5TDQ-300型切流式大豆育種脫粒機參數優化

李若曦，陳海濤

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱　150030)

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5TDQ-300型切流式大豆育種脫粒機參數優化

李若曦，陳海濤

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱150030)

摘要：為了優化5TDQ-300型切流式大豆育種脫粒機結構，提高我國大豆育種脫粒機械化水平，采用4因素5水平二次回歸正交旋轉中心組合優化試驗方法，對影響該樣機性能的結構與工作參數進行了優化試驗研究。結果表明：當大豆植株含水率約17.5%、滾筒線速度1.52 m/s、喂入量2.1～2.4kg/min、脫粒間隙12～18mm時，其脫粒性能為含雜率不高于0.03%、破碎率不高于0.15%、夾帶損失率不高于1.15%、未脫凈率不高于0.35%、飛濺損失率不高于0.25%，均符合NY/T1014-2006脫粒機作業性能指標的要求。研究結果為切流式大豆育種脫粒機的產品定型設計提供了依據。

關鍵詞：大豆育種；脫粒機；參數優化；回歸正交試驗

0引言

田間育種試驗是一個十分耗費勞力的農業系統工程，為了提高育種工作的工作效率的水平、加速試驗進程、提高試驗進度，采用機械化作業是必然趨勢。大豆育種脫粒不同于常規商品豆脫粒，育種工作中試驗材料種類多、樣本量小、籽粒珍貴，既要提高作業效率，又要防止材料間的混雜。目前，人工手動脫粒和普通商品糧脫粒機脫粒仍然是我國大豆育種工作的主要脫粒方式。

人工脫粒的工作周期長，且工作強度巨大；普通商品大豆脫粒機，籽粒破碎率較高，機器內部清理困難，導致材料之間容易混雜。為了縮短生產周期、提高試驗精度及解放勞動力，大豆育種的機械化作業及其普及愈發重要。因此，研制一種機構簡單耐用、籽粒低破碎率、完全防混種、符合中國大豆田間育種試驗脫粒農藝技術要求的大豆育種專用脫粒機具有非常重要的現實意義[1-3]。

本文通過對5TDQ-300型切流式大豆育種專用脫粒機樣機進行組合優化試驗，研究該機各項工作參數的最優組合，為切流式大豆育種專用脫粒機產品定型設計及后續研究提供依據。

1試驗裝置結構及工作原理

5TDQ-300型切流式大豆育種專用脫粒機主要由上罩、喂料口、可拆卸喂料板、鎖緊機構、機架、排雜口、電機、脫粒滾筒總成、沖孔凹板、清選風機及籽粒出料口等組成，如圖1所示。脫粒滾筒總成由滾筒開合架、牙嵌式離合器和脫粒滾筒組成。機架內部焊接隔板形成清選風道，風機外殼與風道采用一體化設計，最大程度使風道結構內表面過渡圓滑，防止物料殘留，如圖1(b)所示。

工作原理：工作時，大豆植株由喂料口喂入，在脫粒滾筒弓齒的作用下，物料被帶入脫粒倉內，通過弓齒的梳刷及打擊作用實現脫粒。脫粒工作結束后，將鎖緊裝置打開，掀起上罩，轉動脫粒滾筒使牙嵌式離合器凹槽豎直即可掀起脫粒滾筒總成，可對機體內、脫粒滾筒與沖孔凹板間的殘留物進行清理，如圖1(b)所示[4-7]。

2試驗材料與試驗方法

2.1試驗材料與設備

試驗所用大豆材料為香坊農場2013年栽培的東農52，其物料力學特性如表1所示。主要儀器設備為：皮尺(精度5mm)、精密電子秤(精度0.01g)、DGG-9070AD型電熱恒溫鼓風干燥箱。

2.2試驗方法

2013年11月14日-11月30日，試驗在東北農業大學農業機械研究中心實施。選擇滾筒線速度(x1)、脫粒間隙(x2)、喂入量(x3)、植株體積含水率(x4)為影響因素，以破碎率(y1)、含雜率(y2)、夾帶損失率(y3)、未脫凈損失率(y4)、飛濺損失率(y5)為響應函數，使用二次回歸正交旋轉中心組合試驗方法，共實施36組試驗。根據大豆破碎秸稈、籽粒及穎殼的懸浮速度試驗結果，將清選風機出口風速設定為11 m/s。由于本機可通過掀起脫粒滾筒總成以及凹板對機體內殘留物進行簡單快捷清理，可以完全避免不同品種之間的混種問題，故此處未將沉積率設為響應函數[8-9]。數據處理分析采用Design-Expert 6.0.10進行，滾筒線速度水平依據預實驗設定，其他水平由相關參考資料設定，影響因素水平編碼表和試驗方案，如表2、表3所示。

試驗實施過程中，滾筒線速度由變頻器調節、脫粒間隙由調節凹板與脫粒滾筒距離控制、植株體積含水率由對植株整體陰干或補水進行調整、喂入量由等時間喂入不同數量物料控制。

各項指標根據國家標準《GB/T 5982-2005脫粒機試驗方法》測定，分別以3次重復試驗的均值作為試驗結果[10]。

1.上罩　2.喂料口　3.可拆卸喂料板　4.鎖緊機構　5.機架　6.電機　7.排雜口

指標單位數值莖稈平均長度cm85.2單株平均結莢數45.1單株平均籽粒數101.9百粒質量g19

表2　因素水平編碼表

續表2

3結果及分析

3.1試驗結果

試驗結果如表3所示。

3.2數據處理

各因素對各響應函數影響的貢獻率如表4所示。

表3　試驗方案與結果

續表3

表4　各因素對響應函數的貢獻率

3.3各因素對性能指標的影響分析

3.3.1各因素對破碎率影響

各因素對破碎率影響響應曲面圖如圖2所示。

圖2　各因素對破碎率影響的響應曲面圖

由圖2(a)可知：破碎率隨滾筒線速度的增加而逐漸上升，隨脫粒間隙的減小而逐漸下降。這是由于滾筒線速度越高，打擊效果越強；隨著脫離間隙的減小，弓齒占脫粒空間的比例增大，籽粒被弓齒打擊的幾率升高，破碎率因此升高。

由圖2(b)可知：破碎率隨滾筒線速度的增加而逐漸上升，隨喂入量的增加而逐漸下降。這是由于喂入量的增加使得待脫物占脫?？臻g的比例增加，弓齒的梳刷脫粒代替打擊脫粒，破碎率降低。

由圖2(c)可知：破碎率隨著植株含水率的增高先下降后上升。這是由于大豆籽粒在含水率過低和過高時，其塑性、韌性下降，易于破碎。

3.3.2各因素對夾帶損失率影響分析

各因素對夾帶損失率影響的響應曲面圖如圖3所示。

圖3　各因素對夾帶損失率影響的響應曲面圖

由圖3(a)可知：夾帶損失率隨著滾筒線速度升高先降低后升高。這是由于滾筒轉速較低時弓齒對被脫物打擊能力弱，沒有被脫的豆莢隨著莖稈向前運動，后半行程中被脫籽粒沒有時間分離而被秸稈夾帶排出排雜口。當脫粒滾筒高速運轉時，弓齒的打擊能力增強，被脫物在初始階段脫粒；但由于弓齒高速運動，同時帶動破碎秸稈高速運動，大量籽粒在脫粒后的水平速度高，在接觸排雜口坡道時，由重力勢能轉化的水平方向動能不能抵消其初始速度，被風選氣流由排雜口排出，產生夾帶損失。夾帶損失率在滾筒線速度較高的情況下隨著脫粒間隙減小而上升。這是由于隨著脫離間隙減小弓齒占脫?？臻g的比例增大，籽粒與破碎秸稈被打擊幾率上升，整體平均速度上升。

由圖3(b)可知：夾帶損失率在滾筒線速度較高的情況下隨著喂入量減少而上升。這是由于喂入量越小，在初始階段完成脫粒的籽粒遇到的阻礙越少，水平速度越高。

3.3.3優化分析

按照破碎率、含雜率、未脫凈率、夾帶損失率和飛濺損失率最小原則，優化結果如圖4所示。當參數組合為：植株體積含水率17.5%、滾筒線速度1.52m/s、喂入量2.1～2.4kg/min、脫粒間隙12～18mm時，破碎率不高于0.15%，含雜率不高于0.03%，未脫凈率不高于0.35%，夾帶損失率不高于1.15%，飛濺損失率不高于0.25%。在優化的最佳工況范圍內，選取滾筒線速度1.52m/s、脫粒間隙15mm、喂入量2.2kg/min、植株體積含水率17%時進行驗證試驗。結果表明：破碎率0.12%，未脫凈率0.3%，夾帶損失率1%，飛濺損失率0.2%，含雜率為0，表明優化結果正確可信。

圖4　參數優化分析圖(含水率17.5%，滾筒線速度1.52 m/s)

4結論

1)切流大豆育種專用脫粒機的最佳結構及工作參數組合為：植株體積含水率17.5%、喂入量2.1～2.4kg/min、脫粒間隙為12～18mm、滾筒線速度1.52m/s，此時含雜率不高于0.03%、破碎率不高于0.15%、未脫凈率不高于0.35%、夾帶損失率不高于1.15%、飛濺損失率不高于0.25%。對破碎率影響的主次關系為：植株含水率>喂入量>滾筒線速度>脫粒間隙；對夾帶損失率影響的主次關系為：植株含水率>喂入量>滾筒線速度>脫粒間隙。

2)脫粒滾筒采用牙嵌式離合器傳輸動力，作業完成后可快速與沖孔凹版分離，對機體內的殘留物清理方便，有效地解決了混種問題。

參考文獻：

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[10]徐中儒.回歸分析與試驗設計[M].北京:中國農業出版社,1998.

Abstract ID:1003-188X(2016)04-0147-EA

Parameters Optimization of 5TDQ-300 Tangential Flow Thresher for Soybean Breeding

Li Ruoxi, Chen Haitao

(College of Engineering, Northeast Agriculture University, Harbin 150030, China)

Abstract：In order to improve the mechanization level of threshing for soybean breeding in China, and optimizing the structure of the 5TDQ-300 tangential flow thresher for soybean breeding, a 4 factors 5 levels central composite rotatable orthogonal experimental design of response surface methodology was conducted to optimize structure and working parameters which influence the performance of the prototype. Experimental results indicated that the most optimum combination region of the moisture content was 17.5%, the linear velocity was 1.52m/s, the feeding rate was 2.1～2.4kg/min, the concave clearance was 12～18mm, impurities were less than 0.03%, the cracked grains were less than 0.15%, loss of entrapped grains were less than 1.15%. loss of unthreshed grains were less than 0.35%, loss of Spattered grains were less than 0.25%. All parameters are conformed NY/T1014-2006 threshing machine operation performance index. The research results provide a basis for the finalize design of tangential flow thresher for soybean breeding.

Key words：soybean breeding; thresher; parameter optimization; regression orthogonal experiment

文章編號：1003-188X(2016)04-0147-05

中圖分類號：S226.1

文獻標識碼：A

作者簡介：李若曦(1988-)，男，哈爾濱人，碩士研究生，(E-mail)806117435@qq.com。通訊作者：陳海濤(1962-)，男，哈爾濱人，教授，博士生導師，(E-mail)htchen@neau.edu.cn。

基金項目：現代農業產業技術體系崗位科學家專項(nycytx-004)

收稿日期：2015-04-02