輥刷式蓖麻收獲機(jī)采摘機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與試驗

劉 磊，吳 騰，孔凡婷，孫勇飛，陳長林，謝 慶，石 磊

輥刷式蓖麻收獲機(jī)采摘機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與試驗

劉 磊，吳 騰，孔凡婷，孫勇飛，陳長林，謝 慶，石 磊※

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

針對蓖麻機(jī)械化采收時采凈率低、破損率高等難題，結(jié)合蓖麻物理特性和種植模式，研究設(shè)計了輥刷式蓖麻收獲機(jī)采摘機(jī)構(gòu)。首先在分析采摘機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上闡述了輥刷式采摘原理，闡明了輥刷、螺旋輸送器、傳動系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的設(shè)計。進(jìn)一步地，為探究采摘機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的最優(yōu)組合，提高蓖麻采摘質(zhì)量，采用Box-Benhnken響應(yīng)面試驗設(shè)計理論，以前進(jìn)速度、輥刷轉(zhuǎn)速、刷絲長度為影響因素，以采凈率、籽粒破損率及含雜率為作業(yè)質(zhì)量評價指標(biāo)，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化試驗。建立各影響因素與指標(biāo)之間的回歸數(shù)學(xué)模型，并分析各因素對響應(yīng)值的交互影響，同時對模型進(jìn)行了綜合優(yōu)化，獲得最優(yōu)參數(shù)組合為：前進(jìn)速度0.72 m/s、輥刷轉(zhuǎn)速371.69 r/min、刷絲長度56.60 mm，對應(yīng)的采凈率、籽粒破損率、含雜率分別為90.81%、0.17%、11.27%。對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗證試驗，試驗結(jié)果表明在最優(yōu)參數(shù)組合下，采凈率為91.36%、籽粒破損率為0.18%、含雜率為11.67%，各評價指標(biāo)與預(yù)測值均很接近。研究結(jié)果可為輥刷式蓖麻收獲機(jī)進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作參數(shù)優(yōu)化提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計；試驗；蓖麻；采摘機(jī)構(gòu)

0 引 言

蓖麻原產(chǎn)自非洲熱帶地區(qū)，是世界十大油料作物之一[1]。蓖麻具有很高的綜合利用價值，其根、葉可入藥，用于治療癲癇、破傷風(fēng)等疾病；蓖麻稈是一種優(yōu)良的木材原料，可用于制作人造板[2]；蓖麻籽可以榨油，其含油量高達(dá)46%～56%，蓖麻油具有優(yōu)異的生物降解性與抗氧化穩(wěn)定性，是目前自然界中唯一可替代石油的可再生植物油脂，已被廣泛應(yīng)用于航空、化工、機(jī)電、醫(yī)療等領(lǐng)域[3-6]。隨著現(xiàn)代工業(yè)體系的迅速發(fā)展，國際市場對蓖麻的需求量急劇上升，但蓖麻產(chǎn)業(yè)由于各方面原因發(fā)展不足。目前，蓖麻生產(chǎn)尤其是收獲環(huán)節(jié)的機(jī)械化程度低，市場還未出現(xiàn)成熟的蓖麻收獲裝備，采摘作業(yè)基本都是依賴人工來完成，勞動強(qiáng)度大且效率低，限制了蓖麻產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展[7]。在勞動力短缺的當(dāng)下，人工采收蓖麻的成本逐年上升，加快蓖麻收獲裝備的研發(fā)進(jìn)程已成為當(dāng)務(wù)之急。

歐美國家對于蓖麻機(jī)械化收獲的研究較早，但相關(guān)文獻(xiàn)卻很少，前蘇聯(lián)Zemtsov等[8]發(fā)明了一種蓖麻聯(lián)合收割機(jī)，采用全喂入式收獲，機(jī)械化程度高，但其原理是基于谷物聯(lián)合收獲機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)，不適應(yīng)蓖麻植株特性，因而漏摘率和破損率高。德國CLAAS公司[9]研制的自走式收獲機(jī)可用于收獲蓖麻等作物，在機(jī)器作業(yè)時，蓖麻稈從拉莖輥上被拉下，同時使用傾斜布置的刷桿將蒴果從莖稈上刷下，該機(jī)還配備有脫粒裝置，脫粒滾筒外套采用彈性材料制成，一定程度地保持了蓖麻籽粒的完整性。近年來國內(nèi)也有學(xué)者對蓖麻物理力學(xué)特性和蓖麻采收方式[10-12]開展了相關(guān)研究，如李長河等[13]設(shè)計的梳齒式蓖麻采摘系統(tǒng)，模仿人手的采摘過程，利用梳齒從下往上將蓖麻蒴果夾持住并隨著滾筒轉(zhuǎn)動將其從莖稈上面捋下來，但是對于結(jié)穗高度較低的矮稈蓖麻，采摘系統(tǒng)難以采摘到植株下部的蒴果。吳志峰[14]研制的蓖麻收獲機(jī)，具有輪鋸式切刀、卷入裝置、脫粒滾筒等部件，工作原理是采用卷入裝置將蓖麻植株從大莖切斷并輸送到后側(cè)進(jìn)行脫粒處理，平均收獲率僅為67.1%±6.8%，收獲效果不理想，仍需做進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計。內(nèi)蒙古企業(yè)生產(chǎn)的切割式蓖麻聯(lián)合收獲機(jī)的采收方式是用圓盤割刀將蒴果和莖稈一起切斷后喂入脫粒清選裝置，并將秸稈粉碎還田，目前還處于試驗研發(fā)階段[15]。綜上所述，目前國內(nèi)外針對蓖麻收獲機(jī)的相關(guān)研究報道稀少，且由于采收效果不佳，均未得到有效的推廣應(yīng)用。

為提高蓖麻機(jī)械化收獲質(zhì)量，本文針對蓖麻生長特性設(shè)計了輥刷式蓖麻收獲機(jī)采摘機(jī)構(gòu)，從理論上分析采摘機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)，并進(jìn)行了田間試驗，擬提高其作業(yè)質(zhì)量，為輥刷式蓖麻收獲機(jī)設(shè)計和優(yōu)化提供借鑒。

1 蓖麻植株物理特性參數(shù)

目前國內(nèi)的蓖麻產(chǎn)區(qū)主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、東北等區(qū)域[16]。選取調(diào)研對象位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市土默特左旗耳林岱村，種植的蓖麻品種為以色列凱豐5號，蓖麻種植時間為2020年4月中旬，采用氣吸式播種機(jī)進(jìn)行播種。于2020年10月15日選取長勢一致良好的蓖麻田塊進(jìn)行蓖麻植株的物理特性參數(shù)測量，采用五點(diǎn)法進(jìn)行田間取樣，每個取樣點(diǎn)選取30株蓖麻植株，得到蓖麻植株主要物理參數(shù)如表1所示。

表1 蓖麻植株主要物理特性參數(shù)

注：主莖直徑為蓖麻植株離地高度為25 mm處的莖稈直徑。

Note: The main stem diameter was 25 mm above the ground.

2 采摘機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 采摘機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)和工作原理

采摘機(jī)構(gòu)是輥刷式蓖麻收獲機(jī)的核心部件，輥刷式蓖麻收獲機(jī)采摘機(jī)構(gòu)主要由輥刷、螺旋輸送器、分動箱、罩殼、分禾器等組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

作業(yè)時，由發(fā)動機(jī)提供動力，經(jīng)液壓傳動和機(jī)械傳動系統(tǒng)驅(qū)動輥刷和螺旋輸送器等工作部件運(yùn)動。蓖麻植株在分禾器的引導(dǎo)下進(jìn)入成對縱向傾斜布置的輥刷間隙中，兩輥刷等速相向旋轉(zhuǎn)（圖1b），布置在輥刷上的柔性刷絲對蓖麻蒴果產(chǎn)生由下向上的刷擊作用力，使蓖麻蒴果瞬間做變速運(yùn)動，產(chǎn)生的刷擊作用力克服蒴果與莖稈節(jié)點(diǎn)的結(jié)合力，實(shí)現(xiàn)蓖麻果-柄分離，此后莖稈仍留在地上，而蒴果從輥刷外側(cè)滾落到兩邊的螺旋上升輸送器，往上輸送至落果口并集中到采摘機(jī)構(gòu)后方的收集輸送裝置中，完成采收作業(yè)。為了防止蓖麻蒴果被刷下來后彈出采摘機(jī)構(gòu)，本文在輥刷上方設(shè)計了一對朝內(nèi)側(cè)下斜的阻尼刷罩，對采摘下來的蓖麻蒴果形成相對封閉區(qū)間。

2.2 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計與分析

2.2.1 采摘輥刷

由于蓖麻蒴果直徑小于莖稈直徑，為確保作業(yè)時蓖麻莖稈能通過輥刷間隙而蒴果無法通過，對輥刷采用了柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計。輥刷的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，其工作部分主要由輥刷軸芯以及密植于軸芯外圓周的柔性刷絲組成。

1.柔性刷絲 2.輥刷軸芯

1.Flexible brush wire 2.Brush roller shaft core

注：為輥刷直徑，mm；為輥刷軸芯直徑，mm；為刷絲長度，mm。

Note:is the diameter of brush roller, mm;is the diameter of brush roller shaft core, mm;is the length of brush wire, mm.

圖2 輥刷結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Structure diagram of brush roller

1）輥刷結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

蓖麻蒴果從最低結(jié)穗高度到植株頂部的范圍內(nèi)均有密集分布，為確保有效采摘分布于蓖麻植株內(nèi)的所有蒴果，輥刷長度應(yīng)適應(yīng)蓖麻生長特性。輥刷長度由蓖麻植株結(jié)穗高度、輥刷安裝角度、采摘作業(yè)時蓖麻植株傾斜角度、輥刷離地高度等決定，作業(yè)時輥刷與植株位置關(guān)系如圖3所示。

1.輥刷 2.蓖麻植株

1.Brush roller 2.Castor plant

注：為輥刷工作長度，mm；為蓖麻植株高度，mm；H為植株最低結(jié)穗高度，mm；為輥刷離地高度，mm；為蓖麻植株受到工作部件作用時的傾斜角度，（°）；為輥刷安裝角度，（°）；為輥刷轉(zhuǎn)速，r·min–1；v為前進(jìn)速度，m·s–1。

Note:is the working length of brush roller, mm;is the height of castor plant, mm;His the minimum ear height, mm;is the height of brush roller from the ground, mm;is the tilt angle of castor plant under the action of working parts, (°);is the installation angle of brush roller, (°);is the speed of brush roller, r·min–1;vis the moving speed, m·s–1.

圖3 輥刷與蓖麻植株位置關(guān)系示意圖

Fig.3 Schematic diagram of position relationship between brush roller and castor plant

由圖3可知，輥刷長度為

其中，輥刷高度應(yīng)低于蓖麻最低結(jié)穗高度，且必須與地面留有足夠距離，結(jié)合實(shí)際作業(yè)情況取輥刷離地高度為130 mm。考慮到整機(jī)結(jié)構(gòu)和采摘后物料提升輸送的問題，如果輥刷安裝角度過大，將導(dǎo)致物料輸送困難，同時蓖麻植株傾斜度也會隨之增大；如果安裝角度過小，則會增加采摘機(jī)構(gòu)總體長度，增大轉(zhuǎn)彎半徑。參考國內(nèi)外相關(guān)機(jī)型的采摘輥安裝傾角一般為30°，此時蓖麻植株的傾斜角度為35°～40°。通過式（1）計算得到輥刷長度為1 272～1 378 mm，為減小采摘機(jī)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)尺寸且便于加工，選取輥刷長度為1 300 mm。

輥刷直徑影響蓖麻的采收質(zhì)量，其大小由蓖麻生長特性及輥刷離地高度等確定。由圖3可得到

式中H為植株最低結(jié)穗高度，211～459 mm。

故輥刷直徑應(yīng)小于187.1 mm，綜合考慮植株通過性和輥刷加工要求，輥刷直徑不宜過小，因此本研究取輥刷直徑為180 mm。

2）輥刷運(yùn)動參數(shù)分析

輥刷工作時存在兩個運(yùn)動，即自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和隨機(jī)具前進(jìn)的直線運(yùn)動，輥刷上任一位置的運(yùn)動為這兩種運(yùn)動在空間坐標(biāo)系內(nèi)的合成。分析輥刷最外側(cè)一點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，建立以輥刷上任一軸心為坐標(biāo)原點(diǎn)，前進(jìn)方向為軸正方向，軸正方向豎直向上，軸正方向垂直平面向里的空間坐標(biāo)系，如圖4所示。

圖4a所示的輥刷位于采摘機(jī)構(gòu)右側(cè)位置，順時針旋轉(zhuǎn)。設(shè)=0時，輥刷外端圓周上的一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至與截面內(nèi)軸心相水平的位置，則點(diǎn)的運(yùn)動軌跡為

式中v為前進(jìn)速度，m/s；為輥刷轉(zhuǎn)動角速度，rad/s；為輥刷半徑，mm。

點(diǎn)的運(yùn)動軌跡如圖4b所示，將式（3）對時間求導(dǎo)得

式中v、v、v分別為點(diǎn)沿軸、軸、軸的分速度，m/s；0為輥刷外圓周線速度，0=。

輥刷外端絕對速度也即輥刷的采摘速度可表示為

令輥刷圓周線速度與機(jī)具前進(jìn)速度之比為系數(shù)，即=0/v。當(dāng)=0時，點(diǎn)運(yùn)動至水平位置剛好與蓖麻蒴果接觸，此時式（5）可表示為

輥刷轉(zhuǎn)速與圓周線速度之間的關(guān)系為

將式（6）代入式（7）中，則輥刷轉(zhuǎn)速為

系數(shù)反映了輥刷的運(yùn)動軌跡，同時值對植株傾斜角度（如圖4a所示）有影響，當(dāng)值減小時，機(jī)具前進(jìn)速度與輥刷線速度的比值變大，會增加對植株莖稈的推倒作用，使得植株傾斜角度增大，傾角過大容易產(chǎn)生推稈現(xiàn)象以及植株間相互碰撞導(dǎo)致蒴果損失[17]。對于柔性采摘部件，在保證蓖麻采摘質(zhì)量且滿足生產(chǎn)率需求的情況下，值的取值范圍一般為5～5.2[18]。采摘速度的大小決定了輥刷對蓖麻采摘作用力的大小，對蓖麻采摘質(zhì)量有重要的影響，應(yīng)根據(jù)蓖麻物理力學(xué)特性和采摘刷材料性能等因素來確定。當(dāng)機(jī)具作業(yè)前進(jìn)速度v在0.6～0.8 m/s時，由上式初步確定輥刷轉(zhuǎn)速為320～430 r/min，具體范圍由試驗確定。

3）果-柄分離條件

使用WDW-10電子萬能試驗機(jī)對蓖麻植株進(jìn)行了拉伸、彎曲等力學(xué)特性試驗，試驗結(jié)果表明，蓖麻收獲期內(nèi)，蓖麻各連接部位的結(jié)合力有較大差異。其中蒴果和果柄間的結(jié)合力為1.9～6.7 N，遠(yuǎn)小于蓖麻植株其他部分之間的結(jié)合力（果柄-果枝：15.8～37.1 N、果枝-主莖：43.4～150.4 N）。輥刷式采摘原理便是利用這一特性：柔性刷絲作用于成熟蓖麻蒴果，依靠刷絲的沖擊作用力，使蓖麻蒴果從植株中分離；而當(dāng)刷絲接觸莖稈等植株的其他部位時，因植株傾斜方向與輥刷運(yùn)動軌跡接近，理論上刷絲只會產(chǎn)生自身的彎曲變形而不會對其他部位產(chǎn)生破壞效果。要使蒴果從植株中脫離，就需要使刷絲對蓖麻蒴果的沖擊載荷大于果-柄間的結(jié)合力，即果-柄分離條件為

式中為同時作用于蓖麻蒴果的刷絲數(shù)量；F為沖擊載荷，N；F為果-柄結(jié)合力，N。

輥刷上的刷絲一端固定在剛性軸芯上，另一端則是自由狀態(tài)，可以將其看作是一個懸臂梁的結(jié)構(gòu)，將摘穗的瞬間看作是懸臂梁受動載荷作用產(chǎn)生位移的問題[19]，系統(tǒng)簡化為質(zhì)量為的蓖麻蒴果以瞬時速度撞擊刷絲外端，如圖5所示。對于撞擊時間很短的沖擊載荷問題通常采用能量法進(jìn)行求解[19-20]。

尼龍、橡膠等材料在小變形中可以看作是線彈性體[21]，為計算采摘時刷絲對蒴果的沖擊載荷，將蒴果看做是剛體。載荷與形變的關(guān)系如下

其中

式中K為沖擊物以速度沖擊梁時的動載荷系數(shù)（不記梁質(zhì)量）；?為懸臂梁受等量靜載荷產(chǎn)生的最大撓度，m；為彈性模量，MPa；為慣性矩，mm4。

結(jié)合上述公式并代入式（9）中，則蓖麻果-柄分離條件為

試驗測得果-柄結(jié)合力F的范圍在1.9～6.7 N，受蓖麻成熟度影響較大，成熟度越高的蓖麻，其果-柄結(jié)合力越小，反之則越大。由上式可知，沖擊載荷與刷絲的抗彎剛度、長度以及輥刷的采摘速度有關(guān)，選擇合理的刷絲材料和結(jié)構(gòu)對采摘作業(yè)性能指標(biāo)至關(guān)重要。

4）刷絲結(jié)構(gòu)參數(shù)

柔性材料主要有尼龍、橡膠、塑料、劍麻等，經(jīng)試驗比較，本文選取尼龍610作為輥刷的刷絲材質(zhì)。尼龍610具有輕質(zhì)、熱塑性好、韌性好、耐久性好、經(jīng)濟(jì)性好等特性，是理想的刷絲材料。刷絲采用纏繞式方式進(jìn)行固定，即先將刷絲捆綁在金屬條上，然后再將金屬條纏繞至輥刷軸芯。相較于植入式來說這種加工方式的制作工藝簡單，刷絲排布均勻性好，且經(jīng)濟(jì)適用，能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。

刷絲長度直接影響采收性能，根據(jù)目前輥刷加工工藝要求，輥刷軸芯直徑最小為60 mm，由于輥刷直徑已確定為180 mm，則刷絲長度不能超過60 mm，并且刷絲長度越短則其梳刷能力越強(qiáng)；但是前期預(yù)試驗結(jié)果表明當(dāng)刷絲長度小于50 mm時會嚴(yán)重影響植株的通過性，導(dǎo)致輥刷過度擠壓植株，并且容易折斷莖稈，造成采摘機(jī)構(gòu)堵塞。故本文確定輥刷刷絲長度為50～60 mm。

刷絲的直徑與刷絲彎曲性能相關(guān)，由式（13）與式（14）以及慣性矩公式可以得到

式中d為刷絲直徑，mm。

通過上式計算得出d>0.96 mm，結(jié)合實(shí)際制造工藝，本研究取刷絲直徑d為1.2 mm。

2.2.2 螺旋輸送器

輥刷對蓖麻蒴果只產(chǎn)生刷脫的作用力，而沒有向后輸送的能力。為將蓖麻蒴果輸送至采摘機(jī)構(gòu)后方的橫向攪龍中，在輥刷外側(cè)設(shè)計一組平行于輥刷的傾斜輸送裝置。收獲機(jī)械上的輸送裝置主要類型有螺旋式、拋扔式、刮板式等[22]。考慮蓖麻物料特性和采摘機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)限制，采用結(jié)構(gòu)簡單緊湊且運(yùn)輸性能更為可靠的螺旋式輸送器。螺旋輸送器由旋轉(zhuǎn)軸、固定在旋轉(zhuǎn)軸上的螺旋葉片以及包裹在螺旋葉片外圍的殼體組成，動力傳輸簡單、空間利用率高，并且可以使物料均勻輸送，有效防止通道堵塞。為避免輸送時造成蓖麻籽粒破碎，應(yīng)使螺旋葉片與外殼間隙小于蓖麻蒴果直徑而大于蓖麻籽粒的大小。螺旋輸送器的物料輸送量表示為[23]

式中為物料輸送量，t/h，該設(shè)備每小時可收獲2.55 t蓖麻；D為螺旋葉片直徑，m；為螺距，m；n為螺旋輸送器轉(zhuǎn)速，r/min；為填充系數(shù)，取值0.5；為物料的單位容積質(zhì)量，取值0.5 t/m3；為傾斜輸送系數(shù)，取值0.82。

參照一般螺旋輸送器設(shè)計理論[24]并結(jié)合蓖麻收獲實(shí)際條件計算螺旋葉片直徑、螺距、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)

式中K為物料綜合特性系數(shù)，查表取K=0.05；min為最小物料輸送量，取值為2.55 t/h。

由式（17）計算得螺旋葉片直徑D≥137 mm，取標(biāo)準(zhǔn)直徑D=150 mm，則螺距=120 mm；螺旋輸送器轉(zhuǎn)速n應(yīng)大于98 r/min，并且轉(zhuǎn)速不宜過高，否則會對物料產(chǎn)生攪拌作用，降低輸送効率，本研究取螺旋輸送器轉(zhuǎn)速n為100～150 r/min。

2.2.3 傳動系統(tǒng)

采摘機(jī)構(gòu)的傳動系統(tǒng)主要由液壓驅(qū)動馬達(dá)、分動箱體、齒輪、軸和固定件等組成，其作用是把發(fā)動機(jī)輸入的動力通過液壓馬達(dá)和機(jī)械傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變向和變速，將運(yùn)動和動力傳遞到輥刷和螺旋輸送器等工作部件，完成蓖麻采摘收集過程，傳動原理如圖6所示。

根據(jù)傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理對其傳動比進(jìn)行計算。輥刷一端與輥刷動力軸通過聯(lián)軸器連接，所以輥刷轉(zhuǎn)速等于輥刷動力軸轉(zhuǎn)速，根據(jù)定軸傳動和齒輪傳動比公式可知，輥刷轉(zhuǎn)速為

式中為輥刷轉(zhuǎn)速，r/min；2為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/min；2為液壓馬達(dá)驅(qū)動鏈輪直徑，mm；3為分動箱輸入軸鏈輪直徑，mm；4為分動箱輸入軸錐齒輪直徑，mm；5為輥刷驅(qū)動錐齒輪直徑，mm。

螺旋輸送器轉(zhuǎn)速為

式中n為螺旋輸送器轉(zhuǎn)速，r/min；7為輥刷中間傳動齒輪Ⅱ直徑，mm；8為螺旋輸送器驅(qū)動齒輪直徑，mm。

3 參數(shù)優(yōu)化試驗

3.1 試驗條件與設(shè)備

試驗時間為2020年10月15-29日，試驗地點(diǎn)與蓖麻品種如前文所述，試驗地塊面積為0.38 hm2。蓖麻產(chǎn)量為3 187.5 kg/hm2，種植平均行距為700 mm，平均株距為550 mm，蒴果含水率為8.2%～9.3%，莖稈含水率為12.5%～20.8%。

如圖7所示是南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研發(fā)的4BZ-4型輥刷式蓖麻收獲機(jī)樣機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 4BZ-4型輥刷式蓖麻收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

試驗儀器設(shè)備主要有輥刷式蓖麻收獲機(jī)采摘機(jī)構(gòu)、YPB3001型電子天平（上海蒲春計量儀器有限公司，量程0～3 kg，精度0.1 g）、AR926型光電轉(zhuǎn)速表（SMART SENSOR，量程2.5～99 999 r/min，分辨率0.1 r/min）、游標(biāo)卡尺（精度0.02 mm）、50 m皮尺、麻袋等。

3.2 試驗方法

試驗分別測定輥刷式蓖麻采摘機(jī)構(gòu)在不同結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)下對蓖麻采收質(zhì)量的影響，蓖麻采收質(zhì)量主要表現(xiàn)在蓖麻蒴果采凈率、籽粒破損率、含雜率3個評價指標(biāo)上，因此本試驗以采凈率、籽粒破損率和含雜率作為評價指標(biāo)。影響采收質(zhì)量的因素很多，如蓖麻種植模式、田間狀況、輥刷結(jié)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)、機(jī)具前進(jìn)速度等，在前期單因素試驗基礎(chǔ)上選取輥刷轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、刷絲長度作為參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗。

3.2.1 試驗因素

前進(jìn)速度：蓖麻收獲機(jī)進(jìn)行采收作業(yè)時的行駛速度。在其他條件一定時，前進(jìn)速度越高，生產(chǎn)率越高。但行進(jìn)速度過高，會降低采收質(zhì)量。當(dāng)前進(jìn)速度不小于0.6 m/s時，生產(chǎn)率達(dá)到0.6 hm2/h以上，能滿足生產(chǎn)需要；當(dāng)前進(jìn)速度大于0.8 m/s時，蒴果受到碰撞而導(dǎo)致掉落嚴(yán)重，采收效果明顯下滑。

輥刷轉(zhuǎn)速：輥刷每分鐘轉(zhuǎn)動圈數(shù)。輥刷轉(zhuǎn)速過高，會使蒴果受到太大的沖擊力而破碎或直接從采摘機(jī)構(gòu)前端蹦出，且容易使莖稈折斷；輥刷轉(zhuǎn)速過低，則會導(dǎo)致蓖麻梳刷困難，降低采凈率。經(jīng)測試，輥刷轉(zhuǎn)速在350～450 r/min范圍內(nèi)較為合適。

刷絲長度：指刷絲伸出段的長度，刷絲長度太長不能有效采摘蓖麻蒴果，太短會影響植株的通過性，在前期田間性能試驗基礎(chǔ)上選取刷絲長度區(qū)間為50～60 mm。

3.2.2 評價指標(biāo)測定方法

1）采凈率測定

每組試驗行程為50 m，待機(jī)具運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)行取樣，每組試驗取樣5次，每個取樣區(qū)域長為1 m，寬為收獲機(jī)工作幅寬，按式（22）計算采凈率。并求出5次取樣的平均值。

式中1為采凈率，%；0為取樣區(qū)域內(nèi)蓖麻的總質(zhì)量，g；1為漏收的蓖麻質(zhì)量，g；2為落地的蓖麻質(zhì)量，g。

2）籽粒破損率測定

從收獲后去掉雜質(zhì)的蓖麻蒴果中隨機(jī)抽取5份樣品，每份樣品不少于2 000 g，對取得的每份樣品采用四分法得到一份約500 g的樣品，稱出樣品質(zhì)量。挑選出其中破損后露出白仁的蒴果或籽粒稱質(zhì)量，按式（23）計算籽粒破損率。求出5份樣品籽粒破損率平均值。

式中2為籽粒破損率，%；1為樣品質(zhì)量，g；2為樣品中破損蓖麻的質(zhì)量，g。

3）含雜率測定

在采摘后收集的物料內(nèi)隨機(jī)抽取5份樣品，每份樣品不少于2 000 g，同樣用四分法分樣得到約500 g的物料樣品，對物料樣品進(jìn)行清選處理，將其中的雜質(zhì)清除后稱量，按式（24）計算含雜率。求出5份物料樣品含雜率平均值。

式中3為含雜率，%；1為物料樣品質(zhì)量，g；2為清除雜質(zhì)后樣品質(zhì)量，g。

3.3 試驗設(shè)計

目前還沒有針對蓖麻收獲裝備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，參考《收獲機(jī)械聯(lián)合收割機(jī)試驗方法》（GB/T 8097—2008）、《玉米收獲機(jī)械試驗方法》（GB/T21961—2008）等國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對輥刷式蓖麻采摘機(jī)構(gòu)進(jìn)行田間試驗。本試驗選用Box-Behnken響應(yīng)面試驗設(shè)計方案[25-26]，就前進(jìn)速度、輥刷轉(zhuǎn)速、刷絲長度對蓖麻采摘質(zhì)量的影響趨勢進(jìn)行分析。試驗過程中通過更換不同規(guī)格的輥刷來調(diào)節(jié)刷絲長度，通過液壓系統(tǒng)改變輥刷轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度。試驗因素與水平如表3所示。

表3 試驗因素和水平

3.4 試驗結(jié)果及分析

3.4.1 試驗結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken試驗原理，總共進(jìn)行了17 組試驗。其中包括12個分析因子以及5個零點(diǎn)估計誤差。各試驗方案及其模型中的采凈率1、籽粒破損率2和含雜率3評價指標(biāo)結(jié)果如表4所示。當(dāng)3個參數(shù)都處于0水平時，計算采凈率、籽粒破損率和含雜率的極差分別為0.57%、0.04%和1.12%，數(shù)值變化較小，說明試驗狀況比較穩(wěn)定。

3.4.2 回歸方程及顯著性分析

將試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件Design-expert 10對進(jìn)行處理與分析。建立采凈率1、籽粒破損率2、含雜率3對自變量前進(jìn)速度水平、輥刷轉(zhuǎn)速水平、刷絲長度水平的回歸模型，并進(jìn)行各模型的方差分析，得到方差分析結(jié)果如表5所示。

由表5可知，響應(yīng)面模型中采凈率1、籽粒破損率2、含雜率3的模型極顯著（模型＜0.001），且失擬項不顯著（失擬項＞0.05）。說明輥刷式蓖麻蒴果收獲機(jī)采摘機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)工作參數(shù)可以通過該模型進(jìn)行分析與優(yōu)化。

表4 試驗方案與結(jié)果

各回歸項對回歸模型的影響顯著性通常由值大小確定。由表5可以看出，回歸項、、2、2對采凈率1模型有極顯著影響，回歸項、、2對采凈率1模型有顯著影響；回歸項、、、對籽粒破損率2模型有極顯著影響，回歸項2、2對籽粒破損率2模型有顯著影響；回歸項、、、2、2對含雜率3模型有極顯著影響，回歸項、2對含雜率3模型有顯著影響。在保證模型顯著、失擬項不顯著的基礎(chǔ)上，剔除模型中的不顯著回歸項，對模型1、2、3進(jìn)行優(yōu)化整理[27-28]，得到模型的回歸方程如式（25）、式（26）和式（27）所示。

由表5中各因素值分析可知，3個因素對采凈率影響重要性由大到小的順序為：前進(jìn)速度、刷絲長度、輥刷轉(zhuǎn)速；對籽粒破損率影響重要性由大到小的順序為：輥刷轉(zhuǎn)速、刷絲長度、前進(jìn)速度；對含雜率影響重要性由大到小的順序為：輥刷轉(zhuǎn)速、刷絲長度、前進(jìn)速度。由此可見試驗參數(shù)中前進(jìn)速度對采凈率的影響最大，而刷絲長度與輥刷轉(zhuǎn)速對采凈率的影響相對較小；輥刷轉(zhuǎn)速對籽粒破損率及含雜率的影響最大，而刷絲長度與前進(jìn)速度對籽粒破損率及含雜率的影響相對較小。

表5 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,*).

3.4.3 交互因素對性能指標(biāo)的影響分析

在回歸方程與顯著性分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過軟件Design-Expert 10生成響應(yīng)面圖，進(jìn)一步研究前進(jìn)速度、輥刷轉(zhuǎn)速、刷絲長度對響應(yīng)值的影響。

1）交互因素對采凈率的影響規(guī)律分析

前進(jìn)速度、輥刷轉(zhuǎn)速、刷絲長度對采凈率1的交互影響作用曲面圖見圖8a所示。當(dāng)刷絲長度為55 mm時，在同一前進(jìn)速度下采凈率隨輥刷轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。先升高是由于當(dāng)輥刷轉(zhuǎn)速較低時，蓖麻梳刷能力隨轉(zhuǎn)速增加而增強(qiáng)；后下降是因為輥刷轉(zhuǎn)速過高，產(chǎn)生的沖擊力過大，容易將蓖麻蒴果彈出采摘機(jī)構(gòu)造成損失。在同一輥刷轉(zhuǎn)速下采凈率隨前進(jìn)速度增加呈下降趨勢，這是由于前進(jìn)速度的提升加大了蓖麻的喂入量，增加了蓖麻植株與采摘機(jī)構(gòu)、植株與植株之間相互碰撞而產(chǎn)生的損失。

當(dāng)輥刷轉(zhuǎn)速為400 r/min時，前進(jìn)速度和刷絲長度對采凈率的交互作用，從圖8a可以看出采凈率隨刷絲長度的減小呈現(xiàn)先升高后略有下降的趨勢。說明在前進(jìn)速度相同時，較小的刷絲長度有利于提高輥刷采摘性能；但刷絲長度太小時，植株的通過性變差，同樣不利于采摘。

當(dāng)前進(jìn)速度為0.7 m/s時，輥刷轉(zhuǎn)速和刷絲長度對采凈率交互作用的響應(yīng)面圖，從圖8a可以看出采凈率隨著刷絲長度的減小呈現(xiàn)上升的趨勢，隨著輥刷轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，總體影響趨勢是刷絲長度偏小、轉(zhuǎn)速適中時采凈率更高，由此可進(jìn)行輥刷的結(jié)構(gòu)工作參數(shù)優(yōu)化。

2）交互因素對籽粒破損率的影響規(guī)律分析

前進(jìn)速度、輥刷轉(zhuǎn)速、刷絲長度對籽粒破損率2的交互影響作用曲面圖見圖8b。當(dāng)刷絲長度為55 mm時，籽粒破損率隨輥刷轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度增加呈現(xiàn)上升的趨勢，其中輥刷轉(zhuǎn)速對籽粒破損率的影響更為顯著。隨著輥刷轉(zhuǎn)速的加快，蓖麻蒴果受到的沖擊作用增強(qiáng)，增加了籽粒破碎的可能性。

當(dāng)輥刷轉(zhuǎn)速為400 r/min時，籽粒破損率隨刷絲長度增加呈現(xiàn)下降的趨勢，隨前進(jìn)速度增加呈現(xiàn)小幅度上升的趨勢。籽粒破損率受刷絲長度的影響較大，受前進(jìn)速度的影響較小。并且從表5和圖8b均可見得，當(dāng)前進(jìn)速度不變時刷絲長度與籽粒破損率近似呈線性關(guān)系，即籽粒破損率隨刷絲長度均勻變化。

當(dāng)前進(jìn)速度為0.7 m/s時，籽粒破損率隨著輥刷轉(zhuǎn)速的減小以及刷絲長度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，且輥刷轉(zhuǎn)速與刷絲長度的相互影響較大。輥刷轉(zhuǎn)速與刷絲長度均反映輥刷的采摘性能，適合的輥刷轉(zhuǎn)速和刷絲長度既能保證采摘效果，又能減少籽粒破損。

3）交互因素對含雜率的影響規(guī)律分析

前進(jìn)速度、輥刷轉(zhuǎn)速、刷絲長度對含雜率3的交互影響作用曲面圖見圖8c。隨著前進(jìn)速度的減小和輥刷轉(zhuǎn)速的增加，含雜率呈逐漸上升的趨勢。這是由于前進(jìn)速度越小時輥刷對蓖麻植株的梳刷作用時間越長，輥刷轉(zhuǎn)速越大時輥刷對蓖麻植株的梳刷作用越強(qiáng)，作業(yè)時容易破壞蓖麻莖稈，將枝葉等折斷與蒴果一同喂入采摘機(jī)構(gòu)，甚至造成采摘機(jī)構(gòu)堵塞。

當(dāng)輥刷轉(zhuǎn)速為400 r/min時，含雜率隨刷絲長度增加呈現(xiàn)下降的趨勢，隨前進(jìn)速度增加呈現(xiàn)先下降后小幅度上升的趨勢。這是由于蓖麻植株分枝較多，刷絲長度越小時越容易造成植株的擠壓從而折斷莖稈，導(dǎo)致含雜率升高。

當(dāng)前進(jìn)速度為0.7 m/s時，在輥刷轉(zhuǎn)速各個水平下，含雜率隨刷絲長度增加呈下降趨勢；在刷絲長度各個水平下，含雜率隨著輥刷轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)升高的趨勢，且上升速率隨刷絲長度的增加而加快。因此，減小輥刷轉(zhuǎn)速和增加刷絲長度有助于降低含雜率。

4 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

4.1 參數(shù)優(yōu)化

為了得到較好的采摘作業(yè)性能，要求采凈率高、籽粒破損率低、含雜率低，根據(jù)交互因素對采凈率、籽粒破損率及含雜率的影響效應(yīng)分析可知：要獲得較高的采凈率，就要求前進(jìn)速度較低、輥刷轉(zhuǎn)速適中、刷絲長度較小；要獲得較低的籽粒破損率，就要求前進(jìn)速度較低、輥刷轉(zhuǎn)速較低、刷絲長度較大；要獲得較低的含雜率，就要求前進(jìn)速度較高、輥刷轉(zhuǎn)速較低、刷絲長度較大。此外，為提高蓖麻采收作業(yè)效率，在滿足指標(biāo)的前提下喂入量越大越好，即要求前進(jìn)速度越大越好[29]。為了尋求滿足多個指標(biāo)的最佳參數(shù)組合，需要進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

本研究針對采摘機(jī)構(gòu)工作和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，要求滿足較高采凈率、較低籽粒破損率、較低含雜率和較大喂入量，建立參數(shù)優(yōu)化模型，對回歸方程進(jìn)行分析，得到的數(shù)學(xué)模型為

通過Design-Expert 10對各參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解[30]，得到優(yōu)化結(jié)果為：當(dāng)前進(jìn)速度為0.72 m/s、輥刷轉(zhuǎn)速為371.69 r/min、刷絲長度為56.60 mm時，采凈率為90.81%、籽粒破損率為0.17%、含雜率為11.27%。

4.2 驗證試驗

為了驗證模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，在同一塊蓖麻試驗區(qū)進(jìn)行驗證試驗，試驗進(jìn)行3次取平均值。考慮試驗的可行性，將前進(jìn)速度設(shè)置為0.72 m/s、輥刷轉(zhuǎn)速為372 r/min、刷絲長度為57 mm，得到采凈率為91.36%、籽粒破損率為0.18%、含雜率為11.67%，與理論優(yōu)化值的相對誤差分別為0.61%、5.88%、3.55%，表明參數(shù)優(yōu)化模型可靠性高，機(jī)具的作業(yè)效果如圖9所示。

5 結(jié) 論

為解決蓖麻機(jī)收難題，本文針對蓖麻生長特性設(shè)計了輥刷式蓖麻收獲機(jī)采摘機(jī)構(gòu)，采用柔性采摘技術(shù)，使蓖麻蒴果與植株分離的同時減少對蒴果和莖稈造成破壞，有效減少蓖麻損失，降低籽粒破損率和含雜率。根據(jù)理論分析與計算，設(shè)計采摘輥刷的長度為1 300 mm、輥刷直徑為180 mm、刷絲長度為50～60 mm、刷絲直徑為1.2 mm、輥刷轉(zhuǎn)速為320～430 r/min、螺旋輸送器轉(zhuǎn)速為100～150 r/min、螺旋直徑為150 mm，設(shè)計結(jié)果可為采摘機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和工作參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

運(yùn)用Box-Benhnken響應(yīng)曲面法分析前進(jìn)速度、輥刷轉(zhuǎn)速、刷絲長度分別對采凈率、籽粒破損率及含雜率的影響，并建立了回歸模型，對模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合為：前進(jìn)速度為0.72 m/s、輥刷轉(zhuǎn)速為371.69 r/min、刷絲長度為56.60 mm，對應(yīng)的采凈率、籽粒破損率、含雜率預(yù)測值分別為90.81%、0.17%、11.27%。在優(yōu)化條件下進(jìn)行驗證試驗，最后得到采凈率為91.36%、籽粒破損率為0.18%、含雜率為11.67%，各指標(biāo)實(shí)測值與預(yù)測值均比較吻合，表明該模型的精度能滿足輥刷式蓖麻收獲機(jī)采摘機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的要求。

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Optimized design and experiment of the picking mechanism for brush-roller castor harvesters

Liu Lei, Wu Teng, Kong Fanting, Sun Yongfei, Chen Changlin, Xie Qing, Shi Lei※

(,,210014,)

Castor is one of the top ten oil crops in the world, which has a extremely high economic value. For a long time, the harvesting of castor bean has relied on manual operations, so the development of the castor industry have been greatly restricted by the high labor intensity and low efficiency. At present, there are few studies on harvesting machinery of castor, and the mechanization of castor harvesting is still in the initial stage. The existing castor harvesting equipments are not suitable for the growth features of castor, which has the problems of high loss rate and high damage rate. In order to solve these problems, a brush-roller harvesting method was proposed in this paper. The harvesting principle of brush-roller castor harvester is that the castor capsules are separated from the plant by the brushing force caused from the brush wire. According to the physical characteristics and planting mode of castor, the picking mechanism of brush-roller castor harvester was designed. Firstly, the structure of the picking mechanism was introduced, the picking mechanism is mainly composed of crop divider, brush roller, screw conveyor, transfer case, et. Then, the kinematic and mechanical analysis of the working process of the mechanism was carried out, so as to determine the structural parameters and working parameters of each part of the picking mechanism. In order to improve the harvesting quality of castor, we conducted a field experiment in October 2020 in Hohhot, Inner Mongolia. In the field experiment, Box-benhnken response surface design theory was used on the basis of single fator experiment to optimize the working parameters of the picking mechanism. The picking rate, the breakage rate and the impurity rate were used as the evaluation indexes of working quality. And the moving speed, the brush roller speed and the length of brush wire were taken as three factors influencing the working quality. The quadratic polynomial response surface regression model was established, and the influence of various factors on the response value was analyzed. From the regression model and variance analysis of regression equation, it could be seen that: lower moving speed, moderate brush roller speed, and shorter brush wire led to higher picking rate; Lower moving speed, lower brush roller speed, and longer brush wire led to lower breakage rate; Higher moving speed, lower brush roller speed, and longer brush wire led to lower impurity rate. The experiment results also showed that the significant effects of moving speed, length of brush wire and brush roller speed on increasing the picking rate were in a decreasing order. The significant effects of brush roller speed, length of brush wire and moving speed on reducing the breakage rate and the impurity rate were in a decreasing order. At the same time, the factors were multi-objective optimized comprehensively, and the optimization results were verified by experiments. The results showed that the optimum parameters were: 0.72 m/s for the moving speed, 372 r/min for the brush roller speed and 57 mm for the length of brush wire. Under these conditions, the picking rate was 91.36%, the breakage rate was 0.18%, and the impurity rate was 11.67%. The measured values of each index were in good agreement with the theoretical optimization values, which meant that the model established was reliable and could be used for optimization. The results can provide a reference for further improving the structure design and working parameters optimization of the brush-roller castor harvester.

agricultural machinery; design; experiment; castor; picking mechanism

劉磊，吳騰，孔凡婷，等. 輥刷式蓖麻收獲機(jī)采摘機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(8)：19-29.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.003 http://www.tcsae.org

Liu Lei, Wu Teng, Kong Fanting, et al. Optimized design and experiment of the picking mechanism for brush-roller castor harvesters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 19-29. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.003 http://www.tcsae.org

2021-01-13

2021-03-14

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目（CX(18)3046）；中央級公益性科學(xué)研究院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項（S201931、S202111-02、S202003-03）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程（棉麻類收獲機(jī)械）

劉磊，助理工程師。研究方向為農(nóng)業(yè)裝備工程與技術(shù)。Email：1605154044@qq.com

石磊，研究員。研究方向為農(nóng)業(yè)裝備工程與技術(shù)。Email：shileijsnj@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.003

S225.99

A

1002-6819(2021)-08-0019-11