王升升， 楊興超， 耿令新， 劉春亞， 楊 芳

(河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南洛陽 471003)

我國擁有大量的丘陵山區(qū)，其土地耕作面積約占我國總耕作面積的1/3。但由于丘陵地區(qū)地塊狹小且道路崎嶇，而我國現(xiàn)有的聯(lián)合收割機(jī)大部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整機(jī)的尺寸較大，無法進(jìn)入丘陵山區(qū)地塊收獲作業(yè)，造成丘陵地區(qū)谷物的機(jī)收率較低[1-5]。雖然，近年來國內(nèi)外對微型谷物聯(lián)合收割機(jī)有了一定的研究，但依然存在機(jī)型較大、在丘陵地區(qū)的通過性較差等缺點，無法完成小地塊的收獲作業(yè)。針對這一現(xiàn)象，筆者所在課題組研究了一種主要用于收獲2行作物的小型立式軸流脫粒裝置。本研究將切割后的帶秸稈小麥放在輸送帶上，由輸送帶模擬聯(lián)合收割機(jī)在田間的行走，將物料由喂入輪喂入脫粒裝置，完成脫粒作業(yè)。本研究通過室內(nèi)試驗，獲得立式軸流脫粒裝置最優(yōu)的結(jié)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)，為整機(jī)的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和試驗依據(jù)[6-12]。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備及儀器

小型立式軸流脫粒裝置的試驗臺如圖1所示，主要由喂入輪、脫粒裝置、輸送帶等部分組成。

輸送帶主要由3層速度相等的平帶組成，用來保證將物料均勻等速地喂入脫粒裝置。立式軸流脫粒裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由接料盒、試驗臺支架、喂入輪、螺旋攪龍葉片、齒板、導(dǎo)向板、滾筒體、滾筒外殼、立式軸流脫粒滾筒驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)支架、喂入輪驅(qū)動電機(jī)等部分組成。脫粒滾筒為封閉式，脫粒元件選用寬度為4 cm的板齒，脫粒滾筒直徑為 36 cm，總長度為90 cm，滾筒轉(zhuǎn)速可以通過變頻電機(jī)控制。接料盒用于同時收集由脫粒裝置排出的分離物及出草口排出的物料。此外，試驗儀器還包括卷尺、激光測速儀、秒表、剪刀、電子秤、精密電子秤、攝像機(jī)、計算機(jī)等。

1.2 試驗條件及方法

本試驗采用河南省孟津縣城關(guān)鎮(zhèn)九泉村試驗田小麥，田間檢測結(jié)果表明，小麥的產(chǎn)量為7 500 kg/hm2，高度為 70 cm，秸稈含水率為21.83%，籽粒含水率為8.67%，谷草質(zhì)量比為1.0 ∶1.5，以此為依據(jù)，確定每次試驗的物料質(zhì)量。

試驗前，將輸送帶轉(zhuǎn)速調(diào)到0.4 m/s，將喂入輪轉(zhuǎn)速調(diào)到800 r/min，并將滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)至試驗要求值。稱取試驗所需的物料，均勻地鋪放到3層輸送帶上。然后，啟動滾筒和喂入輪，待其運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后啟動輸送帶。收集滾筒分離物及出草口排出物，并利用下列公式計算立式軸流脫粒裝置的試驗性能參數(shù)：

未脫凈率w1=y1/(y1+y2+y3+y4)×100%；夾帶籽粒率w2=y2/(y1+y2+y3+y4)×100%；斷穗籽粒率w3=y3/(y3+y4)×100%；含雜率w4=(y5-y3-y4)/y5×100%；總損失率w5=w1+w2。

式中：y1表示出草口排出的物料(不含夾帶籽粒)進(jìn)行脫粒獲得的籽質(zhì)量；y2表示夾雜在出草口排出的物料中的籽質(zhì)量；y3表示凹板分離出的斷穗籽質(zhì)量；y4表示凹板分離物(不含斷穗)的籽質(zhì)量；y5表示凹板分離物的總質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 滾筒轉(zhuǎn)速的單因素試驗

根據(jù)已有的試驗結(jié)果，本次試驗是在脫粒間隙為 1.3 cm、板齒傾角為16°、滾筒長度為70 cm條件下，以未脫凈率w1為試驗指標(biāo)，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行單因素試驗。從圖3可以看出，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速達(dá)到850 r/min時，未脫凈率降低緩慢。因此，將滾筒轉(zhuǎn)速定為850 r/min進(jìn)行后續(xù)試驗。

2.2 滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和板齒傾角的正交試驗

滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙及板齒傾角對立式軸流脫粒裝置的脫粒性能可能有較大的影響。在前2個試驗的基礎(chǔ)上，本試驗固定凹板柵條間隙為0.9 cm，對滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙以及板齒傾角進(jìn)行正交試驗，試驗各因素水平編碼見表1，選用 L9(34) 正交表，試驗方案及結(jié)果見表2。

表1 滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和板齒傾角的因素水平編碼

表2 滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和板齒傾角的正交試驗方案及結(jié)果

通過對試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見表3，得到各因素對試驗指標(biāo)的影響主次及較優(yōu)參數(shù)組合。由表3可知，對總損失率影響的因素大小為C>B>A，較優(yōu)參數(shù)組合為A3B2C1；對斷穗籽粒率影響的因素大小為B>A>C，較優(yōu)參數(shù)組合為A2B3C1；對含雜率影響的因素大小為A>B>C，較優(yōu)參數(shù)組合為A3B2C3。由于各試驗因素對各個試驗指標(biāo)的影響主次及較優(yōu)參數(shù)組合不一致，因此須要采用加權(quán)評分法對各個試驗指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)評分?？倱p失率、斷穗籽粒率和含雜率的加權(quán)系數(shù)分別為0.4、0.4、0.2，然后按照單指標(biāo)的方法進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見表4，得到各個因素對試驗指標(biāo)影響的大小為B>A>C，較優(yōu)參數(shù)組合為A2B2C1。

2.3 滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙的回歸試驗

正交試驗結(jié)果顯示，滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙比板齒傾角對立式軸流脫粒裝置的脫粒性能影響明顯，為了減少試驗次數(shù)、簡化計算過程，獲得高質(zhì)量的回歸方程，進(jìn)而得到立式軸流脫粒裝置的最優(yōu)參數(shù)組合。本試驗在板齒傾角為8°的情況下，只對滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙2個因素進(jìn)行回歸試驗，并且以正交試驗得到的較優(yōu)參數(shù)組合為回歸試驗的0水平，則回歸試驗因素水平的編碼如表5所示，試驗方案及結(jié)果如表6所示。

由于本次試驗所采用的物料含水率較高，在試驗過程中物料含水率的變化較大，加上人為因素造成的試驗誤差，在數(shù)據(jù)處理時置信水平取0.25，得到各試驗指標(biāo)在因素空間內(nèi)的回歸方程分別為

表3 滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和板齒傾角的正交試驗極差分析

表4 加權(quán)綜合評分值的極差分析

表5 回歸試驗因素水平編碼

表6 回歸試驗方案及結(jié)果

脫粒總損失率：y1=21.276 335-1.215 152x1-0.031 466x2+0.001 071x1x2+0.011 391x12+0.000 014x22；

(1)

斷穗籽粒率：y2=11.627 369-1.775 025x1+0.015 843x2+0.001 010x1x2+0.037 376x12-0.000 020x22；

(2)

含雜率：y3=39.380 743-2.461 435x1+0.083 727x12+0.000 005x22。

(3)

公式(1)的相關(guān)系數(shù)r為0.839 35，剩余標(biāo)準(zhǔn)差為 0.921 00；公式(2)的相關(guān)系數(shù)r為0.890 49，剩余標(biāo)準(zhǔn)差為0.990 72；公式(3)的相關(guān)系數(shù)r為0.924 67，剩余標(biāo)準(zhǔn)差為1.021 20。對公式(1)、(2)、(3)分別進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表7。脫粒損失率、斷穗籽粒率和含雜率的回歸方程均顯著，因此，回歸模型能夠?qū)崿F(xiàn)對試驗指標(biāo)的預(yù)測及參數(shù)的控制。

對3個指標(biāo)采用加權(quán)優(yōu)化法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)脫粒損失率y1、斷穗籽粒率y2和含雜率y3的加權(quán)系數(shù)分別為0.4、0.4、0.2時， 立式軸流脫粒裝置的最優(yōu)參數(shù)組合為滾筒轉(zhuǎn)速為875 r/min，脫粒間隙為1.25 cm。在最優(yōu)參數(shù)組合下的脫粒損失率為2.36%，斷穗籽粒率為4.90%，含雜率為 25.63%。

表7 回歸方程的方差分析

2.4 脫粒性能影響因素分析

對公式(1)、(2)、(3)進(jìn)行降維分析，得到各個參數(shù)對立式軸流脫粒裝置各性能指標(biāo)的影響規(guī)律。由圖4可知，在試驗范圍內(nèi)，滾筒轉(zhuǎn)速越大，脫粒元件對物料的沖擊作用越大，物料的未脫凈率越低，同時小麥在立式軸流脫粒裝置內(nèi)運(yùn)動會加快，隨著長秸稈帶出滾筒的籽粒會增多，從而導(dǎo)致立式軸流脫粒裝置的脫?？倱p失率增加；滾筒轉(zhuǎn)速增加，脫粒元件對物料的沖擊作用會增大，物料在滾筒內(nèi)的沖擊次數(shù)增多，從而導(dǎo)致脫粒裝置的斷穗籽粒率減小、含雜率升高。在試驗范圍內(nèi)，隨著脫粒間隙的變大，由于立式軸流脫粒滾筒的脫粒能力較強(qiáng)，且凹板柵格篩的分離能力較強(qiáng)，因此脫?？倱p失率的變化不大；隨著脫粒間隙的增大，脫粒板齒與凹板柵格篩之間的距離變大，脫粒板齒對小麥的沖擊作用相對減弱，小麥莖稈被折斷的數(shù)量以及斷穗的數(shù)量減少，因此脫粒裝置的含雜率和斷穗籽粒率降低；但是，當(dāng)脫粒間隙增大到一定范圍時，脫粒板齒與凹板柵格篩之間的距離過大，脫粒板齒對部分小麥的沖擊次數(shù)減少，一部分?jǐn)嗨胪ㄟ^凹板柵格篩分離，造成斷穗籽粒率升高。

2.5 滾筒長度試驗

本試驗的目的是為了確定籽粒沿滾筒長度的分布規(guī)律，在上述試驗得到的最優(yōu)參數(shù)組合下確定最佳的滾筒長度，試驗方案及結(jié)果如表8所示。隨著滾筒長度的增加，脫粒損失率和斷穗籽粒率逐漸減小、含雜率逐漸升高；并且在滾筒長度為 90 cm 時，脫粒損失率為1.43%，符合國家有關(guān)部門對脫粒裝置的要求。因此，在試驗條件下，該脫粒裝置的最佳滾筒長度為90 cm。

2.6 小型立式軸流脫粒裝置的驗證試驗

在試驗過程中，考慮到人為因素及試驗所用物料的差異所造成的試驗誤差，為了使試驗結(jié)果更加可靠，須要在最優(yōu)參數(shù)下進(jìn)行驗證性試驗，試驗方案及結(jié)果見表9。試驗結(jié)果與最優(yōu)參數(shù)下的試驗結(jié)果接近，在試驗誤差允許范圍內(nèi)，試驗結(jié)果可靠。

表8 滾筒長度試驗方案及結(jié)果

表9 驗證試驗方案及結(jié)果

3 結(jié)論

在試驗條件下，立式軸流脫粒裝置的最佳參數(shù)組合為滾筒轉(zhuǎn)速875 r/min、脫粒間隙1.25 cm、板齒傾角8°、滾筒長度90 cm。在最佳參數(shù)組合下的脫粒損失率為1.43%，斷穗籽粒率為1.06%，含雜率為31.87%。在試驗范圍內(nèi)，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，脫粒損失率會升高、斷穗籽粒率會降低、含雜率會升高；隨著脫粒間隙的增大，脫粒損失率變化不大、含雜率減小、斷穗籽粒率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。作為一種新型的脫粒裝置，可以考慮通過減小凹板柵條間距來降低斷穗籽粒率，增大滾筒長度來降低脫粒損失率。

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