5TDQ-300型切流式大豆育種脫粒機(jī)參數(shù)優(yōu)化

李若曦，陳海濤

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030)

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5TDQ-300型切流式大豆育種脫粒機(jī)參數(shù)優(yōu)化

李若曦，陳海濤

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：為了優(yōu)化5TDQ-300型切流式大豆育種脫粒機(jī)結(jié)構(gòu)，提高我國(guó)大豆育種脫粒機(jī)械化水平，采用4因素5水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗(yàn)方法，對(duì)影響該樣機(jī)性能的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：當(dāng)大豆植株含水率約17.5%、滾筒線速度1.52 m/s、喂入量2.1～2.4kg/min、脫粒間隙12～18mm時(shí)，其脫粒性能為含雜率不高于0.03%、破碎率不高于0.15%、夾帶損失率不高于1.15%、未脫凈率不高于0.35%、飛濺損失率不高于0.25%，均符合NY/T1014-2006脫粒機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)的要求。研究結(jié)果為切流式大豆育種脫粒機(jī)的產(chǎn)品定型設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大豆育種；脫粒機(jī)；參數(shù)優(yōu)化；回歸正交試驗(yàn)

0引言

田間育種試驗(yàn)是一個(gè)十分耗費(fèi)勞力的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程，為了提高育種工作的工作效率的水平、加速試驗(yàn)進(jìn)程、提高試驗(yàn)進(jìn)度，采用機(jī)械化作業(yè)是必然趨勢(shì)。大豆育種脫粒不同于常規(guī)商品豆脫粒，育種工作中試驗(yàn)材料種類多、樣本量小、籽粒珍貴，既要提高作業(yè)效率，又要防止材料間的混雜。目前，人工手動(dòng)脫粒和普通商品糧脫粒機(jī)脫粒仍然是我國(guó)大豆育種工作的主要脫粒方式。

人工脫粒的工作周期長(zhǎng)，且工作強(qiáng)度巨大；普通商品大豆脫粒機(jī)，籽粒破碎率較高，機(jī)器內(nèi)部清理困難，導(dǎo)致材料之間容易混雜。為了縮短生產(chǎn)周期、提高試驗(yàn)精度及解放勞動(dòng)力，大豆育種的機(jī)械化作業(yè)及其普及愈發(fā)重要。因此，研制一種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單耐用、籽粒低破碎率、完全防混種、符合中國(guó)大豆田間育種試驗(yàn)脫粒農(nóng)藝技術(shù)要求的大豆育種專用脫粒機(jī)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

本文通過對(duì)5TDQ-300型切流式大豆育種專用脫粒機(jī)樣機(jī)進(jìn)行組合優(yōu)化試驗(yàn)，研究該機(jī)各項(xiàng)工作參數(shù)的最優(yōu)組合，為切流式大豆育種專用脫粒機(jī)產(chǎn)品定型設(shè)計(jì)及后續(xù)研究提供依據(jù)。

1試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

5TDQ-300型切流式大豆育種專用脫粒機(jī)主要由上罩、喂料口、可拆卸喂料板、鎖緊機(jī)構(gòu)、機(jī)架、排雜口、電機(jī)、脫粒滾筒總成、沖孔凹板、清選風(fēng)機(jī)及籽粒出料口等組成，如圖1所示。脫粒滾筒總成由滾筒開合架、牙嵌式離合器和脫粒滾筒組成。機(jī)架內(nèi)部焊接隔板形成清選風(fēng)道，風(fēng)機(jī)外殼與風(fēng)道采用一體化設(shè)計(jì)，最大程度使風(fēng)道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面過渡圓滑，防止物料殘留，如圖1(b)所示。

工作原理：工作時(shí)，大豆植株由喂料口喂入，在脫粒滾筒弓齒的作用下，物料被帶入脫粒倉(cāng)內(nèi)，通過弓齒的梳刷及打擊作用實(shí)現(xiàn)脫粒。脫粒工作結(jié)束后，將鎖緊裝置打開，掀起上罩，轉(zhuǎn)動(dòng)脫粒滾筒使牙嵌式離合器凹槽豎直即可掀起脫粒滾筒總成，可對(duì)機(jī)體內(nèi)、脫粒滾筒與沖孔凹板間的殘留物進(jìn)行清理，如圖1(b)所示[4-7]。

2試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

2.1試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)所用大豆材料為香坊農(nóng)場(chǎng)2013年栽培的東農(nóng)52，其物料力學(xué)特性如表1所示。主要儀器設(shè)備為：皮尺(精度5mm)、精密電子秤(精度0.01g)、DGG-9070AD型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

2.2試驗(yàn)方法

2013年11月14日-11月30日，試驗(yàn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械研究中心實(shí)施。選擇滾筒線速度(x1)、脫粒間隙(x2)、喂入量(x3)、植株體積含水率(x4)為影響因素，以破碎率(y1)、含雜率(y2)、夾帶損失率(y3)、未脫凈損失率(y4)、飛濺損失率(y5)為響應(yīng)函數(shù)，使用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，共實(shí)施36組試驗(yàn)。根據(jù)大豆破碎秸稈、籽粒及穎殼的懸浮速度試驗(yàn)結(jié)果，將清選風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速設(shè)定為11 m/s。由于本機(jī)可通過掀起脫粒滾筒總成以及凹板對(duì)機(jī)體內(nèi)殘留物進(jìn)行簡(jiǎn)單快捷清理，可以完全避免不同品種之間的混種問題，故此處未將沉積率設(shè)為響應(yīng)函數(shù)[8-9]。數(shù)據(jù)處理分析采用Design-Expert 6.0.10進(jìn)行，滾筒線速度水平依據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定，其他水平由相關(guān)參考資料設(shè)定，影響因素水平編碼表和試驗(yàn)方案，如表2、表3所示。

試驗(yàn)實(shí)施過程中，滾筒線速度由變頻器調(diào)節(jié)、脫粒間隙由調(diào)節(jié)凹板與脫粒滾筒距離控制、植株體積含水率由對(duì)植株整體陰干或補(bǔ)水進(jìn)行調(diào)整、喂入量由等時(shí)間喂入不同數(shù)量物料控制。

各項(xiàng)指標(biāo)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 5982-2005脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》測(cè)定，分別以3次重復(fù)試驗(yàn)的均值作為試驗(yàn)結(jié)果[10]。

1.上罩　2.喂料口　3.可拆卸喂料板　4.鎖緊機(jī)構(gòu)　5.機(jī)架　6.電機(jī)　7.排雜口

指標(biāo)單位數(shù)值莖稈平均長(zhǎng)度cm85.2單株平均結(jié)莢數(shù)45.1單株平均籽粒數(shù)101.9百粒質(zhì)量g19

表2　因素水平編碼表

續(xù)表2

3結(jié)果及分析

3.1試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

3.2數(shù)據(jù)處理

各因素對(duì)各響應(yīng)函數(shù)影響的貢獻(xiàn)率如表4所示。

表3　試驗(yàn)方案與結(jié)果

續(xù)表3

表4　各因素對(duì)響應(yīng)函數(shù)的貢獻(xiàn)率

3.3各因素對(duì)性能指標(biāo)的影響分析

3.3.1各因素對(duì)破碎率影響

各因素對(duì)破碎率影響響應(yīng)曲面圖如圖2所示。

圖2　各因素對(duì)破碎率影響的響應(yīng)曲面圖

由圖2(a)可知：破碎率隨滾筒線速度的增加而逐漸上升，隨脫粒間隙的減小而逐漸下降。這是由于滾筒線速度越高，打擊效果越強(qiáng)；隨著脫離間隙的減小，弓齒占脫?？臻g的比例增大，籽粒被弓齒打擊的幾率升高，破碎率因此升高。

由圖2(b)可知：破碎率隨滾筒線速度的增加而逐漸上升，隨喂入量的增加而逐漸下降。這是由于喂入量的增加使得待脫物占脫?？臻g的比例增加，弓齒的梳刷脫粒代替打擊脫粒，破碎率降低。

由圖2(c)可知：破碎率隨著植株含水率的增高先下降后上升。這是由于大豆籽粒在含水率過低和過高時(shí)，其塑性、韌性下降，易于破碎。

3.3.2各因素對(duì)夾帶損失率影響分析

各因素對(duì)夾帶損失率影響的響應(yīng)曲面圖如圖3所示。

圖3　各因素對(duì)夾帶損失率影響的響應(yīng)曲面圖

由圖3(a)可知：夾帶損失率隨著滾筒線速度升高先降低后升高。這是由于滾筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)弓齒對(duì)被脫物打擊能力弱，沒有被脫的豆莢隨著莖稈向前運(yùn)動(dòng)，后半行程中被脫籽粒沒有時(shí)間分離而被秸稈夾帶排出排雜口。當(dāng)脫粒滾筒高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，弓齒的打擊能力增強(qiáng)，被脫物在初始階段脫粒；但由于弓齒高速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)破碎秸稈高速運(yùn)動(dòng)，大量籽粒在脫粒后的水平速度高，在接觸排雜口坡道時(shí)，由重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化的水平方向動(dòng)能不能抵消其初始速度，被風(fēng)選氣流由排雜口排出，產(chǎn)生夾帶損失。夾帶損失率在滾筒線速度較高的情況下隨著脫粒間隙減小而上升。這是由于隨著脫離間隙減小弓齒占脫?？臻g的比例增大，籽粒與破碎秸稈被打擊幾率上升，整體平均速度上升。

由圖3(b)可知：夾帶損失率在滾筒線速度較高的情況下隨著喂入量減少而上升。這是由于喂入量越小，在初始階段完成脫粒的籽粒遇到的阻礙越少，水平速度越高。

3.3.3優(yōu)化分析

按照破碎率、含雜率、未脫凈率、夾帶損失率和飛濺損失率最小原則，優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。當(dāng)參數(shù)組合為：植株體積含水率17.5%、滾筒線速度1.52m/s、喂入量2.1～2.4kg/min、脫粒間隙12～18mm時(shí)，破碎率不高于0.15%，含雜率不高于0.03%，未脫凈率不高于0.35%，夾帶損失率不高于1.15%，飛濺損失率不高于0.25%。在優(yōu)化的最佳工況范圍內(nèi)，選取滾筒線速度1.52m/s、脫粒間隙15mm、喂入量2.2kg/min、植株體積含水率17%時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明：破碎率0.12%，未脫凈率0.3%，夾帶損失率1%，飛濺損失率0.2%，含雜率為0，表明優(yōu)化結(jié)果正確可信。

圖4　參數(shù)優(yōu)化分析圖(含水率17.5%，滾筒線速度1.52 m/s)

4結(jié)論

1)切流大豆育種專用脫粒機(jī)的最佳結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)組合為：植株體積含水率17.5%、喂入量2.1～2.4kg/min、脫粒間隙為12～18mm、滾筒線速度1.52m/s，此時(shí)含雜率不高于0.03%、破碎率不高于0.15%、未脫凈率不高于0.35%、夾帶損失率不高于1.15%、飛濺損失率不高于0.25%。對(duì)破碎率影響的主次關(guān)系為：植株含水率>喂入量>滾筒線速度>脫粒間隙；對(duì)夾帶損失率影響的主次關(guān)系為：植株含水率>喂入量>滾筒線速度>脫粒間隙。

2)脫粒滾筒采用牙嵌式離合器傳輸動(dòng)力，作業(yè)完成后可快速與沖孔凹版分離，對(duì)機(jī)體內(nèi)的殘留物清理方便，有效地解決了混種問題。

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Abstract ID:1003-188X(2016)04-0147-EA

Parameters Optimization of 5TDQ-300 Tangential Flow Thresher for Soybean Breeding

Li Ruoxi, Chen Haitao

(College of Engineering, Northeast Agriculture University, Harbin 150030, China)

Abstract：In order to improve the mechanization level of threshing for soybean breeding in China, and optimizing the structure of the 5TDQ-300 tangential flow thresher for soybean breeding, a 4 factors 5 levels central composite rotatable orthogonal experimental design of response surface methodology was conducted to optimize structure and working parameters which influence the performance of the prototype. Experimental results indicated that the most optimum combination region of the moisture content was 17.5%, the linear velocity was 1.52m/s, the feeding rate was 2.1～2.4kg/min, the concave clearance was 12～18mm, impurities were less than 0.03%, the cracked grains were less than 0.15%, loss of entrapped grains were less than 1.15%. loss of unthreshed grains were less than 0.35%, loss of Spattered grains were less than 0.25%. All parameters are conformed NY/T1014-2006 threshing machine operation performance index. The research results provide a basis for the finalize design of tangential flow thresher for soybean breeding.

Key words：soybean breeding; thresher; parameter optimization; regression orthogonal experiment

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0147-05

中圖分類號(hào)：S226.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李若曦(1988-)，男，哈爾濱人，碩士研究生，(E-mail)806117435@qq.com。通訊作者：陳海濤(1962-)，男，哈爾濱人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)htchen@neau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家專項(xiàng)(nycytx-004)

收稿日期：2015-04-02