大豆聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化

金誠(chéng)謙，郭飛揚(yáng)，徐金山，李慶倫，陳 滿，李景景，印 祥※

大豆聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化

金誠(chéng)謙1,2，郭飛揚(yáng)2，徐金山1，李慶倫2，陳 滿1，李景景3，印 祥2※

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014；2. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000；3. 山東亞豐農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備有限公司，淄博 255000）

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)大豆聯(lián)合收獲機(jī)收獲作業(yè)時(shí)由于脫粒、清選系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)調(diào)整不當(dāng)而導(dǎo)致大豆機(jī)收損失率、破碎率、含雜率較高。為解決這一問(wèn)題，該文對(duì)影響大豆機(jī)收作業(yè)質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)開展田間試驗(yàn)研究，探索各參數(shù)對(duì)大豆機(jī)收作業(yè)質(zhì)量的影響規(guī)律，探尋最佳作業(yè)參數(shù)組合。以機(jī)收損失率、破碎率、含雜率為目標(biāo)，選擇脫粒清選系統(tǒng)對(duì)作業(yè)質(zhì)量影響較大的前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙、導(dǎo)流板角度、分風(fēng)板角度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、上篩前部開度、上篩后部開度共9個(gè)因素，利用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)方法，進(jìn)行九因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，使用Design-Expert對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，探索各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，并構(gòu)建相關(guān)數(shù)學(xué)模型。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)大豆收獲損失率影響較為顯著的因素為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、脫粒段脫粒間隙、前進(jìn)速度、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速；對(duì)破碎率影響較為顯著的因素為脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒段脫粒間隙、前進(jìn)速度、導(dǎo)流板角度；對(duì)含雜率影響較為顯著的因素為導(dǎo)流板角度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、分風(fēng)板角度、上篩后部開度。通過(guò)多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，確定最佳工作參數(shù)組合為前進(jìn)速度6 km/h、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min、脫粒段脫粒間隙25 mm、分離段脫粒間隙20 mm、導(dǎo)流板角度26°、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 260 r/min、分風(fēng)板角度11.5°、上篩前部開度19 mm、上篩后部開度11 mm，此時(shí)損失率為0.24%、破碎率為0.90%、含雜率為0.14%，田間試驗(yàn)實(shí)測(cè)損失率、破碎率和含雜率平均值分別為0.24%、0.90%和0.14%，與優(yōu)化值相對(duì)誤差分別為0、4.7%和7.7%。研究結(jié)果可為大豆聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和作業(yè)參數(shù)控制提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；收獲；大豆；作業(yè)參數(shù)；優(yōu)化；響應(yīng)曲面

0 引 言

大豆是中國(guó)主要的糧油飼兼用的經(jīng)濟(jì)作物，2017年中國(guó)大豆種植面積約819.61萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量1 420萬(wàn)t。過(guò)去十年，大豆綜合機(jī)械化水平平均為66.23%，其中：耕作、種植、收獲機(jī)械化水平平均分別為71.68%、67.74%、57.54%[1-6]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中國(guó)三大糧食作物。

中國(guó)大豆全程機(jī)械化呈現(xiàn)產(chǎn)區(qū)之間、環(huán)節(jié)之間發(fā)展不平衡的現(xiàn)狀。大豆產(chǎn)區(qū)之間，東北大豆產(chǎn)區(qū)機(jī)械化水平較高，黃淮海大豆產(chǎn)區(qū)機(jī)械化水平次之，南方大豆產(chǎn)區(qū)機(jī)械化水平較低。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間，大豆機(jī)械化收獲水平較低[7-9]。

目前，中國(guó)專用于大豆收獲的大豆收獲機(jī)較少。在中國(guó)黃淮海地區(qū)，大豆收獲主要采用稻麥聯(lián)合收獲機(jī)通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)、更換作業(yè)部件來(lái)作業(yè)，田間實(shí)測(cè)表明，由于機(jī)器參數(shù)、部件結(jié)構(gòu)不合適等原因造成的收獲損失高達(dá)10%，并且破碎、含雜嚴(yán)重[9-10]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在收獲機(jī)喂入、脫粒、清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)對(duì)損失率、破碎率、含雜率的影響方面開展了大量的研究。在大豆收獲割臺(tái)技術(shù)研究方面，通過(guò)仿形割刀組件及割臺(tái)高度自控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)割臺(tái)的整體仿形與橫向仿形，進(jìn)而控制割茬高度，減少割臺(tái)損失。為減少撥禾輪打擊造成大豆機(jī)收炸莢損失，發(fā)明了帶毛刷、撥禾板和撥禾齒組合的撥禾輪。在大豆收獲脫粒技術(shù)方面，目前的研究主要集中在如何降低脫粒過(guò)程中大豆的破碎率，采用的方法主要是降低脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、增大脫粒間隙。在結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)大豆脫粒效果的影響方面，主要注重于研究喂入速率、滾筒轉(zhuǎn)速、不同的脫粒部件形式對(duì)脫粒損失、分離效率的影響。在大豆收獲清選技術(shù)研究方面，主要集中在清選篩、風(fēng)機(jī)風(fēng)量等作業(yè)參數(shù)對(duì)清選效果的影響，部分學(xué)者將旋風(fēng)式、貫流式等分離方式應(yīng)用在大豆清選上[7-21]。

大豆機(jī)收作業(yè)質(zhì)量受多種因素影響，聯(lián)合收獲機(jī)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，目前，以大豆機(jī)收作業(yè)損失率、破碎率、含雜率為目標(biāo)，結(jié)合田間試驗(yàn)，全面、系統(tǒng)地研究脫粒、清選部件相關(guān)參數(shù)與作業(yè)質(zhì)量之間的關(guān)系還未見(jiàn)報(bào)道。因此，本文在現(xiàn)有機(jī)型的基礎(chǔ)上，篩選對(duì)大豆機(jī)收作業(yè)質(zhì)量影響較大的因素:前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙、導(dǎo)流板角度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、分風(fēng)板角度、上篩前部開度、上篩后部開度，進(jìn)行九因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，建立關(guān)于整機(jī)作業(yè)損失率、破碎率和含雜率的響應(yīng)曲面，并進(jìn)行響應(yīng)面分析，擬合出二次回歸曲線，得出回歸方程，探索各因素對(duì)作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響以及最佳參數(shù)組合，以期指導(dǎo)大豆聯(lián)合收獲機(jī)田間作業(yè)，并為大豆收獲機(jī)械設(shè)計(jì)提供參考。

1 工作原理與試驗(yàn)方案

1.1 工作原理

本次試驗(yàn)采用4YZL-5S型大豆聯(lián)合收獲機(jī)，換裝撓性割臺(tái)，結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，總體結(jié)構(gòu)如圖1。作業(yè)時(shí)，大豆植株經(jīng)撥禾輪扶持、切割，經(jīng)割臺(tái)攪攏、鏈耙輸送器推送到脫粒系統(tǒng)，受脫粒滾筒搓擦擠壓作用，大豆籽粒與較小的碎莖稈通過(guò)凹板篩掉落到抖動(dòng)板上，在抖動(dòng)板振動(dòng)作用下，向清選篩方向運(yùn)動(dòng)，而長(zhǎng)莖稈及部分夾帶的大豆籽粒繼續(xù)向軸流脫粒滾筒后部運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)脫粒分離。在清選裝置作用下，大部分大豆籽粒透過(guò)上篩前部，剩余的大豆籽粒夾雜在碎莖稈中繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，夾雜籽粒透過(guò)上篩后部落到下篩進(jìn)而落入輸送攪攏，最終被輸送到糧箱，而剩余莖稈及豆莢在下篩的振動(dòng)作用下被輸送到尾篩，較大的莖稈被拋出機(jī)外，較小的豆莢透過(guò)尾篩，被雜余攪攏運(yùn)送到脫粒滾筒進(jìn)行二次脫粒。

表1 4YZL-5S型大豆聯(lián)合收獲機(jī)主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)參數(shù)選取與試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)地點(diǎn)為山東省梁山縣館驛鎮(zhèn)，試驗(yàn)時(shí)間為2018年10月9日—12日（圖2），試驗(yàn)用大豆品種為鄭豆1307，參照GB/T5262-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》、GB/T5497-1985《糧食、油料檢驗(yàn)水分測(cè)定法》，試驗(yàn)地大豆品種為鄭豆1307，產(chǎn)量為4 717.35 kg/hm2，平均株高為76.1 mm，平均底莢高度為16.4 mm，平均行距、株距分別為40 mm和20 mm，百粒質(zhì)量為17.1 g，自然落粒損失為1.3 g/m2，籽粒平均含水率為12.1%，從不同植株上取10粒大豆籽粒測(cè)量長(zhǎng)、寬、厚取平均值分別為6.78 mm、6.25 mm、5.46 mm，大豆植株長(zhǎng)勢(shì)良好。

1.割臺(tái) 2. 過(guò)橋 3.平臺(tái) 4.機(jī)壁 5.前橋6.滾筒 7.機(jī)架 8.風(fēng)機(jī)9.階梯板 10.清選室底殼 11.篩箱 12.主離合 13.后橋 14.切碎器15.滾筒無(wú)級(jí)變速系統(tǒng) 16.拋灑器17.卸糧筒18.變量泵19.液壓油箱20.發(fā)動(dòng)機(jī)21.糧箱22.糧箱上蓋23.燃油箱24.駕駛室

圖2 大豆田間生長(zhǎng)狀況及收獲試驗(yàn)

參考相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)前期田間試驗(yàn)研究和收獲經(jīng)驗(yàn)[22-29]，選定與機(jī)收作業(yè)質(zhì)量相關(guān)的前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙、導(dǎo)流板角度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、分風(fēng)板角度、上篩前部開度、上篩后部開度9個(gè)因素作為試驗(yàn)變量。關(guān)鍵因素尺寸結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。脫粒間隙示意圖如圖3a所示，凹板篩分為2段，脫粒段凹板篩長(zhǎng)度830 mm，分離段凹板篩長(zhǎng)度1 220 mm，2段脫粒間隙分別在5～40mm和10～30mm范圍內(nèi)可調(diào)，脫粒間隙為桿齒頂端到凹板篩的垂直距離，圖中為脫粒間隙；圖3b為導(dǎo)流板角度示意圖，導(dǎo)流板角度為導(dǎo)流板中心線與豎直方向的夾角，圖中為導(dǎo)流板角度；圖3c為分風(fēng)板角度示意圖，分風(fēng)板角度為分風(fēng)板與水平方向夾角，圖中為分風(fēng)板角度；圖3d為清選篩開度示意圖，清選上篩分為前后2段，上篩前部長(zhǎng)度350 mm，上篩后部長(zhǎng)度650 mm，2段清選篩開度均在0～22 mm范圍內(nèi)可調(diào)，圖中為清選篩開度。

根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整的要求，試驗(yàn)所需的儀器包括非接觸式轉(zhuǎn)速表、電子秤、皮尺、標(biāo)桿、卷尺、水分測(cè)量?jī)x、秒表、調(diào)節(jié)用扳手等。

1.凹板篩 2.桿齒3.導(dǎo)流板4.風(fēng)機(jī)葉片5.分風(fēng)板6.底殼7.清選篩

1.Concave sieve 2. Rod tooth 3. Deflector 4. Fan blades 5. Wind plate 6. Bottom shell 7. Sieve

注：為脫粒間隙，mm；為導(dǎo)流板角度，(°)；為分風(fēng)板角度，（°）；為清選篩開度，mm。

Note：is threshing gap, mm;is angle of deflector, (°);is angle of wind plate, (°);is opening of sieve, mm.

圖3 關(guān)鍵因素結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.3 Sketch map of key factors

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)時(shí)，為減少試驗(yàn)次數(shù)，選用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論[30-31]，開展九因素三水平二次回歸響應(yīng)面試驗(yàn)，共130組。每組試驗(yàn)行程為50 m，待收獲機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后取樣，每組試驗(yàn)取樣3次，求平均值后得到每組試驗(yàn)的損失率、破碎率及含雜率。

試驗(yàn)因素水平如表2所示。結(jié)合大豆的生物學(xué)特性與收獲機(jī)脫粒清選參數(shù)之間的關(guān)系以及機(jī)具設(shè)計(jì)參數(shù)取值范圍，前進(jìn)速度與喂入量有關(guān)，前進(jìn)速度中間值為7 km/h，并相應(yīng)取得低水平6 km/h及高水平8 km/h，喂入量計(jì)算方法如下[32-34]：

式中為喂入量，kg/s；為機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；為割幅，m；為單位面積上大豆莖稈及籽粒的總質(zhì)量，kg/m2。試驗(yàn)測(cè)得大豆草谷比為1.06。經(jīng)計(jì)算得試驗(yàn)過(guò)程中前進(jìn)速度處于高水平時(shí)喂入量為6.90 kg/s，處于0水平時(shí)喂入量為6.05 kg/s，處于低水平時(shí)喂入量為5.19 kg/s；根據(jù)大豆籽粒易脫的特性以及該大豆品種籽粒外形尺寸，選取滾筒轉(zhuǎn)速中間值為500 r/min，脫粒段凹板篩間隙中間值為20 mm，上篩前部開度中間值為17 mm，脫粒過(guò)程中為使籽粒能通過(guò)凹板篩，通常設(shè)置分離段凹板篩間隙略大于脫粒段凹板篩間隙，取中間值25 mm。清選過(guò)程中為防止雜質(zhì)透過(guò)清選篩，通常設(shè)置上篩后部開度略小于上篩前部開度，取中間值13 mm，并相應(yīng)取得高低水平值；大豆收獲過(guò)程中脫出物主要由大豆籽粒、短莖稈、長(zhǎng)莖稈及穎殼，其中穎殼的懸浮速度最低，約為6 m/s，而適合大豆清選的最大風(fēng)速為11 m/s[35]，相應(yīng)地取風(fēng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，并確定中間值1 150 r/min；試驗(yàn)用聯(lián)合收獲機(jī)的導(dǎo)流板角度及分風(fēng)板角度調(diào)節(jié)范圍分別為17°～26°及9°～39°，取2因素的極限值為其高低水平。

試驗(yàn)中各參數(shù)調(diào)節(jié)方法如下：1）前進(jìn)速度調(diào)節(jié)：通過(guò)駕駛員調(diào)節(jié)不同的前進(jìn)檔位得到不同的前進(jìn)速度，通過(guò)安裝在后輪上的轉(zhuǎn)速傳感器精確檢測(cè)機(jī)具前進(jìn)速度，并顯示在駕駛室儀表盤上。2）脫粒段和分離段間隙調(diào)節(jié)：該機(jī)脫粒間隙調(diào)節(jié)采用蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，凹板篩一端鉸接在機(jī)架上，另一端和蝸輪蝸桿連接，調(diào)節(jié)時(shí)，人工轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿，帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)整凹板篩與脫粒滾筒間隙。測(cè)量釘齒脫粒部件末端與凹板篩之間的距離，得到脫粒間隙。3）脫粒滾筒轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)：采用三角膠帶無(wú)級(jí)變速器，通過(guò)靜液壓和手動(dòng)調(diào)節(jié)帶輪動(dòng)盤移動(dòng)，從而獲得不同的傳動(dòng)比，得到不同的轉(zhuǎn)速。通過(guò)安裝在軸上的轉(zhuǎn)速傳感器精確檢測(cè)轉(zhuǎn)速，并顯示在駕駛室儀表盤上。4）導(dǎo)流板角度調(diào)節(jié)：通過(guò)安裝在脫粒滾筒頂蓋上的調(diào)節(jié)手柄實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流板角度調(diào)節(jié)，通過(guò)角度尺測(cè)量角度。5）分風(fēng)板角度調(diào)節(jié)：通過(guò)分風(fēng)板上的調(diào)節(jié)手柄調(diào)節(jié)分風(fēng)板角度，通過(guò)角度尺測(cè)量角度。6）上篩前部和后部開度調(diào)節(jié)：通過(guò)安裝在篩框上的調(diào)節(jié)手柄實(shí)現(xiàn)篩片開度調(diào)節(jié)，通過(guò)直尺測(cè)量篩片開度。

根據(jù)表2，用Design-expert進(jìn)行多元回歸擬合分析以及方差分析，建立損失率1、破碎率2、含雜率3與各因素的數(shù)學(xué)模型，對(duì)建立的響應(yīng)面進(jìn)行分析。

1.4 測(cè)試指標(biāo)

參照J(rèn)B/T11912-2014《大豆聯(lián)合收獲機(jī)》，將總損失率（以下簡(jiǎn)稱損失率）、破碎率、含雜率3個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)大豆聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)，其中損失量為收集取樣區(qū)域內(nèi)所有掉落或隨豆桿、豆皮排出的籽粒和豆莢，得到全部的豆粒，并去除自然落粒；按收獲的大豆質(zhì)量和對(duì)應(yīng)的收獲面積，得到每平方米大豆收獲量；雜質(zhì)包括長(zhǎng)、短莖稈，豆莢，砂石等；破碎籽粒為子葉殘缺（包括整半粒）、橫斷、破裂的顆粒。具體計(jì)算方法如下：

式中1為總損失率，%；2為破碎率，%；3為含雜率，%；W為收割后每平方米大豆損失量，g/m2； W為每平方米大豆收獲量，g/m2；W為清除雜質(zhì)后樣品質(zhì)量，g；W為清除雜質(zhì)和破碎籽粒后樣品質(zhì)量，g；W為樣品質(zhì)量，g。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果如表3所示，其中因素組合按照前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙、導(dǎo)流板角度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、分風(fēng)板角度、上篩前部開度、上篩后部開度排序。

表2 試驗(yàn)因素水平表

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

續(xù)表

續(xù)表

2.1 損失率

2.1.1 損失率回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表4的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)損失率進(jìn)行方差分析，剔除不顯著項(xiàng)結(jié)果如表5。值用于分析對(duì)象顯著性，<0.01表示響應(yīng)模型極顯著，<0.05表示響應(yīng)模型較為顯著。并得到關(guān)于損失率的回歸方程為

由表5可知，損失率模型的值小于0.01，表明建立的回歸模型極其顯著，模型的決定系數(shù)2=0.816 1，表明該回歸模型能反映出81.61%的響應(yīng)值變化，模型失擬項(xiàng)為0.254 5，大于0.05，表明該試驗(yàn)產(chǎn)生的誤差很小，可用該模型對(duì)損失率大小進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在該回歸模型中，、、、、、、、2、2項(xiàng)的值小于0.01，表示在置信區(qū)間99%范圍內(nèi)，對(duì)回歸模型的影響極其顯著。而、、2項(xiàng)的值小于0.05，表示對(duì)回歸模型的影響顯著。

表5 損失率方差分析

2.1.2 各因素對(duì)損失率影響效應(yīng)分析

貢獻(xiàn)值能反應(yīng)出單個(gè)因素對(duì)所建立回歸模型的影響程度[36]，越大，影響程度就越大，值計(jì)算公式如下：

式中為方差分析的值，為考核值。根據(jù)式（6）、式（7）計(jì)算出各因素對(duì)損失率的貢獻(xiàn)值[37]，結(jié)果如表6。忽略不顯著因素，得到顯著因素對(duì)損失率貢獻(xiàn)值的大小排序?yàn)椋猴L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（）>脫粒段脫粒間隙（）>前進(jìn)速度（）>滾筒轉(zhuǎn)速（）。

2.1.3 損失率與相關(guān)參數(shù)相應(yīng)曲面分析

根據(jù)表5，篩選出對(duì)損失率影響較大的4個(gè)因素：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（）、脫粒段脫粒間隙（）、前進(jìn)速度（）、滾筒轉(zhuǎn)速（），對(duì)其交互作用進(jìn)行分析，如圖4所示。

由圖4a可以看出，脫粒間隙與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的交互作用顯著，是因?yàn)槊摿ｉg隙決定了谷物層厚度，間隙較小時(shí)谷物層較薄，籽粒更容易分離出去，而風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高會(huì)將準(zhǔn)備通過(guò)清選篩的籽粒吹出機(jī)外。由圖4b可知，喂入量處于低水平時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)損失率影響較小，損失率變化不大；喂入量處于高水平時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)損失率影響程度較高，損失率隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高而增大，主要原因是當(dāng)清選篩開度處于0水平，喂入量小，谷物在清選過(guò)程中能順利通過(guò)清選篩，而喂入量過(guò)大，清選篩不能及時(shí)將谷物與雜質(zhì)區(qū)分開，谷物連同雜質(zhì)一起吹出機(jī)外從而造成損失率增大。由圖4c可知，滾筒轉(zhuǎn)速處于低水平時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)損失率影響程度不大，主要是因?yàn)闈L筒轉(zhuǎn)速處于高水平時(shí)，谷物層變薄并且離心力較大，籽粒容易通過(guò)秸稈層和凹板篩，而當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速處于低水平時(shí)，較多的籽粒會(huì)被輸送到清選篩進(jìn)行風(fēng)選，風(fēng)機(jī)會(huì)將籽粒吹出機(jī)外。由圖4d可以看出，當(dāng)前進(jìn)速度與脫粒段脫粒間隙皆處于高水平時(shí)損失率達(dá)到最大值，這是因?yàn)榍斑M(jìn)速度與脫粒段脫粒間隙兩者共同決定了脫粒時(shí)谷物層的厚度，谷物層越厚籽粒與莖稈就越難分離，造成夾帶損失。由圖4e可知，滾筒轉(zhuǎn)速處于低水平且脫粒段脫粒間隙處于高水平時(shí)損失率達(dá)到最大值，滾筒轉(zhuǎn)速處于高水平且脫粒段脫粒間隙處于低水平時(shí)損失率達(dá)到最小值，主要原因是當(dāng)前進(jìn)速度處于0水平時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速?zèng)Q定對(duì)作物脫粒的強(qiáng)度，脫粒間隙決定谷物層厚度，滾筒轉(zhuǎn)速越高，滾筒的徑向震動(dòng)頻率越大，脫粒間隙減小增加了搓擦作用，籽粒易通過(guò)凹板篩。由圖4f可知，前進(jìn)速度相較于滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)損失率的影響程度更大，且前進(jìn)速度最大時(shí)損失率達(dá)到最大值，這是因?yàn)榍斑M(jìn)速度處于高水平時(shí)谷物層厚度增加且滾筒轉(zhuǎn)速不夠大導(dǎo)致較多的籽粒夾雜在莖稈中不能及時(shí)分離，增加了夾帶損失。

2.2 破碎率

2.2.1 破碎率回歸模型建立及顯著性分析

根據(jù)表4的結(jié)果，對(duì)破碎率進(jìn)行方差分析，剔除不顯著項(xiàng)結(jié)果如表7，并建立關(guān)于破碎率回歸方程：

分析表7可知，關(guān)于破碎率模型的值小于0.01，表明建立的回歸模型極其顯著，模型的決定系數(shù)2=0.864 4，表明該模型能反映出86.44%的響應(yīng)值變化，模型失擬項(xiàng)不顯著，表明該試驗(yàn)產(chǎn)生的誤差很小，可用該模型對(duì)破碎率大小進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表6 各因素對(duì)損失率的貢獻(xiàn)率

圖4 因素交互作用對(duì)損失率的影響

表7 破碎率方差分析

在該回歸模型中，、、、的值小于0.01，表示在置信區(qū)間99%范圍內(nèi)，對(duì)回歸模型的影響極其顯著；而、、、2、2的值小于0.05，表示對(duì)回歸模型的影響顯著；其余各項(xiàng)值大于0.05，對(duì)回歸模型影響不顯著。

2.2.2 各因素對(duì)破碎率影響效應(yīng)分析

各因素對(duì)破碎率的貢獻(xiàn)值如表8所示。忽略不顯著項(xiàng)，得到剩余各因素對(duì)破碎率貢獻(xiàn)值的大小排序?yàn)椋簼L筒轉(zhuǎn)速（）>脫粒段脫粒間隙（）>前進(jìn)速度（）>導(dǎo)流板角度（）。

2.2.3 破碎率與相關(guān)參數(shù)相應(yīng)曲面分析

根據(jù)表8篩選出對(duì)破碎率影響較大的4個(gè)因素：滾筒轉(zhuǎn)速（）、脫粒段脫粒間隙（）、前進(jìn)速度（）、導(dǎo)流板角度（），對(duì)其交互作用進(jìn)行分析，如圖5所示。

由圖5a可以看出，滾筒轉(zhuǎn)速處于高水平且脫粒段脫粒間隙處于低水平時(shí)破碎率達(dá)到最大值，這是由于滾筒轉(zhuǎn)速越高，脫粒過(guò)程中脫粒元件對(duì)谷物的打擊力度越大，籽粒破碎的可能性也越高，而脫粒段脫粒間隙減小，谷物層變薄，搓擦擠壓作用增強(qiáng)，同樣也會(huì)提高破碎率。由圖5b可以看出，前進(jìn)速度及滾筒轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)破碎率作用顯著，前進(jìn)速度處于高水平時(shí)谷物層較厚，不利于籽粒分離，較多的籽粒會(huì)夾雜在莖稈中，受到過(guò)多的打擊，增加破碎可能性。由圖5c可知，滾筒轉(zhuǎn)速處于高水平且導(dǎo)流板角度處于低水平時(shí)破碎率達(dá)到最大值，主要是由于導(dǎo)流板角度處于低水平時(shí)，谷物層停留在脫粒滾筒內(nèi)時(shí)間較長(zhǎng)，搓擦打擊時(shí)間較長(zhǎng)，增加了破碎的可能性。由圖5d可以看出，前進(jìn)速度與脫粒段脫粒間隙對(duì)破碎率影響顯著，前進(jìn)速度處于高水平且脫粒段脫粒間隙處于低水平時(shí)破碎率達(dá)到最大，這是因?yàn)槲谷肓刻幱诟咚?，谷物層變厚，流?dòng)性變差，不利于籽粒在脫下來(lái)后立即分離出去，致使破碎率升高。由圖5e可知，在脫粒段脫粒間隙與導(dǎo)流板角度皆處于低水平時(shí)，破碎率最大，且脫粒段脫粒間隙處于低水平時(shí)導(dǎo)流板角度對(duì)破碎率的影響程度較小，這是由于前進(jìn)速度處于0水平且脫粒間隙很小時(shí)，谷物層受到擠壓沖擊較為嚴(yán)重，導(dǎo)致籽粒破碎增多。由圖5f可知，前進(jìn)速度處于高水平且導(dǎo)流板角度處于低水平時(shí)破碎率達(dá)到最大，因?yàn)樵诖笪谷肓繒r(shí)，導(dǎo)流板角度偏小會(huì)使谷物在凹板篩與滾筒間囤積，谷物層流動(dòng)性變差，籽粒受到打擊次數(shù)增大而且搓擦作用增強(qiáng)，使破碎率升高。

表8 各因素對(duì)破碎率的貢獻(xiàn)率

圖5 各因素交互作用對(duì)破碎率的影響

2.3 含雜率

2.3.1 含雜率回歸模型建立及顯著性分析

對(duì)表4的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，對(duì)含雜率進(jìn)行方差分析，剔除不顯著項(xiàng)結(jié)果如表9，并得出回歸方程：

分析表9可知，關(guān)于含雜率模型值小于0.01，表明回歸模型極顯著，模型的決定系數(shù)2=0.81，表明該模型能反映出81%的響應(yīng)值變化，且失擬項(xiàng)大于0.05，可用此模型對(duì)含雜率進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在該回歸模型中，、、、、、2項(xiàng)的值小于0.01，表示在置信區(qū)間99%范圍內(nèi)，對(duì)回歸模型的影響極其顯著；而、、項(xiàng)的值小于0.05，表示對(duì)回歸模型的影響顯著；其余各項(xiàng)值大于0.05，對(duì)回歸模型影響不顯著。

表9 含雜率方差分析

2.3.2 各因素對(duì)含雜率影響效應(yīng)分析

各因素對(duì)含雜率的貢獻(xiàn)值如表10所示。忽略不顯著項(xiàng)，得到剩余各因素對(duì)含雜率貢獻(xiàn)值的大小排序?yàn)椋簩?dǎo)流板角度（）>風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（）>分風(fēng)板角度（）>上篩后部開度（）。

2.3.3 含雜率與相關(guān)參數(shù)相應(yīng)曲面分析

根據(jù)表10，挑選出對(duì)含雜率影響較大的四個(gè)因素：導(dǎo)流板角度（）、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（）、分風(fēng)板角度（）、上篩后部開度（），對(duì)其交互作用進(jìn)行分析，如圖6所示。

由圖6a可以看出導(dǎo)流板角度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的交互作用顯著，導(dǎo)流板角度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速皆處于低水平時(shí)含雜率達(dá)最大值，主要原因是導(dǎo)流板角度偏小時(shí)莖稈等雜質(zhì)受到擠壓搓擦次數(shù)較多，會(huì)產(chǎn)生較小的雜質(zhì)隨籽粒通過(guò)凹板篩，而風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，質(zhì)量偏高的雜質(zhì)不能吹出機(jī)外造成含雜率升高。由圖6b可以看出，分風(fēng)板角度與含雜率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由于分風(fēng)板角度較大時(shí)風(fēng)量集中通過(guò)清選篩前半段，當(dāng)莖稈從脫粒部分拋出后能及時(shí)將雜質(zhì)吹出機(jī)外，另外當(dāng)導(dǎo)流板角度偏大時(shí)脫粒時(shí)間偏短，雜質(zhì)不易通過(guò)凹板篩，所以導(dǎo)流板角度與分風(fēng)板角度皆處于高水平時(shí)含雜率達(dá)最大值。由圖6c為可知，導(dǎo)流板角度處于高水平且上篩后部開度處于低水平時(shí)含雜率達(dá)到最小值，這主要是因?yàn)轸~鱗篩開度小時(shí)雜質(zhì)不易透篩，致使含雜率降低。由圖6d可以看出，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于低水平時(shí)分風(fēng)板角度對(duì)含雜率影響較小，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于高水平時(shí)分風(fēng)板角度與含雜率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這主要是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)不足以吹出質(zhì)量偏大的雜質(zhì)，此時(shí)分風(fēng)板對(duì)含雜率影響較小；當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于高水平且分風(fēng)板角度處于低水平時(shí)，風(fēng)較為分散，質(zhì)量較大的雜質(zhì)無(wú)法吹出，而當(dāng)分風(fēng)板角度處于高水平時(shí)，氣流較為集中，能夠吹出質(zhì)量偏大的雜質(zhì)。由圖6 e可以看出，上篩后部開度相較于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率影響較小，主要是因?yàn)檩斔偷缴虾Y后部的雜質(zhì)多為較大的莖稈及豆莢，不易透篩。由圖6f可以看出，分風(fēng)板角度對(duì)含雜率影響程度更大，當(dāng)分風(fēng)板角度處于高水平且上篩后部開度處于低水平時(shí)含雜率達(dá)到最小值。

表10 各因素對(duì)含雜率的貢獻(xiàn)率

圖6 因素交互作用對(duì)損失率影響

3 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 參數(shù)優(yōu)化

為使大豆機(jī)收田間作業(yè)質(zhì)量最佳，要求損失率、破碎率以及含雜率最低，根據(jù)交互因素對(duì)損失率、破碎率、含雜率的影響可知：為使損失率較低，需要風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低、脫粒段脫粒間隙小、前進(jìn)速度低、滾筒轉(zhuǎn)速高；為獲得較低的破碎率，需要滾筒轉(zhuǎn)速低、脫粒段脫粒間隙大、前進(jìn)速度低、導(dǎo)流板角度大；為獲得較低的含雜率，需要導(dǎo)流板角度大、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高、分風(fēng)板角度大、上篩后部開度小。為尋求最佳的參數(shù)組合，需進(jìn)行多個(gè)目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化。因此確定約束條件為：

用Design-Expert對(duì)各參數(shù)優(yōu)化求解，得出最優(yōu)解為：前進(jìn)速度6.03 km/h，滾筒轉(zhuǎn)速452.02 r/min，脫粒段脫粒間隙24.93 mm，分離段脫粒間隙為20 mm，導(dǎo)流板角度26°，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 261.63 r/min，分風(fēng)板角度11.49°，上篩前部開度19 mm，上篩后部開度11.03 mm。此時(shí)損失率0.24%，破碎率0.86%，含雜率0.13%。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證以上模型的準(zhǔn)確性，2018年10月12日，在山東省梁山縣館驛鎮(zhèn)開展驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)田大豆長(zhǎng)勢(shì)與試驗(yàn)方法同前，試驗(yàn)前測(cè)得大豆籽粒含水率為11.2%，每平方米上大豆收獲量為456.2 g，自然落粒損失為1.7 g/m2,考慮到試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置的可行性，將優(yōu)化參數(shù)調(diào)整為前進(jìn)速度6 km/h、滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min、脫粒段脫粒間隙25 mm、分離段脫粒間隙20 mm、導(dǎo)流板角度26°、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 260 r/min、分風(fēng)板角度11.5°、上篩前部開度19 mm、上篩后部開度11 mm，進(jìn)行3次試驗(yàn)，根據(jù)式（2）～（4）得到試驗(yàn)結(jié)果如表11。根據(jù)中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 11912-2014），要求損失率和破碎率低于5%，含雜率小于3%，而試驗(yàn)測(cè)得損失率、破碎率和含雜率的平均值分別為0.24%、0.90%和0.14%，均低于該標(biāo)準(zhǔn)，且試驗(yàn)值與優(yōu)化值相對(duì)誤差分別為0、4.7%和7.7%，結(jié)果較吻合。該研究結(jié)果可為大豆聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和作業(yè)參數(shù)控制提供參考。

表11 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

1）利用田間試驗(yàn)方法，通過(guò)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，全面、系統(tǒng)地分析探索稻麥聯(lián)合收獲機(jī)收獲大豆作業(yè)時(shí)主要作業(yè)參數(shù)對(duì)損失率、破碎率、含雜率的影響規(guī)律。確定了對(duì)總損失率、破碎率、含雜率影響因素的顯著性，構(gòu)建了聯(lián)合收獲機(jī)總損失率、破碎率、含雜率與前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙、導(dǎo)流板角度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、分風(fēng)板角度、上篩前部開度和上篩后部開度的數(shù)學(xué)模型。采用響應(yīng)面分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定了影響因素的重要順序。對(duì)大豆機(jī)收總損失率影響顯著的因素有：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、脫粒段脫粒間隙、前進(jìn)速度及滾筒轉(zhuǎn)速；對(duì)破碎率影響顯著的因素有：滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒段脫粒間隙、前進(jìn)速度及導(dǎo)流板角度；對(duì)含雜率影響顯著的因素有：導(dǎo)流板角度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、分風(fēng)板角度及上篩后部開度。

2）建立了大豆機(jī)械化收獲參數(shù)優(yōu)化模型，得到了在損失率、破碎率、含雜率最小時(shí)的最佳參數(shù)組合：前進(jìn)速度6 m/s、滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min、脫粒段脫粒間隙25 mm、分離段脫粒間隙20 mm、導(dǎo)流板角度26°、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 260 r/min、分風(fēng)板角度11.5°、上篩前部開度19 mm、上篩后部開度11 mm。在此參數(shù)條件下，進(jìn)行了田間試驗(yàn)檢測(cè)，此時(shí)損失率0.24%、破碎率0.90%、含雜率0.14%，優(yōu)于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的損失率和破碎率低于5%，含雜率小于3%，可為大豆聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和作業(yè)參數(shù)控制提供參考。

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Optimization of working parameters of soybean combine harvester

Jin Chengqian1,2, Guo Feiyang2, Xu Jinshan1, Li Qinglun2, Chen Man1, Li Jingjing3,Yin Xiang2※

(1.210014,2.255000,3.255000,)

At present, there are few soybean harvesters dedicated to soybean harvesting in China, soybean harvesting mainly uses rice-wheat combine harvester by adjusting parameters and replacing working parts, and it is difficult to improve the efficiency and working quality of the soybean harvesting because of adjusting working parameters irrelevantly. To solve the problems, this experiment used a series of field trials to explore the influence of various key working parameters on the quality of soybean harvesting operations, and tried to figure out the optimal combination of parameters systematically. According to three indexes-- loss rate, crushing rate and impurity rate, nine factors of forward speed, rotate speed of roller, threshing gap in threshing section, threshing gap in separation section, angle of deflector, rotate speed of fan, angle of wind plate, front opening of upper sieve and posterior opening of upper sieve were chosen.By adopting the box-behnken central composite response surfaces analysis, we conducted the response surfaces experiments with nine factors and three levels. Then we used design-expert to analyze the response surfaces and built three mathematical models about loss rate, crushing rate and impurity rate. The research showed that rotate speed of fan, threshing gap in threshing section, forward speed and rotate speed of roller were the four most indispensable factors that affected the loss rate. Moreover, the four main factors influencing the crushing rate were rotate speed of roller, threshing gap in threshing section, forward speed and angle of deflector. Angle of deflector, rotate speed of fan, angle of wind plate and posterior opening of upper sieve played a decisive role in impurity rate. The response surfaces method was utilized to analyze the effects of factor’s interaction on loss rate, crushing rate and impurity rate, and the multi-objective optimization were conducted for the regression models to obtain the working parameters of best evaluation index. The working parameter combination of the soybean combine harvester with the lowest loss rate, crushing rate and impurity rate as constrains was thought to be optimal. In this model, the forward speed was 6.03 km/h, the rotate speed of roller was 452.02 r/min, threshing gap in threshing section was 24.93 mm, threshing gap in separation section was 20 mm, angle of deflector was 26°, rotate speed of fan was 1 261.63 r/min, angle of wind plate was 11.49°, front opening of upper sieve was 19 mm and posterior opening of upper sieve was 11.03 mm. Under this condition, the average values of loss rate, crushing rate and impurity rate were 0.24%, 0.86% and 0.13%. The results of verification experiment showed that the loss rate was 0.24%, crushing rate was 0.90% and impurity rate was 0.14% when the optimum parameters were adjusted to that the forward speed was 6 km/h, the rotate speed of roller was 450 r/min, threshing gap in threshing section was 25 mm, threshing gap in separation section was 20 mm, angle of deflector was 26°, rotate speed of fan was 1 260 r/min, angle of wind plate was 11.5°, front opening of upper sieve was 19 mm and posterior opening of upper sieve was 11 mm. The experimental value is in good agreement with the optimized value and the relative errors were 0, 4.7% and 7.7%. The research results can provide reference for structure improvement and operation parameter control of soybean combine harvester.

agricultural machinery; harvesting; soybean; working parameters; optimization; response surface

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.002

S225.6

A

1002-6819(2019)-13-0010-13

2019-03-21

2019-04-10

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（CARS-04-PS26）；山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2018YF006）；山東省高等學(xué)校優(yōu)勢(shì)學(xué)科人才團(tuán)隊(duì)培育計(jì)劃項(xiàng)目（2016—2020）；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)基金項(xiàng)目

金誠(chéng)謙，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事大田作物種植與收獲機(jī)械化與智能化技術(shù)研究。Email：412114402@qq.com

印 祥，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)裝備智能控制技術(shù)研究。Email：666513@163.com

金誠(chéng)謙，郭飛揚(yáng)，徐金山，李慶倫，陳 滿，李景景，印 祥.大豆聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(13)：10－22. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.002 http://www.tcsae.org

Jin Chengqian, Guo Feiyang, Xu Jinshan, Li Qinglun, Chen Man, Li Jingjing, Yin Xiang.Optimization of working parameters of soybean combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 10－22. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.002 http://www.tcsae.org