大豆收獲機(jī)清選損失籽粒分布規(guī)律研究

摘 要：為提高大豆收獲機(jī)籽粒清選損失檢測(cè)準(zhǔn)確率，研究了清選損失籽粒的分布規(guī)律，確定了各因素對(duì)清選損失籽粒分布規(guī)律的影響，找到清選損失籽粒檢測(cè)傳感器的安裝位置及角度，提高了清選損失檢測(cè)的準(zhǔn)確性、科學(xué)性。高速攝影試驗(yàn)表明，風(fēng)門開度、魚鱗篩開度和振動(dòng)篩頻率等參數(shù)對(duì)損失籽粒分布規(guī)律無顯著影響。

關(guān)鍵詞：大豆籽粒；清選損失；分布規(guī)律；高速攝影

中圖分類號(hào)：S226.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1674-7909（2024）11-152-3

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.11.035

0 引言

隨著我國大豆收獲機(jī)械化水平的日益提高，相關(guān)企業(yè)對(duì)大豆收獲機(jī)清選損失在線檢測(cè)的需求也日益增強(qiáng)。目前，我國大部分聯(lián)合收獲機(jī)通過安裝傳感器來檢測(cè)清選損失情況。目前，我國對(duì)清選損失籽粒分布規(guī)律的研究還處于起步階段，清選損失籽粒檢測(cè)傳感器的安裝位置及角度尚不明確，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確［1］，因此有必要對(duì)清選損失籽粒分布規(guī)律進(jìn)行研究。針對(duì)大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選損失籽粒分布不明確的情況，在自行研制的高速攝影試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了清選損失籽粒分布規(guī)律的高速攝影試驗(yàn)，分析了清選損失籽粒在不同參數(shù)情況下的分布規(guī)律，為大豆收獲機(jī)清選損失籽粒檢測(cè)傳感器安裝位置及角度的確定提供數(shù)據(jù)參考。

1 高速攝影試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及其工作原理

1.1 高速攝影試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

為準(zhǔn)確檢測(cè)大豆收獲機(jī)作業(yè)過程中的大豆籽粒清選損失情況，研究清選損失大豆籽粒在清選排出后的分布規(guī)律，在大豆收獲機(jī)風(fēng)篩式清選裝置基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了高速攝影試驗(yàn)臺(tái)，分別獨(dú)立設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)調(diào)速裝置、振動(dòng)篩曲柄及魚鱗篩開度調(diào)節(jié)裝置，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)篩式清選裝置清選作業(yè)參數(shù)的自動(dòng)化調(diào)整［2-3］，并在清選篩后方設(shè)置高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝。高速攝影試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

1.2 高速攝影試驗(yàn)臺(tái)工作原理

將稱量好的大豆脫?；旌衔锪暇鶆蜾伔诺捷斔蛶?，使其隨輸送帶勻速運(yùn)動(dòng)；大豆脫?；旌衔锪系袈涞蕉秳?dòng)板上，由抖動(dòng)板落到上、下篩，振動(dòng)篩不斷進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；大豆脫?；旌衔锪铣掷m(xù)由抖動(dòng)板輸送到魚鱗篩，在風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)道形成的氣流場(chǎng)與振動(dòng)篩往復(fù)運(yùn)動(dòng)的共同作用下，對(duì)脫?；旌衔锿瓿删鶆蚍?jǐn)偂⑹杷?、分離和透篩；脫?；旌衔镏兴槎骨v、莖稈等雜余被吹出機(jī)外，但也有少數(shù)的大豆籽粒夾雜在雜余中一起被吹出機(jī)外［4-6］。大部分干凈的大豆籽粒透過振動(dòng)篩落下。排出機(jī)外的拋出物被高速攝像機(jī)所拍攝。試驗(yàn)結(jié)束后，分別對(duì)高速攝像機(jī)拍攝的大豆籽粒進(jìn)行捕捉分析。調(diào)控裝置可對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩頻率、魚鱗篩開度進(jìn)行調(diào)整，探究各清選參數(shù)對(duì)清選損失籽粒分布規(guī)律的影響。

2 清選損失籽粒分布規(guī)律檢測(cè)臺(tái)架試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及其參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備由高速攝影機(jī)、鏡頭、計(jì)算機(jī)、電源適配器、多功能線纜、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線纜、PCC軟件、三角架云臺(tái)、高亮度大燈等組成。其中，高速攝影機(jī)采用美國Vision Research公司生產(chǎn)的100萬像素級(jí)Phantom ? VEO 410高速攝像機(jī)。該攝像機(jī)在滿幅狀態(tài)下的拍攝速率為5 200幀/s，拍攝速率最大為650 000幀/s，具有超高靈敏度，無圖像滯后現(xiàn)象，能有效避免眩光和強(qiáng)光對(duì)成像的影響。

為保證能夠較好地獲取拍攝圖像，拍攝過程中使用高亮度大燈進(jìn)行補(bǔ)光，確保高速攝影機(jī)的進(jìn)光量，并將高速攝影機(jī)調(diào)至較低分辨率和色彩辨識(shí)度，從而獲得清晰圖像和較短曝光時(shí)間。

選取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩頻率和魚鱗篩開度3個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)因素組合及序號(hào)如表1所示。用高速攝影機(jī)對(duì)清選拋出物進(jìn)行拍攝，研究上述3個(gè)因素對(duì)清選損失籽粒分布規(guī)律的影響，每組試驗(yàn)前試驗(yàn)臺(tái)先空轉(zhuǎn)1 min，將上一組試驗(yàn)的物料充分排凈；每組試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)高速攝像機(jī)拍攝捕捉到的大豆籽粒進(jìn)行整理分析。為提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

2.2 大豆籽粒在拋出時(shí)運(yùn)動(dòng)示蹤

高速攝影機(jī)安放在試驗(yàn)臺(tái)拋出口一側(cè)，通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線纜與計(jì)算機(jī)連接。試驗(yàn)人員通過PCC2.8軟件打開高速攝影機(jī)，調(diào)整高速攝影機(jī)焦距使其獲取清晰的圖像。試驗(yàn)臺(tái)開始工作后將清選損失物料排出機(jī)外，試驗(yàn)人員通過PCC2.8軟件開啟捕獲錄制。

為拍攝大豆籽粒拋出運(yùn)動(dòng)軌跡，在試驗(yàn)臺(tái)工作30 s后，啟動(dòng)高速攝像系統(tǒng)，開始記錄試驗(yàn)中大豆籽粒拋出運(yùn)動(dòng)的過程。

激活跟蹤測(cè)量工具，在圖像中選擇要跟蹤的點(diǎn)，標(biāo)記要追蹤的大豆籽粒，如圖2所示。

選中Autotracking，并點(diǎn)擊播放按鈕，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行軌跡標(biāo)記，如圖3所示。

2.3 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

通過高速攝影試驗(yàn)拍攝可知，大部分損失籽粒分布在振動(dòng)篩后方0～260 mm的位置。在不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩頻率、魚鱗篩開度下，清選損失拋出物中大豆籽粒數(shù)量沿X軸（X軸為檢測(cè)區(qū)域中心距排出口的垂直方向）的分布無顯著差異，即清選損失大豆籽粒沿X軸的分布情況與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩頻率、魚鱗篩開度無關(guān)。不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩頻率、魚鱗篩開度下，損失籽粒質(zhì)量比例沿X軸正向的分布概率模型見式（1）。

[y=a×xb]" " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式（1）中：a、b均為待定常數(shù)。利用表1中所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過Origin軟件進(jìn)行非線性擬合得到a=587.284 18，b=-0.855 76，擬合結(jié)果如圖4所示。

通過PCC2.8軟件分析，確定了大豆籽粒吹出排出口后的運(yùn)動(dòng)軌跡為拋物線，且大豆籽粒自身也做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（其平均速度為14.35 m/s），當(dāng)大豆籽粒到達(dá)傳感器安裝位置時(shí)與水平面呈45°夾角。所以，為確保籽粒能垂直打擊到清選損失檢測(cè)傳感器上，清選損失檢測(cè)傳感器需與水平面呈45°夾角、朝向收獲機(jī)拋出口安放。

3 結(jié)論

通過高速攝影臺(tái)架試驗(yàn)，找出了影響大豆清選損失籽粒分布規(guī)律的因素（風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩頻率、魚鱗篩開度），分析得出以下結(jié)論：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩頻率、魚鱗篩開度對(duì)清選大豆損失籽粒的分布無顯著性影響；籽粒質(zhì)量比例沿X軸的分布概率模型、損失籽粒分布區(qū)域大都在距排出口垂直距離0～260 mm的位置。因此，該位置是籽粒損失檢測(cè)傳感器在聯(lián)合收獲機(jī)上理想的安裝位置。

通過PCC2.8軟件分析，得出了清選損失大豆籽粒運(yùn)動(dòng)軌跡類似拋物線的結(jié)論。因此，籽粒損失檢測(cè)傳感器應(yīng)與水平面呈45°、朝向清選排出口安放。大豆排出機(jī)外時(shí)，自身做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其平均速度為14.35 m/s。

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