張勇川，吳崇友，蔣 展，蔣 蘭，關(guān)卓懷，王 剛

（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. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036）

0 引 言

稻麥聯(lián)合收割機作為一種主要生產(chǎn)裝備為糧食生產(chǎn)發(fā)揮重要作用，其技術(shù)發(fā)展水平是體現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的一個重要標志[1]。稻麥聯(lián)合收割機作業(yè)過程可一次完成收割、輸送、脫粒、分離、清選、卸糧等若干項工序，作業(yè)效率高、便捷[2-5]。但在收割過程中，收割機工作部件與被收獲作物相互作用，擾動附著在作物表面上的灰塵進而脫離生物體表面，形成漂浮、飛揚的粉塵，部分粉塵飄散在收割機周圍，嚴重影響駕駛員的身體健康、工作視線；有些感病植株本身帶有含病粉塵[6]，對人體危害更大；更多的粉塵隨風飄散在空氣中，造成更大范圍的空氣污染，增加空氣中可吸入顆粒物的含量[7-8]，成為農(nóng)作物收獲季節(jié)空氣污染來源之一?？梢娧芯吭O(shè)計具有收集和處理粉塵功能的收割機降塵系統(tǒng)，改善操作者工作條件和保護環(huán)境均具有重要意義。

為解決聯(lián)合收割機作業(yè)揚塵問題，國外學(xué)者已進行了一系列研究。Kruckman[9]研發(fā)一款安裝于約翰迪爾聯(lián)合收割機上降塵器，該設(shè)計創(chuàng)新點在于設(shè)計出一種安裝在輸送裝置最前端可懸掛降塵器，以吸收割臺處粉塵。Baticados等[10]對使用低塵收割機采摘杏仁所產(chǎn)生的粉塵等顆粒物進行研究，得出新型低塵收割機能夠在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況下減少可吸入顆粒物排放的結(jié)論。Downey等[11]研究開發(fā)一種測量系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測果園堅果收獲期間的粉塵排放，降低收割機工作對環(huán)境的影響。Sharratt等[12]設(shè)計一種利用傳感器測量空氣中灰塵的技術(shù)，研究農(nóng)業(yè)粉塵來源，發(fā)現(xiàn)其中大部分來源于作物收獲階段，并在可能的情況下，制定控制粉塵排放的策略。Law等[13]研究堅果收獲揚塵，并開發(fā)一種旋風分離工藝，用于去除粉塵，并為較小的粉塵開發(fā)出幾種候選靜電消除工藝。綜上，國外對農(nóng)業(yè)收獲揚塵問題研究較早，對收獲粉塵產(chǎn)生以及粉塵本身特性研究較多，對收獲粉塵降塵理論和技術(shù)研究較少，目前還是科研樣機階段，幾乎沒有實際應(yīng)用的產(chǎn)品[14]。田偉[15]對油菜脫粒產(chǎn)塵特性進行研究，分析油菜機械收獲作業(yè)粉塵質(zhì)量濃度及脫粒產(chǎn)塵物理特性。近年來，隨著國內(nèi)對環(huán)境保護力度的加大，越來越多的研究人員開始研究各種粉塵的收集和處理[16-18]，但在農(nóng)作物收獲方面，還鮮見報道。

本文針對稻麥聯(lián)合收割機作業(yè)產(chǎn)塵問題，檢測收割機作業(yè)現(xiàn)場粉塵質(zhì)量濃度，分析粉塵分布、特性，在此基礎(chǔ)上研制一種收割機機載式降塵系統(tǒng)，對其進行試驗、改進和參數(shù)優(yōu)化，擬探索聯(lián)合收割機降塵技術(shù)途徑。

1 稻麥聯(lián)合收割機作業(yè)粉塵檢測試驗

1.1 試驗條件

為了解稻麥聯(lián)合收割機作業(yè)粉塵質(zhì)量濃度、分布及特性，2019年10月在江蘇溧陽市海斌農(nóng)機專業(yè)合作社水稻田對稻麥聯(lián)合收割機收獲水稻作業(yè)現(xiàn)場進行作業(yè)粉塵檢測試驗。水稻品種為“武運粳23號”，試驗機器為久保田4LBZ-172B半喂入聯(lián)合收割機，試驗儀器包括電子秤；田博6902型粉塵采集器；粉塵成分檢測儀；LS-909干法激光粒度儀，測量精度為0.1～3 000μm；HT-9600手持式粉塵濃度檢測儀，檢測精度為0～9 999μg/m3。

1.2 試驗方法

本試驗依據(jù)GBZ159-2004標準、GB5748-85標準，對聯(lián)合收割機作業(yè)粉塵進行測定、性質(zhì)檢測和分析[19-21]。試驗過程分為粉塵質(zhì)量濃度檢測、采集粉塵及性質(zhì)分析兩個階段。

1）粉塵質(zhì)量濃度檢測：在確定的田塊試驗區(qū)域，利用粉塵濃度檢測儀，在不同收割機速度下對不同區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度進行檢測，根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度差異，把收割機分為割臺、兩側(cè)、駕駛室和尾部4個區(qū)域。每個作業(yè)工況連續(xù)檢測50 s，重復(fù)3次，取平均值。

2）采集粉塵及性質(zhì)分析：通過理論分析和現(xiàn)場觀察確定割臺是粉塵初步產(chǎn)生的區(qū)域，將粉塵采集點設(shè)置在割臺上方0.5 m處。在確定的田塊試驗區(qū)域內(nèi)，利用粉塵采集器收集收割機前進100 m內(nèi)割臺處的粉塵，試驗重復(fù)3次，收割機每前進100 m都需對收集的粉塵進行清理。此外，對作業(yè)現(xiàn)場收割機機體上沉積粉塵和作物植株上原樣粉塵進行采樣。將部分采集的粉塵送去檢測，檢測對象為粒徑在0.1～150μm的粉塵，通過粉塵成分檢測儀和激光粒度儀檢測粉塵成分和粒徑分布。

1.3 試驗結(jié)果與分析

1.3.1 粉塵質(zhì)量濃度

粉塵質(zhì)量濃度檢測結(jié)果如表1所示，割臺處粉塵質(zhì)量濃度最高，是粉塵產(chǎn)生的主要區(qū)域，與收割機速度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，隨著收割機速度上升，作物喂入量增加，產(chǎn)生粉塵相應(yīng)增多。當收割機速度進一步加快，割臺處產(chǎn)生較大氣流，加速粉塵飄散，影響粉塵采集，表現(xiàn)為粉塵質(zhì)量濃度下降；尾部是產(chǎn)塵次要區(qū)域，粉塵質(zhì)量濃度與收割機速度呈現(xiàn)上升趨勢，粉塵來源于排雜口排出的作物碎屑揚起的灰塵，收割機速度越快，排雜口排出碎屑越多，粉塵質(zhì)量濃度越高；收割機兩側(cè)粉塵質(zhì)量濃度高低與收割機速度呈現(xiàn)上升趨勢，收割機速度加快，割臺處粉塵被吹散到收割機兩側(cè)，粉塵質(zhì)量濃度增高；駕駛室內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度受收割機速度的變化影響較小，與收割機速度呈現(xiàn)下降趨勢，收割機速度加快，駕駛室處產(chǎn)生氣流，吹散粉塵，表現(xiàn)為粉塵質(zhì)量濃度降低。

1.3.2 粉塵采集及特性分析

將收割機每前進100 m后粉塵采集器收集的粉塵進行稱量，得其質(zhì)量為97 kg，通過計算可知收割機每前進1 m，粉塵采集器收集粉塵質(zhì)量為0.97 kg。

試驗采集的粉塵送交英格爾檢測技術(shù)服務(wù)有限公司進行專業(yè)檢測分析，結(jié)果如表2、表3所示。

表1 不同收割機速度下不同區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度檢測試驗結(jié)果Table 1 Test results of dust mass concentration detection at different areas under different harvester speeds

表2 粉塵成分與含量表Table 2 The dust composition and content table

由表2可得，收割機作業(yè)粉塵種類復(fù)雜，多由礦物質(zhì)、油脂和碳水化合物組成。其中礦物質(zhì)里可能含有多種有害金屬元素（鉻，錳、鎘、鉛、鎳等），這些金屬元素吸入人體內(nèi)，將導(dǎo)致人體中毒甚至死亡。油脂、纖維素等吸入人體內(nèi)也會導(dǎo)致一些呼吸系統(tǒng)疾病，對人體造成危害。此外，粉塵中含有的油脂和纖維等都是可燃物體，有發(fā)生爆炸的可能。

粉塵粒徑分析和危害如表3所示，收割機作業(yè)現(xiàn)場粉塵粒徑范圍較大，粉塵最小粒徑為0.1μm，最大粒徑為150μm，中位粒徑為21.5μm，粒徑在10和100μm以下的粉塵占比分別為45%和92%。

表3 粉塵粒徑分析表Table 3 Dust particle size analysis table

1.3.3 全部粉塵濃度計算

由表1可見，割臺是粉塵分布主要區(qū)域，其粉塵質(zhì)量濃度最大值為4 021μg/m3。由表3可見，粒徑在1～10μm對人體有害，粉塵質(zhì)量分數(shù)占比為43%。將粉塵最大質(zhì)量濃度除以相應(yīng)的粒徑占比，可得割臺處全部粉塵濃度為8.94 mg/m3，超出中國規(guī)定的4 mg/m3工作場所有害因素職業(yè)接觸限值，且粉塵種類復(fù)雜，對長期工作于收割現(xiàn)場的工作人員造成健康損害。

通過作業(yè)粉塵檢測試驗，獲得降塵系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與設(shè)計思路，對降塵系統(tǒng)的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

2 降塵系統(tǒng)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)與原理

利用現(xiàn)有稻麥聯(lián)合收割機動力和收割機機體有限的布置空間，并依據(jù)作業(yè)粉塵檢測所得相關(guān)數(shù)據(jù)，采用負壓吸塵、濾筒集塵的原理，首次將濾筒除塵器與稻麥聯(lián)合收割機相結(jié)合，可隨時更改風機工作參數(shù)，滿足多種田間工作條件。系統(tǒng)主要由帶輪、軸、葉輪、風機、排氣管道、濾筒、降塵箱、輸送管道、吸塵罩等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

降塵系統(tǒng)工作過程主要分為吸塵罩負壓吸取、降塵箱濾筒降塵、風機排出干凈氣流3個階段。工作原理為，皮帶輪與收割機一側(cè)傳動輪連接，帶動風機葉輪高速轉(zhuǎn)動，風機進風口通過管道與降塵箱排氣口相連，降塵箱進氣口與吸塵罩連接，吸塵罩安裝在收割機作業(yè)粉塵集中處，利用吸塵罩附近產(chǎn)生的負壓吸取含塵氣流，含塵氣流流進過濾室，氣流斷面明顯增大，氣體流速迅速減慢，氣流中顆粒較大的粉塵受重力和慣性影響進而沉降[22]；粒度細、密度小的粉塵流進過濾室，受布朗擴散和篩濾等綜合影響，堆疊于濾料表面[23]，最后凈化氣體流出濾筒并由排氣管道經(jīng)風機排出。

2.2 主要部件設(shè)計

2.2.1 風機參數(shù)計算與選型

風機是降塵系統(tǒng)中的重要部件，為準確把握滿足降塵要求的風機功率并選型，必須計算風機所需風量Qac和降塵系統(tǒng)壓力損失Δp。本章風機參數(shù)計算相關(guān)公式均參考于《氣力輸送工程》[24]。

1）降塵系統(tǒng)風速

粉塵顆粒為不規(guī)則形狀球體，在氣流作用下形成懸浮狀態(tài)[25]，必須滿足空氣阻力FR與粉塵浮力相等，則粉塵顆粒的自由懸浮速度v0(m/s)為

式中KS為不規(guī)則形狀物料修正系數(shù)；df為粉塵顆粒的中位粒徑，m；ρf為粉塵的顆粒密度，kg/m3；ρa為空氣的密度，kg/m3；C為繞流阻力系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。查閱資料[24]，不規(guī)則球體KS為1.2，C取0.44，ρa取1.293 kg/m3，g取9.81 m/s2。經(jīng)收割機作業(yè)現(xiàn)場粉塵檢測試驗可知粉塵中位粒徑df為2.15×10-5m，粉塵的顆粒密度[26]ρf約為2 650 kg/m3。

計算出粉塵顆粒自由懸浮速度v0為0.41 m/s，根據(jù)氣力輸送氣流速度經(jīng)驗系數(shù)，輸送管道布置較復(fù)雜且物料為粉狀或纖維狀時，輸送氣流速度va為顆粒懸浮風速v0的數(shù)倍甚至數(shù)十倍[27]，采用公式計算，輸送氣流速度va（m/s）為

式中a為輸送物料粒度系數(shù)；γs為物料（粉塵）重度，N/m3；β為輸送物料特性系數(shù)；L為輸送距離，m。查閱資料[24]，a取為10，γs取為25 996.50 N/m3，β取為2×10-5，對試驗樣機進行測量，理論輸送距離L約為8 m。由此計算出輸送氣流速度va為16.12 m/s。

2）輸送管道結(jié)構(gòu)參數(shù)

輸送管道將氣-塵混合流從吸塵罩輸送到降塵箱（如圖1中的7所示），管道直徑D（mm）和管道起始段輸送粉塵所需空氣流量Qac（m3/min）為式中G為單位時間輸送粉塵速率，kg/h；m為單位時間粉塵質(zhì)量與氣流質(zhì)量的混合比；γa為標準狀態(tài)下的空氣重度，N/m3；n為吸送系統(tǒng)中同時工作的輸送管數(shù)目。

收割機降塵系統(tǒng)輸送方式為低壓吸送式氣力輸送，單位時間粉塵質(zhì)量與氣流質(zhì)量混合比范圍為1～10，本文取m為2[24]；稻麥聯(lián)合收割機進行收割作業(yè)，機具前進速度約為5 km/h，根據(jù)粉塵檢測試驗可知，收割機每前進1 m，粉塵采集器收集粉塵質(zhì)量為0.97 kg，G約為4 850 kg/h；γa為11.77 N/m3；分析粉塵檢測試驗中粉塵分布區(qū)域、質(zhì)量濃度，初定3個吸塵區(qū)域，管道數(shù)目n為3。

結(jié)合式（2）和式（3），可得氣-塵輸送管道直徑D約為122 mm，工藝吸塵管為標準件，為避免管道堵塞，實際值應(yīng)大于理論值，取最近規(guī)格為150 mm，輸送管道起始段輸送粉塵所需空氣流量Qac為33.69 m3/min。

3）降塵系統(tǒng)壓力損失

降塵系統(tǒng)壓力損失Δp包括管道壓力損失Δpb和濾筒除塵器壓力損失Δpc，管道壓力損失Δpb包括純空氣流動產(chǎn)生的壓力損失Δpa和兩相流中存在物料引起的附加壓力損失Δps，而兩相流中存在物料引起的附加壓力損失Δps包括直管沿程摩擦壓力損失Δpm與物料由零初速度啟動產(chǎn)生的壓力損失Δpma，則管系總壓力損失Δpb為

式中λa為沿程摩阻系數(shù)；k為沿程阻力的附加系數(shù)；γa為標準狀態(tài)下的空氣重度，N/m3；g為重力加速度，m/s2；β為相關(guān)系數(shù)。

其中λa=64/Re，Re為雷諾數(shù)，查閱資料[24]，橡膠管道的雷諾數(shù)約為2 100，則λa為0.03；k為0.17；β為0.5～0.8。通過計算，可得管系總壓力損失Δpb為2 222.81 Pa，濾筒除塵器的壓力損失Δpc約為1 000～2 000 Pa。估算降塵系統(tǒng)的總壓力損失Δp約為4 000 Pa。

4）風機選型

風機所需功率p（kW）為

式中Qin為風機所需風量，m3/min；pB為風機所需真空度；ηB為風機的流體效率；ηG為機械傳動效率。

前文計算得降塵系統(tǒng)空氣流量Qac為33.69 m3/min，在決定風機所需風量Qin時，應(yīng)將Qac加上管道的漏氣量，其中降塵系統(tǒng)漏氣量約占3%，其他管系漏氣量約占2%[24]，可得Qin為1.05Qac，計算Qin為35.37 m3/min；pB=（1.10～1.20）Δp，約為4 400 Pa；ηB與ηG均取0.8，計算出風機所需功率p約為4.1 kW。粉塵收獲為室外作業(yè)，易受環(huán)境影響，為提高風機工作效率，選取風機時因選取風量和功率均較大款。查閱資料[24]，根據(jù)以上數(shù)據(jù)對風機進行選型，風機功率為5.5 kW，風機流量為50～100 m3/min，風機全壓為4 320～5 014 Pa。

2.2.2 降塵箱結(jié)構(gòu)與參數(shù)

降塵箱采用濾筒降塵的方式，實現(xiàn)粉塵和氣流的分離，是連續(xù)穩(wěn)定降塵的關(guān)鍵部件[28]，其結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)常用濾筒降塵器樣式，降塵箱擬安裝于收割機尾部，可用安裝空間較小，應(yīng)盡量減小體型，降塵箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，查閱資料[29]，根據(jù)經(jīng)驗，設(shè)計尺寸（長×寬×高）為800 mm×800 mm×1 000 mm。

降塵箱主要結(jié)構(gòu)包括凈氣室門、過濾室門、濾筒、過濾室、進氣口、凈氣室、排氣口、檔板。濾筒是降塵的核心部件，其在降塵箱中的布置極為重要，本設(shè)計中濾筒垂直布置于箱體檔板上，用卡扣固定，檔板下部分連接過濾室，上部分連接凈氣室。風機進氣量約為50～100 m3/min，查閱資料[29]，確定濾筒性能指標和數(shù)量，濾筒的總過濾面積為60 m2，根據(jù)降塵箱尺寸，濾筒數(shù)量為4最合理，單個濾筒過濾面積則為15 m2，濾筒外徑為360 mm，高度為600 mm，內(nèi)徑為241 mm，濾筒材質(zhì)為紙質(zhì)覆膜。過濾室和凈氣室都安裝箱門，方便跟換濾筒和箱內(nèi)清理。

為保證氣流的穩(wěn)定流通，提高降塵系統(tǒng)穩(wěn)定性，排氣口的截面積應(yīng)大于各進氣口的截面積之和，排氣口直徑D2(mm)為[29]。

式中n為進氣口個數(shù)。通過計算可知輸送管道直徑為150 mm，管道數(shù)目為3，則進氣口直徑D1為150 mm，進氣口個數(shù)為3。

由式（6）可知，排氣口直徑D2應(yīng)大于260 mm。降塵箱橫向尺寸為800 mm，因此排氣口直徑D2調(diào)節(jié)范圍為260～800 mm，通風管道是標準件，符合標準的最小直徑為300 mm，因此排氣口直徑D2取300 mm，排氣管道直徑取300 mm，個數(shù)為1。

2.2.3 吸塵罩原理與布置

通過粉塵檢測試驗可知，割臺是粉塵產(chǎn)生的主要區(qū)域，其次是尾部。收割機前進，受氣流影響，割臺處粉塵被吹散到收割機兩側(cè)，因此需要在收割機割臺兩側(cè)安裝吸塵罩；收割機內(nèi)部存在大量粉塵，這些粉塵主要通過收割機排雜口排出，在收割機內(nèi)部安裝吸塵罩會吸取籽粒，影響收獲，而排雜口附近存在大量作物碎屑，影響吸塵效果。因此本設(shè)計選擇在輸送裝置處安裝吸塵罩，當作物通過輸送裝置時，作物籽粒還未脫出，作物莖稈等較為完整，籽粒和作物碎屑不易被吸取，此外輸送裝置內(nèi)部空間小，較為密閉，具有良好的吸塵條件[30]。

吸塵罩是降塵系統(tǒng)重要部件，它的性能優(yōu)劣直接關(guān)系降塵效率。本系統(tǒng)采用吸風口的吸入流動方式，罩口的吸氣效果與空氣吸入流動特性有關(guān)，主要是研究吸氣空間的流速分布。安裝在割臺、輸送裝置處的吸塵罩會影響駕駛員視線，因此本系統(tǒng)吸塵罩采用結(jié)構(gòu)和體積都較小的喇叭口吸塵罩，吸塵罩結(jié)構(gòu)和氣流流通方向如圖3所示。根據(jù)割臺、輸送裝置有限的布置空間，設(shè)計割臺處吸塵罩直徑為300 mm，吸塵罩高度為230 mm；輸送裝置處吸塵罩截面積為0.12 m2，吸塵罩高度為200 mm[29]。

3 降塵系統(tǒng)效率試驗

3.1 試驗條件

為驗證稻麥聯(lián)合收割機降塵系統(tǒng)的工作性能和設(shè)計參數(shù)可靠性，2020年6月在江蘇鹽城市東方綠洲現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園進行小麥收獲現(xiàn)場粉塵質(zhì)量濃度檢測，試驗田地土壤類型為黏土，土壤含水率為34.58%，環(huán)境風量4級，環(huán)境溫度24～30 ℃，小麥品種為揚麥25，小麥植株總高度為72 cm，每平米小麥株數(shù)為538，小麥理論產(chǎn)量為5.16 t/hm2，秸稈含水率為32.58%，籽粒含水率為10.5%。

試驗儀器與設(shè)備包括稻麥聯(lián)合收割機、收割機降塵系統(tǒng)、粉塵濃度檢測儀、電子秤、快速水分測定儀、卷尺，田間試驗如圖4所示。

3.2 試驗方法

在確定的田塊試驗區(qū)域內(nèi)，利用粉塵濃度檢測儀，在收割機作業(yè)過程中對割臺和尾部進行粉塵質(zhì)量濃度檢測，每個作業(yè)工況連續(xù)檢測50 s，重復(fù)3次，取平均值。目的是檢驗割臺和輸送裝置處的降塵效率。

降塵效率ηd為

式中Dt為降塵系統(tǒng)未工作時的粉塵質(zhì)量濃度，μg/m3；Dw為降塵系統(tǒng)工作時的粉塵質(zhì)量濃度，μg/m3。

收割機速度、環(huán)境濕度、風機轉(zhuǎn)速等影響降塵系統(tǒng)吸塵效果，進而影響降塵系統(tǒng)降塵效率。此三因素影響降塵效率的原理為：收割機速度越快其周圍氣流越大，影響降塵系統(tǒng)吸塵，吸塵效果減弱；在普通室外環(huán)境下，環(huán)境濕度與降塵性能成反比[31-32]；風機轉(zhuǎn)速越快，降塵系統(tǒng)內(nèi)部負壓越大，吸塵效果越強。

試驗收割機速度范圍為2.8～5.4 km/h；試驗當天環(huán)境濕度范圍為56%～82%；風機依靠皮帶傳動，帶動風機的從動輪直徑?jīng)Q定風機轉(zhuǎn)速，受皮帶輪自身限制，其最小直徑為100 mm，收割機安裝帶輪空間有限，且當帶輪過大時，風機轉(zhuǎn)速較慢，降塵系統(tǒng)幾乎不具有吸塵效果，得出帶輪合理最大直徑為200 mm，因此帶輪直徑范圍為100～200 mm，對應(yīng)的風機轉(zhuǎn)速范圍為1 754～3 507 r/min。

試驗采用Box-Behnken試驗設(shè)計方案，選取收割機速度、風機轉(zhuǎn)速、環(huán)境濕度為試驗因素。各因素水平取值范圍分別為2.8～5.4 km/h、1 754～3 507 r/min和56～82%，以割臺、尾部降塵系統(tǒng)效率為試驗指標，設(shè)計三因素三水平分析試驗，試驗因素編碼如表4所示。

表4 試驗因素水平編碼Table 4 Test factor and level

3.3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計三因素三水平分析試驗，試驗方案采用17個試驗點，其中包括12個分析因子，5個0點估計誤差，每組試驗重復(fù)3次取平均值，試驗響應(yīng)值如表5所示。

表5 試驗結(jié)果Table 5 Test results

3.3.1 回歸模型的建立與顯著性檢驗

運用Design-Expert8.0.6.1軟件對割臺、尾部試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到割臺降塵系統(tǒng)效率Y1、尾部降塵系統(tǒng)塵系統(tǒng)效率Y2對收割機速度A、風機轉(zhuǎn)速B、環(huán)境濕度C的二次多項式回歸模型，如式（8）、式（9）所示。

建立割臺降塵系統(tǒng)效率Y1、尾部降塵效率Y2的方差分析表，如表6所示，降塵系統(tǒng)效率Y1、Y2的回歸模型均極顯著（P＜0.01），說明該回歸模型與自變量具有顯著的函數(shù)關(guān)系；失擬項均不顯著（P＞0.1），說明回歸模型擬合度較高。因素A、B、C、BC、A2、B2、C2對割臺降塵系統(tǒng)效率Y1影響顯著，其他因素影響不顯著，各因素對割臺降塵系統(tǒng)效率Y1影響顯著性的大小順序為B、A、C。因素A、B、C、AB、B2、C2對尾部降塵系統(tǒng)效率Y2影響顯著，其他因素影響不顯著，各因素對尾部降塵系統(tǒng)效率Y2影響顯著性的大小順序為B、A、C。

表6 回歸方程方差分析Table 6 Variance analysis of regression equation

3.3.2 交互作用分析

根據(jù)降塵系統(tǒng)效率Y1、Y2二次多項式回歸模型，將試驗因素A、B、C中的1個因素置于0水平，分析其他因素對試驗指標影響，繪制響應(yīng)面圖，如圖5、圖6所示。

1）割臺降塵系統(tǒng)效率響應(yīng)面分析

圖5 a為環(huán)境濕度位于0水平時，收割機速度和風機轉(zhuǎn)速之間的響應(yīng)曲面圖。當風機轉(zhuǎn)速固定在某一水平，割臺降塵效率隨收割機速度增加呈現(xiàn)下降的趨勢，且下降速率隨收割機速度的增加而加快，收割機速度最優(yōu)范圍是2.8～4.1 km/h；當收割機速度固定在某一水平，割臺降塵效率隨風機轉(zhuǎn)速增長呈現(xiàn)上升趨勢，因此風機轉(zhuǎn)速最優(yōu)范圍為2 800～3 507 r/min。

圖5 b為風機轉(zhuǎn)速位于0水平時，收割機速度和環(huán)境濕度之間的響應(yīng)曲面圖。當環(huán)境濕度固定在某一水平時，割臺降塵效率隨收割機速度增加呈現(xiàn)下降趨勢，且下降速率隨著收割機速度的增加而加快，收割機速度最優(yōu)范圍是2.8～4.1 km/h，為提高作業(yè)效率，應(yīng)取最大值；當收割機速度固定在某一水平，割臺降塵效率隨環(huán)境濕度增加呈現(xiàn)下降趨勢，且下降速率較慢，因此環(huán)境濕度最優(yōu)范圍為56%～69%。

圖5 c為收割機速度位于0水平時，風機轉(zhuǎn)速和環(huán)境濕度之間的響應(yīng)曲面圖。當環(huán)境濕度固定在某一水平，割臺降塵效率隨風機轉(zhuǎn)速的增長呈現(xiàn)上升趨勢，風機轉(zhuǎn)速最優(yōu)范圍為3 000～3 507 r/min；當風機轉(zhuǎn)速固定在某一水平，割臺降塵效率隨環(huán)境濕度增加呈現(xiàn)下降趨勢，且下降速率較慢，環(huán)境濕度最優(yōu)范圍為56%～69%。

2）尾部降塵系統(tǒng)效率響應(yīng)面分析

圖6 a為環(huán)境濕度位于0水平時，收割機速度和風機轉(zhuǎn)速之間的響應(yīng)曲面圖。當風機轉(zhuǎn)速固定在某一水平，割臺降塵效率隨收割機速度增加呈現(xiàn)下降趨勢，收割機速度最優(yōu)范圍是2.8～5.4 km/h，為提高作業(yè)效率，應(yīng)取最大值；當收割機速度固定在某一水平，割臺降塵效率隨風機轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)上升趨勢，且上升的速率隨著風機轉(zhuǎn)速的增加而加快，風機轉(zhuǎn)速最優(yōu)范圍為2 455～3 507 r/min。

圖6 b為風機轉(zhuǎn)速位于0水平時，收割機速度和環(huán)境濕度之間的響應(yīng)曲面圖。當環(huán)境濕度固定在某一水平，割臺降塵效率隨收割機速度增加呈現(xiàn)下降趨勢，收割機速度最優(yōu)范圍是2.8～4.5 km/h，為提高作業(yè)效率，應(yīng)取最大值；當收割機速度固定在某一水平，割臺降塵效率隨環(huán)境濕度增加呈現(xiàn)下降趨勢，且下降速率較慢，環(huán)境濕度最優(yōu)范圍為56%～82%。

圖6 c為收割機速度位于0水平時，風機轉(zhuǎn)速和環(huán)境濕度之間的響應(yīng)曲面圖。當環(huán)境濕度固定在某一水平，割臺降塵效率隨風機轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)上升趨勢，且上升速率隨著風機轉(zhuǎn)速的增加而加快，風機轉(zhuǎn)速最優(yōu)范圍為2 800～3 507 r/min；當風機轉(zhuǎn)速固定在某一水平，割臺降塵效率隨環(huán)境濕度增加呈現(xiàn)下降趨勢，下降速率較慢，環(huán)境濕度最優(yōu)范圍為56%～82%。

3.3.3 最優(yōu)工作參數(shù)確定

借助Design-Expert8.0.6.1軟件Optimization模塊對田間試驗結(jié)果進行參數(shù)優(yōu)化，確定優(yōu)化約束條件，如式（10）所示。其中收割機速度最佳取值范圍為2.8～4.1 km/h，考慮到收割時間和收割成本等問題，應(yīng)取較大值。得到降塵系統(tǒng)效率最佳變量取值為：收割機速度為3.73 km/h，風機轉(zhuǎn)速為3 507 r/min，環(huán)境濕度為56%，此時割臺降塵系統(tǒng)效率為76.8%。尾部降塵系統(tǒng)效率為79.6%。

以最優(yōu)工作參數(shù)進行降塵系統(tǒng)田間試驗，對降塵系統(tǒng)效率進行試驗驗證。試驗進行5次并取平均值，去除隨機誤差影響。得到試驗數(shù)據(jù)，割臺降塵系統(tǒng)效率平均值為75.2%，與模型優(yōu)化所得數(shù)據(jù)76.8%誤差為1.6%；尾部降塵系統(tǒng)效率平均值為77.4%，與模型優(yōu)化所得數(shù)據(jù)79.6%誤差為2.2%。驗證了優(yōu)化后最佳參數(shù)組合的可行性。

3.3.4 風機工作參數(shù)優(yōu)化

收割機田間工作時，速度和環(huán)境濕度實時變化，本文探求降塵系統(tǒng)在較難工作條件下滿足降塵要求的最低風機轉(zhuǎn)速，為實際田間工作提供參考依據(jù)，提出滿足降塵要求的風機工作參數(shù)。較難工作條件是指，當風機轉(zhuǎn)速不變，環(huán)境濕度、收割機速度都取一個定值，降塵效率最低時。通過Design-Expert8.0.6.1軟件的Optimization模塊，結(jié)合回歸方程式（8）、式（9），確定約束條件，如式（11）所示。

得到在較難工作條件下滿足降塵要求的系統(tǒng)工作參數(shù)：收割機速度為5.4 km/h，風機轉(zhuǎn)速為3 332 r/min，環(huán)境濕度為82%，此時割臺降塵系統(tǒng)效率為64.8%。尾部降塵系統(tǒng)效率為70.2%。得出最低風機轉(zhuǎn)速為3 332 r/min，保證降塵系統(tǒng)在較難工作條件下滿足降塵要求。

4 結(jié) 論

1）通過試驗檢測稻麥聯(lián)合收割機作業(yè)現(xiàn)場粉塵質(zhì)量濃度、分布以及特性，結(jié)果表明：割臺和尾部是粉塵產(chǎn)生的主要區(qū)域；粉塵多由礦物質(zhì)、油脂和碳水化合物組成；粒徑在10和100μm以下的粉塵占比分別為45%和92%。

2）設(shè)計出一種負壓吸塵、濾筒集塵的稻麥聯(lián)合收割機機載式降塵系統(tǒng)，首次將濾筒除塵器與稻麥聯(lián)合收割機相結(jié)合，利用現(xiàn)有稻麥聯(lián)合收割機動力，可隨時更改風機工作參數(shù)，滿足多種田間工作條件。通過設(shè)計、計算系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)和參數(shù)，構(gòu)建初步田間試驗系統(tǒng)。

3）通過理論分析確定影響降塵系統(tǒng)效率的主要因素，試驗指標為割臺、尾部降塵系統(tǒng)效率，試驗因素為收割機速度、環(huán)境濕度和風機轉(zhuǎn)速，設(shè)計三因素三水平分析試驗，建立各因素與試驗指標的數(shù)學(xué)回歸模型。通過軟件對試驗結(jié)果進行參數(shù)優(yōu)化，得到最優(yōu)工作參數(shù)組合為：收割機速度3.73 km/h，風機轉(zhuǎn)速3 507 r/min，環(huán)境濕度56%，此時，割臺降塵系統(tǒng)效率為76.8%，尾部降塵系統(tǒng)效率為79.6%；降塵系統(tǒng)在較難工作條件下均能滿足降塵要求的最低風機轉(zhuǎn)速為3 332 r/min。