脫粒滾筒結(jié)構(gòu)形式對大豆機收質(zhì)量影響的試驗研究

金誠謙，康 艷，郭紅星，王廷恩，印 祥

（1. 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；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014）

0 引 言

在大豆機械化收獲過程中，脫粒分離是造成籽粒破碎的主要階段[1]。脫粒元件形式、脫粒系統(tǒng)參數(shù)匹配是主要影響因素，國內(nèi)外學(xué)者對此問題做了相關(guān)研究[2-7]。國外學(xué)者研究顯示不同的滾筒結(jié)構(gòu)及元件排列方式對脫粒性能有影響[8]，選擇合適的脫粒裝置可顯著提高脫粒效果。Jakhro等[9]通過試驗分析不同的脫粒元件對脫出物的破壞程度，結(jié)果顯示紋桿比弓形脫粒元件對脫出物的破壞程度較小。唐忠等[10]在自制的水稻脫粒分離試驗臺上利用自制的五種脫粒元件研究縱軸流脫粒分離性能，結(jié)果顯示在不同的前進速度和不同的元件組合情況下脫粒分離效果各有優(yōu)勢。Wacker等[11]通過試驗分析得出軸流式脫粒裝置脫粒效果優(yōu)于切流式脫粒裝置。耿端陽等[12]選取了柔性桿齒和彈性短紋桿作為脫粒元件設(shè)計了軸流式玉米柔性脫粒裝置，實現(xiàn)了玉米果穗的柔性低損傷脫粒，破碎率為0.65%。王占濱等[13]設(shè)計了一種縱軸流柔性錐爪式玉米脫粒裝置，可有效降低玉米籽粒在直收過程破碎嚴(yán)重、未脫凈率高的問題。楊德旭等[14]針對大豆脫粒損傷設(shè)計了切軸流式雙滾筒脫粒系統(tǒng)，與傳統(tǒng)大豆脫粒系統(tǒng)相比損傷率降低0.22個百分點。李耀明等[15]針對水稻收獲時使用桿齒滾筒功耗大、破碎率高等問題，設(shè)計了新型的短紋桿-板齒脫粒滾筒，可有效的降低脫粒功耗。

為研究不同脫粒元件、脫粒系統(tǒng)不同參數(shù)匹配對大豆機收質(zhì)量的影響，本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上[16-19]，提出脫粒元件可更換的脫粒滾筒設(shè)計方案，設(shè)計了一種元件可更換的脫粒滾筒，選取紋桿、弓齒和桿齒作為脫粒元件，以不同含水率的大豆作為試驗材料，開展試驗研究，分析得到最適合大豆機械化收獲的脫粒滾筒結(jié)構(gòu)和最佳工作參數(shù)匹配，為大豆收獲機脫粒分離裝置的設(shè)計研發(fā)提供參考依據(jù)。

1 縱流式脫粒滾筒總體結(jié)構(gòu)

為了提高大豆機收質(zhì)量，本文設(shè)計了一種元件可更換的脫粒滾筒，研究不同脫粒元件、不同參數(shù)匹配對大豆機收質(zhì)量的影響。滾筒采用橫向尺寸小、脫粒分離時間長、脫凈率較高的縱軸流脫粒滾筒[20-23]。為方便研究，在同一機具上依次通過更換脫粒元件實現(xiàn)不同脫粒滾筒的轉(zhuǎn)換，進而對比分析不同結(jié)構(gòu)形式的脫粒滾筒工作性能。

1.1 外形尺寸確定

脫粒滾筒目前常用的直徑為550 ～650 mm，直徑過小凹板脫粒分離面積較小，易發(fā)生堵塞，直徑過大可增加脫粒分離面積，但滾筒質(zhì)量增大，機具負(fù)荷升高，結(jié)合4LZ-4.0履帶式收獲機實際結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計脫粒滾筒直徑為640 mm，滾筒長度為1 880 mm。

1.2 紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒

開式滾筒在脫粒過程中植株籽粒容易進入到脫粒滾筒的軸心處，造成植株的漏脫，但質(zhì)量相對較輕，工作過程中所需功耗較小。滾筒工作過程中，脫粒主要發(fā)生在滾筒前端，因此紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒前端安裝紋桿塊，紋桿塊由紋桿和紋桿固定板組成，將紋桿兩端焊接在紋桿固定板上，組裝完成紋桿塊，如圖1a所示，再將紋桿塊與齒桿焊接，后端安裝剛性桿齒，在齒桿上按照桿齒排布設(shè)計進行打孔，將桿齒焊接在齒桿上，組裝紋桿-桿齒組合式脫粒桿。紋桿塊在脫粒過程中對作物的作用相對柔和，工作表面為曲面，曲面上有斜凸紋，可增加植株抓取和搓擦的能力，在后端安裝桿齒，可對大豆植株進行二次擊打攪動，起到分離的作用。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》[24]，紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒排布為雙頭螺旋，輻條數(shù)6，根據(jù)滾筒長度，設(shè)計紋桿塊長度100 mm，間距180 mm，每個脫粒桿安裝4個紋桿塊，紋桿高度65 mm，共安裝24個，桿齒高度70 mm，桿齒與紋桿塊間距100 mm，桿齒齒距100 mm，共安裝51個。紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒組裝完成后使用VT700型動平衡測量儀對脫粒滾筒進行動平衡測試，通過添加配重塊保證運轉(zhuǎn)時候的平衡狀態(tài)，脫粒元件更換時脫粒桿安裝位置保持不變。紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒的安裝步驟如圖1b所示。

1.3 開式桿齒脫粒滾筒

桿齒抓取作物及脫粒能力較強，對植株打擊力度大，脫粒元件使用桿齒既能滿足脫粒要求，又有助于排出物料。開式桿齒滾筒選用長70 mm的圓桿，對齒桿按照桿齒排布設(shè)計間距進行打孔，將桿齒焊接在脫粒桿上，組成桿齒脫粒桿，如圖2a所示，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》，設(shè)計雙頭螺旋排布，齒間距180 mm，齒跡距90 mm，共安裝63個，開式桿齒脫粒滾筒組裝完成后使用VT700型動平衡測量儀進行動平衡測試，通過添加配重塊保證運轉(zhuǎn)時候的平衡狀態(tài)，脫粒元件更換時脫粒桿位置保持不變。開式桿齒脫粒滾筒的安裝步驟如圖2b所示。

1.4 閉式弓齒脫粒滾筒

閉式脫粒滾筒外殼為封閉式的圓柱體，質(zhì)量上相對較大，在克服自身旋轉(zhuǎn)時所需的功耗較大，但在脫粒過程中，由于滾筒呈封閉狀，可避免大豆植株進入滾筒內(nèi)部引起莖稈纏繞造成脫粒損失[25]。閉式滾筒選用梳刷和打擊作用較強的弓齒，該滾筒選用的弓齒類型為65 Mn鋼制造的加強齒，結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3a所示，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》，弓齒在閉式滾筒排布形式為雙頭螺旋排布，齒間距100 mm，齒跡距50 mm，共安裝111個。閉式弓齒脫粒滾筒在安裝過程中首先將固定板通過螺栓固定在滾筒主軸上，將弓齒按照雙頭螺旋的設(shè)計在滾筒外殼上進行排布，通過螺栓進行固定，然后將安裝完成后的弓齒外殼與滾筒主軸進行連接，通過固定板使用螺栓進行固定。閉式弓齒脫粒滾筒組裝完成后使用VT700型動平衡測量儀對脫粒滾筒進行動平衡測試，通過添加配重塊保證運轉(zhuǎn)時候的平衡狀態(tài)，更換脫粒元件時固定板和外殼位置保持不變。閉式弓齒脫粒滾筒的安裝步驟如圖3b所示。

2 田間試驗

2.1 試驗材料

試驗地點在山東省臨沂市河?xùn)|區(qū)，試驗時間為2020年10月7—11日（圖4），試驗區(qū)域大豆種植面積為1.5 hm2，品種為臨豆11，產(chǎn)量為217.5 g/m2，植株平均高度為770 mm，平均底莢高度為275 mm，自然落粒量為4.6 g/m2，平均草谷比為1.15，收獲期籽粒平均含水率范圍為10.2%～20.0%。試驗設(shè)備為4LZ-4.0 型全喂入履帶式收獲機，該機型相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，試驗使用自制脫粒滾筒。

表1 4LZ-4.0型履帶式收獲機結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of type 4LZ-4.0 crawler reaper

2.2 試驗方案

為研究含水率對大豆機收質(zhì)量的影響，在試驗中選取不同含水率的大豆進行田間試驗。同一品種的大豆由于播種時間的差異，成熟期不一致，收獲時籽粒含水率不一致，不同的收獲時間的籽粒含水率也存在差異性，早晨、中午、黃昏時收獲，籽粒的含水率差異性較大。在10月7—11日5 d時間里分別在早、中、晚3個時間段對同一地塊大豆籽粒取樣測含水率，含水率變化范圍如圖5所示。由圖5可知，大豆含水率隨收獲時間的延緩逐漸降低，在一天之中，早晨的含水率最高，中午的含水率最低。分別在7日早上、9日傍晚和11日中午進行田間試驗，此時的大豆平均含水率依次為20.0%、15.2%和10.2%。

試驗時，首先將紋桿-桿齒組合式脫粒桿通過螺栓固定在滾筒主軸上，完成紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒的組裝并進行田間試驗；單因素試驗結(jié)束后，將紋桿-桿齒組合式脫粒桿卸下，更換為桿齒脫粒桿，完成開式桿齒脫粒滾筒的組裝并進行田間試驗；單因素試驗結(jié)束后將脫粒桿卸下，再通過螺栓將固定板安裝在滾筒輻盤上，使?jié)L筒外殼與固定板進行連接，完成閉式弓齒脫粒滾筒的組裝，并進行單因素試驗。按照滾筒安裝順序依次使用紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒、開式桿齒脫粒滾筒和閉式弓齒脫粒滾筒進行單因素田間試驗。

參考相關(guān)文獻[26-29]，結(jié)合機具實際作業(yè)要求，選取與機收質(zhì)量相關(guān)的前進速度、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和導(dǎo)流板角度作為試驗因素。根據(jù)試驗機具結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定前進速度可調(diào)節(jié)范圍為2～6 km/h；根據(jù)大豆籽粒易脫的特性，選取滾筒轉(zhuǎn)速中間值為500 r/min，脫粒間隙可調(diào)節(jié)范圍中間值為30 mm，為尋找正交試驗最佳的工作參數(shù)范圍，將滾筒轉(zhuǎn)速單因素試驗水平參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍設(shè)置為400～800 r/min，脫粒間隙的調(diào)節(jié)范圍設(shè)置為20 ～40 mm；導(dǎo)流板角度在該試驗機具中可調(diào)節(jié)范圍是60～80°，因此以該參數(shù)范圍作為導(dǎo)流板單因素試驗水平值。

參照J(rèn)B/T11912—2014《大豆聯(lián)合收割機》選取破碎率和未脫凈率為評價指標(biāo)，首先設(shè)計單因素試驗分析各因素對破碎率和未脫凈率的影響規(guī)律。在單因素試驗分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，得出最佳的脫粒滾筒結(jié)構(gòu)，再對得到的脫粒滾筒進行正交試驗設(shè)計與分析，得出大豆機械化收獲的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合。參照GB/T 8097—2008《收獲機 聯(lián)合收割機 試驗方法》，設(shè)計每組試驗行程為50 m。評價指標(biāo)測量方法如下：

破碎率：在收獲機運行穩(wěn)定后從糧倉入糧口處進行取樣，每組試驗取樣3次，每次取樣質(zhì)量Ds為2.0 kg左右，人工挑選破碎籽粒并稱取質(zhì)量Dst。破碎率的計算公式為

式中Ts為破碎率，%。

未脫凈率：在保證機具工作安全的前提下，在收獲機尾部懸掛樣品袋收集由脫粒滾筒和清選風(fēng)機排出的物料，試驗行程結(jié)束后分別對樣品袋中收集到的物料和糧箱內(nèi)的物料進行處理，挑選出未脫凈的大豆籽粒，分別稱取其質(zhì)量Ww和Wl(g)；試驗行程內(nèi)的大豆總質(zhì)量為Ws(g)，由割幅和單位面積內(nèi)的產(chǎn)量確定。未脫凈率的計算公式為

式中Sw為未脫凈率，%；Ws為試驗行程內(nèi)的大豆總質(zhì)量，g；N為1 m2大豆籽?？傎|(zhì)量，g；F為割幅，m；L為作業(yè)距離，m。

2.3 單因素試驗與結(jié)果分析

為尋找最佳的脫粒滾筒結(jié)構(gòu)，分別對3種脫粒滾筒工作過程中的前進速度、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和導(dǎo)流板角度進行單因素試驗設(shè)計，試驗結(jié)果取平均值，單因素試驗水平如表2所示。

2.3.1 前進速度對破碎率和未脫凈率的影響

喂入量是影響機收質(zhì)量的主要因素，喂入量減小，單位時間內(nèi)進入脫粒裝置的植株較少，在滾筒內(nèi)運動空間相對較高，植株脫粒均勻；喂入量增加，進入滾筒的植株增多，生產(chǎn)效率提高，但是脫粒滾筒內(nèi)物料過多，易造成堵塞等，影響收獲機工作效率[30-31]。參照《JB/T119212—2014大豆收割機》可知喂入量與前進速度的關(guān)系如式（4）所示，喂入量受到前進速度的直接影響，隨著速度的增加而增加。

式中Q為喂入量，kg/s；W為每組試驗喂入大豆植株質(zhì)量，g；t為每組試驗作業(yè)時間，s；M為1 m2大豆植株質(zhì)量，kg；v為前進速度，km/h。根據(jù)喂入量與前進速度的關(guān)系，通過調(diào)節(jié)前進速度控制喂入量的大小，作業(yè)過程中將大豆前進速度范圍設(shè)定為2 ～6 km/h，選取1 m2的大豆植株進行稱量，得到M為 0.47 kg，根據(jù)收獲機結(jié)構(gòu)參數(shù)F=2.3 m，將各參數(shù)值代入式（4）計算出喂入量的范圍為2.16 ～6.49 kg/s。收獲機相關(guān)工作參數(shù)設(shè)置為：滾筒轉(zhuǎn)速600 r/min，脫粒間隙30 mm，導(dǎo)流板角度70°。試驗結(jié)果如圖6所示。

表2 單因素試驗因素水平表Table 2 Single factor test factor level table

分析圖6可知，隨著前進速度的增加破碎率的變化趨勢為先下降后上升，不同含水率下3種脫粒滾筒的破碎率最低值依次為1.44%、1.60%和1.68%，其中紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒的破碎率最低，未脫凈率隨著前進速度的增加變化幅度較小，各含水率下未脫凈率最低值依次為0.26%、0.30%和0.39%。分析前進速度對脫粒效果的影響可知，前進速度的高低影響脫粒效率以及植株在滾筒內(nèi)的運動狀態(tài)，當(dāng)前進速度較低時，植株與脫粒元件之間的相對運動充足，大豆籽粒所受打擊力較大，易造成籽粒破碎；前進速度過高時，植株在滾筒內(nèi)運動空間較小，造成植株間的作用力增大，引起籽粒發(fā)生擠壓產(chǎn)生破碎，紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒前端脫粒元件為紋桿，脫粒過程中對大豆籽粒打擊最小，而普通的桿齒型脫粒元件，對大豆打擊力最大，造成破碎率最高。充足的運動空間或作用力均有益于大豆植株的脫粒，因此前進速度的變化對未脫凈率影響較小。

2.3.2 滾筒轉(zhuǎn)速對破碎率和未脫凈率的影響

大豆籽粒在脫粒過程中打擊脫粒為主要的作用形式，其中脫粒元件的線速度大小是衡量其對大豆擊打作用的直接因素[32]。在大豆機械化收獲過程中，線速度的測量不易，因此選取與齒頂線速度相關(guān)較易控制的滾筒轉(zhuǎn)速為試驗因素。根據(jù)整機構(gòu)造設(shè)置滾筒可調(diào)參數(shù)范圍為400～800 r/min。相關(guān)工作參數(shù)設(shè)定為：前進速度4 km/h，脫粒間隙30 mm，導(dǎo)流板角度70°。試驗結(jié)果如圖7所示。

分析圖7可知，破碎率隨著滾筒轉(zhuǎn)速升高大致變化趨勢為先下降后上升，未脫凈率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的升高逐漸減小。3種脫粒滾筒中，當(dāng)含水率在10.2%和15.2%時紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒破碎率和未脫凈率均較另兩種滾筒整體較低，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為400 r/min時破碎率最低為0.93%，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為600 r/min時閉式弓齒脫粒滾筒和開式桿齒脫粒滾筒的破碎率分別為1.60%和2.75%，此時紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒的破碎率為1.06%，仍較前兩種脫粒滾筒的破碎率低，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速達到900 r/min時，破碎率可達4.65%，未脫凈率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的升高逐步下降，最低為0.27%。當(dāng)含水率為20.0%時，閉式弓齒脫粒滾筒的破碎率和未脫凈率均較紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒的破碎率低，最低值分別為0.93%和0.54%。對大豆籽粒在脫粒過程所受外力分析可知，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較小時，脫粒元件對大豆籽粒的作用力較小，其中紋桿在脫粒過程中對籽粒的作用面為曲面，在滿足脫粒要求的同時降低了大豆籽粒的破碎率，提高了未脫凈率；滾筒轉(zhuǎn)速過高時，齒頂圓的線速度增大，未脫凈率減小，開式桿齒脫粒滾筒在物料喂入時的抓取能力強，脫粒效率高，但在脫粒過程中主要靠沖擊進行脫粒，造成的破碎率比前兩種滾筒高。

2.3.3 脫粒間隙對破碎率和未脫凈率的影響

在脫粒過程中，大豆植株經(jīng)過滾筒與凹板篩之間，通過脫粒元件和凹板篩的擠壓揉搓使大豆籽粒與植株脫離，滾筒與凹板篩之間的間隙稱為脫粒間隙，間隙的大小影響大豆植株脫粒過程中的運動空間。在該試驗機具上脫粒間隙通過電推桿改變凹板篩位置進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為20 ～40 mm。相關(guān)工作參數(shù)設(shè)定為：前進速度4 km/h，滾筒轉(zhuǎn)速600 r/min，導(dǎo)流板角度70°。試驗結(jié)果如圖8所示。

分析圖8可知，破碎率在脫粒間隙較大時相對較低，未脫凈率較高。其中當(dāng)脫粒間隙為40 mm時，紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒的破碎率最低為0.83%，未脫凈率最高為0.99%，當(dāng)脫粒間隙為25 mm時，開式桿齒脫粒滾筒的破碎率可達5.88%，未脫凈率最低為0.35%。分析大豆植株在脫粒過程中的運動可知，當(dāng)脫粒間隙過大，影響大豆植株在軸向的流動性，降低工作效率，但大豆在脫粒間隙中運動空間較大，所受擠壓力和揉搓力較小，破碎率低，未脫凈率高；間隙過小，大豆植株在脫粒間隙里運動空間較小，所受擠壓與揉搓力較大，使大豆植株脫粒更徹底，未脫凈率低，但導(dǎo)致破碎籽粒增多，破碎率較高。

2.3.4 導(dǎo)流板角度對破碎率和未脫凈率的影響

在脫粒分離裝置中導(dǎo)流板主要起到引流的作用，角度過大，作物在滾筒內(nèi)易滯留積聚；角度過小，影響大豆植株脫粒效率，該機具中使用的導(dǎo)流板可調(diào)角度范圍是60～80°。相關(guān)工作參數(shù)設(shè)定為：前進速度4 km/h，滾筒轉(zhuǎn)速600 r/min，脫粒間隙30 mm。試驗結(jié)果如圖9所示。

分析圖9可知，導(dǎo)流板角度與破碎率和未脫凈率所對應(yīng)的曲線變化趨勢均不大，3種脫粒滾筒在工作參數(shù)范圍內(nèi)最低和最高的破碎率分別為2.46%和3.74%、3.3%和4.19%、1.68%和2.16%。導(dǎo)流板主要作用為引流，不同的脫粒滾筒由于元件的不同會造成一定程度的差異性，只考慮單因素對破碎率和未脫凈率的影響可知，導(dǎo)流板角度的變化對大豆破碎率和未脫凈率的影響較小。

2.4 含水率對破碎率和未脫凈率的影響

如圖6-9所示，不同的含水率下，3種脫粒滾筒下各作業(yè)參數(shù)對破碎率與未脫凈率的影響規(guī)律基本一致。當(dāng)含水率為10.2%和15.2%時，紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒的脫粒效果較好，當(dāng)含水率為20.0%時，閉式弓齒脫粒滾筒的脫粒效果較好。分析大豆植株特性可知，當(dāng)含水率較高時，植株更易在脫粒過程中出現(xiàn)纏繞，造成開式滾筒出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，使破碎率和未脫凈率較高，而閉式弓齒脫粒滾筒可有效避免植株進入滾筒內(nèi)部，因此，當(dāng)大豆植株在收獲過程中含水率較高時，閉式脫粒滾筒脫粒質(zhì)量較開式脫粒滾筒好，即破碎率和未脫凈率較低。

2.5 正交試驗與結(jié)果分析

通過對單因素試驗結(jié)果進行分析，得到當(dāng)含水率為10.2%和15.2%時紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒的收獲質(zhì)量較好，當(dāng)含水率為20.0%時閉式弓齒脫粒滾筒的收獲質(zhì)量較好。在此基礎(chǔ)上，尋求最優(yōu)的作業(yè)參數(shù)組合，在大豆含水率為10.2%和20.0%的收獲條件下進行正交試驗設(shè)計分析。選取前進速度、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和導(dǎo)流板角度為正交試驗考察因素，機收破碎率和未脫凈率為評價指標(biāo)，各因素水平通過單因素試驗結(jié)果和理論分析確定，設(shè)計四因素三水平L27（34）的正交試驗[33-34]，試驗因素和水平如表3所示，正交試驗結(jié)果如表4所示。

表3 正交試驗因素與水平Table 3 Orthogonal experimental factors and levels

表4 正交試驗結(jié)果表Table 4 Orthogonal test result table

對正交試驗結(jié)果進行極差分析，結(jié)果如表5所示。表中數(shù)據(jù)是各因素在各水平下轉(zhuǎn)化率的平均值，各考察因子的極差越大，說明該因子對試驗指標(biāo)的影響越大，表中數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，含水率為10.2%時對破碎率的影響由大到小為B、A、C、D，對未脫凈率影響由大到小為B、C、D、A；含水率為20.0%時對破碎率影響由大到小為B、A、D、C，對未脫凈率影響由大到小為C、B、D、A。

對正交試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果如表6所示。由表中P值可知滾筒轉(zhuǎn)速、前進速度、脫粒間隙和導(dǎo)流板角度對破碎率和未脫凈率均具有顯著影響，表明所選工作參數(shù)是影響破碎率和未脫凈的主要因素。

表5 破碎率和未脫凈率極差分析顯著性檢驗結(jié)果Table 5 The significance test results of range analysis of crushing rate and unthreshing rate

表6 破碎率和未脫凈率方差分析顯著性檢驗結(jié)果Table 6 Results of significance test of analysis of variance for crushing rate and unthreshing rate

通過對極差和方差試驗數(shù)據(jù)綜合分析，得到含水率在10.2%時破碎率最低的作業(yè)參數(shù)組合為A2B2C3D2，未脫凈率最低的作業(yè)參數(shù)組合為A3B2C2D2；含水率在20.0%時破碎率最低的作業(yè)參數(shù)組合為A1B2C2D2，未脫凈率最低的作業(yè)參數(shù)組合為A3B3C1D3。分析各試驗因素對破碎率和未脫凈率的影響規(guī)律可知，含水率為10.2%時前進速度對未脫凈率的影響程度較低，導(dǎo)流板角度對破碎率的影響程度較低；含水率為20.0%時前進速度對未脫凈率的影響程度較低，脫粒間隙對未脫凈率影響程度較大。

綜合各因素對試驗指標(biāo)影響的主次關(guān)系，考慮各試驗因素對滾筒工作性能指標(biāo)的影響及其最優(yōu)組合，按照低破碎率、低未脫凈率的原則，最終確定低含水率下最優(yōu)工作參數(shù)組合為A2B2C2D2，高含水率下最優(yōu)工作參數(shù)組合為A1B2C1D3。

2.6 驗證試驗

對正交試驗結(jié)果進行綜合分析可知，紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒在低含水率收獲條件下，作業(yè)參數(shù)組合為收獲機前進速度4 km/h、滾筒轉(zhuǎn)速600 r/min、脫粒間隙30 mm、導(dǎo)流板角度70°時機收質(zhì)量較好，閉式弓齒脫粒滾筒在高含水率收獲條件下，作業(yè)參數(shù)組合為收獲機前進速度3 km/h、滾筒轉(zhuǎn)速600 r/min、脫粒間隙25 mm、導(dǎo)流板角度75°時機收質(zhì)量較好，設(shè)計田間試驗對分析結(jié)果進一步驗證。

試驗在已得到的最佳滾筒結(jié)構(gòu)和最優(yōu)的作業(yè)參數(shù)組合下進行設(shè)計，選取含水率為13.1%和19.3%的大豆植株使用4LZ-4.0型全喂入履帶式收割機依次安裝紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒和閉式弓齒脫粒滾筒進行田間試驗，以前進速度、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和導(dǎo)流板角度為試驗因素，破碎率和未脫凈率為評價指標(biāo)，進行最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合的驗證試驗，最終測得大豆破碎率分別為0.90%和1.20%，未脫凈率分別為0.18%和0.23%，結(jié)合正交試驗結(jié)果分析，此作業(yè)參數(shù)組合下破碎率和未脫凈率均優(yōu)于正交試驗中的指標(biāo)值。

3 結(jié) 論

1）為探究脫粒元件形式、脫粒系統(tǒng)參數(shù)匹配對大豆機收質(zhì)量的影響，選取紋桿、桿齒和弓齒作為脫粒元件，分別安裝組合成紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒、開式桿齒脫粒滾筒和閉式弓齒脫粒滾筒。設(shè)計單因素試驗，選取前進速度、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和導(dǎo)流板角度為試驗因素，研究3種脫粒滾筒對破碎率和未脫凈率的影響規(guī)律，分析試驗結(jié)果可知，3種脫粒滾筒破碎率和未脫凈率隨各影響因素的變化規(guī)律基本一致，其中在含水率為10.2%和15.2%時紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒的脫粒質(zhì)量整體較高，閉式弓齒脫粒滾筒脫粒效果次之，開式桿齒脫粒滾筒的脫粒質(zhì)量最差；在含水率為20.0%時閉式弓齒脫粒滾筒脫粒質(zhì)量整體較高，紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒脫粒效果次之，開式桿齒脫粒滾筒的脫粒質(zhì)量最低。

2）分別以紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒和閉式弓齒脫粒滾筒為研究對象，選取前進速度、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和導(dǎo)流板角度為試驗因素，在大豆含水率為10.2%和20.0%的收獲條件下開展四因素三水平的正交試驗。結(jié)果顯示：前進速度和滾筒轉(zhuǎn)速對破碎率影響極其顯著，前進速度對未脫凈率影響較小。通過驗證試驗得到在含水率為13.1%時紋桿-桿齒組合式脫粒滾筒在作業(yè)參數(shù)組合為前進速度4 km/h、滾筒轉(zhuǎn)速600 r/min、脫粒間隙30 mm、導(dǎo)流板角度70°的情況下脫粒效果最好，破碎率和未脫凈率分別為0.90%和0.18%；在含水率為19.3%時閉式弓齒脫粒滾筒在作業(yè)參數(shù)組合為前進速度3 km/h、滾筒轉(zhuǎn)速600 r/min、脫粒間隙25 mm、導(dǎo)流板角度75°的情況下脫粒效果最好，破碎率和未脫凈率分別為1.20%和0.23%。