玉米穗莖兼收割臺夾持輸送裝置參數優化

張宗玲　韓增德　劉立晶　李曉棟　郝付平　董　哲

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.中國農業機械化科學研究院， 北京 100083；3.現代農裝科技股份有限公司， 北京 100083； 4.北京北汽模塑科技有限公司， 北京 102600)

0　引言

玉米秸稈可以用作生物能源及生產的原材料，已經得到國內外的廣泛重視[1-7]。在我國一年多作地區，需要實現玉米果穗和莖稈的同時收獲，玉米穗莖兼收收獲機一方面滿足了我國農區畜牧業對飼料的需求，另一方面解決了莖稈焚燒造成的空氣污染[8-9]。在現有玉米穗莖兼收割臺中多采用往復式切割器切斷玉米植株，通過夾持輸送鏈將玉米植株夾持輸送到摘穗輥中進行摘穗[10-13]，前期研究結果表明：此種割臺中割刀和夾持輸送鏈安裝的相對位置將直接影響玉米植株的收獲質量。往復式切割器與夾持輸送鏈工作過程中結構參數和工作參數對玉米收獲性能的影響規律尚未見報道。

為了研究玉米穗莖兼收割臺夾持輸送裝置的結構參數和工作參數對玉米收獲性能的影響規律，確定最優參數組合，本文分析夾持輸送裝置的結構、工作原理和工作條件，以夾持輸送鏈夾角、輸入軸鏈輪速度、割刀安裝位置及機器作業速度為自變量，以果穗損失率、植株在x軸和y軸的最大偏移量為因變量，利用Box-Benhnken Design(BBD)中心組合設計方法[14-15]進行田間試驗。

1　原理分析

1.1　割臺結構與工作原理

玉米穗莖收割臺主要由分禾器、往復式切割器、夾持輸送裝置、齊根裝置、摘穗板拉莖輥式摘穗裝置、果穗輸送裝置、橫置式滾筒切碎裝置、碎莖稈輸送與拋送裝置、傳動裝置、機架等組成，掛接在玉米聯合收獲機機架的前部，通過割臺油缸實現上下擺動，調整割茬高度，同時完成玉米果穗與莖稈的收獲，割臺結構如圖1a所示，實物圖如圖1b所示。

割臺的工作流程：隨著收獲機的前進，玉米植株被分禾器引向夾持輸送鏈，并由夾持輸送鏈向后輸送到夾持位置，莖稈被夾持后由往復式切割器完成切割，莖稈被割斷后，玉米植株在夾持輸送鏈的作用下輸送到摘穗裝置，果穗被摘下。玉米植株在輸送過程中，根部被齊根輥向上作用實現齊根，莖稈進入摘穗裝置后，在拉莖輥的作用下，被喂入橫置的切碎滾筒中切碎。其中，夾持輸送鏈前段采用外八字結構用于輔助撥禾，后端平行結構用于夾持輸送，具體結構見文獻[16]。

圖1　玉米穗莖兼收割臺Fig.1　Structures of header in corn combine reaping both corn stalk and spike1.分禾器　2.夾持輸送裝置　3.往復式切割器　4.齊根裝置　5.果穗輸送鏈　6.摘穗裝置　7.切碎裝置　8.莖稈輸送裝置　9.果穗輸送裝置

1.2　夾持-切割輸送原理

玉米植株必須在夾持狀態下切割，才能保證有序輸送。玉米植株被夾持后受到機器前進速度和鏈條后撥作用，在機器作業方向上會出現向前傾斜、直立、向后傾斜3種姿態，由于夾持輸送鏈可靠夾持時，植株在垂直于機器作業方向上姿態不發生變化，因此僅對機器作業方向上玉米植株姿態的變化進行研究。

假定玉米植株在夾持時和切割時在機器作業方向上與地面的夾角分別為αx1、αx2，割刀安裝高度為h，玉米植株的夾持點(即夾持輸送鏈的夾持點)與切割器在機器作業方向上的距離為s，與機器作業方向相同為正，相反為負(簡稱割刀安裝位置)，夾持點距地面的高度為Hj，植株從夾持到切割的時間為tjq。對玉米植株、夾持點、割刀進行幾何分析，玉米植株未切斷時，因機器向前運動和夾持輸送鏈向后運動，夾持輸送鏈在玉米植株上的夾持點會不斷上移。為方便分析，假設機器未運動，機器前進速度為vm時，玉米植株運動了vmtjq，幾何關系如圖2。

圖2　夾持-切割幾何分析圖Fig.2　Motion analysis diagram of corn straw in gripping and cutting process

由圖2可得，在△ODD′中有

(1)

在△O1AA′中有

(2)

式中β——割臺傾角，(°)

vL——夾持輸送鏈線速度，m/s

由式(1)和式(2)可得

(3)

可知夾持切割時植株的姿態角與夾持輸送鏈的速度vL、割臺安裝高度h、割臺傾角β、割刀安裝位置s等相關。

1.3　作業條件

為了增強玉米收獲行距適應性，在分禾器后部引入鏈條傳動，增加撥禾扶禾作用，傳統的玉米收獲機均采用果穗撥禾鏈進行撥禾，考慮到莖稈的夾持輸送和簡化割臺結構，采用水稻專用農機夾持輸送鏈實現撥禾、扶禾與夾持輸送一體化。撥禾扶禾時鏈條、植株和機器前進速度間的關系如圖3所示。

圖3　撥禾時速度分析圖Fig.3　Velocity analysis diagram of corn straw in dialing process1.莖稈　2.分禾器　3.鏈片

由夾持輸送鏈撥禾時莖稈的速度分析可得

(4)

式中vZ1——莖稈與鏈片接觸點的合速度，m/s

α′——夾持輸送鏈夾角，夾持輸送鏈撥禾段與收獲機前進方向的夾角，(°)

θ——vZ1與機器作業方向垂線間的夾角，(°)

夾持輸送鏈能撥禾的條件為：θ≥0，即

vLcosα′cosβ≥vm

(5)

式(1)～(5)中，s、β、h、Hj、α′為設計的結構參數，vL、vm為設計的運動參數，與作業效率有關，其中割刀的安裝高度h和夾持點距地面的高度Hj與割臺傾角β有關，β確定時，h和Hj也隨之確定。確定割臺結構后，s、α′為常數，vL、vm、β、h、Hj數值可調。同時由式(1)～(5)可得：撥禾鏈在機器前進方向的速度大于等于機器前進的速度。

2　材料與方法

2.1　試驗材料

2016年9月27日—10月12日在河北省淶水縣淶水鎮莊町村進行田間試驗。

(1)試驗儀器：4YJ-4型穗莖兼收玉米試驗樣機，游標卡尺(量程300 mm，精度0.02 mm)，盒尺(量程3 m，精度1 mm)，樣品接取裝置(麻袋、繩子)，封口袋，記號筆，電子秤，秒表， TS3 110S-3000L型高速攝像機。

(2)試驗材料：玉米品種為鄭單958，播種時間為2016年6月15日，在田間隨機測取20組行距，得到行距平均值為607.1 mm；隨機測取2 m內植株20組，計算得株距平均值為290.9 mm；隨機測量30株玉米植株，得根部莖稈平均直徑為28.02 mm，果穗大端直徑為55.10 mm，果穗長度為186.6 mm；測定果穗下垂率為5.6%；采用自然干燥法，測得玉米果穗皮、粒、芯和秸稈的含水率分別為41.1%、26.9%、63.7%、74.0%。

2.2　試驗設計

2.2.1試驗因素與性能指標

由1.2節和1.3節中的分析可知，在低割時，植株能否被夾持與割刀安裝位置、夾持輸送鏈夾角、夾持鏈線速度、機器作業速度有關，因此選取這4個因素為試驗因素。為方便試驗調節，通過調整輸入軸的鏈輪齒數來調節夾持鏈線速度，故以夾持輸送鏈夾角x1、輸入軸鏈輪齒數x2、割刀安裝位置x3和機器作業速度x4為自變量。

因夾持鏈夾角過小時需要的鏈條導板支撐板較寬，安裝難度和支撐板強度要求增加，夾持鏈夾角過大時，夾持輸送鏈外八字段由于分禾器的阻擋無法對莖稈作用，經分析夾持輸送鏈夾角范圍取15°～24°。由于夾持輸送鏈動力輸入與果穗輸送鏈、拉莖輥等動力輸入為同一個鏈輪，在改變輸入軸鏈輪齒數時，夾持輸送鏈轉速、拉莖輥轉速和果穗輸送鏈轉速同時改變，考慮到拉莖輥拉莖能力及果穗損失，經分析確定輸入軸鏈輪齒數取值范圍為17～27。因割刀安裝位置改變時，相應的夾持輸送裝置中從動鏈輪的位置和鏈條導板的結構也相應發生改變，經分析確定割刀安裝位置為-70～70 mm(其中，在機器作業方向上，割刀在夾持點前面時，兩者位置為負；割刀在夾持點正下方時，取0 mm；割刀在夾持點后面時，取正值。因兩次試驗中對割刀有改進，所以本文的割刀安裝位置的距離與文獻[13]中的距離不是同一參考點)。結合玉米收獲機的工作能力，確定機器作業速度范圍為4～6 km/h(即1.11～1.67 m/s)，各因素編碼如表1所示。

表1　因素編碼Tab.1　Coding of factors

割臺的性能指標包括果穗損失率、植株損失率(因植株的損失直接表現在莖稈偏移量上，偏移量過大時則植株損失。前期的試驗表明，在實際收獲過程中，植株損失量較少，因此本文利用高速攝像機觀察玉米植株從初始位置到夾持時在x軸和y軸的最大偏移量)，故以單行收獲時果穗損失率y1、植株在x軸的最大偏移量y2和在y軸的最大偏移量y3為目標函數。

2.2.2試驗指標計算方法

(1)果穗損失率y1

在測定區內，收集漏摘和落地的果穗(包括5 cm以上的果穗段)，脫凈后稱量，計算公式為

(6)

式中wU——漏摘和落地果穗籽粒質量，g

wZ——測定區內籽粒總質量，g

(2)植株被夾持時在x軸的最大偏移量y2

為了減小果穗生長方向對試驗指標的影響，在選取觀察植株時，盡量選取果穗的生長方向相對機器作業方向一致的植株。垂直位置高速攝像機觀察到的玉米植株標記點的偏移量為

(7)

式中n1——垂直位置高速攝像機拍攝到的標記點最大水平偏移量，像素

nbj——圖像中標記點秸稈直徑，像素

dbj——每次試驗用游標卡尺測得標記點處的秸稈直徑，mm

(3)植株被夾持時在y軸的最大偏移量y3

水平位置高速攝像機觀察到的玉米植株標記點的偏移量為

(8)

式中n2——45°位置高速攝像機拍攝到的標記點最大水平偏移量，像素

2.2.3試驗方法

按照GB/T 21961—2008《玉米收獲機械試驗方法》規定的方法，試驗區由20 m穩定區、20 m測定區、15 m停車區組成，穩定區和停車區的玉米在試驗前清理干凈。試驗時將割臺懸掛在收獲機上進行田間試驗，往復式切割器距離地面100 mm，夾持輸送鏈夾角、輸入軸鏈輪齒數和割刀安裝位置直接通過更換割臺零件來完成，機器作業速度由液壓無級變速器獲得。

2.2.4高速攝像系統

為觀察植株的三維運動，利用2個高速攝像機進行觀察，如圖4所示[17-20]。相機型號為Fastec TS3 110S-3000L，通過試驗，確定對玉米植株收獲的拍攝頻率為500幀/s(相鄰兩幀圖片的時間間隔為2 ms)，分辨率800像素×600像素。

選取種植行直且作物生長狀態良好的作物行作為檢測行，機手在操作時保持直行收獲。在每組試驗中選取玉米果穗生長方向相對機器作業方向一致的玉米植株，用盒尺測得1.2 m的位置(該高度基本為果穗生長高度)，利用彩色紙膠帶進行標記，垂直于玉米植株的高速攝像機與玉米植株的距離為5 m，調節三腳架高度，保證鏡頭高度為1.2 m，且鏡頭與標記點的連線垂直于機器作業方向，另一高速攝像機在機器作業方向上與垂直方向高速攝像機相距5 m，調節鏡頭在1.2 m位置，使得觀察界面與y軸呈45°。每次試驗用游標卡尺測得標記點處的秸稈直徑dbj(包含標記膠帶)，以該距離作為測量分析的尺寸基準。

圖4　高速攝像系統Fig.4　High speed camera system1.玉米植株　2、7.高速攝像機1　3.三腳架1　4、9.高速攝像機2 5.三腳架2　6.玉米植株標記點　8.玉米穗莖聯合收獲機

試驗時在玉米收獲機接近標記玉米植株時同時開始兩臺高速攝像機的記錄，作業完成后結束記錄，并保存錄像視頻。

利用ProAnalyst動態分析軟件中的Feature Tracking進行二維平面追蹤，打開面板左上方的Enable按鈕，追蹤方式Mode中選擇Manual手動追蹤，此時視頻文件單幀播放，對彩色膠帶標記點進行手動標記，就可獲得所選點的運動位置曲線，利用Lock Annotation中的Draw Length Dimension測量圖像中標記點處的秸稈直徑nbj和水平方向最大位移，如圖5所示。

圖5　ProAnalyst 軟件運動分析Fig.5　Motion analysis in ProAnalyst software

3　試驗結果與分析

采用Box-Behnken響應面法對夾持輸送性能試驗進行設計，設計了27個試驗點的響應面分析試驗，其中24個析因點，3個為零點試驗用以誤差估計，試驗方案和結果如表2所示。

3.1　響應面模型及顯著性檢驗

針對表2中的樣本數據，運用Design-Expert數據分析軟件進行多元回歸擬合分析和方差分析，并對試驗因素和回歸模型進行了F檢驗，分析結果去除不顯著項后如表3所示。

表2　試驗方案與結果Tab.2　Experiment scheme and results

表3　響應面方差分析結果Tab.3　Results of fitting quadratic models to data for corn spikes loss rate

(9)

回歸模型F=59.84且P<0.000 1，說明模型極顯著，失擬項P=0.063>0.05，表明在試驗范圍內，回歸模型預測值與實際值擬合度好；決定系數R2為0.974 0，表明回歸模型可以解釋97.4%的試驗數據變異性，預測值與實際值高度相關，試驗誤差小。

(10)

回歸模型F=62.24且P<0.000 1，失擬項P=0.238 1>0.05，說明模型極顯著，且在試驗范圍內，回歸模型預測值與實際值擬合度好；決定系數R2為0.964 9，表明回歸模型的預測值與實際值相關度高。

由表3可知，只有x3對y軸方向上最大偏移量y3影響顯著，回歸模型F=1.93，P=0.141 3>0.05，即回歸模型不顯著，這是由于試驗時很難保證所選的玉米果穗生長方向一致，試驗誤差大。

3.2　交互作用對指標的影響

各因素的交互響應曲面和等高線如圖6所示。由表3和圖6可以看出，4個因素的交互作用中，只有x1x4、x2x3對果穗損失率y1有顯著影響，交互項對y2和y3無顯著影響，因此只對果穗損失率影響顯著的交互作用進行分析。輸入軸鏈輪速度和機器作業速度的交互作用對果穗損失率的影響最大，其次為割刀安裝位置和機器作業速度及夾持輸送鏈夾角和機器作業速度的交互作用。

圖6　因素交互作用對果穗損失率的影響Fig.6　Influences of factors interaction on ears loss rate

由圖6a可知，隨著夾持輸送鏈夾角和機器作業速度的同時增大和減小，果穗損失率均增加。這是因為當夾持輸送鏈夾角越大時，不對行植株受到的橫向作用力越大，越易推倒植株造成損失，當夾持輸送鏈夾角繼續增大時，由于分禾器的作用，夾持鏈被阻擋，此時植株只受分禾器作用，若此時機器作業速度大時，會增加植株損失；當夾持輸送鏈夾角小時，不對行植株受到的橫向聚攏作用力增幅小，植株不易被推倒，但當機器作業速度過小時，不利于玉米植株的收獲，植株損失率會增大。

由圖6b可知，輸入軸鏈輪齒數和割臺位置的同時增大和減小時，果穗損失率均增加，割刀位置為-70 mm時，果穗損失率明顯增加，這是因為當割刀安裝位置為負時，植株先切割后被夾持，此時植株容易被推倒，當割刀位置大于等于0時，植株先夾持后切割，植株不易損失。割刀位置為-70 mm、輸入軸鏈輪齒數為17時，果穗損失率最大，這是因為輸入軸鏈輪齒數越少，夾持鏈的線速度越小，不利于夾持鏈對玉米植株的攏禾和夾持，輸入軸鏈輪齒數增加時，夾持鏈線速度增加，植株易被夾持，但齒數繼續增大時，果穗的破損率會增加，故損失會增加。

3.3　最優驗證試驗

利用Design-Expert 8.0.6軟件對回歸方程進行參數優化，優化目標為果穗損失率最小，x軸位移量最小，其中果穗損失率的重要性設置為5+，x軸最大位移量重要性設置為1+，得到最優參數組合為：夾持輸送鏈夾角為19.96°、輸入軸鏈輪齒數為22.09、割刀安裝位置為22.33 mm、機器作業速度為1.31 m/s，此時果穗損失率為0.4%，x軸最大偏移量為24 mm。

因鏈輪齒數僅能為整數，故設定鏈輪齒數為22，此時夾持輸送鏈夾角為20.01°、割刀安裝位置為21.97 mm、機器作業速度為1.30 m/s時，果穗損失率為0.4%，x軸最大偏移量為24 mm；同時對結構參數進行圓整，夾持輸送鏈夾角為20°，割刀安裝位置為22 mm時，此時機器作業速度為1.30 m/s時，果穗損失率為0.4%，x軸最大偏移量為23.99 mm。

對優化后的參數進行3次重復試驗，試驗測得果穗損失率為0.4%，x軸最大偏移量為25.01 mm，與模型值基本一致，表明回歸模型有較好的可靠性。優化前玉米穗莖兼收割臺的果穗損失率為2.8%，優化后果穗損失率下降了2.4個百分點，根據GB/T 21962—2008《玉米收獲機械技術條件》規定，優化后的果穗損失率遠低于國家標準規定的指標值。

4　結論

(1)根據玉米穗莖兼收割臺夾持輸送裝置的工作原理，確定了夾持輸送的影響因素。

(2)利用BBD方法設計了夾持輸送性能試驗，通過田間試驗獲得了果穗損失率、x軸和y軸的最大偏移量與夾持輸送鏈夾角、輸入軸鏈輪齒數、割刀安裝位置、機器作業速度的數學模型。

(3)4個自變量與果穗損失率、x軸最大偏移量有二次非線性關系，其中割刀安裝位置影響最大，夾持輸送鏈夾角的影響最小，4個因素對y軸偏移量無顯著影響。因素的交互項僅對果穗損失率有顯著影響，其中影響顯著的交互項為輸入軸鏈輪齒數和割刀安裝位置及夾持輸送鏈夾角和機器作業速度的交互作用，其中輸入軸鏈輪齒數和割刀安裝位置交互作用影響更大。

(4)對最優結構參數進行圓整，得到：夾持輸送鏈夾角為20°，割刀安裝位置為22 mm，機器作業速度為1.30 m/s時，果穗損失率為0.4%，x軸最大偏移量為23.99 mm。驗證試驗表明回歸模型能很好地預測夾持輸送性能指標。

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