多滾筒脫粒分離裝置脫粒參數試驗與分析

唐 忠，何俊增，周躍鵬，劉江波

(江蘇大學 農業裝備工程學院，江蘇 鎮江 212013)

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多滾筒脫粒分離裝置脫粒參數試驗與分析

唐 忠，何俊增，周躍鵬，劉江波

(江蘇大學 農業裝備工程學院，江蘇 鎮江 212013)

針對聯合收割機上脫粒分離裝置的最佳工作參數易受谷物生長特性影響且難以控制的問題，基于切橫橫脫粒分離裝置在喂入量為6kg/s時的水稻臺架試驗，對影響脫粒分離性能的參數進行回歸分析和回歸效果顯著性檢驗。結果表明：為實現最佳脫粒效果，第II和第III脫粒滾筒具有95%置信度的滾筒轉速區間分別為669～849 r/min和772～961 r/min，具有95%置信度的脫粒間隙區間分別為21～33 mm和13～35 mm；此時，籽粒損失率為0.48%，脫粒分離功耗為40.62kW。

聯合收割機；切橫橫結構；回歸分析；水稻脫粒；置信區間

0 引言

脫粒分離裝置是聯合收割機的核心工作部件，橫置單切流滾筒[1]與橫置雙軸流滾筒[2]組合式脫粒分離裝置(簡稱：切橫橫脫粒分離裝置[3])是在針對水稻成熟度不一致和同一稻穗上籽粒脫粒難易程度不同[4]的基礎上設計的一種水稻分段逐級脫粒分離的裝置。脫粒分離裝置的結構參數、工作參數及谷物特性對脫粒分離性能具有很大的影響。

國外對此開展了大量的研究工作：Agha[5]研究了脫粒滾筒長度對脫粒分離性能的影響；Alizadeh[6]等對脫粒滾筒的轉速和脫粒間隙對脫粒分離性能的影響開展了相關研究；Arvinder[7]等開展了物料特性對脫粒分離性能影響的研究；Mohtasebi[8]等開展了脫粒滾筒類型及脫粒齒排列方式對脫粒性能影響的研究。國內李耀明[9]、戴飛[10]、韓增德[11]等開展了脫粒滾筒類型、脫粒元件及工作參數等對脫粒分離性能影響的研究。以上研究主要得到了相應裝置工作參數的最佳值，但聯合收割機在田間工作時隨著作物生長的草谷比、含水率、成熟度的變化，脫粒分離裝置所需工作參數將在最佳值附近波動并具有一定的置信區間。

本文在自行設計的切橫橫脫粒分離裝置上，以聯合收割機田間收獲時便于調節的脫粒滾筒轉速和脫粒間隙為研究對象，對影響脫粒分離性能的參數進行回歸分析和回歸效果顯著性檢驗，預測脫粒滾筒的最佳參數以及最佳參數的置信區間。

1 切橫橫脫粒分離裝置

切橫橫脫粒分離裝置主要包括一個單切流滾筒和兩個橫軸流滾筒，其結構如圖1所示。

1.輸送帶 2.喂入攪龍 3.輸送槽 4.第I脫粒滾筒 5.第II脫粒滾筒 6.第III脫粒滾筒

切橫橫脫粒分離裝置的脫粒滾筒、柵格凹板篩、滾筒頂蓋的主要結構參數如表1所示。

表1 切橫橫脫粒分離裝置主要結構參數

續表1

2 試驗物料及方法

試驗采用鎮江地區水稻，品種為“鎮稻10#”，莖稈含水率66%～70%，籽粒含水率22%～27%，草谷比1.8～2.0。試驗時依據參數文獻[3]的研究結果，在切橫橫脫粒分離裝置試驗臺上進行喂入量為6kg/s的脫粒性能試驗，每次試驗重復3次，取平均值。

3 第II脫粒滾筒置信參數預測

3.1 脫粒分離性能試驗

設置第I脫粒滾筒的脫粒間隙為40 mm，滾筒轉速為550 r /min；第II脫粒滾筒的脫粒間隙為30 mm，滾筒轉速分別采用650、700、750、800、850、900r/min；第III脫粒滾筒的脫粒間隙和轉速分別為30mm和900r/min。在切橫橫脫粒分離裝置上進行喂入量為6kg/s的水稻脫粒分離性能試驗，結果如表2所示。

表2 第II脫粒滾筒轉速對脫粒分離性能影響

Table 2 Performance of transverse multi-cylinder device for rotation of II threshing cylinder

滾筒轉速/r·min-1籽粒總損失總損失S/%歸一化值S～脫粒分離功耗功耗值P/kW歸一化值p～綜合歸一化值y6501．15135．34017000．780．43936．250．2000．6397500．560．10637．120．3530．4598000．49037．960．5200．5208500．580．13638．940．7140．8509000．740．37940．3811．379

為便于對籽粒總損失率S和脫粒分離功耗P進行綜合分析，將表2所得的籽粒總損失率S和脫粒分離功耗P進行歸一化計算，計算結果如表2所示。

(1)

(2)

令綜合歸一化值y為

(3)

將表2的結果繪制出籽粒總損失率歸一化值、功耗歸一化值及綜合歸一化值與第II脫粒滾筒轉速之間的關系，如圖2所示。

圖2 第II脫粒滾筒歸一化值與滾筒轉速的關系

由圖2可得：第II脫粒滾筒綜合歸一化值與滾筒轉速近似呈二次曲線形狀。假設第II脫粒滾筒綜合歸一化值與滾筒轉速函數關系為二次曲線，則

y=a+bω+cω2

(4)

3.2 回歸分析與顯著性檢驗

y=2.716×101-0.704×10-1ω+4.636×10-5ω2

(5)

依據參考文獻[12]可得

(6)

(7)

(8)

由表1可計算得到：ST=0.60225，SR=0.59718，Se=0.00507，即ST=Se+SR。由此可得統計值F為

(9)

對于給定的顯著水平β=0.05，查表可得F1-β(m,n-m-1)=F1-0.05(2,3)=19.16，即統計值F=176.914>F1-0.05(2,3)=19.16，可以認為第II脫粒滾筒歸一化值y與滾筒轉速ω之間存在顯著二次回歸方程關系。變量ω的點預測值取值即為回歸方程頂點擬合值(759, 0.6107)。

3.3 最佳參數的置信區間

依據參考文獻[12]設統計量t為

～t(n-m-1)

(10)

(11)

同理，設置第II脫粒滾筒的滾筒轉速為759r/min，脫粒間隙分別采用10、15、20、25、30、35mm，在切橫橫脫粒分離裝置上開展喂入量為6kg/s的水稻脫粒分離性能試驗時，試驗結果如表3所示。

表3 第II脫粒滾筒間隙對脫粒分離性能影響

Table3Performanceoftransversemulti-cylinderdeviceforconcave clearance of II threshing cylinder

滾筒轉速/rpm籽粒總損失總損失S/%歸一化值S～脫粒分離功耗功耗值P/kW歸一化值p～綜合歸一化值y100．560．20541．2311．205150．47039．550．7390．739200．490．04538．120．5170．562250．580．2537．060．3520．602300．730．59135．890．1710．762350．91134．7901

將表3的結果繪制籽粒總損失率歸一化值、功耗歸一化值及綜合歸一化值與第II脫粒滾筒脫粒間隙之間的關系曲線，通過對第II脫粒滾筒脫粒間隙進行參數擬合，并進行回歸方程顯著檢驗得知：第II滾筒脫粒分離綜合歸一化值與脫粒間隙之間存在顯著的二次回歸方程為y=2.436-0.1617e+0.3477×10-3e2。通過第II脫粒滾筒歸一化值的點預測得知：歸一化曲線擬合方程的頂點值為(23.25, 0.741 5)，即第II滾筒脫粒最佳間隙為23mm，此時第II脫粒滾筒最小歸一化值為0.741 5；當第II滾筒脫粒間隙為23mm時，切橫橫脫粒分離裝置脫粒間隙的0.95置信度預測區間為21～33 mm。

4 第III脫粒滾筒置信參數預測

4.1 滾筒脫粒轉速

設置第I脫粒滾筒的脫粒間隙為40mm，滾筒轉速為550r/min；第II脫粒滾筒的脫粒間隙為23 mm，滾筒轉速為759 r/min；第III脫粒滾筒的脫粒間隙為30mm，滾筒轉速分別為650、700、750、800、850、900r/min。在切橫橫脫粒分離裝置上開展喂入量為6kg/s的水稻脫粒分離性能試驗，結果如表4所示。

將表4的結果繪制籽粒總損失率歸一化值、功耗歸一化值及綜合歸一化值與第III脫粒滾筒脫粒間隙之間的關系曲線，將計算得到的參數對第III滾筒脫粒轉速進行參數擬合和回歸方程顯著檢驗，并通過第III滾筒脫粒歸一化值的點預測得知：歸一化曲線擬合方程的頂點值為(866, 0.5494)，即第III滾筒脫粒最佳脫粒轉速為866mm，則切橫橫脫粒分離裝置滾筒轉速的0.95置信度預測區間為 772～ 961 r/min。

表4 第III脫粒滾筒間隙對脫粒分離性能影響

Table 4 Performance of transverse multi-cylinder device for concave clearance of III threshing cylinder

滾筒轉速/r·min-1籽粒總損失總損失S/%歸一化值S～脫粒分離功耗功耗值P/kW歸一化值p～綜合歸一化值y6501．03136．14017000．710．37337．550．2660．6397500．580．11837．820．3170．4358000．52038．460．4380．4388500．600．15739．080．5550．7129000．630．21641．4411．216

4.2 滾筒脫粒間隙

設置第III脫粒滾筒轉速為866r/min，脫粒間隙分別為10、15、20、25、30、35 mm，在切橫橫脫粒分離裝置上開展喂入量為6kg/s的水稻脫粒分離性能試驗時，結果如表5所示。

表5 第III脫粒滾筒間隙對脫粒分離性能影響

Table 5 Performance of transverse multi-cylinder device for concave clearance of III threshing cylinder

滾筒轉速/r·min-1籽粒總損失S/%歸一化值S～脫粒分離功耗總損失功耗值P/kW歸一化值p～綜合歸一化值y100．92140．1212150．670．49039．230．8181．308200．510．16338．210．6090．772250．43037．560．4750．475300．550．24536．280．2130．458350．730．61235．2400．612

將表5的結果繪制籽粒總損失率歸一化值、功耗歸一化值以及綜合歸一化值與第III脫粒滾筒脫粒間隙之間的關系曲線，將計算得到的參數對第III滾筒脫粒間隙進行參數擬合和回歸方程顯著檢驗，并通過第III滾筒脫粒歸一化值的點預測得知：歸一化曲線擬合方程的頂點值為(28.71,0.581)，即第III滾筒脫粒最佳脫粒間隙為29 mm，則切橫橫脫粒分離裝置脫粒間隙的0.95置信度預測區間為13～ 35mm。

4.3 置信參數的脫粒分離性能試驗

設置第I脫粒滾筒的脫粒間隙和滾筒轉速分別為40 mm和550 r/min，第II脫粒滾筒的滾筒轉速和脫粒間隙分別為759r/min和23mm，第III脫粒滾筒轉速和脫粒間隙分別為866r/min和29 mm，開展喂入量為6kg/s的水稻脫粒分離性能試驗，得切橫橫脫粒分離裝置的籽粒損失率為0.483%，功耗為39.624kW。依據表6結果，利用式(1)可計算得到切橫橫脫粒分離裝置的最小籽粒損失率為0.537 %，依據式(2)可計算得到切橫橫多滾筒脫粒分離裝置的最小功耗為36.042kW。

依據優化后的參數在切橫橫脫粒分離裝置上進行6kg/s水稻脫粒分離性能試驗時，實測的籽粒總損失率為0.483%，比理論值0.537%高，計算理論值高于實測值的原因在于試驗中漏撿籽粒的操作誤差；實測切橫橫多滾筒脫粒分離裝置的功耗為39.624kW，比理論值36.042kW高3.872kW，實測值高于計算理論值的原因在于試驗中谷物莖稈含水率的波動和輸送帶上鋪放并非絕對均勻。

5 結論

1)切橫橫脫粒分離裝置的第II和第III脫粒滾筒的最佳轉速分別為759r/min和866r/min，最佳脫粒間隙分別為23mm和29mm。依據優化后的參數在切橫橫脫粒分離裝置上進行6kg/s水稻脫粒分離性能試驗時，實測的籽粒總損失率為0.483%，實測切橫橫多滾筒脫粒分離裝置的功耗為39.624kW，比理論值高3.872kW。

2)為實現切橫橫脫粒分離裝置在喂入量為6kg/s時的最佳脫粒分離效果，則第II和第III脫粒滾筒具有0.95置信度的滾筒轉速置信區間分別為669～849 r/min和772～961r/min，具有0.95置信度的脫粒間隙置信區間分別為21～33mm和13～35mm。

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Test and Analysis of Best Parameter of Transverse Multi-cylinder Device

Tang Zhong, He Junzeng, Zhou Yuepeng, Liu Jiangbo

(School of Agricultural Equipment and Engineering, Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China )

Optimum operating parameters of transverse multi-cylinder device were vulnerable for the cereal growth characteristics and were also difficult to control at the optimum value. The test of rice threshing and separating was operated on the transverse multi-cylinder device. Power and grain threshing loss of the transverse multi-cylinder device were operated as normalization. Regression analysis and regression test of significant effect of threshing and separating performance parameters to predict optimal parameters and their confidence intervals. The results show that the confidence Intervals of cylinder speed and concave clearance with 0.95 confidence were 669～ 849r/min, 772～ 961r/min, 21～33 mm, 13～ 35mm, respectively. At optimum operating parameters conditions, the grain loss were 0.48 % and threshing and separating power was 40.62 kW, respectively.

combine harvester; transverse multi-cylinder device; parameter prediction; rice threshing and separating; confidence interval

2016-03-28

江蘇省博士后科研計劃項目(1501111B)；江蘇大學高級人才科研啟動基金項目(14JDG029)；江蘇高校優勢學科建設工程項目(蘇政辦發[2014]37號)

唐 忠(1982-)，男，四川內江人，助理研究員，博士， (E-mail)twz2006@sohu.com。

S225.3；S220.3

A

1003-188X(2017)02-0153-05