雙篩體多功能花生收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張亞萍，胡志超，游兆延,謝煥雄，顧峰瑋，吳 峰，施麗莉，徐弘博

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

花生，又名長生果，是我國最重要的經(jīng)濟(jì)作物和油料作物之一，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值、營養(yǎng)價值與藥用價值[1-3]。2015年，我國花生種植面積461.57萬hm2，居世界第二位，花生總產(chǎn)量1 643.97萬t，居世界首位，花生生產(chǎn)是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要的組成部分[4]。我國花生種植面積大，生產(chǎn)任務(wù)重，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及農(nóng)村勞動力的不斷外流，農(nóng)民勞動強(qiáng)度越來越大，花生生產(chǎn)全程機(jī)械化是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路，花生收獲機(jī)械化是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5-6]。近年來，我國山東、河南、河北等花生主產(chǎn)區(qū)正在大面積推廣花生聯(lián)合收獲和分段式收獲，其他地區(qū)花生收獲機(jī)械化仍處于較低水平。

根據(jù)作業(yè)功能的差異，現(xiàn)有的花生收獲機(jī)械主要分為花生挖掘機(jī)、花生收獲機(jī)、花生復(fù)收機(jī)、花生摘果機(jī)及聯(lián)合收獲機(jī)等[7-8]。其中，花生收獲機(jī)可以完成挖掘、篩土和鋪曬功能，根據(jù)分離輸送部件結(jié)構(gòu)形式的不同，主要分為鏟鏈?zhǔn)?以桿鏈和夾持鏈為主)及鏟篩式。現(xiàn)有收獲機(jī)多為針對于某種作業(yè)對象的專用機(jī)具，功能單一、適應(yīng)性差、機(jī)器閑置時間長。鏟篩式收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，篩面容易更換，可針對不同作業(yè)對象更換相應(yīng)篩面，容易實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，提高機(jī)具利用率，也適應(yīng)了目前我國農(nóng)機(jī)產(chǎn)品向多功能多用途方向發(fā)展的趨勢。

針對常見收獲機(jī)功能單一、適應(yīng)性差、振動大等現(xiàn)狀，結(jié)合具體的農(nóng)機(jī)農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種雙篩體多功能花生收獲機(jī)(4HCDS-100型花生收獲機(jī))，以花生收獲為主，通過更換振動篩和調(diào)節(jié)作業(yè)參數(shù)，可同時用來收獲馬鈴薯、紅薯、殘地膜等，可一次性完成收獲對象的挖掘、清土及鋪放等工序，振動小、作業(yè)可靠，具有較高的應(yīng)用推廣價值。

1 總體設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 作業(yè)對象分布模式

我國花生、馬鈴薯等作物的種植環(huán)境主要為沙土和沙壤土，這些作物的主產(chǎn)區(qū)集中在我國北方地區(qū)，根據(jù)特殊的氣候條件，主產(chǎn)區(qū)大部分地區(qū)采用壟作的栽培方式，以達(dá)到抗旱防澇、保墑、保肥及保溫等效果?；ㄉⅠR鈴薯的栽培通常采用一壟雙行的壟作模式，如圖1所示。壟作技術(shù)參數(shù)與產(chǎn)區(qū)氣候環(huán)境、種植對象、機(jī)具使用情況等相關(guān)，不同地區(qū)壟作參數(shù)不盡相同。以北方主產(chǎn)區(qū)為例，對于花生種植，壟距75～90cm，壟寬55～60cm，壟高約10～15cm，溝寬20～30cm，窄行距25～35cm；對于馬鈴薯種植，壟距85～100cm，壟寬60～80cm，壟高10～15cm，溝寬25～30cm，窄行距30～40cm[9-11]。為了實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)的一機(jī)多用，根據(jù)不同作物壟作要求，綜合考慮取機(jī)器作業(yè)幅寬為100cm，挖掘深度8～22cm可調(diào)。

圖1 壟作示意圖Fig.1 Schematic of ridge planting

1.2 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

4HCDS-100型花生收獲機(jī)為鏟篩式收獲機(jī)，機(jī)具外形尺寸長×寬×高為2 360mm×1 420mm×900mm，作業(yè)幅寬100cm。整機(jī)包括挖掘鏟、牽引架、變速器、機(jī)架、傳動裝置、驅(qū)振裝置、振動篩及限深輪，如圖2所示。其中，振動篩由前篩和后篩兩個部分組成，前、后篩均由主篩、副篩、篩框和側(cè)板構(gòu)成。兩個副篩均與篩框固定，前篩副篩起過渡和預(yù)分離的作用，后篩副篩和對應(yīng)側(cè)板偏向右側(cè)，起分離和側(cè)向排料的作用。兩個主篩均做成可拆卸的形式，可根據(jù)不同作業(yè)對象和作業(yè)環(huán)境更換相應(yīng)篩板，以完成收獲對象的分離輸送。在驅(qū)振裝置的驅(qū)動下，前、后篩同頻等幅反向運(yùn)動，慣性力相互抵消，起到振動平衡的作用。

1.挖掘鏟 2.牽引架 3.變速箱 4.傳動裝置 5.前篩主篩 6.后篩主篩 7.后篩副篩 8.側(cè)板 9.篩框 10. 限深輪 11.機(jī)架 12.驅(qū)振裝置 13.前篩副篩圖2 4HCDS-100型花生收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic of 4HCDS-100 type peanut harvester

拖拉機(jī)懸掛機(jī)構(gòu)與收獲機(jī)牽引架聯(lián)接，提供前進(jìn)動力；動力輸出軸與變速箱聯(lián)接，提供分離輸送動力，驅(qū)動振動篩的往復(fù)抖動。田間作業(yè)時，挖掘鏟進(jìn)入土層挖掘花生，挖起的花生(含秧蔓)、土壤混合物向后運(yùn)動至前篩，進(jìn)行清土并繼續(xù)向后篩輸送，混合物通過后篩進(jìn)一步清土，最后花生(含秧蔓)由后篩副篩向右側(cè)排出并鋪放在田間。

2 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 挖掘鏟鏟面傾角的確定

挖掘鏟是鏟篩式收獲機(jī)的關(guān)鍵部件之一，能夠直接影響整機(jī)工作性能，鏟面傾角是影響挖掘鏟作業(yè)質(zhì)量的主要因素，角度不合適會引起壅土，增加作業(yè)功耗[12]。鏟面傾角α的設(shè)計(jì)原則是使掘起物能夠順著鏟面上升至一定高度，并能夠保證掘起物不會中途落下，同時又要能夠使挖掘物被順利地運(yùn)送到后方振動篩上進(jìn)行進(jìn)一步的清土。

圖3為掘起物的受力分析圖。將掘起物所受到的力分別沿鏟面方向和垂直鏟面的方向進(jìn)行分解，在兩個方向同時列平衡方程，即

(1)

式中P—挖掘鏟挖掘土壤所需要的力(N)；

R—鏟面對掘起物的支持力(N)；

G—掘起物自身的重力(N)；

T—土壤與挖掘鏟之間的摩擦力(N)；

α—鏟面傾角(o)。

同時，又有

T=μ1R

(2)

其中，μ1為土壤與鏟面之間的摩擦因數(shù)。

由式(1)、式(2)整理可得

(3)

圖3 掘起物受力分析圖Fig.3 Force analysis of digging up things

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，若傾角α大于上述值，挖起的花生、土壤混合物會由兩側(cè)散落，且會壅堵在挖掘裝置上。實(shí)質(zhì)上，α角由對土壤松碎能力的要求、掘起物需要被挖掘鏟提起的高度以及土壤性質(zhì)等多個因素而決定。傾角α越大，越有利于土壤的破碎，但挖掘阻力也會跟著增加，也容易產(chǎn)生壅土現(xiàn)象；傾角α越小，挖掘機(jī)的挖掘阻力就越小，挖掘鏟的入土性能越好，但鏟對土壤的破碎效果會下降。當(dāng)α=25°時，中等堅(jiān)實(shí)的沙壤土將會出現(xiàn)比較明顯的壅土現(xiàn)象[13-14]。綜合各類因素，鏟面傾角的取值范圍初步定為18° ～26°。在沙壤土試驗(yàn)田進(jìn)行簡單的挖掘試驗(yàn)，挖掘深度20cm，其他條件保持不變，依次更換鏟面傾角為18°、20°、22°、24°、26°的挖掘鏟，試驗(yàn)結(jié)果表明：鏟面傾角為20°時，壅土高度最小(18mm)，整體挖掘效果較好，因此鏟面傾角設(shè)計(jì)值確定為20°。

2.2 驅(qū)振裝置的設(shè)計(jì)與平衡

驅(qū)振裝置主要用來驅(qū)動振動篩，主要由驅(qū)振軸、前篩驅(qū)動連桿、后篩驅(qū)動連桿、偏心驅(qū)振臂和偏心塊組成，如圖4所示。傳動裝置將來自拖拉機(jī)動力輸出軸的動力傳送到驅(qū)振軸，驅(qū)振軸帶動偏心驅(qū)振臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，前篩驅(qū)動連桿和后篩驅(qū)動連桿在偏心驅(qū)振臂的作用下做同頻等幅反向運(yùn)動，從而帶動前篩和后篩做相同運(yùn)動。

驅(qū)振裝置中的連桿機(jī)構(gòu)和篩床固定，直接帶動振動篩往復(fù)運(yùn)動，雙篩運(yùn)動簡圖如圖5所示。其中，驅(qū)振軸驅(qū)動偏心套繞軸心O轉(zhuǎn)動，帶動連桿AB，從而推動搖桿BC和BD；前篩EF繞O1和O2擺動，后篩CH繞O3和O4擺動，桿件BD、BC、CH和鉸鏈O3構(gòu)成反平行四邊形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)EF和CH的反向運(yùn)動。

驅(qū)振裝置中偏心驅(qū)振臂的設(shè)計(jì)，主要是用來驅(qū)動兩個振動篩做反向運(yùn)動主要包括軸承套、軸承、偏心套、墊圈、端蓋及螺栓等，如圖6所示。偏心驅(qū)振臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動時，會產(chǎn)生周期性變化的離心力，造成整機(jī)劇烈振動，影響機(jī)具作業(yè)的穩(wěn)定性和使用壽命，有必要對其進(jìn)行振動平衡。因此，在驅(qū)振軸上安裝偏心質(zhì)量與偏心驅(qū)振臂相同的偏心塊(見圖7)，偏心質(zhì)量0.44kg，偏心距13.5mm。偏心塊和偏心驅(qū)振臂的重心關(guān)于驅(qū)振軸軸線對稱，二者均安裝在驅(qū)振軸上，工作時產(chǎn)生的離心力相互抵消。

圖5 雙篩運(yùn)動簡圖Fig.5 Motion diagram of double screen

圖6 偏心驅(qū)振臂結(jié)構(gòu)組成圖Fig.6 Structure diagram of eccentric drive arm

圖7 偏心塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of eccentric block

2.3 振動篩的設(shè)計(jì)與平衡

振動篩是鏟篩式收獲機(jī)完成收獲作業(yè)中清選和輸送工序的關(guān)鍵部件，常規(guī)收獲機(jī)的振動篩在結(jié)構(gòu)形式上有兩個主要特點(diǎn)：①篩體直接與驅(qū)振裝置固定，篩型單一；②采用單篩體結(jié)構(gòu)。此類收獲機(jī)一般只能針對某一種作業(yè)對象進(jìn)行收獲作業(yè)，且振動較大，穩(wěn)定性較差。要保證收獲機(jī)作業(yè)的穩(wěn)定性和多功能化，需要在常規(guī)收獲機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，振動篩的設(shè)計(jì)與平衡是其中至關(guān)重要的一部分。

要實(shí)現(xiàn)鏟篩式收獲機(jī)的多功能化，需要提高振動篩的通用性[15]。4HCDS-100型花生收獲機(jī)的振動篩由篩床、篩板、側(cè)板組成，篩板分為主篩和副篩，篩床、副篩和驅(qū)振裝置固定，主篩和篩床通過螺栓聯(lián)接，拆裝方便。前、后篩副篩均為桿條篩，前篩前部為副篩，起預(yù)分離和過渡的作用，后篩后部為副篩，起分離與側(cè)向輸出的作用。設(shè)計(jì)多種類型的主篩篩板，如桿條篩、鋸齒篩、編織篩等(見圖8)，同一種篩型設(shè)計(jì)多種尺寸參數(shù)，如桿條篩設(shè)計(jì)幾種不同間距[16-17]。在實(shí)際作業(yè)時，可根據(jù)具體作業(yè)對象和環(huán)境更換不同的主篩，本文中所涉及的試驗(yàn)是針對花生收獲，前期試驗(yàn)表明，使用桿條間距為12mm的桿條篩效果較好。

(a) 桿條篩 (b) 鋸齒篩 (c) 編織篩圖8 不同篩板結(jié)構(gòu)簡圖Fig.8 Structure diagram of different screen plate

利用Inventor軟件對常規(guī)單篩進(jìn)行簡化建模，模型圖如圖9所示。將模型導(dǎo)入Adams中進(jìn)行動力學(xué)分析，當(dāng)驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速為220r/min時，分析結(jié)果如圖10所示， 虛線表示質(zhì)心點(diǎn)加速度變化規(guī)律， 實(shí)線是驅(qū)振連桿與機(jī)架夾角的變化規(guī)律。分析可知：振動篩質(zhì)心點(diǎn)M做往復(fù)曲線運(yùn)動，運(yùn)動周期約為0.27s；1個周期內(nèi)質(zhì)心點(diǎn)加速度在1.5～18m/s2之間變化，同時驅(qū)振連桿與機(jī)架夾角β在40°～50°之間波動。因此，單個振動篩做往復(fù)運(yùn)動時慣性力大小和方向均周期性變化，容易引起整機(jī)的振動，加速零部件的老化和磨損。為了解決振動篩的平衡問題，采用對稱設(shè)計(jì)的思想，將振動篩設(shè)計(jì)為雙篩體結(jié)構(gòu)，分為前篩和后篩，兩篩質(zhì)量相等或近似相等(由于篩型不同及制造誤差等因素，可能無法保證絕對相等)。通過驅(qū)振裝置中連桿機(jī)構(gòu)的作用，兩篩反向運(yùn)動，產(chǎn)生的慣性力互相抵消，從而實(shí)現(xiàn)振動平衡[18]。

1.機(jī)架 2.驅(qū)振裝置 3.振動篩圖9 單篩簡化模型Fig.9 Simplified model of single screen

圖10 單篩動力學(xué)分析Fig.10 Kinetic analysis of single screen

3 試驗(yàn)分析與參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求試制4HCDS-100型花生收獲機(jī)樣機(jī)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考察機(jī)具的實(shí)際作業(yè)性能，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。為此，在花生主產(chǎn)區(qū)山東青島進(jìn)行了田間收獲試驗(yàn)，對機(jī)具前進(jìn)速度v、桿條篩振幅A、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速n等3個主要因素，總損失率S、帶土率T、振動加速度a等3個性能指標(biāo)進(jìn)行了考核，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1試驗(yàn)條件與設(shè)備

2016年9月，在青島膠州膠萊鎮(zhèn)進(jìn)行花生收獲試驗(yàn)，所選試驗(yàn)地較為平坦，土壤類型為沙壤土，土壤含水率12.5%，土壤硬度107kPa。花生品種為魯花11號，種植模式一壟雙行，壟距80cm，壟寬60cm，壟高15cm，溝寬20cm，窄行距30cm。根據(jù)《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—花生收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》(NY/T 502-2016)要求，試驗(yàn)測試區(qū)寬度不小于作業(yè)幅寬8倍，在測試區(qū)內(nèi)隨機(jī)隨機(jī)抽取3個小區(qū)進(jìn)行測試，每個小區(qū)長20m，寬為機(jī)具作業(yè)幅寬。在每個小區(qū)內(nèi)沿長度方向隨機(jī)取3個小樣區(qū)，每個小樣區(qū)長度為2m，寬度為機(jī)具作業(yè)幅寬[19-22]。本次試驗(yàn)所用主要設(shè)備如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備Table 1 Experimental equipment

3.1.2 試驗(yàn)指標(biāo)與因素

試驗(yàn)分別測定總損失率S、帶土率T、振動加速度a等3個作業(yè)性能指標(biāo)，計(jì)算方法如下：

總損失率S為

式中S—花生收獲機(jī)總損失率(%)；

m1—小樣區(qū)地面上花生莢果質(zhì)量(g)；

m2—小樣區(qū)埋入土中花生莢果質(zhì)量(g)；

m3—小樣區(qū)花生植株上莢果質(zhì)量(g)。

作業(yè)后，分別拾取小樣區(qū)地面上花生莢果、埋入土內(nèi)的花生莢果，摘取植株上的花生莢果，去土后分別用電子秤稱重，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，總損失率S應(yīng)滿足：S≤3%。

帶土率T為

(5)

式中T—花生收獲機(jī)帶土率(%)；

m4—作業(yè)后所取花生植株樣品中土的質(zhì)量(g)；

m5—作業(yè)后花生植株樣品質(zhì)量(g)。

作業(yè)后，對小樣區(qū)內(nèi)花生植株(含土)進(jìn)行稱重，然后抖去并收集花生植株上的土，再對土壤進(jìn)行稱重，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，帶土率T應(yīng)滿足：T≤20%。

振動加速度a為

(6)

式中a—花生收獲機(jī)測點(diǎn)振動加速度(m/s2)；

ax—測點(diǎn)X方向振動加速度(m/s2)；

ay—測點(diǎn)Y方向振動加速度(m/s2)；

az—測點(diǎn)Z方向振動加速度(m/s2)。

振動加速度實(shí)際為測點(diǎn)在空間直角坐標(biāo)系內(nèi)，3個方向加速度均方根的值，以此衡量測點(diǎn)振動大小。本試驗(yàn)主要研究機(jī)架的振動情況，故試驗(yàn)時將三向加速度傳感器分別固定在機(jī)架前后X方向(機(jī)具前進(jìn)方向)、左右Y方向(機(jī)具兩側(cè)方向)、上下Z方向，各向振動加速度通過DH5902動態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀實(shí)時測量并記錄。在不考慮振動方向的前提下，這種計(jì)算方法可以較好地反映測點(diǎn)的振動情況[23-24]。由于收獲機(jī)械方面缺乏關(guān)于振動的評價標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)對于振動的評價為：在保證振動篩分離輸送效果的前提下，振動加速度越小越好。

通過對4HCDS-100型花生收獲機(jī)作業(yè)機(jī)理進(jìn)行分析，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際作業(yè)情況，確定影響總損失率S、帶土率T、振動加速度a的主要因素為機(jī)具前進(jìn)速度v、桿條篩振幅A及驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速n。試驗(yàn)中，機(jī)具前進(jìn)速度v可通過切換拖拉機(jī)檔位和調(diào)控制油門來調(diào)節(jié)，桿條篩振幅A可通更換不同偏心距的偏心套來改變，驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速n可通過更換不同傳動比的鏈輪來改變，利用Fluke931型轉(zhuǎn)速計(jì)測量。

3.1.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

花生收獲作業(yè)過程中存在許多非線性影響因素，一般線性模型無法有效模擬響應(yīng)過程，常用二次或者更高次模型來逼近響應(yīng)。本試驗(yàn)根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以總損失率S、帶土率T、振動加速度a作為響應(yīng)值，對機(jī)具前進(jìn)速度v、桿條篩振幅A、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速n等3個因素進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)分析[25-27]。試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)如表2所示。其中，桿條篩振幅A為振動過程中篩面相對初始位置的最大偏離值。

本試驗(yàn)以機(jī)具前進(jìn)速度v、桿條篩振幅A、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速n為自變量，分別標(biāo)記為k1、k2、k3，以-1，0，+1分別表示自變量的下水平、零水平、上水平，并進(jìn)行編碼變換，即

Xi=(ki-ki0)/Δki

(7)

式中Xi—自變量ki的編碼值；

ki0—自變量在中心點(diǎn)的值；

Δki—自變量的變化半徑。

按照Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排試驗(yàn)，試驗(yàn)方案包含12個分析因子，5個零點(diǎn)估計(jì)誤差，共17個試驗(yàn)點(diǎn)。響應(yīng)面試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平Table 2 Factors and levels of response surface test

表3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Experimental design of RSM and results

3.1.4 模型建立與顯著性檢驗(yàn)

利用Design-Expert8.0.6軟件對表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，建立總損失率Y1、帶土率Y2和振動加速度Y3關(guān)于機(jī)具前進(jìn)速度k1、桿條篩振幅k2、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速k3的二次多項(xiàng)式回歸模型，并對回歸模型進(jìn)行方差分析與顯著性檢驗(yàn)[28-29]。初步回歸模型見方程(8)～(10)，方差分析結(jié)果如表4所示。

Y1=67.46444+0.95972k1-0.87008k2-

0.41402k3+0.010417k1k2-5.20833·10-4k1k3+

1.70625·10-3k2k3-0.62847k12+

4.9875·10-3k22+7.55469·10-4k32

(8)

Y2=18.01139-1.77514k1-0.31671k2+

0.017096k3+5.41667·10-3k1k2-

1.66667·10-3k1k3+10-4k2k3+0.91597k12+

2.5475·10-3k22-9.54688·10-5k32

(9)

Y3=59.24250-1.05083k1-0.48067k2-0.43382k3+

3.33333·10-3k1k2+1.04167·10-3k1k3+

1.1375·10-3k2k3+0.26667k12+

2.91·10-3k22+8.94375·10-4k32

(10)

式中k1—機(jī)具前進(jìn)速度(m/s)；

k2—桿條篩振幅(mm)；

k3—驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of response surface model

由表4分析可知：對于總損失率Y1、帶土率Y2、振動加速度Y3的響應(yīng)面模型，均有P<0.01(分別為0.000 9、<0.000 1、<0.000 1)，說明3個模型均極顯著；對于Y1、Y2、Y3的失擬項(xiàng)，均有P>0.05(分別為0.284 4、0.913 0、0.162 2)，說明失擬項(xiàng)不顯著，模型擬合度高；對于Y1、Y2、Y3的決定系數(shù),均有R2>95%(分別為0.950 9、0.980 5、0.992 3)，說明這3個模型可以解釋95%以上的響應(yīng)規(guī)律。因此，可用該模型對4HCDS-100型花生收獲機(jī)的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對總損失率、帶土率、振動加速度等作業(yè)指標(biāo)進(jìn)行分析和優(yōu)化。

P值大小可以反映各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，P<0.05表明因素對模型影響顯著，P<0.01表明因素對模型影響極顯著[28]?？倱p失率Y1模型中，2個回歸項(xiàng)X3、X32極顯著(P<0.01)，2個回歸項(xiàng)X2、X2X3顯著(P<0.05)，5個回歸項(xiàng)X1、X1X2、X1X3、X12、X22不顯著(P>0.05)；帶土率Y2模型中，4個回歸項(xiàng)X1、X2、X3、X12極顯著(P<0.01)，1個回歸項(xiàng)X22顯著(P<0.05)，4個回歸項(xiàng)X1X2、X1X3、X2X3、X32不顯著(P>0.05)；振動加速度Y3模型中，4個回歸項(xiàng)X2、X3、X2X3、X32極顯著(P<0.01)，1個回歸項(xiàng)X22顯著(P<0.05)，4個回歸項(xiàng)X2、X1X2、X1X3、X12不顯著(P>0.05)。剔除不顯著回歸項(xiàng)，在保證模型極顯著、失擬項(xiàng)不顯著的前提下，對模型Y1、Y2、Y3進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的模型見方程(11)～(13)，即

Y1=55.77361-0.35675k2-0.41929k3+

1.70625·10-3k2k3+7.64931·10-4k32

(11)

Y2=22.18215-1.84178k1-0.27709k2-

0.026062k3+0.89364k12+2.46711·10-3k22

(12)

Y3=58.64263-0.48105k2-0.43388k3+

1.13750·10-3k2k3+2.96053·10-3k22+

8.97533·10-4k32

(13)

3.2 因素影響效應(yīng)分析

各因素對模型的影響程度可通過F值進(jìn)行比較，F(xiàn)值越大，影響程度越大。由表4分析可知，3個因素對總損失率Y1和振動加速度Y3的影響程度均為：驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速X3>桿條篩振幅X2>機(jī)具前進(jìn)速度X1;對帶土率的影響程度為：驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速X3>機(jī)具前進(jìn)速度X1>桿條篩振幅X2。為了更直觀地反映各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響效應(yīng)，以優(yōu)化后的模型為基礎(chǔ)，利用MatLab軟件分別繪制3個模型的四維切片圖[30-31]，如圖11所示。

機(jī)具前進(jìn)速度、桿條篩振幅、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速等3個因素對總損失率的影響效應(yīng)如圖11(a)所示。其總體趨勢表現(xiàn)為：桿條篩振幅越大、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速越快，則總損失率越高；反之則總損失率越低，試驗(yàn)范圍內(nèi)機(jī)具前進(jìn)速度對總損失率影響不明顯。原因分析：桿條篩振幅越大、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速越快，篩面振動就越劇烈，篩面對花生莢果的撞擊越厲害，造成花生莢果脫落，從而導(dǎo)致總損失率升高。

機(jī)具前進(jìn)速度、桿條篩振幅、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速等3個因素對帶土率的影響效應(yīng)如圖11(b)所示。其總體趨勢表現(xiàn)為：機(jī)具前進(jìn)速度越大、桿條篩振幅越小、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速越慢，則帶土率越高，；反之則帶土率越低。原因分析：機(jī)具前進(jìn)速度越快，花生植株在篩面受振的有效時間就越短，植株上的土壤來不及被抖去，導(dǎo)致帶土率升高；桿條篩振幅越小、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速越慢，篩面振動就越弱，花生植株未受到充分的振動，植株上的土壤不容易被抖去，導(dǎo)致帶土率升高。

機(jī)具前進(jìn)速度、桿條篩振幅、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速等3個因素對振動加速度的影響效應(yīng)如圖11(c)所示。其總體趨勢表現(xiàn)為：桿條篩振幅越大、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速越快，則振動加速度越大；反之則振動加速度越小，試驗(yàn)范圍內(nèi)機(jī)具前進(jìn)速度對振動加速度無明顯影響。原因分析：所選試驗(yàn)地較為平整，在試驗(yàn)速度范圍內(nèi)，機(jī)架振動的主要原因是桿條篩的往復(fù)抖動，機(jī)具前進(jìn)速度對其無明顯影響；桿條篩振幅越大、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速越快，桿條篩抖動就越劇烈，導(dǎo)致機(jī)架振動變大。

(a) 總損失率

(b) 帶土率

(c) 振動加速度圖11 總損失率、帶土率和振動加速度與機(jī)具前進(jìn)速度、 桿條篩振幅、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速的四維切片圖Fig.11 Four-dimensional chipFigure of total loss rate, soil containing rate and vibration acceleration with advancing velocity, vibration amplitude of bar screen, rotational speed of vibration driving axle

3.3 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.3.1 參數(shù)優(yōu)化

為了使機(jī)具作業(yè)性能最佳，要求總損失率低、帶土率低、振動加速度小。通過各因素對不同指標(biāo)的影響效應(yīng)分析可知：要獲得較低的總損失率，就要求桿條篩振幅小、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速慢；要獲得較低的帶土率，就要求機(jī)具前進(jìn)速度小、桿條篩振幅大、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速快；要獲得較小的振動加速度，就要求桿條篩振幅小、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速慢。各因素對性能指標(biāo)影響效應(yīng)不同，因此，需要綜合考慮3個試驗(yàn)指標(biāo)，對試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以獲得最優(yōu)參數(shù)組合。

本研究以總損失率、帶土率及振動加速度最小為優(yōu)化目標(biāo)，對4HCDS-100型花生收獲機(jī)進(jìn)行作業(yè)參數(shù)優(yōu)化。利用Design-Expert8.0.6軟件對3個指標(biāo)的全因子二次回歸模型進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算，約束條件見式(14)。優(yōu)化后得到的最優(yōu)參數(shù)組合為：機(jī)具前進(jìn)速度1.03m/s，桿條篩振幅47.48mm，驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速238.94r/min。此時，模型預(yù)測的總損失率Y1為1.68%，帶土率Y2為7.41%，振動加速度Y3為2.95m/s2。

(14)

3.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的可靠性和預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用上文中最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)?？紤]試驗(yàn)的可行性，將參數(shù)最佳條件修正為機(jī)具前進(jìn)速度1.0m/s、桿條篩振幅48mm、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速240r/min，在此修正方案下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5分析可知：各指標(biāo)試驗(yàn)值與理論優(yōu)化值基本吻合，相對誤差均小于5%，該參數(shù)優(yōu)化模型可靠。因此，在收獲機(jī)設(shè)計(jì)與作業(yè)時，為了獲得較好的工作性能，建議采用上述最優(yōu)參數(shù)組合，即機(jī)具前進(jìn)速度1.0m/s、桿條篩振幅48mm、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速240r/min，此時總損失率為1.73%，帶土率為7.32%，振動加速度為3.02m/s2，各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Verification test results

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種雙篩體多功能花生收獲機(jī)，通過更換振動篩、調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，可完成對花生、馬鈴薯及殘地膜等對象的收獲作業(yè)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。設(shè)計(jì)確定挖掘鏟的鏟面傾角為20o，機(jī)器作業(yè)幅寬為100cm，挖掘深度8～22cm可調(diào)。利用Adams軟件分析機(jī)具產(chǎn)生振動的主要原因是振動篩的不平衡，并對驅(qū)振裝置和振動篩等關(guān)鍵部件進(jìn)行了平衡設(shè)計(jì)。

2)采用Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排花生收獲試驗(yàn)，建立了總損失率、帶土率和振動加速度關(guān)于機(jī)具前進(jìn)速度、桿條篩振幅及驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速的回歸模型，驗(yàn)證試驗(yàn)表明模型可靠。

3)各因素對總損失率和振動加速度的影響程度均為：驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速>桿條篩振幅>機(jī)具前進(jìn)速度;對帶土率的影響程度為：驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速>機(jī)具前進(jìn)速度>桿條篩振幅。MatLab四維切片圖表明：桿條篩振幅越大、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速越快，則總損失率越高，反之則總損失率越低，機(jī)具前進(jìn)速度對總損失率影響不明顯；機(jī)具前進(jìn)速度越大、桿條篩振幅越小、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速越慢，則帶土率越高，反之則帶土率越低；桿條篩振幅越大、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速越快，則振動加速度越大，反之則振動加速度越小，機(jī)具前進(jìn)速度對振動加速度影響不明顯。

4)綜合優(yōu)化后獲得最優(yōu)參數(shù)組合為：機(jī)具前進(jìn)速度1.0m/s、桿條篩振幅48mm、驅(qū)振軸轉(zhuǎn)速240r/min，此時總損失率為1.73%，帶土率為7.32%，振動加速度為3.02m/s2，各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。