申海洋，王公仆，胡良龍，王冰，鮑國(guó)丞，紀(jì)龍龍

(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014； 2. 湖南省農(nóng)業(yè)裝備研究所，長(zhǎng)沙市，410011)

0 引言

甘薯(Sweet potato)屬旋花科甘薯屬，一年生或多年生蔓生草本植物，又名山芋、紅薯、地瓜、紅苕等[1-3]。甘薯營(yíng)養(yǎng)豐富、用途廣泛，是優(yōu)質(zhì)的抗癌保健食品[3-7]。甘薯廣泛種植于世界上110多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，主要產(chǎn)區(qū)分布在北緯40°以南，種植面積以亞洲最多，非洲次之[8]。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織FAO統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2018年中國(guó)甘薯種植面積達(dá)2 380 khm2，占世界總面積的29.51%，總產(chǎn)量5 325萬t，占世界總產(chǎn)量的57.91%，均居世界首位[9]。

收獲是甘薯生產(chǎn)中用工量和勞動(dòng)強(qiáng)度最大的環(huán)節(jié)，其用工量占生產(chǎn)全過程42%左右[10]。目前甘薯主要以分段收獲為主，先利用人工或機(jī)器割蔓，再采用犁破壟松土或者采用升運(yùn)鏈?zhǔn)礁适硎斋@機(jī)將薯塊翻出地面，最后由人工撿拾收獲，但藤蔓切碎率低、挖掘傷薯率高、作業(yè)功耗大、輔助人工過多等問題依然十分突出。聯(lián)合收獲機(jī)具有作業(yè)集成度高，綜合效益顯著，利于減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和搶農(nóng)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，但聯(lián)合收獲機(jī)也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備成本相對(duì)較高等缺陷，當(dāng)前在我國(guó)大陸甘薯聯(lián)合收獲裝備還處在研發(fā)試驗(yàn)階段[11-12]，我國(guó)臺(tái)灣省已有甘薯聯(lián)合收獲裝備在使用[13]。隨著甘薯規(guī)?；N植程度的提升，甘薯收獲機(jī)械也從分段收獲向聯(lián)合收獲發(fā)展，而提升輸送機(jī)構(gòu)是甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的關(guān)鍵部件之一，因此迫切需求對(duì)甘薯聯(lián)合收獲機(jī)提升輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

針對(duì)目前研發(fā)的4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)過程中順暢性差等問題，本文結(jié)合我國(guó)甘薯種植模式等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適用于先割蔓后挖掘收獲作業(yè)的4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)，通過對(duì)弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)其作業(yè)過程力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得出其工作參數(shù)，并開展臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證不同機(jī)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)對(duì)甘薯聯(lián)合收獲機(jī)各性能指標(biāo)影響程度，通過試驗(yàn)結(jié)果分析求得弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)最佳工作參數(shù)，以滿足4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)整體性能要求[14-15]。

1 聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)主要由挖掘輸送機(jī)構(gòu)、限深機(jī)構(gòu)、薯秧分離機(jī)構(gòu)、刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)、弧柵交接機(jī)構(gòu)、后輸送帶、出料口、落土裝置、履帶底盤、變速箱、傳動(dòng)裝置、液壓缸、駕駛椅、護(hù)欄和機(jī)架等構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Structure and technical parameters of 4UZL-1 sweet potato combine harvester

4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)可一次完成單壟薯塊的挖掘、薯土分離、薯秧分離、輸送和收集等作業(yè)。甘薯聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，挖掘輸送機(jī)構(gòu)經(jīng)液壓裝置驅(qū)動(dòng)以一定角度入土挖掘，前端限深輪使挖掘鏟入土深度在合理作業(yè)范圍內(nèi)，被挖掘出的薯土通過挖掘輸送機(jī)構(gòu)輸送至薯秧分離機(jī)構(gòu)，薯塊頂部的殘留藤蔓被鏈輥夾持機(jī)構(gòu)去除，去除殘?zhí)俸蟮氖韷K落入弧柵交接機(jī)構(gòu)，然后被刮板鏈提升機(jī)構(gòu)的刮板兜住，通過刮板鏈提升機(jī)構(gòu)將薯塊提升輸送至后輸送帶上，在后輸送帶上可對(duì)大土塊進(jìn)一步分離或人工輔助分離，最后用集薯箱或編織袋兜住出料口完成集薯作業(yè)。

2 弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)是甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的二級(jí)提升輸送機(jī)構(gòu)，其作用是把經(jīng)過挖掘輸送機(jī)構(gòu)分離后的薯塊提升輸送至后輸送帶上?；沤唤庸伟彐溙嵘龣C(jī)構(gòu)主要由弧柵交接機(jī)構(gòu)、輸送桿條、刮板、主動(dòng)輪、張緊輪裝置、滾子鏈、護(hù)板和上端防護(hù)罩等組成，如圖2所示。

圖2 弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)

2.1 弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)材料選擇

桿條和弧柵交接機(jī)構(gòu)的材料應(yīng)當(dāng)能夠滿足強(qiáng)度和耐磨性的要求，弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)是一種傾斜式輸送機(jī)構(gòu)，滿足中速、中載要求，因此弧柵交接機(jī)構(gòu)和桿條選材Q235。刮板的材料應(yīng)滿足硬度小且與金屬的粘合性好的要求，而丁腈橡膠(NBR)的主要性能是耐油、耐熱性好，阻尼較大，與金屬的粘合性較好，常用于動(dòng)力機(jī)械和工業(yè)機(jī)械的隔振器，因此刮板選擇丁腈橡膠材料[16]。

2.2 弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)桿條設(shè)計(jì)

由2.1節(jié)可知，桿條采用Q235，兩端采用沖壓的加工工藝加工為平面，然后在各個(gè)平端面上打兩個(gè)相同大小的孔，如圖3所示，最后用鉚釘將桿條等間距的固定到橡膠帶上。為了避免對(duì)薯塊的損傷，鉚釘?shù)膬深^需砸平并磨光。

圖3 桿條機(jī)構(gòu)

甘薯薯塊的形狀一般為圓形、橢圓形或紡錘形等，為了便于計(jì)算，在設(shè)計(jì)過程中通過把薯塊長(zhǎng)、寬、厚三個(gè)特征尺寸作為機(jī)械物理特性的一部分[17]。通過對(duì)試驗(yàn)對(duì)象“蘇薯16”生產(chǎn)區(qū)實(shí)地測(cè)量結(jié)果和文獻(xiàn)查閱選擇薯塊厚度為機(jī)械物理特性[17]。其薯塊的厚主要分布在40～70 mm，寬主要分布在40～100 mm，長(zhǎng)主要分布范圍為70～120 mm，如圖4所示。

圖4 薯塊尺寸分布圖

圖5 薯塊在桿條間隙的狀態(tài)模型

薯塊在弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)桿條間隙的狀態(tài)如圖5所示，由圖可知

l=l1+d

(1)

式中：l——刮板鏈提升機(jī)構(gòu)桿間隙，mm；

l1——刮板鏈提升機(jī)構(gòu)桿條間隙，mm；

d——刮板鏈提升機(jī)構(gòu)桿條直徑，mm。

要使弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)能夠?qū)κ韷K順暢輸送而不掉落，就必須滿足甘薯薯塊最小特征尺寸大于弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)桿條間隙，即桿條間隙小于薯塊的厚度(l1

2.3 刮板設(shè)計(jì)

薯塊在二級(jí)提升輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于機(jī)構(gòu)傾角過大致使薯塊不能沿上斜面向后上方滑動(dòng)而倒滑，因此需要在輸送鏈條上等距離地固定刮板，其作用是將薯塊平穩(wěn)提升到后輸送帶上。

為了防止薯塊掉落和減少薯塊與桿條的接觸面積，刮板與輸送鏈條有一定的角度，一般以輸送鏈前進(jìn)速度方向?yàn)樗捷S，刮板與輸送鏈前進(jìn)速度方向的夾角為角度，即刮板的角范圍為70°～90°。由2.2節(jié)可知，弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)桿間距為50 mm，而刮板遵循等距離原則，同時(shí)刮板必須在桿條上，根據(jù)資料查詢與實(shí)際工況可知，刮板的間距大小一般為200 mm，刮板高度為50 mm，刮板結(jié)構(gòu)如圖6所示。

(a) 刮板輸送鏈

2.4 弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)傾角設(shè)計(jì)

要使挖掘輸送機(jī)構(gòu)末端的薯塊準(zhǔn)確落入刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)刮板間隙中，且不傷薯，要求刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)除應(yīng)有適當(dāng)?shù)膬A角θ外，其運(yùn)動(dòng)速度必須小于挖掘輸送機(jī)構(gòu)輸送速度。以薯塊為研究對(duì)象，將挖掘輸送機(jī)構(gòu)上薯塊復(fù)雜運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，故薯塊從挖掘輸送機(jī)構(gòu)上最高點(diǎn)落入刮板間隙運(yùn)動(dòng)可看作是具有一定初速度的拋物線運(yùn)動(dòng)[19]。以挖掘輸送機(jī)構(gòu)最高點(diǎn)O為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，如圖7所示。

圖7 薯塊拋物線運(yùn)動(dòng)模型

如圖7所示，薯塊運(yùn)動(dòng)的參數(shù)方程

(2)

(3)

式中：t——薯塊拋出后運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；

θ——刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)傾角，(°)；

β——挖掘輸送機(jī)構(gòu)與水平的夾角，(°)；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

v1——薯塊做拋物線運(yùn)動(dòng)的初速度，m/s。

由式(2)，式(3)可得，薯塊從拋出到落到C點(diǎn)的時(shí)間

(4)

薯塊落到刮板鏈的瞬時(shí)速度

(5)

根據(jù)前期試驗(yàn)可知刮板鏈輸送速度v<0.72 m/s，因此θ>42°，當(dāng)刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)過于直立時(shí)，不利于薯塊的提升輸送，則取θ≤70°[20]。

2.5 弧柵交接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

薯塊經(jīng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)末端時(shí)會(huì)形成有一定初速度的拋物線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)薯塊初速度過大時(shí)，會(huì)在刮板輸送機(jī)構(gòu)上反彈，當(dāng)薯塊初速度過小時(shí)，會(huì)掉出刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)，因此，挖掘輸送機(jī)構(gòu)與刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)之間的交接尤其重要，鑒于此，在挖掘輸送機(jī)構(gòu)與刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)之間設(shè)計(jì)了弧柵交接機(jī)構(gòu)，弧柵交接機(jī)構(gòu)如圖8所示?；虐惭b距示意圖如圖9所示。

圖8 弧柵交接機(jī)構(gòu)

圖9 弧柵安裝距示意圖

根據(jù)甘薯種植農(nóng)藝要求，弧柵交接機(jī)構(gòu)寬度與挖掘輸送機(jī)構(gòu)和刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)保持一致，取600 mm?；艞U條為長(zhǎng)方體，同時(shí)，桿條加工成一個(gè)弧狀，弦長(zhǎng)為400 mm，弧柵交接機(jī)構(gòu)與挖掘輸送機(jī)構(gòu)應(yīng)有同樣的功能，即薯土分離，因此桿條間距為40 mm。為了薯塊能順暢性提升輸送且不傷薯，弧柵交接機(jī)構(gòu)與刮板輸送機(jī)構(gòu)之間有一定的距離，以刮板回環(huán)鏈最低端為零水平面，弧柵刮板回環(huán)鏈最低端距離為弧柵安裝距，設(shè)為10～50 mm。

3 臺(tái)架試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)備和儀器

甘薯一般五、六月份種植，十月份收獲，有較強(qiáng)的季節(jié)性；在對(duì)甘薯進(jìn)行田間試驗(yàn)時(shí)，需要理想的氣象環(huán)境，且在試驗(yàn)過程中需要通過人工不斷調(diào)整機(jī)器作業(yè)速度、挖掘輸送角度、刮板鏈輸送角度、挖掘輸送速度、刮板鏈輸送速度、刮板角度等來尋求最佳工作參數(shù)。而4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件之間通過鏈輪傳動(dòng)，田間試驗(yàn)時(shí)耗時(shí)最多的是機(jī)器工作參數(shù)的調(diào)整，而非試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。因此田間試驗(yàn)成本高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力且易受季節(jié)性影響等問題，長(zhǎng)期以來一直影響著甘薯收獲機(jī)的田間試驗(yàn)效率和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，如圖10所示。該試驗(yàn)臺(tái)可模擬田間單壟作業(yè)模式下甘薯聯(lián)合收獲機(jī)不同作業(yè)參數(shù)的作業(yè)過程，主要由機(jī)架、挖掘輸送機(jī)構(gòu)、刮板鏈提升輸送機(jī)構(gòu)、電機(jī)、變頻器等組成。主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖10 試驗(yàn)臺(tái)架

表2 4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)Tab. 2 Main technical parameters of 4UZL-1 sweet potato combine harvester test stand

其他主要試驗(yàn)設(shè)備和儀器：4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)、YVP100L-4變頻電機(jī)兩臺(tái)(轉(zhuǎn)速400 rad/min，頻率50 Hz)、S350-G3.7變頻器兩臺(tái)(電壓380 V，頻率50 Hz)、卷尺(量程3 m，精度1 mm)、ICS465型電子臺(tái)秤(量程50 kg，精度0.02 kg)、XJP-02A轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀(量程1～9 999 r/min，精度±0.02%)、多功能電子秒表、集薯箱兩個(gè)等。

3.2 試驗(yàn)參數(shù)與方法

4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)主要存在順暢性差等問題，因此臺(tái)架試驗(yàn)分別測(cè)定薯塊損失率Y1和傷薯率Y2作為甘薯聯(lián)合收獲機(jī)弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)工作原理和前期虛擬試驗(yàn)研究結(jié)果，挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度、刮板鏈輸送角度、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度、刮板鏈輸送速度、刮板角度和弧柵安裝距對(duì)弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)作業(yè)有較大影響，因此臺(tái)架試驗(yàn)選擇上述6個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)。挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度范圍為20°～28°，刮板鏈輸送角度范圍為50°～70°，挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度范圍為1～1.3 m/s，刮板鏈輸送速度范圍為0.6～0.72 m/s，刮板角度范圍為70°～90°，弧柵安裝距為10～50 mm。試驗(yàn)因素與水平如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素水平Tab. 3 Levels of test factors

臺(tái)架主要是為了測(cè)試單因素對(duì)作業(yè)質(zhì)量的影響，因此，通過改變變頻器頻率來調(diào)節(jié)挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度和刮板鏈輸送速度，通過液壓調(diào)節(jié)挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度，通過機(jī)械伸縮調(diào)節(jié)刮板鏈輸送角度，通過人工調(diào)節(jié)刮板角度和弧柵安裝距。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)某一因素進(jìn)行不同參數(shù)試驗(yàn)，控制其他因素恒定不變，薯塊經(jīng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)后端進(jìn)入弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)模擬實(shí)際作業(yè)狀態(tài)，同時(shí)后端用集薯箱在接料臺(tái)收集試驗(yàn)后的薯塊。

3.3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)選擇“蘇薯16”，薯塊重量與形狀差異較小，每次試驗(yàn)前對(duì)薯塊進(jìn)行稱重，試驗(yàn)后對(duì)損失和傷薯的薯塊稱重，每組試驗(yàn)進(jìn)行三次，之后取平均值。分別測(cè)定損失率和傷薯率作為4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，參照河南省地方標(biāo)準(zhǔn)DB41/T 1010—2015《甘薯機(jī)械化起壟收獲作業(yè)技術(shù)規(guī)程》[21]，定義試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)Y1,Y2。

(6)

(7)

式中：Y1——損失率，%；

Y2——薯塊在輸送過程的傷薯率，%；

M1——作業(yè)前薯塊總質(zhì)量平均值，kg；

M2——作業(yè)后損失薯塊總質(zhì)量的平均值，kg；

M3——作業(yè)后傷薯總質(zhì)量的平均值，kg。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.4.1 挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度對(duì)弧柵交接刮板鏈輸送性能影響

應(yīng)用單因素試驗(yàn)方法研究挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度對(duì)各性能指標(biāo)的影響規(guī)律，需要確保其他試驗(yàn)條件一致，故統(tǒng)一將刮板鏈輸送角度X2置為60°、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度X3置為1.15 m/s、刮板鏈輸送速度X4置為0.66 m/s、刮板角度X5置為80°、弧柵安裝距X6置為30 mm，研究挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度為20°、22°、24°、26°以及28°對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，每個(gè)水平重復(fù)試驗(yàn)三次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，對(duì)重復(fù)試驗(yàn)取均值，變化趨勢(shì)圖如圖11所示。

表4 挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度對(duì)各指標(biāo)的影響Tab. 4 Influence of the angle of the excavation conveying mechanism on each index

圖11 挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度對(duì)各指標(biāo)的影響趨勢(shì)

用IBM SPSS Statistics 24軟件在α=0.05顯著性水平下，對(duì)挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度進(jìn)行P值檢驗(yàn)，方差分析如表5所示，結(jié)果表明挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度對(duì)損失率滿足P<0.01，傷薯率滿足0.01

由圖11可知，挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度在20°～28°變化時(shí)，損失率隨挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度增大呈逐漸增大趨勢(shì)，且在角度超過24°時(shí)損失率增大加快。傷薯率隨挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度增大呈先增大后減小再增大趨勢(shì)。

當(dāng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度較小時(shí)，經(jīng)挖掘鏟挖掘后的薯塊能順利沿著挖掘輸送機(jī)構(gòu)向上輸送，但薯塊落在挖掘輸送機(jī)構(gòu)桿件上的時(shí)間較長(zhǎng)，因此損失率小，隨著挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度增大，薯塊不能順利沿著挖掘輸送機(jī)構(gòu)向上輸送而倒滑，會(huì)導(dǎo)致挖掘鏟處擁堵，這樣會(huì)造成薯塊不能及時(shí)輸送而損失；當(dāng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度較小時(shí)，挖掘輸送機(jī)構(gòu)得設(shè)計(jì)的較長(zhǎng)，因此薯塊在挖掘輸送機(jī)構(gòu)上輸送的時(shí)間較長(zhǎng)，增加了薯塊與挖掘輸送機(jī)構(gòu)桿條的碰觸次數(shù)，當(dāng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度較大時(shí)，薯塊不能沿著挖掘輸送機(jī)構(gòu)向上輸送導(dǎo)致在挖掘鏟處擁堵而增加薯塊與薯塊的碰撞次數(shù)，因此薯塊傷薯率增加；當(dāng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度大于24°時(shí)，薯塊損失率明顯增大，傷薯率變化平穩(wěn)，因此取挖掘輸送機(jī)構(gòu)角X1為24°。

表5 挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度對(duì)各指標(biāo)的影響的方差分析Tab. 5 Variance analysis of the influence of the installation angle of the scraper on each index

3.4.2 刮板鏈輸送角度對(duì)弧柵交接刮板鏈輸送性能影響

應(yīng)用單因素試驗(yàn)方法研究刮板鏈輸送角度對(duì)各性能指標(biāo)的影響規(guī)律，需要確保其他試驗(yàn)條件一致，故統(tǒng)一將挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度X1置為24°、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度X3置為1.15 m/s、刮板鏈輸送速度X4置為0.66 m/s、刮板角度X5置為80°、弧柵安裝距X6置為30 mm，研究刮板鏈輸送角度為50°、55°、60°、65°以及70°對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，每個(gè)水平重復(fù)試驗(yàn)三次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示，對(duì)重復(fù)試驗(yàn)取均值，變化趨勢(shì)圖如圖12所示。

表6 刮板鏈輸送角度對(duì)各指標(biāo)的影響Tab. 6 Influence of the conveyor angle of the scraper chain on each index

圖12 刮板鏈輸送角度對(duì)各指標(biāo)的影響趨勢(shì)

用IBM SPSS Statistics 24軟件在α=0.05顯著性水平下，對(duì)刮板鏈輸送角度進(jìn)行P值檢驗(yàn)，方差分析結(jié)果如表7所示，結(jié)果表明刮板鏈輸送角度對(duì)傷薯率和損失率均滿足P<0.01，因此刮板鏈輸送角度對(duì)傷薯率和損失率影響極顯著。

表7 刮板鏈輸送角度對(duì)各指標(biāo)影響的方差分析Tab. 7 Variance analysis of the influence of conveyor angle of scraper chain on each index

由圖12可知，刮板鏈輸送角度在50°～70°變化時(shí)，損失率隨著刮板鏈輸送角度增大逐漸增大。這是因?yàn)殡S著刮板鏈輸送角度增大，挖掘輸送機(jī)構(gòu)末端做一定初速度拋物線運(yùn)動(dòng)的薯塊落到刮板間的水平投影距離變小，掉落的準(zhǔn)確性變差，使薯塊反彈出回環(huán)輸送鏈外或者掉落至弧柵交接機(jī)構(gòu)中進(jìn)行重復(fù)提升輸送，從而增加了薯塊損失。

刮板鏈輸送角度在50°～70°變化時(shí)，傷薯率隨著刮板鏈輸送角度增大呈先減小后增大的趨勢(shì)，但是變化很小。這主要是由于傷薯主要來源于回環(huán)輸送鏈對(duì)薯塊的彈力和薯塊掉落至弧柵交接機(jī)構(gòu)中的高度差，而刮板鏈輸送角度對(duì)傷薯率的影響很小。當(dāng)刮板鏈輸送角度達(dá)到60°時(shí)，傷薯率達(dá)到最小為0.15%。

3.4.3 挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度對(duì)弧柵交接刮板鏈輸送性能影響

應(yīng)用單因素試驗(yàn)方法研究挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度對(duì)各性能指標(biāo)的影響規(guī)律，需要確保其他試驗(yàn)條件一致，故統(tǒng)一將挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度X1置為24°、刮板鏈輸送角度X2置為60°、刮板鏈輸送速度X4置為0.66 m/s、刮板角度X5置為80°、弧柵安裝距X6置為30 mm，研究挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度為1 m/s、1.08 m/s、1.15 m/s、1.23 m/s以及1.3 m/s對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，每個(gè)水平重復(fù)試驗(yàn)三次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表8所示，對(duì)重復(fù)試驗(yàn)取均值，變化趨勢(shì)圖如圖13所示。

表8 挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度對(duì)各指標(biāo)的影響Tab. 8 Influence of the speed of the excavation conveyor on each index

圖13 挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度對(duì)各指標(biāo)的影響趨勢(shì)

用IBM SPSS Statistics 24軟件在著性水平α=0.05下，對(duì)挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度進(jìn)行P值檢驗(yàn)，方差分析如表9所示，結(jié)果表明挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度對(duì)傷薯率的影響極顯著(P<0.01)，對(duì)損失率的影響顯著(0.01≤P<0.05)。

表9 挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度對(duì)各指標(biāo)的影響的方差分析Tab. 9 Variance analysis of the influence of the speed of the digging and conveying mechanism on each index

由圖13可知，隨著挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度增大，損失率呈先減小后增大再平緩的趨勢(shì)，這是因?yàn)橥诰蜉斔蜋C(jī)構(gòu)速度較小時(shí)，薯塊不能及時(shí)輸送會(huì)落至挖掘輸送機(jī)構(gòu)的挖掘鏟處，導(dǎo)致薯塊擁堵或經(jīng)過挖掘鏟側(cè)邊掉出挖掘輸送機(jī)構(gòu)，因此，薯塊的損失率開始會(huì)隨著挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度的增大而減?。划?dāng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度超過1.15 m/s時(shí)，由于挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度較大，薯塊會(huì)在挖掘輸送機(jī)構(gòu)末端做拋物運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)形成較大的初速度，導(dǎo)致薯塊會(huì)在二級(jí)提升輸送機(jī)構(gòu)反彈或者拋出挖掘輸送機(jī)構(gòu)。因此當(dāng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度為1.15 m/s時(shí)，損失率最小為0.76%。

當(dāng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度在1～1.3 m/s時(shí)，傷薯率隨著挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度的增大而增大，這是由于隨著挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度增大，挖掘輸送機(jī)構(gòu)的振幅增大，薯塊與桿條的碰撞次數(shù)增大，同時(shí)，當(dāng)挖掘輸送速度達(dá)到最大時(shí)，薯塊運(yùn)至弧柵交接處，二級(jí)提升輸送機(jī)構(gòu)不能及時(shí)輸送到下一級(jí)輸送機(jī)構(gòu)而擁堵，導(dǎo)致薯塊與薯塊的碰撞次數(shù)增加。

3.4.4 刮板鏈輸送速度對(duì)弧柵交接刮板鏈輸送性能的影響

應(yīng)用單因素試驗(yàn)方法研究刮板鏈輸送速度對(duì)各性能指標(biāo)的影響規(guī)律，需要確保其他試驗(yàn)條件一致，故統(tǒng)一將挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度X1置為24°、刮板鏈輸送角度X2置為60°、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度X3置為1.15 m/s、刮板角度X5置為80°、弧柵安裝距X6置為30 mm，研究研究刮板鏈輸送速度為0.6 m/s、0.63 m/s、0.66 m/s、0.69 m/s及0.72 m/s對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，每個(gè)水平重復(fù)試驗(yàn)三次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表10所示，對(duì)重復(fù)試驗(yàn)取均值，變化趨勢(shì)圖如圖14所示。

表10 刮板鏈輸送速度對(duì)各指標(biāo)的影響Tab. 10 Influence of the conveyor speed of the scraper chain on each index

圖14 刮板鏈輸送速度對(duì)各指標(biāo)的影響趨勢(shì)

用IBM SPSS Statistics 24軟件在著性水平α=0.05下，對(duì)刮板鏈輸送速度進(jìn)行P值檢驗(yàn)，方差分析如表11所示，結(jié)果表明損失率和傷薯率均滿足P<0.01，因此刮板鏈輸送速度對(duì)損失率和傷薯率影響極顯著。

表11 刮板鏈輸送速度對(duì)各指標(biāo)的影響的方差分析Tab. 11 Variance analysis of the influence of the conveyor speed of the scraper chain on each index

由圖14可知，隨著刮板鏈輸送速度增加，損失率呈先減小后增加的趨勢(shì)，且在速度超過0.66 m/s時(shí)波動(dòng)較大，這是因?yàn)楫?dāng)刮板鏈輸送速度增加到一定程度后，薯塊可能除薯塊與刮板、薯塊與桿條碰撞外還有薯塊被彈出回環(huán)輸送鏈，但當(dāng)刮板鏈輸送速度過慢時(shí)，經(jīng)過挖掘輸送機(jī)構(gòu)末端做拋物線運(yùn)動(dòng)的薯塊不能及時(shí)提升輸送而掉落至弧柵交接機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致薯塊損失較大，所以隨著刮板鏈輸送速度增加，損失率呈先減小后增加的趨勢(shì)。當(dāng)刮板鏈輸送速度X4<0.69 m/s時(shí)，損失率呈減小趨勢(shì)，這是由于薯塊在刮板鏈輸送速度超過0.69 m/s時(shí)會(huì)出現(xiàn)反彈，結(jié)合實(shí)際作業(yè)狀況，取刮板鏈輸送速度0.69 m/s，此時(shí)損失率最小為0.8%。

當(dāng)刮板鏈輸送速度在0.6～0.72 m/s變化時(shí)，傷薯率呈逐漸增大趨勢(shì)。這是由于隨著刮板鏈輸送速度增加，二級(jí)提升輸送機(jī)構(gòu)振幅增大，導(dǎo)致薯塊與刮板、薯塊與桿條的碰撞次數(shù)增加，從而增加了薯塊的傷薯，同時(shí)刮板鏈輸送速度增大時(shí)薯塊在二級(jí)輸送機(jī)構(gòu)末端的初速度隨著增大，造成了薯塊在下一級(jí)輸送機(jī)構(gòu)上的碰撞較大而傷薯。

3.4.5 刮板角度對(duì)弧柵交接刮板鏈輸送性能的影響

應(yīng)用單因素試驗(yàn)方法研究刮板角度對(duì)各性能指標(biāo)的影響規(guī)律，需要確保其他試驗(yàn)條件一致，故統(tǒng)一將挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度X1置為24°、刮板鏈輸送角度X2置為60°、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度X3置為1.15 m/s、刮板鏈輸送速度X4置為0.66 m/s、弧柵安裝距X6置為30 mm，研究刮板角度為70°、75°、80°、85°以及90°對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，每個(gè)水平重復(fù)試驗(yàn)三次，結(jié)果如表12所示。

用IBM SPSS Statistics 24軟件在著性水平α=0.05下，對(duì)刮板角度進(jìn)行P值檢驗(yàn)，方差分析如表13所示，結(jié)果表明刮板角度對(duì)損失率和傷薯率均滿足P>0.05，因此刮板角度對(duì)損失率和傷薯率的影響均不顯著。

由表12和表13可知，刮板角度對(duì)損失率和傷薯率的影響均不顯著。這是因?yàn)楫?dāng)刮板角度較小時(shí)，經(jīng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)末端做有一定初速度拋物線運(yùn)動(dòng)的薯塊落入刮板間后就會(huì)形成兩條線接觸的夾持狀態(tài)，此時(shí)薯塊不會(huì)掉落和反彈，隨著刮板角度增大，由兩條線接觸的夾持狀態(tài)會(huì)逐漸變?yōu)槎鄺l線接觸的支撐狀態(tài)，因此薯塊的損失率和傷薯率較小。弧柵交接刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)工作時(shí)受刮板角度的影響小，各指標(biāo)均在可接受的范圍內(nèi)，后續(xù)研究可忽略刮板角度對(duì)各性能指標(biāo)的影響。

表12 刮板角度對(duì)各指標(biāo)的影響Tab. 12 Influence of the installation angle of the scraper on each index

表13 刮板角度對(duì)各指標(biāo)的影響的方差分析Tab. 13 Variance analysis of the influence of the installation angle of the scraper on each index

3.4.6 弧柵安裝距對(duì)弧柵交接刮板鏈輸送性能的影響

應(yīng)用單因素試驗(yàn)方法研究弧柵安裝距對(duì)各性能指標(biāo)的影響規(guī)律，需要確保其他試驗(yàn)條件一致，故統(tǒng)一將挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度X1置為24°、刮板鏈輸送角度X2置為60°、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度X3置為1.15 m/s、刮板鏈輸送速度X4置為0.66 m/s、刮板角度X5置為80°，設(shè)定弧柵安裝距為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm及50 mm，每個(gè)水平重復(fù)試驗(yàn)三次，結(jié)果如表14所示。

表14 弧柵安裝距對(duì)各指標(biāo)的影響Tab. 14 Influence of arc grid installation distance on each index

用IBM SPSS Statistics 24軟件在著性水平α=0.05下，對(duì)弧柵安裝距進(jìn)行P值檢驗(yàn)，方差分析如表15所示，結(jié)果表明弧柵安裝距對(duì)損失率和傷薯率均滿足P>0.05，因此弧柵安裝距對(duì)損失率和傷薯率的影響均不顯著。

表15 弧柵安裝距對(duì)各指標(biāo)的影響的方差分析Tab. 15 Variance analysis of the influence of arc grid installation distance on each index

由表14和表15可知，弧柵安裝距對(duì)損失率和傷薯率的影響均不顯著。這是因?yàn)楫?dāng)弧柵安裝距在10～50 mm變化時(shí)，弧柵的主要作用是兜住薯塊不掉落，與刮板回環(huán)鏈最低端遠(yuǎn)近無關(guān)，而薯塊損失和傷薯主要來源于刮板鏈提升機(jī)構(gòu)的提升輸送過程，與弧柵安裝的距離無關(guān)，因此損失率和傷薯率不顯著?；虐惭b距對(duì)弧柵交接刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)作業(yè)過程的影響較小小，各指標(biāo)均在可接受的范圍內(nèi)，后續(xù)研究可忽略弧柵安裝距對(duì)各性能指標(biāo)的影響。

3.4.7 各因素對(duì)性能指標(biāo)的綜合影響分析

通過對(duì)挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度、刮板鏈輸送角度、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度、刮板鏈輸送速度、刮板角度和弧柵安裝距的分析結(jié)果可知，挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度、刮板鏈輸送角度、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度、刮板鏈輸送速度對(duì)各性能指標(biāo)的影響顯著，刮板角度和弧柵安裝距對(duì)各性能指標(biāo)的影響不顯著。挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度在20°～28°變化時(shí)，損失率隨挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度增大呈逐漸增大趨勢(shì)，且挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度大于24°時(shí)，薯塊損失率明顯增大，傷薯率變化平穩(wěn)，因此取挖掘輸送機(jī)構(gòu)角X1為24°。刮板鏈輸送角度在50°～70°變化時(shí)，損失率隨著刮板鏈輸送角度增大逐漸增大，傷薯率隨著刮板鏈輸送角度增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，但是變化很小，且刮板鏈輸送角度達(dá)到60°時(shí)，傷薯率達(dá)到最小為0.15%。隨著挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度增大(1～1.3 m/s)，傷薯率隨著挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度的增大呈逐漸增大趨勢(shì)，損失率呈先減小后增大再平緩的趨勢(shì)，當(dāng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度為1.15 m/s 時(shí)，損失率最小為0.76%。隨著刮板鏈輸送速度增加(0.6～0.72 m/s)，傷薯率呈逐漸增大趨勢(shì)，損失率呈先減小后增加的趨勢(shì)，且在速度超過0.69 m/s時(shí)波動(dòng)較大，當(dāng)刮板鏈輸送速度小于0.69 m/s 時(shí)，損失率呈減小趨勢(shì)，結(jié)合實(shí)際作業(yè)狀況，取刮板鏈輸送速度0.69 m/s，此時(shí)損失率最小為0.8%。

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合實(shí)際作業(yè)綜合考慮，取可控因素挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度X1=24°、刮板鏈輸送角度X2=60°、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度X3=1.15 m/s、刮板鏈輸送速度X4=0.69 m/s進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表16所示。

表16 試驗(yàn)結(jié)果Tab. 16 Test results

由表16中可知，挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度為24°、刮板鏈輸送角度為60°、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度為1.15 m/s、刮板鏈輸送速度為0.69 m/s時(shí)，弧柵交接刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)效果較好，損失率和傷薯率分別為0.75%和0.13%。

4 結(jié)論

1) 以4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)弧柵交接刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)的的桿條和刮板等機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，弧柵交接刮板鏈提升機(jī)構(gòu)桿間距為50 mm，刮板的間距大小一般為200 mm，刮板高度為50 mm。并依托甘薯種植模式和田間實(shí)際工況，建立了4UZL-1型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)弧柵交接刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)。

2) 以薯塊在弧柵交接刮板鏈提升過程中損失率和傷薯率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展了以挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度、刮板鏈輸送角度、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度、刮板鏈輸送速度、刮板角度和弧柵安裝距為試驗(yàn)因素的單因素臺(tái)架試驗(yàn)，并分析了各因素對(duì)各性能指標(biāo)的影響顯著性和影響規(guī)律及原因。

3) 試驗(yàn)結(jié)果表明，挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度、刮板鏈輸送角度、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度和刮板鏈輸送速度對(duì)各性能指標(biāo)影響顯著，刮板角度和弧柵安裝距對(duì)各性能指標(biāo)影響不顯著。當(dāng)挖掘輸送機(jī)構(gòu)角度為24°、刮板鏈輸送角度為60°、挖掘輸送機(jī)構(gòu)速度為1.15 m/s、刮板鏈輸送速度為0.69 m/s時(shí)，弧柵交接刮板鏈輸送機(jī)構(gòu)效果較好，損失率和傷薯率分別為0.75%和0.13%。