李心平，雷亞州，耿令新，王升升，王　浩

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽　471003)

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基于免割收獲雙行谷物脫粒裝置參數(shù)優(yōu)化

李心平，雷亞州，耿令新，王升升，王浩

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽471003)

摘要：研究了基于免割收獲的雙行谷物脫粒裝置。通過室內(nèi)試驗(yàn)，以脫?？倱p失率、含雜率為性能指標(biāo)，對滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒出口脫粒間隙和脫粒元件總高度3個(gè)因素進(jìn)行回歸試驗(yàn)。同時(shí)，通過分析處理試驗(yàn)結(jié)果得到因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)對指標(biāo)的影響規(guī)律，優(yōu)化并確定脫粒裝置的最佳參數(shù)組合為：滾筒轉(zhuǎn)速795r/min、出口脫粒間隙22mm(入口脫粒間隙28mm)、脫粒元件總高40mm。

關(guān)鍵詞：谷物；免割收獲；雙行脫粒裝置；優(yōu)化

0引言

割前脫粒作為一種新型的脫粒方式，對其研究起步較晚，發(fā)展緩慢。這種脫粒方式利用土壤對谷物的約束力只對穗頭進(jìn)行脫粒，極大降低了莖稈輸送需要消耗的大量動(dòng)力，簡化了脫粒裝置的輸送結(jié)構(gòu)[1]，使聯(lián)合收割機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、體積小、生產(chǎn)效率較高，對于提高丘陵山區(qū)谷物收獲機(jī)械化水平意義較大[2-3]。

為了提高丘陵山區(qū)的谷物收獲效率，市場上出現(xiàn)了一些微型谷物聯(lián)合收割機(jī)[4]；但這些機(jī)型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，基本上是對大型收割機(jī)整體進(jìn)行了縮小化，對結(jié)構(gòu)性能參數(shù)沒有進(jìn)行深入的研究[5]。近年來，國內(nèi)研究了一種組合便攜式谷物聯(lián)合收割機(jī)，對提高丘陵山區(qū)狹小、不規(guī)則地塊谷物的機(jī)械化收獲水平有一定的影響，但存在損失率、含雜率過高及收獲效率低下等問題[6-7]。

本試驗(yàn)研究的是一種適用于丘陵地區(qū)的雙行便攜式谷物聯(lián)合收割機(jī)的脫粒裝置，采用半喂入割前脫粒方式。該脫粒裝置性能指標(biāo)主要由滾筒轉(zhuǎn)速、出口脫粒間隙和脫粒元件總高等因素確定[8-12]。通過對回歸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，優(yōu)化確定脫粒裝置的最佳參數(shù)組合，為整機(jī)脫粒裝置的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1試驗(yàn)裝置及步驟

1.1試驗(yàn)設(shè)備及儀器

試驗(yàn)臺(tái)主要由輸送小車、脫粒裝置及接料小盒等組成，如圖1所示。輸送小車在變頻電機(jī)的帶動(dòng)下前進(jìn)，模擬整機(jī)在田間作業(yè)狀態(tài)，帶速可調(diào)。脫粒試驗(yàn)臺(tái)由脫粒滾筒和喂入螺旋輸送器兩部分組成，脫粒滾筒長度為800mm、出口直徑為338mm(入口直徑為326mm)。脫粒元件為齒板和桿齒的焊合件(見圖2)，沿滾筒母線固定，凹板和罩殼裝拆方便，便于更換脫粒元件和調(diào)節(jié)脫粒間隙，滾筒轉(zhuǎn)速由變頻電機(jī)調(diào)節(jié)[13]。螺旋輸送器由上、下螺旋輸送器組成，用于引導(dǎo)雙行小麥進(jìn)入脫粒滾筒完成脫粒。接料小盒可接取由凹板落下的籽粒、穎糠和短莖稈等物料[14-15]。

1.小車車軌　2.小車　3.小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)

1.齒板　2.導(dǎo)向片　3.桿齒

儀器主要有激光測速儀、大電子秤、秒表、精密電子秤、計(jì)算器和計(jì)算機(jī)等。

1.2試驗(yàn)步驟和測量方法

1)準(zhǔn)備階段：首先，將小車輸送速度調(diào)節(jié)至0.4m/s，模擬雙行便攜機(jī)在田間的作業(yè)狀況；然后調(diào)節(jié)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速為650r/min，保證螺旋葉片對植株的引導(dǎo)速度與輸送小車速度相等；再次，在脫粒裝置的下方鋪設(shè)塑料薄膜，以接取脫粒過程中飛濺出的籽粒及脫粒后莖稈中的夾帶籽粒；最后，按照規(guī)定的喂入量稱取一定質(zhì)量的小麥物料，隨后均勻固定在輸送小車的夾板上。

2)試驗(yàn)階段：首先，啟動(dòng)脫粒滾筒和螺旋輸送器，待運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后啟動(dòng)固定有雙行小麥植株的輸送小車；小麥在螺旋輸送器的壓彎和引導(dǎo)的作用下進(jìn)入滾筒，籽粒、穎糠和短莖稈經(jīng)凹板分離落入接料小盒，完成脫粒的小麥莖稈在輸送小車的作用下從滾筒出口排出；脫粒完成后，切斷脫粒裝置等相關(guān)電源。

3)接料小盒中物料的處理過程：首先，對接料盒中每個(gè)小盒中的脫出物進(jìn)行稱重，質(zhì)量分別記作x1，x2，…，x10；然后，用預(yù)先調(diào)節(jié)好的清選系統(tǒng)和振動(dòng)篩對脫出物逐格進(jìn)行清選得到干凈的籽粒，并分別稱重，記作x1′，x2′，…，x10′；最后，把脫粒裝置下方薄膜上的飛濺出和莖稈夾帶的籽粒收集起來稱重，記作y1＇，完成脫粒的小麥莖稈上未脫下的穗頭剪下來，揉搓后得到干凈籽粒稱重，記作y2′。

雙行谷物脫粒裝置性能為

2回歸試驗(yàn)及分析

2.1回歸試驗(yàn)

滾筒轉(zhuǎn)速、出口脫粒間隙和脫粒元件總高是影響脫粒裝置性能指標(biāo)的主要因素。本試驗(yàn)以脫?？倱p失率及含雜率為指標(biāo)，對上述3個(gè)因素進(jìn)行回歸試驗(yàn)，最后處理試驗(yàn)結(jié)果得到最佳參數(shù)組合。本試驗(yàn)小麥采集于河南省孟津縣九泉村試驗(yàn)田，經(jīng)田間測量，小麥產(chǎn)量6 000kg/hm2，株高600mm，籽粒絕對含水率6.95%，莖稈絕對含水率13.35%，谷草比為1：1.35。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，確定每次試驗(yàn)的喂入量。

回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以減少試驗(yàn)次數(shù)，簡化計(jì)算，獲得高質(zhì)量的回歸方程，確定脫粒裝置的最佳參數(shù)組合。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)有裝置，確定試驗(yàn)中滾筒轉(zhuǎn)速、出口脫粒間隙和脫粒元件總高三因素的編碼零水平。本試驗(yàn)?zāi)康氖堑玫缴鲜鲆蛩貙γ摿？倱p失率、含雜率等性能指標(biāo)的影響規(guī)律。表1為回歸試驗(yàn)因素水平編碼表，表2為回歸試驗(yàn)試驗(yàn)方案與結(jié)果表。

表1　回歸試驗(yàn)因素水平編碼表

表2　回歸試驗(yàn)試驗(yàn)方案及結(jié)果

續(xù)表2

用統(tǒng)計(jì)軟件DPS對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，由于試驗(yàn)條件與田間試驗(yàn)有一定差別(物料含水率的變化)和人為誤差，因此本試驗(yàn)取α=0.25的置信水平，得到下面的回歸方程：

脫?？倱p失率為

η1=13.636 23-0.005 98x1-0.405 56x2-0.173 02x3-

0.000 144x1x2+0.000 05x1x3+0.005 30x2x3+

0.000 004x12+0.006 13x22+0.000 023x32

(1)

含雜率為

β1=60.847 85-0.068 88x1+1.878 1x2-1.416 94x3+

0.002 85x1x2+0.000 708x1x3+0.017 71x2x3-

0.000 016x12-0.139 06x22+0.008 249 9x32

(2)

對回歸方程(1)、(2)進(jìn)行方差分析(見表3)可知：脫?？倱p失率和含雜率的回歸方程顯著，能較好地反映真實(shí)情況。

表3　回歸方程的方差分析表

脫?？倱p失率是脫不凈率和飛濺損失率之和。由于含雜率過高會(huì)造成整機(jī)后續(xù)清選負(fù)擔(dān)的增加，故加權(quán)優(yōu)化法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化時(shí)取脫?？倱p失率和含雜率的加權(quán)系數(shù)分別為0.5、0.5；最佳參數(shù)組合為：滾筒轉(zhuǎn)速795r/min、出口脫粒間隙22mm(入口脫粒間隙28mm)、脫粒元件總高為40mm。此時(shí)，脫粒總損失率為2.03%，含雜率為18.48%。

2.2優(yōu)化結(jié)果的驗(yàn)證試驗(yàn)

由于最佳參數(shù)組合未在試驗(yàn)中出現(xiàn)，故將脫粒裝置調(diào)節(jié)至最佳參數(shù)組合下做驗(yàn)證試驗(yàn)，以判定最佳參數(shù)組合處的性能指標(biāo)與方程預(yù)測值是否一致，結(jié)果如表4所示。考慮試驗(yàn)過程中物料狀態(tài)(含水率等)變化和人為因素對試驗(yàn)造成的誤差，試驗(yàn)結(jié)果與最佳參數(shù)下的預(yù)測值比較接近。

2.3喂入量適應(yīng)性試驗(yàn)

田間作業(yè)過程中，由于地塊和小麥產(chǎn)量的不同，脫粒裝置的喂人量適應(yīng)性對于整機(jī)正常工作尤為重要，故本試驗(yàn)將該脫粒裝置調(diào)整至回歸試驗(yàn)得到的最佳參數(shù)組合，進(jìn)行喂入量適應(yīng)性試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。從表5可知：在產(chǎn)量6 750kg/hm2及以下的地塊，脫?？倱p失率變化穩(wěn)定，脫粒裝置工作性能良好；當(dāng)喂入量加大，到產(chǎn)量5 250kg/hm2時(shí)，脫粒損失率明顯上升，說明此時(shí)脫粒裝置內(nèi)物料過多，脫下來的物料不能及時(shí)從凹板分離造成脫粒總損失率明顯增加；繼續(xù)加大喂入量，滾筒內(nèi)物料過多造成阻力加大，驅(qū)動(dòng)脫粒滾筒和輸送小車的皮帶開始打滑，物料喂入出現(xiàn)困難，滾筒內(nèi)出現(xiàn)堵塞，試驗(yàn)無法正常進(jìn)行。

表4　驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表

表5　喂入量適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果表

3結(jié)論

1)在試驗(yàn)條件下，脫粒裝置的最佳參數(shù)組合為滾筒轉(zhuǎn)速795r/min、出口脫粒間隙22mm(入口脫粒間隙28mm)、脫粒元件總高40mm。此時(shí)脫粒裝置的性能指標(biāo)為：脫?？倱p失率2.03%，含雜率18.48%。

2)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，滾筒轉(zhuǎn)速增大，脫粒總損失率降低，含雜率升高。

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Abstract ID:1003-188X(2016)02-0149-EA

Parameter Optimization of Double Row of Grain Threshing Mechanism Based on Free-cutting Harvest

Li Xinping, Lei Yazhou, Geng Lingxin, Wang Shengsheng, Wang Hao

(College of Agriculture Engineering, Henan University of Science & Technology, Luoyang 471003，China)

Abstract：Research the double row of grain threshing mechanism based on free-cutting harvest. Under the provisions of feed rate, the roller speed, exit threshing gap and the total height of the threshing elements were tested according to the regression test methods. And then analyze the test data in aid of statistical software, get the influence of the rate of loss impurity rate and other performance indicators.for the roller-speed, exit threshing gap and the total height of the threshing elements within the test range. Finally, optimize and get the best threshing device parameter combination of three factors.

Key words：grain; free-cutting harvest; double row of threshing mechanism; optimization

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0149-04

中圖分類號(hào)：S225；S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：李心平(1973-)，男，山西定襄人，副教授，博士，(E-mail)aaalxp@126.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD20B10)；國家自然科學(xué)基金-河南人才培養(yǎng)聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1204514)

收稿日期：2015-02-02