半喂入式花生聯(lián)合收獲機關(guān)鍵工作參數(shù)試驗與優(yōu)化

南飛飛，盧澤民，李彥明，王喜恩

(1．江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.中聯(lián)重機股份有限公司，安徽 蕪湖 241018)

半喂入式花生聯(lián)合收獲機關(guān)鍵工作參數(shù)試驗與優(yōu)化

南飛飛1，盧澤民1，李彥明2，王喜恩2

(1．江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.中聯(lián)重機股份有限公司，安徽 蕪湖 241018)

為提高半喂入式花生聯(lián)合收獲機作業(yè)效率，改善其適應(yīng)性，以前進速度、夾持輸送速度、摘果輥轉(zhuǎn)速為試驗因素，以損失率和破碎率為試驗指標(biāo)，采用三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計方案，運用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應(yīng)面分析，得到響應(yīng)面模型；對所得到的數(shù)學(xué)模型進行優(yōu)化求解，并采用優(yōu)化后的最佳工作參數(shù)組合進行驗證試驗。結(jié)果表明：當(dāng)前進速度范圍為1.0～1.3m/s、夾持輸送速度工作范圍為1.2～1.6m/s、摘果轉(zhuǎn)速為450、600r/min時，損失率和破碎率均滿足作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

半喂入花生聯(lián)合收獲機；損失率； 破碎率；響應(yīng)面試驗

0 引言

我國半喂入式花生聯(lián)合收獲機技術(shù)經(jīng)過近15年時間的研發(fā)，取得長足發(fā)展；但市場接受度卻較低，除種植模式不配套、商業(yè)模式不成熟等原因外，其技術(shù)本身仍需進一步完善，最主要的原因還在于生產(chǎn)率較低、適應(yīng)性較差[1-2]。

目前，市場上有主要有兩種技術(shù)路線的花生收獲機：一類是將是機具前進、夾持、摘果三者工作參數(shù)關(guān)系優(yōu)化后固化，收獲效果較好，但適應(yīng)性較差，生產(chǎn)率也不能滿足用戶需求；另一類是將機具前進、夾持、摘果工作參數(shù)設(shè)計成線性相關(guān)，提高了機具適應(yīng)性，但導(dǎo)致在某些參數(shù)段工作參數(shù)不匹配，影響收獲性能。針對上述問題，本文以提高生產(chǎn)率為目標(biāo)、滿足性能指標(biāo)為條件，設(shè)計了一種新的傳動路線，即機具前進、夾持速度線性相關(guān)，摘果轉(zhuǎn)速固定，增加摘果輥長度，并對新開發(fā)的花生收獲機進行田間試驗、改進，獲得了最優(yōu)參數(shù)和工作范圍。

1 主要影響因素

評價花生收獲性能指標(biāo)有總損失率、破碎率及含雜率。本文主要研究挖掘、摘果階段的損失率和破碎率。其中，損失率為一定行程內(nèi)從挖掘到完成摘果過程中損失的花生莢果質(zhì)量占莢果總質(zhì)量百分比，包括埋果、掉果和未摘果；破碎率為一定行程內(nèi)破碎花生莢果質(zhì)量與莢果總質(zhì)量的百分比。

對不同機型田間作業(yè)觀察發(fā)現(xiàn)，除了機具前進速度、夾持輸送速度及摘果輥轉(zhuǎn)速外，摘果輥長度對收獲性能也有影響。①如前進和夾持輸送速度不匹配，喂入量增大時形成堵塞。②夾持鏈輸送速度不恰當(dāng)時，在秧苗夾持瞬間，花生莢果受到慣性力和土壤阻力的共同作用脫落，增加損失率。③摘果輥轉(zhuǎn)速增加，摘果葉片外徑線速度增大，對花生莢果擊打力增加，增加破碎率；摘果輥轉(zhuǎn)速減小，花生莢果未能從秧上摘下便被拋出，增加損失率。④摘果輥長度較小時，花生莢果在摘果段同樣不能被摘凈，增加損失率。

根據(jù)以上分析，設(shè)計了半喂入式花生聯(lián)合收獲機，傳動路線如圖1所示。其夾持、前進速度比按1.2設(shè)計[3]，前進速度為0.6～1.8m/s，則夾持速度為0.72～2.16m/s；通過變換齒輪，可將摘果輥轉(zhuǎn)速調(diào)為450、600、750r/min，摘果輥長度為1 250mm。以前進速度、夾持輸送速度和摘果輥轉(zhuǎn)速3個主要工作參數(shù)為試驗因素進行田間試驗，以損失率和破碎率為試驗指標(biāo)進行性能優(yōu)化試驗[3-5]。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗條件及對象

試驗地在河南省開封市市郊，土質(zhì)為沙土，土壤含水量約為13%。試驗花生品種為豫花3號，為直立性品種，平均株高430mm，莢果果實為大果型，百果質(zhì)量290g左右，莢果含水量54.7%。

V1～V10.帶輪 L1～L16.鏈輪 C1～C6.齒輪(位置)圖1 傳動系統(tǒng)簡圖Fig.1 Diagram of drive system

2.2 試驗儀器

試驗儀器如表1所示。

表1 試驗儀器

2.3 試驗方案與結(jié)果

田間試驗時，每次作業(yè)行程長度為15m，每個試驗重復(fù)3次行程，測量試驗指標(biāo)，取其均值。按照設(shè)計的試驗因素水平表，通過控制油門大小，更換夾持鏈處帶輪和摘果輥鏈輪，來調(diào)節(jié)前進速度、夾持輸送速度和摘果輥轉(zhuǎn)速。作業(yè)行程分為兩段：前5m為作業(yè)預(yù)備區(qū)，后10m為試驗作業(yè)區(qū)。將標(biāo)桿分段插好，在預(yù)備區(qū)將機具調(diào)整到設(shè)定參數(shù)后進入試驗區(qū)[6]。收獲作業(yè)結(jié)束后，對試驗指標(biāo)進行測試，每次分段取3個樣本，試驗結(jié)果取平均值。

通過分析，試驗因素與試驗指標(biāo)為多元非線性回歸關(guān)系，因此選用響應(yīng)面試驗分析方法，根據(jù)Box-Benhnken試驗設(shè)計原理，對機具的前進速度v1、夾持輸送速度v2、摘果輥轉(zhuǎn)速r進行三因素三水平響應(yīng)面分析，以試驗中測試的損失率Y1、破碎率Y2為響應(yīng)值，采用三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計方案，對試驗指標(biāo)進行優(yōu)化分析。試驗因素與試驗水平設(shè)計方案如表2所示。其中，x1～x3為真實值；X1～X3為編碼值[7]。

表2 試驗因素與水平表

試驗方案與試驗結(jié)果如表3所示。

表3 響應(yīng)面分析方案及試驗結(jié)果

續(xù)表3

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗結(jié)果回歸分析

運用Design-Expert 8.0.6軟件對表3中試驗結(jié)果進行響應(yīng)面分析處理[8]，得到損失率Y1和破碎率Y2回歸方程方差分析如表4、表5所示，其回歸系數(shù)及顯著性檢驗如表6、表7所示。

表4 回歸模型Y1的方差分析

由表4方差分析可知：所得到的損失率響應(yīng)面模型Y1高度顯著(P<0.01)，說明該指標(biāo)回歸方程擬合度較好；R2為96.2%，表明回歸模型Y1預(yù)測值與試驗值高度相關(guān)。

表5 回歸模型Y2的方差分析

由表5方差分析可知：所得到的破碎率響應(yīng)面模型Y2高度顯著(P<0.0001)，說明該指標(biāo)回歸方程擬合度很好；R2為94.4%，表明回歸模型Y2預(yù)測值與試驗值也高度相關(guān)。

表6 回歸模型Y1回歸系數(shù)及顯著性檢驗

***p<0.001(極顯著)， **p<0.01(很顯著)，*<0.05(顯著)。

由表6回歸系數(shù)顯著性分析可知：前進速度的一次項(X1)、夾持輸送速度與摘果輥轉(zhuǎn)速交互項(X2X3)對損失率影響顯著；夾持輸送速度(X2)和摘果輥轉(zhuǎn)速(X3)對損失率影響很顯著；夾持輸送速度的二次項(X22)對損失率影響極顯著，其他回歸項則對損失率無影響。

***p<0.001(極顯著),**p<0.01(很顯著),*<0.05(顯著)。

由表7回歸系數(shù)顯著性分析可知：各因素間無交互作用項，只有夾持輸送速度的一次項(X2)和摘果輥轉(zhuǎn)速一次項(X3)對破碎率影響極顯著。

經(jīng)上述回歸分析后，得到損失率Y1，破碎率Y2的響應(yīng)面模型為

Y1=4.41+0.16X1+0.21X2+0.29X3-0.18X1X2-

0.035X1X3+0.22X2X3+0.088X12+0.52X22+

0.12X32Y2=0.91+0.0063X1-0.26X2+0.49X3

3.2 試驗因素效應(yīng)分析

對損失率而言，存在交互作用影響，夾持輸送速度和摘果輥轉(zhuǎn)速的交互項X2X3對損失率影響顯著。為了更加直觀表述交互因素與損失率的影響關(guān)系，做出多因素效應(yīng)分析，如圖2所示。

圖2 夾持輸送速度和摘果輥轉(zhuǎn)速對損失率的等值線圖和響應(yīng)面圖Fig.2 Responsive surface and contour of total loss rate by gripping delivery speed and roller speed

由圖2分析可知：損失率隨著夾持輸送速度的增大而減小，在1.4m/s左右時損失率最小，而后隨著夾持速度的增加而增大；損失率隨著摘果輥轉(zhuǎn)速增大而降低，摘果輥轉(zhuǎn)速在450r/min時損失率最低。由圖2可看出：當(dāng)摘果轉(zhuǎn)速范圍為450～600r/min、夾持輸送速度范圍為1.2～1.6m/s時，損失率均小于3%，符合花生機作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[9]。

由于只有夾持輸送速度和摘果轉(zhuǎn)速兩單因素對破碎率影響顯著，因此這里對破碎率進行單因素效應(yīng)分析，如圖3所示。

圖3 單因素效應(yīng)對破碎率的影響Fig.3 Influence of single factor effect on broken rate

由圖3可知：當(dāng)夾持輸送速度工作范圍為1.20～2.16m/s、摘果轉(zhuǎn)速范圍為450～627r/min時，滿足破碎率小于1.0%要求[10]。

綜上所述，當(dāng)夾持輸送速度工作范圍為1.20～1.60m/s、摘果轉(zhuǎn)速范圍為450～600r/min時，損失率和破碎率均滿足作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由于摘果輥轉(zhuǎn)速為450、600、750r/min等3擋，故滿足作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的摘果轉(zhuǎn)速為450、600r/min。根據(jù)夾持、前進速度比1.2計算，得到前進速度范圍約為1.0～1.3m/s。

4 結(jié)論和展望

1)以損失率和破碎率指標(biāo)進行試驗研究，對試驗指標(biāo)進行了定義，分析了關(guān)鍵因素對試驗指標(biāo)的影響；確定了影響花生收獲指標(biāo)損失率和破碎率的主要因素為前進速度、夾持輸送速度、摘果輥轉(zhuǎn)速和摘果輥長度；設(shè)計了一款半喂入花生聯(lián)合收獲機，改變了工作部件的線性相關(guān)布置，增強了機具工作適應(yīng)性。

2)通過響應(yīng)面試驗分析，建立了影響因子與試驗指標(biāo)間的響應(yīng)面回歸模型，確定了滿足作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下的各因素的工作參數(shù)范圍。前進速度范圍約為1.0～1.3m/s，夾持輸送速度工作范圍為1.20～1.60m/s，摘果輥兩種可調(diào)轉(zhuǎn)速為450、600r/min，使機具各關(guān)鍵部件在一定工作參數(shù)范圍內(nèi)可調(diào)，解決了傳動機具工作參數(shù)固化的問題。

3)試驗發(fā)現(xiàn)，摘果輥長度對機具作業(yè)性能有一定影響，有待進一步研究。

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ID:1003-188X(2018)02-0170-EA

Optimization and Experiment on Key Operation Parameters of Semi-feeding Peanut Combine Harvester

Nan Feifei1, Lu Zemin1, Li Yanming2, Wang Xien2

(1.Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education & Jiangsu Province,Zhenjiang 212013, China; 2.Zoomlion Heavy Machinery Co.LTD., Wuhu 241018, China)

Abstract： In order to further improve the operation effectiveness of Semi-feeding Peanut Combine Harvester, three factors and two levels regression orthogonal rotation combination design experiment was done under the condition that forward velocity, gripping delivery velocity, and fruit-picking revolving velocity were made as experiment factors, and loss rate and broken rate were made as experiment indicators. Mathematical model of RSM was built and optimized by using the Design Expert 8.0.6 software. Verification experiment was done by using the optimal parameters combination after optimization. The experiment results showed that loss rate and broken rate meet the operation standard when forward velocity was 1.0-1.3m/s, gripping delivery velocity was 1.2-1.6 m/s, fruit-picking revolving velocity was 450 and 600r/min.

semi-feeding peanut combine harvester; loss rate; broken rate; response surface analys

2016-11-29

國家重點研發(fā)計劃項目(SQ2016YFNC040054)

南飛飛(1990-)，男，河南三門峽人，碩士研究生，(E-mail)18252585103@163.com。

盧澤民(1967-)，男，江蘇泰州人，副教授，工學(xué)博士，(E-mail)luzm@ujs.edu.cn。

S225.7+3

A

1003-188X(2018)02-0170-04