柔性差速帶式單株大豆脫粒裝置設計與試驗

陳海濤 滕宇嬌 王業成 史乃煜 王 星

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

單株大豆種子脫粒是大豆育種的重要環節，不同于商品大豆脫粒，其育種小區面積小，種植試驗大豆品種珍貴繁多、樣本量小，脫粒時既要求提高脫粒效率，又要保證各品種之間無混雜。目前科研脫粒工作中，單株脫粒以人工脫粒和普通脫粒機脫粒方式為主，人工脫粒收獲周期長、浪費勞動力；普通脫粒機籽粒的破碎率高、機器內部無法快速清理、易造成不同品種籽粒混雜[1-2]。機械脫粒是提高工作效率的重要手段與必然趨勢，可減輕勞動強度、降低人工成本、提高工作效率[3-4]，但也是造成育種大豆機械損傷的重要因素，影響種子的發芽、出苗，對大豆的育種工作帶來潛在危害，對精量播種技術影響更加顯著[5-6]。

隨著我國農業產業體系的發展，用于科研工作的專用大豆脫粒設備已有相關研究。侯守印等[7-8]研究的立式軸流大豆種子專用脫粒機，通過開閉透明的組合外罩，對機體內的殘留物進行快速清理，但釘齒對大豆籽粒的打擊，易對籽粒造成破碎和機械損傷；高連興等[9]設計喂入輥軸流滾筒組合式大豆種子脫粒機，滾筒上排布釘齒、弓齒和板齒3種脫粒元件，機體內部復雜，不能快速清理，易造成種子混雜；范傳輝等[10]設計的新型小區脫粒機，將板式滾筒的橫截面改為三角樣式的支撐，克服易堵塞、脫不凈的脫粒問題，但三角區域空白大，剛性脫粒材料使籽粒破碎率升高，造成籽粒的機械損傷；郝玉偉等[11]設計室內大豆單株脫粒機，采用復式滾筒結構，先由圓紋桿進行捶打碾壓，后由弓齒結構進行梳刷脫粒，脫粒過程長，籽粒破碎率高，且不能對機體內部及時清理，易混種。目前的脫粒裝置多數為滾筒式，通過紋桿、釘齒等脫粒元件的打擊、梳刷、碾壓等機械作用進行脫粒，具有脫粒可靠、脫凈率高等特點，但由于滾筒與脫粒元件為剛性材料，對大豆種子產生籽粒破碎和機械損傷，影響育種工作[12-13]。綜上所述，目前研制的專用脫粒機普遍存在易混雜、籽粒破碎率高、機械損傷等問題。

針對以上問題，本文研究一種柔性差速帶式單株大豆脫粒裝置，改變傳統的脫粒滾筒與凹板配合的脫粒方式，通過同向差速的脫粒帶，利用搓擦脫粒原理脫粒，避免大豆育種單株脫粒過程中籽粒混雜、破碎率高和機械損傷等問題，探尋該單株脫粒裝置的結構與作業參數的優化組合，為柔性差速帶式單株大豆脫粒整機的開發提供理論依據。

1 試驗裝置結構與工作原理

1.1 試驗裝置結構

柔性差速帶式單株大豆脫粒試驗裝置如圖1所示。主要由機架、傳動系統、脫粒裝置和脫粒帶張緊機構組成。傳動系統由驅動電動機和傳動帶組成。脫粒裝置由主動滾筒、從動滾筒、上脫粒帶、下脫粒帶等組成。上、下脫粒帶均為通用橡膠材料，脫粒帶張緊機構由脫粒帶托輥、側板和彈簧組成，彈簧兩端拉鉤與側板和托輥連接，提供脫粒帶的張緊力，張緊力的大小改變差速脫粒帶對大豆植株作用的剪切力[14]。

圖1 柔性差速帶式單株大豆脫粒試驗裝置結構圖Fig.1 Structure diagram of single-plant soybean threshing device with differential speed flexible belts1.調速電動機 2.傳動帶 3.喂入口 4.機架 5.主動滾筒 6.下脫粒帶 7.脫粒帶張緊機構 8.脫粒帶托輥 9.上脫粒帶 10.滾筒支架 11.從動滾筒

1.2 工作原理

調速電動機的動力輸出軸經傳動帶與上下脫粒滾筒配合傳遞動力。上、下脫粒帶分別由上下的主動滾筒提供動力，上、下脫粒帶的摩擦力帶動從動滾筒轉動。

單株大豆由裝置上方的喂入口進入，首先隨脫粒帶運動，之后同時受上、下脫粒帶的摩擦力作用而進入脫粒區間。由于上下脫粒帶同向差速運動，單株大豆受到揉搓和擠壓作用，對大豆豆莢進行脫粒。在脫粒區間內，上下脫粒帶未對大豆植株的主莖稈造成破壞，完成脫粒后，主莖稈在下脫粒帶的運移作用下，排出脫粒區間，整個脫粒過程的雜余只有穎殼，易于分離除雜[15]。在脫粒區間內，下脫粒帶周期性運動，單株的大豆主莖稈、籽粒、穎殼一次性排出脫粒區間，避免了與其他種類大豆籽粒的混雜。

2 脫粒裝置關鍵參數設計

2.1 脫粒間隙分析

脫粒間隙指上、下脫粒帶間的垂直距離，是決定脫粒質量關鍵結構參數之一。脫粒間隙過大導致柔性脫粒帶無法與豆莢接觸，造成未脫凈率增加，過小則會增大其對大豆籽粒擠壓力，易導致籽粒破損。

以大豆豆莢為例，對一粒莢的脫粒過程進行受力分析，如圖2所示。

圖2 脫粒區間豆莢受力分析Fig.2 Diagram of soybean pod stress analysis in threshing zone

由于大豆豆莢的支撐，上下脫粒帶會產生一定的變形，根據胡克定律計算脫粒帶產生的附加張力

(1)

式中F——脫粒帶附加張力，N

E——脫粒帶彈性模量，MPa

A——脫粒帶橫截面積，mm2

ΔL——脫粒帶附加伸長量，mm

L——脫粒帶最高點與未發生形變處水平距離，mm

其中影響脫粒帶附加張力的相關參數為

(2)

式中h——脫粒帶最高點與未發生形變處垂直距離，mm

α——脫粒帶變形與水平方向夾角，(°)

D——豆莢直徑，mm

e——脫粒間隙，mm

忽略豆莢重力，柔性脫粒帶對豆莢正壓力與摩擦力為

(3)

式中FN——脫粒帶對豆莢正壓力，N

Ff——脫粒帶對豆莢摩擦力，N

μ——脫粒帶與豆莢間摩擦因數

為保證脫粒質量，脫粒帶與豆莢作用力滿足條件

(4)

式中FNmin——大豆籽粒破碎壓力，N

Fτmax——豆莢破壞剪切力，N

由式(1)～(4)可得到脫粒間隙應滿足條件

(5)

2.2 上、下脫粒帶速度差分析

脫粒裝置采用脫粒帶同向差速脫粒方式，下脫粒帶速度高于上脫粒帶。大豆豆莢會在脫粒區間內做旋轉運動，如圖3所示。

圖3 豆莢速度分析Fig.3 Diagram of soybean pod velocity analysis

大豆豆莢繞著虛擬中心O做旋轉運動，角速度為

(6)

式中v1——上脫粒帶速度，m/s

v2——下脫粒帶速度，m/s

ω——旋轉角速度，rad/s

R——虛擬中心到上脫粒帶距離，mm

脫粒行程是指大豆植株進入脫粒區間后有效工作長度

S=v0t

(7)

其中

式中S——脫粒行程，mm

v0——平均速度，m/s

t——脫粒時間，s

豆莢旋轉角反映脫粒效果，當旋轉角較大時，脫粒效果較好。豆莢在脫粒區間內的旋轉滿足

(8)

式中φ——旋轉角，rad

Δv——上下脫粒帶速度差，m/s

由式(6)～(8)可得，上、下脫粒帶速度差與旋轉角之間關系為

(9)

當Δv大時，φ越大，脫粒效果越好；當Δv小時，φ越小，脫粒效果越差。

3 試驗材料與方法

3.1 材料與設備

試驗選用的大豆品種為向陽農場2017年栽培的黑農48號，其生長特性與基本參數如表1所示。

表1 物料基本參數Tab.1 Material basic parameters

試驗使用主要儀器設備為：三相異步電動機(Y90L-4型)、變頻器(E1000-0015T3型)、YB502型電子秤(精度0.01 g，上海海康電子儀器廠)、測速儀(UT371，精度±0.04%)、DGG-9070AD型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海森信實驗儀器有限公司)、秒表和數碼攝像機等。參數優化試驗的試驗裝置與脫粒作業效果如圖4所示。

圖4 參數試驗Fig.4 Parameter experiment

3.2 試驗方法

試驗于2017年11月在東北農業大學農業機械實驗中心實施。采用4因素5水平二次回歸正交旋轉中心組合試驗方法。以脫粒間隙(x1)、上下帶速度差(x2)、下帶速度(x3)、脫粒行程(x4)為影響因素，以未脫凈率(y1)、夾帶損失率(y2)、破碎率(y3)、平均生產率(y4)為評價指標，共實施36組試驗[16-20]。數據處理與分析采用Design-Expert 6.0.10軟件進行，各試驗按照標準GB/T 5982—2005《脫粒機試驗方法》實施，分別以3次重復的均值為測試結果[21-23]。各因素水平由預試驗確定，因素水平編碼表與試驗方案如表2與表3所示。表中x1、x2、x3、x4為因素編碼值。

試驗實施過程中，上下帶速度差與下帶速度由變頻器調節，脫粒間隙由絲杠調節，脫粒行程通過調節脫粒帶主動滾筒與從動滾筒之間的距離來改變。

4 試驗結果與分析

4.1 試驗結果

試驗結果如表3所示。

表2 因素編碼Tab.2 Coding of factors

表3 試驗設計方案與結果Tab.3 Experimental design layout and results

4.2 回歸方程

對試驗結果進行分析，未脫凈率y1、夾帶損失率y2、破碎率y3、平均生產率y4二次項模型(2FI)有意義(P<0.000 1)，在置信度α=0.05下，進行F檢驗，將不顯著項剔除后得到簡化回歸方程

(10)

(11)

(12)

(13)

4.3 回歸模型方差分析

對式(10)～(13)進行方差分析，結果如表4所示。由表可知，模型擬合效果好，回歸方程P>0.000 1,說明回歸方程極顯著。

圖5 各因素對未脫凈率的影響Fig.5 Response surfaces for effects of factors on loss of unthreshed grain

變異來源平方和自由度均方FP回歸21.3373.0562.6<0.0001剩余1.36280.049y1擬合0.87170.0511.160.4114誤差0.49110.044總和22.6935回歸6.3680.79102.93<0.0001剩余0.21270.0078y2擬合0.014160.00871.370.3028誤差0.07110.0063總和6.5735回歸5.690.6293.36<0.0001剩余0.17260.0067y3擬合0.13150.00842.070.1138誤差0.045110.0041總和5.7835回歸557.97779.71283.01<0.0001剩余7.89280.28y4擬合6.07170.362.160.0977誤差1.82110.17總和565.8635

4.4 各試驗因素對試驗指標影響分析

參照關于多元二次回歸中各因素重要性的計算方法，經分析計算，各因素對各項性能指標的貢獻率如表5所示[24-25]。

表5 各因素對性能指標的貢獻率Tab.5 Contribution ratio of each factor to performance index

結果表明，各因素對未脫凈率y1的貢獻率由大到小依次為：上下帶速度差、脫粒間隙、下帶速度、脫粒行程；各因素對夾帶損失率y2的貢獻率由大到小依次為：下帶速度、脫粒間隙、脫粒行程、上下帶速度差；各因素對破碎率y3的貢獻率由大到小依次為：脫粒間隙、上下帶速度差、脫粒行程、下帶速度；各因素對平均生產率y4的貢獻率由大到小依次為：脫粒行程、脫粒間隙、下帶速度、上下帶速度差。

4.5 各因素對性能指標的影響分析

4.5.1各因素對未脫凈率的影響

各試驗因素與未脫凈率的關系曲面如圖5所示。由圖5a可知，隨著上下帶速度差的增加，未脫凈率呈逐漸下降的趨勢，這是由于上下脫粒帶同向差速運動，差速大時，大豆豆莢所受剪切力和剪切力矩增大，豆莢更容易破開，未脫凈率降低。當上下帶速度差固定在某一數值時，隨著脫粒間隙的增加，未脫凈率呈逐漸上升的趨勢，這是因為，當脫粒間隙較小時，豆莢所受正壓力加大，其與上下脫粒帶接觸面積大，在摩擦因數一定時，脫離元件提供的剪切力較大，脫離能力增強，反之，脫粒間隙大時，脫粒能力減弱，未脫凈率增大。

由圖5b可知，隨著下帶速度增大，未脫凈率呈逐漸上升的趨勢，這是由于上下帶速度差一定時，剪切力與剪切力矩一定，下脫粒帶起到脫粒和運輸的作用，脫粒帶速度增大，豆莢在脫粒區間滯留時間短，部分豆莢未破開脫粒，未脫凈率高。

由圖5c可知，隨著脫粒行程的增加，未脫凈率呈緩慢下降趨勢，這是由于脫粒行程增加，豆莢在脫粒區間滯留時間長，上下脫粒帶對豆莢的剪切力做功大，從而使大豆籽粒脫粒完全，未脫凈率降低。

4.5.2各因素對夾帶損失率的影響

各試驗因素與夾帶損失率的關系曲面如圖6所示。由圖6a可知，隨著下帶速度的增加夾帶損失率呈上升的趨勢，這是由于下脫粒帶起到運輸與脫粒的作用，當下帶速度越來越高時，大豆豆莢在初始階段脫粒，在脫粒行程后期與大豆莖稈分離時間變短，大豆隨同莖稈排出裝置，夾帶損失升高。當下帶速度固定在某一數值時，隨著脫粒間隙的增加，夾帶損失呈緩慢上升的趨勢，這是由于脫粒間隙增大，豆莢所受正壓力減小，其與上下脫粒帶接觸面積變小，脫粒帶提供剪切力減小，搓擦脫粒能力減弱，大豆不易與大豆莖稈和豆莢分開，隨莖稈共同排出裝置外，夾帶損失率升高。

由圖6b可知，隨著脫粒行程的增加，夾帶損失呈緩慢下降趨勢，這是由于脫粒行程增大，單株大豆在脫粒區間滯留時間長，脫粒元件作用時間長，大豆籽粒與莖稈有充足的時間分離，夾帶損失率降低。

由圖6c可知，隨著上下帶速度差增加夾帶損失率呈小幅度降低。這是由于上下帶速度差增大，豆莢受到脫粒帶的剪切力增大，脫粒裝置搓擦脫粒能力強，大豆易與莖稈分離，夾帶損失率降低。

圖6 各因素對夾帶損失率的影響Fig.6 Response surfaces for effects of factors on loss of entrap grain

圖7 各因素對破碎率的影響Fig.7 Response surfaces for effects of factors on cracked grains

4.5.3各因素對破碎率的影響

各試驗因素與破碎率的關系曲面如圖7所示。由圖7a可知，隨著脫粒間隙的減小，破碎率呈逐漸上升的趨勢。這是由于脫粒間隙較小時，豆莢所受正壓力增加，脫粒區間的單株大豆受擠壓和搓擦作用增強，脫粒大豆未能及時通過秸稈與之分離，在脫粒區間時間增加，經受上下脫粒帶作用時間和幾率增加，導致其破碎率逐漸升高。當脫粒間隙固定為某一數值時，隨著上下帶速度差的增大，破碎率呈緩慢上升的趨勢，這是由于上下帶速度差增大，脫粒帶提供的剪切力增大，搓擦脫粒能力強，大豆籽粒破碎的幾率大。

由圖7b可知，隨著下帶速度的增加，破碎率呈緩慢下降的趨勢，這是由于下脫粒帶不僅為大豆脫粒提供剪切力，并起到運輸的作用，當下脫粒帶速度增高時，脫粒帶對大豆籽粒作用時間短，搓擦脫粒效果減小，大豆籽粒破碎率逐漸降低。

由圖7c可知，隨著脫粒行程的增加，破碎率呈緩慢增加的趨勢，這是由于大豆籽粒容易與豆莢和莖稈混合，不僅受到上下脫粒帶的壓力與剪切力，還受到豆莢與莖稈的擠壓與搓擦，大豆籽粒的破碎率升高。

4.5.4各因素對平均生產率的影響分析

各試驗因素與平均生產率的關系曲面如圖8所示。由圖8a可知，隨著脫粒間隙和上下帶速度差的增加，平均生產率呈逐漸上升的趨勢，這是由于當脫粒間隙增大，豆莢所受正壓力增大，當上下帶速度差增大，豆莢所受剪切力增大，脫粒裝置搓擦脫粒能力強，單株大豆經過脫粒區間能夠很快脫粒，平均生產率升高。

圖8 各因素對平均生產率的影響Fig.8 Response surfaces for effects of factors on average productivity

圖9 參數優化分析Fig.9 Parameters optimum analysis

由圖8b所示，隨著上下帶速度差和下帶速度的增加，平均生產率呈逐漸上升的趨勢。這是由于上下帶速度差增大，豆莢所受剪切力增大，脫粒裝置搓擦脫粒能力增強，下帶速度增大，單株大豆通過脫粒區間的時間變短，平均生產率升高。

由圖8c可知，隨著脫粒行程的增加，平均生產率呈下降的趨勢，這是由于脫粒裝置的脫粒能力一定時，單株大豆經過的脫粒行程越大，使得脫粒帶作用時間增長，平均生產效率降低。

4.5.5優化分析

按照低未脫凈率、低夾帶損失率、低破碎率和高平均生產率的優化原則，以各因素水平區間為約束條件[26]，優化結果如圖9所示。當參數組合為：脫粒間隙7.55～13.00 mm，上下帶速度差0.59～0.70 m/s，下帶速度0.84 m/s，脫粒行程660 mm，未脫凈率低于1.2%，夾帶損失率低于0.9%，破碎率低于0.8%，平均生產率高于35 kg/h。

在優化的最佳結構及工作參數范圍內選取脫粒間隙9 mm，下帶速度0.84 m/s，上下帶速度差0.63 m/s，脫粒行程660 mm進行驗證試驗。結果為：未脫凈率為0.6%，夾帶損失率為0.84%，破碎率為0.67%，平均生產率35.32 kg/h。驗證試驗的結果在優化性能指標區間內，表明優化結果可信。

5 結論

(1)針對育種用單株大豆的脫粒需求，在理論分析的基礎上，設計一種柔性差速帶式單株大豆脫粒裝置。區別于傳統的剛性脫粒滾筒，采用同向差速運動的橡膠帶作為脫粒元件，利用搓擦脫粒原理，可實現脫粒過程大豆種子低損傷，無混雜。

(2)影響未脫凈率的各因素主次順序為：上下帶速度差、脫粒間隙、下帶速度、脫粒行程；影響夾帶損失率的各因素主次順序為：下帶速度、脫粒間隙、脫粒行程、上下帶速度差；影響破碎率的各因素主次順序為：脫粒間隙、上下帶速度差、脫粒行程、下帶速度；影響平均生產率的各因素主次順序為：脫粒行程、脫粒間隙、下帶速度、上下帶速度差。

(3)對于籽粒含水率在16%～18%范圍內的大豆植株，柔性差速帶式單株大豆脫粒裝置的最佳結構和工作參數組合為：脫粒間隙7.55～13.00 mm，上下帶速度差0.59～0.70 m/s，下帶速度0.84 m/s，脫粒行程660 mm，此時未脫凈率低于1.2%，夾帶損失率低于0.9%，破碎率低于0.8%，平均生產率高于35 kg/h。