免割收獲的錐形扶持脫粒裝置試驗

免割收獲的錐形扶持脫粒裝置試驗

李宇航，劉師多，周浩，馬萌，袁華杰

(河南科技大學 農業工程學院，河南 洛陽 471003)

摘要：利用錐形水稻扶持脫粒裝置試驗臺，以脫粒總損失率和含雜率為指標，以滾筒轉速、擋籽板高度和齒跡距為試驗因素，進行單因素和因素對比試驗；以桿齒齒高、入口脫粒間隙、篩網尺寸和滾筒轉速為試驗因素，進行正交試驗和回歸試驗。優化得到最佳參數組合，在此條件下脫粒滾筒長度為650 mm時，脫粒總損失率為2.23%、含雜率為5.29%；脫粒滾筒長度為800 mm時，脫粒總損失率為1.28%、含雜率為6.65%。

關鍵詞：免割收獲；水稻；扶持；錐形脫粒裝置

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃基金項目(2011BAD20B10)

作者簡介：李宇航(1987-),男,河南杞縣人，碩士生;劉師多(1955-),男,通信作者，河南沁陽人,教授,碩士生導師,主要從事農業機械應用技術方面的研究.

收稿日期：2014-02-10

文章編號：1672-6871(2015)01-0076-06

中圖分類號：S225.3

文獻標志碼：A

0引言

水稻是中國三大糧食作物之一，約占糧食總產量的40%，其中60%的水稻分布在丘陵山區。丘陵山區路況復雜、地塊小且不規則，輕便靈活的組合便攜式水稻收獲機具有較好的市場前景[1-2]。目前市場上的水稻聯合收獲機，按照喂入方式主要分為全喂入式和半喂入式。全喂入式功耗大、含雜率高；半喂入式夾持輸送裝置和傳動結構復雜，均使整機尺寸較大[3-13]，不適宜在丘陵山區應用。本研究所涉及的組合便攜式水稻收獲機以免割收獲為切入點，借助土壤對水稻的約束，采用一對螺旋輸送器代替傳統半喂入水稻聯合收獲機的夾持輸送機構，完成水稻向脫粒裝置的穩定有序喂入，脫粒裝置在螺旋輸送器的扶持作用下完成脫粒作業。為了保證喂入順利、脫粒高效，本文采用了入口直徑326 mm，出口直徑338 mm，長度為800 mm的錐形脫粒滾筒[14-15]，其主要由錐形筒、引導葉片、桿齒三部分構成。通過試驗研究，得到脫粒裝置的適宜結構和運動參數，為組合便攜式水稻收獲機脫粒裝置的設計提供試驗依據。

1試驗設備與試驗方法

1.1　試驗設備及儀器

脫粒試驗臺：脫粒試驗臺結構示意圖如圖1所示。試驗臺主要由用于水稻立姿輸送的輸送小車、喂入螺旋輸送器、脫粒裝置、接料盒以及變頻電動機等組成。待脫粒水稻固定在輸送小車上，小車向脫粒裝置運動模擬錐形脫粒裝置的田間工況。待水稻行進至喂入螺旋輸送器錐頭段形成的V型段時，由上下螺旋輸送器引導至脫粒滾筒，完成脫粒，如圖2所示。脫粒裝置是待研究裝置，凹板、頂蓋可方便更換，桿齒齒高、齒跡距、滾筒轉速可調[16-18]。接料盒用于接取脫粒裝置凹板分離的物料，其沿脫粒裝置軸線方向均分成10格，分別編號為1、2、…、10，以研究物料沿脫粒裝置軸向的分布規律[19-20]。喂入螺旋輸送器由兩個變頻電動機帶動，完成水稻的喂入和扶持脫粒。

儀器：電子表、精密電子秤、大電子秤、激光測速儀、計算器、計算機、烘干機、打印機等。

1.2　試驗物料與試驗方法

本試驗水稻為人工收割的津原11號，經田間測量，水稻667 m2的產量為700 kg，株高800 mm，莖稈平均絕對含水率133.09%，籽粒平均絕對含水率24.85%，谷草質量比1∶1.85，以此為依據，確定每次試驗所需物料質量。

按照與便攜式水稻收獲機速度相等的原則，確定輸送小車速度為0.4 m/s。按照喂入螺旋輸送器葉片軸向速度與輸送小車速度相等的原則，確定喂入螺旋輸送器轉速為540 r/min[21]。接料盒的下方鋪設有塑料薄膜，以接取入口、出口飛濺出的籽粒以及脫粒后莖稈中的夾帶籽粒。試驗時，首先啟動脫粒滾筒和喂入螺旋輸送器，待運轉穩定后將接料盒放置到接料處，最后啟動輸送小車進行脫粒試驗。待試驗結束后，切斷電源，取出接料盒，并收集塑料薄膜上的籽粒。

圖1 脫粒試驗臺結構示意圖圖2 水稻扶持喂入簡圖

錐形脫粒裝置的性能參數：

2試驗結果及試驗分析

2.1　滾筒轉速單因素試驗

為了得到試驗的滾筒初速度，進行滾筒轉速單因素試驗。本試驗是在滾筒長度800 mm，入口脫粒間隙16 mm、出口脫粒間隙10 mm，桿齒高度32 mm，凹板編織篩篩孔12 mm，擋籽板高度15 mm，齒跡距16 mm的條件下進行的。其中，擋籽板為8塊均勻固定在脫粒滾筒頂蓋內壁上、與滾筒橫切面平行的圓弧形薄板，用于阻擋籽粒沿軸向飛出。以脫粒總損失率η為指標，試驗方案及結果見表1。

表1　滾筒轉速試驗方案及結果

滾筒轉速與脫粒總損失率的擬合曲線方程和相關度系數為：擬合曲線方程η=0.37e925.8/n；相關度系數RR=0.998。

經過驗證，當脫粒滾筒轉速接近600 r/min時，脫粒總損失率趨于穩定。初定脫粒滾筒轉速600 r/min，得到籽粒沿脫粒裝置軸線方向的分布規律，見表2。由表2可知：沿脫粒滾筒軸向方向1～4盒籽粒質量比例越來越大，5～10盒籽粒質量比例越來越小，后兩個盒籽粒所占比例較小。暫且將后兩格籽粒作為脫粒損失來研究，此時脫粒滾筒有效長度為650 mm。則：

表2　籽粒沿脫粒裝置軸向分布

2.2　擋籽板高度對比試驗

本試驗以脫粒總損失率η1為指標，脫粒滾筒轉速600 r/min，入口脫粒間隙16 mm、出口脫粒間隙10 mm，桿齒高度32 mm，凹板編織篩篩孔12 mm，齒跡距16 mm的條件下進行的。試驗方案及結果如表3所示，經過對比可知：擋籽板高度為20 mm時，脫粒總損失率較小，是因為脫粒元件呈圓柱形，其對籽粒的沖擊力存在沿滾筒軸向的分力，使籽粒從脫粒裝置的物料入口和出口排除，擋籽板可阻止籽粒沿軸向飛出，減少脫粒損失。故取擋籽板高度20 mm進行后續試驗。

表3　擋籽板高度對比試驗結果

2.3　正交試驗

脫粒總損失率和含雜率是衡量脫粒滾筒的脫粒性能的重要指標，兩者受脫粒滾筒的結構和運動參數影響。本次試驗選取桿齒齒高A、入口脫粒間隙B(錐形脫粒滾筒，以入口間隙為準)、編織篩篩孔尺寸C、滾筒轉速D為研究對象，得到各因素對性能指標的影響主次及較優參數組合，采用正交試驗。選用L9(34)正交表，試驗編碼如表4所示，試驗方案及結果如表5所示。對數據進行正交試驗的極差分析表明:影響脫粒總損失率的主次因素依次是D、C、B、A；影響含雜率的主次因素依次是D、C、A、B。由于損失率是脫粒裝置的最重要指標，用加權評分法對各指標進行分析，取脫粒總損失率、含雜率的加權系數分別為0.75、0.25，此時損失率最小。則影響綜合指標的主次因素依次是D、C、B、A，較優組合為A2B2C3D2。

表4　因素水平編碼表

表5　正交試驗方案及試驗結果

2.4　二次通用旋轉組合試驗

通過回歸試驗，減少試驗數量，并且能得到脫粒裝置的性能指標和各參數的回歸方程，確定最佳參數組合，并對指標進行預測和參數控制。由于編制篩篩孔尺寸都已經標準化，現有尺寸無法滿足回歸試驗的參數要求，故選擇正交試驗中篩孔尺寸的較優水平15 mm進行回歸試驗。在正交試驗所得較優組合附近選擇參數，對桿齒齒高、入口脫粒間隙、滾筒轉速三因素進行回歸試驗。回歸試驗以脫粒總損失率和含雜率為性能指標。試驗因素編碼表如表6所示，方案及試驗結果如表7所示。其中，x1、x2、x3分別為桿齒齒高、入口脫粒間隙、滾筒轉速的編碼值。由于試驗條件和田間真實條件有一定差距，因此，本試驗取α=0.25的置信度水平。對所得數據進行多元回歸分析，得到脫粒總損失率η1、含雜率β1與桿齒齒高、入口脫粒間隙、滾筒轉速在因素編碼空間的標準方程：

脫粒總損失率，

η1=55.308 820 1-0.708 512 9x1-2.720 476 8x2-0.057 886 0x3-0.005 959 5x1x2+

(1)

含雜率，

β1=16.492 307 7-0.793 521 9x1-0.008 016 3x3-0.051 010 7x1x2+0.000 162 9x1x3-

(2)

對式(1)和式(2)進行方差分析，結果如表8所示。由表8可知：脫粒總損失率和含雜率回歸方程檢驗顯著，說明回歸模型能夠很好地反映真實情況。

用加權優化法進行參數優化，取脫粒總損失率和含雜率的加權系數分別為0.75、0.25，則最佳參數組合為：桿齒齒高25 mm、入口脫粒間隙15 mm(出口脫粒間隙10 mm)、滾筒轉速750 r/min。當滾筒長度為650 mm時，在最佳參數下脫粒總損失率為2.42%、含雜率為5.44%。

表6　回歸試驗因素編碼表

表7　回歸試驗方案及結果

表8　回歸方程的方差分析表

2.5　驗證試驗

因最佳參數組合未在試驗中出現，因此要在最佳參數組合下做驗證試驗。若將接料盒9、10盒籽粒作為損失處理，即滾筒長度為650 mm時做試驗驗證，驗證試驗結果見表9。表9中，η1、η2和β1、β2分別為滾筒長度為650 mm和800 mm時的脫粒總損失率和含雜率。由表9可知：試驗結果與預測值接近。

表9　驗證試驗結果

2.6　脫粒總損失率影響因素分析

脫粒總損失率是脫粒裝置的最重要性能指標，將式(1)進行降維分析，得到3個因素對指標的影響規律曲線，如圖3所示。由圖3可知：隨著桿齒高度增加，脫粒總損失率升高，說明隨著桿齒高度增加筒壁與凹板的間隙增大，筒壁對穗頭的作用強度減弱，脫粒損失增大；脫粒間隙太大，桿齒對水稻穗頭的作用機率減小，脫粒損失增加；隨著滾筒轉速增大，桿齒及筒體對穗頭的作用強度增強，脫粒總損失率明顯降低。

圖3　各參數對脫粒總損失率的影響規律

2.7　齒跡距對比試驗

以脫粒總損失率和含雜率為指標,在最佳參數下試驗，試驗方案及結果如表10所示。由表10可知：隨著齒跡距的減小，脫粒總損失率降低，說明由于齒跡距減小，增加了脫粒裝置內桿齒對穗頭的打擊頻率，使脫粒損失減小；由于滾筒只對穗頭作用，齒跡距對含雜率的影響不是太大，故含雜率變化不是太明顯。經過對比可知：齒跡距為12 mm時，脫粒總損失率較小，故齒跡距取12 mm。

表10　齒跡距對比試驗結果

3結論

(1)在試驗范圍內減小齒跡距，可有效減小脫粒損失。

(2)在脫粒間隙確定的情況下，桿齒高度增加，脫粒損失增大。

(3)在試驗條件下，脫粒裝置的最佳參數組合為：桿齒高25 mm、入口脫粒間隙15 mm、出口脫粒間隙10 mm、滾筒轉速750 r/min、篩孔尺寸15 mm、擋籽板高度20 mm、齒跡距12 mm。在此條件下，脫粒滾筒長度為650 mm時，脫粒總損失率為2.23%、含雜率為5.29%；脫粒滾筒長度為800 mm時，脫粒總損失率為1.28%、含雜率為6.65%。

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