軸流式花生撿拾收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王伯凱 胡志超 曹明珠 張 鵬 于昭洋 張 沖

(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

花生是我國(guó)重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物。目前，我國(guó)花生主產(chǎn)區(qū)收獲仍以小型挖掘機(jī)為主，耗時(shí)、耗力，效率低、成本高，嚴(yán)重制約了花生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1-6]。花生撿拾收獲機(jī)可對(duì)攤鋪的花生秧蔓進(jìn)行高效便捷的撿拾收獲。由于花生品種及晾曬后秧蔓含水率不同，導(dǎo)致?lián)焓奥实?、莢果損失率高(包括撿拾莢果掉落和撿拾、摘果過程中的莢果破損)、生產(chǎn)率低下，這已經(jīng)成為我國(guó)花生生產(chǎn)亟待解決的難題。

針對(duì)花生撿拾收獲技術(shù)，國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行了很多理論和試驗(yàn)研究。國(guó)外有KMC、AMADAS的鏟鏈組合式和PEARMAN 公司的鏟夾組合式系列花生撿拾收獲機(jī)，這幾種機(jī)型技術(shù)先進(jìn)、成熟度高，但其生產(chǎn)模式和花生品種與國(guó)內(nèi)存在差異，并且價(jià)格昂貴，難以適應(yīng)中國(guó)花生生產(chǎn)的實(shí)際需求[7]。陳中玉等[8]進(jìn)行了彈齒式花生撿拾收獲機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)研究，在花生撿拾、摘果損傷理論和技術(shù)上取得了突破；王東偉等[9]研制了背負(fù)式花生撿拾摘果收獲機(jī)，該機(jī)可一次完成花生撿拾、輸送、摘果、清選、集果等作業(yè)，性能良好；胡志超團(tuán)隊(duì)[10]研制了多款花生撿拾收獲機(jī)，并對(duì)關(guān)鍵工作部件進(jìn)行深入研究，在撿拾機(jī)理、低損摘果、清選等方面取得了突破。軸流式花生撿拾收獲機(jī)能減輕整機(jī)重量、降低成本，但目前對(duì)其整機(jī)結(jié)構(gòu)組配、參數(shù)優(yōu)化和對(duì)收獲質(zhì)量的影響研究較少。

本文以自行研制的軸流式全喂入花生撿拾收獲機(jī)為基礎(chǔ)，針對(duì)影響撿拾收獲質(zhì)量的瓶頸問題，結(jié)合花生攤鋪晾曬農(nóng)藝特點(diǎn)，確定關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行收獲質(zhì)量試驗(yàn)研究，為明晰關(guān)鍵部件的工作機(jī)理、優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)及試驗(yàn)參數(shù)、提高綜合質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

花生撿拾聯(lián)合收獲工藝與技術(shù)路線如圖1所示。軸流式花生撿拾收獲機(jī)主要參數(shù)如表1所示，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由撿拾裝置、輸送裝置、摘果裝置、清選裝置、底盤系統(tǒng)、提升裝置、集果箱等組成，可一次完成挖掘后田間條鋪花生植株的撿拾輸送、果蔓脫離、果雜清選、提升集果等工序。

表1 總體結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)鍵部件工作參數(shù)Tab.1 Structural and working parameters of test-bed

收獲機(jī)工作時(shí)，撿拾裝置隨行走系統(tǒng)以一定速度前進(jìn)，隨著撿拾滾筒上彈齒的撥轉(zhuǎn)，田間條鋪花生植株被引入螺旋葉片左右分布的螺旋輸送器，經(jīng)螺旋輸送器集中后推送到輸送機(jī)構(gòu)，再由鏈耙式輸送器推送經(jīng)喂入口進(jìn)入摘果裝置進(jìn)行果秧分離，然后在清選裝置中經(jīng)分離、除雜后的凈莢果由提升裝置導(dǎo)入果箱，碎秧、雜余由負(fù)壓風(fēng)機(jī)引入集秧箱。尾部碎秧、雜余經(jīng)機(jī)尾負(fù)壓風(fēng)機(jī)引拋到機(jī)身后已撿拾區(qū)，最后由高位卸果裝置將果箱內(nèi)莢果卸出，完成收獲。

2 撿拾裝置設(shè)計(jì)

2.1 花生幾何參數(shù)及力學(xué)特性

試驗(yàn)對(duì)象為攤鋪晾曬后的花生株系，試驗(yàn)前先用花生挖掘機(jī)有序起秧、振動(dòng)去土后自然落地按序疊層鋪放至原種穴一側(cè)，如圖3所示,W為試驗(yàn)幅寬，mm;Z為鋪放間距，mm;S為花生株系條鋪寬度，mm;h為秧蔓層疊高度，mm。以主產(chǎn)區(qū)典型品種“開農(nóng)61”為試驗(yàn)對(duì)象，經(jīng)統(tǒng)計(jì)該品種的帶果高度為(400±20)mm，莖稈中徑(8±1)mm；結(jié)果區(qū)域中徑為(135±10)mm，結(jié)果區(qū)域高度為(150±10)mm，果柄直徑(1±0.5)mm，果殼厚度為在1.0～2.6 mm，平均為2.1 mm，單個(gè)莢果的質(zhì)量在1.5～3.4 g，平均為2.5 g，由于莢果在機(jī)械化撿拾過程中極易損傷、脫落，了解其力學(xué)特性可為撿拾機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。研究表明，其力學(xué)特性受含水率影響較大，果柄的臨界脫落力一般為4.0～7.2 N，果殼臨界破損力一般為24.2～40.6 N。

2.2 彈齒撿拾裝置

撿拾是花生撿拾收獲機(jī)的核心技術(shù)，撿拾過程中要求保持花生植株的完整性，防止或減少漏撿、落果及莢果損傷。撿拾質(zhì)量也直接影響后續(xù)摘果、清選的質(zhì)量。撿拾裝置(圖4)主要由左側(cè)板、撿拾彈齒、弧形護(hù)罩、彈齒座、傳動(dòng)軸、壓秧?xiàng)U、支撐圓盤、右側(cè)板及鏈輪等組成，撿拾裝置的主要參數(shù)有撿拾彈齒長(zhǎng)度、彈齒直徑及弧形護(hù)罩間距。撿拾裝置作用是有序撿秧、平穩(wěn)輸秧及平順?biāo)脱?，需要解決的主要問題是莢果漏撿、落果及莢果損傷。

2.2.1彈齒與秧蔓、莢果作用力學(xué)分析

彈齒與秧蔓、莢果的作用如圖5所示。莢-柄脫離、莢果的破損是由撿拾裝置旋轉(zhuǎn)扯拉和彈性挑撥使花生秧蔓、莢果瞬間由靜止做變速運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生的沖擊合力克服秧蔓、莢果與秧蔓群的纏繞交織混合力，導(dǎo)致秧蔓、莢果被彈齒組件撿拾。此過程中部分莢果受彈齒挑撥沖擊、旋轉(zhuǎn)扯拉及滑移摩擦作用，莢果破損或莢果與果柄斷開，莢果落至地面，造成收獲損失，影響整機(jī)收獲質(zhì)量。

為探尋影響花生莢-柄的脫離、莢果的破損力學(xué)機(jī)理，將受力莢果簡(jiǎn)化成球形分析(圖6)，收獲機(jī)以速度vm向前運(yùn)動(dòng)，條鋪秧蔓與彈齒接觸瞬間，由于彈齒轉(zhuǎn)速高，花生莢果在彈齒組的撞擊作用下，迅速產(chǎn)生一個(gè)速度vj，即在極短時(shí)間內(nèi)，花生莢果的速度由0迅速增大到vj，此過程中，花生莢果與彈齒組發(fā)生劇烈碰撞，彈齒組部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為花生莢果動(dòng)量，花生莢果受到較大的沖擊力Fj，根據(jù)動(dòng)量定理，符合關(guān)系式[11-15]

(1)

(2)

(3)

式中mt——彈齒質(zhì)量，取0.41 kg

vt——撞擊時(shí)彈齒線速度，m/s

k1——碰撞瞬間莢果個(gè)數(shù)，取5

Δt——碰撞時(shí)間，s

dk——莢果果殼厚度，為0.81～2.78 mm

撿拾碰撞瞬間，蔓果層與彈齒組往往發(fā)生碰撞滑動(dòng)摩擦力，導(dǎo)致果柄斷裂造成落果損失，當(dāng)該力小于根柄或果柄連接力時(shí)，花生莢果不能從株系脫落，此時(shí)應(yīng)符合關(guān)系式[16-19]

(4)

式中k2——碰撞瞬間植株個(gè)數(shù)，取2

μ1——莢果與彈齒接觸動(dòng)摩擦因數(shù)，取0.5

Fb——果柄脫離力，N

δ——莢果下滑方向與重力方向夾角，(°)

g——重力加速度，m/s2

由式(4)可得Fj≤14.18 N時(shí)，莢果落果率較低。

為減少撿拾落果損失，花生莢果撞擊后產(chǎn)生的碰撞滑擦力應(yīng)小于花生莢果最大脫離力且應(yīng)盡可能小，在材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)一定條件下，決定彈齒轉(zhuǎn)動(dòng)能量和沖擊力的因素主要是彈齒轉(zhuǎn)速，式(1)計(jì)算前提是彈齒組轉(zhuǎn)速為60 r/min，彈齒轉(zhuǎn)速越低，莢果落果損失越小，但撿拾效率越低，因此選擇合理的彈齒轉(zhuǎn)速區(qū)間至關(guān)重要，根據(jù)文獻(xiàn)[17，20]，不同作業(yè)條件下，彈齒轉(zhuǎn)速一般為50～90 r/min。

2.2.2弧形護(hù)罩設(shè)計(jì)

弧形護(hù)罩的作用是輔助撿拾彈齒完成有序撿秧、平穩(wěn)輸秧及平順?biāo)脱?，在撿拾彈齒挑撿秧蔓旋轉(zhuǎn)上升過程中，部分莢果會(huì)進(jìn)入兩相鄰彈齒間隙內(nèi)(圖7)，造成莢果被弧形護(hù)罩內(nèi)側(cè)拉扯掉落或造成表面損傷，因此研究相鄰弧形護(hù)罩間距與莢果作用關(guān)系十分重要。

花生莢果三軸尺寸如圖8所示，其三軸尺寸定義為：長(zhǎng)度xj(x方向)、厚度yj(y方向，兩子葉結(jié)合面的垂直方向)、寬度zj(z方向),根據(jù)圖7，撿拾彈齒弧形護(hù)罩共同配合完成帶果秧蔓的撿拾和旋轉(zhuǎn)輸運(yùn)，應(yīng)滿足條件

(5)

式中d——相鄰兩弧形護(hù)罩間的距離，mm

S——花生植株條鋪寬度，mm

kz——彈齒弧形護(hù)罩寬度，mm

田間統(tǒng)計(jì)分析表明，含水率低于20%時(shí)，“開農(nóng)61”莢果的三軸平均尺寸為25、12、13 mm，而植株平均長(zhǎng)度為400 mm，因此，取d為10 mm，為使彈齒穩(wěn)定托撐秧蔓及莢果，每株橫向花生株系在被撿拾上升過程中，由3根撿拾彈齒支撐，取kz為150 mm。

3 摘果裝置設(shè)計(jì)

3.1 摘果裝置結(jié)構(gòu)及摘果機(jī)理

軸流式花生撿拾收獲機(jī)摘果裝置主要由左右側(cè)板、進(jìn)秧口、釘齒摘果滾筒、導(dǎo)流板、凹板篩、排秧口、螺旋輸送器、主帶輪構(gòu)成(圖9)。左側(cè)主帶輪可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的輸入，進(jìn)秧口位于導(dǎo)流板左前方，釘齒摘果滾筒位于導(dǎo)流板與主凹板篩之間，其右下方為螺旋輸送器。

沿進(jìn)秧口進(jìn)入的待摘花生植株，一方面在導(dǎo)流板引導(dǎo)作用下，沿釘齒摘果滾筒自左向右半螺旋流動(dòng)(圖10)，同時(shí)在高速旋轉(zhuǎn)的摘果滾筒帶動(dòng)下沿周向做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此過程中花生植株受到導(dǎo)流板的摩擦與釘齒摘果滾筒旋轉(zhuǎn)撞擊、揉搓，分離成斷枝斷秧和莢果，在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下被甩到主、副凹板篩柵條的空隙中，莢果在重力下穿過空隙落到下方的振動(dòng)篩上，斷枝殘秧則通過排秧口排到機(jī)外。

釘齒摘果滾筒主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:釘齒摘果滾筒回轉(zhuǎn)直徑D與長(zhǎng)度L、凹版篩間距L1、摘果釘齒排數(shù)M3、摘果滾筒轉(zhuǎn)速n等。

3.2 莢果與導(dǎo)流板接觸受力分析

莢果在導(dǎo)流板碰撞摩擦作用下(圖11)，沿釘齒摘果滾筒自右向左軸向流動(dòng)過程中，莢果與植株脫離時(shí)，需滿足

(6)

式中N1——莢果受秧蔓群合力，N

θ——導(dǎo)流板導(dǎo)流角，(°)

Fl——果柄、莢果分離力，N

f1——導(dǎo)流板對(duì)莢果的摩擦力，N

k3——碰撞瞬間莢果個(gè)數(shù)

μ2——莢果與導(dǎo)流板間動(dòng)摩擦因數(shù)

莢果果殼臨界破損力一般在24.2～40.6 N，結(jié)合式(6)，N1應(yīng)滿足

(7)

3.3 摘果滾筒長(zhǎng)度及直徑的確定

釘齒摘果滾筒的長(zhǎng)度以及面板寬度的取值直接關(guān)系到摘果時(shí)間的長(zhǎng)短，從而影響到莢果的摘凈率以及生產(chǎn)效率。摘果時(shí)間越長(zhǎng)，摘果率就越大。為了提高花生摘果過程中的摘果率，需要給花生摘果留有充分的時(shí)間；又由于進(jìn)入到摘果輥筒內(nèi)的花生植株是做螺旋運(yùn)動(dòng)，且滾筒越長(zhǎng)，莢果被打擊次數(shù)越多，摘凈率越高，但莢果破損率也隨之升高，摘果滾筒長(zhǎng)度為[21]

(8)

式中a——齒跡距，mm

Z——單排摘果釘齒個(gè)數(shù)

K——螺線頭數(shù)

l1——端部釘齒到滾筒端部距離，mm

為提高摘果效率同時(shí)降低摘果功耗，摘果釘齒在滾筒上呈單螺旋排列，谷物脫粒滾筒單排摘果釘齒個(gè)數(shù)Z設(shè)計(jì)為30，齒跡距一般為25～50 mm，結(jié)合滾筒空間布置，取l1=25 mm，a=40 mm，則可得摘果滾筒長(zhǎng)度為1 210 mm。

摘果滾筒直徑為

(9)

式中h2——摘果釘齒高度，mm

S3——每排摘果釘齒展開間距，mm

摘果滾筒直徑太小容易纏繞花生秧蔓，造成堵塞，降低摘果效率，直徑過大則加大功耗和莢果破損率，參考谷物常用滾筒的直徑為400～600 mm，結(jié)合田間試驗(yàn)取D為500 mm。

3.4 莢果與摘果釘齒接觸受力分析

莢果與摘果釘齒間作用如圖12所示，由于摘果滾筒轉(zhuǎn)速越大，摘果釘齒線速度越高，造成莢果破損率越高，根據(jù)赫茲接觸理論，莢果與摘果釘齒接觸瞬間，最大接觸壓力F0應(yīng)滿足

(10)

式中d2——最大接觸位移，m

E*——等效彈性模量，取1.0×106Pa

ρ——莢果密度，kg/m3

b——莢果短軸長(zhǎng)度，取0.01 m

d0——摘果釘齒半徑，取0.01 m

F2——果柄斷裂最大臨界力，N

F3——莢果果殼破損最小臨界力，N

λ1——果柄的臨界脫落力系數(shù)，取1.2

λ2——莢果破損系數(shù)，取0.6

通過式(10)可得：3 000 mm·r/s≤Dn≤5 000 mm·r/s，當(dāng)D=500 mm 時(shí)，6 r/s≤n≤10 r/s，即n為360～600 r/min，在摘果滾筒長(zhǎng)度及直徑確定后，摘果滾筒轉(zhuǎn)速是影響摘凈率、莢果破損率的主要因素，且滾筒轉(zhuǎn)速越高，莢果單位時(shí)間被打擊次數(shù)越多，摘凈率越高，但莢果破損率也隨之升高，參照常見摘果滾筒的轉(zhuǎn)速范圍(400～600 r/min)，同時(shí)為降低功耗，確定摘果滾筒轉(zhuǎn)速為400～500 r/min。

3.5 摘果釘齒參數(shù)優(yōu)化

目前普遍使用的花生摘果滾筒上的摘果齒有彎齒式和釘齒式兩種。前者雖然可以通過弓齒傾斜固定產(chǎn)生軸向推力、使花生植株沿軸向運(yùn)動(dòng)，但植株容易造成纏繞且摘果范圍較小[22]。釘齒式摘果齒可減少秧蔓纏繞，摘果通暢性較好，因此本設(shè)計(jì)選用釘齒，但由于釘齒自身不能產(chǎn)生軸向推力，選用導(dǎo)流板與其配合，通過導(dǎo)流板，引導(dǎo)進(jìn)入帶果秧蔓沿中心軸向自右向左輸送，有效增加摘果行程，但由于釘齒與花生植株接觸面積小，碰撞時(shí)會(huì)增加莢果破損率，同時(shí)會(huì)造成斷枝斷秧增多，不利于后續(xù)清選。因此對(duì)釘齒結(jié)構(gòu)參數(shù)及排列進(jìn)行研究。

釘齒與滾筒軸的軸向安裝夾角對(duì)莢果破碎率和秧雜流動(dòng)順暢性影響較大，釘齒形狀如圖13所示。

為獲得最佳釘齒夾角，對(duì)不同釘齒夾角安裝方式(45°，60°，90°，120°，135°)的摘果滾筒的摘果通暢性(壅堵次數(shù))和摘果質(zhì)量(莢果破損率)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)用花生品種為 “開農(nóng)61”，試驗(yàn)喂入量約2.5 kg/s，蔓果綜合含水率為28%，果部土壤殘留質(zhì)量比例約為2.4%，試驗(yàn)時(shí)將不同角度的摘果釘齒安裝在對(duì)應(yīng)摘果滾筒上，然后安裝于本課題組研制的收獲試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)工作參數(shù)為：摘果滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min、釘齒直徑20 mm、釘齒長(zhǎng)度50 mm，每種角度進(jìn)行5組重復(fù)試驗(yàn)，每組試驗(yàn)喂入量300 kg，觀測(cè)其平均壅堵次數(shù)、平均莢果破損率。測(cè)量裝置包括：電子天平(精度0.01 g，上海?？惦娮觾x器廠)、電子吊秤(永康市泰高五金廠)、轉(zhuǎn)速表(北京飛博爾電子公司)。

試驗(yàn)結(jié)果為：釘齒45°、60°、90°、120°、135°5種安裝角度的壅堵次數(shù)分別為3、2、0、2、2次；莢果破損率分別為3.2%、2.1%、1.7%、2.3%、3.5%。

分析原因可知：以45°釘齒安裝角進(jìn)行作業(yè)時(shí)，秧蔓和莢果受釘齒和釘齒滾筒軸間形成的狹小空間的影響，容易夾秧、纏秧，秧蔓流動(dòng)通暢性受到影響，纏繞后莢果受到多次擊打，造成破損率增加。當(dāng)安裝角增大為60°時(shí)，釘齒和釘齒滾筒軸之間的空間變大，壅堵次數(shù)和莢果破損率有所減小，當(dāng)安裝角增大為90°時(shí)，秧蔓的纏秧量最小，流動(dòng)狀態(tài)最好，壅堵次數(shù)和莢果破損率最小。釘齒安裝角為120°和135°時(shí)，由于釘齒和釘齒滾筒軸存在的狹小空間分別與60°和45°相同，因此，選擇釘齒安裝角為120°。為進(jìn)一步在減少莢果破損率的同時(shí)提升摘果效率，釘齒材料選擇耐磨性好的丁苯橡膠[23]。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與指標(biāo)

4.1.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2019年9月10—15日在河南省駐馬店市遂平縣試驗(yàn)基地進(jìn)行(圖14)。試驗(yàn)花生品種為“開農(nóng)61”，單壟雙行種植，壟距800 mm，株距285 mm，產(chǎn)量5 000 kg/hm2。試驗(yàn)地晾曬3 d后秧蔓含水率18.65%，莢果含水率20.42%,果柄含水率16.97%，帶果秧蔓平均長(zhǎng)度40 mm，以人工鋪設(shè)秧蔓模擬人工挖掘收獲后的全量秧蔓莢果。果蔓比均值為1.2，均勻鋪設(shè)密度為25 kg/m2(大于挖掘收獲條鋪量)，試驗(yàn)地塊面積15 000 m2(100 m×150 m)，土壤類型為沙壤土，在0～10 cm深度處土壤含水率為16.53%，土壤堅(jiān)實(shí)度為0.78 MPa，土壤容重1.1 g/cm3。試驗(yàn)前由挖掘機(jī)收獲，人工去莢果土壤后鋪放于田間，秧蔓鋪放密度為15株/m2。

4.1.2試驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)試方法

試驗(yàn)前進(jìn)行花生秧蔓田間鋪放情況檢查，測(cè)試按GB/T 5262—2008進(jìn)行。測(cè)試參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5667—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》、農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 502—2016《花生收獲機(jī)試驗(yàn)質(zhì)量》和NY/T 2204—2012《花生收獲機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中的方法及規(guī)范，測(cè)試內(nèi)容主要包括撿拾率、莢果損失率、單位撿拾功耗。

將試驗(yàn)區(qū)劃分為30個(gè)測(cè)試區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)長(zhǎng)100 m，撿拾幅寬2 500 mm，進(jìn)行30次試驗(yàn)，在30個(gè)測(cè)試區(qū)上隨機(jī)取10個(gè)測(cè)試區(qū)。撿拾機(jī)構(gòu)配置于課題組自行研制的軸流式花生撿拾收獲試驗(yàn)臺(tái)上，保持試驗(yàn)臺(tái)勻速行駛，撿拾裝置高度保持恒定，試驗(yàn)員駕駛收獲機(jī)在田間進(jìn)行撿拾試驗(yàn)。測(cè)試儀器包括轉(zhuǎn)速測(cè)試儀、米尺、電子秤等。

4.2 性能試驗(yàn)

4.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

選取對(duì)收獲質(zhì)量影響較大的彈齒轉(zhuǎn)速A、摘果滾筒轉(zhuǎn)速B、機(jī)具前進(jìn)速度C作為試驗(yàn)因素。其他試驗(yàn)參數(shù)為彈齒滾筒長(zhǎng)度2 500 mm、彈齒個(gè)數(shù)156及彈齒直徑5 mm，4排彈齒周向均布，釘齒長(zhǎng)度50 mm、釘齒直徑20 mm。試驗(yàn)以撿拾率Y1、莢果損失率Y2(包括撿拾莢果掉落和撿拾、摘果過程中的莢果破損)、生產(chǎn)率Y3作為指標(biāo)，開展三因素三水平正交試驗(yàn)[24-26]，試驗(yàn)因素與水平見表2。

表2 試驗(yàn)因素與水平Tab.2 Factors and levels of experiment

4.2.2數(shù)據(jù)分析與處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-Expert軟件進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，并利用響應(yīng)面分析法對(duì)各因素相關(guān)性和交互效應(yīng)的影響規(guī)律進(jìn)行分析研究。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)分析試驗(yàn)，共 17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab.3 Experiment design and result

5.1 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

利用Design-Expert軟件對(duì)表3中的數(shù)據(jù)開展多元回歸擬合分析，建立Y1、Y2、Y3對(duì)A、B、C的響應(yīng)面回歸模型

Y1=0.102 3+0.001 8A+0.000 1B+0.001C+
0.000 2AB+0.000 4AC+0.000 3BC+0.000 6A2-0.000 1B2+0.000 3C2

(11)

Y2=2.76+0.37A+1.1B+0.276 3C+0.205AB-0.09AC+0.072 5BC-0.121 8A2+0.355 7B2+
0.350 8C2

(12)

Y3=0.586 0+0.021 3A+0.007 5B+0.151 3C+
0.012 5AB+0.007 5BC+0.039 5A2+0.027 0B2-0.035 5C2

(13)

通過表4分析結(jié)果可知，撿拾率Y1、莢果損失率Y2、生產(chǎn)率Y3的P值分別為0.001 7、0.000 6、<0.000 1(均小于0.05)，表明3個(gè)模型影響極顯著。其失擬項(xiàng)的P值分別為0.072 2、0.333 8、0.087 3(均大于0.05)，表明3個(gè)模型擬合程度較高；其決定系數(shù)R2分別為 0.940 0、0.955 7、0.979 0，表明94%以上的響應(yīng)值均可以由這3個(gè)模型解釋，因此，該模型可以預(yù)測(cè)撿拾機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)。

表4 回歸方程方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equation

5.2 交互因素對(duì)性能指標(biāo)的影響分析

根據(jù)表2結(jié)果，考察彈齒轉(zhuǎn)速A、摘果滾筒轉(zhuǎn)速B及機(jī)具前進(jìn)速度C交互作用對(duì)各性能指標(biāo)的影響，并利用Design-Expert軟件繪制響應(yīng)面交互因素對(duì)拾落果率Y1影響響應(yīng)面如圖15所示。圖15a表明減小彈齒轉(zhuǎn)速A有助于降低撿拾率；圖15b表明減小彈齒轉(zhuǎn)速A與機(jī)具前進(jìn)速度C明顯有助于增加撿拾率；圖15c表明減小機(jī)具前進(jìn)速度C有助于增加撿拾率。

交互因素對(duì)莢果損失率Y2影響響應(yīng)面如圖16所示。圖16a表明減小彈齒轉(zhuǎn)速A和摘果滾筒轉(zhuǎn)速B有助于降低莢果損失率，圖16b表明減小彈齒轉(zhuǎn)速A與機(jī)具前進(jìn)速度C明顯有助于降低莢果損失率，圖16c表明減小摘果滾筒轉(zhuǎn)速B和機(jī)具前進(jìn)速度C有助于降低莢果損失率。

交互因素對(duì)生產(chǎn)率影響響應(yīng)面如圖17所示，圖17a表明增加彈齒轉(zhuǎn)速A和摘果滾筒轉(zhuǎn)速B對(duì)生產(chǎn)率Y3影響不顯著；圖17b表明增加機(jī)具前進(jìn)速度C明顯有助于增加生產(chǎn)率Y3；圖17c表明增大機(jī)具前進(jìn)速度C顯著增加生產(chǎn)率Y3。

5.3 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)撿拾率Y1、莢果損失率Y2及生產(chǎn)率Y3數(shù)學(xué)模型，可以在約束條件范圍內(nèi)選取撿拾機(jī)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合并對(duì)回歸模型進(jìn)行檢驗(yàn)。以最大撿拾率Y1、最小莢果損失率Y2及最大生產(chǎn)率Y3為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

(14)

利用Design-Expert軟件優(yōu)化求解模塊可求得滿足約束條件的最大撿拾率Y1、最小莢果損失率Y2及最大生產(chǎn)率Y3的最優(yōu)參數(shù)組合。求解的最優(yōu)參數(shù)組合為：彈齒轉(zhuǎn)速67.81 r/min、摘果滾筒轉(zhuǎn)速447.25 r/min、機(jī)具前進(jìn)速度1.36 m/s，對(duì)應(yīng)的撿拾率為98.96%、莢果損失率為2.18%、生產(chǎn)率為0.62 hm2/h。

由于實(shí)際工作參數(shù)很難調(diào)整到理論求解的優(yōu)化值，選擇一組接近優(yōu)化值的參數(shù)進(jìn)行田間試驗(yàn)，參數(shù)值為：彈齒轉(zhuǎn)速68 r/min、滾筒轉(zhuǎn)速447 r/min及機(jī)具前進(jìn)速度1.4 m/s。試驗(yàn)于 2019年9月20日在相同地點(diǎn)采用相同的測(cè)試方法進(jìn)行，撿拾率、莢果損失率及生產(chǎn)率平均值分別為98.62%、2.11%、0.61 hm2/h。與切流板齒滾筒式花生撿拾收獲機(jī)常用的一組參數(shù)收獲同等條件下的條鋪晾曬花生時(shí)對(duì)比，對(duì)應(yīng)的撿拾率、生產(chǎn)率分別提高了2.1、4.5個(gè)百分點(diǎn)，莢果損失率降低了0.9個(gè)百分點(diǎn)，綜合性能明顯改善。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種軸流式花生全喂入收獲機(jī)，該機(jī)一次下田可對(duì)挖掘后成條鋪放的花生完成撿拾，比現(xiàn)有花生撿拾收獲機(jī)撿拾率高、莢果損失率低、生產(chǎn)率高，減少了人工成本。

(2)在分析整機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)確定，并根據(jù)花生植株力學(xué)特性對(duì)彈齒與秧蔓、莢果作用進(jìn)行力學(xué)分析，得出撿拾彈齒對(duì)莢果的撞擊力范圍和莢果脫落條件；對(duì)莢果和導(dǎo)流板進(jìn)行力學(xué)分析，得出莢果與植株脫離的條件，并運(yùn)用赫茲接觸理論對(duì)摘果過程中的莢果和摘果釘齒撞擊進(jìn)行分析，得出摘果滾筒直徑和摘果滾筒轉(zhuǎn)速的關(guān)系表達(dá)式。

(3)基于Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)理論，以彈齒轉(zhuǎn)速、摘果滾筒轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度作為影響因子，進(jìn)行正交試驗(yàn)研究，分析各因素對(duì)撿拾率、莢果損失率和生產(chǎn)率的影響，并對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，最優(yōu)參數(shù)組合為彈齒轉(zhuǎn)速68 r/min、摘果滾筒轉(zhuǎn)速447 r/min及機(jī)具前進(jìn)速度1.4 m/s，對(duì)應(yīng)的撿拾率為98.62%、莢果損失率為2.11%、生產(chǎn)率為0.61 hm2/h，撿拾率、生產(chǎn)率比優(yōu)化前分別提高了2.1、4.5個(gè)百分點(diǎn)，莢果損失率比優(yōu)化前降低了0.9個(gè)百分點(diǎn)，綜合性能明顯提高。