對輥半喂入式小區(qū)育種花生摘果裝置設(shè)計與試驗

高連興　蘇　展　陳中玉,3　劉志俠　呂長義　李　華

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽 110866； 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)花生研究所， 沈陽 110866；3.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院, 鹽城 224005)

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對輥半喂入式小區(qū)育種花生摘果裝置設(shè)計與試驗

高連興1,2蘇展1陳中玉1,3劉志俠1呂長義1李華1

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽 110866； 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)花生研究所， 沈陽 110866；3.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院, 鹽城 224005)

花生小區(qū)育種涉及品種多、小區(qū)處理多、每小區(qū)產(chǎn)量小，且嚴(yán)格要求小區(qū)之間和品種之間的花生不能混雜。為解決小區(qū)花生育種收獲中存在的人工摘果費工、費時、效率低且容易出現(xiàn)混雜等問題，提出了半喂入式花生摘果裝置總體方案：采用差相組配的對輥結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)直徑可調(diào)節(jié)的直桿式、弓齒式和矩形齒式作為摘果元件，進(jìn)行了花生摘果輥與摘果元件的結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計，研制出一種小型對輥半喂入式小區(qū)育種花生摘果裝置。以遼寧省主栽的花生品種“花育30”為試驗材料，對3種摘果元件的摘果性能進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明矩形齒式摘果元件摘果效果最佳；以摘果對輥重疊距離、摘果對輥差相角和摘果對輥轉(zhuǎn)速為試驗因素，以花生摘凈率、損傷率為試驗指標(biāo)，通過正交試驗表明：摘果對輥重疊距離為10 mm、摘果對輥差相角為45°、摘果對輥轉(zhuǎn)速為400 r/min時，花生摘果綜合指標(biāo)最優(yōu)，摘凈率為98.96%，莢果損傷率為1.03%。

育種花生； 摘果裝置； 半喂入； 對輥式

引言

我國作為花生生產(chǎn)與出口大國，雖然在花生育種和高產(chǎn)栽培等生物技術(shù)領(lǐng)域研究處于領(lǐng)先水平，對提高我國花生產(chǎn)量與品質(zhì)發(fā)揮了重要作用,但是因缺少小區(qū)育種花生摘果機(jī)械，花生收獲中的摘果作業(yè)仍靠人工進(jìn)行，效率低下且容易混雜；有些地區(qū)采用普通的花生摘果機(jī)，不但機(jī)型較大、且摘果元件固定而難以調(diào)節(jié)，清種不便，不能適應(yīng)小區(qū)摘果作業(yè)的需要，嚴(yán)重制約花生育種研究進(jìn)程。小區(qū)育種花生與普通花生不同，每小區(qū)種植面積小、產(chǎn)量小，但小區(qū)處理數(shù)量很多、品種多，還要求小區(qū)間的花生不能混雜。

摘果是小區(qū)花生收獲的關(guān)鍵，研制適宜小區(qū)育種需要的花生摘果機(jī)不僅可以提高收獲效率、降低損失和莢果損傷，而且可以有效解決小區(qū)和品種間的種子混雜問題。

國內(nèi)外專家對花生摘果機(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)的摘果裝置進(jìn)行了較為深入的研究，其中，尚書旗等研制了全喂入軸流式摘果裝置的4HQL-2型、4HJL-2型自走式花生聯(lián)合收獲機(jī),及采用波紋式摘果對輥裝置的4HBL-4型半喂入式聯(lián)合收獲機(jī)[1-6]；胡志超等研制了采用葉片式雙輥筒差相組配式刷脫原理的4LH-2型、4HLB-4型、4HLJ-8型半喂入自走式花生聯(lián)合收獲機(jī),及采用自動導(dǎo)秧折彎機(jī)構(gòu)、后傾弧形葉片的4HZB-2A型半喂入式花生摘果機(jī)[7-8]；高連興等研制了多功能組合式全喂入花生摘果裝置及螺旋弓齒式全喂入花生摘果機(jī)[9-13]。然而，針對小區(qū)育種花生摘果裝置的研究，目前尚未見有文獻(xiàn)報道。本文針對小區(qū)花生育種收獲特點及花生育種科研需要，設(shè)計一種對輥半喂入式小區(qū)育種花生摘果裝置，并進(jìn)行性能試驗及參數(shù)優(yōu)化。

1　整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

小區(qū)育種花生摘果與普通花生摘果相比，除要求摘果裝置莢果損傷率更低以外，還要既能適應(yīng)濕花生摘果也要適應(yīng)干花生摘果，適應(yīng)不同品種性狀的花生摘果，且方便清出殘留在摘果裝置中的花生莢果，以免不同品種和處理的花生果實混雜?；谏鲜鲆?，確定了對輥半喂入式摘果裝置的總體方案(圖1)，以直桿、弓齒和矩形齒3種摘果元件進(jìn)行對比試驗確定最佳摘果元件。

圖1　對輥半喂入式小區(qū)育種花生摘果裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1　Structural schematic of double-roller semi-feeding peanut picking device 1.摘果齒　2.上摘果輥鏈輪　3.下摘果輥鏈輪　4.風(fēng)機(jī)帶輪　5.風(fēng)機(jī)鏈輪　6.電動機(jī)　7.電動機(jī)帶輪　8.振動篩偏心輪　9.輥筒蓋　10.輥架　11.上摘果輥　12.下摘果輥　13.下料板 14.機(jī)架　15.振動篩　16.連桿　17.風(fēng)機(jī)　18.喂入口

對輥半喂入式小區(qū)育種花生摘果裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上摘果輥、下摘果輥、傳動鏈輪、滾筒蓋、喂入口、下料板、氣力清選裝置、振動篩清選裝置、機(jī)架、電動機(jī)及傳動系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，上摘果輥與下摘果輥成對且差相配置——對輥，摘果輥上固定有可更換的直桿式、弓齒式或矩形齒式摘果元件。

摘果作業(yè)時人工手持花生植株莖部，將花生莢果部位接觸兩個同速、相向轉(zhuǎn)動的上摘果輥與下摘果輥構(gòu)成的摘果區(qū)，摘果元件的梳刷和刮拉等作用使花生莢果不斷地被摘下；摘下的花生莢果與少量碎葉等沿下料板落到振動篩過程中，風(fēng)機(jī)將碎葉和碎莖稈等吹走，分離出花生莢果；振動篩進(jìn)一步將殘余雜質(zhì)清除并將花生莢果運(yùn)送至出料口；當(dāng)每一小區(qū)處理的花生摘果完成后，停機(jī)、拉開輥筒蓋清理遺留的花生莢果，從而保證花生莢果不混雜。

2　關(guān)鍵部件設(shè)計

摘果輥及摘果元件是花生摘果裝置的關(guān)鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)型式與參數(shù)直接影響花生莢果摘凈率、損傷率、摘果效率和操作安全性等。

2.1摘果對輥設(shè)計

結(jié)構(gòu)相同且上下斜置的開式摘果輥(圖2)由輥軸、輥架和4排摘果元件(摘果齒或摘果桿)等構(gòu)成。十字形輥架焊接在輥軸兩端，輥架端部螺紋用來連接摘果元件并可調(diào)節(jié)其回轉(zhuǎn)直徑；上、下摘果輥成對傾斜配置以方便人工喂入；上、下摘果輥通過軸端鏈傳動實現(xiàn)等速、相向轉(zhuǎn)動。

圖2　摘果對輥結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2　Schematic of double-roller for picking 1.矩形齒　2.摘果元件　3.輥架　4.輥軸

摘果輥主要設(shè)計參數(shù)為：摘果元件回轉(zhuǎn)直徑D與長度L、對輥中心距L1、斜置角α、對輥重疊距離L2、對輥差相角β、摘果元件排數(shù)N、摘果輥轉(zhuǎn)速n等。

結(jié)合沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)花生研究所小區(qū)花生育種收獲實踐發(fā)現(xiàn)，每個處理的摘果量不大，每次人工喂入花生2～4株，因而選定摘果輥有效長度330 mm；摘果元件回轉(zhuǎn)直徑調(diào)節(jié)范圍170～240 mm；由于摘果元件回轉(zhuǎn)直徑較小且需要差相配置，確定每個摘果輥的摘果元件為4排。

考慮到摘果過程中上下輥對花生植株產(chǎn)生的夾持拉力影響人工喂入安全性，基于試驗初定上、下摘果對輥重疊距離10 mm，即摘果元件回轉(zhuǎn)直徑為200 mm，且可通過改變摘果元件回轉(zhuǎn)直徑適當(dāng)調(diào)節(jié)，對輥差相角為35°～55°，且可通過鏈輪嚙合齒位進(jìn)行調(diào)節(jié)；摘果對輥轉(zhuǎn)速為350～450 r/min，即摘果元件線速度為3.68～4.71 m/s。為保證上述參數(shù)更加合理，需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗后最終具體確定。摘果對輥工作原理如圖3所示。

圖3　摘果對輥工作原理圖Fig.3　Working schematic of double-roller for picking1.矩形齒　2.摘果元件　3.輥架　4.輥軸

2.2摘果元件設(shè)計

摘果元件結(jié)構(gòu)型式與分布規(guī)律也是影響花生摘果性能、植株夾持拉力的重要因素。目前半喂入摘果裝置常用直板、弧形板、螺旋葉片式等整體結(jié)構(gòu)，依靠高速旋轉(zhuǎn)的摘果葉片拍打、刮拽作用進(jìn)行摘果，花生莢果因受力較大導(dǎo)致莢果損傷率高、帶柄率高和斷枝多等問題[14-16]；特別直板型摘果葉片在摘取鮮濕花生時，因一次同時摘下多個莢果，摘果輥對花生植株夾持拉力大而不均，容易將花生植株拉入摘果區(qū)，人工喂入時容易出現(xiàn)傷手的危險。為解決上述問題，需要對預(yù)定的3種摘果元件即直桿式、弓齒式和矩形齒式進(jìn)行初步試驗，并最終選定摘果元件形式。

2.3傳動系統(tǒng)設(shè)計

為保證摘果輥筒轉(zhuǎn)動、振動篩振動和清選風(fēng)機(jī)參數(shù)需要，設(shè)計了傳動系統(tǒng)如圖4所示，主傳動由電動機(jī)帶輪帶動風(fēng)機(jī)左側(cè)帶輪，風(fēng)機(jī)鏈輪帶動摘果對輥鏈輪等速相向轉(zhuǎn)動；副傳動由風(fēng)機(jī)右側(cè)帶輪帶動振動篩帶輪，使振動篩偏心輪獲得動力而帶動振動篩振動。

圖4　傳動系統(tǒng)示意圖Fig.4　Schematic of transmission system1.上摘果輥鏈輪　2.下摘果輥鏈輪　3.風(fēng)機(jī)鏈輪　4.偏心輪　5.振動篩帶輪　6.電動機(jī)帶輪　7.風(fēng)機(jī)右側(cè)帶輪　8.風(fēng)機(jī)左側(cè)帶輪

3　試驗優(yōu)化

3.1對輥半喂入式花生摘果裝置整機(jī)參數(shù)

對輥半喂入式小區(qū)育種花生摘果裝置如圖5所示，其總體結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)見表1。

圖5　對輥半喂入式小區(qū)育種花生摘果裝置Fig.5　Double-roller semi-feeding peanut picking device for breeding in mini type area

3.2試驗材料與儀器設(shè)備

花生摘果試驗在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)實驗室進(jìn)行，試驗材料取自沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)花生試驗基地，品種為“花育30”。所用試驗設(shè)備有SFY60型紅外線快速水分測定儀(深圳市冠亞電子科技有限公司)、DT2236型數(shù)顯轉(zhuǎn)數(shù)表、恒泰HT1000F型變頻器和雙杰牌電子秤等。

3.3試驗方案與結(jié)果

根據(jù)花生摘果關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計結(jié)果以及初步的摘果試驗，選取摘果對輥重疊距離、摘果對輥差相角及摘果對輥轉(zhuǎn)速為試驗因素，以摘凈率y1(%)、損傷率y2(%)為指標(biāo)，分別進(jìn)行單因素試驗和回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗。每組試驗進(jìn)行5次，每次試驗用花生30株，每次人工手握3株花生，試驗結(jié)果取平均值。

表1　對輥半喂入式小區(qū)育種花生摘果裝置主要參數(shù)Tab.1　Main parameters of double-roller semi-feeding peanut picking device for breeding in mini type area

(1)3種摘果元件的單因素試驗

在摘果對輥重疊距離為10 mm、摘果對輥差相角為45°和摘果對輥轉(zhuǎn)速為400 r/min下，花生莢果摘凈率和莢果損傷率分別為：直桿式摘果元件為97.21%和1.03%，弓齒式摘果元件為98.74%和1.09%，矩形齒摘果元件為99.13%和1.14%。摘果元件對花生植株夾持拉力為：直桿式摘果元件為9.84～18.76 N，弓齒式摘果元件為3.68～5.76 N，矩形齒摘果元件為4.56～7.32 N。

可見，直桿式元件的摘果損傷率為1.03%，三者中最低，但摘凈率也最低；矩形齒元件摘凈率最高，為99.13%，但莢果損傷率1.14%為最高；總體比較來看，3種摘果元件的摘凈率和損傷率差異不顯著。然而，摘果元件對花生植株夾持拉力差異很大：直桿式高達(dá)9.84～18.76 N，是其余兩種元件的2～3倍，而且變化范圍較大；弓齒式和矩形齒摘果元件之間的植株夾持力比較接近。因此，出于人工作業(yè)安全考慮，選用矩形齒摘果元件進(jìn)行深入試驗研究。

(2)矩形齒摘果元件性能正交試驗

根據(jù)摘果關(guān)鍵部件設(shè)計和初步試驗結(jié)果，為分析矩形齒式摘果元件的摘果性能，在摘果對輥重疊距離為-10～30 mm、摘果對輥差相角35°～55°、摘果對輥轉(zhuǎn)速350～450 r/min范圍內(nèi)，進(jìn)行三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，因素水平編碼表如表2所示，試驗結(jié)果見表3。X1、X2、X3為因素編碼值。

表2　因素水平編碼Tab.2　Coding of level and factor

表3　試驗設(shè)計與結(jié)果Tab.3　Experimental design and results

3.4建立數(shù)學(xué)模型

對試驗數(shù)據(jù)采用Design-Expert軟件進(jìn)行回歸分析，分別得出摘凈率y1(%)和損傷率y2(%)的回歸數(shù)學(xué)模型為

y1=98.98-0.82X1-0.40X2+0.53X3+

0.26X1X2+0.23X1X3+0.12X2X3-

(1)

y2=0.96-0.21X1+0.089X2+0.12X3+

0.016X1X2+0.021X1X3+0.054X2X3+

(2)

為檢查回歸方程的顯著性，對式(1)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表4。

由表4可知，回歸方程在α=0.05水平上非常顯著且其失擬檢驗F=2.85，F(xiàn)0,05(5,8)=3.69，F(xiàn)

表4　方差分析Tab.4　Variance analysis

注：*為顯著，** 為非常顯著。

對回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗分析，剔除不顯著項，得到花生莢果摘凈率回歸方程為

y1=98.98-0.82X1-0.40X2+0.53X3-

(3)

花生莢果損傷率回歸方程為

y2=0.96-0.21X1+0.089X2+0.12X3+

(4)

3.5試驗因素對花生莢果摘凈率與損傷率的影響

針對所建立的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Design-Expert軟件繪制三維因素響應(yīng)曲面效果圖。

如圖6所示，3個試驗因素對摘凈率的總體影響規(guī)律是：摘果對輥重疊距離在10 mm左右時摘凈率較好，摘果對輥轉(zhuǎn)速在400～425 r/min之間時摘凈率較高，摘果對輥差相角在45°左右時摘凈率較高，3個試驗因素過大或過小均會降低摘果裝置的摘凈率。

如圖7所示，3個試驗因素對損傷率的總體影響規(guī)律是：摘果對輥重疊距離在10～20 mm之間損傷率較低，摘果對輥差相角在45°左右時損傷率較低，摘果對輥轉(zhuǎn)速越小，損傷率越低。

圖7　3種試驗因素對損傷率的影響Fig.7　Impact of three different factors on breaking rate

3.6最佳參數(shù)組合與驗證試驗

為求得花生摘果裝置最佳工藝參數(shù)，采用多目標(biāo)非線性優(yōu)化理論方法，進(jìn)行回歸方程優(yōu)化分析，目標(biāo)函數(shù)為

(5)

約束條件為

(6)

通過現(xiàn)有回歸方程對其進(jìn)行優(yōu)化求解，可得摘果裝置最優(yōu)工藝參數(shù)如表5所示。

表5　試驗因素參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Tab.5　Results of optimized parameters

將因素優(yōu)化組合進(jìn)行圓整：摘果對輥重疊距離為10 mm、摘果對輥差相角為45°、摘果對輥轉(zhuǎn)速為400 r/min，在相同試驗條件下進(jìn)行試驗，測得摘凈率為98.96%，損傷率為1.03%，試驗值與理論值擬合較好。

4　結(jié)論

(1)針對育種花生品種多、小區(qū)處理多、小區(qū)產(chǎn)量小、品種之間和小區(qū)之間花生不能混雜的特點與要求，提出采用直桿式、弓齒式及矩形齒式3種摘果元件的半喂入對輥摘果方案，設(shè)計出對輥半喂入式小區(qū)育種花生摘果裝置。

(2)通過樣機(jī)試驗表明，摘果元件以矩形齒式為最佳，摘果齒相互交錯，通過逐漸、多次作用將花生莢果摘下，不但花生莢果摘凈率高、損傷率低，而且摘果過程中拉力小而均勻，沒有安全隱患。

(3)進(jìn)行對輥半喂入式小區(qū)育種花生摘果裝置性能試驗，得到優(yōu)化后摘果裝置最佳參數(shù)組合為:摘果對輥重疊距離10 mm、摘果對輥差相角45°、摘果對輥轉(zhuǎn)速400 r/min。此條件下試驗測得摘凈率為98.96%，損傷率為1.03%。性能試驗結(jié)果表明摘果裝置作業(yè)性能良好，能夠顯著提高育種花生摘果作業(yè)效率。

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Design and Experiment of Double-roller Semi-feeding Peanut Picking Device for Breeding in Mini Type Area

Gao Lianxing1,2Su Zhan1Chen Zhongyu1,3Liu Zhixia1Lü Changyi1Li Hua1

(1.CollegeofEngineering,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China2.PeanutInstitute，ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China3.CollegeofAutomotiveEngineering,YanchengInstituteofIndustryTechnology,Yancheng224005,China)

Peanut breeding in mini area has the characteristics of various varieties, many deals in mini area, little yield and no mixed peanut in mini area and in variety. In order to solve the problems of time and working consuming, lower efficacy and easy to mix in artificial harvesting, an overall scheme of semi-feeding peanut picking device was proposed. The structure of staggered matched stack form and the picking parts, including reinforced type, bow tooth and rectangular tooth with adjustable swing diameters were adopted. The structure and parameters of peanuts picking parts were designed. Preliminary experiment was carried out for choosing eventual form of picking parts. The main peanut varieties “huayu30” in Liaoning province were selected as test materials, through orthogonal experiment analysis, the three parameters: picking roller rotating speed, angle of picking roller and overlap distance of picking roller were selected as experimental factors, peanut picking rate and peanut breaking rate were selected as experimental indexes. The structure and working parameter of threshing performance were optimized. Experimental results indicated that picking roller rotating speed, angle of picking roller and the overlap distance of picking roller all had significant impact on peanut picking rate and peanut breaking rate. The most optimum combination index of the picking roller rotating speed was 400 r/min, the angle of picking roller was 45° and the overlap distance of picking roller was 10 mm. The results of the analysis of the peanut picking rate was 98.96% and the peanut breaking rate was 1.03%.

breading peanut; picking device; semi-feeding; double-roller

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.014

2016-01-06

2016-05-03

國家自然科學(xué)基金項目(51575367)和高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20122103110009)

高連興(1958—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品收獲與加工機(jī)械研究，E-mail: lianxing_gao@126.com

S225

A

1000-1298(2016)09-0093-06