谷子半喂入脫粒裝置試驗(yàn)

駱恒光，師清翔，王升升，耿令新，許澤宇

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

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谷子半喂入脫粒裝置試驗(yàn)

駱恒光，師清翔，王升升，耿令新，許澤宇

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

摘要：利用谷子半喂入脫粒裝置試驗(yàn)臺(tái)，以脫不凈率為指標(biāo)進(jìn)行了滾筒轉(zhuǎn)速的單因素試驗(yàn)；以滾筒碾壓段接料籽粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和雜余籽粒率為指標(biāo)，進(jìn)行了碾壓輥狀態(tài)的對(duì)比試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，以脫粒損失率、含雜率和雜余籽粒率為指標(biāo)，進(jìn)行了滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、凹板篩條間隙的正交試驗(yàn)和回歸試驗(yàn)，優(yōu)化得到該半喂入脫粒裝置的最優(yōu)參數(shù)組合。在試驗(yàn)條件下，當(dāng)碾壓輥可轉(zhuǎn)動(dòng)、滾筒轉(zhuǎn)速為620 r/min、脫粒間隙為12.5 mm、凹板篩條間隙為9 mm時(shí)，脫粒損失率和含雜率分別達(dá)到0.91%和10.91%。

關(guān)鍵詞：半喂入脫粒裝置；谷子；脫粒損失率；含雜率

0引言

谷子在中國(guó)具有悠久的栽種歷史，屬于傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)雜糧作物，在現(xiàn)代綠色保健食品中占有舉足輕重的地位，是發(fā)展旱作生態(tài)農(nóng)業(yè)和節(jié)水農(nóng)業(yè)的理想作物[1-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)谷子的種植面積占世界谷子種植面積的90%以上，總產(chǎn)量也達(dá)到世界的80%以上[6-8]。長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械的發(fā)展主要集中在小麥、水稻和玉米三大糧食作物上，對(duì)谷子的收獲機(jī)械研究起步較晚。傳統(tǒng)谷子收獲方式成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，難以適應(yīng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的需求，導(dǎo)致谷子生產(chǎn)水平嚴(yán)重滯后，制約了谷子相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[9-14]。現(xiàn)有的谷子聯(lián)合收割機(jī)多由小麥聯(lián)合收割機(jī)改造而來(lái)，采用全喂入形式，工作過(guò)程中易出現(xiàn)喂入不良和掉穗等現(xiàn)象，且脫出物含雜率高，籽粒與雜余不易分離，夾帶損失較大，難以滿足生產(chǎn)要求。

本文采用半喂入脫粒的形式，將切割后的植株夾持提升后，在水平夾持機(jī)構(gòu)的作用下沿滾筒軸向向后輸送，并通過(guò)螺旋輸送機(jī)構(gòu)的作用，確保物料向脫粒裝置穩(wěn)定有序地喂入，完成脫粒作業(yè)。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到該脫粒裝置最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，為整機(jī)的研制提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)。

1試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.輸送小車；2.切割裝置；3.喂入機(jī)構(gòu)；4.夾持提升裝置；5.扶持機(jī)構(gòu)；6.脫粒裝置；7.螺旋輸送機(jī)構(gòu)；8.水平夾持機(jī)構(gòu)。 圖1　半喂入脫粒裝置試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1試驗(yàn)設(shè)備

本文設(shè)計(jì)的谷子半喂入脫粒裝置試驗(yàn)臺(tái)主要包括將谷子植株立姿輸送的輸送小車、夾持提升裝置、半喂入脫粒裝置和接料盒等部分，各裝置均由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)中，采用待脫粒谷子植株隨輸送小車向脫粒裝置運(yùn)動(dòng)的方式，模擬該半喂入脫粒裝置的田間工作狀況。谷子植株在前進(jìn)過(guò)程中被割刀切割，經(jīng)過(guò)喂入機(jī)構(gòu)的撥禾推送后，在夾持提升裝置的作用下立姿輸送至半喂入脫粒裝置，并在水平夾持機(jī)構(gòu)夾持輸送和螺旋輸送機(jī)構(gòu)引導(dǎo)扶持的共同作用下，僅將谷子穗頭部分喂入脫粒裝置完成脫粒作業(yè)。谷子植株喂入示意圖如圖2所示。

半喂入脫粒裝置主要包括脫粒滾筒、凹板和頂蓋，試驗(yàn)中滾筒轉(zhuǎn)速可調(diào)，凹板更換方便。針對(duì)谷子脫粒特點(diǎn)，該裝置中脫粒滾筒及凹板篩均采用分段的形式。脫粒滾筒元件布置如圖3所示，通過(guò)分段選擇碾壓輥和桿齒兩種脫粒元件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)谷穗先碾壓后抖動(dòng)的脫粒效果。使用的柵格凹板采用格板前密后疏分布的形式，在不同位置提高了脫粒裝置的碾壓效果和籽粒分離能力。

1.脫粒滾筒;2.谷子植株;3.引導(dǎo)桿;4.喂入螺旋輸送器。圖2 谷子植株喂入示意圖1.碾壓輥;2.桿齒。圖3 脫粒滾筒元件布置圖

放置于脫粒裝置下方的接料盒，用于接取經(jīng)凹板分離的脫出物。沿脫粒滾筒軸向?qū)⑵涞确殖?0小格，從前向后依次編號(hào)為1、2、…、10，用以研究碾壓輥對(duì)谷穗的碾壓效果及脫出物沿脫粒裝置的軸向分布情況。

試驗(yàn)儀器主要包括激光測(cè)速儀、電子天平、電子稱、烘干設(shè)備、攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)等。

1.2試驗(yàn)物料及方法

本試驗(yàn)所用谷子采集于河南省孟津縣橫水鎮(zhèn)試驗(yàn)田，經(jīng)實(shí)地檢測(cè)，谷子產(chǎn)量為7 500 kg/hm2，自然狀態(tài)株高900 mm，莖稈絕對(duì)含水率40.33%，籽粒絕對(duì)含水率26.67%，谷草比1∶1。根據(jù)上述檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算確定每組試驗(yàn)所需物料量。

將植株呈立姿均勻固定在輸送小車上，做好試驗(yàn)的相關(guān)準(zhǔn)備工作。試驗(yàn)前，調(diào)節(jié)往復(fù)式割刀速度使其能對(duì)作物完成正常切割。按照該半喂入脫粒裝置田間工作狀況確定輸送小車的速度為0.5 m/s。分別調(diào)節(jié)夾持提升裝置夾持鏈和扶持鏈的速度，使其保證植株在夾持提升過(guò)程中的縱向水平分速度與小車的輸送速度相等。然后，調(diào)節(jié)水平夾持鏈速度和喂入螺旋輸送器轉(zhuǎn)速，使螺旋輸送器葉片軸向引導(dǎo)速度與水平夾持鏈線速度一致，且均與輸送小車行進(jìn)速度相等。脫粒過(guò)程中損失的籽粒由鋪設(shè)于脫粒裝置下方的塑料布接取。

試驗(yàn)時(shí)，首先確保割刀、夾持提升裝置、水平夾持鏈、喂入螺旋輸送器和脫粒滾筒均平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，將接料盒放置于脫粒裝置下方指定位置后，啟動(dòng)固定有谷子植株的輸送小車進(jìn)行脫粒試驗(yàn)。經(jīng)夾持提升后的谷子植株隨水平夾持鏈沿脫粒滾筒軸向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，穗頭部分經(jīng)壓彎引導(dǎo)進(jìn)入脫粒滾筒內(nèi)，被脫下的籽粒和部分雜余通過(guò)凹板篩的分離作用落入下方接料盒中。試驗(yàn)結(jié)束后，切斷相關(guān)電源。

收集脫粒裝置下方塑料布上的籽粒并稱量，質(zhì)量記為y′，收集谷子莖稈上未脫凈的穗頭，人工處理得到籽粒并稱量，質(zhì)量記為y″。

該半喂入脫粒裝置的性能指標(biāo)為：

含雜率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，

脫不凈率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，

雜余籽粒率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，

脫粒損失率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，

其中：雜余籽粒率為脫出物中未脫凈谷碼所帶籽粒質(zhì)量占籽粒總質(zhì)量的百分比。

2結(jié)果及分析

圖4　滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)脫不凈率的影響曲線

2.1滾筒轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)

谷穗的脫凈程度直觀反映了脫粒滾筒轉(zhuǎn)速的合適與否，故以脫不凈率φ為指標(biāo)，在前段碾壓輥可轉(zhuǎn)動(dòng)、脫粒間隙為8 mm、凹板篩條間隙為13 mm的條件下，進(jìn)行滾筒轉(zhuǎn)速的單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。從試驗(yàn)結(jié)果中容易看出：當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速達(dá)到 500 r/min時(shí)，其脫不凈率已達(dá)到較低水平且降低緩慢。故將500 r/min作為參考轉(zhuǎn)速進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2碾壓輥狀態(tài)對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)谷子脫粒的特點(diǎn)，滾筒前段均勻布置碾壓輥的碾壓效果對(duì)該脫粒裝置的脫粒效果有重要影響，應(yīng)作進(jìn)一步研究。本試驗(yàn)以滾筒碾壓段接料籽粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和雜余籽粒率δ為指標(biāo)，在滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min、脫粒間隙為8 mm、凹板篩條間隙為13 mm的條件下，對(duì)碾壓輥狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可以看出：在碾壓輥可轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)下，碾壓段接料量大、雜余籽粒率小，對(duì)穗頭的碾壓效果更好。確定碾壓輥為轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

表1　碾壓輥狀態(tài)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

2.3正交試驗(yàn)

選取對(duì)脫粒性能有較大影響的凹板篩條間隙A、脫粒間隙B、滾筒轉(zhuǎn)速C為研究對(duì)象，以脫粒損失率η、含雜率β和雜余籽粒率δ為指標(biāo)，在碾壓輥可轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)下選用L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)。

表2　正交試驗(yàn)因素水平編碼表

正交試驗(yàn)各因素水平編碼如表2所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到3個(gè)因素對(duì)各性能指標(biāo)影響程度的主次順序：對(duì)脫粒損失率的影響為C>B>A；對(duì)含雜率的影響為C>A>B；對(duì)雜余籽粒率的影響為A>B>C。

用加權(quán)評(píng)分法確定綜合指標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取含雜率、雜余籽粒率和脫粒損失率的加權(quán)系數(shù)分別為-0.2、-0.3和-0.5，得到的較優(yōu)參數(shù)組合為：凹板篩條間隙9 mm，脫粒間隙12 mm，滾筒轉(zhuǎn)速650 r/min。

為得到各試驗(yàn)因素對(duì)性能指標(biāo)影響的顯著性情況，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果顯示：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，凹板篩條間隙對(duì)雜余籽粒率和含雜率影響顯著，而對(duì)脫粒損失率影響不顯著；脫粒間隙僅對(duì)脫粒損失率影響顯著；滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)脫粒損失率和含雜率影響均特別顯著，而對(duì)雜余籽粒率影響不顯著。

表3　正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.4回歸試驗(yàn)

在正交試驗(yàn)所得較優(yōu)參數(shù)組合的基礎(chǔ)上，可通過(guò)二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)回歸試驗(yàn)，建立該脫粒裝置各性能指標(biāo)和參數(shù)間可靠的回歸模型，確定最優(yōu)參數(shù)組合，并實(shí)現(xiàn)指標(biāo)預(yù)測(cè)和參數(shù)控制[15-18]。

由于試驗(yàn)中所用柵格篩規(guī)格有限，其凹板篩條間隙不能匹配回歸試驗(yàn)參數(shù)水平的取值，故固定正交試驗(yàn)所得凹板篩條間隙的較優(yōu)水平9 mm，僅以剩余兩因素為研究對(duì)象進(jìn)行回歸試驗(yàn)。以正交試驗(yàn)所得較優(yōu)參數(shù)組合中滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙的水平作為回歸試驗(yàn)中兩因素的零水平。由正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析可知：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，脫粒間隙和滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)雜余籽粒率的影響均不顯著，故回歸試驗(yàn)不再考慮雜余籽粒率，只將脫粒損失率η和含雜率β作為性能指標(biāo)進(jìn)行研究?；貧w試驗(yàn)因素水平編碼如表4所示，回歸試驗(yàn)方案及結(jié)果如表5所示。

表4　回歸試驗(yàn)因素水平編碼表

表5　回歸試驗(yàn)方案及結(jié)果

考慮到室內(nèi)試驗(yàn)條件與田間實(shí)際情況的差異、人為因素造成的誤差以及試驗(yàn)物料含水率變化等因素，在利用DPS軟件對(duì)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析時(shí)，選取置信度水平為α=0.25，分別得到脫粒損失率和含雜率在標(biāo)準(zhǔn)空間內(nèi)的多元回歸方程：

脫粒損失率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，

(1)

含雜率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，

(2)

其中：x1和x2分別為脫粒間隙和滾筒轉(zhuǎn)速的因素編碼。

分析計(jì)算得到式(1)的相關(guān)系數(shù)R和剩余標(biāo)準(zhǔn)差S分別為0.806 3和2.602 3；式(2)的相關(guān)系數(shù)R和剩余標(biāo)準(zhǔn)差S分別為0.915 4 和7.237 5，表明兩個(gè)方程均有很高的相關(guān)度。對(duì)式(1)和式(2)進(jìn)行方差分析檢驗(yàn)其顯著性，結(jié)果如表6所示。由表6可知：脫粒損失率和含雜率的回歸方程均有較高的顯著性，回歸模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的預(yù)測(cè)及參數(shù)的控制。

用加權(quán)優(yōu)化法對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，由于脫粒損失率是反映脫粒裝置性能的最重要指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合谷子清選難度大的特點(diǎn)，故取含雜率的加權(quán)系數(shù)為-0.4，脫粒損失率的加權(quán)系數(shù)為-0.6，得到的最優(yōu)參數(shù)組合為：滾筒轉(zhuǎn)速620 r/min，脫粒間隙12.5 mm。在此條件下，該脫粒裝置的脫粒損失率和含雜率分別達(dá)到0.91%和10.91%。

2.5驗(yàn)證試驗(yàn)

由回歸方程優(yōu)化所得的最優(yōu)參數(shù)組合并未在回歸試驗(yàn)各水平中出現(xiàn)，為判斷最優(yōu)點(diǎn)處各指標(biāo)試驗(yàn)值和方程預(yù)測(cè)值的吻合程度，需要進(jìn)行該脫粒裝置在最優(yōu)參數(shù)下的驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)方案及結(jié)果如表7所示。考慮到人為因素及試驗(yàn)物料狀態(tài)變化等造成的影響，試驗(yàn)結(jié)果與最優(yōu)參數(shù)下的預(yù)測(cè)值接近，說(shuō)明回歸方程有較高的預(yù)測(cè)精度。

表7　驗(yàn)證試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.6脫粒損失率影響因素分析

脫粒損失率是反映脫粒裝置性能的最重要指標(biāo)。通過(guò)對(duì)式(1)進(jìn)行降維分析，可以得到滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙對(duì)脫粒損失率的影響規(guī)律，如圖5所示。分析圖5可知：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著滾筒轉(zhuǎn)速增大，脫粒元件對(duì)谷子穗頭的碾壓和抖動(dòng)作用更加充分，脫粒損失率在一定范圍內(nèi)降低。當(dāng)脫粒間隙過(guò)小時(shí)，物料在脫粒裝置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)受到影響，易產(chǎn)生堆積導(dǎo)致其籽粒分離能力下降，造成夾帶損失增加，脫粒損失率在一定程度上增大；而脫粒間隙過(guò)大時(shí)，又會(huì)因脫粒元件對(duì)物料作用力的減弱，使物料脫不凈現(xiàn)象增加，脫粒損失率增大。

圖5　滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙對(duì)脫粒損失率的影響規(guī)律

3結(jié)論

(1)碾壓輥在可轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下對(duì)谷穗具有更好的碾壓效果。

(2)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，減小凹板篩條間隙，雜余籽粒率降低。

(3)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，脫粒損失率隨著滾筒轉(zhuǎn)速增大而降低，隨著脫粒間隙增大而在一定范圍內(nèi)先降低后升高。

(4)在試驗(yàn)條件下，該脫粒裝置在碾壓輥可轉(zhuǎn)動(dòng)、滾筒轉(zhuǎn)速620 r/min、脫粒間隙12.5 mm、凹板篩條間隙9 mm時(shí)達(dá)到最優(yōu)性能，此時(shí)脫粒損失率和含雜率分別為0.91%和10.91%。

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基金項(xiàng)目：河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃基金項(xiàng)目(152102210276)

作者簡(jiǎn)介：駱恒光(1990-),男,河南輝縣人,碩士生;師清翔(1957-),男，河南孟州人,教授,碩士，博士生導(dǎo)師,主要從事谷物聯(lián)合收獲機(jī)方面的研究.

收稿日期：2016-03-16

文章編號(hào)：1672-6871(2016)05-0056-06

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.013

中圖分類號(hào)：S225.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A