擺動分離篩薯土分離機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化試驗

謝勝仕 王春光 鄧偉剛 李 祥 祁少華

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

擺動分離篩薯土分離機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化試驗

謝勝仕 王春光 鄧偉剛 李 祥 祁少華

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

針對擺動分離篩薯土分離機(jī)理不明確，作業(yè)參數(shù)匹配不合理導(dǎo)致明薯率與馬鈴薯破皮率矛盾突出等問題，利用高速攝像機(jī)實時拍攝不同曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角和機(jī)器前進(jìn)速度時擺動分離篩上薯土混合物的分布狀態(tài)，統(tǒng)計并分析薯土混合物分布高度的變化規(guī)律，揭示薯土分離機(jī)理，并獲得影響分離篩性能主要因素的取值范圍。以明薯率和破皮率為評價指標(biāo)，采用Box-Behnken響應(yīng)面試驗方法進(jìn)行試驗，建立各指標(biāo)與因素間的回歸數(shù)學(xué)模型，對影響擺動分離篩性能的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，各因素對明薯率、破皮率影響由大到小為曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角、機(jī)器前進(jìn)速度。擺動分離篩優(yōu)化參數(shù)組合為：曲柄轉(zhuǎn)速230 r/min，篩面傾角21.1°，機(jī)器前進(jìn)速度2.03 km/h，優(yōu)化后明薯率和破皮率分別為98.94%和0.21%，明薯率較優(yōu)化前提高1.68個百分點，破皮率較優(yōu)化前降低9.6個百分點，參數(shù)優(yōu)化試驗結(jié)果滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

馬鈴薯挖掘機(jī)； 擺動分離篩； 薯土分離； 高速攝像； 參數(shù)優(yōu)化

引言

擺動分離篩作為升運鏈-擺動篩組合式馬鈴薯挖掘機(jī)最后一個對薯土混合物進(jìn)行處理的工作部件，是實現(xiàn)薯土分離的核心裝置[1-2]，其工作性能直接影響馬鈴薯挖掘機(jī)整機(jī)的工作性能。分離篩結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的不同會使其性能產(chǎn)生差異，其原因是不同的分離篩參數(shù)會導(dǎo)致篩上物料運動學(xué)和動力學(xué)特性的差異，因此深入分析擺動分離篩薯土分離機(jī)理對于提高分離篩性能非常重要。

國內(nèi)外關(guān)于馬鈴薯挖掘機(jī)擺動分離篩的研究集中于新機(jī)型的研制與應(yīng)用[3-5]、計算機(jī)仿真與優(yōu)化[6-11]等方面，以試驗手段研究擺動分離篩上薯土混合物分布規(guī)律并揭示薯土分離機(jī)理的相關(guān)報道很少。同時，現(xiàn)有的分離篩由于參數(shù)匹配不合理還存在分離能力弱、明薯率低、破皮率高等缺陷[12]。提高明薯率并降低破皮率一直是擺動分離篩研究和設(shè)計的難題之一[13]。

本文利用高速攝像技術(shù)分析擺動分離篩上薯土混合物分布高度隨分離篩參數(shù)的變化規(guī)律，從薯土混合物由升運鏈落至分離篩受到?jīng)_擊和相對分離篩運動2個角度解析薯土混合物分布高度變化的原因，并利用Box-Behnken響應(yīng)面試驗方法進(jìn)行分離篩性能試驗，尋求擺動分離篩的較優(yōu)參數(shù)組合，以期為馬鈴薯挖掘機(jī)擺動分離篩的優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計提供參考。

1 擺動分離篩總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 分離篩總體結(jié)構(gòu)

圖1 馬鈴薯挖掘機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of potato digger1.后擺桿 2.篩角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 3.前擺桿 4.行走輪 5.連桿 6.曲柄 7.切土圓盤 8.挖掘鏟 9.升運鏈 10.傳動軸 11.機(jī)架 12.減速箱 13.鏈輪傳動機(jī)構(gòu) 14.轉(zhuǎn)軸 15.上層篩16.擋板 17.下層篩

4SW-170型馬鈴薯挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該挖掘機(jī)主要由機(jī)架、挖掘鏟、升運鏈和分離篩等組成，其中分離篩包括傳動軸、減速箱、鏈輪傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)軸、曲柄、連桿、前后擺桿、篩角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、側(cè)板和篩桿。分離篩結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

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

1.2 分離篩工作原理

機(jī)組作業(yè)時，以馬鈴薯、土壤為主，摻雜少量根系和雜草所組成的薯土混合物被挖掘鏟掘起后由升運鏈運送至擺動分離篩，分離篩在曲柄和連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下往復(fù)運動進(jìn)行薯土分離，土壤透過篩桿間隙落至地面，薯塊被輸送至篩尾成條鋪放于地面[6,11]。

2 高速攝像試驗

利用高速攝像機(jī)實時拍攝不同參數(shù)時擺動分離篩上薯土混合物的分布狀況，然后回放高速影像分析薯土混合物分布高度隨分離篩參數(shù)變化的規(guī)律。

2.1 試驗條件與設(shè)備

2016年10月初在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物種植基地進(jìn)行了田間試驗。試驗前7 d除秧除草，試驗地塊平坦，砂壤土平作，作業(yè)面積約1 hm2，土壤含水率13.1%，馬鈴薯品種為內(nèi)蒙古中西部地區(qū)廣泛種植的克新1號，行距800 mm，株距350 mm，結(jié)薯深度為150～180 mm。

試驗機(jī)型為自行研制的4SW-170型馬鈴薯挖掘機(jī)，配套動力為66.18 kW輪式拖拉機(jī)。所用儀器設(shè)備有高速攝像機(jī)、光電轉(zhuǎn)速儀、皮尺、秒表等，其中高速攝像機(jī)為美國Vision Research公司生產(chǎn)的Phantom Miro2型高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，分辨率640像素×480像素，幀速200幀/s；光電轉(zhuǎn)速儀為臺灣SAMPO有限公司生產(chǎn)的TD2234B型光電轉(zhuǎn)速儀，準(zhǔn)確度為±0.05%，量程為1～99 999 r/min，分辨率為0.1 r/min。

2.2 試驗設(shè)計與方法

2.2.1試驗因素

根據(jù)理論分析[14-17]和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗[4-5]可知，分離篩薯土分離效果和分離篩性能主要與曲柄半徑、曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角和機(jī)器前進(jìn)速度等參數(shù)有關(guān)。試驗因素水平的選取須注意：①曲柄半徑的選擇要合理。較大的曲柄半徑會使薯土混合物拋離篩面從而促進(jìn)薯土分離，但也會增加馬鈴薯的破皮損傷；較小的曲柄半徑則會造成薯土分離不徹底，降低明薯率。結(jié)合預(yù)試驗結(jié)果和文獻(xiàn)[11]的結(jié)論，取曲柄半徑為35 mm。②不同的曲柄轉(zhuǎn)速會使分離篩上的薯土混合物出現(xiàn)不同的運動狀態(tài)，從而產(chǎn)生不同的薯土分離效果，為使薯土混合物相對分離篩運動狀態(tài)差異明顯，取曲柄轉(zhuǎn)速為150～230 r/min。③篩面傾角的改變會使薯土混合物與篩面的碰撞沖量和相對分離篩運動的時間發(fā)生變化，最終影響薯土分離效果，結(jié)合分離篩結(jié)構(gòu)特征，取篩面傾角為0.5°～21.1°。④機(jī)器前進(jìn)速度的改變會導(dǎo)致單位時間內(nèi)落至分離篩上薯土混合物料量發(fā)生改變，從而影響薯土分離效果，結(jié)合機(jī)器作業(yè)速度要求[1]，取機(jī)器前進(jìn)速度為1.11～2.78 km/h。

綜合上述分析，取曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角和機(jī)器前進(jìn)速度作為試驗因素。通過改變傳動鏈輪齒數(shù)調(diào)節(jié)曲柄轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)篩角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變篩面傾角，調(diào)節(jié)拖拉機(jī)擋位改變機(jī)器前進(jìn)速度。試驗因素水平如表2所示。

表2 試驗因素水平Tab.2 Factors and levels of experiments

圖3 不同曲柄轉(zhuǎn)速時薯土混合物分布狀態(tài)Fig.3 Distribution states of potato and soil mixture at different crank rotational speeds

2.2.2試驗方法

用支架將攝像機(jī)固連于挖掘機(jī)機(jī)架上，摘除分離篩一側(cè)擋板并調(diào)整攝像機(jī)拍攝視角使其能夠捕捉到整個分離篩上物料分布的畫面。在分離篩另一側(cè)的擋板上距離分離篩前端100 mm處起平均分布10段標(biāo)尺，用以統(tǒng)計薯土混合物分布高度。試驗時，首先把高速攝像機(jī)置于準(zhǔn)備記錄狀態(tài)，然后啟動拖拉機(jī)開始作業(yè)，待機(jī)器運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，高速攝像機(jī)開始記錄分離篩上薯土混合物的分布狀況，參照文獻(xiàn)[18]中試驗方法，采集10 m穩(wěn)定測試區(qū)數(shù)據(jù)后結(jié)束記錄過程，完成一次測試。每組試驗重復(fù)3次，試驗結(jié)果取平均值。

3 試驗結(jié)果與分析

擺動分離篩對薯土混合物的分離主要包括2個階段：①薯土混合物由升運鏈落至分離篩瞬間，土塊沖擊破碎實現(xiàn)薯土分離。②薯土混合物相對分離篩運動過程中，薯土混合物相對分離篩往復(fù)滑動或跳離篩面時會受到分離篩的分散、剪切、貫入等作用而使土壤破碎落篩，實現(xiàn)薯土分離。

3.1 曲柄轉(zhuǎn)速對薯土混合物分布高度的影響

篩面傾角為7.7°、機(jī)器前進(jìn)速度為1.69 km/h，不同曲柄轉(zhuǎn)速時薯土混合物分布高度隨篩面長度的變化曲線如圖2所示。

圖2 不同曲柄轉(zhuǎn)速時薯土混合物分布高度隨篩面長度的變化曲線Fig.2 Variation curves of distribution height of potato and soil mixture with screen length at different crank rotational speeds

由圖2可知，隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增大，相同位置處薯土混合物的分布高度逐漸降低，原因是：隨著曲柄轉(zhuǎn)速的升高，土塊與分離篩的碰撞沖量增大，使土塊由升運鏈落至篩面瞬間的破碎率增加；薯土混合物相對分離篩運動過程中，隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增加，薯土混合物相對分離篩的運動狀態(tài)由往復(fù)滑動(圖3a)轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微跳躍(圖3b)，后變?yōu)閯×姨S(圖3c)，篩面對土塊的分散、貫入和剪切作用隨著曲柄轉(zhuǎn)速的升高而增強(qiáng)，使物料層變薄、土塊破碎率增加，薯土分離效果明顯。

曲柄轉(zhuǎn)速為150 r/min時相同位置處薯土混合物的分布高度明顯高于其他曲柄轉(zhuǎn)速時的分布高度，曲柄轉(zhuǎn)速為230 r/min時在篩面長度800～1 000 mm范圍內(nèi)薯土混合物分布高度為零。這是因為曲柄轉(zhuǎn)速為150 r/min時分離篩加速度較小，造成薯土混合物由升運鏈落至分離篩階段土壤破碎率低，不易透篩落地，加之薯土混合物相對分離篩運動階段的運動狀態(tài)為往復(fù)滑動，分離篩對物料的分散作用弱、剪切作用力小，使分離篩前端出現(xiàn)物料累積，不易分離；而曲柄轉(zhuǎn)速升高至230 r/min時，分離篩加速度較大，對薯土混合物的沖擊、貫入、剪切、分散作用均較強(qiáng)，不僅導(dǎo)致薯土混合物由升運鏈落至篩面階段留于篩上的物料減少，而且使物料相對分離篩運動階段的土壤破碎、透篩概率增加，因此曲柄轉(zhuǎn)速為230 r/min時薯土混合物未運動至篩尾即已徹底分離，馬鈴薯由于不受其他物料的遮擋而被迅速輸送至地面。綜合考慮薯土混合物分布高度變化規(guī)律，曲柄轉(zhuǎn)速為180～230 r/min時薯土混合物沿分離篩面各位置處分布高度均較低，有利于薯土分離。

3.2 篩面傾角對薯土混合物分布高度的影響

曲柄轉(zhuǎn)速205 r/min、機(jī)器前進(jìn)速度1.69 km/h，不同篩面傾角時薯土混合物分布高度隨篩面長度的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，隨著篩面傾角的增大，相同篩面位置處薯土混合物分布高度逐漸減小。一方面原因是篩面傾角越大，薯土混合物由升運鏈落至篩面的沖擊距離越大，受到分離篩的沖擊作用越強(qiáng)，土壤破碎率越高，從而使大部分土壤在分離篩前端即透篩落地實現(xiàn)薯土分離；另一方面是因為篩面傾角越大，垂直于篩面加速度分量越大，分離篩對薯土混合物的貫入、剪切作用越強(qiáng)，薯土混合物相對分離篩運動階段薯土分離效果越明顯。因此篩面傾角為0.5°時同一篩面位置處薯土混合物分布高度(圖5a)明顯高于其他篩面傾角時的分布高度，而篩面傾角為14.4°時，在篩面長度為800 mm處沒有物料分布于篩上(圖5b)，篩面傾角為21.1°時，篩面長度為600 mm處沒有物料分布(圖5c)?？紤]到較大的篩面傾角不僅利于薯土分離而且具備較好的輸送性能，將篩面傾角范圍確定為7.7°～21.1°。

圖4 不同篩面傾角時薯土混合物分布高度隨篩面長度的變化曲線Fig.4 Variation curves of distribution height of potato and soil mixture with screen length at different sieve inclinations

圖5 不同篩面傾角時薯土混合物分布狀態(tài)Fig.5 Distribution states of potato and soil mixture in different sieve inclinations

3.3 機(jī)器前進(jìn)速度對薯土混合物分布高度的影響

曲柄轉(zhuǎn)速為205 r/min、篩面傾角為7.7°，不同機(jī)器前進(jìn)速度時薯土混合物分布高度隨篩面長度的變化曲線如圖6所示。

圖6 不同機(jī)器前進(jìn)速度時薯土混合物分布高度隨篩面長度的變化曲線Fig.6 Variation curves of distribution height of potato and soil mixture with screen length at different machine speeds

由圖6可知，相同篩面位置處薯土混合物分布高度隨機(jī)器前進(jìn)速度的增大而增大，主要原因是機(jī)器前進(jìn)速度越大，單位時間內(nèi)由升運鏈落至分離篩上的物料量越多，而不同機(jī)器前進(jìn)速度時分離篩的曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角一致，分離篩薯土分離能力相同，因此機(jī)器前進(jìn)速度越快薯土混合物的分布高度也就越高。薯土分離過程中，分離篩上物料過多易造成薯土分離不徹底，明薯率低，而物料過少會導(dǎo)致馬鈴薯因缺乏土壤的保護(hù)而增大破皮率，因此綜合考慮分離篩性能要求，機(jī)器前進(jìn)速度范圍取為1.69～2.37 km/h。

4 分離篩參數(shù)優(yōu)化試驗

4.1 試驗設(shè)計

4SW-170型馬鈴薯挖掘機(jī)在進(jìn)行馬鈴薯收獲作業(yè)時，發(fā)生于分離篩上的馬鈴薯損傷形式為碰撞和摩擦引起的破皮損傷，分離篩作為挖掘機(jī)最后的薯土分離部件，經(jīng)過其分離后的馬鈴薯是否露出地表被撿拾，是決定整個挖掘機(jī)明薯率的關(guān)鍵，參照文獻(xiàn)[18]的相關(guān)內(nèi)容，取明薯率Y1、破皮率Y2為分離篩性能指標(biāo)[19]，計算公式為

(1)

(2)

式中m1——機(jī)器作業(yè)完成后露于地表的馬鈴薯質(zhì)量，kg

m2——機(jī)器作業(yè)完成后表皮損傷的馬鈴薯的質(zhì)量，kg

M——機(jī)器作業(yè)完成后收獲的馬鈴薯總質(zhì)量，kg

采用三因素三水平Box-Behnken響應(yīng)面分析法進(jìn)行試驗[20-23]，因素編碼如表3所示。試驗機(jī)具及試驗條件同上文，每組試驗重復(fù)3次，試驗結(jié)果取平均值。

表3 試驗因素編碼Tab.3 Factors and codes of experiments

4.2 試驗結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理[24]，試驗方案及結(jié)果如表4所示，其中A、B、C分別為曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角和機(jī)器前進(jìn)速度的編碼值。

4.3 試驗結(jié)果分析

4.3.1回歸分析

采用Design-Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)分析?；貧w模型選用二次多項式回歸模型，剔除不顯著變量后對明薯率Y1、破皮率Y2進(jìn)行二次多項式回歸建模，得到方程為

Y1=99.64+0.37A+0.15B+0.11C-0.6BC-0.47A2-0.42B2-0.67C2 (3)

實際方程為

Y1=30.86+0.32n+0.82α+27.16v-0.26αv-
0.000 8n2-0.009α2-5.69v2(R2=0.910 8)

(5)

Y2=-14.74+1.36n+2.03α-119.52v-0.95αv-
0.004n2-0.007α2+33.07v2(R2=0.950 6)

(6)

方差分析中，α、v不顯著，但是回歸模型中包含顯著的交互作用項αv，排除α、v將使模型不滿足層級結(jié)構(gòu)，因此將顯著交互作用項中的所有子項加入模型。

由表5中方差分析可知，兩模型項P值均小于0.01，模型項極顯著，且失擬項均極不顯著，說明試驗正確有效且模型合適[25]。兩模型R2分別為0.910 8、0.950 6，表明可分別用于明薯率、破皮率的預(yù)測。

4.3.2各因素對指標(biāo)影響主次分析

試驗因素對分離篩性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度可根據(jù)F值確定，F(xiàn)值越大表示對性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度越大。根據(jù)方差分析可知：一次項n，交互項αv，二次項n2、v2對明薯率影響極顯著，二次項α2對明薯率影響顯著；一次項n，交互項αv，二次項n2、v2對破皮率影響極顯著。各因素對明薯率、破皮率的影響由大到小為曲柄轉(zhuǎn)速n、篩面傾角α、機(jī)器前進(jìn)速度v。

4.3.3各因素對性能指標(biāo)影響規(guī)律分析

由方差分析可知，一次項曲柄轉(zhuǎn)速、交互作用項篩面傾角和機(jī)器前進(jìn)速度對分離篩性能指標(biāo)影響極

表5 明薯率和破皮率方差分析Tab.5 Variance analysis of obvious rate and abrasion rate

注：** 表示極顯著(Plt;0.01)；*表示顯著(0.01lt;Plt;0.05)。

顯著，其他一次項及交互作用項影響不顯著。故分析曲柄轉(zhuǎn)速及交互項篩面傾角和機(jī)器前進(jìn)速度對分離篩性能指標(biāo)的影響。

(1)曲柄轉(zhuǎn)速對性能指標(biāo)的影響

為了直觀地找出曲柄轉(zhuǎn)速對分離篩性能指標(biāo)的影響，采用降維法將多元復(fù)雜問題轉(zhuǎn)換為一元問題，即將其他2個因素編碼水平取為0，觀察明薯率、破皮率隨曲柄轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。據(jù)此得到明薯率Y1、破皮率Y2隨曲柄轉(zhuǎn)速變化關(guān)系的編碼方程為

Y1=99.64+0.37A-0.47A2

(7)

Y2=6.07-3.09A-2.27A2

(8)

根據(jù)式(7)、(8)繪制分離篩性能指標(biāo)隨曲柄轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖7所示。

圖7 曲柄轉(zhuǎn)速對分離篩性能的影響Fig.7 Influence of crank rotational speed on performance of separation sieve

由圖7a可知，明薯率隨曲柄轉(zhuǎn)速的升高先逐漸增大后緩慢減小，變化范圍為98.80%～99.64%，明薯率較高且變化范圍較小。主要因為分離篩在所取的曲柄轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化時，分離篩加速度較大，薯土混合物由升運鏈落至分離篩受到的沖擊作用和相對分離篩運動階段受到分離篩的分散、剪切作用均較強(qiáng)，使土壤透篩效果明顯，從而導(dǎo)致明薯率較高。

由圖7b可知，破皮率隨曲柄轉(zhuǎn)速的升高而逐漸減小。主要因為曲柄轉(zhuǎn)速較低時馬鈴薯相對分離篩的運動形式為輕微跳躍，馬鈴薯相對分離篩的運動時間長，跳躍次數(shù)多，反復(fù)的摩擦與碰撞導(dǎo)致脆嫩的馬鈴薯表皮發(fā)生明顯破損，從而使破皮率較高；隨著曲柄轉(zhuǎn)速的升高，馬鈴薯相對篩面的運動時間減少，2次左右的跳躍即使其落至地面，完成了薯土分離，馬鈴薯無明顯破皮損傷，因此破皮率減小。

(2)篩面傾角和機(jī)器前進(jìn)速度對性能指標(biāo)的影響

篩面傾角和機(jī)器前進(jìn)速度的交互作用對分離篩性能指標(biāo)的影響規(guī)律如圖8所示。

圖8 篩面傾角和機(jī)器前進(jìn)速度的交互作用對分離篩性能的影響Fig.8 Influence of interaction between screen angle and machine forward speed on performance of separation sieve

由圖8可知，曲柄轉(zhuǎn)速固定在零水平下，明薯率隨機(jī)器前進(jìn)速度的增加而先增大后減小，破皮率隨機(jī)器前進(jìn)速度的增加而先減小后增大，說明適中的機(jī)器前進(jìn)速度既可以實現(xiàn)很好的薯土分離效果，也可以降低馬鈴薯的破皮損傷。機(jī)器前進(jìn)速度在1.69～1.86 km/h范圍內(nèi)時，明薯率隨篩面傾角的增大而增大并逐漸趨于平緩，破皮率隨篩面傾角的增大而逐漸增大；機(jī)器前進(jìn)速度在2.20～2.37 km/h范圍內(nèi)時，明薯率和破皮率均隨篩面傾角的增大而減小。主要因為適當(dāng)?shù)奈锪狭亢洼^大篩面傾角既可使薯土混合物充分分離，又能減少因馬鈴薯滯留篩面時間過長而造成的破皮損傷。故適中的機(jī)器前進(jìn)速度和較大篩面傾角的組合有利于分離篩性能的提高。

4.4 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

4.4.1參數(shù)優(yōu)化與分析

為獲得擺動分離篩最佳性能的作業(yè)參數(shù)，利用Design-Expert 8.0.6軟件的優(yōu)化模塊，對上文中的回歸模型進(jìn)行有約束目標(biāo)的優(yōu)化求解。取明薯率的優(yōu)化目標(biāo)為最大，取破皮率的優(yōu)化目標(biāo)為最小?？紤]到增加明薯率、降低破皮率的雙重要求，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

(9)

約束函數(shù)為

(10)

圖9 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Fig.9 Parameter optimization result

參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，曲柄轉(zhuǎn)速230 r/min，篩面傾角19.42°，機(jī)器前進(jìn)速度2.04 km/h，此時明薯率為99.4%，馬鈴薯破皮率為0.002%，該優(yōu)化結(jié)果的可取度為0.922，為27組優(yōu)化結(jié)果中期望值最高的參數(shù)組合。

由優(yōu)化結(jié)果可知，適中的機(jī)器前進(jìn)速度匹配較高的曲柄轉(zhuǎn)速和較大篩面傾角，既可提高薯土分離性能，還可降低馬鈴薯破皮損傷。主要原因是曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角較大時分離篩的薯土分離性能和輸送物料性能均較高，所以適當(dāng)提高機(jī)器前進(jìn)速度不會影響薯土分離效果，與此同時，由于提高前進(jìn)速度而增加的物料量反而對馬鈴薯具有一定的保護(hù)作用，從而使馬鈴薯破皮損傷減少。

4.4.2驗證試驗

按照文獻(xiàn)[18]方法，將篩面傾角和機(jī)器前進(jìn)速度調(diào)整為與優(yōu)化結(jié)果接近的21.1°和2.03 km/h，曲柄轉(zhuǎn)速調(diào)整為230 r/min，在原試驗地塊進(jìn)行驗證試驗，每組試驗重復(fù)3次，試驗結(jié)果取平均值。將試驗結(jié)果與優(yōu)化前參數(shù)組合為曲柄轉(zhuǎn)速205 r/min，篩面傾角7.7°，機(jī)器前進(jìn)速度1.69 km/h時得到的結(jié)果對比，如表6所示。

表6 優(yōu)化前后試驗結(jié)果對比Tab.6 Comparison of experiment results beforeand after optimization

由表6可知，優(yōu)化調(diào)節(jié)后的擺動分離篩各項性能指標(biāo)接近理論優(yōu)化結(jié)果，且優(yōu)化后明薯率大于優(yōu)化前1.68個百分點，優(yōu)化后破皮率小于優(yōu)化前9.6個百分點。優(yōu)化后分離篩性能優(yōu)于優(yōu)化前，優(yōu)化后分離篩性能符合馬鈴薯收獲技術(shù)要求。

為驗證優(yōu)化后分離篩參數(shù)對不同薯土對象的適用性，分別在黏土壟作水澆地和砂壤土壟作水澆地2種地塊進(jìn)行驗證試驗。試驗地點分別為呼和浩特市前乃莫板村馬鈴薯種植基地和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物種植基地。壟作地塊壟距800 mm，株距350 mm，壟高250 mm，結(jié)薯深度170～200 mm，黏土含水率13.6%，砂壤土含水率13.8%。每組試驗重復(fù)3次，試驗結(jié)果取平均值，如表7所示。

由表7可知，經(jīng)優(yōu)化調(diào)節(jié)后的擺動分離篩在砂壤土壟作水澆地塊的適應(yīng)性較好，明薯率和破皮率均與理論優(yōu)化值接近，在黏土壟作水澆地收獲作業(yè)的明薯率與理論優(yōu)化值的差異較大，但基本符合馬鈴薯收獲技術(shù)規(guī)范的要求。

表7 優(yōu)化參數(shù)組合試驗結(jié)果Tab.7 Experiment results of optimal parameters

5 結(jié)論

(1)擺動分離篩上相同位置處薯土混合物分布

高度隨曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角的增大而減小，隨機(jī)器前進(jìn)速度的增大而增大。

(2)采用Box-Behnken響應(yīng)面分析法進(jìn)行試驗，建立了影響因素與性能指標(biāo)的數(shù)學(xué)回歸模型，并得出：曲柄轉(zhuǎn)速、交互項篩面傾角與機(jī)器前進(jìn)速度對明薯率和破皮率的影響極顯著，各因素對明薯率和破皮率影響由大到小為：曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角、機(jī)器前進(jìn)速度。

(3)擺動分離篩結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的最優(yōu)組合為：曲柄轉(zhuǎn)速230 r/min，篩面傾角21.1°，機(jī)器前進(jìn)速度2.03 km/h，優(yōu)化后明薯率和破皮率分別為98.94%和0.21%，明薯率較優(yōu)化前提高1.68個百分點，破皮率較優(yōu)化前降低9.6個百分點，優(yōu)化參數(shù)組合在黏土壟作水澆地和砂壤土壟作水澆地也具有較好的適用性。

1 趙滿全，趙士杰，佘大慶，等. 組合分離式馬鈴薯挖掘機(jī)設(shè)計與研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2007，29(4)：69-72.

ZHAO Manquan，ZHAO Shijie，SHE Daqing，et al. Combined separating type potato digger[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research，2007，29(4)：69-72.(in Chinese)

2 宿金殿. 基于高速攝像技術(shù)的馬鈴薯在分離篩上運動特性分析研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

SU Jindian. Study on the movement characteristics of potato during separating based on high speed photography technology[D]. Huhhot：Inner Mongolia Agricultral University，2015.(in Chinese)

3 SINGH R，SINGH H. Comparative performance of potato digger elevator with conventional method of harvesting at farmer’s fields[J]. Potato Journal，2005，31(3-4)：159-164.

4 呂金慶，田忠恩，吳金娥，等. 4U1Z型振動式馬鈴薯挖掘機(jī)的設(shè)計與試驗[J/OL]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(12)：39-47.http:∥www.tcsae.org/nygcxb/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1amp;file_no=20151206amp;journal_id=nygcxb.DOI:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.12.006.

Lü Jinqing，TIAN Zhongen，WU Jin’e，et al. Design and experiment on 4U1Z vibrating potato digger[J/OL]. Transactions of the CSAE，2015，31(12)：39-47.(in Chinese)

5 張華，吳建民，孫偉，等. 4UM-640型振動式馬鈴薯挖掘機(jī)的設(shè)計與試驗[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2014，32(2)：264-268.

ZHANG Hua，WU Jianmin，SUN Wei, et al. The design and experiment of 4UM-640 vibration potato digger[J]. Agricultural Reaearch in the Arid Areas，2014，32(2)：264-268.(in Chinese)

6 賈晶霞，張東興，楊德秋. 薯類收獲機(jī)振動篩傷薯機(jī)理計算機(jī)模擬與分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2005，36(12)：67-70.

JIA Jingxia，ZHANG Dongxing，YANG Deqiu. Analysis and computer simulating on potatoes bruising of vibrating sieve in potatoes harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2005，36(12)：67-70.(in Chinese)

7 賈晶霞，張東興，郝新明，等. 馬鈴薯收獲機(jī)參數(shù)化造型與虛擬樣機(jī)關(guān)鍵部件仿真[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2005，36(11)：64-67.

JIA Jingxia，ZHANG Dongxing，HAO Xinming，et al. Parametric modeling and computer simulation of potato harvester parts[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2005，36(11)：64-67.(in Chinese)

8 史增錄，張學(xué)軍，趙武云，等. 4UX-550型馬鈴薯挖掘機(jī)振動篩運動特性分析及仿真研究[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，48(3)：156-160.

SHI Zenglu，ZHANG Xuejun，ZHAO Wuyun，et al. Analysis of kinetic characterristics and simulation of vibrating sieve of 4UX-550 potato harvester[J]. Journal of Gansu Agricultural University，2013，48(3)：156-160. (in Chinese)

9 魏麗娟，趙武云，牛海華. 基于ADAMS的4UD-600型馬鈴薯挖掘機(jī)振動機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究2015，33(2)：278-282.

WEI Lijuan，ZHAO Wuyun，NIU Haihua. Optimal design of the vibrational structure of 4UD-600 potato digger based on ADAMS[J]. Agricultural Reaearch in the Arid Areas，2015，33(2)：278-282.(in Chinese)

10 顧麗霞. 4SW-170型馬鈴薯挖掘機(jī)擺動篩分離過程的仿真研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

GU Lixia. Simulation on separating process for potato of the separating of 4SW-170 potato digger[D]. Huhhot：Inner Mongolia Agricultral University，2012.(in Chinese)

11 楊莉. 馬鈴薯挖掘機(jī)擺動分離篩的仿真與參數(shù)優(yōu)化[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

YANG Li. Simulation and optimization on parameters of separating of potato digger[D]. Huhhot：Inner Mongolia Agricultural University，2009.(in Chinese)

12 封莉. 馬鈴薯挖掘機(jī)篩分系統(tǒng)的性能研究[D]. 保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

FENG Li.The performance study of the potato digger sieve system[D]. Baoding：Hebei Agricultural University，2004.(in Chinese)

13 吳建民，李輝，孫偉，等. 撥指輪式馬鈴薯挖掘機(jī)試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(7)：173-177.

WU Jianmin，LI Hui，SUN Wei，et al. Experiment on poke finger wheel type potato digger[J]. Transactions of the CSAE，2011，27(7)：173-177.(in Chinese)

14 聞邦椿，劉樹英，何勍. 振動機(jī)械的理論與動態(tài)設(shè)計方法[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：27-40.

15 [波蘭]卡那沃依斯基. 收獲機(jī)械[M]. 曹崇文，吳春江，柯?？?，等，譯.北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1983：202-204.

16 陸振曦，陸守道. 食品機(jī)械原理與設(shè)計[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社，1995：88-90.

17 SOLDINGER M. Transport velocity of a crushed rock material bed on a screen[J]. Minerals Engineering，2002，15(1)：7-17.

18 NY/T 648—2015馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范[S].2015.

19 楊然兵，楊紅光，尚書旗，等. 撥輥推送式馬鈴薯收獲機(jī)設(shè)計與試驗[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2016，47(7)：119-126. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1amp;file_no=20160717amp;journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.07.017.

YANG Ranbing，YANG Hongguang，SHANG Shuqi，et al. Design and test of poking roller shoving type potato harvester[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(7)：119-126. (in Chinese)

20 費榮昌. 試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M]. 無錫：江南大學(xué)出版社，2001：59-63.

21 徐中儒. 農(nóng)業(yè)試驗最優(yōu)回歸設(shè)計[M]. 哈爾濱：黑龍江科技出版社，1998：181-187.

22 李沐桐，溫翔宇，周福君. 中耕作物精準(zhǔn)穴施肥控制機(jī)構(gòu)工作參數(shù)優(yōu)化與試驗[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2016，47(9)：37-43.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1amp;file_no=20160906amp;journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.006.

LI Mutong，WEN Xiangyu，ZHOU Fujun. Working parameters optimization and experiment of precision hole fertilization control mechanism for intertilled crop[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(9)：37-43. (in Chinese)

23 許濤，沈永哲，高連興，等. 基于兩段收獲的彈齒式花生撿拾機(jī)構(gòu)研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2016，47(3)：90-97，111. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=20160313amp;flag=1amp;journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.03.013.

XU Tao，SHEN Yongzhe，GAO Lianxing，et al. Spring-finger peanut pickup mechanism based on two-stage harvest[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(3)：90-97，111.(in Chinese)

24 嚴(yán)偉，胡志超，吳努，等. 鏟篩式殘膜回收機(jī)輸膜機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗[J/OL]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(1)：17-24. http:∥www.tcsae.org/nygcxb/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1amp;file_no=20170103amp;journal_id=nygcxb.DOI:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.003.

YAN Wei，HU Zhichao，WU Nu，et al. Parameter optimization and experiment for plastic film transport mechanism of shovel screen type plastic film residue collector[J/OL]. Transactions of the CSAE，2017，33(1)：17-24.(in Chinese)

25 戴飛，趙武云，馬明義，等. 雙壟耕作施肥噴藥覆膜機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2016，47(1)：83-90. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160112amp;flag=1amp;journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.01.012.

DAI Fei，ZHAO Wuyun，MA Mingyi，et al. Parameters optmization of operation mechine for tillage-fertilization and spraying-filming on double ridges[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(1)：83-90.(in Chinese)

SeparatingMechanismAnalysisandParameterOptimizationExperimentofSwingSeparationSieveforPotatoandSoilMixture

XIE Shengshi WANG Chunguang DENG Weigang LI Xiang QI Shaohua

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010018,China)

In order to solve the problems of ambiguous separating mechanism of swing separation sieve and the obvious contradiction between the obvious performance and the abrasion performance caused by the improper match of operation parameters, high speed camera was used to capture the distribution of mixture of potato and soil of different crank rotational speed, the screen surface inclination and the machine forward speed. The variation of the distribution height of potato-soil mixture was counted and analyzed, and the separation mechanism was revealed based on these counted results. Finally, the experimental value range of the main factors which affected the separation performance of swing separation sieve was obtained. The rate of obvious and abrasion were used as the evaluation index to establish the regression mathematical model between the indexes and the factors by applying Box-Behnken response surface test method, thus optimizing the structure and working parameters which affected the separation performance of the swing separation sieve. The results showed that the primary and secondary order of the effect of factors on obvious rate and abrasion rate were crank rotational speed, screen surface inclination and machine forward speed. The crank rotational speed of 230 r/min, screen surface inclination of 19.42° and machine forward speed of 2.04 km/h were the best combination factors, the obvious rate and abrasion rate were 99.4% and 0.002%, respectively after optimizing. According to the limitation of operating parameters, the best parameters were adjusted as follows: when the crank rotational speed was 230 r/min, screen surface inclination was 21.1° and machine forward speed was 2.03 km/h, the obvious rate was 98.94% and the abrasion rate was 0.21%， the obvious rate was increased by 1.68 percentage points, and the abrasion rate was decreased by 9.6 percentage points compared with that before optimization. The results of parameter optimization were better than the national standard.

potato digger; swing separation sieve; separation of potato and soil mixture; high speed photography; parameter optimization

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.019

S225.7+1

A

1000-1298(2017)11-0156-09

2017-03-03

2017-03-31

內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導(dǎo)獎勵基金項目(20121310)、內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項目(2014MS0541、2016MS0519)和內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目(NJZY16059)

謝勝仕(1989—)，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究，E-mail: xieshengshi@163.com

王春光(1959—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)牧業(yè)機(jī)械智能化研究，E-mail: jdwcg@imau.edu.cn