马铃薯种薯切块机四爪同步式夹持装置设计*

单信和，王崇庆，李学强，王相友

(1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院,山东淄博,255000;2. 山东思代尔农业装备有限公司,山东德州,253600)

0 引言

马铃薯是仅次于小麦、玉米以及水稻的世界第四大农作物[1-2]。马铃薯主要以切块播种为主,目前国内马铃薯种薯切块机由于没有固定种薯的装置,使得种薯在输送时排布杂乱无章,极易切除顶芽,增加了马铃薯的种植成本。因此,亟待研制能够保留种薯顶端优势的马铃薯种薯切块机夹持装置。

国外对马铃薯种薯切块技术的研究起步较早[3-8],其种薯切块机集上料、分级、切种、喷药处理于一体[9]。随着马铃薯主粮化战略的实施,国内种薯切块机械的研究引起了很多专家的关注。郭志东[10]设计的自动切块机采用圆锥台辊子输送种薯,增加了重量传感器实时测量薯块的质量。周树林[11]设计的舀勺式马铃薯切块机,主要由机箱、驱动装置、切块组件等组成,采用3种切刀对种薯进行切块。汪小强[12]设计了一种马铃薯切块机械,通过推杆挤压种薯向第一刀片运动完成第一次切块,第二刀片上移完成种薯第二次切块。王相友等[13]设计了一台定向排列纵横切分马铃薯种薯切块机,该机采用圆台橡胶辊组调整种薯的重心,圆盘纵刀对种薯进行初次分割,薯刀梳子配合横刀完成后续切块过程。刘权磊[14]对切块机圆台橡胶轮的尺寸进行了优化,更有利于种薯整列排序,通过设计新的刀架实现圆盘刀角度的改变,可一定程度上解决薯块不均匀的问题。

综上所述,国内专家已经在种薯切块机械的研究领域内取得了很大突破,但是种薯切块仍存在容易将种薯顶芽部分切为片状,导致薯块发芽缺乏足够营养、损耗大的问题。为解决以上问题,本文设计了一种四爪夹持式的马铃薯种薯夹持装置,该装置每次只携带一个种薯,能够很好地固定种薯在输送与切块过程中的姿态,并且配合两次对半分割的切块方式,可以达到薯块含有芽眼、保留种薯顶端优势的目的。

1 整机结构和工作原理

1.1 整机结构

马铃薯种薯切块机试验台主要包括夹持装置、圆盘刀、切刀高度调节装置、输送电机、切刀转动电机、机架等,其结构如图1所示。

(a) 主视图

(b) 俯视图

1.2 工作原理

为了达到较好地夹持效果,在前端设备的喂入装置输送带上安装弧形挡板,相邻挡板之间的距离与相邻夹持装置间的中心距相等,保证种薯顺利落入夹持装置。挡板与夹持装置均依据种薯外形特征进行设计,且保证每次输送一个种薯。切块过程中,姿态一致、有序排列的种薯从喂入装置的末端抛出落入夹持装置。夹持装置携带种薯向圆盘刀方向匀速前进。第1片圆盘刀沿种薯短轴截面对种薯进行切割,经挡板阻挡夹持装置转动90°,随后第2片圆盘刀沿种薯长轴截面对种薯进行第2次切割,夹持装置再次转动90°进行复位,随后薯块在夹持装置翻转下掉落至输送带上。第二次切薯将种薯顶端均分,使4个薯块都含有顶芽。两圆盘刀之间保留一定距离,避免夹持装置转动时与圆盘刀干涉。

1.3 夹持装置结构组成与工作原理

夹持装置主要由夹持爪、托板组、弹簧座、调紧螺杆和底板构成,其结构如图2所示。其中,托板组由4块托板构成,对角安装的托板相同。对角安装的夹持爪相同,其安装滑轮的一端放置在弹簧座滑槽内。弹簧座中放置4个弹簧,每个导向滑轨内放置1个。轴承位于弹簧座与底板之间。调紧螺杆穿过底板上的方形凸台对称安装在装置两侧,其顶端安装橡胶摩擦块紧贴弹簧座底部,摩擦块表面设计为锯齿形来增大摩擦。

图2 夹持装置结构图

种薯切块前,调整喂入装置末端的挡板与试验台起始端的夹持装置在竖直方向重合。该装置工作时,由输送电机驱动夹持装置匀速运动,夹持部件凭借种薯的碰撞完成夹薯动作。种薯经喂入装置排序,其水平速度与夹持装置输送速度相同并依次落入夹持装置,种薯表面并不规则,其表面凸起处首先碰撞托板并带动托板下移挤压弹簧,同时4个夹持爪向内收缩,夹紧种薯。夹持过程中,每组托板、夹持爪和弹簧是独立运动的,这样可以使夹持装置能够自适应种薯不规则的表面夹紧种薯。通过4组托板、夹持爪和弹簧的独立运动可实现种薯的姿态调节,让其短轴截面对准切刀,保证切刀均分薯块,提高薯块品质。

2 关键部件设计

2.1 托板组设计

种薯碰撞压板会产生作用力,故压板表面采用缓震材料,托板组结构如图3所示。根据种薯长轴横截面,将托板组设计为“类椭圆形”,其长轴为120 mm,短轴为60 mm。由于种薯表面不规则,因此将托板组设计为4块,每块托板独立运动,可以实现夹持装置自适应种薯表面夹紧种薯。为了保证种薯喂入前夹持爪呈打开状态,夹持装置通过弹簧支撑托板组,托板组下端面设计导向块挤压弹簧实现夹薯。当弹簧达到最大变形量时,弹簧弹力为

图3 托板组结构图

Fd=kΔd

(1)

式中:Fd——弹簧弹力,N;

k——弹簧劲度系数,N/m;

Δd——弹簧最大变形量,m。

为保证夹持爪可以夹紧种薯,此时弹簧弹力应不大于种薯重力,即

Fd≤Mg

(2)

式中:M——种薯平均质量,kg;

g——重力加速度,取9.8 m/s2。

考虑到夹持装置尺寸较小,且夹紧过程迅速,导向块长度取25 mm,即弹簧最大变形量为25 mm。用于切种的种薯质量较小,由式(1)、式(2)可知,为了使得质量偏小的种薯可以被夹紧,需要选取劲度系数较小的弹簧。当夹持装置随链条运动至切块机下方时,要使得夹持爪顺利打开,因此弹簧劲度系数不能过小。经称重,测得试验种薯平均质量为260 g,代入式(1)、式(2)得弹簧劲度系数最大为104 N。根据多次夹持试验筛选,确定了弹簧劲度系数在60～80 N/m时种薯能够被夹紧且夹持爪能够顺利打开。托板与夹持爪之间采用销连接,该方式连接稳定且运动平顺。为保证托板不会脱离弹簧座,在导向块底端插入限位销。为满足圆盘刀走刀需求,设计的托板组开设十字槽,宽10 mm,切刀经十字槽分割种薯。

2.2 夹持爪设计

夹持爪是夹持装置的关键部件[15-18],包括夹板、连杆、肋板和滑轮,其结构如图4所示。种薯挤压托板在竖直方向运动,而夹持爪需要从侧面夹紧种薯,故将连杆设计为图4所示,同时增加滑轮减少运动时的摩擦力,做到快速夹薯,并通过增加肋板提高夹板与连杆之间的连接强度。该部件的特点在于夹持爪可以从4个方向自适应种薯外形夹薯,夹板能够做到紧贴种薯表皮但不会因夹紧力过大导致芽眼损伤。种薯一般呈“类椭球形”,为增大夹板与种薯接触时的面积,将夹板的内表面设计为半径为47.5 mm的圆柱面。

图4 夹持爪结构图

夹薯前,4个夹持爪打开,此时夹持装置开口远大于种薯外轮廓,能够满足尺寸较大的种薯喂入。夹薯时,夹持爪向内收缩,夹板的内表面包络呈“类椭圆形”。四爪夹持可实现种薯位姿调整,使种薯短轴截面对准切刀,配合切刀均分种薯,这样即保证了顶芽部分不被切为片状,又使每个薯块都存在顶芽,有效减少种薯损耗。为了提高夹持稳定性,设计的每组夹持装置包含4个夹持爪。以夹持爪底端小孔的运动方向为X轴,其上端小孔的运动方向为Y轴,建立平面直角坐标系,运动过程如图5所示,实线为初位置,虚线为末位置。

图5 夹持爪运动初末位置图

种薯稳定后,导向滑块运动至最底部,弹簧达到最大变形量,夹持爪D(H)点运动至种薯水平均分截面处,夹持爪BC段的长度

lBC=lOE+lEH

(3)

式中:lBC——夹持爪BC段长度,mm;

lOE——末位置处,夹持爪上端小孔至滑轮中心的竖直距离,mm;

lEH——末位置处,夹持爪上端小孔至种薯水平均分截面的竖直距离,mm。

此时,lOE等于导向滑块的长度,lEH等于种薯短轴半径的长度,经测量,种薯短轴半径平均值为30 mm,故lBC为55 mm。

为减小托板的竖直方向位移行程并满足弹簧和导向滑块的安装,由几何关系可知,夹持爪AB段长度

(4)

式中:lAB——夹持爪AB段长度,mm;

α——夹持爪AB段初始角度,(°)。

由式(4)可知,夹持爪AB段初始角度大小影响夹持爪的尺寸。由于各零部件之间存在一定的摩擦力,夹持爪AB段初始位置与水平方向的夹角过大会导致夹持装置卡死,而夹角过小则导致夹持爪开口不足以容纳种薯,取该夹角范围为50°～80°,每10°做3组试验,当夹角为70°时夹持爪运动平顺,且开口大小可以满足种薯喂入要求,因此取AB段初始角度为70°,考虑到加工方便性,将夹持爪AB段长度设计为37 mm。

2.3 弹簧座设计

本文设计了弹簧座配合夹薯作业,其结构如图6所示。导向滑轨内各安装1个弹簧,滑槽内放置夹持爪带有滑轮的一端,弹簧座圆形面下端面设计4个旋转凸台,凸台碰撞机架上的挡板可使弹簧座转动90°,配合切刀完成四瓣切薯工作。该部件最底部设计1个圆柱形固定筒,其内部安装轴承,外圆柱面与锯齿橡胶摩擦块紧密贴合限制弹簧座的转动角度,由于夹持装置输送速度不快,经试验观察,采用此限位方式满足要求。

图6 弹簧座结构图

作业时,为保证导向滑块和弹簧运动时不卡顿,导向滑轨孔径要略大于弹簧外径,故其孔径取10 mm。为满足弹簧以及导向块的安装尺寸需求,导向滑轨深度要大于弹簧压缩后长度与导向滑块长度的总和,即

Hh≥ld+lm

(5)

式中:Hh——导向滑轨深度,mm;

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lm——弹簧压缩后长度,mm;

ld——导向滑块的长度,mm。

弹簧压缩后会留有一定的长度,本文选用的弹簧压缩至最大压缩量位置时,其长度最大为5 mm,故导向滑轨深度取30 mm。

为保证夹持爪在运动过程中不脱离弹簧座,弹簧座直径设计为150 mm。夹持爪滑轮在弹簧座滑槽内平动,滑槽长度应大于夹持爪在弹簧座上的移动距离,即

lc≥lAB·cosβ-lAB·cosα

(6)

式中:lc——滑槽长度,mm;

β——种薯夹紧状态,夹持爪AB段与水平方向夹角,为42.5°。

由式(6)可得,滑槽长度最小为14.6 mm,考虑到滑轮的安装尺寸,将滑槽长度设计为30 mm。

3 试验与分析

3.1 试验条件

试验于2021年6月在山东德州试验基地进行,选取分级后的荷兰15号一级良种为试验材料,其形状为长椭圆形,质量范围为220～270 g,采用自制的马铃薯种薯切块机试验台进行试验。

3.2 正交试验与分析

以荷兰15号一级良种为参考,进行单因素试验,种薯喂入高度为100～200 mm,弹簧劲度系数为60～100 N/m,夹板材料为PVC、硅胶、EVA。其中高度低于该范围会使得前端喂入设备与试验台干涉,高于该范围弹出夹持装置的种薯骤增,并且芽眼损伤严重;劲度系数高于该范围导致夹持装置不能夹紧种薯,影响切块质量,低于该范围弹簧缓冲作用小,容易损伤芽眼;夹板材料对芽眼损伤有很大影响,硬度高的材料对芽眼损伤较大,但硬度低的材料使用寿命较低,所以种薯喂入高度、弹簧劲度系数、夹板材料,这些因素直接影响了薯块品质。

根据马铃薯种薯切块的企业标准与中国农业机械学会发布的团体标准,将含有芽眼且质量在35～65 g的薯块作为合格薯块,其余认定为损耗薯块,选择漏取率、损耗率为评价指标,其计算公式如式(7)所示。

(7)

式中:Q1——漏取率,%;

n1——弹出夹持装置种薯的质量,kg;

N——种薯总质量;

Q2——损耗率,%;

n2——损耗薯块的质量,kg。

采用三因素三水平正交试验方案,因素水平安排如表1所示。

表1 试验因素水平Tab. 1 Experimental factors and codes

试验前使用电子秤将种薯称好,调整喂入装置转速为30 r/min,试验台输送轴转速为30 r/min,刀轴转速为110 r/min。每30个马铃薯为一组,每组试验重复3次,记录每组试验后弹出夹持装置种薯的质量与认定为损耗薯块的质量,取3组试验的平均值作为试验结果,试验方案如表2所示,极差分析结果如表3所示。

表2 正交试验方案与结果Tab. 2 Orthogonal test design scheme and results

表3 极差分析结果Tab. 3 Results of range analysis

根据上述试验结果,以漏取率及损耗率为考察指标的正交试验中,由表3可知两指标对应的较优因素水平组合均为A1B1C3。各因素对漏取率的影响主次顺序为弹簧劲度系数、喂入高度、夹板材料,各因素对损耗率的影响主次顺序为夹板材料、喂入高度、弹簧劲度系数。

当喂入高度为100 mm、150 mm和200 mm时,漏取率分别为5.90%、7.29%和7.69%,即漏取率随喂入高度增大而增大,较优因素水平为A1;这是因为在喂入高度增大时,种薯回弹高度增大,导致种薯脱离夹持爪的固定,造成漏取率的增大。当喂入高度为100 mm、150 mm和200 mm时,损耗率分别为8.53%、8.60%和10.45%,即损耗率随喂入高度增大而增大,较优因素水平为A1;这是因为在喂入高度增大时,种薯与托板及夹板碰撞时的速度增大,种薯的冲击力增大,造成损耗率的升高。由表3可知喂入高度为A1时漏取率和损耗率均维持在较低水平,因此选取A1作为较优因素水平。

当弹簧劲度系数为60 N/m、80 N/m和100 N/m时,漏取率分别为4.02%、6.60%和10.26%,即漏取率随弹簧劲度系数增大而增大,且弹簧劲度系数越大,漏取率增大趋势越明显,较优因素水平为B1;这是因为劲度系数较小时,弹簧较软,种薯自重可以将其压缩,夹持爪张开不明显,这时种薯在夹持装置内会有轻微晃动,但夹持爪仍可以固定种薯,当弹簧劲度系数较大时,种薯自重不能将弹簧压缩,导致夹持爪无法收紧,造成漏取率增大明显。

当弹簧劲度系数为60 N/m、80 N/m 和100 N/m时,损耗率分别为8.90%、9.55%和9.12%,即损耗率随弹簧劲度系数增大先增大再降低,较优因素水平为B1;这是因为随着弹簧劲度系数增大,弹簧开始变硬,种薯撞击托板的接触力变大,损耗率增大,随后夹持爪夹紧种薯,在接触位置芽眼损失较多,当弹簧劲度系数增大到一定数值后,种薯落入夹持装置中与托板碰撞后不再碰撞夹持爪,种薯损耗只出现在种薯与托板碰撞位置,损耗率轻微下降。由表3可知,弹簧劲度系数为B1时两指标均维持在较低水平,因此选取B1作为较优因素水平。

当夹板材料为PVC、硅胶和EVA时,漏取率分别为6.99%、7.24%和6.64%,即漏取率随夹板材料的改变变化不大,较优因素水平为C3。当夹板材料为PVC、硅胶和EVA时,损耗率分别为14.61%、6.89%和6.07%,较优因素水平为C3。

在种薯碰撞硅胶与EVA材料的夹板时,夹板能给予种薯较好的缓冲效果,在一定程度上可以保护芽眼不受损伤,但长期使用后EVA材料性能有所衰减,其对芽眼的损伤会轻微增加,需要定期更换新的夹板;PVC材料弹性模量较大,种薯撞击该材料时易造成破损和伤芽,损耗率较高,因此选取C3作为较优因素水平。

综上,马铃薯种薯夹持装置的较优因素组合为A1B1C3,即喂入高度为100 mm,弹簧劲度系数为60 N/m,夹板材料为EVA。

3.3 验证试验

按照较优因素组合调整试验台参数重复3次试验,并取平均值,验证试验结果如表4所示,经过试验得出漏取率均值为2.68%,损耗率均值为4.43%,满足种薯切块的作业标准。

表4 验证试验结果Tab. 4 Verification test results

4 结论

1) 设计了一种马铃薯种薯夹持装置,采用4组夹持爪与托板同步运动的方式对马铃薯种薯进行夹持。该夹持装置凭借种薯自身重力挤压弹簧来实现种薯夹紧,此方式能够避免由于夹紧力太大压坏种薯,也能避免由于夹紧力不足使种薯在装置内部晃动,可以实现种薯稳固夹持,有效降低了种薯的损耗率。

2) 对夹持装置的托板组、夹持爪、弹簧座的关键部件进行了设计。其中,托板组长轴位120 mm,短轴为60 mm,导向滑块长25 mm;夹板内表面为半径为47.5 mm的圆柱面;弹簧座导向滑轨深度为30 mm,滑槽长度为30 mm。

3) 对种薯夹持试验结果进行了验证试验。结果表明喂入高度为100 mm、弹簧劲度系数为60 N/m、夹板材料为EVA时,漏取率均值为2.68%,损耗率均值为4.43%,满足种薯切种要求。