基于Hege16的水稻脫粒及其損傷影響因素試驗(yàn)研究

徐 李，陳樹(shù)人，周 靜，湯明明，陳安焱

(江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

在水稻收獲過(guò)程中，脫粒是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，脫粒損傷是目前各種脫粒裝置在脫粒收獲過(guò)程中存在的客觀問(wèn)題[1]。水稻的脫粒損傷主要包括內(nèi)部損傷和外部損傷：外部損傷人眼容易觀察，主要是谷殼破裂、谷粒斷裂或者是脫粒元件擊打的斑點(diǎn)等；內(nèi)部損傷籽粒谷殼完好，但谷粒內(nèi)部存在裂紋損傷，存在的內(nèi)部裂紋影響谷物存儲(chǔ)及谷物后期加工等，且內(nèi)部損傷的水稻籽粒作為種子影響發(fā)芽率[2]。水稻脫粒性能研究一般是關(guān)注破碎率、損失率及功耗等參數(shù)[3-6]，對(duì)于稻谷內(nèi)部損傷的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)研究較少。

本文的脫粒試驗(yàn),基于自行開(kāi)發(fā)的內(nèi)部損傷評(píng)價(jià)模型，分析凹版間隙、喂入量、脫粒元件線速度等因素對(duì)稻谷脫粒損傷的影響,旨在找出影響因素的主次關(guān)系和脫粒試驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)組合。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用型號(hào)為Hege 16的半喂入式脫粒機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示。該裝置主要包括機(jī)架、蓋板、脫粒滾筒、凹版篩、凹版調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、風(fēng)機(jī)及電機(jī)等機(jī)構(gòu)。該脫粒裝置采用透明塑料作為蓋板，如滾筒處及風(fēng)機(jī)處擋板，便于觀察整個(gè)脫粒過(guò)程；滾筒轉(zhuǎn)速通過(guò)無(wú)極轉(zhuǎn)速器調(diào)節(jié)，凹版間隙采用人工調(diào)節(jié)。實(shí)際脫粒過(guò)程的轉(zhuǎn)速與凹版間隙大小與試驗(yàn)裝置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)刻度轉(zhuǎn)換關(guān)系如表1和表2所示。

1對(duì)流風(fēng)機(jī) 2.風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 3.喂入口 4.脫粒滾筒 5.凹版間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 6.出料口7.機(jī)架 8.電機(jī)圖1 脫粒實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Threshing test device diagram

1.2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)樣品為鎮(zhèn)江郊區(qū)的南粳9108水稻，人工收割，選取成熟度基本一致的水稻作為試驗(yàn)樣本，試驗(yàn)時(shí)含水率為18.6%，千粒質(zhì)量為26.4g。

試驗(yàn)前，通過(guò)轉(zhuǎn)速旋鈕及凹版調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整到需要的工作參數(shù)，因?yàn)榇朔N脫粒裝置為半喂入式脫粒機(jī)，需人工手持脫粒，喂入量大小通過(guò)改變一次脫粒的水稻株數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)及相關(guān)參考，每次脫粒時(shí)間為20s。一次脫粒結(jié)束，關(guān)閉機(jī)器，人工收集水稻株蕙上未脫離谷粒及水稻秸稈中夾雜的水稻籽粒稱重可獲得未脫凈損失和夾帶損失，分離出破碎和破殼籽粒稱重可獲得破碎率；隨機(jī)取樣150粒已脫水稻籽粒，通過(guò)內(nèi)部損傷檢測(cè)可獲得內(nèi)部損傷率以及內(nèi)部平均損傷度，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

表1 脫粒元件線速度轉(zhuǎn)換關(guān)系表Table 1 Rotational speed conversion relationTable

表2 凹版間隙轉(zhuǎn)換關(guān)系表Table 2 Intaglio gap conversion relationTable

1.3 內(nèi)部損傷籽粒鑒別

內(nèi)部損傷籽粒的鑒別與損傷量表征采用江蘇大學(xué)Micro-CT掃描儀工作站，CT掃描實(shí)驗(yàn)采用Micro-CT 100，射線能量為45kV，88μA，4W。空間分辨率為10μm，根據(jù)水稻籽粒尺寸選擇掃描桶尺寸為φ9mm×H78mm。掃面樣品二維切片數(shù)為 300左右。

Micro-CT掃描儀主要包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、主機(jī)控制系統(tǒng)、磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)及圖片處理分析軟件系統(tǒng)4個(gè)部分。從脫粒機(jī)收獲的水稻籽粒放入CT掃描儀中，設(shè)置掃描條件與參數(shù)，得到損傷水稻籽粒的CT掃描切片圖，利用圖像處理分析系統(tǒng)對(duì)CT掃描切片圖進(jìn)行處理，包括偽彩色增強(qiáng)、灰度直方圖分析、圖像去躁及閾值分割等操作得到損傷水稻籽粒的二維切片圖的二值圖像[7]，如圖3所示。圖3中只有灰度值為0和1的純白色和純黑色，白色即為分割后的裂紋和胚與胚乳的連接部分，黑色即為稻谷的其他組織。通過(guò)統(tǒng)計(jì)像素灰度值為0的像素點(diǎn)計(jì)算裂紋損傷量，通過(guò)計(jì)算裂紋所占像素點(diǎn)與整個(gè)切片的像素點(diǎn)之和的比值來(lái)表征稻谷內(nèi)部損傷程度[8]。

1.機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 2.主機(jī)控制系統(tǒng) 3.磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng) 4.圖像處理分析軟件系統(tǒng)圖2 Micro-CT掃描工作站Fig.2 Micro-CT scanning workstation

(a) 未損傷(左圖為原始圖片，右圖為處理圖片)

(b) 損傷(左圖為原始圖片，右圖為處理圖片)圖3 Micro-CT掃描處理的水稻籽粒圖片F(xiàn)ig.3 Images of rice grains treated by Micro-CT scanning

2 評(píng)價(jià)模型

水稻籽粒的脫粒損傷主要包括內(nèi)部損傷和外部損傷：外部損傷主要是指籽粒破殼、斷裂及脫粒元件沖擊留下的外部挫傷；內(nèi)部損傷主要是指內(nèi)部裂紋損傷。本文的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括脫粒破碎率、脫粒損失率、內(nèi)部損傷率，以及內(nèi)部平均損傷度。

脫粒破碎率為

(1)

其中，Wp為脫粒后取樣樣品中破碎、破殼水稻籽粒的質(zhì)量；Wx為脫粒后取樣樣品中水稻籽粒的總質(zhì)量。

總脫粒損失率為

S=Sw+Sj

(2)

(3)

(4)

其中，Sw為未脫損失率；Sj為夾帶損失率；Ww為脫粒裝置排出物料中水稻籽粒質(zhì)量；Wj為風(fēng)機(jī)口排出的秸稈物料中所夾帶的水稻籽粒質(zhì)量；W為一次脫粒試驗(yàn)中喂入水稻籽粒的總質(zhì)量。

內(nèi)部損傷率為

(5)

其中，Nns為脫粒后取樣樣品中內(nèi)部損傷籽粒個(gè)數(shù)；N為脫粒后取樣樣品中水稻籽?？倐€(gè)數(shù)。

平均內(nèi)部損傷度為

(6)

其中，Ni為掃描斷層切片上裂紋像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)與水稻籽粒胚乳與胚連接部分的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)之和；M為胚與胚乳連接部分的像素個(gè)數(shù)；N為該掃描斷層切片上總的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；n為取樣樣品中內(nèi)部損傷水稻籽粒的個(gè)數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 凹版間隙

當(dāng)脫粒線速度為18m/s、喂入量為4.8g/s時(shí)，不同凹版間隙參數(shù)下各評(píng)價(jià)指標(biāo)隨凹版間隙變化情況如圖4所示。從變化關(guān)系曲線中可以看出：隨著凹版間隙增大，水稻籽粒的破碎率和內(nèi)部損傷率大幅下降，表明水稻籽粒受到的損傷逐漸降低，平均內(nèi)部損傷度也逐漸減??；當(dāng)凹版間隙為14mm時(shí)，水稻籽粒內(nèi)部損傷很小，平均內(nèi)部損傷度為0.05%；隨著凹版間隙的增大，脫粒過(guò)程中水稻籽粒與脫粒元件的碰撞、擠壓等作用減弱，使得脫粒損失率不斷增加。

圖4 凹版間隙與各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)系曲線Fig.4 The relation between intaglio gap and evaluating indicator

3.1.2 脫粒線速度

脫粒線速度對(duì)脫粒損傷有重要影響，是主要考察因素之一。本次試驗(yàn)通過(guò)無(wú)極調(diào)速裝置調(diào)節(jié)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)改變脫粒線速度，以脫粒線速度為單因素的脫粒試驗(yàn)中，當(dāng)凹版間隙為12mm、喂入量為4.8g/s時(shí)各評(píng)價(jià)指標(biāo)隨脫粒線速度的變化情況如圖5所示。從變化關(guān)系曲線中可以看出：隨著脫粒線速度的不斷增大，水稻籽粒內(nèi)部損傷率和破碎率顯著提高，平均內(nèi)部損傷度也平穩(wěn)增加，說(shuō)明脫粒線速度對(duì)水稻籽粒的脫粒損傷有重要影響；但脫粒線速度較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致有些籽粒很難從株蕙中脫離出來(lái)，造成脫粒總損失率較大。

圖5 脫粒線速度與各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)系曲線Fig. 5 The relationship between threshing speed and evaluating indicator

3.1.3 喂入量

喂入量是谷物脫粒過(guò)程中的一個(gè)重要工作參數(shù)，它的選擇直接關(guān)系谷物脫粒機(jī)的工作效率。本試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室小型脫粒機(jī)，通過(guò)相同脫粒時(shí)間，改變一次脫粒株數(shù)來(lái)控制喂入量大小，當(dāng)凹版間隙為12mm、脫粒線速度為18m/s時(shí)，各指標(biāo)隨著喂入量大小的變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出：喂入量增加，脫粒破碎率先增加后減小，內(nèi)部損傷率與平均內(nèi)部損傷度隨著喂入量增加變化趨勢(shì)相同，但整體變化沒(méi)有規(guī)律，說(shuō)明喂入量大小對(duì)于谷物的損傷沒(méi)有直接影響；總損失率隨著喂入量的增加逐漸增大，是因?yàn)楫?dāng)喂入量增大，凹版間隙大小不變，與脫粒元件直接接觸的水稻籽粒較少，導(dǎo)致脫粒不均勻，中間植株水稻籽粒分離困難，使得未脫凈損失變大，總損失也呈上升趨勢(shì)。

圖6 喂入量與各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)系曲線Fig.6 The relation between the feeding volume and evaluating indicator

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了探索主要參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的影響規(guī)律，結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取凹版間隙、喂入量、脫粒元件線速度3個(gè)因素，選取3個(gè)水平，按照正交試驗(yàn)L9(33)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)安排[9]，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，考察指標(biāo)為脫粒破碎率、脫粒損失率、脫粒內(nèi)部損失率及平均內(nèi)部損傷度。

采用Design-Expert數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差、方差計(jì)算，計(jì)算分析結(jié)果如表4和表5所示。從極差、方差分析可以看出：以總損失率為考察指標(biāo)，各因素影響主次順序?yàn)锳、B、C；凹版間隙對(duì)總損失率影響顯著，脫粒線速度次之，喂入量影響不顯著；以破碎率為考察指標(biāo)，各因素影響與之相同。以內(nèi)部損傷率為考察目標(biāo)，各因素的主次順序?yàn)锳、B、C，凹版間隙與脫粒線速度對(duì)內(nèi)部損傷率的影響顯著，喂入量影響不顯著。以平均內(nèi)部損傷度為考察指標(biāo)，各因素影響主次順序?yàn)锽、A、C，脫粒線速度對(duì)平均內(nèi)部損傷度影響顯著，凹版間隙次之，喂入量影響不顯著。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal experimental results

由于本試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)有平均內(nèi)部損傷度、總損失率、破碎率及內(nèi)部損傷率，所以要結(jié)合實(shí)際脫粒評(píng)價(jià)指標(biāo)需求，綜合平衡各個(gè)參數(shù)對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，即先進(jìn)行單因素試驗(yàn)分析，基于單因素試驗(yàn)的最優(yōu)參數(shù)，然后把各個(gè)試驗(yàn)結(jié)果綜合分析，找出最優(yōu)方案[10]。因素A：因素A對(duì)于損失率、破碎率、內(nèi)部損傷率都有顯著影響，A1時(shí)可獲得較小的損失率，而破碎率、內(nèi)部損傷率、平均內(nèi)部損傷度都很大；A3時(shí)可獲得較小的破碎率，內(nèi)部損傷率以及平均內(nèi)部損傷度，損失率較大。從單因素試驗(yàn)看，凹版間隙增大，破碎率、內(nèi)部損傷率及平均內(nèi)部損傷度減小幅度較大，而損失率增幅較小，因此選擇A3。因素B：因素B對(duì)于平均內(nèi)部損傷度有顯著影響，也是損失率、破碎率、內(nèi)部損傷率影響因素之一，取B1時(shí)可獲得較小的破碎率、內(nèi)部損傷率及平均內(nèi)部損傷度，B3時(shí)損失率較小。從單因素試驗(yàn)看：B2和B3相比，損失率增大幅度較小，而破碎率、內(nèi)部損傷率有大幅下降，且B2的平均內(nèi)部損傷度較小，因此選擇B2。因素C：從極差，方差結(jié)果分析看，喂入量對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)影響較??；從單因素試驗(yàn)來(lái)看，隨著喂入量增大，各指標(biāo)總體都有上升趨勢(shì)，結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇C1。

表4 極差分析Table 4 Analysis of range %

表5 方差分析Table 5 Analysis of variance %

顯著水平P<0.05。

根據(jù)以上分析，可得到本次脫粒試驗(yàn)的較優(yōu)方案為A3B2C1，即凹版間隙為13mm，脫粒線速度為18m/s，喂入量為1.6g/s。

4 結(jié)論

1)平均內(nèi)部損傷度能夠很好地評(píng)價(jià)脫粒裝置對(duì)于水稻脫粒損傷的影響，使得評(píng)價(jià)脫粒裝置性能的標(biāo)準(zhǔn)更加完善。

2)凹版間隙對(duì)于破碎率、總損失率及內(nèi)部損傷率的影響較顯著，脫粒線速度對(duì)平均內(nèi)部損傷度影響較顯著，喂入量對(duì)于各評(píng)價(jià)指標(biāo)影響不顯著。

3)以破碎率、總損失率、平均內(nèi)部損傷度及內(nèi)部損傷率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過(guò)極差與方差分析，綜合平衡，得到脫粒裝置最優(yōu)參數(shù)組合為：凹版間隙為13mm，脫粒元件線速度18m/s，喂入量1.6g/s。