基于Hege16的水稻脫粒及其損傷影響因素試驗研究

徐 李，陳樹人，周 靜，湯明明，陳安焱

(江蘇大學 農業工程研究院，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

在水稻收獲過程中，脫粒是最重要的一個環節，脫粒損傷是目前各種脫粒裝置在脫粒收獲過程中存在的客觀問題[1]。水稻的脫粒損傷主要包括內部損傷和外部損傷：外部損傷人眼容易觀察，主要是谷殼破裂、谷粒斷裂或者是脫粒元件擊打的斑點等；內部損傷籽粒谷殼完好，但谷粒內部存在裂紋損傷，存在的內部裂紋影響谷物存儲及谷物后期加工等，且內部損傷的水稻籽粒作為種子影響發芽率[2]。水稻脫粒性能研究一般是關注破碎率、損失率及功耗等參數[3-6]，對于稻谷內部損傷的定量評價指標研究較少。

本文的脫粒試驗,基于自行開發的內部損傷評價模型，分析凹版間隙、喂入量、脫粒元件線速度等因素對稻谷脫粒損傷的影響,旨在找出影響因素的主次關系和脫粒試驗最優參數組合。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

本試驗采用型號為Hege 16的半喂入式脫粒機進行，試驗裝置如圖1所示。該裝置主要包括機架、蓋板、脫粒滾筒、凹版篩、凹版調節機構、風機及電機等機構。該脫粒裝置采用透明塑料作為蓋板，如滾筒處及風機處擋板，便于觀察整個脫粒過程；滾筒轉速通過無極轉速器調節，凹版間隙采用人工調節。實際脫粒過程的轉速與凹版間隙大小與試驗裝置調節機構刻度轉換關系如表1和表2所示。

1對流風機 2.風量調節機構 3.喂入口 4.脫粒滾筒 5.凹版間隙調節機構 6.出料口7.機架 8.電機圖1 脫粒實驗裝置圖Fig.1 Threshing test device diagram

1.2 試驗材料與方法

試驗樣品為鎮江郊區的南粳9108水稻，人工收割，選取成熟度基本一致的水稻作為試驗樣本，試驗時含水率為18.6%，千粒質量為26.4g。

試驗前，通過轉速旋鈕及凹版調節機構調整到需要的工作參數，因為此種脫粒裝置為半喂入式脫粒機，需人工手持脫粒，喂入量大小通過改變一次脫粒的水稻株數來調節，根據預試驗及相關參考，每次脫粒時間為20s。一次脫粒結束，關閉機器，人工收集水稻株蕙上未脫離谷粒及水稻秸稈中夾雜的水稻籽粒稱重可獲得未脫凈損失和夾帶損失，分離出破碎和破殼籽粒稱重可獲得破碎率；隨機取樣150粒已脫水稻籽粒，通過內部損傷檢測可獲得內部損傷率以及內部平均損傷度，每組試驗重復3次，取平均值。

表1 脫粒元件線速度轉換關系表Table 1 Rotational speed conversion relationTable

表2 凹版間隙轉換關系表Table 2 Intaglio gap conversion relationTable

1.3 內部損傷籽粒鑒別

內部損傷籽粒的鑒別與損傷量表征采用江蘇大學Micro-CT掃描儀工作站，CT掃描實驗采用Micro-CT 100，射線能量為45kV，88μA，4W。空間分辨率為10μm，根據水稻籽粒尺寸選擇掃描桶尺寸為φ9mm×H78mm。掃面樣品二維切片數為 300左右。

Micro-CT掃描儀主要包括機械運動平臺、主機控制系統、磁盤存儲系統及圖片處理分析軟件系統4個部分。從脫粒機收獲的水稻籽粒放入CT掃描儀中，設置掃描條件與參數，得到損傷水稻籽粒的CT掃描切片圖，利用圖像處理分析系統對CT掃描切片圖進行處理，包括偽彩色增強、灰度直方圖分析、圖像去躁及閾值分割等操作得到損傷水稻籽粒的二維切片圖的二值圖像[7]，如圖3所示。圖3中只有灰度值為0和1的純白色和純黑色，白色即為分割后的裂紋和胚與胚乳的連接部分，黑色即為稻谷的其他組織。通過統計像素灰度值為0的像素點計算裂紋損傷量，通過計算裂紋所占像素點與整個切片的像素點之和的比值來表征稻谷內部損傷程度[8]。

1.機械運動平臺 2.主機控制系統 3.磁盤存儲系統 4.圖像處理分析軟件系統圖2 Micro-CT掃描工作站Fig.2 Micro-CT scanning workstation

(a) 未損傷(左圖為原始圖片，右圖為處理圖片)

(b) 損傷(左圖為原始圖片，右圖為處理圖片)圖3 Micro-CT掃描處理的水稻籽粒圖片Fig.3 Images of rice grains treated by Micro-CT scanning

2 評價模型

水稻籽粒的脫粒損傷主要包括內部損傷和外部損傷：外部損傷主要是指籽粒破殼、斷裂及脫粒元件沖擊留下的外部挫傷；內部損傷主要是指內部裂紋損傷。本文的評價指標主要包括脫粒破碎率、脫粒損失率、內部損傷率，以及內部平均損傷度。

脫粒破碎率為

(1)

其中，Wp為脫粒后取樣樣品中破碎、破殼水稻籽粒的質量；Wx為脫粒后取樣樣品中水稻籽粒的總質量。

總脫粒損失率為

S=Sw+Sj

(2)

(3)

(4)

其中，Sw為未脫損失率；Sj為夾帶損失率；Ww為脫粒裝置排出物料中水稻籽粒質量；Wj為風機口排出的秸稈物料中所夾帶的水稻籽粒質量；W為一次脫粒試驗中喂入水稻籽粒的總質量。

內部損傷率為

(5)

其中，Nns為脫粒后取樣樣品中內部損傷籽粒個數；N為脫粒后取樣樣品中水稻籽?？倐€數。

平均內部損傷度為

(6)

其中，Ni為掃描斷層切片上裂紋像素點的個數與水稻籽粒胚乳與胚連接部分的像素點個數之和；M為胚與胚乳連接部分的像素個數；N為該掃描斷層切片上總的像素點個數；n為取樣樣品中內部損傷水稻籽粒的個數。

3 試驗結果與分析

3.1 單因素試驗結果與分析

3.1.1 凹版間隙

當脫粒線速度為18m/s、喂入量為4.8g/s時，不同凹版間隙參數下各評價指標隨凹版間隙變化情況如圖4所示。從變化關系曲線中可以看出：隨著凹版間隙增大，水稻籽粒的破碎率和內部損傷率大幅下降，表明水稻籽粒受到的損傷逐漸降低，平均內部損傷度也逐漸減?。划敯及骈g隙為14mm時，水稻籽粒內部損傷很小，平均內部損傷度為0.05%；隨著凹版間隙的增大，脫粒過程中水稻籽粒與脫粒元件的碰撞、擠壓等作用減弱，使得脫粒損失率不斷增加。

圖4 凹版間隙與各評價指標關系曲線Fig.4 The relation between intaglio gap and evaluating indicator

3.1.2 脫粒線速度

脫粒線速度對脫粒損傷有重要影響，是主要考察因素之一。本次試驗通過無極調速裝置調節脫粒滾筒轉速實現改變脫粒線速度，以脫粒線速度為單因素的脫粒試驗中，當凹版間隙為12mm、喂入量為4.8g/s時各評價指標隨脫粒線速度的變化情況如圖5所示。從變化關系曲線中可以看出：隨著脫粒線速度的不斷增大，水稻籽粒內部損傷率和破碎率顯著提高，平均內部損傷度也平穩增加，說明脫粒線速度對水稻籽粒的脫粒損傷有重要影響；但脫粒線速度較小時，會導致有些籽粒很難從株蕙中脫離出來，造成脫?？倱p失率較大。

圖5 脫粒線速度與各評價指標關系曲線Fig. 5 The relationship between threshing speed and evaluating indicator

3.1.3 喂入量

喂入量是谷物脫粒過程中的一個重要工作參數，它的選擇直接關系谷物脫粒機的工作效率。本試驗采用實驗室小型脫粒機，通過相同脫粒時間，改變一次脫粒株數來控制喂入量大小，當凹版間隙為12mm、脫粒線速度為18m/s時，各指標隨著喂入量大小的變化關系如圖6所示。由圖6可以看出：喂入量增加，脫粒破碎率先增加后減小，內部損傷率與平均內部損傷度隨著喂入量增加變化趨勢相同，但整體變化沒有規律，說明喂入量大小對于谷物的損傷沒有直接影響；總損失率隨著喂入量的增加逐漸增大，是因為當喂入量增大，凹版間隙大小不變，與脫粒元件直接接觸的水稻籽粒較少，導致脫粒不均勻，中間植株水稻籽粒分離困難，使得未脫凈損失變大，總損失也呈上升趨勢。

圖6 喂入量與各評價指標關系曲線Fig.6 The relation between the feeding volume and evaluating indicator

3.2 正交試驗結果與分析

為了探索主要參數對性能指標的影響規律，結合單因素試驗結果，選取凹版間隙、喂入量、脫粒元件線速度3個因素，選取3個水平，按照正交試驗L9(33)進行實驗安排[9]，試驗結果如表3所示，考察指標為脫粒破碎率、脫粒損失率、脫粒內部損失率及平均內部損傷度。

采用Design-Expert數據處理軟件對正交試驗結果進行極差、方差計算，計算分析結果如表4和表5所示。從極差、方差分析可以看出：以總損失率為考察指標，各因素影響主次順序為A、B、C；凹版間隙對總損失率影響顯著，脫粒線速度次之，喂入量影響不顯著；以破碎率為考察指標，各因素影響與之相同。以內部損傷率為考察目標，各因素的主次順序為A、B、C，凹版間隙與脫粒線速度對內部損傷率的影響顯著，喂入量影響不顯著。以平均內部損傷度為考察指標，各因素影響主次順序為B、A、C，脫粒線速度對平均內部損傷度影響顯著，凹版間隙次之，喂入量影響不顯著。

表3 正交試驗結果Table 3 Orthogonal experimental results

由于本試驗的評價指標有平均內部損傷度、總損失率、破碎率及內部損傷率，所以要結合實際脫粒評價指標需求，綜合平衡各個參數對于評價指標的影響，即先進行單因素試驗分析，基于單因素試驗的最優參數，然后把各個試驗結果綜合分析，找出最優方案[10]。因素A：因素A對于損失率、破碎率、內部損傷率都有顯著影響，A1時可獲得較小的損失率，而破碎率、內部損傷率、平均內部損傷度都很大；A3時可獲得較小的破碎率，內部損傷率以及平均內部損傷度，損失率較大。從單因素試驗看，凹版間隙增大，破碎率、內部損傷率及平均內部損傷度減小幅度較大，而損失率增幅較小，因此選擇A3。因素B：因素B對于平均內部損傷度有顯著影響，也是損失率、破碎率、內部損傷率影響因素之一，取B1時可獲得較小的破碎率、內部損傷率及平均內部損傷度，B3時損失率較小。從單因素試驗看：B2和B3相比，損失率增大幅度較小，而破碎率、內部損傷率有大幅下降，且B2的平均內部損傷度較小，因此選擇B2。因素C：從極差，方差結果分析看，喂入量對各評價指標影響較?。粡膯我蛩卦囼瀬砜矗S著喂入量增大，各指標總體都有上升趨勢，結合正交實驗結果選擇C1。

表4 極差分析Table 4 Analysis of range %

表5 方差分析Table 5 Analysis of variance %

顯著水平P<0.05。

根據以上分析，可得到本次脫粒試驗的較優方案為A3B2C1，即凹版間隙為13mm，脫粒線速度為18m/s，喂入量為1.6g/s。

4 結論

1)平均內部損傷度能夠很好地評價脫粒裝置對于水稻脫粒損傷的影響，使得評價脫粒裝置性能的標準更加完善。

2)凹版間隙對于破碎率、總損失率及內部損傷率的影響較顯著，脫粒線速度對平均內部損傷度影響較顯著，喂入量對于各評價指標影響不顯著。

3)以破碎率、總損失率、平均內部損傷度及內部損傷率為評價指標，進行正交試驗，通過極差與方差分析，綜合平衡，得到脫粒裝置最優參數組合為：凹版間隙為13mm，脫粒元件線速度18m/s，喂入量1.6g/s。