柔性差速帶式單株大豆脫粒裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳海濤 滕宇嬌 王業(yè)成 史乃煜 王 星

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

單株大豆種子脫粒是大豆育種的重要環(huán)節(jié)，不同于商品大豆脫粒，其育種小區(qū)面積小，種植試驗(yàn)大豆品種珍貴繁多、樣本量小，脫粒時(shí)既要求提高脫粒效率，又要保證各品種之間無混雜。目前科研脫粒工作中，單株脫粒以人工脫粒和普通脫粒機(jī)脫粒方式為主，人工脫粒收獲周期長、浪費(fèi)勞動(dòng)力；普通脫粒機(jī)籽粒的破碎率高、機(jī)器內(nèi)部無法快速清理、易造成不同品種籽?；祀s[1-2]。機(jī)械脫粒是提高工作效率的重要手段與必然趨勢，可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、降低人工成本、提高工作效率[3-4]，但也是造成育種大豆機(jī)械損傷的重要因素，影響種子的發(fā)芽、出苗，對大豆的育種工作帶來潛在危害，對精量播種技術(shù)影響更加顯著[5-6]。

隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系的發(fā)展，用于科研工作的專用大豆脫粒設(shè)備已有相關(guān)研究。侯守印等[7-8]研究的立式軸流大豆種子專用脫粒機(jī)，通過開閉透明的組合外罩，對機(jī)體內(nèi)的殘留物進(jìn)行快速清理，但釘齒對大豆籽粒的打擊，易對籽粒造成破碎和機(jī)械損傷；高連興等[9]設(shè)計(jì)喂入輥軸流滾筒組合式大豆種子脫粒機(jī)，滾筒上排布釘齒、弓齒和板齒3種脫粒元件，機(jī)體內(nèi)部復(fù)雜，不能快速清理，易造成種子混雜；范傳輝等[10]設(shè)計(jì)的新型小區(qū)脫粒機(jī)，將板式滾筒的橫截面改為三角樣式的支撐，克服易堵塞、脫不凈的脫粒問題，但三角區(qū)域空白大，剛性脫粒材料使籽粒破碎率升高，造成籽粒的機(jī)械損傷；郝玉偉等[11]設(shè)計(jì)室內(nèi)大豆單株脫粒機(jī)，采用復(fù)式滾筒結(jié)構(gòu)，先由圓紋桿進(jìn)行捶打碾壓，后由弓齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行梳刷脫粒，脫粒過程長，籽粒破碎率高，且不能對機(jī)體內(nèi)部及時(shí)清理，易混種。目前的脫粒裝置多數(shù)為滾筒式，通過紋桿、釘齒等脫粒元件的打擊、梳刷、碾壓等機(jī)械作用進(jìn)行脫粒，具有脫?？煽?、脫凈率高等特點(diǎn)，但由于滾筒與脫粒元件為剛性材料，對大豆種子產(chǎn)生籽粒破碎和機(jī)械損傷，影響育種工作[12-13]。綜上所述，目前研制的專用脫粒機(jī)普遍存在易混雜、籽粒破碎率高、機(jī)械損傷等問題。

針對以上問題，本文研究一種柔性差速帶式單株大豆脫粒裝置，改變傳統(tǒng)的脫粒滾筒與凹板配合的脫粒方式，通過同向差速的脫粒帶，利用搓擦脫粒原理脫粒，避免大豆育種單株脫粒過程中籽?；祀s、破碎率高和機(jī)械損傷等問題，探尋該單株脫粒裝置的結(jié)構(gòu)與作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化組合，為柔性差速帶式單株大豆脫粒整機(jī)的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

柔性差速帶式單株大豆脫粒試驗(yàn)裝置如圖1所示。主要由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、脫粒裝置和脫粒帶張緊機(jī)構(gòu)組成。傳動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)帶組成。脫粒裝置由主動(dòng)滾筒、從動(dòng)滾筒、上脫粒帶、下脫粒帶等組成。上、下脫粒帶均為通用橡膠材料，脫粒帶張緊機(jī)構(gòu)由脫粒帶托輥、側(cè)板和彈簧組成，彈簧兩端拉鉤與側(cè)板和托輥連接，提供脫粒帶的張緊力，張緊力的大小改變差速脫粒帶對大豆植株作用的剪切力[14]。

圖1 柔性差速帶式單株大豆脫粒試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of single-plant soybean threshing device with differential speed flexible belts1.調(diào)速電動(dòng)機(jī) 2.傳動(dòng)帶 3.喂入口 4.機(jī)架 5.主動(dòng)滾筒 6.下脫粒帶 7.脫粒帶張緊機(jī)構(gòu) 8.脫粒帶托輥 9.上脫粒帶 10.滾筒支架 11.從動(dòng)滾筒

1.2 工作原理

調(diào)速電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出軸經(jīng)傳動(dòng)帶與上下脫粒滾筒配合傳遞動(dòng)力。上、下脫粒帶分別由上下的主動(dòng)滾筒提供動(dòng)力，上、下脫粒帶的摩擦力帶動(dòng)從動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。

單株大豆由裝置上方的喂入口進(jìn)入，首先隨脫粒帶運(yùn)動(dòng)，之后同時(shí)受上、下脫粒帶的摩擦力作用而進(jìn)入脫粒區(qū)間。由于上下脫粒帶同向差速運(yùn)動(dòng)，單株大豆受到揉搓和擠壓作用，對大豆豆莢進(jìn)行脫粒。在脫粒區(qū)間內(nèi)，上下脫粒帶未對大豆植株的主莖稈造成破壞，完成脫粒后，主莖稈在下脫粒帶的運(yùn)移作用下，排出脫粒區(qū)間，整個(gè)脫粒過程的雜余只有穎殼，易于分離除雜[15]。在脫粒區(qū)間內(nèi)，下脫粒帶周期性運(yùn)動(dòng)，單株的大豆主莖稈、籽粒、穎殼一次性排出脫粒區(qū)間，避免了與其他種類大豆籽粒的混雜。

2 脫粒裝置關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 脫粒間隙分析

脫粒間隙指上、下脫粒帶間的垂直距離，是決定脫粒質(zhì)量關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。脫粒間隙過大導(dǎo)致柔性脫粒帶無法與豆莢接觸，造成未脫凈率增加，過小則會(huì)增大其對大豆籽粒擠壓力，易導(dǎo)致籽粒破損。

以大豆豆莢為例，對一粒莢的脫粒過程進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

圖2 脫粒區(qū)間豆莢受力分析Fig.2 Diagram of soybean pod stress analysis in threshing zone

由于大豆豆莢的支撐，上下脫粒帶會(huì)產(chǎn)生一定的變形，根據(jù)胡克定律計(jì)算脫粒帶產(chǎn)生的附加張力

(1)

式中F——脫粒帶附加張力，N

E——脫粒帶彈性模量，MPa

A——脫粒帶橫截面積，mm2

ΔL——脫粒帶附加伸長量，mm

L——脫粒帶最高點(diǎn)與未發(fā)生形變處水平距離，mm

其中影響脫粒帶附加張力的相關(guān)參數(shù)為

(2)

式中h——脫粒帶最高點(diǎn)與未發(fā)生形變處垂直距離，mm

α——脫粒帶變形與水平方向夾角，(°)

D——豆莢直徑，mm

e——脫粒間隙，mm

忽略豆莢重力，柔性脫粒帶對豆莢正壓力與摩擦力為

(3)

式中FN——脫粒帶對豆莢正壓力，N

Ff——脫粒帶對豆莢摩擦力，N

μ——脫粒帶與豆莢間摩擦因數(shù)

為保證脫粒質(zhì)量，脫粒帶與豆莢作用力滿足條件

(4)

式中FNmin——大豆籽粒破碎壓力，N

Fτmax——豆莢破壞剪切力，N

由式(1)～(4)可得到脫粒間隙應(yīng)滿足條件

(5)

2.2 上、下脫粒帶速度差分析

脫粒裝置采用脫粒帶同向差速脫粒方式，下脫粒帶速度高于上脫粒帶。大豆豆莢會(huì)在脫粒區(qū)間內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 豆莢速度分析Fig.3 Diagram of soybean pod velocity analysis

大豆豆莢繞著虛擬中心O做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，角速度為

(6)

式中v1——上脫粒帶速度，m/s

v2——下脫粒帶速度，m/s

ω——旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

R——虛擬中心到上脫粒帶距離，mm

脫粒行程是指大豆植株進(jìn)入脫粒區(qū)間后有效工作長度

S=v0t

(7)

其中

式中S——脫粒行程，mm

v0——平均速度，m/s

t——脫粒時(shí)間，s

豆莢旋轉(zhuǎn)角反映脫粒效果，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角較大時(shí)，脫粒效果較好。豆莢在脫粒區(qū)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)滿足

(8)

式中φ——旋轉(zhuǎn)角，rad

Δv——上下脫粒帶速度差，m/s

由式(6)～(8)可得，上、下脫粒帶速度差與旋轉(zhuǎn)角之間關(guān)系為

(9)

當(dāng)Δv大時(shí)，φ越大，脫粒效果越好；當(dāng)Δv小時(shí)，φ越小，脫粒效果越差。

3 試驗(yàn)材料與方法

3.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)選用的大豆品種為向陽農(nóng)場2017年栽培的黑農(nóng)48號(hào)，其生長特性與基本參數(shù)如表1所示。

表1 物料基本參數(shù)Tab.1 Material basic parameters

試驗(yàn)使用主要儀器設(shè)備為：三相異步電動(dòng)機(jī)(Y90L-4型)、變頻器(E1000-0015T3型)、YB502型電子秤(精度0.01 g，上海?？惦娮觾x器廠)、測速儀(UT371，精度±0.04%)、DGG-9070AD型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)、秒表和數(shù)碼攝像機(jī)等。參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置與脫粒作業(yè)效果如圖4所示。

圖4 參數(shù)試驗(yàn)Fig.4 Parameter experiment

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2017年11月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)中心實(shí)施。采用4因素5水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法。以脫粒間隙(x1)、上下帶速度差(x2)、下帶速度(x3)、脫粒行程(x4)為影響因素，以未脫凈率(y1)、夾帶損失率(y2)、破碎率(y3)、平均生產(chǎn)率(y4)為評價(jià)指標(biāo)，共實(shí)施36組試驗(yàn)[16-20]。數(shù)據(jù)處理與分析采用Design-Expert 6.0.10軟件進(jìn)行，各試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5982—2005《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》實(shí)施，分別以3次重復(fù)的均值為測試結(jié)果[21-23]。各因素水平由預(yù)試驗(yàn)確定，因素水平編碼表與試驗(yàn)方案如表2與表3所示。表中x1、x2、x3、x4為因素編碼值。

試驗(yàn)實(shí)施過程中，上下帶速度差與下帶速度由變頻器調(diào)節(jié)，脫粒間隙由絲杠調(diào)節(jié)，脫粒行程通過調(diào)節(jié)脫粒帶主動(dòng)滾筒與從動(dòng)滾筒之間的距離來改變。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 因素編碼Tab.2 Coding of factors

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab.3 Experimental design layout and results

4.2 回歸方程

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，未脫凈率y1、夾帶損失率y2、破碎率y3、平均生產(chǎn)率y4二次項(xiàng)模型(2FI)有意義(P<0.000 1)，在置信度α=0.05下，進(jìn)行F檢驗(yàn)，將不顯著項(xiàng)剔除后得到簡化回歸方程

(10)

(11)

(12)

(13)

4.3 回歸模型方差分析

對式(10)～(13)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。由表可知，模型擬合效果好，回歸方程P>0.000 1,說明回歸方程極顯著。

圖5 各因素對未脫凈率的影響Fig.5 Response surfaces for effects of factors on loss of unthreshed grain

變異來源平方和自由度均方FP回歸21.3373.0562.6<0.0001剩余1.36280.049y1擬合0.87170.0511.160.4114誤差0.49110.044總和22.6935回歸6.3680.79102.93<0.0001剩余0.21270.0078y2擬合0.014160.00871.370.3028誤差0.07110.0063總和6.5735回歸5.690.6293.36<0.0001剩余0.17260.0067y3擬合0.13150.00842.070.1138誤差0.045110.0041總和5.7835回歸557.97779.71283.01<0.0001剩余7.89280.28y4擬合6.07170.362.160.0977誤差1.82110.17總和565.8635

4.4 各試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響分析

參照關(guān)于多元二次回歸中各因素重要性的計(jì)算方法，經(jīng)分析計(jì)算，各因素對各項(xiàng)性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)率如表5所示[24-25]。

表5 各因素對性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)率Tab.5 Contribution ratio of each factor to performance index

結(jié)果表明，各因素對未脫凈率y1的貢獻(xiàn)率由大到小依次為：上下帶速度差、脫粒間隙、下帶速度、脫粒行程；各因素對夾帶損失率y2的貢獻(xiàn)率由大到小依次為：下帶速度、脫粒間隙、脫粒行程、上下帶速度差；各因素對破碎率y3的貢獻(xiàn)率由大到小依次為：脫粒間隙、上下帶速度差、脫粒行程、下帶速度；各因素對平均生產(chǎn)率y4的貢獻(xiàn)率由大到小依次為：脫粒行程、脫粒間隙、下帶速度、上下帶速度差。

4.5 各因素對性能指標(biāo)的影響分析

4.5.1各因素對未脫凈率的影響

各試驗(yàn)因素與未脫凈率的關(guān)系曲面如圖5所示。由圖5a可知，隨著上下帶速度差的增加，未脫凈率呈逐漸下降的趨勢，這是由于上下脫粒帶同向差速運(yùn)動(dòng)，差速大時(shí)，大豆豆莢所受剪切力和剪切力矩增大，豆莢更容易破開，未脫凈率降低。當(dāng)上下帶速度差固定在某一數(shù)值時(shí)，隨著脫粒間隙的增加，未脫凈率呈逐漸上升的趨勢，這是因?yàn)?，?dāng)脫粒間隙較小時(shí)，豆莢所受正壓力加大，其與上下脫粒帶接觸面積大，在摩擦因數(shù)一定時(shí)，脫離元件提供的剪切力較大，脫離能力增強(qiáng)，反之，脫粒間隙大時(shí)，脫粒能力減弱，未脫凈率增大。

由圖5b可知，隨著下帶速度增大，未脫凈率呈逐漸上升的趨勢，這是由于上下帶速度差一定時(shí)，剪切力與剪切力矩一定，下脫粒帶起到脫粒和運(yùn)輸?shù)淖饔?，脫粒帶速度增大，豆莢在脫粒區(qū)間滯留時(shí)間短，部分豆莢未破開脫粒，未脫凈率高。

由圖5c可知，隨著脫粒行程的增加，未脫凈率呈緩慢下降趨勢，這是由于脫粒行程增加，豆莢在脫粒區(qū)間滯留時(shí)間長，上下脫粒帶對豆莢的剪切力做功大，從而使大豆籽粒脫粒完全，未脫凈率降低。

4.5.2各因素對夾帶損失率的影響

各試驗(yàn)因素與夾帶損失率的關(guān)系曲面如圖6所示。由圖6a可知，隨著下帶速度的增加夾帶損失率呈上升的趨勢，這是由于下脫粒帶起到運(yùn)輸與脫粒的作用，當(dāng)下帶速度越來越高時(shí)，大豆豆莢在初始階段脫粒，在脫粒行程后期與大豆莖稈分離時(shí)間變短，大豆隨同莖稈排出裝置，夾帶損失升高。當(dāng)下帶速度固定在某一數(shù)值時(shí)，隨著脫粒間隙的增加，夾帶損失呈緩慢上升的趨勢，這是由于脫粒間隙增大，豆莢所受正壓力減小，其與上下脫粒帶接觸面積變小，脫粒帶提供剪切力減小，搓擦脫粒能力減弱，大豆不易與大豆莖稈和豆莢分開，隨莖稈共同排出裝置外，夾帶損失率升高。

由圖6b可知，隨著脫粒行程的增加，夾帶損失呈緩慢下降趨勢，這是由于脫粒行程增大，單株大豆在脫粒區(qū)間滯留時(shí)間長，脫粒元件作用時(shí)間長，大豆籽粒與莖稈有充足的時(shí)間分離，夾帶損失率降低。

由圖6c可知，隨著上下帶速度差增加夾帶損失率呈小幅度降低。這是由于上下帶速度差增大，豆莢受到脫粒帶的剪切力增大，脫粒裝置搓擦脫粒能力強(qiáng)，大豆易與莖稈分離，夾帶損失率降低。

圖6 各因素對夾帶損失率的影響Fig.6 Response surfaces for effects of factors on loss of entrap grain

圖7 各因素對破碎率的影響Fig.7 Response surfaces for effects of factors on cracked grains

4.5.3各因素對破碎率的影響

各試驗(yàn)因素與破碎率的關(guān)系曲面如圖7所示。由圖7a可知，隨著脫粒間隙的減小，破碎率呈逐漸上升的趨勢。這是由于脫粒間隙較小時(shí)，豆莢所受正壓力增加，脫粒區(qū)間的單株大豆受擠壓和搓擦作用增強(qiáng)，脫粒大豆未能及時(shí)通過秸稈與之分離，在脫粒區(qū)間時(shí)間增加，經(jīng)受上下脫粒帶作用時(shí)間和幾率增加，導(dǎo)致其破碎率逐漸升高。當(dāng)脫粒間隙固定為某一數(shù)值時(shí)，隨著上下帶速度差的增大，破碎率呈緩慢上升的趨勢，這是由于上下帶速度差增大，脫粒帶提供的剪切力增大，搓擦脫粒能力強(qiáng)，大豆籽粒破碎的幾率大。

由圖7b可知，隨著下帶速度的增加，破碎率呈緩慢下降的趨勢，這是由于下脫粒帶不僅為大豆脫粒提供剪切力，并起到運(yùn)輸?shù)淖饔?，?dāng)下脫粒帶速度增高時(shí)，脫粒帶對大豆籽粒作用時(shí)間短，搓擦脫粒效果減小，大豆籽粒破碎率逐漸降低。

由圖7c可知，隨著脫粒行程的增加，破碎率呈緩慢增加的趨勢，這是由于大豆籽粒容易與豆莢和莖稈混合，不僅受到上下脫粒帶的壓力與剪切力，還受到豆莢與莖稈的擠壓與搓擦，大豆籽粒的破碎率升高。

4.5.4各因素對平均生產(chǎn)率的影響分析

各試驗(yàn)因素與平均生產(chǎn)率的關(guān)系曲面如圖8所示。由圖8a可知，隨著脫粒間隙和上下帶速度差的增加，平均生產(chǎn)率呈逐漸上升的趨勢，這是由于當(dāng)脫粒間隙增大，豆莢所受正壓力增大，當(dāng)上下帶速度差增大，豆莢所受剪切力增大，脫粒裝置搓擦脫粒能力強(qiáng)，單株大豆經(jīng)過脫粒區(qū)間能夠很快脫粒，平均生產(chǎn)率升高。

圖8 各因素對平均生產(chǎn)率的影響Fig.8 Response surfaces for effects of factors on average productivity

圖9 參數(shù)優(yōu)化分析Fig.9 Parameters optimum analysis

由圖8b所示，隨著上下帶速度差和下帶速度的增加，平均生產(chǎn)率呈逐漸上升的趨勢。這是由于上下帶速度差增大，豆莢所受剪切力增大，脫粒裝置搓擦脫粒能力增強(qiáng)，下帶速度增大，單株大豆通過脫粒區(qū)間的時(shí)間變短，平均生產(chǎn)率升高。

由圖8c可知，隨著脫粒行程的增加，平均生產(chǎn)率呈下降的趨勢，這是由于脫粒裝置的脫粒能力一定時(shí)，單株大豆經(jīng)過的脫粒行程越大，使得脫粒帶作用時(shí)間增長，平均生產(chǎn)效率降低。

4.5.5優(yōu)化分析

按照低未脫凈率、低夾帶損失率、低破碎率和高平均生產(chǎn)率的優(yōu)化原則，以各因素水平區(qū)間為約束條件[26]，優(yōu)化結(jié)果如圖9所示。當(dāng)參數(shù)組合為：脫粒間隙7.55～13.00 mm，上下帶速度差0.59～0.70 m/s，下帶速度0.84 m/s，脫粒行程660 mm，未脫凈率低于1.2%，夾帶損失率低于0.9%，破碎率低于0.8%，平均生產(chǎn)率高于35 kg/h。

在優(yōu)化的最佳結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)范圍內(nèi)選取脫粒間隙9 mm，下帶速度0.84 m/s，上下帶速度差0.63 m/s，脫粒行程660 mm進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果為：未脫凈率為0.6%，夾帶損失率為0.84%，破碎率為0.67%，平均生產(chǎn)率35.32 kg/h。驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果在優(yōu)化性能指標(biāo)區(qū)間內(nèi)，表明優(yōu)化結(jié)果可信。

5 結(jié)論

(1)針對育種用單株大豆的脫粒需求，在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種柔性差速帶式單株大豆脫粒裝置。區(qū)別于傳統(tǒng)的剛性脫粒滾筒，采用同向差速運(yùn)動(dòng)的橡膠帶作為脫粒元件，利用搓擦脫粒原理，可實(shí)現(xiàn)脫粒過程大豆種子低損傷，無混雜。

(2)影響未脫凈率的各因素主次順序?yàn)椋荷舷聨俣炔?、脫粒間隙、下帶速度、脫粒行程；影響夾帶損失率的各因素主次順序?yàn)椋合聨俣?、脫粒間隙、脫粒行程、上下帶速度差；影響破碎率的各因素主次順序?yàn)椋好摿ｉg隙、上下帶速度差、脫粒行程、下帶速度；影響平均生產(chǎn)率的各因素主次順序?yàn)椋好摿Ｐ谐?、脫粒間隙、下帶速度、上下帶速度差。

(3)對于籽粒含水率在16%～18%范圍內(nèi)的大豆植株，柔性差速帶式單株大豆脫粒裝置的最佳結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)組合為：脫粒間隙7.55～13.00 mm，上下帶速度差0.59～0.70 m/s，下帶速度0.84 m/s，脫粒行程660 mm，此時(shí)未脫凈率低于1.2%，夾帶損失率低于0.9%，破碎率低于0.8%，平均生產(chǎn)率高于35 kg/h。