谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置參數(shù)監(jiān)控與優(yōu)化試驗(yàn)

摘要：

為研究谷物聯(lián)合收獲機(jī)在不同喂入量下的最優(yōu)參數(shù)組合，設(shè)計(jì)谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上，開(kāi)展清選裝置參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，研究清選裝置參數(shù)對(duì)含雜率、損失率的影響規(guī)律，得到含雜率、損失率回歸模型；取含雜率權(quán)重為0.4，損失率權(quán)重為0.6，得到各數(shù)據(jù)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)；將各數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸分析得到綜合評(píng)價(jià)模型；按照綜合評(píng)價(jià)模型，研究清選裝置在不同喂入量下的最優(yōu)參數(shù)組合，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)模型，喂入量x1為3kg/s，最優(yōu)參數(shù)組合為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 459.8r/min，清選篩篩片開(kāi)度28.7mm，清選篩振動(dòng)頻率6.5Hz，此時(shí)含雜率為1.50%，損失率為0.71%，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為0.203；喂入量x1為4kg/s條件下，最優(yōu)參數(shù)組合為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 483.4r/min，清選篩篩片開(kāi)度29.0mm，清選篩振動(dòng)頻率6.9Hz，此時(shí)含雜率為1.54%，損失率為0.64%，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為0.191；喂入量x1為5kg/s條件下，最優(yōu)參數(shù)組合為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 587.6r/min，清選篩篩片開(kāi)度30.0mm，清選篩振動(dòng)頻率7.0Hz，此時(shí)含雜率為1.59%，損失率為0.69%，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為0.208。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，綜合評(píng)價(jià)模型含雜率預(yù)測(cè)誤差最大為7.19%，損失率預(yù)測(cè)誤差最大為8.43%，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)測(cè)誤差最大為12.77%，表明綜合評(píng)價(jià)模型穩(wěn)定可靠，可以用于指導(dǎo)谷物聯(lián)合收獲機(jī)在不同喂入量下調(diào)整最優(yōu)參數(shù)組合。

關(guān)鍵詞：谷物聯(lián)合收獲機(jī)；清選裝置；作業(yè)參數(shù)監(jiān)控；喂入量；Plackett—Burman試驗(yàn)；Box—Behnken試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2025） 03-0208-08

收稿日期：2024年1月23日" 修回日期：2024年3月26日*

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52005163）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（232102111120）

第一作者：陳新奇，男，1983年生，河南洛陽(yáng)人，碩士；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)裝備智能化控制技術(shù)。E-mail：" sindge_chen@126.com

通訊作者：龐靖，男，1977年生，河南洛陽(yáng)人，博士，副教授；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)裝備智能化檢測(cè)技術(shù)與可靠性?xún)?yōu)化。E-mail：" pangjing@haust.edu.cn

Monitoring and optimization of grain combine harvesters cleaning device parameters

Chen Xinqi1，" 2， Geng Lingxin1， Pang Jing1， Huang Shengcao2， Wang Shengsheng1， Lin Yi1

（1. College of Agricultural Equipment Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang，

471003， China； 2. National Agricultural Machinery Equipment Innovation Center， Luoyang， 471003， China）

Abstract：

To study the optimal parameter combinations of grain combine harvesters under different feeding rates， a multi-parameter monitoring system for the cleaning device of grain combine harvesters is designed. Based on this system， an optimization experiment is conducted to study the influence of cleaning device parameters on the impurity rate and loss rate， and regression models for impurity rate and loss rate are established. A comprehensive evaluation index is obtained by setting the weight of impurity rate at 0.4 and loss rate at 0.6. A secondary regression analysis is performed on the data to establish a comprehensive evaluation model. Based on this model， the optimal parameter combinations of the cleaning device under different feeding rates are determined and validated. According to the comprehensive evaluation model， the optimal parameter combination at a feeding rate of 3kg/s is fan speed of 1459.8r/min， a cleaning screen opening of 28.7mm， and a cleaning screen vibration frequency of 6.5Hz， resulting in an impurity rate of 1.50%， a loss rate of 0.71%， and a comprehensive evaluation index of 0.203. At a feeding rate of 4kg/s， the optimal combination is a fan speed of 1483.4r/min， a cleaning screen opening of 29.0mm， and a cleaning screen vibration frequency of 6.9Hz， leading to an impurity rate of 1.54%， a loss rate of 0.64%， and a comprehensive evaluation index of 0.191. At a feeding rate of 5kg/s， the optimal combination is a fan speed of 1 587.6r/min， a cleaning screen opening of 30.0mm， and a cleaning screen vibration frequency of 7.0Hz， with an impurity rate of 1.59%， a loss rate of 0.69%， and a comprehensive evaluation index of 0.208. The experimental verification shows that the maximum prediction error for the impurity rate is 7.19%， for the loss rate is 8.43%， and for the comprehensive evaluation index is 12.77%. This indicates that the comprehensive evaluation model is stable and reliable， and can guide the adjustment of the optimal parameter combinations for grain combine harvesters under different feeding rates.

Keywords：

grain combine harvester; cleaning device; operational parameter monitoring; optimization experiment; feeding rate; Plackett—Burman test; Box—Behnken test

0 引言

谷物是我國(guó)重要的糧食作物，2022年全國(guó)谷物產(chǎn)量630 000 kt，占全年糧食總產(chǎn)量的92.2%。截至2023年1月，我國(guó)水稻、小麥、玉米機(jī)械化收獲率分別達(dá)到94%、97%、80%，谷物聯(lián)合收獲機(jī)保有量達(dá)223萬(wàn)臺(tái)。聯(lián)合收獲機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)需要根據(jù)谷物品種、成熟度、草谷比、喂入量等因素，對(duì)清選篩開(kāi)度、振動(dòng)頻率、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整［1， 2］，以達(dá)到客戶(hù)對(duì)損失率、含雜率的要求。

國(guó)外部分大型聯(lián)合廠家的作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)較為成熟。John Deere（約翰迪爾）的S760型、S770型收獲機(jī)上搭載的ICA（交互式收割機(jī)調(diào)整系統(tǒng)），可根據(jù)用戶(hù)需求，對(duì)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、導(dǎo)風(fēng)板角度和凹板間隙做出自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)作業(yè)質(zhì)量；CASE IH Axial-Flow 250系列上搭載的AFS，安裝16個(gè)傳感器，可根據(jù)收獲目標(biāo)及作業(yè)模式自動(dòng)調(diào)整清選篩開(kāi)度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等功能，用戶(hù)不需要專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)就可進(jìn)行操作。

近年來(lái)，我國(guó)聯(lián)合收獲機(jī)智能化水平也在逐漸提升，聯(lián)合收獲機(jī)傳感器及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐漸增多［3-5］。蔣慶等［6］基于MATLAB的Simulink模塊庫(kù)構(gòu)建了根據(jù)清選損失率和含雜率的智能清選調(diào)控模型和測(cè)試環(huán)境。張光躍等［7］基于壓電陶瓷傳感器設(shè)計(jì)了一種聯(lián)合收獲機(jī)清選損失率實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)清選損失的測(cè)量誤差小于4.1%。李青林等［8］以入風(fēng)口風(fēng)速、導(dǎo)風(fēng)板角度、振動(dòng)篩頻率為優(yōu)化變量，設(shè)計(jì)了一種清選裝置智能設(shè)計(jì)與優(yōu)化系統(tǒng)，得到入風(fēng)口風(fēng)速、導(dǎo)風(fēng)板角度、振動(dòng)篩頻率的最優(yōu)解。汪鳳珠等［9］設(shè)計(jì)了基于CAN總線的玉米青儲(chǔ)收獲機(jī)田間多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)的變量包括轉(zhuǎn)速、扭矩、生產(chǎn)率等。

綜上所述，國(guó)外部分聯(lián)合收獲機(jī)已配備作業(yè)參數(shù)自適應(yīng)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)學(xué)者雖然在聯(lián)合收獲機(jī)參數(shù)優(yōu)化方面做了一些研究，但國(guó)內(nèi)聯(lián)合收獲機(jī)尚未配備成熟的作業(yè)參數(shù)自適應(yīng)系統(tǒng)。本文以自主改造的全喂入谷物聯(lián)合收獲機(jī)為對(duì)象，設(shè)計(jì)一套谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置參數(shù)監(jiān)控試驗(yàn)臺(tái)架，開(kāi)展清選裝置參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，研究喂入量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)門(mén)開(kāi)度、清選篩振動(dòng)頻率、清選篩篩片開(kāi)度等對(duì)損失率及含雜率的影響，并用綜合評(píng)價(jià)法尋求不同喂入量下的最優(yōu)參數(shù)組合，為谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置設(shè)計(jì)及作業(yè)狀態(tài)調(diào)整提供參考。

1 試驗(yàn)臺(tái)與試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)與原理

試驗(yàn)臺(tái)架是在4LZ-4.0型全喂入谷物聯(lián)合收獲機(jī)基礎(chǔ)上改裝而成，如圖1所示。

試驗(yàn)臺(tái)架在工作時(shí)，物料通過(guò)輸送帶喂入至割臺(tái)，傾斜輸送器帶動(dòng)物料向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)入脫粒滾筒，經(jīng)脫粒滾筒揉搓、擊打后，長(zhǎng)莖稈經(jīng)排草口排出。短莖稈、麥粒、麥糠等經(jīng)凹板進(jìn)入清選裝置，經(jīng)清選篩的抖動(dòng)及清選風(fēng)機(jī)的清選，干凈的籽粒經(jīng)籽粒螺旋輸送器進(jìn)糧倉(cāng)，未脫凈部分經(jīng)雜余螺旋輸送器進(jìn)入脫粒滾筒進(jìn)行復(fù)脫，其余雜質(zhì)從尾篩后部拋出。

試驗(yàn)臺(tái)架清選裝置主要由清選室、清選風(fēng)機(jī)、清選篩組成。谷物聯(lián)合收獲機(jī)在進(jìn)行清選作業(yè)時(shí)，影響其作業(yè)質(zhì)量的因素有喂入量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)門(mén)開(kāi)度、清選篩振動(dòng)頻率、清選篩篩片開(kāi)度等［10-12］。試驗(yàn)時(shí)上述因素需要可測(cè)可控，因此，需要設(shè)計(jì)一款清選裝置監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2 清選裝置監(jiān)控系統(tǒng)組成

為實(shí)現(xiàn)喂入量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)門(mén)開(kāi)度、清選篩振動(dòng)頻率和清選篩篩片開(kāi)度的可測(cè)可控，根據(jù)臺(tái)架實(shí)際情況，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行改造。喂入量控制選用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送帶，通過(guò)控制輸送帶線速度和輸送帶上物料重量來(lái)控制喂入量，輸送帶線速度測(cè)量通過(guò)在輸送帶從動(dòng)輪上安裝線速度傳感器實(shí)現(xiàn)。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)篩頻率的控制通過(guò)調(diào)整異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，其速度的測(cè)量通過(guò)在風(fēng)機(jī)和振動(dòng)篩主軸上安裝轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)現(xiàn)。在風(fēng)門(mén)主軸的一端安裝直流無(wú)刷減速電機(jī)，另一端安裝絕對(duì)值編碼器，通過(guò)控制直流無(wú)刷減速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)門(mén)開(kāi)度的控制，通過(guò)絕對(duì)值編碼器的輸出反饋風(fēng)門(mén)開(kāi)度。在清選篩內(nèi)部安裝電推桿，通過(guò)調(diào)整電推桿的伸縮行程，實(shí)現(xiàn)清選篩篩片開(kāi)度的調(diào)節(jié)，在電推桿內(nèi)部安裝可調(diào)電阻器作為電推桿行程的反饋。

根據(jù)以上分析，系統(tǒng)的實(shí)施方案如圖2所示。

根據(jù)實(shí)施方案，將監(jiān)控系統(tǒng)劃分為傳感系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC、HMI等模塊。傳感系統(tǒng)的功能及工作參數(shù)如表1所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由輸送帶、風(fēng)機(jī)、清選篩驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其變頻器、電推桿及其驅(qū)動(dòng)器、直流無(wú)刷減速電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器組成。HMI負(fù)責(zé)人機(jī)交互，用來(lái)顯示和控制各因素水平值。PLC負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)量及邏輯運(yùn)行，多路測(cè)頻，AD轉(zhuǎn)換，CAN、Ethernet及RS485口的通訊。在PC機(jī)上安裝PLC—Recorder，PLC—Recorder可通過(guò)Ethernet口訪問(wèn)PLC內(nèi)部寄存器，對(duì)各影響因素的值進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

1.3 試驗(yàn)材料

選用鄭麥336的長(zhǎng)莖稈、短莖稈及麥糠、籽粒作為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)材料應(yīng)符合DG/T 014—2019《谷物聯(lián)合收割機(jī)》全喂入量谷物聯(lián)合收割機(jī)作物條件要求：小麥草谷比為0.6～1.2，籽粒含水率為12%～20%。

試驗(yàn)前通過(guò)烘干法測(cè)得籽粒含水率為15.7%，莖稈含水率為18.2%，麥糠含水率為13.2%。試驗(yàn)時(shí)控制長(zhǎng)莖稈、短莖稈及麥糠、籽粒的重量比為0.5∶0.5∶1.0。每次試驗(yàn)前先將傾斜輸送器電機(jī)和脫粒滾筒電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行30 s后，再通過(guò)調(diào)整相應(yīng)變頻器的輸出頻率來(lái)調(diào)整喂入量，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和清選篩振動(dòng)頻率；通過(guò)調(diào)整電推桿行程來(lái)調(diào)整清選篩篩片開(kāi)度；通過(guò)調(diào)整直流無(wú)刷減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)來(lái)調(diào)整風(fēng)門(mén)開(kāi)度。

2 單因素試驗(yàn)

選取喂入量x1、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速x2、清選篩篩片開(kāi)度x3、風(fēng)門(mén)開(kāi)度x4、清選篩振動(dòng)頻率x5作為試驗(yàn)因素，以含雜率y1和損失率y2為試驗(yàn)指標(biāo)，開(kāi)展單因素試驗(yàn)［13］。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和機(jī)型限制［11，" 13， 14］，選定單因素試驗(yàn)條件如表2所示。

進(jìn)行某個(gè)單因素影響試驗(yàn)時(shí)，該因素按步長(zhǎng)在因素范圍內(nèi)等間距調(diào)整，其他4個(gè)因素水平保持在表2中的固定水平。

每組試驗(yàn)開(kāi)始前，先清理糧倉(cāng)內(nèi)剩余籽粒，對(duì)尾篩后方雜余進(jìn)行清掃，然后調(diào)整各因素到目標(biāo)水平，空載穩(wěn)定運(yùn)行30 s后，再進(jìn)行持續(xù)喂入，每次試驗(yàn)時(shí)間為20 s。試驗(yàn)結(jié)束收集糧倉(cāng)內(nèi)籽粒，進(jìn)行含雜率統(tǒng)計(jì)，同時(shí)收集尾篩拋灑出的雜余，分揀出籽粒后進(jìn)行損失率統(tǒng)計(jì)。為保證試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，求平均值作為每組試驗(yàn)的結(jié)果。單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可知，隨著喂入量的增加，含雜率和損失率呈逐步上升狀態(tài)。含雜率在喂入量超過(guò)3kg/s后上升速度加快，在喂入量超過(guò)4kg/s后曲線更加陡峭，上升速度進(jìn)一步加快；損失率在喂入量超過(guò)3kg/s后小幅下降，超過(guò)4kg/s后又小幅上升；喂入量為4kg/s時(shí)含雜率為1.42%，損失率為0.84%，符合設(shè)備喂入量性能指標(biāo)。收獲機(jī)作業(yè)時(shí)需要兼顧作業(yè)效率、含雜率和損失率，因此，試驗(yàn)臺(tái)架最優(yōu)喂入量工作區(qū)間為3～5kg/s。

由圖3（b）可知，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大，含雜率很快下降，損失率緩慢上升。含雜率在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800～1200r/min時(shí)下降速度較快，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200～1 600r/min時(shí)下降變緩，原因?yàn)轱L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 200r/min以下時(shí)，風(fēng)速過(guò)小，不能很好地進(jìn)行清選作業(yè)，造成含雜率過(guò)高，隨著風(fēng)速的增加，更多雜質(zhì)可以被吹出，含雜率開(kāi)始逐漸減小；損失率在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800～1 200r/min時(shí)逐步下降，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200～1 600r/min時(shí)有所上升，原因是隨著風(fēng)速的增大，部分籽粒會(huì)被吹出清選室。綜上所述，1 200～1 600r/min為試驗(yàn)臺(tái)架風(fēng)機(jī)的最優(yōu)工作區(qū)間。

由圖3（c）可知，隨著清選篩篩片開(kāi)度增加，含雜率逐漸上升，而損失率逐漸下降。篩片開(kāi)度增加后，可以有更多的雜質(zhì)通過(guò)篩片進(jìn)入糧倉(cāng)，容易引起含雜率上升，而篩片開(kāi)度增加后，籽粒更容易透篩，所以損失率會(huì)下降。從圖3（c）中不易分析出清選篩篩片開(kāi)度的最優(yōu)工作區(qū)間，所以將試驗(yàn)臺(tái)架清選篩篩片開(kāi)度的極限值20～30mm作為清選篩篩片開(kāi)度的最優(yōu)工作區(qū)間。

由圖3（d）可知，隨著風(fēng)門(mén)開(kāi)度的增加，損失率和含雜率未發(fā)生明顯變化。分析臺(tái)架風(fēng)門(mén)結(jié)構(gòu)可知，風(fēng)門(mén)的主要作用為調(diào)節(jié)風(fēng)向和風(fēng)速：風(fēng)門(mén)開(kāi)度越大，風(fēng)向與水平方向夾角越大，風(fēng)速越小；風(fēng)門(mén)開(kāi)度越小，風(fēng)向與水平方向夾角越小，風(fēng)速越大。從圖3（d）中不易分析出風(fēng)門(mén)開(kāi)度的最優(yōu)工作區(qū)間，所以將試驗(yàn)臺(tái)架風(fēng)門(mén)開(kāi)度的極限值10°～50°作為風(fēng)門(mén)開(kāi)度的最優(yōu)工作區(qū)間。

由圖3（e）可知，清選篩振動(dòng)頻率在3～6Hz時(shí)，含雜率快速下降，說(shuō)明振動(dòng)頻率升高可以增大篩面上混合物離散度，降低含雜率。清選篩振動(dòng)頻率在6～7Hz時(shí)，含雜率緩慢上升，原因是振動(dòng)頻率增加，造成篩面雜質(zhì)更容易透篩；對(duì)于損失率，清選篩振動(dòng)頻率在3～6Hz時(shí)，損失率緩慢下降，而清選篩振動(dòng)頻率在6～7Hz時(shí)，損失率有所上升，原因?yàn)檎駝?dòng)篩頻率升高時(shí)，部分籽粒會(huì)因碰撞飛濺出清選室，造成損失增加。清選篩振動(dòng)頻率在6Hz時(shí)，含雜率和損失率均為最低，因此，將5～7Hz作為試驗(yàn)臺(tái)架振動(dòng)篩的最優(yōu)工作區(qū)間。

3 Plackett—Burman試驗(yàn)與分析

3.1 Plackett—Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以含雜率和損失率為響應(yīng)值，采用Plackett—Burman兩水平法［25］對(duì)影響含雜率和損失率的5個(gè)因素進(jìn)行考察。選取5個(gè)因素的最優(yōu)工作區(qū)間，從中篩選出對(duì)含雜率和損失率影響顯著的因素，在Box—Behnken中心組合試驗(yàn)中進(jìn)一步分析。Plackett—Burman試驗(yàn)因素水平編碼見(jiàn)表3。

3.2 Plackett—Burman試驗(yàn)結(jié)果分析

采用Design—Expert中的Plackett—Burman Design進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，結(jié)果取平均值。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，A、B、C、D、E為因素編碼值。使用Design—Expert對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到模型及各因素的顯著性評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，影響含雜率的因素顯著性順序：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速x2gt;篩片開(kāi)度x3gt;喂入量x1gt;振動(dòng)頻率x5gt;風(fēng)門(mén)開(kāi)度x4，其中風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速x2，篩片開(kāi)度x3，喂入量x1對(duì)含雜率的影響極顯著，振動(dòng)頻率x5對(duì)含雜率的影響顯著，而風(fēng)門(mén)開(kāi)度x4對(duì)含雜率影響不顯著。含雜率模型的P值為0.000 3，表明此模型極顯著，有0.03%的可能性此模型是由噪聲引起的。影響損失率的因素顯著性順序：篩片開(kāi)度x3gt;風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速x2gt;喂入量x1gt;振動(dòng)頻率x5gt;風(fēng)門(mén)開(kāi)度x4，其中篩片開(kāi)度x3和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速x2對(duì)損失率的影響極顯著，喂入量x1和振動(dòng)頻率x5對(duì)損失率影響顯著，而風(fēng)門(mén)開(kāi)度x4對(duì)損失率影響不顯著。損失率模型的P值為0.001 1，表明此模型極顯著，有0.11%的可能性此模型是由噪聲引起的。

4 Box—Behnken試驗(yàn)與分析

4.1 Box—Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)和PB試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取影響含雜率和損失率的4個(gè)顯著因素：喂入量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、清選篩篩片開(kāi)度、清選篩振動(dòng)頻率，采用Design—Expert進(jìn)行4因素3水平的Box—Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立因素喂入量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、清選篩篩片開(kāi)度、清選篩振動(dòng)頻率與響應(yīng)值含雜率y1、損失率y2之間的數(shù)學(xué)模型，考察各因素對(duì)響應(yīng)值的影響程度；根據(jù)數(shù)學(xué)模型，找到在特定條件下各影響因素的最佳參數(shù)組合，從而優(yōu)化系統(tǒng)的工作狀態(tài)，Box—Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平編碼見(jiàn)表6。

4.2 Box—Behnken試驗(yàn)結(jié)果分析

Box—Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，X1、X2、X3、X4為各因素編碼值。使用Design—Expert對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表8。含雜率模型的P值lt;0.000 1，表明模型極顯著；含雜率模型失擬項(xiàng)F值為0.722 1，表明含雜率模型與純誤差不相關(guān)；含雜率模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.984 8，調(diào)整相關(guān)系數(shù)RAdj2=0.969 7，預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)RPre2=0.935 3，表明含雜率模型與樣本的相關(guān)性較高，回歸方程的擬合程度較好，其最終的分析結(jié)果穩(wěn)定可信；損失率模型的P值lt;0.000 1，表明模型極顯著，損失率模型失擬項(xiàng)F值為0.876 2，表明損失率模型與純誤差不相關(guān)，損失率模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.979 8，調(diào)整相關(guān)系數(shù)RAdj2=0.959 7，預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)RPre2=0.910 4，表明損失率模型與樣本的相關(guān)性較高，回歸方程的擬合程度較好，其最終的分析結(jié)果穩(wěn)定可信。

對(duì)表7進(jìn)行二次回歸分析，得到含雜率y1、損失率y2的編碼回歸方程

y1=

1.56+0.310 5X1-1.03X2+0.779 9X3-

0.295 2X4-0.065 8X1X2+0.038 0X1X3-

0.024 7X1X4-0.133 2X2X3+0.053 3X2X4-

0.160 9X3X4+0.156 7X12+0.151 8X22-

0.037 5X32+0.236 0X42

（1）

y2=

0.884+0.109 3X1+0.388 3X2-0.565 8X3+

0.105X4-0.100 2X1X2-0.21X1X3-

0.017 5X1X4-0.365X2X3-0.025X2X4-

0.317 5X3X4+0.007 5X12+0.193 8X22+

0.417 6X32+0.011 4X42

（2）

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和回歸模型分析，試驗(yàn)臺(tái)架含雜率最優(yōu)參數(shù)組合為喂入量x1=3.3kg/s、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速x2=1 577.4r/min、清選篩篩片開(kāi)度x3=20.7mm、清選篩振動(dòng)頻率x5=6.6Hz，在此組合下，含雜率預(yù)測(cè)值為0.12%，損失率預(yù)測(cè)值為2.40%；損失率最優(yōu)參數(shù)組合為喂入量x1=4.4kg/s、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速x2=1 316r/min、清選篩篩片開(kāi)度x3=29mm、清選篩振動(dòng)頻率x5=6.9Hz，在此組合下，含雜率預(yù)測(cè)值為2.62%，損失率預(yù)測(cè)值為0.54%。

4.3 建立優(yōu)化模型

谷物聯(lián)合收獲機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)需滿足在特定喂入下低損失率，低含雜率的雙重要求。通過(guò)上述分析可知，含雜率和損失率的最優(yōu)參數(shù)組合不同，且含雜率和損失率變化方向相反，含雜率或損失率模型無(wú)法同時(shí)滿足低含雜率，低損失率的要求。根據(jù)參考文獻(xiàn)［25，" 26］，可利用綜合評(píng)價(jià)法生成統(tǒng)一的單目標(biāo)函數(shù)。考慮到用戶(hù)對(duì)損失率比較敏感，取含雜率權(quán)重為0.4，損失率權(quán)重為0.6，得到綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

y3=0.4（y1-y1min）y1max-y1min+0.6（y2-y2min）y2max-y2min

（3）

按式（3）對(duì)表7數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，得到綜合評(píng)價(jià)模型P值lt;0.000 1，表明模型極顯著。模型失擬項(xiàng)P值為0.170 2，模型相關(guān)系數(shù)R2=0.947 3，調(diào)整相關(guān)系數(shù)RAdj2=0.894 5，預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)RPre2=0.724 2，表明模型穩(wěn)定可信。對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸分析，得到綜合評(píng)價(jià)模型的回歸方程為

y3=

0.254 5+0.064 6X1-0.025 8X2-

0.048 8X3-0.008 8X4+0.016 8X1X2-

0.048 1X1X3-0.007 1X1X4-0.107 9X2X3-

0.000 3X2X4-0.098 8X3X4+0.020 4X12+

0.066 5X22+0.100 0X32+0.030 8X42

（4）

對(duì)回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面分析，雙因素與綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)y3的響應(yīng)曲面如圖4所示。

以回歸模型式（1）～式（4）為基礎(chǔ)，增加約束條件

y3min=f（X1，X2，X3，X4）

0%lt;y1≤2.0%

0%lt;y2≤1.2%

（5）

分析得到喂入量x1=3kg/s條件下最優(yōu)參數(shù)組合：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 459.8r/min、清選篩篩片開(kāi)度為28.7mm、清選篩振動(dòng)頻率為6.5Hz，此時(shí)含雜率為1.50%，損失率為0.71%，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為0.203；喂入量x1=4kg/s條件下最優(yōu)參數(shù)組合：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 483.4r/min、清選篩篩片開(kāi)度為29mm、清選篩振動(dòng)頻率為6.9Hz，此時(shí)含雜率為1.54%，損失率為0.64%，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為0.191；喂入量x1=5kg/s條件下最優(yōu)參數(shù)組合：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 587.6r/min、清選篩篩片開(kāi)度為30mm、清選篩振動(dòng)頻率為7Hz，此時(shí)含雜率為1.59%，損失率為0.69%，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為0.208；不同喂入量下最優(yōu)參數(shù)組合水平及其對(duì)應(yīng)的含雜率，損失率和綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表9。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

調(diào)整輸送帶線速度及輸送帶上物料重量，以匹配3kg/s、4kg/s、5kg/s的喂入量。按最優(yōu)參數(shù)組合調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，清選篩篩片開(kāi)度，清選篩振動(dòng)頻率，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，每組試驗(yàn)做3次，取平均值作為每組試驗(yàn)的結(jié)果。每次試驗(yàn)后進(jìn)行含雜率和損失率的測(cè)定，按照式（3）計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10，綜合評(píng)價(jià)模型含雜率預(yù)測(cè)誤差最大為7.72%，損失率預(yù)測(cè)誤差最大為8.43%，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)測(cè)誤差最大為12.77%，表明綜合評(píng)價(jià)模型穩(wěn)定可靠，可以用于指導(dǎo)谷物聯(lián)合收獲機(jī)在不同喂入量下調(diào)整最優(yōu)參數(shù)組合。

6 結(jié)論

為研究谷物聯(lián)合收獲機(jī)在不同喂入量下的最優(yōu)參數(shù)組合，設(shè)計(jì)谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)控制交流電機(jī)，直流無(wú)刷減速電機(jī)，電推桿等，實(shí)現(xiàn)喂入量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、清選篩振動(dòng)頻率、風(fēng)門(mén)開(kāi)度和清選篩開(kāi)度5個(gè)因素的調(diào)整。系統(tǒng)加裝線速度傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器，角度傳感器，行程傳感器等，使上述因素可測(cè)可控。

1） 在試驗(yàn)臺(tái)架的基礎(chǔ)上進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定試驗(yàn)臺(tái)架最優(yōu)工作區(qū)間：喂入量最優(yōu)工作區(qū)間為3～5kg/s，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速最優(yōu)工作區(qū)間為1 200～1 600r/min，清選篩篩片開(kāi)度最優(yōu)工作區(qū)間為20～30mm，風(fēng)門(mén)開(kāi)度最優(yōu)工作區(qū)間為10°～50°，清選篩振動(dòng)頻率最優(yōu)工作區(qū)間為5～7Hz。

2） 在試驗(yàn)臺(tái)架最優(yōu)工作區(qū)間內(nèi)，設(shè)計(jì)實(shí)施PB試驗(yàn)，分析得到各因素對(duì)含雜率，損失率影響的顯著性。影響含雜率的因素顯著性順序：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速x2gt;篩片開(kāi)度x3gt;喂入量x1gt;振動(dòng)頻率x5gt;風(fēng)門(mén)開(kāi)度x4;影響損失率的因素顯著性順序：篩片開(kāi)度x3gt;風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速x2gt;喂入量x1gt;振動(dòng)頻率x5gt;風(fēng)門(mén)開(kāi)度x4。

3） 選取對(duì)含雜率和損失率影響顯著的因素：喂入量x1、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速x2、清選篩篩片開(kāi)度x3、清選篩振動(dòng)頻率x5，設(shè)計(jì)并實(shí)施Box—Behnken試驗(yàn)，得到含雜率和損失率的二次回歸模型。經(jīng)方差檢驗(yàn)，模型擬合程度好，分析結(jié)果穩(wěn)定可信。

4） 根據(jù)含雜率和損失率回歸模型，建立綜合評(píng)價(jià)模型，得到雙因素對(duì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的響應(yīng)曲面。對(duì)綜合評(píng)價(jià)模型增加約束條件，分析得到喂入量x1為3kg/s條件下最優(yōu)參數(shù)組合：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 459.8r/min、清選篩篩片開(kāi)度為28.7mm，清選篩振動(dòng)頻率為6.5Hz，此時(shí)含雜率為1.50%，損失率為0.71%，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為0.203；喂入量x1為4kg/s條件下最優(yōu)參數(shù)組合：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 483.4r/min、清選篩篩片開(kāi)度為29.0mm、清選篩振動(dòng)頻率為6.9Hz，此時(shí)含雜率為1.54%，損失率為0.64%，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為0.191；喂入量x1為5kg/s條件下最優(yōu)參數(shù)組合：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 587.6r/min、清選篩篩片開(kāi)度為30mm、清選篩振動(dòng)頻率為7Hz，此時(shí)含雜率為1.59%，損失率為0.69%，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為0.208；經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，綜合評(píng)價(jià)模型含雜率預(yù)測(cè)誤差最大為7.19%，損失率預(yù)測(cè)誤差最大為8.43%，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)測(cè)誤差最大為12.77%，表明綜合評(píng)價(jià)模型穩(wěn)定可靠，可以用于指導(dǎo)谷物聯(lián)合收獲機(jī)在不同喂入量下調(diào)整最優(yōu)參數(shù)組合。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 張猛， 耿愛(ài)軍， 張智龍， 等. 谷物收獲機(jī)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2018， 39（9）： 85-90.

Zhang Meng， Geng Aijun， Zhang Zhilong， et al.Research status and development trend of intelligence monitoring system for grain harvester ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2018， 39（9）： 85-90.

［2］ 郭紅星， 金誠(chéng)謙， 印祥， 等. 谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選系統(tǒng)研究現(xiàn)狀［J］. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2020， 41（6）： 26-36.

Guo Hongxing， Jin Chengqian， Yin Xiang， et al.Research status of the cleaning system of the corn combine harvester ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2020， 41（6）： 26-36.

［3］ 張正中， 謝方平， 田立權(quán)， 等. 國(guó)外谷物聯(lián)合收割機(jī)脫粒分離系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2021， 42（1）： 20-29.

Zhang Zhengzhong， Xie Fangping， Tian Liquan， et al. Current situation and development trend of threshing and separating system of international grain combine harvester ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2021， 42（1）： 20-29.

［4］ 王帥， 郁志宏， 張文杰， 等. 谷物聯(lián)合收獲機(jī)在線測(cè)產(chǎn)技術(shù)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2021， 37（17）： 58-70.

Wang Shuai， Yu Zhihong， Zhang Wenjie， et al. Review of recent advances in online yield monitoring for grain combine harvester ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2021， 37（17）： 58-70.

［5］ 趙男， 金誠(chéng)謙， 王超， 等. 谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選系統(tǒng)智能化技術(shù)研究進(jìn)展［J］. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2023， 44（3）： 163-170.

Zhao Nan， Jin Chengqian， Wang Chao， et al. Research progress on intelligent technology of grain combined harvester cleaning system ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2023，44（3）： 163-170.

［6］ 蔣慶， 王儒敬. 稻麥聯(lián)合收獲機(jī)清選智能調(diào)控模型仿真與試驗(yàn)［J］. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2022， 34（11）： 2485-2496.

Jiang Qing， Wang Rujing. Simulation and experiment of an intelligent control model for the cleaning of a rice-wheat combine harvester ［J］. Journal of System Simulation， 2022， 34（11）： 2485-2496.

［7］ 張光躍， 金誠(chéng)謙， 楊騰祥， 等. 聯(lián)合收割機(jī)清選損失率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2019， 40（4）： 146-150.

Zhang Guangyue， Jin Chengqian， Yang Tengxiang， et al. Design and implementation of cleaning loss rate monitoring system for combine harvester ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2019， 40（4）： 146-150.

［8］ 李青林， 宋玉營(yíng)， 姚成建， 等. 稻麥聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置智能設(shè)計(jì)與優(yōu)化系統(tǒng)研究［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2021， 52（5）： 92-101.

Li Qinglin， Song Yuying， Yao Chengjian， et al. Intelligent design and optimization system for cleaning device of rice and wheat combine harvester ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2021， 52（5）： 92-101.

［9］

汪鳳珠， 趙博， 劉陽(yáng)春， 等. 玉米青貯收獲機(jī)多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2023， 54（1）： 127-136.

Wang Fengzhu， Zhao Bo， Liu Yangchun， et al. Design and experiment of multi-parameter detection system for corn silage harvester ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2023， 54（1）： 127-136.

［10］ 李奇， 謝方平， 康家鑫， 等. 4LZ-4.0大豆聯(lián)合收割機(jī)清選裝置參數(shù)優(yōu)化及脫出物分布試驗(yàn)［J］. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2022， 48（6）： 737-743.

Li Qi， Xie Fangping， Kang Jiaxin， et al. Parameter optimization and experiment on post-threshed mixture for the cleaning device in 4LZ-4.0 combine harvester of soybean ［J］. Journal of Hunan Agricultural University（Natural Sciences）， 2022， 48（6）： 737-743.

［11］ 劉鵬， 金誠(chéng)謙， 劉政， 等. 大豆聯(lián)合收獲機(jī)田間清選作業(yè)參數(shù)優(yōu)化［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2020， 36（10）： 35-45.

Liu Peng， Jin Chengqian， Liu Zheng， et al. Optimization of field cleaning parameters of soybean combine harvester ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2020， 36（10）： 35-45.

［12］ 梁振偉. 多風(fēng)道清選裝置設(shè)計(jì)方法及清選損失監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)研究［D］. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué)， 2018.

Liang Zhenwei. Study on designing method of multi-duct air-and-screen cleaning unit and grain sieve loss monitoring and controlling technology ［D］. Zhenjiang： Jiangsu University， 2018.

［13］ 李心平， 王文哲， 趙高源， 等. 縱軸流雙柔性碾搓式谷子脫粒裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2021， 52（7）： 113-123.

Li Xinping， Wang Wenzhe， Zhao Gaoyuan， et al. Design and experiment of longitudinal axial flow double flexible rolling and kneading threshing device for millet ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2021， 52（7）： 113-123.

［14］ 張寧. 玉米籽粒收獲機(jī)魚(yú)鱗篩清選裝置工作機(jī)理及優(yōu)化分析［D］. 長(zhǎng)春： 吉林大學(xué)， 2022.

Zhang Ning. Research on working mechanism and optimization analysis of chaffer sieve cleaning device in corn grain harvester ［D］. Changchun： Jilin University， 2022.