王升升 盧夢(mèng)晴 胡金鵬 陳 盼 姬江濤 王福民

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院， 洛陽(yáng) 471003； 2.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

大白菜食用價(jià)值高，其種植面積、產(chǎn)量及消費(fèi)量在中國(guó)居各類蔬菜之首[1]。隨著大白菜育種產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，種用大白菜的種植面積迅速增加，大白菜種子的收獲難題日益凸顯。采用人工收獲效率較低，無(wú)法滿足育種基地的大面積收獲需求；采用市場(chǎng)上現(xiàn)有的稻麥?zhǔn)斋@機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，因結(jié)構(gòu)或工作參數(shù)配置不佳，易造成種子損失率與破碎率高等問(wèn)題[2-3]。脫粒裝置作為聯(lián)合收獲機(jī)的核心工作部件，降低脫粒過(guò)程中的種子損失及損傷已成為大白菜種子聯(lián)合收獲裝備發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)脫粒分離裝置的研究較多。PETKEVICHIUS等[4]設(shè)計(jì)了紋桿式脫粒裝置，研究了籽粒含水率、滾筒轉(zhuǎn)速和凹板間隙對(duì)脫粒損失的影響；師清翔等[5]引入柔性脫粒的概念，通過(guò)耐磨橡膠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制脫粒元件，降低了對(duì)小麥、水稻等作物的作用強(qiáng)度；謝方平等[6-7]設(shè)計(jì)了一種柔性釘齒脫粒滾筒，有效降低了水稻籽粒的破碎率；文獻(xiàn)[8-11]設(shè)計(jì)了柔性釘齒和短紋桿組合式脫粒滾筒，解決了黃淮海地區(qū)高含水率玉米收獲破碎率和未脫凈率高的問(wèn)題；李耀明等[12-13]設(shè)計(jì)了一種短紋桿與板齒組合式脫粒滾筒，可顯著降低脫出物含雜率。

上述研究大多通過(guò)結(jié)合不同作物物料特性，在傳統(tǒng)脫粒形式的基礎(chǔ)上，對(duì)脫粒元件的材料、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行改良并開展脫粒性能研究。雖然取得了一些階段性成果，但主要研究對(duì)象為小麥、水稻、玉米等糧食作物，并不適用于大白菜種子這種小籽粒蔬菜種子的脫粒分離。目前國(guó)內(nèi)外尚未有專門的大白菜種子收獲裝置，對(duì)于大白菜種子低破碎率脫粒的研究更是屬于空白領(lǐng)域。因此，為解決大白菜種子脫粒難題，本文基于組合式脫粒及柔性脫粒原理，設(shè)計(jì)彈性短紋桿-板齒、柔性圓頭釘齒與圓管凹板組合的脫粒裝置，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)適收期大白菜種子的機(jī)械化收獲作業(yè)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

彈性短紋桿-板齒組合式大白菜種子脫粒裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、頂蓋、組合式脫粒滾筒、圓管凹板、集料箱等組成。其中組合式脫粒滾筒圓周表面設(shè)有螺旋分布的彈性短紋桿-板齒和柔性圓頭釘齒，尾部設(shè)有剛性長(zhǎng)釘齒；頂蓋下表面設(shè)有螺旋導(dǎo)流板，方便物料軸向運(yùn)輸；為了便于收集脫出物，在脫粒裝置下部設(shè)置集料箱。

1.2 工作原理

大白菜種子脫粒裝置采用徑向喂入、徑向排出的脫粒工藝。裝置的工作過(guò)程分為喂入、脫分和排雜3個(gè)階段。工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)脫粒滾筒旋轉(zhuǎn)。大白菜植株在喂入口連續(xù)均勻地進(jìn)入脫分空間內(nèi)，隨后受到物料不斷喂入的推送、脫粒元件和頂蓋上導(dǎo)流板的共同作用，沿滾筒軸向螺旋運(yùn)動(dòng)，完成喂入過(guò)程；大白菜種子植株在脫粒元件與圓管凹板的循環(huán)沖擊、揉搓作用及物料層內(nèi)部之間的相互作用下實(shí)現(xiàn)脫粒；在此過(guò)程中，脫粒元件不斷旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)，并與圓管凹板相配合，實(shí)現(xiàn)種子與莖稈雜余的分離；脫粒后的莖稈雜余在滾筒尾部剛性長(zhǎng)釘齒的作用下經(jīng)排草口排出，完成排雜過(guò)程。在脫分過(guò)程中，彈性短紋桿-板齒和柔性圓頭釘齒均具有變形能力，有效減弱了脫粒元件對(duì)種子的剛性沖擊；圓管凹板表面沒(méi)有棱角，減少了物料與凹板間的碰撞摩擦，可有效降低種子的機(jī)械損傷。

2 組合式脫粒滾筒設(shè)計(jì)與分析

2.1 脫粒方案

大白菜植株的生物學(xué)特性與油菜相似，根據(jù)已有研究[14-19]，開展大白菜植株各組分生物力學(xué)特性研究，得到不同破壞形式下各組分破壞載荷，如表1所示。由表1可知，大白菜種子的破壞峰值較低，且各部分破壞峰值差異較大。因此，為提高大白菜種子脫凈程度，實(shí)現(xiàn)脫粒過(guò)程中種子低破碎率的需求，采用組合式、柔性脫粒方案開展研究。

表1 大白菜植株各組分力學(xué)特性Tab.1 Mechanical properties of each component of Chinese cabbage plant

2.2 脫粒滾筒設(shè)計(jì)

彈性短紋桿-板齒組合式脫粒滾筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。前部采用彈性短紋桿-板齒組合式，通過(guò)扭簧的變形降低對(duì)物料的作用力，以降低該階段的脫粒損傷；中部圓頭釘齒采用柔性聚氨酯材料替代鋼材，以減小脫粒過(guò)程中對(duì)大白菜種子的剛性沖擊，達(dá)到降低種子損傷的目的；尾部采用剛性長(zhǎng)釘齒，有利于將運(yùn)動(dòng)至滾筒末端的莖稈及時(shí)排出。

脫粒滾筒的長(zhǎng)度與其自身的脫分能力密切相關(guān)，脫粒滾筒越長(zhǎng)，物料的脫分時(shí)間越久，種子和莖稈的破碎率會(huì)隨之增大。莖稈破碎會(huì)導(dǎo)致雜余率增大，大白菜種子小而輕，與雜余不易分離，雜余率的增大更會(huì)使清選負(fù)荷增大。脫粒滾筒長(zhǎng)度計(jì)算式[20]為

L≥q/q0

(1)

式中L——脫粒滾筒長(zhǎng)度，m

q——脫粒裝置喂入量，取2 kg/s

q0——脫粒滾筒單位長(zhǎng)度允許承擔(dān)的喂入量，取1.5～2.0 kg/(s·m)

計(jì)算得，脫粒滾筒長(zhǎng)度L為1～1.3 m，本設(shè)計(jì)取L=1.15 m。

脫粒滾筒直徑太小容易纏繞作物，同時(shí)會(huì)減少凹板分離面積，但滾筒直徑過(guò)大，脫粒功耗會(huì)增大。為避免上述問(wèn)題，取滾筒周長(zhǎng)大于大白菜植株長(zhǎng)度，則脫粒滾筒直徑[21]為

(2)

式中DZ——脫粒滾筒直徑，mm

L1——大白菜植株長(zhǎng)度，取880～1 200 mm

計(jì)算得，脫粒滾筒直徑DZ為 420～573 mm，本設(shè)計(jì)取DZ=460 mm。

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)脫粒過(guò)程中物料的翻轉(zhuǎn)和軸向運(yùn)動(dòng)，脫粒元件均采用螺旋排布方式，取螺旋頭數(shù)K=3；為避免莖稈破碎嚴(yán)重及脫粒功耗的增加，取齒排數(shù)為6，齒距l(xiāng)=84 mm[21]。

2.2.1彈性短紋桿-板齒設(shè)計(jì)

彈性短紋桿-板齒由紋桿座、壓板、板齒、螺栓、短紋桿和扭簧組成，如圖3所示。短紋桿一側(cè)增加板齒，且安裝方向與紋桿筋方向平行，一是為了實(shí)現(xiàn)成熟度較低、相對(duì)難脫角果的脫粒，同時(shí)有利于物料的喂入和軸向運(yùn)動(dòng)；二是對(duì)短紋桿起到一定的限位作用，保證短紋桿僅能產(chǎn)生向下的扭轉(zhuǎn)變形。壓板與扭簧通過(guò)螺栓連接固定，短紋桿長(zhǎng)度設(shè)為100 mm。

假設(shè)彈性短紋桿-板齒平均受力點(diǎn)為O1，扭簧中心點(diǎn)為O2，如圖4所示。則扭簧所受初始扭矩T1為

T1=Fh

(3)

式中F——扭簧發(fā)生扭轉(zhuǎn)的觸發(fā)力，N

h——觸發(fā)力F到扭簧中心的垂直距離，mm

觸發(fā)力F應(yīng)滿足在完成脫下角果中種子的同時(shí)，盡量降低與體積較大的植株莖稈之間的相互作用強(qiáng)度。脫粒過(guò)程中，大白菜植株會(huì)出現(xiàn)物料積聚現(xiàn)象，為保證脫粒過(guò)程順利進(jìn)行且扭簧有合理的調(diào)節(jié)范圍，結(jié)合文獻(xiàn)[22-23]及前期力學(xué)特性試驗(yàn)，最終取F=40 N，此時(shí)h=16 mm，可得T1=640 N·mm。

扭簧初始扭轉(zhuǎn)角φ1=35°，考慮到整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，扭簧變形不宜過(guò)大，本設(shè)計(jì)取扭簧的極限扭轉(zhuǎn)角φ2=45°，則扭簧極限扭矩T2為[24]

(4)

扭簧為平列雙扭系列，材料選擇碳素彈簧鋼，其彈性模量E=1.97×105MPa，扭簧有效圈數(shù)N為

(5)

式中d——扭簧鋼絲直徑，為3.2 mm

D1——扭簧中徑，mm

扭簧中徑D1=Pd，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[24]，扭簧旋繞比P取8.5，最終計(jì)算得N=12。

2.2.2柔性圓頭釘齒設(shè)計(jì)

當(dāng)大白菜種子與不同脫粒元件之間接觸碰撞力相同時(shí)，較大的接觸面積能夠弱化應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而降低種子損傷。因此，脫粒段采用材料為聚氨酯的圓頭釘齒，結(jié)合文獻(xiàn)[25]，綜合考慮圓頭釘齒脫粒需求、結(jié)構(gòu)尺寸和整機(jī)動(dòng)平衡等因素，最終取脫粒段釘齒直徑為8 mm，工作高度為70 mm。

2.3 滾筒模態(tài)分析

脫粒滾筒工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的頻率與其固有頻率一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。脫粒滾筒的共振會(huì)造成螺栓松動(dòng)、部件的間隙變化及干涉碰撞等問(wèn)題，不僅影響脫粒效果，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生較大的安全危害[26-27]。因此，對(duì)所設(shè)計(jì)的脫粒滾筒進(jìn)行模態(tài)分析。

2.3.1有限元模型建立

采用SolidWorks軟件建立脫粒滾筒三維模型，后將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行分析。柔性圓頭釘齒的材料為聚氨酯，滾筒其余部分材料為Q235B，材料屬性參數(shù)如表2所示。對(duì)彈性短紋桿-板齒采用Sweep掃略網(wǎng)格劃分，其余零件均采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，最終產(chǎn)生網(wǎng)格單元數(shù)量為86 340，節(jié)點(diǎn)數(shù)為246 950。

表2 材料屬性參數(shù)Tab.2 Properties of materials

2.3.2有限元結(jié)果分析

選擇脫粒滾筒主軸兩側(cè)端面，分別添加固定約束。低階共振現(xiàn)象的發(fā)生對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的危害較大，因此對(duì)脫粒滾筒的前4階固有頻率及振型進(jìn)行分析，結(jié)果如表3及圖5所示。

表3 脫粒滾筒前4階模態(tài)分析結(jié)果Tab.3 Deformation results of threshing cylinder

由表3可知，該脫粒滾筒1、2階頻率相近，集中分布在69 Hz左右，第3、4階頻率分別為88.123、97.343 Hz，固有頻率呈現(xiàn)逐階增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但對(duì)應(yīng)的最大變形量并不呈線性變化。

由圖5可知，1階振型表現(xiàn)為脫粒滾筒整體的扭曲，且以固定齒桿的扭曲變形為主；2階振型主要表現(xiàn)為柔性圓頭釘齒的彎曲變形；3階振型中，釘齒變形量增大，滾筒中部的輻盤與固定齒桿連接部位發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形；4階振型主要是扭簧及短紋桿的扭轉(zhuǎn)變形。其中，1階振型圖中滾筒整體變形幅度最大，變形量為10.755 mm，小于脫粒滾筒與圓管凹板的最小間隙設(shè)計(jì)值15 mm，表明脫粒滾筒與圓管凹板不會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。

脫粒滾筒在工作過(guò)程中，激勵(lì)來(lái)源主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和滾筒自身的旋轉(zhuǎn)激勵(lì)。當(dāng)激勵(lì)頻率超過(guò)固有頻率時(shí)，該結(jié)構(gòu)存在失效風(fēng)險(xiǎn)。脫粒滾筒轉(zhuǎn)速與激勵(lì)頻率的關(guān)系為

n=60f

(6)

式中n——脫粒滾筒轉(zhuǎn)速，r/min

f——旋轉(zhuǎn)激勵(lì)頻率，Hz

脫粒滾筒設(shè)計(jì)的最大工作轉(zhuǎn)速為950 r/min，大白菜種子聯(lián)合收獲機(jī)上所用發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min。計(jì)算得最高旋轉(zhuǎn)激勵(lì)分別為15.83、36.67 Hz。在不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和脫粒滾筒旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的頻率疊加的條件下，由發(fā)動(dòng)機(jī)和滾筒工作所產(chǎn)生的激勵(lì)頻率均低于該脫粒滾筒1階固有頻率69.213 Hz。因此，所設(shè)計(jì)的脫粒滾筒在實(shí)際工作中可有效避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4 圓管凹板設(shè)計(jì)

由于常規(guī)柵格式凹板存在棱角，在脫粒過(guò)程中，大白菜種子與柵格棱角的碰撞是造成種子破碎率高的原因之一。此外，因大白菜種子尺寸較小(直徑小于2 mm)，脫粒過(guò)程結(jié)束后，存在種子在橫格板上滯留堆積的現(xiàn)象，導(dǎo)致不同品種的大白菜種子混種的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種圓管凹板如圖6所示。

圓管凹板采用內(nèi)徑為12 mm、厚度為3 mm的圓鋼管代替常規(guī)柵格式凹板中的橫格板。為保證圓管凹板的脫分能力[23]，設(shè)計(jì)各圓管間距為30 mm，篩條間隙為9 mm，凹板包角為220°，長(zhǎng)度與脫粒滾筒長(zhǎng)度相等為1.15 m。大白菜種子與圓管之間為點(diǎn)接觸，很難停留在圓管表面，因此能夠大大降低種子滯留在滾筒內(nèi)部的概率。

為進(jìn)一步提高脫粒過(guò)程中物料螺旋向后運(yùn)動(dòng)的能力，將圓管沿凹板軸線方向呈角度α進(jìn)行安裝，圓管偏離軸線方向與脫粒滾筒工作時(shí)旋轉(zhuǎn)方向一致，綜合考慮取α=10°。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

脫粒試驗(yàn)所用物料為河南省濟(jì)源市大白菜育繁種基地內(nèi)成熟的種用大白菜植株，品種為晉菜三號(hào)，于試驗(yàn)田內(nèi)隨機(jī)選取待收獲無(wú)倒伏植株，人工收割后帶回實(shí)驗(yàn)室，并及時(shí)完成脫粒試驗(yàn)。試驗(yàn)開始前，測(cè)得大白菜植株各組分物料特性如表4所示。

表4 種用白菜植株物料特性Tab.4 Plant material characteristics of Chinese cabbage

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前將一定質(zhì)量的大白菜植株均勻鋪放到輸送帶一側(cè)，并留有5 m的加速調(diào)整區(qū)。調(diào)整脫粒裝置，待其穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，啟動(dòng)輸送帶，完成輸送、喂入、脫粒和接料過(guò)程，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)，選取對(duì)脫粒質(zhì)量影響較大的滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、喂入量為試驗(yàn)因素，并確定各因素范圍，以種子損失率、破碎率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。因素編碼如表5所示。

表5 因素編碼Tab.5 Coding value of factors

通過(guò)排草口和接料口收集脫粒后的物料，經(jīng)人工篩選、處理后，記錄每組試驗(yàn)的損失率及破碎率，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5982—2017《脫粒機(jī) 試驗(yàn)方法》，損失率Y1和破碎率Y2計(jì)算式分別為

(7)

(8)

式中MZ——損失率取樣種子總質(zhì)量，g

MW——?dú)埩粼诮枪麅?nèi)的未脫凈種子質(zhì)量，g

MJ——夾雜在雜余內(nèi)部的種子質(zhì)量，g

Mp——樣品中破碎種子質(zhì)量，包括機(jī)械損傷、裂紋和破皮的種子，g

M0——破碎率取樣種子總質(zhì)量，g

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，X1、X2、X3為因素編碼值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表7所示。從表7可知，失擬項(xiàng)P>0.05，表明模型擬合效果好，回歸模型P<0.01，表明回歸模型高度顯著。

表6 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.6 Results of response surface test

表7 方差分析Tab.7 Analysis of variance

剔除方差來(lái)源中的不顯著項(xiàng)，得到損失率Y1、破碎率Y2優(yōu)化后的回歸方程，分別為

(9)

(10)

通過(guò)對(duì)回歸模型的分析，得出各因素對(duì)損失率和破碎率影響由大到小為滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量、脫粒間隙。

3.4 試驗(yàn)因素交互作用分析

3.4.1因素交互作用對(duì)損失率的影響

因素交互作用對(duì)損失率Y1的影響響應(yīng)面如圖8所示，分析可知：

(1)損失率隨滾筒轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大。隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大，脫粒元件對(duì)物料的沖擊、碾壓、揉搓和攪動(dòng)作用增強(qiáng)，部分難脫種子被脫下，夾帶種子被分離，因此損失率減??；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速持續(xù)增大時(shí)，物料在脫粒滾筒內(nèi)停留的時(shí)間及被作用次數(shù)越來(lái)越少，導(dǎo)致未脫凈損失率增大；種子尚未分離就從排草口排出，導(dǎo)致夾帶損失率增大，因此，總損失率增大。

(2)隨著脫粒間隙增大，損失率變化幅度不明顯，整體呈先降低后升高的趨勢(shì)。分析可知，脫粒間隙逐漸增大會(huì)在一定程度增大脫粒空間，物料被脫粒元件攪動(dòng)的幅度更大，使莖稈和種子分離更加充分，進(jìn)而夾帶損失率降低；當(dāng)脫粒間隙越來(lái)越大時(shí)，物料層過(guò)于蓬松，物料受碾壓和揉搓的作用程度降低，導(dǎo)致未脫凈損失率逐漸升高。

(3)隨著喂入量的增加，損失率先降低后升高。這是因?yàn)閺椥栽哂锌烧{(diào)節(jié)能力，在喂入量增加初期，滾筒內(nèi)物料增多，物料層壓實(shí)度增加，物料受脫粒元件及物料內(nèi)部之間作用力增大，導(dǎo)致未脫凈種子減少，損失率降低；隨著喂入量不斷增加，物料開始積聚，脫粒元件變形調(diào)節(jié)能力減弱，夾雜在物料內(nèi)部的角果和種子增多，造成脫粒分離不完全現(xiàn)象，損失率升高。

3.4.2因素交互作用對(duì)破碎率的影響因素交互作用對(duì)破碎率Y2的影響響應(yīng)面如圖9所示，分析可知：

(1)隨滾筒轉(zhuǎn)速增加，破碎率呈先降低后升高的趨勢(shì)。滾筒轉(zhuǎn)速增加初期，物料在脫粒裝置內(nèi)停留時(shí)間減少，種子受到的沖擊概率降低，破碎率變??；隨著滾筒轉(zhuǎn)速越來(lái)越大，脫粒元件對(duì)物料的作用強(qiáng)度和頻率均增大，因此破碎率逐漸升高。

(2)破碎率隨脫粒間隙的增大整體呈下降趨勢(shì)。脫粒間隙增加，物料層變得蓬松，脫粒元件對(duì)物料的碾壓和揉搓作用減弱，物料受到?jīng)_擊時(shí)有更大的緩沖空間，因此破碎率變小。

(3)隨著喂入量逐漸增加，破碎率先減小后增大，但增大幅度緩慢。隨著喂入量的增加，脫粒滾筒內(nèi)的物料增多，導(dǎo)致彈性脫粒元件發(fā)生變形，直接與脫粒元件作用的種子減少，通過(guò)物料內(nèi)部之間摩擦作用完成脫粒過(guò)程的種子增多，因此破碎率降低；隨著喂入量越來(lái)越大，物料層持續(xù)增厚，脫粒元件變形調(diào)節(jié)能力減弱，導(dǎo)致與脫粒元件直接接觸的物料受到的碾壓力增大，碾壓作用增強(qiáng)導(dǎo)致破碎率升高。

3.5 脫粒裝置參數(shù)優(yōu)化

為得到該大白菜種子脫粒裝置的最優(yōu)工作參數(shù)，利用Design-Expert軟件中自帶的Optimization功能，分別設(shè)置各試驗(yàn)因素的邊界條件為：滾筒轉(zhuǎn)速650～850 r/min，脫粒間隙15～25 mm，喂入量1.2～2.0 kg/s；破碎率0～1%，權(quán)重為0.6；損失率0～3%，權(quán)重為0.4。

在脫粒損失率、破碎率均最低的情況下，得到該脫粒裝置的最優(yōu)參數(shù)組合為：滾筒轉(zhuǎn)速726 r/min、脫粒間隙22.3 mm、喂入量1.73 kg/s，此時(shí)損失率為0.56%，破碎率為0.15%。

3.6 田間試驗(yàn)驗(yàn)證與對(duì)比

在最優(yōu)工作參數(shù)組合下，對(duì)彈性短紋桿-板齒組合式脫粒裝置及常規(guī)釘齒-柵格凹板式脫粒裝置進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)于2021年5月在河南省濟(jì)源市大白菜育繁種基地進(jìn)行，試驗(yàn)對(duì)象為晉菜三號(hào)，種植方式為移栽，種植行間距為90 mm，聯(lián)合收獲機(jī)一次收獲兩行，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

根據(jù)GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》的規(guī)定，選取長(zhǎng)勢(shì)均勻，植株高度、密度及產(chǎn)量水平一致性較好的大白菜植株進(jìn)行收獲試驗(yàn)，按照準(zhǔn)備區(qū)10 m、測(cè)定區(qū)10 m、停車區(qū)10 m的作業(yè)方式對(duì)收割區(qū)域劃分，試驗(yàn)過(guò)程中，每組試驗(yàn)均保持樣機(jī)的滿幅、勻速作業(yè)，且確保留茬高度一致。每次試驗(yàn)后采集經(jīng)排草口及脫粒裝置出口排出雜質(zhì)中的夾帶種子、未脫凈種子，以及出糧口所有種子，并參照室內(nèi)試驗(yàn)方法及時(shí)進(jìn)行人工處理。

田間試驗(yàn)結(jié)果表明，彈性短紋桿-板齒組合式脫粒裝置的種子損失率為0.68%，破碎率為0.39%，與軟件優(yōu)化得到的結(jié)果接近，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果與軟件預(yù)測(cè)的結(jié)果具有可靠性。釘齒-柵格凹板式脫粒裝置損失率為0.61%，兩種收獲方式相差不大，且彈性短紋桿-板齒組合式脫粒裝置的種子破碎率降低了48.7%，表明該脫粒裝置能夠在滿足脫粒需求的前提下，顯著降低種子破碎程度。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)大白菜種子脫粒的要求，采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種彈性短紋桿-板齒組合式大白菜種子脫粒裝置。該裝置區(qū)別于常規(guī)釘齒式脫粒滾筒和柵格式凹板篩，采用彈性短紋桿-板齒和柔性圓頭釘齒組合作為脫粒元件，凹板采用圓管凹板，可有效減弱對(duì)物料的剛性沖擊，降低大白菜種子的破碎率。

(2)通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)，建立了滾筒各因素與脫粒性能之間的回歸模型，分析得到對(duì)損失率和破碎率的影響由大到小為：滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量、脫粒間隙。

(3)田間試驗(yàn)表明，對(duì)于種子含水率18.39%～24.25%、莖稈含水率40.12%～44.38%、谷草比0.3～0.6的大白菜種子植株，彈性短紋桿-板齒組合式大白菜種子脫粒裝置的最佳結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)組合為：滾筒轉(zhuǎn)速726 r/min、脫粒間隙22.3 mm、喂入量1.73 kg/s，此時(shí)種子損失率為0.68%，破碎率為0.39%。通過(guò)與常規(guī)脫粒裝置對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)彈性短紋桿-板齒組合式脫粒裝置的種子破碎率降低了48.7%，能夠有效提高脫粒質(zhì)量。