板齒式軸流玉米脫粒分離裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：針對(duì)黑龍江地區(qū)玉米脫粒過(guò)程中破碎率和未脫凈率高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)板齒式軸流玉米脫粒分離裝置，對(duì)其關(guān)鍵部件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，利用制圖軟件建立整體試驗(yàn)臺(tái)的三維模型。試驗(yàn)將凹板柵格尺寸、滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量作為影響因素，將籽粒破碎率和未脫凈率作為性能指標(biāo)，在自制的玉米脫粒分離裝置試驗(yàn)臺(tái)上展開(kāi)單因素和多因素的試驗(yàn)研究，并運(yùn)用Design-Expert 12.0數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果展開(kāi)分析及優(yōu)化求解。結(jié)果表明：試驗(yàn)因素對(duì)籽粒破碎率的影響從大到小依次為凹板柵格尺寸、喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速，對(duì)未脫凈率的影響從大到小依次為喂入量、凹板柵格尺寸、滾筒轉(zhuǎn)速；最優(yōu)參數(shù)組合為：凹板柵格尺寸18 mm、滾筒轉(zhuǎn)速199 r/min、喂入量2.1 kg/s，此時(shí)籽粒破碎率最小值為2.39%，未脫凈率最小值為0.21%。最后對(duì)最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差滿足要求。

關(guān)鍵詞：玉米；板齒；脫粒分離裝置；喂入量；響應(yīng)曲面試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 11?0106?08

Design and experiment of plate and tooth type axial flow corn threshing

and separating device

Li Xinran1， Mao Xin1， Yi Shujuan1， Wang Xue2， Chen Tao1， Wang Shuhang3

（1. College of Engineering， Heilongjiang Bayi Agricultural University ， Daqing， 163319， China; 2. College of Information and Electrical Engineering， Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， 163319， China; 3. Industrial Development Promotion Center， Daqing Economic and Technological Development Zone， Daqing， 163319， China）

Abstract： Aiming at the problem of high crushing rate and uncleaned rate in the process of corn threshing in Heilongjiang region， the plate?tooth axial flow corn threshing and separating device was designed， and the parameters of its key components was designed and calculated， and the three?dimensional model of the overall test bench was established by using the mapping software. The dimensions of the concave plate grid， drum speed and feeding volume were taken as the influencing factors， and the crushing rate and uncleaned rate were taken as the performance indexes， the single?factor and multi?factor experiments were carried out on the homemade corn threshing and separating device test bench， and Design-Expert 12.0 data analysis software was used to analyze the experimental results and optimize the solution. The results showed that the influence of the test factors on the kernel breakage rate was from the largest to the smallest in the order of concave plate grid size， feeding volume and drum speed， and the influence on the unthreshing rate was from the largest to the smallest in the order of feeding volume， concave plate grid size and drum speed， the optimal combination of parameters was as follows： Concave plate grid size 18 mm， drum speed 199 r/min， feeding volume 2.1 kg/s. The minimum value of the seed crushing rate was 2.39% and the minimum value of the uncleaned rate was 0.21%. Finally， the optimal parameter combinations are verified experimentally， and the relative error between the verification results and the optimization results meets the requirements.

Keywords： corn; slatted teeth; threshing and separating device; feeding volume; response surface test

0 引言

黑龍江省是全國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，也是全國(guó)玉米主產(chǎn)地區(qū)之一。黑龍江省季節(jié)氣候寒冷，玉米收獲時(shí)，果穗水分含量過(guò)高，一般在30%左右，在機(jī)械化玉米果穗脫粒環(huán)節(jié)，會(huì)產(chǎn)生籽粒的破碎以及籽粒未脫凈，造成收獲質(zhì)量降低。脫粒裝置對(duì)籽粒破碎率、未脫凈率等作業(yè)性能有重要的影響[1]，降低脫粒分離過(guò)程中的玉米籽粒損失及破碎已成為玉米籽粒聯(lián)合收獲裝備發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離裝置進(jìn)行研究。Phatchanida等[2]對(duì)玉米脫粒機(jī)的導(dǎo)向葉片傾角及滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)脫粒性能和功耗的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)其影響顯著。Waree等[3]對(duì)脫粒裝置中不同水平凹板間隙及凹板篩孔對(duì)脫粒功耗和脫粒性能的影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明，凹板間隙和凹板篩孔對(duì)功耗和籽粒損失有重要影響，對(duì)籽粒破碎率無(wú)顯著影響。Ugwu等[4]對(duì)玉米脫粒試驗(yàn)臺(tái)上的脫粒過(guò)程進(jìn)行研究，研究表明，在玉米籽粒含水率過(guò)高時(shí)脫粒效果不理想，而玉米籽粒含水W4uqjCQzcxHgD5saGWDtZg==率在10%左右時(shí)脫粒效果最好，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)脫粒試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)，脫粒效率可以達(dá)到99.01%，并通過(guò)方差分析的方法建立玉米含水率與脫粒效果的關(guān)系方程。衣淑娟等[5]采用軸流式脫粒元件為板齒和釘齒組合的脫粒滾筒進(jìn)行脫粒試驗(yàn)，得出脫粒過(guò)程中軸向的籽粒分布變化規(guī)律。耿端陽(yáng)等[6]研發(fā)多種玉米柔性脫粒裝置，基于各種理論對(duì)柔性齒與玉米果穗碰撞接觸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，主要針對(duì)黃淮海地區(qū)玉米收獲過(guò)程中籽粒破碎率和未脫凈率高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)的裝置極大降低玉米收獲過(guò)程中籽粒破碎率。林君堂[7]、滕悅江[8]等在研究玉米聯(lián)合收獲機(jī)縱軸流式脫粒分離裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹對(duì)滾筒、凹板、脫粒間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)田間試驗(yàn)研究找到最優(yōu)的工作參數(shù)，為縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考依據(jù)。然而，專(zhuān)家學(xué)者們針對(duì)黑龍江省玉米收獲的脫粒分離裝置的設(shè)計(jì)研究和試驗(yàn)研究較少。

為此，針對(duì)黑龍江地區(qū)玉米脫粒過(guò)程的問(wèn)題，在分析現(xiàn)有脫粒分離裝置特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算研制一種板齒式軸流玉米脫粒分離裝置，并且運(yùn)用單因素與多因素的脫粒性能試驗(yàn)方法，探究提升黑龍江地區(qū)玉米脫粒質(zhì)量的方法，為黑龍江地區(qū)玉米聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離裝置研發(fā)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

板齒式軸流玉米脫粒分離裝置試驗(yàn)臺(tái)（圖1）由輸送帶、電動(dòng)力臺(tái)、板齒式脫粒滾筒、凹板、蓋板、接收籽粒車(chē)等組成，并配有電氣控制系統(tǒng)，其采用徑向喂入方式，脫粒滾筒上有螺旋排列的脫粒元件—板齒，蓋板下表面設(shè)有導(dǎo)流板，方便物料軸向運(yùn)輸；為了便于收集脫出籽粒，在脫粒裝置下部設(shè)置接收籽粒車(chē)。

1.2 工作原理

此板齒式軸流玉米脫粒分離裝置采用徑向喂入、軸向排出的脫粒工藝流程，如圖2所示。工作過(guò)程主要分為玉米果穗喂入、玉米籽粒脫粒分離和玉米芯軸排出3個(gè)階段：工作時(shí)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送帶，將玉米果穗均勻地通過(guò)喂入料斗喂入裝置內(nèi)部，在脫粒元件、凹板和蓋板上的導(dǎo)流板的聯(lián)合作用下，喂入的玉米果穗沿著裝置內(nèi)部進(jìn)行軸向螺旋運(yùn)動(dòng)，完成玉米果穗的喂入過(guò)程，該過(guò)程接料擋板閉合，玉米籽粒透過(guò)凹板直接掉落在接料擋板上方，待玉米果穗充滿裝置內(nèi)部，拉開(kāi)接料擋板，開(kāi)始玉米籽粒脫粒分離工作，玉米果穗與脫粒分離裝置接觸示意圖如圖3所示，電動(dòng)力臺(tái)為板齒式脫粒滾筒旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，玉米果穗經(jīng)過(guò)脫粒元件（板齒）與凹板的擠壓和揉搓以及物料之間的相互撞擊作用，完成脫粒過(guò)程，同時(shí)，脫粒滾筒不斷旋轉(zhuǎn)并與凹板相配合，實(shí)現(xiàn)玉米籽粒和玉米芯軸分離，玉米籽粒經(jīng)凹板篩落進(jìn)入接收籽粒車(chē)，玉米芯軸雜余經(jīng)排雜口排出，完成排雜工作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 脫粒滾筒

脫粒滾筒是玉米脫粒裝置的核心部件，滾筒長(zhǎng)度、滾筒直徑及脫粒元件的螺旋分布情況等是其重要參數(shù)。板齒式脫粒滾筒所能承受的喂入量很大，且具有脫粒時(shí)間長(zhǎng)、物料在脫?？臻g內(nèi)運(yùn)動(dòng)充分、脫凈率高和籽粒破碎率低的特點(diǎn)。但是，如果滾筒的長(zhǎng)度太長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致功耗增大，從而產(chǎn)生較多的玉米碎芯軸和破碎籽粒，這對(duì)玉米籽粒的后續(xù)清選等工作不利，還不符合試驗(yàn)節(jié)能減排的環(huán)保要求，因此合理設(shè)計(jì)滾筒長(zhǎng)度至關(guān)重要。

脫粒滾筒長(zhǎng)度

[A≥a/a0] （1）

式中： a——實(shí)際喂入量，kg/s；

a0——單元時(shí)間內(nèi)、單元長(zhǎng)度上所能承擔(dān)的喂入量，取值1 kg/（s ? m）。

此脫粒滾筒的喂入量a取0～2.5 kg/s，代入公式計(jì)算可得，其長(zhǎng)度在0～2.5 m之間取值。因不同型號(hào)的脫粒裝備對(duì)脫粒滾筒長(zhǎng)度要求不同，在《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中對(duì)于滾筒長(zhǎng)度的一般規(guī)定范圍為l～3 m[9]，脫粒滾筒型式尺寸和技術(shù)要求中規(guī)定滾筒長(zhǎng)度系列為500 mm、700 mm、900 mm、1 200 mm、1 350 mm、1 500 mm，考慮前端喂入料口尺寸，最終此設(shè)計(jì)中脫粒滾筒長(zhǎng)度取1.66 m（即1 660 mm）。

脫粒滾筒直徑

[Dz≥Dg+2hz] （2）

式中： Dg——板齒的齒根圓直徑，mm；

hz——板齒高度，mm。

考慮滾筒直徑過(guò)小容易出現(xiàn)堵塞問(wèn)題，嚴(yán)重影響玉米果穗脫粒效果，通常Dg>300 mm，綜合考慮制造成本和結(jié)構(gòu)的約束因素，最后將其定為420 mm，將脫粒元件的高度設(shè)計(jì)為90 mm，因此，脫粒滾筒的直徑是510 mm。

脫粒元件（板齒）沿螺旋線均勻裝配在滾筒外表面，滾筒表面螺旋線間距為320 mm，脫粒元件（板齒）沿螺旋線均勻裝配在滾筒外表面，板齒式脫粒滾筒結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 脫粒元件—板齒

此脫粒滾筒采用脫粒元件是板齒，板齒上方采用倒圓角設(shè)計(jì)，以緩和板齒對(duì)籽粒的沖擊力，板齒是在釘齒的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其脫粒原理和釘齒大體相同，主要通過(guò)疏刷、揉搓和擊打進(jìn)行脫粒，板齒比釘齒擊打面積更大、脫粒速度更快、脫粒分離效果更好。當(dāng)玉米果穗經(jīng)輸送帶連續(xù)均勻地進(jìn)入脫粒滾筒內(nèi)部時(shí)，板齒與凹板互相作用，將玉米籽粒迅速?gòu)挠衩坠肷先啻?、打擊下?lái)，較釘齒比脫凈率顯著提高，而且在保證脫粒效率的前提下，最大限度地減少玉米的破碎。

板齒與梯形板齒座的材料均選擇為45#鋼，45鋼調(diào)質(zhì)后表面硬度在HRC20～HRC30之間，表面硬度略低，有較好的抗沖擊性，有良好的綜合機(jī)械性能。通過(guò)查閱相關(guān)學(xué)者研究[10]和農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[11]，確定板齒高度為90 mm，其中底座高度為50 mm。為了增加玉米脫粒裝置的作業(yè)穩(wěn)定性和可靠性，梯形板齒座與脫粒滾筒之間采用焊合方式連接，梯形板齒座與板齒通過(guò)螺栓連接，且螺栓連接易于更換磨損板齒。板齒的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3 凹板

凹板作為脫粒分離裝置中重要組成部分，主要是可以提高脫粒性能并提高籽粒分離效率。它與滾筒配合進(jìn)行玉米脫粒，并對(duì)脫下籽粒與玉米芯軸進(jìn)行分離。它使大部分玉米籽粒迅速分離，避免玉米籽粒堆積造成二次脫粒打擊傷害。既降低了玉米脫粒時(shí)籽粒破碎率，同時(shí)也省去了設(shè)置分離裝置的經(jīng)濟(jì)開(kāi)銷(xiāo)。因此，選取凹板很重要，參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，柵格式凹板分離效果優(yōu)于沖孔式凹板，其篩孔率可達(dá)到50%以上，分離率可達(dá)到90%，此設(shè)計(jì)選擇凹板兩種類(lèi)型中的柵格式凹板。

凹板直徑

[D0=Dq+2δ] （3）

式中： Dq——板齒式軸流脫粒滾筒的齒頂圓直徑，mm；

δ——脫粒間隙，mm。

根據(jù)查閱相關(guān)學(xué)者研究文獻(xiàn)[12， 13]，最后選取最佳脫粒間隙為45 mm，經(jīng)計(jì)算凹板直徑D0=656 mm。

凹板與脫粒滾筒的揉搓距離，也就是實(shí)際脫粒分離工作的有效距離，取決于凹板的長(zhǎng)度和包角的大小。在滾筒直徑不變的情況下，增大凹板的圓弧長(zhǎng)度，就等于增大凹板的包角。經(jīng)查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，包角與揉搓距離成正比關(guān)系。綜合滾筒直徑考慮，最后將柵格凹板總長(zhǎng)確定為1 500 mm，包角確定為180°，凹板結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.4 蓋板

蓋板是進(jìn)行脫粒工作的關(guān)鍵部件之一，其與凹板連接組成圓筒形脫粒工作室。它不僅可以防止脫粒物料濺出，而且蓋板內(nèi)壁上的螺旋導(dǎo)向板可輸送物料，也可減少物料堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。在揉搓和打擊作用下，玉米果穗中的大多數(shù)籽粒都會(huì)從果穗上脫落，而輕質(zhì)玉米果穗，在脫粒滾筒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的離心力，再加上導(dǎo)向板的強(qiáng)力導(dǎo)引，使玉米果穗快速地向排雜口方向移動(dòng)，避免反復(fù)揉搓造成分離效果差。

為了方便導(dǎo)流與排雜，導(dǎo)向板導(dǎo)流角的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在蓋板和脫粒裝置的聯(lián)合作用下，玉米果穗做螺旋運(yùn)動(dòng)，假設(shè)導(dǎo)向板導(dǎo)流角設(shè)為θ，螺旋的移動(dòng)速度是Vθ，它可以被分為沿脫粒滾筒運(yùn)動(dòng)的垂直分速度Vy和沿著脫粒滾筒運(yùn)動(dòng)的切向分速度Vx，如圖7所示。因此，垂直分速度和切向分速度之間的關(guān)系為

[Vy=Vx?tanθ] （4）

根據(jù)盧里耶谷物脫粒理論[14]，當(dāng)物料離開(kāi)板齒式脫粒滾筒時(shí)，沿滾筒運(yùn)動(dòng)的切向分速度等于此時(shí)滾筒的切線速度，即板齒式脫粒滾筒線速度Vz=Vx時(shí)，可得

[Vy=Vxtanθ=Vztanθ=0.022 8nztanθ] （5）

為避免脫粒滾筒產(chǎn)生積聚作物，因此，物料的脫粒排出速度大于物料的喂入速度。如果按照單位時(shí)間內(nèi)物料的質(zhì)量流量來(lái)進(jìn)行計(jì)算，那么物料的喂入量就不會(huì)超過(guò)排出量，其關(guān)系式為

[W喂≤W出=Vymv=VyShρtanθ] （6）

式中： W喂——脫粒試驗(yàn)時(shí)玉米果穗喂入量，kg/s；

W出——脫粒試驗(yàn)時(shí)玉米果穗排出量，kg/s；

mv——單位速度下玉米果穗的質(zhì)量，kg/（m ? s）；

Sh——脫粒室橫截面中環(huán)形間隙的面積，m2；

ρ——脫粒試驗(yàn)時(shí)玉米果穗的密度，kg/m3。

當(dāng)忽略脫粒元件所占空間體積時(shí)，則導(dǎo)向板的導(dǎo)流角計(jì)算如式（7）所示。

[θ≥tan-1W喂/（VzShρ）] （7）

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，θ≥14.2°。在蓋板上，導(dǎo)板的偏轉(zhuǎn)角排列應(yīng)采用傾斜的角度，由前至后的倒轉(zhuǎn)角應(yīng)逐漸增加。前部的作用是脫粒，所以反向角度比較小，后部的反向角度比較大，可以加速材料的軸向運(yùn)動(dòng)，也可以起到防止堵塞的作用。導(dǎo)向板一共有9個(gè)，倒流角有15°、20°、25°三種角度，前端兩塊導(dǎo)板倒流角角度最小為15°，最后一塊倒流角度最大為25°，中間六塊導(dǎo)板倒流角角度為20°，各導(dǎo)向板間隔為100～200 mm，蓋板結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3 玉米脫粒分離裝置性能試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用物料為黑龍江省安達(dá)市冬季儲(chǔ)存玉米果穗，品種為瑞普909，試驗(yàn)開(kāi)始前，取玉米果穗和玉米籽粒測(cè)各50個(gè)得各部分物料特性，測(cè)得其物料特性如表1所示。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)收獲實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，在試驗(yàn)開(kāi)始前，先將一定重量的玉米穗粒平均放置在輸送帶的一側(cè)，并留出1 m左右的加速調(diào)節(jié)區(qū)域。對(duì)脫粒分離裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其在穩(wěn)定運(yùn)行后，再啟動(dòng)傳送帶，從而完成玉米果穗喂入、玉米籽粒脫粒分離和玉米芯軸排出的工作全過(guò)程。板齒式玉米軸流脫粒分離裝置試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物如圖9所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與統(tǒng)計(jì)嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 21962—2008《玉米收獲機(jī)械技術(shù)條件》[15]和GB/T 5982—2017《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》[16]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，選取凹板柵格尺寸、滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量為試驗(yàn)因素，將籽粒破碎率和未脫凈率作為試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。利用高精度的電子天平，以0.01 g的精確度對(duì)脫粒種子的破碎率進(jìn)行了定量計(jì)算。

3.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

影響軸流裝置性能的因素非常多，在前人的研究基礎(chǔ)上，固定其他因素，對(duì)凹板柵格尺寸、滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量3個(gè)因素進(jìn)行不同水平的單因素試驗(yàn)并確定多因素試驗(yàn)的各因素水平范圍。

3.3.1 凹板柵格尺寸對(duì)脫粒性能的影響

脫粒時(shí)，玉米果穗上的籽粒在脫粒元件和凹板的共同作用下與穗軸分離，之后籽粒通過(guò)凹板柵格掉落到接料車(chē)內(nèi)實(shí)現(xiàn)籽粒分離，如果籽粒不及時(shí)分離，容易造成物料堆積的二次打擊和揉搓，因此，凹板柵格尺寸對(duì)脫粒性能有直接影響。故根據(jù)玉米果穗與玉米籽粒的物料特性，取凹板柵格間距為12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速200 r/min，喂入量1.5 kg/s進(jìn)行試驗(yàn)研究。

由圖10可知，籽粒破碎率隨凹板柵格尺寸的增大呈降低的趨勢(shì)，當(dāng)凹板柵格尺寸較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致玉米籽粒分離困難，造成籽粒堆積、反復(fù)揉搓和擠壓，導(dǎo)致籽粒破碎率增高。隨凹板柵格尺寸的增大，玉米籽粒分離容易，果穗之間反復(fù)揉搓、擠壓減少，導(dǎo)致未脫凈率升高。

3.3.2 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)脫粒性能的影響

在玉米脫粒過(guò)程中，脫粒單元的線速度決定了玉米籽粒受到的擠壓、沖擊和揉搓等作用力的大小，而種子的受力狀況又直接影響種子的破碎率和未脫率[17]。脫粒單元的線速度與滾筒的轉(zhuǎn)速成正比例，因此選取滾筒轉(zhuǎn)速130 r/min、200 r/min、270 r/min、340 r/min、410 r/min，喂入量1.5 kg/s、凹板柵格間距18 mm進(jìn)行試驗(yàn)研究。

由圖11可知，隨滾筒轉(zhuǎn)速的增大，籽粒破碎率呈先下降后上升的趨勢(shì)，在200 r/min時(shí)籽粒破碎率最低，最低破碎率為2.42%。隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，也就是脫粒單元線速度的增加，果穗與脫粒分離裝置的交互力逐漸變大，所以，未脫凈率迅速降低，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速超過(guò)270 r/min時(shí)，未脫凈率趨于穩(wěn)定，最低為0.2%。

3.3.3 喂入量對(duì)脫粒性能的影響

喂入量是影響脫粒性能的主要因素之一，嚴(yán)重時(shí)甚至堵塞脫粒滾筒，為研究喂入量對(duì)脫粒性能的影響，試驗(yàn)過(guò)程中取喂入量1 kg/s、1.5 kg/s、2 kg/s、2.5 kg/s、3 kg/s，滾筒轉(zhuǎn)速200 r/min，凹板柵格間距18 mm，進(jìn)行試驗(yàn)研究。

由圖12可知，隨著喂入量的增大，籽粒破碎率呈先降低后升高的趨勢(shì)，未脫凈率隨著喂入量的增大呈降低的趨勢(shì)。在玉米脫粒過(guò)程中，喂入量較大時(shí)，脫粒滾筒與脫粒凹板間隙內(nèi)的果穗較多，導(dǎo)致部分的玉米果穗會(huì)在脫粒元件的根部堆積，脫粒元件不能很好地發(fā)揮脫粒作用，導(dǎo)致破碎率增加；過(guò)多的果穗堆積也導(dǎo)致脫粒元件不充分與玉米果穗進(jìn)行接觸，降低脫粒元件的脫粒強(qiáng)度，提高未脫凈率。

3.4 多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

3.4.1 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)結(jié)果

通過(guò)分析凹板柵格尺寸、滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量對(duì)脫粒性能影響的單因素試驗(yàn)，得到了脫粒性能較好時(shí)各因素合理變化范圍：凹板柵格尺寸為16～20 mm，滾筒轉(zhuǎn)速為130～270 r/min，喂入量為1.5～2.5 kg/s，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用Design-Expert 12.0軟件，以凹板柵格尺寸、滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量為因素，以籽粒破碎率和未脫凈率為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，中心水平設(shè)置5組重復(fù)，共17組試驗(yàn)。水平編碼如表2所示。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。其中A、B、C為因素編碼值。

3.4.2 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

根據(jù)表3數(shù)據(jù)樣本，利用Design-Expert 12.0軟件得到籽粒破碎率和未脫凈率與試驗(yàn)因素之間的二次多項(xiàng)式回歸模型。

[Y1=2.52+0.092A+0.045B+0.058C-0.017AB+0.047BC-0.049A2+0.026B2-0.039C2] （8）

[Y2=0.37-0.016A-0.100B-0.084C+0.10AB-0.005AC+0.082BC+0.021A2-0.036B2+0.0065C2] （9）

由表4、表5可知，兩個(gè)回歸模型的P值均小于0.000 1，表明回歸模型高度顯著；兩個(gè)回歸模型失擬項(xiàng)的P>0.05，說(shuō)明模型失擬性不顯著，回歸模型擬合程度高。由凹板柵格尺寸、滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量的P值可判斷3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)籽粒破碎率及未脫凈率都有極顯著影響，試驗(yàn)因素對(duì)籽粒破碎率的影響從大到小依次為凹板柵格尺寸、喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速，對(duì)未脫凈率的影響從大到小依次為、喂入量、凹板柵格尺寸、滾筒轉(zhuǎn)速；籽粒破碎率回歸模型中的P<0.01，未脫凈率回歸模型中的P<0.01，表明3個(gè)回歸項(xiàng)在回歸模型中交互影響極顯著；兩模型的決定系數(shù)R2與校正決定系數(shù)均接近于1，說(shuō)明該籽粒破碎率及未脫凈率擬合回歸模型具有較高的可靠性。

3.4.3 響應(yīng)曲面分析

根據(jù)回歸模型分析結(jié)果，利用Design-Expert 12.0軟件繪制各因素交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面圖。

凹板柵格尺寸與喂入量對(duì)籽粒破碎率的響應(yīng)曲面如圖13（a）所示，凹板柵格尺寸由20 mm降為16 mm過(guò)程中，喂入量越小，籽粒破碎率越??；當(dāng)喂入量由慢變快時(shí)，籽粒破碎率隨著凹板柵格尺寸增大而增大。凹板柵格尺寸與喂入量對(duì)未脫凈率的響應(yīng)曲面如圖13（b）所示，凹板柵格尺寸由16 mm增加到20 mm過(guò)程中，未脫凈率逐漸下降，變化較明顯；當(dāng)凹板柵格尺寸固定在某一水平時(shí)，由3D響應(yīng)圖可以看出，隨著喂入量的加快，未脫凈率不斷減小。喂入量與滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)未脫凈率的響應(yīng)曲面如圖13（c）所示，在滾筒轉(zhuǎn)速不斷增快過(guò)程中，未脫凈率逐漸上升；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速固定在某一水平時(shí)，由3D響應(yīng)圖可以看出，隨著喂入量的加快，未脫凈率不斷減小。

3.4.4 參數(shù)優(yōu)化

針對(duì)籽粒破碎率及未脫凈率的回歸模型，運(yùn)用Design-Expert 12.0軟件中Optimization功能，以籽粒破碎率及未脫凈率最小為條件，求解回歸模型得到的脫粒工作最優(yōu)參數(shù)為凹板柵格尺寸18 mm、滾筒轉(zhuǎn)速199 r/min、喂入量2.1 kg/s，籽粒破碎率最小值為2.39%，未脫凈率最小值為0.21%。

3.4.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，綜合考慮實(shí)際作業(yè)情況后將參數(shù)設(shè)定為凹板柵格尺寸18 mm、滾筒轉(zhuǎn)速199 r/min、喂入量2.1 kg/s。進(jìn)行3組試驗(yàn)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。由表6可以看出，各性能指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果分別為2.42%、0.22%，計(jì)算可得實(shí)際值與求解理論值的相對(duì)誤差分別為1.23%、4.55%，均小于5%滿足要求，且各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足國(guó)家農(nóng)業(yè)機(jī)械收獲行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)收獲要求。

4 結(jié)論

1） 針對(duì)黑龍江地區(qū)玉米脫粒過(guò)程中破碎率和未脫凈率高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)研制板齒式軸流脫粒與分離裝置，其中脫粒系統(tǒng)的關(guān)鍵部件參數(shù)為：軸向脫分滾筒全長(zhǎng)1 660 mm，直徑510 mm（齒根部直徑420 mm，脫粒元件高度90 mm）；板齒高度為90 mm，其中底座高度為50 mm；柵格凹板直徑為656 mm，總長(zhǎng)度1 500 mm，包角為180°；導(dǎo)向板一共有9個(gè)，導(dǎo)流角有15°、20°、25°三種角度。

2） 通過(guò)凹板柵格尺寸、滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量對(duì)脫粒性能影響的單因素試驗(yàn)，最終得到脫粒性能較好時(shí)各因素合理變化范圍：凹板柵格尺寸為16～20 mm，滾筒轉(zhuǎn)速為130～270 r/min，喂入量為1.5～2.5 kg/s，且滾筒轉(zhuǎn)速與喂入量對(duì)籽粒破碎率和未脫凈率影響趨勢(shì)相反。

3） 多因素試驗(yàn)表明：試驗(yàn)因素對(duì)籽粒破碎率的影響從大到小依次為凹板柵格尺寸、喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速，對(duì)未脫凈率的影響從大到小依次為喂入量、凹板柵格尺寸、滾筒轉(zhuǎn)速；最優(yōu)參數(shù)組合均為：凹板柵格尺寸18 mm、滾筒轉(zhuǎn)速199 r/min、喂入量2.1 kg/s，籽粒破碎率最小值為2.39%，未脫凈率最小值為0.21%。最后對(duì)最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果的誤差滿足要求，且在以上條件下籽粒破碎率均小于5%，未脫凈率小于2%，達(dá)到國(guó)家和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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（下轉(zhuǎn)第 130頁(yè)）

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