程 超 付 君 陳 志 郝付平 崔守波 任露泉

(1.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)春 130025； 2.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130025；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083； 4.山東巨明機(jī)械有限公司， 淄博 256400)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)玉米機(jī)械化生產(chǎn)水平快速提高，其中，玉米籽粒直收技術(shù)與裝備既是薄弱環(huán)節(jié)，也是行業(yè)研究熱點(diǎn)[1-2]。玉米籽粒直收技術(shù)能夠一次完成摘穗、脫粒、分離、清選等作業(yè)[3]，與傳統(tǒng)的摘穗收獲技術(shù)相比，其作業(yè)效率高、綜合作業(yè)成本低。然而，由于玉米田間機(jī)載脫粒后的物料構(gòu)成復(fù)雜，物料屬性差異大，物料運(yùn)動(dòng)特性多樣化，導(dǎo)致玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)時(shí)普遍存在損失率高、含雜率高等問(wèn)題，直接影響玉米籽粒收獲的產(chǎn)量和質(zhì)量[4]。

清選作業(yè)是玉米籽粒直收技術(shù)的重要組成部分，其作業(yè)質(zhì)量對(duì)玉米籽粒收獲的損失率和清潔率有直接影響。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)玉米清選作業(yè)效率低、含雜率高、損失嚴(yán)重等問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究，這些研究主要包括玉米脫出物運(yùn)動(dòng)特性及規(guī)律分析[5-7]、玉米清選裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[8-11]、清選振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)及材質(zhì)優(yōu)化[12-15]、智能清選控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[16-17]等方面。

玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)裝置的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)配比是影響其作業(yè)質(zhì)量的重要因素，籽粒直收玉米脫出物含水率高，成分復(fù)雜且濕重，清選作業(yè)難度大。本文以自主改裝的玉米籽粒收獲機(jī)為臺(tái)架試驗(yàn)樣機(jī)，開(kāi)展清選作業(yè)臺(tái)架試驗(yàn)，探究整機(jī)作業(yè)工況下清選裝置各結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)籽粒損失率和含雜率的影響，尋求各參數(shù)優(yōu)化配比組合，并進(jìn)行田間作業(yè)驗(yàn)證試驗(yàn)，為玉米籽粒收獲機(jī)清選裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)匹配提供參考。

1 試驗(yàn)裝備與材料

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

采用的試驗(yàn)樣機(jī)由吉林大學(xué)根據(jù)約翰迪爾1075型聯(lián)合收獲機(jī)改裝而成，該樣機(jī)主要用于玉米籽粒直收技術(shù)中的脫粒-分離及清選優(yōu)化的臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)用玉米籽粒收獲機(jī)原理如圖1所示。

試驗(yàn)樣機(jī)工作時(shí)，玉米果穗從試驗(yàn)樣機(jī)前端喂入，刮板輸送裝置帶動(dòng)玉米果穗向上輸送，然后進(jìn)入單縱軸流脫粒-分離裝置，經(jīng)脫粒裝置揉搓、擊打，玉米果穗破碎形成玉米脫出物，脫出物穿過(guò)分離凹板篩進(jìn)入清選室，清選裝置的作業(yè)對(duì)象即為玉米脫出物。脫出物進(jìn)入清選裝置后主要有3個(gè)流向，潔凈的玉米籽粒通過(guò)籽?；厥昭b置進(jìn)入糧倉(cāng)，未脫凈斷穗等通過(guò)雜余回收裝置再次喂入脫粒裝置進(jìn)行復(fù)脫處理，大部分雜余從尾篩后部拋出機(jī)外。通常雜余中會(huì)夾帶玉米籽粒及斷穗，清選分離不徹底是造成清選損失的主要原因。

圖1 玉米籽粒收獲機(jī)原理圖Fig.1 Schematic of corn kernel harvester1.糧倉(cāng) 2.清選風(fēng)機(jī) 3.脫粒-分離機(jī)構(gòu) 4.振動(dòng)篩

1.2 清選作業(yè)參數(shù)調(diào)整方法

試驗(yàn)樣機(jī)中清選裝置主要由清選室、離心風(fēng)機(jī)、振動(dòng)篩等組成，清選室內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在本文所用試驗(yàn)樣機(jī)中，離心風(fēng)機(jī)為蝸殼式橫流風(fēng)機(jī)，采用單風(fēng)道設(shè)計(jì)，葉片數(shù)量為12，葉輪外徑為320 mm。振動(dòng)篩包括上清選篩、下清選篩和尾篩，篩體類(lèi)型均為常見(jiàn)魚(yú)鱗篩，振幅為40 mm，振動(dòng)形式為同頻異向振動(dòng)，下清選篩和上清選篩呈并聯(lián)關(guān)系，尾篩與上清選篩呈串聯(lián)關(guān)系；上清選篩對(duì)玉米脫出物進(jìn)行初級(jí)篩選，篩孔開(kāi)度較大，清選面積為1.50 m2，目的是除去脫出物中苞葉、莖稈、芯軸等較大尺寸的雜余，清選損失主要發(fā)生在上清選篩作業(yè)過(guò)程；下清選篩對(duì)玉米脫出物進(jìn)行二次篩選，目的是除去籽粒中較小的雜余，篩孔開(kāi)度較小，下清選篩清選面積為1.32 m2；尾篩對(duì)來(lái)自上清選篩的雜余進(jìn)行再次篩選，防止夾帶籽粒、斷穗等成分排出機(jī)外，尾篩清選面積為0.55 m2。

圖2 試驗(yàn)樣機(jī)清選室內(nèi)結(jié)構(gòu)Fig.2 Cleaning room structure of experimental prototype

根據(jù)上述分析可知，玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩振動(dòng)頻率以及上清選篩篩孔開(kāi)度是影響其作業(yè)質(zhì)量的主要因素，因此，本文基于上述3個(gè)作業(yè)參數(shù)開(kāi)展玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究，考慮到各作業(yè)參數(shù)變化范圍較大，試驗(yàn)時(shí)需要合理、準(zhǔn)確地調(diào)整各作業(yè)參數(shù)水平。對(duì)于上清選篩篩孔開(kāi)度，可以利用調(diào)節(jié)手柄手動(dòng)調(diào)整；振動(dòng)篩振動(dòng)頻率由曲柄轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，但由于本文所用試驗(yàn)樣機(jī)控制系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲柄轉(zhuǎn)速均由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，并且為固定傳動(dòng)比，無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，本文在調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲柄轉(zhuǎn)速2個(gè)作業(yè)參數(shù)時(shí)，保持發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min不變，每組試驗(yàn)更換不同尺寸的風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪和曲柄驅(qū)動(dòng)帶輪(圖3)，通過(guò)改變傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)本文試驗(yàn)所需的不同作業(yè)參數(shù)水平。

圖3 清選裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.3 Transmission mechanism of cleaning device1.曲柄驅(qū)動(dòng)帶輪 2.風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪

1.3 試驗(yàn)材料

根據(jù)玉米籽粒收獲機(jī)作業(yè)工藝，割臺(tái)摘穗后，玉米果穗外部苞葉并未除去，果穗喂入脫粒裝置，外部包裹的苞葉被打碎，破碎的苞葉是玉米脫出物的主要成分之一，故本文選用帶有苞葉的玉米果穗作為試驗(yàn)材料，同時(shí)結(jié)合東北地區(qū)玉米生產(chǎn)現(xiàn)狀，試驗(yàn)果穗的籽粒含水率為30%左右。為方便試驗(yàn)果穗喂入試驗(yàn)樣機(jī)，需改進(jìn)試驗(yàn)樣機(jī)喂入機(jī)構(gòu)，如圖4所示，拆去試驗(yàn)樣機(jī)前端的割臺(tái)和螺旋輸送器，安裝三角形喂入結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的喂入結(jié)構(gòu)可以減少喂入損失，同時(shí)大幅提高試驗(yàn)物料喂入效率。

圖4 試驗(yàn)樣機(jī)喂入機(jī)構(gòu)Fig.4 Feeding structure of experimental prototype

玉米果穗經(jīng)脫粒-分離裝置處理后，玉米脫出物進(jìn)入清選裝置，清選篩面上玉米脫出物狀態(tài)如圖5所示，脫出物主要包括籽粒、芯軸、苞葉和未脫凈斷穗等成分，作為清選作業(yè)對(duì)象，玉米脫出物各成分的含水率、尺寸等特性對(duì)清選作業(yè)質(zhì)量有較大影響。每次試驗(yàn)前將脫粒滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)整至同一固定轉(zhuǎn)速，待整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，將事先盛放在標(biāo)準(zhǔn)周轉(zhuǎn)箱中的等質(zhì)量果穗勻速放入喂入機(jī)構(gòu)，確保喂入量穩(wěn)定及脫粒-分離裝置運(yùn)動(dòng)參數(shù)不變，從而獲得形狀和尺寸分布較為相近的玉米脫出物。試驗(yàn)采用同批次含水率一致的玉米果穗進(jìn)行作業(yè)，假設(shè)經(jīng)過(guò)縱軸流脫粒后所得到的篩上物或者脫出物其組分一樣，脫凈率一致。玉米品種為飛天358，取自吉林大學(xué)農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)基地，通過(guò)多次采集并統(tǒng)計(jì)[18]篩面玉米脫出物發(fā)現(xiàn)，脫出物中超過(guò)99%的玉米籽粒尺寸分布在10.1～14.1 mm區(qū)間，超過(guò)98%的芯軸尺寸介于17.6～53.4 mm之間，超過(guò)98%的苞葉尺寸分布在5.3～47.8 mm區(qū)間，玉米脫出物各成分尺寸分布統(tǒng)計(jì)以上述主要區(qū)間為主，玉米脫出物中各成分物料屬性如表1所示。

圖5 清選篩面玉米脫出物Fig.5 Corn threshed mixtures on cleaning screen

成分屬性參數(shù)含水率/%尺寸分布/mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%籽粒30.3310.1～14.173.9芯軸39.4817.6～53.420.7苞葉43.515.3～47.85.4

2 單因素試驗(yàn)

選取清選裝置的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速z1、振動(dòng)頻率z2和上清選篩篩孔開(kāi)度z33個(gè)作業(yè)參數(shù)為試驗(yàn)因素，以籽粒含雜率y1和籽粒損失率y2為試驗(yàn)指標(biāo)，開(kāi)展玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)單因素試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定工況如下：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為450 r/min，脫粒間隙為50 mm，喂入量為6 kg/s，持續(xù)喂入時(shí)間為20 s。根據(jù)東北地區(qū)玉米籽粒收獲機(jī)實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有研究[8]，選定單因素試驗(yàn)范圍如下：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為500～1 200 r/min，振動(dòng)頻率為3～10 Hz，上清選篩篩孔開(kāi)度為10～30 mm。試驗(yàn)時(shí)選用以下作業(yè)參數(shù)組合：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min，振動(dòng)頻率為6 Hz，上清選篩篩孔開(kāi)度為20 mm，每組試驗(yàn)固定其中2個(gè)試驗(yàn)因素水平，探究隨著單試驗(yàn)因素水平線(xiàn)性變化，玉米清選作業(yè)籽粒含雜率和損失率試驗(yàn)指標(biāo)的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)束后，從糧倉(cāng)收集玉米籽粒，利用分樣篩進(jìn)行精篩處理，除去細(xì)小雜余，統(tǒng)計(jì)籽粒含雜率，同時(shí)，收集尾篩拋出的雜余，篩分出夾雜的玉米籽粒，統(tǒng)計(jì)籽粒損失率。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取平均值，每組試驗(yàn)后清空試驗(yàn)樣機(jī)各裝置內(nèi)的玉米脫出物，調(diào)試試驗(yàn)樣機(jī)作業(yè)參數(shù)，單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Single factor test results

由圖6a分析可知，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)籽粒含雜率整體呈下降趨勢(shì)，籽粒損失率整體呈上升趨勢(shì)，造成上述變化趨勢(shì)的原因是：清選作業(yè)時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，越多雜質(zhì)被拋出機(jī)外，清選效果越好，但是較大的清選氣流也會(huì)將玉米籽粒吹走，導(dǎo)致更多的夾帶損失。對(duì)于玉米籽粒含雜率，在500～700 r/min區(qū)間，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，超過(guò)1.4%，且下降幅度較小，在700～1 000 r/min區(qū)間，含雜率快速下降，降幅達(dá)到0.64個(gè)百分點(diǎn)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，玉米籽粒含雜率為0.77%，在1 000～1 200 r/min區(qū)間，玉米籽粒含雜率趨于穩(wěn)定，下降速度平緩；對(duì)于玉米籽粒損失率，在500～1 000 r/min區(qū)間，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，損失率呈平穩(wěn)上升趨勢(shì)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，損失率為0.95%，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)1 000 r/min時(shí)，損失率快速升高，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，損失率達(dá)到1.47%。綜合上述分析表明，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速800～1 000 r/min是玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)較優(yōu)的作業(yè)區(qū)間，此區(qū)間既能保證較低的籽粒含雜率，又能兼顧較低的籽粒損失率。

由圖6b分析可知，隨著振動(dòng)頻率提高，玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)時(shí)籽粒含雜率整體呈下降趨勢(shì)，籽粒損失率整體呈上升趨勢(shì)，提高振動(dòng)頻率可以增強(qiáng)振動(dòng)篩振動(dòng)強(qiáng)度，加大篩面脫出物離散度，提高篩分效率，降低籽粒含雜率，但較大的振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致部分脫出物直接被拋出清選室，特別是夾帶籽粒的雜余無(wú)法在尾篩處被有效處理，導(dǎo)致籽粒損失率升高。對(duì)于玉米籽粒含雜率，在3～7 Hz區(qū)間，隨著振動(dòng)頻率提高，籽粒含雜率下降速度較快，振動(dòng)頻率為3 Hz時(shí)，含雜率為1.38%，振動(dòng)頻率為7 Hz時(shí)，含雜率下降到0.87%，降幅明顯，在7～10 Hz區(qū)間，含雜率趨于穩(wěn)定，振動(dòng)頻率為9 Hz時(shí)，含雜率為0.87%；對(duì)于玉米籽粒損失率，隨著振動(dòng)頻率提高，損失率上升趨勢(shì)較為平緩，振動(dòng)頻率為3 Hz時(shí)，損失率為0.77%，振動(dòng)頻率為7 Hz時(shí)，損失率達(dá)到0.98%；綜合上述分析表明，玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)時(shí)，振動(dòng)頻率6～8 Hz是滿(mǎn)足玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)要求的較優(yōu)作業(yè)區(qū)間。

由圖6c分析可知，隨著上清選篩篩孔開(kāi)度增加，玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)籽粒含雜率整體呈現(xiàn)先降再升趨勢(shì)，籽粒損失率整體呈現(xiàn)先下降后趨于平穩(wěn)趨勢(shì)，造成上述變化趨勢(shì)的原因是：上清選篩篩孔開(kāi)度較小時(shí)，脫出物中只有苞葉等尺寸較小的雜余能夠穿過(guò)清選篩，導(dǎo)致含雜率較高，此時(shí)，篩選效率較低，玉米籽粒無(wú)法及時(shí)穿過(guò)篩孔，造成損失率較高；隨著上清選篩篩孔開(kāi)度增加，脫出物透篩變得容易，大量籽粒能夠輕易透過(guò)篩孔，含雜率和損失率均降低，但篩孔開(kāi)度過(guò)大，會(huì)造成雜余及斷穗等成分穿過(guò)上篩，同樣造成含雜率升高。在10～20 mm區(qū)間，隨著上清選篩篩孔開(kāi)度增加，玉米籽粒含雜率和損失率均快速降低，篩孔開(kāi)度為20 mm時(shí)，含雜率為0.87%，損失率為1.01%，在20～30 mm區(qū)間，含雜率快速升高，損失率較為穩(wěn)定，篩孔開(kāi)度為30 mm時(shí)，含雜率升高到1.22%，損失率為1.07%；綜合上述分析表明，上清選篩篩孔開(kāi)度對(duì)玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)清選作業(yè)質(zhì)量影響較大，上清選篩篩孔開(kāi)度15～25 mm是滿(mǎn)足玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)要求的較優(yōu)作業(yè)區(qū)間。

3 正交試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步尋求玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)參數(shù)最優(yōu)配比組合，探究作業(yè)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的交互作用和影響規(guī)律，開(kāi)展玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)參數(shù)正交試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用二次回歸正交組合設(shè)計(jì)方案[19]，以籽粒含雜率y1和籽粒損失率y2為試驗(yàn)指標(biāo)，各試驗(yàn)因素水平編碼如表2所示，正交試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示，x1、x2、x3為因素編碼值。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of test factors

表3 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Orthogonal test scheme and results

3.2 回歸模型與分析

根據(jù)表3中正交試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行三元二次回歸擬合計(jì)算[20]，剔除不顯著項(xiàng)，回歸模型方差分析結(jié)果如表4所示。最終通過(guò)編碼轉(zhuǎn)換，得到玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)籽粒含雜率和籽粒損失率回歸模型分別為

(1)

(2)

表4 回歸模型方差分析結(jié)果Tab.4 Regression model variance analysis results

注：P<0.05為顯著，P<0.01為極顯著，P>0.25為不顯著。

由表4可知，玉米籽粒含雜率y1和籽粒損失率y2回歸模型的顯著性水平P均小于0.01，結(jié)果表明2個(gè)回歸模型顯著性水平高，失擬項(xiàng)顯著性水平P均大于0.1，結(jié)果表明2個(gè)回歸模型擬合效果好。根據(jù)方差F可以判斷清選作業(yè)參數(shù)對(duì)籽粒含雜率、籽粒損失率的影響程度，對(duì)于籽粒含雜率y1，3個(gè)清選作業(yè)參數(shù)的影響程度由大到小依次為上清選篩篩孔開(kāi)度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率。對(duì)于籽粒損失率y2，3個(gè)清選作業(yè)參數(shù)的影響程度由大到小依次為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率、上清選篩篩孔開(kāi)度，其中，上清選篩篩孔開(kāi)度的顯著性較低。

3.3 響應(yīng)面分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果和回歸模型分析可知，玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)籽粒含雜率最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min、振動(dòng)頻率7 Hz、上清選篩篩孔開(kāi)度20 mm，籽粒損失率最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速900 r/min、振動(dòng)頻率6 Hz、上清選篩篩孔開(kāi)度20 mm，基于上述最優(yōu)參數(shù)組合，結(jié)合回歸模型，進(jìn)行雙因素響應(yīng)面分析，籽粒含雜率正交試驗(yàn)響應(yīng)面如圖7所示，籽粒損失率正交試驗(yàn)響應(yīng)面如圖8所示。

圖7 籽粒含雜率正交試驗(yàn)響應(yīng)曲面Fig.7 Orthogonal test response surfaces of corn impurity rate

圖8 籽粒損失率正交試驗(yàn)響應(yīng)曲面Fig.8 Orthogonal test response surfaces of corn loss rate

由圖7分析可知，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)頻率2個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)玉米含雜率存在交互作用，振動(dòng)頻率和上清選篩篩孔開(kāi)度對(duì)籽粒含雜率均存在二次作用，總體來(lái)看，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與籽粒含雜率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，振動(dòng)頻率和上清選篩篩孔開(kāi)度與籽粒含雜率呈先負(fù)后正相關(guān)關(guān)系，與單因素試驗(yàn)趨勢(shì)基本吻合，綜合3個(gè)響應(yīng)面的變化趨勢(shì)，籽粒含雜率最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合的除雜效果顯著。

由圖8分析可知，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與振動(dòng)頻率、上清選篩篩孔開(kāi)度對(duì)玉米籽粒損失率均存在交互作用，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與振動(dòng)頻率的交互作用更為顯著，上清選篩篩孔開(kāi)度對(duì)籽粒損失率存在二次作用，總體來(lái)看，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與籽粒損失率呈正相關(guān)關(guān)系，振動(dòng)頻率與籽粒損失率呈正相關(guān)關(guān)系，上清選篩篩孔開(kāi)度與籽粒損失率呈先負(fù)后正相關(guān)關(guān)系，與單因素試驗(yàn)趨勢(shì)較為吻合，綜合3個(gè)響應(yīng)面的變化趨勢(shì)，籽粒損失率最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合的降損效果很顯著。

在玉米籽粒收獲機(jī)實(shí)際清選作業(yè)時(shí)，需滿(mǎn)足低含雜率、低損失率雙重要求，然而通過(guò)上述分析可知，籽粒含雜率和籽粒損失率的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合不同，并且二者隨作業(yè)參數(shù)的變化趨勢(shì)相反，因此，清選作業(yè)時(shí)需要結(jié)合實(shí)際作業(yè)需求，綜合考慮2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行清選作業(yè)參數(shù)配比。本文參考文獻(xiàn)[21]中雙指標(biāo)優(yōu)化方法，設(shè)定籽粒含雜率和損失率對(duì)清選作業(yè)質(zhì)量具有同等重要性，玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)綜合效果為

y=y1+y2

(3)

式中y——玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)清選作業(yè)綜合指標(biāo)，%

根據(jù)式(3)處理表3中正交試驗(yàn)結(jié)果，可以得到玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)綜合指標(biāo)，經(jīng)加權(quán)計(jì)算發(fā)現(xiàn)清選作業(yè)綜合指標(biāo)最優(yōu)組合為：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速900 r/min、振動(dòng)頻率7 Hz、上清選篩篩孔開(kāi)度20 mm，在此作業(yè)工況下，玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)清選作業(yè)綜合指標(biāo)為1.58%，籽粒損失率為1.05%，籽粒含雜率為0.53%，滿(mǎn)足清選作業(yè)要求。

4 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)正交試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合開(kāi)展田間驗(yàn)證試驗(yàn)，檢驗(yàn)回歸模型及最優(yōu)組合的可靠性，試驗(yàn)選用吉林大學(xué)研制的4YZ-6型單縱軸流玉米籽粒收獲機(jī)，該機(jī)型結(jié)構(gòu)與本文所用試驗(yàn)樣機(jī)相同，試驗(yàn)地點(diǎn)為吉林大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地，玉米品種為飛天358，試驗(yàn)季節(jié)玉米籽粒含水率為30.48%，如圖9所示。

圖9 田間驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.9 Validation test in field

試驗(yàn)分別以籽粒含雜率最優(yōu)組合、籽粒損失率最優(yōu)組合和清選作業(yè)綜合指標(biāo)最優(yōu)組合為玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)清選作業(yè)參數(shù)匹配依據(jù)，按照農(nóng)業(yè)部推廣鑒定大綱DG/T 015—2016《自走式玉米收獲機(jī)》進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)田玉米株距為34 cm，行距為60 cm，作業(yè)行進(jìn)速度為2 km/h，喂入量為6 kg/s，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為450 r/min，脫粒間隙為50 mm，共包括3組，每組試驗(yàn)重復(fù)10次，每次作業(yè)距離為200 m，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，田間驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 田間驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of validation test in field %

由表5分析可知，由于玉米籽粒收獲機(jī)受到田間作業(yè)條件的影響，在3組試驗(yàn)中，試驗(yàn)值普遍略大于預(yù)測(cè)值?；谧蚜：s率最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合試驗(yàn)結(jié)果表明，在此工況條件下，籽粒含雜率的試驗(yàn)值為0.57%，在3組試驗(yàn)中含雜率水平最低，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為5.56%，誤差較小，模型可靠；基于籽粒損失率最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合試驗(yàn)結(jié)果表明，在此工況條件下，籽粒損失率的試驗(yàn)值為1.03%，在3組試驗(yàn)中損失率水平最低，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為5.10%，誤差較小，模型可靠；基于清選作業(yè)綜合指標(biāo)最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合試驗(yàn)結(jié)果表明，在此工況條件下，籽粒含雜率和籽粒損失率的試驗(yàn)值均不是最低的，但其綜合指標(biāo)試驗(yàn)值為1.82%，在3組試驗(yàn)中綜合水平最低，綜合指標(biāo)的試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為4.60%，誤差較小，模型可靠。

5 結(jié)論

(1)玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)參數(shù)較優(yōu)水平區(qū)間為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速800～1 000 r/min，振動(dòng)頻率6～8 Hz，上清選篩篩孔開(kāi)度15～25 mm。

(2)玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)籽粒含雜率最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，振動(dòng)頻率7 Hz，上清選篩篩孔開(kāi)度20 mm；籽粒損失率最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速900 r/min，振動(dòng)頻率6 Hz，上清選篩篩孔開(kāi)度20 mm；清選作業(yè)綜合指標(biāo)最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速900 r/min，振動(dòng)頻率7 Hz，上清選篩篩孔開(kāi)度20 mm。

(3)得到玉米籽粒收獲機(jī)清選作業(yè)籽粒含雜率、籽粒損失率和綜合指標(biāo)的回歸模型。田間驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，籽粒含雜率相對(duì)誤差為5.56%，籽粒損失率相對(duì)誤差為5.10%，綜合指標(biāo)相對(duì)誤差為4.60%，最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合表現(xiàn)良好，且回歸模型可靠。