馬鈴薯在分離篩上運(yùn)動規(guī)律的試驗(yàn)研究

謝勝仕，王春光，蒙建國，祁少華，麻剛斗，季　邦

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

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馬鈴薯在分離篩上運(yùn)動規(guī)律的試驗(yàn)研究

謝勝仕，王春光，蒙建國，祁少華，麻剛斗，季邦

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

摘要：對馬鈴薯相對分離篩的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。將馬鈴薯在分離篩上的運(yùn)動劃分為碰撞運(yùn)動與相對滾動兩種運(yùn)動形式，在碰撞理論與定常理論的基礎(chǔ)上，利用高速攝像技術(shù)分析了馬鈴薯在分離篩上的運(yùn)動規(guī)律，并在田間試驗(yàn)得到驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：馬鈴薯與分離篩的碰撞恢復(fù)系數(shù)隨著篩面傾角的增大而增大；馬鈴薯在分離篩上向后滾動的最大加速度隨曲柄轉(zhuǎn)速的增大而逐漸增大；相同曲柄轉(zhuǎn)速時(shí)馬鈴薯在分離篩面上的向后運(yùn)動為加速運(yùn)動；隨著篩面傾角的增大，馬鈴薯向后滾動的最大加速度和前后滾動距離均增大。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；分離篩；運(yùn)動規(guī)律；高速攝像

0引言

分離篩作為馬鈴薯挖掘機(jī)的重要組成部分[1]，直接影響著馬鈴薯挖掘機(jī)的工作性能。近年來，中國已經(jīng)研制出多種型號的馬鈴薯挖掘機(jī)，并且在分離理論和參數(shù)優(yōu)化方面進(jìn)行了研究[2-5]。提高明薯率和降低傷薯率一直是馬鈴薯挖掘機(jī)中分離篩研究工作的重要目的[6]，而研究馬鈴薯在分離篩上的運(yùn)動規(guī)律則是達(dá)到這一目標(biāo)的重要途徑。

關(guān)于農(nóng)業(yè)物料在往復(fù)式分離篩上運(yùn)動規(guī)律的研究較為廣泛，不過其研究對象多集中在小麥、水稻等谷類作物[7]，針對馬鈴薯在分離篩上運(yùn)動規(guī)律的研究則較少，并且研究方法多集中于理論分析、數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真。在試驗(yàn)手段上，多采用傳統(tǒng)的機(jī)械式的測試手段，近幾年才逐步應(yīng)用圖像處理、高速攝像技術(shù)等先進(jìn)手段分析物料在篩面上的運(yùn)動情況[8]。

為此，筆者借助高速攝像技術(shù)，以物料在分離篩上的定常運(yùn)動理論為研究基礎(chǔ)[8]，結(jié)合碰撞理論[9-10]，研究馬鈴薯在分離篩上的運(yùn)動規(guī)律，為分離篩的性能優(yōu)化提供理論支撐。

1室內(nèi)試驗(yàn)

通過對單顆馬鈴薯相對分離篩的運(yùn)動情況分析發(fā)現(xiàn)，圓球形馬鈴薯自升運(yùn)鏈下落至篩面直到由分離篩落至地面，共有兩種主要的運(yùn)動形式：①碰撞運(yùn)動。由升運(yùn)鏈落至篩面后與篩面碰撞，由上層篩落至下層篩的碰撞。②相對篩面滾動。碰撞過程結(jié)束后，馬鈴薯相對于篩面前后滾動。基于此，本文主要分析馬鈴薯與篩對分離篩面碰撞和相對篩面滾動的情況。

本試驗(yàn)的主要目的是研究圓球形馬鈴薯與分離篩碰撞時(shí)的恢復(fù)系數(shù)隨曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角的變化規(guī)律，圓球形馬鈴薯相對篩面向后滾動時(shí)的加速度、速度及前后滾動距離隨曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角的變化規(guī)律。

1.1　試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)用薯為新鮮、近似圓球形且表皮無損傷的克新1號馬鈴薯30顆，質(zhì)量均在300～330g之間。

試驗(yàn)設(shè)備為4SW-170型馬鈴薯挖掘機(jī)分離篩試驗(yàn)臺，如圖1所示。該裝置主要由分離篩、減速箱、電動機(jī)和變頻柜等組成。其中，分離篩的擺動角速度通過曲柄轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，篩面傾角由傾角調(diào)節(jié)桿調(diào)節(jié)。

馬鈴薯挖掘機(jī)分離篩下層篩面長度為0.594m，上篩面長度為0.595m，篩面總長1.098m，篩面寬度為1.70m，連桿長度為0.975m，前后吊桿長度分別為0.23m和0.27m，曲柄半徑為0.035m，篩面傾角分別為0.5°、7.7°和14°。

1.2　試驗(yàn)方法

參照馬鈴薯收獲過程的落篩特點(diǎn)，試驗(yàn)過程中將單顆馬鈴薯自圖1所示的馬鈴薯下落點(diǎn)處下落，并使用高速攝像機(jī)跟蹤拍攝馬鈴薯在分離篩上的運(yùn)動情況，圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中；接收后的數(shù)據(jù)采用瑞典 Image System AB公司生產(chǎn)的TEMA高速運(yùn)動分析軟件進(jìn)行分析。以圖1所示的坐標(biāo)尺為參考，建立x、y坐標(biāo)對馬鈴薯相對分離篩的運(yùn)動情況進(jìn)行分析。為便于計(jì)算和分析，只考慮平面二維變化。試驗(yàn)中所用高速攝像機(jī)為美國Vision Research公司生產(chǎn)的Phantom Miro2高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，分辨率640×480像素，幀速為500幀/s。

1.3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

4SW-170型馬鈴薯挖掘機(jī)的曲柄推薦轉(zhuǎn)速為270r/min，根據(jù)試驗(yàn)要求選擇105~270r/min 12個(gè)曲柄轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速間隔為15r/min。分別采集0.5°、7.7°和14°等3種篩面傾角情況下，馬鈴薯在12種轉(zhuǎn)速時(shí)在分離篩的運(yùn)動數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.下層分離篩　2.分離篩擋板　3.傾角調(diào)節(jié)桿　4.上層分離篩　5.后吊桿　6.馬鈴薯下落點(diǎn)指示標(biāo)　7.坐標(biāo)尺　8.前吊桿　9.機(jī)架　10.連桿

1.3.1碰撞過程

圖2　馬鈴薯在不同篩面傾角時(shí)恢復(fù)系數(shù)變化規(guī)律

由圖2可知：馬鈴薯碰撞恢復(fù)系數(shù)與篩面傾角有關(guān)，隨著篩面傾角的增大，恢復(fù)系數(shù)的值增大。因?yàn)橄嗤|(zhì)量的馬鈴薯與篩面發(fā)生碰撞后，篩面傾角為0.5°、7.7°和14°的馬鈴薯法向加速度分別為24.34、36.12、65.85m/s2，即馬鈴薯所受分離篩作用力隨篩面傾角的增大而增大，從而導(dǎo)致沖量隨篩面傾角增大，根據(jù)動量定理可知碰后法向速度增大，使得恢復(fù)系數(shù)增大。較大的恢復(fù)系數(shù)會使馬鈴薯有較大的碰后速度，致使其在分離篩面的跳躍次數(shù)增加，從而有利于薯土分離增大明薯率。

1.3.2滾動過程

由表1可以看出：3種篩面傾角時(shí)馬鈴薯向后滾動的加速度隨著曲柄轉(zhuǎn)速變化的趨勢一致，均隨曲柄轉(zhuǎn)速的增大而增大。馬鈴薯在3種篩面傾角時(shí)，滾動至下篩面的加速度要大于上篩面的加速度，可見下篩面對馬鈴薯向后滾動的推送強(qiáng)度要大于上層篩面。馬鈴薯在兩層篩面上向后滾動的加速度均隨篩面傾角的增大而增大。因?yàn)楹Y面傾角越大，馬鈴薯所受的重力沿篩面切向的分力就越大，所以較大的切向分力會使馬鈴薯有較大的向后滾動加速度。

較大的曲柄轉(zhuǎn)速會使馬鈴薯有較大的向后滾動加速度，在篩面長度一定的情況下，馬鈴薯在篩面滾動的時(shí)間較少，從而導(dǎo)致薯土分離不徹底。較大的篩面傾角會促進(jìn)馬鈴薯沿篩面的向后滾動，縮短馬鈴薯在篩面的運(yùn)動時(shí)間，同時(shí)較大的篩面傾角還會使分離篩上土壤增多，降低薯土分離效果。因此，為達(dá)到提高明薯率和降低馬鈴薯蹭皮損傷的目的，選用7.7°的篩面傾角更有利于馬鈴薯收獲。

表1　馬鈴薯向后滾動加速度最大值

由表2可知：相同曲柄轉(zhuǎn)速時(shí)，馬鈴薯在兩層篩面上所做的運(yùn)動為加速運(yùn)動，篩面傾角及曲柄轉(zhuǎn)速對馬鈴薯向后滾動速度的影響不顯著。結(jié)合表1可以看出：馬鈴薯在下層篩面向后滾動的加速度大于上層篩面的加速度是促使馬鈴薯作加速運(yùn)動的原因；而篩面傾角及曲柄轉(zhuǎn)速對馬鈴薯向下滾動速度的影響不顯著則是因?yàn)轳R鈴薯在分離篩上做以滾動為主滑動為輔的相對運(yùn)動。

表2　馬鈴薯向后滾動速度最大值

由圖3可以看出：馬鈴薯在分離篩上的滾動距離隨著篩面傾角的增大而減小。篩面傾角為0.5°、7.7°和14°時(shí)馬鈴薯前后滾動距離的分別為1 016~1 156、1 087~1 341和1 215~1 485mm。因?yàn)楹Y面傾角越小，馬鈴薯在分離篩面上向前滾動的次數(shù)越多，在分離篩上運(yùn)動的時(shí)間越長，前后滾動的距離也就越大。

圖3　馬鈴薯前后滾動距離

2田間試驗(yàn)

2.1　試驗(yàn)方法及過程

田間試驗(yàn)在呼和浩特市武川縣馬鈴薯種植基地進(jìn)行。試驗(yàn)地塊地勢平坦，作業(yè)面積約0.67hm2，土壤為沙壤土，土壤含水率11.2%；試驗(yàn)機(jī)為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)自行研究生產(chǎn)的4SW-170 型馬鈴薯挖掘機(jī)，配套拖拉機(jī)是由中國一拖集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的東方紅-X900型拖拉機(jī)，曲柄轉(zhuǎn)速約為180r/min，前進(jìn)速度約為1.94km/h。

在試驗(yàn)前，對試驗(yàn)地塊進(jìn)行除草和除秧處理，在田間選擇近似圓球形、質(zhì)量318g的馬鈴薯一顆，用黑膠帶纏繞作為田間試驗(yàn)的試驗(yàn)薯，并將試驗(yàn)薯預(yù)埋在即將挖掘的土壤中。

試驗(yàn)時(shí)，在馬鈴薯挖掘機(jī)的右側(cè)放置與其平行的5m長的水平軌道;將攝像機(jī)安裝在軌道上，調(diào)節(jié)攝像機(jī)鏡頭到最佳攝像位置;在挖掘機(jī)工作穩(wěn)定后，推動攝像機(jī)以拖拉機(jī)前進(jìn)速度沿軌道運(yùn)動，實(shí)時(shí)采集馬鈴薯在分離篩上的攝像數(shù)據(jù)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

2.2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

馬鈴薯收獲機(jī)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　馬鈴薯收獲試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合薯土分離過程，對比室內(nèi)試驗(yàn)分析結(jié)果，可以看出：薯土分離過程中馬鈴薯的運(yùn)動學(xué)參數(shù)變化規(guī)律與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。對照室內(nèi)試驗(yàn)中曲柄轉(zhuǎn)速為180r/min時(shí)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：田間試驗(yàn)中3種篩面傾角的馬鈴薯向后滾動加速度均大于室內(nèi)試驗(yàn)中的加速度，因?yàn)樘镩g試驗(yàn)中馬鈴薯挖掘機(jī)向前運(yùn)動，致使分離篩上馬鈴薯所受到的沿篩面向后的慣性力較大，從而使其向后滾動的加速度較大，最終導(dǎo)致馬鈴薯向后滾動速度大于室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)向后滾動的速度。田間試驗(yàn)中馬鈴薯在分離篩上的前后滾動距離大于室內(nèi)試驗(yàn)中的滾動距離，因?yàn)樘镩g試驗(yàn)中馬鈴薯的運(yùn)動要受到少量土壤和雜草的影響，所以使其在篩面運(yùn)動的時(shí)間較長，導(dǎo)致前后滾動的距離較大。

3結(jié)論

1)借助高速攝像技術(shù)分析馬鈴薯在分離篩上的運(yùn)動規(guī)律是可行的。由高速攝像分析軟件(Motion Analysis, based on the Track Eye)可以準(zhǔn)確地分析出各參數(shù)的運(yùn)動變化規(guī)律。

2)隨著篩面傾角的增大，馬鈴薯與分離篩的碰撞恢復(fù)系數(shù)增大，0.5°、7.7°和14°篩面傾角時(shí)的恢復(fù)系數(shù)分別約為0.1、0.3和0.5；馬鈴薯在分離篩上向后滾動的最大加速度隨曲柄轉(zhuǎn)速的增大而逐漸增大；相同曲柄轉(zhuǎn)速時(shí)馬鈴薯在分離篩面上的向后運(yùn)動為加速運(yùn)動；隨著篩面傾角的增大，馬鈴薯向后滾動的最大加速度和前后動距離均增大。

3)田間試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相一致。馬鈴薯收獲過程中，選用7.7°的篩面傾角更有利于提高明薯率和降低傷薯率。

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Abstract ID:1003-188X(2016)09-0197-EA

Experimental Study on Motion Law of Potato on the Separating Screen

Xie Shengshi， Wang Chunguang， Meng Jianguo， Qi Shaohua， Ma Gangdou， Ji Bang

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：In order to provide theoretical support for the performance optimization of the separating screen of potato digger,the paper mainly discusses the motion law of potato relative to the separating screen by theoretical analysis and experimental study. In this study,the potato movement is divided into two types, namely,collision motion and relative rolling.Based on the collision theory and stable theory,we use the high-speed camera technology to analysis the motion law of potato on the separating screen which had already been verified in field experiment.The results suggest the restitution coefficient of potato and separating screen increases with the increasing inclination of screen surface.At the same time, it is observed that the maximum acceleration of potato rolling back on the separate screen gradually increases as the crank speed increases. In addition,the same crank speed makes the rollback of potato be accelerated motion on the separating screen. With the increasing slope of screen surface, the maximum acceleration of potato rolling back increases as well as the distances before and after rolling.

Key words：potato； separating screen； motion law； high-speed camera

中圖分類號：S225.7+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0197-04

作者簡介：謝勝仕(1989-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士研究生，(E-mail)xieshengshi@163.com。通訊作者：王春光(1959-)，男，呼和浩特人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)jdwcg@imau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導(dǎo)獎勵基金項(xiàng)目(20121310)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014MS0541)

收稿日期：2015-08-30