割前摘脫收獲機(jī)立式離心分離復(fù)脫清選裝置優(yōu)化

孫 偉 那明君 馮 江 蔣亦元

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

割前摘脫是把生長(zhǎng)在田間禾稈上的谷物籽粒直接摘脫下來(lái)，輸送到復(fù)脫分離、清選裝置進(jìn)行后續(xù)作業(yè)[1-4]。割前摘脫收獲工藝只針對(duì)作物的穗部進(jìn)行摘脫，其脫出物組成成分中草谷比大大降低[5-6]，與傳統(tǒng)的全喂入或半喂入式聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)入脫粒裝置的喂入物的組成有很大的差異[7]。因此開(kāi)展割前摘脫收獲工藝中的復(fù)脫、分離、清選裝置等相關(guān)的理論與試驗(yàn)研究是非常必要的[8-11]。

劉大為等[12]探尋了旋風(fēng)清選分離筒中氣流和籽粒兩相流動(dòng)規(guī)律，以低損試驗(yàn)條件下谷粒清潔率為目標(biāo)，進(jìn)行了臺(tái)架優(yōu)化試驗(yàn)。劉正懷等[13]設(shè)計(jì)了一種氣流式清選裝置，并對(duì)其清選筒、吸風(fēng)管、吸風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和試驗(yàn)，降低了總損失率、破碎率和含雜率。唐忠等[14-15]針對(duì)影響聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離性能的參數(shù)進(jìn)行了回歸分析。李耀明等[7, 16-18]對(duì)脫出物復(fù)脫分離清選裝置進(jìn)行了深入的理論分析和試驗(yàn)研究，為相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供了依據(jù)。PANASIEWICZ等[19]對(duì)谷物的清選分離過(guò)程進(jìn)行了技術(shù)分析，并給出了氣流清選過(guò)程中提高分離率和降低損失的建議。MONDOL等[20-21]對(duì)一種立式篩分裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了轉(zhuǎn)速和喂入量的最佳匹配關(guān)系。衣淑娟等[22-24]對(duì)軸流脫粒分離裝置的脫粒過(guò)程和脫出物性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和高速攝像分析。

以上關(guān)于傳統(tǒng)脫出物處理裝置的相關(guān)研究已經(jīng)較多，有的已經(jīng)達(dá)到較高水平，但尚缺少針對(duì)割前摘脫脫出物的高效處理裝置。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)蔣亦元團(tuán)隊(duì)針對(duì)割前摘脫脫出物的特點(diǎn)和收獲機(jī)結(jié)構(gòu)配置，設(shè)計(jì)了一種離心分離、復(fù)脫、清選復(fù)合裝置，安裝于4ZTL-2000型割前摘脫聯(lián)合收獲機(jī)上[2,25-27]。田間初步試驗(yàn)表明，該處理裝置處理效率較高，處理后的谷粒清潔率符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但在喂入量與輸送器轉(zhuǎn)速匹配不佳時(shí)，會(huì)出現(xiàn)工作性能下降的現(xiàn)象。本研究借助響應(yīng)曲面分析法，分析工作參數(shù)和性能指標(biāo)之間的關(guān)系，以期優(yōu)化其工作參數(shù)，并為割前摘脫脫出物分離復(fù)脫清選裝置在田間作業(yè)時(shí)的參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)。

1 離心分離復(fù)脫清選裝置原理

1.1 工作原理

圖1所示為4ZTL-2000型割前摘脫稻(麥)聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，所設(shè)計(jì)的離心分離復(fù)脫清選裝置如圖中點(diǎn)劃線所示范圍。由于該聯(lián)合收獲機(jī)采用了氣流吸運(yùn)[27]，機(jī)構(gòu)較龐大；同時(shí)采用了板齒滾筒摘穗裝置[28]，分離、清選的處理量也較大。在圖1所示的離心分離復(fù)脫清選裝置中，內(nèi)部裝有一個(gè)立式螺旋輸送器，其外套為一個(gè)圓筒篩，圓筒篩下段無(wú)篩孔，上段有篩孔。在有篩孔段的外面套有一個(gè)中間筒，從而形成一個(gè)環(huán)形沉降室，在無(wú)篩孔段的頂部裝有一個(gè)三角帶輪，輪緣裝有螺旋槳式葉片。在環(huán)形沉降室的外圍還設(shè)有另一外筒，與環(huán)形沉降室的外殼構(gòu)成環(huán)形氣流清選室。清選室的上端與具有負(fù)壓的氣流吸運(yùn)管道相通，底部設(shè)置有進(jìn)氣孔，外筒的下端連接一個(gè)截頂圓錐面，在截頂圓錐面的下方圍繞著無(wú)篩孔的圓筒設(shè)置一個(gè)傾斜的溜槽，排糧葉片刮下經(jīng)過(guò)分離和清選的谷粒，在集糧口收集。未能篩出的谷粒與未脫凈的斷穗在排草輪的帶動(dòng)下，通過(guò)排草口進(jìn)入聯(lián)合收獲機(jī)后部的沉降分離箱進(jìn)行再次分離復(fù)脫和清選。

圖1 安裝有離心分離復(fù)脫清選裝置的4ZTL-2000型割前摘脫稻(麥)聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 4ZTL-2000 TPC stripper combine harvester of rice/wheat mounted with centrifugal separating-rethreshing-cleaning apparatus1.筒篩下段 2.集糧口 3.排糧葉片 4.三角帶輪 5.進(jìn)氣孔 6.螺旋葉片 7.外筒 8.中間筒 9.筒篩上段 10.輸送器 11.排草口 12.排草輪 13.吸運(yùn)管道 14.沉降室 15.氣流清選室 16.喂入葉片

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

田間初步試驗(yàn)結(jié)果表明，離心分離復(fù)脫清選裝置分離出來(lái)的谷粒清潔度高，破碎率低，暫時(shí)分離不出的谷粒和未脫凈的斷穗可以通過(guò)循環(huán)再次分離與復(fù)脫，這種再循環(huán)流程不會(huì)使排草口排出的短莖稈和斷穗等夾雜的谷粒排出機(jī)外，也就不會(huì)造成因裹夾的谷粒從篩尾排出所引起的損失，并省去了雜余輸送器。

同時(shí)該裝置由下端喂入，方式簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，整體質(zhì)量輕，體積小，適合在聯(lián)合收獲機(jī)上安裝，所需的動(dòng)力易于獲得和控制，且對(duì)地面坡角不敏感。由于筒篩下半段為無(wú)孔圓筒，該段就自然成為立置螺旋升運(yùn)筒，升運(yùn)高度又不受限制，因而清選后的谷粒可不經(jīng)升運(yùn)直接進(jìn)入糧袋或糧箱，從而形成了分離、復(fù)脫、清選復(fù)合處理裝置。離心分離復(fù)脫清選裝置的工作流程如圖2所示。

圖2 離心分離復(fù)脫清選裝置工作流程圖Fig.2 Working flow chart of centrifugal separating-rethreshing-cleaning apparatus for threshed material

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由輸送、處理和控制等部分組成，如圖3所示。試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic drawing of experimental system1.被動(dòng)帶輪 2.傳送帶 3.輸送裝置機(jī)架 4.物料 5.電動(dòng)機(jī)Ⅰ 6.蝸輪蝸桿減速器 7.主動(dòng)帶輪 8.料斗 9.喂入葉片 10.莖雜收集袋 11.排草口 12.排草葉片 13.處理裝置機(jī)架 14.外筒 15.谷物隔板 16.排糧口擋板 17.谷物收集室 18.筒篩上部 19.排糧口 20.筒篩下部 21.立式輸送器 22.電動(dòng)機(jī)Ⅱ 23.電動(dòng)機(jī)Ⅲ 24.控制柜

2.1 輸送部分

輸送部分主要由輸送裝置機(jī)架、主動(dòng)帶輪、被動(dòng)帶輪、傳送帶、電動(dòng)機(jī)Ⅰ、蝸輪蝸桿減速器組成。

試驗(yàn)時(shí)，將割前摘脫脫出物物料(谷粒、少量漏脫的斷穗和短秸稈的混合物)均勻鋪放于傳送帶上，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)Ⅰ，輸出動(dòng)力經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿減速器減速，帶動(dòng)主動(dòng)帶輪旋轉(zhuǎn)，傳送帶將物料喂入到處理部分。

表1 試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of experimental system

2.2 處理部分

處理部分主要由處理裝置機(jī)架、料斗、喂入葉片、立式輸送器、下端殼、筒篩、外筒、谷物隔板以及電動(dòng)機(jī)Ⅱ和電動(dòng)機(jī)Ⅲ組成。

喂入葉片由電動(dòng)機(jī)Ⅲ帶動(dòng)。立式輸送器螺旋方向?yàn)橛倚?，與筒篩內(nèi)壁的間隙為7 mm。筒篩上部為沖孔篩，篩孔為長(zhǎng)孔，篩孔的長(zhǎng)軸方向與水平方向的夾角為40°，篩孔傾斜方向和輸送器旋轉(zhuǎn)方向一致，尺寸為7 mm×23 mm，筒篩壁厚1.5 mm，筒篩的活篩面積大于40%。外筒用于防止谷物在分離的過(guò)程中崩落。谷物隔板把谷物收集室分為5段，以防止谷物在底部集中堆積。

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由傳送帶將物料喂入料斗。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)Ⅲ，帶動(dòng)喂入葉片旋轉(zhuǎn)，將物料喂入無(wú)篩孔的筒篩下部。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)Ⅱ，立式輸送器旋轉(zhuǎn)，物料在立式輸送器的推運(yùn)力下實(shí)現(xiàn)升運(yùn)。在升運(yùn)過(guò)程中，物料中含有的斷穗實(shí)現(xiàn)復(fù)脫，物料升運(yùn)至筒篩上部后，在離心力作用下，比重較大的谷粒夾雜部分輕雜穿透篩孔，進(jìn)入由筒篩上部和在其外圍設(shè)置的外筒所構(gòu)成的谷物收集室。不同長(zhǎng)度部分篩出的谷物降落到不同的谷物隔板上。一次試驗(yàn)完畢后，打開(kāi)不同位置的排糧口擋板，將谷物從谷物收集室排糧口取出，并將其分別裝入編好號(hào)碼的不同口袋中，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。未被篩出的少量未脫凈斷穗、短秸稈和谷粒被立式輸送器推到頂部，由排草葉片排出排草口，進(jìn)入莖雜收集袋，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.3 控制部分

控制柜是本試驗(yàn)裝置的電器控制系統(tǒng)，包含控制電動(dòng)機(jī)Ⅰ的空氣開(kāi)關(guān)，以及控制電動(dòng)機(jī)Ⅱ和電動(dòng)機(jī)Ⅲ轉(zhuǎn)速的兩個(gè)F1000-G系列變頻器。為防止啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)傳送帶打滑現(xiàn)象的出現(xiàn)，對(duì)傳送裝置中的主動(dòng)帶輪及被動(dòng)帶輪加裝了防滑層?？紤]傳動(dòng)過(guò)程中的各種影響因素，對(duì)傳送帶的傳送速度進(jìn)行標(biāo)定。為了獲得變頻器頻率與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，試驗(yàn)前先對(duì)電動(dòng)機(jī)Ⅱ和電動(dòng)機(jī)Ⅲ進(jìn)行標(biāo)定。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)因素編碼

試驗(yàn)影響因素分別為輸送器轉(zhuǎn)速n和喂入量q，對(duì)應(yīng)的因素編碼值以x1和x2表示。各因素的變化范圍根據(jù)理論分析和前期預(yù)備性試驗(yàn)確定。根據(jù)二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的試驗(yàn)要求[29-30]，確定因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of factors

3.2 試驗(yàn)步驟

采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。參考GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合割前摘脫收獲工藝的特點(diǎn)，參照試驗(yàn)方案表進(jìn)行試驗(yàn)，主要試驗(yàn)步驟如下：

圖4 主要試驗(yàn)過(guò)程Fig.4 Main experimental process

(1)根據(jù)每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)所需要的喂入量和喂入時(shí)間確定物料質(zhì)量。并根據(jù)所需要的輸送器轉(zhuǎn)速及標(biāo)定結(jié)果計(jì)算變頻器讀數(shù)。

(2)試驗(yàn)所用物料由4ZTL-2000型割前摘脫聯(lián)合收獲機(jī)在田間試驗(yàn)過(guò)程中從脫出物喂入端采集獲得，物料組成質(zhì)量比為：谷?！瞄L(zhǎng)草∶輕雜約為9∶0.6∶0.4，其余性狀如表3所示。每次試驗(yàn)加入預(yù)先染成紅色并且已稱量的5個(gè)稻穗，用于檢驗(yàn)復(fù)脫率。

表3 脫出物物料性狀Tab.3 Physical properties of experimental materials

(3)物料喂入時(shí)間為5 s，以預(yù)定長(zhǎng)度將物料均勻鋪放在喂入傳送帶上，傳送帶前方預(yù)留0.5 m的緩沖區(qū)，用以緩沖傳送帶加速過(guò)程。

(4)首先啟動(dòng)喂入葉片和輸送器電動(dòng)機(jī)，根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃調(diào)節(jié)變頻器讀數(shù)。待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，啟動(dòng)傳送帶，脫出物物料被喂入處理裝置。第k個(gè)排糧口(k=1，2，…，5)的排出物及其對(duì)應(yīng)的“排糧口卡片”分別用口袋k包裝并標(biāo)記。

(5)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出試驗(yàn)指標(biāo)，并對(duì)所獲得的結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析和優(yōu)化。

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)包括分離率y1、復(fù)脫率y2和破碎率y3，其計(jì)算式分別為

(1)

(2)

(3)

式中msk——從第k個(gè)排糧口排出的全部谷粒質(zhì)量，g

m′s——排草口所排出的全部谷粒質(zhì)量，g

mrl——第l個(gè)染紅稻穗的質(zhì)量，g

m′r——從排草口所排出的所有未被復(fù)脫的染紅斷穗的總質(zhì)量，g

md——從排糧口所收集的谷粒中隨機(jī)稱取的樣品質(zhì)量，g

m′d——樣品中所挑出的破碎的或有損傷的谷粒質(zhì)量，g

y03——試驗(yàn)前物料的自然破碎率，%

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

表4為試驗(yàn)安排及結(jié)果。根據(jù)所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)式(1)～(3)分別計(jì)算得到分離率y1、復(fù)脫率y2和破碎率y3。應(yīng)用Design-Expert軟件進(jìn)行分析，得出試驗(yàn)指標(biāo)隨各因素變化關(guān)系的二次回歸方程模型[31-32]。

表4 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.4 Scheme and result of quadratic rotation-orthogonal combination design

3.4.1分離率回歸分析

分離率y1隨各因素變化關(guān)系的二次回歸方程模型為

(4)

轉(zhuǎn)化得到以試驗(yàn)因素實(shí)際量表示的回歸方程

y1=132.5-14.3q-9.4×10-2n-1.8×10-2qn+3.1q2+1.1×10-4n2

(5)

剔除模型的不顯著項(xiàng)，可得分離率y1隨各因素變化關(guān)系的二次回歸方程模型

(6)

轉(zhuǎn)化得到以試驗(yàn)因素實(shí)際量表示的回歸方程

y1=132.5-14.3q-9.4×10-2n+1.1×10-4n2

(7)

3.4.2復(fù)脫率回歸分析

復(fù)脫率y2隨各因素變化關(guān)系的二次回歸方程模型為

(8)

轉(zhuǎn)化得到以試驗(yàn)因素實(shí)際量表示的回歸方程

y2=48.3-30.1q+0.1n+9.6×10-4qn+6.0q2-6.4×10-5n2

(9)

剔除模型的不顯著項(xiàng)，可得復(fù)脫率y2隨各因素變化關(guān)系的二次回歸方程模型

y2=53.0-4.2x1+9.6x2

(10)

轉(zhuǎn)化得到以試驗(yàn)因素實(shí)際量表示的回歸方程

y2=48.3-30.1q+0.1n

(11)

3.4.3破碎率回歸分析

破碎率y3隨各因素變化關(guān)系的二次回歸方程模型為

(12)

轉(zhuǎn)化得到以試驗(yàn)因素實(shí)際量表示的回歸方程

y3=-4.146+4.080q+0.010n+0.001qn-1.338q2-1.342×10-5n2

(13)

剔除模型的不顯著項(xiàng)，可得破碎率y3隨各因素變化關(guān)系的二次回歸方程模型

(14)

轉(zhuǎn)化得到以試驗(yàn)因素實(shí)際量表示的回歸方程

y3=-4.146+0.010n-1.338q2-1.342×10-5n2

(15)

4 結(jié)果分析與參數(shù)優(yōu)化

4.1 各因素重要性分析

為了判斷各因素對(duì)響應(yīng)函數(shù)作用的程度，對(duì)于二次回歸方程，通過(guò)方差分析得到各回歸系數(shù)的F值，定義貢獻(xiàn)率

(16)

可求出方程各因素對(duì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，對(duì)于第j個(gè)因素，其貢獻(xiàn)率為[30]

(17)

式中δj——第j個(gè)因素一次項(xiàng)的貢獻(xiàn)率

δjj——第j個(gè)因素二次項(xiàng)的貢獻(xiàn)率

δij——第j個(gè)因素與其他因素交互作用的貢獻(xiàn)率

依據(jù)式(16)和式(17)，分別計(jì)算喂入量和輸送器轉(zhuǎn)速對(duì)分離率、復(fù)脫率以及破碎率的貢獻(xiàn)率。比較每個(gè)因素的貢獻(xiàn)率Δj，從而判斷各因素對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)的影響。

求得各因素對(duì)分離率y1的貢獻(xiàn)率分別為Δ1=0.10，Δ2=1.89。因此，兩個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的作用影響程度是x2大于x1，即輸送器轉(zhuǎn)速對(duì)分離率的影響最大，喂入量次之。

求得各因素對(duì)復(fù)脫率y2的貢獻(xiàn)率分別為Δ1=0.92，Δ2=1.08。因此，兩個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的作用影響程度是x2大于x1，即輸送器轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)脫率的影響略大于喂入量。

求得各因素對(duì)破碎率y3的貢獻(xiàn)率分別為Δ1=0.33，Δ2=2.21。因此，兩個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的作用影響程度是x2大于x1，即輸送器轉(zhuǎn)速對(duì)破碎率的影響較大，喂入量則較小。

4.2 響應(yīng)面分析

4.2.1分離率響應(yīng)面分析

根據(jù)所得回歸方程，繪制出喂入量和輸送器轉(zhuǎn)速對(duì)分離率影響的響應(yīng)曲面圖和等高線圖，如圖5a所示。

由圖5a可見(jiàn)，喂入量和輸送器轉(zhuǎn)速對(duì)分離率的交互影響作用顯著。響應(yīng)變量的最大值在喂入量q=1.23 kg/s、輸送器轉(zhuǎn)速n=258.58 r/min時(shí)取得，而回歸方程在圖示定義區(qū)間內(nèi)并未取得極大值點(diǎn)。響應(yīng)變量的最小值在喂入量q=2.07 kg/s、輸送器轉(zhuǎn)速n=541.42 r/min時(shí)取得。這可能是因?yàn)?，隨著輸送器轉(zhuǎn)速的減小，物料在輸送器內(nèi)的升運(yùn)能力下降，物料存積在筒篩底部的分離時(shí)間增長(zhǎng)。隨著喂入量的增大，分離率整體不斷下降。當(dāng)喂入量取值較小時(shí)，輸送器轉(zhuǎn)速可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整，對(duì)分離率的影響范圍較小。這可能是因?yàn)?，?dāng)喂入量較小時(shí)，增大輸送器轉(zhuǎn)速雖然增大了物料的升運(yùn)速度，但喂入量尚不能滿足輸送器的升運(yùn)需求，單位質(zhì)量的物料接觸單位篩面的幾率仍然很大，因此不會(huì)導(dǎo)致分離率較大程度的降低。當(dāng)喂入量取值較大時(shí)，輸送器轉(zhuǎn)速的變化對(duì)分離率的影響較大。這可能是因?yàn)?，?dāng)喂入量較大時(shí)，物料接觸單位篩面的幾率變小，但輸送器轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了物料的升運(yùn)速度，因此當(dāng)輸送器轉(zhuǎn)速較小時(shí)，物料在筒篩底部分離時(shí)間變長(zhǎng)，分離率較大。當(dāng)輸送器轉(zhuǎn)速較大時(shí)，物料接觸單位篩面的幾率急劇變小，導(dǎo)致分離率迅速降低。

4.2.2復(fù)脫率響應(yīng)面分析

根據(jù)所得回歸方程，繪制出喂入量和輸送器轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)脫率影響的響應(yīng)曲面圖和等高線圖，如圖5b所示。

由圖5b可見(jiàn)，喂入量和輸送器轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)脫率的交互影響作用較大。響應(yīng)變量的最大值在喂入量q=1.23 kg/s、輸送器轉(zhuǎn)速n=541.42 r/min時(shí)取得，而回歸方程在圖示定義區(qū)間內(nèi)并未取得極大值點(diǎn)。響應(yīng)變量的最小值在喂入量q=2.07 kg/s、輸送器轉(zhuǎn)速n=258.58 r/min時(shí)取得，而回歸方程在圖示定義區(qū)間內(nèi)并未取得極小值點(diǎn)。這可能是因?yàn)椋?dāng)輸送器轉(zhuǎn)速較大時(shí)，斷穗在輸送器內(nèi)所受到的復(fù)脫作用力較大，復(fù)脫的概率增加，特別是當(dāng)喂入量較小時(shí)，每個(gè)稻穗接觸輸送器和筒篩的幾率增大，因此復(fù)脫的幾率增大。隨著輸送器轉(zhuǎn)速的減小，斷穗在輸送器內(nèi)所受到的復(fù)脫作用力比較緩和，增大喂入量使得每個(gè)稻穗在輸送器和筒篩的作用力下被復(fù)脫的幾率進(jìn)一步降低。隨著喂入量的增大，復(fù)脫率整體不斷下降。這可能是因?yàn)椋谷肓康脑龃笠鸬舅朐谖锪现兴嫉谋戎刈冃?，接觸輸送器和筒篩的幾率降低。當(dāng)喂入量不變時(shí)，改變輸送器轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)脫率的影響較大。此時(shí)隨著輸送器轉(zhuǎn)速的不斷變大，復(fù)脫率顯著增大。這可能是因?yàn)?，?dāng)喂入量固定時(shí)，增大輸送器轉(zhuǎn)速的同時(shí)就增大了輸送器和筒篩對(duì)斷穗的作用力，從而提高了復(fù)脫能力。

4.2.3破碎率響應(yīng)面分析

根據(jù)所得回歸方程，繪制出喂入量和輸送器轉(zhuǎn)速對(duì)破碎率影響的響應(yīng)曲面圖和等高線圖，如圖5c所示。

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷捻憫?yīng)曲面圖和等高線圖Fig.5 Response surface and contour maps of experiment

由圖5c可見(jiàn)，喂入量和輸送器轉(zhuǎn)速對(duì)破碎率的交互影響作用較大。響應(yīng)變量的最大值出現(xiàn)在喂入量和輸送器轉(zhuǎn)速的中心點(diǎn)附近，回歸方程亦在圖示定義區(qū)間內(nèi)取得極大值。在二維變量定義區(qū)間內(nèi)的4個(gè)端點(diǎn)處破碎率較小，響應(yīng)變量的最小值在該4個(gè)端點(diǎn)之一處取得。這可能是因?yàn)?，隨著輸送器轉(zhuǎn)速的減小，物料在輸送器內(nèi)的升運(yùn)能力下降，雖然物料存積在筒篩底部的分離時(shí)間增長(zhǎng)，但此時(shí)輸送器和筒篩下部無(wú)篩孔部分對(duì)谷粒的作用力較為緩和。喂入量越小，物料越稀薄，引起谷粒破碎的程度也就很小。而當(dāng)喂入量很大時(shí)，筒篩內(nèi)物料分布密度較大，谷粒破碎的程度同樣很小。破碎率最大值出現(xiàn)在喂入量和輸送器轉(zhuǎn)速中心點(diǎn)附近的原因可能是，當(dāng)喂入量處于零水平附近并且輸送器轉(zhuǎn)速不太大時(shí)，輸送器的升運(yùn)能力較大，但同時(shí)物料在筒篩內(nèi)的分布密度居中，2個(gè)因素的相互作用下恰能使谷粒在筒篩內(nèi)的破碎程度達(dá)到受力時(shí)間和受力大小的最大組合。

4.3 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述結(jié)論，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，應(yīng)用Design-Expert軟件進(jìn)行優(yōu)化求解。分別以分離率、復(fù)脫率、破碎率的回歸方程作為響應(yīng)變量函數(shù)并限定其取值范圍，確定因子變量及相應(yīng)的約束條件，進(jìn)行模型優(yōu)化，尋找到滿足響應(yīng)變量范圍的因子最佳組合。

4.3.1因素變量

研究的因素變量分別為喂入量x1和輸送器轉(zhuǎn)速x2，即設(shè)計(jì)因素變量為x=(x1,x2)。

4.3.2響應(yīng)變量函數(shù)

研究的響應(yīng)變量為分離率、復(fù)脫率和破碎率，即y=f(x)=(f1(x),f2(x),f3(x))。

根據(jù)響應(yīng)面分析所得結(jié)論，及對(duì)響應(yīng)變量和因素變量的要求，有

(18)

4.3.3結(jié)果與驗(yàn)證

應(yīng)用Design-Expert軟件進(jìn)行優(yōu)化求解，得到滿足響應(yīng)變量范圍的因素優(yōu)化參數(shù)組合方案為x*=(-1,1)，此時(shí)響應(yīng)變量的期望值為y*=f(x*)=(90.4%,66.1%,0.77%)。根據(jù)上述分析所得最佳參數(shù)組合方案進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)。在最佳參數(shù)組合方案條件下獲得的響應(yīng)值為(89.4%,65.2%,0.83%)。驗(yàn)證結(jié)果顯示，得到的響應(yīng)值接近理論值，表明回歸方程與實(shí)際情況符合較好，模型可靠。

4.3.4應(yīng)用建議

上述結(jié)果是針對(duì)裝置的最佳工作參數(shù)所做的優(yōu)化，用于田間以定速作業(yè)或作為單獨(dú)的處理部件時(shí)參考選用。若需確定田間不同作業(yè)速度時(shí)的最優(yōu)工作參數(shù)，可將喂入量固定在不同水平，進(jìn)行降維分析，以確定不同喂入量與輸送器轉(zhuǎn)速之間的匹配關(guān)系。

由于暫時(shí)分離不出的谷粒和未脫凈的斷穗可以通過(guò)循環(huán)喂入進(jìn)行再次分離與復(fù)脫，故分離率和復(fù)脫率將會(huì)在循環(huán)處理中得以不斷提升。關(guān)于多次循環(huán)處理過(guò)程對(duì)物料破碎率的影響程度，以及谷物的流動(dòng)模型，尚需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)割前摘脫脫出物草谷比低和處理量大的特點(diǎn)，提出一種集分離復(fù)脫清選為一體的立式脫出物處理裝置。該裝置喂入方式簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，整體質(zhì)量輕，適合在割前摘脫聯(lián)合收獲機(jī)上安裝，并可作為單獨(dú)的脫出物處理部件進(jìn)行推廣。

(2)通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，以輸送器轉(zhuǎn)速和喂入量為影響因素，以分離率、復(fù)脫率、破碎率為試驗(yàn)指標(biāo)，分析了各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)值的影響規(guī)律，結(jié)果顯示，輸送器轉(zhuǎn)速對(duì)分離率、復(fù)脫率和破碎率的影響貢獻(xiàn)率均大于喂入量。

(3)根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化，得到最佳工作參數(shù)：輸送器轉(zhuǎn)速為541.4 r/min、喂入量為1.226 kg/s；在該參數(shù)組合下的期望結(jié)果：分離率為90.4%、復(fù)脫率為66.1%、破碎率為0.77%；在該參數(shù)組合下的驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果：分離率為89.4%、復(fù)脫率為65.2%、破碎率為0.83%。