單信和，王崇慶，李學(xué)強，王相友

(1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東淄博,255000;2. 山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司,山東德州,253600)

0 引言

馬鈴薯是僅次于小麥、玉米以及水稻的世界第四大農(nóng)作物[1-2]。馬鈴薯主要以切塊播種為主,目前國內(nèi)馬鈴薯種薯切塊機由于沒有固定種薯的裝置,使得種薯在輸送時排布雜亂無章,極易切除頂芽,增加了馬鈴薯的種植成本。因此,亟待研制能夠保留種薯頂端優(yōu)勢的馬鈴薯種薯切塊機夾持裝置。

國外對馬鈴薯種薯切塊技術(shù)的研究起步較早[3-8],其種薯切塊機集上料、分級、切種、噴藥處理于一體[9]。隨著馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的實施,國內(nèi)種薯切塊機械的研究引起了很多專家的關(guān)注。郭志東[10]設(shè)計的自動切塊機采用圓錐臺輥子輸送種薯,增加了重量傳感器實時測量薯塊的質(zhì)量。周樹林[11]設(shè)計的舀勺式馬鈴薯切塊機,主要由機箱、驅(qū)動裝置、切塊組件等組成,采用3種切刀對種薯進行切塊。汪小強[12]設(shè)計了一種馬鈴薯切塊機械,通過推桿擠壓種薯向第一刀片運動完成第一次切塊,第二刀片上移完成種薯第二次切塊。王相友等[13]設(shè)計了一臺定向排列縱橫切分馬鈴薯種薯切塊機,該機采用圓臺橡膠輥組調(diào)整種薯的重心,圓盤縱刀對種薯進行初次分割,薯刀梳子配合橫刀完成后續(xù)切塊過程。劉權(quán)磊[14]對切塊機圓臺橡膠輪的尺寸進行了優(yōu)化,更有利于種薯整列排序,通過設(shè)計新的刀架實現(xiàn)圓盤刀角度的改變,可一定程度上解決薯塊不均勻的問題。

綜上所述,國內(nèi)專家已經(jīng)在種薯切塊機械的研究領(lǐng)域內(nèi)取得了很大突破,但是種薯切塊仍存在容易將種薯頂芽部分切為片狀,導(dǎo)致薯塊發(fā)芽缺乏足夠營養(yǎng)、損耗大的問題。為解決以上問題,本文設(shè)計了一種四爪夾持式的馬鈴薯種薯夾持裝置,該裝置每次只攜帶一個種薯,能夠很好地固定種薯在輸送與切塊過程中的姿態(tài),并且配合兩次對半分割的切塊方式,可以達到薯塊含有芽眼、保留種薯頂端優(yōu)勢的目的。

1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

馬鈴薯種薯切塊機試驗臺主要包括夾持裝置、圓盤刀、切刀高度調(diào)節(jié)裝置、輸送電機、切刀轉(zhuǎn)動電機、機架等,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a) 主視圖

(b) 俯視圖

1.2 工作原理

為了達到較好地夾持效果,在前端設(shè)備的喂入裝置輸送帶上安裝弧形擋板,相鄰擋板之間的距離與相鄰夾持裝置間的中心距相等,保證種薯順利落入夾持裝置。擋板與夾持裝置均依據(jù)種薯外形特征進行設(shè)計,且保證每次輸送一個種薯。切塊過程中,姿態(tài)一致、有序排列的種薯從喂入裝置的末端拋出落入夾持裝置。夾持裝置攜帶種薯向圓盤刀方向勻速前進。第1片圓盤刀沿種薯短軸截面對種薯進行切割,經(jīng)擋板阻擋夾持裝置轉(zhuǎn)動90°,隨后第2片圓盤刀沿種薯長軸截面對種薯進行第2次切割,夾持裝置再次轉(zhuǎn)動90°進行復(fù)位,隨后薯塊在夾持裝置翻轉(zhuǎn)下掉落至輸送帶上。第二次切薯將種薯頂端均分,使4個薯塊都含有頂芽。兩圓盤刀之間保留一定距離,避免夾持裝置轉(zhuǎn)動時與圓盤刀干涉。

1.3 夾持裝置結(jié)構(gòu)組成與工作原理

夾持裝置主要由夾持爪、托板組、彈簧座、調(diào)緊螺桿和底板構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,托板組由4塊托板構(gòu)成,對角安裝的托板相同。對角安裝的夾持爪相同,其安裝滑輪的一端放置在彈簧座滑槽內(nèi)。彈簧座中放置4個彈簧,每個導(dǎo)向滑軌內(nèi)放置1個。軸承位于彈簧座與底板之間。調(diào)緊螺桿穿過底板上的方形凸臺對稱安裝在裝置兩側(cè),其頂端安裝橡膠摩擦塊緊貼彈簧座底部,摩擦塊表面設(shè)計為鋸齒形來增大摩擦。

圖2 夾持裝置結(jié)構(gòu)圖

種薯切塊前,調(diào)整喂入裝置末端的擋板與試驗臺起始端的夾持裝置在豎直方向重合。該裝置工作時,由輸送電機驅(qū)動夾持裝置勻速運動,夾持部件憑借種薯的碰撞完成夾薯動作。種薯經(jīng)喂入裝置排序,其水平速度與夾持裝置輸送速度相同并依次落入夾持裝置,種薯表面并不規(guī)則,其表面凸起處首先碰撞托板并帶動托板下移擠壓彈簧,同時4個夾持爪向內(nèi)收縮,夾緊種薯。夾持過程中,每組托板、夾持爪和彈簧是獨立運動的,這樣可以使夾持裝置能夠自適應(yīng)種薯不規(guī)則的表面夾緊種薯。通過4組托板、夾持爪和彈簧的獨立運動可實現(xiàn)種薯的姿態(tài)調(diào)節(jié),讓其短軸截面對準(zhǔn)切刀,保證切刀均分薯塊,提高薯塊品質(zhì)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 托板組設(shè)計

種薯碰撞壓板會產(chǎn)生作用力,故壓板表面采用緩震材料,托板組結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)種薯長軸橫截面,將托板組設(shè)計為“類橢圓形”,其長軸為120 mm,短軸為60 mm。由于種薯表面不規(guī)則,因此將托板組設(shè)計為4塊,每塊托板獨立運動,可以實現(xiàn)夾持裝置自適應(yīng)種薯表面夾緊種薯。為了保證種薯喂入前夾持爪呈打開狀態(tài),夾持裝置通過彈簧支撐托板組,托板組下端面設(shè)計導(dǎo)向塊擠壓彈簧實現(xiàn)夾薯。當(dāng)彈簧達到最大變形量時,彈簧彈力為

圖3 托板組結(jié)構(gòu)圖

Fd=kΔd

(1)

式中:Fd——彈簧彈力,N;

k——彈簧勁度系數(shù),N/m;

Δd——彈簧最大變形量,m。

為保證夾持爪可以夾緊種薯,此時彈簧彈力應(yīng)不大于種薯重力,即

Fd≤Mg

(2)

式中:M——種薯平均質(zhì)量,kg;

g——重力加速度,取9.8 m/s2。

考慮到夾持裝置尺寸較小,且夾緊過程迅速,導(dǎo)向塊長度取25 mm,即彈簧最大變形量為25 mm。用于切種的種薯質(zhì)量較小,由式(1)、式(2)可知,為了使得質(zhì)量偏小的種薯可以被夾緊,需要選取勁度系數(shù)較小的彈簧。當(dāng)夾持裝置隨鏈條運動至切塊機下方時,要使得夾持爪順利打開,因此彈簧勁度系數(shù)不能過小。經(jīng)稱重,測得試驗種薯平均質(zhì)量為260 g,代入式(1)、式(2)得彈簧勁度系數(shù)最大為104 N。根據(jù)多次夾持試驗篩選,確定了彈簧勁度系數(shù)在60～80 N/m時種薯能夠被夾緊且夾持爪能夠順利打開。托板與夾持爪之間采用銷連接,該方式連接穩(wěn)定且運動平順。為保證托板不會脫離彈簧座,在導(dǎo)向塊底端插入限位銷。為滿足圓盤刀走刀需求,設(shè)計的托板組開設(shè)十字槽,寬10 mm,切刀經(jīng)十字槽分割種薯。

2.2 夾持爪設(shè)計

夾持爪是夾持裝置的關(guān)鍵部件[15-18],包括夾板、連桿、肋板和滑輪,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。種薯擠壓托板在豎直方向運動,而夾持爪需要從側(cè)面夾緊種薯,故將連桿設(shè)計為圖4所示,同時增加滑輪減少運動時的摩擦力,做到快速夾薯,并通過增加肋板提高夾板與連桿之間的連接強度。該部件的特點在于夾持爪可以從4個方向自適應(yīng)種薯外形夾薯,夾板能夠做到緊貼種薯表皮但不會因夾緊力過大導(dǎo)致芽眼損傷。種薯一般呈“類橢球形”,為增大夾板與種薯接觸時的面積,將夾板的內(nèi)表面設(shè)計為半徑為47.5 mm的圓柱面。

圖4 夾持爪結(jié)構(gòu)圖

夾薯前,4個夾持爪打開,此時夾持裝置開口遠大于種薯外輪廓,能夠滿足尺寸較大的種薯喂入。夾薯時,夾持爪向內(nèi)收縮,夾板的內(nèi)表面包絡(luò)呈“類橢圓形”。四爪夾持可實現(xiàn)種薯位姿調(diào)整,使種薯短軸截面對準(zhǔn)切刀,配合切刀均分種薯,這樣即保證了頂芽部分不被切為片狀,又使每個薯塊都存在頂芽,有效減少種薯損耗。為了提高夾持穩(wěn)定性,設(shè)計的每組夾持裝置包含4個夾持爪。以夾持爪底端小孔的運動方向為X軸,其上端小孔的運動方向為Y軸,建立平面直角坐標(biāo)系,運動過程如圖5所示,實線為初位置,虛線為末位置。

圖5 夾持爪運動初末位置圖

種薯穩(wěn)定后,導(dǎo)向滑塊運動至最底部,彈簧達到最大變形量,夾持爪D(H)點運動至種薯水平均分截面處,夾持爪BC段的長度

lBC=lOE+lEH

(3)

式中:lBC——夾持爪BC段長度,mm;

lOE——末位置處,夾持爪上端小孔至滑輪中心的豎直距離,mm;

lEH——末位置處,夾持爪上端小孔至種薯水平均分截面的豎直距離,mm。

此時,lOE等于導(dǎo)向滑塊的長度,lEH等于種薯短軸半徑的長度,經(jīng)測量,種薯短軸半徑平均值為30 mm,故lBC為55 mm。

為減小托板的豎直方向位移行程并滿足彈簧和導(dǎo)向滑塊的安裝,由幾何關(guān)系可知,夾持爪AB段長度

(4)

式中:lAB——夾持爪AB段長度,mm;

α——夾持爪AB段初始角度,(°)。

由式(4)可知,夾持爪AB段初始角度大小影響夾持爪的尺寸。由于各零部件之間存在一定的摩擦力,夾持爪AB段初始位置與水平方向的夾角過大會導(dǎo)致夾持裝置卡死,而夾角過小則導(dǎo)致夾持爪開口不足以容納種薯,取該夾角范圍為50°～80°,每10°做3組試驗,當(dāng)夾角為70°時夾持爪運動平順,且開口大小可以滿足種薯喂入要求,因此取AB段初始角度為70°,考慮到加工方便性,將夾持爪AB段長度設(shè)計為37 mm。

2.3 彈簧座設(shè)計

本文設(shè)計了彈簧座配合夾薯作業(yè),其結(jié)構(gòu)如圖6所示。導(dǎo)向滑軌內(nèi)各安裝1個彈簧,滑槽內(nèi)放置夾持爪帶有滑輪的一端,彈簧座圓形面下端面設(shè)計4個旋轉(zhuǎn)凸臺,凸臺碰撞機架上的擋板可使彈簧座轉(zhuǎn)動90°,配合切刀完成四瓣切薯工作。該部件最底部設(shè)計1個圓柱形固定筒,其內(nèi)部安裝軸承,外圓柱面與鋸齒橡膠摩擦塊緊密貼合限制彈簧座的轉(zhuǎn)動角度,由于夾持裝置輸送速度不快,經(jīng)試驗觀察,采用此限位方式滿足要求。

圖6 彈簧座結(jié)構(gòu)圖

作業(yè)時,為保證導(dǎo)向滑塊和彈簧運動時不卡頓,導(dǎo)向滑軌孔徑要略大于彈簧外徑,故其孔徑取10 mm。為滿足彈簧以及導(dǎo)向塊的安裝尺寸需求,導(dǎo)向滑軌深度要大于彈簧壓縮后長度與導(dǎo)向滑塊長度的總和,即

Hh≥ld+lm

(5)

式中:Hh——導(dǎo)向滑軌深度,mm;

跨入新時代，五建不斷提升傳統(tǒng)業(yè)務(wù)發(fā)展質(zhì)量，積極探索轉(zhuǎn)型業(yè)務(wù)，努力從傳統(tǒng)施工企業(yè)向高新技術(shù)企業(yè)轉(zhuǎn)變，并與員工共享發(fā)展成果。不斷變革，不斷創(chuàng)新，不斷突破，不斷凝聚，五建越發(fā)展越年輕，腳下的路越走越寬闊。

lm——彈簧壓縮后長度,mm;

ld——導(dǎo)向滑塊的長度,mm。

彈簧壓縮后會留有一定的長度,本文選用的彈簧壓縮至最大壓縮量位置時,其長度最大為5 mm,故導(dǎo)向滑軌深度取30 mm。

為保證夾持爪在運動過程中不脫離彈簧座,彈簧座直徑設(shè)計為150 mm。夾持爪滑輪在彈簧座滑槽內(nèi)平動,滑槽長度應(yīng)大于夾持爪在彈簧座上的移動距離,即

lc≥lAB·cosβ-lAB·cosα

(6)

式中:lc——滑槽長度,mm;

β——種薯夾緊狀態(tài),夾持爪AB段與水平方向夾角,為42.5°。

由式(6)可得,滑槽長度最小為14.6 mm,考慮到滑輪的安裝尺寸,將滑槽長度設(shè)計為30 mm。

3 試驗與分析

3.1 試驗條件

試驗于2021年6月在山東德州試驗基地進行,選取分級后的荷蘭15號一級良種為試驗材料,其形狀為長橢圓形,質(zhì)量范圍為220～270 g,采用自制的馬鈴薯種薯切塊機試驗臺進行試驗。

3.2 正交試驗與分析

以荷蘭15號一級良種為參考,進行單因素試驗,種薯喂入高度為100～200 mm,彈簧勁度系數(shù)為60～100 N/m,夾板材料為PVC、硅膠、EVA。其中高度低于該范圍會使得前端喂入設(shè)備與試驗臺干涉,高于該范圍彈出夾持裝置的種薯驟增,并且芽眼損傷嚴重;勁度系數(shù)高于該范圍導(dǎo)致夾持裝置不能夾緊種薯,影響切塊質(zhì)量,低于該范圍彈簧緩沖作用小,容易損傷芽眼;夾板材料對芽眼損傷有很大影響,硬度高的材料對芽眼損傷較大,但硬度低的材料使用壽命較低,所以種薯喂入高度、彈簧勁度系數(shù)、夾板材料,這些因素直接影響了薯塊品質(zhì)。

根據(jù)馬鈴薯種薯切塊的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與中國農(nóng)業(yè)機械學(xué)會發(fā)布的團體標(biāo)準(zhǔn),將含有芽眼且質(zhì)量在35～65 g的薯塊作為合格薯塊,其余認定為損耗薯塊,選擇漏取率、損耗率為評價指標(biāo),其計算公式如式(7)所示。

(7)

式中:Q1——漏取率,%;

n1——彈出夾持裝置種薯的質(zhì)量,kg;

N——種薯總質(zhì)量;

Q2——損耗率,%;

n2——損耗薯塊的質(zhì)量,kg。

采用三因素三水平正交試驗方案,因素水平安排如表1所示。

表1 試驗因素水平Tab. 1 Experimental factors and codes

試驗前使用電子秤將種薯稱好,調(diào)整喂入裝置轉(zhuǎn)速為30 r/min,試驗臺輸送軸轉(zhuǎn)速為30 r/min,刀軸轉(zhuǎn)速為110 r/min。每30個馬鈴薯為一組,每組試驗重復(fù)3次,記錄每組試驗后彈出夾持裝置種薯的質(zhì)量與認定為損耗薯塊的質(zhì)量,取3組試驗的平均值作為試驗結(jié)果,試驗方案如表2所示,極差分析結(jié)果如表3所示。

表2 正交試驗方案與結(jié)果Tab. 2 Orthogonal test design scheme and results

表3 極差分析結(jié)果Tab. 3 Results of range analysis

根據(jù)上述試驗結(jié)果,以漏取率及損耗率為考察指標(biāo)的正交試驗中,由表3可知兩指標(biāo)對應(yīng)的較優(yōu)因素水平組合均為A1B1C3。各因素對漏取率的影響主次順序為彈簧勁度系數(shù)、喂入高度、夾板材料,各因素對損耗率的影響主次順序為夾板材料、喂入高度、彈簧勁度系數(shù)。

當(dāng)喂入高度為100 mm、150 mm和200 mm時,漏取率分別為5.90%、7.29%和7.69%,即漏取率隨喂入高度增大而增大,較優(yōu)因素水平為A1;這是因為在喂入高度增大時,種薯回彈高度增大,導(dǎo)致種薯脫離夾持爪的固定,造成漏取率的增大。當(dāng)喂入高度為100 mm、150 mm和200 mm時,損耗率分別為8.53%、8.60%和10.45%,即損耗率隨喂入高度增大而增大,較優(yōu)因素水平為A1;這是因為在喂入高度增大時,種薯與托板及夾板碰撞時的速度增大,種薯的沖擊力增大,造成損耗率的升高。由表3可知喂入高度為A1時漏取率和損耗率均維持在較低水平,因此選取A1作為較優(yōu)因素水平。

當(dāng)彈簧勁度系數(shù)為60 N/m、80 N/m和100 N/m時,漏取率分別為4.02%、6.60%和10.26%,即漏取率隨彈簧勁度系數(shù)增大而增大,且彈簧勁度系數(shù)越大,漏取率增大趨勢越明顯,較優(yōu)因素水平為B1;這是因為勁度系數(shù)較小時,彈簧較軟,種薯自重可以將其壓縮,夾持爪張開不明顯,這時種薯在夾持裝置內(nèi)會有輕微晃動,但夾持爪仍可以固定種薯,當(dāng)彈簧勁度系數(shù)較大時,種薯自重不能將彈簧壓縮,導(dǎo)致夾持爪無法收緊,造成漏取率增大明顯。

當(dāng)彈簧勁度系數(shù)為60 N/m、80 N/m 和100 N/m時,損耗率分別為8.90%、9.55%和9.12%,即損耗率隨彈簧勁度系數(shù)增大先增大再降低,較優(yōu)因素水平為B1;這是因為隨著彈簧勁度系數(shù)增大,彈簧開始變硬,種薯撞擊托板的接觸力變大,損耗率增大,隨后夾持爪夾緊種薯,在接觸位置芽眼損失較多,當(dāng)彈簧勁度系數(shù)增大到一定數(shù)值后,種薯落入夾持裝置中與托板碰撞后不再碰撞夾持爪,種薯損耗只出現(xiàn)在種薯與托板碰撞位置,損耗率輕微下降。由表3可知,彈簧勁度系數(shù)為B1時兩指標(biāo)均維持在較低水平,因此選取B1作為較優(yōu)因素水平。

當(dāng)夾板材料為PVC、硅膠和EVA時,漏取率分別為6.99%、7.24%和6.64%,即漏取率隨夾板材料的改變變化不大,較優(yōu)因素水平為C3。當(dāng)夾板材料為PVC、硅膠和EVA時,損耗率分別為14.61%、6.89%和6.07%,較優(yōu)因素水平為C3。

在種薯碰撞硅膠與EVA材料的夾板時,夾板能給予種薯較好的緩沖效果,在一定程度上可以保護芽眼不受損傷,但長期使用后EVA材料性能有所衰減,其對芽眼的損傷會輕微增加,需要定期更換新的夾板;PVC材料彈性模量較大,種薯撞擊該材料時易造成破損和傷芽,損耗率較高,因此選取C3作為較優(yōu)因素水平。

綜上,馬鈴薯種薯夾持裝置的較優(yōu)因素組合為A1B1C3,即喂入高度為100 mm,彈簧勁度系數(shù)為60 N/m,夾板材料為EVA。

3.3 驗證試驗

按照較優(yōu)因素組合調(diào)整試驗臺參數(shù)重復(fù)3次試驗,并取平均值,驗證試驗結(jié)果如表4所示,經(jīng)過試驗得出漏取率均值為2.68%,損耗率均值為4.43%,滿足種薯切塊的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 驗證試驗結(jié)果Tab. 4 Verification test results

4 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種馬鈴薯種薯夾持裝置,采用4組夾持爪與托板同步運動的方式對馬鈴薯種薯進行夾持。該夾持裝置憑借種薯自身重力擠壓彈簧來實現(xiàn)種薯夾緊,此方式能夠避免由于夾緊力太大壓壞種薯,也能避免由于夾緊力不足使種薯在裝置內(nèi)部晃動,可以實現(xiàn)種薯穩(wěn)固夾持,有效降低了種薯的損耗率。

2) 對夾持裝置的托板組、夾持爪、彈簧座的關(guān)鍵部件進行了設(shè)計。其中,托板組長軸位120 mm,短軸為60 mm,導(dǎo)向滑塊長25 mm;夾板內(nèi)表面為半徑為47.5 mm的圓柱面;彈簧座導(dǎo)向滑軌深度為30 mm,滑槽長度為30 mm。

3) 對種薯夾持試驗結(jié)果進行了驗證試驗。結(jié)果表明喂入高度為100 mm、彈簧勁度系數(shù)為60 N/m、夾板材料為EVA時,漏取率均值為2.68%,損耗率均值為4.43%,滿足種薯切種要求。