多滾筒脫粒分離裝置脫粒參數(shù)試驗(yàn)與分析

唐 忠，何俊增，周躍鵬，劉江波

(江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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多滾筒脫粒分離裝置脫粒參數(shù)試驗(yàn)與分析

唐 忠，何俊增，周躍鵬，劉江波

(江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對(duì)聯(lián)合收割機(jī)上脫粒分離裝置的最佳工作參數(shù)易受谷物生長特性影響且難以控制的問題，基于切橫橫脫粒分離裝置在喂入量為6kg/s時(shí)的水稻臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)影響脫粒分離性能的參數(shù)進(jìn)行回歸分析和回歸效果顯著性檢驗(yàn)。結(jié)果表明：為實(shí)現(xiàn)最佳脫粒效果，第II和第III脫粒滾筒具有95%置信度的滾筒轉(zhuǎn)速區(qū)間分別為669～849 r/min和772～961 r/min，具有95%置信度的脫粒間隙區(qū)間分別為21～33 mm和13～35 mm；此時(shí)，籽粒損失率為0.48%，脫粒分離功耗為40.62kW。

聯(lián)合收割機(jī)；切橫橫結(jié)構(gòu)；回歸分析；水稻脫粒；置信區(qū)間

0 引言

脫粒分離裝置是聯(lián)合收割機(jī)的核心工作部件，橫置單切流滾筒[1]與橫置雙軸流滾筒[2]組合式脫粒分離裝置(簡(jiǎn)稱：切橫橫脫粒分離裝置[3])是在針對(duì)水稻成熟度不一致和同一稻穗上籽粒脫粒難易程度不同[4]的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種水稻分段逐級(jí)脫粒分離的裝置。脫粒分離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)及谷物特性對(duì)脫粒分離性能具有很大的影響。

國外對(duì)此開展了大量的研究工作：Agha[5]研究了脫粒滾筒長度對(duì)脫粒分離性能的影響；Alizadeh[6]等對(duì)脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速和脫粒間隙對(duì)脫粒分離性能的影響開展了相關(guān)研究；Arvinder[7]等開展了物料特性對(duì)脫粒分離性能影響的研究；Mohtasebi[8]等開展了脫粒滾筒類型及脫粒齒排列方式對(duì)脫粒性能影響的研究。國內(nèi)李耀明[9]、戴飛[10]、韓增德[11]等開展了脫粒滾筒類型、脫粒元件及工作參數(shù)等對(duì)脫粒分離性能影響的研究。以上研究主要得到了相應(yīng)裝置工作參數(shù)的最佳值，但聯(lián)合收割機(jī)在田間工作時(shí)隨著作物生長的草谷比、含水率、成熟度的變化，脫粒分離裝置所需工作參數(shù)將在最佳值附近波動(dòng)并具有一定的置信區(qū)間。

本文在自行設(shè)計(jì)的切橫橫脫粒分離裝置上，以聯(lián)合收割機(jī)田間收獲時(shí)便于調(diào)節(jié)的脫粒滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙為研究對(duì)象，對(duì)影響脫粒分離性能的參數(shù)進(jìn)行回歸分析和回歸效果顯著性檢驗(yàn)，預(yù)測(cè)脫粒滾筒的最佳參數(shù)以及最佳參數(shù)的置信區(qū)間。

1 切橫橫脫粒分離裝置

切橫橫脫粒分離裝置主要包括一個(gè)單切流滾筒和兩個(gè)橫軸流滾筒，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.輸送帶 2.喂入攪龍 3.輸送槽 4.第I脫粒滾筒 5.第II脫粒滾筒 6.第III脫粒滾筒

切橫橫脫粒分離裝置的脫粒滾筒、柵格凹板篩、滾筒頂蓋的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 切橫橫脫粒分離裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

續(xù)表1

2 試驗(yàn)物料及方法

試驗(yàn)采用鎮(zhèn)江地區(qū)水稻，品種為“鎮(zhèn)稻10#”，莖稈含水率66%～70%，籽粒含水率22%～27%，草谷比1.8～2.0。試驗(yàn)時(shí)依據(jù)參數(shù)文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果，在切橫橫脫粒分離裝置試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行喂入量為6kg/s的脫粒性能試驗(yàn)，每次試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

3 第II脫粒滾筒置信參數(shù)預(yù)測(cè)

3.1 脫粒分離性能試驗(yàn)

設(shè)置第I脫粒滾筒的脫粒間隙為40 mm，滾筒轉(zhuǎn)速為550 r /min；第II脫粒滾筒的脫粒間隙為30 mm，滾筒轉(zhuǎn)速分別采用650、700、750、800、850、900r/min；第III脫粒滾筒的脫粒間隙和轉(zhuǎn)速分別為30mm和900r/min。在切橫橫脫粒分離裝置上進(jìn)行喂入量為6kg/s的水稻脫粒分離性能試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 第II脫粒滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)脫粒分離性能影響

Table 2 Performance of transverse multi-cylinder device for rotation of II threshing cylinder

滾筒轉(zhuǎn)速/r·min-1籽?？倱p失總損失S/%歸一化值S～脫粒分離功耗功耗值P/kW歸一化值p～綜合歸一化值y6501．15135．34017000．780．43936．250．2000．6397500．560．10637．120．3530．4598000．49037．960．5200．5208500．580．13638．940．7140．8509000．740．37940．3811．379

為便于對(duì)籽粒總損失率S和脫粒分離功耗P進(jìn)行綜合分析，將表2所得的籽?？倱p失率S和脫粒分離功耗P進(jìn)行歸一化計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

(1)

(2)

令綜合歸一化值y為

(3)

將表2的結(jié)果繪制出籽?？倱p失率歸一化值、功耗歸一化值及綜合歸一化值與第II脫粒滾筒轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 第II脫粒滾筒歸一化值與滾筒轉(zhuǎn)速的關(guān)系

由圖2可得：第II脫粒滾筒綜合歸一化值與滾筒轉(zhuǎn)速近似呈二次曲線形狀。假設(shè)第II脫粒滾筒綜合歸一化值與滾筒轉(zhuǎn)速函數(shù)關(guān)系為二次曲線，則

y=a+bω+cω2

(4)

3.2 回歸分析與顯著性檢驗(yàn)

y=2.716×101-0.704×10-1ω+4.636×10-5ω2

(5)

依據(jù)參考文獻(xiàn)[12]可得

(6)

(7)

(8)

由表1可計(jì)算得到：ST=0.60225，SR=0.59718，Se=0.00507，即ST=Se+SR。由此可得統(tǒng)計(jì)值F為

(9)

對(duì)于給定的顯著水平β=0.05，查表可得F1-β(m,n-m-1)=F1-0.05(2,3)=19.16，即統(tǒng)計(jì)值F=176.914>F1-0.05(2,3)=19.16，可以認(rèn)為第II脫粒滾筒歸一化值y與滾筒轉(zhuǎn)速ω之間存在顯著二次回歸方程關(guān)系。變量ω的點(diǎn)預(yù)測(cè)值取值即為回歸方程頂點(diǎn)擬合值(759, 0.6107)。

3.3 最佳參數(shù)的置信區(qū)間

依據(jù)參考文獻(xiàn)[12]設(shè)統(tǒng)計(jì)量t為

～t(n-m-1)

(10)

(11)

同理，設(shè)置第II脫粒滾筒的滾筒轉(zhuǎn)速為759r/min，脫粒間隙分別采用10、15、20、25、30、35mm，在切橫橫脫粒分離裝置上開展喂入量為6kg/s的水稻脫粒分離性能試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 第II脫粒滾筒間隙對(duì)脫粒分離性能影響

Table3Performanceoftransversemulti-cylinderdeviceforconcave clearance of II threshing cylinder

滾筒轉(zhuǎn)速/rpm籽粒總損失總損失S/%歸一化值S～脫粒分離功耗功耗值P/kW歸一化值p～綜合歸一化值y100．560．20541．2311．205150．47039．550．7390．739200．490．04538．120．5170．562250．580．2537．060．3520．602300．730．59135．890．1710．762350．91134．7901

將表3的結(jié)果繪制籽?？倱p失率歸一化值、功耗歸一化值及綜合歸一化值與第II脫粒滾筒脫粒間隙之間的關(guān)系曲線，通過對(duì)第II脫粒滾筒脫粒間隙進(jìn)行參數(shù)擬合，并進(jìn)行回歸方程顯著檢驗(yàn)得知：第II滾筒脫粒分離綜合歸一化值與脫粒間隙之間存在顯著的二次回歸方程為y=2.436-0.1617e+0.3477×10-3e2。通過第II脫粒滾筒歸一化值的點(diǎn)預(yù)測(cè)得知：歸一化曲線擬合方程的頂點(diǎn)值為(23.25, 0.741 5)，即第II滾筒脫粒最佳間隙為23mm，此時(shí)第II脫粒滾筒最小歸一化值為0.741 5；當(dāng)?shù)贗I滾筒脫粒間隙為23mm時(shí)，切橫橫脫粒分離裝置脫粒間隙的0.95置信度預(yù)測(cè)區(qū)間為21～33 mm。

4 第III脫粒滾筒置信參數(shù)預(yù)測(cè)

4.1 滾筒脫粒轉(zhuǎn)速

設(shè)置第I脫粒滾筒的脫粒間隙為40mm，滾筒轉(zhuǎn)速為550r/min；第II脫粒滾筒的脫粒間隙為23 mm，滾筒轉(zhuǎn)速為759 r/min；第III脫粒滾筒的脫粒間隙為30mm，滾筒轉(zhuǎn)速分別為650、700、750、800、850、900r/min。在切橫橫脫粒分離裝置上開展喂入量為6kg/s的水稻脫粒分離性能試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

將表4的結(jié)果繪制籽?？倱p失率歸一化值、功耗歸一化值及綜合歸一化值與第III脫粒滾筒脫粒間隙之間的關(guān)系曲線，將計(jì)算得到的參數(shù)對(duì)第III滾筒脫粒轉(zhuǎn)速進(jìn)行參數(shù)擬合和回歸方程顯著檢驗(yàn)，并通過第III滾筒脫粒歸一化值的點(diǎn)預(yù)測(cè)得知：歸一化曲線擬合方程的頂點(diǎn)值為(866, 0.5494)，即第III滾筒脫粒最佳脫粒轉(zhuǎn)速為866mm，則切橫橫脫粒分離裝置滾筒轉(zhuǎn)速的0.95置信度預(yù)測(cè)區(qū)間為 772～ 961 r/min。

表4 第III脫粒滾筒間隙對(duì)脫粒分離性能影響

Table 4 Performance of transverse multi-cylinder device for concave clearance of III threshing cylinder

滾筒轉(zhuǎn)速/r·min-1籽?？倱p失總損失S/%歸一化值S～脫粒分離功耗功耗值P/kW歸一化值p～綜合歸一化值y6501．03136．14017000．710．37337．550．2660．6397500．580．11837．820．3170．4358000．52038．460．4380．4388500．600．15739．080．5550．7129000．630．21641．4411．216

4.2 滾筒脫粒間隙

設(shè)置第III脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為866r/min，脫粒間隙分別為10、15、20、25、30、35 mm，在切橫橫脫粒分離裝置上開展喂入量為6kg/s的水稻脫粒分離性能試驗(yàn)時(shí)，結(jié)果如表5所示。

表5 第III脫粒滾筒間隙對(duì)脫粒分離性能影響

Table 5 Performance of transverse multi-cylinder device for concave clearance of III threshing cylinder

滾筒轉(zhuǎn)速/r·min-1籽?？倱p失S/%歸一化值S～脫粒分離功耗總損失功耗值P/kW歸一化值p～綜合歸一化值y100．92140．1212150．670．49039．230．8181．308200．510．16338．210．6090．772250．43037．560．4750．475300．550．24536．280．2130．458350．730．61235．2400．612

將表5的結(jié)果繪制籽?？倱p失率歸一化值、功耗歸一化值以及綜合歸一化值與第III脫粒滾筒脫粒間隙之間的關(guān)系曲線，將計(jì)算得到的參數(shù)對(duì)第III滾筒脫粒間隙進(jìn)行參數(shù)擬合和回歸方程顯著檢驗(yàn)，并通過第III滾筒脫粒歸一化值的點(diǎn)預(yù)測(cè)得知：歸一化曲線擬合方程的頂點(diǎn)值為(28.71,0.581)，即第III滾筒脫粒最佳脫粒間隙為29 mm，則切橫橫脫粒分離裝置脫粒間隙的0.95置信度預(yù)測(cè)區(qū)間為13～ 35mm。

4.3 置信參數(shù)的脫粒分離性能試驗(yàn)

設(shè)置第I脫粒滾筒的脫粒間隙和滾筒轉(zhuǎn)速分別為40 mm和550 r/min，第II脫粒滾筒的滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙分別為759r/min和23mm，第III脫粒滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙分別為866r/min和29 mm，開展喂入量為6kg/s的水稻脫粒分離性能試驗(yàn)，得切橫橫脫粒分離裝置的籽粒損失率為0.483%，功耗為39.624kW。依據(jù)表6結(jié)果，利用式(1)可計(jì)算得到切橫橫脫粒分離裝置的最小籽粒損失率為0.537 %，依據(jù)式(2)可計(jì)算得到切橫橫多滾筒脫粒分離裝置的最小功耗為36.042kW。

依據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)在切橫橫脫粒分離裝置上進(jìn)行6kg/s水稻脫粒分離性能試驗(yàn)時(shí)，實(shí)測(cè)的籽?？倱p失率為0.483%，比理論值0.537%高，計(jì)算理論值高于實(shí)測(cè)值的原因在于試驗(yàn)中漏撿籽粒的操作誤差；實(shí)測(cè)切橫橫多滾筒脫粒分離裝置的功耗為39.624kW，比理論值36.042kW高3.872kW，實(shí)測(cè)值高于計(jì)算理論值的原因在于試驗(yàn)中谷物莖稈含水率的波動(dòng)和輸送帶上鋪放并非絕對(duì)均勻。

5 結(jié)論

1)切橫橫脫粒分離裝置的第II和第III脫粒滾筒的最佳轉(zhuǎn)速分別為759r/min和866r/min，最佳脫粒間隙分別為23mm和29mm。依據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)在切橫橫脫粒分離裝置上進(jìn)行6kg/s水稻脫粒分離性能試驗(yàn)時(shí)，實(shí)測(cè)的籽?？倱p失率為0.483%，實(shí)測(cè)切橫橫多滾筒脫粒分離裝置的功耗為39.624kW，比理論值高3.872kW。

2)為實(shí)現(xiàn)切橫橫脫粒分離裝置在喂入量為6kg/s時(shí)的最佳脫粒分離效果，則第II和第III脫粒滾筒具有0.95置信度的滾筒轉(zhuǎn)速置信區(qū)間分別為669～849 r/min和772～961r/min，具有0.95置信度的脫粒間隙置信區(qū)間分別為21～33mm和13～35mm。

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Test and Analysis of Best Parameter of Transverse Multi-cylinder Device

Tang Zhong, He Junzeng, Zhou Yuepeng, Liu Jiangbo

(School of Agricultural Equipment and Engineering, Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China )

Optimum operating parameters of transverse multi-cylinder device were vulnerable for the cereal growth characteristics and were also difficult to control at the optimum value. The test of rice threshing and separating was operated on the transverse multi-cylinder device. Power and grain threshing loss of the transverse multi-cylinder device were operated as normalization. Regression analysis and regression test of significant effect of threshing and separating performance parameters to predict optimal parameters and their confidence intervals. The results show that the confidence Intervals of cylinder speed and concave clearance with 0.95 confidence were 669～ 849r/min, 772～ 961r/min, 21～33 mm, 13～ 35mm, respectively. At optimum operating parameters conditions, the grain loss were 0.48 % and threshing and separating power was 40.62 kW, respectively.

combine harvester; transverse multi-cylinder device; parameter prediction; rice threshing and separating; confidence interval

2016-03-28

江蘇省博士后科研計(jì)劃項(xiàng)目(1501111B)；江蘇大學(xué)高級(jí)人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(14JDG029)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(蘇政辦發(fā)[2014]37號(hào))

唐 忠(1982-)，男，四川內(nèi)江人，助理研究員，博士， (E-mail)twz2006@sohu.com。

S225.3；S220.3

A

1003-188X(2017)02-0153-05