油葵聯合收獲機清選裝置結構優化與試驗

張學軍 張云赫 史增錄 馬少騰 黃 爽 程金鵬

(新疆農業大學機電工程學院， 烏魯木齊 830052)

0 引言

油用向日葵是我國第四大油料作物，具有成長周期短、產量大及含油量高等優點，現有種植面積超過1.16×106hm2，新疆地區自然環境適合油葵生長，為我國油葵主要產區之一，隨著油葵產業不斷發展，機械化水平低成為影響油葵經濟效益的主要因素[1]。清選裝置作為油葵聯合收獲機關鍵部件，其作業質量是評價油葵收獲重要指標之一，油葵聯合收獲機清選裝置多由谷物收獲機改制而成[2-3]，但油葵脫出物與谷物脫出物物料特性存在巨大差異，谷物清選裝置對油葵清選適應性差。因此，有必要根據油葵的物料特性，優化油葵聯合收獲機清選裝置結構及工作參數，提高油葵收獲機械化水平。

近年來，科研人員針對聯合收獲機清選裝置開展了大量研究[4]。這些研究主要包括清選裝置結構設計及優化[5]、清選機理分析[6]及清選裝置工作參數優化[7]等方面。因缺少油葵脫出物物料特性的測定，現有油葵聯合收獲機清選裝置存在振動篩后段物料堵塞及油葵籽粒在裝置底部堆積等問題，導致油葵籽粒含雜率高、損失率高，油葵聯合收獲機清選裝置結構及工作參數優化有待深入研究。本文基于合作研制的4LZK-2.5Z型油葵聯合收獲機，進行油葵脫出物物料特性研究，確定清選裝置結構參數及工作參數，以解決油葵清選裝置含雜率高、損失率高的問題。

1 整機結構與工作過程

1.1 整機結構

4LZK-2.5Z型履帶式油葵聯合收獲機配有撥禾輪式割臺[8]、脫粒裝置、履帶式驅動系統、駕駛室、工作參數采集系統及液壓控制系統等裝置，為清選裝置田間收獲、工況作業參數調整及結構參數優化提供試驗平臺，如圖1所示，主要技術參數如表1所示。

圖1 油葵聯合收獲機結構簡圖Fig.1 Structure drawing of oil sunflower combine harvester1.撥禾輪式割臺 2.駕駛室 3.糧倉 4.脫粒裝置 5.清選裝置 6.履帶式驅動系統

1.2 工作過程

油葵聯合收獲機割臺切割油葵植株得含有油葵籽粒的葵盤，通過提升器喂入脫粒裝置，在脫粒元件揉搓作用下，于脫粒裝置下方掉落含有油葵籽粒的脫出物，經清選裝置作用后油葵籽粒被分離，隨后輸送至糧倉，雜質則排出機體。清選裝置選用風篩式結構設計，由離心風機、分風板、振動篩上篩、振動篩下篩、籽粒輸送板及輸糧螺旋輸送器等構成，如圖2所示。

圖2 油葵聯合收獲機清選裝置結構圖Fig.2 Structure of oil sunflower combine harvester cleaning device1.離心風機 2.振動篩上篩 3.分風板 4.輸糧螺旋輸送器 5.籽粒輸送板 6.振動篩下篩

振動篩上篩采用編織網篩連至振動篩后段，替代傳統逐稿尾篩。編織網篩可將脫出物中體積較大雜質篩分，篩面雜質在振動篩與清選氣流共同作用下排出機體，同時油葵籽粒與小體積雜質可透過網篩孔，保證油葵籽粒的透篩率。透過振動篩的脫出物在清選氣流作用下分離油葵籽粒，小體積雜質被吹出清選裝置，油葵籽粒落至籽粒輸送板喂入輸糧螺旋輸送器，油葵籽粒分離過程如圖3所示。

圖3 油葵籽粒分離過程圖Fig.3 Diagram of oil sunflower seed separation process1.油葵籽粒 2.碎莖稈 3.長莖稈 4.碎葵盤 5.葵盤

2 脫出物物料特性試驗

2.1 脫出物組成成分測定

油葵聯合收獲機脫粒裝置為軸流式紋桿脫粒滾筒，試驗對象為新疆阜康地區成熟期矮大頭DW667油用向日葵，葵盤由韌皮纖維層、木質層、葵盤葉片等組成，如圖4所示。油葵脫出物主要成分為大塊葵盤、碎葵盤、長莖稈、碎莖稈、油葵籽粒、碎葉片及穎殼等。碎葵盤等小體積雜質可隨油葵籽粒透過篩網表面，透篩脫出物主要構成成分為油葵籽粒、碎葵盤、碎莖稈、輕質雜余(碎葉片及穎殼)，如圖5所示，質量占比分別為85.6%、6.7%、4.9%、2.8%。

圖4 油葵葵盤結構圖Fig.4 Oil sunflower sunflower plate structure diagram1.葵盤葉片 2.油葵籽粒穎殼 3.葵盤韌皮纖維層 4.葵盤木質層

圖5 透篩脫出物組成成分圖Fig.5 Composition diagram of through sieve mixture

2.2 脫出物物料特性測定

透篩脫出物的空氣動力學特性可由物料懸浮速度表示[4]，與含水率及密度[9]有關，多次隨機采集透篩脫出物試驗樣本，對透篩脫出物分組測定各物料的含水率及密度，計算各物料理論懸浮速度范圍值。物料幾何特征使用哈量LINKS型千分尺。物料密度采用排水法測試，使用儀器包括先行者CP3102型電子天平、測量物料體積的量筒、量杯及物料盛放盒等。含水率采用干燥法測定，由DHG-9125A型電熱恒溫鼓風干燥箱進行物料干燥，隨后由精密電子天平進行稱量，使用干基含水率表示，試驗結果如表2所示。

表2 透篩脫出物基本物料特性參數Tab.2 Basic material characteristics of through sieve mixture

2.3 脫出物懸浮速度測定

通過理論計算與實際試驗相結合測定懸浮速度，當物料自身重力與氣流作用力相等時懸浮于垂直氣流場[10]，此時物料處氣流速度為懸浮速度，氣流作用力表達式為

(1)

式中Fp——氣流作用力，N

ρs——物料自身密度，油葵籽粒取962 kg/m3

A——物料垂直氣流的截面積，m2

C——阻力系數，取0.44

v——氣流流速，m/s

流體力學中氣體流動阻力系數分為：Stokes區、Allen區、Newton區，不同物料在氣流場中的阻力系數值不同，采用粒徑法[10]判斷油葵籽粒及碎葵盤物料的阻力系數分區，各區域對應物料粒徑分別為dp≤2.2T、2.2T

(2)

式中T——粒徑法計算因子，mm

μ——空氣運動粘度，取0.181 Pa·s

ρa——空氣密度，取1.29 kg/m3

計算得油葵籽粒及碎葵盤物料阻力系數均為Newton區。油葵籽粒形狀為非球形，按照不規則球形物體的形狀修正系數計算，取S=1.1[10]，碎葵盤按照立方體形狀修正系數計算，取S=1.86[10]，短莖稈按照直徑迎風面積[10]計算。Newton區中物料懸浮速度vp計算公式[10]為

(3)

式中S——非球形形狀修正系數

計算得油葵籽粒理論懸浮速度為13.85 m/s，碎葵盤理論懸浮速度為6.97 m/s，短莖稈理論懸浮速度為2.78 m/s，物料間懸浮速度存在明顯差異，風選油葵籽粒具有良好效果。碎葉片及穎殼等輕質雜余迎風面積小且質量輕，不進行理論懸浮速度計算。使用密封袋分類封裝脫出物，將物料置于懸浮速度試驗臺下方喂料口阻尼網處，通過調節變頻器改變風機轉速及試驗裝置內氣流流速。觀察透明管中被測物料運動狀態，當物料呈動態平衡時，由熱球式風速儀測量，記作被測物料懸浮速度。

油葵籽粒懸浮速度為9.62～12.54 m/s，碎葵盤、短莖稈、碎葉片、穎殼等雜質的懸浮速度變化范圍為3.42～5.16 m/s、3.92～6.76 m/s、0.96～2.17 m/s、1.93～3.14 m/s，懸浮速度差異是離心風機工作參數優化的主要依據。為實現油葵脫出物中雜質的有效排出，清選裝置內部氣流流速應大于雜質懸浮速度，同時避免風速過高造成的籽粒損失增加，離心風機出風口處氣流流速應小于油葵籽粒懸浮速度，參考文獻[11]，計算得離心風機出口氣流流速為9.62 m/s時，風機轉速為1 326 r/min，結合樣機試驗，離心風機轉速應小于1 400 r/min。

3 清選裝置關鍵部件設計

油葵聯合收獲機清選裝置為曲柄雙滑塊機構，由偏心輪驅動，可視為曲柄，振動篩為負偏置式滑塊機構，籽粒輸送板為對心式滑塊機構。振動篩機架為連桿，沿上滑塊軌道平移，帶動振動篩面往復運動，不同于曲柄搖桿式機構振動篩視為簡諧運動[12]，滑塊機構中連桿各點運動趨勢受裝置結構參數影響。籽粒輸送板為滑塊部件，由提升連桿帶動沿下滑塊軌道平移，實現籽粒輸送板面的往復運動，如圖6所示。

圖6 振動篩運動示意圖Fig.6 Schematic of shaker movement1.上滑塊軌道 2.振動篩機架 3.偏心輪 4.籽粒輸送板 5.下滑塊軌道 6.提升連桿

3.1 振動篩主要參數設計

油葵脫出物組成成分在振動篩上分布不均，振動篩前段脫出物以油葵籽粒和輕質雜余為主，中段出現碎葵盤、短莖稈及碎葉片，后段掉落大塊葵盤和長莖稈。不同脫出物對振動篩運動趨勢要求不同，采用封閉矢量多邊形分析法建立矢量方程，分析篩面不同點的運動趨勢，以曲柄滑塊機構和振動篩安裝位置建立坐標系x′O′y′和xOy，如圖7所示。

圖7 振動篩機構運動簡圖Fig.7 Movement diagram of vibrating screen mechanism

圖7中lAB為曲柄長度，lBC和lCD為振動篩機架長度，振動篩體參數可由△BCD求得，lBD為曲柄鉸接點與滑塊所連虛擬桿長度，le為曲柄滑塊機構偏心距。構建封閉矢量多邊形O′ABD，坐標系x′O′y′中位置矢量環方程為

lAB+lBD=lAO′+lO′D

(4)

式(4)的復數形式表達式為

lABeiθ1+lBDeiθ2=leeiπ/2+lO′A

(5)

式中θ1——曲柄轉動角度，(°)

θ2——連桿BD與x′軸夾角，(°)

將虛部與實部進行分離得

(6)

對式(6)進行求解可得連桿lBD角位移表達式

(7)

式(5)對t求導，通過虛部與實部相等，求得連桿lBD角速度及角加速度為

(8)

式中ω——曲柄角速度，rad/s

點E為篩面任意一點，在坐標系xOy中位置方程為

(9)

式中lBE——篩面任意點E與曲柄鉸接處距離，mm

θ4——振動篩內部夾角，(°)

θ6——滑塊軌道與地面夾角，(°)

由余弦定理求解△BDE得lBE為

(10)

式中lDE——篩面任意點E與滑塊距離，mm

θ5——振動篩內部夾角，(°)

式(9)對t求二次導數，得點E水平和豎直方向加速度，為便于分析影響因素采用矩陣表示為

(11)

由式(11)可知，振動篩面各點的運動趨勢受振動篩機架、曲柄長度、機架夾角、偏心距及滑塊軌道與地面傾角等裝置結構參數的影響，4LZK-2.5Z型油葵聯合收獲機脫粒滾筒脫出段長度為1 251 mm，油葵脫出物需要全部落入振動篩面，振動篩機架lCD長度設計為1 290 mm，根據聯合收獲機清選裝置設計標準對振動幅度的要求[13]，確定曲柄長度為35 mm，振動篩前段油葵籽粒含量較多，應增大脫出物分散程度提高油葵籽粒透篩率，振動篩后段存在葵盤等大塊雜質，應提高振幅增強對雜質的拋送效果，因此以振動篩面后段振幅大于前段為目標[14]，通過前期樣機試驗，確定振動篩機架lBC長度為380 mm、偏心距為800 mm、機架夾角為142°、滑塊軌道與地面傾角為20°。

3.2 振動篩面葵盤運動分析

脫粒裝置掉落至振動篩面的葵盤，因振動篩表面為編織網篩網孔較密，與葵盤間摩擦因數大，不易在篩面滑動，形成物料堆積篩網堵塞，影響清選質量，取振動篩面與曲柄運動趨勢相同處，分析葵盤運動趨勢，提高排出效率，將曲柄的運動劃分4個區域，如圖8所示。

圖8 葵盤在曲柄不同運動狀態下受力圖Fig.8 Mallow plate subjected to force diagram under different motion states of crank

當曲柄由區域Ⅰ向區域Ⅱ運動且N>0時，葵盤沿篩面方向受力Fx的方程為

Fx=Fpcosβ+qcos(ωt1-γ)-Gcosγ-Ff

(12)

其中

Ff=Ntanφ1

式中N——葵盤支持力，N

Ff——葵盤摩擦力，N

G——葵盤重力，N

γ——重力與篩面垂直方向夾角，(°)

β——氣流作用力與篩面夾角，(°)

φ1——葵盤滑動摩擦角，(°)

t1——曲柄轉動時間，s

曲柄由區域Ⅲ向區域Ⅳ運動且N>0時，葵盤沿篩面方向受力方程為

Fx=Fpcosβ-qcos(ωt1-γ)-Gcosγ+Ff

(13)

當Fx≠0時，葵盤在區域Ⅰ、Ⅱ產生向振動篩前段相對運動的趨勢，在區域Ⅲ、Ⅳ產生向振動篩后段相對運動趨勢。

葵盤在振動篩表面垂直方向受力方程為

(14)

式中q——葵盤慣性力，N

g——重力加速度，取9.8 m/s2

m——單個葵盤質量，kg

r——曲柄長度，mm

曲柄由區域Ⅱ向區域Ⅲ運動，氣流對葵盤的作用力小于重力，所受篩面支持力始終大于0，葵盤不會被拋離篩面。曲柄由區域Ⅳ向區域Ⅰ運動，當N=0時葵盤位于拋起臨界點，葵盤拋起角度與曲柄轉動角度有關，拋起時曲柄角速度需滿足條件

(15)

葵盤拋起后的運動狀態與拋起角度有關，若曲柄轉動角度為δ時，葵盤拋離篩面，其水平與豎直方向速度vx、vy為

(16)

葵盤拋起后受重力與氣流作用力的合力為F，再次掉落至篩面的時間t2為

(17)

式中a——葵盤合加速度，m/s2

葵盤水平方向移動距離X為

(18)

葵盤底部存有部分葵柄，傾斜于振動篩表面，葵盤受力點與質心為不同點，導致葵盤在拋起過程中受到力矩作用繞質心發生轉動，若葵盤轉動角度過大，葵盤再次接觸篩面的姿態不固定，存在向振動篩前段運動的情況，影響清選效率，對葵盤的拋起姿態進行分析，如圖9所示。根據受力點與質心相對位置，分類為受力點位于質心左側或受力點位于質心右側。

圖9 葵盤拋起姿態圖Fig.9 Sunflower dish throwing posture diagrams

葵盤受力點位于質心左側時有

(19)

葵盤受力點位于質心右側時有

(20)

動量矩公式為M=Jω2，葵盤轉動角δ1為

(21)

式中J——轉動慣量，kg·m2

N1、N2——葵盤所受篩面垂直合力，N

Fx1、Fx2——葵盤所受篩面水平合力，N

M、M1、M2——葵盤合力矩，N·m

MN、M′N——垂直篩面合力產生的力矩，N·m

MT、M′T——水平篩面合力產生的力矩，N·m

L——葵盤受力點與質點距離，mm

α——葵盤與篩面夾角，(°)

ω2——葵盤轉動角速度，rad/s

由式(18)可知，葵盤拋起后移動距離受曲柄轉速影響，曲柄轉速提高時，葵盤拋起角度減小，垂直方向速度增大，水平位移減少，使得葵盤排出清選裝置所需時間增加，同時葵盤拋起時間增大，由式(21)可知，葵盤拋起時間增大使得葵盤空中轉動角度增大，造成篩面接觸時運動狀態不明，葵盤無法有效排出，清選效率降低。振動篩面各點運動趨勢不同，需通過試驗確定曲柄轉速較優工作區間。

3.3 籽粒輸送板主要參數設計

油葵籽粒穿過清選氣流與籽粒輸送板表面碰撞后，法向速度降低，運動狀態發生改變，落入籽粒輸送板。油葵籽粒的碰撞恢復系數隨碰撞角增加而增加[15]，為使油葵籽粒碰撞后盡可能平穩落入槽內，減少飛濺損失，籽粒輸送板表面采用階梯狀設計，單層階梯外形與鋸齒相似，單向輸送油葵籽粒。籽粒輸送板運動狀態與滑塊M相同，曲柄滑塊機構中連桿遠長于曲柄，滑塊M的運動可看作簡諧運動[16]，如圖10所示。

圖10 籽粒輸送板物料受力分析圖Fig.10 Working diagram of grain conveyor plate

油葵籽粒在籽粒輸送板表面受力方程為

(22)

式中F1——油葵籽粒慣性力，N

N3——油葵籽粒支持力，N

Ff1——油葵籽粒摩擦力，N

G1——油葵籽粒重力，N

m1——單個油葵籽粒質量，kg

φ2——油葵籽粒滑動摩擦角，(°)

σ2——鋸齒寬面與籽粒輸送板夾角，(°)

σ3——滑塊軌道與地面夾角，(°)

油葵籽粒沿輸送板向下滑動的臨界條件為

G1sin(σ3-σ2)+F1cosσ2≥Ff1

(23)

將式(22)代入式(23)可得

gsin(σ3-σ2)+ω2rsin(ωt1)cosσ2≥
(gcos(σ3-σ2)+ω2rsin(ωt1)sinσ2)tanφ2

(24)

(25)

根據前期試驗，考慮籽粒輸送板的安裝空間，同時保證油葵籽粒盡可能掉落至籽粒輸送板表面，設計提升連桿BM長300 mm，籽粒輸送板長610 mm，滑塊軌道與地面夾角為σ3=16°。籽粒輸送板表面鋸齒需逐齒推送油葵籽粒，使前一級鋸齒槽內籽粒落入下一級鋸齒槽，同時防止籽粒回滑至上一級鋸齒槽。當籽粒輸送板沿滑塊軌道上行時，油葵籽粒沿鋸齒寬面相對輸送板向下移動，籽粒水平位移Mx應大于單齒距的寬度Zl，籽粒輸送板下行時，油葵籽粒在回推作用力下易發生回滑，鋸齒高度Zh應大于籽粒寬度最大值，確定鋸齒高度為13 mm。鋸齒內部夾角σ1過大會導致油葵籽粒拋離籽粒輸送板形成籽粒飛濺，過小則會形成鋸齒槽內籽粒堆積，籽粒輸送板夾角σ2影響鋸齒寬面對油葵籽粒的推送作用，角度過大會導致籽粒反向回滑，過小時油葵籽粒垂直位移My減少，籽粒推送效率降低，參考振動篩抖動板設計，確定鋸齒內部夾角為95°、鋸齒寬面與籽粒輸送板夾角為12°，由三角代換得鋸齒寬度為52 mm。油葵籽粒與輸送板表面為非彈性碰撞，為避免油葵籽粒在碰撞與推送過程產生破損，齒尖進行圓角處理，圓角半徑為2 mm。

油葵籽粒滑動摩擦角取φ2=29°[17]，將相關參數代入式(25)，得油葵籽粒沿輸送板表面向下滑動時需滿足n≥119.61 r/min，取整確定曲柄轉速應大于120 r/min，即振動頻率2 Hz。

4 試驗

4.1 試驗方案

試驗于新疆維吾爾自治區昌吉回族自治州阜康市進行，試驗品種為矮大頭DW667號油葵，種植平均行距為400 mm，完整葵盤質量范圍為280～370 g，油葵籽粒千粒質量為55.9 g，油葵籽粒平均含水率為27.1%，自然落籽量為0.2 g/m2，作物長勢均勻，地勢平坦，無障礙物。參考相關標準GB/T 8097—2008《聯合收割機試驗方法》和NY/T 373—2011《風篩式種子清選機質量評價技術規范》，以風機轉速、振動頻率和分風板傾角作為試驗因素，油葵籽粒含雜率Sw和籽粒損失率Zp為清選質量評價指標。

油葵聯合收獲機裝有自抗擾-動態矩陣系統，可保證喂入量穩定在2.45 kg/s。為減少田間作業對單因素試驗造成的誤差，試驗時拆除油葵聯合收獲機割臺，采用輸送帶喂入葵盤。每組試驗僅調整單個試驗因素，參數調節通過機器液壓系統及更換零部件實現，數值由霍爾轉速傳感器反饋至監測顯示屏。每組試驗開始前清除上組試驗殘留物料，待本次試驗結束，通過分樣篩將糧倉內油葵籽粒與雜質篩分，統計油葵籽粒含雜率；使用集料箱與集料袋收集清選裝置尾部排出物，篩選其中油葵籽粒，統計籽粒損失率。為提高單因素試驗的準確度，每組試驗重復3次，將均值作為試驗結果。

4.2 單因素試驗

圖11a為風機轉速對清選性能的影響，設定振動頻率為4 Hz，分風板傾角為30°，風機轉速在1 000～1 400 r/min范圍內選取5個轉速對清選裝置的清選性能進行評價。隨風機轉速提高，油葵籽粒含雜率呈下降趨勢，籽粒損失率持續上升。風機轉速升高對應氣流作用力增大，對油葵籽粒與雜質分離作用增強，清選效果得到明顯提高，但被吹出清選室油葵籽粒數量增加，導致籽粒損失率上升。風機轉速取值范圍為1 000～1 200 r/min時，油葵籽粒含雜率迅速下降，同時損失率上升明顯；風機轉速調節至1 200～1 400 r/min區間，油葵籽粒含雜率繼續下降，籽粒損失率逐漸趨于穩定上升幅度較小，風機轉速1 100～1 300 r/min為清選裝置較優工作區間。

圖11 單因素試驗結果Fig.11 Single factor test results

圖11b為振動頻率對清選性能的影響，固定風機轉速為1 200 r/min，分風板傾角為30°，振動頻率在2～6 Hz的范圍內調整。油葵籽粒含雜率呈先下降后上升趨勢，籽粒損失率整體呈現緩慢上升趨勢。振動頻率較低時，篩面物料拋起效果差，篩網堵塞，部分油葵籽粒未透過篩面被直接排出。當振動頻率位于2～4 Hz區間時，脫出物在振動篩面離散度增大、跳動明顯，對油葵籽粒與雜質的篩分效果明顯，油葵籽粒含雜率顯著下降。在4～6 Hz區間時，隨振動頻率增大，部分雜質碰撞后落回篩面，堆積于篩面影響雜質排出，油葵籽粒含雜率上升，同時油葵籽粒未經篩分被直接排出，導致籽粒損失率上升。振動頻率3～5 Hz是滿足油葵聯合收獲機清選作業要求的較優區間。

圖11c為分風板傾角對清選性能的影響，分風板傾角在10°～50°區間調節進行試驗，由圖可知油葵籽粒含雜率呈先下降后平穩的趨勢，籽粒損失率呈先降后上升趨勢，產生這種變化趨勢的原因是：風機產生的清選氣流受分風板導向吹至清選裝置各處，當分風板傾角處于低水平時，清選裝置內部氣流散亂，氣流對雜質推送效果較弱，含雜率高，篩面處雜質堆積，導致油葵籽粒無法透過篩網，油葵籽粒損失率高；隨著分風板傾角增大，氣流推送效果明顯，雜質吹出清選裝置，籽粒透篩率上升，籽粒損失率下降，當分風板傾角處于較高水平時，振動篩前中段清選氣流推送效果變強，部分油葵籽粒被直接吹出清選裝置，同時振動篩后段推送效果變弱，脫出物在篩面堆積，造成籽粒損失率上升。

4.3 正交試驗

為進一步探究上述試驗因素與清選指標之間的交互作用，尋找影響規律及較優參數組合，根據響應面分析法，以油葵籽粒含雜率和籽粒損失率為試驗指標，開展響應面試驗。根據單因素結果選取該機的風機轉速、振動頻率、分風板傾角作為試驗因素，試驗因素編碼設計如表3所示，試驗設計與結果如表4所示，A、B、C為因素編碼值。

表3 試驗因素編碼Tab.3 Factors and levels of experiment

表4 試驗方案與結果Tab.4 Experimental layout and results

4.4 回歸模型建立與顯著性檢驗

通過Design-Expert 12軟件開展多元回歸擬合分析，建立油葵籽粒含雜率、籽粒損失率與風機轉速、振動頻率、分風板傾角3個自變量的響應面正交回歸模型，對其進行方差分析，結果如表5所示。油葵籽粒含雜率和損失率模型P=0.001、P<0.000 1(P<0.01)，證實所得回歸模型高度顯著；失擬項P分別為0.233 8、0.790 9，該清選裝置工作參數可根據回歸模型進行優化。油葵籽粒含雜率模型中A、B、B2、C2對回歸模型影響極顯著(P<0.01)；AB、BC、A2對回歸模型影響不顯著(P>0.05)；油葵籽粒損失率模型中A、AB、AC、A2、B2對回歸模型影響極顯著(P<0.01)；BC、C2對回歸模型影響不顯著(P>0.05)。去除不顯著回歸項優化后的方程為

表5 油葵籽粒含雜率與損失率方差分析Tab.5 Variance analysis of impurity rate and loss rate in oil sunflower

Y1=5.05-2.07A+1.71B+0.92C-
1.57AC+2.76B2+1.97C2

(26)

Y2=1.68+0.42A-0.19B+0.16C-
0.49AB+0.38AC+0.74A2+0.61B2

(27)

根據回歸模型分析結果，利用數據分析軟件繪制交互響應曲面，如圖12所示。

圖12 正交試驗響應曲面Fig.12 Orthogonal test response surfaces

由圖12a可知，當風機轉速與分風板傾角增大時，含雜率均呈下降趨勢，與風機轉速呈負相關關系，分風板傾角呈先負后正相關關系。風機轉速變化對響應曲面影響更明顯，主要因為風機轉速改變清選裝置各處氣流作用力，影響雜質排出效果。由圖12b可知，振動頻率與風機轉速對油葵籽粒損失率均呈先負后正相關關系，風機轉速對油葵籽粒損失率的作用比振動頻率的作用顯著。由圖12c可知，風機轉速與油葵籽粒損失率呈正相關關系，分風板傾角與油葵籽粒損失率在風機轉速處于高水平時，呈正相關關系，由圖可知風機轉速對油葵籽粒損失率的作用相比分風板傾角作用顯著。各試驗因素對油葵籽粒含雜率和損失率影響大小順序均為風機轉速、振動頻率、分風板傾角。

以籽粒含雜率、籽粒損失率最小值為優化目標，以風機轉速、振動頻率和分風板傾角為優化對象，通過Design-Expert軟件對回歸模型進行尋優，目標及約束條件方程為

(28)

得到清選裝置最優工作參數為：風機轉速1 204.7 r/min、振動頻率3.91 Hz、分風板傾角26.48°，此參數組合下求得油葵籽粒含雜率與籽粒損失率為3.95%、1.65%。

4.5 試驗驗證

根據優化所得參數組合進行3次田間驗證試驗(圖13)，考慮試驗可行性將工作參數圓整：風機轉速1 200 r/min、振動頻率4 Hz，分風板傾角27°。田間試驗過程分為3個區域：調節清選裝置工作參數的穩定區、油葵聯合收獲機作業的測定區和確保試驗完全進行的停車區。各區域長度均為20 m，其中測定區寬度不小于3個工作幅寬。試驗結果如表6所示。

圖13 田間驗證試驗Fig.13 Validation test in field

表6 試驗驗證結果Tab.6 Experiment verification results %

分析田間驗證試驗的結果，得出最優參數組合下平均油葵籽粒含雜率為4.25%，平均籽粒損失率為1.82%，油葵籽粒含雜率小于5%，損失率小于3%，滿足國家及相關標準要求。

5 結論

(1)分析了油葵聯合收獲機脫粒裝置脫出物組成成分及物料特性，測定了脫出物各物料懸浮速度，通過運動學分析確定清選裝置振動篩與籽粒輸送板的主要結構參數，對振動篩面葵盤及籽粒輸送板面油葵籽粒進行了受力分析，得到影響清選質量主要工作參數。

(2)開展了單因素試驗和響應面試驗，得到了清選裝置主要工作參數取值范圍：風機轉速1 100～1 300 r/min、振動頻率3～5 Hz、分風板傾角20°～40°，各因素對油葵籽粒含雜率和損失率影響大小順序均為風機轉速、振動頻率、分風板傾角。

(3)通過Design-Expert軟件優化工作參數，得工作參數組合：風機轉速1 204.7 r/min、振動頻率3.91 Hz、分風板傾角26.48°，此時，油葵籽粒含雜率為3.95%，籽粒損失率為1.65%。田間試驗表明：風機轉速1 200 r/min、振動頻率4 Hz、分風板傾角27°時，平均油葵籽粒含雜率為4.25%，平均籽粒損失率為1.82%，滿足油葵聯合收獲機清選的國家標準要求。