康家鑫，王修善,2，謝方平,2※，羅 曜,3，李 奇，陳志剛

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410128；2. 智能農(nóng)機(jī)裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410128；

3. 湖南省農(nóng)友機(jī)械集團(tuán)有限公司，婁底 417700）

0 引 言

脫粒分離裝置作為聯(lián)合收獲機(jī)的核心工作部件，對整機(jī)工作質(zhì)量起決定性作用。滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、喂入量是影響脫粒分離裝置工作質(zhì)量的重要工作參數(shù)。其中，脫粒間隙作為影響脫粒分離裝置工作質(zhì)量的影響因素之一，通過改變谷物層的厚度影響分離的籽粒質(zhì)量。目前，中國南方地區(qū)大豆聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離裝置的脫粒間隙調(diào)節(jié)方式單一，導(dǎo)致脫粒分離裝置在收獲過程中存在籽粒破碎率和損失率高的問題，嚴(yán)重影響了聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離裝置的工作質(zhì)量和整機(jī)作業(yè)性能。

根據(jù)作物特性和工況對脫粒間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠有效提升脫粒分離裝置的工作質(zhì)量。國內(nèi)外為提升脫粒分離裝置的工作質(zhì)量，對聯(lián)合收獲機(jī)脫粒間隙調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行了大量研究。李耀明等設(shè)計(jì)了切流雙滾筒脫粒裝置的脫粒間隙調(diào)節(jié)裝置和一種直徑可調(diào)的縱軸流脫粒滾筒。切流雙滾筒脫粒裝置通過監(jiān)測液壓缸受力情況，控制凹板篩在豎直方向移動，從而得到合適的脫粒間隙；縱軸流脫粒滾筒通過直徑調(diào)節(jié)裝置對滾筒直徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)裝置由恒速螺旋盤、配合爪等部件組成。工作時(shí)，電機(jī)帶動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和安裝在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上的脫粒齒桿沿徑向移動，從而調(diào)節(jié)結(jié)脫粒間隙。王勛威等設(shè)計(jì)了一種直徑可調(diào)的小型水稻聯(lián)合收獲機(jī)橫軸流脫粒滾筒，利用滑塊連桿機(jī)構(gòu)代替輻盤，將脫粒齒桿鉸接在連桿上，工作時(shí)通過鏈傳動控制連桿機(jī)構(gòu)伸縮，進(jìn)而帶動脫粒齒桿沿滾筒徑向移動，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)脫粒間隙。張成文設(shè)計(jì)了一種一端與液壓缸鉸接，另一端繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動的凹板篩，通過脫粒分離裝置負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)依據(jù)喂入量大小控制液壓缸活塞桿伸縮，進(jìn)而對脫粒間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)。Imel等發(fā)明了一種脫粒間隙可調(diào)的凹板篩，凹板篩一側(cè)鉸接在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的連桿上，另一側(cè)鉸接在機(jī)架上，工作時(shí)通過曲柄控制連桿帶動凹板篩繞另一側(cè)的鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動，從而改變脫粒間隙。Regier等發(fā)明了一種凹板篩，凹板篩的底部安裝在橫梁上，橫梁一端與機(jī)架鉸接，另一端與中間連桿鉸接，工作時(shí)中間連桿帶動凹板篩移動，從而改變脫粒間隙。Bergkamp發(fā)明了一種聯(lián)合收獲機(jī)恒壓式凹板篩，凹板篩的一側(cè)鉸接在機(jī)架上，另一側(cè)與液壓缸活塞桿鉸接，通過控制活塞桿上下移動，調(diào)節(jié)脫粒間隙。綜上所述，國內(nèi)外聯(lián)合收獲機(jī)的脫粒間隙調(diào)節(jié)裝置主要分為調(diào)節(jié)滾筒直徑和調(diào)節(jié)凹板篩位置兩種。

通過分析現(xiàn)有的兩種脫粒間隙調(diào)節(jié)裝置發(fā)現(xiàn)，采用調(diào)節(jié)脫粒滾筒直徑的方式會導(dǎo)致滾筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，并且滾筒質(zhì)量增大，增加了脫粒功耗，而現(xiàn)有調(diào)整凹板篩位置的方式僅能調(diào)節(jié)脫粒滾筒底部或其中一側(cè)的脫粒間隙，調(diào)節(jié)脫粒間隙的能力有限。因此本文在全面研判兩種脫粒間隙調(diào)節(jié)裝置優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種通過電缸帶動凹板篩繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動的對稱可調(diào)式凹板篩，并以機(jī)具前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒段和分離段凹板篩脫粒間隙為影響因素，籽粒破碎率、未脫凈率和夾帶損失率為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行四因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，以期為中國南方地區(qū)大豆聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離裝置工作參數(shù)的調(diào)控以及自適應(yīng)脫粒分離裝置的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

大豆聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離裝置主要包括動力帶輪、前T型變速箱、差速脫粒滾筒、過渡帶輪、調(diào)節(jié)帶輪、調(diào)節(jié)帶輪軸、后T型變速箱、對稱可調(diào)式凹板篩、電缸、位移傳感器組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖1和表1所示。

圖1 大豆聯(lián)合收割機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Structural diagram of soybean combine harvester

表1 大豆聯(lián)合收獲機(jī)參數(shù)表 Table 1 Parameter table of soybean combine harvester

1.2 工作原理

聯(lián)合收獲機(jī)在作業(yè)過程中，能夠一次性完成切割、脫粒、清選等工序。工作時(shí)，大豆莖稈被割刀割斷后，在撥禾輪的作用下落入割臺，割臺攪龍將植株輸送至輸送器內(nèi)，輸送槽將植株輸送至脫粒室進(jìn)行脫粒，在脫粒室內(nèi)，差速脫粒滾筒的前滾筒以較低的轉(zhuǎn)速對容易脫粒的大豆進(jìn)行脫粒，后滾筒以較高的轉(zhuǎn)速對較難脫粒的大豆進(jìn)行脫粒，被脫出的籽粒、碎莖稈等脫出物穿過對稱可調(diào)式凹板篩后，落入清選室進(jìn)行清選，在振動篩和清選風(fēng)機(jī)的作用下，莖稈、莢皮等雜質(zhì)被排出機(jī)具外部，干凈的籽粒則落入輸糧攪龍?zhí)?，被輸送至糧箱。

當(dāng)需要調(diào)節(jié)脫粒間隙時(shí)，通過手機(jī)藍(lán)牙與控制電缸的單片機(jī)的藍(lán)牙模塊連接，再在手機(jī)上輸入所需的脫粒間隙數(shù)值，單片機(jī)接受到信號后，控制電缸伸長或收縮，電缸帶動與之相連的對稱可調(diào)式凹板篩的篩體繞鉸接軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)對滾筒底部和兩側(cè)的脫粒間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與選型

2.1 同軸差速脫粒滾筒結(jié)構(gòu)與選型

差速脫粒滾筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。差速脫粒滾筒分為喂入攪龍、前脫粒滾筒、后脫粒滾筒三個(gè)部分。其中，喂入攪龍與前脫粒滾筒固定為一體，前滾筒的低速實(shí)心軸與后滾筒的高速空心軸之間安裝有軸承，使得前滾筒與后滾筒能夠以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。工作時(shí)，前滾筒以低轉(zhuǎn)速對容易脫粒的豆莢進(jìn)行脫粒，后滾筒以高轉(zhuǎn)速對較難脫粒的豆莢進(jìn)行脫粒。

圖2 桿齒-紋桿齒組合式同軸差速脫粒滾筒 Fig.2 Combined coaxial differential threshing cylinder with rasp-nod teeth

1）脫粒齒選型

由于南方地區(qū)在大豆收獲期的氣溫高、空氣濕度大，導(dǎo)致大豆在收獲時(shí)具有草谷比和未成熟豆莢占比高的特性。在脫粒過程中，較高的草谷比不利于籽粒分離，會導(dǎo)致破碎率增大，未成熟的豆莢含水率高，脫粒時(shí)所需作用力更大，并且需要更高的轉(zhuǎn)速。因此，依據(jù)羅錫文主編的《農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)學(xué)（下冊）》，選取前滾筒脫粒齒為紋桿齒，以提升滾筒的分離性能，降低破碎率。后滾筒脫粒齒采用桿齒，并通過更高的轉(zhuǎn)速增大對未成熟豆莢的作用力，以降低未脫凈率。

2）螺旋葉片升角的確定

喂入攪龍的螺旋葉片升角作為喂入攪龍的關(guān)鍵參數(shù)之一，對物料能否進(jìn)行軸向輸送、避免滾筒堵塞有重要影響，為確保物料能順利輸送至脫粒室，對螺旋葉片上任意一點(diǎn)處的物料進(jìn)行受力分析，如圖3所示，為使物料能順利輸送至脫粒室內(nèi)，螺旋葉片升角應(yīng)滿足

圖3 物料受力分析 Fig.3 Material stress analysis

經(jīng)測量摩擦角為57.8°，聯(lián)立式（1）和（2）得螺旋葉片升角為32.2°。

3）喂入攪龍長度的確定

喂入攪龍的長度l為

式中S為螺旋導(dǎo)程，經(jīng)測量得螺旋導(dǎo)程為500 mm；為螺旋頭數(shù)，取2。

依據(jù)式（3）得螺旋攪龍的長度l為250 mm。

2.2 脫粒間隙對稱可調(diào)式凹板篩結(jié)構(gòu)與選型

對稱可調(diào)式凹板篩結(jié)構(gòu)如圖4所示。凹板篩上固定板與凹板篩篩體通過鉸接軸鉸接，上固定板安裝在機(jī)架上，篩體可繞鉸接軸轉(zhuǎn)動，篩體下方焊接有凹板篩支撐板和內(nèi)支撐軸，內(nèi)支撐軸上安裝有內(nèi)支撐軸套，軸套與電缸通過螺紋相連，并且電缸與位移傳感器固定在一起，電缸的推桿伸縮時(shí)通過連接環(huán)帶動位移傳感器的伸縮桿運(yùn)動，電缸的另一端通過外支架和外支撐軸固定在機(jī)具外部，電缸推桿的軸線與凹板篩底部圓弧的圓心在同一直線上，電缸推桿的軸線與水平面的夾角為電缸安裝角度，在一側(cè)的凹板篩底部焊接有底部擋板，避免物料從底部的縫隙落入清選系統(tǒng)。

圖4 對稱可調(diào)式凹板篩結(jié)構(gòu)圖 Fig.4 Structural drawing of symmetrical adjustable concave

在試驗(yàn)時(shí)，通過手機(jī)連接單片機(jī)控制系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊，在手機(jī)的藍(lán)牙調(diào)試軟件上輸入脫粒段和分離段的脫粒間隙數(shù)值后，單片機(jī)控制電缸伸長或收縮，電缸帶動凹板篩篩體繞鉸接軸轉(zhuǎn)動，改變脫粒滾筒底部與兩側(cè)的脫粒間隙。

1）電缸額定推力計(jì)算與選型

在脫粒過程中，谷物流會對凹板篩的底部和兩側(cè)產(chǎn)生沖擊，凹板篩的底部在受到?jīng)_擊的同時(shí)，也受到谷物流重力的影響，因此相較于兩側(cè)，凹板篩底部的受力最大。在確定電缸額定推力時(shí)，以凹板篩底部在豎直方向上受到的最大作用力進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 電缸受力分析 Fig. 5 Stress analysis of electric cylinder

電缸的額定推力為

依據(jù)聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)，選取安裝角為38°。依據(jù)式（4）計(jì)算電缸的額定推力為1 000 N。同時(shí)，為避免推桿在工作過程中，由于機(jī)具振動導(dǎo)致脫粒間隙發(fā)生變化，選取帶自鎖功能的電缸。

2）單片凹板篩面積確定

凹板篩面積和凹板篩弧長對脫粒裝置的脫粒分離能力有顯著影響，單片凹板篩的面積如式（5）所示。

式中為凹板篩面積，m；為凹板的寬度，0.71 m；為凹板篩的弧長，0.51 m。

依據(jù)式（5），確定單片凹板篩的面積為0.362 1 m。

2.3 脫粒間隙的調(diào)控原理

為分析不同的脫粒間隙調(diào)節(jié)方式得到的脫粒間隙橫截面積，以凹板篩底部圓弧的圓心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系對安裝有凹板篩的部分進(jìn)行分析，將脫粒滾筒底部圓弧與凹板篩圓弧繪制在同一坐標(biāo)系內(nèi)，由于傳統(tǒng)的豎直調(diào)節(jié)式凹板篩和設(shè)計(jì)的對稱可調(diào)式凹板篩的結(jié)構(gòu)均左右對稱，因此選取其中一側(cè)凹板篩進(jìn)行分析，不同凹板篩調(diào)節(jié)脫粒間隙后的脫粒室橫截面形狀和脫粒分離裝置相關(guān)參數(shù)如圖6所示。

圖6 凹板篩調(diào)節(jié)原理示意圖 Fig.6 Schematic diagram of adjustment principle of concaves

通過解析幾何法，對不同凹板篩調(diào)節(jié)脫粒間隙后的圓弧曲線方程、曲線與軸和軸的交點(diǎn)、最低點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)算出不同凹板篩調(diào)節(jié)脫粒間隙后的脫粒間隙橫截面積。依據(jù)圖6中構(gòu)建的坐標(biāo)系和脫粒分離裝置的相關(guān)參數(shù)，得到脫粒滾筒的曲線方程為

對于兩種凹板篩，當(dāng)凹板篩在初始位置時(shí)，凹板篩圓弧曲線的方程均為

此時(shí)，凹板篩圓弧與軸的交點(diǎn)為(,0)，并且凹板篩和脫粒滾筒的圖像沿軸對稱，因此脫粒間隙橫截面積可以表示為

豎直調(diào)節(jié)式凹板篩通過沿軸上下移動凹板篩對脫粒間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此上下移動的位移大小即為脫粒間隙的改變量，增大脫粒間隙后凹板篩圓弧的坐標(biāo)方程為

此時(shí)，凹板篩與軸的交點(diǎn)為(,0)，脫粒間隙橫截面積S為

減小脫粒間隙后，凹板篩圓弧的坐標(biāo)方程為

對稱可調(diào)式凹板篩的篩體繞鉸接點(diǎn)(,0)轉(zhuǎn)動，由于脫粒間隙調(diào)節(jié)量遠(yuǎn)小于滾筒直徑，因此假設(shè)調(diào)節(jié)前后凹板篩圓弧圓心的連線距離為脫粒間隙變化量，可得增大和減小脫粒間隙后圓心與鉸接點(diǎn)之間的連線與軸的夾角和′分別為

在初始位置時(shí)，凹板篩最低點(diǎn)為(0,?)，在調(diào)整脫粒間隙的過程中，凹板篩的最低點(diǎn)繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動并且將底部擋板簡化為始終與軸平行的直線。增大脫粒間隙后凹板篩圓弧的坐標(biāo)方程為

增大脫粒間隙后，凹板篩的最低點(diǎn)為，依據(jù)最低點(diǎn)縱坐標(biāo)值和曲線方程得到對稱可調(diào)式凹板篩增大脫粒間隙后的橫截面積S為

減小脫粒間隙后，凹板篩圓弧的坐標(biāo)方程為

對稱可調(diào)式凹板篩減小脫粒間隙后，依據(jù)最低點(diǎn)坐標(biāo)和曲線坐標(biāo)方程可得對稱可調(diào)式凹板篩減小脫粒間隙后的橫截面積S′為

為研究電缸推桿在調(diào)節(jié)過程中的變化量，選取其中一個(gè)電缸推桿進(jìn)行分析，如圖7所示，電缸推桿在機(jī)架和凹板篩支撐板上的鉸接點(diǎn)分別為和，默認(rèn)位置時(shí)、和原點(diǎn)在同一直線上，假設(shè)此時(shí)電缸推桿長度為，則可得兩個(gè)鉸接點(diǎn)的坐標(biāo)為((+)cos, (+)sin)、(cos,sin)，并且在調(diào)節(jié)過程中，鉸接點(diǎn)(,0)不隨脫粒間隙的轉(zhuǎn)動而發(fā)生變化。

圖7 電缸推桿調(diào)節(jié)示意圖 Fig.7 Schematic diagram of electric cylinder push rod adjustment

依據(jù)電缸推桿與機(jī)架的鉸接點(diǎn)和脫粒間隙調(diào)整后電缸推桿與凹板篩支撐板的鉸接點(diǎn)的坐標(biāo)，可計(jì)算得電缸推桿長度的改變量，并且假設(shè)電缸推桿的調(diào)節(jié)速度為，依據(jù)電缸推桿長度的改變量可計(jì)算得調(diào)節(jié)脫粒間隙時(shí)電缸電機(jī)所需通電時(shí)間。

當(dāng)增大脫粒間隙時(shí)，電缸推桿長度的減小量Δ和電機(jī)通電時(shí)間為

當(dāng)減小脫粒間隙時(shí)，電缸推桿長度的增大量Δ'和電機(jī)通電時(shí)間為

依據(jù)公式（6）～（19）和聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離裝置相關(guān)參數(shù)，對不同凹板篩調(diào)節(jié)脫粒間隙后的脫粒間隙橫截面積變化量進(jìn)行計(jì)算，如表2和表3所示。

表2 聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離裝置相關(guān)參數(shù) Table 2 Relevant parameters of threshing and separation device of combine harvester

從表3可以看出，相較于現(xiàn)有豎直調(diào)節(jié)式凹板篩，對稱可調(diào)式凹板篩能夠有效提升脫粒間隙橫截面積的變化量，提升脫粒分離裝置工作質(zhì)量。

表3 對稱可調(diào)式凹板篩調(diào)節(jié)后結(jié)構(gòu)參數(shù) Table 3 Structural parameters of symmetrical adjustable concave after adjustment

2.4 物料量變化分析

在收獲過程中，當(dāng)喂入量發(fā)生變化時(shí)，需要通過調(diào)整脫粒間隙，改變谷物流密度，進(jìn)而調(diào)節(jié)谷物流內(nèi)部的搓擦作用強(qiáng)度，避免搓擦作用強(qiáng)度與喂入量不匹配，導(dǎo)致破碎率或未脫凈率增大。但在脫粒過程中，物料內(nèi)部的搓擦作用大小和方向具有隨機(jī)性，因此本文通過研究脫粒間隙橫截面積變化量對谷物流密度的影響，進(jìn)而對谷物流內(nèi)部搓擦作用的變化情況進(jìn)行分析。

為研究脫粒間隙橫截面積與谷物流密度之間的關(guān)系，在脫粒過程中，假設(shè)谷物充滿脫粒室，谷物流的運(yùn)動視為不可壓縮流體的運(yùn)動，為避免谷物流密度沿滾筒軸線減小的特性對研究結(jié)果產(chǎn)生影響，在滾筒軸向選取長度為l的一段極小距離，對不同脫粒室橫截面積的谷物流密度進(jìn)行計(jì)算。

式中為谷物流密度，kg/m；為滾筒軸向上長度l距離內(nèi)谷物流的質(zhì)量，m；為脫粒滾筒半徑，m。

在流動過程中，凹板篩會對谷物流的運(yùn)動產(chǎn)生阻礙作用導(dǎo)致谷物流變形，在谷物流內(nèi)部則以內(nèi)摩擦的形式以抵抗變形，導(dǎo)致谷物之間會產(chǎn)生剪切應(yīng)力，假設(shè)谷物內(nèi)部在不同截面上的壓強(qiáng)相等，依據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律公式，產(chǎn)生的剪切應(yīng)力為

式中為剪切系數(shù)；為谷物之間的摩擦系數(shù)；為谷物流上任意一點(diǎn)沿滾向外圓切線方向和絕對速度，m/s；為谷物流上任意一點(diǎn)沿滾筒軸線方向的絕對速度，m/s。

為對比不同凹板篩的工作質(zhì)量，假設(shè)除脫粒間隙橫截面積之外的其他參數(shù)均相同，增大脫粒間隙后，豎直調(diào)節(jié)式凹板篩脫粒間隙橫截面積為，內(nèi)部剪切力大小為，對稱可調(diào)式凹板篩脫粒間隙橫截面積為，內(nèi)部剪切力大小為，減小脫后兩個(gè)凹板篩對應(yīng)的脫粒間、隙橫、截面積分別為′和′，內(nèi)部剪切力大小分別為1′和2′。依據(jù)式（10）、（12）、（15）和（17）可得不同凹板篩增大或減小脫粒間隙后，對應(yīng)的脫粒間隙橫截面積大小關(guān)系分別為

聯(lián)立式（21）和（22），可得當(dāng)增大或減小脫粒間隙后不同凹板篩內(nèi)部對應(yīng)的剪切力大小關(guān)系為

當(dāng)喂入量較大時(shí)，需要增大脫粒間隙避免谷物層內(nèi)部搓擦擠壓作用增強(qiáng)導(dǎo)致籽粒破碎率上升，而當(dāng)喂入量減小時(shí)，需要減小脫粒間隙增強(qiáng)谷物之間的搓擦與擠壓作用以降低未脫凈率損失。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與方法

為了確定設(shè)計(jì)的脫粒分離裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，并且對比設(shè)計(jì)的對稱可調(diào)式凹板篩與現(xiàn)有的豎直調(diào)節(jié)式凹板篩的工作質(zhì)量，于2020年11月12日—16日，在湖南省株洲市攸縣百分農(nóng)業(yè)公司大豆田內(nèi)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，如圖8所示。試驗(yàn)前，在排雜口和清選口處捆綁油布，收集夾帶損失籽粒、清選損失籽粒和未脫凈籽粒，用麻布袋在糧箱出口處收集每組試驗(yàn)中糧箱內(nèi)的籽粒稱重后用采集袋采集每組破碎率的樣本。為降低外界因素的干擾，選取土地平整、植株長勢均勻的田地進(jìn)行試驗(yàn)。每組試驗(yàn)的行程為70 m，每組試驗(yàn)和取樣重復(fù)3次，計(jì)算出籽粒的破碎率、未脫凈率和夾帶損失率的平均值。

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場 Fig.8 Test site

試驗(yàn)用大豆品種為圣豆27，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5262-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測定方法的一般規(guī)定》，對大豆進(jìn)行取樣和參數(shù)測量。用面積為1 m的取樣框在試驗(yàn)田內(nèi)采用五點(diǎn)取樣法對自然炸莢損失的籽粒和大豆植株進(jìn)行取樣，對樣品進(jìn)行測量并計(jì)算相關(guān)參數(shù)，如表4所示。

表4 圣豆27田間生物學(xué)特性參數(shù)表 Table 4 Parameter table of field biological characteristics of Shengdou 27

依據(jù)NY/T 738-2020《大豆聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)質(zhì)量》以破碎率（）、未脫凈率（）和夾帶損失率（）作為評價(jià)指標(biāo)，對收得的籽粒進(jìn)行取樣和計(jì)算。未脫凈率和夾帶損失率依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5982-2017《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》收集糧箱內(nèi)的籽粒以及從排草口和清選口排出的籽粒和未脫粒的豆莢并進(jìn)行計(jì)算。

破碎率計(jì)算如式（24）所示。

式中為樣品質(zhì)量，g；為破碎樣品清除后的樣品質(zhì)量，g。

喂入收獲機(jī)的籽粒總質(zhì)量計(jì)算如式（25）所示。

式中MG為喂入收獲機(jī)的籽粒總質(zhì)量，kg；Ma為糧箱內(nèi)收得的籽粒質(zhì)量，kg；Mu為從排草口處收得的未脫粒的籽粒質(zhì)量，kg；Ms為從排草口處收得的已經(jīng)脫出豆莢的籽粒質(zhì)量，kg；Mu′為從清選口處收得的未脫粒的籽粒質(zhì)量，kg；Ml為從清選口處收得的已經(jīng)脫出豆莢的籽粒質(zhì)量，kg。

未脫凈率計(jì)算如式（26）所示。

夾帶損失率計(jì)算如式（27）所示。

3.2 試驗(yàn)方案

為了確定適用于大豆收獲的脫粒分離裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，以收獲機(jī)前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙為影響因素進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，為驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，需要改變喂入量的大小，在田間試驗(yàn)中，通過選取不同的前進(jìn)速度對喂入量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且依據(jù)田間實(shí)際工作情況，選取前進(jìn)速度分別為3、4、5 km/h。前期研究結(jié)果顯示，前后滾筒轉(zhuǎn)速差為150 r/min時(shí)，紋桿齒-桿齒組合式差速脫粒滾筒的工作質(zhì)量最優(yōu)，依據(jù)中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院主編的《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（下冊）》，紋桿齒和桿齒在脫粒大豆時(shí)的線速度范圍分別是10～14 m/s和12～15 m/s，但南方地區(qū)大豆由于具有草谷比和未成熟豆莢占比高的特性，因此依據(jù)實(shí)際情況，確定前滾筒/后滾筒轉(zhuǎn)速組合分別為400/550、450/600、500/650（r/min），在確定最優(yōu)參數(shù)等數(shù)據(jù)時(shí)，帶入前滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，在確定所需前滾筒轉(zhuǎn)速后，后滾筒轉(zhuǎn)速在前滾筒轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，增大150 r/min。依據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（下冊）》和大豆聯(lián)合收獲機(jī)原有凹板篩的結(jié)構(gòu)，確定脫粒段和分離段的脫粒間隙分別在15～25 mm范圍內(nèi)可調(diào)。由于南方地區(qū)大豆收獲期較短，為減少田間試驗(yàn)時(shí)間，避免大豆特性發(fā)生變化影響試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)試驗(yàn)所選影響因素的個(gè)數(shù)，采用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，進(jìn)行四因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平表見表5。

表5 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表 Table 5 Response surface test factor level table

4 結(jié)果與分析

依據(jù)田間試驗(yàn)流程和評價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法進(jìn)行田間試驗(yàn)，響應(yīng)面試驗(yàn)表及試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 脫粒分離裝置響應(yīng)面試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 Table 6 Statistical table of response surface test data of threshing and separation device

4.1 破碎率分析與檢驗(yàn)

通過Design-Expert 12.0對破碎率進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表7所示。

表7 破碎率方差分析 Table 7 Analysis of variance of the rate of breakage grains

破碎率的回歸方程如下：

由表7可以看出，破碎率模型的值小于0.01，破碎率回歸模型極顯著，模型決定系數(shù)=0.874 6，表明得到的回歸模型能夠反映出87.46%的響應(yīng)值變化，失擬項(xiàng)不顯著，說明試驗(yàn)誤差小并且得到的回歸方程的擬合效果較好。在破碎率回歸模型中，項(xiàng)、項(xiàng)和項(xiàng)的值小于0.01，表明在置信區(qū)間99%范圍內(nèi)，對回歸模型的影響極其顯著，項(xiàng)的值小于0.05，表明在置信區(qū)間95%范圍內(nèi)，對回歸模型的影響顯著。項(xiàng)和其他項(xiàng)的值均大于0.05，表明對回歸模型的影響不顯著。

貢獻(xiàn)率用于評價(jià)不同影響因素對回歸模型的影響程度，貢獻(xiàn)率的值越大，對應(yīng)的影響因素對回歸方程的影響越大。各影響因素對破碎率的貢獻(xiàn)率，如表8所示。影響因素對破碎率的貢獻(xiàn)率的大小排序?yàn)椋簼L筒轉(zhuǎn)速、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙、前進(jìn)速度。

表8 各影響因素對破碎率的貢獻(xiàn)率 Table 8 Contribution rate of each influencing factor to rate of breakage grains

根據(jù)表7，滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒段脫粒間隙和分離段脫粒間隙為顯著項(xiàng)，對顯著項(xiàng)與破碎率的響應(yīng)效應(yīng)進(jìn)行分析。

從圖9，可以知道破碎率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大而增大，說明隨著脫粒滾筒轉(zhuǎn)速的增加，大豆在脫粒室內(nèi)與脫粒齒接觸時(shí)受到的作用力也越大，導(dǎo)致籽粒的破碎率也逐漸增大。破碎率隨著脫粒段脫粒間隙的增加，先減小后增大，因?yàn)榧y桿齒頂部與谷物層的接觸面大，對谷物層具有較強(qiáng)的壓實(shí)作用，當(dāng)脫粒段脫粒間隙在低水平處，凹板篩和脫粒滾筒對作物層的壓實(shí)作用強(qiáng)，在谷物層遠(yuǎn)離凹板篩一側(cè)的籽粒難以穿過谷物層，增加了籽粒和脫粒齒的碰撞次數(shù)，導(dǎo)致破碎率高。隨著脫粒間隙的增加，對谷物層的壓實(shí)作用減弱，籽粒容易穿過谷物層被分離，破碎率下降。隨著脫粒間隙的進(jìn)一步增大，谷物層的厚度增加，籽粒穿過谷物層所需速度增大，導(dǎo)致得籽粒與脫粒齒的接觸次數(shù)增加，導(dǎo)致破碎率上升。破碎率隨著分離段脫粒間隙的增加而增大，因?yàn)楹竺摿６沃饕獙ξ闯墒斓亩骨v進(jìn)行脫粒，未成熟的豆莢占比小，隨著脫粒間隙的增加，壓實(shí)作用降低，豆莢移動范圍大，與桿齒接觸概率上升，更容易與脫粒齒接觸，但未成熟籽粒含水率高，能承受的沖擊力小于成熟的籽粒，并且在后段的物料總數(shù)少，已經(jīng)脫出的籽粒自由移動的范圍更大，與脫粒齒接觸的概率更大，導(dǎo)致破碎率增大。

圖9 各顯著項(xiàng)對破碎率的響應(yīng)曲面分析 Fig.9 Response surface analysis of each significant item to the rate of breakage grains

4.2 未脫凈率分析與檢驗(yàn)

通過Design-Expert 12.0對未脫凈率進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表9所示。

表9 未脫凈率方差分析 Table 9 Analysis of variance of the rate of unthreshed grains

未脫凈率的回歸方程為

由表9可以看出，未脫凈損失率模型的值小于0.01，未脫凈率回歸模型極顯著，模型決定系數(shù)=0.817 9，表明得到的回歸模型能夠反映出81.79%的響應(yīng)值變化，失擬項(xiàng)不顯著，說明試驗(yàn)誤差小并且得到的回歸方程的擬合效果較好。在未脫凈率回歸模型中，項(xiàng)、項(xiàng)、項(xiàng)和項(xiàng)的值小于0.01，表明在置信區(qū)間99%范圍內(nèi)，對回歸模型的影響極其顯著。項(xiàng)和其他項(xiàng)的值均大于0.05，表明對回歸模型的影響不顯著。

各影響因素對未脫凈率的貢獻(xiàn)率，如表10所示。各影響因素對未脫凈率的貢獻(xiàn)率大小排序?yàn)椋悍蛛x段脫粒間隙、前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒段脫粒間隙。

表10 各因素對未脫凈率的貢獻(xiàn)率表 Table 10 Contribution rate of each factor to the rate of unthreshed grains

根據(jù)表9，前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速和分離段脫粒間隙為顯著項(xiàng)，對顯著項(xiàng)與未脫凈率的響應(yīng)效應(yīng)進(jìn)行分析。

從圖10，可以知道未脫凈率隨著前進(jìn)速度的增大而增大，這說明當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速固定時(shí)，喂入量隨著前進(jìn)速度的增大而增大，導(dǎo)致脫粒室內(nèi)的谷物層密度、豆莢和莖稈數(shù)量也增大，豆莢在谷物層中移動困難，與脫粒齒或凹板篩接觸的次數(shù)和概率降低，增大了未脫凈率。未脫凈率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大，作用在豆莢上的力越大，籽粒更容易從豆莢中脫出，從而降低了未脫凈率。未脫凈率隨著分離段脫粒間隙的增大而增大，大部分籽粒在滾筒長度的前2/3段被脫粒，未成熟或難以脫粒的籽粒在后1/3段被脫粒時(shí)，該段的物料總量低，非谷物物料占比多，脫粒間隙增大會導(dǎo)致脫粒齒與未脫粒豆莢的接觸概率降低，使得未脫凈率增大。

圖10 各顯著項(xiàng)對未脫凈率的響應(yīng)曲面圖分析 Fig.10 Response surface analysis chart of significant items to the rate of unthreshed grains

4.3 夾帶損失率分析與檢驗(yàn)

通過Design-Expert 12.0對夾帶損失率進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表11所示。

表11 夾帶損失率方差分析 Table 11 Analysis of variance of the rate of the separation loss

夾帶損失率的回歸方程為

由表11可以看出，夾帶損失率模型的值小于0.01，夾帶損失率回歸模型極顯著，模型決定系數(shù)=0.819 1，表明得到的回歸模型能夠反映出81.91%的響應(yīng)值變化，失擬項(xiàng)不顯著，說明試驗(yàn)誤差小并且得到的回歸方程的擬合效果較好。在夾帶損失率回歸模型中，項(xiàng)、項(xiàng)和項(xiàng)的值小于0.01，表明在置信區(qū)間99%范圍內(nèi)，對回歸模型的影響極其顯著。項(xiàng)和其他項(xiàng)的值均大于0.05，表明對回歸模型的影響不顯著。

各影響因素對夾帶損失率的貢獻(xiàn)率，如表12所示。各影響因素對夾帶損失率的貢獻(xiàn)率大小排序?yàn)椋簼L筒轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙。

表12 各因素對夾帶損失率的貢獻(xiàn)率 Table 12 Contribution rate of each factor to the rate of separation loss

根據(jù)表11，前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒段脫粒間隙為顯著項(xiàng)，對顯著項(xiàng)與夾帶損失率的響應(yīng)效應(yīng)進(jìn)行分析。

從圖11，可以知道夾帶損失率隨著前進(jìn)速度的增大，先減小，后增大，因?yàn)楫?dāng)前進(jìn)速度處于較低的水平時(shí)，谷物層較薄，已經(jīng)脫出的籽粒與凹板篩之間產(chǎn)生的碰撞類型為“谷物-金屬”型，導(dǎo)致部分籽粒反彈回脫粒室，增大了籽粒在脫粒室內(nèi)的時(shí)間導(dǎo)致夾帶損失率較高，隨著前進(jìn)速度的增大，碰撞類型變成了“谷物-谷物”型，反彈回脫粒室的籽粒數(shù)量減小，夾帶損失率減小，隨著前進(jìn)速度的進(jìn)一步增大，谷物層的密度也增大，已經(jīng)脫出的籽粒穿過谷物層的難度增加，更多的籽粒隨莖稈從排草口排出，導(dǎo)致夾帶損失增大。夾帶損失率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大而減小，因?yàn)殡S著滾筒轉(zhuǎn)速的增大，脫出的籽粒有較高的速度穿過物料層被凹板篩分離，使得夾帶損失減小。夾帶損失率隨著脫粒段脫粒間隙的增大而增大，因?yàn)槊摿ｉg隙決定了谷物層厚度，間隙較小時(shí)谷物層較薄，籽粒更容易分離出去，隨著脫粒段脫粒間隙的增大，谷物層厚度也增大，使得籽粒穿過谷物層的難度增加，導(dǎo)致夾帶損失率增大。

圖11 各顯著項(xiàng)對夾帶損失率的響應(yīng)曲面分析 Fig.11 Response surface analysis of significant items to the rate of separation loss

4.4 脫粒分離裝置參數(shù)優(yōu)化與對比試驗(yàn)

當(dāng)破碎率、未脫凈率和夾帶損失率均最低，大豆聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離裝置的工作質(zhì)量最優(yōu)。由于破碎率是大豆聯(lián)合收獲機(jī)的三大收獲性能指標(biāo)之一，未脫凈率和夾帶損失率為整機(jī)損失率4個(gè)分量指標(biāo)中的兩個(gè)指標(biāo)，擬定未脫凈損失和夾帶損失為同一比重，破碎率比重高于兩者，約束條件為

滿足約束條件的最優(yōu)參數(shù)組合為：前進(jìn)速度3.314 km/h、前滾筒、后滾筒轉(zhuǎn)速為500、650 r/min、脫粒段脫粒間隙為18.74 mm，分離段脫粒間隙為15 mm。預(yù)測的評價(jià)指標(biāo)為：破碎率為2.85%，未脫凈率為0.625%，夾帶損失率為0.148%。

為驗(yàn)證對稱可調(diào)式凹板篩最優(yōu)參數(shù)組合的預(yù)測結(jié)果，同時(shí)分析優(yōu)化設(shè)計(jì)后的對稱可調(diào)式凹板篩的工作性能，進(jìn)行了評價(jià)指標(biāo)預(yù)測值驗(yàn)證試驗(yàn)和兩種類型的凹板篩的工作質(zhì)量對比試驗(yàn)。由于脫粒分離裝置工作參數(shù)設(shè)定精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位難以實(shí)現(xiàn)，因此在驗(yàn)證試驗(yàn)中，兩種類型的凹板篩的參數(shù)組合調(diào)整為：前進(jìn)速度為3.3 km/h、前滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min、后滾筒轉(zhuǎn)速為650 r/min、脫粒段脫粒間隙為19 mm，分離段脫粒間隙為15 mm，大豆品種為圣豆27，驗(yàn)證試驗(yàn)和對比試驗(yàn)的步驟以及評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方式與文中田間試驗(yàn)相同。每種類型的凹板篩依據(jù)參數(shù)組合進(jìn)行3次試驗(yàn)，結(jié)果如表13所示。

表13 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果 Table 13 Result of verification test

由表13發(fā)現(xiàn)，對稱可調(diào)式凹板篩的3個(gè)評價(jià)指標(biāo)的試驗(yàn)值和預(yù)測值之間的相對誤差較小。聯(lián)合收獲機(jī)采用對稱可調(diào)式凹板篩收獲大豆時(shí)的破碎率、未脫凈損失率和夾帶損失率比采用豎直調(diào)節(jié)式凹板篩的降低了0.46%、0.71%、0.55%，試驗(yàn)結(jié)果很好地證明了對稱可調(diào)式凹板篩對聯(lián)合收獲機(jī)的工作質(zhì)量有較大的提升。

5 結(jié) 論

1）為了解決中國南方地區(qū)大豆聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離裝置脫粒間隙調(diào)節(jié)能力有限的問題，本文設(shè)計(jì)了一種對稱可調(diào)式凹板，能夠調(diào)節(jié)脫粒滾筒底部和兩側(cè)的脫粒間隙，使凹板篩具有更好的調(diào)節(jié)性能。

2）通過解析幾何法，對對稱可調(diào)式凹板篩和傳統(tǒng)的豎直調(diào)節(jié)式凹板篩的脫粒間隙橫截面積變化量進(jìn)行了計(jì)算，得到了脫粒間隙橫截面積變化量的計(jì)算公式并發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)的豎直調(diào)節(jié)式凹板篩，對稱可調(diào)式凹板篩的脫粒間隙橫截面積變化量更大，能夠有效提高大豆聯(lián)合收獲機(jī)工作質(zhì)量。

3）通過正交試驗(yàn)建立了南方地區(qū)大豆聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離裝置參數(shù)組合的優(yōu)化模型，確定了脫粒分離裝置的最優(yōu)工作參數(shù)組合為：前進(jìn)速度為3.3 km/h，前滾筒、后滾筒轉(zhuǎn)速為500、650 r/min，脫粒段脫粒間隙為19 mm，分離段脫粒間隙為15 mm，并以最優(yōu)參數(shù)組合對對稱可調(diào)式凹板篩和豎直調(diào)節(jié)式凹板篩的工作質(zhì)量進(jìn)行了對比，試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用對稱可調(diào)式凹板篩進(jìn)行收獲時(shí)的籽粒破碎率為2.69%，未脫凈率為0.57%，夾帶損失率為0.13%，相較于豎直調(diào)節(jié)式凹板篩，破碎率、未脫凈率和夾帶損失率分別降低了0.46%、0.71%、0.55%，對稱可調(diào)式凹板篩的工作質(zhì)量明顯優(yōu)于豎直調(diào)節(jié)式凹板篩，并且試驗(yàn)結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效滿足中國南方地區(qū)大豆機(jī)械化收獲需求。