周紀磊，薦世春，位國建，郝付平，姜　偉，邸志峰，孫宜田

(1.山東省農業(yè)機械科學研究院，濟南　250100；2.中國農業(yè)機械化科學研究院，北京　100083)

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五因素玉米剝皮試驗裝置與試驗設計研究

周紀磊1，薦世春1，位國建1，郝付平2，姜偉1，邸志峰1，孫宜田1

(1.山東省農業(yè)機械科學研究院，濟南250100；2.中國農業(yè)機械化科學研究院，北京100083)

摘要：以黃淮海地區(qū)為代表的一年兩熟制地區(qū)，由于玉米可生長期短、收獲時間緊，收獲時果穗含水率較高，摘穗時易產生斷莖，且苞葉與果穗貼合緊密，剝皮作業(yè)質量效果較難保證，剝凈率與啃穗率、脫落籽粒破損之間矛盾突出。目前，對高含水率(≥40%)果穗剝皮裝置的系統理論與試驗研究均較少，因而本文設計了5因素玉米剝皮試驗裝置，可以進行槽型布置和平面布置兩種剝皮裝置的室內試驗。通過調整壓送器與剝皮輥距離、剝皮輥傾角、剝皮輥轉速、壓送輪轉速及剝皮輥組合形式等關鍵因素水平，以苞葉剝凈率、啃穗落粒率和籽粒破損率為評價指標，進行多因素多水平正交試驗，確定剝皮裝置的最佳參數組合，為玉米聯合收獲機剝皮裝置選型和參數設計提供依據。

關鍵詞：玉米果穗；剝皮；正交試驗；裝置

0引言

2014年，全國玉米收獲機銷量達8.29萬臺，較2013年增長21%。其中，配置剝皮裝置的玉米收獲機能夠一次完成摘穗和果穗剝皮作業(yè)，具有縮減收獲環(huán)節(jié)、節(jié)省勞動力的優(yōu)勢，市場占有率逐年提高，已成為主流產品。在東北、內蒙等一年一季區(qū)域，收獲時苞葉蓬松、含水率低、板式摘穗斷莖較少，利于剝皮作業(yè)，現有剝皮裝置能夠較好滿足使用要求[1-2]；以黃淮海地區(qū)為代表的一年兩熟制區(qū)域，由于玉米可生長期短、收獲時間緊，收獲時苞葉含水率高且與果穗貼合緊密，輥式摘穗斷莖較多，不利于果穗剝皮，存在著剝凈率差別大、籽粒脫落率和破損率高的問題[3-4]。部分院校和院所進行過該區(qū)域玉米剝皮裝置性能與參數的試驗研究[5-6]，且以田間機載試驗為主；但由于田間試驗參數調整較為費時費力，不能獲得充分的試驗數據。為此，設計了室內剝皮試驗裝置，能夠快速調整試驗因素及水平，以獲取充分的試驗數據，為高性能剝皮裝置的研發(fā)提供參考。

1剝皮試驗裝置方案的確定

剝皮裝置工作原理是通過相鄰的兩剝皮輥的相向轉動帶動苞葉隨之進入兩輥間隙并被扯離穗軸，果穗在壓送器撥輪和剝皮輥的共同作用下從出口排出，從而實現對苞葉的撕取剝離[4]，工作原理如圖1所示。

兩輥中,其一為軸線固定的定輥，另一為軸線可在一定范圍內活動的動輥，定輥與動輥間壓緊力由彈簧變形量確定并可調整。壓送器壓送輪的功用是避免剝皮過程中的果穗跳動及確保果穗整體有序流動，有輪輻式和葉輪式兩種。通過剝皮原理的分析發(fā)現：影響剝皮作業(yè)質量的因素較多，包括剝皮輥、壓送輪撥板的形狀、運轉參數及剝皮輥間壓緊力等。檢索相關文獻[7-8]，有關于玉米剝皮影響因素、權重及部分因素間的影響的研究，涉及因素最多為4個、水平常為3個。其中，部分采用田間在機試驗，部分采用實驗室試驗裝置試驗，但因素水平較少其相關試驗裝置較簡單?；谝延醒芯浚瑒兤ぽ伳z輥現已形成外徑70mm、魚鱗和螺旋表面形狀的標準化產品；剝皮輥的槽型布置和平面布置兩種型式作業(yè)效果及較適用對象已有初步認識[9]；剝皮輥間壓緊力由彈簧決定且可在一定范圍內變動的方式被普遍采用。由于果穗在剝皮機中受力運動的復雜性，兩種布置形式下剝皮輥轉速、壓送輪轉速、剝皮輥與壓送輪間距、剝皮輥傾角及剝皮輥上魚鱗與螺旋組合形式5個因素參數或其組合尚無較清晰、明確認識以用于機型的設計指導。

針對以上情況及分析得出的5個因素，結合現有玉米收獲機產品設計經驗中的因素參數范圍，采取了進行不同因素水平的正交試驗研究的思路。如剝皮輥形式選整根魚鱗與整根螺旋配對、魚鱗與螺旋間隔布置并相互配對2個水平，其余4因素按照參數范圍分為5個水平。

圖1　剝皮裝置工作原理

由于涉及剝皮質量影響因素多，試驗裝置要求在滿足生產率的條件下盡可能模擬實際工況，同時能進行多因素水平的調節(jié)，增大了試驗裝置的復雜程度?；诒菊n題任務側重于應用，借鑒已有研究成果結論并考慮產品零部件的通用性、后期成果的推廣、試驗結果的客觀性及便于對比，實驗采用對象為含水率較高(≥40%)的夏玉米果穗剝皮全膠輥方案，剝皮輥和壓送輪橡膠部件均選取現有通用配件，膠輥直徑70mm、壓送輪為橡膠輪輻式和葉輪式。為更好地模擬實際工況并在室內可行、減少側板影響及各果穗間的相互影響、滿足多行聯合收獲機剝皮裝置設計選型需要，本實驗裝置選用3組共12根剝皮輥方案[10]。

剝皮輥槽型和平面兩種布置方式各有優(yōu)缺點，對其具體適用性缺少深入研究，但對鮮玉米剝皮應采用全膠平輥型式已達成共識[11]。針對這種情況，考慮試驗研究分槽型和平面兩種并單獨進行，且相同輥數兩種型式在結構尺寸及傳動上的差異，不便統一到一套臺架上，故分別設計槽型和平面兩種型式的試驗裝置，通過對各自試驗數據進行分析后對比其效果。試驗裝置采用交流變頻電動機作為動力，以電氣傳感器方式采集剝皮輥和壓送器輸入軸轉速的方案。

2試驗裝置機械結構與傳動方案

綜合考慮動力安裝和傳動路線，便于實現各因素水平的調節(jié)，將試驗裝置分為3層，即底座、中間架和帶壓送的剝皮裝置。其中，作為動力的交流變頻電動機安裝于中間架并可在安裝槽限定范圍內調整，中間架與底座之間通過鉸鏈連接并與撐桿形成平面四桿機構；通過旋扭螺母在撐桿上的位置調整撐桿作用長度，實現中間架與底架間角度的調整以達到所要求的剝皮輥傾角，用角度尺測量中間架傾角并校正，調整機構如圖2所示。

圖2　傾角調整機構簡圖

壓送器與剝皮輥距離通過調整機構實現，調整方式有兩種：壓送器整體調整和單根壓送輪軸分別調節(jié)。調查分析現有剝皮裝置構造可知：平輥型式多使用壓送器整體調整，槽輥型式多采用單根壓送輪軸分別調整；個別機型出現通過彈簧調整壓送輪軸與剝皮輥相對位置的設計以適應果穗喂入不均的情況；優(yōu)點是滿足生產率避免堵塞，不足是剝皮作業(yè)質量不穩(wěn)定。本試驗裝置針對平輥和槽輥型式分別采取整體調整和各輪軸分別調整的方式。壓送器與剝皮輥間距調整機構如圖3和圖4所示。

圖3　平輥型式壓送輪與剝皮輥間距調整機構簡圖

圖4　槽輥型式壓送輪軸與剝皮輥間距調整機構簡圖

針對兩種剝皮輥布置型式分別設計傳動路線如圖5和圖6所示。

圖5　平輥布置傳動路線

圖6　槽輥布置傳動路線

該試驗裝置可以通過調整實現剝皮輥轉速、壓送輪轉速、剝皮輥傾角及壓送輪剝皮輥間距等因素參數的不同水平；但剝皮輥形式因素需通過重新排列單根輥上膠輥順序實現，因素兩水平如圖7所示。試驗裝置結構與設計方案完成后，進行各因素參數的確定和傳動的計算?；谵r業(yè)機械設計手冊推薦運轉參數和具體玉米收獲機型設計經驗，將兩型試驗裝置試驗因素參數確定為表1所示范圍。

圖7　剝皮輥形式因素的兩個水平

電動機選交流變頻調速類型并通過變頻器控制使用，傳動采用單排滾子鏈，空轉時啟動阻力較小，工作運轉時剝皮輥阻力矩變化較大且電動機工頻轉速超過1 000r/min，考慮剝皮輥初級傳動選較大傳動比以降速、增扭滿足扭矩儲備。

根據檢索到的剝皮機功率消耗的研究[12]，3組(12根)型式剝皮輥功率在6kW左右、壓送器功率消耗在3kW，本試驗裝置選剝皮輥動力7.5kW、壓送器動力3kW。按照所選電機功率型號的軸徑及選定的10A滾子鏈型號，考慮傳動的平穩(wěn)性和齒數較優(yōu)，初步確定主動鏈輪齒數z=17。

實際設計鏈輪結構尺寸圓整為h1=11mm、h2=10mm，經計算均能滿足對齒側凸緣直徑的要求。

表1　試驗裝置試驗因素參數調整范圍

以此類推，選定傳動中各鏈輪齒數與結構參數。

根據以上傳動方案及結構參數，分別進行兩型試驗臺設計，完成后結構如圖8和圖9所示。

為使試驗結果有可對比性，對于平面和槽型兩種布置方式的壓送輪與剝皮輥間距定義為壓送輪最大外緣與最遠剝皮輥的最小距離，如圖10所示。

1.底架2.中間架3.壓送器調頻電機4.壓送輪剝皮輥間距調整機構

5.剝皮輥架6.剝皮輥調頻電機7.中間架傾角調整桿

圖8平輥型式試驗臺結構

Fig.8Structure of flat model experiment device

1.底架2.中間架 3.壓送器調頻電機4.壓送輪剝皮輥間距調整機構

5.剝皮輥架6.剝皮輥調頻電機7.中間架傾角調整桿

圖9槽輥型式試驗臺結構

Fig.9Structure of grooved model experiment device

圖10　兩型試驗臺壓送輪與剝皮輥間距定義

3電動機控制與轉速數據采集系統設計

在滿足轉速和轉矩前提下，采用變頻器實現電動機調速具有結構簡單及調整方便的優(yōu)勢，通過變頻器上的電位調節(jié)旋鈕即可實現轉速調節(jié)。同時，用光電開關作為轉速傳感器測取剝皮輥和壓送器輪軸的輸入轉速，并通過儀表顯示在控制臺上。電機控制與轉速數據采集系統電路如圖11所示，完成組裝后的電控臺如圖12所示。

圖11　電機控制與轉速數據采集系統電路原理圖

圖12　剝皮試驗裝置電控臺

4試驗方案設計

試驗對象為人工摘取的果穗，其苞葉含水率受存放環(huán)境干濕度及時間長短影響易發(fā)生變化，本試驗研究將苞葉含水率作為評價果穗一致性的指標。在生產率滿足生產需要的前提下，對衡量剝皮作業(yè)質量的剝凈率、籽粒破損率等指標在不同因素水平參數組合時進行評價對比才有意義[13-14]，故對試驗方案設計提出了較高要求。

試驗臺生產率選定是試驗設計中的一項重要內容。在進行剝皮試驗裝置方案設計時考慮到涉及影響因素較多且一般不單獨使用，整機設計上也僅靠經驗選型部件，目前尚未有關于其生產率的指標參照；但遵照整機設計經驗，部件工作能力應略大于整機。本試驗研究在調研當前玉米收獲機主要參數的基礎上，結合整機設計經驗選擇了2～3行玉米收獲機廣泛使用的3組(12輥)式，該類機型生產廠家標稱作業(yè)效率一般為0.3hm2/h，作業(yè)行進速度約3km/h。

按照生產效率0.3hm2/h、大穗高密度種植模式60 000株/hm2計算，生產率(喂入量)為

s=267穗/min

考慮一定過載能力，選擇喂入量為300穗/min，并以此計算升運器刮板運轉速度，調整其動力輸入電動機變頻器旋鈕使其以達到所需升運能力，可在滿足生產率的要求并真實模擬喂入方式工況下進行影響因素的試驗對比。

設計試驗采用以下流程順序進行：

1)試驗材料準備。預定品種單一、成熟度較一致的玉米地塊，果穗數目不小于18 000個。臨近成熟期選擇正常天氣進行統一人工采收，采收過程中注意減少對苞葉的損傷(不改變苞葉包緊程度)、保持苞葉完整；采收后按照每袋60只放于帶塑料內袋的塑編袋內，并稱質量、編號記錄。取不同袋內的果穗進行苞葉含水率測定，統計當天試驗中果穗樣本(≥4 000)整體的苞葉含水率。

2)果穗均重與苞葉水分測定。準備5組試驗所需果穗量(每組5袋/每袋60只)，各袋取2只完整果穗的苞葉放入鹵素水分分析儀進行水分測定，對樣本總體苞葉含水率進行統計。

3)試驗設備運轉。試驗開始前，轉速傳感器架擺放到合適位置并調整光電計數器與旋轉鏈輪距離后對試驗設備運行情況進行調試。檢查操作臺儀表與燈光指示是否正常，確認正常后，開啟變頻器電源按鈕開關，同時啟動升運器、剝皮輥和壓送輪電機不低于2min，檢查設備運行情況是否正常。

運轉過程中檢查項目包括：剝皮輥和壓送輪運轉是否平穩(wěn)、升運器工作是否可靠、各電機工作噪聲和溫度是否正常及轉數計數器指示是否正常。

4)按照試驗大綱編排順序進行試驗。本試驗基于正交試驗方法進行[15]，采用標準正交表L25(56)改造的混合水平正交表L25(54×21)進行試驗。按照正交試驗表進行編排時需重復調整，但各參數調整難易程度差別較大。如轉速只需調整變頻器就可實現而無需機械結構調整，剝皮輥傾角調整需要調整撐桿長度，壓送輪與剝皮輥間距調整時需改變變頻電機相對壓送器動力輸入輪的位置，故涉及間隙調整裝置手柄或螺桿、變頻電機緊定螺栓，剝皮輥組合形式調整需采取更換輥部件的方式耗時較長。針對這種情況，按照正交試驗表中試驗號對應的不同因素不同水平的組合分析其調整難易，調整一次較難因素水平即將包含該因素水平的試驗號對應的試驗進行完畢。以標準正交表L25(56)改造的混合水平正交表L25(54×21)、正交表中試驗號與實際試驗順序號對應關系、因素水平參數對照表分別如表2～表4所示。

表2　混合水平正交試驗表L25(54×21)

表3　試驗順序號與試驗號對應表

表4　因素水平參數對照表

5結論與展望

1)通過試驗裝置的運行試驗，表明該裝置調節(jié)方案可行、運行可靠、試驗方案可操作，能夠高效進行剝皮效果5個影響因素的試驗。

2)試驗過程采用變頻電機作為剝皮輥和壓送器動力來源，與機械傳動相比其扭矩儲備小、抗過載能力較弱；但從生產率上考慮，在保證剝皮裝置可靠性及滿足作業(yè)效果的前提下，整機設計中優(yōu)先選用高轉速，極個別組合的堵塞不影響較優(yōu)參數組合的客觀性。

3)運行試驗過程中，板式壓送輪與槽型輥配合、星形壓送輪與平面型輥配合情況下均發(fā)生果穗較劇烈跳動，果穗端部進入兩輥之間發(fā)生較嚴重啃穗，且運轉噪音較大，可考慮研究新型壓送器解決該類問題。

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Research on the five Factors Corn Husker Experiment Device and Test Scheme Design

Zhou Jilei1, Jian Shichun1, Wei Guojian1, Hao Fuping2, Jiang Wei1, Di Zhifeng1, Sun Yitian1

(1.Shandong Academy of Agricultural Machinery Science, Jinan 250100,China; 2.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Science, Beijing 100083, China)

Abstract：In wheat-maize rotation cropping areas such as Huanghuaihai region, owing to the short growth period, tight harvest time, high moisture rate, high trash content percentage, closely connection between bract and ear, maize harvest is meeting with the difficulties of poor working quality stability, clean husked ear rate is restricted by the bit ear rate and exfoliated kernel damaged rate. So far, the research on the high moisture rate (more than 40%) corn husker, either system theoretical or experimental,is rarely.Based on this status, researchers design a five factors corn husker experiment device which can be used for laboratory test. This study chose the table orthogonal test method.The equipment parameters, which indicated the critical different factors and levels, can be adjusted conveniently, such as distance between compressing wheel and peeling roller, inclination of roller angle,rotating speed of peeling roller and compressing wheel, the style of peeling roller had been combined.This study chose three evaluation indexes, which were clean husked ear rate, bit ear rate and exfoliated kernel damaged rate, for evaluating the better parameter combination, and then maybe provide evidence in designing corn combine harvester or choosing corn husker parameter.

Key words：corn ear; peeling; table orthogonal test; experiment device

文章編號：1003-188X(2016)03-0167-07

中圖分類號：S226.4;S220.2

文獻標識碼：A

作者簡介：周紀磊(1982-)，男，山東高青人，助理工程師，碩士，(E-mail)zhangzhengzb@hotmail.com。通訊作者：薦世春(1963-)，男，山東青島人，研究員，碩士生導師，(E-mail)jscsh2002@163.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B01)；濟南市高校院所自主創(chuàng)新項目(201401266)

收稿日期：2015-04-16