楊 光，陳巧敏，夏先飛，陳建能，宋志禹

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014； 2. 浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院，杭州 310018）

0 引 言

蠶豆別名胡豆、佛豆、羅漢豆等，是一年生（春播）或越年生（秋播）的草本植物，具有很高的經(jīng)濟(jì)價值，集蔬菜、飼料及工業(yè)原料生產(chǎn)于一身，屬糧食、經(jīng)濟(jì)兼用型作物。除大豆、花生、豌豆之外，蠶豆是中國目前種植面積最大、總產(chǎn)量最多的食用豆類作物，其種植規(guī)模和年度產(chǎn)量也均居世界第一位。據(jù)統(tǒng)計，2017 年中國干籽粒食用豆播種面積約為344×104hm2，總產(chǎn)量大約為548 萬t，其中蠶豆的種植面積約為80×104hm2，總產(chǎn)量約為160 萬t[1-2]，對調(diào)整飲食結(jié)構(gòu)和保障農(nóng)民增收致富具有重要作用。

國外在食用豆收獲方面開展的研究較早[3-4]，例如：日本是世界上最大的小豆消費國，也是小豆生產(chǎn)機械化水平相對較高的國家，日本國內(nèi)的農(nóng)機制造商開發(fā)出小豆專用收獲機具并已進(jìn)行較大范圍的應(yīng)用，但僅在日本國內(nèi)銷售；荷蘭普羅格集團(tuán)（Ploeger Oxbo Group）研發(fā)出青豌豆聯(lián)合收割機，在荷蘭、法國和美國均有銷售和應(yīng)用，旗下的Ploeger EPD 540 和Oxbo6156 系列聯(lián)合收割機在進(jìn)行青豌豆收獲作業(yè)時效率高、破損低，但機型較大，總質(zhì)量超過20 t，且價格昂貴，適宜在大規(guī)模種植地帶作業(yè)。

國內(nèi)食用豆收獲機具的發(fā)展較晚，缺乏專業(yè)作業(yè)機具，部分地區(qū)有采用改進(jìn)的稻麥聯(lián)合收割機或谷物脫粒機進(jìn)行食用豆收獲和脫粒作業(yè)，經(jīng)驗表明稻麥?zhǔn)崭顧C采收食用豆會出現(xiàn)較高破損率，無法滿足使用要求。蠶豆由于品種多樣、作物特征差異大、秸稈占比大、籽粒尺寸大而不規(guī)則，在機械化收獲作業(yè)時，極易發(fā)生籽粒破碎和較高的秸稈雜質(zhì)率，機械化收獲難度大。當(dāng)前收獲階段大都依靠人工割曬、脫粒[5-6]和清選完成，作業(yè)強度大、生產(chǎn)成本高，不利于產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

針對上述問題，本文參考已有稻麥聯(lián)合收割機割臺裝置[7-9]、脫粒裝置[10-14]、清選裝置[15-17]等關(guān)鍵部件設(shè)計了4DL-5A 型蠶豆聯(lián)合收割機，并通過正交試驗結(jié)果和響應(yīng)曲面方法對整機田間作業(yè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

4DL-5A 型蠶豆聯(lián)合收割機由底盤、割臺裝置、逐稿裝置、提升裝置、糧倉、脫粒裝置、振動篩等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。作業(yè)過程如下：通過液壓缸調(diào)節(jié)割臺裝置高度，使割刀位于最低結(jié)莢下方，確保沒有漏割，當(dāng)機器前進(jìn)時，蠶豆秸稈在撥禾輪的引導(dǎo)下進(jìn)入割臺裝置，切斷后的秸稈通過逐稿裝置輸送至脫粒裝置，在脫粒裝置內(nèi)完成籽粒與豆莢分離、秸稈粉碎的作業(yè)，經(jīng)振動篩和風(fēng)機清選后，分別由一次提升裝置和二次提升裝置輸送至糧倉，從而完成蠶豆的機械化收獲作業(yè)，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 4DL-5A 型蠶豆聯(lián)合收割機主要參數(shù)Table 1 Main parameters of 4DL-5A faba bean combine harvester

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 割臺裝置

割臺裝置是蠶豆聯(lián)合收割機比較重要的裝置之一，收獲時籽粒損失主要來源于割臺損失，對割臺裝置的設(shè)計直接影響到整機收獲的損失率。由于蠶豆秸稈較長，蠶豆聯(lián)合收割機割臺裝置進(jìn)行了加長處理，由螺旋輸送器、撥禾輪升降桿、撥禾桿、偏心撥禾輪、撥禾輪撥齒、曲柄連桿結(jié)構(gòu)和往復(fù)式切割器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2.1.1 刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

往復(fù)式切割器是把蠶豆秸稈夾持在動刀片之間進(jìn)行切割的，其刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)對切割器功耗和可靠性影響很大，其中切割角α是影響切割阻力和夾持穩(wěn)定性的重要因素。研究表明[18]，隨著切割角的增大切割阻力會減小，但切割器的夾持穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，進(jìn)而影響收獲作業(yè)時整機前進(jìn)速度，前進(jìn)速度過快則難夾持住導(dǎo)致漏割，前進(jìn)速度過慢則收獲效率低。以刀片剛夾持住蠶豆秸稈時進(jìn)行分析，其受力分析如圖3 所示。

綜上所述，當(dāng)?shù)镀那懈罱切∮谀Σ两菚r，可滿足蠶豆秸稈被夾持住，即α≤φ。蠶豆聯(lián)合收割機選用的刀片刃部高度為50 mm，刀片底寬76 mm，頂寬17 mm，刀片厚度3 mm，切割角α為30°，可滿足使用要求。

2.1.2 撥禾輪

撥禾輪在收獲作業(yè)中對作物損失率和切割效率起到非常重要的影響，是割臺裝置重要組成部件之一。主要是將倒伏作物扶起和直立作物一起送入切割器完成切割作業(yè)，需同時滿足穩(wěn)定推送和垂直入禾兩個條件：有一些蠶豆品種秸稈含水率較高或者田間雜草較多，需保證在推送切割前不發(fā)生回彈，推送切割后不發(fā)生纏繞；垂直入禾可以降低撥禾輪對秸稈和豆莢的擊打頻率，減少因過多碰撞擊打而產(chǎn)生的損失。

速度比λ指撥禾輪最大外圓處圓周速度與收割機前進(jìn)速度的比值，λ必須大于1 才能完成撥禾作業(yè)，但λ也不能過大，否則會由于撥禾輪擊打秸稈次數(shù)過多而造成豆莢炸裂，進(jìn)而產(chǎn)生籽粒損失，實際作業(yè)中使λ處于一個合理的范圍內(nèi)，參考《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》，根據(jù)撥禾輪撥板數(shù)、作業(yè)速度、以及收獲時作物的成熟程度，本文λ設(shè)計值取1.5～1.8，這樣既能完成撥禾作業(yè)又能降低損失，撥禾輪半徑R滿足下式：

式中λ為撥禾輪速度比；e為切斷莖稈重心g到植株頂端的距離，mm；l為蠶豆秸稈高度，mm；h為切割高度，mm。經(jīng)測量，l平均值取852.3 mm，h取50 mm，可算出R≤601.72 mm，考慮到割臺框架外形及實際作業(yè)情況，最終撥禾輪半徑R=450 mm。

式中vy為撥禾輪圓周速度，m/s；vm為收割機前進(jìn)速度，m/s；ω為撥禾輪角速度，rad/s；n為撥禾輪轉(zhuǎn)速，r/min?？紤]到品種差異性、田間管理、地塊條件等因素影響，最終n取35～40 r/min。

2.2 脫粒裝置

由于蠶豆秸稈較長，從軸向喂入時，不易進(jìn)入滾筒與凹板篩間隙，避免纏繞，但從軸向排出可能引起撕碎的秸草卡住滾筒，因此本文脫粒裝置選取秸稈由軸向喂入、徑向排出的工藝流程。所設(shè)計的脫粒裝置主要包括主軸、輻板、螺旋板、凹版篩、紋桿—釘齒組合式脫粒桿、前后端板等，如圖4 所示。

2.2.1 外形尺寸

脫粒裝置的脫粒、分離能力與滾筒的長度有著密切關(guān)系，滾筒越長，允許蠶豆的投入量越大，脫粒元件與蠶豆籽粒之間的沖擊、擠搓、摩擦也越多，容易造成籽粒破損，因此要設(shè)計合理的滾筒長度，其長度可以根據(jù)以下公式[19]計算：

式中q為脫粒裝置的喂入量，kg/s；q0為脫粒滾筒單位長度允許承擔(dān)的喂入量，kg/(s·m)，一般軸流脫粒裝置q0取1.5～2.0 kg/(s·m)。

目前市場上現(xiàn)有聯(lián)合收割機脫粒滾筒長度一般在1～3 m，本文研究的對象為蠶豆，由表1 可知q為2.0～4.0 kg/s，經(jīng)計算并結(jié)合相關(guān)試驗情況，脫粒滾筒長度取2 030 mm。

合適的脫粒滾筒直徑既能防止作物莖稈纏繞，又能增加豆莢在滾筒中脫粒分離時間，目前比較常用的脫粒滾筒直徑在550～650 mm，直徑越大越能適應(yīng)大的喂入速度和喂入量，相比較于水稻和小麥，蠶豆收獲時喂入量沒有那么大，脫粒滾筒直徑[20]Dz滿足

通常Dg≥300 mm，考慮到脫粒效果和結(jié)構(gòu)布置，最終確定為480 mm，脫粒元件高度設(shè)計為70 mm，故脫粒滾筒直徑為620 mm。

為降低脫粒裝置對蠶豆的破碎損傷，采用3 根脫粒軸等角度布置，每根脫粒軸由紋桿塊和釘齒間斷排列，紋桿塊由紋桿固定板和紋桿組成，紋桿塊工作表面為曲面，曲面上有斜凸紋，可增加植株抓取和擠搓能力，在脫粒過程中對作物的作用相對柔和，紋桿塊長度300 mm，高度102 mm，間距482 mm，每根脫粒軸安裝3 個紋桿塊，相鄰兩釘齒距離70 mm，每根脫粒軸安裝8 個釘齒，紋桿塊中心線與釘齒中心線距離263 mm，裝配完成后在動平衡儀上進(jìn)行動平衡測試，并焊接配重塊達(dá)到動平衡合格狀態(tài)。

2.2.2 凹版篩參數(shù)及脫粒滾筒轉(zhuǎn)速

凹版篩為柵格式，可以使大多數(shù)蠶豆籽粒很快分離出來，分離率達(dá)到95%，并有效降低籽粒破損。選擇適當(dāng)?shù)暮Y條間距，可延長豆莢在裝置中的脫粒時間，使豆莢和籽粒充分分離，提高分離率；篩條間距過大，籽粒和豆莢沒徹底分離就掉落到振動篩上，造成雜質(zhì)過高或者夾帶損失，間距過小，增加擊打和搓揉時間，破碎籽粒增多。根據(jù)實際工作情況和《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》，4DL-5A 型蠶豆聯(lián)合收割機脫粒裝置篩條間距設(shè)計為34 mm，既能滿足豆莢與籽粒的分離要求，又能減少糧倉中的雜質(zhì)含量和夾帶損失。

蠶豆籽粒分離主要依靠脫粒過程中受到的離心力，蠶豆籽粒較大，比水稻、小麥脫粒容易，但形狀不規(guī)則，呈扁平型，易破碎，因此相對較低轉(zhuǎn)速有利于脫粒，且利于保證籽粒的完整性，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速由式（10）計算：

式中ng為脫粒滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；vg為脫粒滾筒線速度，取值范圍為10～14 m/s。可求得滾筒轉(zhuǎn)速ng=308～431 r/min。

2.2.3 脫粒過程運動與受力分析

假設(shè)蠶豆籽粒為均勻橢球體，接觸區(qū)較小且為橢圓，接觸過程中形變量遠(yuǎn)小于蠶豆的尺寸，以脫粒元件與蠶豆籽粒碰撞接觸點[21]為初始原點，接觸處的切平面為xoy平面，按照右手定則建立如圖5 所示的坐標(biāo)系oxyz。

根據(jù)Hertz 理論，兩物體外形接觸時，接觸區(qū)尺寸c、法向壓縮量δz和接觸面上的最大壓力p0分別如式（11）、（14）和（15）。

式中c為等效接觸半徑，mm；a為長軸，b為短軸，mm；F1(e)為修正因子；E*為當(dāng)量彈性模量，Pa；Re=(R'R″)1/2為等效相對半徑，其中R'和R″為相對曲率半徑。

式中R1'、R1″為脫粒元件在接觸區(qū)任意法向平面中的最大、最小曲率半徑，mm；R2'、R2″為蠶豆籽粒在接觸區(qū)任意法向平面中的最大、最小曲率半徑，mm。

式中E1、E2為脫粒元件和蠶豆籽粒的彈性模量，Pa；μ1、μ2為脫粒元件和蠶豆籽粒的泊松比；可根據(jù)（R′/R″）1/2的值得出。

式中R1=(R′R″)1/2為脫粒元件等效半徑；R2=(R′R″)1/2為蠶豆籽粒等效半徑；t為碰撞時間，s。

根據(jù)脫粒元件和蠶豆籽粒關(guān)于Oy軸的動量矩守恒，得出

由上述分析可知，蠶豆籽粒在脫粒過程中主要受力分為法向壓力和切向摩擦力，根據(jù)式（15）可知，在收割機工作狀況穩(wěn)定情況下，P變化很小，法向最大壓力主要跟蠶豆籽粒尺寸有關(guān)；根據(jù)式（18）可知，在m1、k1、R1一定的情況下，碰撞時間t很短，可視為一極小的定值，則vx1越大則Qx越大，說明脫粒元件切向運動速度越大，越容易產(chǎn)生破碎。脫粒元件切向運動速度主要跟滾筒轉(zhuǎn)速相關(guān)，因此后續(xù)田間試驗選擇滾筒轉(zhuǎn)速作為衡量破碎率的重要因素。

2.3 清選裝置

4DL-5A 型蠶豆聯(lián)合收割機采用的是風(fēng)扇篩子式清選裝置，主要利用氣流吹浮作用并輔以篩子抖動作用將混雜在物料中的各種雜質(zhì)清除排走，主要由清選風(fēng)機、導(dǎo)風(fēng)板、振動篩、曲柄機構(gòu)等組成，具體如圖6 所示。

2.3.1 風(fēng)機參數(shù)

蠶豆籽粒尺寸及質(zhì)量較大，不同品種在成熟時秸稈含水率不同，對清選風(fēng)機風(fēng)量有著一定的要求。風(fēng)量太小，很難將含水率較高的秸稈與籽粒分離，導(dǎo)致雜質(zhì)過多；風(fēng)量太大，容易將籽粒和秸稈一起吹出去，造成清選損失過大。實際作業(yè)時，要求清選風(fēng)機風(fēng)量能在一定的范圍內(nèi)可調(diào)。

參考《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》，以大豆和麥稈的臨界速度為參照，取15～18 m/s 為臨界速度進(jìn)行設(shè)計。清選風(fēng)機采用直徑400 mm，葉片數(shù)6 的農(nóng)用離心式風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流在篩面入口處的風(fēng)速約為16～18 m/s，將籽粒、豆莢殼、秸稈組成的混合物吹散分開，中部氣流的風(fēng)速約為13～15 m/s，尾部氣流的風(fēng)速約為11～13 m/s，氣流與振動篩夾角為20°～25°。

2.3.2 振動篩參數(shù)

振動篩主要分為上篩面和下篩面，由偏心機構(gòu)驅(qū)動，整個工作過程類似曲柄連桿運動。為了使分離出來的蠶豆籽粒盡快落入輸送絞龍，采用落料較快的編織篩，上篩和下篩距離為120 mm。上篩主要起到粗篩選作用，把較長秸稈、豆莢、殘穗等分離出來，采用40 mm×40 mm鋼絲編織篩；下篩主要篩選出干凈籽粒，排出細(xì)碎雜余，起到精篩選作用，采用30 mm×30 mm 鋼絲編織篩，部分未脫盡豆莢和雜余進(jìn)入二次絞龍，進(jìn)行二次脫粒清選。

3 田間試驗

3.1 試驗條件和方案

試驗于2020 年6 月13—15 日在江蘇省南通市試驗基地進(jìn)行（圖7），天氣晴朗，氣溫32 ℃，試驗基地總面積約7 hm2。試驗蠶豆品種為“通蠶鮮6 號”，產(chǎn)量3 000～4 500 kg/hm2，平均株高852.3 mm，平均最低結(jié)莢高度60.8 mm，平均百粒質(zhì)量262.8 g，平均籽粒長度30.2 mm，平均籽粒寬度 20.3 mm，平均籽粒厚長度10.1 mm。

根據(jù)蠶豆種植農(nóng)藝（株距、行距和密度等）、最低結(jié)莢高度、田間管理情況等因素，在結(jié)合機具前期田間性能試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取前進(jìn)速度0.30～1.20 m/s 作為試驗因素范圍；根據(jù)蠶豆田間產(chǎn)量、籽粒大小、平均百粒質(zhì)量、秸稈含水率等因素，在結(jié)合前期場上脫粒試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取滾筒轉(zhuǎn)速340～500 r/min、風(fēng)機轉(zhuǎn)速1 180～1 420 r/min 作為試驗因素范圍，以含雜率、損失率、破碎率作為試驗指標(biāo)，開展三因素三水平正交試驗，共計17 組，試驗因素與水平如表2 所示。試驗開始時使用轉(zhuǎn)速儀（Fluke 931）調(diào)好各個裝置轉(zhuǎn)速，用皮尺（長城精工牌）量取50 m 行走距離，保持機器勻速前進(jìn)，用秒表（嘉德喜XJ-894）記錄時間，收獲作業(yè)后清空糧倉，含雜率和破碎率測算采用四分法取樣，損失率測算采用五點法取樣，用電子天平（紀(jì)銘牌，精度0.1 g）稱量計算，記錄數(shù)據(jù)。在Design-Expert.V8.0.6.1 中，根據(jù)中心組合響應(yīng)曲面設(shè)計試驗方案[22-25]。

表2 試驗因素水平編碼表Table 2 Coding table of experimental factors and levels

3.2 試驗指標(biāo)檢測方法

整機的主要性能評價指標(biāo)是含雜率、損失率、破碎率，參照大豆聯(lián)合收割機作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)NY/T 738-2003，其中含雜率是在聯(lián)合收割機正常作業(yè)收獲的籽粒中隨機抽取5 份樣品，每份不少于2 000 g，對取得的樣品采用四分法得到一份約500 g 的樣品，稱出樣品質(zhì)量，對樣品進(jìn)行清選處理，將其中的雜質(zhì)清除后稱量，按式（19）計算含雜率。

式中Pz為含雜率，%；Wzz為樣品質(zhì)量，g；Wzq為雜質(zhì)清除后樣品質(zhì)量，g。

損失率是在作業(yè)后的地塊里按五點法取5 個點，每點處沿收割機前進(jìn)方向取長度0.5 m，寬為割幅的取樣區(qū)域，收集該區(qū)域里掉落的豆莢和籽粒，得到所有損失籽粒的質(zhì)量，換算成每平方米籽粒的質(zhì)量損失，再加上糧倉里籽粒的質(zhì)量和對應(yīng)的收獲面積，得出每平方米籽粒的收獲質(zhì)量，按式（20）計算損失率。

式中Pp為破碎率，%；Wpz為樣品質(zhì)量，g；Wpq為破碎籽粒清除后樣品質(zhì)量，g。

本試驗根據(jù)含雜率、損失率、破碎率3 個評價指標(biāo)的試驗結(jié)果綜合分析，獲取最佳作業(yè)性能參數(shù)組合。

3.3 結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表3 所示，對試驗結(jié)果進(jìn)行分析并分別擬合出含雜率Pz、損失率Ps、破碎率Pp的回歸模型方程，研究各個因素對評價指標(biāo)影響以及交互作用的影響規(guī)律[26-27]。

表3 試驗設(shè)計方案及結(jié)果Table 3 Results and design of tests

3.3.1 回歸模型建立及顯著性檢驗

根據(jù)試驗中所得的數(shù)據(jù)，使用Design-Expert 軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析，創(chuàng)建4DL-5A 型蠶豆聯(lián)合收割機性能指標(biāo)含雜率Pz、損失率Ps、破碎率Pp對前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速、風(fēng)機轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)回歸模型，回歸模型公式如下：

對上述方程進(jìn)一步分析，與此同時對各項的回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗，所得結(jié)果見表4。

表4 回歸方程方差分析結(jié)果Table 4 Regression equation analysis of variance results

由表4 中的分析結(jié)果可知，含雜率Pz、損失率Ps、破碎率Pp的響應(yīng)面模型P均小于0.000 1，所得的這3 個模型顯著性都符合要求；3 個指標(biāo)的失擬項值分別為0.097 8、0.185 1、0.899 3，均大于0.05，3 個模型的擬合度較高；3 個模型的決定系數(shù)R2分別為0.989 2、0.9743、0.9701，也說明這3 個模型的擬合度較高，響應(yīng)面分析結(jié)果可信度較高，因此該模型可預(yù)測和分析4DL-5A 型蠶豆聯(lián)合收割機作業(yè)性能的變化情況。

通過上述的顯著性分析可得：含雜率Pz響應(yīng)面模型中的A、C、AC、C2對該模型的影響均極為顯著；損失率Ps響應(yīng)面模型中的A、C對該模型的影響均極為顯著，A2對該模型的影響為顯著；破碎率Pp響應(yīng)面模型中A、B、B2對該模型的影響均極為顯著，AB、A2對該模型的影響為顯著。去除上述模型中對回歸模型影響并不顯著的項，且在保證模型P<0.01，失擬項P>0.05 的前提下，得出簡化后的回歸模型如下：

通過分析得出，這3 個因素對含雜率的影響效果從大到小依次為風(fēng)機轉(zhuǎn)速C，前進(jìn)速度A，滾筒轉(zhuǎn)速B；對損失率的影響效果從大到小依次為前進(jìn)速度A，風(fēng)機轉(zhuǎn)速C，滾筒轉(zhuǎn)速B；對破碎率的影響效果從大到小依次為滾筒轉(zhuǎn)速B，前進(jìn)速度A，風(fēng)機轉(zhuǎn)速C。

3.3.2 交互因素對評價指標(biāo)的影響

固定其中某一個因素在中間水平，從而分析其他兩個因素對評價指標(biāo)的交互影響，通過作出響應(yīng)曲面圖和等值線圖，分析3 個影響因素前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速和風(fēng)機轉(zhuǎn)速對評價指標(biāo)的影響。

圖 8a 為滾筒轉(zhuǎn)速處于中間水平，即滾筒轉(zhuǎn)速420 r/min，前進(jìn)速度與風(fēng)機轉(zhuǎn)速對含雜率交互作用響應(yīng)面圖，由圖8a 可以看出，這兩因素的交互作用顯著。當(dāng)前進(jìn)速度處于較低水平時，含雜率隨著風(fēng)機轉(zhuǎn)速增大先降低后升高，當(dāng)前進(jìn)速度處于較高水平時，含雜率隨著風(fēng)機轉(zhuǎn)速增大而迅速降低。

前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速、風(fēng)機轉(zhuǎn)速交互因素對破碎率影響的響應(yīng)面曲線如圖8b 所示。圖8b 為風(fēng)機轉(zhuǎn)速處于中間水平，即風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，前進(jìn)速度與滾筒轉(zhuǎn)速對破碎率交互作用響應(yīng)面圖，這兩因素的交互作用顯著。在相同前進(jìn)速度時，破碎率隨著滾筒轉(zhuǎn)速提高先降低再升高，開始時滾筒轉(zhuǎn)速較低，物料在頂蓋導(dǎo)流板作用下，前進(jìn)速度較慢，單位時間內(nèi)物料被擊打次數(shù)增加，破碎率高，隨著滾筒轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，單位時間內(nèi)物料被擊打次數(shù)先減少再增加，導(dǎo)致破碎率先降低再升高。

3.4 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

3.4.1 參數(shù)優(yōu)化

綜合上述分析，為使4DL-5A 蠶豆聯(lián)合收割機作業(yè)性能達(dá)到最佳，要求含雜率、損失率和破碎率均達(dá)到最小。為尋求最佳參數(shù)組合，需進(jìn)行多個目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，按照實際生產(chǎn)設(shè)計要求和參照其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，含雜率≤5%，損失率≤3%，破碎率≤5%，因此約束條件為

用Design-Expert 對各參數(shù)優(yōu)化求解，得出最優(yōu)解為：前進(jìn)速度0.57 m/s，滾筒轉(zhuǎn)速400.45 r/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速1 265.16 r/min 時，含雜率3.23%，損失率3.00%，破碎率2.72%。

3.4.2 試驗驗證

為驗證以上模型的準(zhǔn)確性，2020 年6 月13—15 日在江蘇省南通市試驗基地開展驗證試驗，試驗地蠶豆長勢與試驗方法同前，考慮到試驗參數(shù)設(shè)置的可行性，將參數(shù)優(yōu)化調(diào)整為前進(jìn)速度0.60 m/s，滾筒轉(zhuǎn)速400 r/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速1 265 r/min，試驗結(jié)果測得含雜率3.49%，損失率2.87%，破碎率2.83%，試驗值與優(yōu)化值相對誤差分別為8.05%、4.33%、4.04%，結(jié)果較吻合。

4 結(jié) 論

1）本文主要對4DL-5A 型蠶豆聯(lián)合收割機割臺裝置、脫粒裝置、清選裝置進(jìn)行了設(shè)計與分析，并根據(jù)正交試驗結(jié)果和響應(yīng)曲面方法對田間作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有效解決了收獲作業(yè)中含雜多、損失大、破碎高等難題。

2）當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速在1 180～1 420 r/min 時，前進(jìn)速度和滾筒轉(zhuǎn)速在試驗范圍內(nèi)變化對含雜率影響較??；當(dāng)前進(jìn)速度在0.30～1.20 m/s，風(fēng)機轉(zhuǎn)速在1 180～1 420 r/min時，損失率隨前進(jìn)速度和風(fēng)機轉(zhuǎn)速增大而升高，滾筒轉(zhuǎn)速則影響不大；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速在340～500 r/min 時，前進(jìn)速度和風(fēng)機轉(zhuǎn)速在試驗范圍內(nèi)變化對破碎率影響不明顯。

3）建立了4DL-5A 型蠶豆聯(lián)合收割機收獲參數(shù)優(yōu)化模型，得到了含雜率、損失率、破碎率均達(dá)到最小的參數(shù)組合：前進(jìn)速度0.60 m/s，滾筒轉(zhuǎn)速400 r/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速1 265 r/min。在此參數(shù)條件下，進(jìn)行了田間試驗驗證，此時含雜率3.49%，損失率2.87%，破碎率2.83%。