马铃薯种薯切块机整列装置设计与试验

吕金庆，张 航，李季成，刘中原，苏文海，竹筱歆

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

我国马铃薯产量位列全球第一，但单产水平较低[1]。多采用种薯切块播种种植模式[2-3]。除中耕、收获等过程外，切块薯制备也是影响马铃薯产量的关键因素[4]。机械化切割种薯可提高切块薯质量。整列装置为种薯切块机重要组成，种薯切割前摆放姿态影响切出薯块质量，形状不规则种薯直接进块造成薯块质量参差不齐，增加种薯投入。

种薯整列通常分为3种方式：根据种薯摩擦特性、外形尺寸和空间动力学特性使种薯在运动过程中完成整列；
利用机器视觉技术进行整列与人工整列[5]。其中，人工整列耗费人力且效率低，不适合大规模种薯切块作业；
运用机器视觉技术方法整列需采集表面特征，成本较高[6]。国外对马铃薯整列机械研究起步较早[7-8]，如比利时迪沃夫公司研制的PGS型种薯切块机[9]，利用安装于两侧的半圆锥形滚筒和中间三组圆锥形滚筒转动实现种薯切块前整列，自动化水平较高，但造价昂贵，不适合我国国情。国内整列机械研究多见于其他农产品[10-11]，刘向东等研制一种鲜杏定向切分去核机，设计带有自转鞍形轮辊子排序输送机构，并进行排序、间隔输送机理研究[12]；
俞亚新等研究水稻整列机理，通过振动激励使稻种在导向板上翻滚运动[13]；
徐惠荣等设计双锥式水果输送翻转系统，依据水果与工作元件摩擦力实现水果空间转动[14]。

针对现有种薯切块机整列装置普遍存在切割种薯定位难、种薯排列混杂无法实现机械化切块等关键问题，本文设计一种马铃薯种薯切块机整列装置，分析整列输送过程中马铃薯受力和运动轨迹，采用二次旋转正交组合试验探究上料量、胶轮直径、整列辊组转速对整列率、平均整列时间、损伤率的影响，优化得到最优参数组合，搭建试验台作试验验证，以期为马铃薯种薯切块机及配套技术研究提供理论依据。

1.1 整机结构

马铃薯种薯切块机主要分为上料、分级、整列、切割、出料五部分（见图1）。初步处理后种薯通过上料装置输送到分级装置，在分级装置中不同大小种薯被分选，体积较大种薯留在上层，体积较小种薯落入下层，清理种薯中土块杂草等，分级后种薯进入整列装置，受摩擦力矩作用种薯长轴与辊轴平行，完成整列后种薯进入到切割装置，体积较大种薯在上层受横切与纵切，体积较小种薯在下层仅受纵切，种薯切割完毕后进入出料装置并消毒，最终从出料口输出，完成切块作业。

图1 马铃薯种薯切块机整体结构Fig.1 Overall structure of potato seed cutting machine

马铃薯种薯切块机整列装置试验台主要由机架、输送装置、挡板、传动电机、张紧装置等组成，整体结构如图2所示，其中试验台左侧为上料端。

图2 马铃薯种薯切块机整列装置试验台整体结构Fig.2 Overall structure of the test bench for the sorting deviceof thepotato seed cutting machine

1.2 工作原理

传动电机驱动整列装置运动，整列辊组通过外链节并排安装在双排传动链上，相邻两个整列辊组安装有方向不同的单排链轮，通过张紧链使整列辊组在前进同时转动，通过整列辊组转动与向前移动可避免种薯在入料处堆积，满足切块装置整列要求；
整列装置两侧挡板可以防止种薯在整列过程中运动到整列装置外；
根据种薯形状不均匀导致重心不在几何中心的物料特性，通过胶轮与种薯相对运动合力矩转动种薯达到整列目的，整列完成后整列辊组带种薯继续向前移动，到达整列装置右侧时，单排链轮不再与张紧链接触，整列辊组与种薯均停止转动，此时种薯整列完成，并排安装的整列辊组支撑种薯进入切割装置进行纵向切割，如图3所示。

图3 整列装置作业Fig.3 Operation of thesorting device

1.3 主要技术参数

种薯切块机整列装置试验台主要用于切块机整列过程中整列辊组转速、胶轮直径与上料量对整列效果影响试验，主要参数如表1所示。

表1 马铃薯种薯切块机整列装置试验台主要技术参数Table 1 Main technical parametersof thetest bench of the sorting device of potato seed cutting machine

2.1 输送装置结构设计

输送装置为种薯切块机核心部件，主要由整列辊组、连接轴承、外链节、双排滚子链、单排链轮、双排链轮、连接托板等组成，结构如图4所示。输送装置通过连接托板与连接轴承、机架安装在一起，其左侧为上料端，36个整列辊组通过外链节安装在双排滚子链，由双排链轮带动向前移动。单排链轮安装在整列辊组一侧，与张紧装置相互作用，使整列辊组在整列装置前进时发生转动，相邻两个整列辊组上单排链轮方向不同，使相邻两个单排链轮相互错开，避免齿轮之间发生碰撞。

图4 输送装置结构Fig.4 Structureof transmission device

2.2 整列辊组的结构设计

整列辊组为输送装置重要组成，整列辊组形状决定种薯向前传输时运动状态。胶轮数量决定整列装置可同时整列种薯数量，目前已有种薯切块机整列装置，多采用锥形滚筒转动方式进行整列。本文设计用于种薯切块机上的整列辊组，由辊轴、胶轮、左侧带拨薯台胶轮、右侧带拨薯台胶轮等组成，结构如图5所示，胶轮材料采用丁苯橡胶，可减少种薯跌落损伤，胶轮数量与切割装置圆盘刀数量相匹配[4]，因此设计胶轮共35个，其中31个胶轮紧密排列在辊轴，两侧分别安装2个带拨薯台的胶轮，为整列时拨薯台通过与种薯表皮接触给种薯向整列装置内侧提供摩擦力，使种薯向整列装置内侧移动，避免种薯与两侧挡板碰撞发生损伤。根据不同质量种薯长轴平均长度，设计胶轮宽度为41 mm。左侧和右侧带拨薯台胶轮两端装有锁紧片，将安装在辊轴上的胶轮锁紧，防止其在辊轴上沿轴向移动。

图5 整列辊组结构Fig.5 Structure of sorting roller

2.2.1 整列辊组间距确定

为使种薯在两辊中间所受摩擦力仅供种薯旋转，应使种薯仅与胶轮有接触点。因此，胶轮直径D和两辊轴距离L1均为与运动直接相关因素，如图6a所示，将马铃薯近似为椭球体，a、b、c分别为椭球体长轴长度、短轴长度和厚度，如图6b所示，种薯姿态为长轴与辊轴垂直，查阅文献[15]可知，辊子直径应小于最小种薯直径3倍，且胶轮间距s应最小，两个辊轴之间距离还应大于所整列马铃薯长轴尺寸，如式（1）所示。

图6 整列辊组中整列辊间距的确定Fig.6 Determination of roll spacing in directional

由前期试验测得常见马铃薯物料特性可知[4]，70 g以上种薯短轴b长度普遍在40 mm以上，210～300 g种薯长轴a长度为90～110 mm，因此，由式（1）可得110 mm＜L1＜120 mm。

如图4所示，整列辊组通过外链节安装在双排滚子链上，相邻两辊轴距离为节距p的6倍。因此选取标号为12A-2-108的双排滚子链[16]，由链号知节距p为19.05 mm，故设计两辊轴间距L1为114.3 mm。

2.2.2 胶轮结构设计

胶轮为整列装置关键部件，主要由中间圆台和两侧定位环组成，结构如图7所示，整列时圆台对种薯施加力使其发生运动，定位环可保持相邻两圆台间距，切割时圆盘刀将穿过两中间圆台，综合考虑已有圆盘刀组结构，取两侧定位环厚度7 mm，当胶轮安装在辊轴上时，定位环使相邻中间圆台距离为14 mm，考虑到外链节强度与辊轴所受载荷，由经验选取辊轴直径为18 mm。

图7 胶轮结构Fig.7 structural details of rubber wheel

设计圆台结构为中间水平两侧倾斜，平面和倾斜面宽度相等，均为9 mm，整列时种薯与胶轮在倾斜面接触，为保证种薯受胶轮旋转时施加转动力矩可克服种薯摆正时受到与橡胶的摩擦力矩，为避免种薯下落时与胶轮碰撞损伤，设计两侧倾斜面与辊轴夹角为13°，设计定位环直径为37 mm。

2.2.3 两侧带拨薯台胶轮结构设计

为避免种薯在整列输送过程中从装置上掉落，将装置两侧设计有挡板，种薯与挡板发生碰撞不仅使种薯表皮破损，且改变种薯在装置上运动姿态，影响整列率，因此在左右两侧胶轮上分别设计拨薯台，结构如图8所示。

图8 左侧和右侧带拨薯台胶轮结构Fig.8 Structure of the rubber wheelswith bosson the left and right

以左侧带拨薯台胶轮为例，整列时种薯受力情况如图9a所示，此时合力方向偏向装置内侧，使种薯有向内侧运动趋势。拨薯台过高会使其与种薯接触点较高，影响种薯运动稳定性，为保证种薯整列效果同时避免种薯表皮破损，设计拨薯台与辊轴夹角为40°，设计拨薯台长度为30 mm，高度与宽度均为4.5 mm。由图9b可知，种薯在拨薯台作用下，合力在水平方向指向装置内侧，符合设计要求。

图9 拨薯台作用下种薯受力分析Fig.9 Stressanalysisof seed potato under the action of boss

3.1 种薯整列过程力学分析

马铃薯落到整列装置后，在装置上姿态不一，受力情况如图10所示。根据马铃薯种薯物理特性，将马铃薯假设为椭球体，假设种薯落入到整列装置上任一位置时其长轴与装置平面夹角为λ1，与辊轴夹角为λ2，对马铃薯在空间内瞬时状态进行受力分析。当λ1、λ2均不为0时，以辊轴轴心为坐标原点，建立参考坐标系O-XYZ，其中X方向平行于辊轴，Y方向平行于整列辊组前进方向，Z方向垂直于该整列装置。以马铃薯质心为坐标原点，建立参考坐标系O′-xyz，其中，x，y，z轴分别平行于X，Y，Z轴，将受力分析在O′-xyz上简化，如图11所示。

图10 种薯整列时受力分析Fig.10 Force analysis when seed potatoesare sorted

图11 受力简化图Fig.11 Simplified diagram of force

由受力分析可得力学平衡方程：

式中，M转—种薯受到的整列辊组的转动力矩（N·mm）；
M摩—种薯受到整列辊组的摩擦力矩（N·mm）；
N1，N2—胶轮对种薯的支持力（N）；
G—种薯所受重力（N）；
f1—种薯转动时受到的静摩擦力（N）；
f2—种薯转动时受到的静摩擦力（N）；
Ff1—驱动种薯转动的滚动摩擦力（N）；
Ff2—驱动种薯转动的滚动摩擦力（N）；
μ1—种薯表皮与胶轮的静摩擦系数；
h1—驱动种薯转动的转动力矩的力臂（mm）；
h2—阻碍种薯转动的摩擦力矩的力臂（mm）；
L1—两辊轴轴心距离，取114.3（mm）；
L2—两胶轮中心距离，取41（mm）；
θ1，θ2—胶轮对马铃薯的支持角（°）；
α—两侧倾斜面与辊轴夹角，取13°；
M合—种薯在空间上受M转与M摩的合力矩（N·mm）。

根据受力分析图列出力学方程：

由式（3）（4）（5）可得：

其中：

由式（6）可知，胶轮对种薯作用转动力矩M转大于种薯转动所受摩擦力矩M摩时，合力矩M合驱动种薯在整列装置上转动。马铃薯尺寸、辊轴间距L1和胶轮倾斜面与辊轴夹角α一定时，胶轮对马铃薯支持角θ1、θ2为影响种薯所受合力矩主要因素，其受胶轮直径D影响，随胶轮直径D增大，支持角θ1、θ2也增大，此时力臂h1大小不变，力臂h2变大，导致转动力矩M转变小，摩擦力矩M摩变大，M合变小。D过大导致M合无法驱动种薯运动，D过小导致种薯在两整列辊组沟槽中堆积，影响作业质量，因此选定胶轮直径D为试验因素进行试验。此时，种薯在空间上受力矩M合和驱动种薯绕长轴转动M′共同作用。

3.2 种薯定向输送过程运动学分析

种薯完成整列后会随整列辊组继续定向传输，此时种薯长轴与辊轴平行，λ1、λ2均为0°，种薯在并排两个整列辊组上受力与运动如图12所示，此时种薯受整列辊组施加的以马铃薯中心点O′为转轴力矩驱使种薯发生转动。假设整列辊组转速一定，该状态下以种薯质心为坐标原点建立坐标系O-xyz，将受力分析在O-xyz上简化，如图13所示。

图12 种薯定向传输时的受力与运动示意图Fig.12 Schematic of forceand movement during transmission of seed potatoes

图13 种薯传输时受力简化图Fig.13 Simplified diagram of forceduring seed potato transmission

通过运动学分析，以辊轴中心O点为坐标原点建立静坐标系O-YZ[17]，以种薯中心点O′为坐标原点建立动坐标系O′-y1z1和牵连坐标系O′-y′z′。由于马铃薯截面为椭圆形，在O′-y1z1坐标系中，马铃薯截面椭圆方程为：

在O-YZ坐标系中，左侧整列辊组上一点方程f1（y,z）为：

右侧整列辊组上一点方程f2（y,z）为：

式中，R—整列辊组半径（mm）。

根据平面直角坐标系转轴公式：

式中，γ—坐标轴O′-y′z′与坐标轴O′-y1z1的偏转角（°）

可得在O′-y′z′坐标系中椭圆表达式为：

假设O′点在O-YZ上坐标为（y0,z0），其中z0=f（y0），则有：

设椭圆在O-YZ上方程为F（y,z），则椭圆坐标可变换为：

在C1和C2两点，马铃薯截面椭圆分别与两个整列辊组相切，将F（y,z）分别与f1（y,z）和f2（y,z）联立，令△1=0，△2=0可得：

假设C1点在O-yz上坐标为（yC1,zC1），C2点在Oyz上坐标为（yC2,zC2），可得：

同理由式（16）可推，C1点和C2点坐标表达式均与相邻两整列辊组中心距L1和整列辊组直径D有关，对坐标方程求导，可得种薯与整列辊组接触点在O-YZ平面上瞬时速度，其中L1取114.3 mm。马铃薯受力情况如图12所示，根据受力分析图列出力学平衡方程：

式中，θ3、θ4—胶轮对种薯支持角（°）；
N3—左侧整列辊组对种薯支持力（N）；
N4—右侧整列辊组对种薯的持力（N）；
f3、f4—种薯转动时受到静摩擦力（N）。

对种薯运动所受力矩M′′进行分析，设O′点到N3距离为s1，到N4距离为s2，到f3距离为s3，到f4距离为s4，由点到直线距离公式：

式中，k1—N3所在直线斜率；
k2—N4所在直线斜率；
k3—f3所在直线斜率；
k4—f4所在直线斜率。

可得输送过程中马铃薯所受合力矩M′′为：

由上述分析可知，当种薯大小、整列辊组转速n、辊轴间距L1一定时，合力矩M′′与胶轮直径D有直接关系，是影响整列质量重要因素。

3.3 种薯定向输送过程动力学分析

假设马铃薯在运动过程中重心位于位置1最低点时，y1轴与y轴夹角为β1，在位置2重心最高点处，y1轴与y轴夹角为β2，设位置1时重心位置为O1，位置2时重心位置为O2，两个位置下重心与β1、β2关系如图14所示，由动能定理可得：

图14 种薯重心位置变化Fig.14 Change of the position of the center of gravity of seed potatoes

同时，由公式（23）可知整列辊组上一点的角速度ω：

由公式（24）：

种薯运动时，Z方向上分速度影响其运动状态，可得重心最低点到最高点做功W12：

当Z方向速度过高时，种薯将被甩离整列装置，运动不稳定[18]。根据图12对种薯运动过程力学分析可知，种薯在胶轮上随整列辊组转速n不同受静摩擦或动摩擦两种形式的力。当n较大时，胶轮与种薯接触点产生动摩擦，此时种薯随重心变化与胶轮发生磕碰造成损伤，由式（22）（23）（24）（25）可得，整列辊组转速n为影响整列装置稳定性的因素。

由于该整列装置随整列辊组转速增大前进速度增大，当种薯从上料口落到装置时，会在上料处经历落料-堆积-散开过程，装置前进速度一定时，上料量过大会导致种薯在上料处种薯之间发生堆积，装置前进速度过慢会增大种薯在装置上散开所需时间，装置前进速度过快导致种薯磕碰发生损伤，现有马铃薯升运装置跌落高度一般为150～320 mm。马铃薯种薯切块机作业时，种薯经分级装置进入整列装置，台架试验采用上料装置进行供料，种薯从上料装置落到整列装置时，种薯以一定初速度被水平抛出，与整列装置和其他种薯碰撞，速度过大会对种薯产生损伤。为保证试验准确性，控制试验变量，结合前期研究，上料量与切块机实际作业情况[19]，选取上料跌落高度为180 mm，上料装置输送带运输速度为0.6 m·s-1。

综合考虑以上料量、胶轮直径D、整列辊组转速n作为试验因素进行二次旋转正交组合试验，并根据优化结果求得整列效果最优解。

4.1 试验材料与装置

2021年7月在东北农业大学北方马铃薯全程机械化试验基地进行试验。试验品种选择中薯5号，平均含水率74.7%，长度范围67.31～117.14 mm，宽度范围58.24～89.22 mm，厚度范围45～71 mm，长度平均值82.45 mm，宽度平均值65.57 mm，厚度平均值57.32 mm，平均形状指数189，净度大于98%，种薯形状指数按式（26）计算，种薯质量范围62～271 g，上料跌落高度180 mm，上料装置输送带运输速度0.6 m·s-1，试验过程如图15所示。

图15 试验过程Fig.15 Test process

式中，L—种薯最大长度（mm）；
W—种薯最大宽度（mm）；
t—种薯最大厚度（mm）。

4.2 评价指标与试验因素

我国对于种薯切块机整列装置研究处于初始阶段，缺少相关评价标准，本试验针对现有种薯切块机切块时种薯定位难、种薯排列混杂无法实现机械化切块的关键问题，将整列率μ1、平均整列时间T、损伤率μ2作为本研究的评价指标，其中，T为相邻两辊组中种薯整列率达到80%所用平均时间，整列率与损伤率计算公式为：

式中，K1—符合切割前整列标准种薯个数；
K2—种薯总个数；
K3—整列后损伤种薯个数。

根据马铃薯种薯在整列过程中力学特性分析及实际作业情况，结合现有对整列作业影响因素的研究，确定上料量、胶轮直径D、整列辊组转速n为试验因素，上料过程中马铃薯从输送带均匀落在装置上。

4.3 试验结果与分析

4.3.1 试验方案与结果

结合前期对马铃薯种薯切块机试验获得性能参数与整列过程力学特性分析，分级装置上料量为25 t·h-1时作业效果最佳，分级装置根据体积不同筛选种薯，此时从分级装置输送到整列装置上料量为15 t·h-1，确定试验因素上料量范围[19]为10～20 t·h-1，整列辊组转速[4]范围为18～27 r·min-1，胶轮直径范围为106～109 mm，整列率、平均整列时间和损伤率为试验指标进行二次旋转正交组合试验，试验因素编码如表2所示。试验过程中应保证上料均匀[20]，避免马铃薯落点过于集中，造成堆积，影响试验结果显著性；
可通过更换胶轮实现胶轮直径调节；
可通过调节变频器控制整列装置传动电机转速调节整列辊组转速。试验方案与结果如表3所示。

表2 试验因素编码Table2 Experimental factorscodes

表3 试验方案与结果Table 3 Test plan and experimental data

4.3.2 结果分析

将试验结果导入Design-Expert 8.0.6软件，进行二次回归分析[21-22]，多元回归拟合得到整列率μ1、平均整列时间T、损伤率μ2三个指标回归方程，对其显著性进行检验。

①整列率μ1

由表4可知，对于试验指标整列率μ1，x1、x3、x12、x32影响极显著（P＜0.01）；
x2、x22影响显著（0.01＜P＜0.05）；
x2x3影响较显著（0.05＜P＜0.1）；
其余因素影响不显著（P＞0.1）。

合并不显著因素再次进行方差分析，结果如表4所示，得到影响整列率μ1各因素回归方程：

表4 整列率μ1方差分析Table 4 Variance analysisof potato accuracy of sorting rate

对式（29）作失拟检验，失拟项P为0.5898，不显著（P＞0.1），证明方程模拟较好，不存在其他主要因素影响指标，试验因素与指标存在显著二次关系，上述分析结果合理。

②平均整列时间T

由表5可知，对于试验指标平均整列时间T，x2、x3、x22影响极显著（P＜0.01）；
x1、x1x2影响显著（0.01＜P＜0.05）；
其余因素不显著（P＞0.1）。

合并不显著因素后再次进行方差分析，结果如表5所示，得到影响平均整列时间T各因素的回归方程：

表5 平均整列时间T方差分析Table5 Varianceanalysisof averagepotato sorting time

对式（30）进行失拟检验，失拟项P为0.2455，不显著（P＞0.1），证明方程模拟较好，不存在其他主要因素影响指标，试验因素与指标存在显著二次关系，上述分析结果合理。

③损伤率μ2

由表6可知，对于试验指标损伤率μ2，x1、x2、x3、x12、x22影响极显著（P＜0.01）；
x1x2影响显著（0.01＜P＜0.05）；
x32影响较显著（0.05＜P＜0.1）；
其余因素不显著（P＞0.1）。

合并不显著因素后再次进行方差分析，结果如表6所示，得到影响损伤率μ2各因素回归方程：

表6 损伤率μ2方差分析Table 6 Variance analysis of potato breakage rate

对式（31）进行失拟检验，失拟项P为0.2692，不显著（P＞0.1），证明方程模拟较好，不存在其他主要因素影响指标，试验因素与指标存在显著二次关系，上述分析结果合理。

4.3.3 响应曲面分析

采用Design-Expert 8.0.6软件分析数据，生成上料量x1、整列辊组转速x2、胶轮直径x3之间显著和较显著因素交互作用对整列率μ1、平均整列时间T、损伤率μ2影响响应曲面[23-24]，如图16所示。

对整列率μ1，当上料量为15 t·h-1时，整列辊组转速与胶轮直径交互作用如图16a所示：当整列辊组转速一定时，整列率随胶轮直径增大呈先增后减趋势，胶轮直径最优范围为106.9～108.5 mm；
当胶轮直径一定时，整列率随整列辊组转速增加呈先增后减趋势，整列辊组转速最优范围为19.82～23.84 r·min-1，其中，胶轮直径为影响整列率的主要因素。

对平均整列时间T，当胶轮直径为107.5 mm时，整列辊组转速与上料量交互作用如图16 b所示，当整列辊组转速一定时，平均整列时间随上料量增加而增大，上料量最优范围为15～17.97 t·h-1；
当上料量一定时，平均整列时间随整列辊组转速增加呈先减后增趋势，整列辊组转速最优范围为21.16～25.18 r·min-1，其中，整列辊组转速为影响平均整列时间主要因素。

对损伤率μ2，当胶轮直径为107.5 mm时，整列辊组转速与上料量交互作用如图16c所示：整列辊组转速一定时，损伤率随上料量增加呈先增后减趋势，上料量最优范围为13.33～16.67 t·h-1；
当上料量一定时，损伤率随整列辊组转速增加呈先增后减趋势，整列辊组转速最优范围为19.82～23.84 r·min-1，其中，整列辊组转速为影响种薯损伤率的主要因素。

图16 整列率、平均整列时间与损伤率的双因素影响响应曲面Fig.16 Response surface affected by two factors:sorting rate,sorting timeand skin break rate

4.3.4 参数优化

通过Design-Expert 8.0.6软件对3个回归模型进行优化求解，根据种薯切块机整列装置作业性能要求，优化约束条件设置如式（32）：

通过优化求解，得到上料量为15 t·h-1，整列辊组转速21.18～23.80 r·min-1，胶轮直径106.9～107.01 mm时，马铃薯种薯切块机整列装置整列效果最好，此时整列率为97.44%～97.85%，平均整列时间为6.7～8.0 s，损伤率为0.7%～0.76%。

4.4 验证试验

验证试验条件与二次旋转正交组合试验相同，于2021年7月在东北农业大学北方马铃薯全程机械化试验基地展开，验证该整列装置关键部件结构参数与工作参数设计是否满足要求。实际加工与作业时，选取整列辊组转速为22 r·min-1、胶轮直径为107 mm、上料量为15 t·h-1，优化试验指标整列率为97.7%、平均整列时间为7.5 s、损伤率为0.72%。将上述因素水平进行验证试验，测量3次结果取平均值，结果如表7所示。

表7 验证试验结果Table7 Verification test data

试验结果表明，本文设计的马铃薯种薯切块机整列装置整列率为97.6%、平均整列时间为7.6 s、损伤率为0.71%。整列率较高，原因为胶轮直径对整列率影响显著，胶轮直径越大，种薯运动过程中重心变化越小，运动越稳定，整列率越高，同时，胶轮直径过大使摩擦力矩力臂变小，影响整列率。平均整列时间较短，原因为整列辊组转速对平均整列时间影响显著，整列辊组转速越大，装置前进速度越快，平均整列时间越短。其损伤率较低，原因为上料量对损伤率影响显著，上料量较低时，种薯均匀落在装置表面，当上料量较多时，会导致种薯拥挤及种薯之间相互磕碰，同时种薯与装置两侧侧板发生碰撞。试验验证优化参数的合理性，将整列装置按优化后参数调节后，马铃薯种薯切块机作业质量提高。

a.设计马铃薯种薯切块机整列装置，该机器可配合分级装置和切割装置对种薯进行切割前整列作业。

b.通过对种薯整列过程中力学与运动学分析，得出影响马铃薯种薯切块机整列装置整列效果主要因素为上料量、整列辊组转速和胶轮直径。采取二次旋转正交组合试验进行台架试验，通过Design-Expert 8.0.6软件建立各试验因素与指标间数学模型，优化求解后进行验证试验，验证试验结果表明，当整列辊组转速22 r·min-1、胶轮直径107 mm、上料量15 t·h-1时，马铃薯整列装置作业整列率为97.6%、平均整列时间为7.6 s、损伤率为0.71%，整列效果较好，与优化结果一致，可为马铃薯种薯切块机设计优化提供参考。

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