軸流式全喂入花生收獲機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王伯凱 顧峰瑋 于昭洋 曹明珠 王江濤 胡志超

(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.河南農(nóng)有王農(nóng)業(yè)裝備科技股份有限公司， 駐馬店 463100)

0 引言

花生是我國重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物，隨著國際農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易不確定因素的增加，高效的花生收獲裝備將為維護(hù)中國油料貿(mào)易安全起到關(guān)鍵作用[1-5]。目前我國花生主產(chǎn)區(qū)普遍采用中小型挖掘機(jī)進(jìn)行機(jī)械化收獲，挖掘機(jī)將花生株系挖出，攤鋪在田間晾曬，再由人工完成撿拾作業(yè)，其過程耗時(shí)耗力[6-7]?；ㄉ鷵焓笆斋@裝備可對攤鋪的花生秧蔓進(jìn)行撿拾收獲。由于花生品種及晾曬后秧蔓含水率的不同，作業(yè)時(shí)撿拾機(jī)構(gòu)存在纏枝掛秧、壅堵卡滯[8-10]等現(xiàn)象，彈齒式撿拾機(jī)構(gòu)可有效解決該問題。

國內(nèi)外專家對彈齒式撿拾機(jī)構(gòu)進(jìn)行了很多理論和試驗(yàn)研究[11-17]。蘇聯(lián)的波波夫證明彈齒撿拾裝置是連桿機(jī)構(gòu)；王文明[18]對牧草彈齒滾筒撿拾機(jī)構(gòu)的撿拾參數(shù)進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)研究；許濤[19]對撿拾彈齒在撿拾過程中4個(gè)工位的工作狀態(tài)進(jìn)行了理論分析；郁志宏等[20]進(jìn)行了牧草彈齒撿拾器性能參數(shù)的對比試驗(yàn)及正交試驗(yàn)。目前，國內(nèi)外針對彈齒式花生撿拾技術(shù)的研究較少，現(xiàn)有彈齒式花生撿拾機(jī)構(gòu)普遍存在撿拾落果率高、莢果破損率高、功耗比率大等作業(yè)質(zhì)量問題。

本文以自行研制的軸流式全喂入花生聯(lián)合收獲機(jī)為研究對象，針對影響彈齒式撿拾機(jī)構(gòu)作業(yè)質(zhì)量的瓶頸問題，結(jié)合花生攤鋪晾曬農(nóng)藝特點(diǎn)，運(yùn)用理論分析與田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定撿拾機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)，并進(jìn)行撿拾作業(yè)性能試驗(yàn)，為明晰彈齒式撿拾機(jī)構(gòu)的作業(yè)機(jī)理、優(yōu)化關(guān)鍵部件、提高綜合作業(yè)質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

1 總體結(jié)構(gòu)及撿拾機(jī)理

全喂入撿拾聯(lián)合收獲技術(shù)為當(dāng)前國內(nèi)花生高效收獲領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)化焦點(diǎn)。本文針對軸流式花生全喂入撿拾聯(lián)合收獲設(shè)備的作業(yè)原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合撿拾物料的物理特征及生物學(xué)特性，設(shè)計(jì)彈齒滾筒式撿拾機(jī)構(gòu)，并將其配置于自行研制的軸流式全喂入聯(lián)合收獲機(jī)上，構(gòu)建自走式田間收獲試驗(yàn)臺，該試驗(yàn)臺作業(yè)原理如圖1所示。

圖1 全喂入收獲技術(shù)撿拾作業(yè)示意圖Fig.1 Schematic of pickup operation of full feed harvesting technology1.已撿拾區(qū)域 2.漏撿秧蔓 3.后輪 4.果箱 5.輸送裝置 6.前輪 7.彈齒撿拾機(jī)構(gòu) 8.等待撿拾秧蔓

1.1 花生幾何參數(shù)及力學(xué)特性

該撿拾機(jī)構(gòu)試驗(yàn)對象為攤鋪晾曬后的花生株系，試驗(yàn)前先用小型花生挖掘機(jī)有序起秧、振動(dòng)去土后自然落地按序疊層鋪放至原種穴一側(cè)，如圖2所示,w為作業(yè)幅寬，mm;Z為鋪放間距，mm;S為花生株系條鋪寬度，mm;h為秧蔓層疊高度，mm。以主產(chǎn)區(qū)典型品種“豫花9327”為試驗(yàn)對象，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該品種帶果高度為(410±20) mm，莖稈中徑(8±1) mm；結(jié)果區(qū)域中徑為(132±15) mm，結(jié)果區(qū)域高度為(122±10) mm，果柄直徑(1±0.5) mm。由于莢果在機(jī)械化撿拾過程中極易損傷、脫落，了解其力學(xué)特性可為撿拾機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考，研究表明，果蔓平均含水率降至20%時(shí)，果柄的臨界脫落力一般在0.8～1.2 N，莢果臨界破損力一般在25～30 N。

圖2 花生挖掘后攤鋪晾曬示意圖Fig.2 Schematic of spreading and drying peanuts after digging

1.2 撿拾機(jī)構(gòu)總體方案

自走式試驗(yàn)臺主要由撿拾機(jī)構(gòu)、輸送裝置、底盤系統(tǒng)、提升裝置、集果裝置等組成(圖3)，試驗(yàn)臺可進(jìn)行撿拾機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)、作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)。

圖3 自走式試驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 General structure diagram of self-propelled test bed1.撿拾機(jī)構(gòu) 2.螺旋攪拌器 3.輸送槽 4.駕駛室 5.驅(qū)動(dòng)輪 6.輸送裝置 7.集果裝置 8.轉(zhuǎn)向輪 9.提升裝置

彈齒式撿拾機(jī)構(gòu)簡圖如圖4所示，主要由機(jī)架、凸輪盤(有軌道)、彈齒、傳動(dòng)軸、弧形罩殼、軸承、法蘭盤、鏈輪、安裝基座等組成。作業(yè)時(shí)，撿拾機(jī)構(gòu)隨試驗(yàn)臺以一定速度前進(jìn)，滾子軸承安裝在凸輪盤內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪與機(jī)架固定。滾子軸承帶動(dòng)曲柄沿著凸輪軌跡帶動(dòng)彈齒安裝桿運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，彈齒伸出彈齒護(hù)罩的長度最長，并以一定深度插入地表，攤鋪晾曬在田間的秧蔓在撿拾彈齒挑撿作用下被從相互牽連、交織的秧蔓混合物中脫離，隨彈齒上升至最高點(diǎn)時(shí)，秧蔓隨彈齒的運(yùn)動(dòng)被推至最高點(diǎn)，隨后秧蔓進(jìn)入向后向下通道，彈齒伸出彈齒護(hù)罩的長度減至最小，此時(shí)秧蔓受彈齒護(hù)罩卡擋與彈齒脫離，并在慣性作用下繼續(xù)往前運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入下一作業(yè)程序，撿拾作業(yè)過程完成。

圖4 撿拾機(jī)構(gòu)軸測圖Fig.4 Axonometric drawing of picking-up mechanism1.機(jī)架 2.凸輪盤 3.彈齒 4.傳動(dòng)軸 5.弧形罩殼 6.軸承 7.法蘭盤 8.鏈輪

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析

2.1 彈齒與弧形罩殼組配設(shè)計(jì)

2.1.1撿拾狀態(tài)分析

彈齒與弧形罩殼為撿拾機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件，通過彈齒與弧形罩殼有效組配，可以實(shí)現(xiàn)秧蔓撿拾、推送。撿拾作業(yè)時(shí)，秧蔓一般會(huì)呈現(xiàn)全量撿拾、半量撿拾、少量撿拾3種作業(yè)狀態(tài)(圖5)，通過試驗(yàn)觀察，鋪放密度小于28 kg/m2時(shí)，撿拾機(jī)構(gòu)處于全量撿拾狀態(tài)，此時(shí)每排彈齒能夠滿載撿拾秧蔓。

圖5 撿拾機(jī)構(gòu)3種作業(yè)狀態(tài)示意圖Fig.5 Schematics of three operation states of pickup mechanism1.彈齒安裝槽 2.已撿秧蔓 3.彈齒 4.緊固螺栓 5.弧形罩殼

如圖6所示，在時(shí)間段t內(nèi)，A1彈齒理論最大撿拾區(qū)間為彈齒A1、彈齒A2及弧形罩殼之間的撿拾的花生秧蔓體積，但在實(shí)際作業(yè)中，由于機(jī)器振動(dòng)、地面起伏等原因，有效撿拾空間小于理論撿拾空間。為便于分析，本文假設(shè)秧蔓鋪放均勻，間隙一致，則水平橫向尺寸空間滿足

圖6 秧蔓莢果縱向?qū)盈B示意圖Fig.6 Schematics of longitudinal stacking of vine and vine pods

R-r≥(p-1)d1

(1)

式中p——每組彈齒橫向鋪放秧蔓株數(shù)

d1——帶果秧蔓莖稈間距，mm

R——彈齒回轉(zhuǎn)半徑，mm

r——弧形罩殼半徑，mm

豎直層疊方向空間尺寸表達(dá)式為

(2)

式中v——撿拾機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度，m/s

t0——相鄰彈齒時(shí)間間隔，s

n——撿拾機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速，r/min

λ——秧蔓空隙系數(shù)

由式(1)、(2)可知，在彈齒回轉(zhuǎn)半徑、弧形罩殼半徑、秧蔓幾何尺寸及平鋪厚度一定的條件下，彈齒能否順暢有效撿拾輸送帶果秧蔓與彈齒回轉(zhuǎn)半徑、機(jī)具前進(jìn)速度及彈齒轉(zhuǎn)速有關(guān)，經(jīng)前期機(jī)具試驗(yàn)及田間晾曬秧蔓統(tǒng)計(jì)分析，帶果秧蔓平鋪厚度h為100～200 mm；弧形罩半徑設(shè)計(jì)為120 mm，秧蔓空隙系數(shù)λ在0～1之間，根據(jù)“豫花9327”生物學(xué)特性，本設(shè)計(jì)取0.65。因此確定影響撿拾輸送性能的因素為機(jī)具前進(jìn)速度和彈齒轉(zhuǎn)速。

2.1.2彈齒設(shè)計(jì)

彈齒是最重要的作業(yè)部件，其性能直接影響撿拾質(zhì)量[21]。彈齒作業(yè)過程中能否支撐并順暢輸運(yùn)秧蔓莢果是彈齒可靠性的關(guān)鍵。

彈齒工作階段分地上和地下階段, 地下階段最為復(fù)雜,其入土瞬間會(huì)與土壤劇烈碰撞，產(chǎn)生劇烈振動(dòng)(圖7)，因此彈齒材料選用柔韌性好、抗沖擊力強(qiáng)的碳素彈簧鋼，既能減輕入土阻力、降低作業(yè)功耗，又能降低彈齒損傷，延長撿拾部件壽命，也能保證彈齒實(shí)時(shí)貼緊地面，不漏撿、少撿，提高撿拾部件自適應(yīng)能力。同時(shí)，彈齒端部向旋轉(zhuǎn)方向折彎，減少秧蔓莢果的滑落，降低了漏撿率，經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彈齒端部的夾角為158°～165°時(shí)，撿拾效果最好，本設(shè)計(jì)取160°。

圖7 彈齒結(jié)構(gòu)簡圖Fig.7 Diagrams of elastic teeth

彈齒受力如圖8所示，工作過程中其扭矩處于最小值T1和最大值T2之間,扭轉(zhuǎn)角處于最小值φ1和最大值φ2之間，當(dāng)彈齒處于水平位置時(shí)，其輸運(yùn)彈齒組件受到帶果秧蔓的扭矩最大，也是彈齒旋轉(zhuǎn)過程中的一個(gè)受力最大區(qū)間位置，此時(shí)彈齒作業(yè)應(yīng)滿足條件為

圖8 彈齒受力簡圖Fig.8 Force diagram of elastic teeth

(3)

式中k——每株秧蔓需要輸運(yùn)的彈齒個(gè)數(shù)

E——彈性模量，Pa

d2——彈齒直徑，mm

φ2——彈齒工作最大扭轉(zhuǎn)角,(°)

L——彈齒回轉(zhuǎn)中心到秧蔓重心的距離，mm

D——扭轉(zhuǎn)彈簧中徑，mm

n1——扭轉(zhuǎn)彈簧有效圈數(shù)

m——秧蔓莢果質(zhì)量，kg

g——重力加速度，取9.81 m/s2

撿拾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)撿拾幅寬為四壟八行花生秧蔓，因此每排齒的個(gè)數(shù)條件[22]為

(4)

式中P1——每排彈齒個(gè)數(shù)

D1——同一排彈齒間距，mm

由式(3)、(4)可知，在彈齒材料特性、彈簧中徑一定的條件下，順時(shí)方向能否順暢拋送帶果秧蔓與彈簧有效圈數(shù)、彈齒間距有關(guān)。根據(jù)前期試驗(yàn)，彈簧有效圈數(shù)一般為4～6圈，本設(shè)計(jì)取4，經(jīng)前期機(jī)具試驗(yàn)及田間晾曬秧蔓統(tǒng)計(jì)分析，每壟帶果秧蔓的條鋪寬度S一般在400～500 mm之間，秧蔓莢果平均質(zhì)量在0.8～1.2 kg之間。因此，同樣確定影響撿拾輸送性能的因素為彈齒間距。

2.1.3彈齒排列方式

合理的彈齒排列方式不僅能提高作業(yè)質(zhì)量，還可使機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此在設(shè)計(jì)彈齒排列方式時(shí)應(yīng)盡量做到平衡[23-26]。彈齒排列主要分為周向錯(cuò)位排列(圖9)和周向?qū)R排列(圖10)2種，錯(cuò)位排列展開間距是對齊排列的一半，由于晾曬田間的花生秧蔓鋪放的長度方向上并不完全一致，并帶有殘枝斷秧，錯(cuò)位排列可有效增加撿拾范圍，提升撿拾質(zhì)量。

圖9 彈齒錯(cuò)位排列簡圖Fig.9 Sketch of dislocation arrangement of elastic teeth

圖10 彈齒對齊排列簡圖Fig.10 Sketch of alignment and arrangement of elastic teeth

根據(jù)設(shè)計(jì)工作幅寬(2 500 mm)和前期試驗(yàn)，最終確定每排彈齒間距范圍為160～240 mm，不同角度且相鄰的每兩個(gè)彈齒的軸向錯(cuò)位間距為同排彈齒間距的一半，試驗(yàn)表明，鄰排彈齒未因扭變變形發(fā)生干涉，運(yùn)行平穩(wěn)。

2.2 撿拾機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

在進(jìn)行撿拾作業(yè)時(shí)，撿拾彈齒既隨試驗(yàn)臺做直線運(yùn)動(dòng)，又繞傳動(dòng)軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此撿拾機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)是這兩種運(yùn)動(dòng)的合成，以撿拾驅(qū)動(dòng)軸中心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系(圖11)，x軸為前進(jìn)方向，y軸為豎直方向，則撿拾彈齒端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程表達(dá)式為[27-29]

(5)

式中vx——彈齒端點(diǎn)水平方向分速度,m/s

vy——彈齒端點(diǎn)垂直方向分速度,m/s

vm——機(jī)具前進(jìn)速度,m/s

ω——撿拾彈齒的回轉(zhuǎn)角速度，rad/s

t——撿拾彈齒旋轉(zhuǎn)時(shí)間，s

圖11 撿拾機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.11 Motion diagram of pickup mechanism

由式(5)可得端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為

(6)

式中x——彈齒端點(diǎn)水平方向位移, m

y——彈齒端點(diǎn)垂直方向位移, m

從收集到的資料來看，對于“中國風(fēng)”歌曲的研究多集中于“中國風(fēng)”現(xiàn)象與意義的研究，或從文化角度出發(fā)，以歌曲本身為立腳點(diǎn)的分析較少。如周美彤《淺談中國流行樂壇的“中國風(fēng)”現(xiàn)象及意義》①一文分析了“中國風(fēng)”的核心特征、內(nèi)涵，并由此探索其引起民族普遍美學(xué)及道德共鳴的意義。再如劉銓《中國流行音樂的“中國風(fēng)”現(xiàn)象研究》②指出：通過分析“中國風(fēng)”這一民族性標(biāo)簽的藝術(shù)形式的音樂風(fēng)格和藝術(shù)表現(xiàn)可以探索其積極意義與不足之處，并預(yù)見其發(fā)展趨勢。

所以撿拾彈齒上任意點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為

(7)

式中xi——彈齒上任意點(diǎn)水平方向位移, m

yi——彈齒上任意點(diǎn)垂直方向位移, m

則撿拾彈齒端點(diǎn)的絕對速度方程為

(8)

在彈齒質(zhì)量一定的條件下，彈齒端點(diǎn)的絕對速度越大，其撿拾能力越大，效率越高，但同時(shí)對秧蔓莢果的撞擊力越大，越容易造成撿拾過程中莢果落果和破損。在彈齒材料特性、彈齒回轉(zhuǎn)半徑一定的條件下，撿拾撞擊力主要與機(jī)具前進(jìn)速度和彈齒轉(zhuǎn)速有關(guān)，機(jī)具前進(jìn)速度參照花生半喂入收獲前進(jìn)速度，確定為0.8～1.5 m/s[30]，彈齒轉(zhuǎn)速參照國內(nèi)收獲牧草和花生的同類型彈齒轉(zhuǎn)速確定為45～70 r/min[31]。

2.3 撿拾彈齒功耗分析

為包裹性撿拾地表秧蔓莢果，有效降低漏撿損失，彈齒在接觸秧蔓莢果前，需插入地表以下，但會(huì)增大撿拾功耗，因此，節(jié)功降耗是彈齒設(shè)計(jì)的核心問題之一。撿拾機(jī)構(gòu)功耗除了和撿拾彈齒的幾何形狀有關(guān)外，還與機(jī)組的速度參數(shù)有關(guān)。根據(jù)理論力學(xué)對彈齒入土過程進(jìn)行受力分析，進(jìn)而對其進(jìn)行功耗分析。撿拾過程中作用在彈齒任意段的土壤反力包括彈齒摩擦阻力、彈齒破土阻力、彈齒與土壤間的摩擦阻力及秧蔓莢果阻力。撿拾彈齒的功耗即各阻力對彈齒所做功的總和。而各阻力與撿拾彈齒在某時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的位移之積即該時(shí)刻阻力對彈齒所做的功，也是撿拾彈齒克服阻力所做的功，即撿拾機(jī)構(gòu)的功耗。

如圖12所示，設(shè)撿拾彈齒插入土壤后繞其回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，土壤作用在微元上的法向反力方程表達(dá)式近似為

dN=E1D2Rj

(9)

式中 dN——彈齒任一時(shí)刻受力變化量，N

D2——撿拾彈齒直徑，mm

Rj——入土段任一角度時(shí)彈齒的深度，mm

圖12 彈齒撿拾能力分析簡圖Fig.12 Analysis sketch of pickup capacity of elastic teeth

撿拾彈齒組旋轉(zhuǎn)一周在入土段總功耗的表達(dá)式為[32-34]

(10)

式中W1——撿拾彈齒總功耗，J

t1——彈齒剛接觸秧蔓時(shí)間，s

t2——秧蔓離開地面時(shí)間，s

θ1——彈齒剛接觸秧蔓角度，rad

θ2——秧蔓離開地面彈齒旋轉(zhuǎn)角度，rad

ρ——條鋪秧蔓平均密度，kg/m3

μ——秧蔓與彈齒摩擦因數(shù)

由式(9)、(10)可知，在土壤堅(jiān)實(shí)度、條鋪秧蔓平均密度一定的條件下，撿拾彈齒功耗與彈齒-秧蔓相互作用時(shí)間及此時(shí)間內(nèi)彈齒旋轉(zhuǎn)角、彈齒回轉(zhuǎn)半徑、機(jī)具前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速有關(guān)，根據(jù)前期試驗(yàn)，彈齒回轉(zhuǎn)半徑一般為320～520 mm，本文取500 mm。因此確定影響撿拾功耗的因素為彈齒間距、機(jī)具前進(jìn)速度及彈齒轉(zhuǎn)速。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與指標(biāo)

3.1.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2019年9月3—10日在河南省駐馬店市遂平縣試驗(yàn)基地進(jìn)行(圖13)。試驗(yàn)花生品種為“豫花9327”，單壟雙行種植，壟距800 mm，株距280 mm，產(chǎn)量4 000 kg/hm2。試驗(yàn)前由挖掘機(jī)收獲后鋪放于田間。晾曬3 d后秧蔓含水率19.27%，莢果含水率17.32%,果柄含水率15.97%，帶果秧蔓平均長度40 mm，以人工鋪設(shè)秧蔓模擬人工挖掘收獲后的全量秧蔓莢果。果蔓總質(zhì)量均值為10 kg/m2，蔓果比均值為1.2，均勻鋪放密度為25 kg/m2(大于人工挖掘條鋪量)，鋪放高度300 mm，試驗(yàn)地塊面積15 000 m2(100 m×150 m)，土壤類型為沙壤土，在0～10 cm深度處土壤含水率為13.63%，土壤堅(jiān)實(shí)度為0.82 MPa，土壤容重1.2 g/cm3。

圖13 田間試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.13 Field test site

3.1.2試驗(yàn)指標(biāo)及測試方法

試驗(yàn)前進(jìn)行花生秧蔓田間鋪放情況檢查，測試方法按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5262—2008進(jìn)行。測試參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5667—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》、農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 502—2016《花生收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》和NY/T 2204—2012《花生收獲機(jī)械質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》中的方法及規(guī)范，測試內(nèi)容主要包括撿拾落果率、莢果破損率、單位撿拾功耗。

將試驗(yàn)區(qū)劃分為50個(gè)測試區(qū)，每個(gè)測試區(qū)長為100 m，撿拾幅寬2 500 mm，進(jìn)行50次試驗(yàn)，在50個(gè)測試區(qū)上隨機(jī)取10測試區(qū)。撿拾機(jī)構(gòu)配置于課題組自行研制的軸流式全喂入花生聯(lián)合收獲試驗(yàn)臺上，保持試驗(yàn)臺勻速行駛，撿拾機(jī)構(gòu)高度保持恒定，試驗(yàn)員駕駛試驗(yàn)臺在田間進(jìn)行撿拾試驗(yàn)。測試儀器包括轉(zhuǎn)速測試儀、米尺、電子秤等。

3.2 性能試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在前期單因素試驗(yàn)觀察和理論分析基礎(chǔ)上，選取對撿拾性能影響較大的彈齒轉(zhuǎn)速A、彈齒間距B、機(jī)具前進(jìn)速度C作為試驗(yàn)因素。其他試驗(yàn)參數(shù)為滾筒長度2 500 mm、彈齒數(shù)量144和彈齒直徑5 mm，4排彈齒周向均布。試驗(yàn)以撿拾落果率Y1、莢果破損率Y2和撿拾功耗比率Y3作為指標(biāo)，開展三因素三水平正交試驗(yàn)[35-36]，試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Factors and levels of experiment

3.2.2數(shù)據(jù)分析與處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-Expert 12軟件進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，并利用響應(yīng)面分析法對各因素相關(guān)性和交互效應(yīng)的影響規(guī)律進(jìn)行分析研究。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Tab.2 Experiment design and response values

4.1 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

利用Design-Expert 12軟件對表2中數(shù)據(jù)開展多元回歸擬合分析，建立撿拾落果率Y1、莢果破損率Y2及撿拾功耗比率Y3對彈齒轉(zhuǎn)速A、彈齒間距B、機(jī)具前進(jìn)速度C3個(gè)自變量的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，建立模型為

Y1=3.99+1.13A-0.422 5B+1.67C-1.11AB-
0.45AC-0.43BC+0.42A2-0.82B2-0.53C2

(11)

Y2=18.19+2.61A-0.612B+1.97C-2.31AB-
0.41AC-0.73BC+0.78A2-0.93B2-0.69C2

(12)

Y3=95.39-0.76A+0.36B-53.39C+0.000 14AB-
0.18AC-0.07BC+0.001 4A2-0.001 5B2+14C2

(13)

由表3可知，撿拾落果率Y1、莢果破損率Y2的P值分別為0.075 4、0.091 0(均大于 0.05)，表明2個(gè)模型影響顯著，單位撿拾功耗比率Y3的P值為0.009 5(小于 0.01)，表示影響極顯著。其失擬項(xiàng)的P值分別為0.095 2、0.053 6、0.083 6(均大于0.05)，表明3個(gè)模型在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)擬合程度較高；其決定系數(shù)R2分別為0.932 9、0.983 2、0.947 8，表明93%以上的響應(yīng)值均可以由這3個(gè)模型解釋。表明該模型可以預(yù)測撿拾機(jī)構(gòu)工作參數(shù)。

表3 回歸方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equation

同時(shí)，撿拾落果率Y1響應(yīng)面模型中的A、C對模型影響顯著；莢果破損率Y2響應(yīng)面模型中A對模型影響顯著；單位撿拾功耗比率Y3響應(yīng)面模型中的C對模型影響極顯著，A對模型影響顯著，在保證模型P<0.01、失擬項(xiàng)P>0.05的基礎(chǔ)上，剔除對模型影響不顯著的其他回歸項(xiàng)，優(yōu)化模型為

Y1=5.92+1.32A+3.52C-1.11AB-0.68AC+
0.68A2-0.45C2

(14)

Y2=32.56+4.94A+1.97C-2.35AB-0.73BC-
0.93B2-0.69C2

(15)

Y3=107.45-6.46A-78.29C-1.25AC+14.04C2

(16)

4.2 交互因素對性能的影響

根據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果，可得彈齒轉(zhuǎn)速A、彈齒間距B及機(jī)具前進(jìn)速度C交互作用對各性能指標(biāo)的影響，并利用Design-Expert 12軟件繪制響應(yīng)面圖。

4.2.1交互因素對撿拾落果率的影響

交互因素對拾落果率Y1影響響應(yīng)曲面如圖14所示。從圖14a可以看出，減小彈齒轉(zhuǎn)速A和增大彈齒間距B有助于降低撿拾落果率；從圖14b可以看出，減小彈齒轉(zhuǎn)速A與機(jī)具前進(jìn)速度C明顯有助于降低撿拾落果率；從圖14c可以看出，減小機(jī)具前進(jìn)速度C和彈齒間距B有助于降低撿拾落果率。

圖14 交互因素影響撿拾落果率的響應(yīng)曲面Fig.14 Influence of interactive factors on picking and falling fruit rate

4.2.2交互因素對莢果破損率的影響

交互因素對莢果破損率Y2影響響應(yīng)曲面如圖15所示。從圖15a可以看出，減小彈齒轉(zhuǎn)速A和彈齒間距B有助于降低莢果破損率，從圖15b可以看出，減小彈齒轉(zhuǎn)速A與機(jī)具前進(jìn)速度C明顯有助于降低莢果破損率；從圖15c可以看出，減小機(jī)具前進(jìn)速度C和增大彈齒間距B有助于降低莢果破損率。

圖15 交互因素影響莢果破損率的響應(yīng)曲面Fig.15 Influence of interactive factors on picking-up loss rate

4.2.3交互因素對撿拾功耗比率的影響

交互因素對撿拾功耗比率影響響應(yīng)曲面如圖16所示。從圖16a可以看出，減小彈齒轉(zhuǎn)速A和增大彈齒間距B有助于降低撿拾功耗比率Y3；從圖16b可以看出，減小彈齒轉(zhuǎn)速A與機(jī)具前進(jìn)速度C明顯有助于降低撿拾功耗比率Y3；從圖16c可以看出，減小機(jī)具前進(jìn)速度C和增大彈齒間距B有助于降低撿拾功耗比率Y3。

圖16 交互因素影響撿拾功耗比率的響應(yīng)曲面Fig.16 Influence of interactive factors on power consumption

4.3 撿拾機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)撿拾落果率Y1、莢果破損率Y2及撿拾功耗比率Y3數(shù)學(xué)模型，可以在約束條件范圍內(nèi)選取撿拾機(jī)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合并對回歸模型進(jìn)行檢驗(yàn)。以最小撿拾落果率Y1、莢果破損率Y2及最低撿拾功耗比率Y3為評價(jià)指標(biāo)，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型：目標(biāo)函數(shù)minY1(A，B，C)，minY2(A，B，C)，minY3(A，B，C)；約束條件40 r/min≤A≤100 r/min，70 mm≤B≤130 mm，0.9 m/s≤C≤1.5 m/s。利用Design-Expert 12軟件自帶的約束條件優(yōu)化求解模塊，可求得滿足約束條件的最小撿拾落果率Y1、莢果破損率Y2及最低撿拾功耗比率Y3最優(yōu)參數(shù)組合。求解的最優(yōu)參數(shù)組合：彈齒轉(zhuǎn)速63.62 r/min、彈齒間距75.23 mm及機(jī)具前進(jìn)速度1.07 m/s，對應(yīng)的撿拾落果率Y1、莢果破損率Y2及撿拾功耗比率Y3分別為2.15%、3.53%和7.92%。

撿拾機(jī)構(gòu)實(shí)際工作參數(shù)很難調(diào)整到理論求解的優(yōu)化值，根據(jù)自走式試驗(yàn)臺撿拾機(jī)構(gòu)參數(shù)可調(diào)范圍，選擇一組接近優(yōu)化求解值的參數(shù)進(jìn)行田間試驗(yàn)，參數(shù)值為：彈齒轉(zhuǎn)速63 r/min、彈齒間距75 mm及機(jī)具前進(jìn)速度1 m/s。于2019年10月8日在相同地點(diǎn)采用相同的測試方法進(jìn)行試驗(yàn)，撿拾落果率Y1、莢果破損率Y2及撿拾功耗比率Y3平均值分別為2.2%、3.6%和8.1%。與該型釘齒滾筒式花生撿拾收獲機(jī)常用的一組撿拾機(jī)構(gòu)參數(shù)收獲同等條件下的條鋪晾曬花生時(shí)對比，撿拾落果率降低了32%，莢果破損率Y2降低了25%，撿拾功耗比率降低了30%。單因素和雙因素效應(yīng)分析表明，彈齒間距在中心水平附近對損失率影響較小，降低彈齒間距可顯著降低莢果破損率，降低彈齒轉(zhuǎn)速可顯著降低撿拾落果率、莢果破損率，實(shí)際田間試驗(yàn)與理論分析一致，表明求解的撿拾落果率、莢果損失率及撿拾功耗比率回歸模型的精度能滿足參數(shù)優(yōu)化的需要。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種適用于軸流式花生全喂入收獲機(jī)的彈齒撿拾機(jī)構(gòu)，一次下田即可對挖掘后成條鋪放的花生完成撿拾。與常規(guī)撿拾機(jī)構(gòu)相比，撿拾損失小、落果率低，經(jīng)濟(jì)性好。

(2)基于Box-Benhnken中心組合設(shè)計(jì)理論，以機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度、彈齒間距三因素為影響因子進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，分析各因素對撿拾落果率、莢果破損率和功耗比率的影響，并對影響因素進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，對撿拾落果率的影響由大到小為彈齒轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度、彈齒間距，對莢果破損率的影響由大到小為彈齒轉(zhuǎn)速、彈齒間距、機(jī)具前進(jìn)速度，對功耗比率影響由大到小為機(jī)具前進(jìn)速度、彈齒轉(zhuǎn)速、彈齒間距；最優(yōu)參數(shù)組合為彈齒轉(zhuǎn)速63.62 r/min、彈齒間距75.23 mm及機(jī)具前進(jìn)速度1.07 m/s，對應(yīng)的撿拾落果率為2.15%、莢果破損率為3.53%及撿拾功耗比率為7.92%。所設(shè)計(jì)的撿拾機(jī)構(gòu)提高了撿拾質(zhì)量，降低了收獲成本。