黃政暉 ， 章勇杰 ， 宋源普 ， 倪忠進(jìn) ， 倪益華 ， 楊自棟 ， 溫春雨

（浙江農(nóng)林大學(xué)光機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 311300）

0 引言

浙貝母（拉丁學(xué)名：Fritillaria thunbergiiMiq.）是我國傳統(tǒng)中藥材之一[1-3]，貝母鱗莖具有幾種藥用性質(zhì)，有鎮(zhèn)咳、祛痰之效。在新冠肺炎疫情期間，含有浙貝母的金花清感顆粒在預(yù)防感染新冠中發(fā)揮了重要的作用[4-6]。

目前，由于浙貝母種植的環(huán)境條件比較苛刻，國內(nèi)外關(guān)于浙貝母收獲機(jī)械的研究頗少，收獲方式主要為人工采收。但是馬鈴薯[7]、花生[8]等類似莖塊類作物收獲機(jī)研究較為成熟。馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的收獲過程主要由挖掘、收獲、分土、拾取、清洗、分選和裝袋等環(huán)節(jié)組成[9]，因此課題組可以借鑒馬鈴薯機(jī)械化收獲機(jī)具。

通過參考國內(nèi)外莖塊類作物收獲機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)[10-11]，課題組設(shè)計(jì)了一臺浙貝母收獲機(jī)，采用了升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x裝置，通過對升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x裝置運(yùn)動特性的分析，確定了運(yùn)動參數(shù)；同時通過樣機(jī)試制進(jìn)行田間試驗(yàn)，得到各個影響因素對收獲指標(biāo)的影響，并對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合，并驗(yàn)證影響因素優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果基本相同。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

浙貝母收獲機(jī)械通過三點(diǎn)懸掛與配套動力為14.5 kW的拖拉機(jī)相連。整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由牽引裝置、挖掘鏟、升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x裝置、傳動系統(tǒng)、機(jī)架和地輪等組成，如圖1所示。

圖1 收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

作業(yè)時，收獲機(jī)由小型四輪拖拉機(jī)提供動力，通過拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)控制合適的入土深度，再經(jīng)過升運(yùn)鏈?zhǔn)截愅练蛛x裝置的抖動、輸送，將大部分土壤和夾雜物篩落，篩選完的浙貝母通過升運(yùn)鏈的拋擲被拋于壟面之上便于后期的撿拾和收集。

2 升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用桿條升運(yùn)鏈?zhǔn)截愅练蛛x裝置，通過鏈條的抖動和振動器的振動，使土壤、莖稈和雜草等雜質(zhì)通過桿條之間的間隙從貝土分離裝置中漏下，進(jìn)行貝土的分離，最后將浙貝母拋至于地面，安裝時與挖掘鏟水平距離相距30 mm，防止浙貝母混合物挖掘起來后直接落于地面。其主要參數(shù)包括長度、寬度、線速度和桿條間距等，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 輸送分離裝置結(jié)構(gòu)簡圖

2.1 升運(yùn)鏈工作寬幅設(shè)定

結(jié)合實(shí)地測量可得，挖掘鏟的寬度為B=800 mm，為了整個機(jī)器的協(xié)調(diào)安裝及流暢運(yùn)行，升運(yùn)鏈與機(jī)架側(cè)板之間留有15 mm左右的間隙，則確定貝土分離裝置的工作寬幅為770 mm。升運(yùn)分離裝置的桿條直徑一般為9 mm～11 mm，貝土混合物與桿條的接觸為面接觸，桿條直徑越大，接觸面積越大。為增大桿條與貝土混合物接觸面積，增強(qiáng)分離效果，選用直徑為11 mm，材料為45鋼的桿條作為本研究中的升運(yùn)鏈桿條。對浙貝母幾何尺寸的測定，其三個方向上的平均尺寸分別為36.63 mm，32.74 mm，19.43 mm，為了分離裝置能有效篩分貝土混合物使土壤落下，設(shè)計(jì)桿條間距為30 mm。

2.2 振動器裝置

采用主動振動器，將兩個半徑為80 mm的振動輪安裝在厚度為5 mm支座上，分別在軸的兩端將支座通過螺栓連接安裝在旋轉(zhuǎn)軸。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主動振動器結(jié)構(gòu)圖

3 輸送分離裝置的運(yùn)動特性

升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x裝置的運(yùn)動分析可從分離裝置的自身運(yùn)動特性和在分離裝置上的貝土混合物的運(yùn)動兩方面展開。升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接關(guān)系到貝土混合物的運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)而影響分離和收獲效果，振動器將振動疊加，使原本的單一運(yùn)動變?yōu)閺?fù)雜的復(fù)合運(yùn)動，進(jìn)而改變了在升運(yùn)鏈上的貝土混合物的運(yùn)動，最終完成貝土分離作業(yè)，如圖4所示。

圖4 升運(yùn)鏈運(yùn)動分析圖

通過振動器周期轉(zhuǎn)動帶動升運(yùn)鏈在垂直鏈面方向上下往復(fù)振動，近似為簡諧運(yùn)動，以垂直于鏈面的方向?yàn)槲灰频恼较颍∩\(yùn)鏈振動初始振動點(diǎn)為位移零點(diǎn)，得位移與時間方程：

式中，S為升運(yùn)鏈在垂直于篩面方向的位移距離，mm；A為振動輪軸線中心距，mm；β為初相位角，°；ω為抖動器角速度，rad/s；t為時間，s。

通過位移方程對時間t進(jìn)行求導(dǎo)，可以得到速度方程：

式中，v為升運(yùn)鏈垂直于篩面的速度，m/s。

通過速度方程對時間t進(jìn)行求導(dǎo)，可以得到加速度方程：

式中，a為升運(yùn)鏈垂直于篩面的加速度，m/s2。

在升運(yùn)鏈工作過程中振動器振動產(chǎn)生的頻率和升運(yùn)鏈振動的頻率相同，因此升運(yùn)鏈振動頻率和角度的關(guān)系為：

式中，f為振動器的頻率，Hz。

將公式（4）代入公式（2）和（3）得：

由上式（5）可知振動器工作時對升運(yùn)鏈產(chǎn)生的振幅和頻率，對升運(yùn)鏈垂直鏈方向上速度、加速度的影響關(guān)系。

3.1 升運(yùn)鏈線速度的確定

為了使貝土混合物能夠在升運(yùn)鏈上順利輸送和篩分，同時不產(chǎn)生壅土和堵塞現(xiàn)象，收獲時升運(yùn)鏈線速度應(yīng)大于機(jī)具前進(jìn)速度。因此，機(jī)具前進(jìn)速度與升運(yùn)鏈線速度之間的關(guān)系式為：

式中，λ為速度系數(shù)；v為升運(yùn)鏈線速度，m/s；vs為浙貝母收獲機(jī)具前進(jìn)速度，m/s。

速度系數(shù)λ一般取值為0.8～2.5，根據(jù)本次設(shè)計(jì)所針對的土壤類型，取速度系數(shù)λ=1.30，通過前期收獲試驗(yàn)測得收獲速度為0.6 m/s～1.5 m/s，升運(yùn)鏈線速度范圍為0.8 m/s～2 m/s，取v=1.4 m/s。

3.2 升運(yùn)鏈傾角的確定

貝土混合物在升運(yùn)鏈上運(yùn)動時的受力分析如圖5所示，其受力包括混合物本身的重力G、升運(yùn)鏈對混合物的支撐力FN、混合物與升運(yùn)鏈桿條之間的摩擦力f。

圖5 貝土混合物受力分析

貝土混合物沿著升運(yùn)鏈篩面向后運(yùn)動的受力方程為：

式中，F(xiàn)N為貝土混合物對升運(yùn)鏈壓力，N；m為貝土混合物質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；α為升運(yùn)鏈傾角，°；FX為混合物受到的線速度方向合力，N；f為混合物與升運(yùn)鏈桿條之間的摩擦力，N；a為混合物沿升運(yùn)鏈運(yùn)動的加速度，m/s2。

貝土混合物與升運(yùn)鏈桿條的靜摩擦因數(shù)為μ，本次μ取0.60，可得：

在收獲過程中，貝土混合物經(jīng)過振動器躍起碰撞后被輸送至機(jī)具后方，此時浙貝母在速度方向的合力應(yīng)該與升運(yùn)鏈線速度方向是一樣的，則：

將μ代入，得到升運(yùn)鏈傾角α≤31.0°。

在升運(yùn)鏈傾角的設(shè)計(jì)過程中，升運(yùn)鏈的傾角應(yīng)等于或者略大于挖掘鏟傾角。二階挖掘鏟安裝傾角為20.0°，因此升運(yùn)鏈傾角α≥20.0°。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的升運(yùn)鏈分離裝置傾角為20.0°≤α≤31.0°。工作過程中可通過拖拉機(jī)懸掛液壓桿對傾角進(jìn)行改變。

3.3 振動器工作參數(shù)確定

通過振動器的振動作用[12]，使得貝土混合物向上躍起離開升運(yùn)鏈表面，此時貝土混合物受到的摩擦力為f1，垂直于鏈面向上的慣性力W1，和對升運(yùn)鏈的壓力FN。貝土混合物被拋離升運(yùn)鏈時的受力分析如圖6所示。

圖6 躍起過程受力分析

當(dāng)貝土混合物被拋離升運(yùn)鏈表面時，其對升運(yùn)鏈的壓力FN為零，此時可以建立方程：

式中，m1為貝土混合物質(zhì)量，kg；α為升運(yùn)鏈安裝傾角，°；g為重力加速度，m/s2；a為豎直方向加速度，m/s2。

將公式（5）代入公式（10），當(dāng)加速度取最大時，得：

對混合物的躍起過程進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，如圖7所示。

圖7 貝土混合物躍起過程運(yùn)動學(xué)分析

要完成貝土混合物在升運(yùn)鏈上的輸送，貝土混合物在升運(yùn)鏈線速度方向的分速度大于機(jī)具的分速度。則可得：

式中，v為升運(yùn)鏈線速度，m/s；v0為浙貝母收獲機(jī)具前進(jìn)速度，m/s。

貝土混合物躍起的最大高度為：

式中，v1為貝土混合物在垂直方向的分速度，m/s。

由于振動器的作用，當(dāng)升運(yùn)鏈垂直方向速度達(dá)到極限時，則：

通過查閱文獻(xiàn)和拋落試驗(yàn)可知，浙貝母被拋起落于金屬表面高度應(yīng)小于250 mm，小型四輪拖拉機(jī)的收獲速度0.6 m/s～1.5 m/s，升運(yùn)鏈傾角為20.0°≤α≤31.0°，且ω=2πf。由上式代入計(jì)算得：

本文設(shè)計(jì)的振動器為主動型，由驅(qū)動輪側(cè)鏈輪帶動，其轉(zhuǎn)速為n，根據(jù)頻率計(jì)算公式，可得振動器工作頻率為：

式中，Z為振動器凸頂數(shù)，根據(jù)選型Z=2；n為振動器輸入軸轉(zhuǎn)速，r/min。

振動器的頻率范圍為3 Hz～12 Hz，確定其頻率為8 Hz。將f=8 Hz，Z=2代入上式（16）計(jì)算，可計(jì)算得振動器的轉(zhuǎn)速n=240 r/min。

3.4 升運(yùn)鏈長度的確定

通過土塊破碎的運(yùn)動分析，進(jìn)而得出與試驗(yàn)示范地土壤特性相匹配的升運(yùn)鏈長度。將土壤理想化為一個球體，其破裂過程的受力分析如圖8所示。

圖8 土壤破裂過程的分析

在破裂過程中，其所受破裂力矩應(yīng)大于其內(nèi)力的吸附力矩，此時才能保證土壤被破碎[13]，得：

其中：

式中，W3、W4為破碎球體所受慣性力，N；F3、F4為土壤粘結(jié)力，N；f3、f4為土壤所受周圍物體作用力，N；h1、h2為兩半球質(zhì)心與土壤斷裂面的垂直距離，mm；m3、m4為破裂球體質(zhì)量，kg；h3、h4為P點(diǎn)與兩半球體質(zhì)心S3、S4之間的水平距離，mm；G3、G4為兩半球體的重力，N；H為土壤質(zhì)心與碰撞點(diǎn)之間的垂直距離，mm。

在分離過程中，由于貝土混合物之間產(chǎn)生碰撞較小，故忽略不計(jì)，得到土壤破碎所需的破碎力矩和升運(yùn)鏈對土壤產(chǎn)生破碎力矩的關(guān)系式為：

設(shè)球體土壤理想模型半徑為R，根據(jù)球體幾何關(guān)系可得：

其中，土壤破碎難易程度與斷裂面面積和黏聚力正相關(guān)，則土壤粘結(jié)力的計(jì)算公式為：

式中，c為土壤黏聚力[14]，kPa；S為土壤斷裂面面積，cm2。

土壤的重力：

式中，γ為土壤容量，g/cm3；V為土壤容積，cm3。

將公式（5）（18）（20）（21）代入公式（19），加速度取峰值的數(shù)值，此時升運(yùn)鏈運(yùn)動時產(chǎn)生最大破碎力矩為：

忽略土壤所受周圍物體的作用力，簡化公式可得：

式中，Ei為升運(yùn)鏈抖振動一次對土壤產(chǎn)生的沖擊，E為土壤徹底破碎所需要的能量[15-16]。因此，土壤破碎需要振動的次數(shù)為：

一般土壤耕作層容量為1.0 g/cm3～1.4 g/cm3，收獲時由于土壤中含有浙貝母，因此取γ=1.3 g/cm3。取c=16 kPa。本文設(shè)計(jì)的桿條間距為30 mm，貝土混合物的半徑取大于浙貝母三軸尺寸的最大值，則R=20 mm。代入計(jì)算可得ni=15.38，取整數(shù)ni=16，即振動器簡諧運(yùn)動經(jīng)過ni/2個周期。則土壤破碎過程需要經(jīng)過的最短長度為：

式中，T為振動器簡諧運(yùn)動的周期，s。

上述計(jì)算可得浙貝母收獲機(jī)升運(yùn)鏈的線速度一般取0.8 m/s～2 m/s。根據(jù)計(jì)算，取得土壤破碎過程所經(jīng)過的長度為1.4 m，即需要升運(yùn)鏈長度為1.4 m。

3.5 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浙貝母收獲機(jī)與機(jī)組配套使用的拖拉機(jī)的后輸出軸的輸出轉(zhuǎn)速為540 r/min，故收獲機(jī)械的動力傳動系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 動力傳輸系統(tǒng)

齒輪箱為動力傳輸系統(tǒng)中的核心部件，齒輪箱為一大一小錐齒輪正交傳動，進(jìn)行變速，一對錐齒輪均采用45鋼。為實(shí)現(xiàn)齒輪箱的減速工作，通過升運(yùn)鏈和振動的轉(zhuǎn)速來對兩齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)：

式中，i為錐齒輪傳動比，通常為1～3；n1為大錐齒輪轉(zhuǎn)速（拖拉機(jī)后輸出軸轉(zhuǎn)速），n1=540 r/min；n2為小錐齒輪轉(zhuǎn)速，r/min；v為升運(yùn)鏈線速度，v=1.4 m/s；D為主動輪直徑，設(shè)計(jì)D=0.2 m。

根據(jù)主動輪的半徑和升運(yùn)鏈線速度可得：n3=134 r/min。

根據(jù)公式，可得i1=4.03＞3，大于錐齒輪通常的取值范圍，故不符合。因此需要通過齒輪箱進(jìn)行減速，根據(jù)GB/T 12369—1990《直齒及斜齒錐齒輪基本齒廓》，設(shè)定直齒圓錐齒輪傳動比為i1=2＜3，此時根據(jù)上述計(jì)算，振動器的轉(zhuǎn)速為n4=240 r/min，則可得：

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素

本次田間收獲試驗(yàn)根據(jù)DB33/T 532—2014《浙貝母生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。根據(jù)浙貝母收獲作業(yè)質(zhì)量考核項(xiàng)目指標(biāo)，探究各個影響因素對浙貝母收獲質(zhì)量結(jié)果的影響，分析試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳組合參數(shù)，試驗(yàn)示范區(qū)作業(yè)情況如圖10所示。

圖10 浙貝母試驗(yàn)區(qū)作業(yè)情況

為了確保田間試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，隨機(jī)取幾段長度為10 m的試驗(yàn)段，以確保測量準(zhǔn)確、記錄方便，利于數(shù)據(jù)分析。

收獲機(jī)作業(yè)后，記錄挖掘出來的浙貝母數(shù)量a，再由人工在收獲地進(jìn)行漏挖檢查，漏挖數(shù)量為b，代入公式測定挖凈率：

在收獲的浙貝母數(shù)量a中進(jìn)行破損檢查，破損浙貝母個數(shù)數(shù)量c（浙貝母鱗莖破損定義：表皮缺損超過0.5 cm2或者浙貝母體積缺損五分之一以上），代入公式測定破損率：

4.2 田間試驗(yàn)

2020年5月中旬在浙江省磐安縣迎賓家庭農(nóng)場進(jìn)行了田間收獲試驗(yàn)，如圖11所示。試驗(yàn)的具體條件測定按GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件 測定方法的一般規(guī)定》進(jìn)行測定，測定結(jié)果如下：種植田的壟長約為4 000 mm，壟距約1 000 mm，壟高約250 mm，土壤類型為砂質(zhì)土壤，土壤含水率為21%～30%。浙貝母壟播株距約為100 mm，貝母埋深約為50 mm。浙貝母收獲機(jī)配套作業(yè)功率為14.5 kW，通過三點(diǎn)懸掛相連接。

圖11 田間收獲

4.3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

4.3.1 試驗(yàn)方案

采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方案安排影響因素試驗(yàn)組合，以浙貝母挖凈率v和破損率w為試驗(yàn)指標(biāo)。浙貝母收獲質(zhì)量的主要影響因素為機(jī)具前進(jìn)速度x1、升運(yùn)鏈傾角x2、振動器振幅x3。正交試驗(yàn)因素及水平表如表1所示。試驗(yàn)方案共包含17組試驗(yàn)組合，田間試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 正交試驗(yàn)因素及水平表

表2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對表2試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸擬合分析計(jì)算，建立浙貝母挖凈率v和破損率w對機(jī)具前進(jìn)速度x1、升運(yùn)鏈傾角x2和振動器振幅x3這3個自變量的三元二次回歸方程。

通過對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和擬合，挖凈率v回歸模型方差分析如表3所示。

由表3可知，對于試驗(yàn)指標(biāo)浙貝母挖凈率v的影響因素，其中升運(yùn)鏈傾角x2、振動器振幅x3、機(jī)具前進(jìn)速度的二次項(xiàng)x12對挖凈率v的影響是極顯著的（P＜0.01）；機(jī)具前進(jìn)速度和升運(yùn)鏈傾角的交互項(xiàng)x1x2、機(jī)具前進(jìn)速度和振動器振幅的交互項(xiàng)x1x3、升運(yùn)鏈傾角和振動器振幅的交互項(xiàng)x2x3和振動器振幅的二次項(xiàng)x23對挖凈率v的影響顯著（0.01＜P＜0.05）；升運(yùn)鏈傾角的二次項(xiàng)x22對挖凈率v的影響較顯著（0.05＜P＜0.1）；其余因素為影響不顯著（P＞0.1）。剔除不顯著的回歸項(xiàng)，得到方程式如下：

浙貝母挖凈率：

通過對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和擬合，破損率w回歸模型方差分析如表4所示。

由表4可知，對于試驗(yàn)指標(biāo)浙貝母破損率w的影響因素，其中機(jī)具前進(jìn)速度x1、升運(yùn)鏈傾角x2、機(jī)具前進(jìn)速度的二次項(xiàng)x12對破損率w的影響是極顯著的（P＜0.01）；升運(yùn)鏈傾角的二次項(xiàng)x22、振動器振幅的二次項(xiàng)x32對破損率w的影響顯著（0.01＜P＜0.05）；振動器振幅x3對破損率w的影響較顯著（0.05＜P＜0.1）；其余因素為影響不顯著（P＞0.1）。對于損傷率w的回歸模型，x1x2、x1x3和x2x3回歸項(xiàng)為不顯著。剔除不顯著的回歸項(xiàng)，優(yōu)化后得到各因素對破損率w影響的回歸方程如下：

通過表3以及表4可以看出，建立的響應(yīng)模型中的浙貝母挖凈率v和破損率w顯著水平P均小于0.05，屬于顯著；剔除不顯著影響因素后挖凈率和破損率回歸模型方差模型失擬項(xiàng)都大于0.05，則回歸方程擬合程度較好，且決定系數(shù)R2的值分別為0.977 2和0.989 1，表示回歸模型與實(shí)際情況擬合程度超過97%。綜上所述，建立的響應(yīng)模型可以用于優(yōu)化浙貝母收獲機(jī)械的參數(shù)。

表3 挖凈率v回歸模型分析

表4 破損率w回歸模型分析

根據(jù)回歸方程和試驗(yàn)結(jié)果方差分析表可知，各個因素對浙貝母挖凈率的影響效果的主次順序?yàn)檎駝悠髡穹鵻3＞升運(yùn)鏈傾角x2＞升運(yùn)鏈傾角和振動器振幅x2x3＞機(jī)具前進(jìn)速度和升運(yùn)鏈傾角x1x2＞機(jī)具前進(jìn)速度和振動器振幅x1x3；各個因素對浙貝母破損率的影響效果的主次順序?yàn)闄C(jī)具前進(jìn)速度x1＞升運(yùn)鏈傾角x2＞振動器振幅x3。

4.3.3 響應(yīng)曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)的處理，得出機(jī)具前進(jìn)速度x1、升運(yùn)鏈傾角x2和振動器振幅x3影響因素之間的交互作用對挖凈率v試驗(yàn)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，結(jié)果如圖12、圖13、圖14所示。

圖12 x1x2交互作用對浙貝母挖凈率影響效果分析

圖13 x1x3交互作用對浙貝母挖凈率影響效果分析

圖14 x2x3交互作用對浙貝母挖凈率影響效果分析

由圖12、圖13、圖14的效果響應(yīng)曲面圖可得，其規(guī)律與回歸模型方程分析結(jié)果一致。當(dāng)升運(yùn)鏈傾角和振動器振幅保持不變時，挖凈率從中心向兩端逐漸減小，得出最佳機(jī)具前進(jìn)速度范圍為0.70 m/s～0.90 m/s；當(dāng)升運(yùn)鏈傾角和機(jī)具前進(jìn)速度保持不變，振動器振幅不斷增大時，貝土混合物在升運(yùn)鏈上拋出高度更高，碰撞效果更好，挖凈率隨之增大，得出挖凈率與振動器振幅呈正相關(guān)；當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度和振動器振幅保持固定值時，升運(yùn)鏈傾角越大，貝土混合物回流現(xiàn)象越明顯，升運(yùn)鏈傾角越小，貝土混合物分離效果越差，因此得到最佳升運(yùn)鏈傾角的范圍為22°～26°。

機(jī)具前進(jìn)速度x1、升運(yùn)鏈傾角x2和振動器振幅x3影響因素之間的交互作用對破損率w試驗(yàn)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，結(jié)果如圖15、圖16、圖17所示。

由圖15、圖16、圖17的效果響應(yīng)曲面圖可得，其規(guī)律與回歸模型方程分析結(jié)果一致。對破損率的影響趨勢為機(jī)具前進(jìn)速度越慢，升運(yùn)鏈傾角越小，振動器振幅保持一定時，浙貝母的破損率最低。主要原因是機(jī)具前進(jìn)速度越快和升運(yùn)鏈傾角越大時，浙貝母離開升運(yùn)鏈拋向地面的沖擊越大，容易導(dǎo)致浙貝母破碎。

圖15 x1x2交互作用對浙貝母破損率影響效果分析

圖16 x1x3交互作用對浙貝母破損率影響效果分析

圖17 x2x3交互作用對浙貝母破損率影響效果分析

4.3.4 參數(shù)優(yōu)化驗(yàn)證

通過機(jī)具前進(jìn)速度x1、升運(yùn)鏈傾角x2和振動器振幅x3交互因素對浙貝母挖凈率、破損率的響應(yīng)曲面分析，得出各個影響因素對響應(yīng)值的影響規(guī)律。然后通過Design-Expert軟件的Optimization功能，對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，作出最佳調(diào)整。即當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為0.738 m/s、升運(yùn)鏈傾角為21.36°，振動器振幅為57.81 mm時，浙貝母挖凈率v為96.39%，破損率w為3.01%。此時綜合指標(biāo)最大，符合浙貝母收獲質(zhì)量要求。如表5所示。

表5 優(yōu)化參數(shù)組合表

借鑒軟件分析得出的最優(yōu)解，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)加工過程，最終確定本文設(shè)計(jì)的浙貝母收獲機(jī)在完成收獲作業(yè)時，取機(jī)具前進(jìn)速度為0.75 m/s，升運(yùn)鏈傾角安裝為22°，振動器振幅為60 mm。將以上因素水平進(jìn)行驗(yàn)證，其中測量結(jié)果為測量結(jié)果的平均值，與質(zhì)量要求進(jìn)行結(jié)果對比。

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，修正因素水平后的浙貝母收獲機(jī)其挖凈率為96.05%，破損率為3.52%；挖凈率的實(shí)際值與軟件分析值的相對誤差為0.3%，破損率的實(shí)際值與軟件分析值的相對誤差為16%，但破損率仍≤5%，證明了樣機(jī)的正確性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了一種升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x裝置，并通過對分離裝置的運(yùn)動特性以及升運(yùn)鏈上貝土混合物的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分析，確定了升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x裝置的工作參數(shù)范圍和結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍。

2）分析影響貝土分離效果的主要因素，通過二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)對升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x裝置性能進(jìn)行研究，根據(jù)田間試驗(yàn)結(jié)果，建立各因素與挖凈率和破損率之間的數(shù)學(xué)模型；分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)后通過軟件參數(shù)優(yōu)化得到最佳參數(shù)組合范圍，并驗(yàn)證影響因素優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果基本相同。試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)具前進(jìn)速度為0.75 m/s，升運(yùn)鏈傾角安裝為22°，振動器振幅為60 mm時，浙貝母收獲機(jī)挖凈率為96.05%，破損率為3.52%，證明了樣機(jī)的正確性和準(zhǔn)確性。