梳齒式亞麻蒴果梳刷試驗臺的設計與試驗

徐福龍，賀俊林，杜曉斌，房大偉，何永強，易猛

(山西農業(yè)大學農業(yè)工程學院，山西 太谷 030801)

亞麻一般可分為纖維用亞麻、油用亞麻和油纖兼用亞麻3種類型.胡麻作為油料作物，是油用亞麻的一種，其種植面積在我國僅次于油菜、花生和大豆[1].亞麻因其優(yōu)良的營養(yǎng)和醫(yī)用、飼用價值,已經被應用于食品、醫(yī)藥、飼料等較多領域,有著良好的開發(fā)前景[2].

國外發(fā)達國家亞麻生產顯著特點是規(guī)?；?、集約化、機械化，從種子處理、播種、收獲、翻麻、打捆及初加工都采用機械化作業(yè)，且每個作業(yè)環(huán)節(jié)都有專用的配套機械，在收獲環(huán)節(jié)，多采用一幅或雙幅自走式亞麻收獲機；在翻麻及脫粒環(huán)節(jié)，采用自走式翻麻脫粒機或牽引式翻麻脫粒機[3].

我國亞麻生產機械的研發(fā)滯后于亞麻產業(yè)的發(fā)展，亞麻生產機械化水平較低.國內目前在亞麻(胡麻)收獲機械方面的研究主要有：史瑞杰等[4]針對胡麻籽粒小、莖稈易纏繞、喂入流動性差等問題設計了一種全喂入式胡麻脫粒機；魏萬成等[5]為防止胡麻收獲過程中發(fā)生的莖稈纏繞、堵塞、籽粒損失嚴重等問題設計了旱區(qū)胡麻仿生收獲割臺；張立明等[6]為滿足亞麻雨露漚制生產的農藝要求設計了5YF-150型牽引式亞麻翻麻脫粒機；王建政[7]設計的5T-40型小雜糧脫粒機，這是一種實用的小雜糧脫粒機型；王建政[8]在5TS-50型半復式小麥脫粒機的基礎上設計了5TS-50型半復式多用雜糧脫粒機；宋航等[9]設計的5TF-45亞麻(胡麻)脫粒機，這是一種簡易小型喂入滾筒脫粒機械,主要以脫胡麻、谷黍為主.

目前國內外雜糧作物機械化收獲尚處于起步階段，專用的雜糧聯(lián)合收獲機械很少，尤其是我國雜糧機械化收獲水平更低[10].亞麻(胡麻)作為雜糧作物之一，在其機械化收獲過程中存在植株纏繞脫粒滾筒、籽粒的脫凈率低、脫粒篩板的堵塞等問題，嚴重制約了亞麻(胡麻)全程機械化的進程.其中植株纏繞脫粒滾筒問題是亞麻(胡麻)機械化收獲中需亟待解決的問題，以上提到的部分機型雖有防植株纏繞功能，但防纏繞效果并不明顯.

本文設計的梳齒式亞麻(胡麻)蒴果梳刷試驗臺，旨在為解決亞麻(胡麻)脫粒機的植株纏繞脫粒滾筒問題提供一種可行性方案，即通過臺架試驗的梳刷作用先得到完整的蒴果，再將梳刷下來的蒴果放入脫粒機進行脫粒，從而在進行亞麻(胡麻)脫粒時避免因喂入整株植株而出現(xiàn)的植株纏繞脫粒滾筒的現(xiàn)象.

1 試驗臺結構及工作原理

1.1 藍亞麻植株及其蒴果的生物學特性

本試驗用材料為山西農業(yè)大學校內試驗田種植的藍亞麻.藍亞麻別名宿根亞麻(LinumperenneL.var.sibiricumPlanch.)，為亞麻科亞麻屬多年生草本植物[11]，其植株和蒴果特性與胡麻非常相似.如圖1-A所示，藍亞麻株高L1為600～800 mm,植株所在的冠部長度L2為240～510 mm,植株莖桿長度L3為300～400 mm，在莖桿離地高度大約400～500 mm處分支.成熟期植株高度均勻，滿足機械化作業(yè)的條件.藍亞麻蒴果呈桃形、成熟期室背開裂如圖1-B右邊所示，單果著粒數(shù)為10粒左右.

圖1 藍亞麻植株生物結構圖及蒴果三維尺寸

隨機選取成熟期的25株藍亞麻植株和100粒飽滿的藍亞麻蒴果，分別測量植株的莖桿直徑(Ld)、蒴果橫截面直徑(Wd)和蒴果的室背高度(Td)，測量結果見表1.測量結果對梳齒間隙的參數(shù)設計有著決定性的作用.

表1 藍亞麻植株莖桿直徑及蒴果三維尺寸

對所測數(shù)據(jù)的概率分布進行分析，概率密度曲線如圖2所示.從圖2可以看出各尺寸基本符合正態(tài)分布，其中Ld～N(2.35，0.602)，Wd～N(5.49，0.462)，Td～N(4.42，0.192)，梳齒間隙的參數(shù)設計以藍亞麻植株莖桿直徑及蒴果三維尺寸為設計依據(jù).

圖2 藍亞麻植株莖干直徑及蒴果三維尺寸概率分布圖

1.2 蒴果果柄所受作用力

試驗用材料為藍亞麻，試驗用測力設備為1、2.5、5、10 N彈簧測力計，隨機選取成熟期植株20株，測得蒴果脫離果柄時果柄所受拉力大小為：最大拉力為3.80 N、最小拉力為0.1 N.

1.3 試驗臺的整體結構及工作原理

試驗臺整體結構如圖3所示，主要技術參數(shù)如表2所列.試驗臺主要由機架、偏心擺動機構、梳刷裝置、植株夾持輸送裝置、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)等組成，動力系統(tǒng)分別選額定功率為2.2 kW的三相異步電機和二相四線混合式步進電動機.

表2 試驗臺主要技術參數(shù)

1:導軌;2:夾持裝置底座;3:夾持裝置;4:藍亞麻植株;5:電機調速器;6:機架;7:三相異步電機;8:六角驅動架;9:梳刷裝置;10:輸送裝置控制系統(tǒng).

工作原理為通過電機調速器的調節(jié)，電動機輸出的不同速度的運動及不同大小的動力通過傳動機

構和六角驅動架傳遞給梳刷裝置，在如圖4所示偏心擺動機構的作用下，梳刷裝置可以實現(xiàn)不同速度的平動.同時導軌上的夾持輸送裝置在步進電機的驅動和輸送裝置控制系統(tǒng)的控制下可以給予植株不同的行進速度，當平動的梳齒作用于植株時，由于夾持裝置對植株根部的夾持作用，又梳齒相對于植株發(fā)生了相對運動，因而植株上的蒴果在梳齒的梳刷作用下脫離植株.

2 關鍵零部件設計及工作原理

2.1 偏心擺動機構的設計

2.1.1 結構設計及工作原理 偏心擺動機構是防止植株纏繞的核心部件，其結構示意圖如圖4所示，主要由六角驅動架、擺動裝置、梳齒架和聯(lián)接件等零部件組成.驅動架與擺動裝置、擺動裝置與聯(lián)接件、梳齒架軸端與聯(lián)接件分別通過聯(lián)接件、梳齒架、銷子連接.

1:梳齒;2:擺動裝置;3:聯(lián)接件;4:六角驅動架;5:中心連接件;311:銷孔;312:梳齒架軸孔:313:六角驅動架連接孔.

工作原理：電動機輸出的動力與運動通過傳動機構、六角驅動架、聯(lián)接件和梳齒架軸端逐級傳遞到擺動裝置，在驅動架帶動梳齒架運動的過程中，擺動裝置對梳齒架的運動軌跡進行約束.聯(lián)接件在擺動裝置的重力約束作用下始終作平動，由于梳齒架與聯(lián)接件通過銷子的連接作用形成了一個整體，因此梳齒架及梳齒在整個運動過程中也作平動.

2.1.2 運動軌跡及方程建立 偏心擺動機構實質上是一個雙曲柄機構，如圖5所示.六角驅動架、擺動裝置、聯(lián)接件和梳齒分別簡化為AB桿、CD桿、BC(AD)桿和CE桿.AB桿為原動件，AB桿和CD桿以相同速度同向轉動，連桿BC作平動，因CE桿與BC桿是一體的，所以BCE桿作平動.AB桿、DC桿和BCE桿的端點B、C和E點的運動軌跡S1、S2和S3都為圓.以A點為坐標原點，建立六角驅動架和擺動裝置的運動軌跡的方程分別為如下式子所示：

圖5 偏心擺動機構結構簡圖及運動軌跡

式中：xB、yB、xC和yC分別為B點和C點的橫縱坐標，lAB、lAD分別為AB桿和AD桿的長度，ω為偏心擺動機構的轉速.

2.2 蒴果梳刷裝置的設計

梳齒式亞麻(胡麻)蒴果梳刷裝置的設計要求機構靈活、結構緊湊、可調因素多、裝拆方便、結構尺寸精度高，其結構和作業(yè)參數(shù)的設計,決定了作業(yè)性能,進而影響蒴果的脫凈率和破損率等指標.

2.2.1 結構設計及工作原理 梳刷裝置的結構示意圖如圖6所示,主要由梳齒安裝架、梳齒等零部件組成，其中梳齒間隙的尺寸設計要求為大于植株莖稈直徑且小于蒴果橫截面直徑.依據(jù)表1藍亞麻植株的莖桿直徑和藍亞麻蒴果的三維尺寸，從而確定設計的梳刷裝置的梳齒間隙尺寸為3 mm、4 mm和6 mm三種規(guī)格.梳齒截面形狀設計為矩形、圓形和菱形三種類型，梳齒頭部設計成錐形，利于梳齒從眾多的植株間插入,梳齒上與梳齒架裝配的部分設計成一段螺紋用來固定梳齒；根據(jù)梳齒安裝架可以安裝和更換不同截面形狀梳齒的要求，因此梳齒安裝架設計成可拆卸式的,其上有安裝梳齒相應的安裝孔，考慮到矩形梳齒在受力時會發(fā)生轉動,因此在梳齒架上與梳齒安裝孔軸向垂直的面上設計有一道凹槽,用來固定安裝在上面的矩形梳齒，為了便于被梳刷后脫離植株的蒴果的落地與收集，梳齒架軸端銷孔軸向與梳齒安裝孔軸向的夾角設計成30°.

1:植株莖桿;2:梳齒;3:冠部枝條;4:梳齒架;5:蒴果;6:果柄.

梳刷裝置的工作原理：電動機輸出的動力與運動通過傳動機構傳到六角驅動架帶動試驗臺架上的梳刷裝置進行運動，又因梳刷裝置在偏心擺動機構的作用下作平動，因而梳齒齒尖指向在運動過程中始終保持不變，平動的梳齒遇到植株時,插入植株間，蒴果在植株兩邊的梳齒作用下被梳刷裝置從植株的果柄上梳脫下來.

2.2.2 蒴果受力分析 圖7為不同截面形狀的梳齒對蒴果梳刷作業(yè)時植株及蒴果的受力示意圖，由受力分析圖可得：梳齒截面形狀為矩形時F拉=T1cosɑ1+T2cosɑ1，其中T1=T2；梳齒截面形狀為圓形時F拉=T3cosɑ2+T4cosɑ2，其中T3=T4；梳齒截面形狀為菱形時F拉=T5cosɑ3+T6cosɑ3，其中T5=T6；又ɑ1=0，ɑ2>ɑ3，所以T1=T2

1:不同截面形狀的梳齒;2:蒴果;3:枝條;4:果柄；F拉 ：果柄對蒴果的作用力；T1、T2、T3、T4、T5、T6：分別為梳齒截面形狀為矩形、圓形和菱形時，夾持植株的左邊梳齒和右邊梳齒對蒴果的作用力.

2.2.3 蒴果被梳刷后的掉落過程分析 如圖8所示，對蒴果經不同截面形狀梳齒梳刷后的掉落過程分析，截面形狀為矩形的兩相鄰梳齒的平行對面與下落的蒴果接觸面積最大，所以蒴果經截面形狀為矩形的梳齒梳刷作用后易被夾在梳齒間隙中不易掉落在地，不便收集；而截面形狀為圓形時，蒴果掉落過程中與兩相鄰梳齒接觸部分為兩相對的圓弧，相較于截面形狀為矩形的梳齒接觸面積較小，利于蒴果落地收集；梳齒截面形狀為菱形時，與蒴果的接觸部分為兩相鄰梳齒的平行對邊，相較于截面形狀為矩形和圓形的梳齒,其接觸面積最小，因此最利于蒴果落地收集.所以在理論上蒴果經截面形狀為菱形的梳齒作用后容易掉落在地，便于收集.

圖8 不同截面形狀梳齒梳刷蒴果掉落過程分析

通過對蒴果的受力情況和梳刷蒴果的掉落過程進行分析，根據(jù)實際需要綜合考慮，從理論上確定最佳的梳齒截面形狀為菱形.為了驗證假設的可靠性，因此需要進一步做臺架試驗來確定最佳的因素組合.

3 臺架試驗

3.1 試驗條件、材料及設備

試驗用材料為取自山西農業(yè)大學校內試驗田內種植的藍亞麻，測得梳刷時植株的含水率為15.33%，做成如圖9所示的試驗樣品，試驗用設備為梳齒式亞麻(胡麻)蒴果梳刷試驗臺，如圖10所示.試驗地點為山西農業(yè)大學農業(yè)工程學院機械設計實驗室，試驗時間為2020年8月上旬.

圖9 制備的試驗材料

圖10 梳齒式亞麻(胡麻)蒴果梳刷試驗臺

3.2 試驗方案

本試驗通過對比三組不同截面形狀的梳齒、3種不同的梳齒間隙、梳刷裝置的3種不同轉速、導軌輸送裝置的3種不同輸送速度4個因素對植株的蒴果脫凈率和蒴果破損率兩個指標的影響,來研究各因素對指標的影響權重及最佳的因素組合.

3.3 試驗參數(shù)與評價指標的確定

試驗評價指標有蒴果脫凈率和破損率，蒴果脫凈率用T表示，蒴果破損率用P表示，其表達式分別為：

式中：A為亞麻植株被梳刷下的蒴果總數(shù)，a為亞麻植株被梳刷后植株上面殘留的蒴果數(shù).

式中：b為亞麻植株被梳刷后梳刷下來的破碎蒴果數(shù)，B為亞麻植株被梳刷后梳刷下來的完整蒴果數(shù).

3.4 單因素試驗結果與分析

為明確不同試驗因素對藍亞麻蒴果的脫凈率和破損率的影響規(guī)律，結合前期研究確定的試驗參數(shù)范圍進行單因素試驗，試驗結果如圖11所示.每次試驗保持4個因素中的3個因素恒定，研究剩余的一個因素對脫凈率和破損率的影響規(guī)律.由圖11-A可知，隨著梳刷裝置轉速的增大，脫凈率呈先增大后減小的趨勢、破損率呈下降趨勢.由圖11-B可知，脫凈率和破損率都會隨著導軌輸送速度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.由圖11-C可知，截面形狀為矩形、圓形、菱形時梳齒脫凈率依次增大，梳齒截面形狀為圓形時破損率最大，矩形、菱形時次之.由圖11-D可知，脫凈率和破損率隨著梳齒間隙的增大都呈現(xiàn)下降的趨勢.梳刷裝置轉速和導軌輸送速度較大時植株均易被折斷、梳齒間隙較大導致大部分蒴果無法被梳脫，是脫凈率和破損率降低的主要原因.

圖11 單因素試驗結果

3.5 正交試驗結果與分析

為了研究各因素對脫凈率和破損率的影響權重大小及較優(yōu)因素組合，需進行多因素正交試驗，正交試驗設計為四因素三水平L9(34)，通過對正交試驗數(shù)據(jù)進行極差與方差分析來確定各因素的影響權重和較優(yōu)因素組合.正交試驗因素和水平如表3所示.

表3 正交試驗因素與水平表

本次試驗安排9組試驗，每組試驗重復3次，每組試驗結果取3次試驗結果的平均值，共進行27次試驗，試驗方案及試驗結果見表4.采用SAS 9.1數(shù)據(jù)處理軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析.

表4 試驗方案與結果

方差分析結果見表5，試驗結果表明梳齒間隙、梳齒截面形狀、梳刷裝置轉速和導軌輸送速度各因素對蒴果的脫凈率和破損率的影響都極為顯著(P<0.01)，根據(jù)較高脫凈率、較低破損率的梳刷目標，得到較優(yōu)因素組合為梳齒間隙為4 mm、梳齒截面形狀為菱形、梳刷裝置轉速為10 r/min和導軌輸送速度0.16 m/s，此時蒴果的脫凈率為99.30%、破損率為5.68%.極差分析結果見表6，結果表明：各因素對脫凈率的影響由大到小依次為梳齒間隙、梳齒截面形狀、梳刷裝置轉速、導軌輸送速度，各因素對破損率的影響由大到小依次為導軌輸送速度、梳齒截面形狀、梳刷裝置轉速、梳齒間隙.

表5 正交試驗方差分

表6 正交試驗極差分析

3.6 試驗驗證

以較優(yōu)因素組合：梳齒間隙為4 mm、梳齒截面形狀為菱形、梳刷裝置轉速為10 r/min和導軌輸送速度0.16 m/s進行3次蒴果梳刷試驗，取3次試驗結果的平均值.試驗結果：脫凈率為99.26%,破損率為5.33%.圖12為植株梳刷前后對比，圖13為單次梳刷蒴果品質.結果顯示梳刷效果良好，蒴果破損較少.

圖12 較優(yōu)因素組合試驗植株梳刷前后對比

圖13 單次梳刷蒴果品質

4 結論

1) 針對亞麻(胡麻)機械化收獲中存在植株纏繞脫粒滾筒問題，設計了梳齒式亞麻(胡麻)蒴果梳刷試驗臺，旨在通過對植株的梳刷得到完整蒴果，進而在后續(xù)的脫粒環(huán)節(jié)中可以直接對蒴果殼進行破殼脫粒，避免了因喂入整株植株而出現(xiàn)的植株纏繞脫粒滾筒現(xiàn)象.

2) 通過單因素試驗與多因素正交試驗得到：梳齒間隙、梳齒截面形狀、梳刷裝置轉速和導軌輸送速度4因素對脫凈率和破損率的影響都極為顯著，各因素對脫凈率影響的主次順序是梳齒間隙>梳齒截面形狀>梳刷裝置轉速>導軌輸送速度，各因素對破損率影響的主次順序是導軌輸送速度>梳齒截面形狀>梳刷裝置轉速>梳齒間隙.以蒴果脫凈率較大、破損率較小為目標，得到較優(yōu)參數(shù)組合:梳齒間隙為4 mm、梳齒截面形狀為菱形、梳刷裝置轉速為10 r/min和導軌輸送速度0.16 m/s.以較優(yōu)參數(shù)組合進行試驗驗證，得到藍亞麻蒴果的脫凈率為99.26%,破損率為5.33%.

3) 臺架試驗結果表明：通過對藍麻植株的梳刷，得到完整藍亞麻蒴果的方案是可行的.為下一步設計新型梳齒式亞麻(胡麻)脫粒機提供了關鍵零部件基礎和研究依據(jù).