軸流式花生撿拾收獲機設(shè)計與試驗

王伯凱 胡志超 曹明珠 張 鵬 于昭洋 張 沖

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所， 南京 210014； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 南京 210014)

0 引言

花生是我國重要的油料作物和經(jīng)濟作物。目前，我國花生主產(chǎn)區(qū)收獲仍以小型挖掘機為主，耗時、耗力，效率低、成本高，嚴重制約了花生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1-6]。花生撿拾收獲機可對攤鋪的花生秧蔓進行高效便捷的撿拾收獲。由于花生品種及晾曬后秧蔓含水率不同，導(dǎo)致?lián)焓奥实汀⑶v果損失率高(包括撿拾莢果掉落和撿拾、摘果過程中的莢果破損)、生產(chǎn)率低下，這已經(jīng)成為我國花生生產(chǎn)亟待解決的難題。

針對花生撿拾收獲技術(shù)，國內(nèi)外專家進行了很多理論和試驗研究。國外有KMC、AMADAS的鏟鏈組合式和PEARMAN 公司的鏟夾組合式系列花生撿拾收獲機，這幾種機型技術(shù)先進、成熟度高，但其生產(chǎn)模式和花生品種與國內(nèi)存在差異，并且價格昂貴，難以適應(yīng)中國花生生產(chǎn)的實際需求[7]。陳中玉等[8]進行了彈齒式花生撿拾收獲機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)研究，在花生撿拾、摘果損傷理論和技術(shù)上取得了突破；王東偉等[9]研制了背負式花生撿拾摘果收獲機，該機可一次完成花生撿拾、輸送、摘果、清選、集果等作業(yè)，性能良好；胡志超團隊[10]研制了多款花生撿拾收獲機，并對關(guān)鍵工作部件進行深入研究，在撿拾機理、低損摘果、清選等方面取得了突破。軸流式花生撿拾收獲機能減輕整機重量、降低成本，但目前對其整機結(jié)構(gòu)組配、參數(shù)優(yōu)化和對收獲質(zhì)量的影響研究較少。

本文以自行研制的軸流式全喂入花生撿拾收獲機為基礎(chǔ)，針對影響撿拾收獲質(zhì)量的瓶頸問題，結(jié)合花生攤鋪晾曬農(nóng)藝特點，確定關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗參數(shù)，進行收獲質(zhì)量試驗研究，為明晰關(guān)鍵部件的工作機理、優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)及試驗參數(shù)、提高綜合質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

花生撿拾聯(lián)合收獲工藝與技術(shù)路線如圖1所示。軸流式花生撿拾收獲機主要參數(shù)如表1所示，整機結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由撿拾裝置、輸送裝置、摘果裝置、清選裝置、底盤系統(tǒng)、提升裝置、集果箱等組成，可一次完成挖掘后田間條鋪花生植株的撿拾輸送、果蔓脫離、果雜清選、提升集果等工序。

表1 總體結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)鍵部件工作參數(shù)Tab.1 Structural and working parameters of test-bed

收獲機工作時，撿拾裝置隨行走系統(tǒng)以一定速度前進，隨著撿拾滾筒上彈齒的撥轉(zhuǎn)，田間條鋪花生植株被引入螺旋葉片左右分布的螺旋輸送器，經(jīng)螺旋輸送器集中后推送到輸送機構(gòu)，再由鏈耙式輸送器推送經(jīng)喂入口進入摘果裝置進行果秧分離，然后在清選裝置中經(jīng)分離、除雜后的凈莢果由提升裝置導(dǎo)入果箱，碎秧、雜余由負壓風(fēng)機引入集秧箱。尾部碎秧、雜余經(jīng)機尾負壓風(fēng)機引拋到機身后已撿拾區(qū)，最后由高位卸果裝置將果箱內(nèi)莢果卸出，完成收獲。

2 撿拾裝置設(shè)計

2.1 花生幾何參數(shù)及力學(xué)特性

試驗對象為攤鋪晾曬后的花生株系，試驗前先用花生挖掘機有序起秧、振動去土后自然落地按序疊層鋪放至原種穴一側(cè)，如圖3所示,W為試驗幅寬，mm;Z為鋪放間距，mm;S為花生株系條鋪寬度，mm;h為秧蔓層疊高度，mm。以主產(chǎn)區(qū)典型品種“開農(nóng)61”為試驗對象，經(jīng)統(tǒng)計該品種的帶果高度為(400±20)mm，莖稈中徑(8±1)mm；結(jié)果區(qū)域中徑為(135±10)mm，結(jié)果區(qū)域高度為(150±10)mm，果柄直徑(1±0.5)mm，果殼厚度為在1.0～2.6 mm，平均為2.1 mm，單個莢果的質(zhì)量在1.5～3.4 g，平均為2.5 g，由于莢果在機械化撿拾過程中極易損傷、脫落，了解其力學(xué)特性可為撿拾機構(gòu)的參數(shù)設(shè)計提供參考。研究表明，其力學(xué)特性受含水率影響較大，果柄的臨界脫落力一般為4.0～7.2 N，果殼臨界破損力一般為24.2～40.6 N。

2.2 彈齒撿拾裝置

撿拾是花生撿拾收獲機的核心技術(shù)，撿拾過程中要求保持花生植株的完整性，防止或減少漏撿、落果及莢果損傷。撿拾質(zhì)量也直接影響后續(xù)摘果、清選的質(zhì)量。撿拾裝置(圖4)主要由左側(cè)板、撿拾彈齒、弧形護罩、彈齒座、傳動軸、壓秧桿、支撐圓盤、右側(cè)板及鏈輪等組成，撿拾裝置的主要參數(shù)有撿拾彈齒長度、彈齒直徑及弧形護罩間距。撿拾裝置作用是有序撿秧、平穩(wěn)輸秧及平順送秧，需要解決的主要問題是莢果漏撿、落果及莢果損傷。

2.2.1彈齒與秧蔓、莢果作用力學(xué)分析

彈齒與秧蔓、莢果的作用如圖5所示。莢-柄脫離、莢果的破損是由撿拾裝置旋轉(zhuǎn)扯拉和彈性挑撥使花生秧蔓、莢果瞬間由靜止做變速運動，由此產(chǎn)生的沖擊合力克服秧蔓、莢果與秧蔓群的纏繞交織混合力，導(dǎo)致秧蔓、莢果被彈齒組件撿拾。此過程中部分莢果受彈齒挑撥沖擊、旋轉(zhuǎn)扯拉及滑移摩擦作用，莢果破損或莢果與果柄斷開，莢果落至地面，造成收獲損失，影響整機收獲質(zhì)量。

為探尋影響花生莢-柄的脫離、莢果的破損力學(xué)機理，將受力莢果簡化成球形分析(圖6)，收獲機以速度vm向前運動，條鋪秧蔓與彈齒接觸瞬間，由于彈齒轉(zhuǎn)速高，花生莢果在彈齒組的撞擊作用下，迅速產(chǎn)生一個速度vj，即在極短時間內(nèi)，花生莢果的速度由0迅速增大到vj，此過程中，花生莢果與彈齒組發(fā)生劇烈碰撞，彈齒組部分動能轉(zhuǎn)化為花生莢果動量，花生莢果受到較大的沖擊力Fj，根據(jù)動量定理，符合關(guān)系式[11-15]

(1)

(2)

(3)

式中mt——彈齒質(zhì)量，取0.41 kg

vt——撞擊時彈齒線速度，m/s

k1——碰撞瞬間莢果個數(shù)，取5

Δt——碰撞時間，s

dk——莢果果殼厚度，為0.81～2.78 mm

撿拾碰撞瞬間，蔓果層與彈齒組往往發(fā)生碰撞滑動摩擦力，導(dǎo)致果柄斷裂造成落果損失，當(dāng)該力小于根柄或果柄連接力時，花生莢果不能從株系脫落，此時應(yīng)符合關(guān)系式[16-19]

(4)

式中k2——碰撞瞬間植株個數(shù)，取2

μ1——莢果與彈齒接觸動摩擦因數(shù)，取0.5

Fb——果柄脫離力，N

δ——莢果下滑方向與重力方向夾角，(°)

g——重力加速度，m/s2

由式(4)可得Fj≤14.18 N時，莢果落果率較低。

為減少撿拾落果損失，花生莢果撞擊后產(chǎn)生的碰撞滑擦力應(yīng)小于花生莢果最大脫離力且應(yīng)盡可能小，在材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)一定條件下，決定彈齒轉(zhuǎn)動能量和沖擊力的因素主要是彈齒轉(zhuǎn)速，式(1)計算前提是彈齒組轉(zhuǎn)速為60 r/min，彈齒轉(zhuǎn)速越低，莢果落果損失越小，但撿拾效率越低，因此選擇合理的彈齒轉(zhuǎn)速區(qū)間至關(guān)重要，根據(jù)文獻[17，20]，不同作業(yè)條件下，彈齒轉(zhuǎn)速一般為50～90 r/min。

2.2.2弧形護罩設(shè)計

弧形護罩的作用是輔助撿拾彈齒完成有序撿秧、平穩(wěn)輸秧及平順送秧，在撿拾彈齒挑撿秧蔓旋轉(zhuǎn)上升過程中，部分莢果會進入兩相鄰彈齒間隙內(nèi)(圖7)，造成莢果被弧形護罩內(nèi)側(cè)拉扯掉落或造成表面損傷，因此研究相鄰弧形護罩間距與莢果作用關(guān)系十分重要。

花生莢果三軸尺寸如圖8所示，其三軸尺寸定義為：長度xj(x方向)、厚度yj(y方向，兩子葉結(jié)合面的垂直方向)、寬度zj(z方向),根據(jù)圖7，撿拾彈齒弧形護罩共同配合完成帶果秧蔓的撿拾和旋轉(zhuǎn)輸運，應(yīng)滿足條件

(5)

式中d——相鄰兩弧形護罩間的距離，mm

S——花生植株條鋪寬度，mm

kz——彈齒弧形護罩寬度，mm

田間統(tǒng)計分析表明，含水率低于20%時，“開農(nóng)61”莢果的三軸平均尺寸為25、12、13 mm，而植株平均長度為400 mm，因此，取d為10 mm，為使彈齒穩(wěn)定托撐秧蔓及莢果，每株橫向花生株系在被撿拾上升過程中，由3根撿拾彈齒支撐，取kz為150 mm。

3 摘果裝置設(shè)計

3.1 摘果裝置結(jié)構(gòu)及摘果機理

軸流式花生撿拾收獲機摘果裝置主要由左右側(cè)板、進秧口、釘齒摘果滾筒、導(dǎo)流板、凹板篩、排秧口、螺旋輸送器、主帶輪構(gòu)成(圖9)。左側(cè)主帶輪可以實現(xiàn)動力的輸入，進秧口位于導(dǎo)流板左前方，釘齒摘果滾筒位于導(dǎo)流板與主凹板篩之間，其右下方為螺旋輸送器。

沿進秧口進入的待摘花生植株，一方面在導(dǎo)流板引導(dǎo)作用下，沿釘齒摘果滾筒自左向右半螺旋流動(圖10)，同時在高速旋轉(zhuǎn)的摘果滾筒帶動下沿周向做高速旋轉(zhuǎn)運動，此過程中花生植株受到導(dǎo)流板的摩擦與釘齒摘果滾筒旋轉(zhuǎn)撞擊、揉搓，分離成斷枝斷秧和莢果，在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下被甩到主、副凹板篩柵條的空隙中，莢果在重力下穿過空隙落到下方的振動篩上，斷枝殘秧則通過排秧口排到機外。

釘齒摘果滾筒主要設(shè)計參數(shù)為:釘齒摘果滾筒回轉(zhuǎn)直徑D與長度L、凹版篩間距L1、摘果釘齒排數(shù)M3、摘果滾筒轉(zhuǎn)速n等。

3.2 莢果與導(dǎo)流板接觸受力分析

莢果在導(dǎo)流板碰撞摩擦作用下(圖11)，沿釘齒摘果滾筒自右向左軸向流動過程中，莢果與植株脫離時，需滿足

(6)

式中N1——莢果受秧蔓群合力，N

θ——導(dǎo)流板導(dǎo)流角，(°)

Fl——果柄、莢果分離力，N

f1——導(dǎo)流板對莢果的摩擦力，N

k3——碰撞瞬間莢果個數(shù)

μ2——莢果與導(dǎo)流板間動摩擦因數(shù)

莢果果殼臨界破損力一般在24.2～40.6 N，結(jié)合式(6)，N1應(yīng)滿足

(7)

3.3 摘果滾筒長度及直徑的確定

釘齒摘果滾筒的長度以及面板寬度的取值直接關(guān)系到摘果時間的長短，從而影響到莢果的摘凈率以及生產(chǎn)效率。摘果時間越長，摘果率就越大。為了提高花生摘果過程中的摘果率，需要給花生摘果留有充分的時間；又由于進入到摘果輥筒內(nèi)的花生植株是做螺旋運動，且滾筒越長，莢果被打擊次數(shù)越多，摘凈率越高，但莢果破損率也隨之升高，摘果滾筒長度為[21]

(8)

式中a——齒跡距，mm

Z——單排摘果釘齒個數(shù)

K——螺線頭數(shù)

l1——端部釘齒到滾筒端部距離，mm

為提高摘果效率同時降低摘果功耗，摘果釘齒在滾筒上呈單螺旋排列，谷物脫粒滾筒單排摘果釘齒個數(shù)Z設(shè)計為30，齒跡距一般為25～50 mm，結(jié)合滾筒空間布置，取l1=25 mm，a=40 mm，則可得摘果滾筒長度為1 210 mm。

摘果滾筒直徑為

(9)

式中h2——摘果釘齒高度，mm

S3——每排摘果釘齒展開間距，mm

摘果滾筒直徑太小容易纏繞花生秧蔓，造成堵塞，降低摘果效率，直徑過大則加大功耗和莢果破損率，參考谷物常用滾筒的直徑為400～600 mm，結(jié)合田間試驗取D為500 mm。

3.4 莢果與摘果釘齒接觸受力分析

莢果與摘果釘齒間作用如圖12所示，由于摘果滾筒轉(zhuǎn)速越大，摘果釘齒線速度越高，造成莢果破損率越高，根據(jù)赫茲接觸理論，莢果與摘果釘齒接觸瞬間，最大接觸壓力F0應(yīng)滿足

(10)

式中d2——最大接觸位移，m

E*——等效彈性模量，取1.0×106Pa

ρ——莢果密度，kg/m3

b——莢果短軸長度，取0.01 m

d0——摘果釘齒半徑，取0.01 m

F2——果柄斷裂最大臨界力，N

F3——莢果果殼破損最小臨界力，N

λ1——果柄的臨界脫落力系數(shù)，取1.2

λ2——莢果破損系數(shù)，取0.6

通過式(10)可得：3 000 mm·r/s≤Dn≤5 000 mm·r/s，當(dāng)D=500 mm 時，6 r/s≤n≤10 r/s，即n為360～600 r/min，在摘果滾筒長度及直徑確定后，摘果滾筒轉(zhuǎn)速是影響摘凈率、莢果破損率的主要因素，且滾筒轉(zhuǎn)速越高，莢果單位時間被打擊次數(shù)越多，摘凈率越高，但莢果破損率也隨之升高，參照常見摘果滾筒的轉(zhuǎn)速范圍(400～600 r/min)，同時為降低功耗，確定摘果滾筒轉(zhuǎn)速為400～500 r/min。

3.5 摘果釘齒參數(shù)優(yōu)化

目前普遍使用的花生摘果滾筒上的摘果齒有彎齒式和釘齒式兩種。前者雖然可以通過弓齒傾斜固定產(chǎn)生軸向推力、使花生植株沿軸向運動，但植株容易造成纏繞且摘果范圍較小[22]。釘齒式摘果齒可減少秧蔓纏繞，摘果通暢性較好，因此本設(shè)計選用釘齒，但由于釘齒自身不能產(chǎn)生軸向推力，選用導(dǎo)流板與其配合，通過導(dǎo)流板，引導(dǎo)進入帶果秧蔓沿中心軸向自右向左輸送，有效增加摘果行程，但由于釘齒與花生植株接觸面積小，碰撞時會增加莢果破損率，同時會造成斷枝斷秧增多，不利于后續(xù)清選。因此對釘齒結(jié)構(gòu)參數(shù)及排列進行研究。

釘齒與滾筒軸的軸向安裝夾角對莢果破碎率和秧雜流動順暢性影響較大，釘齒形狀如圖13所示。

為獲得最佳釘齒夾角，對不同釘齒夾角安裝方式(45°，60°，90°，120°，135°)的摘果滾筒的摘果通暢性(壅堵次數(shù))和摘果質(zhì)量(莢果破損率)進行對比試驗。試驗用花生品種為 “開農(nóng)61”，試驗喂入量約2.5 kg/s，蔓果綜合含水率為28%，果部土壤殘留質(zhì)量比例約為2.4%，試驗時將不同角度的摘果釘齒安裝在對應(yīng)摘果滾筒上，然后安裝于本課題組研制的收獲試驗臺上，試驗工作參數(shù)為：摘果滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min、釘齒直徑20 mm、釘齒長度50 mm，每種角度進行5組重復(fù)試驗，每組試驗喂入量300 kg，觀測其平均壅堵次數(shù)、平均莢果破損率。測量裝置包括：電子天平(精度0.01 g，上海海康電子儀器廠)、電子吊秤(永康市泰高五金廠)、轉(zhuǎn)速表(北京飛博爾電子公司)。

試驗結(jié)果為：釘齒45°、60°、90°、120°、135°5種安裝角度的壅堵次數(shù)分別為3、2、0、2、2次；莢果破損率分別為3.2%、2.1%、1.7%、2.3%、3.5%。

分析原因可知：以45°釘齒安裝角進行作業(yè)時，秧蔓和莢果受釘齒和釘齒滾筒軸間形成的狹小空間的影響，容易夾秧、纏秧，秧蔓流動通暢性受到影響，纏繞后莢果受到多次擊打，造成破損率增加。當(dāng)安裝角增大為60°時，釘齒和釘齒滾筒軸之間的空間變大，壅堵次數(shù)和莢果破損率有所減小，當(dāng)安裝角增大為90°時，秧蔓的纏秧量最小，流動狀態(tài)最好，壅堵次數(shù)和莢果破損率最小。釘齒安裝角為120°和135°時，由于釘齒和釘齒滾筒軸存在的狹小空間分別與60°和45°相同，因此，選擇釘齒安裝角為120°。為進一步在減少莢果破損率的同時提升摘果效率，釘齒材料選擇耐磨性好的丁苯橡膠[23]。

4 試驗

4.1 試驗條件與指標

4.1.1試驗條件

試驗于2019年9月10—15日在河南省駐馬店市遂平縣試驗基地進行(圖14)。試驗花生品種為“開農(nóng)61”，單壟雙行種植，壟距800 mm，株距285 mm，產(chǎn)量5 000 kg/hm2。試驗地晾曬3 d后秧蔓含水率18.65%，莢果含水率20.42%,果柄含水率16.97%，帶果秧蔓平均長度40 mm，以人工鋪設(shè)秧蔓模擬人工挖掘收獲后的全量秧蔓莢果。果蔓比均值為1.2，均勻鋪設(shè)密度為25 kg/m2(大于挖掘收獲條鋪量)，試驗地塊面積15 000 m2(100 m×150 m)，土壤類型為沙壤土，在0～10 cm深度處土壤含水率為16.53%，土壤堅實度為0.78 MPa，土壤容重1.1 g/cm3。試驗前由挖掘機收獲，人工去莢果土壤后鋪放于田間，秧蔓鋪放密度為15株/m2。

4.1.2試驗指標及測試方法

試驗前進行花生秧蔓田間鋪放情況檢查，測試按GB/T 5262—2008進行。測試參照國家標準GB/T 5667—2008《農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)試驗方法》、農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 502—2016《花生收獲機試驗質(zhì)量》和NY/T 2204—2012《花生收獲機械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》中的方法及規(guī)范，測試內(nèi)容主要包括撿拾率、莢果損失率、單位撿拾功耗。

將試驗區(qū)劃分為30個測試區(qū)，每個測區(qū)長100 m，撿拾幅寬2 500 mm，進行30次試驗，在30個測試區(qū)上隨機取10個測試區(qū)。撿拾機構(gòu)配置于課題組自行研制的軸流式花生撿拾收獲試驗臺上，保持試驗臺勻速行駛，撿拾裝置高度保持恒定，試驗員駕駛收獲機在田間進行撿拾試驗。測試儀器包括轉(zhuǎn)速測試儀、米尺、電子秤等。

4.2 性能試驗

4.2.1試驗設(shè)計與方法

選取對收獲質(zhì)量影響較大的彈齒轉(zhuǎn)速A、摘果滾筒轉(zhuǎn)速B、機具前進速度C作為試驗因素。其他試驗參數(shù)為彈齒滾筒長度2 500 mm、彈齒個數(shù)156及彈齒直徑5 mm，4排彈齒周向均布，釘齒長度50 mm、釘齒直徑20 mm。試驗以撿拾率Y1、莢果損失率Y2(包括撿拾莢果掉落和撿拾、摘果過程中的莢果破損)、生產(chǎn)率Y3作為指標，開展三因素三水平正交試驗[24-26]，試驗因素與水平見表2。

表2 試驗因素與水平Tab.2 Factors and levels of experiment

4.2.2數(shù)據(jù)分析與處理

試驗數(shù)據(jù)采用Design-Expert軟件進行二次多項式回歸分析，并利用響應(yīng)面分析法對各因素相關(guān)性和交互效應(yīng)的影響規(guī)律進行分析研究。

5 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Behnken試驗原理設(shè)計分析試驗，共 17個試驗點。試驗方案與結(jié)果如表3所示。

表3 試驗設(shè)計方案與結(jié)果Tab.3 Experiment design and result

5.1 回歸模型建立與顯著性檢驗

利用Design-Expert軟件對表3中的數(shù)據(jù)開展多元回歸擬合分析，建立Y1、Y2、Y3對A、B、C的響應(yīng)面回歸模型

Y1=0.102 3+0.001 8A+0.000 1B+0.001C+
0.000 2AB+0.000 4AC+0.000 3BC+0.000 6A2-0.000 1B2+0.000 3C2

(11)

Y2=2.76+0.37A+1.1B+0.276 3C+0.205AB-0.09AC+0.072 5BC-0.121 8A2+0.355 7B2+
0.350 8C2

(12)

Y3=0.586 0+0.021 3A+0.007 5B+0.151 3C+
0.012 5AB+0.007 5BC+0.039 5A2+0.027 0B2-0.035 5C2

(13)

通過表4分析結(jié)果可知，撿拾率Y1、莢果損失率Y2、生產(chǎn)率Y3的P值分別為0.001 7、0.000 6、<0.000 1(均小于0.05)，表明3個模型影響極顯著。其失擬項的P值分別為0.072 2、0.333 8、0.087 3(均大于0.05)，表明3個模型擬合程度較高；其決定系數(shù)R2分別為 0.940 0、0.955 7、0.979 0，表明94%以上的響應(yīng)值均可以由這3個模型解釋，因此，該模型可以預(yù)測撿拾機構(gòu)的工作參數(shù)。

表4 回歸方程方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equation

5.2 交互因素對性能指標的影響分析

根據(jù)表2結(jié)果，考察彈齒轉(zhuǎn)速A、摘果滾筒轉(zhuǎn)速B及機具前進速度C交互作用對各性能指標的影響，并利用Design-Expert軟件繪制響應(yīng)面交互因素對拾落果率Y1影響響應(yīng)面如圖15所示。圖15a表明減小彈齒轉(zhuǎn)速A有助于降低撿拾率；圖15b表明減小彈齒轉(zhuǎn)速A與機具前進速度C明顯有助于增加撿拾率；圖15c表明減小機具前進速度C有助于增加撿拾率。

交互因素對莢果損失率Y2影響響應(yīng)面如圖16所示。圖16a表明減小彈齒轉(zhuǎn)速A和摘果滾筒轉(zhuǎn)速B有助于降低莢果損失率，圖16b表明減小彈齒轉(zhuǎn)速A與機具前進速度C明顯有助于降低莢果損失率，圖16c表明減小摘果滾筒轉(zhuǎn)速B和機具前進速度C有助于降低莢果損失率。

交互因素對生產(chǎn)率影響響應(yīng)面如圖17所示，圖17a表明增加彈齒轉(zhuǎn)速A和摘果滾筒轉(zhuǎn)速B對生產(chǎn)率Y3影響不顯著；圖17b表明增加機具前進速度C明顯有助于增加生產(chǎn)率Y3；圖17c表明增大機具前進速度C顯著增加生產(chǎn)率Y3。

5.3 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)撿拾率Y1、莢果損失率Y2及生產(chǎn)率Y3數(shù)學(xué)模型，可以在約束條件范圍內(nèi)選取撿拾機構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合并對回歸模型進行檢驗。以最大撿拾率Y1、最小莢果損失率Y2及最大生產(chǎn)率Y3為評價指標，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

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利用Design-Expert軟件優(yōu)化求解模塊可求得滿足約束條件的最大撿拾率Y1、最小莢果損失率Y2及最大生產(chǎn)率Y3的最優(yōu)參數(shù)組合。求解的最優(yōu)參數(shù)組合為：彈齒轉(zhuǎn)速67.81 r/min、摘果滾筒轉(zhuǎn)速447.25 r/min、機具前進速度1.36 m/s，對應(yīng)的撿拾率為98.96%、莢果損失率為2.18%、生產(chǎn)率為0.62 hm2/h。

由于實際工作參數(shù)很難調(diào)整到理論求解的優(yōu)化值，選擇一組接近優(yōu)化值的參數(shù)進行田間試驗，參數(shù)值為：彈齒轉(zhuǎn)速68 r/min、滾筒轉(zhuǎn)速447 r/min及機具前進速度1.4 m/s。試驗于 2019年9月20日在相同地點采用相同的測試方法進行，撿拾率、莢果損失率及生產(chǎn)率平均值分別為98.62%、2.11%、0.61 hm2/h。與切流板齒滾筒式花生撿拾收獲機常用的一組參數(shù)收獲同等條件下的條鋪晾曬花生時對比，對應(yīng)的撿拾率、生產(chǎn)率分別提高了2.1、4.5個百分點，莢果損失率降低了0.9個百分點，綜合性能明顯改善。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種軸流式花生全喂入收獲機，該機一次下田可對挖掘后成條鋪放的花生完成撿拾，比現(xiàn)有花生撿拾收獲機撿拾率高、莢果損失率低、生產(chǎn)率高，減少了人工成本。

(2)在分析整機工作原理的基礎(chǔ)上，進行了關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)確定，并根據(jù)花生植株力學(xué)特性對彈齒與秧蔓、莢果作用進行力學(xué)分析，得出撿拾彈齒對莢果的撞擊力范圍和莢果脫落條件；對莢果和導(dǎo)流板進行力學(xué)分析，得出莢果與植株脫離的條件，并運用赫茲接觸理論對摘果過程中的莢果和摘果釘齒撞擊進行分析，得出摘果滾筒直徑和摘果滾筒轉(zhuǎn)速的關(guān)系表達式。

(3)基于Box-Behnken中心組合設(shè)計理論，以彈齒轉(zhuǎn)速、摘果滾筒轉(zhuǎn)速、機具前進速度作為影響因子，進行正交試驗研究，分析各因素對撿拾率、莢果損失率和生產(chǎn)率的影響，并對工作參數(shù)進行優(yōu)化。結(jié)果表明，最優(yōu)參數(shù)組合為彈齒轉(zhuǎn)速68 r/min、摘果滾筒轉(zhuǎn)速447 r/min及機具前進速度1.4 m/s，對應(yīng)的撿拾率為98.62%、莢果損失率為2.11%、生產(chǎn)率為0.61 hm2/h，撿拾率、生產(chǎn)率比優(yōu)化前分別提高了2.1、4.5個百分點，莢果損失率比優(yōu)化前降低了0.9個百分點，綜合性能明顯提高。