鮮食玉米收獲機高凈度清選智能測產裝置研究

摘要：為改善國內小區鮮食玉米育種測產機械裝備缺乏、小區鮮食玉米種子清選和測產過程完全依靠人工的現狀，設計一種小區鮮食玉米種子高凈度清選智能測產裝置。該裝置采用雙層網篩、風力清選、智能測產流程完成高凈度清選及測產作業，實現種子高凈度清選和智能測產的作業要求。以上篩夾角、下篩夾角和螺旋分離裝置入口風速為試驗因素，以作業時千克籽粒含雜率為試驗指標進行正交試驗，建立因素與指標的響應面數學模型，并進行試驗驗證。結果表明：上篩夾角為14.0°，下篩夾角為4.0°，螺旋清選裝置入口風速為27.0 m/s時為最佳作業組合，此參數組合下，鮮食玉米籽粒千克籽粒含雜率為1.2%，籽粒殘留清理合格率為99.69%，測產平均誤差為0.412%，籽粒含水率測量平均誤差為3.57%，玉米種子千粒質量測量平均誤差為0.276%。為小區鮮食玉米種子的高凈度清選以及智能測產提供研究基礎。

關鍵詞：鮮食玉米；收獲機；智能測產；籽粒清選；氣吹式清理裝置

中圖分類號：S233.4

文獻標識碼：A

Research on high-purity cleaning and intelligent yield measurement device for fresh corn harvester

Abstract：

In order to improve the lack of mechanical equipment for fresh corn breeding and the complete reliance on manual labor in the process of seed selection and yield measurement in domestic communities， a smart device for high-purity cleaning and intelligent yield measurement of fresh corn seeds in community settings is designed. This device utilizes a dual-layer mesh screen， air-powered cleaning and an intelligent measurement process to accomplish high-purity cleaning and yield measurement tasks， and meets the operation requirements for seed high-purity cleaning and intelligent yield measurement. The upper screen angle， lower screen angle， and inlet wind speed of the spiral separation device were the experimental factors. Orthogonal experiments were conducted using the kilograms of impurities per grain during operation as the test indicator. The response surface mathematical model between the factors and indicators was established and verified by the experiment. The results indicated that an upper screen angle of 14.0°， a lower screen angle of 4.0°， and an entrance wind speed of 27.0 m/s for the spiral cleaning device constituted the optimal operational combination. Under this parameter combination， the kilograms of impurities per grain for fresh corn seeds were 1.2%. The residue cleaning qualification rate was 99.69%. The average error of yield measurement was 0.412%. The average error of grain moisture content measurement was 3.57%. The average error of thousand-grain weight measurement for corn seeds was 0.276%. These research findings provide a foundational basis for high-purity cleaning and intelligent yield measurement of fresh corn seeds in community settings.

Keywords：

fresh corn; harvester; intelligent yield measurement; grain cleaning; air-blowing cleaning device

0 引言

人們生活水平的提高，推動了食品多樣化進程，鮮食玉米以其均衡的營養和極高的商業價值迅速風靡全國［1］。2012—2022年，我國鮮食玉米種植面積由666.67 khm2增長至1 666.67 khm2［2］，以每公頃地種子需求量為27.45 kg計，2022年全國范圍內共需要種子總量為4.5×107 kg，鮮食玉米種子年市場規模高達4億元以上［3］，但小區制種鮮食玉米的清選和測產基本以人工為主，嚴重影響了鮮食玉米產業的快速發展［45］。

目前，普通玉米產業機械化作業技術已經趨于成熟，高凈度籽粒清選和智能測產裝置已經得到了廣泛的推廣應用。然而，針對鮮食玉米高精度清選聯合高精度測產的機械裝置卻嚴重缺乏，制約了我國鮮食玉米行業的快速、健康發展［6］。目前，國內僅有少數機械廠和科研機構研制和生產鮮食玉米種子高凈度測產機械［7］。如青島海威機械有限公司研制的玉米脫粒測產裝置及東北農業大學柴進研制的玉米聯合收獲機清選裝置［8］等，肖焱中［9］研制的玉米小區育種測產系統；以及一系列其他類型谷物聯合收獲機的測產設備，如武佳等［10］的谷物測產系統，齊江濤等［11］的穗狀玉米測產系統。然而，對于鮮食玉米種子收獲中存在的清選凈度低、測產誤差大的共性問題依然突出。

本文結合以上研究基礎，設計鮮食玉米收獲機高凈度清選裝置和智能測產裝置；通過雙層篩選結合螺旋風選裝置完成高凈度清選，采用智能電控組合裝置進行高精度智能測產；通過清選試驗確定清選裝置的最優工作參數，經過測產試驗檢驗系統測產誤差。

1 整機結構及技術指標

1.1 整機結構

整機結構如圖1所示。

鮮食玉米收獲機高凈度清選智能測產裝置，適用于鮮食玉米育種的聯合收獲，并完成鮮食玉米育種的相關測產工作。該機主要由駕駛室、剝皮脫粒清選機構、氣力輸送分區收集機構、發動機、行駛系統和測產裝置組成。

1.2 技術指標

鮮食玉米制種小區玉米種植的農藝栽培模式如圖2所示。其中，育種小區鮮食玉米的大致種植長度為5 000 mm，寬度為2 500 mm，行距為600 mm，株距為180～250 mm［12］。兩側的玉米植株為保護行，以免受同一地塊其他玉米品種的干擾。

試驗證明小區鮮食玉米種子收獲時成熟度極高，籽粒含水率低于15%，非常有利于收獲機械對小區鮮食玉米進行籽粒清選并同時完成測產作業，同時對土壤壓實作用小。結合全國范圍內玉米制種小區玉米種植特點及收獲機動力需求調查結果，高凈度清選智能測產聯合收獲機的主要性能參數［13］如表1所示。

1.3 鮮食玉米種子特點

為了提高鮮食玉米的口感和甜度，經過育種人員的選育，鮮食玉米中淀粉含量減少，水溶性多糖含量高，鮮食玉米種子在成熟過程中隨著含水率的減少外形逐漸干癟，如圖3所示。一般鮮食玉米種子百粒重量比普通玉米種子輕［14］，與所需清理雜質重量相差小且種子形狀極不規則，進行高凈度清選難度大。

2 關鍵部件設計

2.1 雙層篩分清選裝置

如圖4所示，清選篩由上、下重疊的2層篩子組成，兩篩面的距離為120 mm。上篩主要把碎秸稈、殘穗等分離出來，起粗篩選作用。下篩主要將細碎雜余排走，起精篩選作用。上篩采用編織篩，篩孔的邊長為20 mm。下篩采用貝殼篩，篩孔高8 mm，長16 mm。篩面有曲柄連桿機構驅動做往復抖動，以達到最佳篩分效果。

如圖5所示，將2層篩網放置于單篩架中，篩面上的玉米籽粒相對于篩面存在3個加速度，即沿篩面向上滑動加速度KS，沿篩面向下滑動加速度Kχ，垂直于篩面上拋加速度KP。篩架中各參數條件如式（1）～式（3）所示。

式中：

KS——沿篩面向上滑動加速度，m/s2；

Kχ——沿篩面向下滑動加速度，m/s2；

KP——垂直于篩面上拋加速度，m/s2；

φ——連桿相對于水平面角度的增量，（°）；

ω——曲軸的角速度，rad/s；

r——曲柄半徑，mm；

θ——連桿傾角，（°）；

ε——篩架傾角，（°）；

g——重力加速度，m/s2。

為保證玉米籽粒有較多機會落入篩孔，籽粒應盡可能沿篩面向上或向下滑動，同時向下滑動距離大于向上滑動距離，避免籽粒掉落，同時避免籽粒被拋離篩面，上拋加速度不能過大，因此如式（4）所示。

清選篩篩架擺幅近似為2r，根據《農業機械設計手冊》可知，雙篩架擺幅為60～80 mm，本文取篩架擺幅為60 mm，曲柄半徑r為25 mm，則將數據代入式（3）和式（4）中計算可得，曲軸的角速度ω取值為21～37 rad/s；篩子擺動的方向與篩面的夾角θ+ε大，篩面上下振幅大，抖動能力強，依據設計經驗，一般上篩約為10°～20°，下篩約為2°～6°。

清選篩的尺寸主要是篩子面積（長度L×寬度B）。上層篩網的篩孔直徑D1為10 mm，下層篩網篩孔直徑D2為5 mm，兩篩孔的橫向距離S1為25 mm，縱向距離S2為30 mm，篩子面積的確定與進入清選裝置的籽粒雜質混合物喂入量Qp有關。根據《農業機械設計手冊》，篩子的寬度B為脫粒裝置出口寬度的1.05～1.2倍。篩子的長度L如式（5）所示。

式中：

L——篩子長度，mm；

Q——機器喂入量，kg/s；

δ——雜質占總質量的比值；

k——脫粒裝置的工作特性系數；

B——篩子寬度，mm；

qs——篩子單位面積可以承擔的籽粒混合物的喂入量，kg/（s·m2），其取值與篩眼的類型和喂入物的水分濕度有關。

代入數據可得篩子長度L=1 100 mm，寬度B=670 mm，符合清選篩的選用標準。

2.2 殘留籽粒清理及高凈度清選裝置

2.2.1 殘留籽粒清理裝置

為解決收獲機內存在籽粒殘留問題，以避免不同小區鮮食玉米間收獲時，由于籽粒殘留問題而導致測產出現誤差，本文采用氣吹式清理裝置。其原理是：利用風機將收集箱中的玉米籽粒吹入輸送管道，進入高凈度清理機構。

殘留籽粒清理裝置安裝于收獲機后部，籽粒收集箱入口與清選裝置的籽粒出口相連接，風機安裝于籽粒收集箱前端，風機出風口連接籽粒收集箱。玉米籽粒在重力和機具抖動作用下，進入籽粒收集箱，經由風機通過輸送管道吹送到高凈度清理機構。風機動力參數的選取是整個裝置的關鍵設計部件。殘留籽粒清理裝置結構如圖6所示。

氣力輸送速度大于鮮食玉米種子臨界漂浮速度時，種子才會被氣流帶動，由于鮮食玉米顆粒屬于不規則形狀物料，其臨界漂浮速度［15］如式（6）所示。

式中：

νt——鮮食玉米種子臨界漂浮速度，m/s；

Kc——不規則形狀物料修正系數，取2.51；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

ds——玉米種子平均粒徑，取0.6 cm；

γs——玉米種子密度，取690 kg/m3；

γ——標準狀態下空氣密度，取1.29 kg/m3；

C——粘性阻力系數，取0.32。

將數據代入式（6）可得，鮮食玉米種子的臨界漂浮速度為7.2 m/s。根據實際工況中需考慮清選裝置各部件對玉米籽粒及氣流的碰撞、壓降、管道密封等問題，同時保證收獲機內無殘留玉米籽粒，裝置內風速要遠遠大于玉米籽粒的臨界漂浮速度。取籽粒輸送氣流速度νf為鮮食玉米籽粒臨界漂浮速度的3倍，為21.6 m/s。

殘留籽粒清理裝置工作時，其料氣比μ是指氣力輸送系統中氣體所含物料的質量濃度［16］，即輸送物料的質量流量Gs與所耗氣體的質量流量Gg之比。

μ值越大，清選裝置的輸送能力越強，且所需風機提供的風量也會越小。由于影響μ值的因素頗多，其值范圍也較大。料氣比與物料性質、輸送方式、輸送距離及輸送條件等很多因素有關，設計時應綜合各種因素，選擇恰當的料氣比［17］。本裝置用于吹送鮮食玉米籽粒，所收獲到的籽粒較少，根據設計人員已有的經驗和相關實驗數據，經反復調整和試算最后確定其μ值為2.12。

輸送管道直徑D如式（8）所示。

式中：

Gs——玉米籽粒的質量流量，取0.35 kg/s；

vf——籽粒輸送氣流速度；

γ——標準狀態下空氣密度，取1.29 kg/m3。

經過計算，可得玉米籽粒輸送管直徑D=87 mm。

籽粒清理裝置正常作業時所需風量計算公式如式（9）所示。

可得籽粒清理裝置所需風量為552 m3/h，為使收獲機內部無籽粒殘留，裝置所需風量應適當增加，經試驗測定，當風量Qs為1 080 m3/h時，玉米籽粒無殘留。

風機所需功率計算公式［18］如式（10）所示。

式中：

P——風機所需功率，kW；

p——風機全壓，取8 000 Pa；

η——風機機械效率，取0.96。

經過計算，可得風機所需功率P=2.69 kW。通過查表可合理選取風機。

2.2.2 高凈度螺旋分離清選裝置

螺旋分離清選裝置基于不同質量的物體做圓周運動時具有不同大小的離心力而達到分選效果，質量較大的玉米籽粒在螺旋線外側運動，質量較小的雜質在螺旋線內側運動，進入內側雜質在風力帶動下經空氣出口被帶出。混合物中雜質大部分為質量比玉米籽粒小的玉米芯碎塊、干枯葉片碎片等，這部分雜質在風力作用下逐漸運動至螺旋分離器內側，進而被上升氣流帶動經出口排出，完成風選。

螺旋分離裝置的筒體直徑Ds的選取影響玉米籽粒的清選效率，筒體直徑越小玉米籽粒受到的離心力越大，有利于雜質分離；但如果減少筒體直徑，將會增加玉米籽粒與裝置內壁反彈次數，不利于籽粒排出，降低分離效率。分離器筒體長度Hg也影響籽粒分離效率，因此根據設計經驗選擇合適的尺寸尤為重要。高凈度螺旋分離清選裝置如圖7所示。

通過螺旋分離裝置的筒體直徑可逐步計算出其他尺寸。根據參考文獻［19］，筒體直徑

式中：

Qt——裝置入口風力量，m3/h；

f1——旋風分離器的進口高度系數，取0.8；

f2——旋風分離器的寬度系數，取0.35；

νp——玉米籽粒于裝置入口處速度，取15 m/s。

由于籽粒輸送過程中的管道阻力，其取值略小于籽粒輸送管道風量，取Qt=980 m3/h，可求得筒體直徑Dc=255 mm。

其余尺寸根據參考文獻［20］，取值計算如式（12）所示。

為提高裝置籽粒清理效果，裝置尺寸取最大值，則筒體高度Hg=510 mm，錐體段高度Hz=638 mm，空氣排出管插入深度S=191 mm，空氣排出管直徑Ds=102 mm。

2.3 測產裝置

如圖8所示，測產裝置主要包括籽粒收集箱和智能測產系統等。智能測產系統主要由容重水分測試儀、質量檢測箱、分量收集器和智能電控裝置組成。經過高凈度清選的籽粒進入測產裝置，檢測籽粒容重、含水量及質量。

如圖9所示，測產系統包含3個傳感器，籽粒流量測量采用擋板式流量傳感器，籽粒含水率采用電容式傳感器進行測量，壓電式傳感器對種子的質量進行檢測。各傳感器采用CAN總線連接，節點反饋檢測到的模擬信號［2123］，轉換為數字信號后交由中心計算機PC104進行信息判斷并顯示測產結果。

本測產系統主要測量并顯示4個參數：籽粒含水率Mc、籽粒質量M、籽粒流量Q和容重ρ，其中容重ρ是中心計算機通過各參數計算獲得，其ρ值如式（13）所示。

式中：

t——籽粒流入通道內流量均勻的某時間段，s；

Q——籽粒均勻時間段的籽粒流量，cm3/s；

M——此時間段內籽粒總質量，g。

測產作業完成后，將數據進行存儲，此時聯合作業機繼續進入下一個鮮食玉米收獲小區進行收獲，測產裝置中的玉米籽粒進入分類收集箱進行收集裝袋，各制種小區玉米獨立收獲，互不影響。

3 田間試驗與結果分析

3.1 試驗條件

試驗地點選在樂東縣，試驗田面積為0.20 hm2，試驗地勢平坦，其玉米植株參數如表2所示。每次試驗隨機選取1 kg籽粒，通過檢測所含雜質的質量確定籽粒含雜率；試驗田種植的玉米品種為金冠218，試驗3次取平均值。

3.2 試驗方法

螺旋分離裝置入口風速是影響籽粒含雜率得重要因素，通過調節吹送風機的輸出功率，根據式（10），間接調節螺旋分離清選裝置輸入風量Qs，從而得到螺旋分離裝置入口處風速，其關系如式（14）所示。

式中：

νR——螺旋分離清選裝置入口處風速，m/s；

P——吹送風機功率，kW；

p——吹送風機全壓，取8 000 Pa；

η——吹送風機機械效率，取0.96；

η1——籽粒輸送管道工作效率，取0.80；

SR——清選裝置入口處橫截面積，取0.006 m2。

同時，在螺旋分離裝置入口處設置超聲波測風速傳感器監測管道內風速變化，選擇最佳工作狀態。以風機最大輸出功率2.69 kW依據，將數據代入式（14），可得裝置入口處最大風速值νR為40 m/s。因此參考入口處最大風速νR（40 m/s）和籽粒輸送氣流速度νf（21.6 m/s）的值，即試驗所設置的風速變化應在21.6～40 m/s間取值。以入口風速、上清選篩角度、下清選篩角度為試驗因素，統計每千克籽粒含雜率，根據Box-Behnken原理進行試驗設計，共進行17組試驗，每組試驗重復3次，試驗結果取平均值。

3.3 結果與分析

試驗分組與結果如表3所示。

利用Design-Expert軟件對表3中的試驗結果進行回歸擬合分析，由表4可知，二次多項式P＜0.01，選用該模型擬合試驗因素與試驗響應值，能創建較恰當的模型。得出籽粒含雜率Y對各因素編碼值的回歸方程為

Y=1.28+0.175X1+0.250X2+0.675X3－0.075X1X2－0.025X1X3－0.125X2X3+0.522 5X12+0.672 5X22+1.02X32（15）

由表4可知，回歸模型顯著性檢驗P＜0.05，說明模型顯著，失擬項不顯著，二次回歸方程符合實際，具有統計學意義。

分析回歸模型得最佳工作狀態為上篩夾角14.1°，下篩夾角為3.9°，螺旋清選裝置入口風速為26.6 m/s，此工作狀態下模型預測籽粒含雜率為1.15%。為了便于操作，將模型預測數據圓整，以上篩夾角為14.0°，下篩夾角為4.0°，螺旋清選裝置入口風速為27.0 m/s，進行試驗驗證，得出最佳工作狀態下籽粒含雜率為1.2%，誤差不超過0.5%，證明理論模型與實際情況相接近，該回歸模型可用。

3.4 測產試驗

測產系統是小區鮮食玉米收獲機的核心部件，對測產系統進行性能試驗，隨機選取5份不同小區玉米收獲的玉米籽粒，進行人工檢測，測定其容重ρ、籽粒含水率Mc和千粒種子顆粒質量Mt。每組試驗重復3次，試驗結果取平均值其結果如表5所示。

通過試驗對比，測產系統測得5個不同玉米小區玉米的3個參數中，容重測量的平均誤差為0.412%；籽粒含水率測量的平均誤差為3.57%；千粒種子質量測量的平均誤差為0.276%。針對測產系統進行性能測試試驗，通過試驗結果分析可得，所設計的測產系統對于容重ρ和千粒種子顆粒質量M這兩個參數的測量誤差較小，可進行較小的改進設計以提升性能；由于電容式傳感器易受外界干擾而產生不穩定現象，對于種子含水率的測量誤差較大，還需合理改進和優化。

4 結論

1）" 基于小區鮮食玉米制種過程中高凈度清選和測產收獲處于空白的情況，設計的小區鮮食玉米種子高凈度智能測產裝置，可以實現鮮食玉米種子高凈度清選并進行智能測產，智能測產采用了傳感器進行測量并利用計算機芯片進行數據分析和存儲，簡化了鮮食玉米小區測產流程。

2）" 以上篩夾角、下篩夾角和螺旋分離裝置入口風速為試驗因素，以作業時千克籽粒含雜率位試驗指標，并進行試驗驗證。結果表明上篩夾角14.0°，下篩夾角為4.0°，螺旋清選裝置入口風速為27.0 m/s時為最佳作業組合，此時千克籽粒含雜率為1.2%。滿足作業要求。測產試驗中，容重測量的平均誤差為0.412%；籽粒含水率測量的平均誤差為3.57%；千粒種子質量測量的平均誤差為0.276%；誤差較小，可為鮮食玉米清選測產裝置研發提供理論參考。

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