馬鈴薯收獲機(jī)的設(shè)計(jì)
馬鈴薯收獲機(jī)的設(shè)計(jì),馬鈴薯,土豆,收獲,收成,設(shè)計(jì)
山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）外文翻譯
馬鈴薯播種機(jī)的性能評(píng)估
原文來(lái)源：H. Buitenwerf，W.B. Hoogmoed，P. Lerink and J. Müller.Assement of the Behavior of Potato in a Cup-belt Planter. Biosytems. Engineering, Volume 95, Issue, September 2006: 35—41
大多數(shù)馬鈴薯播種機(jī)都是通過(guò)勺型輸送鏈對(duì)馬鈴薯種子進(jìn)行輸送和投放。當(dāng)種植精度只停留在一個(gè)可接受水平的時(shí)候這個(gè)過(guò)程的容量就相當(dāng)?shù)?。主要的限制因素是：輸送帶的速度以及取薯勺的?shù)量和位置。假設(shè)出現(xiàn)種植距離的偏差是因?yàn)槠x了統(tǒng)一的種植距離，這主要原因是升運(yùn)鏈?zhǔn)今R鈴薯播種機(jī)的構(gòu)造造成的.
一個(gè)理論的模型被建立來(lái)確定均勻安置的馬鈴薯的原始偏差，這個(gè)模型計(jì)算出兩個(gè)連續(xù)的馬鈴薯觸地的時(shí)間間隔。當(dāng)談到模型的結(jié)論時(shí)，提出了兩種假設(shè)，一種假設(shè)和鏈條速度有關(guān)，另一種假設(shè)和馬鈴薯的形狀有關(guān)。為了驗(yàn)證這兩種假設(shè)，特地在實(shí)驗(yàn)室安裝了一個(gè)種植機(jī)，同時(shí)安裝一個(gè)高速攝像機(jī)來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)連續(xù)的馬鈴薯在到達(dá)土壤表層時(shí)的時(shí)間間隔以及馬鈴薯的運(yùn)動(dòng)方式。
結(jié)果顯示：（a）輸送帶的速度越大，播撒的馬鈴薯越均勻；（b）篩選后的馬鈴薯形狀并不能提高播種精度。
主要的改進(jìn)措施是減少導(dǎo)種管底部的開放時(shí)間，改進(jìn)取薯杯的設(shè)計(jì)以及其相對(duì)于導(dǎo)種管的位置。這將允許杯帶在保持較高的播種精度的同時(shí)有較大的速度變化空間。
１介紹說(shuō)明
升運(yùn)鏈?zhǔn)今R鈴薯種植機(jī)（圖一）是當(dāng)前運(yùn)用最廣泛的馬鈴薯種植機(jī)。每一個(gè)取薯勺裝一塊種薯從種子箱輸送到傳送鏈。這條鏈向上運(yùn)動(dòng)使得種薯離開種子箱到達(dá)上鏈輪，在這一點(diǎn)上，馬鈴薯種塊落在下一個(gè)取薯勺的背面，并局限于金屬導(dǎo)種管內(nèi).
在底部，輸送鏈通過(guò)下鏈輪獲得足夠的釋放空間使得種薯落入地溝里。
圖一，杯帶式播種機(jī)的主要工作部件：（1）種子箱；（2）輸送鏈；（3）取薯勺；（4）上鏈輪；（5）導(dǎo)種管；（6）護(hù)種壁；（7）開溝器；（8）下鏈輪輪；（9）釋放孔；（10）地溝。
株距和播種精確度是評(píng)價(jià)機(jī)械性能的兩個(gè)主要參數(shù)。高精確度將直接導(dǎo)致高產(chǎn)以及馬鈴薯收獲時(shí)的統(tǒng)一分級(jí)(McPhee et al, 1996；Pavek & Thornton, 2003)。在荷蘭的實(shí)地測(cè)量株距（未發(fā)表的數(shù)據(jù)）變異系數(shù)大約為20%。美國(guó)和加拿大早期的研究顯示，相對(duì)于玉米和甜菜的精密播種，當(dāng)變異系數(shù)高達(dá)69%(Misener, 1982；Entz & LaCroix, 1983；Sieczka et al, 1986)時(shí)，其播種就精度特別低。
輸送速度和播種精度顯示出一種逆相關(guān)關(guān)系，因此，目前使用的升運(yùn)鏈?zhǔn)椒N植機(jī)的每條輸送帶上都裝備了兩排取薯勺而不是一排。雙排的取薯勺可以使輸送速度加倍而且不必增加輸送帶的速度。因此在相同的精度上具有更高的性能是可行的。
該研究的目的是調(diào)查造成勺型帶式種植機(jī)精度低的原因，并利用這方面的知識(shí)提出建議，并作設(shè)計(jì)上的修改。例如在輸送帶的速度、取薯杯的形狀和數(shù)量上。
為了便于理解，建立一個(gè)模型去描述馬鈴薯從進(jìn)入導(dǎo)種管到觸及地面這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，因此馬鈴薯在地溝的運(yùn)動(dòng)情況就不在考慮之列。由于物理因素對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)備的強(qiáng)烈影響(Kutzbach, 1989)，通常要將馬鈴薯的形狀考慮進(jìn)模型中。
兩種零假設(shè)被提出來(lái)了：（1）播種精度和輸送帶速度無(wú)關(guān)；（2）播種精度和篩選后的種薯形狀（尤其是尺寸）無(wú)關(guān)。這兩種假設(shè)都通過(guò)了理論模型以及實(shí)驗(yàn)室論證的測(cè)試。
２材料及方法
2.1 播種材料
幾種馬鈴薯種子如圣特、阿玲達(dá)以及麻佛來(lái)都已被用于升運(yùn)鏈?zhǔn)讲シN機(jī)測(cè)試，因?yàn)樗鼈?
有不同的形狀特征。對(duì)于種薯的處理和輸送來(lái)說(shuō)，種薯塊莖的形狀無(wú)疑是一個(gè)很重要的因素。許多形狀特征在結(jié)合尺寸測(cè)量的過(guò)程中都能被區(qū)分出來(lái)(Du & Sun, 2004； Tao et al, 1995； Z?dler, 1969)。在荷蘭，馬鈴薯的等級(jí)主要是由馬鈴薯的寬度和高度（最大寬度和最小寬度）來(lái)決定的。種薯在播種機(jī)內(nèi)部的整個(gè)輸送過(guò)程中，其長(zhǎng)度也是一個(gè)不可忽視的因素。
形狀因子S的計(jì)算基于已經(jīng)提到的三種尺寸：
此處l是長(zhǎng)度，w是寬度，h是高度（單位：mm），且h0·01 m
時(shí)，這種關(guān)系是線性的。● ，測(cè)量數(shù)據(jù)；，數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)； ■，延長(zhǎng)到R < 0 ? 01米； -，線性關(guān)系；R2，決定系數(shù)。
3.2 馬鈴薯的尺寸和形狀
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由表三給出。顯示固定進(jìn)料率為每分鐘400個(gè)種薯的時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)偏差。這
些結(jié)果與期望值剛好相反，即高的標(biāo)準(zhǔn)偏差將使得形狀因子增加。球狀馬鈴薯的結(jié)果尤其令人吃驚：球的標(biāo)準(zhǔn)偏差高過(guò)阿玲達(dá)馬鈴薯50%以上。時(shí)間間隔的正態(tài)分布如圖七所示，球和馬鈴薯之間的差異明顯。兩個(gè)不同品種的馬鈴薯之間的差異不明顯。
表三 馬鈴薯品種對(duì)種植間距的精確度的影響
品種 標(biāo)準(zhǔn)偏差，ms CV, %
阿玲達(dá) 8.60 3·0
麻佛來(lái) 9.92 3·5
高爾夫球 13.24 4·6
圖七，固定進(jìn)料率下不同形狀的沉積的馬鈴薯時(shí)間間隔的正態(tài)分布。
球狀馬鈴薯的這種結(jié)果是因?yàn)榍蚩梢砸圆煌姆绞皆谌∈砩妆巢慷ㄎ?。臨近杯中球的不同定位導(dǎo)致沉積精度降低。杯帶的三維視圖顯示了取薯勺與導(dǎo)種管之間的間隔的形狀，顯然獲得不同大小的開放空間是可行的。
圖八，取薯勺呈45度時(shí)的效果圖；馬鈴薯在護(hù)種壁的位置對(duì)其釋放具有決定性影響。
阿玲達(dá)塊莖種薯在沉積時(shí)比麻佛來(lái)的精度高。通過(guò)對(duì)記錄的幀和馬鈴薯的分析，結(jié)果表明：阿玲達(dá)這種馬鈴薯總是被定位平行于最長(zhǎng)的軸線的護(hù)種壁。因此，除了形狀因子外，寬度與高度的高比例值也將造成更大的偏差。阿玲達(dá)的這個(gè)比例是1.09，麻佛來(lái)的為1.15。
3.3 實(shí)驗(yàn)室對(duì)抗模型測(cè)試平臺(tái)
該數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)了不同情況下的流程性能。相對(duì)于馬鈴薯，該模型對(duì)球模擬了更好的性能，然而實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果卻恰然相反。另外實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)是為了檢查模型的可靠性。
在該模型里，兩個(gè)馬鈴薯之間的時(shí)間間隔被計(jì)算出來(lái)。起始點(diǎn)出現(xiàn)在馬鈴薯開始經(jīng)過(guò)A點(diǎn)的時(shí)刻，終點(diǎn)出現(xiàn)在馬鈴薯到達(dá)C點(diǎn)的時(shí)刻。通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從A到C點(diǎn)的馬鈴薯的時(shí)間間隔被測(cè)出。每個(gè)馬鈴薯的長(zhǎng)度、寬度和高度也通過(guò)測(cè)量獲得，同時(shí)記錄了馬鈴薯的數(shù)量。測(cè)量過(guò)程中馬鈴薯在取薯杯上的位置是已經(jīng)確定好的。這個(gè)位置和馬鈴薯的尺寸將作為模型的輸入量，測(cè)量過(guò)程將阿玲達(dá)與麻佛來(lái)以400個(gè)馬鈴薯每分的速率下進(jìn)行。測(cè)量時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)偏差如表四所示。測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差與模型的標(biāo)準(zhǔn)誤差只是稍稍不同。對(duì)這種不同現(xiàn)象的解釋是：（1）模型并沒(méi)有把圖八中出現(xiàn)的情況考慮進(jìn)去；（2）從A點(diǎn)到C點(diǎn)的時(shí)間不一致。塊狀馬鈴薯如阿玲達(dá)可能從頂部或者最遠(yuǎn)距離下落，這將導(dǎo)致種薯到達(dá)C點(diǎn)底部的時(shí)間增加6ms
表四 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和模型計(jì)算出來(lái)的開放時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)誤差的差異
品種 形狀因子 標(biāo)準(zhǔn)偏差, ms
測(cè)量值 計(jì)算值
阿玲達(dá) 326 8.02 5.22
麻佛來(lái) 175 6.96 4.40
4. 總結(jié)
這個(gè)模擬馬鈴薯從輸送帶開始釋放的運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非常有用的證實(shí)假設(shè)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工具。
模型和實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試都表明：鏈速越高，馬鈴薯在零速度水平沉積得更均勻。這是由于開口足夠大使得馬鈴薯下降得越快，這對(duì)馬鈴薯的形狀和種薯在取薯杯上的定位有一定的影響，與鏈條速度的關(guān)系也就隨之明確，因此，在保持高的播種精度時(shí)，應(yīng)該提供更多的空間以減小鏈條的速度。建議降低鏈輪的半徑，直至低到技術(shù)上的可行度。
該研究顯示，播種機(jī)的取薯勺升運(yùn)鏈鏈對(duì)播種精度（播種的幅寬）有很大的影響。
更規(guī)格的形狀（形狀因子低）并不能自動(dòng)提高播種精度。小球（高爾夫球）在很多情況下沉積的精度低于馬鈴薯，這是由導(dǎo)向的導(dǎo)種管和取薯勺的形狀決定的。
因此建議重新設(shè)計(jì)取薯勺和導(dǎo)種管的形狀，要做到這一點(diǎn)還應(yīng)該將小鏈輪加以考慮。
參考文獻(xiàn)
[1] Du and Sun, 2004 Cheng-Jin Du and Da-Wen Sun, Recent developments in the applications of image processing techniques for food quality evaluation, Trends in Food Science & Technology 15 (2004), pp. 230–249.
[2] Entz and LaCroix, 1983 M.H. Entz and L.J. LaCroix, A survey of planting accuracy of commercial potato planters, American Potato Journal 60 (1983),pp. 617–623.
[3] Koning de et al., 1994 C.T.J. Koning de, L. Speelman and H.C.P. Vries de, Size grading of potatoes: development of a new characteristic parameter, Journal of Agricultural Engineering Research 57 (1994), pp. 119–128
[4] Kutzbach H D (1989). Influence of crop properties on the efficiency of agricultural machines and equipment. 4th International Conference on Physical Properties of Agricultural Materials, Rostock, Germany, September 4–8, pp 447–455.
[5] McPhee et al., 1996 J.E. McPhee, B.M. Beattie, R. Corkrey and J.F.M. Fennell, Spacing uniformity—yield effects and in-field measurement, American Potato Journal 73 (1996) (1), pp. 167–171
[6] Misener, (1982) Misener GC (1982). Potato planters—uniformity of spacing. Transactions of the ASAE, 25, 1504–1505, 1511
[7] Pavek M; Thornton R (2003). Poor planter performance: what's it costing the average Washington potato grower? Proceedings of the Washington State Potato Conference, Moses Lake, WA, USA, pp 13–21
[8] Siecska et al., 1986 J.B. Sieczka, E.E. Ewing and E.D. Markwardt, Potato planter performance and effects on non-uniform spacing, American Potato Journal 63 (1986), pp. 25–37
[9] Tao et al., 1995 Y. Tao, C.T. Morrow, P.H. Heinemann and H.J.S. Ill, Fourier based separation technique for shape grading of potatoes using machine vision, Transactions of the ASAE 38 (1995), pp. 949–957.
[10] Z?dler, 1969 H. Z?dler, Ermittlung des Formindex von Kartoffelknollen bei Legemachinenuntersuchungen, [Determination of the shape index of potato tubers in potato planter research.] Grundlagen der Landtechnie 15 (1969) (5), p. 170.
9
收藏