制種玉米種穗收獲機設計與試驗

唐遵峰 劉淑平 周福君 李天宇 王姣麗 李春友

(1.現代農裝科技股份有限公司， 北京 100083; 2.東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030;3.中機美諾科技股份有限公司， 北京 100083)

0 引言

玉米產業的穩定發展直接關系到國計民生，而玉米種子有效供給則事關國家糧食安全。目前，我國制種玉米基本靠人工收獲，機械收獲尚未得到實際應用，其主要原因有：第一，制種農藝復雜特殊，不利于機械化收獲。首先，制種玉米父本、母本分行播種，二者種植行距、株距和播種時間各不相同，機械對行收獲困難；其次，按照父本花粉量和父本、母本相對株高差，父本、母本種植行比為1∶2～1∶8不等，授粉結束后砍掉父本，僅收獲母本果實作為種子，這導致機械收獲時空駛，影響機械收獲效率。第二，機械化收獲種穗總損失大，無法滿足實際需求。制種玉米要求在完熟期內、乳線消失時適時收獲，以保證制種玉米種子質量。完熟初期籽粒含水率28%左右，籽粒含水率高，機械化收獲易損傷種皮；完熟末期籽粒成熟度提高、含水率降低，果穗下垂率增加到70%，此時機械化收獲容易造成果穗落籽、掉穗。由于玉米種穗自身價值高，要求機械化收獲果穗總損失率小于等于3%[1]，而目前國內玉米收獲機收獲果穗總損失率為8%～11%，存在很大差距。第三，制種玉米果穗物料特殊，不利于機械化收獲。玉米種穗穗位偏低，高度為350～700 mm，對行難度大，收獲時產生的大量斷莖稈容易導致機器堵塞、收獲質量下降；果穗穗體偏小，其外形和質量僅為普通玉米的50%，種穗最大直徑小于普通玉米收獲機摘穗板最小間隙，造成種穗與拉莖輥直接接觸，啃穗現象嚴重。第四，收獲前需要清種，通過徹底清理收獲機工作通道來保證種子純度，而目前傳統玉米收獲機均不具備清種功能。上述原因使制種玉米機械化收獲難以推廣示范，阻礙了制種玉米全程機械化的發展[2-3]。目前，制種玉米人工收獲效率低、勞動強度大，種子適收期內勞動力季節性短缺現象嚴重，從而造成制種玉米種植綜合成本高、規模效益低、種子質量不穩定[4-5]。因此研發適合我國國情、滿足我國制種企業實用要求的制種玉米種穗收獲機十分必要。

國外制種玉米機械化水平較高，但大多是針對大塊田地而設計的大型機器，如美國OXBO公司生產的8840型制種玉米種穗收獲機可同時收獲16行制種玉米，收獲幅寬9.6 m，不適用于國內傳統小地塊種植區域。國內相關學者和研究單位就玉米果穗收獲及加工技術進行了研究，在商品玉米和鮮食玉米果穗摘穗方式、摘穗減損機理和果穗聯合收獲技術等方面均設計出試驗裝置，并進行了試驗研究[6-16]。這些研究成果為本文制種玉米果穗收獲機設計提供了重要理論指導和技術參考。

本文采用柔性摘穗、無損傷輸送和二次拉莖負壓氣流清選技術，借鑒國內現有玉米割臺特點，降低玉米種穗損傷和落籽，并通過試驗驗證柔性摘穗、無損傷輸送和二次拉莖負壓氣流清選技術收獲制種玉米種穗的可行性，以期實現玉米種穗低損清潔收獲。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

制種玉米種穗收獲機(如圖1所示)主要由割臺、過橋、二次拉莖和負壓清選裝置、二次升運器、液壓動力裝置、發動機動力系統、行走裝置和種穗收集箱等組成，其中割臺是整機核心部件。

1.2 工作原理

所設計的自走式聯合收獲作業機，能一次完成分禾、摘穗、輸送、二次穗稈分離、負壓氣流清選分離、集料與卸車等多種工序聯合作業。工作參數如表1所示。

表1 制種玉米種穗收獲機主要參數

根據制種玉米穗形小、收獲期內籽粒含水率變化大、收獲后期果穗下垂率高等性狀特點，調控拉莖輥轉速、改變拉莖強度，減少種穗損傷和斷穗；利用弧形摘穗板，使種穗自動對中拉莖；采用橡膠撥禾帶減沖撥穗輸送裝置，降低撥穗輸送鏈對玉米種穗的沖擊碰撞強度，減少果穗損傷，實現柔性摘穗、無損傷輸送和低損收獲。

本設計具有快速清種功能。收獲機割臺、過橋和二次升運器等工作部件均可從主機上快速拆裝，使用壓縮空氣分別進行清理；另外割臺、過橋和二次升運器等工作部件均具備倒轉反吐功能，也便于清種工作。

1.3 動力布置及傳遞方式

收獲機各工作部件以車架為基礎，割臺、喂入裝置、清選裝置、輸送與集料裝置沿主機縱軸線對稱位置，發動機橫向配置于主機中部偏后，喂入裝置、升運與集料裝置等工作部件的傳動軸全部垂直于主機的縱軸線，與發動機的動力輸出軸線平行，簡化了主傳動設計，發動機位于后部也減小了駕駛室噪聲。割臺、喂入裝置、清選排雜裝置、升運部件與主機采用獨立單元結構，相互連接使用快速掛接機構。發動機動力經分動箱分為4路傳遞：行走驅動系統；割臺驅動、各工作油缸和轉向油缸；升運器和二次拉莖組件驅動；排雜風機驅動。如圖2所示。本設計根據整機布置要求，行走底盤變速箱選用具備液壓馬達驅動、一根操縱桿實現高低速二擋功能的變速箱，道路行走時最大行走功率為50 kW，收割作業時最大行駛功率為26 kW。

2 關鍵部件設計

2.1 玉米種穗割臺設計

玉米種穗割臺是收獲機關鍵部件，主要由分禾器、拉莖輥組件、集料螺旋輸送器、傳動系統、割臺機架等部分組成(圖3)。

由于制種玉米穗位較低，一般為350～700 mm，綜合考慮整機田間通過性能，本設計割臺最小收獲地隙選定為350 mm。

制種玉米父本、母本行比按種植農藝要求為1∶2～1∶8，其中1∶4、1∶5、1∶6這3種親本行比使用較多，約占70%，本設計收獲行數選定為4行，這種設計配行范圍最廣，機器空駛率低，設備運營經濟性高。

另外母本種植行距按品種不同一般為400～700 mm，種植面積最大的玉米品種(鄭單958和先玉335)母本播種行距為450～550 mm，綜合考慮收獲幅寬、道路行駛和設備運輸等因素，本設計種穗割臺沿整機中心線對中布置4個收獲通道，收獲通道間行距為505 mm。拉莖輥組件主要由分禾器、拉莖輥、摘穗板、橡膠撥禾帶組件、齒輪箱等部分組成，見圖4。

2.1.1拉莖輥設計

制種玉米完熟初期玉米籽粒含水率28%左右，籽粒含水率偏高，機械收獲易損傷種皮。為減輕種穗受損，本設計采用嵌刀對刃式拉莖輥切莖切柄完成穗莖分離。

由于制種玉米種穗穗位低，種穗穗位以下莖稈剛性大、脆性高，經導錐導入后，與切莖輥接觸的瞬間就被撞斷，見圖5b，造成植株整體倒伏，導致堵塞無法連續作業。本設計將拉莖輥設計成錐形，見圖5a，縱向布置，左右拉莖輥間形成一個莖稈導入楔口，減輕植株整體倒伏。

為保證拉莖輥齒刀能抓取制種玉米莖稈并減少齒刀與制種玉米莖稈間的相對滑移，應滿足

(1)

式中φj——制種玉米莖稈直徑，mm

φg——拉莖輥直徑，mm

ε——莖稈拉莖喂入角，(°)

ε0——制種玉米莖稈和鋼材間摩擦角，(°)

t——拉莖輥中心距，mm

根據田間調查，制種玉米結穗處莖稈直徑為20～34 mm，計算時取φj=27 mm；為適應制種玉米種植行距，本設計割臺選用窄行距割臺齒輪箱，拉莖輥中心距t=101.6 mm；參照玉米莖稈與鋼材的摩擦因數μ為0.32～0.54[17]，ε0為17.75°～28.37°。

根據式(1)得φgmin=84.77 mm，拉莖輥小端直徑取為85 mm，拉莖輥大端直徑取為110 mm。

工作時莖稈在橡膠撥禾帶作用下由拉莖輥小端向大端移動。隨著拉莖輥直徑增大，拉莖輥齒刀切深增大，果穗逐漸接近摘穗板，到達摘穗板后在橡膠撥禾帶作用下向拉莖輥大端滑移，當左右拉莖輥齒刀刃口相對時拉莖輥切斷穗柄和莖稈，實現果穗與莖稈分離，本設計對刀間隙δ設定為0.8～1 mm。為進一步提高拉莖輥拉莖效率，本設計在拉莖輥齒刀刃口工作面上做出20°前角和30°后角(圖6)，這種結構拉莖輥齒刀更加鋒利，抑制莖稈回彈，提高了拉莖輥齒刀切柄準確性。

因此，拉莖輥組沿前進方向從前向后依次分為導入段、拉莖段和切柄段，如圖6所示。拉莖輥后部通過球鉸軸與割臺齒輪箱相連，割臺齒輪箱由液壓馬達驅動并實現拉莖輥轉速無級可調。合理匹配拉莖輥轉速與收獲機前進速度，就能實現果穗始終在切柄區內連續切柄，完成穗莖分離。

2.1.2圓弧形摘穗板設計

為減緩沖擊種穗玉米，將摘穗板設計成圓弧形(見圖7)，由于拉莖輥外形呈錐形，摘穗板緊貼其外側也呈錐形，左右摘穗板對稱布置形成喇叭口。

這種結構形式使種穗在拉莖過程中自動呈對中直立狀態(圖8b、8c)，摘穗板圓弧形結構使果穗與摘穗板接觸時種穗尾端與摘穗板間產生相對滑移，急劇減緩摘穗板對玉米種穗的撞擊，達到保護果穗目的(圖8d)；傳統玉米摘穗板結構平直，摘穗時果穗容易單側撞擊摘穗板從而損傷果穗籽粒(圖8a)。本設計摘穗板能左右小角度(0°～3°)轉動調整喇叭口張口開度以適應不同品種的玉米種穗，摘穗板間隙為28～34 mm。

2.1.3橡膠撥禾帶設計

橡膠撥禾帶是實現柔性摘穗關鍵部件，左右撥禾帶分別布置在左右摘穗板正上方組成撥禾帶組件，如圖9所示。撥禾帶組件主要由主動輪、撥禾帶、導板、張緊機構和從動輪等部分組成。橡膠撥禾帶基材為調制丁晴橡膠，材質柔韌性高、剛性小、摩擦因數大，在相同帶速下對玉米莖稈沖擊小，抓取能力強，在高帶速工作時柔性撥禾效果尤為顯著，斷稈傷穗現象明顯下降。本設計橡膠撥禾帶(圖8b)寬度為56 mm，是傳統鋼制鏈(圖8a)寬度的2～3倍。撥禾作業時橡膠撥禾帶與玉米莖稈接觸面積加大，減緩對玉米莖稈的撞擊和抽打；另外還能扶正并夾持種穗自動對中，使其保持穗柄向下、穗頭向上的狀態完成切莖切柄，實現穗莖分離。

2.1.4摘穗割臺主要結構參數的確定

摘穗工作臺動力學分析簡圖如圖10所示。

由于本設計采用板式摘穗，拉莖時玉米莖稈未被割下，故收獲機拉莖時莖稈工作姿態與收獲機前進速度、撥禾帶線速度密切相關，理想狀態是收獲機前進速度v、拉莖輥拉莖當量速度vg、撥禾帶線速度vb三者構成速度三角形；vg與vb的合速度與收獲機前進速度v大小相等、方向相反，此時玉米莖稈既不前傾、又不后倒，拉莖效率最高，斷稈率最小，同時種穗切柄姿態最好。但在實際收獲過程中只能無限接近上述理想狀態，為此引進推倒系數λ(理論值λ=1，前傾時λ>1，后傾時λ<1)，對于單株玉米莖稈為保證摘穗作業(導入+拉莖+切柄)順利完成，應滿足

(2)

式中hj——制種玉米莖稈去雄后高度，mm

h0——割臺理論收獲離地間隙，mm

hs——制種玉米結穗高度，mm

S——拉莖輥長度，mm

Sz——拉莖輥導錐長度，mm

Sg——拉莖輥拉莖段長度，mm

Sq——拉莖輥切斷、切柄段長度，mm

α——割臺工作角，(°)

對于多株玉米莖稈要想保證摘穗(拉莖、切柄)連續作業，在同一對拉莖輥上玉米莖稈數不能同時超過2根，否則就會造成堵塞，因此還應滿足

(3)

式中L0——制種玉米種植株距，mm

根據田間調查，制種玉米種植株距為220～230 mm，本設計L0=225 mm；普通玉米收獲機割臺工作角一般為20°～35°，由于制種玉米接穗部位低，收獲前期含水率高、后期成熟度高，收獲易掉穗傷籽，本設計α=18°，收獲機前進速度v為5～7 km/h，割臺齒輪箱拉莖輥轉速ng與撥禾帶軸轉速nb比i=ng/nb=3.724 9，撥禾帶主動輪直徑Db=116 mm，推倒系數λ=1.05。依照式(2)計算得：拉莖當量速度vg為3～3.86 m/s，對應ng為590～760 r/min；撥禾帶線速度vb為0.966～1.24 m/s，對應nb為159～204 r/min。

依照約束條件式(2)、(3)，綜合考慮收獲作業時對行不準、割臺工作角經常變化、莖稈物料差異、拉莖時莖稈打滑、莖稈與撥禾帶間滑移等實際工況，本設計拉莖輥基準轉速ng為850 r/min，撥禾帶基準線速度vb為1.38 m/s，拉莖輥長度S為638 mm(導錐長度Sz為158 mm，拉莖段長度Sg為232 mm)。根據制種玉米種植株距和撥禾帶基準線速度，撥禾帶撥禾齒節距選定為Pb為232 mm。

2.2 清選排雜裝置設計

清選排雜裝置主要作用是將割臺收獲后的種穗、少量落籽與斷莖稈、莖葉和果穗苞葉等雜質分離，將種穗和落籽收集至二次升運器，同時將斷莖稈、莖葉、果穗苞葉等雜質抽排出收獲機，如圖11所示，主要由二次拉莖裝置、切碎刀、排雜風機、擋風罩、傳動系統等部分組成。

二次拉莖裝置主要作用是將割臺形成的穗莖復合體再次穗莖分離。該裝置主要由兩個表面焊有方鋼的齒輥組成(圖12)，齒輥組中心距不變，相向旋轉。

由于玉米種穗、莖稈與莖葉的比重和漂浮系數不同，當穗莖復合體離開過橋后在重力和排雜風機氣流裹挾作用下自然形成“莖葉靠上穗靠下”姿態，這種工作姿態莖葉大概率接近斜上方的二次拉莖齒輥組，二次拉莖齒輥組相向旋轉準確抓取莖葉，進而帶動整個穗莖復合體喂入二次拉莖齒輥組，齒輥方鋼將莖稈持續斬切成小段經排雜風機排出機體外，果穗自由落體到升運輸送帶上繼續向后輸送，從而實現果穗二次拉莖。在此過程中由于果穗始終在拉莖輥組下方，其受損程度較小。臺架試驗確定齒輥轉速范圍為700～900 r/min，根據作物情況無級調節以防止堵塞。

參照OXBO2460型玉米種穗收獲機排雜風機工作原理和布置形式對排雜風機進行比例設計[18]，確定主要技術參數：工作形式為立式負壓離心方式；扇葉為8片后傾15°直葉片；葉輪直徑為672 mm；排雜風機轉速為1 000～1 400 r/min無級可調。

2.3 發動機選型

按照GB 20891—2014《非道路移動機械用發動機排氣污染物排放限值及測量方法(第3、4階段)(發布稿)》的規定，發動機選用東康6-QSB6.7型國Ⅲ柴油發動機，動力為164 kW。發動機自帶預熱裝置，保證在-20℃可以正常起動，配有冷卻水箱，采用吸風方式冷卻，可保證水箱表面潔凈，確保冷卻效果。發動機自帶空氣壓縮機，能夠為種子清理系統提供足量穩定壓縮空氣氣源。

由于本機工作部件全部為液壓驅動，工作部件主要工作參數無級可調，駕駛員可以根據收獲地塊作物長勢和具體地理地況適時調整機器工作參數，自主選定發動機工作點來獲得最大發動機工作效率，減少發動機能耗，有利于降低整機收獲成本，提高駕駛員綜合收益。本機發動機工作區間設定為最大功率點和最大扭矩點之間(如圖13所示)，即[149 kW/949 N·m@1 500 r/min，172 kW/819 N·m @2000 r/min]，發動機工作轉速區間為1 500～2 000 r/min，發動機怠速為800 r/min。

2.4 快速清種系統設計

清種是制種玉米果穗收獲機的獨特功能。按國家標準 GB 4404.1—2008《糧食作物種子第1部分：禾谷類》要求雜交玉米種子純度大于等于95%，因此玉米種穗收獲機在收獲不同品種玉米種子前，要求無死角充分清理整個種穗輸送通道(含腔室)，防止混種。本機割臺、過橋和二次升運器等工作部件均能從主機架上快速拆裝(圖14)，使用發動機自備空壓機產生壓縮空氣分別進行清理；另外收獲機各主要工作部件均具備倒轉反吐功能，便于清種工作。

本機清種用壓縮空氣由發動機自帶空壓機供給，壓縮空氣系統主要由空壓機、儲氣罐、氣水分離器和吹氣槍等組成，如圖15所示。系統壓力0.8 MPa，空壓機排氣量大于等于280 L/min，滿足清種用氣要求。

3 試驗與結果分析

選擇影響玉米種穗收獲機性能的指標進行試驗。制種玉米收獲時不需要對果穗進行剝皮或者脫粒，因此，本試驗選取果穗損失率和落地籽粒損失率為試驗指標，主要是試驗整機工作效果和收獲質量。

3.1 試驗條件

試驗時間：2020年9月27—28日；試驗地點：甘肅省武威市涼州區清源鎮某制種玉米種植地；試驗設備：4YZS-4型制種玉米種穗收獲機(圖16)、8203型鋼卷尺、米尺、游標卡尺、PS-930型秒表和攝像機。

試驗玉米品種為“佳玉3550號”。試驗時，由于極少部分玉米植株因生長情況不好，應予以清除。試驗玉米地長度為50 m，性能測定區長度為20 m，測定區前的機具調整穩定區為20 m，測定區后的停車區為10 m。在測定區內，隨機選取50株玉米植株進行測量，測量過程重復3次，測量結果取平均值，得到試驗制種玉米的主要物理參數如表2。

表2 制種玉米植株參數

3.2 試驗方案與結果

針對試驗過程分析可知，割臺高度過高摘穗板可能直接撞擊果穗造成果穗損傷，過低造成收獲機行走困難；拉莖輥轉速過高導致摘穗力度過大損傷果穗，轉速過低導致無法順利拉莖切柄、造成割臺通道堵塞；摘穗板間隙過大拉莖輥容易啃傷果穗，間隙過小易造成莖稈堵塞。摘穗臺高度、拉莖輥轉速、摘穗板間隙是檢驗摘穗臺的關鍵因素。由于試驗地制種玉米結穗高度和結穗處莖稈直徑一致性較好，摘穗臺高度和摘穗板間隙可取為定值，因此本試驗將拉莖輥轉速選定為試驗因素，分析其對整機工作效果的影響。

整機前進速度和排雜風機轉速直接影響種穗二次拉莖效果和果穗損失，因此本試驗選定前進速度和排雜風機轉速為試驗因素。

3.2.1試驗指標測定

本試驗主要考察整機工作效果和收獲質量，選取果穗損失率和落地籽粒損失率為試驗指標，試驗過程中按試驗因素分次分測區計時作業。作業后，在測定區內收集落地果穗和落地籽粒分別計算出果穗損失率和落地籽粒損失率，進行試驗結果分析[1]。

測量收集測區內漏摘和落地的果穗(長度大于50 mm以上)上的玉米籽粒質量Wu和測區內所有的玉米籽粒總質量W，計算得

(4)

式中Su——制種玉米果穗損失率，%

在測定區、清理區內，收集全部落地籽粒、莖稈中夾帶籽粒和小于50 mm長的碎果穗，脫凈后稱出的質量ms與籽粒總質量mi的百分比為落地籽粒損失率

(5)

3.2.2試驗方案確定

依據試驗區制種玉米植株參數，為尋求制種玉米種穗收獲機作業過程中各參數的最佳狀態，對所選的拉莖輥轉速、前進速度、排雜風機轉速3個參數進行三因素三水平正交試驗與分析。正交試驗的每個試驗組重復3次，統計結果取平均值。各參數水平的選取以滿足機具高性能作業的要求確定，其因素水平如表3所示，試驗方案及結果如表4所示[19]。

表3 試驗因素水平

表4 試驗方案與結果

3.3 試驗結果分析

3.3.1回歸模型建立與檢驗

試驗數據采用Design-Expert數據分析軟件進行回歸分析，得到果穗損失率、落地籽粒損失率2個試驗指標的回歸方程，并檢驗其顯著性。

(1)果穗損失率回歸模型與顯著性檢驗

(6)

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，其中P=0.352 7，不顯著(P>0.1)，說明不存在其他影響試驗指標的主要因素，試驗指標和試驗因素存在顯著的二次關系。

(2)落地籽粒損失率回歸模型與顯著性檢驗

表5 果穗損失率和落地籽粒損失率方差分析

(7)

對上述回歸方程進行失擬性檢驗，其中P=0.362 2，不顯著(P>0.1)，說明不存在其他影響試驗指標的主要因素，試驗指標和試驗因素存在顯著的二次關系。

3.3.2各因素對性能指標的影響規律

通過Design-Expert軟件對數據處理，運用響應曲面法分析各因素對果穗損失率和落地籽粒損失率的影響，通過固定3個因素中某個因素為零水平，考察其他兩個因素對作業指標的影響。

對于果穗損失率，各因素的交互作用影響如圖17a、17b所示。如圖17a所示，當排雜風機轉速為1 025 r/min，割臺拉莖輥轉速一定時，果穗損失率隨前進速度的增大稍微有所升高，原因是隨前進速度的增大，單位時間內收獲的果穗數增加，拉莖輥不能及時將所有果穗進行處理，導致果穗損失率增大；當前進速度一定時，果穗損失率隨割臺拉莖輥轉速的增大呈逐漸上升趨勢，原因是隨割臺拉莖輥轉速的增大，果穗在拉莖時的初速度較大，拉莖輥對果穗的碰撞加大，導致果穗的損失率增加。割臺拉莖輥轉速和排雜風機轉速交互作用對果穗損失率的影響如圖17b所示，當前進速度為6.25 km/h，割臺拉莖輥轉速一定時，果穗損失率隨排雜風機轉速的增大先減小后增大，原因是隨著排雜風機轉速的增大果穗中雜葉的含量減少，拉莖輥對果穗的拉莖效果越好，果穗損失率也隨之減小；隨著排雜風機轉速的繼續增大，產生的風量可能直接將果穗吹打在拉莖輥上，造成果穗損失率增加。

對于落地籽粒損失率，各因素交互作用影響如圖17c、17d所示。當排雜風機轉速為1 025 r/min、割臺拉莖輥轉速一定時，落地籽粒損失率隨前進速度的增大先增大后減小，原因是前進速度越大，果穗喂入量越大，導致籽粒落地越多，當達到一定前進速度時，過多果穗使機器堵塞，落地籽粒損失減小。當前進速度一定時，落地籽粒損失率隨割臺拉莖輥轉速先增大后減小，原因是割臺拉莖輥轉速越大，果穗與割臺拉莖輥碰撞落粒越多；當前進速度為6.5 km/h、割臺拉莖輥轉速一定時，落地籽粒損失率隨排雜風機轉速增大呈先增大后減小，原因是排雜風機轉速不能使機器中的籽粒懸浮，籽粒從機器下方掉落，隨著排雜風機轉速不斷增大，籽粒不會隨著輸送帶進入果穗箱；當排雜風機轉速一定時，落地籽粒損失率隨割臺拉莖輥轉速的增大呈先增大后減小的趨勢，原因是割臺拉莖輥轉速不足時，果穗與摘穗板形成擠壓，使果穗籽粒落地，當拉莖輥達到一定速度時，果穗穗柄可被拉莖輥一次性切斷，不會形成果穗與摘穗板的擠壓，籽粒落地損失減小。

3.3.3各因素對各試驗指標的影響

通過計算因素貢獻率的方法確定影響的主次順序，數學模型為

(8)

根據目標函數各項對應的F值計算得出貢獻率

(9)

其中

(10)

式中Δj——因素對試驗指標的貢獻率

δj——第j個因素一次項貢獻率

δjj——第j個因素二次項貢獻率

δij——第j個因素交互項貢獻率

各試驗指標的因素貢獻率如表6所示，對果穗損失率Y1的貢獻率從大到小依次為割臺拉莖輥轉速、排雜風機轉速、前進速度；對落地籽粒損失率Y2的貢獻率從大到小依次為割臺拉莖輥轉速、排雜風機轉速、前進速度。

表6 各因素對各試驗指標的貢獻率

3.3.4工作參數優化

綜合二次回歸模型響應曲面分析和對裝置作業時的要求，各試驗因素設定約束同時建立數學模型

(11)

利用Optimization模塊進行優化分析，在試驗因素的約束區間，對其最優水平進行選取，得出當前進速度4.83 km/h，割臺拉莖輥轉速為788 r/min，排雜風機轉速為1 200 r/min時，果穗損失率為1.83%，落地籽粒損失率為1.01%，通過驗證試驗對優化后的組合進行試驗驗證，試驗結果為果穗損失率1.85%，落地籽粒損失率1.01%，基本與優化結果一致，滿足制種玉米種穗收獲機性能要求[19]。

4 結論

(1)設計了一種對中拉莖切柄、柔性摘穗、快速清種制種玉米種穗收獲機，該機能一次完成分禾、摘穗、輸送、二次穗稈分離、負壓氣流清選分離、集料與卸車等聯合作業，有效解決了制種玉米機械收獲總損失大的問題。

(2)經過試驗，該機各項性能指標均達到使用要求，整機流程通暢、工作平穩。當前進速度為4.83 km/h、割臺拉莖輥轉速為788 r/min、排雜風機轉速為1 200 r/min時，果穗損失率為1.85%，落地籽粒損失率為1.01%，作業效果較為理想。