齒帶式油菜撿拾器性能優(yōu)化與整機參數(shù)試驗

江 濤，梁蘇寧，沐森林，湯 慶，金 梅，吳崇友

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

0 引言

油菜分段收獲作為一種廣泛采用的機械化收獲方式[1-4]，能夠利用油菜自身的生物學特性提高角果層成熟度一致性，降低脫粒清選難度。

在油菜機械化分段收獲環(huán)節(jié)中，撿拾作業(yè)的最大問題是撿拾損失率高[5-6]，而撿拾器工作性能是撿拾作業(yè)質(zhì)量的重要保障，對整機的作業(yè)性能也有影響[7-8]。作為本文的研究對象，齒帶式撿拾器對也存在撿拾損失高、撿拾齒帶容易出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象等弊端，降低了整機的作業(yè)水平。

雖然油菜撿拾機使用廣泛，但目前國內(nèi)對油菜撿拾器的研究較少，尤其缺少對于齒帶式油菜撿拾器的相關研究。石磊等[9]研究了齒帶撿拾裝置的仿形、輸送和撿拾等裝置的配置，采用正交試驗的方法進行試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行極差分析，找出合齒帶撿拾器收獲油菜的最佳參數(shù)組合并設計了被動式防跑偏裝置。李泓熠[10]等通過分析撿拾輥轉(zhuǎn)速、機具前進速度和彈齒伸入留茬深度三因素對撿拾損失率影響，確定了三因素對撿拾損失率影響的因素顯著性順序。吳崇友[11]等對齒帶式撿拾收獲機撿拾器做了運動學分析，得到撿拾彈齒的運動軌跡方程、速度方程，推導出不考慮實際條件和考慮實際條件的撿拾器傾角γ、速比λ的求解公式。這些研究結論可以為油菜撿拾器的設計提供借鑒，然而針對撿拾器的漏損、撿拾帶跑偏、撿拾器和主機工作參數(shù)匹配等問題等關鍵問題卻少有研究。為此，本文提出一種能夠在降低撿拾損失的同時進行主動防止撿拾帶跑偏的結構方案，并選取撿拾器和主機的工作參數(shù)進行性能試驗及優(yōu)化。對齒帶式撿拾器結構進行優(yōu)化改進，匹配選取整機最佳作業(yè)參數(shù)，是降低撿拾損失率、提高撿拾器作業(yè)質(zhì)量、提升撿拾收獲機作業(yè)可靠性和作業(yè)效果的重要解決途徑。

1 齒帶式撿拾器的結構與工作原理

齒帶式撿拾器主要由從動輥、彈齒、撿拾帶、中撐輥及主動輥組成，如圖1所示。

1.從動輥 2.彈齒 3.撿拾帶 4.中撐輥 5.主動輥

撿拾收獲機工作時，撿拾器的撿拾齒帶在主動輥及從動輥的驅(qū)動下逆前進方向回轉(zhuǎn)，待撿拾的物料在撿拾器前進推動和彈性撥齒的共同作用下被輸送至割臺攪龍，并經(jīng)由輸送槽進入到脫粒滾筒及清選室[12]。在齒帶式撿拾器拾起物料并逆前進方向輸送的過程中，撿拾齒帶會因受到外界因素的影響而產(chǎn)生跑偏并造成損壞；同時，撿拾齒帶跑偏也會增加撿拾損失，降低工作效率和作業(yè)質(zhì)量，在實際生產(chǎn)中應該盡量避免。

2 撿拾器結構改進及試驗

2.1 問題分析

現(xiàn)有的油菜撿拾器撿拾齒帶在驅(qū)動輥軸向方向上分為4段，各段齒帶之間存在間隙，在撿拾過程中漏損嚴重，且各段齒帶之間會因張緊及與驅(qū)動輥之間的摩擦力不同而出現(xiàn)運轉(zhuǎn)不同步的現(xiàn)象，也會因加工或安裝問題導致?lián)焓褒X帶跑偏而影響撿拾效果，造成齒帶上的油菜莖稈相互拉扯，增加碰觸次數(shù)和損失率。

根據(jù)帶傳動原理，齒帶的有效拉力公式為

(1)

式中F—有效拉力；

F0—張緊力；

f—摩擦因數(shù)；

α—帶的包角；

e—自然對數(shù)的底。

當齒帶兩端張緊力F0不同時，齒帶在軸向方向上所受的拉力F不均勻，使齒帶產(chǎn)生傾斜偏移，如圖2所示。

1.左端軸 2.齒帶 3.右端軸

此外，由于安裝誤差造成驅(qū)動輥中心線與齒帶中心線不平行，有效拉力F并不垂直于驅(qū)動輥軸線，產(chǎn)生一個軸向方向上的分力，也會使齒帶產(chǎn)生跑偏，如圖3所示。

2.2 結構改進

針對上述漏損、跑偏等問題，結合原機撿拾器結構特點，對4SJ-1.8型油菜撿拾機的撿拾器進行設計改進，以期能夠降低撿拾損失率、提高撿拾收獲機的作業(yè)質(zhì)量和可靠性。

對于漏損，考慮將4段撿拾齒帶改變?yōu)檎螏?，以排除間隙的影響；而當帶數(shù)減少、帶寬增加后，齒帶在軸向方向上所受的張緊力F0及摩擦系數(shù)f產(chǎn)生不一致的概率將會增加，跑偏現(xiàn)象發(fā)生概率將會提高。因此，在減小漏損的同時更要防止跑偏，應該從結構改進上主動預防跑偏現(xiàn)象的發(fā)生。

被動輥結構如圖4所示。在主被動輥及中撐輥的兩端分別設置外寬內(nèi)窄的梯形截面周向槽W，用于和圖5所示的導向塊相互配合。導向塊沿齒帶輸送方向間隔固定在內(nèi)表面兩端對應周向槽的位置，截面與周向槽的截面相配，也呈梯形，且截面積朝窄邊端逐漸縮小，因此梯形截面前小后大形成小錐角，可以在傳動時更容易進入周向槽，避免沖擊，保持齒帶的平穩(wěn)傳動。當齒帶所受拉力不均勻或在軸向方向上所受外力不為零時，將會產(chǎn)生移動的趨勢，而導向塊的移動趨勢將會被輥子上的周向槽阻礙，從而避免了整個齒帶在軸向方向產(chǎn)生移位，防止發(fā)生跑偏，具體形式如圖5所示。

1.左端軸 2.齒帶 3.右端軸

1.左端軸 2.軸座 3.被動圓輥 4.右端軸

1.軸 2.軸座 3.導向塊

為了保證傳動的平穩(wěn)性和流暢性，主被動輥的梯形槽內(nèi)應同時存在不少于兩個的導向塊，同時又受到彈性撥齒安裝角度和齒帶硬度的影響，導向塊的安裝尺寸必須有所限制。

當主被動輥的直徑相等時，設主被動輥外徑為D，則輥槽內(nèi)兩個導向塊之間的弧長為

(1)

式中n—導向塊之間的夾角；

R—圓輥半徑。

根據(jù)設計經(jīng)驗，此時將夾角設為120°為宜，即在120°的圓心角所對應弧長范圍內(nèi)應同時存在兩個導向塊，則

(2)

即導向塊在齒帶平面的安裝間距需要保證不大于πD/6。

當主被動輥直徑不同時，則應首先考慮小直徑輥上的包角大小滿足小直徑輥上導向塊的接觸要求。若小輥包角大于等于120°，則導向塊安裝距離仍然保證不小于πD/6。若小輥包角小于120°，則包角大小為

(3)

式中d2—大輥直徑；

d1—小輥直徑；

α—兩輥安裝中心距。

導向塊的安裝位置如圖6所示。

1.導向塊 2.主動輥

兩導向塊之間的安裝距離最大值為

(4)

該距離限制保證了無論何時主動輥和被動輥的周向槽中分別至少同時存在兩個導向塊，而截面外寬內(nèi)窄的周向槽與導向塊兩側(cè)面的楔合引導作用可以始終抑制撿拾輸送帶出現(xiàn)跑偏趨勢，起到主動防止作用。因此，即使高效輸送也能有效避免跑偏，且周向槽與導向塊兩側(cè)面的楔緊不僅可以糾偏，還顯著增加了兩者之間的摩擦力，起到避免打滑的作用，有效提高了作業(yè)的穩(wěn)定性。

在本文的樣機設計中，主、被動輥的直徑均為120mm，通過式(2)可計算出導向塊的間距為62.83mm。為充分保證能同時存在兩個導向塊，取間距為60mm。

2.3 田間撿拾對比試驗

2.3.1 試驗條件

試驗時間為2016年6月，試驗地點江蘇東臺市，試驗對象條件如表1所示。配套的主機為星光XG988Z縱軸流聯(lián)合收獲機，采用目前常用的風篩式清選結構，上篩為魚鱗篩，下篩為10mm×10mm編織篩。

表1 試驗條件Table 1 Test conditions

2.3.2 試驗方法

為了排除撿拾器結構之外的因素影響，將改進后的撿拾器掛接在與原機同型號的收獲機上，并在同一田塊進行試驗，保持禾鋪條件一致，所有工作參數(shù)相同，各組試驗均在正常作業(yè)水平完成。由于沒有針對撿拾器損失的作業(yè)標準，采用油菜聯(lián)合收獲機割臺損失測定方法對撿拾器撿拾損失率進行測定，如圖7所示[13]。在25m長的測區(qū)內(nèi)選取3個測定區(qū)域，將3個相同的接樣盒放置于挖好的溝槽中，待撿拾機通過3個測定區(qū)域后，分別統(tǒng)計3個接樣盒中的籽粒質(zhì)量。將原機撿拾器測損試驗定為組A，改進后的撿拾器測損試驗定為組B，每組試驗重復5次。

圖7 田間對比試驗Fig.7 Comparative experiment

2.3.3 對比試驗結果

根據(jù)測定方法中給定的公式計算每次試驗的撿拾損失率，結果統(tǒng)計如表2所示。

表2 對比試驗結果Table 2 Results of comparative field experiment

從撿拾損失率統(tǒng)計可以直接看出，B組撿拾器撿拾損失率較A組有較為明顯的降低。由于改進后的撿拾器將4段齒帶減少為整段齒帶，輸送過程中碰觸掉落的籽粒跟隨齒帶一起運動并最終進入攪龍，不會通過間隙掉出機外。B組齒帶在整個試驗過程中未發(fā)生跑偏，輥子上的梯形周向槽和齒帶內(nèi)表面固定的導向塊配合協(xié)調(diào)，有效阻止了齒帶在寬度方向上的位移，杜絕了跑偏現(xiàn)象的發(fā)生。由于輥子上的梯形周向槽內(nèi)同時存在兩個導向塊，所以齒帶在撿拾輸送過程中傳動平穩(wěn)，撿拾效率高且損失率低。

撿拾收獲機的撿拾效果是整機工作性能的重要保證，降低撿拾損失率是提高整機作業(yè)水平的關鍵，只有在有效降低撿拾損失的基礎上進行整機工作參數(shù)優(yōu)化才有意義。

3 整機試驗

目前，對于撿拾收獲機整機性能參數(shù)的試驗研究較少，對于撿拾收獲機的試驗研究大都獨立于撿拾器及脫粒清選部分[9,14-15]，缺乏針對撿拾器與清選參數(shù)匹配關系的試驗數(shù)據(jù)和分析。前述撿拾器結構改進有效解決了撿拾損失率高的問題，為撿拾收獲機參數(shù)優(yōu)化和性能提升奠定了基礎。在此基礎上進行整機工作參數(shù)匹配尋優(yōu)的結果將更加理想，通過分析參數(shù)變化對作業(yè)指標的影響關系，建立參數(shù)與指標之間的數(shù)學模型，以求解最佳作業(yè)參數(shù)。

3.1 試驗指標與方法

由于目前沒有針對撿拾收獲機的作業(yè)質(zhì)量標準，因此將《油菜聯(lián)合收獲機質(zhì)量評價技術規(guī)范》(NY/T 1231-2006)作為試驗參照，選取損失率和含雜率作為試驗指標。油菜撿拾收獲機的損失率主要來自撿拾器及清選損失。其中，撿拾損失仍然按照前述方法進行測定，清選損失是利用網(wǎng)袋接取由清選室排出的物料并測量其中所含的籽粒質(zhì)量。含雜率則是對出糧口處接取的籽粒進行抽樣測量，計算其中所含雜質(zhì)的比重。

3.2 試驗設計

采用響應面分析中的Box-Benhnken中心組合試驗設計[16-18]，根據(jù)前人所得試驗數(shù)據(jù)，機組前進速度和撿拾齒帶線速度是影響撿拾器撿拾損失率的關鍵因素[14]；而對于清選損失率和含雜率，對其產(chǎn)生影響的作業(yè)參數(shù)分別是振動篩振幅、振動頻率及軸流風機轉(zhuǎn)速[19-20]。綜合考慮撿拾和清選，選取齒帶線速度、機器前進速度、振動篩振幅及軸流風機轉(zhuǎn)速作為試驗因素，如表3所示。其余所有因素(包括試驗對象品種、種植田塊及成熟度)在每組試驗中均保持相同。

表3 試驗因素及水平Table 3 Experimental factors and levels

3.3 試驗結果及分析

試驗結果如表4所示。

表4 試驗方案及結果Table 4 Experimental plan and results

續(xù)表4

3.3.1 含雜率分析

利用分析統(tǒng)計軟件對表4中的試驗結果進行多元回歸擬合，得出含雜率回歸方程的顯著性檢驗如表5所示。

表5 各因素對含雜率顯著性檢驗Table 5 Test of significance of each factor on percentage of impurity

續(xù)表5

由表5可以看出：模型的顯著性檢驗F=57.82，P<0.000 1，顯著性極好，復相關系數(shù)R2=0.983，且失擬項不顯著。這說明，該回歸模型在試驗水平范圍內(nèi)的預測值與實際值擬合性非常好。在該模型中，風機轉(zhuǎn)速、振動篩振幅和齒帶線速度對于含雜率的均有極顯著或顯著影響，且風機轉(zhuǎn)速對于含雜率的影響要高于振動篩振幅和齒帶線速度。在試驗所選水平范圍內(nèi)，機器前進速度對含雜率的影響不顯著。清選含雜率Z編碼空間的二次回歸模型公式為

Z=+2.03-0.46×A-0.14×B-0.066×C-

0.021×D+0.038×A×B-0.018×A×

C+0.062×A×D+0.10×B×C+0.052×

B×D-0.037×C×D-0.018 ×A2+

0.012×B2+0.16×C2+0.072×D2

(5)

油菜撿拾機的作業(yè)效果是多因素共同作用的結果，單一考慮某個因素的影響是不夠全面的，各個因素之間可能還存在交互作用。由表5可以看出：僅交互因素BC對含雜率影響顯著。顯著性三維曲面圖如圖8所示。

圖8 交互因素對含雜率的影響Fig.8 Effects of interactive factors on percentage of impurity

由圖8可以看出：當因素C齒帶線速度在低水平時，含雜率隨著因素B振動篩振幅的升高而降低；當因素C在高水平時，因素B的變化對含雜率的影響很??；在因素B振動篩振幅的各個水平下，含雜率均隨著因素C齒帶線速度的升高而先降低再升高。

3.3.2 損失率分析

同樣對表4中的試驗結果進行多元回歸擬合，得出損失率回歸方程的顯著性檢驗如表6所示。

表6 各因素對損失率顯著性檢驗Table 6 Test of significance of each factor on percentage of loss

由表6可以看出：模型的顯著性檢驗F=12.86，P<0.000 1，顯著性極好，復相關系數(shù)R2=0.927 8，且失擬項P=0.092不顯著。這說明，該回歸模型在試驗水平范圍內(nèi)的預測值與實際值擬合性非常好。在該模型中，風機轉(zhuǎn)速和機器前進速度對于損失率的影響均為極顯著，且前進速度對于損失率的影響要高于風機轉(zhuǎn)速，振動篩振幅對損失率影響顯著。在所選試驗水平范圍內(nèi)，齒帶線速度對于損失率的影響并不顯著。關于損失率S編碼空間的二次回歸模型公式為

S=+6.6+0.84×A+0.67×B+0.12×C+1.1×

D+0.99×A×B+0.25×A×C+0.71×A×

D-0.18×B×C-0.6×B×D+0.74×D+

1.93×A2+6.417E-003×B2+0.7×C2+

1.31×D2

(6)

由表6得到交互作用AB、AD和BD對損失率均有顯著影響，顯著性三維曲面圖如圖9所示。

圖9 交互因素對損失率的影響Fig.9 Effects of interactive factors on percentage of loss

由圖9(a)可以看出：在因素B振動篩振幅的各水平下，損失率隨著因素A風機轉(zhuǎn)速的升高先降低再升高，變化幅度略有不同。當風機轉(zhuǎn)速在低水平下，損失率隨著振動篩振幅的變化有小幅度變化；當風機轉(zhuǎn)速在高水平時，損失率隨著振動篩振幅的升高而顯著提高。當風速過小時，篩面上的物料所受風力較小，風選效果不明顯，雜物與籽?；旌隙雀?，減少了籽粒的透篩機會，使得籽粒夾帶于雜物中一起沿篩面向后運動并排出機外造成損失。適當增大風速將有利于物料的分離和籽粒透篩，但過大的風速又會超過籽粒的懸浮速度，加上振動篩振幅大、籽粒在篩面跳動幅度大和雜物混合度低，易被直接吹出機外。

由圖9(b)可以看出：當因素D前進速度在高水平時，損失率隨因素C齒帶線速度的增加而逐步升高；當因素D在低水平時，變化趨勢相反。當因素C在高水平時，損失率隨著因素D的升高而迅速上升；當因素C在低水平時，損失率隨著因素D的升高先降低再升高。根據(jù)動量定理，物體受到的合外力的沖量等于物體動量的變化，即

(7)

式中F—待撿拾油菜所受合力；

M—待撿拾油菜質(zhì)量；

v0—待撿拾油菜初始速度，這里其值為0；

vt—油菜隨齒帶一起運動時的速度；

t—作用時間。

當齒帶線速度過小時，油菜所受提升力F較小，即齒帶上的彈齒對于油菜的提升作用減弱，容易導致油菜在齒帶上堆積、間斷的碰撞與莖稈的擠壓拉扯造成拾起過程中的損失。當齒帶線速度過大時，油菜所受提升力F較大(即彈齒對油菜的作用力較大)，且作用次數(shù)增加，會造成撿拾過程中油菜角果炸裂，增加損失。

由圖9(c)可以看出：在因素A風機轉(zhuǎn)速的各個水平下，損失率隨著因素D機器前進速度的升高先降低再升高；在因素D的各個水平下，因素A的變化會給損失率帶來相同的變化結果，但變化幅度較前者有所不同。

3.4 影響整機試驗的作業(yè)參數(shù)優(yōu)化求解

含雜率和損失率是反應機組作業(yè)性能的重要指標，在試驗范圍內(nèi)其值越小越好。以此為評價指標，應用統(tǒng)計軟件的條件尋優(yōu)功能在試驗范圍內(nèi)對機組最佳工作參數(shù)進行優(yōu)化選取，得到最佳工作參數(shù)組合如下：風機轉(zhuǎn)速1 758r/min，振幅16mm，齒帶線速度0.8m/s，前進速度0.82m/s。

考慮到重新加工相關零部件需要一定的時間，割倒后的油菜性狀隨時間變化很大，若零部件加工完成再進行驗證試驗會與本次試驗有較大誤差，因此采用最接近優(yōu)化組合的備用零部件進行三次驗證試驗。試驗中，風機轉(zhuǎn)速1 700r/min，振動篩振幅16mm，齒帶線速度0.8m/s，機器前進速度0.83m/s，結果如表7所示。由表7可知：平均含雜率為1.62%，由表7可知：平均損失率為4.84%，。

表7 驗證試驗結果Table 7 Experimental results of validation %

在實際生產(chǎn)作業(yè)中，籽粒損失率會直接導致作物減產(chǎn)及農(nóng)民收入的降低，是應該著重考慮的關鍵作業(yè)指標?，F(xiàn)以加權評分法綜合考慮損失率和含雜率，參考其他學者研究結果[17]，以100分為總權重，設損失率占比為70分，含雜率占比30分，通過加權綜合指標Z來進行評分。計算公式為

(8)

式中Zi—第i號試驗所得計算值(加權評分指標)，i=1,2,3，…，29；

Wj—第j個指標的“權”值，j=1,2，W1=30，W2=70；

Yij—第i個試驗中第j個指標；

Yjmax—所有9號試驗中，第j個指標的最大值。

試驗希望指標含雜率和損失率均越小越好，因此綜合加權評分的分值應該越低越好。表4所示29組試驗中，最低得分為第21組的57.08，而驗證試驗結果的得分為44.6。由此可以得到結論：在所選試驗水平范圍內(nèi)，參數(shù)優(yōu)化求解的方案是可行的。

3.5 整機工作參數(shù)優(yōu)化對比試驗

為了體現(xiàn)結構及工作參數(shù)優(yōu)化效果，進行作業(yè)效果對比試驗。其中，A組為未經(jīng)改進及參數(shù)優(yōu)化的原機試驗，B組為改進撿拾器機組在原機工作參數(shù)下的試驗，C組為3.4節(jié)驗證試驗結果平均值。原機工作參數(shù)如下：風機轉(zhuǎn)速1 600r/min，振幅19mm，齒帶線速度0.95m/s、機器前進速度1.14m/s。試驗結果如表8所示。

表8 優(yōu)化對比試驗結果Table 8 Results of comparative optimizing experiment %

由表8可知：平均含雜率A組3.67%，B組3.17%，C組1.62%；平均損失率A組12.22%，B組8.64%，C組4.84。結果表明，經(jīng)過結構改進以及工作參數(shù)優(yōu)化后的撿拾器作業(yè)含雜率比原機降低了55.8%，損失率比原機降低了60.4%，作業(yè)效果提升明顯。

4 結論

1)油菜撿拾收獲機撿拾器的撿拾齒帶發(fā)生跑偏及各組撿拾帶之間存在間隙是造成撿拾損失的重要原因。為此，設計了無間隙防跑偏撿拾裝置并對撿拾帶內(nèi)表面的導向塊安裝距離進行了限定，能夠很好地解決跑偏和損失問題，有效提升了撿拾裝置工作效果，提高了作業(yè)效率和可靠性。

2)以風機轉(zhuǎn)速、振幅、齒帶線速度為試驗因素，以含雜率和損失率為試驗指標，進行了Box-Benhnken中心組合響應面分析，表明風機轉(zhuǎn)速對于含雜率的影響要高于振動篩振幅和齒帶線速度。在試驗所選水平范圍內(nèi)，機器前進速度對含雜率的影響不顯著。風機轉(zhuǎn)速和機器前進速度對于損失率的影響均為極顯著，且前進速度對于損失率的影響要高于風機轉(zhuǎn)速，振動篩振幅對損失率影響顯著。在所選試驗水平范圍內(nèi)，齒帶線速度對于損失率的影響并不顯著。各因素之間對于試驗指標均存在明顯的交互作用。

3)通過統(tǒng)計軟件自動尋優(yōu)求得最佳工作參數(shù)組合，并以一組接近的參數(shù)組合(即風機轉(zhuǎn)速1 700r/min、振幅16mm、齒帶線速度0.8m/s、前進速度0.82m/s)進行了試驗驗證。綜合加權評分法結果表明，優(yōu)化改進方案可行。

4)分析3組對比試驗數(shù)據(jù)，結果表明：在經(jīng)過撿拾器結構改進和整機作業(yè)參數(shù)匹配優(yōu)化后，同原機作業(yè)效果相比，含雜率降低55.8%，損失率降低60.4%，作業(yè)效果提升明顯。