馬鈴薯收獲機輥組式薯土分離裝置設計與試驗

楊然兵 田光博 尚書旗 王炳軍 張 建 翟宇鳴

(1.青島農業大學機電工程學院，青島 266109；2.海南大學機電工程學院，?？?570228；3.膠州市農業農村局，青島 266109)

0 引言

馬鈴薯作為全世界種植最廣泛的作物之一，在飼料、工業等方面都發揮著巨大的作用。華北地區春季馬鈴薯收獲主要集中在每年的第二季度末和第三季度初，收獲期天氣雨水較多，土壤含水量較高，因此，收獲的馬鈴薯表面會帶有一部分黏土，這部分黏土不易脫落。由于當前市場上主流收獲機缺乏薯塊-黏土分離的去土裝置，所以無法對馬鈴薯表面附著的黏土進行有效分離[1-2]。

國外相關科研單位對馬鈴薯收獲機黏土分離裝置進行了研究[3]，其中代表性技術有：四排指型刮刀網篩分器、循環刺猬網與雙刮板滾筒組成的輸送分離裝置、Vario-RS分離單元和雙重多級除雜器MultiSep[4]。此外，國外的馬鈴薯收獲機輸送分離裝置還加入了機電一體化控制技術，在注重去土效率的同時對馬鈴薯產生更好的保護作用[5-6]。

我國對相關技術的研究起步較晚，2000年以后一些科研院所才陸續展開相關研究。魏忠彩等[7]設計的輸送分離裝置中清雜輥和光輥會形成一個速度差，從而對馬鈴薯產生摩擦去土的效果。張恒[8]設計的針對馬鈴薯的清選裝置為左旋和右旋交替排列的尼龍毛刷輥，從而使馬鈴薯在清選輥上可以翻轉均勻去土。王相友等[9]設計的左右旋彈簧式馬鈴薯輸送分離裝置，可以減少輸送過程中的馬鈴薯集中堆向一側，保證連續性，減少對馬鈴薯的擠壓。楊然兵等[10]設計了一種馬鈴薯收獲機撥輥推送式輸送分離裝置，可初步實現馬鈴薯薯土輸送分離要求。但目前我國對輸送分離裝置、薯塊-黏土分離以及薯塊損傷的理論研究還處于初級階段，各裝置的結構形式單一且分離效果地區針對性強，未能有效解決各地區馬鈴薯收獲作業傷薯率較高、去土率較低等問題。

針對以上問題，本文設計一種去土輥和光輥間距和轉速、裝置傾斜角度可調的馬鈴薯收獲機輸送分離裝置，通過對馬鈴薯去土過程的動力學分析、黏土的薯土分離過程分析、去土過程的馬鈴薯碰撞輔助分析，采用二次旋轉正交試驗進行性能測試，探究去土輥和光輥間距及轉速、裝置傾斜角對傷薯率和去土率的影響規律，以及輸送分離裝置去土過程的運動規律，并通過田間試驗驗證馬鈴薯收獲機輸送分離裝置的去土效果。

1 裝置整體結構與工作原理

1.1 裝置整體結構

輸送分離裝置是馬鈴薯收獲機的核心部件，主要部件包括液壓馬達、帶輪、鏈輪、去土輥、光輥、刮土板、馬達支架、固定桿、連接桿、彈簧、側擋板等，其結構組成如圖1所示。

圖1 輸送分離裝置結構圖

1.2 工作原理和主要技術參數

馬鈴薯從前端裝置落至輸送分離裝置中，液壓馬達驅動帶輪和鏈輪轉動，帶動去土輥和光輥轉動，光輥和去土輥采用交錯排列、高低組合的安裝方式，保證馬鈴薯在受力均勻的同時避免馬鈴薯由于薯塊大小的原因堆積，通過去土輥和光輥的轉動對馬鈴薯產生摩擦碰撞的作用達到去土的目的，光輥下方安裝有刮土板可以去除粘結在光輥上的黏土，分離的土壤直接掉落在收獲完成的土地里。輥組式馬鈴薯收獲機分離裝置作業原理如圖2所示。

圖2 輥組式馬鈴薯收獲機分離裝置作業原理圖

輥組式馬鈴薯收獲機分離裝置主要技術參數如表1所示。

表1 輥組式馬鈴薯收獲機分離裝置主要技術參數

2 關鍵部件設計

根據馬鈴薯在升運過程的損傷機理研究可知[11-12]，在馬鈴薯聯合收獲機輸送過程中，輥組式分離裝置與前端升運鏈輸送裝置存在一定的高度差，可導致馬鈴薯在跌落過程中產生碰撞損傷，由馬鈴薯收獲機升運機理可知，安全高度的落差應在300 mm以下，因此本文中馬鈴薯輸送分離裝置的馬鈴薯跌落高度設計為200 mm，使對馬鈴薯的損傷程度降到最小。

去土輥與光輥交錯排列在兩端支撐桿架上，且高低交錯，兩個液壓馬達分別固定在馬達支架上，首個去土輥和光輥通過鏈傳動連接，其動力來源為裝置前置液壓馬達，其余去土輥和光輥由后置液壓馬達驅動帶輪提供動力，兩個側擋板分別固定在支撐架上，保護馬鈴薯，為避免馬鈴薯與側擋板碰撞損傷，在側擋板上安裝橡膠擋板，最大限度減小馬鈴薯的損傷。

2.1 去土輥和光輥材料選擇

去土輥和光輥的材料是影響馬鈴薯去土率和傷薯率的關鍵因素，需選擇一種具有高彈性和高強度的材料來保證分離裝置作業時可以提高去土效率并減少對馬鈴薯的損傷。根據市場調研和工廠實地考察，目前市場上在農業機械領域最常用的兩種材料為聚氨酯彈性體和橡膠。兩者都是高分子材料，都具有在大的形變下快速恢復的能力，但是兩者分子鏈結構完全不同，所以兩者之間的力學特性有較大差異。本文通過探究聚氨酯彈性體和橡膠的應力-應變曲線來比較兩者之間的性能差異，從而確定去土輥和光輥的材料。

如圖3所示，聚氨酯彈性體與橡膠材料的壓應力-應變曲線存在較大差異，在聚氨酯彈性體材料和橡膠材料形變初期，聚氨酯彈性體的變形很小，表現出了一定的剛性。聚氨酯彈性體材料相對于橡膠材料產生相同的應變需附加較大的外力。在低應力狀態下，聚氨酯彈性體比橡膠材料具有優異的高彈性。聚氨酯彈性體材料在斷裂前應力迅速增加，橡膠材料在斷裂前應力增加緩慢，即需要受到較大的外力才能造成聚氨酯彈性體的破裂，保證了聚氨酯彈性體材料具有較高強度。因此本文的去土輥和光輥的表面材料選取聚氨酯彈性體。

圖3 聚氨酯彈性體和橡膠材料壓應力-應變曲線

2.2 去土輥和光輥結構設計

本文設計的去土輥為交替排列、高低組合、旋向相反的對稱一體式結構。去土輥中間采用鏤空的設計既節省了材料又減輕了分離裝置的重量，鏤空部分設計為環繞對稱的圓弧形槽口，既保證了去土輥受力均勻又提高了去土輥承載能力，其結構簡圖如圖4所示。

圖4 去土輥結構簡圖

去土輥外周為旋向相反的螺紋，可以避免在作業過程中馬鈴薯由于旋向一致而向一側堆積的問題，從而進一步提高去土效率。螺紋和螺距是保證去土效率的關鍵參數，過大會降低去土質量和馬鈴薯與去土輥、光輥的摩擦面積及摩擦時間，過小則會造成堵塞，加重馬鈴薯之間的擠壓程度，從而對馬鈴薯造成破壞。收獲時馬鈴薯薯塊的長軸長度為30～150 mm，為保證馬鈴薯不卡在去土輥的螺紋溝槽內，并參考大部分馬鈴薯清選機除雜裝置的除雜輥結構和尺寸[13-14]，本文去土輥螺距選為140 mm，螺紋高度為9 mm，去土輥外輪廓直徑為152 mm，長度為1 650 mm，其結構如圖5所示。光輥的外輪廓直徑為65 mm，長度為1 650 mm，其結構如圖6所示。

圖5 去土輥結構圖

圖6 光輥結構組圖

2.3 去土輥與光輥組數及排列方式設計

去土過程中的馬鈴薯會經過每一個去土輥和光輥，從而在去土輥和光輥處產生滾動和摩擦，或者與去土輥和光輥產生碰撞，達到去除馬鈴薯表面黏土的效果[15-16]，但去土輥和光輥的數量不能過多，否則會產生過度的滾動摩擦和碰撞，對馬鈴薯造成損傷,過少不能完全去除馬鈴薯表面附著的泥土。因此，對去土輥和光輥數量的選擇要適中。去土輥和光輥采用交錯排列，高低組合的方式，第一組去土輥和光輥進行傾斜狀布置，在去土過程中可以給馬鈴薯提供一個更大的初速度，達到更好的去土效果。光輥采用可移動布置，以便調整去土輥和光輥之間的距離，滿足清土分離作業的實際需求。當馬鈴薯表面的黏土較多時，增大光輥與去土輥的距離，當馬鈴薯表面的黏土較少時，可適當減小去土輥和光輥的間距。

對去土輥和光輥組數進行單因素試驗，試驗中去土輥和光輥間距為16.5 mm，裝置傾角為8°，去土輥轉速為100 r/min，光輥的轉速為100 r/min，以傷薯率和去土率為試驗指標，試驗結果如表2所示，由表2可以看出，隨著去土輥和光輥組數的增加，去土率增加，傷薯率也增加。當組數達到一定程度時，去土率增長緩慢，傷薯率增長加快，結合生產成本等因素后，去土輥和光輥組數選用5組。

表2 去土輥和光輥組數對去土質量影響試驗結果

2.4 傳動方式設計

輥組式馬鈴薯收獲機分離裝置動力傳動如圖7所示，液壓馬達輸入軸與帶輪輸出軸相連接，從而驅動帶輪傳動，主帶輪與其下方驅動去土輥的4個帶輪(除首個去土輥)通過各傳動帶連接，從而驅動傳動軸轉動，整個帶傳動系統連接形式為波浪形，為防止帶輪過于張緊，設有張緊輪保護傳動帶，光輥的傳動系統連接方式與去土輥連接方式相同，光輥傳動系統與去土輥傳動系統對稱分布在機架兩側，保證了整個輥組式馬鈴薯收獲機分離裝置的穩定性。首個去土輥和光輥通過齒輪鏈傳動連接，在保證首個去土輥和光輥傳動不受后面去土輥和光輥轉速影響下實現差速，而且可以保證輥組式馬鈴薯收獲機分離裝置的傾角。拖拉機動力輸出軸與液壓泵相連接，由液壓泵帶動液壓馬達工作，從而帶動整個液壓系統工作。通過電控電磁線圈式調速閥控制液壓馬達流量，達到控制輸送分離裝置轉速的目的。

圖7 動力傳動結構簡圖

3 馬鈴薯與去土輥、光輥作用動力學分析

3.1 動力學分析

馬鈴薯從輸送裝置落至輥組式馬鈴薯收獲機分離裝置，在輸送分離裝置中通過去土輥和光輥的配合完成對馬鈴薯的去土過程，馬鈴薯在去土輥和光輥的受力情況如圖8所示，把馬鈴薯近似為一個橢圓，假設馬鈴薯的長軸長度為a1，短軸長度為a2，去土輥直徑為d1，光輥直徑為d2，去土輥和光輥間距為l，裝置傾斜角為θ，去土輥和光輥轉速為n1，馬鈴薯轉速為n2，馬鈴薯重心為點O1，馬鈴薯與去土輥、光輥相切點分別為O2、O3。

圖8 馬鈴薯縱向受力分析圖

對馬鈴薯在去土輥和光輥的接觸受力分析可得，馬鈴薯受力分別是馬鈴薯自身所受的重力mg、去土輥對馬鈴薯的支持力Fn1和摩擦力f1、光輥對馬鈴薯的支持力Fn2和摩擦力f2。通過對馬鈴薯輸送分離裝置整體作業的連續性分析，如果要使馬鈴薯翻越光輥，就要保證各個力對馬鈴薯的合力矩大于0[9，17]。

馬鈴薯在輸送分離裝置上運動中，馬鈴薯與去土輥、光輥的接觸位置不斷變化，由此力的接觸位置也不斷變化，而且馬鈴薯與去土輥、光輥還會有碰撞運動，對力的分析也無法確定，因此對馬鈴薯的坐標進行變換，將馬鈴薯所處的坐標系位置進行坐標系旋轉變換和坐標系平移變換，轉換到去土輥所在的坐標系，然后再加以分析。其變換的具體過程如圖9所示。馬鈴薯短軸與水平線的夾角為α，β為支持力Fn1與去土輥和光輥連線的夾角，坐標系的選擇為：以馬鈴薯的長軸為橫坐標軸x1、短軸為縱坐標軸y1，構成x1y1坐標系；以馬鈴薯的重心為坐標原點，以水平線為橫坐標軸x2、垂直線為縱坐標軸y2，構成x2y2坐標系；以去土輥的圓心為坐標原點，以水平線為橫坐標軸x3、垂直線為縱坐標軸y3，構成x3y3坐標系。

圖9 馬鈴薯坐標變換示意圖

在x1y1坐標系中，馬鈴薯的近似橢圓方程式為

(1)

在x3y3坐標系中，去土輥F1(x3,y3)的方程式為

(2)

在x3y3坐標系中，光輥F2(x3,y3)的方程式為

(3)

對x1y1坐標系中橢圓的方程式進行旋轉變換，變換到x2y2坐標系中，根據坐標系的旋轉變換公式，橢圓的坐標為

(4)

從而得到在x2y2坐標系中馬鈴薯的橢圓變換方程式

(5)

O1在x3y3坐標系中的坐標假設為(x0,y0)，坐標平移變換公式為

(6)

假設在x3y3坐標系中橢圓的方程表達式為F3(x3,y3),原橢圓方程式就變換為

(7)

聯立上述方程組，可以得到點O1、O2在x3y3坐標系中的相對坐標，分別為

(8)

(9)

由直線的一般式y=kx+b可以得到Fn2和f2所在直線的公式

(10)

(11)

(12)

其中

b1=(d1+d2+l)(sinθ-k1cosθ)

(13)

b2=yo2-k2xo2

(14)

式中k1——支持力Fn2所在直線的斜率

k2——摩擦力f2所在直線的斜率

根據點到直線的距離公式，依次求得點O2到Fn2的距離s1為

(15)

點O2到f2的距離s2為

(16)

點O2到mg的距離s3為

(17)

由此得到合力矩為

∑M=Fn2s1+mgs2-f2s3

(18)

化簡得

Fn2[(a1+a2+d1)2sin(α-θ)+(d2+l)2cosθ]+

mga1sinθ-f2la2cos(α+θ)>0

(19)

由理論分析可知，在輥組式輸送分離裝置的去土作業過程中，馬鈴薯及其表面附著黏土主要受到去土輥和光輥支持力的作用、摩擦力的作用和自身重力的影響。支持力的大小主要受自身重力、馬鈴薯在輸送分離裝置的位置和裝置傾角的影響，摩擦力是由支持力和摩擦因數決定的，摩擦因數受到去土輥和光輥自身材料的影響，根據合力矩公式可知當馬鈴薯的形狀和馬鈴薯在輸送分離裝置的位置一定時，其力臂主要受到去土輥和光輥間距l、裝置傾角θ、去土輥直徑d1和光輥直徑d2的影響，因此，在輥組式馬鈴薯收獲機分離裝置中，影響馬鈴薯去土質量的主要因素為去土輥和光輥直徑d1、d2及其之間的間距l，還有裝置傾角θ。在實際的馬鈴薯運動過程中，馬鈴薯之間的碰撞、馬鈴薯形狀的不規則還有相鄰馬鈴薯之間的碰撞等都是影響去土質量的因素，其實際運動過程較為復雜[18-19]。

3.2 馬鈴薯表面黏結土壤分離技術分析

馬鈴薯收獲的季節一般雨水較多，因此土壤里水分較多，收獲的馬鈴薯表面黏土較多，需要對馬鈴薯及其表面黏土的分離過程進行理論分析，以便對輥組式馬鈴薯收獲機分離裝置進行參數優化，得到最優的去土效果。本文通過莫爾-庫倫理論，對馬鈴薯表面黏結土壤黏結力分析，得到薯土分離的條件，實現馬鈴薯表面黏結土壤的分離。將馬鈴薯與表面黏結土壤等效成一個圓形，由于黏結土壤分布在馬鈴薯表面，因此將表面黏結土壤等效成圓形下部分四分之一的弧形截面，并對其進行受力分析，其受力情況如圖10所示，馬鈴薯與其表面黏結土壤受力包括自身重力，薯塊與土壤之間的相互作用力F1、F2和黏結力F3、F4，薯塊受到其他薯塊的作用力F5，土壤受到的支持力Fn1。

圖10 土塊分離過程分析

根據莫爾-庫倫理論[20](也稱庫侖強度理論)，可知馬鈴薯表面黏結土壤的分離與破壞主要是受到作用于土壤的剪切應力，庫倫通過土壤的破壞試驗和對比各影響因素得出土壤破壞公式

τt=σtanφ+C

(20)

式中τt——土壤抗剪強度，kPa

C——土壤內聚力系數，取 0～25 kPa

φ——土壤內摩擦角，取0°～37°

σ——作用于土壤破壞面的法向應力，kPa

其中，σ需要通過萬能試驗臺進行計算和獲取，其公式為

(21)

式中p——壓力A——接觸面積

由上述理論可知，對馬鈴薯表面黏結土壤的破壞也就是克服土壤的黏結力，黏結力計算公式為

F3=τtS

(22)

式中S——剪切作用面積

由受力情況可知，為使馬鈴薯表面所附著的泥土分離,需保證對土壤的破壞率大于土壤的黏結力，因此可以得到

f3+G1sinθ>F3

(23)

式中f3——馬鈴薯表面附著泥土所受的摩擦力

G1——馬鈴薯表面附著泥土所受的重力

土壤含水率也是影響黏結力的重要因素，經試驗測定得到收獲期馬鈴薯種植區土壤的含水率為11%～22%。根據黏結力的計算公式得到作用于土壤的平均剪切力為8 000 kPa，由于馬鈴薯表面附著黏土在單位面積的數量不多，而且附著黏土的重力在單位面積上的大小為300 kPa，因此重力在黏結力和摩擦力方向上的分力可以忽略不計。所以在上述公式中，當f3滿足單位面積上的力大于0.8 N時，馬鈴薯表面附著泥土可以被分離干凈。摩擦力計算公式為

f3=μFn1

(24)

式中μ——去土輥與馬鈴薯表面附著泥土的摩擦因數，取0.9

根據馬鈴薯與去土輥和光輥的受力分析可知

(25)

由式(25)可知，馬鈴薯及其表面所附著泥土受到的摩擦力主要與裝置傾角θ、去土輥和光輥間距l有關，另外還與馬鈴薯的尺寸有關，但是本文所取馬鈴薯大小為平均值，適應于大部分情況。且與馬鈴薯的重量成正比，與θ+β的正弦值、余弦值成反比，以薯塊質量為150 g、裝置傾角為0°、去土輥與光輥的最小間距為13 mm計算時，摩擦力最小值近似為0.948 N，大于黏結力0.8 N，因此能夠去除馬鈴薯表面所附著的泥土，完成去土分離的作業，保證作業質量。因此，得到分離馬鈴薯表面附著泥土的影響因素：裝置傾角和去土輥與光輥間距。另外，碰撞次數也是影響作業質量的重要因素，但碰撞次數與去土輥和光輥組數及轉速有關，在一定范圍內，碰撞次數與去土輥和光輥的組數及轉速呈正相關關系。

綜上所述，把去土輥與光輥間距l、裝置傾角θ作為影響去土質量和傷薯率的試驗因素，并進行試驗分析，得到作業效果最佳的參數。

4 去土過程馬鈴薯碰撞分析

經研究顯示，在馬鈴薯收獲過程中，其機械損傷占馬鈴薯所有運輸過程總損傷的70%[21]，在輸送分離裝置中馬鈴薯損傷也屬于機械損傷，因此，研究馬鈴薯在輸送分離裝置碰撞損傷特性必不可少。

在上述分析中，得到輥組式馬鈴薯收獲機分離裝置的去土輥與光輥的間距和組數及排列方式、裝置傾角對傷薯率和去土質量的影響較大，還缺少輥組式馬鈴薯收獲機分離裝置的轉速對馬鈴薯的碰撞損傷分析，因此采用馬鈴薯碰撞檢測系統設備對馬鈴薯的碰撞損傷進行輔助分析。設備主要包括計算機、碰撞檢測球和數據線。以馬鈴薯碰撞檢測球為試驗手段，以輸送分離裝置的轉速為試驗因素，獲取馬鈴薯在輸送分離裝置上的碰撞信息，找到碰撞損傷嚴重的區域，馬鈴薯碰撞檢測系統及試驗過程如圖11所示。

圖11 馬鈴薯碰撞檢測

進行馬鈴薯輸送分離裝置碰撞試驗時，去土輥和光輥選取不同的轉速，即分別選取70、82、100、118、130 r/min，選取的轉速不能過小和過大，轉速過小輸送分離裝置對馬鈴薯的運輸過程受阻，會產生馬鈴薯堆積現象；轉速過大時輸送分離裝置去土效果不明顯，因此選用5個不同轉速。試驗時，提前將馬鈴薯碰撞檢測球放在輸送分離裝置的上方，事先準備好秒表計時，進行試驗時，利用秒表同步記錄馬鈴薯運動的各個關鍵位置，計算機同步實時反映馬鈴薯碰撞特征。試驗完成后，將馬鈴薯檢測球取出，并對檢測球采集到的碰撞信息進行數據統計分析，統計結果如表3所示。

表3 碰撞特征統計結果

由表3可知，馬鈴薯檢測球在輸送分離裝置不同的轉速下，碰撞次數、碰撞加速度和碰撞持續時間不同。輸送分離裝置光輥和去土輥的轉速越大，碰撞次數越少，傷薯率越低，但去土效果越差，在轉速為100 r/min時，碰撞次數和碰撞加速度較為適中，其薯塊碰撞特征圖如圖12所示。由此可知輸送分離裝置光輥和去土輥轉速n也是影響指標的重要因素。

圖12 薯塊碰撞特征圖

5 試驗

5.1 試驗材料與裝置

由于前端升運鏈分離裝置后的馬鈴薯在收集過程中損害大，造成臺架試驗無法精確模擬田間試驗的工況，試驗結果不精確。因此本文將試驗分為裝置仿真試驗和樣機田間試驗，兩者互相驗證，使試驗效果更加精確。仿真試驗于2021年6月在實驗室完成，試驗田試驗于2021年7月進行，試驗地點在青島農業大學膠州馬鈴薯種植基地。試驗時輸送分離裝置安裝在馬鈴薯聯合收獲機上，馬鈴薯聯合收獲機環形提升裝置在收獲過程中不工作，撿拾試驗后的馬鈴薯才開始工作。馬鈴薯品種為荷蘭17，試驗田中按照五點取樣法隨機抽取5個1 m×1 m的地塊挖掘馬鈴薯，挖掘時注意輕挖輕放，挖掘后觀察其有無受傷，結果發現馬鈴薯均無內部損傷和外部損傷，且馬鈴薯直徑在32～75 mm之間，長軸長度在33～140 mm之間，馬鈴薯的形狀指數為0.69，質量在102～420 g之間，土壤含水率為19.2%[22]，試驗時物料中含有薯秧、土塊等雜質。馬鈴薯收獲機輸送分離裝置田間試驗過程和試驗后馬鈴薯狀態如圖13所示。

圖13 馬鈴薯聯合收獲機樣機試驗過程和馬鈴薯狀態

5.2 試驗因素和評價指標

根據馬鈴薯在裝置上的動力學分析和馬鈴薯表面附著泥土分離分析，確定輸送分離裝置轉速n、去土輥與光輥間距l、裝置傾角θ為試驗因素。

根據NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機質量評價技術規范》將傷薯率e1和去土效率e2作為試驗的評價指標，具體公式為

(26)

(27)

式中M1——作業后損傷的馬鈴薯總質量

M2——作業后馬鈴薯總質量

m——土壤質量

5.2.1試驗方案與結果

采用二次旋轉正交組合試驗，結合國內外相關輸送分離裝置的作業參數和樣機實際的作業工況，確定各試驗因素的范圍為：去土輥與光輥間距13～20 mm、裝置傾角5°～11°、去土輥和光輥轉速70～130 r/min[23]。

進行試驗時，嚴格控制馬鈴薯收獲機的挖掘深度和拖拉機的前進速度，避免因挖掘過深和前進過快造成馬鈴薯在輸送分離裝置上堆積，從而影響各試驗因素顯著性。各因素的調節過程如下：通過控制四桿支撐結構的角度和位置來調節輸送分離裝置的傾角和去土輥與光輥的間距；通過節流閥調節液壓馬達的流量來調節去土輥和光輥的轉速。

運用數據處理軟件對影響試驗結果的指標進行顯著性分析，得到合適的各因素組合。試驗因素編碼如表4所示，試驗方案及結果如表5所示。

表4 試驗因素編碼

表5 試驗方案與結果

5.2.2試驗結果分析

采用Design-Expert 11.0軟件，對試驗數據進行二次回歸分析和多元回歸擬合[24-25]，得到傷薯率e1和去土率e2的回歸方程，最后檢驗各試驗因素的顯著性。

(1)馬鈴薯傷薯率分析

表6 馬鈴薯傷薯率方差分析

e1=-5.465 58+0.577 316X1+0.334 62X2+

0.010 014X3+0.014 881X1X2-

(28)

對回歸方程進行失擬試驗，如表6所示，失擬差P=0.451 8>0.1，失擬差不顯著，說明上述回歸方程對馬鈴薯傷薯率的模擬較好，無影響馬鈴薯傷薯率的其他因素。由此可知，回歸方程的二次關系顯著，分析結果合理。

(2)馬鈴薯去土率分析

e2=57.965 76+2.613 43X1+0.471 217X2+

(29)

對回歸方程進行失擬試驗，如表7所示，失擬差P=0.158 8>0.1，失擬差不顯著，說明上述回歸方程對馬鈴薯去土率的模擬較好，無影響馬鈴薯去土率的其他因素。由此可知，回歸方程的二次關系顯著，分析結果合理。

表7 馬鈴薯去土率方差分析

5.2.3試驗結果分析

運用Design-Expert 11.0軟件，可得到輸送分離裝置中去土輥和光輥間距、裝置傾角、去土輥和光輥轉速的交互作用對傷薯率和去土率兩個試驗指標影響的響應曲面。去土輥和光輥間距及去土輥和光輥轉速對試驗指標的影響最大，應作為變量，考慮實際情況：馬鈴薯收獲過程中對裝置傾角的改變相比于去土輥和光輥的轉速較為麻煩。因此本文以去土輥和光輥間距、裝置傾角作為橫軸，改變去土輥和光輥轉速，觀察響應曲面的變化，如圖14所示。

圖14 因素交互作用對傷薯率和去土率影響的響應曲面

如圖14a～14d所示，當裝置傾角和去土輥和光輥間距不變，去土輥和光輥轉速由70 r/min上升到130 r/min時，馬鈴薯傷薯率有增大的趨勢；當去土輥和光輥轉速和間距一定時，馬鈴薯傷薯率隨著裝置傾角的增大呈增大的趨勢，最優范圍為7.5°～9.5°；當去土輥和光輥轉速和裝置傾角一定時，馬鈴薯傷薯率隨著去土輥和光輥間距的增大呈增大的趨勢，最優范圍為14～17 mm。其中去土輥和光輥間距是影響傷薯率最主要的因素。

如圖14e～14h所示，當裝置傾角、去土輥和光輥間距不變，去土輥和光輥轉速由70 r/min上升到130 r/min時，馬鈴薯去土率有先增大后減小的趨勢，且減小幅度不明顯；在去土輥和光輥轉速90 r/min時達到頂峰。當去土輥和光輥轉速和間距一定時，馬鈴薯去土率隨著裝置傾角的增大呈先增大后減小的趨勢，最優范圍為7.8°～9.4°；當去土輥和光輥轉速和裝置傾角一定時，馬鈴薯去土率隨著去土輥和光輥間距的增大呈先增大后減小的趨勢，最優范圍為13.8～16.8 mm，且減小幅度不明顯。其中去土輥和光輥轉速是影響傷薯率最主要的因素，最優范圍為95.6～108.3 r/min。

5.2.4參數優化

利用Matlab軟件中的優化模塊對去土輥和光輥間距和轉速及裝置傾角3個回歸模型進行求解。優化原理利用最大最小值原理，將回歸方程代入目標函數，根據NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機質量評價技術規范》的相關要求，選擇優化目標函數與約束條件為

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通過優化求解，得到去土輥與光輥間距為15.4～16.7 mm、裝置傾角為7.8°～8.6°、去土輥與光輥轉速為97.4～106.3 r/min時，輸送分離裝置作業去土效果最佳，傷薯率為0.71%～0.82%，去土率為97.8%～98.2%。

5.3 田間試驗驗證

以馬鈴薯收獲機輸送分離裝置作業過程的傷薯率和去土率為試驗指標，進行輥組式馬鈴薯收獲機輸送分離裝置與普通馬鈴薯收獲機分離裝置對比試驗。試驗選取輥組式馬鈴薯收獲機輸送分離裝置去土輥和光輥間距為16.5 mm，裝置傾角為8°，去土輥轉速為100 r/min，光輥轉速為100 r/min，普通馬鈴薯收獲機分離裝置鏈條間距17.8 mm，裝置傾角16°，鏈條轉速110 r/min。田間試驗驗證的測試方法與5.2.1節的測試方法一致。試驗結果如表8所示。

表8 對比試驗結果

由表8可知，傳統分離裝置平均傷薯率為0.76%，輸送分離裝置平均傷薯率為0.64%，傷薯率降低0.12個百分點。傳統分離裝置平均去土率為94.5%，輸送分離裝置平均去土率為97.1%，去土率提高2.6個百分點。

6 結論

(1)針對傳統輸送分離裝置傷薯率高、去土率低的問題，通過對橡膠、聚氨酯材料的比對等，設計了一種聚氨酯材料的輥組式馬鈴薯收獲機輸送分離裝置，提出了去土輥與光輥交替排列的排列方式。

(2)對馬鈴薯收獲機輸送分離裝置的去土過程進行了動力學分析，利用莫爾-庫倫定律對馬鈴薯與黏土的分離過程進行了分析，通過馬鈴薯碰撞檢測系統對馬鈴薯的碰撞過程進行輔助分析，得到了影響去土率和傷薯率的主要試驗因素：去土輥和光輥的間距與轉速、裝置傾角。對馬鈴薯收獲機輸送分離裝置進行了仿真試驗和田間試驗，對工作參數進行了優化，有效提高了作業質量。

(3)通過輥組式馬鈴薯收獲機輸送分離裝置的試驗，建立了去土輥和光輥的間距、轉速和裝置傾角與傷薯率和去土率間的回歸模型，并對其進行了優化。試驗表明去土輥和光輥間距為16.5 mm，裝置傾角為8°，去土輥轉速為100 r/min，光輥轉速為100 r/min時，比傳統分離裝置傷薯率降低0.12個百分點，去土率提高2.6個百分點，能較好地滿足實際去土作業要求。