马铃薯在分离筛上运动规律的试验研究

谢胜仕，王春光，蒙建国，祁少华，麻刚斗，季　邦

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



马铃薯在分离筛上运动规律的试验研究

谢胜仕，王春光，蒙建国，祁少华，麻刚斗，季邦

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：对马铃薯相对分离筛的运动规律进行了试验研究。将马铃薯在分离筛上的运动划分为碰撞运动与相对滚动两种运动形式，在碰撞理论与定常理论的基础上，利用高速摄像技术分析了马铃薯在分离筛上的运动规律，并在田间试验得到验证。试验结果表明：马铃薯与分离筛的碰撞恢复系数随着筛面倾角的增大而增大；马铃薯在分离筛上向后滚动的最大加速度随曲柄转速的增大而逐渐增大；相同曲柄转速时马铃薯在分离筛面上的向后运动为加速运动；随着筛面倾角的增大，马铃薯向后滚动的最大加速度和前后滚动距离均增大。

关键词：马铃薯；分离筛；运动规律；高速摄像

0引言

分离筛作为马铃薯挖掘机的重要组成部分[1]，直接影响着马铃薯挖掘机的工作性能。近年来，中国已经研制出多种型号的马铃薯挖掘机，并且在分离理论和参数优化方面进行了研究[2-5]。提高明薯率和降低伤薯率一直是马铃薯挖掘机中分离筛研究工作的重要目的[6]，而研究马铃薯在分离筛上的运动规律则是达到这一目标的重要途径。

关于农业物料在往复式分离筛上运动规律的研究较为广泛，不过其研究对象多集中在小麦、水稻等谷类作物[7]，针对马铃薯在分离筛上运动规律的研究则较少，并且研究方法多集中于理论分析、数值计算和计算机仿真。在试验手段上，多采用传统的机械式的测试手段，近几年才逐步应用图像处理、高速摄像技术等先进手段分析物料在筛面上的运动情况[8]。

为此，笔者借助高速摄像技术，以物料在分离筛上的定常运动理论为研究基础[8]，结合碰撞理论[9-10]，研究马铃薯在分离筛上的运动规律，为分离筛的性能优化提供理论支撑。

1室内试验

通过对单颗马铃薯相对分离筛的运动情况分析发现，圆球形马铃薯自升运链下落至筛面直到由分离筛落至地面，共有两种主要的运动形式：①碰撞运动。由升运链落至筛面后与筛面碰撞，由上层筛落至下层筛的碰撞。②相对筛面滚动。碰撞过程结束后，马铃薯相对于筛面前后滚动。基于此，本文主要分析马铃薯与筛对分离筛面碰撞和相对筛面滚动的情况。

本试验的主要目的是研究圆球形马铃薯与分离筛碰撞时的恢复系数随曲柄转速和筛面倾角的变化规律，圆球形马铃薯相对筛面向后滚动时的加速度、速度及前后滚动距离随曲柄转速和筛面倾角的变化规律。

1.1　试验材料与设备

试验用薯为新鲜、近似圆球形且表皮无损伤的克新1号马铃薯30颗，质量均在300～330g之间。

试验设备为4SW-170型马铃薯挖掘机分离筛试验台，如图1所示。该装置主要由分离筛、减速箱、电动机和变频柜等组成。其中，分离筛的摆动角速度通过曲柄转速调节，筛面倾角由倾角调节杆调节。

马铃薯挖掘机分离筛下层筛面长度为0.594m，上筛面长度为0.595m，筛面总长1.098m，筛面宽度为1.70m，连杆长度为0.975m，前后吊杆长度分别为0.23m和0.27m，曲柄半径为0.035m，筛面倾角分别为0.5°、7.7°和14°。

1.2　试验方法

参照马铃薯收获过程的落筛特点，试验过程中将单颗马铃薯自图1所示的马铃薯下落点处下落，并使用高速摄像机跟踪拍摄马铃薯在分离筛上的运动情况，图像数据实时传输到计算机中；接收后的数据采用瑞典 Image System AB公司生产的TEMA高速运动分析软件进行分析。以图1所示的坐标尺为参考，建立x、y坐标对马铃薯相对分离筛的运动情况进行分析。为便于计算和分析，只考虑平面二维变化。试验中所用高速摄像机为美国Vision Research公司生产的Phantom Miro2高速数字摄像机，分辨率640×480像素，帧速为500帧/s。

1.3　试验结果及分析

4SW-170型马铃薯挖掘机的曲柄推荐转速为270r/min，根据试验要求选择105~270r/min 12个曲柄转速，转速间隔为15r/min。分别采集0.5°、7.7°和14°等3种筛面倾角情况下，马铃薯在12种转速时在分离筛的运动数据，每组试验重复3次。

1.下层分离筛　2.分离筛挡板　3.倾角调节杆　4.上层分离筛　5.后吊杆　6.马铃薯下落点指示标　7.坐标尺　8.前吊杆　9.机架　10.连杆

1.3.1碰撞过程

图2　马铃薯在不同筛面倾角时恢复系数变化规律

由图2可知：马铃薯碰撞恢复系数与筛面倾角有关，随着筛面倾角的增大，恢复系数的值增大。因为相同质量的马铃薯与筛面发生碰撞后，筛面倾角为0.5°、7.7°和14°的马铃薯法向加速度分别为24.34、36.12、65.85m/s2，即马铃薯所受分离筛作用力随筛面倾角的增大而增大，从而导致冲量随筛面倾角增大，根据动量定理可知碰后法向速度增大，使得恢复系数增大。较大的恢复系数会使马铃薯有较大的碰后速度，致使其在分离筛面的跳跃次数增加，从而有利于薯土分离增大明薯率。

1.3.2滚动过程

由表1可以看出：3种筛面倾角时马铃薯向后滚动的加速度随着曲柄转速变化的趋势一致，均随曲柄转速的增大而增大。马铃薯在3种筛面倾角时，滚动至下筛面的加速度要大于上筛面的加速度，可见下筛面对马铃薯向后滚动的推送强度要大于上层筛面。马铃薯在两层筛面上向后滚动的加速度均随筛面倾角的增大而增大。因为筛面倾角越大，马铃薯所受的重力沿筛面切向的分力就越大，所以较大的切向分力会使马铃薯有较大的向后滚动加速度。

较大的曲柄转速会使马铃薯有较大的向后滚动加速度，在筛面长度一定的情况下，马铃薯在筛面滚动的时间较少，从而导致薯土分离不彻底。较大的筛面倾角会促进马铃薯沿筛面的向后滚动，缩短马铃薯在筛面的运动时间，同时较大的筛面倾角还会使分离筛上土壤增多，降低薯土分离效果。因此，为达到提高明薯率和降低马铃薯蹭皮损伤的目的，选用7.7°的筛面倾角更有利于马铃薯收获。

表1　马铃薯向后滚动加速度最大值

由表2可知：相同曲柄转速时，马铃薯在两层筛面上所做的运动为加速运动，筛面倾角及曲柄转速对马铃薯向后滚动速度的影响不显著。结合表1可以看出：马铃薯在下层筛面向后滚动的加速度大于上层筛面的加速度是促使马铃薯作加速运动的原因；而筛面倾角及曲柄转速对马铃薯向下滚动速度的影响不显著则是因为马铃薯在分离筛上做以滚动为主滑动为辅的相对运动。

表2　马铃薯向后滚动速度最大值

由图3可以看出：马铃薯在分离筛上的滚动距离随着筛面倾角的增大而减小。筛面倾角为0.5°、7.7°和14°时马铃薯前后滚动距离的分别为1 016~1 156、1 087~1 341和1 215~1 485mm。因为筛面倾角越小，马铃薯在分离筛面上向前滚动的次数越多，在分离筛上运动的时间越长，前后滚动的距离也就越大。

图3　马铃薯前后滚动距离

2田间试验

2.1　试验方法及过程

田间试验在呼和浩特市武川县马铃薯种植基地进行。试验地块地势平坦，作业面积约0.67hm2，土壤为沙壤土，土壤含水率11.2%；试验机为内蒙古农业大学自行研究生产的4SW-170 型马铃薯挖掘机，配套拖拉机是由中国一拖集团有限公司生产的东方红-X900型拖拉机，曲柄转速约为180r/min，前进速度约为1.94km/h。

在试验前，对试验地块进行除草和除秧处理，在田间选择近似圆球形、质量318g的马铃薯一颗，用黑胶带缠绕作为田间试验的试验薯，并将试验薯预埋在即将挖掘的土壤中。

试验时，在马铃薯挖掘机的右侧放置与其平行的5m长的水平轨道;将摄像机安装在轨道上，调节摄像机镜头到最佳摄像位置;在挖掘机工作稳定后，推动摄像机以拖拉机前进速度沿轨道运动，实时采集马铃薯在分离筛上的摄像数据，每组实验重复3次。

2.2　试验结果及分析

马铃薯收获机试验结果如表3所示。

表3　马铃薯收获试验结果

结合薯土分离过程，对比室内试验分析结果，可以看出：薯土分离过程中马铃薯的运动学参数变化规律与室内试验结果基本一致。对照室内试验中曲柄转速为180r/min时的结果可以发现：田间试验中3种筛面倾角的马铃薯向后滚动加速度均大于室内试验中的加速度，因为田间试验中马铃薯挖掘机向前运动，致使分离筛上马铃薯所受到的沿筛面向后的惯性力较大，从而使其向后滚动的加速度较大，最终导致马铃薯向后滚动速度大于室内试验时向后滚动的速度。田间试验中马铃薯在分离筛上的前后滚动距离大于室内试验中的滚动距离，因为田间试验中马铃薯的运动要受到少量土壤和杂草的影响，所以使其在筛面运动的时间较长，导致前后滚动的距离较大。

3结论

1)借助高速摄像技术分析马铃薯在分离筛上的运动规律是可行的。由高速摄像分析软件(Motion Analysis, based on the Track Eye)可以准确地分析出各参数的运动变化规律。

2)随着筛面倾角的增大，马铃薯与分离筛的碰撞恢复系数增大，0.5°、7.7°和14°筛面倾角时的恢复系数分别约为0.1、0.3和0.5；马铃薯在分离筛上向后滚动的最大加速度随曲柄转速的增大而逐渐增大；相同曲柄转速时马铃薯在分离筛面上的向后运动为加速运动；随着筛面倾角的增大，马铃薯向后滚动的最大加速度和前后动距离均增大。

3)田间试验与室内试验结果相一致。马铃薯收获过程中，选用7.7°的筛面倾角更有利于提高明薯率和降低伤薯率。

参考文献：

[1]贾晶霞,张东兴,郝新明,等.马铃薯收获机参数化造型与虚拟样机关键部件仿真[J].农业机械学报,2005(11):70-73.

[2]顾丽霞.4SW-170型马铃薯挖掘机摆动筛分离过程的仿真研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2012.

[3]吕金庆,田忠恩,吴金娥,等.4U1Z型振动式马铃薯挖掘机的设计与试验[J].农业工程学报,2015(12): 39-47.

[4]杨莉.马铃薯挖掘机摆动分离筛的仿真与参数优化[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2009.

[5]赵满全,赵士杰,佘大庆,等.组合分离式马铃薯挖掘机设计与研究[J].农机化研究,2007(4):69-72.

[6]贾晶霞,张东兴,杨德秋.薯类收获机振动筛伤薯机理计算机模拟与分析[J].农业机械学报,2005(12): 67-70.

[7]郝心亮.往复振动平面筛分选大豆的试验研究[J].农业工程学报,1999(2):149-152.

[8]孙进.基于高速摄像的风筛式清选装置中物料运动规律的研究[D].镇江：江苏大学,2007.

[9]李耀明,赵湛,陈进,等.风筛式清选装置上物料的非线性运动规律[J].农业工程学报,2007(11): 142-147.

[10]黄小毛,查显涛,潘海兵,等.油菜籽粒点面接触碰撞中恢复系数的测定及分析[J].农业工程学报,2014(24):22-29.

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

中图分类号：S225.7+1

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0197-04

作者简介：谢胜仕(1989-)，男，内蒙古赤峰人，博士研究生，(E-mail)xieshengshi@163.com。通讯作者：王春光(1959-)，男，呼和浩特人，教授，博士生导师，(E-mail)jdwcg@imau.edu.cn。

基金项目：内蒙古自治区科技创新引导奖励基金项目(20121310)；内蒙古自然科学基金项目(2014MS0541)

收稿日期：2015-08-30