基于免割收获双行谷物脱粒装置参数优化

李心平，雷亚州，耿令新，王升升，王　浩

(河南科技大学 农业工程学院，河南 洛阳　471003)



基于免割收获双行谷物脱粒装置参数优化

李心平，雷亚州，耿令新，王升升，王浩

(河南科技大学 农业工程学院，河南 洛阳471003)

摘要：研究了基于免割收获的双行谷物脱粒装置。通过室内试验，以脱粒总损失率、含杂率为性能指标，对滚筒转速、滚筒出口脱粒间隙和脱粒元件总高度3个因素进行回归试验。同时，通过分析处理试验结果得到因素在试验范围内对指标的影响规律，优化并确定脱粒装置的最佳参数组合为：滚筒转速795r/min、出口脱粒间隙22mm(入口脱粒间隙28mm)、脱粒元件总高40mm。

关键词：谷物；免割收获；双行脱粒装置；优化

0引言

割前脱粒作为一种新型的脱粒方式，对其研究起步较晚，发展缓慢。这种脱粒方式利用土壤对谷物的约束力只对穗头进行脱粒，极大降低了茎秆输送需要消耗的大量动力，简化了脱粒装置的输送结构[1]，使联合收割机结构简单、功耗低、体积小、生产效率较高，对于提高丘陵山区谷物收获机械化水平意义较大[2-3]。

为了提高丘陵山区的谷物收获效率，市场上出现了一些微型谷物联合收割机[4]；但这些机型机构设计复杂，基本上是对大型收割机整体进行了缩小化，对结构性能参数没有进行深入的研究[5]。近年来，国内研究了一种组合便携式谷物联合收割机，对提高丘陵山区狭小、不规则地块谷物的机械化收获水平有一定的影响，但存在损失率、含杂率过高及收获效率低下等问题[6-7]。

本试验研究的是一种适用于丘陵地区的双行便携式谷物联合收割机的脱粒装置，采用半喂入割前脱粒方式。该脱粒装置性能指标主要由滚筒转速、出口脱粒间隙和脱粒元件总高等因素确定[8-12]。通过对回归试验数据进行分析处理，优化确定脱粒装置的最佳参数组合，为整机脱粒装置的设计提供试验依据。

1试验装置及步骤

1.1试验设备及仪器

试验台主要由输送小车、脱粒装置及接料小盒等组成，如图1所示。输送小车在变频电机的带动下前进，模拟整机在田间作业状态，带速可调。脱粒试验台由脱粒滚筒和喂入螺旋输送器两部分组成，脱粒滚筒长度为800mm、出口直径为338mm(入口直径为326mm)。脱粒元件为齿板和杆齿的焊合件(见图2)，沿滚筒母线固定，凹板和罩壳装拆方便，便于更换脱粒元件和调节脱粒间隙，滚筒转速由变频电机调节[13]。螺旋输送器由上、下螺旋输送器组成，用于引导双行小麦进入脱粒滚筒完成脱粒。接料小盒可接取由凹板落下的籽粒、颖糠和短茎秆等物料[14-15]。

1.小车车轨　2.小车　3.小车驱动电机

1.齿板　2.导向片　3.杆齿

仪器主要有激光测速仪、大电子秤、秒表、精密电子秤、计算器和计算机等。

1.2试验步骤和测量方法

1)准备阶段：首先，将小车输送速度调节至0.4m/s，模拟双行便携机在田间的作业状况；然后调节螺旋输送器转速为650r/min，保证螺旋叶片对植株的引导速度与输送小车速度相等；再次，在脱粒装置的下方铺设塑料薄膜，以接取脱粒过程中飞溅出的籽粒及脱粒后茎秆中的夹带籽粒；最后，按照规定的喂入量称取一定质量的小麦物料，随后均匀固定在输送小车的夹板上。

2)试验阶段：首先，启动脱粒滚筒和螺旋输送器，待运转稳定后启动固定有双行小麦植株的输送小车；小麦在螺旋输送器的压弯和引导的作用下进入滚筒，籽粒、颖糠和短茎秆经凹板分离落入接料小盒，完成脱粒的小麦茎秆在输送小车的作用下从滚筒出口排出；脱粒完成后，切断脱粒装置等相关电源。

3)接料小盒中物料的处理过程：首先，对接料盒中每个小盒中的脱出物进行称重，质量分别记作x1，x2，…，x10；然后，用预先调节好的清选系统和振动筛对脱出物逐格进行清选得到干净的籽粒，并分别称重，记作x1′，x2′，…，x10′；最后，把脱粒装置下方薄膜上的飞溅出和茎秆夹带的籽粒收集起来称重，记作y1＇，完成脱粒的小麦茎秆上未脱下的穗头剪下来，揉搓后得到干净籽粒称重，记作y2′。

双行谷物脱粒装置性能为

2回归试验及分析

2.1回归试验

滚筒转速、出口脱粒间隙和脱粒元件总高是影响脱粒装置性能指标的主要因素。本试验以脱粒总损失率及含杂率为指标，对上述3个因素进行回归试验，最后处理试验结果得到最佳参数组合。本试验小麦采集于河南省孟津县九泉村试验田，经田间测量，小麦产量6 000kg/hm2，株高600mm，籽粒绝对含水率6.95%，茎秆绝对含水率13.35%，谷草比为1：1.35。根据以上数据，确定每次试验的喂入量。

回归试验设计可以减少试验次数，简化计算，获得高质量的回归方程，确定脱粒装置的最佳参数组合。根据经验数据和现有装置，确定试验中滚筒转速、出口脱粒间隙和脱粒元件总高三因素的编码零水平。本试验目的是得到上述因素对脱粒总损失率、含杂率等性能指标的影响规律。表1为回归试验因素水平编码表，表2为回归试验试验方案与结果表。

表1　回归试验因素水平编码表

表2　回归试验试验方案及结果

续表2

用统计软件DPS对试验数据进行回归分析，由于试验条件与田间试验有一定差别(物料含水率的变化)和人为误差，因此本试验取α=0.25的置信水平，得到下面的回归方程：

脱粒总损失率为

η1=13.636 23-0.005 98x1-0.405 56x2-0.173 02x3-

0.000 144x1x2+0.000 05x1x3+0.005 30x2x3+

0.000 004x12+0.006 13x22+0.000 023x32

(1)

含杂率为

β1=60.847 85-0.068 88x1+1.878 1x2-1.416 94x3+

0.002 85x1x2+0.000 708x1x3+0.017 71x2x3-

0.000 016x12-0.139 06x22+0.008 249 9x32

(2)

对回归方程(1)、(2)进行方差分析(见表3)可知：脱粒总损失率和含杂率的回归方程显著，能较好地反映真实情况。

表3　回归方程的方差分析表

脱粒总损失率是脱不净率和飞溅损失率之和。由于含杂率过高会造成整机后续清选负担的增加，故加权优化法进行参数优化时取脱粒总损失率和含杂率的加权系数分别为0.5、0.5；最佳参数组合为：滚筒转速795r/min、出口脱粒间隙22mm(入口脱粒间隙28mm)、脱粒元件总高为40mm。此时，脱粒总损失率为2.03%，含杂率为18.48%。

2.2优化结果的验证试验

由于最佳参数组合未在试验中出现，故将脱粒装置调节至最佳参数组合下做验证试验，以判定最佳参数组合处的性能指标与方程预测值是否一致，结果如表4所示。考虑试验过程中物料状态(含水率等)变化和人为因素对试验造成的误差，试验结果与最佳参数下的预测值比较接近。

2.3喂入量适应性试验

田间作业过程中，由于地块和小麦产量的不同，脱粒装置的喂人量适应性对于整机正常工作尤为重要，故本试验将该脱粒装置调整至回归试验得到的最佳参数组合，进行喂入量适应性试验，结果如表5所示。从表5可知：在产量6 750kg/hm2及以下的地块，脱粒总损失率变化稳定，脱粒装置工作性能良好；当喂入量加大，到产量5 250kg/hm2时，脱粒损失率明显上升，说明此时脱粒装置内物料过多，脱下来的物料不能及时从凹板分离造成脱粒总损失率明显增加；继续加大喂入量，滚筒内物料过多造成阻力加大，驱动脱粒滚筒和输送小车的皮带开始打滑，物料喂入出现困难，滚筒内出现堵塞，试验无法正常进行。

表4　验证试验结果表

表5　喂入量适应性试验结果表

3结论

1)在试验条件下，脱粒装置的最佳参数组合为滚筒转速795r/min、出口脱粒间隙22mm(入口脱粒间隙28mm)、脱粒元件总高40mm。此时脱粒装置的性能指标为：脱粒总损失率2.03%，含杂率18.48%。

2)在试验范围内，滚筒转速增大，脱粒总损失率降低，含杂率升高。

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Abstract ID:1003-188X(2016)02-0149-EA

Parameter Optimization of Double Row of Grain Threshing Mechanism Based on Free-cutting Harvest

Li Xinping, Lei Yazhou, Geng Lingxin, Wang Shengsheng, Wang Hao

(College of Agriculture Engineering, Henan University of Science & Technology, Luoyang 471003，China)

Abstract：Research the double row of grain threshing mechanism based on free-cutting harvest. Under the provisions of feed rate, the roller speed, exit threshing gap and the total height of the threshing elements were tested according to the regression test methods. And then analyze the test data in aid of statistical software, get the influence of the rate of loss impurity rate and other performance indicators.for the roller-speed, exit threshing gap and the total height of the threshing elements within the test range. Finally, optimize and get the best threshing device parameter combination of three factors.

Key words：grain; free-cutting harvest; double row of threshing mechanism; optimization

文章编号：1003-188X(2016)02-0149-04

中图分类号：S225；S220.3

文献标识码：A

作者简介：李心平(1973-)，男，山西定襄人，副教授，博士，(E-mail)aaalxp@126.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAD20B10)；国家自然科学基金-河南人才培养联合基金项目(U1204514)

收稿日期：2015-02-02