小麥聯(lián)合收獲機(jī)雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選作業(yè)試驗(yàn)

金誠謙，李慶倫，倪有亮，王廷恩，印 祥

小麥聯(lián)合收獲機(jī)雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選作業(yè)試驗(yàn)

金誠謙1,2，李慶倫2，倪有亮1，王廷恩2，印 祥2

（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. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000）

針對(duì)小麥聯(lián)合收獲機(jī)雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選裝置由于主要作業(yè)參數(shù)調(diào)整不當(dāng)而導(dǎo)致清選損失率、含雜率、二次含雜率高的問題，該文通過臺(tái)架試驗(yàn)分別對(duì)雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選裝置主要作業(yè)參數(shù)（喂入量、風(fēng)門開度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、上、下導(dǎo)風(fēng)板角度）進(jìn)行單因素與多因素優(yōu)化試驗(yàn)，探究各試驗(yàn)因素對(duì)清選損失率、含雜率、二次含雜率的影響規(guī)律，尋找最優(yōu)參數(shù)組合。參考市場上小麥?zhǔn)斋@機(jī)擁有量較大的久保田988機(jī)型相關(guān)參數(shù)，搭建聯(lián)合收獲機(jī)雙出風(fēng)口多風(fēng)道試驗(yàn)臺(tái)。雙出風(fēng)口4風(fēng)道時(shí)，小麥清選損失率、含雜率最低，分別為0.78%與0.48%，通過單因素試驗(yàn)，得出喂入量4.5～5.8 kg/s、風(fēng)門開度0°～20°、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200～1 600 r/min、上、下導(dǎo)風(fēng)板角度0～20°。利用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，進(jìn)行五因素三水平正交試驗(yàn)。結(jié)果表明：對(duì)清選損失率影響較顯著的因素有風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、喂入量、上導(dǎo)風(fēng)板角度；對(duì)含雜率影響較顯著的因素有風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、上、下導(dǎo)風(fēng)板角度；對(duì)二次含雜率影響較大的因素有上導(dǎo)風(fēng)板角度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、喂入量，通過對(duì)目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化得到最優(yōu)作業(yè)參數(shù)為喂入量4.5 kg/s、風(fēng)門開度10.2°、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 548 r/min、上、下導(dǎo)風(fēng)板角度分別為20°和0°，此時(shí)清選損失率、含雜率、二次含雜率分別為0.79%、0.40%與0.82%。臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證得到清選損失率、含雜率、二次含雜率分別為0.75%、0.38%與0.76%，與優(yōu)化結(jié)果誤差分別為5.1%、5.0%與7.3%。此研究結(jié)果可為小麥聯(lián)合收獲機(jī)多風(fēng)道清選裝置作業(yè)參數(shù)調(diào)整提供理論參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；試驗(yàn)；設(shè)計(jì)；小麥聯(lián)合收獲機(jī)；清選裝置；參數(shù)優(yōu)化

0 引 言

清選系統(tǒng)在聯(lián)合收獲機(jī)中起到了“消化系統(tǒng)”的作用，直接影響整機(jī)的工作效率與性能[1-2]，清選損失率與含雜率是衡量清選系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。近年來，隨著小麥品種改良[3]，單位產(chǎn)量逐年提升，小麥機(jī)收作業(yè)時(shí)，進(jìn)入清選系統(tǒng)作物量增大，如何提升小麥機(jī)收清選效率與性能是當(dāng)前小麥機(jī)收急需解決的問題。

雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選裝置作業(yè)時(shí)在振動(dòng)篩上方前部存在氣流，起到了預(yù)清選作用，減輕了清選負(fù)荷，防止脫出物堆積，內(nèi)部氣流場的分布有利于大喂入量收獲。目前，關(guān)于雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選裝置，國內(nèi)外專家學(xué)者主要利用有限元方法分析清選裝置內(nèi)部氣流場，研究內(nèi)部氣流場分布與物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律之間關(guān)系。Gebrehiwot等[4]對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)清選風(fēng)機(jī)中氣流場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，并用熱線風(fēng)速儀對(duì)風(fēng)速進(jìn)行測定，得出模擬結(jié)果和測定數(shù)據(jù)基本一致。江濤等[5]對(duì)單出風(fēng)口無導(dǎo)風(fēng)板、單出風(fēng)口加導(dǎo)風(fēng)板以及雙出風(fēng)口加導(dǎo)風(fēng)板3種結(jié)構(gòu)下，運(yùn)用ANSYS—FLUENT對(duì)氣流場速度進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出雙風(fēng)口加裝導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的平行于篩面的氣流更有利于降低篩面脫出物堵塞，提高清選效果。徐立章等[6]研究了多風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)，在CF803型聯(lián)合收獲機(jī)清選風(fēng)機(jī)上端增加了上出風(fēng)口，并用FLUENT對(duì)多風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流場分布進(jìn)行了仿真試驗(yàn)?zāi)M。李洪昌等[7-8]通過對(duì)物料在風(fēng)篩式清選裝置篩面的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了CFD—DEM耦合仿真，得到脫出物在清選室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。李洋等[9]運(yùn)用CFD 軟件對(duì)雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置和傳統(tǒng)單出風(fēng)口三風(fēng)道清選裝置進(jìn)行了內(nèi)部氣流場數(shù)值模擬及對(duì)比分析，得出雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置內(nèi)部氣流場分布對(duì)收獲喂入量8.0～9.0 kg/s工作環(huán)境具有更好的適應(yīng)性并開展了雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置多因素正交內(nèi)部氣流場測量試驗(yàn)。李革等[10]對(duì)在充滿氣流的清選室內(nèi)的脫出物籽粒建立動(dòng)力學(xué)模型，研究其在傾斜氣流中的運(yùn)動(dòng)狀況，得到了籽粒的運(yùn)動(dòng)軌跡及籽粒速度與氣流速度的關(guān)系曲線，為籽粒的運(yùn)動(dòng)情況研究提供了參考，同時(shí)也為清選裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了參考。

以上研究對(duì)多風(fēng)道清選裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)，但由于仿真模擬局限性，模擬結(jié)果只能表現(xiàn)一種大致趨勢(shì)，數(shù)值分析與試驗(yàn)值仍然存在較大誤差。且多風(fēng)道清選裝置參數(shù)匹配不當(dāng)會(huì)引起清選室內(nèi)風(fēng)量、風(fēng)速分布不均，造成復(fù)脫器堵塞，清選損失率、含雜率偏高[11]。目前尚未有關(guān)于小麥聯(lián)合收獲機(jī)雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選裝置全面系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化臺(tái)架試驗(yàn)的報(bào)道。本文以小麥為試驗(yàn)對(duì)象，以清選損失率、含雜率、二次含雜率為試驗(yàn)指標(biāo)，通過臺(tái)架試驗(yàn)，采用單因素試驗(yàn)和多因素試驗(yàn)，全面系統(tǒng)地研究雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選裝置風(fēng)道數(shù)量、喂入量、風(fēng)門開度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、上、下導(dǎo)風(fēng)板角度對(duì)清選作業(yè)質(zhì)量的影響，并找出影響規(guī)律與最優(yōu)參數(shù)組合，為提升聯(lián)合收獲機(jī)多風(fēng)道清選裝置作業(yè)性能提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)臺(tái)架工作原理與參數(shù)調(diào)節(jié)

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選裝置主要由離心風(fēng)機(jī)、上層魚鱗篩、下層編織篩和上、下層抖動(dòng)板等組成。

1.風(fēng)機(jī)上出風(fēng)口 2.上層抖動(dòng)板 3.下層抖動(dòng)板 4.下出風(fēng)口上風(fēng)道 5.魚鱗篩 6.編織篩 7.尾篩 8.二次輸送器 9.上導(dǎo)風(fēng)板 10.一次輸送器 11.下出風(fēng)口中間風(fēng)道 12.下出風(fēng)口下風(fēng)道 13.下導(dǎo)風(fēng)板 14.離心風(fēng)機(jī)

雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選裝置的工作原理與文獻(xiàn)[12-14]中的裝置類似。脫出物一部分掉落到上層抖動(dòng)板、另一部分掉落到下層抖動(dòng)板與魚鱗篩前端，當(dāng)脫出物經(jīng)前、后指狀篩掉落到下層抖動(dòng)板與魚鱗篩前端時(shí)，在介于上、下層抖動(dòng)板之間的風(fēng)機(jī)上出風(fēng)口風(fēng)力作用下，將一部分脫出物經(jīng)上層魚鱗篩分離和阻隔作用，輕雜余和長莖稈被直接吹出機(jī)外。風(fēng)機(jī)下出風(fēng)口的上、下兩導(dǎo)風(fēng)板將氣流分別覆蓋篩中、篩后及尾篩部分，使氣流均勻分布在整個(gè)清選室篩面，通過多層氣流吹脫以及配合振動(dòng)篩的抖動(dòng)；將籽粒、長莖稈、短莖稈、輕雜余進(jìn)行有效篩選分離，由于尾篩回升氣流速度較大，長莖稈、短莖稈輕雜余被拋出機(jī)外，在尾篩作用下，未脫凈麥穗與籽粒從較大的脫出混合物中分離出來，被二次輸送器運(yùn)送到脫粒滾筒進(jìn)行二次復(fù)脫。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)工作過程及參數(shù)

采用如圖2所示的試驗(yàn)臺(tái)架，其基本參數(shù)參照市場上小麥?zhǔn)斋@機(jī)擁有量較大的機(jī)型久保田988，主要參數(shù)如表1所示[15]。

表1 試驗(yàn)臺(tái)架主要參數(shù)

試驗(yàn)開始前，一次輸送器出口與二次輸送器出口處于打開狀態(tài)，將稱量好的小麥植株均勻鋪放到輸送帶上，隨輸送帶勻速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)喂入部分將植株送入輸送槽，經(jīng)脫粒滾筒進(jìn)行脫粒。脫粒后的大部分脫出物掉落到抖動(dòng)板上，由抖動(dòng)板落到上、下篩，伴隨振動(dòng)篩的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，受到多風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)氣流的分離與吹散作用，較輕的莖稈、輕質(zhì)雜余等成分直接吹出機(jī)外，清潔的籽粒經(jīng)一次輸送器輸出。未脫凈的籽粒、麥穗經(jīng)尾篩部分落入二次輸送器，由二次輸送器輸出。

1.輸送帶 2.喂入部分 3.脫粒滾筒 4.清選出口 5.二次輸送器 6.一次輸送器 7.多風(fēng)道清選裝置

1.3 關(guān)鍵參數(shù)調(diào)節(jié)

多風(fēng)道清選裝置關(guān)鍵參數(shù)包括喂入量、風(fēng)門開度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、上、下導(dǎo)風(fēng)板角度及魚鱗篩開度。

1）喂入量：通過調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速得到不同的輸送帶速度，實(shí)現(xiàn)喂入量調(diào)節(jié)。

2）風(fēng)門開度：如圖3a所示，風(fēng)門開度為風(fēng)門開度調(diào)節(jié)板與水平面夾角，通過風(fēng)門開度執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)風(fēng)門調(diào)節(jié)板轉(zhuǎn)動(dòng)，從而精準(zhǔn)控制風(fēng)門開度。

3）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速：如圖3b所示，通過調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

4）導(dǎo)風(fēng)板角度：如圖3c所示，上、下導(dǎo)風(fēng)板角度與為導(dǎo)風(fēng)板與垂直方向夾角，通過導(dǎo)風(fēng)板調(diào)節(jié)手柄實(shí)現(xiàn)導(dǎo)風(fēng)板角度與的調(diào)節(jié)，此部件結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)道數(shù)量為2、3、4的更換。

5）魚鱗篩開度：如圖3d所示，通過調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度，實(shí)現(xiàn)魚鱗篩開度的精確調(diào)節(jié)。

1.風(fēng)門開度調(diào)節(jié)板 2.風(fēng)門開度執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3.伺服電機(jī) 4.風(fēng)機(jī) 5.上導(dǎo)風(fēng)板 6.下導(dǎo)風(fēng)板 7.魚鱗篩片 8.調(diào)節(jié)舵機(jī)

1.Adjustment plate of wind door opening 2.Actuator of wind door opening 3.Servo motor 4.Fan 5.Upper wind deflector 6.Lower wind deflector 7.Fish scale sieve 8.Adjustable steering gear

注：表示風(fēng)門開度，(°)；表示上導(dǎo)風(fēng)板角度，(°)；表示下導(dǎo)風(fēng)板角度，(°)；表示魚鱗篩開度，(°)。

Note:is wind door opening, (°);is upper wind deflector angle, (°);is Lower wind deflector angle, (°);is fish scale sieve opening, (°).

圖3 調(diào)節(jié)部件結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.3 Schematic diagram of adjustable components

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年8月6日－18日在山東省臨沂市河?xùn)|區(qū)相公鎮(zhèn)進(jìn)行，試驗(yàn)小麥品種為臨麥4號(hào)，產(chǎn)量為6 470.8 kg/hm2，平均株高64.9 cm，平均行距23.8 cm，草谷比1.47，百粒質(zhì)量3.76 g，每平方米自然落粒損失1.7 g，籽粒平均含水率15.3%，小麥植株長勢(shì)良好。根據(jù)試驗(yàn)需求，試驗(yàn)器材包括谷物水分測量儀、電子秤、樣品袋、帆布、轉(zhuǎn)速表等。

2.2 試驗(yàn)方法

選取對(duì)雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選裝置影響較大的喂入量、風(fēng)門開度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、上、下導(dǎo)風(fēng)板角度為試驗(yàn)因素，以小麥清選損失率1、含雜率2、二次含雜率3為試驗(yàn)指標(biāo)[16]，進(jìn)行單因素和多因素試驗(yàn)。

每組試驗(yàn)前，利用電子秤將稱好的小麥植株平鋪到輸送帶上，由式（1）計(jì)算喂入量，試驗(yàn)完成后，接取清選出口產(chǎn)生的所有脫出物，人工篩分其中籽粒質(zhì)量1；接取一次輸送器出口輸出物，稱其質(zhì)量m；人工清選出其中籽粒質(zhì)量；接取二次輸送器出口輸出物，稱其質(zhì)量2；人工清選出其中籽粒質(zhì)量。試驗(yàn)中一次輸送器和二次輸送器出口均處于打開狀態(tài)；取樣3次并求平均值，由式（2）、（4）、（5）分別計(jì)算清選損失率、含雜率以及二次含雜率[17]。

喂入量[18-19]：

=××（1）

式中為喂入量，kg/s；為輸送帶寬度，m；為輸送帶傳動(dòng)速度，m/s；為輸送帶中單位面積鋪放小麥植株總質(zhì)量，kg/m2。

清選損失率：

其中

含雜率：

二次含雜率：

式中S為清選損失率，%；W為每組試驗(yàn)總籽粒質(zhì)量，g；1為清選損失籽粒質(zhì)量，g；W為一次輸送器口籽粒質(zhì)量，g；W為二次輸送器口籽粒質(zhì)量，g；Z為含雜率，%；m為含雜樣品總質(zhì)量，g；C為二次含雜率，%；m為二次含雜樣品總質(zhì)量，g。

3 脫出物飄浮速度及清選篩面風(fēng)速分布測試

3.1 脫出物飄浮速度

利用物料懸浮速度試驗(yàn)臺(tái)（PS-20）對(duì)小麥籽粒、莖稈、輕質(zhì)雜草、穎殼4種成分進(jìn)行飄浮速度試驗(yàn)，每種成分測10次取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。此結(jié)果為脫出物篩選提供參考依據(jù)。

表2 脫出物飄浮速度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 清選篩面風(fēng)速分布測試

雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選裝置振動(dòng)篩測點(diǎn)分布示意圖，如圖4所示。在無脫出物條件下，使用手持式AR866型風(fēng)速風(fēng)量計(jì)對(duì)清選室不同位置布點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速測定，在軸方向均勻設(shè)定9個(gè)測量點(diǎn)，在軸方向均勻設(shè)定5個(gè)測量點(diǎn)，為避免觸碰篩面，選取篩面上方50 mm作為風(fēng)速測量面。

注：X、Y、Z分別為振動(dòng)篩縱向、橫向和垂直向坐標(biāo)。

根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)調(diào)節(jié)范圍，選取風(fēng)門開度10°、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 400 r/min、上、下導(dǎo)風(fēng)板角度10°。分別對(duì)風(fēng)道數(shù)量為2、3、4時(shí)的篩面風(fēng)速測定，由于經(jīng)離心風(fēng)機(jī)由上導(dǎo)風(fēng)板出來的氣流主要吹向篩面前、中部，大部分脫出物集中此位置，氣流可以將脫出物實(shí)現(xiàn)有效分離與分層，因此當(dāng)導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量為1，即風(fēng)道數(shù)量為3時(shí)，開啟上導(dǎo)風(fēng)板。選取風(fēng)道數(shù)量分別為2、3、4時(shí)截面上的風(fēng)速作為試驗(yàn)結(jié)論分析值，篩面和尾篩出風(fēng)口區(qū)域氣流風(fēng)速滿足6.0～9.8 m/s的條件下，清選物料和莖稈雜余等能夠?qū)崿F(xiàn)有效篩選[20]。得到篩前、篩中、篩后和尾篩的平均風(fēng)速。試驗(yàn)共3組，每組測3次求平均值后，測得風(fēng)速如表3所示。

表3 風(fēng)速測量結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 風(fēng)道數(shù)量

對(duì)風(fēng)道數(shù)量分別為2、3、4時(shí)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，得出當(dāng)風(fēng)道數(shù)量為4，即雙出風(fēng)口四風(fēng)道時(shí)清選性能最佳，清選損失率和含雜率分別為0.78%、0.48%；此時(shí)篩前風(fēng)速為9.6 m/s、篩中風(fēng)速為8.4 m/s、篩后風(fēng)速為6.2 m/s、尾篩風(fēng)速為7.4 m/s，表3與表2數(shù)據(jù)比較，當(dāng)風(fēng)道數(shù)量為4時(shí)，篩面上各點(diǎn)風(fēng)速均能滿足清選作業(yè)條件。選取喂入量、風(fēng)門開度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及上、下導(dǎo)風(fēng)板角度作為試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行單因素與多因素試驗(yàn)。

4.2 單因素試驗(yàn)

結(jié)合現(xiàn)有研究并根據(jù)黃淮海地區(qū)小麥聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)[21-22]，選定單因素試驗(yàn)取值區(qū)間如下：喂入量4.5～7.7 kg/s、風(fēng)門開度0°～40°、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速800～1 800 r/min、上、下導(dǎo)風(fēng)板角度?20°～20°。每組試驗(yàn)固定其中4個(gè)試驗(yàn)因素，研究另外1個(gè)因素變化時(shí)，清選損失率、含雜率及二次含雜率的變化規(guī)律。單因素試驗(yàn)時(shí)，固定因素取值為：喂入量5.1 kg/s、風(fēng)門開度20°、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 400 r/min、上、下導(dǎo)風(fēng)板角度0°。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 清選損失率、含雜率、二次含雜率隨各單因素變化規(guī)律

由圖5a可知，隨著喂入量增加，清選損失率、含雜率及二次含雜率呈上升趨勢(shì)，當(dāng)喂入量為4.5 kg/s時(shí)，清選損失率、含雜率、二次含雜率最優(yōu)。選取喂入量為4.5～5.8 kg/s作為小麥臺(tái)架試驗(yàn)樣機(jī)清選性能較優(yōu)的作業(yè)區(qū)間。由圖5b可知，隨著風(fēng)門開度增大，清選損失率與含雜率，兩者趨勢(shì)變化不明顯，二次含雜率隨著風(fēng)門開度增大下降，當(dāng)風(fēng)門開度為0時(shí)，清選損失率最低，含雜率較穩(wěn)定，且含雜率符合國家標(biāo)準(zhǔn)（≤2.0%）[23]，結(jié)合多風(fēng)道清選裝置對(duì)風(fēng)量、風(fēng)速、氣流場分布的影響規(guī)律和植株的生物學(xué)特性，風(fēng)門開度在0°～20°為清選性能較優(yōu)的作業(yè)區(qū)間。由圖5c可知，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，清選損失率先平穩(wěn)后升高，含雜率及二次含雜率降低。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200～1 600 r/min時(shí)，此時(shí)清選損失率、含雜率都較低且二次含雜率適中，為清選性能較優(yōu)的作業(yè)區(qū)間。小麥?zhǔn)斋@過程中脫出物主要為小麥籽粒、短莖稈、長莖稈及輕質(zhì)雜余，其中輕質(zhì)雜余的飄浮速度最低為4.5 m/s，相應(yīng)地取風(fēng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，而適合小麥清選的最大風(fēng)速為 9.8 m/s，相應(yīng)地選取最高轉(zhuǎn)速為1 600 r/min。如圖5d所示，上導(dǎo)風(fēng)板角度為0°～20°時(shí)，清選損失率與二次含雜率降低，含雜率緩慢升高。此參數(shù)區(qū)間既能保證較低的損失率與二次含雜率，又能使含雜率符合國家標(biāo)準(zhǔn)（≤2.0%），清選性能較優(yōu)。由圖5e可知：隨著上導(dǎo)風(fēng)板角度增大，清選損失率、二次含雜率降低，含雜率緩慢升高，下導(dǎo)風(fēng)板角度在0°～20°時(shí)清選效果較優(yōu)，滿足清選性能要求。

4.3 多因素試驗(yàn)

應(yīng)用Design-Expert 10.0進(jìn)行五因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平編碼如表4所示，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表5所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

表4 因素水平編碼表

表5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

注：1表示清選損失率，%；2表示含雜率，%；3表示二次含雜率，%。a～e為A～E的水平．

Note:1is cleaning loss rate, %;2is impurity rate, %;3is secondary impurity rate, %. a-e are levels of A-E, respectively.

4.3.1 試驗(yàn)結(jié)果回歸分析

根據(jù)表5試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)清選損失率、含雜率、二次含雜率進(jìn)行方差分析，去除不顯著項(xiàng)，結(jié)果如表6。得到有關(guān)清選損失率、含雜率、二次含雜率的回歸方程如式（6）～（8）所示。

1=0.58+0.2+0.34-0.11-0.14+0.182（6）

2=1.16+0.16?0.66+0.15+0.16?0.18+

0.14?0.0932+0.12（7）

3=2.81+0.36?0.24?0.66?0.58?

0.26?0.53?0.672（8）

由表6可知，清選損失率、含雜率、二次含雜率模型值均＜0.01，表明該回歸模型非常顯著。其決定系數(shù)2分別為0.915 6、0.952 2、0.856 7，表明響應(yīng)值變化可由模型1、2、3解釋；清選損失率、含雜率、二次含雜率模型失擬項(xiàng)值分別為0.408 9、0.929 7、0.748 8，均大于0.05，說明該試驗(yàn)產(chǎn)生的誤差很小，模型合理，可用模型1、2、3對(duì)清選損失率、含雜率、二次含雜率的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測。

表6 各指標(biāo)方差分析

注：<0.01表示非常顯著，<0.05表示顯著。

Note:<0.01means very significant,<0.05 means significant.

4.3.2 各因素影響效應(yīng)分析

貢獻(xiàn)值能反映出單個(gè)因素對(duì)所建立回歸模型的影響程度[24]，貢獻(xiàn)值越大，影響程度就越大。去除不顯著因素，各因素對(duì)不同指標(biāo)的貢獻(xiàn)值如表7。

表7 各因素對(duì)不同指標(biāo)的貢獻(xiàn)值

各因素對(duì)清選損失率貢獻(xiàn)值的大小順序?yàn)轱L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（）>喂入量（）>上導(dǎo)風(fēng)板角度（）>風(fēng)門開度（）>下導(dǎo)風(fēng)板角度（）；對(duì)含雜率貢獻(xiàn)值的大小順序?yàn)轱L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（）>上導(dǎo)風(fēng)板角度（）>下導(dǎo)風(fēng)板角度（）>喂入量（）>風(fēng)門開度（）；對(duì)二次含雜率貢獻(xiàn)值的大小順序?yàn)樯蠈?dǎo)風(fēng)板角度（）>風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（）>喂入量（）>下導(dǎo)風(fēng)板角度（）>風(fēng)門開度（）。

4.3.3 試驗(yàn)因素交互作用影響分析

由表6各指標(biāo)方差分析表可知，對(duì)清選損失率影響顯著的交互項(xiàng)為，對(duì)含雜率影響顯著的交互項(xiàng)為、，對(duì)二次含雜率影響顯著的交互項(xiàng)為，各因素交互作用如圖6所示。

圖6a為其他因素固定在0水平時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)門開度交互作用對(duì)清選損失率的影響，當(dāng)風(fēng)門開度一定時(shí)，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，清選損失率增大，這主要是因?yàn)榇蟛糠置摮鑫锿ㄟ^脫粒滾筒的分離作用，經(jīng)抖動(dòng)板掉落到篩前，未脫凈麥穗和籽粒在透篩之前，以夾帶損失的形式被吹出機(jī)外，增大了清選損失率；當(dāng)風(fēng)門開度處于高水平時(shí)，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，清選損失率變化幅度增加，這是由于風(fēng)速與風(fēng)量呈正相關(guān)，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，此時(shí)未脫凈麥穗與小麥籽粒所受到的風(fēng)力大于其本身飄浮速度的量逐漸增大，使清選損失率變化幅度增加；當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定，隨著風(fēng)門開度增大，清選損失率升高，由于風(fēng)壓一定時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)量成正比，即篩面不同區(qū)域的脫出混合物所受到的風(fēng)速相對(duì)增大，更多的籽粒以夾帶損失的形式被吹出機(jī)外。

圖6b為風(fēng)門開度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)含雜率的影響，當(dāng)風(fēng)門開度一定時(shí)，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，含雜率降低，這主要是因?yàn)榻?jīng)下導(dǎo)風(fēng)板的氣流主要吹向篩中、篩下部分，此時(shí)脫出物從脫粒滾筒下落過程中，莖稈和輕雜余被吹出機(jī)外，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，有助于將莖稈和輕雜余排出室外，含雜率降低[25-26]；隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由高向低水平的變化且風(fēng)門開度水平增大時(shí)，含雜率下降，這是因?yàn)楫?dāng)離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓一定時(shí)，風(fēng)速與風(fēng)量呈正比，吹向篩面與尾篩部分的風(fēng)速相對(duì)增大，更多的莖稈、輕質(zhì)雜余等脫出混合物受到的風(fēng)力大于本身飄浮速度，被吹出機(jī)外，含雜率降低。

圖6c為下導(dǎo)風(fēng)板與喂入量交互作用對(duì)含雜率的影響，當(dāng)喂入量一定，調(diào)節(jié)下導(dǎo)風(fēng)板角度，分別影響氣流與風(fēng)量吹到篩面中、后部和尾篩的風(fēng)速和風(fēng)量，對(duì)含雜率有直接影響[27-28]。由于交互作用，當(dāng)下導(dǎo)風(fēng)板處于高、中、低水平時(shí)，喂入量對(duì)含雜率影響的顯著程度不同，當(dāng)下導(dǎo)風(fēng)板處于低水平時(shí)，隨著喂入量的增加，含雜率上升。相比上導(dǎo)風(fēng)板，含雜率受下導(dǎo)風(fēng)板角度的影響更顯著，當(dāng)下導(dǎo)風(fēng)板角度增大時(shí)，含雜率升高幅度增加，這是因?yàn)橄聦?dǎo)風(fēng)板角度增大時(shí)，風(fēng)向后移，當(dāng)?shù)竭_(dá)尾篩時(shí)風(fēng)速減弱，伴隨喂入量的增大，短莖稈、輕雜余不能有效吹出機(jī)外，含雜率升高。

圖6d為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與上導(dǎo)風(fēng)板角度交互作用對(duì)二次含雜率的影響，當(dāng)上導(dǎo)風(fēng)板角度處于高、中、低水平時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)二次含雜率的影響顯著不同，當(dāng)上導(dǎo)風(fēng)板角度處于低水平時(shí)，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，二次含雜率呈緩慢下降趨勢(shì)，由于下出風(fēng)口上風(fēng)道截面最小，同時(shí)下出風(fēng)口中間風(fēng)道截面變大，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，下出風(fēng)口上風(fēng)道風(fēng)速快速升高，而此時(shí)吹向篩中風(fēng)速也逐漸升高，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在0水平時(shí)，隨著上導(dǎo)風(fēng)板角度增大，下出風(fēng)口中間風(fēng)道截面減小，吹向篩中、后部風(fēng)速升高，更多的莖稈及雜余被吹出機(jī)外，二次含雜率下降，當(dāng)風(fēng)速為高水平時(shí)，由于吹向篩前、篩中的風(fēng)速已大于莖稈、雜質(zhì)等的飄浮速度，且吹向篩尾風(fēng)速變化不大，二次含雜率呈緩慢下降趨勢(shì)。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與上導(dǎo)風(fēng)板角度水平增加時(shí)，在物料還未到達(dá)篩面前，受到吹脫力與風(fēng)速的作用逐步增強(qiáng)、且風(fēng)速大于莖稈與輕質(zhì)雜余的飄浮速度，使其更易吹出機(jī)外，二次含雜率下降。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與上導(dǎo)風(fēng)板角度分別處于低水平與高水平時(shí)，二次含雜率最高，這主要是因?yàn)樯蠈?dǎo)風(fēng)板角度一定且風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速最低時(shí)，尾篩上的物料易進(jìn)入二次復(fù)脫攪龍，使二次含雜率升高。

圖6 交互因素對(duì)各指標(biāo)的影響

5 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為實(shí)現(xiàn)多風(fēng)道小麥聯(lián)合收獲機(jī)最佳的收獲性能，要求清選損失率、含雜率及二次含雜率最小，依據(jù)響應(yīng)面交互作用對(duì)清選損失率、含雜率以及二次含雜率的影響可得：為使清選損失率較低，需要風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低、喂入量小、上導(dǎo)風(fēng)板角度大；為使含雜率較低，需要風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高、上、下導(dǎo)風(fēng)板角度大；為使二次含雜率較低，需要上導(dǎo)風(fēng)板角度大、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高、喂入量小。為得到最優(yōu)的匹配參數(shù)，對(duì)多因素加以約束求最優(yōu)解，設(shè)定約束條件為

運(yùn)用Design-Expert 10.0對(duì)各參數(shù)優(yōu)化并求解，得到最優(yōu)參數(shù)組合為：喂入量4.5 kg/s，風(fēng)門開度10.2°，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 548 r/min，上導(dǎo)風(fēng)板角度為20°，下導(dǎo)風(fēng)板角度為0°。此時(shí)清選損失率、含雜率、二次含雜率分別為0.79%、0.40%與0.82%。

為驗(yàn)證以上優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，小麥長勢(shì)、生物學(xué)特性及試驗(yàn)方法都與臺(tái)架試驗(yàn)相同，在最優(yōu)參數(shù)組合條件下重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表8。

根據(jù)中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[23]，要求清選損失率≤1.2%，含雜率≤2%，試驗(yàn)測得清選損失率、含雜率以及二次含雜率平均值分別為0.75%、0.38%與0.76%，均小于該標(biāo)準(zhǔn)，與優(yōu)化結(jié)果相對(duì)誤差分別為5.1%、5.0%與7.3%，優(yōu)化模型可靠。

6 結(jié) 論

1）通過單因素臺(tái)架試驗(yàn)，研究分析了小麥聯(lián)合收獲機(jī)雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選裝置清選損失率、含雜率、二次含雜率隨相關(guān)參數(shù)變化規(guī)律，得出喂入量較優(yōu)的作業(yè)區(qū)間為4.5～5.8 kg/s；風(fēng)門開度較優(yōu)的作業(yè)區(qū)間為0°～20°；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較優(yōu)的作業(yè)區(qū)間為1 200～1 600 r/min；上、下導(dǎo)風(fēng)板角度較優(yōu)的作業(yè)區(qū)間均為0°～20°；清選裝置最優(yōu)風(fēng)道數(shù)量為4。

2）通過臺(tái)架試驗(yàn)，利用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)清選損失率、含雜率、二次含雜率影響因素的顯著性進(jìn)行分析，建立了清選損失率、含雜率、二次含雜率與喂入量、風(fēng)門開度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及上、下導(dǎo)風(fēng)板角度的數(shù)學(xué)模型。所得試驗(yàn)結(jié)果由響應(yīng)面分析方法進(jìn)行分析，得出各指標(biāo)下試驗(yàn)因素貢獻(xiàn)值的大小排序。對(duì)清選損失率影響較大的因素為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、喂入量、上導(dǎo)風(fēng)板角度；對(duì)含雜率影響較大的因素為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、上導(dǎo)風(fēng)板角度、喂入量、下導(dǎo)風(fēng)板角度；對(duì)二次含雜率影響較大的因素為上導(dǎo)風(fēng)板角度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與喂入量。

3）通過Design-Expert 10.0建立了多風(fēng)道小麥聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化模型，得到清選損失率、含雜率以及二次含雜率最小時(shí)的作業(yè)參數(shù)優(yōu)化組合為喂入量4.5 kg/s、風(fēng)門開度10.2°、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 548 r/min、上導(dǎo)風(fēng)板角度20°、下導(dǎo)風(fēng)板角度0°，此時(shí)清選損失率、含雜率以及二次含雜率分別為0.79%、0.40%與0.82%。臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果為清選損失率0.75%、含雜率0.38%、二次含雜率0.76%。

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Experimental study on double air outlet multi-ducts cleaning device of wheat combine harvester

Jin Chengqian1,2, Li Qinglun2, Ni Youliang1, Wang Ting’en2, Yin Xiang2

(1.,,210014,; 2.,,255000,)

Aimed at the problem of high cleaning loss rate, impurity rate and secondary impurity rate due to improper adjustment of main operating parameters of wheat combine harvester double-outlet multi-dults cleaning device, single factor and multi-factor optimization tests that took feed amount, wind door opening, fan speed, upper and lower wind deflector angles as main test factors were conducted. The influences of each test factor on the cleaning loss rate, impurity rate, and secondary impurity rate were studied to find the optimal parameter combination.Firstly, referring to the relevant parameters of Kubota 988 model, which has a large amount of wheat harvester in the market, a test-bed with double air outlet multi-ducts for combine harvesters was built. When there were four ducts, the wheat cleaning loss rate 0.78% and impurity rate 0.48% were the lowest compared to the two or three ducts. Moreover, through single factor test of double air outlet four ducts cleaning device, the optimal range of feed amountwas determined from 4.5 to 5.8 kg/s, wind door opening was 0°-20°, fan speed was 1 200-1 600 r/min, upper and lower wind deflector angles were 0°-20°. The results of single factor test showed that the cleaning loss rate increased with the increase of the feed amount and fan speed, and decreased with the increase of the upper and lower wind deflector angles; the impurity rate decreased with the increase of fan speed, and increased with the increase of the feed amount and upper and lower wind deflector angles; the secondary impurity rate increased with the increase of feed amount, and decreased with the increase of the wind door opening, fan speed and upper and lower wind deflector angles. The multi factor bench test and the orthogonal test with five factors and three levels were carried out by using the Box Behnken center combination test design theory. The regression equations about the cleaning loss rate, impurity rate and secondary impurity rate were obtained. The results showed that the factors of fan speed, feed amount, upper wind deflector angle had significant impact on the cleaning loss rate, the factors of fan speed, upper and lower wind deflector angles have impact on the impurity rate, and the factors of upper wind deflector angle, the fan speed and the feeding amount have significant influence on the secondary impurity rate. Through optimization of the target parameters, the optimal parameters combination were the feeding amount 4.5 kg/s, the wind door opening 10.2°, the fan speed 1 548 r/min, the upper and lower wind deflector angles 20° and 0°, at this time, the cleaning loss rate, impurity rate and secondary impurity rate were 0.79%, 0.40% and 0.82% respectively. Furthermore, the bench test under the optimal parameter combination conditionwas carried out to verify the accuracy of the optimal results. The results of bench test showed that the cleaning loss rate, impurity rate and secondary impurity rate were 0.75%, 0.38% and 0.76% respectively, and the error between test results and optimization results were5.1%, 5.0% and 7.3% respectively. The results of this study can provide the references for the adjustment operating parameters and technical support for improving the performance of the multi-ducts cleaning device of the combine harvester.

agricultural machinery; test; design; wheat combine harvester; cleaning device; parameter optimization

金誠謙，李慶倫，倪有亮，等. 小麥聯(lián)合收獲機(jī)雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選作業(yè)試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(10)：26-34.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.004 http://www.tcsae.org

Jin Chengqian, Li Qinglun, Ni Youliang, et al. Experimental study on double air outlet multi-ducts cleaning device of wheat combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 26-34. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.004 http://www.tcsae.org

2019-11-21

2020-04-25

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（CARS-04-PS26）；山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2018YF006）；山東省高等學(xué)校優(yōu)勢(shì)學(xué)科人才團(tuán)隊(duì)培育計(jì)劃項(xiàng)目（2016-2020）；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)基金項(xiàng)目

金誠謙，博士，研究員，主要從事大田作物種植與收獲機(jī)械化與智能化技術(shù)研究。Email：412114402@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.004

S233.4

A

1002-6819(2020)-10-0026-09