基于免割收獲雙行谷物脫粒裝置參數優化

李心平，雷亞州，耿令新，王升升，王　浩

(河南科技大學 農業工程學院，河南 洛陽　471003)

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基于免割收獲雙行谷物脫粒裝置參數優化

李心平，雷亞州，耿令新，王升升，王浩

(河南科技大學 農業工程學院，河南 洛陽471003)

摘要：研究了基于免割收獲的雙行谷物脫粒裝置。通過室內試驗，以脫粒總損失率、含雜率為性能指標，對滾筒轉速、滾筒出口脫粒間隙和脫粒元件總高度3個因素進行回歸試驗。同時，通過分析處理試驗結果得到因素在試驗范圍內對指標的影響規律，優化并確定脫粒裝置的最佳參數組合為：滾筒轉速795r/min、出口脫粒間隙22mm(入口脫粒間隙28mm)、脫粒元件總高40mm。

關鍵詞：谷物；免割收獲；雙行脫粒裝置；優化

0引言

割前脫粒作為一種新型的脫粒方式，對其研究起步較晚，發展緩慢。這種脫粒方式利用土壤對谷物的約束力只對穗頭進行脫粒，極大降低了莖稈輸送需要消耗的大量動力，簡化了脫粒裝置的輸送結構[1]，使聯合收割機結構簡單、功耗低、體積小、生產效率較高，對于提高丘陵山區谷物收獲機械化水平意義較大[2-3]。

為了提高丘陵山區的谷物收獲效率，市場上出現了一些微型谷物聯合收割機[4]；但這些機型機構設計復雜，基本上是對大型收割機整體進行了縮小化，對結構性能參數沒有進行深入的研究[5]。近年來，國內研究了一種組合便攜式谷物聯合收割機，對提高丘陵山區狹小、不規則地塊谷物的機械化收獲水平有一定的影響，但存在損失率、含雜率過高及收獲效率低下等問題[6-7]。

本試驗研究的是一種適用于丘陵地區的雙行便攜式谷物聯合收割機的脫粒裝置，采用半喂入割前脫粒方式。該脫粒裝置性能指標主要由滾筒轉速、出口脫粒間隙和脫粒元件總高等因素確定[8-12]。通過對回歸試驗數據進行分析處理，優化確定脫粒裝置的最佳參數組合，為整機脫粒裝置的設計提供試驗依據。

1試驗裝置及步驟

1.1試驗設備及儀器

試驗臺主要由輸送小車、脫粒裝置及接料小盒等組成，如圖1所示。輸送小車在變頻電機的帶動下前進，模擬整機在田間作業狀態，帶速可調。脫粒試驗臺由脫粒滾筒和喂入螺旋輸送器兩部分組成，脫粒滾筒長度為800mm、出口直徑為338mm(入口直徑為326mm)。脫粒元件為齒板和桿齒的焊合件(見圖2)，沿滾筒母線固定，凹板和罩殼裝拆方便，便于更換脫粒元件和調節脫粒間隙，滾筒轉速由變頻電機調節[13]。螺旋輸送器由上、下螺旋輸送器組成，用于引導雙行小麥進入脫粒滾筒完成脫粒。接料小盒可接取由凹板落下的籽粒、穎糠和短莖稈等物料[14-15]。

1.小車車軌　2.小車　3.小車驅動電機

1.齒板　2.導向片　3.桿齒

儀器主要有激光測速儀、大電子秤、秒表、精密電子秤、計算器和計算機等。

1.2試驗步驟和測量方法

1)準備階段：首先，將小車輸送速度調節至0.4m/s，模擬雙行便攜機在田間的作業狀況；然后調節螺旋輸送器轉速為650r/min，保證螺旋葉片對植株的引導速度與輸送小車速度相等；再次，在脫粒裝置的下方鋪設塑料薄膜，以接取脫粒過程中飛濺出的籽粒及脫粒后莖稈中的夾帶籽粒；最后，按照規定的喂入量稱取一定質量的小麥物料，隨后均勻固定在輸送小車的夾板上。

2)試驗階段：首先，啟動脫粒滾筒和螺旋輸送器，待運轉穩定后啟動固定有雙行小麥植株的輸送小車；小麥在螺旋輸送器的壓彎和引導的作用下進入滾筒，籽粒、穎糠和短莖稈經凹板分離落入接料小盒，完成脫粒的小麥莖稈在輸送小車的作用下從滾筒出口排出；脫粒完成后，切斷脫粒裝置等相關電源。

3)接料小盒中物料的處理過程：首先，對接料盒中每個小盒中的脫出物進行稱重，質量分別記作x1，x2，…，x10；然后，用預先調節好的清選系統和振動篩對脫出物逐格進行清選得到干凈的籽粒，并分別稱重，記作x1′，x2′，…，x10′；最后，把脫粒裝置下方薄膜上的飛濺出和莖稈夾帶的籽粒收集起來稱重，記作y1＇，完成脫粒的小麥莖稈上未脫下的穗頭剪下來，揉搓后得到干凈籽粒稱重，記作y2′。

雙行谷物脫粒裝置性能為

2回歸試驗及分析

2.1回歸試驗

滾筒轉速、出口脫粒間隙和脫粒元件總高是影響脫粒裝置性能指標的主要因素。本試驗以脫粒總損失率及含雜率為指標，對上述3個因素進行回歸試驗，最后處理試驗結果得到最佳參數組合。本試驗小麥采集于河南省孟津縣九泉村試驗田，經田間測量，小麥產量6 000kg/hm2，株高600mm，籽粒絕對含水率6.95%，莖稈絕對含水率13.35%，谷草比為1：1.35。根據以上數據，確定每次試驗的喂入量。

回歸試驗設計可以減少試驗次數，簡化計算，獲得高質量的回歸方程，確定脫粒裝置的最佳參數組合。根據經驗數據和現有裝置，確定試驗中滾筒轉速、出口脫粒間隙和脫粒元件總高三因素的編碼零水平。本試驗目的是得到上述因素對脫?？倱p失率、含雜率等性能指標的影響規律。表1為回歸試驗因素水平編碼表，表2為回歸試驗試驗方案與結果表。

表1　回歸試驗因素水平編碼表

表2　回歸試驗試驗方案及結果

續表2

用統計軟件DPS對試驗數據進行回歸分析，由于試驗條件與田間試驗有一定差別(物料含水率的變化)和人為誤差，因此本試驗取α=0.25的置信水平，得到下面的回歸方程：

脫粒總損失率為

η1=13.636 23-0.005 98x1-0.405 56x2-0.173 02x3-

0.000 144x1x2+0.000 05x1x3+0.005 30x2x3+

0.000 004x12+0.006 13x22+0.000 023x32

(1)

含雜率為

β1=60.847 85-0.068 88x1+1.878 1x2-1.416 94x3+

0.002 85x1x2+0.000 708x1x3+0.017 71x2x3-

0.000 016x12-0.139 06x22+0.008 249 9x32

(2)

對回歸方程(1)、(2)進行方差分析(見表3)可知：脫?？倱p失率和含雜率的回歸方程顯著，能較好地反映真實情況。

表3　回歸方程的方差分析表

脫粒總損失率是脫不凈率和飛濺損失率之和。由于含雜率過高會造成整機后續清選負擔的增加，故加權優化法進行參數優化時取脫?？倱p失率和含雜率的加權系數分別為0.5、0.5；最佳參數組合為：滾筒轉速795r/min、出口脫粒間隙22mm(入口脫粒間隙28mm)、脫粒元件總高為40mm。此時，脫?？倱p失率為2.03%，含雜率為18.48%。

2.2優化結果的驗證試驗

由于最佳參數組合未在試驗中出現，故將脫粒裝置調節至最佳參數組合下做驗證試驗，以判定最佳參數組合處的性能指標與方程預測值是否一致，結果如表4所示。考慮試驗過程中物料狀態(含水率等)變化和人為因素對試驗造成的誤差，試驗結果與最佳參數下的預測值比較接近。

2.3喂入量適應性試驗

田間作業過程中，由于地塊和小麥產量的不同，脫粒裝置的喂人量適應性對于整機正常工作尤為重要，故本試驗將該脫粒裝置調整至回歸試驗得到的最佳參數組合，進行喂入量適應性試驗，結果如表5所示。從表5可知：在產量6 750kg/hm2及以下的地塊，脫粒總損失率變化穩定，脫粒裝置工作性能良好；當喂入量加大，到產量5 250kg/hm2時，脫粒損失率明顯上升，說明此時脫粒裝置內物料過多，脫下來的物料不能及時從凹板分離造成脫?？倱p失率明顯增加；繼續加大喂入量，滾筒內物料過多造成阻力加大，驅動脫粒滾筒和輸送小車的皮帶開始打滑，物料喂入出現困難，滾筒內出現堵塞，試驗無法正常進行。

表4　驗證試驗結果表

表5　喂入量適應性試驗結果表

3結論

1)在試驗條件下，脫粒裝置的最佳參數組合為滾筒轉速795r/min、出口脫粒間隙22mm(入口脫粒間隙28mm)、脫粒元件總高40mm。此時脫粒裝置的性能指標為：脫?？倱p失率2.03%，含雜率18.48%。

2)在試驗范圍內，滾筒轉速增大，脫?？倱p失率降低，含雜率升高。

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Abstract ID:1003-188X(2016)02-0149-EA

Parameter Optimization of Double Row of Grain Threshing Mechanism Based on Free-cutting Harvest

Li Xinping, Lei Yazhou, Geng Lingxin, Wang Shengsheng, Wang Hao

(College of Agriculture Engineering, Henan University of Science & Technology, Luoyang 471003，China)

Abstract：Research the double row of grain threshing mechanism based on free-cutting harvest. Under the provisions of feed rate, the roller speed, exit threshing gap and the total height of the threshing elements were tested according to the regression test methods. And then analyze the test data in aid of statistical software, get the influence of the rate of loss impurity rate and other performance indicators.for the roller-speed, exit threshing gap and the total height of the threshing elements within the test range. Finally, optimize and get the best threshing device parameter combination of three factors.

Key words：grain; free-cutting harvest; double row of threshing mechanism; optimization

文章編號：1003-188X(2016)02-0149-04

中圖分類號：S225；S220.3

文獻標識碼：A

作者簡介：李心平(1973-)，男，山西定襄人，副教授，博士，(E-mail)aaalxp@126.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAD20B10)；國家自然科學基金-河南人才培養聯合基金項目(U1204514)

收稿日期：2015-02-02