切流式花生全喂入聯(lián)合收獲機(jī)清選機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

于昭洋，胡志超，曹明珠，王申瑩，張 鵬，彭寶良

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014）

0 引 言

花生是中國(guó)重要的油料作物和蛋白資源，其常年種植面積、總產(chǎn)量均穩(wěn)居世界前兩位，是中國(guó)的優(yōu)勢(shì)農(nóng)產(chǎn)品之一[1-2]。中國(guó)花生品種多樣、各主產(chǎn)區(qū)土壤條件及種植農(nóng)藝差異顯著[3]。由于花生收獲機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、品種和農(nóng)藝適應(yīng)差等綜合因素影響，目前中國(guó)花生機(jī)械化收獲水平僅為30.2%，并以小型收獲機(jī)械為主，制約了中國(guó)花生生產(chǎn)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力[4-7]。近幾年，隨著傳統(tǒng)主產(chǎn)區(qū)及新疆、東北等地區(qū)規(guī)?；a(chǎn)發(fā)展，高效花生收獲設(shè)備需求迫切，國(guó)內(nèi)相關(guān)研發(fā)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)開(kāi)展了大中型高效花生聯(lián)合收獲裝備研發(fā)，相繼研發(fā)出四行/六行軸流式、八行切流式全喂入聯(lián)合收獲設(shè)備[8-9]。發(fā)達(dá)國(guó)家花生收獲設(shè)備主要以大中型全喂入聯(lián)合收獲設(shè)備為主，美國(guó)ADAMS、KMC、COLOMBO等公司生產(chǎn)的牽引式和自走式花生收獲機(jī)，涵蓋了2～8行系列產(chǎn)品，技術(shù)成熟度高，但其生產(chǎn)模式、花生品種與中國(guó)存在差異且價(jià)格昂貴，難以適應(yīng)中國(guó)花生生產(chǎn)實(shí)際需求[10-12]。

清選技術(shù)是花生收獲設(shè)備的核心技術(shù)，也是技術(shù)難度最大的作業(yè)環(huán)節(jié)，其性能直接影響整機(jī)的莢果含雜率和清選損失率[13-14]。與日趨成熟的花生半喂入聯(lián)合收獲相比，全喂入聯(lián)合收獲以干摘為主，清選物料混合物含水率較低，物料量較大，長(zhǎng)雜、短雜、輕雜相對(duì)較多，土雜相對(duì)較少。由于清選物料含水率的差異、總量的差異、雜物成分的不同，花生半喂入作業(yè)模式的清選機(jī)構(gòu)風(fēng)篩組配的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)并不能完全適用于全喂入聯(lián)合收獲。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)涉及全喂入聯(lián)合收獲清選技術(shù)的研究文獻(xiàn)較少，已研發(fā)的樣機(jī)普遍存在纏膜掛秧、篩面堵塞等作業(yè)順暢性問(wèn)題，果雜分離不清、風(fēng)篩損失高等作業(yè)質(zhì)量問(wèn)題，批次清選處理量小的清選效率問(wèn)題。由于上述問(wèn)題的存在，多數(shù)設(shè)備增加了復(fù)選裝置進(jìn)行二次清選，增加了整機(jī)成本。因此，如何提高清選作業(yè)順暢性和清選效率，降低含雜率和損失率等技術(shù)性能指標(biāo)，是全喂入聯(lián)合收獲清選作業(yè)亟需重點(diǎn)攻克的技術(shù)難題。

本文以自行研制的切流式花生全喂入聯(lián)合收獲機(jī)為研究基礎(chǔ)，針對(duì)清選環(huán)節(jié)纏膜掛秧、篩面堵塞、果雜分離不清、損失率高等問(wèn)題，運(yùn)用理論分析與臺(tái)架試驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定清選機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)，并開(kāi)展清選作業(yè)質(zhì)量試驗(yàn)研究，以期為花生全喂入聯(lián)合收獲設(shè)備清選機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)及清選機(jī)理

全喂入撿拾聯(lián)合收獲為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外“大型高效花生收獲”的主流技術(shù)。本文針對(duì)切流式全喂入花生聯(lián)合收獲設(shè)備的作業(yè)原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合清選物料的基本物理特征及組成成分，設(shè)計(jì)風(fēng)篩選式清選機(jī)構(gòu)（圖 1a），并將其配置于自行研制的切流式全喂入聯(lián)合收獲樣機(jī)上，構(gòu)建移動(dòng)式田間收獲試驗(yàn)平臺(tái)（圖 1b）[15-18]。如圖1a所示，清選機(jī)構(gòu)主要由上層篩（桿篩）、下層篩（多階彈性篩和后篩）、抖草輪、偏心套、風(fēng)機(jī)等組成。如圖1b所示，移動(dòng)式試驗(yàn)臺(tái)主要由撿拾臺(tái)、多級(jí)摘果滾筒、清選機(jī)構(gòu)、氣力輸送機(jī)構(gòu)、底盤(pán)系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、工作參數(shù)采集系統(tǒng)等組成，試驗(yàn)臺(tái)可為清選機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)、作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化提供試驗(yàn)平臺(tái)。

圖1 清選機(jī)構(gòu)及清選試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of cleaning device and test platform

作業(yè)時(shí)，滾筒脫出物以料簾狀由桿篩前部1/3段進(jìn)入清選機(jī)構(gòu)，篩體在偏心套和擺臂作用下構(gòu)成曲柄擺桿機(jī)構(gòu)往復(fù)振動(dòng)。長(zhǎng)雜沿桿篩向后輸送，莢果、短雜、土雜穿過(guò)桿篩沿多階彈性篩向后輸送，輸送過(guò)程中，部分短雜、輕雜在風(fēng)場(chǎng)作用下直接吹出機(jī)外，部分短雜、土雜透過(guò)多階彈性篩篩出機(jī)外；隨后，桿篩輸送長(zhǎng)雜落至后篩中段，抖草輪旋轉(zhuǎn)并在風(fēng)場(chǎng)作用下將大部分長(zhǎng)雜拋至后篩末端；由多階彈性篩輸送來(lái)混合物料沿后篩面向后輸送，在抖草輪和風(fēng)場(chǎng)作用下分散充滿(mǎn)后篩清選倉(cāng)（上層為輕雜、短雜，底層為長(zhǎng)雜、短雜、莢果）；最后，輕雜和部分短雜被主風(fēng)機(jī)的氣流帶出機(jī)外，長(zhǎng)雜和剩余短雜由后篩推送至機(jī)外，莢果在抖動(dòng)過(guò)程中由后篩篩面漏下。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 曲柄擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)篩篩體由桿篩、多階彈性篩、后篩組成，3種篩體固連于同一篩框，篩框與各擺桿鉸接構(gòu)成曲柄擺桿機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)果雜抖動(dòng)分離。如圖2所示，振動(dòng)篩通過(guò)鉸接點(diǎn)C、D與擺桿串聯(lián)，偏心套圓心B繞驅(qū)動(dòng)軸軸心O轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿AC，從而推動(dòng)搖桿O1A繞點(diǎn)O1轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)連桿CD帶動(dòng)搖桿O2D，實(shí)現(xiàn)連桿CD即振動(dòng)篩往復(fù)振動(dòng)。

圖2 清選機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及物料受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of peanut force and cleaning device motion

曲柄擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為提高振動(dòng)篩篩分效率、減小功率浪費(fèi)，應(yīng)使清選篩篩體做近似直線(xiàn)擺動(dòng)，避免平面轉(zhuǎn)動(dòng)[18]。因此，構(gòu)件設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足：O2D∥AC、O2D=BC、OBBC。前期樣機(jī)設(shè)計(jì)表明：O1A=140 mm，AB=80 mm，AC=200 mm，CD=970 mm，O2D=115 mm，曲柄半徑rOB=3～7 mm。

2.2 振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定

清選過(guò)程中桿篩、多階彈性篩主要作用為長(zhǎng)雜分層、短雜及土雜初步分離，而莢果的透篩分離主要在后篩篩面完成，因此，首先從后篩篩面物料運(yùn)動(dòng)入手進(jìn)行篩體運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析。運(yùn)用動(dòng)態(tài)靜力學(xué)方法分析物料相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為便于分析，取后篩篩面質(zhì)心處的單顆莢果M進(jìn)行受力分析，并近似認(rèn)為篩體作直線(xiàn)擺動(dòng)[18-19]。物料在篩面上運(yùn)動(dòng)有3種狀態(tài)，沿篩面下滑、上滑和由篩面躍起。圖2為莢果M沿篩面下行時(shí)受力情況[20-21]。在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)篩面傾角α為8°，由于篩體做近似直線(xiàn)擺動(dòng)，振動(dòng)方向垂直于連桿O2D，β取值30°，氣流風(fēng)向角θ為30°。

為使物料相對(duì)篩面下滑，必須滿(mǎn)足

僅考慮物料沿篩面下滑而無(wú)篩面跳動(dòng)，則有

篩面對(duì)物料的摩擦力

式中P為莢果所受振動(dòng)慣性力，N；F為篩面對(duì)莢果摩擦力，N；Q為莢果受到風(fēng)機(jī)氣流作用力，N；N0為篩面對(duì)莢果支撐反力，N；m為莢果質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；α為篩面傾角，（°）；β為振動(dòng)方向角，（°）；θ為氣流風(fēng)向角，（°）；φ為篩面與莢果的靜摩擦角，試驗(yàn)測(cè)得摩擦角φ為35°。聯(lián)立式（1）－（3）得

物料振動(dòng)慣性力

物料氣力作用力[22]

式中λ為篩面振幅，m；ω為篩面角頻率，rad/s；t為時(shí)間，s；kp為花生莢果漂浮系數(shù)，0.085 m-1[22]；v為氣流相對(duì)速度，取值應(yīng)小于莢果的最小懸浮速度，即8 m/s[22]。式（5）－式（6）帶入式（4），并取sinωt最大值1，求得篩面莢果M相對(duì)篩面下滑的條件

同理，可求得篩面莢果M相對(duì)篩面上滑的條件（上滑時(shí)F、P方向與圖2反向）

物料若能由篩面躍起，則必須滿(mǎn)足N0＜0，在圖2所示的受力狀態(tài)下，各運(yùn)動(dòng)參數(shù)帶入后，得Psin β+m g cosα即則該受力情況下物料不會(huì)跳離篩面。當(dāng)F、P方向與圖2反向時(shí)，可求得將式（5）－式（6）帶入式（9），并取 sinωt最大值1，求得篩面莢果M躍起跳離篩面的條件

為充分利用篩子面積進(jìn)行分離，并使莢果有較多機(jī)會(huì)透篩，應(yīng)保證莢果相對(duì)篩面能上滑、下滑且下滑距離大于上滑距離（KX＞KS）；同時(shí)，篩面物料的躍起有利于疏松、分層，可使莢果有更多機(jī)會(huì)順利透篩[18-19]。因此，λω2應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足物料相對(duì)篩面下滑、上滑和躍起的條件：λω2＞KX＞KS且 λω2＞KT，由此求得后篩篩面質(zhì)心處的振動(dòng)加速度aM=λω2＞17.52 m/s2。振動(dòng)加速度越大，生產(chǎn)率越高，但過(guò)大時(shí)，莢果沿篩面速度過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生越篩現(xiàn)象，降低分離能力，文獻(xiàn)檢索篩體的振動(dòng)加速度一般小于2.5 g[18]，則振動(dòng)加速度aM范圍

由于篩體做近似直線(xiàn)擺動(dòng)，篩體任何部位的振幅與鉸接點(diǎn) C的振幅相同，由圖 2可知，篩面振幅為λ≈rOB?AC/AB=7.5～17.5 mm，代入式（11）得 31.6 rad/s＜ω＜57.1 rad/s。曲柄OB轉(zhuǎn)動(dòng)以帶動(dòng)篩體振動(dòng)，篩面振動(dòng)角頻率ω與曲柄OB的角速度ωOB大小相同，可求得曲柄OB的轉(zhuǎn)速nOB為302 r/min＜nOB＜546 r/min，則篩體振動(dòng)頻率f范圍

2.3 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

2.3.1 桿篩受力分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

清選物料主要包含長(zhǎng)雜（長(zhǎng)度＞50 mm）、短雜、輕雜、土雜、破碎果。試驗(yàn)測(cè)得長(zhǎng)雜占清選物料總質(zhì)量50%以上，大量長(zhǎng)雜的存在增加了清選物料層厚度及物料抖散、吹散、分層的難度。該清選機(jī)構(gòu)在篩體上部配置鋸齒形桿篩，分離出部分長(zhǎng)雜、推送長(zhǎng)雜排向篩尾，減輕了下層篩體清選物料量，提高了清選機(jī)構(gòu)風(fēng)篩選能力。

桿篩由鋸齒板、篩管、支撐座組成，如圖3所示，篩管之間無(wú)橫檔連接，解決了篩面掛膜掛秧問(wèn)題。圖3為篩體向右上方振動(dòng)時(shí)受力情況，此時(shí)振動(dòng)慣性力垂直分力與桿篩自身重力、物料壓力的方向一致，故該階段易出現(xiàn)疲勞失效。為保證桿篩在交變應(yīng)力作用下不發(fā)生疲勞失效，本文運(yùn)用達(dá)朗伯原理分析桿篩在交變載荷下彎曲應(yīng)力[23]，確定在持久極限條件下桿篩的許用結(jié)構(gòu)參數(shù)。以單個(gè)篩管為研究對(duì)象，篩體近似直線(xiàn)擺動(dòng)，按照剛體慣性力力系的簡(jiǎn)化原則，其慣性力力系可簡(jiǎn)化為通過(guò)質(zhì)心的合力P1，圖3受力分析可知篩管最大彎矩在支撐座固定端，此處彎矩Mo最大值為

圖3 桿篩結(jié)構(gòu)及受力示意圖Fig.3 Schematic of pole sieve structure and force

最大彎曲正應(yīng)力及持久極限條件為

式中W為抗彎截面系數(shù)，m3；ρ1為鋁合金質(zhì)篩管密度，2.81×103kg/m3；λ為篩面振幅，按上文結(jié)果取最大值為17.5 mm；ω為篩面角頻率，取最大值為57.1 rad/s；σ-1為材料持久極限，223 MPa[24]；n為安全因素，取值3.8；β1為振動(dòng)慣性力與篩面夾角，38°；r1為篩管的外圓半徑，6 mm；r2為篩管的內(nèi)圓半徑，4 mm；試驗(yàn)測(cè)得鋸齒板和長(zhǎng)雜分布在每個(gè)篩桿的均布載荷q為6 N/m。

由式（13）－（17）求得支撐座固定端最大彎曲正應(yīng)力為5×107L12、篩管往復(fù)振動(dòng)而不發(fā)生疲勞破壞需滿(mǎn)足：L1≤1.1 m，綜合考慮桿篩、后篩位置配置關(guān)系，取L1=0.9 m；L2應(yīng)小于最短長(zhǎng)雜長(zhǎng)度，取值35 mm。

2.3.2 多階彈性篩受力分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

多階彈性篩結(jié)構(gòu)如圖4a所示，采用自激振、無(wú)橫檔設(shè)計(jì)，清選物料可順暢通過(guò)，破解了傳統(tǒng)桿篩掛膜掛秧、糊篩堵篩的難題。作業(yè)時(shí)，多階彈性篩隨篩框往復(fù)振動(dòng)，彈指在振動(dòng)載荷激勵(lì)下發(fā)生自身彈性振動(dòng)，促使物料彈起、打散。

圖4 多階彈性篩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of multi-stage elastic sieve

彈指在篩體往復(fù)振動(dòng)下發(fā)生自激振（即彎曲變形），彈指振幅越大越利于物料打散，但振幅過(guò)大彈指末端會(huì)產(chǎn)生漏果。如圖4b所示，以單個(gè)彈指為研究對(duì)象，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，忽略彈指下折彎部分彎曲變形及自重，將彈指所受慣性力力系簡(jiǎn)化為通過(guò)上折彎部分質(zhì)心的合力 P2，則彈指末端向上最大振幅w為[23]

式中 E為彈指彈性模量，206 GPa；I為彈指慣性矩，3.97 mm4；m2為彈指上折彎部分的質(zhì)量，kg；r為彈指半徑，1.5 mm；ρ2為60Si2Mn彈簧鋼密度，7.85×103kg/m3；依據(jù)上文參數(shù)得δ值為48°，λ取最大值為17.5 mm，ω取最大值57.1 rad/s；代入式（18）－（19）得彈指末端向上最大振幅w=0.3l14。由于前后階篩面搭接處高度差為6 mm，為保證莢果不在搭接處掉落，應(yīng)使搭接處最大間隙小于 8 mm，則彈指末端最大振幅 w≤2 mm，求得l1≤285 mm，綜合考慮多階篩面總長(zhǎng)，本文取l1=210 mm。

2.3.3 后篩篩面結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

后篩篩面選用推送、抖散作用較強(qiáng)的鋸齒篩，鋸齒篩具有單向輸送性，能夠較快的將清選雜物推送至機(jī)外。如圖5所示，物料在篩面上依靠篩體擺幅H的水平分量Hx和垂直分量Hy向后輸送，為使鋸齒篩可以逐齒推送物料，保證在篩面下行時(shí)前一級(jí)齒槽的物料能夠落入后一級(jí)齒槽內(nèi)，則應(yīng)滿(mǎn)足Hx＞W(wǎng)x，Hy＞W(wǎng)y；篩面下行時(shí)，齒正面對(duì)物料施加向前的推送力，造成物料反向回帶，為減輕齒正面對(duì)物料的反向推送作用，應(yīng)使β2＞θ1；篩面上行時(shí)，物料依靠齒背面施加的推力向后拋送，為增強(qiáng)齒背推力作用，應(yīng)使齒背垂直于篩體振動(dòng)方向，同時(shí)，齒背高度應(yīng)大于莖稈直徑。如圖 5所示，振動(dòng)篩篩體最小擺幅H（振幅λ的2倍）為15 mm，后篩振動(dòng)方向與水平面夾角 β2為 38°，為保證后篩有效逐級(jí)輸送，則Wx=11 mm，Wy=9 mm，θ1=36°，θ2=92°。

圖5 后篩篩面結(jié)構(gòu)及物料運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.5 Schematic of behind sieve structure and material motion trail

3 清選性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方案

試驗(yàn)于2018年9月在江蘇省宿遷市八集鎮(zhèn)試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)花生品種為“天府 9號(hào)”，單壟雙行種植，壟距800 mm，行距300 mm，產(chǎn)量4 500 kg/hm2。試驗(yàn)在樣機(jī)實(shí)車(chē)上進(jìn)行，將清選機(jī)構(gòu)配置于全喂入聯(lián)合收獲機(jī)上，試驗(yàn)員駕駛整機(jī)在田間進(jìn)行收獲試驗(yàn)。選取地勢(shì)平坦地塊，前期由挖掘機(jī)收獲后鋪放于田間，待莢果平均含水率降至 30%時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，割臺(tái)每次收獲八行花生；前進(jìn)速度為0.6 m/s，由中間變速輪式無(wú)級(jí)變速器控制。

在前期單因素試驗(yàn)觀察和理論分析基礎(chǔ)上，選取對(duì)清選性能影響較大的振動(dòng)篩振幅A、振動(dòng)頻率B、主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速C等作為試驗(yàn)因素。其他試驗(yàn)參數(shù)為篩面寬度1.2 m、后篩長(zhǎng)度 650 mm及篩片間距 35 mm、副風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 600 r/min及其氣流風(fēng)向角36°。試驗(yàn)以清選損失率T1、莢果含雜率T2作為清選作業(yè)指標(biāo)，開(kāi)展3因素3水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1，振幅、振動(dòng)頻率的取值范圍由文中理論分析值選定，主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速取值范圍依據(jù)前期單因素試驗(yàn)分析結(jié)果選定。試驗(yàn)過(guò)程保持發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速不變，通過(guò)更換偏心套調(diào)節(jié)振幅，通過(guò)更換不同直徑的振動(dòng)篩帶輪調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率，通過(guò)更換不同直徑的風(fēng)機(jī)帶輪調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

表1 試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)試方法

清選損失率和莢果含雜率參考中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-花生收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（NY/T502-2016）進(jìn)行測(cè)試。

每個(gè)因素組合方案進(jìn)行 3次重復(fù)試驗(yàn)，分別測(cè)試每次試驗(yàn)清選損失率、莢果含雜率，取平均值。試驗(yàn)前清空料倉(cāng)及機(jī)內(nèi)雜物，清除測(cè)試區(qū)地面的翻曬自然落果，每行走35 m為一次試驗(yàn)。清選損失率測(cè)定用接料板和編織網(wǎng)袋分別接取篩下和篩尾排出物，挑選排出物中莢果為清選損失；莢果含雜率測(cè)定由料倉(cāng)內(nèi)莢果取樣計(jì)算，每次取樣不少于料倉(cāng)莢果總量的三分之一。

各指標(biāo)具體計(jì)算方法如下

1）清選損失率T1

式中T1為清選損失率，%；Q1為篩下、篩尾排出物中莢果的質(zhì)量，g；Q2為測(cè)試區(qū)地面上莢果的質(zhì)量，g；Q3為摘果滾筒排出秧蔓中夾帶的莢果質(zhì)量，g；Q4為花生秧蔓上未摘莢果的質(zhì)量，g；Q5為料倉(cāng)內(nèi)莢果的質(zhì)量，g。

2）莢果含雜率T2

式中T2為莢果含雜率，%；W1為取樣中仁果和果殼破損及果殼開(kāi)裂莢果質(zhì)量，g；W2為取樣中完好莢果質(zhì)量，g；W3為取樣中雜質(zhì)質(zhì)量，g。

3.3 結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)方案[25-27]及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。運(yùn)用IBM SPSS Statistics 22 軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析[28-29]。

3.3.1 各因素對(duì)清選性能指標(biāo)的影響

正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果見(jiàn)表2。分析結(jié)果表明：各因素對(duì)清選損失率影響的主次順序?yàn)檎穹?、主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率，較優(yōu)參數(shù)組合方案為 A1C2B2；各因素對(duì)籽粒含雜率影響的主次順序?yàn)橹黠L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率、振幅，較優(yōu)參數(shù)組合方案為C3B3A2。

正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。分析結(jié)果表明：各因素對(duì) 2個(gè)指標(biāo)的影響程度不同，對(duì)于清選損失率指標(biāo)，在 95%的置信度下，振幅、主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響非常顯著（P＜0.01），振動(dòng)頻率影響較為顯著（P＜0.05）；對(duì)于莢果含雜率指標(biāo)，在 95%的置信度下，主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響非常顯著（P＜0.05），振動(dòng)頻率影響較為顯著（P＜0.01），振幅影響不顯著。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Experimental layout and results

表3 正交試驗(yàn)方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal experiment

3.3.2 各因素的綜合優(yōu)化

為了得到理想的清選效果，需同時(shí)滿(mǎn)足清選損失率、莢果含雜率盡可能達(dá)到最小，通過(guò)上述試驗(yàn)分析可知，振幅、振動(dòng)頻率、主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等因素對(duì) 2個(gè)清選作業(yè)指標(biāo)影響的主次作用順序和顯著性不同、較優(yōu)參數(shù)組合也不同。為進(jìn)一步分析 3個(gè)因素對(duì)清選作業(yè)質(zhì)量的綜合影響，采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行綜合優(yōu)化分析[30-32]，選出使2個(gè)清選作業(yè)指標(biāo)都盡可能較優(yōu)的參數(shù)組合。

由于 2個(gè)指標(biāo)的數(shù)量級(jí)和量綱各不相同，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法建立 2個(gè)指標(biāo)隸屬度模型，求得其同數(shù)量級(jí)、無(wú)量綱的隸屬度值。清選損失率、莢果含雜率均為偏小型指標(biāo)，即越小越好，其隸屬度模型見(jiàn)式（22）。

式中tin分別為第n次試驗(yàn)測(cè)得指標(biāo)Ti的隸屬度值；Timax為指標(biāo)Ti的最大值；Timin為指標(biāo) Ti的最小值；Tin為第n次試驗(yàn)指標(biāo) Ti的值。由式（22）求得清選損失率、莢果含雜率的隸屬度值t1n、t2n，見(jiàn)表4。由2個(gè)指標(biāo)隸屬度值構(gòu)成的模糊關(guān)系矩陣Tt為

由正交試驗(yàn)結(jié)果可知，清選損失率滿(mǎn)足作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，而莢果含雜率超出了作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，為盡可能多的降低莢果含雜率指標(biāo)，本文設(shè)定莢果含雜率權(quán)重偏大為0.6、清選損失率權(quán)重偏小為0.4，由此構(gòu)成的權(quán)重分配集為：W=[0.4 0.6]。由模糊矩陣Tt與權(quán)重分配集W經(jīng)模糊變換得到模糊綜合評(píng)價(jià)值集 U，其中 U=W·Tt，由此求得各試驗(yàn)方案的綜合評(píng)分值見(jiàn)表4。

表4 綜合評(píng)分值Table 4 Values of comprehensive evaluation

將綜合評(píng)分結(jié)果進(jìn)行極差分析（見(jiàn)表5），分析結(jié)果表明，各因素綜合影響清選作業(yè)質(zhì)量的主次順序?yàn)橹黠L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振幅、振動(dòng)頻率，較優(yōu)參數(shù)組合方案為C3A2B3，即主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100 r/min、振幅為12.5 mm、振動(dòng)頻率為9 Hz；將綜合評(píng)分結(jié)果進(jìn)行方差分析（見(jiàn)表6），分析結(jié)果表明，在 95%的置信度下，主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)清選作業(yè)質(zhì)量的影響非常顯著（P＜0.01），振幅、振動(dòng)頻率對(duì)清選作業(yè)質(zhì)量的影響較為顯著（P＜0.05）。

表5 綜合評(píng)分極差分析Table 5 Range analysis of comprehensive scores

表6 綜合評(píng)分方差分析Table 6 Variance analysis of comprehensive scores

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于正交試驗(yàn)方案中并未包含綜合優(yōu)化后的較優(yōu)參數(shù)組合，為保證優(yōu)選結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取該較優(yōu)參數(shù)組合即主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100 r/min、振幅為12.5 mm、振動(dòng)頻率為9 Hz時(shí)開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)。為消除隨機(jī)誤差，試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值作為試驗(yàn)驗(yàn)證值，測(cè)得試驗(yàn)結(jié)果為清選損失率5.03%，莢果含雜率5.39%。通過(guò)與其他正交試驗(yàn)方案結(jié)果對(duì)比分析可知，優(yōu)選后的清選機(jī)構(gòu)的綜合作業(yè)質(zhì)量?jī)?yōu)于其他參數(shù)組合下的作業(yè)性能。

4 討 論

本文以全干花生在切流式摘果作用下形成的物料混合物為清選對(duì)象，設(shè)計(jì)風(fēng)篩選式清選機(jī)構(gòu)，并將其配置在自走式聯(lián)合收獲機(jī)上，開(kāi)展田間試驗(yàn)。本文在前期單因素試驗(yàn)和理論分析基礎(chǔ)上，選取了對(duì)清選性能影響較大的主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩振幅、振動(dòng)頻率等進(jìn)行試驗(yàn)研究。由于收獲期和基地條件限制，尚未進(jìn)一步考察花生品種、花生干濕狀態(tài)、喂入量、前進(jìn)速度對(duì)清選效果的影響。

該清選機(jī)構(gòu)的桿篩、多階彈性篩、后篩均為無(wú)橫檔設(shè)計(jì)，且彈性篩能夠較快打散物料，增加雜余穿透篩體能力，此結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)下，較少出現(xiàn)纏膜掛秧、篩面堵塞現(xiàn)象，作業(yè)順暢性較好。另外，該清選機(jī)構(gòu)還存在一些問(wèn)題，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由地勢(shì)起伏而引起的清選機(jī)構(gòu)橫向側(cè)傾對(duì)清選效果有一定影響，分析由于清選機(jī)構(gòu)橫向側(cè)傾導(dǎo)致物料向篩面一側(cè)匯集，增加了此側(cè)篩面的清選負(fù)荷，從而降低了清選作業(yè)質(zhì)量，后續(xù)研發(fā)中擬在多階彈性篩面增加導(dǎo)流板解決該問(wèn)題；多階彈性篩的彈指末端高低起伏易導(dǎo)致篩面漏果，擬優(yōu)化加工工藝，將彈指與支撐管裝配并折彎后再進(jìn)行熱處理，更易保證彈簧鋼質(zhì)彈指末端高度的一致性。

5 結(jié) 論

1）本文研制了一種適用于切流式花生全喂入聯(lián)合收獲作業(yè)的風(fēng)篩選式清選機(jī)構(gòu)，其主要由桿篩、多階彈性篩、后篩、抖動(dòng)輪、偏心套、風(fēng)機(jī)等組成，有效解決了在大喂入量高效收獲工況下清選環(huán)節(jié)存在的果雜分離不清、損失率高、纏膜掛秧、篩面堵塞等問(wèn)題。

2）提出了物料相對(duì)篩面向上滑動(dòng)、向下滑動(dòng)、從篩面躍起的極限條件，為保證莢果順利穿透后篩，振動(dòng)篩主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)的選取范圍為振動(dòng)加速度17.5～24.5 m/s2，曲柄轉(zhuǎn)速302～546 r/min，篩面振幅7.5～17.5 mm。分析了桿篩、多階彈性篩在交變載荷下彎曲應(yīng)力、彎曲變形，求得桿篩長(zhǎng)度0.9 m，篩管間距35 mm，多階彈性篩的單階篩面長(zhǎng)度為210 mm。后篩篩面選用推送、抖散作用較強(qiáng)的單向輸送鋸齒篩。

3）影響清選機(jī)構(gòu)的綜合作業(yè)質(zhì)量的主次作用因素為主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩振幅、振動(dòng)頻率，較優(yōu)參數(shù)組合為主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100 r/min、振動(dòng)篩振幅為12.5 mm、振動(dòng)頻率為9 Hz；此時(shí)清選損失率5.03%，莢果含雜率5.39%。