大豆聯合收獲機作業參數優化

金誠謙，郭飛揚，徐金山，李慶倫，陳 滿，李景景，印 祥※

大豆聯合收獲機作業參數優化

金誠謙1,2，郭飛揚2，徐金山1，李慶倫2，陳 滿1，李景景3，印 祥2※

（1. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京 210014；2. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255000；3. 山東亞豐農業機械裝備有限公司，淄博 255000）

現階段國內大豆聯合收獲機收獲作業時由于脫粒、清選系統作業參數調整不當而導致大豆機收損失率、破碎率、含雜率較高。為解決這一問題，該文對影響大豆機收作業質量的相關參數開展田間試驗研究，探索各參數對大豆機收作業質量的影響規律，探尋最佳作業參數組合。以機收損失率、破碎率、含雜率為目標，選擇脫粒清選系統對作業質量影響較大的前進速度、滾筒轉速、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙、導流板角度、分風板角度、風機轉速、上篩前部開度、上篩后部開度共9個因素，利用Box-Behnken中心組合試驗方法，進行九因素三水平響應面試驗，使用Design-Expert對試驗結果進行響應面分析，探索各因素對試驗指標的影響規律，并構建相關數學模型。試驗結果表明：對大豆收獲損失率影響較為顯著的因素為風機轉速、脫粒段脫粒間隙、前進速度、脫粒滾筒轉速；對破碎率影響較為顯著的因素為脫粒滾筒轉速、脫粒段脫粒間隙、前進速度、導流板角度；對含雜率影響較為顯著的因素為導流板角度、風機轉速、分風板角度、上篩后部開度。通過多目標參數優化，確定最佳工作參數組合為前進速度6 km/h、脫粒滾筒轉速450 r/min、脫粒段脫粒間隙25 mm、分離段脫粒間隙20 mm、導流板角度26°、風機轉速1 260 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，此時損失率為0.24%、破碎率為0.90%、含雜率為0.14%，田間試驗實測損失率、破碎率和含雜率平均值分別為0.24%、0.90%和0.14%，與優化值相對誤差分別為0、4.7%和7.7%。研究結果可為大豆聯合收獲機結構改進和作業參數控制提供參考。

農業機械；收獲；大豆；作業參數；優化；響應曲面

0 引 言

大豆是中國主要的糧油飼兼用的經濟作物，2017年中國大豆種植面積約819.61萬hm2，總產量1 420萬t。過去十年，大豆綜合機械化水平平均為66.23%，其中：耕作、種植、收獲機械化水平平均分別為71.68%、67.74%、57.54%[1-6]，遠遠低于中國三大糧食作物。

中國大豆全程機械化呈現產區之間、環節之間發展不平衡的現狀。大豆產區之間，東北大豆產區機械化水平較高，黃淮海大豆產區機械化水平次之，南方大豆產區機械化水平較低。在生產環節之間，大豆機械化收獲水平較低[7-9]。

目前，中國專用于大豆收獲的大豆收獲機較少。在中國黃淮海地區，大豆收獲主要采用稻麥聯合收獲機通過參數調節、更換作業部件來作業，田間實測表明，由于機器參數、部件結構不合適等原因造成的收獲損失高達10%，并且破碎、含雜嚴重[9-10]。國內外學者在收獲機喂入、脫粒、清選系統結構和工作參數對損失率、破碎率、含雜率的影響方面開展了大量的研究。在大豆收獲割臺技術研究方面，通過仿形割刀組件及割臺高度自控系統來實現割臺的整體仿形與橫向仿形，進而控制割茬高度，減少割臺損失。為減少撥禾輪打擊造成大豆機收炸莢損失，發明了帶毛刷、撥禾板和撥禾齒組合的撥禾輪。在大豆收獲脫粒技術方面，目前的研究主要集中在如何降低脫粒過程中大豆的破碎率，采用的方法主要是降低脫粒滾筒轉速、增大脫粒間隙。在結構參數和運動參數對大豆脫粒效果的影響方面，主要注重于研究喂入速率、滾筒轉速、不同的脫粒部件形式對脫粒損失、分離效率的影響。在大豆收獲清選技術研究方面，主要集中在清選篩、風機風量等作業參數對清選效果的影響，部分學者將旋風式、貫流式等分離方式應用在大豆清選上[7-21]。

大豆機收作業質量受多種因素影響，聯合收獲機是一個復雜系統，目前，以大豆機收作業損失率、破碎率、含雜率為目標，結合田間試驗，全面、系統地研究脫粒、清選部件相關參數與作業質量之間的關系還未見報道。因此，本文在現有機型的基礎上，篩選對大豆機收作業質量影響較大的因素:前進速度、滾筒轉速、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙、導流板角度、風機轉速、分風板角度、上篩前部開度、上篩后部開度，進行九因素三水平響應面試驗，建立關于整機作業損失率、破碎率和含雜率的響應曲面，并進行響應面分析，擬合出二次回歸曲線，得出回歸方程，探索各因素對作業質量評價指標的影響以及最佳參數組合，以期指導大豆聯合收獲機田間作業，并為大豆收獲機械設計提供參考。

1 工作原理與試驗方案

1.1 工作原理

本次試驗采用4YZL-5S型大豆聯合收獲機，換裝撓性割臺，結構參數見表1，總體結構如圖1。作業時，大豆植株經撥禾輪扶持、切割，經割臺攪攏、鏈耙輸送器推送到脫粒系統，受脫粒滾筒搓擦擠壓作用，大豆籽粒與較小的碎莖稈通過凹板篩掉落到抖動板上，在抖動板振動作用下，向清選篩方向運動，而長莖稈及部分夾帶的大豆籽粒繼續向軸流脫粒滾筒后部運動，實現脫粒分離。在清選裝置作用下，大部分大豆籽粒透過上篩前部，剩余的大豆籽粒夾雜在碎莖稈中繼續向后運動，夾雜籽粒透過上篩后部落到下篩進而落入輸送攪攏，最終被輸送到糧箱，而剩余莖稈及豆莢在下篩的振動作用下被輸送到尾篩，較大的莖稈被拋出機外，較小的豆莢透過尾篩，被雜余攪攏運送到脫粒滾筒進行二次脫粒。

表1 4YZL-5S型大豆聯合收獲機主要參數

1.2 試驗參數選取與試驗儀器

試驗地點為山東省梁山縣館驛鎮，試驗時間為2018年10月9日—12日（圖2），試驗用大豆品種為鄭豆1307，參照GB/T5262-2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》、GB/T5497-1985《糧食、油料檢驗水分測定法》，試驗地大豆品種為鄭豆1307，產量為4 717.35 kg/hm2，平均株高為76.1 mm，平均底莢高度為16.4 mm，平均行距、株距分別為40 mm和20 mm，百粒質量為17.1 g，自然落粒損失為1.3 g/m2，籽粒平均含水率為12.1%，從不同植株上取10粒大豆籽粒測量長、寬、厚取平均值分別為6.78 mm、6.25 mm、5.46 mm，大豆植株長勢良好。

1.割臺 2. 過橋 3.平臺 4.機壁 5.前橋6.滾筒 7.機架 8.風機9.階梯板 10.清選室底殼 11.篩箱 12.主離合 13.后橋 14.切碎器15.滾筒無級變速系統 16.拋灑器17.卸糧筒18.變量泵19.液壓油箱20.發動機21.糧箱22.糧箱上蓋23.燃油箱24.駕駛室

圖2 大豆田間生長狀況及收獲試驗

參考相關文獻，根據前期田間試驗研究和收獲經驗[22-29]，選定與機收作業質量相關的前進速度、滾筒轉速、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙、導流板角度、風機轉速、分風板角度、上篩前部開度、上篩后部開度9個因素作為試驗變量。關鍵因素尺寸結構示意圖如圖3。脫粒間隙示意圖如圖3a所示，凹板篩分為2段，脫粒段凹板篩長度830 mm，分離段凹板篩長度1 220 mm，2段脫粒間隙分別在5～40mm和10～30mm范圍內可調，脫粒間隙為桿齒頂端到凹板篩的垂直距離，圖中為脫粒間隙；圖3b為導流板角度示意圖，導流板角度為導流板中心線與豎直方向的夾角，圖中為導流板角度；圖3c為分風板角度示意圖，分風板角度為分風板與水平方向夾角，圖中為分風板角度；圖3d為清選篩開度示意圖，清選上篩分為前后2段，上篩前部長度350 mm，上篩后部長度650 mm，2段清選篩開度均在0～22 mm范圍內可調，圖中為清選篩開度。

根據試驗參數調整的要求，試驗所需的儀器包括非接觸式轉速表、電子秤、皮尺、標桿、卷尺、水分測量儀、秒表、調節用扳手等。

1.凹板篩 2.桿齒3.導流板4.風機葉片5.分風板6.底殼7.清選篩

1.Concave sieve 2. Rod tooth 3. Deflector 4. Fan blades 5. Wind plate 6. Bottom shell 7. Sieve

注：為脫粒間隙，mm；為導流板角度，(°)；為分風板角度，（°）；為清選篩開度，mm。

Note：is threshing gap, mm;is angle of deflector, (°);is angle of wind plate, (°);is opening of sieve, mm.

圖3 關鍵因素結構示意圖

Fig.3 Sketch map of key factors

1.3 試驗方案

試驗時，為減少試驗次數，選用Box-Behnken中心組合試驗設計理論[30-31]，開展九因素三水平二次回歸響應面試驗，共130組。每組試驗行程為50 m，待收獲機運行穩定后取樣，每組試驗取樣3次，求平均值后得到每組試驗的損失率、破碎率及含雜率。

試驗因素水平如表2所示。結合大豆的生物學特性與收獲機脫粒清選參數之間的關系以及機具設計參數取值范圍，前進速度與喂入量有關，前進速度中間值為7 km/h，并相應取得低水平6 km/h及高水平8 km/h，喂入量計算方法如下[32-34]：

式中為喂入量，kg/s；為機具前進速度，m/s；為割幅，m；為單位面積上大豆莖稈及籽粒的總質量，kg/m2。試驗測得大豆草谷比為1.06。經計算得試驗過程中前進速度處于高水平時喂入量為6.90 kg/s，處于0水平時喂入量為6.05 kg/s，處于低水平時喂入量為5.19 kg/s；根據大豆籽粒易脫的特性以及該大豆品種籽粒外形尺寸，選取滾筒轉速中間值為500 r/min，脫粒段凹板篩間隙中間值為20 mm，上篩前部開度中間值為17 mm，脫粒過程中為使籽粒能通過凹板篩，通常設置分離段凹板篩間隙略大于脫粒段凹板篩間隙，取中間值25 mm。清選過程中為防止雜質透過清選篩，通常設置上篩后部開度略小于上篩前部開度，取中間值13 mm，并相應取得高低水平值；大豆收獲過程中脫出物主要由大豆籽粒、短莖稈、長莖稈及穎殼，其中穎殼的懸浮速度最低，約為6 m/s，而適合大豆清選的最大風速為11 m/s[35]，相應地取風機最低轉速為1 000 r/min，最高轉速為1 300 r/min，并確定中間值1 150 r/min；試驗用聯合收獲機的導流板角度及分風板角度調節范圍分別為17°～26°及9°～39°，取2因素的極限值為其高低水平。

試驗中各參數調節方法如下：1）前進速度調節：通過駕駛員調節不同的前進檔位得到不同的前進速度，通過安裝在后輪上的轉速傳感器精確檢測機具前進速度，并顯示在駕駛室儀表盤上。2）脫粒段和分離段間隙調節：該機脫粒間隙調節采用蝸輪蝸桿調節機構，凹板篩一端鉸接在機架上，另一端和蝸輪蝸桿連接，調節時，人工轉動蝸桿，帶動蝸輪轉動，從而調整凹板篩與脫粒滾筒間隙。測量釘齒脫粒部件末端與凹板篩之間的距離，得到脫粒間隙。3）脫粒滾筒轉速和風機轉速調節：采用三角膠帶無級變速器，通過靜液壓和手動調節帶輪動盤移動，從而獲得不同的傳動比，得到不同的轉速。通過安裝在軸上的轉速傳感器精確檢測轉速，并顯示在駕駛室儀表盤上。4）導流板角度調節：通過安裝在脫粒滾筒頂蓋上的調節手柄實現導流板角度調節，通過角度尺測量角度。5）分風板角度調節：通過分風板上的調節手柄調節分風板角度，通過角度尺測量角度。6）上篩前部和后部開度調節：通過安裝在篩框上的調節手柄實現篩片開度調節，通過直尺測量篩片開度。

根據表2，用Design-expert進行多元回歸擬合分析以及方差分析，建立損失率1、破碎率2、含雜率3與各因素的數學模型，對建立的響應面進行分析。

1.4 測試指標

參照JB/T11912-2014《大豆聯合收獲機》，將總損失率（以下簡稱損失率）、破碎率、含雜率3個指標作為評價大豆聯合收獲機作業質量指標，其中損失量為收集取樣區域內所有掉落或隨豆桿、豆皮排出的籽粒和豆莢，得到全部的豆粒，并去除自然落粒；按收獲的大豆質量和對應的收獲面積，得到每平方米大豆收獲量；雜質包括長、短莖稈，豆莢，砂石等；破碎籽粒為子葉殘缺（包括整半粒）、橫斷、破裂的顆粒。具體計算方法如下：

式中1為總損失率，%；2為破碎率，%；3為含雜率，%；W為收割后每平方米大豆損失量，g/m2； W為每平方米大豆收獲量，g/m2；W為清除雜質后樣品質量，g；W為清除雜質和破碎籽粒后樣品質量，g；W為樣品質量，g。

2 試驗結果與分析

試驗設計方案和結果如表3所示，其中因素組合按照前進速度、滾筒轉速、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙、導流板角度、風機轉速、分風板角度、上篩前部開度、上篩后部開度排序。

表2 試驗因素水平表

表3 試驗設計方案及結果

續表

續表

2.1 損失率

2.1.1 損失率回歸模型建立與顯著性檢驗

根據表4的試驗結果，對損失率進行方差分析，剔除不顯著項結果如表5。值用于分析對象顯著性，<0.01表示響應模型極顯著，<0.05表示響應模型較為顯著。并得到關于損失率的回歸方程為

由表5可知，損失率模型的值小于0.01，表明建立的回歸模型極其顯著，模型的決定系數2=0.816 1，表明該回歸模型能反映出81.61%的響應值變化，模型失擬項為0.254 5，大于0.05，表明該試驗產生的誤差很小，可用該模型對損失率大小進行預測。

在該回歸模型中，、、、、、、、2、2項的值小于0.01，表示在置信區間99%范圍內，對回歸模型的影響極其顯著。而、、2項的值小于0.05，表示對回歸模型的影響顯著。

表5 損失率方差分析

2.1.2 各因素對損失率影響效應分析

貢獻值能反應出單個因素對所建立回歸模型的影響程度[36]，越大，影響程度就越大，值計算公式如下：

式中為方差分析的值，為考核值。根據式（6）、式（7）計算出各因素對損失率的貢獻值[37]，結果如表6。忽略不顯著因素，得到顯著因素對損失率貢獻值的大小排序為：風機轉速（）>脫粒段脫粒間隙（）>前進速度（）>滾筒轉速（）。

2.1.3 損失率與相關參數相應曲面分析

根據表5，篩選出對損失率影響較大的4個因素：風機轉速（）、脫粒段脫粒間隙（）、前進速度（）、滾筒轉速（），對其交互作用進行分析，如圖4所示。

由圖4a可以看出，脫粒間隙與風機轉速的交互作用顯著，是因為脫粒間隙決定了谷物層厚度，間隙較小時谷物層較薄，籽粒更容易分離出去，而風機轉速提高會將準備通過清選篩的籽粒吹出機外。由圖4b可知，喂入量處于低水平時風機轉速對損失率影響較小，損失率變化不大；喂入量處于高水平時，風機轉速對損失率影響程度較高，損失率隨風機轉速提高而增大，主要原因是當清選篩開度處于0水平，喂入量小，谷物在清選過程中能順利通過清選篩，而喂入量過大，清選篩不能及時將谷物與雜質區分開，谷物連同雜質一起吹出機外從而造成損失率增大。由圖4c可知，滾筒轉速處于低水平時風機轉速對損失率影響程度不大，主要是因為滾筒轉速處于高水平時，谷物層變薄并且離心力較大，籽粒容易通過秸稈層和凹板篩，而當滾筒轉速處于低水平時，較多的籽粒會被輸送到清選篩進行風選，風機會將籽粒吹出機外。由圖4d可以看出，當前進速度與脫粒段脫粒間隙皆處于高水平時損失率達到最大值，這是因為前進速度與脫粒段脫粒間隙兩者共同決定了脫粒時谷物層的厚度，谷物層越厚籽粒與莖稈就越難分離，造成夾帶損失。由圖4e可知，滾筒轉速處于低水平且脫粒段脫粒間隙處于高水平時損失率達到最大值，滾筒轉速處于高水平且脫粒段脫粒間隙處于低水平時損失率達到最小值，主要原因是當前進速度處于0水平時，滾筒轉速決定對作物脫粒的強度，脫粒間隙決定谷物層厚度，滾筒轉速越高，滾筒的徑向震動頻率越大，脫粒間隙減小增加了搓擦作用，籽粒易通過凹板篩。由圖4f可知，前進速度相較于滾筒轉速對損失率的影響程度更大，且前進速度最大時損失率達到最大值，這是因為前進速度處于高水平時谷物層厚度增加且滾筒轉速不夠大導致較多的籽粒夾雜在莖稈中不能及時分離，增加了夾帶損失。

2.2 破碎率

2.2.1 破碎率回歸模型建立及顯著性分析

根據表4的結果，對破碎率進行方差分析，剔除不顯著項結果如表7，并建立關于破碎率回歸方程：

分析表7可知，關于破碎率模型的值小于0.01，表明建立的回歸模型極其顯著，模型的決定系數2=0.864 4，表明該模型能反映出86.44%的響應值變化，模型失擬項不顯著，表明該試驗產生的誤差很小，可用該模型對破碎率大小進行預測。

表6 各因素對損失率的貢獻率

圖4 因素交互作用對損失率的影響

表7 破碎率方差分析

在該回歸模型中，、、、的值小于0.01，表示在置信區間99%范圍內，對回歸模型的影響極其顯著；而、、、2、2的值小于0.05，表示對回歸模型的影響顯著；其余各項值大于0.05，對回歸模型影響不顯著。

2.2.2 各因素對破碎率影響效應分析

各因素對破碎率的貢獻值如表8所示。忽略不顯著項，得到剩余各因素對破碎率貢獻值的大小排序為：滾筒轉速（）>脫粒段脫粒間隙（）>前進速度（）>導流板角度（）。

2.2.3 破碎率與相關參數相應曲面分析

根據表8篩選出對破碎率影響較大的4個因素：滾筒轉速（）、脫粒段脫粒間隙（）、前進速度（）、導流板角度（），對其交互作用進行分析，如圖5所示。

由圖5a可以看出，滾筒轉速處于高水平且脫粒段脫粒間隙處于低水平時破碎率達到最大值，這是由于滾筒轉速越高，脫粒過程中脫粒元件對谷物的打擊力度越大，籽粒破碎的可能性也越高，而脫粒段脫粒間隙減小，谷物層變薄，搓擦擠壓作用增強，同樣也會提高破碎率。由圖5b可以看出，前進速度及滾筒轉速的交互作用對破碎率作用顯著，前進速度處于高水平時谷物層較厚，不利于籽粒分離，較多的籽粒會夾雜在莖稈中，受到過多的打擊，增加破碎可能性。由圖5c可知，滾筒轉速處于高水平且導流板角度處于低水平時破碎率達到最大值，主要是由于導流板角度處于低水平時，谷物層停留在脫粒滾筒內時間較長，搓擦打擊時間較長，增加了破碎的可能性。由圖5d可以看出，前進速度與脫粒段脫粒間隙對破碎率影響顯著，前進速度處于高水平且脫粒段脫粒間隙處于低水平時破碎率達到最大，這是因為喂入量處于高水平，谷物層變厚，流動性變差，不利于籽粒在脫下來后立即分離出去，致使破碎率升高。由圖5e可知，在脫粒段脫粒間隙與導流板角度皆處于低水平時，破碎率最大，且脫粒段脫粒間隙處于低水平時導流板角度對破碎率的影響程度較小，這是由于前進速度處于0水平且脫粒間隙很小時，谷物層受到擠壓沖擊較為嚴重，導致籽粒破碎增多。由圖5f可知，前進速度處于高水平且導流板角度處于低水平時破碎率達到最大，因為在大喂入量時，導流板角度偏小會使谷物在凹板篩與滾筒間囤積，谷物層流動性變差，籽粒受到打擊次數增大而且搓擦作用增強，使破碎率升高。

表8 各因素對破碎率的貢獻率

圖5 各因素交互作用對破碎率的影響

2.3 含雜率

2.3.1 含雜率回歸模型建立及顯著性分析

對表4的試驗結果進行方差分析，對含雜率進行方差分析，剔除不顯著項結果如表9，并得出回歸方程：

分析表9可知，關于含雜率模型值小于0.01，表明回歸模型極顯著，模型的決定系數2=0.81，表明該模型能反映出81%的響應值變化，且失擬項大于0.05，可用此模型對含雜率進行預測。

在該回歸模型中，、、、、、2項的值小于0.01，表示在置信區間99%范圍內，對回歸模型的影響極其顯著；而、、項的值小于0.05，表示對回歸模型的影響顯著；其余各項值大于0.05，對回歸模型影響不顯著。

表9 含雜率方差分析

2.3.2 各因素對含雜率影響效應分析

各因素對含雜率的貢獻值如表10所示。忽略不顯著項，得到剩余各因素對含雜率貢獻值的大小排序為：導流板角度（）>風機轉速（）>分風板角度（）>上篩后部開度（）。

2.3.3 含雜率與相關參數相應曲面分析

根據表10，挑選出對含雜率影響較大的四個因素：導流板角度（）、風機轉速（）、分風板角度（）、上篩后部開度（），對其交互作用進行分析，如圖6所示。

由圖6a可以看出導流板角度與風機轉速的交互作用顯著，導流板角度與風機轉速皆處于低水平時含雜率達最大值，主要原因是導流板角度偏小時莖稈等雜質受到擠壓搓擦次數較多，會產生較小的雜質隨籽粒通過凹板篩，而風機轉速較低時，質量偏高的雜質不能吹出機外造成含雜率升高。由圖6b可以看出，分風板角度與含雜率呈負相關關系，這是由于分風板角度較大時風量集中通過清選篩前半段，當莖稈從脫粒部分拋出后能及時將雜質吹出機外，另外當導流板角度偏大時脫粒時間偏短，雜質不易通過凹板篩，所以導流板角度與分風板角度皆處于高水平時含雜率達最大值。由圖6c為可知，導流板角度處于高水平且上篩后部開度處于低水平時含雜率達到最小值，這主要是因為魚鱗篩開度小時雜質不易透篩，致使含雜率降低。由圖6d可以看出，風機轉速處于低水平時分風板角度對含雜率影響較小，當風機轉速處于高水平時分風板角度與含雜率呈負相關關系，這主要是因為風機轉速低時不足以吹出質量偏大的雜質，此時分風板對含雜率影響較小；當風機轉速處于高水平且分風板角度處于低水平時，風較為分散，質量較大的雜質無法吹出，而當分風板角度處于高水平時，氣流較為集中，能夠吹出質量偏大的雜質。由圖6 e可以看出，上篩后部開度相較于風機轉速對含雜率影響較小，主要是因為輸送到上篩后部的雜質多為較大的莖稈及豆莢，不易透篩。由圖6f可以看出，分風板角度對含雜率影響程度更大，當分風板角度處于高水平且上篩后部開度處于低水平時含雜率達到最小值。

表10 各因素對含雜率的貢獻率

圖6 因素交互作用對損失率影響

3 參數優化與試驗驗證

3.1 參數優化

為使大豆機收田間作業質量最佳，要求損失率、破碎率以及含雜率最低，根據交互因素對損失率、破碎率、含雜率的影響可知：為使損失率較低，需要風機轉速低、脫粒段脫粒間隙小、前進速度低、滾筒轉速高；為獲得較低的破碎率，需要滾筒轉速低、脫粒段脫粒間隙大、前進速度低、導流板角度大；為獲得較低的含雜率，需要導流板角度大、風機轉速高、分風板角度大、上篩后部開度小。為尋求最佳的參數組合，需進行多個目標的參數優化。因此確定約束條件為：

用Design-Expert對各參數優化求解，得出最優解為：前進速度6.03 km/h，滾筒轉速452.02 r/min，脫粒段脫粒間隙24.93 mm，分離段脫粒間隙為20 mm，導流板角度26°，風機轉速1 261.63 r/min，分風板角度11.49°，上篩前部開度19 mm，上篩后部開度11.03 mm。此時損失率0.24%，破碎率0.86%，含雜率0.13%。

3.2 試驗驗證

為驗證以上模型的準確性，2018年10月12日，在山東省梁山縣館驛鎮開展驗證試驗，試驗田大豆長勢與試驗方法同前，試驗前測得大豆籽粒含水率為11.2%，每平方米上大豆收獲量為456.2 g，自然落粒損失為1.7 g/m2,考慮到試驗參數設置的可行性，將優化參數調整為前進速度6 km/h、滾筒轉速450 r/min、脫粒段脫粒間隙25 mm、分離段脫粒間隙20 mm、導流板角度26°、風機轉速1 260 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，進行3次試驗，根據式（2）～（4）得到試驗結果如表11。根據中華人民共和國機械行業標準（JB/T 11912-2014），要求損失率和破碎率低于5%，含雜率小于3%，而試驗測得損失率、破碎率和含雜率的平均值分別為0.24%、0.90%和0.14%，均低于該標準，且試驗值與優化值相對誤差分別為0、4.7%和7.7%，結果較吻合。該研究結果可為大豆聯合收獲機結構改進和作業參數控制提供參考。

表11 驗證試驗結果

4 結 論

1）利用田間試驗方法，通過Box-Behnken中心組合試驗設計理論，全面、系統地分析探索稻麥聯合收獲機收獲大豆作業時主要作業參數對損失率、破碎率、含雜率的影響規律。確定了對總損失率、破碎率、含雜率影響因素的顯著性，構建了聯合收獲機總損失率、破碎率、含雜率與前進速度、滾筒轉速、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙、導流板角度、風機轉速、分風板角度、上篩前部開度和上篩后部開度的數學模型。采用響應面分析法對試驗結果進行分析，確定了影響因素的重要順序。對大豆機收總損失率影響顯著的因素有：風機轉速、脫粒段脫粒間隙、前進速度及滾筒轉速；對破碎率影響顯著的因素有：滾筒轉速、脫粒段脫粒間隙、前進速度及導流板角度；對含雜率影響顯著的因素有：導流板角度、風機轉速、分風板角度及上篩后部開度。

2）建立了大豆機械化收獲參數優化模型，得到了在損失率、破碎率、含雜率最小時的最佳參數組合：前進速度6 m/s、滾筒轉速450 r/min、脫粒段脫粒間隙25 mm、分離段脫粒間隙20 mm、導流板角度26°、風機轉速1 260 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。在此參數條件下，進行了田間試驗檢測，此時損失率0.24%、破碎率0.90%、含雜率0.14%，優于相關標準規定的損失率和破碎率低于5%，含雜率小于3%，可為大豆聯合收獲機結構改進和作業參數控制提供參考。

[1] 劉東，齊婉冬，馮燕，等. 大豆主要農藝性狀的遺傳解析 [J]. 大豆科學，2018，37（2）：165－172. Liu Dong, Qi Wandong, Feng Yan, et al. Characterization of the genetic basis of main agronomic traits in soybean[J]. Soybean Science, 2018, 37（2）: 165－172. (in Chinese with English abstract)

[2] 殷瑞鋒，馮學靜，張振. 2017年中國東北及黃淮產區大豆種植面積變化及生產展望[J]. 農業展望，2017，13(7)：42－47. Yin Ruifeng, Feng Xuejing, Zhang Zhen. Changes of soybean planting area in northeast china and the Huang-Huai region in 2017 and its production outlook[J]. Agricultural Outlook, 2017, 13(7): 42－47. (in Chinese with English abstract)

[3] 張振，徐雪高，張璟，等. 貿易新形勢下國內外大豆產業發展戰略取向 [J]. 農業展望，2018，14(10)：94－102. Zhang Zhen, Xu Xuegao, Zhang Jing, et al. Strategic orientation of soybean industry at home and abroad under the new situation of trade[J]. Agricultural Outlook, 2018, 14(10): 94－102. (in Chinese with English abstract)

[4] 中國產業信息. 2018年中國對美農產品進出口貿易額分析[EB/OL].http://www.chyxx.com/industry/201804/635390.html, 2018-04-28.

[5] 夏劍秋，江連洲，王喜泉，等. 國內外大豆加工業生產現狀與發展趨勢[J]. 中國油脂，2003，28(9)：8－15. Xia Jianqiu, Jiang Lianzhou, Wang Xiquan, et al. Present situation and developing trend of soybean processing in domesfic and overseas[J]. China Oils and Fats, 2003, 28(9): 8－15. (in Chinese with English abstract)

[6] 司偉. 中國大豆生產成本與收益分析及展望[J]. 大豆科技, 2008(5)：1－4.

[7] 宮云濤. 大豆收獲機發展研究[J]. 農業科技與裝備，2013(2)：61－62.Gong Yuntao. Research on the development of soybean harvester[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment, 2013(2): 61－62. (in Chinese with English abstract)

[8] 梁蘇寧，沐森林，金誠謙，等. 黃淮海地區大豆生產機械化現狀與發展趨勢[J].農機化研究，2015，37(1)：261－264，268.Liang Suning, Mu Senlin, Jin Chengqian, et al. Actualities and developing trend of production mechanization of soybean in huanghuaihai region[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(1): 261－264,268. (in Chinese with English abstract)

[9] 劉基，金誠謙，梁蘇寧，等. 大豆機械收獲損失的研究現狀[J]. 農機化研究，2017，39(7)：1—9，15.Liu Ji, Jin Chengqian, Liang Suning, et al. The research of soybean harvested by machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(7): 1—9,15. (in Chinese with English abstract)

[10] 陳偉，張美藝，韓嫣，等. 大豆機械收獲環節損失調查——以黑龍江、內蒙古為例[J]. 中國農業文摘—農業工程, 2017，29(3)：16－20. Chen Wei, Zhang Meiyi, Han Yan, et al.Investigation on the mechanical harvest loss of soybean: A case study of soybean in heilongjiang and inner mongolia[J].Agricultural Science and Engineering in China, 2017, 29(3): 16－20. (in Chinese with English abstract)

[11] 陳海霞. 大豆聯合收獲機械的研究[J]. 農村牧區機化，2009(2)：4－5.

[12] 喬金友，張曉丹，王奕嬌，等. 規模化大豆產區大豆聯合收獲機綜合評價與優選[J]. 東北農業大學學報報，2014，45(8)：124－128.Qiao Jinyou, Zhang Xiaodan, Wang Yijiao, et al. Evaluation and selection on soybean combines in large-scale planting area[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2014, 45(8): 124－128. (in Chinese with English abstract)

[13] 邵志剛，楊德旭，劉暢，等. 大豆輸送損傷特征及規律研究[C]//中國農業工程學會學術年會. 2011. Shao Zhigang, Yang Dexu, Liu Chang, et al. The transportation damage characteristics and law research of soybean[C]//. China Academic Journal Electronic Publishing House. 2011. (in Chinese with English abstract)

[14] 高連興，邵志剛，焦維鵬，等. 斗式提升機輸送大豆的機械損傷特征與機理[J]. 農業工程學報，2012，28(增刊1)：26－32. Gao Lianxing, Shao Zhigang, Jiao Weipeng, et al. Soybean mechanical damage characteristics and mechanism during transportation by bucket elevator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(Supp.1): 26－32. (in Chinese with English abstract)

[15] 黃振德，汪曼，孫德超，等. 淺析大豆聯合收獲損失的原因及解決辦法[J]. 農業機械，2009(11)：99.

[16] 楊歡，張黎驊，陳平，等. 收獲時期對西南地區套作大豆機收效果及產量的影響[J]. 東北農業大學學報，2019，50(2)：62－70.Yang Huan, Zhang Lihua, Chen Ping, et al. Effect of harvest date on mechanical harvest quality and yield of inter-cropped soybean in southwestern China[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2019, 50(2): 62－70. (in Chinese with English abstract)

[17] ?pokas L, Steponavi?ius D, Petkevi?ius S. Impact of technological parameters of threshing apparatus on grain damage [J]. Agronomy Research, 2008, 6(Supp.): 367—376.

[18] Babi? L J, radoj?in M, Pavkov I, et al. Physical properties and compression loading behaviour of corn seed [J]. International Agrophysics, 2013, 27(2): 119－126.

[19] Mahmoud O, Majid L, Hossein, et al. Design of fuzzy logic control system incorporating humain expert knowledge for combine harvester[J]. Expert Systems with Applications, 2010, 37(10): 7080－7085.

[20] Craessaerts G, Baerdemaeker J D, Missotten B, et al. Fuzzy control of the cleaning process on a combine harvester [J]. Biosystems Engineering, 2010, 106(2): 103－111.

[21] Baerdemaeker J D, Saeys W. Advanced control of combine harvesters[J]. Ifac Proceedings Volumes, 2013, 46(18): 1－5.

[22] 樊晨龍，崔濤，張東興，等. 縱軸流聯合收獲機雙層異向清選裝置設計與試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(增刊1)：239－248. Fan Chenlong, Cui Tao, Zhang Dongxing, et al. Design and experiment of double-layered reverse cleaning device for axial flow combine havester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(Supp.1): 239－248. (in Chinese with English abstract)

[23] 劉春亞，王升升，師清翔，等. 聯合收獲機清選系統試驗臺的設計[J]. 農機化研究，2018,40(12)：91－95. Liu Chunya, Wang Shengsheng, Shi Qingxiang, et al. Design of peanut combine harvester cleaning system test bench[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(12): 91－95. (in Chinese with English abstract)

[24] 李心平，孟亞娟，張家亮，等. 輥搓圓筒篩式谷子清選裝置設計與試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(10)：92—102，136. Li Xinping, Meng Yajuan, Zhang Jialiang, et al. Design and test of cleaning device for roller rubbing cylinder sieve of millet[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(10): 92—102,136. (in Chinese with English abstract)

[25] 鐘挺，胡志超，顧峰瑋，等. 4LZ-1.0Q型稻麥聯合收獲機脫粒清選部件試驗與優化[J]. 農業機械學報，2012，43(10)：76－81. Zhong Ting, Hu Zhichao, Gu Fengwei, et al. Optimization and experiment for threshing and cleaning parts of 4LZ-1.0Q cereal combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(10): 76－81. (in Chinese with English abstract)

[26] 李耀明，王建鵬，徐立章，等. 聯合收獲機脫粒滾筒凹板間隙調節裝置設計與試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(8)：68－75. Li Yaoming, Wang Jianpeng, Xu Lizhang, et al. Design and experiment on adjusting mechanism of concave clearance of combine harvester cylinder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(8): 68－75. (in Chinese with English abstract)

[27] 金誠謙. 大豆收獲機脫粒分離裝置參數優化與試驗[C]. 中國作物學會大豆專業委員會.第十屆全國大豆學術討論會論文摘要集，中國作物學會大豆專業委員會：中國作物學會，2017.

[28] 柳洪德，馬艷明，孫葉強.怎樣用小麥聯合收割機收獲大豆[J]. 農業機械，2008(4)：73.

[29] 史宏.種植密度對機械化收獲大豆底莢高度的影響[J].農學學報，2017，7(9)：62－67.Shi Hong. Effect of planting density on the bottom pod height of soybean under mechanized harvesting[J]. Journal of Agriculture, 2017, 7(9): 62－67. (in Chinese with English abstract)

[30] 邱軼兵. 試驗設計與數據處理[M]. 北京: 中國科學技術大學出版社，2008.

[31] 耿端陽. 新編農業機械學 [M]. 國防工業出版社，2011.

[32] 梁學修，陳志，張小超，等. 聯合收獲機喂入量在線監測系統設計與試驗[J]. 農業機械學報，2013,44 (增刊2)：1－6. Liang Xuexiu, Chen Zhi, Zhang Xiaochao, et al. Design and experiment of on-line monitoring system for feed quantity of combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(Supp.2): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[33] 劉元元，劉卉，尹彥鑫，等. 基于功率監測的聯合收割機喂入量預測方法[J]. 中國農業大學學報，2017，22 (11)：157－163. Liu Yuanyuan, Liu Hui, Yin Yanxin, et al. Feeding assessment method for combine harvester based on power measurement[J]. Journal of China Agricuitural University, 2017, 22(11): 157－163.

[34] 嚴偉，胡志超，吳努，等. 鏟篩式殘膜回收機輸膜機構參數優化與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33 (1)：17－24. Yan Wei, Hu Zhichao, Wu Nu, et al. Parameter optimization and experiment for plastic film transport mechanism of shovel screen type plastic film residue collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 17－24. (in Chinese with English abstract)

[35] 張繼成，陳海濤，紀文藝，等. 大豆脫出物懸浮速度試驗研究[J]. 農機化研究，2013，35(4)：127－131. Zhang Jicheng, Chen Haitao, Ji Wenyi, et al. Experimental study on floating velocity of soybean extraction[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013, 35(4): 127－131. (in Chinese with English abstract)

[36] 馬寨璞. 高級生物統計[M]. 北京: 科學出版社，2016.

Optimization of working parameters of soybean combine harvester

Jin Chengqian1,2, Guo Feiyang2, Xu Jinshan1, Li Qinglun2, Chen Man1, Li Jingjing3,Yin Xiang2※

(1.210014,2.255000,3.255000,)

At present, there are few soybean harvesters dedicated to soybean harvesting in China, soybean harvesting mainly uses rice-wheat combine harvester by adjusting parameters and replacing working parts, and it is difficult to improve the efficiency and working quality of the soybean harvesting because of adjusting working parameters irrelevantly. To solve the problems, this experiment used a series of field trials to explore the influence of various key working parameters on the quality of soybean harvesting operations, and tried to figure out the optimal combination of parameters systematically. According to three indexes-- loss rate, crushing rate and impurity rate, nine factors of forward speed, rotate speed of roller, threshing gap in threshing section, threshing gap in separation section, angle of deflector, rotate speed of fan, angle of wind plate, front opening of upper sieve and posterior opening of upper sieve were chosen.By adopting the box-behnken central composite response surfaces analysis, we conducted the response surfaces experiments with nine factors and three levels. Then we used design-expert to analyze the response surfaces and built three mathematical models about loss rate, crushing rate and impurity rate. The research showed that rotate speed of fan, threshing gap in threshing section, forward speed and rotate speed of roller were the four most indispensable factors that affected the loss rate. Moreover, the four main factors influencing the crushing rate were rotate speed of roller, threshing gap in threshing section, forward speed and angle of deflector. Angle of deflector, rotate speed of fan, angle of wind plate and posterior opening of upper sieve played a decisive role in impurity rate. The response surfaces method was utilized to analyze the effects of factor’s interaction on loss rate, crushing rate and impurity rate, and the multi-objective optimization were conducted for the regression models to obtain the working parameters of best evaluation index. The working parameter combination of the soybean combine harvester with the lowest loss rate, crushing rate and impurity rate as constrains was thought to be optimal. In this model, the forward speed was 6.03 km/h, the rotate speed of roller was 452.02 r/min, threshing gap in threshing section was 24.93 mm, threshing gap in separation section was 20 mm, angle of deflector was 26°, rotate speed of fan was 1 261.63 r/min, angle of wind plate was 11.49°, front opening of upper sieve was 19 mm and posterior opening of upper sieve was 11.03 mm. Under this condition, the average values of loss rate, crushing rate and impurity rate were 0.24%, 0.86% and 0.13%. The results of verification experiment showed that the loss rate was 0.24%, crushing rate was 0.90% and impurity rate was 0.14% when the optimum parameters were adjusted to that the forward speed was 6 km/h, the rotate speed of roller was 450 r/min, threshing gap in threshing section was 25 mm, threshing gap in separation section was 20 mm, angle of deflector was 26°, rotate speed of fan was 1 260 r/min, angle of wind plate was 11.5°, front opening of upper sieve was 19 mm and posterior opening of upper sieve was 11 mm. The experimental value is in good agreement with the optimized value and the relative errors were 0, 4.7% and 7.7%. The research results can provide reference for structure improvement and operation parameter control of soybean combine harvester.

agricultural machinery; harvesting; soybean; working parameters; optimization; response surface

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.002

S225.6

A

1002-6819(2019)-13-0010-13

2019-03-21

2019-04-10

現代農業產業技術體系建設專項資金項目（CARS-04-PS26）；山東省農機裝備研發創新計劃項目（2018YF006）；山東省高等學校優勢學科人才團隊培育計劃項目（2016—2020）；中央引導地方科技發展專項基金項目

金誠謙，博士，研究員，博士生導師，主要從事大田作物種植與收獲機械化與智能化技術研究。Email：412114402@qq.com

印 祥，博士，副教授，主要從事農業裝備智能控制技術研究。Email：666513@163.com

金誠謙，郭飛揚，徐金山，李慶倫，陳 滿，李景景，印 祥.大豆聯合收獲機作業參數優化[J]. 農業工程學報，2019，35(13)：10－22. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.002 http://www.tcsae.org

Jin Chengqian, Guo Feiyang, Xu Jinshan, Li Qinglun, Chen Man, Li Jingjing, Yin Xiang.Optimization of working parameters of soybean combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 10－22. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.002 http://www.tcsae.org