徐福龍，賀俊林，王月華，李姣姣

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中 030801)

0 引言

國(guó)外目前亞麻(胡麻)機(jī)械化收獲模式主要以?xún)啥问斋@和聯(lián)合收獲為主，國(guó)外的胡麻收獲裝備智能化水平高、操作控制系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，不適宜我國(guó)亞麻(胡麻)機(jī)械化生產(chǎn)裝備的廣泛應(yīng)用[1]。國(guó)內(nèi)目前在亞麻(胡麻)收獲方面的研究主要是以全喂入式和半喂入式收獲為主，在喂入植株時(shí)存在植株纏繞脫粒滾筒問(wèn)題，以及在物料清選時(shí)雜質(zhì)成分復(fù)雜導(dǎo)致堵塞篩板問(wèn)題[2-4]。本課題組前期設(shè)計(jì)的梳齒式亞麻(胡麻)蒴果梳刷試驗(yàn)臺(tái)具有較好的防植株纏繞效果，但也存在蒴果不易收集問(wèn)題[5]。

針對(duì)亞麻(胡麻)機(jī)械化收獲中存在的植株纏繞脫粒滾筒問(wèn)題和蒴果收集問(wèn)題，本研究旨在基于先獨(dú)立收獲蒴果、再對(duì)蒴果破殼脫粒的收獲方式，設(shè)計(jì)了一種梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗(yàn)臺(tái)[6]。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗(yàn)臺(tái)的工作部件主要包括梳刷系統(tǒng)、收集系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、植株輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，主要由機(jī)架、梳刷滾筒、梳刷滾筒防護(hù)罩、V帶、膠帶輪、植株輸送導(dǎo)軌、植株夾持裝置、離心風(fēng)機(jī)、電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等結(jié)構(gòu)組成(圖1)。

1.離心風(fēng)機(jī) 2.離心風(fēng)機(jī)機(jī)架 3.風(fēng)機(jī)接口 4.控制器 5.夾持裝置 6.導(dǎo)軌 7.軸承座 8.機(jī)架 9.變速膠帶輪 10.大帶輪 11.滾筒軸 12.V帶 13.小帶輪 14.電動(dòng)機(jī) 15.從動(dòng)軸16.從動(dòng)六角圓盤(pán) 17.主動(dòng)六角圓盤(pán) 18.連接件 19.梳齒架20.梳齒 21.梳刷滾筒防護(hù)罩圖1 梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of comb-brushing and air-absorbing flax capsule harvest testbed

1.2 工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力通過(guò)膠帶傳動(dòng)經(jīng)變速膠帶輪到達(dá)梳刷滾筒軸端大帶輪，帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)。滾筒上的梳齒在由主動(dòng)六角圓盤(pán)OL(原動(dòng)件)、從動(dòng)六角圓盤(pán)NQ、連接件LQ、機(jī)架ON、梳齒架、從動(dòng)軸、滾筒軸等結(jié)構(gòu)組成的平行四桿機(jī)構(gòu)(圖2a)的作用下作平動(dòng)，主動(dòng)六角圓盤(pán)OL、從動(dòng)六角圓盤(pán)NQ、梳齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡分別為S1、S2、S3(圖2b)[7-8]。

圖2 梳刷滾筒工作原理Fig.2 Working principle of comb brush roller

植株在離心式通風(fēng)機(jī)的吸附作用下與梳齒保持緊密的接觸，利于梳齒梳刷植株與梳脫蒴果，梳脫的蒴果在滾筒一側(cè)的離心式通風(fēng)機(jī)特定風(fēng)壓的作用下被收集到指定位置，蒴果與風(fēng)機(jī)葉片及集料箱之間存在較大的撞擊力，因此收集到的蒴果物料屬于半脫粒物料，利于后續(xù)的蒴果破殼脫粒環(huán)節(jié)。試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of testbed

2 試驗(yàn)臺(tái)性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料、試驗(yàn)條件及設(shè)備

試驗(yàn)材料選取成熟期藍(lán)亞麻植株，含水率為15.33%，藍(lán)亞麻別名宿根亞麻(LinumperenneL.var.sibiricumPlanch.)，為亞麻科亞麻屬多年生草本植物，其植株及蒴果特性與胡麻的相似。試驗(yàn)地點(diǎn)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)設(shè)備有梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗(yàn)臺(tái)(圖3)，電熱鼓風(fēng)干燥箱、電子天平(精度0.01 g)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件有Excel(Microsoft Office Excel 2019)、SAS9.1(Statistical Analysis System)。

圖3 梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)Fig.3 Comb-brushing and air-absorbing flax capsule harvest testbed

2.2 試驗(yàn)因素的確定及控制方法

根據(jù)前期梳齒式亞麻(胡麻)蒴果梳刷試驗(yàn)臺(tái)的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)布置及工作原理，選取以下4個(gè)試驗(yàn)因素(表2)：梳齒截面形狀A(yù)、梳刷滾筒轉(zhuǎn)速B、機(jī)具行進(jìn)相對(duì)速度C、離心式通風(fēng)機(jī)風(fēng)量D[5]。梳齒截面形狀通過(guò)安裝不同截面形狀的梳齒來(lái)控制，梳刷滾筒轉(zhuǎn)速通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制，機(jī)具行進(jìn)相對(duì)速度通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制，離心式通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的大小來(lái)控制。

表2 試驗(yàn)因素和水平Tab.2 Test factors and levels

2.3 試驗(yàn)指標(biāo)及計(jì)算方法

根據(jù)前期梳齒式亞麻(胡麻)蒴果梳刷試驗(yàn)臺(tái)的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)布置及工作原理，選取以下2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)：蒴果收集率Y1，植株纏繞率Y2[5]。試驗(yàn)臺(tái)要求蒴果收集率越大越好，植株纏繞率越小越好，各試驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算公式分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中M——梳刷前植株總質(zhì)量，g

M1——梳刷后植株質(zhì)量，g

M2——風(fēng)機(jī)出風(fēng)口收集的蒴果質(zhì)量，g

M3——滾筒上纏繞的植株質(zhì)量，g

2.4 試驗(yàn)方案、結(jié)果與分析

按照L9(34)正交表設(shè)計(jì)4因素3水平的正交試驗(yàn)，研究各個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性，共進(jìn)行9組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。每次試驗(yàn)根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算各試驗(yàn)指標(biāo)，正交試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.3 Test scheme and results

由極差分析結(jié)果(表4)可得：蒴果收集率和植株纏繞率的較優(yōu)參數(shù)組合分別為A-1B-1C-1D1、A0B-1C-1D-1；各因素對(duì)蒴果收集率和植株纏繞率的影響順序由大到小分別為D>C>A>B、A>D>B>C。

表4 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果Tab.4 Range analysis results of orthogonal experiment

由方差分析結(jié)果(表5)可得：離心式通風(fēng)機(jī)風(fēng)量和其他因素對(duì)蒴果收集率的影響分別為極顯著和不顯著，這是由于梳脫的蒴果依靠風(fēng)機(jī)來(lái)收集，因此風(fēng)機(jī)的風(fēng)量越大，蒴果的收集效果越好；梳齒截面形狀和其他因素對(duì)植株纏繞率的影響分別為顯著和不顯著，這是由于植株與梳齒直接接觸，不同截面的梳齒對(duì)植株的損傷程度不同，植株有不同程度的斷裂，導(dǎo)致了纏繞率的不同。結(jié)合極差分析結(jié)果可得較優(yōu)參數(shù)組合為A0B-1C-1D1。

表5 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果Tab.5 Variance analysis results of orthogonal experimental

2.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在較優(yōu)參數(shù)組合條件下，經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)梳脫收集到的蒴果物料如圖4所示，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表6所示[9-10]。蒴果收集率為96.67%，植株纏繞率為0.32%，試驗(yàn)臺(tái)的梳脫、收集、避免植株纏繞等效果較好。

表6 試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results of test bench verification test

圖4 集料箱收集到的蒴果物料Fig.4 Capsule material collected in aggregate box

3 結(jié)論

(1)在較優(yōu)工作參數(shù)組合的梳齒截面形狀為圓形、梳刷滾筒轉(zhuǎn)速44 r/min、機(jī)具行進(jìn)相對(duì)速度80 mm/s、離心式通風(fēng)機(jī)風(fēng)量6 000 m3/h條件下，蒴果收集率為96.67%、植株纏繞率為0.32%，試驗(yàn)臺(tái)梳脫、收集、避免植株纏繞等效果較好。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)臺(tái)收集得到的蒴果物料為半脫粒物料，物料中植株秸稈成分極少，利于后續(xù)的破殼脫粒環(huán)節(jié)。

(2)基于先得到亞麻(胡麻)蒴果、再對(duì)蒴果破殼脫粒的收獲方式，設(shè)計(jì)的梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗(yàn)臺(tái)，提供了解決亞麻(胡麻)機(jī)械化收獲過(guò)程中植株纏繞滾筒問(wèn)題和蒴果收集問(wèn)題的可行性方案。