輥式導(dǎo)流馬鈴薯定重裝袋機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王相友 張 蒙 李學(xué)強(qiáng) 王榮銘 蘇國(guó)粱 王法明

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255091； 2.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心， 德州 253600；3.山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司， 德州 253600)

0 引言

為提高運(yùn)輸、貯藏的便攜性，收獲后的馬鈴薯需進(jìn)行裝袋處理。但裝袋機(jī)使馬鈴薯?yè)p傷嚴(yán)重，因此，研制高效、低損馬鈴薯裝袋機(jī)很有必要。

馬鈴薯入袋后的品質(zhì)將影響運(yùn)輸、貯藏效果，馬鈴薯的主要損傷是裝袋機(jī)造成的機(jī)械損傷。我國(guó)馬鈴薯裝袋機(jī)械化水平較低，馬鈴薯裝袋多為人工撿拾，不但耗費(fèi)了大量人力，而且裝袋效率低。僅少數(shù)采用小型馬鈴薯裝袋機(jī)進(jìn)行作業(yè)，但單袋馬鈴薯質(zhì)量不統(tǒng)一，且破皮率、傷薯率得不到保障[1-4]。馬鈴薯在機(jī)械收獲過程中的損傷一般為碰撞損傷、摩擦損傷和擠壓損傷等，其中碰撞損傷和摩擦損傷是主要損傷形式[5-8]。碰撞損傷多為馬鈴薯與機(jī)器碰撞造成，通常采用柔性材料或減小碰撞沖擊距離實(shí)現(xiàn)減損。由于鮮薯有泥土附著，在輸送過程中易產(chǎn)生堆積和停滯，從而產(chǎn)生“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，同時(shí)馬鈴薯受薯-薯之間的沖擊力作用，在變載荷下自轉(zhuǎn)，從而造成擦傷，因此減少馬鈴薯在裝袋過程中的“自轉(zhuǎn)”可有效減輕其摩擦損傷。根據(jù)前期調(diào)研，針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)一種裝袋效率較高、損傷率較低的輥式導(dǎo)流馬鈴薯定重(質(zhì)量)裝袋機(jī)，對(duì)其關(guān)鍵部件和工作過程進(jìn)行理論分析，通過二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)確定最佳工作參數(shù)，并進(jìn)行田間裝袋驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

輥式導(dǎo)流馬鈴薯定重裝袋機(jī)主要包括支撐裝置、分流輸送裝置、導(dǎo)流裝置、撐袋裝置和定重裝袋裝置等。其中支撐裝置主要由可調(diào)支撐腿和支撐架構(gòu)成；分流輸送裝置主要由調(diào)速電機(jī)和分流輸送機(jī)構(gòu)構(gòu)成；導(dǎo)流裝置主要由導(dǎo)流倉(cāng)門、四桿擋薯機(jī)構(gòu)和倉(cāng)門氣缸構(gòu)成；撐袋裝置主要由撐袋口和壓袋氣缸構(gòu)成；定重裝袋裝置主要由裝袋平臺(tái)和質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.2 工作原理及技術(shù)參數(shù)

輥式導(dǎo)流馬鈴薯定重裝袋機(jī)在進(jìn)行裝袋作業(yè)時(shí)，薯塊自前端設(shè)備落入裝袋機(jī)入料緩沖口，調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)載有薯塊的輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)薯塊輸送至裝袋出料口時(shí)，導(dǎo)流倉(cāng)門改變其運(yùn)動(dòng)軌跡，使薯塊沿倉(cāng)門運(yùn)動(dòng)，繼而跌落至裝袋平臺(tái)上的薯袋中。薯袋掛接于撐袋口并由橡膠氣缸壓板壓緊。伴隨著薯塊的跌落，裝袋平臺(tái)質(zhì)量逐漸增大，致使壓簧產(chǎn)生形變，裝袋平臺(tái)隨之下移，傳感器采集平臺(tái)下移信息，從而發(fā)送信號(hào)至PLC處理信息，通過電磁換向閥控制導(dǎo)流倉(cāng)門氣缸動(dòng)作將倉(cāng)門關(guān)閉。倉(cāng)門關(guān)閉過程中，與之構(gòu)成四桿機(jī)構(gòu)的擋薯板聯(lián)動(dòng)，擋薯板隆起角度與倉(cāng)門關(guān)閉角度成反比，從而避免倉(cāng)門處的夾薯現(xiàn)象。倉(cāng)門關(guān)閉后，控制壓袋氣缸松開薯袋，完成一次裝袋工作。其中導(dǎo)流倉(cāng)門、壓袋機(jī)構(gòu)均由氣缸執(zhí)行動(dòng)作，質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)通過壓簧阻尼系統(tǒng)和傳感器配合實(shí)現(xiàn)功能。

馬鈴薯裝袋機(jī)每側(cè)4個(gè)裝袋裝置間歇作業(yè)，當(dāng)前3個(gè)倉(cāng)門全部裝滿關(guān)閉時(shí)，第4個(gè)裝袋裝置開始裝袋，經(jīng)過相應(yīng)時(shí)間余量，PLC控制打開首端倉(cāng)門以避免第4個(gè)裝袋裝置裝袋超出質(zhì)量，第4個(gè)裝袋裝置裝滿發(fā)送信號(hào)至PLC，相繼打開第2、3倉(cāng)門準(zhǔn)備裝袋工作。輥式導(dǎo)流馬鈴薯定重裝袋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 定重裝袋控制系統(tǒng)

為滿足輥式導(dǎo)流馬鈴薯定重裝袋機(jī)的工作需求，設(shè)計(jì)適用于該裝袋機(jī)的定重裝袋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各裝袋口的自動(dòng)定重裝袋，其主要包括檢測(cè)模塊、倉(cāng)門控制模塊、壓袋控制模塊和報(bào)警預(yù)警模塊。

輥式導(dǎo)流馬鈴薯定重裝袋機(jī)動(dòng)力源選用GPG減速電機(jī)，考慮到導(dǎo)流倉(cāng)門的關(guān)閉以及實(shí)際應(yīng)用性，裝袋機(jī)采用氣壓傳動(dòng)，通過CDJ2D16型氣缸控制導(dǎo)流倉(cāng)門的開閉以及壓袋動(dòng)作，系統(tǒng)主控制模塊選用西門子PLC S7-200。系統(tǒng)硬件主要由主控制器、MW T-200D型開關(guān)電源、TPC7062Ti型觸摸屏、UB1000-18GM75-V1型傳感器、C12-10NO型速度傳感器、ITV2030-312LX型比例控制閥、變頻器和4V210-08型電磁換向閥等構(gòu)成。系統(tǒng)通過對(duì)采集到的物料厚度、薯袋質(zhì)量和輸送速度進(jìn)行運(yùn)算，來協(xié)調(diào)各執(zhí)行元件的工作，其控制原理框圖如圖2所示。

2.2 導(dǎo)流裝置

導(dǎo)流裝置是馬鈴薯裝袋機(jī)的重要組成部分，主要由導(dǎo)流倉(cāng)門和四桿擋薯機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其機(jī)械結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)嚴(yán)重影響馬鈴薯裝袋的薯塊損傷和效率，因此將重點(diǎn)研究導(dǎo)流裝置，通過理論分析確定其基本結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)。

2.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

因?qū)Я餮b置與薯塊行進(jìn)方向存在夾角，當(dāng)最前端薯塊輸送至導(dǎo)流倉(cāng)門處時(shí)發(fā)生碰撞，撞擊瞬間薯塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生突變[9-10]，并受其他薯群的沖擊，當(dāng)導(dǎo)流倉(cāng)門與薯塊前進(jìn)方向的夾角為90°時(shí)，薯塊與導(dǎo)流倉(cāng)門發(fā)生正面撞擊，此時(shí)薯塊受到的沿導(dǎo)流倉(cāng)門方向的分力為零，故本文僅對(duì)導(dǎo)流倉(cāng)門與馬鈴薯行進(jìn)方向夾角小于90°的情況進(jìn)行分析。設(shè)單個(gè)薯塊所受合力為F0，其受力表達(dá)式為

(1)

其中

f1=Msgμ1

(2)

式中Fi——薯群對(duì)薯塊i的沖擊力，N

f1——薯塊與輸送帶摩擦力，N

Ms——單個(gè)薯塊質(zhì)量，kg

μ1——薯塊與輸送帶摩擦因數(shù)

g——重力加速度，取9.8 m/s2

此時(shí)薯塊受導(dǎo)流倉(cāng)門的摩擦力表達(dá)式為

f2=Fn0μ2

(3)

式中Fn0——薯塊受倉(cāng)門支持力，N

μ2——薯塊與倉(cāng)門摩擦因數(shù)

由式(1)、(2)可知，此時(shí)薯塊受到薯群的沖擊致使其受倉(cāng)門支持力較大，結(jié)合式(3)可知導(dǎo)流倉(cāng)門阻礙其向下運(yùn)動(dòng)的f2較大。

當(dāng)上料量較小時(shí)，薯塊所受F0較小，不足以將薯塊推動(dòng)，從而導(dǎo)致薯塊沿倉(cāng)門方向運(yùn)動(dòng)停滯，同時(shí)薯塊在f1作用下出現(xiàn)翻滾，此時(shí)薯皮循環(huán)摩擦極易造成累積疲勞損傷，因此采用輥式導(dǎo)流。輥式導(dǎo)流的優(yōu)點(diǎn)是在輥?zhàn)硬贾梅较蚰Σ亮^小可忽略不計(jì)，從而減小翻滾時(shí)間，達(dá)到有效減損。

導(dǎo)流倉(cāng)門由輥?zhàn)硬⑴虐惭b構(gòu)成，兩輥間隙應(yīng)在保證方便安裝前提下盡量小，其原因是輥?zhàn)娱g隙過大時(shí)不利于薯塊的下行，且間隙較大會(huì)導(dǎo)致薯塊與導(dǎo)流輥正碰撞概率增大，從而堆積概率增大，從而造成薯塊損傷；兩輥間隙較小時(shí)可看作摩擦力較小的平板，有利于導(dǎo)流。通過安裝和導(dǎo)流試驗(yàn)，本文確定兩輥中心距為22.5 mm，輥?zhàn)油鈴綖?0 mm。

2.2.2力學(xué)分析

2.2.2.1碰撞損傷分析

導(dǎo)流輥布置間隙較小，發(fā)生碰撞時(shí)可看作薯塊與下行方向摩擦力較小的平板撞擊。薯塊與導(dǎo)流輥碰撞屬于恢復(fù)系數(shù)為0～1的非完全彈性碰撞[11-12]，碰撞過程符合動(dòng)量守恒[9-10]，碰撞過程動(dòng)量公式為

(4)

式中v1——碰撞初速度，m/s

v2——碰撞末速度，m/s

t1——碰撞開始時(shí)刻

t2——碰撞結(jié)束時(shí)刻

F——碰撞力，N

根據(jù)彈性力學(xué)，在任何短暫的碰撞過程中，與相碰物體間巨大的內(nèi)力相比，外力的沖量可忽略[13-14]。據(jù)式(4)可知，馬鈴薯的速度在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生有限的變化，由于碰撞過程時(shí)間極短，故碰撞力較大[14-15]，易對(duì)馬鈴薯造成碰撞損傷。形變勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，馬鈴薯以一定速度彈出。

設(shè)薯與輥開始接觸時(shí)動(dòng)能為Tz，導(dǎo)流輥?zhàn)冃尾挥?jì)，且只考慮彈性，便簡(jiǎn)化為單自由度的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，如圖3所示。由彈性力學(xué)兩物碰撞原理知，由于薯塊彈性阻尼的作用，薯塊撞擊面法向速度逐漸變小，處于最大程度擠壓狀態(tài)時(shí)，薯塊撞擊局部達(dá)到最大變形量，系統(tǒng)速度變?yōu)榱鉡13]，薯塊變形量為Δd，自薯塊與輥接觸至薯塊最大變形，系統(tǒng)動(dòng)能由Tz變?yōu)榱?，?dòng)能變化量為ΔTz,此后形變回復(fù)，其表達(dá)式為

(5)

式中vn——法向撞擊速度，m/s

薯塊與輥沖擊系統(tǒng)動(dòng)能和勢(shì)能的變化量應(yīng)等于薯塊的應(yīng)變能，即

ΔTz+ΔVz=Vεd

(6)

式中 ΔVz——?jiǎng)菽茏兓?，J

Vεd——薯塊應(yīng)變能，J

薯塊與輥沖擊系統(tǒng)為水平系統(tǒng)，其勢(shì)能變化量ΔVz=0。設(shè)系統(tǒng)速度為零時(shí)薯塊的動(dòng)載荷為Fd，薯塊與輥沖擊過程動(dòng)載荷做功為

(7)

動(dòng)載荷做功應(yīng)等于薯塊的應(yīng)變能，即

(8)

若薯塊Msg以靜載形式壓在導(dǎo)流輥上，設(shè)薯塊的靜變形和靜應(yīng)力分別為Δs和σs。在動(dòng)載荷Fd作用下，其變形和應(yīng)力分別為Δd和σd。在線彈性范圍內(nèi)，即符合胡克定律的情況下，載荷、變形和應(yīng)力正相關(guān)，則

(9)

聯(lián)立式(5)～(9)得

(10)

由上述分析知，馬鈴薯的撞擊速度影響撞擊時(shí)的應(yīng)力，繼而造成馬鈴薯塊莖的損傷。

2.2.2.2翻滾損傷分析

由于馬鈴薯呈近似橢圓形，以單個(gè)薯塊為研究對(duì)象，薯塊在碰撞后，自身狀態(tài)趨于穩(wěn)定，以最穩(wěn)定的狀態(tài)依附在導(dǎo)流輥一側(cè)。如圖4作空間坐標(biāo)系，其受力如圖4所示。

此階段輸送帶持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，薯塊分別在XY面和YZ面與輸送帶和導(dǎo)流輥接觸，薯塊底端受到薯-帶動(dòng)摩擦力Ff1，且Ff1作用面與薯、輥接觸面存在Z方向高度差hz，薯塊受力不平衡，促使薯塊有翻滾趨勢(shì)。同時(shí)薯塊受其他薯塊的沖擊力，由于薯塊與輸送帶接觸處受Ff1以及X軸分量Ff1x、Fix的作用，阻礙薯塊的翻滾趨勢(shì)。薯塊翻滾的受力公式為

(11)

式中μd——薯-帶動(dòng)摩擦因數(shù)

Ff2——薯與輥摩擦力，N

μg——薯-輥摩擦因數(shù)

θ——導(dǎo)流倉(cāng)門與側(cè)板夾角，(°)

Fy——沖擊力和薯-帶動(dòng)摩擦力Y軸分量，N

由翻滾過程受力分析可知，在導(dǎo)流輥角度、輸送速度一定的條件下，薯塊能否向下運(yùn)動(dòng)以及翻滾速度取決于Fi，即取決于馬鈴薯的上料量。Fy≤Ff1，薯塊不能沿輥向下運(yùn)動(dòng)；Fy≥Ff1，薯塊能沿輥向下運(yùn)動(dòng)。

2.2.3導(dǎo)流過程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為避免擋薯板聯(lián)動(dòng)時(shí)與中間連桿出現(xiàn)死點(diǎn)，應(yīng)始終保證擋薯板與中間連桿夾角α>180°[16-17]。馬鈴薯在碰撞之前與輸送帶以相同的速度vs運(yùn)動(dòng)，不同的上料量致使薯群密集程度不一，薯與輥接觸后將出現(xiàn)碰撞躍起-直線運(yùn)動(dòng)和沿輥直線運(yùn)動(dòng)兩種現(xiàn)象，且沿輥直線運(yùn)動(dòng)階段往往伴隨薯塊的自轉(zhuǎn)。

上料量較小(小于20 t/h)時(shí)，薯塊為碰撞躍起-直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程如圖5所示。根據(jù)兩體碰撞原理，速度為vs的薯塊以入射角θ沖擊導(dǎo)流輥，碰撞過程完成后以速度va反射角θ躍起，經(jīng)過多次拋物線運(yùn)動(dòng)，最終伴隨翻滾沿輥運(yùn)動(dòng)至出料口。由于除AC段外，其他階段躍起不明顯，故對(duì)CD段進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)分析。

以裝袋機(jī)輸送方向的反向并過導(dǎo)流倉(cāng)門末端為Y軸，與導(dǎo)流倉(cāng)門呈(90°-θ)夾角為X軸作平面坐標(biāo)系，則AC段運(yùn)動(dòng)過程如圖6所示。

薯塊在點(diǎn)A第1次碰撞完成后以初速度va彈出，vax和vay分別為反彈脫離導(dǎo)流輥后水平分速度和豎直分速度，薯塊在豎直方向和水平方向均受薯-帶動(dòng)摩擦力，其加速度為

ax=ay=μdg

(12)

vax和vay表達(dá)式為

(13)

式中vs——輸送帶輸送速度，m/s

由上述表達(dá)式得到，AC階段vax始終為加速度為ax的勻減速運(yùn)動(dòng)，Y軸方向AB階段vay以加速度ay勻減速至與vs相等，此時(shí)Y軸方向薯塊與導(dǎo)流輥相對(duì)靜止，此時(shí)薯塊彈起的最大高度h2為

(14)

其中

vay=vs-aytab

(15)

式中tab——AB段薯塊運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

h2——薯塊第1次躍起距離的Y軸分量，m

下一時(shí)刻vay實(shí)際速度方向反轉(zhuǎn)，并以加速度ay作勻加速運(yùn)動(dòng)，合運(yùn)動(dòng)為平拋運(yùn)動(dòng)，則

(16)

式中h3——薯塊與輥身2次碰撞的Y軸沖擊距離，m

tbc——BC段薯塊運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

薯塊在點(diǎn)C發(fā)生二次沖擊，但h3數(shù)值較小，vay在ay加速下的末速度小于vs，沖擊力遠(yuǎn)小于第1次沖擊。由式(14)～(16)得薯塊彈起回落時(shí)間tac表達(dá)式為

tac=tab+tbc

(17)

tac時(shí)間內(nèi)薯塊水平方向位移為

lac=l1+l2

(18)

式中l(wèi)1——最大躍起高度時(shí)沿X軸的位移，m

l2——最大躍起點(diǎn)至再次撞擊導(dǎo)流倉(cāng)門的沿X軸位移，m

AC階段結(jié)束薯塊趨于穩(wěn)定，CD階段沿導(dǎo)流輥直線運(yùn)動(dòng)至出料口，CD段長(zhǎng)度lCD表達(dá)式為

(19)

式中l(wèi)AD——導(dǎo)流倉(cāng)門總長(zhǎng)，m

CD階段薯塊為初速度為vc的運(yùn)動(dòng)，且伴隨翻滾和薯群的沖擊。

上料量較大(大于24 t/h)時(shí)，薯塊無彈起空間，如圖7所示，AD段均為伴隨自轉(zhuǎn)的直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)因上料量及排列不均勻等因素影響，薯塊受沖擊力Fi較復(fù)雜且不唯一，故其下行運(yùn)動(dòng)方程可寫為

(20)

由上述分析可知，薯-輥接觸時(shí)間取決于薯塊躍起的初速度和Fi對(duì)下行速度的補(bǔ)充，為避免此階段運(yùn)動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，薯塊產(chǎn)生疲勞損傷和堆積，應(yīng)選擇合適的導(dǎo)流倉(cāng)門角度(15°～90°)、輸送帶速度(大于0.25 m/s)和馬鈴薯上料量，其將影響薯塊CD段運(yùn)動(dòng)時(shí)間，繼而影響破皮率、傷薯率和裝袋效率。

2.3 定重裝袋裝置

定重裝袋裝置是規(guī)范薯袋質(zhì)量的關(guān)鍵部件，主要由裝袋平臺(tái)、升降滑軌、壓簧阻尼系統(tǒng)和傳感器構(gòu)成。

本設(shè)計(jì)采用壓簧作為質(zhì)量的衡量模塊，利用其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形變與受力線性相關(guān)的特性，從而保持薯堆與出料口縱向距離的穩(wěn)定，達(dá)到有效減損。由相關(guān)馬鈴薯跌落損傷試驗(yàn)可知，薯塊跌落損傷是主要損傷之一[11，18]，故所設(shè)計(jì)裝袋平臺(tái)采用柔性材料，并根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況確定裝袋平臺(tái)與出料口縱向距離hz。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，一般情況下馬鈴薯裝袋質(zhì)量小于等于40 kg，袋長(zhǎng)為800 mm左右，根據(jù)壓簧設(shè)計(jì)方法[19]計(jì)算選用壓簧(每個(gè)定重裝袋裝置裝配2根)參數(shù)為螺旋中徑18 mm，線徑2 mm，總?cè)?shù)30，節(jié)距15.8 mm。

裝袋作業(yè)時(shí)，薯塊平拋跌落至裝袋平臺(tái)，薯塊與裝袋平臺(tái)碰撞前速度表達(dá)式為

(21)

式中ve——薯塊與裝袋平臺(tái)碰撞前速度，m/s

vd2——薯塊脫離導(dǎo)流輥時(shí)速度，m/s

由式(21)知，輥式馬鈴薯定重裝袋機(jī)各機(jī)構(gòu)參數(shù)確定前提下，薯塊跌落時(shí)的速度主要由薯塊脫離出料口底板初速度(薯塊與導(dǎo)流倉(cāng)門碰撞后末速度)和跌落高度決定，因此只需在滿足方便作業(yè)情況下縮小跌落高度即可減損。

同時(shí)，裝袋平臺(tái)壓簧受到薯塊跌落沖擊做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，假設(shè)同時(shí)跌落質(zhì)量為Md，則其運(yùn)動(dòng)表達(dá)式為

(Mp+Md)vg=Mdve

(22)

式中vg——薯塊跌落至裝袋平臺(tái)后共同速度，m/s

Mp——無薯塊時(shí)裝袋平臺(tái)質(zhì)量，kg

系統(tǒng)在振動(dòng)過程中機(jī)械守恒，即

(23)

式中k——壓簧勁度系數(shù)，N/m

A——簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)振幅，m

x0——系統(tǒng)平衡位置壓簧行程，m

由式(21)～(23)得

(24)

由式(24)知，壓簧振幅與Md、hz正相關(guān)，壓簧振幅過大會(huì)造成薯-薯碰撞損傷，故應(yīng)盡量減小裝袋平臺(tái)與出料口縱向距離hz，且裝袋平臺(tái)采用柔性材料以避免碰撞損傷，同時(shí)壓簧卸荷后的形變回復(fù)過程具有危險(xiǎn)性，因此本設(shè)計(jì)采用氣壓撐桿阻尼器吸收壓簧振動(dòng)來有效減損。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020年7月在山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司廠區(qū)內(nèi)進(jìn)行，本文所設(shè)計(jì)的馬鈴薯裝袋機(jī)適用于單顆質(zhì)量小于500 g馬鈴薯裝袋，試驗(yàn)選用收獲期分級(jí)后希森3號(hào)馬鈴薯作為試驗(yàn)材料。經(jīng)實(shí)際測(cè)量計(jì)算，馬鈴薯單個(gè)質(zhì)量為100～300 g，含水率為84.6%，且薯塊均無外部損傷。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2.1破皮率和傷薯率

根據(jù)相關(guān)研究，目前國(guó)內(nèi)外測(cè)定球形果蔬損傷主要有體積法和面積法，本文采用面積法。面積法是將擦傷區(qū)域近似為橢圓形，采用橢圓面積公式計(jì)算馬鈴薯實(shí)際擦傷面積[20-21]，擦傷面積大于0.2 cm2的薯塊視為破皮，傷及薯肉的薯塊根據(jù)農(nóng)戶認(rèn)可程度并結(jié)合組織變色判別為傷薯[19，22]，經(jīng)過多次試驗(yàn)，表皮完好的內(nèi)損現(xiàn)象并未出現(xiàn)，因此可忽略不計(jì)。其破皮率y1和傷薯率y2計(jì)算公式為

(25)

式中mp——每袋中視為破皮薯質(zhì)量，kg

ms——每袋中視為傷薯質(zhì)量，kg

Mz——每袋總質(zhì)量，kg

3.2.2單口裝袋效率

通過記錄相應(yīng)裝袋質(zhì)量下的裝袋時(shí)間得到單口裝袋效率，試驗(yàn)所用秒表為L(zhǎng)NS-030型，其計(jì)算公式為

(26)

式中η——單口裝袋效率，t/h

tz——裝袋質(zhì)量為Mz所用時(shí)間，s

3.3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

試驗(yàn)以輥式導(dǎo)流馬鈴薯定重裝袋機(jī)導(dǎo)流倉(cāng)門角度、輸送速度和上料量為試驗(yàn)因素，以裝袋機(jī)破皮率、傷薯率和單口裝袋效率為指標(biāo)，采用Design-Expert 8.0.6軟件設(shè)計(jì)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)[23-24]，其因素編碼如表2所示。其中導(dǎo)流倉(cāng)門角度通過調(diào)節(jié)導(dǎo)流倉(cāng)門連桿改變，輸送速度通過變頻器調(diào)節(jié)，上料量通過改變輸送帶上薯塊的疏密程度改變。試驗(yàn)過程中以每袋30 kg馬鈴薯為試驗(yàn)對(duì)象，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，裝袋完成后記錄指標(biāo)值，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 因素編碼

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

3.4 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

試驗(yàn)指標(biāo)方差分析結(jié)果如表4～6所示。通過Design-Expert 8.0.6軟件建立線性回歸模型擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，并通過比較偏回歸系數(shù)確定影響因素的主次關(guān)系。由表4～6可知，破皮率、傷薯率和單口裝袋效率模型項(xiàng)均表現(xiàn)為P<0.01，表明模型顯著。破皮率、傷薯率和單口裝袋效率失擬項(xiàng)均表現(xiàn)為P>0.1，不顯著，表明各回歸方程擬合較好，具有實(shí)際意義，可較好地表示導(dǎo)流倉(cāng)門角度、輸送速度和上料量與破皮率、傷薯率、單口裝袋效率的數(shù)學(xué)關(guān)系。

表4 破皮率方差分析

影響不顯著(P>0.1)，將不顯著項(xiàng)刪除后并重新進(jìn)行擬合得實(shí)際值多元二次回歸方程為

y1=14.32-0.53x1-15.10x2+0.22x3+0.31x1x2+

(27)

表5 傷薯率方差分析

(28)

表6 單口裝袋效率方差分析

(29)

3.5 試驗(yàn)結(jié)果響應(yīng)面分析

采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，以明晰各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律。

在交互效應(yīng)中，交互項(xiàng)輸送速度與導(dǎo)流倉(cāng)門角度對(duì)破皮率影響顯著，如圖8a所示，上料量為22.5 t/h，導(dǎo)流倉(cāng)門角度較小時(shí)，破皮率隨輸送速度的增大先升高后降低，且輸送速度越大，破皮率增大趨勢(shì)越明顯，分析其原因?yàn)檩斔退俣鹊脑龃笫故砣簺_擊力增大，造成破皮率的升高。當(dāng)輸送速度繼續(xù)增大，由于此時(shí)導(dǎo)流倉(cāng)門角度較小，薯塊躍起運(yùn)動(dòng)方向與運(yùn)輸方向角度較大，致使部分薯塊直接進(jìn)入出料口，從而撞擊率較小，破皮率輕微下降。

輸送速度與上料量交互項(xiàng)對(duì)破皮率影響極顯著，如圖8c所示，導(dǎo)流倉(cāng)門角度為50°，輸送速度為一定值時(shí)(0.40～0.51 m/s)，破皮率隨上料量的增大先升高后降低，分析其原因?yàn)槭韷K在導(dǎo)流倉(cāng)門處有輕微的翻滾現(xiàn)象，上料量較小時(shí)薯群沖擊力較小，隨著上料量的增大沖擊力而增大，因此破皮率出現(xiàn)上升現(xiàn)象。而當(dāng)上料量增大至一定值(約24 t/h)，薯塊與導(dǎo)流倉(cāng)門的撞擊率減小，致使破皮率有輕微降低。輸送速度較大時(shí)，破皮率隨上料量增大而升高，分析其原因?yàn)檩斔退俣容^大時(shí)，薯塊出現(xiàn)躍起現(xiàn)象，撞擊率隨之升高，因此破皮率呈逐漸升高趨勢(shì)。

3.6 參數(shù)優(yōu)化

在約束條件下，利用Design-Expert 8.0.6軟件參數(shù)優(yōu)化模塊對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，選取最佳導(dǎo)流倉(cāng)門角度、輸送速度和上料量，以獲得破皮率、傷薯率和單口裝袋效率的較優(yōu)值。根據(jù)用戶對(duì)馬鈴薯裝袋設(shè)備的基本需求，實(shí)際裝袋過程中破皮率和傷薯率相較于單口裝袋效率更為重要。為解決此問題，在Design-Expert 8.0.6優(yōu)化模塊中對(duì)各個(gè)指標(biāo)重要程度進(jìn)行設(shè)定，其中破皮率和傷薯率設(shè)定為“++++”，單口裝袋效率設(shè)定為“+++”。根據(jù)裝袋實(shí)際工作情況以及分析結(jié)果得其優(yōu)化求解約束條件為

(30)

經(jīng)過優(yōu)化求解得到，當(dāng)導(dǎo)流倉(cāng)門角度為44.98°，輸送速度為0.35 m/s，上料量為26.75 t/h時(shí)，馬鈴薯裝袋機(jī)各指標(biāo)為：破皮率1.9%，傷薯率1.4%，單口裝袋效率為11.4 t/h。

3.7 驗(yàn)證試驗(yàn)

為確保參數(shù)優(yōu)化預(yù)測(cè)值的可靠性，根據(jù)實(shí)際工作情況及優(yōu)化參數(shù)取導(dǎo)流倉(cāng)門角度為45°，輸送速度為0.35 m/s，上料量為27 t/h，在二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)相同試驗(yàn)條件下，以理論預(yù)測(cè)最佳參數(shù)組合進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證并取平均值，同時(shí)觀察機(jī)器裝袋運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示，馬鈴薯定重裝袋機(jī)破皮率為1.8%，傷薯率為1.4%，單口裝袋效率為12.4 t/h。對(duì)比原有馬鈴薯裝袋機(jī)，該輥式導(dǎo)流馬鈴薯定重裝袋機(jī)裝袋過程薯塊運(yùn)行順暢、無堆積現(xiàn)象、袋效率較高，馬鈴薯破皮率降低5個(gè)百分點(diǎn)，傷薯率降低3個(gè)百分點(diǎn)，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖11所示。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種基于輸送帶的輥式導(dǎo)流馬鈴薯定重裝袋機(jī)，實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯的定重裝袋，解決了原有馬鈴薯裝袋機(jī)堆積和傷薯問題。

(2)利用Design-Expert 8.0.6軟件建立了試驗(yàn)因素與指標(biāo)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，通過方差分析得到破皮率和傷薯率的影響因素主次順序均為導(dǎo)流倉(cāng)門角度、輸送速度、上料量，單口裝袋效率的影響因素主次順序?yàn)樯狭狭?、輸送速度、?dǎo)流倉(cāng)門角度。通過響應(yīng)面法分析闡述了交互效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律。

(3)試驗(yàn)表明：當(dāng)導(dǎo)流倉(cāng)門角度為45°、輸送速度為0.35 m/s、上料量為27 t/h時(shí)，破皮率為1.8%，傷薯率為1.4%，單口裝袋效率為12.4 t/h。在該參數(shù)組合下，馬鈴薯破皮率和傷薯率均較低，且裝袋效率較高，滿足用戶裝袋要求。