油葵收獲機撥禾板式割臺裝置研制

靳 偉，丁幼春，白圣賀，張學(xué)軍，鄢金山，周鑫城

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢430070；2. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，烏魯木齊830052；3. 中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院土壤植物機器系統(tǒng)技術(shù)國家重點實驗室，北京100083；4. 新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計實驗室重點實驗室，烏魯木齊830052）

0 引 言

油葵又稱油用向日葵，屬于大型菊科植物。油葵籽粒形狀較為飽滿、含油量高[1-2]。油葵是中國五大油料作物之一、世界第二大油料作物，油葵籽油含約66%的“亞油酸”，被譽為21世紀“健康營養(yǎng)油”[3-5]。油葵具有耐寒、耐旱、環(huán)境適應(yīng)性較強等特點，可在貧瘠的土壤中生長，利用大面積的干旱地及鹽堿地規(guī)?；N植油葵，既解決了土地資源浪費問題，還能滿足日益增長的市場需求[6-8]。新疆憑借獨特的水土和光熱等自然環(huán)境，生產(chǎn)的油葵具有單產(chǎn)高、出油率高、油質(zhì)好、不飽和脂肪酸含量高等特點，已成為中國優(yōu)質(zhì)油料作物的主產(chǎn)區(qū)[9]。

近年來，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，油葵作為新疆特色優(yōu)質(zhì)油料產(chǎn)業(yè)，種植面積逐年穩(wěn)步增長[10-13]。截止2019年，新疆油葵種植面積達16.4萬hm2，產(chǎn)量約為45萬t[14-15]。隨著油葵種植面積的不斷擴大，機械化收獲水平低已成為阻礙油葵產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的突出因素[16-17]。目前，新疆油葵聯(lián)合收獲機械是在小麥聯(lián)合收獲機的基礎(chǔ)上對割臺進行改裝，其脫粒裝置和割臺不適應(yīng)油葵收獲；根據(jù)測定油葵收獲時籽粒損傷率和損失率共計10%以上，現(xiàn)有機型不能滿足油葵高效率、低損傷機械化收獲要求[18-20]。同時，油葵品種和種植模式不同，油葵花盤的厚度和直徑、油葵莖稈直徑和高度等參數(shù)均存在較大的差異，現(xiàn)有油葵收獲機割臺裝置不能滿足油葵低損傷和低損失收獲的要求，導(dǎo)致油葵收獲損失率和損傷率均較高。因此實現(xiàn)油葵高效率、低損傷、低損失的機械化收獲，促進油葵產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效已成為亟待解決的難題。

國內(nèi)研發(fā)人員經(jīng)過長期深入研究、田間試驗、機構(gòu)優(yōu)化，對玉米和小麥收獲機進行改裝，油葵機械化收獲取得了一定的研究成果和經(jīng)濟效益[21-25]，但仍缺少關(guān)鍵核心技術(shù)，智能化檢測水平較低、損失率較高。山東寧聯(lián)機械制造有限責任公司設(shè)計的4LZ-4KH型油葵收割、脫粒與清選、收集聯(lián)合作業(yè)機，油葵籽粒損失率較高[26]；張學(xué)軍團隊自主研發(fā)一種自走式油葵收割機，將油葵收割、輸送、脫粒、清選等功能集成為一體，并在新疆吉木薩爾縣油葵種植區(qū)進行試驗，具有良好的適應(yīng)性；該團隊還設(shè)計了一種正多桿變隙式油葵脫粒裝置，并對油葵割臺和脫粒裝置作業(yè)性能進行仿真分析，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜[27-28]。國外對油葵收獲技術(shù)與裝備研究較早，已研發(fā)出兼用型聯(lián)合收割機和專用油葵收獲割臺，籽粒損失率較低、收獲效率較高，已實現(xiàn)大型化、專用化、系列化和標準化。但照搬國外技術(shù)和裝備存在價格高、不適用國內(nèi)油葵收獲要求和種植模式[29-31]。

目前，國內(nèi)學(xué)者對大豆、小麥、玉米等收獲機械研究較多[31-32]，但對油葵割臺研究較少，亟需研發(fā)一種適應(yīng)性強、籽粒損失率低且效率較高的油葵聯(lián)合收獲機。4LZ-5YK型油葵聯(lián)合收獲機屬于典型的自走式油葵聯(lián)合收獲機械，適合于不同品種和種植模式的油葵收獲作業(yè)，但由于操作水平差異、結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)不夠合理，導(dǎo)致割臺收獲籽粒損失率較高、螺旋輸送器堵塞、油葵花盤脫凈率較低等問題。為此，本文提出一種撥禾板式割臺結(jié)構(gòu)并通過試驗確定油葵收獲機前進速度、割臺和撥禾板離地高度、撥禾板轉(zhuǎn)速、割臺與植株傾角、伸縮扒齒結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)速等參數(shù)，以提高油葵聯(lián)合收獲機的作業(yè)性能。

1 撥禾板式割臺結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 割臺整體結(jié)構(gòu)

課題組通過調(diào)研新疆奇臺縣、吉木薩爾縣、農(nóng)六師103團、烏魯木齊米東區(qū)三道壩鎮(zhèn)新莊子村及呼圖壁油葵的種植模式，確定了油葵種植的行距、株距、油葵莖稈直徑和高度范圍、油葵花盤直徑及厚度等基礎(chǔ)物理特性參數(shù)。油葵品種和種植模式存在很大差異，油葵花盤厚度和直徑、油葵莖稈的直徑和高度、不同品種油葵成熟期和籽粒與花盤的分離力等參數(shù)均存在較大差異。新疆種植面積較大的油葵品種為“矮大頭”，種植行距250～450 mm、株距200～250 mm、膜距550～700 mm、莖稈直徑20～50 mm、株高750～1 200 mm、油葵花盤直徑90～180 mm。

4LZ-5YK型自走式油葵聯(lián)合收獲機撥禾板式割臺裝置（簡稱撥禾板式割臺裝置）結(jié)構(gòu)如圖1，主要由機架、動力輸入鏈輪、擺環(huán)機構(gòu)、往復(fù)式切割器、鏈傳動機構(gòu)、撥禾板高度調(diào)節(jié)機構(gòu)、傾斜導(dǎo)板式分禾器、撥禾板支撐桿、進料口、U型撥禾齒、撥禾板、絞龍輸送滾筒、伸縮扒齒機構(gòu)等組成。撥禾板與分禾器之間的高度通過調(diào)節(jié)機構(gòu)進行適當調(diào)整，割臺與地面之間的高度可通過液壓升降機構(gòu)進行調(diào)整。

油葵種植模式及物理特性是設(shè)計油葵收獲機的重要依據(jù)。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，該裝置采用傾斜導(dǎo)板式分禾器收集因碰撞掉落的油葵花盤和籽粒，往復(fù)式切割器切斷油葵莖稈，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 撥禾板式割臺裝置主要參數(shù)Table 1 Main parameters of reel board header

1.2 工作原理

撥禾板式割臺裝置懸掛于自走式油葵收獲機的前端，液壓系統(tǒng)可調(diào)節(jié)割臺距離地面的高度，動力由聯(lián)合收獲機的發(fā)動機提供，通過動力輸入鏈輪輸入到往復(fù)式切割器、撥禾板、絞龍輸送滾筒。撥禾板式割臺裝置作業(yè)時，傾斜導(dǎo)板式分禾器接觸油葵莖稈并將其導(dǎo)入兩分禾器的縫隙中；隨著分禾器在油葵行距中前進，撥禾板在旋轉(zhuǎn)過程中將油葵向下施加壓力的同時并撥向往復(fù)式切割器，切割器將油葵莖稈切斷，油葵花盤被撥禾板推送至螺旋輸送器中、掉落的油葵籽粒在傾斜導(dǎo)板中滾落至螺旋輸送器中；在螺旋輸送裝置的作用下，被切斷莖稈的油葵花盤和掉落的籽粒向中間進料口處聚集；螺旋輸送器中部為伸縮扒齒機構(gòu)，當伸縮扒齒轉(zhuǎn)至接近撥禾板時伸出，將油葵和籽粒撥向進料口，隨后伸縮扒齒開始回縮，防止回帶、碰撞油葵花盤，實現(xiàn)油葵花盤的收割與輸送。

2 關(guān)鍵機構(gòu)設(shè)計

2.1 撥禾機構(gòu)

傾斜導(dǎo)板式分禾器完成扶禾，撥禾機構(gòu)實現(xiàn)按壓油葵莖稈的功能。撥禾板式撥禾機構(gòu)如圖2所示，由機架、撥禾板調(diào)節(jié)機構(gòu)、U型撥禾齒、撥禾板、中心軸等組成，其幅寬為5 000 mm、撥禾板寬度均為200 mm、U型撥禾齒均勻焊接在撥禾板下端。3個撥禾板組成正三角形，撥禾板之間的夾角為120°，撥禾板旋轉(zhuǎn)時將油葵向下按壓的同時將油葵花盤撥向絞龍，分禾器底部的往復(fù)式切割器將油葵莖稈切斷。

撥禾板轉(zhuǎn)速較高會增大撥禾板、撥禾齒與油葵花盤、莖稈之間的碰撞力，導(dǎo)致油葵籽粒大量脫落、甚至將油葵花盤撞碎，造成籽粒破損；撥禾板轉(zhuǎn)速較低會影響油葵花盤收集和輸送的效果，致使被切割器切斷莖稈的油葵花盤掉落在絞龍輸送滾筒外，易造成籽粒損失，因此，撥禾板的運動參數(shù)對油葵收獲效果至關(guān)重要，需要對其運動特性進行分析。

2.1.1 撥禾機構(gòu)運動特性分析

撥禾機構(gòu)在驅(qū)動鏈輪的帶動下周向旋轉(zhuǎn)的同時隨聯(lián)合收獲機平移運動，即U型撥禾齒運動為繞中心軸自轉(zhuǎn)和隨聯(lián)合收獲機平移運動的合成。根據(jù)機構(gòu)運動分析，U型撥禾齒頂端的運動簡圖如圖3所示。以撥禾板軸心到地面的投影點為坐標原點，沿水平方向為x軸、垂直向上為y軸，建立撥禾齒運動坐標系，U形撥禾齒的端點從最高點順時針方向旋轉(zhuǎn)，割臺行走方向為x軸正方向。A點為撥禾齒端點初始位置，旋轉(zhuǎn)半徑為200 mm，運動時間為t，撥禾板轉(zhuǎn)動角度為ωt，割臺前進距離為tv0。

建立撥禾齒運動模型，獲取撥禾齒端點的運動軌跡，通過對撥禾齒端點絕對運動軌跡方程求一階導(dǎo)函數(shù)得撥禾齒端點速度方程，分析撥禾機構(gòu)按壓、輸送油葵花盤的作業(yè)特性。在撥禾機構(gòu)運動參考坐標系中，根據(jù)撥禾齒端點運動位移、速度之間的相互關(guān)系，推導(dǎo)出撥禾齒端點A絕對運動軌跡、速度方程，即撥禾齒運動模型如式（1）所示。

式中xA(t)為撥禾齒端點水平方向位移，mm；yA(t)為撥禾齒端點垂直方向位移，mm；vxA(t)為撥禾齒端點水平分速度，m/s；vyA(t)為撥禾齒端點垂直分速度，m/s。

由式（1）可知，撥禾板實現(xiàn)對油葵的撥送，即支撐油葵莖稈進行切割并將切斷的油葵花盤撥入螺旋輸送滾

筒中的過程，應(yīng)當在U形撥禾齒旋轉(zhuǎn)至將油葵下壓并撥向絞龍的過程中完成，并有相對于地面的x軸負方向上的水平分速度。通過對撥禾板的運動分析，撥禾板將油葵向下按壓、撥入螺旋輸送器中的過程中，撥禾板端點A具有相對于地面與割臺前進方向相反的水平分速度，由式（1）可得：

對式（2）化簡得：

為了滿足新疆油葵種植株距100～220 mm、莖稈直徑20～50 mm模式下油葵低損收獲，需要進一步精確設(shè)計撥禾板轉(zhuǎn)速，研究撥禾板轉(zhuǎn)速、機具前進速度與撥禾板結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。

2.1.2 撥禾齒端點運動軌跡仿真分析

為了探索撥禾板轉(zhuǎn)速、機具前進速度與撥禾板數(shù)量之間的關(guān)系以及不漏撥油葵花盤、低籽粒碰撞損失條件下?lián)芎贪遛D(zhuǎn)速范圍，利用MATLAB軟件編寫程序，求解撥禾齒不漏撥油葵花盤、低籽粒碰撞損失條件下?lián)芎贪遛D(zhuǎn)速取值。結(jié)合4LZ-5YK型油葵聯(lián)合收獲機撥禾板式割臺裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，參考文獻[2]確定仿真參數(shù)：撥禾板軸心至地面的垂直距離600 mm，油葵莖稈留茬高度400 mm，以撥禾板軸心到地面投影點為坐標原點，沿水平方向為x軸、垂直向上為y軸，機具前進速度1 m/s，撥禾板轉(zhuǎn)速120 r/min，撥禾板旋轉(zhuǎn)半徑200 mm，機具運行時間1 s，撥禾板圓周均布3排，撥禾齒的端點處于最高點的位置為運動仿真初始位置。將上述撥禾機構(gòu)運動參數(shù)帶入撥禾齒端點絕對運動軌跡方程式（1），利用MATLAB軟件獲取相鄰兩撥禾齒端點的運動軌跡曲線，如圖4所示。通過對撥禾齒端點運動軌跡仿真，分析撥禾板轉(zhuǎn)速、前進速度與撥禾板圓周均布數(shù)量之間的變化關(guān)系。在撥禾裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，撥禾板撥禾間距的大小取決于機具前進速度、轉(zhuǎn)速、撥禾板圓周均布的數(shù)量。根據(jù)撥禾間距與其他因素水平的變化關(guān)系和推導(dǎo)式（3），求解撥禾板不漏撥油葵花盤、降低籽粒碰撞損失的條件下?lián)芎贪遛D(zhuǎn)速的取值范圍，相鄰兩撥禾板的撥禾間距按式（4）計算。

式中s為相鄰兩撥禾板撥禾間距，mm；n為撥禾板轉(zhuǎn)速，r/min；m為撥禾板圓周均布數(shù)量，個；v0為機具的前進速度，m/s；smin為油葵最小株距值，mm。

由式（4）化簡可得：

由式（5）可知，為了降低籽粒碰撞損失率，撥禾板轉(zhuǎn)速應(yīng)該取滿足不等式關(guān)系的最小值。將上述參數(shù)即割臺前進速度1 m/s、撥禾板均布數(shù)量3排、油葵最小株距值100 mm帶入式（5）得撥禾板轉(zhuǎn)速n≥200 r/min。撥禾板的轉(zhuǎn)速過高會增大撥禾板和撥禾齒與油葵之間的碰撞，導(dǎo)致油葵籽粒脫落甚至將花盤撞碎，造成籽粒損失較多，還需要進一步分析和優(yōu)化撥禾板轉(zhuǎn)速等參數(shù)與油葵籽粒損失率之間的關(guān)系。

2.2 導(dǎo)板式分禾器

分禾器位于割臺最前方，具有聚攏、扶禾油葵植株的作用，可使油葵花盤順利導(dǎo)入割臺，兩側(cè)分禾器將暫不收割的油葵植株撥向兩邊，以免雜物卷入割臺的傳動機構(gòu)，造成油葵籽粒損失和傳動機構(gòu)堵塞。導(dǎo)板式分禾器由若干分禾器板均勻、橫向排列組成，兩分禾器之間存在一定間隙，使油葵順利導(dǎo)入并且防止油葵籽粒掉落地面，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

該油葵導(dǎo)板式分禾器形狀為楔形且傾斜安裝，兩分禾器間距由油葵種植行距和分禾器寬度確定，油葵種植行距250～450 mm，花盤直徑90～180 mm，兩分禾器之間距離大于花盤直徑，為適應(yīng)不同行距的種植環(huán)境，兩分禾器間距取300 mm。割臺工作過程中，油葵籽粒掉落在分禾器導(dǎo)板上，若分禾器較短將導(dǎo)致油葵籽粒掉落地面、造成籽粒損失，所以分禾器長度應(yīng)大于切斷后油葵株高，油葵正常生長株高750～1 200 mm，參考油葵收獲割臺裝置工作性能仿真及試驗研究[28]，設(shè)計分禾器長和寬分別為1 500和250 mm。

3 割臺性能測定與油葵收獲試驗

3.1 割臺性能測定試驗

2018年8月19日，在新疆烏魯木齊市米東區(qū)三道壩鎮(zhèn)新莊子村進行撥禾板式油葵割臺性能田間試驗，油葵品種為新疆種植面積最大的“矮大頭”，此品種種植密度6萬株/hm2、行距440 mm、株距200 mm、膜距650 mm，株高750～1 200 mm、花盤直徑90～180 mm、花盤厚度16～23 mm、籽粒含水率約20%～30%、莖稈直徑20～50 mm、莖稈含水率65%～75%。根據(jù)前期對油葵植株和籽粒物理特性試驗結(jié)果，結(jié)合割臺運動特性仿真分析結(jié)果，確定割臺性能試驗因素和水平，如表2所示。

表2 試驗因素水平Table 2 Factor level table of experiment

當油葵籽粒和植株性狀參數(shù)滿足上述割臺性能試驗條件后，開始試驗，依據(jù)GB/T8097-2008《聯(lián)合收獲機試驗方法》，隨機選取5個區(qū)域，其長為10 m、寬為5 m，每個區(qū)域按照表3進行9次試驗。撥禾板式割臺裝置掛接于油葵聯(lián)合收獲機前端，收集每個測試區(qū)域內(nèi)所有掉落和未收獲的油葵花盤，稱質(zhì)量并記為W1，每個測試區(qū)域收獲的油葵花盤的質(zhì)量記為W2，油葵花盤損失率SU按式（6）計算，平均損失率為5次試驗結(jié)果的平均值，按式（7）計算。

根據(jù)割臺撥禾機構(gòu)運動特性仿真結(jié)果，設(shè)置油葵收獲機前進速度1 m/s、撥禾板轉(zhuǎn)速240 r/min、留茬高度400 mm，油葵花盤損失率試驗結(jié)果如表3所示。由試驗結(jié)果可知，不同因素組合對割臺性能有一定的影響，油葵花盤損失率為2.04%～3.24%；當割臺傾角25°、絞龍轉(zhuǎn)速150 r/min、撥禾板與導(dǎo)板距離170 mm時，割臺性能最佳，油葵花盤損失率為2.04%，滿足油葵生產(chǎn)機械化作業(yè)技術(shù)標準。

表3 割臺性能試驗結(jié)果Table 3 Experimental results of header performance

3.2 油葵田間收獲作業(yè)參數(shù)優(yōu)化

3.2.1 試驗因素與水平

田間收獲試驗的環(huán)境和割臺性能試驗相同，割臺作業(yè)參數(shù)為表3中花盤損失率最優(yōu)參數(shù)組合，即割臺傾斜角度25°、絞龍轉(zhuǎn)速150 r/min、撥禾板與導(dǎo)板距離170 mm。選用4LZ-5YK型油葵聯(lián)合收獲機撥禾板式割臺裝置進行試驗，油葵收獲機動力118 kW。根據(jù)撥禾齒運動特性仿真分析與油葵花盤損失率試驗結(jié)果設(shè)計試驗因素水平表，如表4所示。

表4 試驗因素水平Table 4 Factor level table of experiment

3.2.2 油葵籽粒損失率及破損率試驗方法

參考DB65/T3541-2013《葵花生產(chǎn)機械化技術(shù)》，設(shè)計油葵花盤收割正交試驗。試驗條件和地點同油葵割臺性能測定試驗，在油葵試驗地隨機選取5個區(qū)域，其長10 m、寬5 m，按照表5進行多因素正交試驗，試驗次數(shù)同前文即每個區(qū)域進行試驗17次，油葵籽粒損失率和破損率取平均值。

撥禾板式割臺裝置分別收獲每個區(qū)域內(nèi)的油葵花盤，人工對每個區(qū)域收獲的花盤進行脫粒、去除雜質(zhì)并稱質(zhì)量，分別記為Ma1、Ma2、Ma3、Ma4、Ma5，每個試驗區(qū)域收獲的籽粒中破損籽粒質(zhì)量分別記為Na1、Na2、Na3、Na4、Na5；收集油葵花盤收獲作業(yè)后5個區(qū)域地面上以及未收獲的油葵花盤中的籽粒，去除雜質(zhì)并稱質(zhì)量，分別記為Mb1、Mb2、Mb3、Mb4、Mb5，每個試驗區(qū)域損失籽粒中破損籽粒的質(zhì)量分別記為Nb1、Nb2、Nb3、Nb4、Nb5。油葵收獲機撥禾板式割臺籽粒損失率η與破損率γ計算方法如式（8）所示。

式中Mai為每個試驗區(qū)域割臺收獲油葵籽粒的質(zhì)量，g；Mbi為每個試驗區(qū)域割臺漏收獲油葵籽粒的質(zhì)量，g；Nai為每個試驗區(qū)域收獲的籽粒中破損籽粒的質(zhì)量，g；Nbi為每個試驗區(qū)域損失籽粒中破損籽粒的質(zhì)量，g；為試驗區(qū)域割臺收獲油葵籽粒質(zhì)量的均值，g；試驗區(qū)域割臺漏收獲油葵籽粒質(zhì)量的均值，g；試驗區(qū)域收獲的籽粒中破損籽粒質(zhì)量的均值，g；試驗區(qū)域損失籽粒中破損籽粒質(zhì)量的均值，g。

3.2.3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)Design-Expert軟件Box-Benhnken中心組合設(shè)計理論，選定油葵收獲機前進速度、撥禾板轉(zhuǎn)速、莖稈留茬高度為影響因子進行響應(yīng)面試驗研究，以油葵籽粒損失率和破損率為響應(yīng)值，采用三因素三水平二次回歸正交試驗方案進行參數(shù)優(yōu)化。撥禾板式油葵割臺裝置田間試驗如圖6a所示，油葵籽粒損失率正交試驗結(jié)果如表5所示，根據(jù)表5可知，油葵籽粒損失率為2.00%～5.28%，破損率為0.67%～1.89%。

圖6b為割臺收獲油葵花盤田間試驗效果，莖稈留茬高度500 mm左右，收獲后的漏切割莖稈很少，除植株長勢較矮且處于割臺下部的油葵花盤未被收獲，98%以上的花盤均能被有效收獲，莖稈割茬整齊，滿足葵花生產(chǎn)技術(shù)要求。

表5 油葵收獲試驗方案與結(jié)果Table 5 Harvesting experiment scheme and results of oil sunflower

3.2.4 回歸模型建立與顯著性檢驗

根據(jù)表5的試驗方案和結(jié)果，通過Design-Expert 10.0.3.1軟件展開多元回歸擬合分析，建立油葵籽粒損失率與破損率對油葵收獲機前進速度、留茬高度和撥禾板轉(zhuǎn)速的響應(yīng)面回歸模型并進行方差分析，結(jié)果如表6所示。

由表6可知，影響油葵籽粒損失率的試驗因素顯著性由大到小順序為撥禾板轉(zhuǎn)速、留茬高度、油葵收獲機前進速度；影響油葵籽粒破損率的試驗因素顯著性由大到小順序為撥禾板轉(zhuǎn)速、留茬高度、油葵收獲機前進速度；響應(yīng)面模型P均為0.000 1（P＜0.01），表明回歸模型高度顯著；失擬項P分別為0.557 8、0.553 3，表明回歸模型擬合程度高，油葵收獲割臺的工作參數(shù)可由回歸模型優(yōu)化。中V、H、N、VH、V2對油葵籽粒損失率和籽粒破損率模型回歸模型影響極顯著（P＜0.01）。

利用Design-Expert軟件對油葵籽粒損失率和破損率進行參數(shù)最優(yōu)化，獲取各試驗因素及相互作用對試驗結(jié)果的響應(yīng)關(guān)系。圖7a為留茬高度選取中心水平400 mm時，油葵收獲機前進速度與撥禾板轉(zhuǎn)速對油葵籽粒損失率的交互響應(yīng)曲面圖。由圖7a可知，油葵籽粒損失率響應(yīng)曲面隨撥禾板轉(zhuǎn)速的變化較快，撥禾板轉(zhuǎn)速對油葵籽粒損失率的作用比油葵收獲機前進速度的作用顯著。圖7b為撥禾板轉(zhuǎn)速選取中心水平200 r/min時，油葵收獲機前進速度與留茬高度對油葵籽粒破損率的交互響應(yīng)曲面圖。由圖7b可知，油葵籽粒破損率的響應(yīng)曲面隨留茬高度的變化較快，留茬高度對油葵籽粒破損率的作用比油葵收獲機前進速度的作用顯著。

表6 油葵籽粒損失率與破損率方差分析Table 6 Variance analysis of oil sunflower grain loss rate and damage rate

3.3 參數(shù)優(yōu)化與田間試驗驗證

為了使油葵收獲機撥禾板式割臺裝置的工作性能達到最佳狀態(tài)，利用Design-expert數(shù)據(jù)優(yōu)化軟件對油葵籽粒損失率和破損率進行多目標優(yōu)化。依據(jù)油葵收獲機撥禾板割臺的作業(yè)條件、油葵籽粒損失率與破損率的回歸模型的相關(guān)分析，并設(shè)置約束條件即油葵收獲機前進速度1～3 m/s、莖稈留茬高度200～600 mm、撥禾板轉(zhuǎn)速150～250 r/min；優(yōu)化指標為油葵籽粒損失率η和破損率γ，取目標函數(shù)的極小值，如式（9）所示。

優(yōu)化結(jié)果為收獲機前進速度1.23 m/s、留茬高度571.52 mm、撥禾板轉(zhuǎn)速239.75 r/min，此時油葵籽粒損失率與破損率的預(yù)測值分別為2.10%和0.62%。

2018年8月26日，項目組在新疆烏魯木齊市米東區(qū)三道壩鎮(zhèn)新莊子村油葵試驗田進行驗證試驗，試驗條件和方法與上述油葵田間收獲試驗參數(shù)優(yōu)化相同，參考DB65/T3541-2013《葵花生產(chǎn)機械化作業(yè)技術(shù)》，計算籽粒損失率及破損率。依據(jù)田間實際試驗條件，重復(fù)試驗3次，圓整油葵收獲機前進速度為1.2 m/s、撥禾板轉(zhuǎn)速為240 r/min、莖稈留茬高度為570 mm。

試驗結(jié)果如表7所示，油葵籽粒損失率與破損率的理論優(yōu)化值和田間試驗值之間的相對誤差分別為0.20和0.03個百分點，參數(shù)優(yōu)化模型較準確。當收獲機前進速度1.2 m/s、撥禾板轉(zhuǎn)速240 r/min、莖稈留茬高度570 mm時，油葵籽粒損失率與破損率分別為1.90%、0.65%。

表7 參數(shù)優(yōu)化與田間驗證試驗結(jié)果對比Table 7 Comparison between parameters optimization and field validation test results

4 結(jié) 論

針對目前油葵收獲存在缺少專用機械化設(shè)備、籽粒損失率和破損率較高、收獲裝置工作不可靠等問題，本文設(shè)計了油葵聯(lián)合收獲機撥禾板式割臺裝置，并進行了油葵割臺性能試驗和油葵田間收獲作業(yè)參數(shù)優(yōu)化，主要結(jié)論如下：

1）通過對撥禾齒端點運動軌跡仿真，分析撥禾板轉(zhuǎn)速、機具前進速度與撥禾板圓周數(shù)量之間的變化關(guān)系；利用MATLAB軟件編程、仿真，獲取相鄰兩撥禾齒端點的運動軌跡曲線，為油葵割臺設(shè)計與性能試驗提供基礎(chǔ)。

2）割臺性能試驗結(jié)果表明，當割臺傾角25°、絞龍轉(zhuǎn)速150 r/min、撥禾板與導(dǎo)板距離170 mm時，油葵花盤損失率為2.04%，獲取割臺傾角、絞龍轉(zhuǎn)速和撥禾板與導(dǎo)板距離最優(yōu)參數(shù)組合，為油葵田間作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

3）通過田間油葵收獲正交試驗和參數(shù)優(yōu)化，當油葵收獲機前進速度1.2 m/s、撥禾板轉(zhuǎn)速240 r/min、留茬高度570 mm時，油葵籽粒損失率與破損率為1.90%和0.65%。油葵籽粒損失率與破損率的理論優(yōu)化值和田間試驗值之間的相對誤差分別為0.20和0.03個百分點，參數(shù)優(yōu)化模型較準確。