谷子半喂入脫粒裝置試驗

駱恒光，師清翔，王升升，耿令新，許澤宇

(河南科技大學 農業裝備工程學院，河南 洛陽 471003)

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谷子半喂入脫粒裝置試驗

駱恒光，師清翔，王升升，耿令新，許澤宇

(河南科技大學 農業裝備工程學院，河南 洛陽 471003)

摘要：利用谷子半喂入脫粒裝置試驗臺，以脫不凈率為指標進行了滾筒轉速的單因素試驗；以滾筒碾壓段接料籽粒質量分數和雜余籽粒率為指標，進行了碾壓輥狀態的對比試驗。在此基礎上，以脫粒損失率、含雜率和雜余籽粒率為指標，進行了滾筒轉速、脫粒間隙、凹板篩條間隙的正交試驗和回歸試驗，優化得到該半喂入脫粒裝置的最優參數組合。在試驗條件下，當碾壓輥可轉動、滾筒轉速為620 r/min、脫粒間隙為12.5 mm、凹板篩條間隙為9 mm時，脫粒損失率和含雜率分別達到0.91%和10.91%。

關鍵詞：半喂入脫粒裝置；谷子；脫粒損失率；含雜率

0引言

谷子在中國具有悠久的栽種歷史，屬于傳統的優勢雜糧作物，在現代綠色保健食品中占有舉足輕重的地位，是發展旱作生態農業和節水農業的理想作物[1-5]。據統計，中國谷子的種植面積占世界谷子種植面積的90%以上，總產量也達到世界的80%以上[6-8]。長期以來，中國農業收獲機械的發展主要集中在小麥、水稻和玉米三大糧食作物上，對谷子的收獲機械研究起步較晚。傳統谷子收獲方式成本高、勞動強度大，難以適應農業現代化發展的需求，導致谷子生產水平嚴重滯后，制約了谷子相關產業的發展[9-14]。現有的谷子聯合收割機多由小麥聯合收割機改造而來，采用全喂入形式，工作過程中易出現喂入不良和掉穗等現象，且脫出物含雜率高，籽粒與雜余不易分離，夾帶損失較大，難以滿足生產要求。

本文采用半喂入脫粒的形式，將切割后的植株夾持提升后，在水平夾持機構的作用下沿滾筒軸向向后輸送，并通過螺旋輸送機構的作用，確保物料向脫粒裝置穩定有序地喂入，完成脫粒作業。本文通過室內試驗得到該脫粒裝置最優的結構和運動參數，為整機的研制提供理論基礎和試驗依據。

1試驗設備及方法

1.輸送小車；2.切割裝置；3.喂入機構；4.夾持提升裝置；5.扶持機構；6.脫粒裝置；7.螺旋輸送機構；8.水平夾持機構。 圖1　半喂入脫粒裝置試驗臺結構示意圖

1.1試驗設備

本文設計的谷子半喂入脫粒裝置試驗臺主要包括將谷子植株立姿輸送的輸送小車、夾持提升裝置、半喂入脫粒裝置和接料盒等部分，各裝置均由變頻電機驅動。試驗臺結構如圖1所示。試驗中，采用待脫粒谷子植株隨輸送小車向脫粒裝置運動的方式，模擬該半喂入脫粒裝置的田間工作狀況。谷子植株在前進過程中被割刀切割，經過喂入機構的撥禾推送后，在夾持提升裝置的作用下立姿輸送至半喂入脫粒裝置，并在水平夾持機構夾持輸送和螺旋輸送機構引導扶持的共同作用下，僅將谷子穗頭部分喂入脫粒裝置完成脫粒作業。谷子植株喂入示意圖如圖2所示。

半喂入脫粒裝置主要包括脫粒滾筒、凹板和頂蓋，試驗中滾筒轉速可調，凹板更換方便。針對谷子脫粒特點，該裝置中脫粒滾筒及凹板篩均采用分段的形式。脫粒滾筒元件布置如圖3所示，通過分段選擇碾壓輥和桿齒兩種脫粒元件，可實現對谷穗先碾壓后抖動的脫粒效果。使用的柵格凹板采用格板前密后疏分布的形式，在不同位置提高了脫粒裝置的碾壓效果和籽粒分離能力。

1.脫粒滾筒;2.谷子植株;3.引導桿;4.喂入螺旋輸送器。圖2 谷子植株喂入示意圖1.碾壓輥;2.桿齒。圖3 脫粒滾筒元件布置圖

放置于脫粒裝置下方的接料盒，用于接取經凹板分離的脫出物。沿脫粒滾筒軸向將其等分成10小格，從前向后依次編號為1、2、…、10，用以研究碾壓輥對谷穗的碾壓效果及脫出物沿脫粒裝置的軸向分布情況。

試驗儀器主要包括激光測速儀、電子天平、電子稱、烘干設備、攝像機和計算機等。

1.2試驗物料及方法

本試驗所用谷子采集于河南省孟津縣橫水鎮試驗田，經實地檢測，谷子產量為7 500 kg/hm2，自然狀態株高900 mm，莖稈絕對含水率40.33%，籽粒絕對含水率26.67%，谷草比1∶1。根據上述檢測數據，計算確定每組試驗所需物料量。

將植株呈立姿均勻固定在輸送小車上，做好試驗的相關準備工作。試驗前，調節往復式割刀速度使其能對作物完成正常切割。按照該半喂入脫粒裝置田間工作狀況確定輸送小車的速度為0.5 m/s。分別調節夾持提升裝置夾持鏈和扶持鏈的速度，使其保證植株在夾持提升過程中的縱向水平分速度與小車的輸送速度相等。然后，調節水平夾持鏈速度和喂入螺旋輸送器轉速，使螺旋輸送器葉片軸向引導速度與水平夾持鏈線速度一致，且均與輸送小車行進速度相等。脫粒過程中損失的籽粒由鋪設于脫粒裝置下方的塑料布接取。

試驗時，首先確保割刀、夾持提升裝置、水平夾持鏈、喂入螺旋輸送器和脫粒滾筒均平穩運轉，將接料盒放置于脫粒裝置下方指定位置后，啟動固定有谷子植株的輸送小車進行脫粒試驗。經夾持提升后的谷子植株隨水平夾持鏈沿脫粒滾筒軸向運動的過程中，穗頭部分經壓彎引導進入脫粒滾筒內，被脫下的籽粒和部分雜余通過凹板篩的分離作用落入下方接料盒中。試驗結束后，切斷相關電源。

收集脫粒裝置下方塑料布上的籽粒并稱量，質量記為y′，收集谷子莖稈上未脫凈的穗頭，人工處理得到籽粒并稱量，質量記為y″。

該半喂入脫粒裝置的性能指標為：

含雜率(質量分數)，

脫不凈率(質量分數)，

雜余籽粒率(質量分數)，

脫粒損失率(質量分數)，

其中：雜余籽粒率為脫出物中未脫凈谷碼所帶籽粒質量占籽粒總質量的百分比。

2結果及分析

圖4　滾筒轉速對脫不凈率的影響曲線

2.1滾筒轉速單因素試驗

谷穗的脫凈程度直觀反映了脫粒滾筒轉速的合適與否，故以脫不凈率φ為指標，在前段碾壓輥可轉動、脫粒間隙為8 mm、凹板篩條間隙為13 mm的條件下，進行滾筒轉速的單因素試驗，試驗結果見圖4。從試驗結果中容易看出：當滾筒轉速達到 500 r/min時，其脫不凈率已達到較低水平且降低緩慢。故將500 r/min作為參考轉速進行后續試驗。

2.2碾壓輥狀態對比試驗

根據谷子脫粒的特點，滾筒前段均勻布置碾壓輥的碾壓效果對該脫粒裝置的脫粒效果有重要影響，應作進一步研究。本試驗以滾筒碾壓段接料籽粒質量分數和雜余籽粒率δ為指標，在滾筒轉速為500 r/min、脫粒間隙為8 mm、凹板篩條間隙為13 mm的條件下，對碾壓輥狀態進行對比試驗，試驗結果如表1所示。由表1可以看出：在碾壓輥可轉動的狀態下，碾壓段接料量大、雜余籽粒率小，對穗頭的碾壓效果更好。確定碾壓輥為轉動狀態，進行后續正交試驗。

表1　碾壓輥狀態對比試驗結果

2.3正交試驗

選取對脫粒性能有較大影響的凹板篩條間隙A、脫粒間隙B、滾筒轉速C為研究對象，以脫粒損失率η、含雜率β和雜余籽粒率δ為指標，在碾壓輥可轉動的狀態下選用L9(34)正交表進行正交試驗。

表2　正交試驗因素水平編碼表

正交試驗各因素水平編碼如表2所示，試驗方案及結果如表3所示。

對試驗結果進行極差分析，得到3個因素對各性能指標影響程度的主次順序：對脫粒損失率的影響為C>B>A；對含雜率的影響為C>A>B；對雜余籽粒率的影響為A>B>C。

用加權評分法確定綜合指標，對試驗數據進行分析，取含雜率、雜余籽粒率和脫粒損失率的加權系數分別為-0.2、-0.3和-0.5，得到的較優參數組合為：凹板篩條間隙9 mm，脫粒間隙12 mm，滾筒轉速650 r/min。

為得到各試驗因素對性能指標影響的顯著性情況，對試驗結果進行方差分析，分析結果顯示：在試驗范圍內，凹板篩條間隙對雜余籽粒率和含雜率影響顯著，而對脫粒損失率影響不顯著；脫粒間隙僅對脫粒損失率影響顯著；滾筒轉速對脫粒損失率和含雜率影響均特別顯著，而對雜余籽粒率影響不顯著。

表3　正交試驗方案及結果

2.4回歸試驗

在正交試驗所得較優參數組合的基礎上，可通過二次通用旋轉組合設計回歸試驗，建立該脫粒裝置各性能指標和參數間可靠的回歸模型，確定最優參數組合，并實現指標預測和參數控制[15-18]。

由于試驗中所用柵格篩規格有限，其凹板篩條間隙不能匹配回歸試驗參數水平的取值，故固定正交試驗所得凹板篩條間隙的較優水平9 mm，僅以剩余兩因素為研究對象進行回歸試驗。以正交試驗所得較優參數組合中滾筒轉速和脫粒間隙的水平作為回歸試驗中兩因素的零水平。由正交試驗結果的方差分析可知：在試驗范圍內，脫粒間隙和滾筒轉速對雜余籽粒率的影響均不顯著，故回歸試驗不再考慮雜余籽粒率，只將脫粒損失率η和含雜率β作為性能指標進行研究。回歸試驗因素水平編碼如表4所示，回歸試驗方案及結果如表5所示。

表4　回歸試驗因素水平編碼表

表5　回歸試驗方案及結果

考慮到室內試驗條件與田間實際情況的差異、人為因素造成的誤差以及試驗物料含水率變化等因素，在利用DPS軟件對所得試驗數據進行多元回歸分析時，選取置信度水平為α=0.25，分別得到脫粒損失率和含雜率在標準空間內的多元回歸方程：

脫粒損失率(質量分數)，

(1)

含雜率(質量分數)，

(2)

其中：x1和x2分別為脫粒間隙和滾筒轉速的因素編碼。

分析計算得到式(1)的相關系數R和剩余標準差S分別為0.806 3和2.602 3；式(2)的相關系數R和剩余標準差S分別為0.915 4 和7.237 5，表明兩個方程均有很高的相關度。對式(1)和式(2)進行方差分析檢驗其顯著性，結果如表6所示。由表6可知：脫粒損失率和含雜率的回歸方程均有較高的顯著性，回歸模型能夠實現對試驗指標的預測及參數的控制。

用加權優化法對兩個試驗指標進行參數優化，由于脫粒損失率是反映脫粒裝置性能的最重要指標，同時結合谷子清選難度大的特點，故取含雜率的加權系數為-0.4，脫粒損失率的加權系數為-0.6，得到的最優參數組合為：滾筒轉速620 r/min，脫粒間隙12.5 mm。在此條件下，該脫粒裝置的脫粒損失率和含雜率分別達到0.91%和10.91%。

2.5驗證試驗

由回歸方程優化所得的最優參數組合并未在回歸試驗各水平中出現，為判斷最優點處各指標試驗值和方程預測值的吻合程度，需要進行該脫粒裝置在最優參數下的驗證試驗，驗證試驗方案及結果如表7所示。考慮到人為因素及試驗物料狀態變化等造成的影響，試驗結果與最優參數下的預測值接近，說明回歸方程有較高的預測精度。

表7　驗證試驗方案及結果

2.6脫粒損失率影響因素分析

脫粒損失率是反映脫粒裝置性能的最重要指標。通過對式(1)進行降維分析，可以得到滾筒轉速和脫粒間隙對脫粒損失率的影響規律，如圖5所示。分析圖5可知：在試驗范圍內，隨著滾筒轉速增大，脫粒元件對谷子穗頭的碾壓和抖動作用更加充分，脫粒損失率在一定范圍內降低。當脫粒間隙過小時，物料在脫粒裝置內的運動受到影響，易產生堆積導致其籽粒分離能力下降，造成夾帶損失增加，脫粒損失率在一定程度上增大；而脫粒間隙過大時，又會因脫粒元件對物料作用力的減弱，使物料脫不凈現象增加，脫粒損失率增大。

圖5　滾筒轉速和脫粒間隙對脫粒損失率的影響規律

3結論

(1)碾壓輥在可轉動狀態下對谷穗具有更好的碾壓效果。

(2)在試驗范圍內，減小凹板篩條間隙，雜余籽粒率降低。

(3)在試驗范圍內，脫粒損失率隨著滾筒轉速增大而降低，隨著脫粒間隙增大而在一定范圍內先降低后升高。

(4)在試驗條件下，該脫粒裝置在碾壓輥可轉動、滾筒轉速620 r/min、脫粒間隙12.5 mm、凹板篩條間隙9 mm時達到最優性能，此時脫粒損失率和含雜率分別為0.91%和10.91%。

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基金項目：河南省重點科技攻關計劃基金項目(152102210276)

作者簡介：駱恒光(1990-),男,河南輝縣人,碩士生;師清翔(1957-),男，河南孟州人,教授,碩士，博士生導師,主要從事谷物聯合收獲機方面的研究.

收稿日期：2016-03-16

文章編號：1672-6871(2016)05-0056-06

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.013

中圖分類號：S225.3

文獻標志碼：A