拋送輥式百合收獲機(jī)的設(shè)計與試驗(yàn)

代振維，吳明亮，方志超，曲永波，柳亞峰

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410128；2. 湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，長沙 410128；3. 湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410151）

0 引言

百合屬于百合科，具有食用和藥用的價值，滋補(bǔ)效果良好且經(jīng)濟(jì)價值高?，F(xiàn)階段百合收獲基本采用人工挖掘，勞動效率低，為此推廣百合收獲機(jī)械化將具有重要意義[1]。百合果土分離是機(jī)械化收獲環(huán)節(jié)中最重要的工序，因此有必要研發(fā)百合果土分離技術(shù)及裝備，以擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，節(jié)本增效。

目前，有關(guān)百合收獲機(jī)械化的文獻(xiàn)與報道鮮見，可以提供借鑒的主要是馬鈴薯、胡蘿卜、花生等一系列根莖類作物收獲機(jī)[2-6]，其果土分離方式相對成熟，可為百合收獲機(jī)的研發(fā)提供借鑒[7-10]。而國外對于馬鈴薯、甘薯等作物的收獲機(jī)械研究較早，多采用聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行收獲作業(yè)，具有多種、復(fù)合式果土分離機(jī)構(gòu)，在沙壤土條件下果土分離效果好，但不適宜南方黏重土壤作業(yè)[11-13]。宋江等[14]針對北方沙壤土條件，采用雙層振動篩結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了平貝母的果土分離與篩選分級；呂金慶等[15-16]針對黑黏土條件下的馬鈴薯收獲需求，對挖掘鏟和振動分離篩進(jìn)行反向振動分析，實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯的降阻挖掘和振動分離；魏忠彩等[17]采用波浪二級振動分離與低位緩沖分離的方式，有效降低了馬鈴薯收獲過程中的破皮率；王芳艷等[18-19]針對土壤粘附嚴(yán)重、纏草過多的問題，設(shè)計了交錯式螺旋輥筒，能夠有效清除甜菜根上粘附的土壤與殘留的莖葉、雜草；楊然兵等[20-21]針對桿條式振動分離篩分離效果的不足，設(shè)計了撥輥推送式果土分離裝置，提升了果土分離效果且降低了物料的損傷率。綜合現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)：振動式果土分離裝置對于黏重土塊破碎細(xì)化的效果較差，而交錯式螺旋輥在破碎土塊的同時易損傷百合，撥輥推送式分離裝置有較強(qiáng)的輸送能力而對于黏重土塊的破碎效果較差，基于此為保證百合低損、高效收獲，設(shè)計的百合收獲機(jī)需有效破碎細(xì)化黏重土塊且不造成百合損傷。

本文針對百合種植田內(nèi)黏重土塊破碎困難的特點(diǎn)，結(jié)合百合鱗莖易破損的特性，設(shè)計了一款拋送輥式百合收獲機(jī)。研究通過建立黏重土塊在拋送輥上的碰撞破碎能量方程與碰撞動力學(xué)模型，分析得到拋送輥的較優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸；分析確立百合收獲過程中影響百合埋果率、百合破碎率的工作參數(shù)，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行多因素試驗(yàn)，通過田間試驗(yàn)得到機(jī)構(gòu)的較優(yōu)工作參數(shù)，擬為百合機(jī)械化收獲技術(shù)及裝備的研究提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 百合種植及生物特性

目前，湖南地區(qū)百合種植以壟作模式為主，壟高20～30 cm，一般1～5 行為一壟，種植深度在12～15 cm。百合呈橢球形，是一種由百合鱗片包裹而成的鱗莖類地下塊莖作物，其頭數(shù)一般為3～6 頭，且百合受到碰撞或擠壓時外層的鱗片易破損或斷裂[22-23]。以湖南邵陽隆回地區(qū)的龍牙百合為研究對象，利用游標(biāo)卡尺測量了收獲期百合的三軸尺寸，如圖1 所示。通過數(shù)據(jù)測定與統(tǒng)計，試驗(yàn)測量得到百合長度Lb、寬度Wb、厚度Tb平均值分別為(90.29±0.438) mm、(81.43±0.445) mm、(65.27±0.472) mm。

圖1 百合三軸尺寸測量圖Fig.1 Triaxial dimension measurement diagram of lily bulb

1.2 總體結(jié)構(gòu)

拋送輥式百合收獲機(jī)由東方紅MF904（輸出動力66.2 kW）拖拉機(jī)牽引，主要由挖掘鏟、果土分離裝置、傳動系統(tǒng)、機(jī)架等組成，可一次性完成百合挖掘、果土分離、輸送一體化作業(yè)，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 拋送輥式百合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of throwing roller lily bulb harvester

果土分離裝置由振動輸送裝置和拋送輥組構(gòu)成。其中，傳動系統(tǒng)由變速箱、同步鏈輪組、傳動齒輪、鏈輪鏈條等組成；挖掘鏟安裝于機(jī)架底部的最前端；振動輸送裝置安裝在拋送輥組前端、挖掘鏟后端，該裝置由偏心輪、連桿、搖桿、振動?xùn)艞U等組成，主要實(shí)現(xiàn)挖掘后的一次碎土與百合輸送功能；拋送輥組是拋送輥式百合收獲機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，安裝在振動輸送裝置后端，其作用是將振動輸送裝置末端滑移過來的果土混合物進(jìn)行二次分離并繼續(xù)向后輸送，最后成條鋪放在田間。

拋送輥式百合收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

1.3 工作原理

工作時，拖拉機(jī)牽引百合收獲機(jī)勻速前進(jìn)，挖掘鏟入土切開土垡將百合與土壤挖起，挖掘出的果土混合物受到前端土塊的擠壓而產(chǎn)生向后的作用力并沿鏟面滑移進(jìn)入振動?xùn)艞U，振動?xùn)艞U通過曲柄驅(qū)動而往復(fù)抖動，部分黏重土塊在抖動作用下破碎，破碎后的土壤從振動?xùn)艞U間隙落下，未破碎的土塊與百合在擠壓力作用下被推送至拋送輥組上，在相互交錯拋送輥的拋擲作用下進(jìn)一步破碎土塊，碎土塊由拋送輥輪間隙落下，百合則在拋送輥的撥送作用下向后逐級輸送。同時，拋送輥在撥送與拋擲過程中不斷梳刷百合表面粘附的土壤，在多級拋送輥的作用下能有效清理百合表面粘附的土壤，從土塊中分離出來的百合最終被輸送到拋送輥末端，百合被最后一級拋送輥撥送后散落至地面并鋪放在田間。

2 拋送輥式百合收獲機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 振動輸送裝置的設(shè)計

為了滿足振動?xùn)艞U的輸送功能，桿條間距要確保能夠托住百合，另外桿條需要初次分離果土混合物中20%～30%的土壤，盡量降低功率消耗[24]，根據(jù)已測定的百合三軸尺寸，兩相鄰桿條中心間距W需小于56.13 mm，因此取W=50 mm。未及時破碎的土塊與百合由桿條末端進(jìn)入拋送輥組，桿條長度尺寸偏小則百合易從桿條末端的間隙掉落，桿條長度尺寸偏大則在往復(fù)擺動時將與拋送輥發(fā)生干涉，且桿條易產(chǎn)生形變，前期試驗(yàn)得到桿條的適宜范圍為130～160 mm，果土混合物堆積在桿條上，桿條長度增加則彎矩增加，導(dǎo)致桿條形變增大而降低作業(yè)效果，通過計算選取桿條長度L=150 mm。振動輸送裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 振動輸送裝置結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動原理圖Fig.3 Structure and motion principle diagram of vibrating conveying device

為保證初步破碎的土壤由振動?xùn)艞U間隙掉落，且百合能夠沿振動?xùn)艞U表面向后滑移，由前期試驗(yàn)得到搖桿轉(zhuǎn)速n范圍為240～350 r/min。同時，為了降低作業(yè)過程中百合的破碎率，果土混合物在振動?xùn)艞U上應(yīng)當(dāng)不發(fā)生跳動[25-26]，百合向上后滑動且不發(fā)生跳動的臨界條件為FN≥0，因此可得

式中θ為振動?xùn)艞U的傾斜角度，（°），取θ=4°～10°。

式中m1為果土混合物的質(zhì)量，kg；S1為振動?xùn)艞U的振幅，mm;t為時間，s；ε為摩擦角，（°），經(jīng)試驗(yàn)測得摩擦角為32.2°；n1為果土混合物順利向后滑移且不壅土?xí)r搖桿的轉(zhuǎn)速，r/min。

式（1）、（2）聯(lián)立得臨界轉(zhuǎn)速分別為

式中n2為百合順利向后滑移且不發(fā)生跳動時搖桿的轉(zhuǎn)速，r/min。

為了滿足振動?xùn)艞U的作業(yè)要求，振動輸送裝置搖桿的轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)滿足n1≤n≤n2，由式（1）～（3）聯(lián)立可得振動?xùn)艞U的振幅為122 mm＜S1＜148 mm。振動?xùn)艞U的振幅在滿足其作業(yè)要求時，振幅增加有利于土塊破碎且不易壅土，因此振動?xùn)艞U的振幅取S1=148 mm，對應(yīng)的振動?xùn)艞U搖桿轉(zhuǎn)速n=350 r/min。根據(jù)振動?xùn)艞U的振幅可求得振動?xùn)艞U的最大擺動角度為

式中α為振動?xùn)艞U的最大擺動角度，（°）。

振動?xùn)艞U的桿條長度L=150 mm，由式（4）可得振動?xùn)艞U的最大擺動角度值α=59.12°。

2.2 拋送輥組的設(shè)計

拋送輥組中的拋送輥均由六方軸、六方軸套、拋送輥輪構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。拋送輥組中的單個拋送輥均通過同步鏈輪連接，作業(yè)時所有拋送輥同步轉(zhuǎn)動。拋送輥輪與六方軸間隙配合可實(shí)現(xiàn)徑向定位，拋送輥輪與六方軸套在六方軸上交替排列可實(shí)現(xiàn)軸向定位，六方軸則通過軸承座固定于機(jī)架兩側(cè)板之間。一級、二級拋送輥上的拋送輥輪交錯排列，拋送輥上的拋送輥輪均按此種模式依次排列，作業(yè)時拋送輥輪將不會發(fā)生干涉。

圖4 拋送輥組結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of the throwing rollers group

2.2.1 拋送輥輪間距

拋送輥輪間距為同一六方軸上兩相鄰拋送輥輪的距離Tc，此拋送輥輪間距主要由收獲期百合塊莖的三軸尺寸所確定。通過試驗(yàn)得到了收獲期百合的三軸尺寸，作業(yè)過程中為了保證百合不會從兩拋送輥輪之間的間隙掉落下去，拋送輥輪間距應(yīng)當(dāng)小于百合三軸尺寸的最小值，同時為了保證間隙能夠順利落土，則拋送輥輪間距應(yīng)當(dāng)適當(dāng)偏大，因此綜合考慮確定拋送輥輪的間距Tc=50 mm。

2.2.2 拋送輥組級數(shù)

黏重土塊由振動?xùn)艞U進(jìn)入拋送輥組，體積較小的黏重土塊被拋擲一定高度Δh后自由下落與后一級拋送輥輪發(fā)生碰撞，黏重土塊破碎過程中，將黏重土塊假設(shè)為一個球體進(jìn)行分析，半徑設(shè)為r，如圖5 所示。黏重土塊與拋送輥輪碰撞所受慣性力矩為黏重土塊破碎的主要力矩，經(jīng)過nc次碰撞黏重土塊將沿慣性力矩和土塊粘結(jié)方向發(fā)生微小位移，慣性力矩和土塊內(nèi)部粘結(jié)力矩在其方向上做功，其慣性力矩和土塊內(nèi)部粘結(jié)力矩表示為土塊破碎所需的能量[27-28]，則黏重土塊破碎的能量方程為

圖5 黏重土塊拋擲過程分析Fig.5 Analysis of the throwing process of clay-heavy block

式中E1為黏重土塊與拋送輥輪碰撞產(chǎn)生的一次破碎沖擊能量，J；E為黏重土塊碰撞破碎需要的總能量，J；m為黏重土塊的質(zhì)量，Kg；g為重力加速度，m/s2；Δh為黏重土塊拋擲高度，mm；r為黏重土塊半徑，mm；C為黏重土塊粘結(jié)強(qiáng)度，kPa。

其中黏重土塊的質(zhì)量為

式中ρb為黏重土壤容重，g/cm3；V為黏重土壤容積，cm3。

為了保證黏重土塊在拋送輥輪的沖擊碰撞下破碎，則黏重土塊碰撞破碎的碰撞次數(shù)可表示為

式中nc為黏重土塊碰撞徹底破碎所需的碰撞次數(shù)。

將式（6）、（7）代入式（5）中，可求得黏重土塊徹底破碎所需要的碰撞次數(shù)為

根據(jù)田間實(shí)測數(shù)據(jù)得到百合種植田100～150 mm 土層的黏土土壤容重為1.4～1.6 g/cm3，此處取ρb為1.6 g/cm3；收獲期百合種植田的土壤含水率平均值為15.6%，百合種植田黏重土壤的平均粘結(jié)強(qiáng)度C為13.6 kPa；拋送輥輪碰撞黏重土塊，黏重土塊傾斜向上運(yùn)動一段距離后斜拋下落，黏重土塊的動能轉(zhuǎn)化為重力勢能，通過建立能量方程可計算得到拋擲高度的范圍值為90.3～108.6 mm，此處取拋擲高度Δh=100 mm。將參數(shù)代入式（8）中可求得nc=6.5，取整數(shù)值得到nc=7.0，根據(jù)黏重土塊破碎碰撞能量需求選取拋送輥組的級數(shù)為7 級。

2.2.3 拋送輥輪直徑

果土混合物進(jìn)入拋送輥后，體積較大的黏重土塊受到交錯拋送輥輪的碰撞和擠壓作用從而造成破碎，破碎后較小的黏重土塊將會在拋擲作用下進(jìn)一步破碎[29]，分離出來的百合則沿拋送輥輪弧形輪廓逐級向后輸送。對輥碰撞擠壓碎土過程中，將黏重土塊假設(shè)為半徑為rt的球體。如圖6 所示，在前后兩級拋送輥對黏重土塊的碰撞過程中，拋送輥輪對黏重土塊造成的瞬時碰撞力Fn1、Fn2、Fn3，為保證黏重土塊能順利破碎，拋送輥輪對黏重土塊的碰撞力需要大于黏重土塊內(nèi)部的粘結(jié)力，可求得對O點(diǎn)的力矩方程應(yīng)滿足

圖6 黏重土塊破碎過程分析Fig.6 Analysis of crushing process of clay-heavy block

其中黏重土塊的粘結(jié)力可表示為

式中Su為黏重土塊破碎斷裂處的面積，mm2。

其中黏重土塊的重力表示為

拋送輥與黏重土塊碰撞過程中，拋送輥輪的瞬時動量可轉(zhuǎn)化為對黏重土塊的沖擊碰撞力，因此拋送輥輪對黏重土塊的碰撞動量與沖量可表示為

式中P1為拋送輥輪對黏重土塊的碰撞動量，kg·m/s;Fn為拋送輥輪對黏重土塊的碰撞力，N，且Fn=Fn1=Fn2=Fn3；Δt為碰撞的時間，s；Vt碰撞前拋送輥輪的線速度，m/s；mt為拋送輥輪的重量，kg。

黏重土塊破碎后，拋送輥輪與百合發(fā)生碰撞，拋送輥輪對百合的碰撞動量與沖量可表示為

式中P2為拋送輥輪對百合的碰撞動量，kg·m/s。

其中拋送輥輪的線速度為

式中Dt為拋送輥輪的直徑，mm；nt為拋送輥輪的轉(zhuǎn)速，r/min。

為保證拋送輥輪的碰撞力能克服黏重土塊內(nèi)部粘結(jié)力從而破碎土塊，需要滿足式（8）的條件；根據(jù)試驗(yàn)得到造成百合損傷的最大碰撞力Fp=10 N，為了保證土塊破碎后拋送輥輪不損傷百合，其碰撞力應(yīng)當(dāng)小于Fp，因此將式（6）、（10）～（12）、（14）代入式（9）中，將式（14）代入式（13）中可得

根據(jù)收獲期百合田間采集數(shù)據(jù)及前期試驗(yàn)可得相關(guān)參數(shù)：rt=120 mm，ρb=1.6 g/cm3，C=13.6 kPa，g=9.8 m/s2；n=60 r/min；mt=1.2 kg；Δt=0.1 s；Fp=10 N。將相關(guān)參數(shù)代入式（14）可得266.4 mm＞Dt＞244.8 mm，因此選取拋送輥輪的直徑為Dt=250 mm。

2.2.4 拋送輥輪撥指數(shù)量

為了使拋送輥輪在運(yùn)動空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)果土向上拋擲、向后輸送的效果，拋送輥輪末端線速度在垂直方向的分量Vdy應(yīng)向上且滿足速度要求，拋送輥拋擲土塊碎土并由拋送輥輪間隙掉落；拋送輥輪末端線速度在水平方向的分量Vdx與機(jī)具前進(jìn)速度Vm應(yīng)當(dāng)滿足Vdx/Vm大于1，果土混合物將有向后運(yùn)動的速度與位移趨勢，可保證拋送輥組將果土混合物向后輸送，此時拋送輥輪末端的運(yùn)動軌跡將形成余擺線[27]。運(yùn)動過程中拋送輥輪的拋送圖由多條余擺線組合形成余擺帶，如圖7 所示，余擺帶的寬度近似于拋送輥輪的半徑，在圓周方向拋送輥輪的撥指數(shù)與拋送輥輪前進(jìn)一周的距離St相關(guān)，因此可得式（16）。

圖7 拋送輥輪撥指運(yùn)動軌跡Fig.7 Movement trajectory of the wheel finger of the throwing roller

式中k為圓周方向拋送輥輪的撥指數(shù);R為拋送輥輪的半徑，mm；t為拋送輥輪轉(zhuǎn)動一周的時間，s。

由式（16）可得:

將相關(guān)參數(shù)代入式（17），可求得拋送輥輪撥指數(shù)k=4.16，因此k取整數(shù)為4。

2.2.5 拋送輥輪尺寸

拋送輥在果土分離過程中，兩相鄰拋送輥的拋送輥輪之間將形成持果空間，百合在持果空間內(nèi)受到拋送輥輪的作用，將產(chǎn)生拋擲、滑移、跳躍等運(yùn)動。為了保證百合在此空間內(nèi)能被順利向后推送，并在推送過程中降低破碎率，因此需要將拋送輥輪的外輪廓設(shè)計成圓弧形態(tài)，如圖8 所示，拋送輥輪上的外凸圓弧和內(nèi)凹圓弧構(gòu)成了持果空間。拋送輥輪轉(zhuǎn)動過程中，百合在拋送輥輪末端的拋擲作用下將產(chǎn)生跳躍運(yùn)動，隨后由外凸圓弧滑下進(jìn)入持果空間，循環(huán)往復(fù)有利于果土分離和百合輸送。

圖8 拋送輥輪結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig.8 Structural dimension diagram of throwing roller

百合的外形近似于橢球形，為了保證百合在持果空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)滑移與滾動，拋送輥輪的外形輪廓應(yīng)當(dāng)盡量避免出現(xiàn)尖角等突出部分。因此，結(jié)合百合的三軸尺寸，拋送輥輪的外形輪廓線由凹凸相間的圓弧相切過渡組成。經(jīng)過理論計算確定了拋送輥輪直徑Dt=250 mm，因此拋送輥輪半徑R=125 mm。為了保證百合能夠順利滑入持果空間，結(jié)合百合的三軸尺寸及拋送輥輪的直徑，設(shè)計得到拋送輥輪外形輪廓線的圓弧半徑為：R1=4 mm；R2=100 mm；R3=38 mm；R4=50 mm；R5=30 mm；R6=180 mm。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)上述總體設(shè)計方案、主要部件參數(shù)，設(shè)計制作了4DK-160 型拋送輥式百合收獲機(jī)。試驗(yàn)于2022 年7月進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)為湖南省邵陽隆回百合種植示范推廣基地，選取龍牙百合作為試驗(yàn)對象。試驗(yàn)設(shè)備包括拋送輥式百合收獲機(jī)、土壤含水率測定儀、土壤緊實(shí)度測定儀、卷尺、鋼尺、游標(biāo)卡尺、電子轉(zhuǎn)速儀、轉(zhuǎn)速表、秒表、電子量角器、電子秤（量程0～300 g）、電子秤（量程0～30 kg）以及其他工具。土壤類型為黏重土壤，土壤容重為1.6 g/cm3，土壤緊實(shí)度為128 kPa，含水率為15.6%。試驗(yàn)前，為了避免百合莖稈在收獲過程中影響百合埋果率與破損率，因此采用人工拔取的方式將百合莖稈拔出并集壟后移出田間。同時選取廂面寬度與壟寬均勻的田地進(jìn)行試驗(yàn)。每組試驗(yàn)的行程為5 m，每組試驗(yàn)和取樣重復(fù)3 次，計算百合埋果率、百合破碎率的平均值。百合收獲田間試驗(yàn)如圖9 所示。

圖9 樣機(jī)田間試驗(yàn)Fig.9 Field test of prototype machine

3.2 評價指標(biāo)

由于目前暫無百合收獲機(jī)果土分離質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)，百合收獲機(jī)果土分離性能試驗(yàn)檢測按照DGT/078-2019《馬鈴薯收獲機(jī)》檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，百合收獲機(jī)綜合性能的優(yōu)良與否取決于果土分離過程中的土壤破碎程度（主要體現(xiàn)在百合果實(shí)的埋果率上）以及百合果實(shí)的破損程度。本試驗(yàn)采用稱量法來測定百合果土分離的百合埋果率、百合破碎率，并以此作為百合果土分離試驗(yàn)的評價指標(biāo)。

試驗(yàn)選擇湖南邵陽隆回龍牙百合品種，試驗(yàn)時對地面上的百合、埋藏于土塊之下的百合、表皮損傷的百合、破碎的百合鱗片的總質(zhì)量分別稱量，在同一條件下每組試驗(yàn)進(jìn)行3 次，結(jié)果取平均值。

1）百合埋果率

式中Y1為百合埋果率，%；J為挖掘區(qū)域百合的總質(zhì)量，kg；J1為未挖掘出百合的總質(zhì)量，包括埋藏于土塊之下未損傷百合總質(zhì)量J2、斷裂百合鱗片總質(zhì)量J3，kg；J4為挖掘出百合的總質(zhì)量，包括平鋪在地面上未損傷百合總質(zhì)量J5、斷裂百合鱗片總質(zhì)量J6，kg。

2）百合破碎率

式中Y2為百合破碎率，%；B1為表皮損傷百合的總質(zhì)量，包括地面上表皮損傷百合的總質(zhì)量、埋藏于土塊之下表皮損傷百合的總質(zhì)量，kg。

3.3 試驗(yàn)方案

百合收獲機(jī)作業(yè)時，機(jī)具前進(jìn)速度對于百合損傷、漏挖有著較大的影響，機(jī)具前進(jìn)速度過快，百合破損率、埋果率明顯增加。百合果實(shí)生長深度一般在120～150 mm之間，為了確保有效挖掘百合又不造成損傷，挖掘深度不宜過?。蝗敉诰蛏疃冗^大，挖掘阻力增大且果土混合物喂入量增加，導(dǎo)致大量果土混合物堆積在果土分離裝置上，不利于碎土與物料輸送。拋送輥是土塊破碎與百合輸送的關(guān)鍵部件，拋送輥轉(zhuǎn)速過低則土塊破碎效率低易導(dǎo)致壅土，而拋送輥轉(zhuǎn)速過高則會導(dǎo)致百合碰撞動能增大，百合易損傷。為了確定適用于設(shè)計的百合收獲機(jī)的最優(yōu)工作參數(shù)，以機(jī)具前進(jìn)速度X1、挖掘深度X2、拋送輥轉(zhuǎn)速X3為影響因素進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。收獲過程中為了保證百合挖掘效率以及果土混合物喂入量的要求，機(jī)具前進(jìn)速度不宜過小，根據(jù)田間實(shí)際工作情況，選取機(jī)具前進(jìn)速度分別為0.4、0.7、1.0 m/s。通過理論計算與前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)挖掘深度不宜超過200 mm，因此通過拖拉機(jī)液壓裝置調(diào)整入土深度，挖掘深度試驗(yàn)值選取為160、180、200 mm。根據(jù)前期試驗(yàn)得到拋送輥轉(zhuǎn)速適合范圍在80～120 r/min，通過調(diào)整變速箱檔位來改變傳動比，選取拋送輥轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)值為80、100、120 r/min。根據(jù)實(shí)際需求及前文中的參數(shù)范圍，試驗(yàn)采用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)[30-31]，試驗(yàn)因素編碼表如表2 所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼表Table 2 Experimental factors codes

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

百合機(jī)械化收獲依據(jù)田間試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，并根據(jù)評價指標(biāo)統(tǒng)計試驗(yàn)結(jié)果，正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Experiment scheme and results

4.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過Design-Expert 12.0.1 對百合埋果率、百合破碎率進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4 所示。對百合埋果率Y1、百合破碎率Y2分別建立回歸模型。通過P值檢驗(yàn)得出：試驗(yàn)因素X2對百合埋果率的影響極顯著，試驗(yàn)因素X1、X3對百合破碎率的影響極顯著。同時得到各因素對百合埋果率Y1、百合破碎率Y2影響的回歸方程分別為

對上述回歸方程進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，結(jié)果如表4 所示，百合埋果率的失擬項(xiàng)P=0.700 8（P＞0.1）、百合破碎率的失擬項(xiàng)P=0.125 0（P＞0.1），表明百合埋果率與百合破碎率的失擬項(xiàng)P的回歸方程擬合度高，證明不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素。

4.2 模型優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了使百合收獲機(jī)工作效果最佳，則要求拋送輥式果土分離裝置的果土分離效果好、百合損傷程度低。由于各因素對目標(biāo)值的影響不一致，需要進(jìn)行全局多目標(biāo)優(yōu)化。以百合埋果率、百合破碎率為目標(biāo)函數(shù)，對百合收獲機(jī)的前進(jìn)速度、挖掘深度、拋送輥轉(zhuǎn)速3個試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化約束條件為

利用Design-Expert12.0.1 軟件對各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解以達(dá)到最優(yōu)工作參數(shù)組合。優(yōu)化后百合收獲機(jī)前進(jìn)速度為0.64 m/s、挖掘深度為168.18 mm、拋送輥轉(zhuǎn)速為90.56 r/min，在此條件下，百合埋果率為6.1%，百合破碎率為7.3%。取整后拋送輥式百合收獲機(jī)的前進(jìn)速度為0.6 m/s，挖掘深度為170 mm，拋送輥轉(zhuǎn)速為90 r/min，田間試驗(yàn)百合埋果率的平均值為6.3%、百合破碎率的平均值為7.1%。

4.3 優(yōu)化條件下的對比試驗(yàn)

選取4DK-160 型拋送輥式百合收獲機(jī)與市場上傳統(tǒng)的4B-160 型鏈桿式塊莖作物收獲機(jī)、振動篩式塊莖作物收獲機(jī)進(jìn)行百合收獲田間對比試驗(yàn)，試驗(yàn)地塊選取黏重土壤條件下的百合種植田。選取機(jī)具的工作參數(shù)為：前進(jìn)速度為0.6 m/s，挖掘深度為170 mm，拋送輥轉(zhuǎn)速為90 r/min，其他條件設(shè)置一致，通過試驗(yàn)獲得不同收獲方式作業(yè)后的評價指標(biāo)實(shí)測值，如表5 所示。

表5 優(yōu)化條件下各評價指標(biāo)的實(shí)測值Table 5 Experimental value of evaluation indices at optimal condition %

由表5 可知，4DK-160 型拋送輥式百合收獲機(jī)的百合埋果率實(shí)測值相比于其他兩款機(jī)型分別降低了6.5 和8.2 百分點(diǎn)，表明該機(jī)型在黏重土壤條件下的碎土能力優(yōu)于其他兩款機(jī)型。其次，該機(jī)型作業(yè)的總損失率相比于其他兩款機(jī)型分別降低了4.1 和9.4個百分點(diǎn)，從對比試驗(yàn)的結(jié)果可知，4DK-160 型拋送輥式百合收獲機(jī)比傳統(tǒng)的塊莖作物收獲機(jī)更適合黏重土壤條件下的百合收獲。

5 結(jié)論

1）本文研制的4DK-160 型拋送輥式百合收獲機(jī)主要由拋送輥、振動輸送裝置、挖掘鏟等部分構(gòu)成，可一次性完成物料挖掘、土塊破碎、百合輸送與鋪放等作業(yè)。

2）分別對振動輸送裝置與拋送輥組建立模型得到結(jié)構(gòu)尺寸、工作參數(shù)與機(jī)具性能之間的關(guān)系。建立了黏重土塊、百合在拋送輥上的運(yùn)動學(xué)與碰撞動力學(xué)模型，得到了滿足黏重土塊破碎、百合低損收獲條件下的拋送輥直徑為250 mm、拋送輥級數(shù)為7、拋送輥輪撥指數(shù)為4。

3）通過多因素試驗(yàn)與模型優(yōu)化，得到優(yōu)化后4DK-160 型拋送輥式百合收獲機(jī)工作的相關(guān)參數(shù)組合為：機(jī)具前進(jìn)速度0.6 m/s，挖掘深度170 mm，拋送輥轉(zhuǎn)速90 r/min。通過田間對比試驗(yàn)得到了該機(jī)型參數(shù)優(yōu)化后的百合埋果率、百合破碎率的試驗(yàn)值分別為6.3%與7.1%，滿足百合收獲的生產(chǎn)要求。