食葵割臺落粒損失和籽粒表皮損傷關(guān)鍵影響因素分析

劉 巍，宗望遠(yuǎn),2，馬麗娜,2，連國黨，李 茂

食葵割臺落粒損失和籽粒表皮損傷關(guān)鍵影響因素分析

劉 巍1，宗望遠(yuǎn)1,2，馬麗娜1,2※，連國黨1，李 茂1

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070）

食葵聯(lián)合收獲機田間作業(yè)時，割臺撥禾輪在撥禾過程中碰撞葵盤造成葵盤落粒，在螺旋輸送器輸送籽粒和葵盤過程中，籽粒表皮受到摩擦作用力導(dǎo)致表皮損傷，此外割臺劇烈振動也會引起莖稈抖動，進而造成葵盤落粒。針對上述問題，該研究對適收期內(nèi)不同含水率下食葵收獲過程中割臺碰撞、振動作用對葵盤落粒損失以及摩擦作用對籽粒表皮損傷的影響規(guī)律進行試驗研究，明確食葵較佳收獲時期，提高食葵收獲作業(yè)效果。首先，開展撥禾輪與葵盤碰撞作用對落粒損失影響試驗和螺旋輸送器輸送過程對食葵籽粒表皮損傷影響試驗，結(jié)果表明籽粒含水率與落粒損失率呈極顯著負(fù)相關(guān)（<0.01），與籽粒表皮損傷率呈極顯著正相關(guān)（<0.01）。其次，根據(jù)食葵收獲對籽粒損失率和損傷率的要求確定了落粒損失率和籽粒表皮損傷率對收獲效果的影響權(quán)重分別為0.54和0.46，通過目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)得出籽粒含水率為9%～13%為食葵較佳收獲期。最后，基于Default Shaker液壓振動臺研究聯(lián)合收獲機主要振動頻率范圍內(nèi)（1～40 Hz）的振動激勵對落粒損失的影響，結(jié)果表明，食葵植株在7 Hz振動激勵作用下葵盤落粒損失率最大為1.5%。試驗結(jié)果可為割臺關(guān)鍵部件運行參數(shù)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

農(nóng)業(yè)機械；損傷；食葵收獲；割臺；落粒損失；碰撞；振動激勵

0 引 言

向日葵是中國第三大油料作物，每年的產(chǎn)量約為300萬t[1]，向日葵可分為油用向日葵（簡稱油葵）和食用向日葵（簡稱食葵）兩種類型，其中食葵作為食用葵瓜子的主要原料，可以為農(nóng)戶帶來巨大的經(jīng)濟效益[2-3]。收獲是食葵生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，且割臺損失率占收獲總損失率的50%以上[4]，割臺收獲效果直接影響食葵產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益，國內(nèi)食葵聯(lián)合收獲機收獲效果不佳的原因之一是收獲時期的選取不夠準(zhǔn)確。食葵成熟度低（含水率高）時，聯(lián)合收獲損失率降低，但籽粒表皮損傷率和脫粒清選含雜率高；食葵成熟度高（含水率低）時，聯(lián)合收獲籽粒表皮損傷率和脫粒清選含雜率降低，但損失率高。為降低聯(lián)合收獲損失率和損傷率，目前食葵收獲主要采用人工分段收獲，即通過人工采摘葵盤后將葵盤插在原始莖稈上晾曬，葵盤經(jīng)過晾曬風(fēng)干，葵盤籽粒含水率快速降低至滿足食葵脫粒清選的要求，再通過人工摘取葵盤進行機械脫粒[5-6]。食葵人工收獲過程存在勞動強度大、作業(yè)效率低、人工成本高等問題，因此，研究食葵生物力學(xué)特性對提高國內(nèi)食葵聯(lián)合收獲作業(yè)效果具有重要意義。

由于食葵和油葵均屬于向日葵，針對二者生物力學(xué)特性的研究主要集中在其籽粒生物力學(xué)特性[7-8]和莖稈剪切力學(xué)特性等方面[9-11]。KHODABAKHSHIAN等[12]評估了3種伊朗油葵籽粒的形態(tài)、含水率與向日葵籽粒的終端速度、雷諾數(shù)、阻力系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系；SELVAM等[13]研究了5個品種的向日葵籽粒含水率與初始開裂力、平均斷裂力、斷裂能之間的關(guān)系，所有品種的初始開裂力、平均斷裂力隨含水率的增加而線性下降，斷裂能隨含水率的增加而線性增加；于亞飛[14]開展了食葵籽粒準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗，得到食葵籽粒準(zhǔn)靜態(tài)下的最大破裂力，闡明了籽粒含水率與最大應(yīng)力和最大破裂力之間的函數(shù)關(guān)系；紀(jì)洪亭等[15]通過多元統(tǒng)計方法對食葵植株的結(jié)實率、百粒質(zhì)量、株高、花盤直徑、籽粒尺寸等農(nóng)藝特性進行統(tǒng)計分析；針對油葵莖稈不易切斷的生物學(xué)特性，劉羊等[16]分析了油葵莖稈切割過程中莖稈的受力情況，通過試驗測得圓盤割刀切割莖稈所需的平均功耗；劉羊等[17]對“矮大頭667”油葵籽粒的碰撞恢復(fù)系數(shù)進行研究，確定了籽粒與不同材料的碰撞恢復(fù)系數(shù)；郝建軍等[18]利用三維掃描建模技術(shù)構(gòu)建了“矮大頭567”油葵籽粒的離散元模型，并測得了油葵籽粒的堆積角。

上述研究主要針對食葵或油葵植株莖稈、葵盤、籽粒的幾何參數(shù)以及籽粒碰撞破碎力、擠壓破碎力等力學(xué)參數(shù)進行相關(guān)研究，研究結(jié)果為向日葵聯(lián)合收獲機的設(shè)計提供理論依據(jù)或為仿真試驗提供了參考。植株振動[19]、沖擊碰撞[20-21]等力學(xué)特性也是影響收獲作業(yè)質(zhì)量的重要因素，是整機關(guān)鍵部件性能參數(shù)優(yōu)化的前提，而上述植株力學(xué)特性等方面的研究主要集中在甘蔗、玉米、油菜等[22-24]作物上。目前尚未有針對食葵收獲效果影響因素以及食葵振動特性相關(guān)研究的文獻(xiàn)報道，因此本文針對上述問題開展試驗研究，探究適收期不同含水率下割臺碰撞和振動作用對落粒損失以及輸送過程對籽粒表皮損傷的影響規(guī)律，進而明確食葵較佳收獲時期，解決食葵收獲中割臺落粒損失與籽粒表皮損傷之間的矛盾，擬為優(yōu)化食葵收獲作業(yè)質(zhì)量并為食葵聯(lián)合收獲機關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

食葵聯(lián)合收獲機主要由割臺、升運器、脫粒清選裝置、糧倉、卸糧裝置等組成，其中割臺主要由分禾器、撥禾輪、往復(fù)式切割器、螺旋輸送器等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。聯(lián)合收獲機田間作業(yè)時，植株首先進入割臺，通過割臺分禾器分禾和扶禾，撥禾輪撥禾以及往復(fù)式切割器切割植株莖稈，切斷后的食葵植株由螺旋輸送器輸送至升運器進而喂入脫粒清選裝置，實現(xiàn)葵盤脫粒和籽粒清選，脫出籽粒由送糧風(fēng)機輸送至糧倉，而脫粒后的葵盤和莖稈等雜余則被拋出機外，從而完成食葵聯(lián)合收獲作業(yè)。聯(lián)合收獲機田間收獲作業(yè)工況下關(guān)鍵部件主要運行參數(shù)如表1所示。

1.分禾器 2.撥禾輪 3.往復(fù)式切割器 4.螺旋輸送器 5.鏈耙升運器 6.行走裝置 7.脫粒裝置 8.卸糧裝置

表1 4LZK-2.5Z食葵聯(lián)合收獲機田間收獲工況主要參數(shù)

1.2 關(guān)鍵因素確定

1.2.1 割臺籽粒碰撞損失因素分析

割臺是聯(lián)合收獲機最先接觸作物的工作部件，收獲時食葵植株首先被分禾器引導(dǎo)至對應(yīng)通道，隨著撥禾輪的轉(zhuǎn)動撥禾板對食葵植株進行扶持和推送，食葵植株運動至分禾器末端并被往復(fù)式切割器切斷莖稈，撥禾輪將上端的葵盤和莖稈撥入割臺，由螺旋輸送器進行導(dǎo)攏輸送至升運器，升運器再將物料輸送至后續(xù)的脫粒清選裝置。為探究撥禾輪撥禾作業(yè)過程中，在不同含水率下，撥禾輪碰撞對葵盤落粒損失的影響規(guī)律，開展撥禾過程撥禾板碰撞作用對食葵葵盤落粒損失影響試驗。

1.2.2 割臺籽粒損傷因素分析

食葵植株在撥禾輪的扶禾和撥禾作用下被往復(fù)式切割器割斷，該過程中撥禾輪和割刀對葵盤的碰撞以及割刀往復(fù)運動的振動激勵均造成葵盤落粒。被切割下的葵盤和掉落在割臺上的籽粒均通過螺旋輸送器輸送至升運器，進而進行后續(xù)脫粒清選作業(yè)，最終進入糧倉。在螺旋輸送器導(dǎo)攏輸送籽粒和葵盤過程中，其螺旋葉片帶動籽粒在割臺底板進行橫向移動，由于籽粒與割臺底板之間存在摩擦，使得籽粒表皮出現(xiàn)損傷。為研究不同籽粒含水率下螺旋輸送器輸送過程對籽粒表皮損傷的影響程度，開展螺旋輸送器輸送過程對食葵籽粒表皮損傷率影響試驗。

1.2.3 植株振動落粒影響因素分析

以割臺收獲過程中的食葵植株為研究對象，食葵中段通過割臺分禾器間隙，在此過程中分禾器夾持植株并傳遞割臺振動，因此食葵植株主要受到橫向的振動激勵，將食葵植株簡化為簡支梁，莖稈上部的葵盤質(zhì)量等效為(kg)，莖稈段等效為阻尼，該振動系統(tǒng)的等效模型[25]如圖 2所示。

注：F 為葵盤施加給莖稈的重力，N；k為彈性系數(shù)；c為阻尼系數(shù)；x為干擾力導(dǎo)致的形變量，mm；m為葵盤質(zhì)量，kg；v為葵盤運動速度，m·s-1；ma為葵盤慣性力，N；cv為阻尼力，N；Δst為重力導(dǎo)致的形變量，mm；Fdsinwt為激振力，N。

選定豎直向下為正坐標(biāo)軸方向，對食葵莖稈夾持部分進行受力分析，可得食葵葵盤的運動方程為

由于=Δ，化簡式（1）可得：

系統(tǒng)的固有頻率0為

令

則式（2）可化簡為

式（5）的通解為

式中、為振幅，mm；為位移落后激振力的相位角，（°）。

在小阻尼情況下，該解的第一部分為衰減振動，隨時間增加迅速減弱直至消失；第二部分為強迫振動，第一部分消失后通解可簡化為

其中，

由上述分析可知，植株受迫振動的幅值與其固有頻率、阻尼系數(shù)、葵盤質(zhì)量以及激振源振動信號有關(guān)。食葵收獲過程中，割臺上存在多種振動激勵，主要由割刀、振動篩等的往復(fù)運動，撥禾輪、螺旋輸送器、脫粒裝置等的不平衡轉(zhuǎn)動以及發(fā)動機、傳動部件等運行過程產(chǎn)生。為探究振動對葵盤落粒的影響程度，開展振動激勵對食葵葵盤落粒損失影響試驗。

1.2.4 試驗材料

試驗材料為內(nèi)蒙古呼和浩特市武川縣食葵SH363，適收期其籽粒含水率在7%～19%，在食葵莖稈高度為700 mm處測量莖稈直徑，其主要物理參數(shù)如表 2所示。

表2 食葵植株主要物理特性參數(shù)

1.3 試驗設(shè)計及方法

1.3.1 撥禾輪碰撞試驗

撥禾輪式割臺撥禾板碰撞葵盤試驗臺架結(jié)構(gòu)方案如圖3所示，主要由食葵植株固定支架、臺架底座、撥禾輪、直流電機、往復(fù)式切割器等組成，其中撥禾輪直徑為500 mm，其上安裝有撥禾板，撥禾輪軸的安裝高度高于割刀安裝高度350 mm，以保證撥禾板可以將食葵葵盤撥入割臺內(nèi)部。當(dāng)撥禾輪軸帶動撥禾板運動至撥禾輪底部時，對食葵植株進行撥禾，同時對葵盤產(chǎn)生一定的碰撞和擊打作用，造成葵盤落粒損失。由于食葵植株喂入割臺過程中，撥禾輪僅對食葵植株撥禾一次，即撥禾輪僅擊打和碰撞葵盤一次，因此本試驗研究中，撥禾輪只安裝一個撥禾板，模擬和研究食葵喂入過程中撥禾板對葵盤的單次擊打造成的葵盤籽粒落粒損失程度。

a. 試驗臺架 a. Test benchb. 示意圖 b. Schematic diagram

1.電動機 2.撥禾板 3.撥禾輪 4.往復(fù)式切割器 5.臺架底座 6.食葵植株

1.Motor 2.Reel board 3.Reel 4.Reciprocating cutter 5.Bench base 6.Edible sunflower plant

圖3 食葵植株碰撞試驗臺架及碰撞示意圖

圖3 Collision test bench and its schematic diagram of edible sunflower plants

由于撥禾輪撥禾方向和整機前進方向相反，基于撥禾速比和二者相對運動過程分析，由式（10）計算收獲過程中撥禾輪與葵盤碰撞時的相對運動速度[25]。試驗過程中試驗臺架保持靜止，撥禾輪軸帶動撥禾板轉(zhuǎn)動至撥禾輪底部時擊打和碰撞葵盤。

式中為撥禾板與葵盤瞬時碰撞速度，m/s；為撥禾速比，向日葵聯(lián)合收獲機撥禾速比為1.6；為整機收獲作業(yè)速度，m/s。

撥禾輪相對轉(zhuǎn)速為

式中為撥禾輪半徑，mm。

由式（10）可知，當(dāng)收獲作業(yè)速度為0.8 m/s時，撥禾輪與食葵葵盤的碰撞速度為0.48 m/s。由式（11）可得此時撥禾輪相對轉(zhuǎn)速為18.33 r/min。因此該試驗中，保持植株和臺架靜止、撥禾輪轉(zhuǎn)速為18.33 r/min。

田間隨機抽取48個含水率為19%左右的葵盤，保留莖稈長度40 cm。將葵盤置于室內(nèi)干燥通風(fēng)處自然晾干，每隔12 h取其中6個葵盤，開展一組碰撞試驗，測試不同含水率下葵盤在撥禾板碰撞作用下的落粒損失率。

單次試驗采用1個葵盤，將其莖稈固定在食葵植株固定支架的圓管中，撥禾板初始位置位于剛越過葵盤的后側(cè)，啟動并調(diào)節(jié)直流電機，使其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在18.33 r/min，電機帶動撥禾輪轉(zhuǎn)動，進而帶動撥禾板轉(zhuǎn)動360°，然后停止臺架運行，即完成一次撥禾板對食葵植株碰撞作用。

收集掉落籽粒并稱量，記為1，統(tǒng)計葵盤中剩余籽粒質(zhì)量，記為2。隨機取出20 g籽粒，利用SDH-1202快速鹵素水分測定儀（浙江賽德儀器設(shè)備有限公司，精度0.01%）對籽粒進行含水率測量，在該含水率下其撥禾碰撞損失率1為

選擇同一批次（成熟度近似相同）下不同葵盤，開展撥禾輪碰撞試驗3次，計算在該含水率下葵盤碰撞損失率的平均值。

1.3.2 螺旋輸送器輸送過程試驗

螺旋輸送器對籽粒的輸送過程是在其葉片的橫向輸送作用下籽粒沿著割臺底板橫向移動，進而出現(xiàn)籽粒表皮損傷。為簡化試驗裝置，采用刮板輸送近似模擬對籽粒的輸送過程。不同含水率籽粒表皮受割臺底板摩擦損傷的試驗臺架如4所示，主要由安裝機架、三相異步電機、鏈輪、鏈條、軸承座、U型輸送通道、L型刮板等組成。U型輸送通道長1.4 m，有效輸送距離為1.2 m，割臺收獲過程中螺旋輸送器是把籽粒由割臺兩端往中間輸送至升運器，割臺幅寬2.4 m，食葵籽粒在割臺底板的輸送距離為1.2 m，試驗臺架籽粒輸送距離與實際輸送距離一致；此外，U型輸送通道材質(zhì)與割臺底板一致。通過變頻器調(diào)節(jié)三相異步電機到達(dá)預(yù)定轉(zhuǎn)速，電機通過皮帶和帶輪帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，進而帶動鏈條上L型刮板水平移動。由于食葵籽粒的厚度范圍為3.3～6.9 mm，故設(shè)置L型刮板與U型通道的間隙為1.5 mm，從而保證L型刮板可以帶動籽粒在U型通道內(nèi)滑動，以模擬螺旋輸送器對食葵籽粒的輸送作用。

1.籽粒收集裝置 2.張緊螺栓 3.鏈條 4.U 型輸送通道 5.食葵籽粒 6.L型刮板 7.三相異步電動機 8.皮帶輪 9.變頻器

對螺旋輸送器導(dǎo)攏輸送物料過程進行運動學(xué)分析，如圖5所示。

在螺旋輸送器導(dǎo)攏輸送過程中，食葵籽粒沿割臺底板橫向運動，其運動速度為螺旋葉片頂部運動速度的水平分速度，滿足如下關(guān)系：

注：為螺旋輸送器轉(zhuǎn)速，r·min-1；為螺旋輸送器葉片螺距，mm；v為籽粒沿螺旋輸送器軸向的速度，m·s-1。

Note:is the speed of the screw conveyor, r·min-1;is the screw pitch of the screw conveyor blade, mm;vis the velocity of the seed along the axial direction of the screw conveyor, m·s-1.

圖5 食葵籽粒運輸過程運動學(xué)分析

Fig.5 Kinetic analysis of edible sunflower seeds transportation process

食葵聯(lián)合收獲機螺旋輸送器的工作轉(zhuǎn)速為180 r/min，螺距為0.4 m，由式（13）可得食葵籽粒在割臺底板的橫向運動速度為1.2 m/s，因此設(shè)置L型刮板的水平運動速度為1.2 m/s，以保證L型刮板對籽粒的輸送速度與螺旋輸送器一致。

隨機選取籽粒含水率為19%左右的食葵葵盤，分別取出葵盤中籽粒表皮無損傷的籽粒并充分混合。將籽粒分成36份，每份25 g，每3份為1組，共12組。籽粒均放置于通風(fēng)干燥處，每6 h開展1組試驗，以測試在不同含水率下，輸送籽粒過程中造成的籽粒表皮損傷率。

單次試驗將一份25 g表皮完好的籽粒放置于U型輸送通道前端。啟動電機并調(diào)節(jié)鏈條線速度為1.2 m/s 進而帶動L型刮板推動食葵籽粒在U型輸送通道內(nèi)滑動并從后端推出，收集推出的食葵籽粒并挑選出外皮有損傷的籽粒，同一含水率下重復(fù)試驗3次。食葵籽粒表皮損傷率2為

式中3為損傷籽粒質(zhì)量，g；4為試驗籽?？傎|(zhì)量，g。

1.3.3 振動激勵對葵盤落粒損失影響試驗

基于Default Shaker液壓振動臺（如圖6所示），對食葵植株施加振動激勵，該振動臺在豎直方向上下振動，其相關(guān)參數(shù)如表3所示。在液壓振動平臺上安裝莖稈固定板，通過莖稈固定板夾持食葵植株莖稈，此時食葵植株橫向固定在振動平臺。振動臺豎直上下振動時，通過莖稈振動傳遞至葵盤，導(dǎo)致部分籽粒脫離葵盤，可模擬田間收獲食葵植株振動落粒。在試驗臺振動過程中，利用高速攝影儀（德國PCO公司，分辨率1 920×1 440，像素）記錄食葵葵盤振動幅值。

基于上述試驗結(jié)果確定食葵較佳收獲時期時食葵籽粒的含水率。田間選取該含水率下的食葵葵盤若干，利用Default Shaker液壓振動臺對食葵葵盤施加一定的振動激勵[26-27]。

由表1可知，食葵聯(lián)合收獲機振源一階振動頻率主要集中在40 Hz以內(nèi)。首先利用振動平臺對食葵植株施加掃頻激勵，單次試驗采用1個食葵葵盤，試驗前將單個食葵葵盤的莖稈夾持在振動平臺莖稈固定板上，在振動平臺、莖稈、葵盤分別布置測點A、B、C。

1.高速攝像機 2.背景板 3.食葵植株 4.莖稈固定板 5.液壓振動平臺 6.液壓振動平臺底座 7.計算機

表3 Default Shaker液壓振動臺性能參數(shù)

設(shè)置振動平臺掃頻參數(shù)為1～40 Hz，振動時間為60 s。試驗時利用高速攝影機記錄3個測點在掃頻激勵下的振動信號，利用MATLAB軟件對高速攝影儀采集圖像進行分割、二值化處理、濾波處理，最后求解出3個測點的中心坐標(biāo)[28]，對測點坐標(biāo)進行數(shù)據(jù)處理分別得出不同頻率下B、C點振動幅值，其中B點振動信號為振動平臺振幅隨頻率變化規(guī)律（見圖7）。將C點振動信號與B點振動信號相減即可得出測點C葵盤振幅隨頻率變化趨勢，從而明確不同振動頻率對葵盤振動的影響程度。重復(fù)試驗3次，以保證葵盤受激勵振動規(guī)律的一致性。

圖7 振動平臺激勵振動信號

基于掃頻試驗，明確引起葵盤振動的主要頻率范圍，進而在該頻率范圍內(nèi)，開展單因素試驗，分別研究該頻率范圍內(nèi)的每一振動頻率引起葵盤的落粒損失率。單次試驗運行60 s，試驗完成后，通過在試驗平臺下方鋪設(shè)細(xì)紗網(wǎng)收集葵盤振動掉落的籽粒稱量；然后取出葵盤剩余籽粒稱量；進而計算該振動頻率下的落粒損失率。每一振動頻率重復(fù)試驗3次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 撥禾板碰撞試驗

撥禾過程撥禾板碰撞作用對葵盤落粒損失影響試驗結(jié)果如圖8所示。由圖8可知擬合線的決定系數(shù)2=0.974，因此籽粒含水率與葵盤碰撞損失率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（<0.01），葵盤碰撞落粒損失率隨籽粒含水率的升高而線性下降。試驗表明在食葵收獲過程中籽粒含水率越高，籽粒與葵盤的結(jié)合力越大，籽粒在受到碰撞時越不容易脫落。

圖8 籽粒含水率w對籽粒損失率h1的影響

2.2 螺旋輸送器輸送過程試驗

收集螺旋輸送器輸送過程對食葵籽粒表皮損傷影響試驗中表皮出現(xiàn)損傷的籽粒，如圖9所示。

圖9 試驗過程中表皮損傷的籽粒

對試驗結(jié)果分析可得，不同含水率下摩擦作用對食葵籽粒表皮損傷率影響規(guī)律，如圖10所示。

圖10 籽粒含水率w對籽粒表皮損傷率h2的影響

由圖10可知，擬合曲線的決定系數(shù)2=0.994，因此適收期內(nèi)食葵籽粒的損傷率與籽粒含水率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.01），且食葵籽粒的損傷率隨籽粒含水率的升高而升高。試驗表明在食葵收獲過程中籽粒含水率越高，籽粒表皮更容易破損，籽粒表皮損傷率越大。

臺架試驗僅模擬螺旋輸送器對籽粒的輸送過程，實際食葵收獲過程中，螺旋輸送器將籽粒和葵盤、莖稈等物料一起輸送，由于葵盤和莖稈的存在，導(dǎo)致螺旋輸送器葉片對籽粒的擠壓作用力更大，進而導(dǎo)致籽粒表皮磨損程度更嚴(yán)重。該試驗一定程度上可以反映不同含水率下籽粒輸送過程中的表皮損傷規(guī)律。籽粒含水率越高碰撞損失率越低，因此在收獲時期的選擇上要綜合考慮對籽粒損失率和籽粒表皮損傷率的影響。

2.3 較佳收獲期含水率確定

基于上述試驗結(jié)果可知，籽粒含水率與葵盤碰撞落粒損失率呈負(fù)相關(guān)，與籽粒表皮損傷率呈正相關(guān)，因此為降低碰撞落粒損失和籽粒表皮損傷，需確定較佳收獲期的籽粒含水率，進而明確較佳收獲時期。

由《食葵機械化收獲技術(shù)解決方案》及《食葵機械化收獲技術(shù)規(guī)程》（DB 15/T 1843-2020）確定食葵聯(lián)合收獲作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為籽?？倱p失率≤3.5%，籽粒劃傷率≤4%。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶對收獲質(zhì)量要求的標(biāo)準(zhǔn)，對損失率和損傷率賦予相應(yīng)的權(quán)重分別為0.54和0.46，基于等式約束條件下的優(yōu)化算法，利用MATLAB求解較佳收獲時期，目標(biāo)函數(shù)及約束條件為

式中為收獲總損失。

基于式（15）求得籽粒含水率與食葵收獲總損失的關(guān)系如圖11所示。由圖11可知，收獲總損失最低時，籽粒含水率為10.8%，食葵的較佳收獲時期籽粒含水率為9%～13%。

圖11 籽粒含水率w對目標(biāo)函數(shù)值h的影響

可根據(jù)食葵實際收獲質(zhì)量要求設(shè)定不同的損失率和損傷率權(quán)重，確定食葵的較佳收獲時期籽粒含水率。

2.4 振動激勵對食葵葵盤落粒損失影響試驗

基于食葵較佳收獲期籽粒含水率的研究，選擇食葵生長時期保證其籽粒含水率接近10.8%，試驗中籽粒含水率實際為10.9%。針對較佳收獲時期內(nèi)的食葵植株開展掃頻試驗，結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，葵盤分別在5～15 Hz、15～25 Hz振動頻率范圍內(nèi)分別出現(xiàn)振動位移峰值；7 Hz時葵盤振幅最大，其次為17 Hz時。因此，在5～25 Hz頻率范圍內(nèi)開展不同振動頻率對葵盤落粒損失率影響試驗，結(jié)果如圖13所示。

圖12 食葵葵盤受迫振動信號

圖13 5～25Hz振動頻率對落粒損失率的影響

由圖13可知，在5～15 Hz對食葵葵盤施加振動頻率時，食葵籽粒最大損失率為1.5%，此時振動頻率為7 Hz；在15～25 Hz對食葵葵盤施加振動頻率時，食葵籽粒最大損失率為1.3%，此時振動頻率為19 Hz。

籽粒含水率為10.8%時，葵盤的一階固有頻率為7 Hz，結(jié)合表1中食葵聯(lián)合收獲機各關(guān)鍵部件理論振動頻率可知，往復(fù)式切割器的理論振動頻率為7.08 Hz，與食葵植株的一階固有頻率重合，在田間收獲過程中往復(fù)式切割器振動激勵會造成食葵植株共振，引起葵盤落粒損失，因此割臺振動也是引起割臺損失的原因之一。試驗結(jié)果也可為割臺關(guān)鍵部件運行參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

田間收獲實際過程中籽粒損失率和表皮損傷率除受工作部件影響之外，還受氣候、種植條件、植株之間的相互碰撞和摩擦等因素制約，影響因素更多元化，本文更傾向于規(guī)律的探索，只能把復(fù)雜問題簡單化。重點針對聯(lián)合收獲機割臺主要工作部件對食葵葵盤或籽粒作用過程進行研究，明確了撥禾過程撥禾板碰撞作用與葵盤落粒損失之間的影響關(guān)系、螺旋輸送器輸送籽粒過程中摩擦作用與食葵籽粒表皮損傷之間的影響關(guān)系以及割臺多源振動與葵盤籽粒落粒之間的關(guān)系，并從中找到指導(dǎo)食葵收獲的相關(guān)規(guī)律。雖然影響因素較為復(fù)雜，但不同含水率條件下收獲時，對割臺損失率和籽粒表皮損傷率影響的基本規(guī)律保持一致。

3 結(jié) 論

1）“食葵SH363”適收期籽粒含水率在7%～19%，食葵籽粒含水率與碰撞作用下葵盤落粒損失率呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)；籽粒含水率與摩擦作用下籽粒表皮損傷率呈極顯著正相關(guān)(<0.01)。

2）通過對適收期內(nèi)食葵收獲總損失進行尋優(yōu)，獲得較佳收獲時期為籽粒含水率為9%～13%，為食葵收獲時期的選擇提供參考。

3）食葵植株在7 Hz振動激勵作用下葵盤落粒損失率最高，其次為19 Hz，可為割臺關(guān)鍵部件運行參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

[1] 中華人民共和國國家統(tǒng)計局. 中國統(tǒng)計年鑒[M]. 北京：中國統(tǒng)計出版社，2021.

[2] 張學(xué)軍，馬少騰，朱興亮，等. 正多桿變隙式油葵脫粒裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(4)：26-33. ZHANG Xuejun, MA Shaoteng, ZHU Xingliang, et al. Design and test of oil-sunflower threshing device with variable clearance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 26-33. (in Chinese with English abstract)

[3] 韓長杰，王超超，朱興亮，等. 食用向日葵仿人工取盤采收臺的設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(16)：14-22. HANG Changjie, WANG Chaochao, ZHU Xingliang, et al. Design of imitating manual harvesting device for edible sunflower[J], Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 14-22. (in Chinese with English abstract)

[4] 冉軍輝，沐森林，李海同，等. 油菜聯(lián)合收獲機往復(fù)式雙動割刀行星輪驅(qū)動器設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(9)：17-25. RAN Junhui, MU Senlin, LI Haitong, et al. Design and test of planet gear driver of reciprocating double-acting cutter for rapeseed combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 17-25. (in Chinese with English abstract)

[5] 王超超，韓長杰，尤佳，等. 食葵采收臺凸輪機構(gòu)設(shè)計與試驗[J]. 中國農(nóng)機化學(xué)報，2019，40(4)：7-12. WANG Chaochao. HAN Changjie, YOU Jia, et al. Design and experiment on the cam mechanism for collecting station of edible sunflower[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2019, 40(4): 7-12. (in Chinese with English abstract)

[6] 韓長杰，刁宏偉，仇世龍，等. 基于人工取盤原理的食葵取盤裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2022，53(8)：123-131. HAN Changjie, DIAO Hongwei, QIU Shilong, et al. Design and Experiment of Edible Sunflower Plate Taking Device Based on Manual Plate Taking Principle[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2022, 53(8): 123-131. (in Chinese with English abstract)

[7] ABDOLLAHPOUR S, GHASSEMZADEH H. Designing, fabrication and evaluation of threshing unit edible sunflower[J]. Agricultural Engineering International: CIGR Journal, 2019, 21(2): 52-58.

[8] MALIK M A, SAINI C S. Engineering properties of sunflower seed: Effect of dehulling and moisture content[J]. Cogent Food & Agriculture, 2016, 2(1): 1145783.

[9] 李洋，任孝慈，李曉偉，等. 食用向日葵產(chǎn)量與籽粒主要性狀配合力及遺傳分析[J]. 作物雜志，2022，49(22)：1-7. LI Yang, REN Xiaoci, LI Xiaowei, et al. Combining ability and genetic analysis of yield and main grain characters of edible sunflower[J]. Crope，2022, 49(22): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[10] 張亞新，鄭曉，林國祥. 葵花籽壓榨過程中的塑性模型[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，40(7)：138-142. ZHANG Yaxin, ZHENG Xiao, LIN Guoxiang. Plasticity model for pressing of sunflower seeds[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2009, 40(7): 138-142. (in Chinese with English abstract)

[11] ALI K A M, ZONG W Y, YANG L, et al. Effect of moisture content on sunflower seed physical and mechanical properties[J]. International Journal of Engineering Research in Africa, 2021, 57: 169-179.

[12] KHODABAKHSHIAN R, EMADI B, ABBASPOUR Fard M H, et al. The effect of variety, size, and moisture content of sunflower seed and its kernel on their terminal velocity, drag coefficient, and reynold's umber[J]. International Journal of Food Properties, 2012, 15(2): 262-273.

[13] SELVAM T A, MANIKANTAN M R, CHAND T, et al. Compression loading behaviour of sunflower seeds and kernels[J]. International Agrophysics, 2014, 28(4): 543-548.

[14] 于亞飛. 向日葵花盤籽粒力學(xué)與脫粒特性研究[D]. 洛陽：河南科技大學(xué)，2018. YU Yafei. Characteristics Research on Sunflower Disc and Seed of Mechanical and Threshing[D]. Luoyang: Henan University of Science and Technology, 2018. ( in Chinese with English abstract)

[15] 紀(jì)洪亭，王勇，趙韓偉，等. 基于多元統(tǒng)計方法的江蘇食用向日葵主要農(nóng)藝性狀綜合評價[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2021，49(22)：105-109.

[16] 劉羊，黃小毛，馬麗娜，等. 撥禾鏈?zhǔn)接涂钆_靜態(tài)滑切角恒定切割器設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2021，52(1)：99-108. LIU Yang, HUANG Xiaomao, MA Lina, et al. Design and test of static sliding cut angle constant cutting machine for chain oil sunflower harvester header[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2021, 52(1): 99-108. (in Chinese with English abstract)

[17] 劉羊，宗望遠(yuǎn)，馬麗娜，等. 采用高速攝影技術(shù)測定油葵籽粒三維碰撞恢復(fù)系數(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(4)：44-53. LIU yang, ZONG Wangyuan, MA Lina, et al. Determination of three-dimensional collision restitution coefficient of oil sunflower grain by high-speed photography[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 44-53. (in Chinese with English abstract)

[18] 郝建軍，魏文波，黃鵬程，等. 油葵籽粒離散元參數(shù)標(biāo)定與試驗驗證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(12)：36-44. HAO Jianjun, WEI Wenbo, HUANG Pengcheng, et al. Calibration and experimental verification of discrete element parameters of oil sunflower seeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(12): 36-44. (in Chinese with English abstract)

[19] 馬麗娜，魏俊逸，黃小毛，等. 油菜聯(lián)合收獲機割臺振動對田間收獲落粒影響分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2020，51(S2)：134-138，201. MA Li'na, WEI Junyi, HUANG Xiaomao, et al. Analysis of harvesting losses of rapeseed caused by vibration of combine harvester header during field operation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(S2): 134-138, 201. (in Chinese with English abstract)

[20] 李洪成，曾榮，楊天圓，等. 玉米籽粒沖擊破碎特性試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(7)：29-37. LI Hongcheng, ZENG Rong, YANG Tianyuan, er al. Experimental study on the impact breakage characteristics of maize kernels[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(7): 29-37. (in Chinese with English abstract)

[21] 詹廣超，馬麗娜，黃小毛，等. 油菜脫粒過程中莖稈碰撞破碎的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(24)：11-18. ZHAN Guangchao, MA Lina, HUANG Xiaomao, et al. Experimental study on collision and fragmentation of rape stems during threshing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 11-18. (in Chinese with English abstract)

[22] 莫瀚寧，李尚平，邱辰，等. 刀盤軸向振動和切割參數(shù)對甘甘蔗收獲機切割質(zhì)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(18)：62-71. MO Hanning, LI Shangping, QIU Chen, et al. Effects of the blade disk vibration in axial and cutting parameters on the cutting quality of sugarcane harvesters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 62-71. (in Chinese with English abstract)

[23] 武濤，任甲輝，劉慶庭，等. 4GDZ-132型切段式甘蔗聯(lián)合收割機研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(10)：30-38. WU Tao, REN Jiahui, LIU Qingting, et al. Development of the 4GDZ-132 sugarcane chopper combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(10): 30-38. (in Chinese with English abstract)

[24] 趙波，孔凡磊，陳祥，等. 玉米機械粒收籽粒含雜率與穗軸特性關(guān)系分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(14)：33-39. ZHAO Bo, KONG Fanlei, CHEN Xiang, et al. Analysis of the relationship between grain impurity rate and cob characteristics of maize mechanical harvesting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(14): 33-39. (in Chinese with English abstract)

[25] 毛君. 機械振動學(xué)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2016.

[26] 劉巍，黃小毛，馬麗娜，等. 油葵聯(lián)合收獲機專用割臺設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2020，51(8)：83-88, 135. LIU Wei, HUANG Xiaomao, MA Lina, et al. Design and experiment of special header of oil sunflower combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(8): 83-88, 135. (in Chinese with English abstract)

[27] ZHAN G C, ZONG W Y, MA L N, et al. Biomechanical properties of ready-to-harvest rapeseed plants: Measurement and analysis[J/OL]. Information Processing in Agriculture, 2022-04-25: https://doi.org/10.1016/j.inpa.2022.04.002

[28] ZHAN G C, MA L N, ZONG W Y, et al. Study on vibration characteristics of rape plant based on high-speed photography and image recognition[J]. Agriculture, 2022, 12(5): 727.

Influencing factors of falling seeds loss at header and seed hull damage of edible sunflower

LIU Wei1, ZONG Wangyuan1,2, MA Lina1,2※, LIAN Guodang1, LI Mao1

(1.,,430070;2.,,430070)

When the sunflower combine harvester is operating in the field, the header reel may collide with the sunflower disk in the process of reeling, easily leading to the seeds dropping off the sunflower disk. The surface of the seed is subject to friction force, even damage to the seed hull, during the process of transporting seeds and sunflower disks with the spiral augers and elevator components. In addition, the severe vibration of the header can also cause the straw to shake, resulting the high seed loss. In this study, several experiments were carried out to explore the influence of the header collision and vibration on sunflower seed loss and the influence of the friction on the seed hull damage under different seed moisture content during the harvest period. The proper time of sunflower harvesting was determined to balance the contradiction between falling seeds loss and seed hull damage. The harvesting effect was also improved in the sunflower combine harvester. Firstly, a series of investigation was conducted to determine the impact of the collision of the reel web on the sunflower plate falling seeds loss during reeling, while the effect of the screw auger conveying on the hull damage of the sunflower seeds. The results show that the higher the moisture content of the seeds during harvesting, the greater the binding force between the seeds and the sunflower plate was, while the easier the damage of the seed hull was, and the greater the damage rate of the seed hull, was. There were less likely the seeds to fall off when they were hit. The optimal harvest time was considered to balance the comprehensive influence of the seed loss rate and the seed damage rate. Secondly, the weights of the sunflower plate falling seeds loss rate and the seed hull damage rate on the harvesting effect were 0.54 and 0.46, respectively, according to the requirements of sunflower harvesting on the loss rate and skin loss rate. The objective function was optimized with the Matlab platform. Thus, the moisture content of about 10.8% (9%-13%) was the best harvest period for sunflowers. Finally, the Default Shaker hydraulic shaking,table was utilized to clarify the influence of vibration excitation in the main vibration frequency range of combine harvester on the falling seeds loss of the sunflower plate. The results show that the first-order vibration frequency was 7 Hz with a great impact on shattering, and the second-order vibration frequency was 19 Hz. The loss rate of sunflower plate shattering was 1.5% at most under the excitation of the first-order vibration. However, the theoretical vibration frequency of the reciprocating cutter was 7.08 Hz, similar to the first-order vibration frequency of the sunflower plant. The vibration excitation of the reciprocating cutter can cause the resonance of the sunflower plant during harvesting in the field, resulting in seed loss. The finding can also provide a strong reference to optimize the operation parameters of the key components of the header in the sunflower combine harvester.

agricultural machinery; damage; sunflower harvesting; header; seed falling loss; collision; vibration excitation

10.11975/j.issn.1002-6819.202210123

S225

A

1002-6819(2023)-06-0054-09

劉巍，宗望遠(yuǎn)，馬麗娜，等. 食葵割臺落粒損失和籽粒表皮損傷關(guān)鍵影響因素分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2023，39(6)：54-62.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210123 http://www.tcsae.org

LIU Wei, ZONG Wangyuan, MA Lina, et al. Influencing factors of falling seeds loss at header and seed hull damage of edible sunflower[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 54-62. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210123 http://www.tcsae.org

2022-10-12

2023-02-14

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0702104）

劉巍，博士生，研究方向為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計與測控。Email：liuwei1@webmail.hzau.edu.cn

馬麗娜，副教授，研究方向為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計、測試與智能控制。Email：sunnylina@mail.hzau.edu.cn