王 冰，胡志超，彭寶良，張延化，顧峰瑋，施麗莉，高學(xué)梅

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半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)彈指篩結(jié)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

王 冰，胡志超※，彭寶良，張延化，顧峰瑋，施麗莉，高學(xué)梅

（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

針對4HLB-4型半喂入四行高效花生聯(lián)合收獲清選環(huán)節(jié)含雜率高、損失率大、雜物堵塞等難題，創(chuàng)新設(shè)計了1種搭接式彈指振動篩，并開展3種傳統(tǒng)篩體沖孔篩、編織篩、柵條篩和彈指篩的對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明彈指篩在大喂入量高效收獲工況下清選效果較好。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，運(yùn)用Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)方法，以彈指篩振動頻率、彈指直徑、彈指篩振幅和安裝傾角作為影響因素，開展四因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)，運(yùn)用響應(yīng)曲面法來分析各因素對含雜率和損失率的影響效應(yīng)，并對影響因素進(jìn)行了優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明：含雜率影響顯著性順序?yàn)閺椫负Y振動頻率>彈指直徑>彈指篩振幅>安裝傾角；損失率影響顯著性順序?yàn)閺椫负Y振幅>安裝傾角>彈指篩振動頻率>彈指直徑；最優(yōu)工作參數(shù)組合為彈指篩振動頻率6 Hz、彈指直徑3 mm、彈指篩振幅7 mm、安裝傾角2.8°，對應(yīng)的含雜率和損失率分別為2.41%、0.711%，且各評價指標(biāo)與其理論優(yōu)化值的相對誤差均小于5%。研究結(jié)果可為4HLB-4型半喂入四行高效花生聯(lián)合收獲清選機(jī)構(gòu)的完善設(shè)計和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；農(nóng)作物；優(yōu)化；花生；聯(lián)合收獲；清選；彈指篩

0 引 言

花生是中國最具國際競爭力的優(yōu)質(zhì)優(yōu)勢油料作物，中國花生常年種植面積約466萬hm2，占全球17.6%，產(chǎn)量約1 650萬t，占全球37.0%，分別居世界第2位和第1位[1]。中國花生收獲主要有人工收獲、半機(jī)械化收獲和機(jī)械化收獲等3種方式[2]。目前，中國花生機(jī)械化收獲水平不高，約為30%左右，仍以人工為主，挖掘犁、簡式挖掘機(jī)、分段式收獲機(jī)、摘果機(jī)、半喂入兩行聯(lián)合收獲機(jī)等裝備在主產(chǎn)區(qū)已獲一定應(yīng)用[3-6]。近幾年，隨著花生種植面積增長以及規(guī)?；a(chǎn)發(fā)展，對花生高效收獲設(shè)備需求十分迫切，科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)分別研發(fā)了半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)、花生多行撿拾聯(lián)合收獲機(jī)等高效聯(lián)合收獲設(shè)備[7-8]，生產(chǎn)效率大幅提高，但現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品仍然存在著含雜率高、損失率大、適應(yīng)性和可靠性差等問題。

半喂入花生聯(lián)合收獲清選環(huán)節(jié)是去除摘果輥筒刷脫下來的果雜混雜物（包括斷枝秧、果柄、土等），是花生聯(lián)合收獲的關(guān)鍵技術(shù)之一[9]，其作業(yè)效果直接影響到整機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)。編織篩、沖孔篩等傳統(tǒng)篩體在花生半喂入聯(lián)合收獲中的應(yīng)用較為普遍，但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)篩體[10]不能滿足墑情多變和大喂入量高效收獲的要求，在半喂入四行高效花生聯(lián)合收獲機(jī)的應(yīng)用中存在含雜率高、損失率大和雜物堵塞等問題。目前，針對花生收獲清選環(huán)節(jié)，主要開展了振動篩仿真分析[11-15]、清選裝置的研制和試驗(yàn)研究[16-20]，國外未見花生聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的研究報道。國內(nèi)已有研究主要針對全喂入型收獲裝備，而半喂入花生聯(lián)合收獲清選裝置的研究比較匱乏，尤其是關(guān)于半喂入四行花生高效聯(lián)合收獲情況下清選振動篩的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和參數(shù)優(yōu)化研究幾乎空白。部分作物在聯(lián)合收獲過程中也存在清選作業(yè)環(huán)節(jié)，不少學(xué)者對其振動篩的參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究[21-26]，研究手段可為半喂入花生清選振動篩影響因素選擇、參數(shù)優(yōu)化提供借鑒。

為了攻克半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)在大喂入量高效收獲工況下振動篩存在的含雜率和損失率高、雜物堵塞等難題，提高整機(jī)適應(yīng)性，保證收獲質(zhì)量，本文以本團(tuán)隊研制的4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)[7]為研究對象，創(chuàng)新設(shè)計1種搭接式彈指篩，與傳統(tǒng)篩體進(jìn)行對比試驗(yàn)，并以含雜率、損失率為主控目標(biāo)，對篩體關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析各參數(shù)對作業(yè)性能的影響主次關(guān)系，建立模型，尋求最優(yōu)參數(shù)組合，以期為提高4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)提供參考。

1 4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)

1.1 整機(jī)介紹

4HLB-4型半喂入花生聯(lián)合收獲機(jī)[7]1次收獲2壟4行，生產(chǎn)效率為現(xiàn)有半喂入兩行花生聯(lián)合收獲機(jī)的2倍以上。4HLB-4型半喂入花生聯(lián)合收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]，主要包括仿形限深輪、分扶禾器、挖掘鏟、拍土桿機(jī)構(gòu)、左右夾拔裝置、合并輸送裝置、拍土板機(jī)構(gòu)、過渡夾持輸送部件、底盤、風(fēng)機(jī)、振動篩、花生摘果裝置、提升機(jī)、果箱等部件。

1. 仿形限深輪 2. 分扶禾器 3. 挖掘鏟 4. 拍土桿 5. 夾拔裝置 6. 合并輸送裝置 7. 拍土板8. 過渡夾持輸送部件 9. 底盤 10. 風(fēng)機(jī) 11. 振動篩 12. 花生摘果裝置 13. 提升機(jī) 14. 花生果箱

作業(yè)時，夾拔裝置5對齊相鄰2壟，分扶禾器2將花生秧蔓分開并扶起，同時挖掘鏟3將花生主根鏟斷并松土，隨后花生植株被拔起并夾持進(jìn)入各自通道向后輸送，由拍土桿4和拍土板7去除根部附土。隨后，由合并輸送裝置6和過渡夾持輸送部件8實(shí)現(xiàn)花生植株的轉(zhuǎn)向與合并輸送。植株進(jìn)入摘果裝置12后，莢果從植株上刷落摘下，摘果裝置前端刷落的果雜混合物落入振動篩11上，后端刷落的果雜混合物落在刮板輸送帶上，輸送至振動篩11前端。在振動篩11和風(fēng)機(jī)10的作用下莢果與雜物實(shí)現(xiàn)分離，莢果落至橫向輸送帶進(jìn)入提升機(jī)13，升送至果箱14。摘果后的花生秧蔓繼續(xù)向后輸送，拋至機(jī)后。

1.2 振動篩工作原理

半喂入花生聯(lián)合收獲機(jī)振動篩工作原理如圖2所示，作業(yè)時，帶輪9驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸11運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)振擺桿12因偏心套10的作用沿轉(zhuǎn)動軸心作偏心運(yùn)轉(zhuǎn)，固定在篩框20上的篩體19在驅(qū)振擺桿12的帶動作用下以特定的頻率振動。果雜混合物18經(jīng)刮板輸送帶5輸送到篩體前端，小土塊、斷根、斷秧枝、花生葉、花生果柄等小雜物17在振動篩作用下透過篩孔排出機(jī)外，其余輕雜7由風(fēng)力作用排出機(jī)外（后風(fēng)機(jī)15和前21配置在振動篩下方，吹風(fēng)口對準(zhǔn)篩體19前方，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和傾角一般通過試驗(yàn)獲取，經(jīng)過計算和試驗(yàn)，本機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1800 r/min，風(fēng)機(jī)傾角25°），較長莖稈8經(jīng)篩體推送及振動作用逐漸向后拋送，直至拋出機(jī)后。

1. 花生植株 2. 過渡夾持輸送部件 3. 摘果夾持輸送部件 4. 花生摘果裝置 5. 刮板輸送帶 6. 花生莖稈 7. 其余輕雜 8. 較長莖稈 9. 帶輪 10. 偏心套 11. 轉(zhuǎn)動軸 12. 驅(qū)振擺桿 13. 花生莢果 14. 橫向輸送帶 15. 后風(fēng)機(jī) 16. 土17. 小雜 18. 花生果雜混合物 19. 篩體 20. 篩框 21. 前風(fēng)機(jī)

2 搭接式彈指振動篩設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

針對4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)高效作業(yè)工況下，采用傳統(tǒng)振動篩存在的雜物堵塞、含雜率高和損失率大等問題，創(chuàng)新設(shè)計一種搭接式彈指篩（以下簡稱彈指篩），結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括主框架、支撐管、彈指、滑土板、逐稿板、偏心輪、驅(qū)振擺桿、搖桿等。主框架1與支撐管3連接構(gòu)成篩體構(gòu)架，支撐管橫向配置，小于彈指間隙的雜物穿過篩面排出機(jī)外，而莢果和大尺寸雜物將在彈指的支撐作用下流過篩面。

1. 主框架 2. 彈指 3. 支撐管 4. 滑土板 5. 逐稿板 6. 偏心輪 7. 驅(qū)振擺桿8. 搖桿

1. Main frame 2. Elastic steel pole 3. Supporting steel pipe 4. Slip board 5. Separator riddle 6. Eccentric wheel 7. Vibrating swing bar 8. Rocker

注：為安裝傾角。

Note：was mounting angle.

圖3 搭接式彈指篩結(jié)構(gòu)簡圖

Fig.3 Structural diagram of stacked elastic steel pole oscillating screen

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)喂入量較大，為了將進(jìn)入篩面的果雜混合物進(jìn)行打散和翻動，提高篩選質(zhì)量和速度，篩條采用彈指式，如圖4所示。彈指在整機(jī)的各種振動和動態(tài)載荷激勵下，發(fā)生彈性振動，其振頻高于振動篩驅(qū)振頻率，且振幅很小，振動方向隨機(jī)變化，這有利于果雜混合物的篩選。

彈指具體參數(shù)設(shè)計為：彈指前段傾斜向上位于篩面下方，彈指后段水平延伸構(gòu)成篩面，彈指固定于支撐上，等間距排列；根據(jù)主產(chǎn)區(qū)花生莢果幾何尺寸，彈指間隙取值11 mm；為使雜物順利滑落，并保證扎入篩面的斷秧枝正常流動，彈指前段上升方向與混合物流動方向角度取值55°；為避免發(fā)生斷枝斷秧滯留堵塞和保證彈指強(qiáng)度，彈指前段傾斜上升高度由統(tǒng)計的斷枝斷秧長度來確定，取值45 mm；果雜混合物運(yùn)動至彈指后段尾端時，為了順利過渡至下一段篩面，并防止莢果隨雜物滑落篩下，前后相鄰彈指保持一定重疊量，取值為15 mm，彈指后段水平部與下一段篩面折角處的間隙應(yīng)大于斷枝斷秧的直徑，以便其順暢通過排出，間隙取值7 mm，因此各排彈指形成的篩面最終形成逐級搭接分段式結(jié)構(gòu)。通過以上設(shè)計，消除了斷枝斷秧等長雜物滯留或掛接而造成的阻塞，確保篩面混合物流動的順暢性。

注：d為彈指直徑。

2.3 篩體結(jié)構(gòu)對比試驗(yàn)

在花生2壟4行高效收獲條件下，根據(jù)前期試驗(yàn)基礎(chǔ)，初選固定1組試驗(yàn)參數(shù)（振動篩振動頻率6 Hz，振幅4 mm，安裝傾角3°），整機(jī)分別裝配搭接式彈指振動篩、傳統(tǒng)篩體（沖孔篩、編織篩、柵條篩）開展試驗(yàn)。4種篩體結(jié)構(gòu)尺寸為：沖孔篩篩孔直徑8 mm，篩孔縱向間距5 mm，橫向間距9 mm；編織篩篩孔邊長14 mm，篩絲直徑1 mm；柵條篩桿條間距11 mm，柵條直徑3 mm；彈指篩桿條間距11 mm，桿條直徑2 mm。4種篩體如圖5所示。

圖5 篩體結(jié)構(gòu)形式

機(jī)器以常用前進(jìn)速度0.8、1、1.2 m/s作業(yè)，篩面尺寸1 200 mm′530 mm，試驗(yàn)測得花生果雜混合物在清選裝置入口的喂入量約為1、1.2、1.4 kg/s，含雜率、損失率測定結(jié)果如表1所示，上述評價指標(biāo)計算方法如下

1）含雜率

在每個測試小區(qū)的收獲物中，每次取樣不小于2 000 g，對樣品進(jìn)行處理，按式（1）計算含雜率。

式中1為含雜率，%；1為樣品中仁果和果殼破損及果殼開裂莢果的質(zhì)量，g；2為樣品中完整莢果質(zhì)量，g；3為樣品中雜質(zhì)質(zhì)量，g。

2）損失率

在篩下方、排出口設(shè)置彩條布，拾起小樣區(qū)彩條布里面的所有莢果，稱其質(zhì)量，收集小樣區(qū)中的篩面卡滯或粘附的莢果，按式（2）計算損失率。

式中2為清選損失率，%；4為小樣區(qū)篩下方、排出口莢果質(zhì)量，g；5為小樣區(qū)篩面粘附莢果質(zhì)量，g；6為小樣區(qū)地面上莢果質(zhì)量，g；7為小樣區(qū)埋入土中莢果質(zhì)量，g；8為小樣區(qū)花生植株上未摘下的莢果質(zhì)量，g；9為小樣區(qū)收獲物中莢果質(zhì)量，g。

表1 不同篩體結(jié)構(gòu)形式試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，在常用前進(jìn)速度0.8、1.0、1.2 m/s下，彈指篩的含雜率和損失率均小于另外3種傳統(tǒng)篩體。編織篩和沖孔篩的透篩性能差，收獲時存在土壤堵塞篩孔、細(xì)長雜物卡滯篩孔等現(xiàn)象，造成土雜分離能力下降，篩面堵塞嚴(yán)重，長時間作業(yè)后篩孔容易變形，造成含雜率和損失率高；柵條篩由多根桿條平行排列貫穿于篩體前后，長度較長，易發(fā)生變形，篩體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，順暢性差，細(xì)長雜物容易掛接在與混合物流動方向垂直的橫檔處，造成秧蔓堆積，由于定期清理秧蔓而降低了作業(yè)效率；彈指篩拋送能力強(qiáng)，能夠較快打散篩選物，增加細(xì)長雜物穿透篩體能力，極少出現(xiàn)掛秧現(xiàn)象，作業(yè)順暢。根據(jù)花生收獲機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T502- 2016[27]，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，在4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)高效作業(yè)時，采用本文設(shè)計的搭接式彈指振動篩清選效果較好。

3 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

為優(yōu)化搭接式彈指振動篩性能影響參數(shù)，在上述篩體結(jié)構(gòu)對比試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)已有清選機(jī)構(gòu)試驗(yàn)因素研究[28]，結(jié)合前期單因素試驗(yàn)，選取影響彈指篩性能的4個主要參數(shù)為：彈指篩振動頻率（以下簡稱振動頻率）、彈指直徑（以下簡稱直徑）、彈指篩振幅（以下簡稱振幅）、安裝傾角。

3.1 試驗(yàn)條件

花生收獲試驗(yàn)在泗陽八集鎮(zhèn)花生地進(jìn)行，花生1穴2株，品種為天府9號，產(chǎn)量4 500 kg/hm2，試驗(yàn)地為單壟雙行種植模式，土壤類型為沙土，含水率10%（0～100 mm土深），墑情適宜聯(lián)合收獲。試驗(yàn)地種植模式和植株性狀如圖6所示。

注：壟底寬L1=670 mm；壟面寬L2=550 mm；小行距S1=300 mm；大行距S2=600 mm；壟距S3=900 mm；壟高H1=120 mm；株高H2=400～500 mm；結(jié)果范圍M=150～250 mm。

3.2 試驗(yàn)方法與評價指標(biāo)

試驗(yàn)選擇土壤含水率基本相同的試驗(yàn)地作為測區(qū)，測區(qū)長度不少于100 m。通過收集半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)篩體表面、篩下方、排出口、集果箱等物料，測得含雜率、損失率。

3.3 試驗(yàn)設(shè)計與方法

根據(jù)Box-Benhnken中心組合設(shè)計理論[29]，以含雜率1、損失率2作為響應(yīng)值，對彈指篩振動頻率、直徑、振幅、傾角開展響應(yīng)面試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過程中通過更換驅(qū)振擺桿上偏心套來調(diào)節(jié)振幅，通過更換傳動帶輪來調(diào)節(jié)彈指篩振動頻率。采用四因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計方案[30]，對影響含雜率、損失率的4個主要參數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和分析，最終獲得顯著試驗(yàn)因素與評價指標(biāo)的響應(yīng)曲面模型。因素及水平設(shè)計[31]見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平

3.4 結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Benhnken中心組合設(shè)計四因素三水平分析試驗(yàn)，試驗(yàn)方案包括29個試驗(yàn)點(diǎn)，其中包括24個分析因子，5個零點(diǎn)估計誤差，試驗(yàn)方案和響應(yīng)值見表3。

表3 試驗(yàn)設(shè)計方案和響應(yīng)值結(jié)果

3.4.1 含雜率回歸模型的建立與顯著性試驗(yàn)

根據(jù)表3中的試驗(yàn)設(shè)計及試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用Design- Expert.V8.0.6.1數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行多元回歸擬合，建立含雜率1對振動頻率水平1，直徑水平2，振幅水平3，安裝傾角水平4的二次多項式回歸模型如式（3），回歸方程的顯著性檢驗(yàn)如表4所示。

表4 回歸方程方差分析

注：<0.01（極顯著，**）；<0.05（顯著，*）。

Note:<0.01 (highly significant, **);<0.05 (significant, *).

由表4可知，含雜率1的響應(yīng)面模型<0.01，表明模型的擬合度極其顯著；1模型失擬項>0.05，無失擬因素存在，表明可用回歸模型代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對結(jié)果進(jìn)行分析；1模型的決定系數(shù)2=93.86%，該模型只有6.14%的變異，回歸模型對樣本點(diǎn)的擬合程度很好。因此，可用此模型對含雜率指標(biāo)1進(jìn)行分析和預(yù)測。由表4可知，1、2、1與2的交互項、1的二次項、2的二次項的值均<0.01，表明上述回歸項對含雜率的影響極顯著；而其余各項值均>0.05，對含雜率1的影響不顯著，其中2與3交互項（23）值較其余回歸項稍低一些，對含雜率的影響略大。由各回歸項回歸系數(shù)分析可知，各因素的影響重要性順序?yàn)椋赫駝宇l率>直徑>振幅>安裝傾角。

運(yùn)用Design-Expert.V8.0.6.1軟件繪制響應(yīng)曲面圖來分析各因素對含雜率的影響效應(yīng)。圖7a為振幅和安裝傾角位于中心水平（3=0，4=0）時，振動頻率和直徑之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)振幅5 mm，安裝傾角3.5°時，含雜率1隨著振動頻率的增加呈現(xiàn)不斷增大的趨勢，隨著直徑的增加呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，當(dāng)直徑小于3 mm時，隨著振動頻率的增加，含雜率增加較快，這是因?yàn)橹睆皆叫?，彈指自身彈性振頻越大，隨著篩體振動頻率的增加，果雜混合物在彈指振動和篩體振動雙重作用下，物料在篩面上運(yùn)動變得較為劇烈，推移速度變快，物料在篩面發(fā)生躍起現(xiàn)象，減少了土、小雜透過篩孔的概率，并且隨著振動頻率的增加，彈指篩整體振動增大，降低了振動篩的使用壽命。當(dāng)直徑大于3 mm時，含雜率隨著振動頻率的增加而緩慢增加，這是因?yàn)橹睆捷^大時，彈指自身振動受篩體振動的影響減弱，彈指產(chǎn)生打散和翻動物料的機(jī)會明顯變少，振動頻率對果雜混合物在篩面的運(yùn)動起主要作用，彈指直徑和振動頻率的交互作用得以體現(xiàn)。

圖7b為振動頻率和安裝傾角位于中心水平（1=0，4=0）時，直徑和振幅之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)振動頻率 7 Hz，安裝傾角3.5°時，含雜率1隨振幅的增大變化很小，隨著直徑增大緩慢減小，結(jié)合等高線密度可知，直徑和振幅對含雜率1影響不顯著，與方差分析結(jié)果相同。

3.4.2 損失率回歸模型的建立與顯著性試驗(yàn)

根據(jù)表3中的試驗(yàn)設(shè)計及試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用Design- Expert.V8.0.6.1數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行多元回歸擬合，建立損失率2對振動頻率水平1，直徑水平2，振幅水平3，安裝傾角水平4的二次多項式回歸模型如式（4），回歸方程的顯著性檢驗(yàn)如表4所示。

由表4可知，含雜率2的響應(yīng)面模型<0.01，表明模型的擬合度極其顯著；2模型失擬項>0.05，無失擬因素存在，表明可用回歸模型代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對結(jié)果進(jìn)行分析；2模型的決定系數(shù)2=92.03%，該模型只有7.97%的變異，回歸模型對樣本點(diǎn)的擬合程度很好。因此，可用此模型對含雜率指標(biāo)進(jìn)行分析和預(yù)測。由表4可知，1、3、4、4的二次項值均<0.01，表明上述回歸項對損失率的影響極其顯著，3與4的交互項值<0.05，對含雜率有顯著影響；而其余各項值均>0.05，對損失率2的影響不顯著，其中1與2交互項（12）值較其余回歸項稍低一些，對損失率的影響略大。由各回歸項回歸系數(shù)分析可知，各因素的影響重要性順序?yàn)檎穹?安裝傾角>振動頻率>直徑。

運(yùn)用Design-Expert.V8.0.6.1軟件繪制響應(yīng)曲面圖來直觀描述各因素對損失率的影響效應(yīng)。圖8a為振動頻率和直徑位于中心水平（1=0，2=0）時，振幅和安裝傾角之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)振動頻率7 Hz，直徑3 mm時，損失率2隨著振幅的增加呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，但變化較為平緩，隨著安裝傾角的增加呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。當(dāng)振幅小于4 mm時，隨著安裝傾角的增加，損失率增加較快，這是因?yàn)榘惭b傾角增加時，提高了果雜混合物在篩面的移動速度，但縮短了混合物在篩面的清選時間，同時彈指篩振幅較小，混合物在篩面難以分層，長莖稈等難篩物容易在篩面卡滯，降低雜質(zhì)的透篩概率，造成堵塞，未分層的混合物在較快的移動速度下，雜質(zhì)及長莖稈夾帶花生莢果拋出機(jī)外造成損失。當(dāng)振幅大于4 mm時，損失率隨著安裝傾角的增加而緩慢增加，振幅較大時，增加了混合物在篩面的拋擲高度，對混合物起到較好的分層作用，增加了莖稈、土等雜物透過篩孔的概率，使得混合物向后輸送時逐漸變薄，夾帶損失減小，而安裝傾角通過影響混合物在篩面的移動速度對損失率起主導(dǎo)作用，振幅和安裝傾角的交互作用得以體現(xiàn)。

圖8b為振幅和安裝傾角位于中心水平（3=0，4=0）時，彈指篩振動頻率和彈指直徑之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)振幅5 mm，安裝傾角3.5°時，損失率2隨著振動頻率的增大而逐漸增大，隨著直徑增大變化趨勢不明顯，結(jié)合等高線密度可知，振動頻率和直徑對損失率2影響并不顯著，與方差分析結(jié)果相同。

通過各因素水平效應(yīng)分析可知，各因素及其交互作用對測定指標(biāo)的影響趨勢各不相同，為了尋求滿足彈指篩的最佳參數(shù)組合，需綜合考慮各因素對測定指標(biāo)的影響，進(jìn)行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化。

以含雜率最低、損失率最低為優(yōu)化目標(biāo)，開展彈指篩各參數(shù)優(yōu)化研究。建立目標(biāo)函數(shù)與參數(shù)變量的約束條件如式（5）所示，運(yùn)用Design Expert的優(yōu)化求解模塊，對建立的2個指標(biāo)回歸方程模型最優(yōu)化求解，得到彈指篩最優(yōu)工作參數(shù)為：彈指篩振動頻率為6 Hz、彈指直徑為2.75 mm、彈指篩振幅為6.94 mm和安裝傾角為2.8°，此時含雜率2.3%，損失率0.685%。

式中為響應(yīng)值中最小值。

3.5 田間試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證3.4所述模型預(yù)測準(zhǔn)確性，采用上述最優(yōu)工作參數(shù)組合在泗陽八集鎮(zhèn)花生試驗(yàn)地進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖9所示，試驗(yàn)重復(fù)10次，考慮試驗(yàn)的可行性和操作性，將最優(yōu)工作參數(shù)修正為：彈指篩振動頻率為6 Hz、彈指直徑為3 mm、彈指篩振幅為7 mm和安裝傾角為2.8°，對應(yīng)的含雜率和損失率分別為2.41%、0.711%，且各評價指標(biāo)與其理論優(yōu)化值的相對誤差均小于5%，結(jié)果見表5。

a. 田間試驗(yàn) a. Field testingb. 指標(biāo)測定 b. Index determination

表5 優(yōu)化條件下各評價指標(biāo)實(shí)測值

由表5結(jié)果可知，含雜率1的試驗(yàn)值與模型優(yōu)化值相對誤差為4.8%，損失率2的試驗(yàn)值與模型優(yōu)化值相對誤差為3.8%，試驗(yàn)值與模型優(yōu)化值相對誤差均小于5%，因此，上述參數(shù)優(yōu)化模型是準(zhǔn)確的，采用上述最優(yōu)工作參數(shù)組合能有效降低含雜率和損失率，即：彈指篩振動頻率為6 Hz、彈指直徑為3 mm、彈指篩振幅為7 mm和安裝傾角為2.8°。

4 結(jié)論與討論

1）本文設(shè)計了一種搭接式彈指振動篩，其彈性振動對流過篩面的果雜混合物起到打散、翻動等作用，與傳統(tǒng)篩體沖孔篩、編織篩、柵條篩進(jìn)行試驗(yàn)對比表明，彈指篩在半喂入四行高效花生聯(lián)合收獲時清選效果較好，解決了4HLB-4型半喂入四行高效花生聯(lián)合收獲在大喂入量高效收獲工況下清選環(huán)節(jié)存在的含雜率高、損失率大、雜物堵塞等問題。

2）在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，開展響應(yīng)面試驗(yàn)研究，分析了彈指篩振動頻率、彈指直徑、彈指篩振幅、安裝傾角對含雜率、損失率的影響趨勢，建立了含雜率、損失率對四個因素水平的二次多項式回歸模型；

3）彈指篩各因素對含雜率影響顯著順序?yàn)閺椫负Y振動頻率＞彈指直徑＞彈指篩振幅＞安裝傾角；各因素對損失率影響顯著順序?yàn)閺椫负Y振幅＞安裝傾角＞彈指篩振動頻率＞彈指直徑；

4）彈指篩最優(yōu)參數(shù)組合為彈指篩振動頻率6 Hz、彈指直徑3 mm、彈指篩振幅7 mm、安裝傾角2.8°，含雜率和損失率分別為2.41%、0.711%，實(shí)測值與優(yōu)化值相對誤差均小于5%，表明模型可靠性較高；

該試驗(yàn)對彈指篩工作參數(shù)開展多因素分析，研究各因素對含雜率、損失率的影響。由于本試驗(yàn)針對清選效果僅僅考慮了篩體工作參數(shù)，對風(fēng)機(jī)影響、彈指振動去雜機(jī)理等未開展全面研究，因此在后續(xù)半喂入四行高效花生聯(lián)合收獲清選機(jī)構(gòu)研究中應(yīng)綜合開展上述研究。此外，搭接式彈指振動篩清選效果較好，但是實(shí)際工作中還存在斷指、焊縫開裂等問題，后續(xù)機(jī)具研發(fā)建議增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提升機(jī)具可靠性。

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Wang Bing, Hu Zhichao, Peng Baoliang, Zhang Yanhua, Gu Fengwei, Shi Lili, Gao Xuemei. Structure operation parameter optimization for elastic steel pole oscillating screen of semi-feeding four rows peanut combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(21): 20－28. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.21.002 http://www.tcsae.org

Structure operation parameter optimization for elastic steel pole oscillating screen of semi-feeding four rows peanut combine harvester

Wang Bing, Hu Zhichao, Peng Baoliang, Zhang Yanhua, Gu Fengwei, Shi Lili, Gao Xuemei

(210014,)

4HLB-4 type semi-feeding four-row peanut combine harvester gets 2 ridges (4 rows) at one time, whose productive efficiency is 2 times more than the existing semi-feeding two-row peanut combine harvester. Bar strip screen, woven screen and perforated screen and other traditional screens are widely used in semi-feeding peanut combine harvesting, but in practice, it is found that the traditional screens can not meet the demand of changeable soil moisture content and the requirement of high efficiency. In the application of semi-feeding four-row peanut combine harvester, there are many problems such as high percentages of impurities and loss, and debris blockage. In order to overcome the above difficulties, a stacked elastic steel pole oscillating screen was designed in this paper, and it can transfer dynamic load to the elastic steel pole to motivate elastic vibration of itself, which has a very good breaking and flipping effect on the mixture of peanut and varia on the screen surface and is good for screening operation and improves screening quality and speed effectively. In this paper, the percentages of impurities and loss were taken as the evaluation indices, and the contrast tests for 3 kinds of traditional screens (bar strip screen, woven screen and perforated screen) and elastic steel pole oscillating screen were carried out when the operating speed was 0.8, 1.0 and 1.2 m/s respectively. The test results showed that cleaning effect of elastic steel pole oscillating screen was better than the other 3 traditional screens in 3 operation speeds. Based on the single factor experiment, vibration frequency of elastic pole screen, diameter of elastic pole, altitude of elastic pole screen, mounting angle were selected as influencing factors. The four-factor three-level quadratic regression orthogonal test was carried out by using Box-Benhnken central composite test method. Two polynomial regression models about percentage of impurities and percentage of loss v.s. the 4 variables including vibration frequency of elastic pole screen, diameter of elastic pole, altitude of elastic pole screen, and mounting angle were established. Response surface methodology was used to analyze the influence of various factors on percentages of impurities and loss, and the influence factors were optimized. The experimental results showed that different factors and their interactions had different influence on the measured indices. The significant sequence for percentage of impurities was vibration frequency of elastic pole screen > diameter of elastic pole > altitude of elastic pole screen > mounting angle. The significant sequence for percentage of loss was altitude of elastic pole screen > mounting angle > vibration frequency of elastic pole screen > diameter of elastic pole. In order to find the best combination of parameters, the minimum percentages of impurities and loss were taken as optimization targets, a research on parameter optimization of the screen was carried out, and the constraint condition of objective function and parameter variable was established. The optimal parameter combination of vibration frequency of elastic pole screen of 6 Hz, diameter of elastic pole of 3 mm, altitude of elastic pole screen of 7 mm and mounting angle of 2.8° was obtained using optimization module of Design-Expert data analysis software. Field experiments were carried out with the above optimized parameters, and the percentage of impurities was 2.41% and the percentage of loss was 0.711%. The relative errors of each evaluation index and its theoretical optimization value were less than 5%. The research results can provide references for the perfect design and operation parameter optimization of 4HLB-4 type semi-feeding four-row peanut combine harvester and cleaning component.

agricultural machinery; crops; optimization; peanut; combine harvester; cleaning; elastic steel pole oscillating screen

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.21.002

S225.7+3

A

1002-6819(2017)-21-0020-09

2017-06-09

2017-10-24

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“花生智能化高效聯(lián)合收獲關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)”（2016YFD0702102）；中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程（土下果實(shí)收獲機(jī)械創(chuàng)新團(tuán)隊）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項“半喂入花生聯(lián)合收獲大喂入量清選機(jī)理研究與機(jī)構(gòu)優(yōu)化”（S201703）

王 冰，助理研究員，主要從事花生、薯類等收獲裝備研發(fā)工作。Email：supbing@163.com

※通信作者：胡志超，研究員，主要從事農(nóng)作物收獲及產(chǎn)后加工技術(shù)與裝備研究。Email：zchu369@163.com