油菜聯(lián)合收獲機(jī)撥禾輪的入禾軌跡分析與試驗(yàn)

楊 毅,李耀明,青苡任

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

我國(guó)是油菜大國(guó),油菜種植面積常年保持在670萬(wàn)hm2以上,是世界上最大的油菜產(chǎn)區(qū)[1-4]。但是,我國(guó)油菜機(jī)械化生產(chǎn)率比較低,2018年我國(guó)油菜耕種收綜合機(jī)械化率僅為50%左右。

油菜復(fù)雜的生物特性導(dǎo)致油菜的機(jī)械化收獲成為油菜全程機(jī)械化最難實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)之一[5]。油菜與水稻和小麥有很大區(qū)別:水稻和小麥的植株都是單株莖稈且莖稈比較纖細(xì),果穗集中在莖稈上端,果穗層較薄。而油菜植株高大,高度超過(guò)1 500mm[6];分枝數(shù)量眾多,圍繞主枝發(fā)散生長(zhǎng),高低不齊;各分枝上角果分布密集,角果層厚度和直徑都比較大,植株整體呈“樹(shù)狀”;不同植株之間的分枝交叉相錯(cuò),互相糾纏導(dǎo)致分禾困難[7-8];完熟期油菜角果在外力作用下極易炸莢,導(dǎo)致田間收獲時(shí)割臺(tái)損失較大。因此,要減少油菜的割臺(tái)損失,應(yīng)盡可能地減少割臺(tái)各部件在工作過(guò)程中對(duì)油菜的碰撞打擊,尤其是對(duì)油菜的碰撞打擊作用比較顯著的撥禾輪,因而入禾運(yùn)動(dòng)軌跡的優(yōu)化對(duì)減少割臺(tái)損失具有重要意義。

1 撥禾輪的運(yùn)動(dòng)分析

1.1 撥禾輪運(yùn)動(dòng)軌跡

撥禾輪工作時(shí),撥禾輪的運(yùn)動(dòng)由聯(lián)合收獲機(jī)的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和撥禾輪自身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成[9]。撥禾輪正常工作的必要條件是撥禾輪的圓周速度Vb和機(jī)器的前進(jìn)速度Vm的比值(撥禾速度比)λ>1,這時(shí)撥禾輪運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線[10],如圖1所示。

圖1 撥禾輪運(yùn)動(dòng)軌跡圖

1.2 彈齒入禾位置

針對(duì)單株直立生長(zhǎng)的水稻和小麥,要求撥禾輪彈齒末端在稻麥頂部垂直插入,對(duì)稻麥的碰撞最小。油菜分枝眾多,除主枝最高外,其他各分枝之間高低不齊,所以不宜以最高點(diǎn)為彈齒入禾點(diǎn)。圖2為收獲油菜時(shí)撥禾輪的撥禾桿從水平最大前伸點(diǎn)A0到入禾點(diǎn)A1的位移曲線圖。由圖2(a)可知:彈齒末端在油菜主枝所在高度的水平線任意一位置垂直插入,由于無(wú)法接觸到分枝或者只能撥動(dòng)一小部分分枝,導(dǎo)致?lián)芎绦实拖隆D2(b)為撥禾桿在油菜分枝平均高度水平線上任意一位置垂直插入時(shí)的位置圖。當(dāng)撥禾桿運(yùn)動(dòng)到A1點(diǎn)時(shí),彈齒已插入植株內(nèi)部,撥禾能力較好。

圖2 撥禾輪入禾點(diǎn)

1.3 彈齒入禾角度

對(duì)于稻麥而言,當(dāng)植株豎直生長(zhǎng)時(shí),通常要求撥禾輪彈齒設(shè)置為豎直朝下(與地面垂直的狀態(tài)),這樣撥禾輪彈齒入禾時(shí)對(duì)稻麥穗頭的打擊較小;然而,由于生長(zhǎng)環(huán)境或者品種原因,作物往往會(huì)出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象,此時(shí)應(yīng)該針對(duì)作物的倒伏方向,對(duì)撥禾輪的彈齒傾斜角度進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)。一般而言,針對(duì)向前倒伏(倒伏方向順著機(jī)器前進(jìn)方向)和側(cè)邊倒伏(機(jī)器前進(jìn)方向兩側(cè))的作物時(shí),可將彈齒傾斜角度向后設(shè)置15°～30°,與此同時(shí)降低撥禾輪高度,并將撥禾輪水平位置向前移動(dòng);針對(duì)向后倒伏(倒向割臺(tái)方向)的作物,可將彈齒傾斜角度向前設(shè)置15°～30°,同時(shí)降低撥禾輪高度,撥禾輪水平位置向割臺(tái)方向移動(dòng)[12]。

對(duì)于油菜而言,其“樹(shù)狀”特性可視為各分枝以油菜主枝為中心向四周倒伏生長(zhǎng)。因此,聯(lián)合收獲機(jī)在收獲油菜時(shí),撥禾輪先與向后倒伏的分枝接觸,然后再與向前倒伏的分枝接觸。由于油菜割臺(tái)的撥禾輪采用后縮設(shè)計(jì),當(dāng)撥禾輪與向后倒伏的分枝接觸時(shí),主切割器離油菜主莖稈尚有一段距離,此時(shí)撥禾輪與油菜之間盡管有牽扯扶持作用,但油菜無(wú)法進(jìn)入割臺(tái),可視為低效撥禾。當(dāng)撥禾輪與向前倒伏的分枝接觸時(shí),撥禾輪將油菜植株整體撥向割臺(tái),主切割器割斷油菜主莖稈后撥禾輪就能順利將油菜撥入割臺(tái),視為高效撥禾。

圖3(a)、(b)為撥禾輪在低效撥禾階段的入禾曲線圖,撥禾桿從A0運(yùn)動(dòng)到A1,彈齒也隨著撥禾桿平移。3(a)為彈齒豎直向下時(shí)的入禾軌跡圖,圖3(b)為彈齒外傾時(shí)的入禾軌跡圖。彈齒豎直向下入禾,彈齒在自身法線方向(水平方向)上平移距離較大,平移過(guò)程中彈齒與油菜分枝碰撞幾率大;彈齒以一定傾角入禾(契合分枝角度)可以沿著分枝間隙插入,彈齒在自身法線方向上的平移距離較小,碰撞幾率小。由于彈齒外傾,增大了撥禾范圍,可以將撥禾輪進(jìn)一步后置到割臺(tái)內(nèi)部,減少撥禾輪裸露在割臺(tái)外部的部分,從而進(jìn)一步降低割臺(tái)落粒損失。圖3(c)、(d)為撥禾輪在高效撥禾階段的入禾曲線圖。圖3(c)為彈齒豎直向下時(shí)的入禾軌跡圖,圖3(d)為彈齒外傾時(shí)的入禾軌跡圖,此時(shí)撥禾輪將油菜撥入割臺(tái)。圖3(c)中,在彈齒平移過(guò)程中插入油菜,由于主切割器離莖稈尚有一段距離,所以可將油菜撥向割臺(tái),待割斷莖稈后撥入割臺(tái)內(nèi)部。圖3(d)中,彈齒具有一定傾角,在平移過(guò)程中順著油菜角果層的上方包裹壓入,相對(duì)于彈齒垂直插入減少了碰撞;并且由于撥禾輪后置,主切割器先切割油菜莖稈,撥禾桿運(yùn)動(dòng)到A1位置時(shí)莖稈已被切斷,直接將油菜撥入割臺(tái)。

圖3 不同入禾位置的彈齒軌跡

2 田間試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用的機(jī)器為4LZ-4.3型油菜聯(lián)合收獲機(jī),其他試驗(yàn)儀器為接樣槽、電子秤和秒表等。

試驗(yàn)于2018年6月1號(hào)在在江蘇省鹽城市華豐農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。試驗(yàn)油菜品種為浙油51,單位面積產(chǎn)量2 357.85kg/hm2,平均株高1 209mm,離地20mm處主莖稈直徑為9.63mm,角果層平均直徑為334mm,角果層平均厚度為382mm,千粒質(zhì)量為3.22g,行距為300mm。

2.2 割臺(tái)損失率檢測(cè)方法

試驗(yàn)采用接樣槽法對(duì)割臺(tái)損失進(jìn)行測(cè)定,需提前制作專用的鋼槽,槽長(zhǎng)2 800mm,槽寬100mm,槽深60mm。在接樣槽內(nèi)設(shè)置兩個(gè)格擋板,將其分為3個(gè)區(qū)域,兩側(cè)區(qū)域的長(zhǎng)度為350 mm,作為豎切割器割刀損失接樣區(qū),中間區(qū)域則作為撥禾輪碰撞損失接樣區(qū)。每組試驗(yàn)收割的油菜區(qū)域內(nèi)部設(shè)置3個(gè)接樣槽放置點(diǎn),在兩行油菜之間深挖溝槽用來(lái)放置接樣槽,溝槽深度應(yīng)滿足接樣槽槽口與地面平齊,且溝槽底面需盡量平整,放置翹曲導(dǎo)致聯(lián)合收割機(jī)履帶碾壓,挖溝槽時(shí)盡量不要觸碰油菜莖稈。

聯(lián)合收獲機(jī)田間作業(yè)經(jīng)過(guò)接樣槽時(shí),由于割臺(tái)碰撞掉落的角果和籽粒落入接樣槽中,采用清選法把土壤、莖稈和角果殼去除后的油菜籽粒稱重再計(jì)算割臺(tái)損失率[15]。

2.3 割臺(tái)損失試驗(yàn)方案

以撥禾輪彈齒0°豎插入禾和彈齒25°斜插入禾兩種模式(見(jiàn)圖4)對(duì)撥禾輪轉(zhuǎn)速、撥禾輪水平位置、撥禾輪垂直位置3個(gè)參數(shù)進(jìn)行單因素試驗(yàn),選擇割臺(tái)損失率最低的模式再進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn),優(yōu)化分析割臺(tái)損失影響因素和最優(yōu)參數(shù)組合。

圖4 彈齒入禾方式

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 撥禾輪轉(zhuǎn)速對(duì)割臺(tái)損失率的影響

試驗(yàn)條件:撥禾輪水平位置400 mm,撥禾輪垂直位置1 100mm。不同撥禾輪轉(zhuǎn)速下的割臺(tái)損失率變化圖如圖5所示。由圖5可知:無(wú)論是彈齒豎插,還是彈齒斜插,割臺(tái)損失率都隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大;撥禾輪轉(zhuǎn)速增大,對(duì)油菜角果的沖擊增強(qiáng),且碰撞次數(shù)增加,導(dǎo)致田間落粒損失增大。相比彈齒豎插入禾,斜插入禾的割臺(tái)損失更低,尤其在撥禾輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)斜插入禾的割臺(tái)損失率比豎插入禾減少了0.18%。

圖5 不同撥禾輪轉(zhuǎn)速下的割臺(tái)損失率變化圖

3.1.2 撥禾輪水平位置對(duì)割臺(tái)損失率的影響

試驗(yàn)條件:撥禾輪轉(zhuǎn)速18r/min,撥禾輪垂直位置1 100mm。撥禾輪軸離主切割器距離400mm時(shí),部分撥禾輪在割臺(tái)外部,超出50mm;距離450mm時(shí),撥禾輪整體恰好在割臺(tái)內(nèi)部;距離500mm時(shí),繼續(xù)深入割臺(tái)50mm。不同撥禾輪水平位置的割臺(tái)損失率變化圖如圖6所示。由圖6可知:彈齒豎插入禾時(shí),割臺(tái)損失率隨著水平距離增加而逐漸增加,在450mm和500mm時(shí)撥禾效率較低,無(wú)法及時(shí)將油菜植株送入割臺(tái),造成割臺(tái)損失偏高;彈齒斜插時(shí),損失率隨著水平距離的增大而慢慢減小,彈齒外傾時(shí)抓取能力較強(qiáng),可以將撥禾輪進(jìn)一步向割臺(tái)內(nèi)部縮進(jìn)而不會(huì)導(dǎo)致?lián)芎绦实拖?在水平距離500mm的時(shí)候損失率最低,減少了裸露在割臺(tái)外部撥禾輪碰撞的損失。

圖6 不同撥禾輪水平位置的割臺(tái)損失率變化圖

3.1.3 撥禾輪垂直位置對(duì)割臺(tái)損失率的影響

試驗(yàn)條件:撥禾輪轉(zhuǎn)速18 r/min,撥禾輪水平位置400mm。不同撥禾輪垂直位置的割臺(tái)損失率變化圖如圖7所示。由圖7可知:隨著撥禾輪高度的增加,割臺(tái)損失率隨之下降;試驗(yàn)田中的油菜平均株高為1209 mm,所以撥禾輪高度越低,撥禾輪管軸和彈齒與油菜角果層碰撞時(shí)間越多,造成的割臺(tái)落粒損失越多;但是,撥禾輪高度太高也會(huì)導(dǎo)致?lián)芎绦实拖?且彈齒斜插入禾損失率比豎插入禾更低,尤其在撥禾輪高度較低時(shí)割臺(tái)損失率減少了0.22%。

圖7 不同撥禾輪垂直位置的割臺(tái)損失率變化圖

3.2 多因素試驗(yàn)方案與結(jié)果

由于彈齒斜插模式在單因素試驗(yàn)中割臺(tái)損失率更低,因此在收獲油菜時(shí)可選擇彈齒斜插模式。以撥禾輪轉(zhuǎn)速、撥禾輪水平位置和撥禾輪垂直位置作為影響因素,以割臺(tái)損失率作為評(píng)價(jià)指標(biāo),采用三因素三水平的二次回歸正交組合設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析,獲得最佳參數(shù)組合。

將撥禾輪轉(zhuǎn)速、撥禾輪水平位置、撥禾輪垂直位置分別記作X、Y、Z,割臺(tái)損失率為W,以-1、0、+1表達(dá)各因素的水平由高到低,對(duì)三個(gè)因素進(jìn)行編碼,如表1所示。

表1 因素水平編碼表

表2為試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)表2中的試驗(yàn)方案與數(shù)據(jù),最終得到割臺(tái)損失率W與影響因素X、Y、Z三個(gè)編碼值的二次回歸方程為

W=2.36+0.37X-0.039Y-0.11Z-0.0025XY-

0.025YZ-0.0054X2+0.021Y2+0.064Z2

(1)

二次回歸方程(1)中的系數(shù)的絕對(duì)值大小表示該因素的影響力,系數(shù)的絕對(duì)值越大,則影響力越大。試驗(yàn)中,各因素對(duì)割臺(tái)損失率的影響力大小排序從大到小為X(撥禾輪轉(zhuǎn)速)、Z(撥禾輪垂直位置)、Y(撥禾輪水平位置)。

表2 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

3.3 因素交互作用分析

圖8為不同交互因素對(duì)割臺(tái)損失率的影響的響應(yīng)曲面。其中,X為撥禾輪轉(zhuǎn)速,Y為撥禾輪水平位置,Z為撥禾輪垂直位置。

圖8(a)為撥禾輪垂直位置為1 100mm時(shí)撥禾輪轉(zhuǎn)速和撥禾輪水平位置對(duì)割臺(tái)損失率的響應(yīng)曲面。由圖8(a)可知:撥禾輪轉(zhuǎn)速越高,割臺(tái)損失率越大;撥禾輪水平位置在400～500mm范圍時(shí),數(shù)值越大則割臺(tái)損失率越小;撥禾輪轉(zhuǎn)速的影響比水平位置大。圖8(b)為撥禾輪水平位置450mm時(shí)撥禾輪轉(zhuǎn)速和撥禾輪垂直位置對(duì)割臺(tái)損失率的響應(yīng)曲面。由圖8(b)可知:撥禾輪轉(zhuǎn)速越高,割臺(tái)損失率越大;撥禾輪垂直位置越高,割臺(tái)損失越小;撥禾輪轉(zhuǎn)速的影響比水平位置大。圖8(c)為撥禾輪轉(zhuǎn)速為23r/min時(shí)撥禾輪水平位置和垂直位置對(duì)割臺(tái)損失率的響應(yīng)曲面。由圖8(c)可知:割臺(tái)損失率隨著水平位置的增加而減小;撥禾輪高度越高,割臺(tái)損失率越小。

圖8 撥禾輪轉(zhuǎn)速、水平位置和垂直位置對(duì)割臺(tái)損失率的影響

3.4 撥禾輪參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

參數(shù)優(yōu)化的最優(yōu)結(jié)果就是在約束條件范圍內(nèi)盡可能地降低割臺(tái)損失率。因此,以割臺(tái)損失率最小值為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)回歸模型在各因素試驗(yàn)水平范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化求解,得到撥禾輪彈齒斜插入禾時(shí)的工作參數(shù)的最優(yōu)組合為:撥禾輪轉(zhuǎn)速18r/min、撥禾輪水平位置500mm、撥禾輪垂直位置1 200mm時(shí)割臺(tái)損失率為1.85%。為了驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性,通過(guò)田間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,得到在撥禾輪轉(zhuǎn)速18r/min、撥禾輪水平位置500mm、撥禾輪垂直位置1 200mm時(shí),割臺(tái)實(shí)際損失率為1.91%,誤差較低,模型可靠。

4 結(jié)論

1)油菜的“樹(shù)狀”分枝特性可視為各分枝以油菜主枝為中心向四周倒伏生長(zhǎng),將撥禾輪的入禾過(guò)程劃分為低效撥禾階段和高效撥禾階段。確定了撥禾輪的入禾點(diǎn)位置及彈齒的入禾方式,彈齒在入禾過(guò)程中通過(guò)斜插入禾的方式有助于減少割臺(tái)損失。

2)以撥禾輪彈齒0°豎插入禾和彈齒25°斜插入禾兩種模式作為研究對(duì)象,通過(guò)單因素試驗(yàn)對(duì)比兩種模式下?lián)芎梯嗈D(zhuǎn)速、撥禾輪水平位置和撥禾輪垂直位置3個(gè)參數(shù)對(duì)割臺(tái)損失的影響。結(jié)果表明:撥禾輪轉(zhuǎn)速、撥禾輪水平位置和撥禾輪垂直位置3個(gè)因素對(duì)割臺(tái)損失均有影響,彈齒斜插入禾模式能有效減少割臺(tái)損失率。

3)采用彈齒斜插入禾方式進(jìn)行多因素正交試驗(yàn)。結(jié)果表明:各因素顯著性由大到小依次為撥禾輪轉(zhuǎn)速、撥禾輪垂直位置、撥禾輪水平位置。在回歸模型基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),得到最優(yōu)參數(shù)組合:在撥禾輪轉(zhuǎn)速18r/min、撥禾輪水平位置500mm、撥禾輪垂直位置1 200mm時(shí),割臺(tái)損失率為1.85%。實(shí)測(cè)得到割臺(tái)損失率為1.91%,證明模型可靠。