戴 飛，張仕林，趙武云，史瑞杰，田 斌，辛尚龍

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

青稞，又稱裸大麥，是我國青藏高原地區(qū)廣泛種植的特色糧食作物，種植區(qū)域主要分布在西藏、青海、四川省甘孜和阿壩藏族自治州、甘肅省甘南藏族自治州以及云南、貴州的部分地區(qū)[1-2]。青稞是藏區(qū)人民的主要食用口糧，同時青稞秸稈也是高原家畜的優(yōu)質(zhì)飼草來源[3-5]。近年來，隨著谷物機械化收獲水平的不斷提升，西藏、青海等主產(chǎn)區(qū)皆嘗試采用普通稻麥聯(lián)合收獲機進行青稞收獲，作業(yè)時普遍存在秸稈飼草中夾雜攜有倒刺的青稞穗芒，致使牛羊在食用過程中扎嘴、損傷消化系統(tǒng)，且秸稈飼草需要人工或機器二次撿拾等問題[6-7]。有關青稞聯(lián)合收獲機的研究鮮見報道，青稞機械化高質(zhì)量收獲已成為提升藏區(qū)糧食與飼草質(zhì)量的核心所在[1,8]。為此，課題組嘗試研制了能夠?qū)崿F(xiàn)碎芒、揉芒與青稞籽粒收獲后其秸稈打捆一體化作業(yè)的自走式青稞聯(lián)合收獲打捆一體機[9]。

自走式青稞聯(lián)合收獲打捆一體機是一個復雜的機器系統(tǒng)，實現(xiàn)功能較多，青稞機收作業(yè)質(zhì)量受多種因素影響[2,10]。研究以本課題組前期研制的自走式青稞聯(lián)合收獲打捆一體機為依托，并在此基礎上結(jié)合田間試驗進一步提升一體機田間作業(yè)性能。以該機相關的工作參數(shù)作為自變量，通過試驗測得不同因素水平組合條件下的破碎率、碎芒率與成捆率，采用響應面分析法確定各因素及其交互作用對破碎率、碎芒率與成捆率的影響，獲取一體機工作參數(shù)的最優(yōu)控制變量組合，以期指導自走式青稞聯(lián)合收獲打捆一體機田間作業(yè)，并為青稞收獲機械設計提供參考。

1 工作過程解析與關鍵參數(shù)確定

1.1 結(jié)構組成及作業(yè)過程

自走式青稞聯(lián)合收獲打捆一體機主要由脫粒-碎芒揉芒裝置、后置秸稈打捆裝置、履帶行走裝置、傳動系統(tǒng)、割臺、物料輸送系統(tǒng)、駕駛操作臺等部件組成，結(jié)構如圖1a、b、c所示[9]。樣機進行工作時，割臺往復式切割器將青稞植株割倒，在撥禾輪、攪輪及輸送過橋的作用下進入脫粒-碎芒揉芒裝置，在縱軸流紋桿-桿齒組合脫粒滾筒、配套凹板篩及其喂入段碎芒板條的共同作用下，完成脫粒與碎芒揉芒作業(yè)，青稞籽粒經(jīng)清選篩被升運器送入糧箱。同時，青稞芒莖由排草口進入后置秸稈打捆裝置，喂入芒莖被擠壓至打捆裝置一側(cè)并通過打結(jié)繩捆扎，所打草捆長度達到預設長度時，通過凸輪離合裝置帶動打結(jié)器工作，完成對打結(jié)繩的打結(jié)作業(yè)，已完成的草捆經(jīng)由后續(xù)打草捆連續(xù)擠出，完成青稞芒莖打捆作業(yè)。自走式青稞聯(lián)合收獲打捆一體機便于青稞芒莖田間收集運輸，能滿足青稞機械化聯(lián)合收獲要求，實現(xiàn)收獲、打捆一體化作業(yè)[11]。

1.2 工作參數(shù)分析

自走式青稞聯(lián)合收獲打捆一體機田間作業(yè)相關的籽粒破碎率、碎芒率與成捆率是影響其作業(yè)質(zhì)量與性能的關鍵評價指標。參考相關文獻并根據(jù)前期田間試驗研究和收獲經(jīng)驗[11-13]，選定與自走式青稞聯(lián)合收獲打捆一體機作業(yè)質(zhì)量相關樣機的前進速度、紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速4個因素作為試驗變量。

其中，依照自走式青稞聯(lián)合收獲打捆一體機駕駛操作臺檔位設置，前進速度控制在1.30～2.40 m·s-1之間[9,11]。脫粒-碎芒揉芒裝置中脫粒滾筒結(jié)構如圖2所示，主要由紋桿-桿齒組合滾筒(圖2a)與攜有碎芒揉芒條的凹板(圖2b)組成。依據(jù)前期研究結(jié)果，滾筒直徑為600 mm、長度為2 200 mm，滾筒轉(zhuǎn)速在860～1 020 r·min-1之間，滾筒脫粒元件可通過設置于其兩側(cè)限位孔來調(diào)節(jié)脫粒間隙(在13～23 mm之間)；凹板包角為216°，弧長450 mm[9,11,14]。當青稞作物由喂入螺旋進入脫粒-碎芒揉芒裝置時，滾筒前段紋桿焊合與凹板前段設置的碎芒揉芒條相配合作業(yè)時，緩解了脫粒元件對青稞籽粒的打擊，增加了對青稞穗芒的揉搓能力，在提升碎芒率的同時降低破碎率；且后續(xù)桿齒進一步加大對脫粒物料的分離能力，減少后續(xù)打捆飼草中對青稞籽粒的夾帶損失。

自走式青稞聯(lián)合收獲打捆一體機后置秸稈打捆裝置如圖3所示，為保證打捆室與紋桿-桿齒組合滾筒排草口對接，通過連接裝置固定安裝于一體機尾部。當脫粒清選系統(tǒng)啟動時，打捆裝置主動帶輪與聯(lián)合收獲機變速箱輸出軸通過皮帶配合相聯(lián)動，同時將動力經(jīng)鏈輪傳遞至打捆機底部的錐齒輪箱，實現(xiàn)扭矩換向傳遞。由于壓縮裝置齒輪組與錐齒輪輸出軸同軸，從動齒輪與活塞驅(qū)動鏈輪同步轉(zhuǎn)動使得壓縮裝置實現(xiàn)往復式運動。考慮作業(yè)機喂入量與青稞草谷比，在保證機具作業(yè)效率的前提下，設計壓縮裝置往復頻率為60～80 次·min-1，此時，打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速對應控制在600～800 r·min-1[9,11]。

由上述工作參數(shù)分析可知，在脫粒間隙不變的情況下，當增加樣機前進速度、紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速及打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速時，自走式青稞聯(lián)合收獲打捆一體機的喂入量逐漸增加，青稞脫出物的縱軸向輸送速度增大，壓縮裝置往復運動頻率加快，致使籽粒破碎率、碎芒率與成捆率均有所上升；而在紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速不變的情況下，當減緩樣機前進速度及打捆裝置的主動帶輪轉(zhuǎn)速、增大脫粒間隙時，一體機的籽粒破碎率與碎芒率均有所下降，而成捆率受進入打捆室內(nèi)青稞脫出物質(zhì)量的影響也出現(xiàn)降低趨勢。因此，在青稞機械化收獲、打捆一體化作業(yè)過程中，考慮工作參數(shù)實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)的基礎上，樣機前進速度、紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速的高低等皆是影響青稞聯(lián)合收獲打捆一體機工作性能優(yōu)劣的關鍵因素。

2 青稞機械化聯(lián)合收獲打捆試驗

2.1 試驗概況

2019年8月在國家大麥青稞技術產(chǎn)業(yè)體系甘南綜合試驗站試驗田35°6′N,102°55′E進行青稞聯(lián)合收獲打捆一體機田間作業(yè)性能試驗，如圖4所示。試驗田為雨養(yǎng)旱作地，地面較為平整，土壤濕度為35.4%，待收青稞品種為‘甘青4號’，草谷比為1∶1.18，無明顯倒伏狀況，青稞長勢平均高度為685 mm，試驗面積為0.35 hm2[9]。試驗前對作業(yè)機進行空轉(zhuǎn)運行檢查，在試驗過程中對樣機前進速度(1.30～2.40 m·s-1)、紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速(860～1 020 r·min-1)、脫粒間隙(13～23 mm)和打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速(600～800 r·min-1)進行調(diào)試。

2.2 試驗方法

按照一體機預期實現(xiàn)的設計功能，結(jié)合國家標準《GB/T 5262-2008農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》[15]《GB/T 8097-2008收獲機械聯(lián)合收割機試驗方法》[16]規(guī)定的試驗方法進行試驗，待機器空轉(zhuǎn)滾筒、打捆裝置運行正常后進行作業(yè)性能試驗。測定作業(yè)機籽粒破碎率、碎芒率和成捆率，同時在試驗過程中觀察收獲割臺、脫粒-碎芒揉芒裝置、后置秸稈打捆裝置的工作運轉(zhuǎn)情況與可靠性。以3次的測定平均值為測試結(jié)果，籽粒破碎率、碎芒率和成捆率計算公式如下[9,11,17-19]：

(1)

(2)

(3)

式中，Y1為籽粒破碎率，%;Y2為碎芒率，%；Y3為成捆率，%；G為抽樣籽粒的質(zhì)量，g；G1為抽樣中破碎籽粒質(zhì)量，g；M1為抽樣中長度不足20 mm穗芒質(zhì)量，g；M為抽樣穗芒質(zhì)量，g；N1為未完全扎結(jié)成型的草捆個數(shù)，個；N為總體產(chǎn)生的草捆個數(shù)，個。

2.3 響應曲面法試驗方案

為減少試驗次數(shù)，采用Box-Behnken試驗設計原理[21-22]，以樣機前進速度(x1)、紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速(x2)，脫粒間隙(x3)和打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速(x4)為自變量，籽粒破碎率(Y1)、碎芒率(Y2)和成捆率(Y3)為響應值，各試驗因素水平編碼如表1所示，分別實施29組響應面分析試驗(如表2所示)。應用Design-Expert 8.0.6.1軟件進行數(shù)據(jù)處理分析。

表1 因素水平編碼

表2 響應面分析結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 籽粒破碎率、碎芒率和成捆率回歸模型的建立及檢驗

借助Design-Expert 8.0.6.1軟件對籽粒破碎率(Y1)、碎芒率(Y2)和成捆率(Y3)進行回歸模型的方差分析，如表3所示，分別得到Y(jié)1、Y2和Y3二次回歸模型為：

Y1=1.470+0.019X1+0.050X2-0.021X3+

2.5×10-3X1X3-5.0×10-3X1X4-

0.070X2X3-0.010X2X4-0.015X3X4

(4)

Y2=97.54-2.44X1-1.93X2+0.21X3-

1.90X2X3+0.78X2X4+0.32X3X4

(5)

Y3=96.59-0.025X1-0.037X2+0.20X3+

0.31X1X4+0.067X2X3-0.055X2X4+

0.21X3X4

(6)

表3 籽粒破碎率、碎芒率和成捆率回歸方程方差分析

根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)的大小，可得到各因素對成捆率的影響主次順序為：X4、X3、X2、X1，即打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速和樣機前進速度。

3.2 模型交互項的解析

根據(jù)回歸模型公式(4)～(6)分別作出各交互因素對籽粒破碎率、碎芒率和成捆率之間影響極顯著或顯著關系的響應曲面圖。響應曲面的形狀能夠反映出交互因素作用的強弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則相反[20～21]。

由圖5響應曲面形狀與方差分析結(jié)果可以看出，紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速與脫粒間隙對籽粒破碎率的影響極顯著。當脫粒間隙為13 mm，紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速由860 r·min-1逐漸增大到1 020 r·min-1時，籽粒破碎率呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢。這主要是由于滾筒轉(zhuǎn)速增加，其紋桿、桿齒脫粒元件與脫粒物料的揉搓、擊打力增加，揉搓、擊打頻率持續(xù)增大，兩因素交互作用下籽粒破碎率最大值約為1.76%。

由圖6可以看出，當樣機前進速度固定在某一水平，紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速由860 r·min-1遞增至1 020 r·min-1時，碎芒率呈現(xiàn)出持續(xù)降低的變化趨勢；其中，紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速在860～940 r·min-1時變化較慢，而組合滾筒轉(zhuǎn)速在940～1 020 r·min-1時變化較快。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是當進入脫粒-碎芒揉芒裝置的物料量恒定，紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)時，紋桿脫粒元件與碎芒揉芒條的配合作用下對青稞穗芒進行充分擊打、揉搓雙重作用，使得碎芒率相對較高。當組合滾筒轉(zhuǎn)速進一步提升時，物料中青稞穗芒在脫粒-碎芒揉芒裝置內(nèi)的通過性能增強、脫粒元件有效作用時間變短，致使碎芒率逐漸減小。

由圖7可以看出，當紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速固定在某一水平，脫粒間隙由13 mm遞增至23 mm時，碎芒率呈現(xiàn)出先增大、后減小的變化趨勢，但整體變化范圍不顯著。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是試驗初期隨著脫粒間隙逐漸增大，進入的青稞物料相對適量，紋桿-桿齒組合滾筒與碎芒揉芒條配合下對青稞碎芒的有序擊打、揉搓作用較為顯著，使得該階段的碎芒率略有所提高。當脫粒間隙繼續(xù)增大時，脫粒-碎芒揉芒裝置擊打、揉搓作用強度相對弱化，且物料厚度層有所增加，致使碎芒率減小。由兩交互因素對應響應曲面的變化趨勢可以得出，紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速對碎芒率的影響大于脫粒間隙。

由圖8響應曲面分析，當打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速固定在某一水平，樣機前進速度由1.30 m·s-1向2.40 m·s-1遞增時，成捆率呈現(xiàn)出逐漸上升的變化趨勢。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是當打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速一定時，后置秸稈打捆裝置的作業(yè)速度穩(wěn)定，當樣機前進速度不斷增加時，進入一體機的青稞物料喂入量不斷增大，致使打捆裝置內(nèi)的秸稈與其穗芒數(shù)量有所上升，成捆率相應逐漸提高。由響應面形狀可以看出，樣機前進速度與打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速的交互作用對成捆率的影響極其顯著。

由圖9響應曲面分析，當脫粒間隙固定在某一水平，打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速由600 r·min-1遞增至800 r·min-1時，成捆率呈現(xiàn)出逐漸上升的變化趨勢。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是當脫粒間隙一定時，樣機內(nèi)進入的青稞物料穩(wěn)定，當打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速不斷增加時，打捆裝置壓縮活塞往復運動頻率升高，使得成捆率有所提升。兩因素交互作用下成捆率最大值約為98.75%。

3.3 最優(yōu)工作參數(shù)確定與試驗驗證

依據(jù)上述試驗結(jié)果分析，為進一步提升青稞聯(lián)合收獲打捆一體機作業(yè)性能，在各試驗因素水平約束條件下，將籽粒破碎率最小值、碎芒率和成捆率最大值均作為優(yōu)化指標，建立性能指標全因子二次回歸方程，進行目標優(yōu)化與最優(yōu)工作參數(shù)確定[22-26]：

minG1(X)=Y1(X1,X2,X3,X4)

(7)

(8)

其中

應用Design-Expert 8.0.6.1軟件中的優(yōu)化求解器對回歸方程模型(4)～(6)進行該目標下的優(yōu)化求解，得到最優(yōu)工作參數(shù)組合為：樣機前進速度為1.95 m·s-1，紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速為864 r·min-1，脫粒間隙為13 mm，打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速為600 r·min-1。

為了驗證模型(4)～(6)的可靠性，應用青稞聯(lián)合收獲打捆一體機按照上述最優(yōu)工作參數(shù)進行9次作業(yè)性能試驗，試驗材料與方法與本文2.1小節(jié)和2.2小節(jié)方法相同，如圖10所示。9次試驗的籽粒破碎率均值為1.32%、碎芒率均值為97.58%，成捆率為98.36%，表明在優(yōu)化工作參數(shù)條件下能夠降低青稞在機械化收獲過程中的破碎率，實現(xiàn)高性能碎芒與打捆，因此建立的回歸模型是可靠的。

在試驗驗證過程中發(fā)現(xiàn)，自走式青稞聯(lián)合收獲打捆一體機采用具有自主知識產(chǎn)權的脫粒-碎芒揉芒裝置，結(jié)合紋桿-桿齒組合滾筒，收獲的青稞籽粒破損率低(圖10a)，碎芒、揉芒效果好(圖10b、10c)；后置秸稈打捆裝置能夠?qū)崿F(xiàn)青稞籽粒收獲后其秸稈打捆一體化作業(yè)，便于秸稈的田間收集運輸(圖10d)，能滿足青稞機械化聯(lián)合收獲要求，實現(xiàn)收獲、打捆一體化作業(yè)，提升作為藏區(qū)牛羊主要飼草來源的青稞秸稈品質(zhì)，解決了青稞機械化收獲中不易碎芒、秸稈回收勞動強度大的難題，對發(fā)展我國青稞飼草業(yè)，促進農(nóng)牧結(jié)合、農(nóng)牧民增收和加快農(nóng)牧業(yè)現(xiàn)代化建設具有重要的意義。

4 結(jié) 論

1)結(jié)合Box-Behnken試驗設計原理，采用四因素三水平響應面分析方法，進行自走式青稞聯(lián)合收獲打捆一體機參數(shù)優(yōu)化與作業(yè)性能試驗，通過試驗優(yōu)化結(jié)果可得影響籽粒破碎率的因素由大到小依次為：紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、樣機前進速度和打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速；影響碎芒率的因素由大到小依次為：紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速、樣機前進速度、脫粒間隙和打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速；影響成捆率的因素由大到小依次為：打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速和樣機前進速度。

2)分別建立了籽粒破碎率、碎芒率和成捆率與樣機前進速度、紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速的二次多項式回歸模型。以籽粒破碎率最小值、碎芒率和成捆率最大值為目標，優(yōu)化得到一體機最佳工作參數(shù)：樣機前進速度為1.95 m·s-1，紋桿-桿齒組合滾筒轉(zhuǎn)速為864 r·min-1，脫粒間隙為13 mm，打捆裝置主動帶輪轉(zhuǎn)速為600 r·min-1。

3) 田間驗證試驗表明，自走式青稞聯(lián)合收獲打捆一體機作業(yè)后，籽粒破碎率均值為1.32%、碎芒率均值為97.58%，成捆率為98.36%，表明在優(yōu)化工作參數(shù)條件下一體機能夠緩解青稞在機械化收獲過程中的籽粒破碎，解決了青稞機械化收獲中不易碎芒、秸稈回收勞動強度大的難題。