1 课题来源及意义
在全世界所有粮食中，马铃薯产量仅次于小麦、水稻和玉米，排名第四。同时，中国是世界上马铃薯总产最多的和消费最大的国家。从2006年开始，我国各级各级政府就已经高度重视马铃薯产业的生产与发展了，农业部出台了《农业部关于加快马铃薯产业发展的意见》，为马铃薯产业的发展奠定了基础。2008年，在各地政府纷纷采取了相应的措施加快了马铃薯产业的发展，又进一步将马铃薯纳入优势农产品区域布局规划。2015年1月6日启动了马铃薯主粮化战略，并且已在希森集团企业内部生产出了马铃薯馒头，加快了马铃薯的生产规模，促进了人们对马铃薯的消费情况[5]，2020年农业部计划将马铃薯的种植面积扩大到一亿亩，促使马铃薯机械行业的发展。
尽管我国马铃薯的播种面积和产量很多，然而在马铃薯机械程度上相对落后。关于马铃薯农机产品主要分为马铃薯播种机械、中期管理机械和后期收获及其马铃薯仓储设备机械，目前马铃薯从前期播种到收获阶段的机械发展较为成熟，但是仓储设备比较匮乏。由于马铃薯收获后需要根据客户的需求来大小分级，以达到客户的最大利润，在我国大部分地区，尤其是在马铃薯种植面积比较大内蒙古地区，仍靠人工来分选，靠人眼目测马铃薯的大小，这样不仅效率低，劳动强度大，而且分选效果也不佳。所以对马铃薯清选输送机的设计研究有着很重大的意义。
2 国内外清选设备现状
目前，关于马铃薯农业机械的装备一直被国外的企业所垄断，例如法国DOWNS公司，德国的GRIMME，即格立莫公司，荷兰的Miedema公司，以及美国的一些知名公司等。他们的仓储设备20世纪就已经起步发展了，从小规模发展到大规模、从简单低级的机械转向高级智能化的方向发展，取得了很大的成就。在马铃薯分选设备方面的技术水平是相当的高，已经成熟的将机械、电气控制和液压控制结合在一起了，例如国外的高新技术分选，就是将马铃薯根据市场需求分成大中小三种尺寸，并且预先将这三种尺寸输入到控制系统中，分选时利用光电信号转换器将读取的马铃薯尺寸转换成数字信号输入电脑中，进行处理，最后通过执行元件将马铃薯移动到所属容器内，保证了分选精密准确、低损伤和高效率的工作状态。但是国外产品不适应中国的地形和气候，售后服务跟不上，最重要的一点是造价昂贵，超出农民的支付能力[18-20]。
我国虽然是马铃薯总产量最多的国家，然而我国却还处在以人力为主的半机械化状态，针对马铃薯播种、收获及分选输运的机械结构及优化设计研究甚少，在仓储清选方面的研究几乎为零，马铃薯机械还处于起步发展阶段，有着良好的发展前景。目前，我国专业从事马铃薯机械生产企业虽然逐渐步入发展和成熟期，一些专业人士根据马铃薯加工企业对马铃薯大中小的需要情况认为，马铃薯需经生产线分选出大小种类。然后辊轴式分选设备被研制，其通过马铃薯经过多级分选辊后，筛选出大小统一的马铃薯，然后进入各自的输送线。还有一些专业人士通过运动学有限元分析，来确定分选装置工作参数的配合，但这些研究处在实验室阶段，没有应用在实践中。
国内企业生产的马铃薯仓储设备也能完成马铃薯的装仓的各个环节，但很多地方结构的设计不够完善，参数的设计也不够成熟，清选系统的自动化及智能化的研究更是甚少。国内大型智能化马铃薯清选输送设备的研究几乎是空白，国内设备目前较少采用液压和电器控制，随着国外马铃薯仓储设备技术的不断革新和快速发展，国家对马铃薯产业的大力支持，推动了我国马铃薯仓储设备技术飞速发展，正逐步向机、电、液一体化控制方向迈进，所以对马铃薯清选设备的研究及优化有着重要意义。
3课题解决的关键问题及研究内容
3.1课题解决的关键问题
当前马铃薯播种到收获已经基本实现了机械化，但是马铃薯清选输送设备发展还比较滞后，基本处于粗放型阶段，目前我国的马铃薯清选输送设备在工作过程中，上料输送系统不能有效的控制马铃薯的上料速度和上料量，调控不方便，自动化、智能化程度低，仍存在物料堆积，过载卡停和耗损严重问题，不仅降低了后期马铃薯的分选正确效率和清土率，而且增大了破皮率，直接造成用户经济损失，严重影响了马铃薯清选输送机的分选效率，制约着马铃薯清选输送设备连续化、自动化的发展[21]，因此马铃薯清选输送机智能上料装置需要进一步的研究和开发。
其次马铃薯清选输送设备主要工作参数设置不合理，如接料斗提升角度与一级分选装置的工作角度配合不合理，一级分选辊转速与二级清选辊转速配合不合理，上料量与分选转速配合不合理等，若工作参数设置不合理容易造成马铃薯的破皮率的提高，分选效果差，分选正确率低，分选效率低以及马铃薯堆积工作不连续等不良后果。
3.2研究内容
（1）研究马铃薯清选设备的整机结构设计，及其一级分选装置与二级清选装置的工作原理，两级装置上均采用液压系统来调整分选角度，以及马铃薯分选轴间距，更能精确可靠的完成工作，探讨各个液压系统之间的配合与伤薯率、纯净率之间的关系，建立相应的数学模型。
（2）主输送线采用的调速电机配合三级减速的托辊式柔性带输送结构，带速可调，上料角度也是可调的，二级清选装置清选辊转速也可以手动调节。研究接收料斗提升角度、上料速度和清选辊转速跟清选效率、伤薯率、纯净率之间的关系，确定最佳参数配合，保证最大清选量，最低破皮率，最佳分选准确率，最佳清选效果。
（3）智能化控制上料的研究开发，采用检测堆积厚度的传感器，依据智能化流量监测返回数据控速，最大程度降低马铃薯输运过程的破皮率，上料输运流量控制传感器和载荷自适应系统配合，实现效率、流量和破皮率控制的最优化，避免清选分级机构的物料拥堵。此过程需要依靠大量理论依据和实验进行验证，保证输运效率和马铃薯的破皮率，同时系统应对后续的清选工作具有自适应能力，实现智能化和效率的提升。
4 整机结构与关键部件
目前我国的马铃薯清选输送设备在工作过程中，上料输送系统不能有效的控制马铃薯的上料速度和上料量，调控不方便，自动化、智能化程度低，仍存在物料堆积，过载卡停和耗损严重等问题，不仅降低了马铃薯后期的分选正确效率和清土率，而且增大了破皮率，直接造成用户经济损失，严重影响了马铃薯清选输送机的分选效率，制约着马铃薯清选输送设备连续化、自动化的发展。因此，马铃薯清选输送机智能上料装置需要进一步的研究和开发。
4.1整机结构
1.接收料斗 2.一级分选装置 3.二级清选装置 4. 输送线5. 主机托架
图1 整机模型
图2 整机结构
马铃薯清选装备整机模型（见图1、2）主要分为五大部分[23]：接收料斗、一级分选装置、二级清选装置、主机托架以及杂物和薯块输送线，如图所示。接收料斗与主机托架通过行程为200mm，工作压力为16MPa的主输送线支撑液压缸连接的，该液压缸用于调节接收料斗的工作角度的，一端通过连接叉耳与一级分选装置活动铰接；一级分选装置的末端与二级清选装置的始端共同固定在可前后活动的连接叉板上，该连接叉板前后移动是通过主机托架上的三角架液压缸来控制的；二级清选装置的末端同样也固定在可前后移动的连接叉板上，并且附有一排挡薯套管；一条小薯输送筛、两条薯块输送线以及一条杂物输送线均固定在主机托架上。
4.2关键部件设计
主机托架（见图3）主要负责整机的支撑和运输功能，如图所示。当整机行走时，三个支撑架旋转至水平位置，并用销轴固定，便于整机的运输；当整机进行清选工作时，三个支撑架旋转至竖直位置，通过借助内六角扳手调节支撑架的高度，来保证与地面的良好接触。
1.主输送线支撑液压缸 2.轮胎 3.三角架液压缸 4.前端液压缸
5.支撑架 6.后端连接叉板 7. 中间连接叉板 8.滑轨
图 SEQ 图 \* ARABIC 1 主机托架
一级分选装置（如图4所示）包含六条分选弹簧，每两条相邻分选弹簧的旋向是相反的，避免了马铃薯在输送过程中被推向一端，保证了分选工作的连续性，采用的圆柱弹簧外形比较圆滑，有利于减轻对马铃薯的损伤；每条弹簧中间都有一根分选中心管，每根分选中心管上都有6个略粗支撑套，且每相邻分选中心管上的支撑套是相间分布的，使得分选弹簧各个支撑点均匀分布，增强了一级分选装置的承受强度。
伸缩架主要由双连片体、传动链和单连片体构成，中间交叉铰接4对双连片体，两端分别有一对单连片体铰接相连，使得伸缩架整体结构类似5个菱形组成，伸缩架在调节分选辊轴间距时，避免了传动链的张紧调节。
主动托耳连接在主机托架上的，可随主机托架前后移动，主动伸缩架护罩左右两端对称安装，防止灰尘、杂物进入；减速电机采用法兰连接安装在一级分选装置的一侧，为六条分选棍提供动力。
1.减速电机 2.主动伸缩架护罩 3.左旋分选弹簧 4.右旋分选弹簧 5.双连片体
6.传动链 7.单连片体 8.支撑套 9.分选中心管 10.主动托耳
图 SEQ 图 \* ARABIC 2 一级分选装置
二级清选装置（如图5所示）跟一级分选装置结构总体大致是相似的，其主要区别为二级清选装置六条清选辊采用的橡胶材料的清选棘轮爪，能够减轻对马铃薯的损伤，每条清选辊上分布着28个清选棘轮爪，转动时是随着清选辊一体转动的，并且中间由棘轮隔套来隔开的；每相邻两条清选辊上的清选棘轮爪是交错相间布置的，保证了与马铃薯的充分接触，将马铃薯清理的更加干净；此外，减速电机能够调节清选速度的快慢，根据分选作业不同情况，可调至最佳清选转速。
1.减速电机 2.双连片体 3.清选棘轮爪 4.棘轮隔套 5.从动伸缩架护罩
6.主动托耳 7.挡薯套管 8.传动链 9.单连片体
图 SEQ 图 \* ARABIC 3 二级清选装置
1.薯料输送布 2.挡薯料侧板 3.挡薯料底板 4.牵引杆 5.牵引架支撑座 6.链条张紧装置
7.挡薯料侧板加强筋 8.链条张紧观测板 9.链条侧护板 10.控制柜固定架 11.油泵站固定架
12.驱动电机 13.侧护板连接架 14.从动辊 15.链条总成 16.底托横梁 17.主动四爪辊
图 SEQ 图 \* ARABIC 4 主输送线装置
主输送线上料装置如图6所示，包括挡薯料侧板、挡薯料侧板加强筋、薯料输送布、驱动电机、控制柜固定架、油泵站固定架、链条侧护板、链条张紧观测板、链条张紧装置、牵引架支撑座、牵引杆、挡薯料底板、从动辊、侧护板连接架、链条总成、底托横梁、主动四爪辊和控制系统等，它主要负责薯块的运输及其提升到所需高度。
挡薯料侧板焊有四个挡薯料侧板加强筋，左右对称安装，可承受较大侧向载荷；薯料输送布连接在链条总成上，并与主动四爪辊和从动辊构成上料装置；链条侧护板位于上料装置两侧，对称制作，由侧护板连接架连接；主动四爪辊连接驱动电机（驱动电机采用调速变频电机）；控制柜固定架、油泵站固定架连接在链条侧护板一侧；链条张紧装置与从动辊连接，从链条张紧观测板处观察链条总成张紧程度；液压缸安装在底托横梁的下方，用于调节上料角度与上料高度；挡薯料底板、牵引架支撑座、牵引杆依次位于上料装置底部。
主控制系统PLC采用西门子S7-200系列PLC，型号为S7-200 CPU224-DC24V，其具有结构紧凑小巧容量大，实时特性，相匹配的工程软件STEP-Micro/WIN简便易学，响应快速及功能强大功耗低和系统工作稳定等优点。由于变频器工作过程中容易产生热量，故在其内部装有冷却设备加快冷却速度，同时，为达到良好的散热效果，将变频器侧壁悬挂式安装在控制箱内部，并且与周围的器件设备留有充分的散热距离，在控制箱内的位置安装示意图如图7所示，变频器控制回路端子实物图如图8所示。
图7 变频器安装位置
图8 变频器控制回路端子
系统采用HC-SR04-P型超声波测距传感器实物如图9所示，图中1触点Vcc为接电源端，2触点Trig为控制端（波发生器），3触点Echo为接受端（波接收器），4触点Gnd为接地端。其工作原理采用的是IO触发测距，波发生器自动发出8个40khz的方波，当信号返回时，IO则输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发出至接受所用的时间。
图9 SEQ 图 \* ARABIC 5 超声波传感器实物图
测距时序图如图10所示，其测距公式为：
测试距离=（高电平时间?声速（340m/s））/2
图10 SEQ 图 \* ARABIC 6 测距时序图
控制柜中主要包括断路器、变压器380-220、变压器380-24V、电机启动器、电机散热扇启动器、电机启动器、A/D转换器、编程控制器PLC、接触器、总接触器、断相与相序保护继电器、变频器以及伸缩杆安全锁等硬件设备，实物图如图11所示，其安装示意图如图12所示。
图11 控制柜实物图
图12 控制柜示意图
5 试验与测试过程
5.1 影响伤薯率因素试验
马铃薯清选过程中薯与薯之间，薯与机械之间均会发生碰撞会导致马铃薯表皮破损，甚至碰碎现象，这样直接影响着马铃薯的后期储存及销售环节，给用户带来经济损失，为降低马铃薯清选设备工作中的伤薯率，通过做正交试验对设备工作参数进行分析调整，以便获得最佳工作参数，保证最低伤薯率，试验具体情况如表1所示。
表1试验设计及伤薯率结果
Tab.8 Experimental design and injury rate of potato
试验编号
列号
伤薯率/%
A
B
C
Xi
1
1
1
1
1
1
1.21
2
1
2
2
2
2
1.04
3
1
3
3
3
3
0.95
4
1
4
4
4
4
0.74
5
2
1
2
3
4
0.76
6
2
2
1
4
3
0.86
7
2
3
4
1
2
0.81
8
2
4
3
2
1
0.64
9
3
1
3
4
2
0.59
10
3
2
4
3
1
0.61
11
3
3
1
2
4
0.76
12
3
4
2
1
3
0.51
13
4
1
4
2
3
0.64
14
4
2
3
1
4
0.73
15
4
3
2
4
1
0.65
16
4
4
1
3
2
0.64
其中：Ki（i取值1、2、3和4）—任一列水平号对应伤薯率Xi（i取值1、2、3……16）中试验结果之和；
ki—任一列水平号对应伤薯率Xi中试验结果的算数平均值；
R—Ki中最大值与其最小值之差或ki中最大值与其最小值之差，本例中选用Ki。
5.2 影响清土率因素试验
清土率为马铃薯清选设备的另一重要工作指标，清土效果好，可减少运输成本以及便于后期马铃薯的深加工处理。同样通过做正交试验对设备工作参数进行分析调整，以便获得最佳工作参数，保证最佳清土效果，试验具体情况如表2所示。
表2 试验设计及清土率结果
Tab.9 Experimental design and the results of soil cleaning
试验编号
列号
清土率/%
A
B
C
Yi
1
1
1
1
1
1
96.1
2
1
2
2
2
2
95.8
3
1
3
3
3
3
94.2
4
1
4
4
4
4
95.3
5
2
1
2
3
4
96.1
6
2
2
1
4
3
95.4
7
2
3
4
1
2
95.1
8
2
4
3
2
1
96.4
9
3
1
3
4
2
95.8
10
3
2
4
3
1
96.9
11
3
3
1
2
4
97.3
12
3
4
2
1
3
95.3
13
4
1
4
2
3
93.7
14
4
2
3
1
4
94.2
15
4
3
2
4
1
94.6
16
4
4
1
3
2
95.2
其中：Ki（i取值1、2、3和4）—任一列水平号对应清土率Yi（i取值1、2、3……16）中试验结果之和；
ki—任一列水平号对应清土率Yi中试验结果的算数平均值；
R—Ki中最大值与其最小值之差或ki中最大值与其最小值之差，本例中选用Ki。
5.3 影响分选正确率因素试验
用户会根据马铃薯大小将其进行不同的后处理，一般情况尺寸较大的马铃薯会用于市场销售，体型较小的马铃薯不适合市场销售则会进入深加工处理，马铃薯大小分级综合利用会大大提高用户经济收入，所以分选正确率同样视为马铃薯清选设备的另一重要工作指标，同样通过做正交试验对设备工作参数进行分析调整，以便获得最佳工作参数，获得较大的分选正确率，试验具体情况如表3所示。
表3 试验设计及分选正确率结果
Tab.10 Test design and sorting accuracy results
试验编号
列号
分选正确率/%
A
B
C
Zi
1
1
1
1
1
1
97.2
2
1
2
2
2
2
97.3
3
1
3
3
3
3
96.4
4
1
4
4
4
4
94.8
5
2
1
2
3
4
96.4
6
2
2
1
4
3
96.8
7
2
3
4
1
2
95.3
8
2
4
3
2
1
96.1
9
3
1
3
4
2
97.5
10
3
2
4
3
1
98.4
11
3
3
1
2
4
96.6
12
3
4
2
1
3
96.5
13
4
1
4
2
3
94.5
14
4
2
3
1
4
95.2
15
4
3
2
4
1
95.4
16
4
4
1
3
2
96.1
其中：Ki（i取值1、2、3和4）—任一列水平号对应分选正确率Zi（i取值1、2、3……16）中试验结果之和；
ki—任一列水平号对应分选正确率Zi中试验结果的算数平均值；
R—Ki中最大值与其最小值之差或ki中最大值与其最小值之差，本例中选用Ki。
5.4 影响分选效率因素试验
分针对马铃薯清选设备的分选效率，毋庸置疑是用户比较重视的机器指标，同样通过做正交试验对设备工作参数进行分析调整，以便获得最佳工作参数，使得分选效率得到大大提升，试验具体情况如表4所示。
表4 试验设计及分选效率结果
Tab.11 Experimental design and sorting efficiency results
试验编号
列号
分选效率/s
A
B
C
Wi
1
1
1
1
1
1
7.9
2
1
2
2
2
2
6.2
3
1
3
3
3
3
5.4
4
1
4
4
4
4
5.1
5
2
1
2
3
4
4.5
6
2
2
1
4
3
4.6
7
2
3
4
1
2
4.1
8
2
4
3
2
1
4.8
9
3
1
3
4
2
3.5
10
3
2
4
3
1
2.4
11
3
3
1
2
4
3.2
12
3
4
2
1
3
3.6
13
4
1
4
2
3
3.5
14
4
2
3
1
4
4.5
15
4
3
2
4
1
5.1
16
4
4
1
3
2
5.3
其中：Ki（i取值1、2、3和4）—任一列水平号对应分选效率Wi（i取值1、2、3……16）中试验结果之和；
ki—任一列水平号对应分选效率Wi中试验结果的算数平均值；
R—Ki中最大值与其最小值之差或ki中最大值与其最小值之差，本例中选用Ki。
5.5 田间试验与测试
马铃薯分选清选设备于2016年秋季进行了大田测试试验，试验地点选在了农户种植区域，分别位于河北省沽源县和内蒙古乌兰察布市商河县的马铃薯主产区，测试效果良好，基本与设计指标相符，得到农户较高的使用评价。现场测试如图13所示。
图13田间试验与测试
6 样机的测试检验
马铃薯分选清选设备目前在国内尚无可以参照依据的国家标准或行业标准，目前在国内使用的多为进口设备，本课题依据农户使用要求和国外设备的技术现状以及课题任务书的相关技术要求，参照合作农机装备制造企业的实际生产技术规范，对本课题样机进行了测试检验，样机设备运行可靠，各项指标符合智能控制马铃薯清选装备任务书及马铃薯清选装备企业标准规范要求。
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