

二级升运链振动的频率与抖动轮产生的频率相同，由频率和角速度之间的关系得

ω=2π·f

(6)

式中f—抖动器的频率，Hz。

将公式(4)代入公式(5)和公式(6)得

v=-Afπsin(2πf·t+β)

(7)

a=-2π2Af2cos(2πf·t+β)

(8)

可得到抖动轮组作用的频率，对y轴方向上速度、加速度的影响关系。

2)抖动轮的运动分析。抖动轮组为主动型，设转速为n，则抖动器产生的频率计算公式

(9)

式中Z—抖动轮的个数；

n—抖动轮的转速，r·min-1。

本文设计的三辊子式主动型抖动轮，抖动轮的个数Z=3，则其产生的振幅为

(10)

拟定f=5 Hz，v0=0.6 m·s-1，代入不同数值的v0到式(8)进行计算，当满足正常工作条件时，升运链运动的线速度v0符合要求。

从上述分析可知，升运链线速度在0.6～1.8 m·s-1，升运链工作倾角在22°～34°，抖动装置的振幅及频率对混合物被抛起高度影响较大，因此调节振动频率和幅度可增强混合物的抛散作用，还可降低伤薯率。

表2 薯土分离试验平台参数理论计算值

3 台架试验

3.1 试验条件

试验于2021年10月在黑龙江八一农垦大学收获实验室进行。试验选用黑龙江垦区的主要品种“延薯4号”，试验前对试验环境温度和试验对象的基本属性进行测量。

经测量，试验环境温度为23 ℃，马铃薯质量范围在100～400 g范围内，对其进行随机抽取薯块进行含水率测量，最终求得平均值为79.4%

3.2 试验指标

以马铃薯的损伤率作为衡量薯土分离试验台的作业试验指标，计算公式如式(11)所示[19-20]

(11)

式中Y1—伤薯率，%；

N1—损伤马铃薯的质量，kg；

N2—收获马铃薯的总质量，kg。

试验过程中，选取表面完好，未发生内部及外部损伤的薯土混合物进行分离试验，完成分离试验后，将未发生外部损伤的马铃薯平放置于室温环境(23 ℃左右)下储存1周，使得发生内部损伤的马铃薯拥有足够的显示时间。

损伤的测量主要分为面积损伤和深度损伤，当同一损伤马铃薯出现两处及以上损伤时，将损伤程度进行加权平均值进行计算[21]。

3.3 试验结果与分析

根据正交试验结果，利用Design-Expert8.0.6软件中的优化模块，对损伤面积标准和损伤深度标准的回归模型进行优化求解，根据实际情况进行约束。

对目标函数进行优化求解，得到最佳参数组合为当升运链线速度为1.495 m·s-1，工作倾斜角度为18.9°，抖动轮频率为7.15 Hz时，损伤率为2.7%。

根据Design-Expert8.0.6分析后的最佳参数组合，试验因素分别选取升运链线速度为1.5 m·s-1、工作倾斜角度为19°、抖动轮频率为7.5 Hz，进行验证试验，重复5次，试验结果如表3所示。

表3 验证试验试验结果

求得5次试验结果的平均损伤率为2.86%，满足设计要求。

4 结论

针对升运链式马铃薯收获机上产生的机械损伤问题，探究薯土分离装置主要结构及工作原理，并对薯土分离装置进行运动分析，得出升运链线速度在0.6～1.8 m·s-1，升运链工作倾角在22°～34°时，损伤率最小。进行5次台架验证试验，得到平均损伤率为2.86%，符合国家标准满足试验预期，对马铃薯增产增收具有促进作用。