4LZ–4.0大豆聯(lián)合收割機清選裝置參數(shù)優(yōu)化及脫出物分布試驗

李奇，謝方平,2*，康家鑫，王修善,2，羅琪

4LZ–4.0大豆聯(lián)合收割機清選裝置參數(shù)優(yōu)化及脫出物分布試驗

李奇1，謝方平1,2*，康家鑫1，王修善1,2，羅琪1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；2.智能農(nóng)機裝備湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128)

為解決4LZ–4.0大豆聯(lián)合收割機清選裝置清選過程含雜率和損失率偏高的問題，選取魚鱗篩角度(17.1°、27.1°、37.1°)、風機轉(zhuǎn)速(969、1090、1212 r/min)和喂入量(2.0、2.5、3.0 kg/s)設(shè)計了三因素三水平響應(yīng)面試驗，測試清選裝置損失率和含雜率，篩選最優(yōu)清選參數(shù)組合。結(jié)果表明：清選參數(shù)最優(yōu)組合為魚鱗篩角度26.8°、風機轉(zhuǎn)速1075 r/min、喂入量2.3 kg/s，最優(yōu)組合下的損失率與含雜率分別為0.18%和2.07%，對比優(yōu)化前分別降低了0.26%與0.44%；收割機清選裝置效果最優(yōu)時，大豆脫出物在沿清選篩縱向質(zhì)量占比從29.88%減少到6.34%，沿清選篩橫向質(zhì)量占比分布先從27.51%減小到7.88%，再增加到18.96%，呈“前面多后面少，兩邊多中間少”近似“Y”狀分布。

大豆聯(lián)合收割機；清選裝置；參數(shù)優(yōu)化；脫出物分布；含雜率；損失率

華南地區(qū)大豆收獲期的氣溫和相對濕度都較高，大豆莖稈和籽粒的含水率高，加之存在結(jié)莢不實和晚熟現(xiàn)象，使用大豆聯(lián)合收割機收獲時，清選室和復(fù)脫攪龍易出現(xiàn)局部堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致清選效果不佳[1–5]，因而清選參數(shù)需要調(diào)整優(yōu)化。金誠謙等[6]利用Box–Behnken中心組合試驗方法，對4YZL–5S型大豆聯(lián)合收割機進行田間參數(shù)優(yōu)化，確定最佳工作參數(shù)組合為前進速度6 km/h、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min、脫粒段脫粒間隙25 mm、分離段脫粒間隙20 mm、導(dǎo)流板角度 26°、風機轉(zhuǎn)速1260 r/min、分風板角度11.5°、上篩前部開度19 mm、上篩后部開度11 mm，此時的損失率、破碎率和含雜率分別為 0.24%、0.90%和0.14%，均符合國家標準。劉鵬等[7]對大豆聯(lián)合收割機清選參數(shù)優(yōu)化試驗結(jié)果建立約束模型，求解出清選損失率和含雜率偏小且喂入量偏大時的最佳清選參數(shù)組合為作業(yè)速度6 km/h、魚鱗篩篩片開度 32 mm、風門開度17°、風機轉(zhuǎn)速1310 r/min 和振動篩曲柄轉(zhuǎn)速410 r/min，此時清選損失率和含雜率比常用清選參數(shù)條件下大豆聯(lián)合收獲機田間試驗的清選指標分別下降了0.05%和2.09%。

筆者針對4LZ–4.0大豆聯(lián)合收割機清選裝置清選含雜率和損失率偏高的問題，選取魚鱗篩角度、風機轉(zhuǎn)速、喂入量設(shè)計三因素三水平響應(yīng)面試驗，測試清選裝置的損失率和含雜率，優(yōu)化裝置參數(shù)，并對清選脫出物分布進行研究，以期為大豆聯(lián)合收割機性能的改善提供依據(jù)。

1 4LZ–4.0大豆聯(lián)合收割機清選裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

4LZ–4.0大豆聯(lián)合收割機清選裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由清選篩和風機兩大主體組成。清選篩由抖動板、導(dǎo)流條、魚鱗篩、逐稿器、傳動帶輪、編織篩和魚鱗篩角度調(diào)節(jié)撥塊等組成。收割機發(fā)動機功率為65 kW，割幅為2.1 m[8]。

1　風機；2　抖動板；3　導(dǎo)流條；4　魚鱗篩；5　逐稿器；6　傳動帶輪；7　編織篩；8　復(fù)脫攪龍；9　魚鱗篩角度調(diào)節(jié)撥塊；10　集糧攪龍。

工作時，曲柄連桿機構(gòu)帶動清選篩作往復(fù)簡諧式運動，風機在下端輸送風力，大豆脫出物沿導(dǎo)流條運動到上層魚鱗篩，脫出物不斷出現(xiàn)分層，部分較輕的豆莢殼、葉片、碎大豆等雜質(zhì)被風機直接吹出機體，莖稈等較粗長雜質(zhì)會隨著魚鱗篩篩面振動到尾部，被逐稿器排出機體，剩余脫出物會穿過魚鱗篩間隙落到下層編織篩上，借助篩面連續(xù)振動，大豆籽粒和輕小雜質(zhì)進一步分開，在風機風力作用下，干凈大豆籽粒會直接落在輸糧攪龍中運輸?shù)郊Z倉，輕微雜質(zhì)會被吹出機體，夾雜未清潔干凈的大豆籽粒的雜質(zhì)落入尾部復(fù)脫攪龍，經(jīng)由復(fù)脫攪龍輸送到清選篩再進行二次振動清選[9]。

2　參數(shù)優(yōu)化

選用大豆‘圣豆27’品種，參照 GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》，對大豆植株進行物理特性測量。測得大豆植株均高為597.6 mm，籽粒平均三軸尺寸為8.5 mm×6.9 mm× 7.7 mm，平均底莢高326 mm，平均草谷比2.13，平均莖稈粗6.31 mm，單株未成熟豆莢比8.71，平均莖稈含水率54.66%，平均千粒質(zhì)量228.76 g，平均籽粒含水率22.4%，自然落粒損失8.26 g/m，每平方米內(nèi)大豆及植株質(zhì)量1.15 kg。

2.1　試驗因素的確定

參照JB/T 11912—2014《大豆收割機》，根據(jù)生產(chǎn)實際，田間大豆收獲常用低速檔位為3.0 km/h、高速檔位為4.6 km/h，選取機具前進速度為3.0、3.8、4.6 km/h，即0.83、1.06、1.27 m/s, 按照文獻[10]方法，計算得田間喂入量分別為2.0、2.5、3.0 kg/s。

試驗前對大豆植株稱重，再將目標質(zhì)量1的大豆植株頭部朝向割臺，參照文獻[8]的方法對輸送帶喂入量進行計算。

參照文獻[11]并結(jié)合工作實際，為適應(yīng)大豆最大清選風速11 m/s和最小風速6 m/s，風機帶輪轉(zhuǎn)速分別確定為969、1090、1212 r/min。

生產(chǎn)實際中魚鱗篩傾斜角度常為27.1°，故魚鱗篩傾斜角度取中間值為27.1°，分別設(shè)置高低水平值17.1°和37.1°，魚鱗篩傾斜角度通過清選篩的角度撥塊調(diào)節(jié)。

為減少試驗次數(shù)，降低收割后植株內(nèi)部含水率變化對試驗的影響，選用Box–Behnken中心組合試驗設(shè)計理論，設(shè)計三因素三水平參數(shù)優(yōu)化試驗[12](表1)，根據(jù)JB/T 11912—2014，以損失率1與含雜率2作為清選效果指標。

表1　響應(yīng)面試驗因素及水平

試驗在湖南農(nóng)業(yè)大學進行。啟動聯(lián)合收割機，保持位置固定，將各部件運行至穩(wěn)定狀態(tài)后開啟輸送帶，將物料加速至1 m/s后從收獲機割臺喂入，清選后，收集收割機尾部排出的雜質(zhì)中所夾雜的大豆和糧倉中所有的大豆后稱重，并收集糧倉中的部分大豆裝入樣品袋，將樣品中混雜的雜質(zhì)分離出來分別稱重，計算含雜率和損失率。

2.2　臺架試驗結(jié)果

響應(yīng)面試驗的大豆脫出物的含雜率和損失率列于表2。

表2　響應(yīng)面試驗的大豆脫出物的含雜率和損失率

2.2.1清選脫出物損失率的回歸模型

對清選損失率結(jié)果的方差分析結(jié)果(表3)表明，魚鱗篩角度、風機轉(zhuǎn)速和喂入量對損失率的影響的回歸模型顯著(0.01＜≤0.05)；而響應(yīng)失擬項(＞0.05)不顯著，證明模型在試驗范圍與實際情況擬合較好[13–15]，影響收割機的損失率極顯著的因素為風機轉(zhuǎn)速，影響收割機損失率顯著的因素為魚鱗篩角度，且模型的決定系數(shù)2=0.922 9，表明該回歸模型能反映出92.29%的響應(yīng)值變化。對試驗數(shù)據(jù)擬合進行回歸分析，得到損失率的數(shù)學模型。

1=8.344–0.023–0.017+0.543+8.23×10–6–

0.014+4.62×10–18+0.0012+8.38×

10–62–0.0272。

表3　大豆清選脫出物損失率的方差分析

對損失率影響顯著的因素為和，響應(yīng)曲面(圖2)結(jié)果表明，當魚鱗篩角度保持不變時，隨著風機轉(zhuǎn)速的提高，清選損失率逐漸增大。這是因為風速加大的過程中，被吹出機體脫出物中夾雜的大豆籽粒也隨之增加(圖2–a)；當風機轉(zhuǎn)速保持不變，魚鱗篩角度從17.1°開始增大到29.1°時，清選損失率呈下降趨勢；魚鱗篩角度增加到37.1°，清選損失率呈現(xiàn)上升趨勢。這是因為清選室脫出物在清選過程中出現(xiàn)了局部堆積，篩板角度較小時，部分大豆籽粒還來不及通過上篩間隙，就被直接振動到尾部而被排出機體外，造成損失率增大；當篩板角度逐漸變大后，脫出物下降變得順暢，大豆籽粒能及時通過間隙落入集糧攪龍，損失率逐漸降低，在魚鱗篩角度繼續(xù)增大至37.1°的過程中，魚鱗篩間隙變得很大，大量脫出物穿過魚鱗篩，風力還來不及將雜質(zhì)完全吹散，導(dǎo)致部分雜質(zhì)夾雜籽粒被吹出機體，損失率又重新加大。從這些變化過程可看出，風機轉(zhuǎn)速和魚鱗篩角度之間存在交互作用(圖2–b、圖2–c)，風機轉(zhuǎn)速的增大或減小，會使得魚鱗篩角度臨界點改變。

圖2　各因素對大豆脫出物損失率的響應(yīng)曲面

2.2.2清選脫出物含雜率的回歸模型

清選含雜率結(jié)果的方差分析結(jié)果(表4)表明，影響含雜率顯著的因素依次為、，魚鱗篩角度、風機轉(zhuǎn)速和喂入量對含雜率的影響的回歸模型顯著(0.01＜≤0.05)；而響應(yīng)失擬項(＞0.05)不顯著，說明模型實際情況擬合較好，影響收割機含雜率極顯著的因素為風機轉(zhuǎn)速，影響收割機含雜率顯著的因素為魚鱗篩角度和喂入量，模型的決定系數(shù)2=0.922 9，表明該回歸模型能反映出92.29%的響應(yīng)值變化。對試驗數(shù)據(jù)擬合進行回歸分析，得到含雜率的數(shù)學模型。

2=7.75–0.354+0.028–10.559+0.000 1–

0.053+2.4×10–3+6.07×10–3A2–

1.9×10–52+2.0082。

表4　大豆脫出物含雜率的方差分析

各因素對大豆脫出物含雜率的響應(yīng)曲面結(jié)果(圖3)表明，保持喂入量和風機轉(zhuǎn)速不變，隨著風機轉(zhuǎn)速從969 r/min開始逐漸增大，含雜率呈降低趨勢，這是因為風力加大，使得吹出機體雜質(zhì)增加，含雜率下降；保持喂入量或風機轉(zhuǎn)速不變，魚鱗篩角度從17.1°開始增大到32.1°時，清選含雜率呈現(xiàn)下降趨勢，隨后魚鱗篩角度一直增加到37.1°，清選含雜率又呈現(xiàn)上升趨勢，這是因為魚鱗篩間隙較小(17.1°)時，大豆籽粒不能順暢通過，出現(xiàn)脫出物局部堆積現(xiàn)象，脫出物不能得到充分篩分，導(dǎo)致清選不徹底，含雜率較高；隨后魚鱗篩角度增大到23.1°～32.1°，大豆籽粒通過變得順暢，堆積現(xiàn)象得到改善，清選過程相對徹底，含雜率降低；魚鱗篩角度進一步增大到37.1°的過程中，魚鱗篩間隙很大，脫出物中較大的雜質(zhì)也隨籽粒一起穿過篩面落入攪龍，糧倉雜質(zhì)增多，導(dǎo)致含雜率升高。從這些變化可看出，喂入量和魚鱗篩角度之間存在交互作用，喂入量增大會使得魚鱗篩角度臨界點持續(xù)增大。喂入量產(chǎn)生臨界點，并持續(xù)改變。

圖3　各因素對大豆脫出物含雜率的響應(yīng)曲面

3　大豆清選參數(shù)優(yōu)化與脫出物的分布

3.1　參數(shù)優(yōu)化及驗證

欲使大豆聯(lián)合收割機清選效果最佳，須滿足損失率和含雜率最低，低風機轉(zhuǎn)速、偏小魚鱗篩角度以及偏大喂入量。使用Design Expert 12.0對模型進行約束求解，得到最佳參數(shù)組合，即魚鱗篩篩板角度26.8°、風機轉(zhuǎn)速1073.38 r/min、喂入量2.28 kg/s，此條件下，清選損失率為 0.31%，含雜率為2.17%。

對優(yōu)化參數(shù)進行取整，得到最佳參數(shù)為魚鱗篩篩板角度26.8°、風機轉(zhuǎn)速1075 r/min、喂入量2.3 kg/s；保持臺架裝置不變，運用同一批試驗材料進行參數(shù)優(yōu)化驗證試驗。試驗3次，結(jié)果機收平均損失率為0.18%，平均含雜率為2.07%。與優(yōu)化前相比，損失率下降了0.26%，含雜率下降了0.44%。

3.2　大豆脫出物的分布

將收獲機的清選篩拆除，在原位置下方放入物料接料盒作為替代，以脫粒滾筒徑向(長760 mm)為軸方向，軸向(長1360 mm)為軸方向，布置6(軸方向)×7(軸方向)個接料盒，接料盒三軸尺寸(長×寬×高)為190 mm ×125 mm×320 mm，清選試驗臺的其余布置不變，故清選作業(yè)參數(shù)優(yōu)化后，設(shè)置風機轉(zhuǎn)速1075 r/min、喂入量2.3 kg/s[16]。啟動聯(lián)合收割機，位置保持不動，將各部件運行調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)后開啟輸送帶，將物料從收獲機割臺喂入，完成脫粒后，將接料盒里脫出物取出放入試驗袋中，將脫出物各成分分別稱重。試驗共進行3組，結(jié)果取平均值，得到每組脫出物各成分質(zhì)量及占比，如表5所示。結(jié)合表5和試驗數(shù)據(jù)，其他條件不變的情況下，3次脫出物測定中大豆籽粒的比例分別為65.79%、63.84%與64.15%，與平均值64.59%的誤差在3%以內(nèi)。

表5　大豆脫出物成分的質(zhì)量及占比

脫出物在篩面接料盒中的質(zhì)量分布情況如表6所示。

表6　接料盒脫出物的質(zhì)量分布

可知在最優(yōu)參數(shù)條件下，脫出物在沿清選篩縱向質(zhì)量占比從29.88%減少到6.34%，沿清選篩橫向質(zhì)量占比從27.51%減小到7.88%后再增加到18.96%，呈現(xiàn)“前面多后面少、兩邊多中間少”的分布，近似“Y”形(圖4)，一方面說明堆積現(xiàn)象發(fā)生在清選篩沿入料口方向兩端，兩端處清選負荷相對較大；另一方面說明在風速合適條件下，當喂入量達到臨界值(含雜率和損失率最佳時)，收割機篩面脫出物質(zhì)量分布呈近似“Y”形分布，即收割機清選裝置效果最優(yōu)時脫出物在篩面“前面多后面少，兩邊多中間少”分布[17–18]，這種現(xiàn)象可為清選裝置結(jié)構(gòu)的改善和清選參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

圖4　大豆脫出物在接料盒中的分布

4　結(jié)論

建立的4LZ–4.0大豆聯(lián)合收割機清選裝置參數(shù)優(yōu)化模型，通過Design–Expert求得了清選參數(shù)最佳組合，即魚鱗篩角度26.8°、風機轉(zhuǎn)速1075 r/min、喂入量2.3 kg/s，此時含雜率為2.07%，損失率為0.18%，相較于優(yōu)化前田間常用參數(shù)數(shù)值時平均損失率下降0.44%，平均含雜率下降0.26%，可滿足NY/T 738—2020《大豆聯(lián)合收割機作業(yè)質(zhì)量》的要求。

收割機清選裝置效果最優(yōu)時脫出物在篩面呈“前面多后面少，兩邊多中間少”近似“Y”形的分布，說明脫出物堆積的位置在篩面沿喂入口的兩端處，前兩端局部堆積使魚鱗篩角度、風機轉(zhuǎn)速、喂入量等清選參數(shù)產(chǎn)生了交互臨界值，影響了損失率和含雜率。

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Parameter optimization and experiment on post-threshed mixture for the cleaning device in 4LZ-4.0 combine harvester of soybean

LI Qi1，XIE Fangping1,2*，KANG Jiaxin1，WANG Xiushan1,2，LUO Qi1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2.Hunan Key Laboratory of Intelligent Agricultural Machinery and Equipment, Changsha, Hunan 410128, China)

In order to solve the problem of high impurity rate and loss rate for the cleaning device in 4LZ-4.0 combine harvester of soybean, a three-factor and three-level response surface test was designed with the selected influence factors of screen angle(17.1°, 27.1° and 37.1°), fan speed(969, 1090 and 1212 r/min) and feeding speed(2.0, 2.5 and 3.0 kg/s), to test the loss rate and the impurity rate of the cleaning device and screen the optimal combination of cleaning parameters. The experimental results showed that the optimal combination of cleaning parameters obtained is: the sieve plate angle of 26.8°, the fan speed of 1075 r/min, and the feeding volume 2.3 kg/s, with the loss rate of 0.18% and the impurity rate of 2.07%, which are reduced by 0.26% and 0.44% compared with that before optimization. When the cleaning device of the harvester has the best performance, the mass ratio of soybean post-threshed mixtures decreases from 29.88% to 6.34% along the longitudinal direction of the cleaning screen, and decreases from 27.51% to 7.88%, and then increases to 18.96% along the horizontal direction of the cleaning screen, which shows an approximate “Y” shaped distribution of “more in front and less in back, more on both sides and less in the middle”. It can provide reference for the structure improvement of the cleaning screen.

combine harvester of soybean; cleaning device; parameter optimization; post-threshed mixture; heterosis rate; loss rate

S225.6

A

1007-1032(2022)06-0737-07

李奇，謝方平，康家鑫，王修善，羅琪．4LZ–4.0大豆聯(lián)合收割機清選裝置參數(shù)優(yōu)化及脫出物分布試驗[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)，2022，48(6)：737–743．

LI Q，XIE F P，KANG J X，WANG X S，LUO Q．Parameter optimization and experiment on post-threshed mixture for the cleaning device in 4LZ-4.0 combine harvester of soybean[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)，2022，48(6)：737–743．投稿網(wǎng)址：http://xb.hunau.edu.cn

2021–09–13

2022–08–12

湖南省科學技術(shù)廳高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新引領(lǐng)計劃項目(2020NK2002)

李奇(1997—)，男，湖南常德人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機械性能創(chuàng)新設(shè)計研究，980860062@qq.com；*通信作者，謝方平，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械性能創(chuàng)新設(shè)計研究，hunanxie2002@163.com

10.13331/j.cnki.jhau.2022.06.017

責任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立