李 奇，謝方平,2,3*，劉大為,2,3，王修善,2，康家鑫

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.智能農(nóng)機(jī)裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410128；3.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128)

近年來，我國大豆優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)呈現(xiàn)“區(qū)域性集中變化”的趨勢[1]。長江流域作為全國大豆三大產(chǎn)區(qū)之一，大豆生產(chǎn)地位逐步提高，但與東北和黃淮海兩大產(chǎn)區(qū)相比在收獲環(huán)節(jié)還存在著以下不足：小塊田地與丘陵多，機(jī)械化程度低，機(jī)收率一直維持在30%左右；機(jī)收效率不佳，損失率或含雜率過高[2-3]；收獲時(shí)，由于高溫和多雨導(dǎo)致炸莢率高或青豆莢較多（圖1、2所示）[4-6]。目前，國內(nèi)針對大豆清選裝置的研發(fā)較少，長江流域大豆聯(lián)合收割機(jī)一般通過經(jīng)驗(yàn)法或工作觀察法粗略改進(jìn)谷類收獲機(jī)割臺(tái)高度、割刀間隙、滾筒參數(shù)、清選篩種類和凹板篩間隙等后進(jìn)行作業(yè)，損失率和含雜率較高[7-10]。

圖1 常見的收獲期豆莢炸莢與晚熟現(xiàn)象

圖2 收獲后青豆莢情況

1 國外先進(jìn)清選裝置

近年來，日本聯(lián)合收割機(jī)發(fā)展迅速，日本洋馬農(nóng)機(jī)有限公司研制出的YH880聯(lián)合收割機(jī)，機(jī)收破碎率與損失率低，適用性強(qiáng)。由于日本的地貌和氣候與我國長江流域相似，約75%地形屬于丘陵地帶，因此，該機(jī)型對于我國長江流域適用于小塊田地的收割機(jī)研發(fā)很有參考價(jià)值。洋馬YH880的清選裝置部分如圖3和圖4所示[11]。

圖3 洋馬YH880收割機(jī)脫粒清選系統(tǒng)

圖4 洋馬YH880收割機(jī)清選篩

洋馬YH880聯(lián)合收割機(jī)利用三滾筒結(jié)構(gòu)和雙風(fēng)扇多風(fēng)道相互配合，加上大面積多段篩面對物料進(jìn)行層層篩選，并將與大豆物理特性相似的雜質(zhì)進(jìn)行精確二次分離。風(fēng)機(jī)包括主風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)扇；分離篩包括擴(kuò)展板、搖動(dòng)篩線、魚鱗篩片與燕尾篩片。該清選裝置設(shè)計(jì)靈活，能夠通過手柄操作來調(diào)節(jié)振動(dòng)篩開度大小[12]。

此外，美國、俄羅斯和德國等國在清選裝置設(shè)計(jì)方面也有相關(guān)成果可供參考。STEPHEN等設(shè)計(jì)的一種清選分離裝置，可自由調(diào)節(jié)篩片的開度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，初步實(shí)現(xiàn)對魚鱗篩開度和風(fēng)機(jī)風(fēng)速的智能調(diào)控[13]。John Deere公司設(shè)計(jì)的C系列聯(lián)合收割機(jī)，采用雙軸流分離滾筒，配備相應(yīng)部件，能同時(shí)對小麥、水稻、玉米、大豆等作物實(shí)現(xiàn)高效收獲作業(yè)[14]。俄羅斯Rostselmash公司研制的VECTOR 450 Track谷物聯(lián)合收割機(jī)，將凹板篩更換為釘齒滾筒，并配備了該公司的標(biāo)準(zhǔn)化尺寸脫粒滾筒（圖5），使其能夠收割各類不易收割的物料殘茬。該機(jī)型機(jī)電一體化程度高，機(jī)體上配備GPS自動(dòng)駕駛室、物料排出情況監(jiān)控器和產(chǎn)量濕度檢測顯示屏等，有利于減少駕駛員的疲勞并提高清選操作精確性[15]。

圖5 VECTOR型號(hào)收割機(jī)—釘齒滾筒自組裝套件

2 國內(nèi)研究動(dòng)態(tài)

2.1 清選分離原理

大豆脫出物在收割機(jī)清選分離的過程中主要經(jīng)過振動(dòng)分離和風(fēng)選分離。在振動(dòng)分離過程中大豆脫出物經(jīng)過多種碰撞，包括物料間擠壓碰撞、物料與篩板的瞬間撞擊、物料和機(jī)械壁的沖擊碰撞等。在風(fēng)選分離過程中大豆脫出物經(jīng)過了一定風(fēng)速中短時(shí)間的懸浮分散篩選。研究物料與物料間、物料與機(jī)械間碰撞作用規(guī)律以及脫出物懸浮效果是保證清選裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和減少大豆破損率的前提。

頓國強(qiáng)等使用Solidworks Simulation FEM code對大豆種子進(jìn)行撞擊模擬仿真，分析了大豆體積的改變對最大應(yīng)力和最大位移的影響，得到大豆體積大小隨所受應(yīng)力強(qiáng)度影響的變化規(guī)律：撞擊的最大應(yīng)力隨著大豆種子體積的增大先逐漸變大后逐漸變小，且大豆不同基準(zhǔn)方向撞擊的最大位移隨著其體積的增大并呈現(xiàn)線性增長，為分析大豆在清選過程中具體形變方向提供了參考[16]。張帥軍等通過Ansys軟件模擬了大豆種子的脫粒過程，對大豆種子撞擊損傷進(jìn)行了全因子分析，得到大豆種子受力情況與釘齒形狀、碰撞速度和撞擊截面面積之間的關(guān)系，當(dāng)脫粒齒為弓齒形、碰撞速度越慢且撞擊截面面積越大時(shí)，大豆種子的受力越小，為分析大豆在清選分離中運(yùn)動(dòng)軌跡以及設(shè)計(jì)合理的大豆脫粒齒結(jié)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)[17]（圖6）。

圖6 大豆碰撞時(shí)受力情況

2.2 大豆及其脫出混合物的物理特性研究

大豆脫出物主要包括完好大豆籽粒、破損大豆籽粒、癟豆粒、豆瓣、葉片、豆莢殼、未脫凈豆莢、短莖稈與碎秸稈。探索大豆脫出物的物理特性，可為清選技術(shù)理論研究提供基礎(chǔ)依據(jù)，有學(xué)者或?qū)＜疫\(yùn)用相關(guān)方法對脫出物的各組成成分進(jìn)行了單獨(dú)或整體的物理特性測量與試驗(yàn)。

寧新杰等運(yùn)用自制恢復(fù)系數(shù)測量儀、靜摩擦因數(shù)測量儀、游標(biāo)卡尺等工具測量出黃淮海產(chǎn)區(qū)兩種大豆脫出物的物理特性，得到兩類品種脫出物的摩擦系數(shù)、恢復(fù)系數(shù)、密度、長度與直徑等各種物理參數(shù)，為研究大豆脫出物的篩分機(jī)理和完善大豆收獲機(jī)清選數(shù)值模擬參數(shù)提供了依據(jù)[18]。張豐堯?qū)Υ蠖诡w粒物理力學(xué)特性及個(gè)體機(jī)理進(jìn)行了研究，對大豆進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，繪制了大豆在不同剪切條件下的形變圖，得出抗剪切強(qiáng)度隨著大豆含水率升高逐漸變強(qiáng)的結(jié)論，對優(yōu)化清選裝置工作效果以及清選室結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研發(fā)有重要意義[19]。陳海濤與張開飛分別應(yīng)用計(jì)算機(jī)力學(xué)模型和電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)對大豆莖稈的力學(xué)位移與彎曲力學(xué)特性進(jìn)行探究，獲得了大豆秸稈各部位的力學(xué)特性參數(shù)曲線，對于研究方式的多樣化以及清選裝置結(jié)構(gòu)虛擬研發(fā)具有深遠(yuǎn)意義[20-21]。吉林大學(xué)的王揚(yáng)基于大豆籽粒物理力學(xué)屬性提出了一種大豆籽粒多球模型，并通過對多種大豆的堆積休止角進(jìn)行離散元設(shè)計(jì)仿真，驗(yàn)證了大豆籽粒多球模型的正確度，為清選裝置虛擬仿真提供了一種準(zhǔn)確的大豆籽粒建模方法[22]。

2.3 清選性能試驗(yàn)研究

收割機(jī)清選性能在一定程度上會(huì)受到清選裝置動(dòng)力參數(shù)（行進(jìn)速度、篩板振幅、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（篩板角度、篩孔尺寸、風(fēng)機(jī)葉片尺寸等）的影響。金誠謙、劉鵬等對非長江流域大豆收獲機(jī)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，分別針對整機(jī)系數(shù)設(shè)計(jì)了包含行進(jìn)速度、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙、導(dǎo)流板角度、分風(fēng)板角度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、上篩前部開度、上篩后部開度在內(nèi)的九因素三水平曲面響應(yīng)試驗(yàn)。同時(shí)，也針對清選裝置系數(shù)設(shè)計(jì)了包含作業(yè)速度、魚鱗篩篩片開度、風(fēng)門開度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)篩曲柄轉(zhuǎn)速在內(nèi)的五因素三水平曲面響應(yīng)試驗(yàn)，得到了在該損失率和含雜率最小數(shù)值時(shí)的整機(jī)參數(shù)與清選系數(shù)組合，改進(jìn)了原機(jī)械的參數(shù)并優(yōu)化了試驗(yàn)結(jié)果，降低了損失率和含雜率[23-24]。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)高連興根據(jù)大豆及脫出物的懸浮速度效果研制了氣力式清選裝置和旋風(fēng)式雜余分離、循環(huán)裝置，以秸稈含雜率和損失率作為試驗(yàn)衡量依據(jù)，通過多因素試驗(yàn)對該裝置的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)頻率參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，并降低了大豆氣力清選裝置的含雜率和損失率[25]。

3 長江流域大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選性能改善分析

3.1 存在的問題

相比其他地區(qū)，長江流域大豆聯(lián)合收獲機(jī)的清選性能還達(dá)不到現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)要求。長江流域種植大豆的主要目的是將大豆作為安全儲(chǔ)備糧來應(yīng)對各種緊急情況，一般為充分利用土地空間，種植在不適宜種植其他作物的小型坑洼農(nóng)田地區(qū)，故需要應(yīng)用中小型聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行田間收獲。而通常中小型聯(lián)合收割機(jī)動(dòng)力較小，遇到泥濘地段難以進(jìn)行作業(yè)，這導(dǎo)致其清選裝置動(dòng)力功率與田間實(shí)際情況的匹配性不高，收獲含雜率和損失率較高，行進(jìn)速度、篩板振動(dòng)頻率、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等動(dòng)力參數(shù)和篩板孔尺寸、篩板傾斜角度、風(fēng)機(jī)出風(fēng)口傾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)有待優(yōu)化。目前，國內(nèi)有關(guān)長江流域中小型大豆收割機(jī)清選裝置的理論分析較少，關(guān)于長江流域大豆聯(lián)合收割機(jī)清選裝置機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析以及分離運(yùn)動(dòng)分析等方面的研究成果不多，還有待發(fā)展。

3.2 關(guān)于清選裝置性能的改善

總結(jié)參數(shù)優(yōu)化方法，可利用曲面響應(yīng)試驗(yàn)方法尋求現(xiàn)有聯(lián)合收割機(jī)清選裝置的動(dòng)力參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳組合方案，用來解決長江流域地區(qū)中小型大豆聯(lián)合收割機(jī)清選裝置與田間實(shí)際情況不匹配的問題。即通過實(shí)際工作反饋或經(jīng)驗(yàn)觀察找出對長江流域收割機(jī)清選裝置清選效果影響較大的動(dòng)力或結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用Design Expert等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件針對影響因子較大的參數(shù)進(jìn)行田間或者臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)，再將試驗(yàn)得到的最佳參數(shù)組合應(yīng)用到待優(yōu)化的機(jī)械當(dāng)中，并在田間進(jìn)行驗(yàn)證，最終選擇合適參數(shù)組合運(yùn)用到實(shí)際的收獲作業(yè)中，達(dá)到提高長江流域地區(qū)中小型大豆聯(lián)合收割機(jī)收獲質(zhì)量目的；另一方面，基于曲面響應(yīng)試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，通過數(shù)學(xué)函數(shù)擬合方法來運(yùn)用Matlab等軟件對各參數(shù)影響清選效果所占權(quán)重進(jìn)行分析得到各參數(shù)關(guān)于清選效果的擬合函數(shù)，并由擬合函數(shù)可找出參數(shù)對于清選效果的影響規(guī)律，運(yùn)用這些規(guī)律能為簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考與理論支撐。