劉文亮，閆洪余，劉 楓，姜彩宇，張 亮，王新陽

（吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

0 引言

油莎豆是一種結(jié)于地表下的核狀塊莖，體積小、數(shù)量多，與根系連接力小，易拉斷[1-2]。機(jī)械化收獲過程中，只適合采用挖掘的方法，收獲物中同時(shí)存在著油莎豆、草茬、土壤等因素，其中，土壤是諸因素的主要矛盾，應(yīng)重點(diǎn)解決[3-5]。另外，油莎豆是連接在根須上，如果沒有很好的脫粒機(jī)構(gòu)，油莎豆就不能與根須分離干凈[6-9]。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的油莎豆收獲機(jī)，無論是滾篩式還是振動(dòng)篩式的結(jié)構(gòu)，均是采用多層不同孔型和孔徑的篩片，對(duì)油莎豆、草茬、土壤等具有不同物理特性的混合物進(jìn)行分離，這一方法較好地解決了根莖草的分離問題，但對(duì)土的分離去除效果并不理想，并且作業(yè)效率低。主要原因：一是各工作部件功能單一，輸送部件只負(fù)責(zé)輸送，油莎豆、草茬、土壤的分離和去除基本上全部在分離清選裝置上完成，當(dāng)喂入量較大時(shí)，分離清選裝置處理速度就會(huì)跟不上；二是這些機(jī)型普遍通過提高篩分面積的辦法來提高篩凈率和分離效果，不僅效率提高有限，還常常因?yàn)樵黾恿撕Y眼數(shù)量和篩分面積帶來分離清選裝置質(zhì)量和體積的增大，造成機(jī)器動(dòng)力消耗的增加和可靠性降低[10-19]。為有效提高油莎豆的收凈率和收獲效率，從油莎豆收獲物的輸送、脫粒、分離清選全流程整體考慮，設(shè)計(jì)一種復(fù)合篩分式的油莎豆收獲機(jī)，并開展了鍵式分離裝置性能試驗(yàn)和田間檢測(cè)試驗(yàn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

考慮到現(xiàn)有油莎豆收獲機(jī)去土效果差是因?yàn)槭斋@物中土含量大、分離清選裝置能力不足，課題組設(shè)計(jì)了一種落土能力更強(qiáng)的單層扭簧式升運(yùn)網(wǎng)鏈。同時(shí)，為了提高油莎豆、草茬、土壤的篩凈率和分離效果，設(shè)計(jì)了橫向切流脫粒滾筒+鍵式分離裝置的復(fù)合式篩分裝置。在復(fù)合式篩分裝置之后設(shè)計(jì)鏈條輸送器+吸雜風(fēng)機(jī)除雜裝置。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure

1.2 工作原理

拖拉機(jī)牽引帶動(dòng)行走輪行走并驅(qū)動(dòng)工作部件運(yùn)轉(zhuǎn)。旋耕輥將地表下一定深度埋有油莎豆的土旋松拋撒。鏟土板鏟起混有油莎豆、草茬、根須和土壤的混合物，經(jīng)升運(yùn)網(wǎng)鏈抖動(dòng)篩除部分土后，送入脫粒滾筒。油莎豆及細(xì)小的草茬、根須和土壤經(jīng)脫粒滾筒的凹板篩落入下方的鍵式分離裝置前端，其余比較大的混合物經(jīng)脫粒滾筒后方出料口排出落到鍵式分離裝置中部。在鍵式分離裝置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)顛簸作用下，比較大的草茬、根須從鍵式分離裝置尾端落到地表還田。油莎豆及部分細(xì)小的草茬、根須和土壤經(jīng)鍵式分離裝置篩面落進(jìn)下方的水平鏈條輸送器，在水平鏈條輸送器和風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)一步分離，最后輸出潔凈的油莎豆到籽粒箱。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 升運(yùn)網(wǎng)鏈

升運(yùn)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)如圖2 所示，設(shè)計(jì)為鋼絲扭簧與銷軸組成的鋼絲網(wǎng)帶結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為節(jié)距相等的鏈條，鏈條之間用銷軸連接，銷軸上安裝長(zhǎng)臂扭簧、短臂扭簧。該設(shè)計(jì)最大程度增大了網(wǎng)鏈孔隙面積，減少了土壤下落過程中的通過層數(shù)，從而提升土壤的通過率和流動(dòng)性。在長(zhǎng)臂扭簧上設(shè)計(jì)立柱，形成如同帶孔刮板的結(jié)構(gòu)，防止網(wǎng)鏈上收獲物的下滑。該設(shè)計(jì)對(duì)油莎豆、草茬有很高的輸送效率，同時(shí)對(duì)土壤和較小的雜余有很好的分離作用。

圖2 網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)Fig.2 Network chain structure

2.2 復(fù)合篩分裝置

復(fù)合篩分裝置如圖3 所示，主要由脫粒滾筒、鍵式分離裝置、吹雜風(fēng)機(jī)組成，將弓形齒擊打脫附、多鍵式分離裝置、風(fēng)力清選等技術(shù)綜合在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)油莎豆表面附著物的脫附，根系草與豆土的分離，油莎豆與土壤的分離，油莎豆摻雜物的首道風(fēng)力去除。脫粒滾筒由多根脫粒齒桿組成，它們的軸向與滾筒軸的軸線平行，呈圓筒狀分布在滾筒軸的周圍。脫粒齒桿通過螺栓固定在幅盤上。脫粒元件按一定的排布規(guī)律和傾角焊接在脫粒齒桿上。鍵式分離裝置主要由4個(gè)鍵箱和2 根曲軸組成，形成平行四桿機(jī)構(gòu)，工作時(shí)，在曲軸連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下整個(gè)鍵箱做拋揚(yáng)式運(yùn)動(dòng)，較長(zhǎng)的莖稈沿尾部排出機(jī)外，油莎豆籽粒、松散的土壤和較短的草莖通過鍵面篩孔掉落到下層篩板上進(jìn)行篩分清選。吹雜風(fēng)機(jī)布置于鍵式分離裝置末端的下方，出風(fēng)口朝向油莎豆從鍵式分離裝置下層篩板下落的方向，風(fēng)機(jī)吹出的氣流方向與物料運(yùn)動(dòng)方向相反。將草莖雜質(zhì)吹出。

圖3 復(fù)合篩分裝置Fig.3 Compound screening device

2.3 水平鏈條輸送器+吸雜風(fēng)機(jī)組合

對(duì)分離清選后油莎豆輸送環(huán)節(jié)采用水平鏈條輸送器結(jié)構(gòu)（支桿間距小于油莎豆粒徑），并在上方布置吸雜風(fēng)機(jī)，如圖4 所示。這種布局和結(jié)構(gòu)，可以有效地對(duì)分離清選裝置起到補(bǔ)充作用：一方面，吸雜風(fēng)機(jī)會(huì)把碎草等較輕的雜物和物料上層夾雜的土壤吸走；另一方面，碎草被吸走過程產(chǎn)生對(duì)物料的擾動(dòng)，從而加快底層土壤從支桿間隙中落下。

圖4 水平鏈條輸送器+吸雜風(fēng)機(jī)組合Fig.4 Combination of horizontal chain conveyor and suction fan

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法及結(jié)果

3.1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)臺(tái)架如圖5 所示，采用3 因素5 水平的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)方法，選取曲軸轉(zhuǎn)速、分離裝置角度、擋板角度為因素，以篩凈率和落粒損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行23 組試驗(yàn)。試驗(yàn)所選的因素水平范圍根據(jù)該機(jī)設(shè)計(jì)和參考相關(guān)研究選定[20-28]。選定曲軸轉(zhuǎn)速180～220 r/min，分離裝置角度6°～8°，擋板角度50°～70°。篩凈率和落粒損失率按式（1）、式（2）計(jì)算。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)架Fig.5 Test bench

式中ρ1?篩凈率

ρ2?落粒損失率

W1?收獲物中雜質(zhì)質(zhì)量

W2?收獲物質(zhì)量

W3?損失籽粒質(zhì)量

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

因素水平編碼與試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2 所示。

表1 因素水平編碼Tab.1 Factor and levels coding table

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.2 Response surface test design and results

3.2 結(jié)果分析

利用Design-expert 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合及顯著性分析，可以得到篩凈率與落粒損失率的回歸方程。

式中A?曲軸轉(zhuǎn)速

B?分離裝置角度

C?擋板角度

3.2.1 篩凈率方差分析

由表3 可知，模型P值<0.000 1，說明回歸模型極為顯著。失擬項(xiàng)P值為0.961 7（P>0.05），影響不顯著，說明該方程擬合度良好具有研究意義。分析各因素的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)和交互項(xiàng)的P值可知，一次項(xiàng)因素A、B、C的P值均<0.05，影響顯著；二次項(xiàng)因素A2、B2、C2的P值均<0.05，影響顯著；交互項(xiàng)因素AB的P值為0.089 7>0.05，影響不顯著，AC、BC的P值均<0.05，影響顯著。由表中F值大小分析可知，因素影響的主次順序?yàn)锽>A>C，即鍵式分離裝置安裝角度>曲軸轉(zhuǎn)速>擋板安裝角度。去掉未篩凈率回歸方程中的不顯著項(xiàng)，可以得到新的回歸方程為

表3 篩凈率回歸方程方差分析Tab.3 Variance analysis of screening rate by regression equation

3.2.2 落粒損失率方差分析

由表4 可知，模型P值<0.000 1，說明回歸模型極為顯著。失擬項(xiàng)P值為0.064 4（P>0.05），影響不顯著，說明該方程擬合度良好，具有研究意義。分析各因素的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)和交互項(xiàng)的P值可知：一次項(xiàng)因素A、B、C的P值均<0.05，影響顯著；二次項(xiàng)因素A2、B2、C2的P值均<0.05，影響顯著；交互項(xiàng)因素AC的P值為0.149 5>0.05，影響不顯著，AB、BC的P值均<0.05，影響顯著。由表中F值大小分析可知，因素影響的主次序?yàn)锳>B>C，即曲軸轉(zhuǎn)速>鍵式分離裝置安裝角度>擋板安裝角度。

表4 落粒損失率回歸方程方差分析Tab.4 Variance analysis of shedding loss rate by regression equation

去掉落粒損失率回歸方程中的不顯著項(xiàng)，可以得到新的回歸方程為

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程施工階段是事故高發(fā)階段，許多橋梁工程質(zhì)量問題出現(xiàn)，都緣于施工階段的不良施工行為。鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程施工階段風(fēng)險(xiǎn)把控的力度，直接影響著橋梁工程最終的施工質(zhì)量。從每一個(gè)施工環(huán)節(jié)抓起，將風(fēng)險(xiǎn)控制工作落實(shí)到施工過程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，才能促進(jìn)橋梁工程施工質(zhì)量的提高。

3.3 各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響分析

3.3.1 篩凈率

根據(jù)篩凈率回歸方程得出的響應(yīng)曲面如圖6 所示。由圖6a 可知，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著鍵式分離裝置安裝角度的增大，篩凈率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。由圖6b 可知，當(dāng)擋板安裝角度一定時(shí)，隨著曲軸轉(zhuǎn)速的增大，篩凈率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。由圖6c 可知，當(dāng)擋板安裝角度一定時(shí)，隨著鍵式分離裝置安裝角度的不斷增大，篩凈率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)鍵式分離裝置安裝角度一定時(shí)，隨著擋板安裝角度的增大，篩凈率也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

圖6 篩凈率正交試驗(yàn)響應(yīng)面Fig.6 Response surface of screening rate orthogonal test

3.3.2 落粒損失率

根據(jù)落粒損失率回歸方程得出的響應(yīng)曲面如圖7 所示。由圖7a 可知，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著鍵式分離裝置安裝角度的增大，落粒損失率呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)。由圖7b 可知，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著擋板安裝角度的增大，落粒損失率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。由圖7c 可知，當(dāng)鍵式分離裝置安裝角度一定時(shí)，隨著擋板安裝角度的增大，落粒損失率呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)，當(dāng)擋板安裝角度一定時(shí)，隨著鍵式分離裝置安裝角度的增大，落粒損失率也呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)。

圖7 落粒損失率正交試驗(yàn)響應(yīng)面Fig.7 Response surface of shedding loss rate orthogonal test

4 田間檢測(cè)

復(fù)合篩分式油莎豆收獲機(jī)于2021 年10 月在吉林省前郭縣前龍坑村油莎豆試驗(yàn)田進(jìn)行了田間作業(yè)性能試驗(yàn)，對(duì)機(jī)組收獲效率、落粒損失率進(jìn)行檢測(cè)，如圖8 所示。

圖8 田間試驗(yàn)Fig.8 Field experiment

4.1 收獲效率檢測(cè)

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)機(jī)組前進(jìn)方向取3 組10 m 區(qū)間記作N1、N2、N3，以旋耕刀水平距拖拉機(jī)最近旋轉(zhuǎn)直徑頂點(diǎn)與區(qū)間標(biāo)志物重合作為秒表計(jì)時(shí)開始和結(jié)束信號(hào)，記錄機(jī)具通過每一區(qū)間所用時(shí)間，記作t1、t2、t3。試驗(yàn)測(cè)得通過區(qū)間N1時(shí)間平均為24.86 s，通過區(qū)間N2時(shí)間平均為26.15 s，通過區(qū)間N3時(shí)間平均為25.31 s。通過計(jì)算可得機(jī)具每通過一個(gè)10 m 區(qū)間平均耗時(shí)25.44 s。試驗(yàn)田每壟寬度為1.3 m，所以區(qū)間面積為13 m2，經(jīng)計(jì)算，收獲效率為0.184 hm2/h。

4.2 落粒損失率檢測(cè)

在每個(gè)10 m 測(cè)試區(qū)間內(nèi)取3 組共9 組400 mm×400 mm 的正方形區(qū)域進(jìn)行挖掘，對(duì)沒有收獲到的油莎豆進(jìn)行收集并測(cè)得其質(zhì)量。同樣，對(duì)區(qū)間內(nèi)機(jī)具收獲的油莎豆進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量，如表5 所示。落粒損失率為

表5 落粒損失率Tab.5 Harvest loss rate

M?區(qū)間內(nèi)機(jī)具收獲油莎豆質(zhì)量

通過計(jì)算：第1 次落粒損失率為2.9%，第2 次落粒損失率為2.8%，第3 次落粒損失率為2.7%。油莎豆收獲機(jī)在收獲時(shí)的平均落粒損失率為2.8%，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種復(fù)合篩分式的油莎豆收獲機(jī)，開展了鍵式分離裝置臺(tái)架試驗(yàn)，以曲軸轉(zhuǎn)速、鍵式分離裝置安裝角度、擋板安裝角度為試驗(yàn)因素，篩凈率和落粒損失率為試驗(yàn)指標(biāo)開展正交試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了回歸模型方程，分析了各因素對(duì)指標(biāo)的影響，并通過田間試驗(yàn)檢測(cè)了樣機(jī)的收獲效率和落粒損失率，為相關(guān)油莎豆收獲設(shè)備的研究提供了參考。產(chǎn)品和現(xiàn)有技術(shù)中的產(chǎn)品相比具有以下特點(diǎn)。

（1）設(shè)計(jì)的脫粒滾筒彌補(bǔ)了現(xiàn)有油莎豆收獲機(jī)缺少專用脫粒部件的不足。脫粒滾筒直徑尺寸設(shè)計(jì)較大既能防止纏繞又保障脫粒時(shí)間；采用弓型脫齒切流式打擊方式，打擊力度大，既能提高脫凈率，減少夾帶損失率，又能較好地保持脫粒后根莖的完整，有利于后續(xù)的逐稿器分離處理。

（2）設(shè)計(jì)的雙層多階鍵箱式逐稿器克服了現(xiàn)有平板振動(dòng)篩或滾筒篩分離困難，易纏繞、堵塞，適應(yīng)性差的問題，同時(shí)能夠較好地保證機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平衡。

（3）通過設(shè)置在鍵箱上的兩層篩板，能夠依次把根莖、土壤從油莎豆籽粒中有效分離出來，分離能力強(qiáng)和效率高，最大程度簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，解決了纏繞堵塞的問題，根莖排出過程中無夾帶籽?，F(xiàn)象，篩分后的籽粒含土量和含根莖量遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)。