仿生手掰穗玉米收獲裝置結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

陳美舟，程修沛，賈曉東，張麗萍，李其昀※

0 引 言

據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2016年中國(guó)玉米播種面積3 676萬(wàn)hm2[1]（約占全國(guó)種植面積的32.5%），產(chǎn)量達(dá)到21 955萬(wàn)t，均超過(guò)水稻和小麥，居糧食作物之首[2-3]，且玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)械化技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外發(fā)展的必然趨勢(shì)[4]。同時(shí)，鮮食型玉米及其產(chǎn)業(yè)化也得到快速發(fā)展，2016年種植面積達(dá)到100萬(wàn)hm2，到2020年有望達(dá)到200萬(wàn) hm2[5-6]，其作為一種糧、菜兼用型玉米，要求果穗能夠低損收獲，品相完整。近年來(lái)，中國(guó)的玉米機(jī)收率顯著提高[7-8]，但果穗損傷率較大，現(xiàn)有的玉米收獲技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足籽粒收獲和鮮食玉米對(duì)果穗低損收獲的要求，嚴(yán)重影響玉米收獲質(zhì)量并制約著玉米收獲機(jī)的推廣和應(yīng)用。因此，解決玉米果穗收獲損失嚴(yán)重問(wèn)題意義重大[9-10]。

目前，玉米收獲機(jī)的摘穗裝置主要包括拉莖輥與摘穗板組合式和摘穗輥式 2種型式。前者對(duì)果穗損傷小，籽粒損失率低，但果穗含雜率較高；后者摘穗能耗小，具有一定的剝皮效果，果穗含雜率低，但常會(huì)出現(xiàn)“啃穗”現(xiàn)象，果穗損傷較大[11-12]。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)玉米收獲裝置的研究與推廣應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，機(jī)收水平較高，但是對(duì)仿生（模仿人工）掰穗方面的研究較少，針對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)損失，360 YIELD CENTER研發(fā)了玉米割臺(tái)毛刷裝置，能夠有效降低割臺(tái)損失，降損比例約為80%，目前已在John Deere 公司的收獲機(jī)上使用[13]。

國(guó)內(nèi)也尚未出現(xiàn)針對(duì)仿生掰穗方面的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者多從摘穗原理的角度進(jìn)行研究，對(duì)輥式摘穗裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)以降低果穗收獲的損傷[14-16]。耿端陽(yáng)等[17]研究了立式激振折斷的摘穗機(jī)理，并設(shè)計(jì)了多棱立輥式摘穗裝置；陳美舟等[18]分析了臥輥式摘穗裝置兩輥高度差對(duì)玉米損傷的影響并進(jìn)行了優(yōu)化。國(guó)內(nèi)少數(shù)科研院所摒棄了傳統(tǒng)的摘穗原理的制約，進(jìn)行了新型摘穗裝置的研究，程修沛等[19]采用自上而下的掰穗原理，設(shè)計(jì)了上拉莖掰穗式玉米收獲裝置；劉憲軍[20]提出了一種彎曲折斷式玉米摘穗方法，都在理論和試驗(yàn)研究上做了創(chuàng)新研究，奠定了后續(xù)的科研基礎(chǔ)，但市面上尚未出現(xiàn)相應(yīng)的機(jī)具，因此目前只是理論性的試驗(yàn)研究。

本文研究的仿生掰穗手式玉米收獲試驗(yàn)臺(tái)，模仿人工掰穗動(dòng)作，夾持喂入裝置將玉米植株輸送到掰穗?yún)^(qū)，掰穗手對(duì)玉米果穗自上而下施加作用力從而使果穗掉落，然后同時(shí)玉米莖稈受到拉莖輥和夾持喂入裝置的作用力產(chǎn)生向下向后的拉莖運(yùn)動(dòng)，掰穗作業(yè)完成。本文驗(yàn)證了這種仿生摘穗方式低損收獲的可能性，能夠避免摘穗輥對(duì)玉米果穗的啃傷，果穗損傷小，籽粒損失更低，提高了玉米果穗收獲質(zhì)量，以期為低損傷玉米收獲的創(chuàng)新研究提供參考。

1 仿生掰穗手式玉米收獲裝置

1.1 仿生掰穗手式玉米收獲裝置的結(jié)構(gòu)

仿生掰穗手式玉米收獲裝置由導(dǎo)向板、機(jī)架、掰穗手、鏈條、鏈輪、和拉莖裝置等組成。其中掰穗手均勻?qū)ΨQ分布在雙排鏈條的翼板上，隨鏈條的轉(zhuǎn)動(dòng)可以將不同高度的玉米果掰下，從而適應(yīng)不同的結(jié)穗高度。仿生掰穗手式玉米收獲裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 仿生掰穗手式玉米收獲裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of corn ear picking device by bionic breaking ear hand

1.2 工作原理

工作時(shí)，玉米植株由夾持喂入裝置夾持喂入，經(jīng)撥禾裝置和導(dǎo)向板的作用進(jìn)入掰穗?yún)^(qū)后，玉米莖稈在拉莖輥前段螺紋錐體作用下進(jìn)入相向運(yùn)動(dòng)的拉莖輥，玉米莖稈受到兩拉莖輥的作用力和夾持喂入裝置的作用力產(chǎn)生向下向后的拉莖運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，掰穗手在鏈條的帶動(dòng)下，自上而下運(yùn)動(dòng)，并對(duì)果穗或穗柄處施加向下作用力F，果穗受力彎曲，在穗柄與秸稈連接處或果穗與穗柄的連接處產(chǎn)生折斷脫離植株完成掰穗過(guò)程，如圖 2所示，掰穗完成的玉米秸稈被拉莖抽出，后續(xù)可進(jìn)行回收或還田處理。

如圖 2所示，掰穗手由于鏈速較低，鏈的離心拉力可以忽略，不考慮掰穗手的長(zhǎng)度，則掰穗手對(duì)果穗的作用力F

式中 F1為鏈條工作拉力，N；G1為鏈條重力，N；G2為掰穗手重力，N；Ff為鏈條垂度拉力，N，當(dāng)兩鏈輪中心連線與水平面所成的角為90°，即垂直傳動(dòng)時(shí)，取kf=1[21]；P為傳動(dòng)功率，kW；v為鏈速，m/s；q為每米鏈長(zhǎng)的質(zhì)量，kg，試驗(yàn)采用12A滾子鏈，節(jié)距19.05 mm，q取值1.5；g為重力加速度，m/s2；a為兩鏈條中心距，m，試驗(yàn)設(shè)計(jì)中心距為0.28 m。

掰穗裝置電機(jī)選用Y112-4A型調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，額定功率0.55 kW，將試驗(yàn)選取的最大掰穗手速度v掰=2.85 m/s代入式中，可得鏈條工作拉力F1=193 N，遠(yuǎn)大于功耗試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)仿生彎曲折斷掰穗方式摘穗掰穗所需最大的力為24.5 N，因此確定方案可行。

圖2 果穗受力分析Fig.2 Force analysis on corn ear

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)

2.1 掰穗手

人工掰穗時(shí)，通過(guò)手部虎口處對(duì)果穗施加作用力，使得果穗自果柄處折斷。因此，模仿人工掰穗原理對(duì)掰穗手（圖 3）結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì) ，同時(shí)考慮到果穗生長(zhǎng)的不同方向，掰穗手前部彎曲部分模仿彎曲的手指，可將果穗撥入掰穗手弧頂處；后部切成光滑的斜面，果穗可順勢(shì)滑倒掰穗手虎口處；中部設(shè)計(jì)為弧狀，是掰穗的關(guān)鍵部位，無(wú)論果穗朝向如何，皆可在此處被掰下。

圖3 掰穗手結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of breaking ear hand

掰穗手通過(guò)鉚釘固定在掰穗鏈條上，工作時(shí)隨著掰穗鏈條在掰穗?yún)^(qū)間自上而下運(yùn)動(dòng)，莖稈被喂入到掰穗?yún)^(qū)域后，由于果穗的朝向不同，掰穗手的弧頂作用在玉米果穗的位置也會(huì)不同，掰穗手施加的作用力 F可能會(huì)落在果穗的表面，也可能會(huì)落在果穗與莖稈之間，課題組在前期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，果穗朝向?qū)﹃胧值年胄阅苡绊懖伙@著，因此，如圖3所示，當(dāng)掰穗手的作用力F和果穗重力G的合力能夠克服果穗和莖稈連接力與力矩，即可完成掰穗。

2.2 拉莖裝置

拉莖裝置（圖4）主要完成對(duì)莖稈的拽拉和配合掰穗手完成收獲果穗。其拉莖輥的工作長(zhǎng)度、直徑、兩輥間隙以及水平傾角都會(huì)對(duì)莖稈的引導(dǎo)和輔助喂入的效果有影響。崔濤等[22]研究的刀片式拉莖輥，實(shí)現(xiàn)了垂直下拉，避免了莖稈的折彎，因此本設(shè)計(jì)拉莖段采用 4條筋板式拉莖輥，筋板對(duì)稱錯(cuò)開(kāi)，實(shí)現(xiàn)莖稈的有效夾持；前段為帶螺紋的錐體，引導(dǎo)和輔助莖稈喂入。

圖4 拉莖裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structure diagram of pull stem device

拉莖裝置由輸入鏈輪、齒輪、軸承座、固定板、連接軸和拉莖輥組成，拉莖輥材料選用直徑為55 mm，厚度為5 mm的無(wú)縫鋼管，筋板由6 mm厚，高度為25 mm的鋼板制成，2個(gè)拉莖輥中心線之間的距離為92 mm，拉莖輥?zhàn)畲蠡剞D(zhuǎn)為105 mm，拉莖輥拉莖段長(zhǎng)度為300 mm。拉莖輥水平放置，其中心線距地面的高度為450 mm。工作時(shí)，玉米植株被螺紋錐體引導(dǎo)并喂入到拉莖段，在拉莖輥的相向轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下，被拉莖輥上的筋板夾住并向下運(yùn)動(dòng)，完成拉莖作業(yè)。

為了確定掰穗裝置和拉莖裝置在豎直方向的位置以及掰穗與拉莖間隙，根據(jù)試驗(yàn)選用的玉米品種登海 605的物理參數(shù)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量并利用SPSS軟件進(jìn)行處理[23]，可確定掰穗裝置上鏈輪中心距地面的高度為1 150 mm，拉莖輥中心線距地面的高度為450 mm，掰穗裝置間隙為35 mm，拉莖輥中心線之間的距離為92 mm

2.3 夾持喂入裝置

由于試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，仿生掰穗手式玉米收獲臺(tái)架固定不動(dòng)，因此通過(guò)玉米植株的移動(dòng)喂入來(lái)模仿實(shí)際田間作業(yè)中收獲機(jī)與玉米的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。夾持輸送裝置由夾持導(dǎo)軌、固定座、鋼絲繩、絞線盤(pán)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，電機(jī)輸出軸帶動(dòng)絞線盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼絲繩的一端固定在絞線盤(pán)上，鋼絲繩的另一端固定在夾持移動(dòng)軌上，鋼絲繩隨著絞線盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)拖拉夾持導(dǎo)軌使玉米植株朝著試驗(yàn)臺(tái)做定速定向移動(dòng)，如圖 5所示，夾持移動(dòng)軌按照實(shí)際測(cè)量中玉米植株平均株距，每隔240 mm設(shè)置一個(gè)夾持位，最多能夠一次性?shī)A持10株玉米植株。通過(guò)改變更換不同大小的絞線盤(pán)來(lái)改變夾持導(dǎo)軌的移動(dòng)速度，即改變了玉米植株的前進(jìn)速度。

圖5 夾持喂入裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Structure diagram of clamping feeding device

3 掰穗效果試驗(yàn)

因田間試驗(yàn)研究周期較長(zhǎng)，利用臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M田間工作環(huán)境，有利于深入觀察各因素對(duì)籽粒損失率的影響程度。本文通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)研究掰穗手?jǐn)?shù)目、夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度、掰穗手速度等因素變化對(duì)籽粒損失率的影響，尋找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)。

試驗(yàn)在仿生掰穗手式玉米收獲臺(tái)架上進(jìn)行，結(jié)構(gòu)如圖 6所示。試驗(yàn)臺(tái)由高速攝像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、功率測(cè)試裝置、仿生掰穗裝置、撥禾裝置、拉莖裝置、夾持輸送裝置等組成；其中仿生掰穗裝置由Y112-4A型調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)掰穗手在掰穗間隙自上而下運(yùn)動(dòng)。拉莖裝置拉莖裝置由Y112-4B型調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)拉莖輥相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，在掰穗的同時(shí)將玉米植株拉下，確保玉米植株連續(xù)喂入。試驗(yàn)過(guò)程中，夾持導(dǎo)軌夾持并牽引玉米植株向掰穗裝置喂入。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，將夾持喂入裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)視為相對(duì)靜止，則仿生掰穗手式玉米收獲臺(tái)架相對(duì)于玉米植株向前運(yùn)動(dòng)；隨著夾持喂入裝置的運(yùn)動(dòng)，仿生掰穗裝置相對(duì)夾持喂入裝置運(yùn)動(dòng)靠近玉米植株完成掰穗作業(yè)。

圖6 仿生掰穗手式玉米收獲試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of test device of corn ear picking by bionic breaking ear hand

3.1 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1 掰穗手速度與數(shù)目

分析可知，仿生掰穗手式玉米收獲臺(tái)能順利掰下果穗，不漏掰，與掰穗手?jǐn)?shù)目、掰穗手速度以及夾持導(dǎo)軌的行進(jìn)速度存在一定關(guān)系。為了使玉米果穗不出現(xiàn)漏摘得現(xiàn)象，需要保證每株玉米進(jìn)入掰穗?yún)^(qū)時(shí)，掰穗手正好轉(zhuǎn)到果穗位置。玉米種植的平均株距為L(zhǎng)2，機(jī)具以v前向前行駛，初始時(shí)，假設(shè)掰穗手正好掰下上株玉米，那么經(jīng)L2/v前后，下一把掰穗手正好轉(zhuǎn)到掰穗處，下把掰穗手轉(zhuǎn)過(guò)的距離為 L1/N，忽略掰穗所需時(shí)間，則掰穗手的轉(zhuǎn)速v掰為

式中L1為鏈長(zhǎng)，m，所選鏈條長(zhǎng)度約為0.41 m；N為掰穗手?jǐn)?shù)目；L2為株距，m，測(cè)量試驗(yàn)用玉米相關(guān)參數(shù)，取平均株距為0.24 m；v前為夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度，m/s，中國(guó)自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)速度范圍為3～6 km/h，約為 0.83～1.67 m/s。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)可知，最低掰穗速度為0.3 m/s[24]。則掰穗手速度需滿足

則由式（2）和式（3）可知，掰穗手?jǐn)?shù)目需滿足

根據(jù)式（4）可知，當(dāng)v前取0.83 m/s時(shí)，N＜4.7，掰穗手?jǐn)?shù)目可取整數(shù)1～4個(gè)，而此時(shí)若選用4把掰穗手進(jìn)行掰穗時(shí)，掰穗手速度僅為0.35 m/s，接近預(yù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而試驗(yàn)選用的玉米植株已非大田環(huán)境，且為單行喂入，果穗更易掰下，考慮到復(fù)雜的大田環(huán)境，不宜選用 4把掰穗手，因此，掰穗手?jǐn)?shù)目選取1～3把。為了保證收獲機(jī)的作業(yè)效率，確保在行駛速度較高時(shí)也能將果穗掰下，選取v前為1.67 m/s，分別將N=1～3代入式（4），對(duì)應(yīng)掰穗手速度v掰的取值范圍為0.95～2.85 m/s。

3.1.2 夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度與絞線盤(pán)直徑的確定

夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度與不同大小絞線盤(pán)的轉(zhuǎn)換為臺(tái)架試驗(yàn)提供了可能，通過(guò)更換不同直徑的絞線盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)線速度的變化，絞線盤(pán)的鋼絲繩再牽引夾持導(dǎo)軌，最終完成玉米植株行進(jìn)速度的控制。由于夾持移動(dòng)導(dǎo)軌最終是通過(guò)更換絞線盤(pán)進(jìn)行調(diào)速的，因此需將絞線盤(pán)直徑與夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度之間的關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并確定絞線盤(pán)的直徑。絞線盤(pán)的線速度即為夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度，則夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度v前為

式中D為絞線盤(pán)直徑，mm；n為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r/min，絞線盤(pán)由電機(jī)直接帶動(dòng)，因此，絞線盤(pán)轉(zhuǎn)速即為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)選用SZ系列直流伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)行走速度范圍0.83～1.67 m/s，確定夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度的范圍為0.83～1.67 m/s，并根據(jù)式（5）所示，將夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度換算為對(duì)應(yīng)絞線盤(pán)的直徑，對(duì)應(yīng)該轉(zhuǎn)換便于夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度的實(shí)際操控。

3.2 試驗(yàn)條件與方法

仿生掰穗手式摘穗試驗(yàn)的地點(diǎn)在山東理工大學(xué)農(nóng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)室，儀器設(shè)備包括已加工完成的仿生掰穗手式玉米收獲臺(tái)架、電腦、數(shù)字轉(zhuǎn)速表（DM6235P、上海業(yè)態(tài)電氣有限公司、±（0.05%+1））、電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制器（JD1A-11、上海雙旭電子有限公司、≧1%）、高速攝像系統(tǒng)（CamRecord 1000、德國(guó) Optronis公司、1280*1024）、三相電參數(shù)測(cè)量?jī)x（GDW3001、廣州市卓粵電子儀器有限公司、0.5級(jí)）、卷尺、直流伺服電機(jī)（SZ系列、淄博博山隆鑫祥電機(jī)電器有限公司）、調(diào)速電機(jī)(YCT112-4A型、上海雙旭電子有限公司)、夾持喂入裝置等。仿生掰穗手式玉米收獲試驗(yàn)臺(tái)如圖 7所示。試驗(yàn)選用整株成熟期登海 605玉米植株，在自然通風(fēng)試驗(yàn)室放置10 d，試驗(yàn)時(shí)含水率為20%。

圖7 仿生掰穗手式玉米收獲試驗(yàn)裝置Fig.7 Test device of corn ear picking by bionic breaking ear hand

3.3 臺(tái)架試驗(yàn)方法

3.3.1 影響因素的確定

根據(jù)仿生掰穗手式玉米收獲臺(tái)架的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，本試驗(yàn)選取影響落粒損失率的 3個(gè)關(guān)鍵因素：掰穗手?jǐn)?shù)目、掰穗手速度、夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度。

掰穗手?jǐn)?shù)目：掰穗手安裝的數(shù)量影響掰穗效果的好壞，掰穗手安裝數(shù)量不足，則需要提高掰穗手速度才能滿足掰穗要求，這會(huì)使得掰穗功耗增加，同時(shí)也會(huì)加劇掰穗手的磨損，壽命降低。因此需要選擇合適的掰穗手?jǐn)?shù)目，根據(jù)對(duì)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)分析，選取1～3把。

掰穗手速度：掰穗手速度不僅直接決定掰穗手是否能將果穗掰下，還會(huì)影響掰穗裝置的穩(wěn)定性，掰穗手速度較低時(shí)，掰穗手向下運(yùn)動(dòng)后會(huì)使莖稈折彎，果穗隨莖稈下移，錯(cuò)過(guò)掰穗時(shí)機(jī)，若機(jī)具行走較快時(shí)，掰穗手還未轉(zhuǎn)到掰穗?yún)^(qū)，也會(huì)造成嚴(yán)重的損失，因此，需要確定掰穗手速度的合適范圍，根據(jù)上述分析，確定掰穗手速度為0.95～2.85 m/s。

夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度：夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度過(guò)快，植株進(jìn)入掰穗?yún)^(qū)后，果穗來(lái)不及被掰下，且極易擁堵，造成嚴(yán)重的落粒損失；夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度過(guò)慢，導(dǎo)致作業(yè)效率低下，所以試驗(yàn)時(shí)夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度應(yīng)選擇應(yīng)在合理范圍，即為0.83～1.67 m/s。

3.3.2 籽粒損失率測(cè)定方法

將試驗(yàn)后的玉米籽粒由2個(gè)塑料袋進(jìn)行分裝，將第i組第 j次試驗(yàn)后掉落與摘穗過(guò)程中損傷的籽粒裝入標(biāo)記為Aij的袋中，同時(shí)將果穗上的玉米籽粒剝落并裝入標(biāo)記為Bij的袋中；每組試驗(yàn)后將試驗(yàn)臺(tái)打掃干凈，減少試驗(yàn)誤差；將每次試驗(yàn)后Aij袋中的玉米籽粒烘干后所稱質(zhì)量計(jì)為Wij，將Bij袋中的玉米籽粒烘干后所稱質(zhì)量計(jì)為Mij，則每次試驗(yàn)前玉米籽粒樣本質(zhì)量為損失籽粒質(zhì)量Wij和未損失籽粒樣本質(zhì)量Mij之和[25]。

3.3.3 試驗(yàn)指標(biāo)

仿生掰穗手式玉米收獲試驗(yàn)臺(tái)旨在降低和減少果穗的籽粒損失，因此選擇玉米籽粒損失率作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如式（6）所示。

式中ηij為第i組第j次試驗(yàn)的籽粒損失率，%；Wij為損失籽粒的質(zhì)量，即掉落與摘穗過(guò)程中損傷的籽粒質(zhì)量之和，g；M為未損失的玉米籽粒的質(zhì)量，g；i為試驗(yàn)組數(shù)，取值范圍1～17；j為每組試驗(yàn)中試驗(yàn)次數(shù)，取值范圍1～3[26]。

3.3.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在收獲過(guò)程中存在很多影響籽粒損失率的非線性因素，通常需要選用 2次或者更高次的模型來(lái)逼近相應(yīng)，因此模型采用響應(yīng)面法來(lái)建立[27-29]。掰穗手?jǐn)?shù)目N、掰穗手轉(zhuǎn)速v掰、夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度v前和籽粒損失率分別用x1、x2、x3、Y 表示。

試驗(yàn)采用三因素三水平 Box-Behnken響應(yīng)曲面分析法[30]，因素與水平編碼如表1所示，共進(jìn)行17組，每組試驗(yàn)3次，每次三株玉米，取3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。通過(guò)Design-Expert8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行結(jié)果分析，表2為試驗(yàn)結(jié)果。

表1 試驗(yàn)因素水平Table 1 Factor level of experiment

表2 二次正交旋轉(zhuǎn)回歸組合試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Program and results of test of quadratic rotation-orthogonal combination

3.4 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.4.1 試驗(yàn)回歸分析

利用Design-Expert 8.0.6對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到以籽粒損失率為 Y為響應(yīng)函數(shù)，以各因素為自變量的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，如式（7）所示。

式中 X1、X2、X3分別為掰穗手?jǐn)?shù)目、掰穗手轉(zhuǎn)速和夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度的編碼值。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表3所示，結(jié)果表明：籽粒損失率回歸方程模型P＜0.001，表明該模型極其顯著；失擬項(xiàng)P＞0.05(0.068 4)表明回歸方程擬合度高；其決定系數(shù)R2值為0.9858，表明該模型可以解釋 98%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此仿生掰穗手式玉米收獲裝置的工作參數(shù)可以用該模型來(lái)優(yōu)化。

表3 模型顯著性檢驗(yàn)Table 3 Significance test of model

各參數(shù)對(duì)回歸方程的影響作用可以通過(guò) P值大小反應(yīng)，P＜0.01表明參數(shù)對(duì)模型影響極顯著，P＜0.05表明參數(shù)對(duì)模型影響顯著。籽粒損失率Y模型中有4個(gè)回歸項(xiàng)影響極顯著（P＜0.01），分別為 X1、X2、X12、X22；5 個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)影響不顯著（P＞0.05），分別為X3、X1X2、X1X3、X2X3、X32。剔除模型不顯著回歸項(xiàng)，對(duì)模型 Y進(jìn)行優(yōu)化，如式（8）所示，分析優(yōu)化后的模型，根據(jù)模型Y的P值（P＜0.001）與模型Y的失擬項(xiàng)P值（0.0522）可知優(yōu)化模型可靠。

3.4.2 各因素對(duì)籽粒損失率的影響分析

通過(guò)分析可知，掰穗手?jǐn)?shù)目、掰穗手轉(zhuǎn)速、夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度對(duì)籽粒損失率均有顯著性影響，且影響強(qiáng)弱次序?yàn)椋宏胧洲D(zhuǎn)速＞掰穗手?jǐn)?shù)目＞夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度。如圖8所示為籽粒損失率的響應(yīng)曲面3D效果。

圖8 不同因素對(duì)籽粒損失率的影響Fig.8 Influence of different factors on grain loss rate

由圖8a可知，在掰穗手?jǐn)?shù)目各個(gè)水平下，籽粒損失率隨掰穗手的速度增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)明顯，結(jié)合高速攝像機(jī)采集的圖像（圖 9a）可以發(fā)現(xiàn)，掰穗手速度較大時(shí)籽粒損失較高主要是由掰穗手的剛性沖擊所造成的；在掰穗手速度各個(gè)水平下，籽粒損失率隨掰穗手?jǐn)?shù)目的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)相對(duì)緩慢，分析在掰穗手?jǐn)?shù)目較多的情況下，掰穗手的連續(xù)沖撞是造成籽粒損失的主要原因。

由圖8b可知，在掰穗手?jǐn)?shù)目各個(gè)水平下，籽粒損失率隨夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度的增加呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì)，分析在夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度較高的情況下，掰穗?yún)^(qū)域出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象是造成籽粒損失的主要原因，在夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度各水平下，籽粒損失率隨掰穗手?jǐn)?shù)目的增加呈現(xiàn)微弱的先下降后上升趨勢(shì)。

由圖8c可知，在夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度各水平下，籽粒損失率隨掰穗手轉(zhuǎn)速增加呈明顯的上升趨勢(shì)。掰穗手速度最低時(shí)，造成籽粒損失的原因是掰穗手速度過(guò)低，不能迅速的將果穗掰下，之后多個(gè)掰穗手共同作用才將果穗掰下，掰穗手的多次沖擊對(duì)果穗造成了損傷，如圖 9b所示。

圖9 高速攝像機(jī)采集的掰穗過(guò)程Fig.9 Breaking process captured by high-speed camera

3.4.3 參數(shù)優(yōu)化

為了獲得較好的掰穗效果，以低籽粒損失率的掰穗要求為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)仿生掰穗手式玉米收獲裝置的工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析[31-32]，應(yīng)用 Design-Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)籽粒損失率的回歸模型優(yōu)化分析，約束條件為：1）目標(biāo)函數(shù) Y[min]；2)影響因素約束：X1掰穗手?jǐn)?shù)目1～3個(gè)；X2掰穗手速度0.95～2.85 m/s；X3夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度0.83～1.67 m/s。參數(shù)優(yōu)化組合為掰穗手?jǐn)?shù)目2個(gè)，掰穗手速度2.15 m/s，夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度1.14 m/s，在該參數(shù)組合下的籽粒損失率僅為0.031%。

3.5 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可行性，對(duì)優(yōu)化后的參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)定掰穗手?jǐn)?shù)目 2個(gè)，掰穗手速度2.15 m/s，夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度1.14 m/s。試驗(yàn)進(jìn)行5次取平均值，最后得籽粒損失率為0.04%，與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為0.009%，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的2%。試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)值很接近，驗(yàn)證了該模型的可靠性。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)仿生掰穗手式玉米收獲試驗(yàn)臺(tái)的收獲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其籽粒損失率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的2%，并且小于輥式摘穗方式的籽粒損失，因此模仿人工掰穗的摘穗方式能夠有效避免摘穗輥對(duì)果穗的啃傷，實(shí)現(xiàn)低損收獲。

2）采用 Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)方法對(duì)掰穗手?jǐn)?shù)目、掰穗手速度和夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度對(duì)籽粒損失率的影響趨勢(shì)進(jìn)行了分析并建立了優(yōu)化模型，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型和優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性。試驗(yàn)因素對(duì)玉米籽粒損失率均有顯著影響，且強(qiáng)弱次序?yàn)椋宏胧炙俣龋娟胧謹(jǐn)?shù)目＞夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度。仿生掰穗手式玉米收獲臺(tái)最優(yōu)工作參數(shù)組合為參數(shù)優(yōu)化組合為掰穗手?jǐn)?shù)目 2個(gè)，掰穗手速度2.15 m/s，夾持導(dǎo)軌行進(jìn)速度1.14 m/s，在該參數(shù)組合下的籽粒損失率僅為0.031%。根據(jù)該試驗(yàn)參數(shù)組合，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得到籽粒損失率為0.04%，評(píng)價(jià)指標(biāo)與理論優(yōu)化值的相對(duì)誤差僅為0.009%，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（2%），優(yōu)化預(yù)測(cè)模型可靠。

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