謝勝仕 李 鵬 郭亞萍 鄧偉剛 王春光

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,呼和浩特 010018)

馬鈴薯收獲是馬鈴薯生產(chǎn)過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度最大的環(huán)節(jié),與人工收獲相比,機(jī)械化收獲具有收獲效率高、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)[1-3]。為了滿足機(jī)械化收獲需求,科研人員研究開(kāi)發(fā)了升運(yùn)鏈?zhǔn)絒4-5]、撥指輪式[6]、撥輥推送式[7]、圓盤柵式[8]、振動(dòng)篩式[9-10]、桿鏈-擺動(dòng)篩組合式[11]等多種類型的馬鈴薯收獲機(jī)械,各類機(jī)械在馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)均有不同程度地應(yīng)用和推廣,但薯土分離效率與馬鈴薯?yè)p傷之間的矛盾這一制約馬鈴薯收獲機(jī)械發(fā)展的瓶頸問(wèn)題依舊存在[12-16]。

在現(xiàn)有馬鈴薯收獲機(jī)械中,桿鏈-擺動(dòng)篩組合式馬鈴薯挖掘機(jī)具有收獲效率高、土壤適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[17],它以擺動(dòng)分離篩作為薯土分離的核心工作部件,該部件在實(shí)現(xiàn)薯土混合物高效分離的同時(shí)也會(huì)造成一定程度的馬鈴薯?yè)p傷。因此,明確擺動(dòng)分離篩優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的原因并有效解決薯土分離過(guò)程中的馬鈴薯機(jī)械損傷問(wèn)題,成為該類薯土分離裝置性能改進(jìn)的突破口。

已有研究借助仿真和試驗(yàn)等方法分別探究了曲柄轉(zhuǎn)速、曲柄半徑、擺桿長(zhǎng)度、篩桿長(zhǎng)度、篩面傾角、拖拉機(jī)工作速度等因素對(duì)篩面加速度、速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)特性參數(shù)的影響,并借助分離篩性能試驗(yàn)獲得了擺動(dòng)分離篩的較優(yōu)參數(shù)組合[17-19];同時(shí),分析發(fā)現(xiàn),原有的具有兩階篩面的擺動(dòng)分離篩,由于篩體結(jié)構(gòu)的限制,兩階篩面的薯土分離能力和輸送物料能力均較強(qiáng)。分離篩的這種特性致使薯土分離過(guò)程中,大部分薯土混合物已在第一階篩面完成了薯土分離,而馬鈴薯運(yùn)動(dòng)至第二階篩面后,由于缺少土壤、根系等的保護(hù)而產(chǎn)生損傷。

為解決以上問(wèn)題,本課題組以薯土分離能力逐階篩面遞減,物料輸送能力變化不大為設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了具有三階篩面的新型擺動(dòng)分離篩;而針對(duì)該新型擺動(dòng)分離篩的加速度特性和薯土分離性能尚未明確,為此,本研究擬采用田間試驗(yàn)明確各階篩面加速度和分離篩性能指標(biāo)的變化規(guī)律,并獲取新型擺動(dòng)分離篩的較優(yōu)參數(shù)組合,以期為薯土分離裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性與性能研究提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 擺動(dòng)分離篩總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 分離篩總體結(jié)構(gòu)

4SW-170型馬鈴薯挖掘機(jī)主要由機(jī)架、變速箱、挖掘鏟、升運(yùn)鏈和分離篩等組成(圖1),其中分離篩包括動(dòng)力輸入軸、減速箱、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、曲柄、連桿、三階篩面和篩架等。

1.2 分離篩工作原理

機(jī)組作業(yè)時(shí),切土圓盤將分置于馬鈴薯挖掘機(jī)兩側(cè)的薯秧、雜草等切斷后,以馬鈴薯、土壤為主,摻雜少量根系和雜草的薯土混合物被挖掘鏟掘起,然后運(yùn)送至升運(yùn)鏈,升運(yùn)鏈在向后升運(yùn)薯土混合物的過(guò)程中,20%～30%的土壤會(huì)透過(guò)桿條間隙落至地面,剩余的薯土混合物將被運(yùn)送至由三階篩面組成的擺動(dòng)分離篩。

分離篩各階篩面在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng),在此過(guò)程中,薯土混合物在各階篩面上實(shí)現(xiàn)分離,土壤透過(guò)篩桿間隙落至地面,馬鈴薯被分離篩輸送到篩面末端并成條鋪放于地面。分離篩結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.切土圓盤;2.機(jī)架;3.曲柄;4.動(dòng)力輸入軸;5.變速箱;6.鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu);7.升運(yùn)鏈;8.篩架桿;9.第三階篩面吊桿;10.第二階篩面吊桿;11.第三階篩面;12.第二階篩面;13.第一階篩面;14.二三階篩面連桿;15.一二階篩面連桿;16.第一階篩面吊桿;17.行走輪;18.連桿1.Soil cutting disc; 2.Frame; 3.Crank; 4.Power input shaft; 5.Reducer; 6.Sprocket drive mechanism; 7.Elevator chain; 8.Sieve frame rod; 9.Third sieve suspender; 10.Second sieve suspender; 11.Third sieve; 12.Second sieve; 13.First sieve; 14.Second and third sieve connecting rod; 15.First and second sieve connecting rod; 16.First sieve suspender; 17.Wheel; 18.Connecting rod圖1 馬鈴薯挖掘機(jī)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Over structure of potato digger

表1 分離篩結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of separation sieve mm

2 分離篩加速度測(cè)試

分離篩加速度測(cè)試主要借助加速度數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng),獲取馬鈴薯挖掘機(jī)田間工作狀態(tài)下分離篩加速度隨試驗(yàn)因素水平的變化規(guī)律,并以此為基礎(chǔ)剖析分離篩性能變化規(guī)律。

2.1 試驗(yàn)條件及設(shè)備

2021年10月初在呼和浩特市武川縣馬鈴薯種植基地進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)前一天除秧除草,試驗(yàn)地塊平坦,砂壤土壟作,作業(yè)面積1 hm2,馬鈴薯品種為內(nèi)蒙古中西部地區(qū)廣泛種植的冀張薯12號(hào),行距800 mm,株距350 mm,結(jié)薯深度50～200 mm,土壤含水率13.96%,土壤硬度2.55 kg/cm2。

試驗(yàn)機(jī)型為安裝有新型擺動(dòng)分離篩的4SW-170型馬鈴薯挖掘機(jī),配套動(dòng)力為DF900型拖拉機(jī)。試驗(yàn)所用的儀器設(shè)備有加速度數(shù)據(jù)采集與分析儀、三維加速度傳感器、計(jì)算機(jī)、轉(zhuǎn)速儀和電子天平等。其中加速度數(shù)據(jù)采集與分析儀為杭州億恒科技有限公司生產(chǎn)的AVANTMI-7016型數(shù)據(jù)采集與分析儀,幅值精度為0.5 mV,可實(shí)現(xiàn)192 kHz各通道同步并行采樣;三維加速度傳感器為美國(guó)Dytran公司生產(chǎn),量程為500g。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

2.2.1 試驗(yàn)因素及水平

借助理論分析與預(yù)試驗(yàn)可知,曲柄轉(zhuǎn)速、吊桿-連桿長(zhǎng)度組合(即,第一階篩面吊桿長(zhǎng)度-第二階篩面吊桿長(zhǎng)度-連桿長(zhǎng)度)、拖拉機(jī)工作速度會(huì)影響分離篩加速度,從而導(dǎo)致薯土分離效果和分離篩性能產(chǎn)生差異。因此本研究選取曲柄轉(zhuǎn)速(A)、吊桿-連桿長(zhǎng)度組合(B)、拖拉機(jī)工作速度(C)為試驗(yàn)因素。分離篩加速度測(cè)試試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表2。其中,改變鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的鏈輪齒數(shù)實(shí)現(xiàn)曲柄轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),連桿與第一、第二階篩面吊桿長(zhǎng)度可在分離篩上調(diào)節(jié),拖拉機(jī)工作速度借助拖拉機(jī)檔位調(diào)節(jié)。

表2 分離篩加速度測(cè)試試驗(yàn)因素及水平Table 2 The level of factors in the acceleration experiment

2.2.2 試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)文獻(xiàn)[18,20]可知,沿?cái)[動(dòng)分離篩前后運(yùn)動(dòng)方向上平行于篩面和垂直于篩面的加速度決定著分離篩性能。其中,平行于篩面的加速度主要決定分離篩輸送物料的能力,而垂直于篩面的加速度主要決定分離篩薯土分離的能力。因此,取擺動(dòng)分離篩三階篩面中每階篩面上沿前后運(yùn)動(dòng)方向平行于篩面和垂直于篩面的加速度作為試驗(yàn)指標(biāo)。

2.2.3 田間試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前,利用熱熔膠槍與防水膠帶將3個(gè)三維加速度傳感器固定于每階分離篩末端的篩條下方。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),啟動(dòng)拖拉機(jī)并進(jìn)行收獲作業(yè),待機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后,開(kāi)始采集篩面加速度數(shù)據(jù),采集30 m穩(wěn)定測(cè)試區(qū)數(shù)據(jù)后結(jié)束記錄過(guò)程,完成測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將傳感器采集的加速度數(shù)據(jù)分別輸入到Matlab軟件和Origin2021軟件中進(jìn)行降噪和平滑處理后,獲取每階篩面加速度變化曲線,依據(jù)加速度曲線求取5個(gè)周期加速度最大值的平均值,并將其作為對(duì)應(yīng)篩面的加速度值。在此基礎(chǔ)上,采用SPSS 19.0軟件對(duì)不同篩面的加速度與試驗(yàn)因素水平的相關(guān)性進(jìn)行分析,獲取相關(guān)性分析結(jié)果。

3.1 曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)每階篩面加速度的影響

吊桿-連桿長(zhǎng)度組合為270-370-1050,即第一階、第二階篩面吊桿和連桿長(zhǎng)度分別為270、370、1 050 mm,拖拉機(jī)工作速度為1.51 km/h時(shí),每階篩面上平行于篩面和垂直于篩面的加速度見(jiàn)表3。

表3 不同曲柄轉(zhuǎn)速下每階篩面的加速度Table 3 Acceleration of each sieve at different crank speed

可知,第一階篩面上平行于篩面和垂直于篩面的加速度均隨曲柄轉(zhuǎn)速的增大而增大,且垂直于篩面的加速度與曲柄轉(zhuǎn)速呈顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92;相同曲柄轉(zhuǎn)速時(shí),垂直于篩面的加速度大于平行于篩面的加速度。因此,第一階篩面的薯土分離能力強(qiáng)于輸送物料的能力。第二階篩面上平行于篩面和垂直于篩面的加速度均隨曲柄轉(zhuǎn)速的增大而增大,且垂直于篩面的加速度與曲柄轉(zhuǎn)速呈顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96;相同曲柄轉(zhuǎn)速時(shí),平行于篩面的加速度與垂直于篩面的加速度差異較小。據(jù)此可知,第二階篩面對(duì)薯土混合物的分離能力和輸送能力相當(dāng)。第三階篩面上平行于篩面和垂直于篩面的加速度均隨曲柄轉(zhuǎn)速的增大而增大,且垂直于篩面的加速度與曲柄轉(zhuǎn)速呈顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.94;相同曲柄轉(zhuǎn)速時(shí),第三階篩面上垂直于篩面的加速度小于平行于篩面的加速度。由此可見(jiàn),第三階篩面薯土分離能力小于輸送物料能力。

曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)各階篩面上垂直于篩面的加速度影響均顯著,且相關(guān)系數(shù)均>0.92;曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)各階篩面上平行于篩面的加速度影響不顯著,但相關(guān)系數(shù)均>0.84。隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增大,每階篩面上平行于篩面與垂直于篩面的加速度變化趨勢(shì)相同,都隨曲柄轉(zhuǎn)速的增大而增大,但垂直于篩面的加速度比平行于篩面加速度的變化明顯。相同曲柄轉(zhuǎn)速時(shí),第一階篩面上垂直于篩面加速度遠(yuǎn)大于第二、第三階篩面加速度,第二階篩面上垂直于篩面加速度稍高于第三階篩面加速度,而各階篩面上平行于篩面的加速度差異不明顯。這種加速度變化規(guī)律,可保證分離篩整體的薯土分離能力逐階降低,而輸送物料能力差異不大,可為更好地實(shí)現(xiàn)薯土分離提供基礎(chǔ)。

3.2 吊桿-連桿長(zhǎng)度組合對(duì)每階篩面加速度的影響

在拖拉機(jī)工作速度為1.51 km/h,曲柄轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí),不同吊桿-連桿長(zhǎng)度組合下,每階篩面上平行于篩面和垂直于篩面的加速度見(jiàn)表4?？芍?吊桿-連桿長(zhǎng)度組合相同的情況下,第一階篩面上平行于篩面的加速度均小于垂直于篩面的加速度,說(shuō)明該階篩面的薯土分離能力強(qiáng)于輸送物料的能力;第二階篩面上平行于篩面的加速度與垂直于篩面的加速度差異不明顯,說(shuō)明該階篩面薯土分離能力與輸送物料的能力相當(dāng);第三階篩面上平行于篩面的加速度均大于垂直于篩面的加速度,表明該階篩面對(duì)物料的輸送能力強(qiáng)于薯土分離的能力。與此同時(shí),平行于篩面的加速度中第一階篩面與第二階篩面的差異比較明顯,但第二階與第三階篩面加速度的差異不明顯;而垂直于篩面的加速度中第一、第二和第三階篩面的加速度呈現(xiàn)出明顯的逐階遞減的變化關(guān)系。結(jié)合以上分析可以發(fā)現(xiàn),5種吊桿-連桿長(zhǎng)度組合均可實(shí)現(xiàn)薯土分離能力逐階遞減,輸送物料能力差異不大的要求。

表4 不同吊桿-連桿長(zhǎng)度組合下每階篩面的加速度Table 4 Acceleration of each sieve under different suspender-connecting rod length combination m/s2

3.3 拖拉機(jī)工作速度對(duì)每階篩面加速度的影響

當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速為150 r/min,連桿長(zhǎng)度組合為270-370-1050,每階篩面上平行于篩面和垂直于篩面的加速度見(jiàn)表5。隨著拖拉機(jī)工作速度的增大,各階篩面上平行和垂直于篩面的加速度均呈現(xiàn)出先減小、后增大然后減小的變化趨勢(shì),且拖拉機(jī)工作速度對(duì)各階篩面上平行于篩面和垂直于篩面的加速度影響均不顯著。比較各階篩面上垂直和平行于篩面的加速度可以看出,隨著拖拉機(jī)工作速度的增大,第一階篩面垂直于篩面的加速度比平行于篩面的加速度變化趨勢(shì)更明顯,變化幅度更大。原因是隨著拖拉機(jī)工作速度的增大,由升運(yùn)鏈運(yùn)送至分離篩的薯土混合物增多,從而使分離篩在垂直于篩面方向所受到的沖擊作用增大。

表5 不同拖拉機(jī)工作速度時(shí)每階篩面的加速度Table 5 Acceleration of each sieve at different tractor working speed

與其他拖拉機(jī)工作速度下的加速度數(shù)據(jù)相比,當(dāng)拖拉機(jī)工作速度為1.70 km/h時(shí),每階篩面上平行于篩面和垂直于篩面的加速度均最小。主要原因是,拖拉機(jī)工作速度較低時(shí),篩面上的薯土混合物料量較少(圖2),較少的物料量不足以降低分離篩桿彈性對(duì)加速度的影響,從而使拖拉機(jī)工作速度較低時(shí)的加速度大于拖拉機(jī)工作速度為1.70 km/h時(shí)的加速度;當(dāng)拖拉機(jī)工作速度較高時(shí),較多的物料量成為分離篩加速度的主要擾動(dòng)因素,當(dāng)拖拉機(jī)工作速度達(dá)到2.21 km/h時(shí),由于各階篩面上的薯土混合物料量均較多(圖2),致使各階篩面上平行于篩面和垂直于篩面的加速度均呈現(xiàn)出減小的變化趨勢(shì)。

圖2 不同拖拉機(jī)工作速度(v)時(shí)分離篩上薯土混合物分布狀態(tài)Fig.2 Potato-soil mixture distribution at different tractor working speeds (v)

4 分離篩性能試驗(yàn)

分離篩性能試驗(yàn)主要包括單因素試驗(yàn)和分離篩參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)2部分。單因素試驗(yàn)主要為獲取曲柄轉(zhuǎn)速、吊桿-連桿長(zhǎng)度組合、拖拉機(jī)工作速度對(duì)分離篩性能指標(biāo)的影響規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上明確分離篩參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)中因素水平的取值范圍;分離篩參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)主要為了獲得可滿足性能較優(yōu)的分離篩參數(shù)匹配。

4.1 單因素試驗(yàn)方案及方法

田間試驗(yàn)參照NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[21]的相關(guān)方法進(jìn)行,取明薯率和破皮率為試驗(yàn)指標(biāo),計(jì)算公式為:

(1)

(2)

式中:Y1和Y2為明薯率和破皮率,%;q1為機(jī)器作業(yè)完成后露于地表的馬鈴薯質(zhì)量,kg;q2為機(jī)器作業(yè)完成后明薯、埋薯、漏挖薯中表皮損傷的馬鈴薯質(zhì)量,kg;Q為機(jī)器作業(yè)完成后收獲的馬鈴薯總質(zhì)量,kg。

4.2 試驗(yàn)因素對(duì)分離篩性能指標(biāo)的影響

4.2.1 曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)分離篩性能指標(biāo)的影響

連桿長(zhǎng)度組合為270-370-1050,即第一、第二階篩面吊桿和連桿長(zhǎng)度分別為270、370、1 050 mm,拖拉機(jī)工作速度為1.51 km/h時(shí),明薯率和破皮率隨曲柄轉(zhuǎn)速的變化見(jiàn)圖3。

圖3 曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)明薯率和破皮率的影響Fig.3 Effect of crank speed on obvious rate and skin breaking rate

明薯率隨著曲柄轉(zhuǎn)速的升高而產(chǎn)生變化,且在曲柄轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)達(dá)到最低值96.77%。結(jié)合表3中曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)篩面加速度的影響規(guī)律可知,曲柄轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)分離篩各階篩面上垂直于篩面的加速度最低,相較于其他轉(zhuǎn)速時(shí)分離篩薯土分離能力最弱,從而導(dǎo)致明薯率最低。曲柄轉(zhuǎn)速在180 r/min時(shí)明薯率為100%,結(jié)合篩面加速度變化規(guī)律可知,該曲柄轉(zhuǎn)速時(shí)第一階篩面上平行于篩面與垂直于篩面的加速度最接近,致使薯土混合物在第一階分離篩上即實(shí)現(xiàn)了有效分離,進(jìn)而由分離篩尾部落至地面的物料基本為馬鈴薯及未破碎的土塊,最終形成較高的明薯率。隨著曲柄轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高,分離篩各階篩面上平行于篩面的加速度增大值變大,致使薯土混合物在篩面上的運(yùn)動(dòng)時(shí)間縮短,從而使部分馬鈴薯?yè)诫s在未完全破碎的土壤中落至地面,最終導(dǎo)致明薯率降低。

隨著曲柄轉(zhuǎn)速的升高,馬鈴薯破皮率逐漸增大。結(jié)合表3中分離篩加速度變化規(guī)律可知,各階篩面上垂直于篩面的加速度均隨曲柄轉(zhuǎn)速的升高而增大,從而導(dǎo)致馬鈴薯拋離篩面高度及落回篩面瞬間的碰撞沖擊力均增加,最終使馬鈴薯的破皮率增大。結(jié)合曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)分離篩性能的影響規(guī)律,以同時(shí)滿足明薯率較高和破皮率較低的連續(xù)水平作為因素水平的選擇依據(jù),取140～180 r/min作為分離篩參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)中曲柄轉(zhuǎn)速的取值范圍。

4.2.2 吊桿-連桿長(zhǎng)度組合對(duì)分離篩性能指標(biāo)的影響

曲柄轉(zhuǎn)速為150 r/min,拖拉機(jī)工作速度為1.51 km/h時(shí),明薯率和破皮率隨吊桿-連桿長(zhǎng)度組合的變化關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 吊桿-連桿長(zhǎng)度組合對(duì)明薯率和破皮率的影響Fig.4 Effect of suspender-connecting rod length combination on obvious rate and skin breaking rate

第一、第二階篩面吊桿長(zhǎng)度分別為250～290 mm和350～370 mm,連桿長(zhǎng)度為1 030～1 060 mm時(shí),明薯率均>96%;而當(dāng)?shù)谝弧⒌诙A篩面吊桿和連桿長(zhǎng)度分別為290、370、1 070 mm時(shí),明薯率降為90.05%。主要是由于吊桿和連桿長(zhǎng)度的增大,導(dǎo)致分離篩前端與升運(yùn)鏈之間的間隙變大,致使部分薯土混合物由升運(yùn)鏈落向分離篩時(shí)從間隙直接落至地面,從而使明薯率降低。不同吊桿-連桿長(zhǎng)度組合時(shí),馬鈴薯破皮率均<7%;當(dāng)?shù)谝?、第二階篩面吊桿長(zhǎng)度分別為270～290 mm和370 mm、連桿長(zhǎng)度為1 050～1 070 mm時(shí),馬鈴薯破皮率均<4%。結(jié)合表4中吊桿-連桿長(zhǎng)度組合對(duì)分離篩面加速度的影響規(guī)律可知,分離篩性能指標(biāo)變化趨勢(shì)與篩面加速度變化趨勢(shì)相同。因此,明薯率、破皮率產(chǎn)生差異主要是由不同吊桿-連桿長(zhǎng)度組合時(shí)分離篩加速度不同所導(dǎo)致的。

結(jié)合以上分析結(jié)果,以同時(shí)滿足明薯率較高和破皮率較低的水平作為因素水平的選擇依據(jù),取吊桿-連桿長(zhǎng)度組合為250-370-1040、270-370-1050和290-370-1060作為分離篩參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)中吊桿-連桿長(zhǎng)度組合的水平。

4.2.3 拖拉機(jī)工作速度對(duì)分離篩性能指標(biāo)的影響

當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速為150 r/min,吊桿-連桿長(zhǎng)度組合為270-370-1050,即第一、第二階篩面吊桿和連桿長(zhǎng)度分別為270、370和1 050 mm時(shí),明薯率和破皮率隨拖拉機(jī)工作速度的變化見(jiàn)圖5。

圖5 拖拉機(jī)工作速度對(duì)明薯率和破皮率的影響Fig.5 Effect of tractor working speed on obvious rate and skin breaking rate

明薯率隨著拖拉機(jī)工作速度的增大而發(fā)生變化:拖拉機(jī)工作速度為1.51 km/h時(shí)明薯率最低,之后隨工作速度的增大而增大,直至工作速度達(dá)到1.89 km/h時(shí),明薯率達(dá)到100%,而后明薯率有所降低。結(jié)合表5中分離篩面加速度變化規(guī)律可知,當(dāng)拖拉機(jī)工作速度為1.89 km/h時(shí),第一階篩面平行于篩面與垂直于篩面的加速度最接近且均較大,致使薯土混合物在第一階篩面上即實(shí)現(xiàn)了有效分離,從而使明薯率最高。

破皮率隨拖拉機(jī)工作速度的增大而發(fā)生變化,當(dāng)速度達(dá)到2.21 km/h時(shí),破皮率達(dá)到最低值0.84%。主要原因是,隨著拖拉機(jī)工作速度的加快,單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)送至分離篩上的薯土混合物料量增多,較多的薯土混合物可對(duì)馬鈴薯起到保護(hù)作用,從而減少馬鈴薯與分離篩面的直接接觸,進(jìn)而降低了馬鈴薯的破皮損傷。

結(jié)合拖拉機(jī)工作速度對(duì)分離篩性能指標(biāo)的影響規(guī)律,以同時(shí)滿足明薯率較高和破皮率較低的連續(xù)水平作為因素水平的選擇依據(jù),以1.70～2.21 km/h作為分離篩參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)中拖拉機(jī)工作速度的取值范圍。

4.3 分離篩參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)及其結(jié)果分析

4.3.1 因素水平選擇

為了明確各因素對(duì)分離篩性能影響的主次順序,獲取性能較優(yōu)的分離篩參數(shù)組合,以明薯率和破皮率為試驗(yàn)指標(biāo),曲柄轉(zhuǎn)速(A)、吊桿-連桿長(zhǎng)度組合(B)、拖拉機(jī)工作速度(C)為試驗(yàn)因素進(jìn)行分離篩參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果,確定試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表6。

表6 分離篩參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)因素水平表Table 6 Factors and levels of separation sieve parameter optimization experiment

4.3.2 分離篩參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果及分析

分離篩參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表7,明薯率極差和方差分析結(jié)果分別見(jiàn)表8和表9?？芍?影響明薯率的因素主次順序?yàn)?拖拉機(jī)工作速度>吊桿-連桿長(zhǎng)度組合>曲柄轉(zhuǎn)速,其中拖拉機(jī)工作速度、吊桿-連桿長(zhǎng)度組合對(duì)明薯率影響極顯著,曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)明薯率影響顯著。滿足明薯率最高的分離篩結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)匹配為:曲柄轉(zhuǎn)速150 r/min,吊桿-連桿長(zhǎng)度組合290-370-1060(即第一、第二階篩面吊桿和連桿長(zhǎng)度分別為:290、370和1 060 mm),拖拉機(jī)工作速度為2.21 km/h,對(duì)該參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),獲得明薯率和破皮率分別為97.06%和2.35%。

表7 分離篩參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 7 Test scheme and results of separation sieve parameter optimization

表8 明薯率極差分析結(jié)果Table 8 Results of range analysis of obvious rate

表9 明薯率方差分析結(jié)果Table 9 Analysis of variance results of obvious rate

破皮率極差和方差分析結(jié)果分別見(jiàn)表10和表11?？芍?影響破皮率因素的主次順序?yàn)?曲柄轉(zhuǎn)速>吊桿-連桿長(zhǎng)度組合>拖拉機(jī)工作速度,其中曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)破皮率影響極顯著,拖拉機(jī)工作速度、吊桿-連桿長(zhǎng)度組合對(duì)破皮率影響顯著;滿足破皮率最低的分離篩結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)匹配為:曲柄轉(zhuǎn)速180 r/min,吊桿-連桿長(zhǎng)度組合270-370-1050(即第一、第二階篩面吊桿和連桿長(zhǎng)度分別為270、370和1 050 mm),拖拉機(jī)工作速度1.89 km/h,對(duì)該參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)后,獲得明薯率和破皮率分別為98.04%和1.58%。

表10 破皮率極差分析結(jié)果Table 10 Results of range analysis of skin breaking rate

表11 破皮率方差分析結(jié)果Table 11 Analysis of variance results of skin breaking rate

根據(jù)NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[21]中的相關(guān)要求,當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速為180 r/min、吊桿-連桿長(zhǎng)度組合為270-370-1050(即第一、第二階篩面吊桿和連桿長(zhǎng)度分別為270、370和1 050 mm)、拖拉機(jī)工作速度為1.89 km/h時(shí)既可滿足明薯率要求,也可滿足破皮率要求。

5 結(jié) 論

本研究以新研制的三階六吊桿擺動(dòng)分離篩為研究對(duì)象,借助加速度測(cè)試和分離篩性能試驗(yàn)獲取曲柄轉(zhuǎn)速、吊桿-連桿長(zhǎng)度組合、拖拉機(jī)工作速度3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)每階篩面上平行于篩面和垂直于篩面加速度的影響規(guī)律,以及試驗(yàn)因素對(duì)分離篩性能指標(biāo)的影響;然后借助分離篩參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn),獲取分離篩較優(yōu)參數(shù)組合。主要結(jié)論如下:

1)三階篩面上平行于和垂直于篩面的加速度均隨曲柄轉(zhuǎn)速的增大而增大,且曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)垂直于篩面的加速度影響顯著;每種吊桿-連桿長(zhǎng)度組合情況下,垂直于篩面的加速度中第一、第二和第三階篩面的加速度均呈現(xiàn)出明顯的逐階遞減的變化規(guī)律,而平行于篩面的加速度中第一階與第二階篩面的差異比較明顯,第二階篩面與第三階篩面的差異不明顯;拖拉機(jī)工作速度對(duì)各階篩面上平行于篩面和垂直于篩面的加速度影響均不顯著。

2)隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增大,明薯率在96%～100%變化,而破皮率則先減小后增大;5種吊桿-連桿長(zhǎng)度組合情況下,明薯率和破皮率分別在90%～100%和2.5%～7%變化,且二者變化趨勢(shì)一致;隨著拖拉機(jī)工作速度的增大,明薯率在96%～100%變化,破皮率在0.5%～7%變化,且二者均呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的變化規(guī)律。

3)影響明薯率的因素主次順序?yàn)?拖拉機(jī)工作速度>吊桿-連桿長(zhǎng)度組合>曲柄轉(zhuǎn)速;影響破皮率的因素主次順序?yàn)?曲柄轉(zhuǎn)速>吊桿-連桿長(zhǎng)度組合>拖拉機(jī)工作速度。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速為180 r/min,吊桿-連桿長(zhǎng)度組合為270-370-1050(第一、第二階篩面吊桿和連桿長(zhǎng)度分別為270、370和1 050 mm),拖拉機(jī)工作速度為1.89 km/h時(shí)可同時(shí)滿足明薯率和破皮率的技術(shù)要求。