周福君 官曉東 唐遵峰 吳 昊

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030; 2.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司， 北京 100083)

0 引言

鮮食玉米一般指甜玉米、糯玉米等[1-2]，這些品種的玉米口感甜糯可直接食用，也可后續(xù)加工成玉米飲料等商品，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，受到廣大消費(fèi)者喜愛，因此鮮食玉米具有較大的市場(chǎng)空間。由于鮮食玉米經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，其種植面積逐年擴(kuò)大。但我國(guó)鮮食玉米果穗收獲機(jī)械化水平較低，現(xiàn)有機(jī)械作業(yè)時(shí)果穗破碎，收獲后含雜量較高，混有莖稈、莖葉等雜質(zhì)，影響后續(xù)鮮食玉米的深加工作業(yè)[3]。因此，在鮮食玉米果穗收獲機(jī)上設(shè)置除雜裝置十分必要。

目前，針對(duì)除雜清選作業(yè)有氣流清選、壓氣法、振動(dòng)篩清選、靜電選分[4]等多種方式。徐立章等[5]對(duì)谷物聯(lián)合收獲機(jī)精選技術(shù)進(jìn)行了分析，對(duì)振動(dòng)篩和氣流清選做了詳細(xì)分析，為本裝置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。張俊三等[6]在牧神4YZT-7型自走式玉米籽粒收獲機(jī)上應(yīng)用了風(fēng)扇篩式清選裝置，王立軍等[7]對(duì)玉米清選組合孔篩體進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，二者均采用振動(dòng)方式將谷物與雜質(zhì)分離。但鮮食玉米收獲時(shí)果穗含水率高，應(yīng)采取果穗收獲方式，采用振動(dòng)式和機(jī)械式除雜的方法會(huì)對(duì)果穗籽粒造成機(jī)械損傷，影響鮮食玉米的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此選用氣流除雜的方式較為合適。權(quán)新濤[8]發(fā)明了一種玉米聯(lián)合收獲機(jī)果穗風(fēng)選裝置，當(dāng)果穗從升運(yùn)器掉落時(shí)將雜葉吹出，但無法去除質(zhì)量較大的莖稈。王克恒等[9]發(fā)明了玉米收獲機(jī)用吸風(fēng)式排雜裝置，利用風(fēng)機(jī)負(fù)壓將雜葉吸入，通過風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)將雜葉打碎，對(duì)折斷的莖稈除雜效果較差。張銀平等[10]對(duì)穗莖兼收玉米收獲機(jī)莖稈切碎與輸送裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，轉(zhuǎn)子銑刀切割器作為莖稈的切斷裝置，為本文在除雜裝置中增加切碎機(jī)構(gòu)提供了思路。張喜瑞等[11]對(duì)4YZT-2型自走式鮮食玉米對(duì)行收獲機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，但未對(duì)摘下的果穗進(jìn)行清雜。美國(guó)Pixall有限公司研究了一種鮮食甜玉米收獲機(jī)械[12]，采用獨(dú)立的、雙控制多葉片轉(zhuǎn)子葉輪清洗風(fēng)扇進(jìn)行除雜，除雜效果較好，但對(duì)除雜后的雜質(zhì)未進(jìn)行處理。唐遵峰等[13]研究了一種制種玉米種穗收獲機(jī)，利用負(fù)壓氣流進(jìn)行清選，但鮮食玉米莖稈與制種玉米的莖稈含水率差異較大，不適用于鮮食玉米收獲除雜。目前，針對(duì)鮮食玉米果穗收獲的除雜裝置研究較少，現(xiàn)有的鮮食玉米收獲機(jī)大多采用玉米收獲機(jī)上的風(fēng)選裝置進(jìn)行除雜，由于收獲的玉米種類不同，莖稈特性差異較大，導(dǎo)致除雜不凈、除雜效果較差。負(fù)壓清雜不會(huì)對(duì)果穗造成損傷，在農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械除雜中應(yīng)用較為廣泛。鮮食玉米果穗含水率較高，籽粒易損傷，負(fù)壓除雜能保證鮮食玉米的品相完好，提高鮮食玉米的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。國(guó)內(nèi)對(duì)鮮食玉米果穗收獲、負(fù)壓除雜，同時(shí)進(jìn)行莖稈切碎處理的研究尚未見報(bào)道。

本文研究旨在提高鮮食玉米果穗收獲的清潔度。根據(jù)鮮食玉米果穗收獲對(duì)果穗含雜率和雜質(zhì)切碎合格率的要求，本文對(duì)軸流式負(fù)壓除雜裝置的性能進(jìn)行理論分析，對(duì)定刀切割莖稈進(jìn)行力學(xué)分析，并對(duì)動(dòng)刀進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。為了保證裝置不發(fā)生堵塞，且莖稈切碎長(zhǎng)度能夠達(dá)到要求，確定動(dòng)、定刀數(shù)量及刀間隙，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)裝置的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在滿足機(jī)器作業(yè)效率和降低功耗的條件下達(dá)到降低果穗含雜率的目的，并保證雜質(zhì)切碎合格率滿足國(guó)家相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

1 裝置設(shè)計(jì)

1.1 裝置構(gòu)成

鮮食玉米軸流式風(fēng)機(jī)除雜裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝置主要由風(fēng)機(jī)外殼、風(fēng)機(jī)葉輪、風(fēng)機(jī)軸、吸雜導(dǎo)流罩、排雜導(dǎo)流罩、定刀、動(dòng)刀等組成。風(fēng)機(jī)外殼的正下方安裝吸雜導(dǎo)流罩，圓周方向安裝排雜導(dǎo)流罩，風(fēng)機(jī)葉輪與風(fēng)機(jī)軸焊合，與風(fēng)機(jī)外殼相配合，風(fēng)機(jī)外殼下部靠近吸雜導(dǎo)流罩的位置沿圓周方向均勻分布定刀，風(fēng)機(jī)軸套安裝動(dòng)刀，動(dòng)刀與定刀在豎直方向上交錯(cuò)排列。

圖1 軸流風(fēng)機(jī)除雜裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of impurity removal device of axial flow fan1.風(fēng)機(jī)軸 2.風(fēng)機(jī)外殼 3.吸雜導(dǎo)流罩 4.定刀 5.動(dòng)刀 6.風(fēng)機(jī)葉輪 7.排雜導(dǎo)流罩

1.2 工作原理

裝置作業(yè)時(shí)，電機(jī)通過V型傳動(dòng)帶帶動(dòng)風(fēng)機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)機(jī)軸帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪和動(dòng)刀高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，風(fēng)機(jī)葉輪會(huì)形成負(fù)壓氣流場(chǎng)，物料輸送裝置將通過鮮食玉米收獲機(jī)割臺(tái)摘取的物料運(yùn)送至吸雜導(dǎo)流罩下方區(qū)域時(shí)，物料中的殘葉、莖稈等雜質(zhì)會(huì)隨著氣流沿吸雜導(dǎo)流罩被吸入裝置中，雜質(zhì)經(jīng)過動(dòng)刀旋轉(zhuǎn)區(qū)域時(shí)，動(dòng)刀與定刀會(huì)將進(jìn)入的雜質(zhì)切碎，切碎后的雜質(zhì)在風(fēng)機(jī)葉輪的拋送和切流風(fēng)的作用下沿切流風(fēng)經(jīng)排雜導(dǎo)流罩排出裝置。借鑒環(huán)衛(wèi)設(shè)備中已有大量應(yīng)用[14-16]，可證明裝置的可行性。

1.3 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的確定

本裝置的主要作用是將物料中的雜質(zhì)通過軸流負(fù)壓[17-18]和切流正壓[19]的氣流場(chǎng)完成作業(yè)[20]，裝置工作示意圖如圖2所示。

圖2 裝置工作示意圖Fig.2 Schematic of device

裝置的主要工作參數(shù)是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由除雜作業(yè)所需的風(fēng)力確定，計(jì)算式為

(1)

(2)

Fw=G

(3)

(4)

(5)

(6)

式中Q——風(fēng)機(jī)流量，m3/s

D——葉輪直徑，m

Fw——風(fēng)機(jī)風(fēng)力

B——葉輪寬度，m

μ——葉輪圓周速度，m/s

S——風(fēng)機(jī)橫截面積，m2

ρ——空氣密度，取1.29 kg/m3

vw——入口處風(fēng)速，m/s

G——雜質(zhì)中單個(gè)長(zhǎng)莖稈重力，N

nw——風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

A——莖稈截面積，m2

pd——風(fēng)機(jī)動(dòng)壓，Pa

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》設(shè)計(jì)得本裝置葉輪直徑D=0.600 m，葉輪寬度B=0.175 m，風(fēng)機(jī)吸雜導(dǎo)流罩橫截面積S=0.040 m2，根據(jù)對(duì)莖稈的物理特性研究得到長(zhǎng)莖稈的質(zhì)量約為98 g，莖稈的直徑為34 mm，計(jì)算可求得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速理論值為1 416 r/min，此時(shí)動(dòng)壓約為1 077 Pa，由于風(fēng)機(jī)工作時(shí)在物料與斷面處會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)損失[21]，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率下降5%～10%，進(jìn)而得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1 490～1 573 r/min。

1.4 動(dòng)刀切碎雜質(zhì)力學(xué)分析

裝置中動(dòng)定刀的作用是切碎通過負(fù)壓流場(chǎng)吸上來的雜質(zhì)[22-23]，切碎效果好，風(fēng)機(jī)更易將雜質(zhì)吸入。當(dāng)動(dòng)刀隨著風(fēng)機(jī)軸做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)刀刀刃具有很高的切割速度[24-25]，為了防止動(dòng)刀發(fā)生突然斷裂，動(dòng)刀與風(fēng)機(jī)軸采用甩刀方式連接[26]。高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩側(cè)動(dòng)刀因離心力的作用，在徑向上處于同一直線，同風(fēng)機(jī)軸形成旋轉(zhuǎn)整體。當(dāng)切割物料中含雜質(zhì)時(shí)，動(dòng)刀切碎莖稈時(shí)受力分析如圖3所示。

圖3 切碎莖稈受力分析圖Fig.3 Stress analysis of crushed stem

根據(jù)受力平衡條件，可得到方程

(7)

N2=T2

(8)

(9)

式中T1——定刀切碎莖稈所需的力，N

N——莖稈垂直方向上的支反力，N

N1、N2——莖稈對(duì)刃面的壓力，N

φ——莖稈與刃面摩擦角，取30.6°

α——刀刃刃角，取21.8°

T2——莖稈內(nèi)部連接力，N

通過對(duì)鮮食玉米莖稈進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，經(jīng)分析計(jì)算可以得到莖稈垂直方向上的支反力約為635 N，莖稈內(nèi)部連接力約為154 N，定刀切碎莖稈所需的力約為878 N。動(dòng)刀旋轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)力學(xué)分析如圖4所示。

圖4 動(dòng)刀旋轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)力學(xué)分析圖Fig.4 Dynamic analysis of knife rotation

當(dāng)動(dòng)刀切碎雜質(zhì)時(shí)，動(dòng)刀會(huì)克服切碎雜質(zhì)的阻力做功，使動(dòng)刀在圓周方向上產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，之后會(huì)在離心力的作用下復(fù)位，通過理論力學(xué)分析，可得到相對(duì)于銷軸的力矩平衡方程為

T1=F

(10)

FL4=mω2L1L3sinθ+fmω2R1r

(11)

L4=L2cosθ

(12)

式中F——克服切碎雜質(zhì)的阻力，N

L2——銷軸中心線到動(dòng)刀端部徑向長(zhǎng)度，mm

m——?jiǎng)拥顿|(zhì)量，kg

L4——?jiǎng)拥堕L(zhǎng)度，mm

ω——風(fēng)機(jī)軸角速度，rad/s

L1——風(fēng)機(jī)軸中心線到銷軸中心線的徑向長(zhǎng)度，mm

L3——銷軸中心線到動(dòng)刀重心徑向長(zhǎng)度，mm

θ——?jiǎng)拥哆\(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角，(°)

f——?jiǎng)拥杜c銷軸的摩擦因數(shù)，取0.1

R1——?jiǎng)拥吨匦牡斤L(fēng)機(jī)軸中心線的徑向長(zhǎng)度，mm

r——銷軸半徑，mm

通過式(10)～(12)推導(dǎo)可得

(13)

確定定刀形狀尺寸和安裝位置后，可以得到L1=109 mm，L2=100 mm，L3=53 mm，r=4.5 mm，定刀作業(yè)時(shí)，偏轉(zhuǎn)角過大會(huì)造成莖稈無法切斷，通過查閱資料可知θ<38°，并對(duì)偏轉(zhuǎn)角θ求極限確定風(fēng)機(jī)軸最小轉(zhuǎn)速得到n=1 326 r/min，從而得到風(fēng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速在1 326～1 573 r/min之間時(shí)，能夠保證莖稈被切碎。

1.5 動(dòng)、定刀間隙的確定

裝置在切碎莖稈作業(yè)時(shí)，為了保證莖稈切碎長(zhǎng)度的合格率[27]，動(dòng)、定刀的安裝位置在軸向上采取交錯(cuò)排列的安裝方式，在莖稈被吸入裝置進(jìn)行切碎時(shí)形成夾持較牢固的三點(diǎn)彎曲夾持，使莖稈更易被切碎，在對(duì)莖稈進(jìn)行切碎但沒有完全切斷時(shí)，莖稈在作用力P0的作用下產(chǎn)生彎曲，為了保證切碎質(zhì)量，刀間隙應(yīng)滿足

(14)

式中E——莖稈彈性模量，MPa

I——莖稈截面慣量，cm4

Δs——?jiǎng)?、定刀間隙，mm

ωj——莖稈彎曲撓度，mm

L——定刀長(zhǎng)度，mm

通過莖稈的物理特性試驗(yàn)得到莖稈的彈性模量為4.12 MPa，莖稈的截面慣量為6.55 cm4，莖稈的彎曲撓度為4 mm時(shí)，莖稈發(fā)生斷裂，此時(shí)算出Δs為23 mm，為了能夠保證裝置的安全性，動(dòng)定刀間隙應(yīng)不小于18 mm，故Δs在18～23 mm范圍內(nèi)時(shí)，動(dòng)定刀切碎莖稈合格率性能較好，綜合考慮動(dòng)、定刀間隙取20 mm。

1.6 定刀數(shù)

當(dāng)動(dòng)刀與葉輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)刀數(shù)量過多會(huì)造成堵塞，因此動(dòng)刀采用“一”字形安裝方式，通過改變周向定刀的數(shù)量，來保證莖稈的切碎長(zhǎng)度，莖稈的理論切碎長(zhǎng)度

(15)

式中l(wèi)——切碎莖稈長(zhǎng)度，mm

Dw——風(fēng)機(jī)導(dǎo)流罩直徑，mm

z——圓周方向定刀數(shù)

Δx——莖稈在切碎區(qū)域的位移，mm

v——莖稈進(jìn)入吸雜導(dǎo)流罩速度，m/s

根據(jù)農(nóng)藝要求，莖稈的理論切碎長(zhǎng)度為5 cm，本裝置的風(fēng)機(jī)吸雜導(dǎo)流罩直徑Dw為400 mm，根據(jù)分析當(dāng)莖稈勻速進(jìn)入裝置時(shí)速度v=4.8 m/s，切割區(qū)域軸向?qū)挾葹?0 mm，通過計(jì)算滿足莖稈切碎長(zhǎng)度的單排定刀數(shù)最少為3，由于受到吸雜導(dǎo)流罩直徑[28-30]的限制，數(shù)量最多為8，通過計(jì)算得出定刀數(shù)目z在3～8之間，可保證莖稈的切碎長(zhǎng)度理論上滿足行業(yè)規(guī)范要求。

2 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所需的鮮食玉米植株種植于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)試驗(yàn)基地，鮮食玉米的品種為五彩糯，用于試驗(yàn)的物料為經(jīng)鮮食玉米收獲機(jī)割臺(tái)收獲后的混合物料，其中距離莖稈頂端約400 mm的殘余莖稈為長(zhǎng)莖稈，其余細(xì)小莖稈為短莖稈，其中物料由質(zhì)量分?jǐn)?shù)76%的鮮食玉米果穗、5%的長(zhǎng)莖稈、13%的短莖稈、6%的莖葉(包含其他輕雜)組成，其中鮮食玉米果穗的含水率在60%左右。試驗(yàn)材料如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)材料Fig.5 Test material sample

2.2 試驗(yàn)材料力學(xué)參數(shù)測(cè)定

試驗(yàn)材料的力學(xué)參數(shù)與試驗(yàn)關(guān)系密切，利用WDW-S型萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行剪切試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，選取量程為0～5 kN，速度為5 mm/min的萬能試驗(yàn)機(jī)。將試驗(yàn)材料制成試樣，試樣均為鮮食玉米莖稈的中上部，經(jīng)測(cè)量平均含水率約為63%，平均直徑為34 mm，密度約0.24 g/cm3，對(duì)上述試驗(yàn)試樣進(jìn)行5次重復(fù)力學(xué)特性試驗(yàn)。

采用雙面剪切的試驗(yàn)方法對(duì)莖稈進(jìn)行剪切試驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 剪切試驗(yàn)Fig.6 Shear test

通過材料力學(xué)公式計(jì)算剪切強(qiáng)度，計(jì)算式為

(16)

式中τ——剪切強(qiáng)度，MPa

F1——莖稈剪切力，N

采用三點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)方法對(duì)莖稈進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，計(jì)算式為

(17)

式中 ΔF——載荷增量，N

Δεa——軸向應(yīng)變?cè)隽?/p>

通過公式計(jì)算得到試驗(yàn)材料的力學(xué)特性為最大剪切力878 N，剪切強(qiáng)度4.5 MPa，彈性模量4.12 MPa，截面模量6.55 cm4。

2.3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)裝置主要由扭矩傳感器、風(fēng)壓測(cè)量?jī)x、風(fēng)速計(jì)、無紙記錄儀、電動(dòng)機(jī)、變頻器等組成。電動(dòng)機(jī)選用浙江齒輪減速電機(jī)有限公司生產(chǎn)的YH160L-4型三相異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 680 r/min，電動(dòng)機(jī)與風(fēng)機(jī)軸之間采用V型帶傳動(dòng)，本試驗(yàn)裝置的臺(tái)架試驗(yàn)于2019年9月在黑龍江省北方寒地現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，將試驗(yàn)材料均勻放置在托盤上，托盤下方安置地輪，利用牽引裝置使地輪勻速運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.7 Photo of test site1.軸流式負(fù)壓風(fēng)機(jī) 2.變頻器 3.計(jì)算機(jī) 4.扭矩測(cè)量?jī)x 5.電機(jī) 6.扭矩傳感器

2.4 試驗(yàn)指標(biāo)

本裝置主要是對(duì)鮮食玉米果穗進(jìn)行除雜并保證切碎莖稈的質(zhì)量，目前針對(duì)鮮食玉米果穗收獲尚無國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，本文采用GB/T 21962—2008《玉米收獲機(jī)械 技術(shù)條件》中果穗含雜率為試驗(yàn)指標(biāo)，NY/T 2088-2011《玉米青貯收獲機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》中的莖稈切碎長(zhǎng)度為試驗(yàn)指標(biāo)。

收集經(jīng)過風(fēng)機(jī)作業(yè)后的物料，測(cè)得物料中雜質(zhì)質(zhì)量和物料總質(zhì)量,兩者比值為果穗含雜率，計(jì)算式為

(18)

式中Gn——果穗含雜率，%

Wn——雜質(zhì)質(zhì)量，g

Wp——經(jīng)過風(fēng)機(jī)作業(yè)后的物料總質(zhì)量，g

收集經(jīng)排雜導(dǎo)流罩排出的莖稈，其中長(zhǎng)度大于50 mm的莖稈為不合格莖稈，測(cè)得其總質(zhì)量，再測(cè)排出雜質(zhì)的總質(zhì)量，計(jì)算莖稈切碎長(zhǎng)度合格率為

(19)

式中η——莖稈切碎長(zhǎng)度合格率，%

m1——不合格莖稈質(zhì)量，g

M——排出雜質(zhì)的總質(zhì)量，g

2.5 試驗(yàn)方案

裝置前期進(jìn)行了單因素優(yōu)化試驗(yàn)，由于試驗(yàn)材料與吸風(fēng)口的距離過大，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速理論范圍內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致裝置除雜作業(yè)效果不明顯；而當(dāng)試驗(yàn)材料均勻鋪在托盤上時(shí)會(huì)有一定的高度，試驗(yàn)材料與吸風(fēng)口的距離過小，吸雜導(dǎo)流罩會(huì)擋住部分試驗(yàn)材料，使部分雜質(zhì)無法進(jìn)入吸風(fēng)口，故采用黃金分割法確定試驗(yàn)材料上表面與吸風(fēng)口的距離為40 mm。為了對(duì)裝置的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、定刀數(shù)、喂入量作為試驗(yàn)因素，采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[31]，由裝置理論分析得到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1 326～1 573 r/min；單排定刀數(shù)在3～8之間；通過查閱資料得到，四行鮮食玉米收獲機(jī)正常作業(yè)時(shí)前進(jìn)速度為5.5～12.5 km/h，由于無法將裝置安裝在鮮食玉米收獲機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，故當(dāng)鮮食玉米收獲機(jī)在此作業(yè)速度范圍時(shí)，收獲標(biāo)準(zhǔn)種植規(guī)模地塊所得到的物料質(zhì)量，通過計(jì)算得到裝置喂入量在6～14 kg/s，將試驗(yàn)材料均勻放置在托盤上，通過牽引裝置控制托盤的前進(jìn)速度，根據(jù)Design-Expert軟件可以確定各試驗(yàn)因素水平,試驗(yàn)因素編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Experimental factor coding

2.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)Design-Expert軟件確定試驗(yàn)方案，通過臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示(x1、x2、x3為因素編碼值)，根據(jù)試驗(yàn)方案所需物料總質(zhì)量為889 kg，本文主要針對(duì)物料中的雜質(zhì)進(jìn)行處理，故鮮食玉米果穗可重復(fù)使用，鮮食玉米果穗總質(zhì)量約為160 kg，雜質(zhì)總質(zhì)量為729 kg。累計(jì)作業(yè)時(shí)間為345 s，在裝置作業(yè)時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)因粘度造成裝置堵塞的問題。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test scheme and results

x2x3對(duì)莖稈切碎長(zhǎng)度合格率Y1的影響顯著(0.01≤P≤0.05)，x1x2對(duì)莖稈切碎長(zhǎng)度合格率Y1的影響不顯著(P>0.1)，將此項(xiàng)作為殘差項(xiàng)，在莖稈切碎長(zhǎng)度合格率Y1的回歸方程中將此項(xiàng)除去可得出Y1的回歸方程為

(20)

檢驗(yàn)此回歸方程的擬合度，得到P=0.805 0，說明該二次回歸模型可以描述試驗(yàn)指標(biāo)Y1。

(21)

檢驗(yàn)此回歸方程的擬合度，得到P=0.306 9，說明該二次回歸模型可以描述試驗(yàn)指標(biāo)Y2。

表3 莖稈切碎長(zhǎng)度合格率和果穗含雜率的方差分析Tab.3 Variance analysis of qualified rate of shattered stem length and grain impurity rate

圖8 響應(yīng)曲面分析圖Fig.8 Response surface analysis diagrams

根據(jù)各因素與試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的回歸方程，進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)，得到交互項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的響應(yīng)分析圖，如圖8所示。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和喂入量的交互作用對(duì)莖稈切碎長(zhǎng)度合格率的影響如圖8a所示，當(dāng)定刀數(shù)為6，喂入量一定時(shí)，莖稈切碎長(zhǎng)度合格率隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大呈先下降后上升的趨勢(shì)，原因是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大對(duì)莖稈的吸入量增多，動(dòng)刀的轉(zhuǎn)速不足以對(duì)全部莖稈完全切碎，伴隨著動(dòng)刀轉(zhuǎn)速不斷增大吸入量增長(zhǎng)緩慢時(shí)，動(dòng)刀對(duì)莖稈切割的頻率增加使合格率上升；當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，莖稈切碎長(zhǎng)度合格率隨喂入量的增加而下降，原因是喂入量增大導(dǎo)致吸入莖稈增多，動(dòng)刀的動(dòng)力不足。喂入量和定刀數(shù)的交互作用對(duì)莖稈切碎長(zhǎng)度合格率如圖8b所示，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，定刀數(shù)一定時(shí)，莖稈切碎長(zhǎng)度合格率隨著喂入量的上升而降低，原因是喂入量的增大導(dǎo)致吸入莖稈增加，定刀數(shù)和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，莖稈同時(shí)進(jìn)入，使動(dòng)刀作業(yè)時(shí)間增加，莖稈向上運(yùn)動(dòng)位移變大，使莖稈切碎長(zhǎng)度合格率降低。

對(duì)于果穗含雜率Y2，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和定刀數(shù)的交互作用對(duì)果穗含雜率的影響如圖8c所示，當(dāng)喂入量為10 kg/s時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定，果穗含雜率隨定刀數(shù)的增加呈略微升高的趨勢(shì)，導(dǎo)致此趨勢(shì)的主要原因是定刀數(shù)的增加減少了吸雜導(dǎo)流罩的橫截面積，使雜質(zhì)不易進(jìn)入裝置；當(dāng)定刀數(shù)一定時(shí)，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加果穗含雜率不斷降低，原因是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，莖稈進(jìn)入裝置的速度增加，使果穗含雜率降低。喂入量和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)果穗含雜率的影響如圖8d所示，當(dāng)定刀數(shù)為6時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定，果穗含雜率隨喂入量增加呈先降低后上升趨勢(shì)，原因是當(dāng)喂入量較小時(shí)，裝置可以大量除雜，而喂入量逐漸變大，導(dǎo)致物料中雜質(zhì)增加，但裝置吸入的雜質(zhì)不變使果穗含雜率上升；當(dāng)喂入量一定，果穗含雜率隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大呈降低趨勢(shì)，原因是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加使裝置對(duì)雜質(zhì)的吸力增大，除雜性能提升。喂入量和定刀數(shù)的交互作用對(duì)果穗含雜率的影響如圖8e所示，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 450 r/min時(shí)，當(dāng)喂入量一定，隨著定刀數(shù)的增加果穗含雜率上升，原因是定刀數(shù)過多時(shí)吸雜導(dǎo)流罩周向空間減小，有一部分雜質(zhì)重新落在物料堆中；當(dāng)定刀數(shù)一定，隨喂入量增加果穗含雜率上升，原因是物料中的雜質(zhì)增多使果穗含雜率上升。

2.7 各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次分析

因試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程為多元非線性模型，因此采用因素貢獻(xiàn)率來確定各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的相對(duì)重要程度[32-33]，通過計(jì)算因素貢獻(xiàn)率的方法確定影響的主次順序，該數(shù)學(xué)模型為

(22)

由目標(biāo)函數(shù)各項(xiàng)對(duì)應(yīng)的F值計(jì)算得出貢獻(xiàn)率

(23)

(24)

式中Δj——因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率

δj——第j個(gè)因素一次項(xiàng)貢獻(xiàn)率

δjj——第j個(gè)因素二次項(xiàng)貢獻(xiàn)率

δij——第j個(gè)因素交互項(xiàng)貢獻(xiàn)率

計(jì)算各試驗(yàn)指標(biāo)的因素貢獻(xiàn)率，結(jié)果如表4所示，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)莖稈切碎長(zhǎng)度合格率Y1的貢獻(xiàn)率從大到小依次為喂入量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、定刀數(shù)，對(duì)果穗含雜率Y2的貢獻(xiàn)率從大到小依次為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、喂入量、定刀數(shù)。

表4 各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率Tab.4 Contribution rate of each factor to each test index

2.8 工作參數(shù)優(yōu)化

綜合二次回歸模型、響應(yīng)曲面分析和對(duì)裝置作業(yè)時(shí)的要求，為各試驗(yàn)因素設(shè)定約束同時(shí)建立數(shù)學(xué)模型

(25)

利用Optimization模塊進(jìn)行優(yōu)化分析，在試驗(yàn)因素的約束區(qū)間，對(duì)其最優(yōu)水平進(jìn)行選取，得出當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 524 r/min、定刀數(shù)為4、喂入量為7.6 kg/s時(shí)，莖稈切碎長(zhǎng)度合格率為96.8%，果穗含雜率為0.69%。

通過驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化后的組合進(jìn)行5組重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，將本裝置架在土槽(視為果穗輸運(yùn)器)正上方，在土槽上放置臺(tái)架，臺(tái)架上均勻鋪放割臺(tái)收獲后的物料，使物料層上表面與風(fēng)機(jī)導(dǎo)流罩距離為40 mm，每米鋪放物料為3.8 kg，將土槽前進(jìn)速度設(shè)為2 m/s，保證物料喂入量為7.6 kg/s，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 524 r/min、定刀數(shù)為4的條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

圖9 驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.9 Photo of verification test

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算平均值，莖稈切碎長(zhǎng)度合格率為96.2%，果穗含雜率為0.71%，根據(jù)公式

(26)

可知驗(yàn)證試驗(yàn)中莖稈切碎長(zhǎng)度合格率方差為4×10-5%2，果穗含雜率方差為2×10-8%2，根據(jù)方差值可知，數(shù)據(jù)浮動(dòng)程度較小，重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值可信度較高，與優(yōu)化結(jié)果中莖稈切碎長(zhǎng)度合格率誤差為0.06%，與果穗含雜率誤差為0.02%，此誤差為環(huán)境因素產(chǎn)生的誤差，在系統(tǒng)誤差范圍之內(nèi)，與Design-Expert優(yōu)化結(jié)果基本一致。本裝置使果穗含雜率降低了約23.3%，大大提高了收獲后果穗清潔度。裝置對(duì)雜質(zhì)的作業(yè)質(zhì)量與現(xiàn)有青飼粉碎機(jī)[34]作業(yè)質(zhì)量相比，試驗(yàn)效果較好。滿足青貯玉米收獲機(jī)相關(guān)要求。

根據(jù)公式

(27)

式中T——扭矩(通過扭矩傳感器測(cè)得)，N·m

P——功率，kW

當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 524 r/min時(shí)，測(cè)得扭矩為44 N·m，求得功率P約為7 kW。通過查閱資料可知，以美國(guó)十方公司鮮食玉米果穗收獲機(jī)為例，收獲機(jī)總動(dòng)力為125 kW，約占四行鮮食玉米收獲機(jī)5%。當(dāng)鮮食玉米果穗收獲機(jī)在玉米達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)種植規(guī)模地塊作業(yè)時(shí)，收獲的物料質(zhì)量達(dá)到7.6 kg/s時(shí)，機(jī)具作業(yè)速度理論上可以達(dá)到7 km/h，滿足四行鮮食玉米收獲機(jī)要求。

3 結(jié)論

(1)針對(duì)鮮食玉米果穗收獲機(jī)收獲后果穗含雜率高等問題，對(duì)軸流式負(fù)壓風(fēng)機(jī)除雜裝置進(jìn)行了性能分析，在吸雜導(dǎo)流罩處增加雜質(zhì)切碎裝置，保證在提高果穗清潔度的同時(shí)使雜質(zhì)切碎長(zhǎng)度合格。

(2)通過對(duì)動(dòng)、定刀進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，以及對(duì)動(dòng)、定刀數(shù)和刀間隙進(jìn)行分析，得到裝置作業(yè)時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的范圍為1 326～1 573 r/min，定刀數(shù)為3～8，動(dòng)、定刀間隙取20 mm。

(3)選取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、定刀數(shù)、喂入量為試驗(yàn)因素，以果穗含雜率和莖稈切碎長(zhǎng)度合格率為試驗(yàn)指標(biāo)，采用二次回歸正交組合試驗(yàn)方案進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明，影響果穗含雜率的主次順序依次為喂入量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、定刀數(shù)，影響莖稈切碎長(zhǎng)度合格率的主次順序依次為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、喂入量、定刀數(shù)。

(4)建立了參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，通過優(yōu)化得到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 524 r/min、定刀數(shù)為4、喂入量為7.6 kg/s時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)為最優(yōu)。通過5組驗(yàn)證試驗(yàn)得出，莖稈切碎長(zhǎng)度合格率平均值為96.2%，果穗含雜率平均值為0.71%。負(fù)壓除雜使收獲后的鮮食玉米果穗含雜率降低了約23.3%，能夠滿足鮮食玉米收獲機(jī)相關(guān)要求，莖稈切碎質(zhì)量能夠滿足青貯玉米收獲機(jī)相關(guān)要求。