免割收獲的雙行小麥脫粒裝置試驗

李心平，雷亞州，師清翔，耿令新，王升升

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

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免割收獲的雙行小麥脫粒裝置試驗

李心平，雷亞州，師清翔，耿令新，王升升

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

摘要：以脫?？倱p失率為指標(biāo)，利用雙行小麥脫粒裝置試驗臺，對滾筒轉(zhuǎn)速、齒板厚度和桿齒高度比分別進(jìn)行單因素試驗和對比試驗，初步確定了滾筒轉(zhuǎn)速、齒板厚度和桿齒高度比。在此基礎(chǔ)上，以脫?？倱p失率、含雜率和斷穗率為指標(biāo)，以滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒齒排的數(shù)量、出口脫粒間隙為試驗因素進(jìn)行了正交試驗和回歸試驗,得到了脫粒裝置的最佳參數(shù)組合。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為900 r/min、出口脫粒間隙為20 mm、脫粒齒為8排、齒板厚度和桿齒高度比為9∶41、脫粒滾筒長度為650 mm時，脫粒總損失率為4.53%、含雜率為17.39%。

關(guān)鍵詞：免割收獲；谷物；雙行脫粒裝置

0引言

中國國土面積的70%是丘陵山地，種植著大量小麥、水稻等作物。這些地區(qū)的地塊狹小且不規(guī)則，道路窄小且曲折，現(xiàn)有谷物聯(lián)合收獲機(jī)械由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成整機(jī)體積較大，無法正常完成田間作業(yè)，使得這些地區(qū)基本依靠人力進(jìn)行收獲[1-5]。

近年來，國內(nèi)外對微型谷物聯(lián)合收獲機(jī)有一定的研究，但存在收獲效率低、損失率高的問題，無法滿足用戶要求[6-9]。研究低能耗、結(jié)構(gòu)小巧、機(jī)動靈活且收獲效率高的雙行便攜式谷物聯(lián)合收獲機(jī)是提高丘陵山區(qū)谷物收獲效率的可行途徑[10-12]。

本研究中，谷物脫粒的基本形式是割前脫粒，利用土壤對谷物莖稈的約束作用，通過一對螺旋輸送攪龍[13]的扶持將谷物壓彎喂入脫粒滾筒[14]，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的夾持輸送機(jī)構(gòu)，谷物植株在螺旋輸送攪龍的輸送作用下完成喂入。通過室內(nèi)試驗獲取小麥脫粒裝置的最佳參數(shù)組合，為雙行便攜式谷物聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置的設(shè)計提供了依據(jù)。

1.脫粒滾筒驅(qū)動變頻電機(jī)；2.螺旋輸送攪龍驅(qū)動變頻電機(jī)；3.小車車軌；4.脫粒滾筒；5.下螺旋輸送攪龍和滾筒支撐架；6.上螺旋輸送攪龍支撐架；7.上螺旋輸送攪龍；8.下螺旋輸送攪龍；9.小車驅(qū)動變頻電機(jī)；10.輸送小車。圖1　脫粒裝置試驗臺結(jié)構(gòu)圖

1試驗設(shè)備和方法

1.1　試驗設(shè)備

由輸送小車、脫粒裝置、上螺旋輸送攪龍和下螺旋輸送攪龍等組成的脫粒試驗臺如圖1所示。變頻電機(jī)帶動固定有雙行小麥的小車沿車軌前進(jìn)，模擬脫粒裝置的田間工況。喂入螺旋輸送攪龍由錐段螺旋和直段螺旋組成，引導(dǎo)雙行小麥進(jìn)入脫粒滾筒，如圖2所示。脫粒裝置由脫粒滾筒、頂蓋和凹板組成。脫粒滾筒采用入口處直徑小、出口處直徑大的錐形滾筒。脫粒元件是桿齒和鋼板的焊合件，總高50 mm，沿滾筒母線固定，滾筒上的齒排數(shù)量可以通過更換齒排調(diào)整，如圖3所示，更換不同的凹板可以調(diào)整滾筒出口脫粒間隙。滾筒轉(zhuǎn)速和螺旋輸送攪龍轉(zhuǎn)速分別由兩個驅(qū)動電機(jī)控制[15-18]，接料小盒接取從凹板分離出的籽粒，其沿脫粒滾筒軸線方向均分成10格，從滾筒入口到出口依次編號為1，2，…，10，以研究物料沿脫粒裝置軸向的分布規(guī)律[19]。

試驗儀器主要包括激光測速儀、水平測量儀、精密電子秤、卷尺、計算器、剪刀、計算機(jī)和攝像機(jī)等。

1.2　試驗方法

小麥采集于河南省孟津縣九泉村試驗田，通過田間測量，667 m2小麥的產(chǎn)量為700 kg，株高600 mm，籽粒含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))6.95%，莖稈含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))13.35%，谷草質(zhì)量比為1∶1.35。根據(jù)以上數(shù)據(jù)確定每次試驗的喂入量。

試驗前，保證與雙行便攜式谷物聯(lián)合收獲機(jī)擬定田間作業(yè)速度相等，將輸送小車速度調(diào)節(jié)至0.4 m/s，將螺旋輸送攪龍轉(zhuǎn)速調(diào)整至650 r/min，保持螺旋輸送攪龍軸向引導(dǎo)速度與輸送小車速度一致。脫粒過程中，飛濺出的籽粒和脫粒后莖稈中的夾帶籽粒由鋪在脫粒裝置下方的塑料薄膜接取。試驗時，首先啟動帶動脫粒滾筒和螺旋輸送攪龍運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動電機(jī)，待整個脫粒裝置運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后啟動固定有雙行小麥的輸送小車。然后，物料在螺旋輸送攪龍的引導(dǎo)下進(jìn)入滾筒，脫落的籽粒、短莖稈和穎糠經(jīng)凹板分離進(jìn)入接料盒，完成脫粒的莖稈由輸送小車帶出滾筒。脫粒作業(yè)結(jié)束后，切斷脫粒裝置和輸送小車等的相關(guān)電源。

含雜率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，

2試驗結(jié)果及分析

2.1　單因素試驗

2.1.1轉(zhuǎn)速試驗

本試驗是在滾筒長度為800 mm，出口脫粒間隙為20 mm，脫粒元件總高度為50 mm，脫粒齒為8排的條件下，以脫?？倱p失率η為性能指標(biāo)，以滾筒轉(zhuǎn)速為試驗因素進(jìn)行的單因素試驗，試驗結(jié)果見表1。由表1可知：當(dāng)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速接近760 r/min時，小麥穗頭上的籽粒已經(jīng)基本全部脫落下來，脫?？倱p失率變化趨于穩(wěn)定。初定760 r/min為后續(xù)試驗的滾筒轉(zhuǎn)速。

當(dāng)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為760 r/min，其他參數(shù)固定不變時，凹板上籽粒沿滾筒軸線方向的分布規(guī)律見圖4。由圖4可看出：沿脫粒滾筒軸向方向1~10格內(nèi)，籽粒質(zhì)量占總質(zhì)量的比例越來越小，最后兩個小盒籽粒很少，可見小麥在脫粒滾筒內(nèi)短時間基本完成脫粒。因此，將最后兩小格的籽粒當(dāng)作脫粒損失進(jìn)行處理，此時脫粒滾筒有效工作長度為650 mm。則：

含雜率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，

%；

圖4　籽粒沿脫粒裝置軸向分布

2.1.2齒板厚度和桿齒高度比對比試驗

在脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為760 r/min，出口脫粒間隙為20 mm，脫粒齒為8排，脫粒元件總高度為50 mm的條件下，以脫?？倱p失率η1為指標(biāo)，以齒板厚度和桿齒高度比為試驗因素進(jìn)行了對比試驗，試驗方案和結(jié)果見表2。從表2可以看出：當(dāng)齒板厚度和桿齒高度比為9∶41時，脫?？倱p失率η1較小，此時桿齒和齒板對穗頭的打擊、梳刷綜合效果最好，故取齒板厚度和桿齒高度比為9∶41進(jìn)行正交試驗。

2.2　正交試驗

表2　齒板厚度和桿齒高度比試驗方案及結(jié)果

表3　正交試驗因素水平編碼表

滾筒轉(zhuǎn)速A、出口脫粒間隙B、齒排數(shù)量C對脫粒性能影響較大，故本次試驗選取滾筒轉(zhuǎn)速、出口脫粒間隙和齒排數(shù)量為研究對象，進(jìn)行正交試驗，因素水平編碼見表3。選用L9(34)正交表，試驗方案及結(jié)果見表4。通過對試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到3個因素對脫?？倱p失率的影響規(guī)律，3個因素對脫?？倱p失率影響的主次依次為A、B、C。取脫?？倱p失率、含雜率和斷穗率的加權(quán)系數(shù)分別為0.5、0.3和0.2，進(jìn)行加權(quán)評分，然后按照單指標(biāo)的方法進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：3個因素對綜合指標(biāo)影響的因素主次關(guān)系是A、B、C，較優(yōu)組合為A3B3C3。

表4　正交試驗方案及結(jié)果

2.3　回歸試驗

回歸試驗的目的是確定脫粒裝置的最佳結(jié)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)組合。由于齒排數(shù)量調(diào)整有限，無法滿足回歸試驗的參數(shù)要求。故在脫粒齒為8排，齒板厚度和桿齒高度比為 9∶41的條件下，以滾筒轉(zhuǎn)速A、出口脫粒間隙B為試驗因素，以脫?？倱p失率、斷穗率和含雜率為試驗指標(biāo)進(jìn)行回歸試驗。正交試驗得到的最佳參數(shù)組合確定為兩因素的零水平，試驗因素水平編碼見表5。

表5　回歸試驗因素水平編碼表

從試驗結(jié)果可以看出：兩因素對斷穗率的影響均不顯著，因此以脫?？倱p失率η1和含雜率β1為性能指標(biāo)進(jìn)行回歸試驗。表6為試驗方案和試驗結(jié)果。由于試驗條件的限制和人為造成的數(shù)據(jù)誤差，故取α=0.25為試驗的置信度水平。用數(shù)據(jù)處理軟件(data processing system,DPS)對試驗結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到脫?？倱p失率η1和含雜率β1在因素編碼空間的多元回歸方程：

脫?？倱p失率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，

(1)

含雜率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，

(2)

對式(1)和式(2)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表7。分析顯示脫?？倱p失率和含雜率回歸方程檢驗顯著。由于含雜率過高會造成整機(jī)后續(xù)清選負(fù)擔(dān)的增加，故含雜率和脫?？倱p失率的加權(quán)系數(shù)均取0.5進(jìn)行加權(quán)參數(shù)優(yōu)化，則最佳參數(shù)組合為：脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為900 r/min、出口脫粒間隙為20 mm(入口脫粒間隙為26 mm)。在最佳參數(shù)組合下，當(dāng)滾筒有效工作長度為650 mm時，脫粒裝置的性能指標(biāo)為：含雜率17.39%，脫粒總損失率4.53%。

表6　回歸試驗方案及結(jié)果

表7　回歸方程的方差分析

2.4　驗證試驗

由于最佳參數(shù)組合由回歸方程優(yōu)化得到，正交試驗中未出現(xiàn)最佳參數(shù)組合，故將脫粒裝置調(diào)節(jié)至最佳的結(jié)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)下做驗證試驗，試驗結(jié)果見表8?？紤]外部環(huán)境變化和人為因素對試驗造成的誤差，試驗結(jié)果和預(yù)測值比較接近。

表8　驗證試驗結(jié)果

2.5　脫粒性能影響因素分析

脫粒總損失率是衡量脫粒裝置性能的重要指標(biāo)，含雜率則對后續(xù)清選系統(tǒng)有較大影響。式(1)和式(2)通過降維分析，得到兩因素對脫粒裝置指標(biāo)的影響規(guī)律曲線，見圖5。

分析圖5可知：在試驗范圍內(nèi)，滾筒轉(zhuǎn)速增大，脫粒元件對小麥穗頭的沖擊、梳刷次數(shù)和強(qiáng)度增加，小麥在滾筒內(nèi)短時間完成脫粒，掉落脫粒裝置外和物料夾帶的籽粒很少，損失率降低。同時，脫粒元件對小麥穗頭的沖擊和梳刷強(qiáng)度增大會導(dǎo)致大量莖稈折斷，脫出物中穎糠和短莖稈增多，含雜率升高。出口脫粒間隙變大，由于待脫小麥在滾筒內(nèi)已經(jīng)基本全部完成脫粒，脫粒損失率變化不大。同時隨著出口脫粒間隙加大，脫粒元件對小麥的沖擊和梳刷強(qiáng)度減弱，小麥莖稈的折斷數(shù)量就會減少，含雜率降低。

(a)滾筒轉(zhuǎn)速(b)滾筒出口脫粒間隙

圖5各因素對性能指標(biāo)的影響規(guī)律

3結(jié)論

(1)在試驗條件下，脫粒裝置的最佳參數(shù)組合為:滾筒轉(zhuǎn)速為900 r/min、出口脫粒間隙為20 mm(入口脫粒間隙為26 mm)、脫粒齒為8排、齒板厚度和桿齒高度比為9∶41。在最佳參數(shù)下，脫粒滾筒長度為650 mm時，脫?？倱p失率為4.53%、含雜率為17.39%。

(2)在試驗范圍內(nèi)，隨著脫粒滾筒轉(zhuǎn)速的增大，含雜率升高，脫?？倱p失率減??；隨著滾筒出口脫粒間隙的增大，含雜率減小，脫?？倱p失率變化不大。

(3)在試驗范圍內(nèi)，當(dāng)齒板厚度和桿齒高度比為9∶41時，脫粒損失率最小，齒板對穗頭的梳刷脫粒效果最好。

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文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：S225.3