自走式青稞聯合收獲打捆一體機參數優化與試驗

戴 飛，張仕林，趙武云，史瑞杰，田 斌，辛尚龍

(1.甘肅農業大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

青稞，又稱裸大麥，是我國青藏高原地區廣泛種植的特色糧食作物，種植區域主要分布在西藏、青海、四川省甘孜和阿壩藏族自治州、甘肅省甘南藏族自治州以及云南、貴州的部分地區[1-2]。青稞是藏區人民的主要食用口糧，同時青稞秸稈也是高原家畜的優質飼草來源[3-5]。近年來，隨著谷物機械化收獲水平的不斷提升，西藏、青海等主產區皆嘗試采用普通稻麥聯合收獲機進行青稞收獲，作業時普遍存在秸稈飼草中夾雜攜有倒刺的青稞穗芒，致使牛羊在食用過程中扎嘴、損傷消化系統，且秸稈飼草需要人工或機器二次撿拾等問題[6-7]。有關青稞聯合收獲機的研究鮮見報道，青稞機械化高質量收獲已成為提升藏區糧食與飼草質量的核心所在[1,8]。為此，課題組嘗試研制了能夠實現碎芒、揉芒與青稞籽粒收獲后其秸稈打捆一體化作業的自走式青稞聯合收獲打捆一體機[9]。

自走式青稞聯合收獲打捆一體機是一個復雜的機器系統，實現功能較多，青稞機收作業質量受多種因素影響[2,10]。研究以本課題組前期研制的自走式青稞聯合收獲打捆一體機為依托，并在此基礎上結合田間試驗進一步提升一體機田間作業性能。以該機相關的工作參數作為自變量，通過試驗測得不同因素水平組合條件下的破碎率、碎芒率與成捆率，采用響應面分析法確定各因素及其交互作用對破碎率、碎芒率與成捆率的影響，獲取一體機工作參數的最優控制變量組合，以期指導自走式青稞聯合收獲打捆一體機田間作業，并為青稞收獲機械設計提供參考。

1 工作過程解析與關鍵參數確定

1.1 結構組成及作業過程

自走式青稞聯合收獲打捆一體機主要由脫粒-碎芒揉芒裝置、后置秸稈打捆裝置、履帶行走裝置、傳動系統、割臺、物料輸送系統、駕駛操作臺等部件組成，結構如圖1a、b、c所示[9]。樣機進行工作時，割臺往復式切割器將青稞植株割倒，在撥禾輪、攪輪及輸送過橋的作用下進入脫粒-碎芒揉芒裝置，在縱軸流紋桿-桿齒組合脫粒滾筒、配套凹板篩及其喂入段碎芒板條的共同作用下，完成脫粒與碎芒揉芒作業，青稞籽粒經清選篩被升運器送入糧箱。同時，青稞芒莖由排草口進入后置秸稈打捆裝置，喂入芒莖被擠壓至打捆裝置一側并通過打結繩捆扎，所打草捆長度達到預設長度時，通過凸輪離合裝置帶動打結器工作，完成對打結繩的打結作業，已完成的草捆經由后續打草捆連續擠出，完成青稞芒莖打捆作業。自走式青稞聯合收獲打捆一體機便于青稞芒莖田間收集運輸，能滿足青稞機械化聯合收獲要求，實現收獲、打捆一體化作業[11]。

1.2 工作參數分析

自走式青稞聯合收獲打捆一體機田間作業相關的籽粒破碎率、碎芒率與成捆率是影響其作業質量與性能的關鍵評價指標。參考相關文獻并根據前期田間試驗研究和收獲經驗[11-13]，選定與自走式青稞聯合收獲打捆一體機作業質量相關樣機的前進速度、紋桿-桿齒組合滾筒轉速、脫粒間隙和打捆裝置主動帶輪轉速4個因素作為試驗變量。

其中，依照自走式青稞聯合收獲打捆一體機駕駛操作臺檔位設置，前進速度控制在1.30～2.40 m·s-1之間[9,11]。脫粒-碎芒揉芒裝置中脫粒滾筒結構如圖2所示，主要由紋桿-桿齒組合滾筒(圖2a)與攜有碎芒揉芒條的凹板(圖2b)組成。依據前期研究結果，滾筒直徑為600 mm、長度為2 200 mm，滾筒轉速在860～1 020 r·min-1之間，滾筒脫粒元件可通過設置于其兩側限位孔來調節脫粒間隙(在13～23 mm之間)；凹板包角為216°，弧長450 mm[9,11,14]。當青稞作物由喂入螺旋進入脫粒-碎芒揉芒裝置時，滾筒前段紋桿焊合與凹板前段設置的碎芒揉芒條相配合作業時，緩解了脫粒元件對青稞籽粒的打擊，增加了對青稞穗芒的揉搓能力，在提升碎芒率的同時降低破碎率；且后續桿齒進一步加大對脫粒物料的分離能力，減少后續打捆飼草中對青稞籽粒的夾帶損失。

自走式青稞聯合收獲打捆一體機后置秸稈打捆裝置如圖3所示，為保證打捆室與紋桿-桿齒組合滾筒排草口對接，通過連接裝置固定安裝于一體機尾部。當脫粒清選系統啟動時，打捆裝置主動帶輪與聯合收獲機變速箱輸出軸通過皮帶配合相聯動，同時將動力經鏈輪傳遞至打捆機底部的錐齒輪箱，實現扭矩換向傳遞。由于壓縮裝置齒輪組與錐齒輪輸出軸同軸，從動齒輪與活塞驅動鏈輪同步轉動使得壓縮裝置實現往復式運動。考慮作業機喂入量與青稞草谷比，在保證機具作業效率的前提下，設計壓縮裝置往復頻率為60～80 次·min-1，此時，打捆裝置主動帶輪轉速對應控制在600～800 r·min-1[9,11]。

由上述工作參數分析可知，在脫粒間隙不變的情況下，當增加樣機前進速度、紋桿-桿齒組合滾筒轉速及打捆裝置主動帶輪轉速時，自走式青稞聯合收獲打捆一體機的喂入量逐漸增加，青稞脫出物的縱軸向輸送速度增大，壓縮裝置往復運動頻率加快，致使籽粒破碎率、碎芒率與成捆率均有所上升；而在紋桿-桿齒組合滾筒轉速不變的情況下，當減緩樣機前進速度及打捆裝置的主動帶輪轉速、增大脫粒間隙時，一體機的籽粒破碎率與碎芒率均有所下降，而成捆率受進入打捆室內青稞脫出物質量的影響也出現降低趨勢。因此，在青稞機械化收獲、打捆一體化作業過程中，考慮工作參數實現快速調節的基礎上，樣機前進速度、紋桿-桿齒組合滾筒轉速、脫粒間隙和打捆裝置主動帶輪轉速的高低等皆是影響青稞聯合收獲打捆一體機工作性能優劣的關鍵因素。

2 青稞機械化聯合收獲打捆試驗

2.1 試驗概況

2019年8月在國家大麥青稞技術產業體系甘南綜合試驗站試驗田35°6′N,102°55′E進行青稞聯合收獲打捆一體機田間作業性能試驗，如圖4所示。試驗田為雨養旱作地，地面較為平整，土壤濕度為35.4%，待收青稞品種為‘甘青4號’，草谷比為1∶1.18，無明顯倒伏狀況，青稞長勢平均高度為685 mm，試驗面積為0.35 hm2[9]。試驗前對作業機進行空轉運行檢查，在試驗過程中對樣機前進速度(1.30～2.40 m·s-1)、紋桿-桿齒組合滾筒轉速(860～1 020 r·min-1)、脫粒間隙(13～23 mm)和打捆裝置主動帶輪轉速(600～800 r·min-1)進行調試。

2.2 試驗方法

按照一體機預期實現的設計功能，結合國家標準《GB/T 5262-2008農業機械試驗條件測定方法的一般規定》[15]《GB/T 8097-2008收獲機械聯合收割機試驗方法》[16]規定的試驗方法進行試驗，待機器空轉滾筒、打捆裝置運行正常后進行作業性能試驗。測定作業機籽粒破碎率、碎芒率和成捆率，同時在試驗過程中觀察收獲割臺、脫粒-碎芒揉芒裝置、后置秸稈打捆裝置的工作運轉情況與可靠性。以3次的測定平均值為測試結果，籽粒破碎率、碎芒率和成捆率計算公式如下[9,11,17-19]：

(1)

(2)

(3)

式中，Y1為籽粒破碎率，%;Y2為碎芒率，%；Y3為成捆率，%；G為抽樣籽粒的質量，g；G1為抽樣中破碎籽粒質量，g；M1為抽樣中長度不足20 mm穗芒質量，g；M為抽樣穗芒質量，g；N1為未完全扎結成型的草捆個數，個；N為總體產生的草捆個數，個。

2.3 響應曲面法試驗方案

為減少試驗次數，采用Box-Behnken試驗設計原理[21-22]，以樣機前進速度(x1)、紋桿-桿齒組合滾筒轉速(x2)，脫粒間隙(x3)和打捆裝置主動帶輪轉速(x4)為自變量，籽粒破碎率(Y1)、碎芒率(Y2)和成捆率(Y3)為響應值，各試驗因素水平編碼如表1所示，分別實施29組響應面分析試驗(如表2所示)。應用Design-Expert 8.0.6.1軟件進行數據處理分析。

表1 因素水平編碼

表2 響應面分析結果

3 結果與分析

3.1 籽粒破碎率、碎芒率和成捆率回歸模型的建立及檢驗

借助Design-Expert 8.0.6.1軟件對籽粒破碎率(Y1)、碎芒率(Y2)和成捆率(Y3)進行回歸模型的方差分析，如表3所示，分別得到Y1、Y2和Y3二次回歸模型為：

Y1=1.470+0.019X1+0.050X2-0.021X3+

2.5×10-3X1X3-5.0×10-3X1X4-

0.070X2X3-0.010X2X4-0.015X3X4

(4)

Y2=97.54-2.44X1-1.93X2+0.21X3-

1.90X2X3+0.78X2X4+0.32X3X4

(5)

Y3=96.59-0.025X1-0.037X2+0.20X3+

0.31X1X4+0.067X2X3-0.055X2X4+

0.21X3X4

(6)

表3 籽粒破碎率、碎芒率和成捆率回歸方程方差分析

根據模型各因素回歸系數的大小，可得到各因素對成捆率的影響主次順序為：X4、X3、X2、X1，即打捆裝置主動帶輪轉速、脫粒間隙、紋桿-桿齒組合滾筒轉速和樣機前進速度。

3.2 模型交互項的解析

根據回歸模型公式(4)～(6)分別作出各交互因素對籽粒破碎率、碎芒率和成捆率之間影響極顯著或顯著關系的響應曲面圖。響應曲面的形狀能夠反映出交互因素作用的強弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則相反[20～21]。

由圖5響應曲面形狀與方差分析結果可以看出，紋桿-桿齒組合滾筒轉速與脫粒間隙對籽粒破碎率的影響極顯著。當脫粒間隙為13 mm，紋桿-桿齒組合滾筒轉速由860 r·min-1逐漸增大到1 020 r·min-1時，籽粒破碎率呈現出不斷增大的趨勢。這主要是由于滾筒轉速增加，其紋桿、桿齒脫粒元件與脫粒物料的揉搓、擊打力增加，揉搓、擊打頻率持續增大，兩因素交互作用下籽粒破碎率最大值約為1.76%。

由圖6可以看出，當樣機前進速度固定在某一水平，紋桿-桿齒組合滾筒轉速由860 r·min-1遞增至1 020 r·min-1時，碎芒率呈現出持續降低的變化趨勢；其中，紋桿-桿齒組合滾筒轉速在860～940 r·min-1時變化較慢，而組合滾筒轉速在940～1 020 r·min-1時變化較快。產生該現象的主要原因是當進入脫粒-碎芒揉芒裝置的物料量恒定，紋桿-桿齒組合滾筒轉速在一定范圍內時，紋桿脫粒元件與碎芒揉芒條的配合作用下對青稞穗芒進行充分擊打、揉搓雙重作用，使得碎芒率相對較高。當組合滾筒轉速進一步提升時，物料中青稞穗芒在脫粒-碎芒揉芒裝置內的通過性能增強、脫粒元件有效作用時間變短，致使碎芒率逐漸減小。

由圖7可以看出，當紋桿-桿齒組合滾筒轉速固定在某一水平，脫粒間隙由13 mm遞增至23 mm時，碎芒率呈現出先增大、后減小的變化趨勢，但整體變化范圍不顯著。出現該現象的主要原因是試驗初期隨著脫粒間隙逐漸增大，進入的青稞物料相對適量，紋桿-桿齒組合滾筒與碎芒揉芒條配合下對青稞碎芒的有序擊打、揉搓作用較為顯著，使得該階段的碎芒率略有所提高。當脫粒間隙繼續增大時，脫粒-碎芒揉芒裝置擊打、揉搓作用強度相對弱化，且物料厚度層有所增加，致使碎芒率減小。由兩交互因素對應響應曲面的變化趨勢可以得出，紋桿-桿齒組合滾筒轉速對碎芒率的影響大于脫粒間隙。

由圖8響應曲面分析，當打捆裝置主動帶輪轉速固定在某一水平，樣機前進速度由1.30 m·s-1向2.40 m·s-1遞增時，成捆率呈現出逐漸上升的變化趨勢。出現該現象的主要原因是當打捆裝置主動帶輪轉速一定時，后置秸稈打捆裝置的作業速度穩定，當樣機前進速度不斷增加時，進入一體機的青稞物料喂入量不斷增大，致使打捆裝置內的秸稈與其穗芒數量有所上升，成捆率相應逐漸提高。由響應面形狀可以看出，樣機前進速度與打捆裝置主動帶輪轉速的交互作用對成捆率的影響極其顯著。

由圖9響應曲面分析，當脫粒間隙固定在某一水平，打捆裝置主動帶輪轉速由600 r·min-1遞增至800 r·min-1時，成捆率呈現出逐漸上升的變化趨勢。出現該現象的主要原因是當脫粒間隙一定時，樣機內進入的青稞物料穩定，當打捆裝置主動帶輪轉速不斷增加時，打捆裝置壓縮活塞往復運動頻率升高，使得成捆率有所提升。兩因素交互作用下成捆率最大值約為98.75%。

3.3 最優工作參數確定與試驗驗證

依據上述試驗結果分析，為進一步提升青稞聯合收獲打捆一體機作業性能，在各試驗因素水平約束條件下，將籽粒破碎率最小值、碎芒率和成捆率最大值均作為優化指標，建立性能指標全因子二次回歸方程，進行目標優化與最優工作參數確定[22-26]：

minG1(X)=Y1(X1,X2,X3,X4)

(7)

(8)

其中

應用Design-Expert 8.0.6.1軟件中的優化求解器對回歸方程模型(4)～(6)進行該目標下的優化求解，得到最優工作參數組合為：樣機前進速度為1.95 m·s-1，紋桿-桿齒組合滾筒轉速為864 r·min-1，脫粒間隙為13 mm，打捆裝置主動帶輪轉速為600 r·min-1。

為了驗證模型(4)～(6)的可靠性，應用青稞聯合收獲打捆一體機按照上述最優工作參數進行9次作業性能試驗，試驗材料與方法與本文2.1小節和2.2小節方法相同，如圖10所示。9次試驗的籽粒破碎率均值為1.32%、碎芒率均值為97.58%，成捆率為98.36%，表明在優化工作參數條件下能夠降低青稞在機械化收獲過程中的破碎率，實現高性能碎芒與打捆，因此建立的回歸模型是可靠的。

在試驗驗證過程中發現，自走式青稞聯合收獲打捆一體機采用具有自主知識產權的脫粒-碎芒揉芒裝置，結合紋桿-桿齒組合滾筒，收獲的青稞籽粒破損率低(圖10a)，碎芒、揉芒效果好(圖10b、10c)；后置秸稈打捆裝置能夠實現青稞籽粒收獲后其秸稈打捆一體化作業，便于秸稈的田間收集運輸(圖10d)，能滿足青稞機械化聯合收獲要求，實現收獲、打捆一體化作業，提升作為藏區牛羊主要飼草來源的青稞秸稈品質，解決了青稞機械化收獲中不易碎芒、秸稈回收勞動強度大的難題，對發展我國青稞飼草業，促進農牧結合、農牧民增收和加快農牧業現代化建設具有重要的意義。

4 結 論

1)結合Box-Behnken試驗設計原理，采用四因素三水平響應面分析方法，進行自走式青稞聯合收獲打捆一體機參數優化與作業性能試驗，通過試驗優化結果可得影響籽粒破碎率的因素由大到小依次為：紋桿-桿齒組合滾筒轉速、脫粒間隙、樣機前進速度和打捆裝置主動帶輪轉速；影響碎芒率的因素由大到小依次為：紋桿-桿齒組合滾筒轉速、樣機前進速度、脫粒間隙和打捆裝置主動帶輪轉速；影響成捆率的因素由大到小依次為：打捆裝置主動帶輪轉速、脫粒間隙、紋桿-桿齒組合滾筒轉速和樣機前進速度。

2)分別建立了籽粒破碎率、碎芒率和成捆率與樣機前進速度、紋桿-桿齒組合滾筒轉速、脫粒間隙和打捆裝置主動帶輪轉速的二次多項式回歸模型。以籽粒破碎率最小值、碎芒率和成捆率最大值為目標，優化得到一體機最佳工作參數：樣機前進速度為1.95 m·s-1，紋桿-桿齒組合滾筒轉速為864 r·min-1，脫粒間隙為13 mm，打捆裝置主動帶輪轉速為600 r·min-1。

3) 田間驗證試驗表明，自走式青稞聯合收獲打捆一體機作業后，籽粒破碎率均值為1.32%、碎芒率均值為97.58%，成捆率為98.36%，表明在優化工作參數條件下一體機能夠緩解青稞在機械化收獲過程中的籽粒破碎，解決了青稞機械化收獲中不易碎芒、秸稈回收勞動強度大的難題。