大豆聯(lián)合收獲機(jī)撥禾輪作用機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化

金誠謙 齊彥棟 劉崗微 楊騰祥 倪有亮

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所, 南京 210014; 2.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院, 淄博 255000)

0 引言

大豆聯(lián)合收獲割臺損失占總損失的80%[1]。撥禾輪以一定的速度轉(zhuǎn)動,撥禾輪彈齒由上方垂直插入大豆叢,在切割過程中扶持大豆莖稈,并在切割后將大豆撥向割臺[2]。撥禾輪工作性能是影響割臺損失的重要因素,撥禾輪參數(shù)設(shè)置不當(dāng)會造成炸莢、掉枝等損失[3-4]。

國內(nèi)外學(xué)者對聯(lián)合收獲機(jī)割臺減損方面做了大量研究。在結(jié)構(gòu)方面,解鴻儒[5]采用柔性撥禾板和撥禾彈齒減輕撥禾輪對大豆植株的打擊,減少大豆的炸莢損失;NAVE等[6-8]在割臺增加氣吹式護(hù)罩,有效減少了炸莢損失。在撥禾輪參數(shù)優(yōu)化方面,ABDALLA等[9]通過組合試驗(yàn)分析聯(lián)合收獲機(jī)收小麥時不同收獲速度和撥禾輪轉(zhuǎn)速對收獲損失的影響,當(dāng)收獲速度為4 km/h、撥禾輪轉(zhuǎn)速為25 r/min時總割臺損失最低;JALALI等[10]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)撥禾輪的高度對割臺損失有顯著的影響;肖洋軼等[11]利用ADAMS對撥禾輪進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真,仿真結(jié)果表明撥禾輪的最佳撥禾速比為1.55;祁兵等[12]建立了撥禾輪前移范圍數(shù)學(xué)模型,提出“最小前移距離”概念,得出不同撥禾速比下?lián)芎梯喌那耙品秶Ｔ趽芎梯唴?shù)自動控制方面,杜娟等[13]設(shè)計(jì)了一種稻麥聯(lián)合收獲機(jī)撥禾輪轉(zhuǎn)速自動控制裝置,使撥禾輪以適當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動,避免作物喂入不及時和過度打擊,減少谷物收獲損失。陳進(jìn)等[14]為解決聯(lián)合收獲機(jī)割臺參數(shù)調(diào)整操控不方便的問題,設(shè)計(jì)了割臺參數(shù)按鍵調(diào)節(jié)裝置,為聯(lián)合收獲機(jī)的智能操控提供技術(shù)支持。以上研究優(yōu)化了傳統(tǒng)撥禾輪結(jié)構(gòu)或者是對稻麥聯(lián)合收獲機(jī)撥禾輪進(jìn)行改進(jìn),關(guān)于大豆聯(lián)合收獲機(jī)撥禾輪與大豆莖稈作用關(guān)系的系統(tǒng)性研究較少。

針對大豆聯(lián)合收獲機(jī)撥禾輪與作物互作關(guān)系不明確問題,本文通過對大豆聯(lián)合收獲機(jī)撥禾輪運(yùn)動過程進(jìn)行理論分析,采用剛?cè)狁詈系姆椒?使用ANSYS Workbench和ADAMS軟件聯(lián)合仿真,分析割臺損失與撥禾輪參數(shù)的關(guān)系,探究大豆植株高度與撥禾輪參數(shù)的關(guān)系,為大豆聯(lián)合收獲機(jī)撥禾輪設(shè)計(jì)與作業(yè)參數(shù)自動調(diào)整提供參考。

1 大豆植株高度特性

大豆植株底莢較低,成熟期大豆容易炸莢,不同大豆品種之間、同一大豆品種之間植株高度相差較大,結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[5,15]中的數(shù)據(jù),得出34種大豆植株高度如表1所示,其中同一品種大豆株高最大相差430 mm,不同大豆品種株高最高為1 151 mm,最低428 mm,株高相差723 mm。大豆植株高度差異性較大,決定了大豆聯(lián)合收獲機(jī)割臺參數(shù)需要根據(jù)大豆植株高度針對性地優(yōu)化調(diào)整,否則將會造成較大的割臺損失。

2 撥禾輪作用過程與割臺損失機(jī)理分析

2.1 撥禾輪結(jié)構(gòu)

大豆聯(lián)合收獲機(jī)撥禾輪為偏心式撥禾輪,主要由撥禾板、撥禾彈齒、彈齒軸、撥禾輪軸、輻板和偏心輻板等部件組成。偏心輻板和輻板組成如圖1所示的平行四桿機(jī)構(gòu),撥禾輪在轉(zhuǎn)動時,輻板除公轉(zhuǎn)外還受到偏心輻板的控制作平面平行運(yùn)動,使撥禾輪無論轉(zhuǎn)動到什么角度,撥禾板和撥禾彈齒的方向都不發(fā)生改變,通常將撥禾板和彈齒設(shè)置為垂直向下,以減少插入作物時對作物的打擊。

圖1 偏心撥禾輪原理圖Fig.1 Schematic of eccentric reel1.撥禾輪軸 2.偏心輻板 3.彈齒軸 4.輻板 5.撥禾板 6.撥禾彈齒

為減少撥禾輪與大豆之間的碰撞,降低炸莢損失,撥禾板與撥禾彈齒選擇尼龍材質(zhì)的柔性材料,針對收獲期大豆莖稈較稀疏的性狀,增加撥禾板的寬度以增加對大豆莖稈的撥禾作用,還可減小對大豆莖稈的打擊力度。針對大豆株高差異較大的特點(diǎn),為提高大豆聯(lián)合收獲機(jī)的適應(yīng)能力,降低割臺損失,適當(dāng)擴(kuò)大大豆聯(lián)合收獲機(jī)撥禾輪參數(shù)調(diào)整范圍。

2.2 撥禾輪作用下大豆莖稈受力分析

根據(jù)大豆植株的運(yùn)動和受力情況,撥禾輪作用分為3個連續(xù)過程:撥禾板與大豆莖稈剛接觸時對大豆莖稈的打擊過程;大豆莖稈未被切割時受到撥禾輪的扶持作用,莖稈發(fā)生彎曲的過程;大豆莖稈切割后受撥禾輪與重力作用繞底部旋轉(zhuǎn)落于割臺的過程。

工作時撥禾板軌跡為

(1)

式中xb——撥禾輪撥禾板在水平方向上位移,mm

yb——撥禾輪撥禾板在豎直方向上位移,mm

vy——收割機(jī)收獲速度,m/s

t——撥禾輪運(yùn)行時間,s

r——撥禾輪半徑,mm

φ——t時間內(nèi)撥禾輪轉(zhuǎn)過的角度,rad

H——撥禾輪軸與割刀間的垂直距離,即撥禾輪高度,mm

h——割茬高度,mm

撥禾輪軌跡曲線如圖2中的l1、l2所示,圖中O為撥禾輪圓心;O0為撥禾板入禾時圓心的位置;O1為撥禾板達(dá)到最低點(diǎn)時圓心的位置;O2為入禾t后撥禾輪圓心的位置;Q為割刀的位置;ω為撥禾輪角速度,rad/s;L為切割前大豆莖稈的高度,mm;Δx為撥禾輪的作用范圍,mm;α為大豆莖稈在撥禾輪的作用下莖稈旋轉(zhuǎn)的角度,(°);N為大豆莖稈的位置;b為撥禾輪前移量,mm;Δl為撥禾輪的漏撥距離,mm。

圖2 撥禾板運(yùn)動軌跡Fig.2 Motion locus of reel bat

撥禾板與大豆莖稈碰撞時,碰撞力可使用連續(xù)接觸力模型計(jì)算,將撞擊簡化為非線性彈簧的形式,將構(gòu)件材料彈性模量當(dāng)成彈簧剛度,阻尼當(dāng)成能量損失,故可以將大豆莖稈的彈性模量當(dāng)成接觸剛度[16],其廣義形式可以表示為[17]

Fn=Kδc+εv

(2)

(3)

式中Fn——法向接觸力,N

K——Hertz接觸剛度,與接觸處曲率半徑、材料泊松比、彈性模量有關(guān),N/mm

δ——接觸點(diǎn)穿透深度,mmc——力指數(shù)

ε——阻尼系數(shù),大小通常為剛度的0.1%～1%,N/(mm/s)

v——接觸點(diǎn)法向相對速度,mm/s

e——彈性恢復(fù)系數(shù)

n——非線性彈簧力指數(shù)

u——碰撞速度,mm/s

大豆莖稈在被撥禾輪扶持彎曲時,可將大豆植株簡化為懸臂梁,大豆莖稈處于靜定狀態(tài),其受力情況如圖3所示。撥禾輪對大豆莖稈的扶持力F垂直于大豆莖稈;撥禾輪相對于大豆莖稈有向上的滑動,大豆莖稈受到沿莖稈方向向上的力Fm、自身的重力G;由于大豆莖稈發(fā)生彎曲變形,在莖稈內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的彎矩M。可得平衡方程

圖3 大豆植株受力分析Fig.3 Stress analysis of soybean plant

(4)

式中d——撥禾板距離地面的高度,m

大豆莖稈撓度y為

(5)

式中E——大豆莖稈彈性模量,Pa

I——大豆莖稈截面慣性矩,m4

大豆莖稈轉(zhuǎn)角α可近似為撓度的一階導(dǎo)數(shù)[18],對式(5)左右同時求導(dǎo)可得

(6)

將式(1)、(6)代入式(4)可得

(7)

式中μ——摩擦因數(shù)

由式(7)可知,撥禾輪與大豆植株之間的相互作用力與撥禾輪高度、割茬高度、撥禾輪轉(zhuǎn)速、大豆莖稈彈性模量、大豆莖稈的截面慣性矩等大豆莖稈力學(xué)性能參數(shù)和撥禾輪作業(yè)參數(shù)有關(guān)。

2.3 割臺損失機(jī)理分析

為探究造成割臺損失的影響因素,在聯(lián)合收獲機(jī)收獲時錄制割臺視頻,對其慢放分析割臺的工作過程,發(fā)現(xiàn)除割茬損失之外,大豆聯(lián)合收獲機(jī)割臺損失的主要損失形式為豆莢飛出割臺、炸莢和莖稈甩出割臺(圖4)。部分視頻片段顯示,在收割過程中出現(xiàn)大豆植株在未被扶持狀態(tài)下切割和莖稈回彈的現(xiàn)象,這兩種現(xiàn)象大豆莖稈振動幅度大且與撥禾輪發(fā)生較為劇烈的碰撞,故分析可能是造成割臺損失較大的原因之一,與之相關(guān)的撥禾輪參數(shù)有撥禾速比、撥禾輪半徑、撥禾輪撥禾板數(shù)目、撥禾輪高度、撥禾輪前移距離,其中撥禾輪半徑和撥禾板數(shù)目在割臺上為固定參數(shù),撥禾速比、撥禾輪高度、撥禾輪前移距離為可調(diào)參數(shù),是本文主要的研究對象。

圖4 割臺損失形式Fig.4 Type of cutting platform loss

2.3.1撥禾輪作用范圍

如圖2所示,當(dāng)切割器位于撥禾輪正下方時,即撥禾輪圓心位于O1處,切割器位置在Q處,撥禾輪的作用范圍為余擺線最大橫弦長度的一半[19],計(jì)算公式為

(8)

式中λ——撥禾輪撥禾速比

則撥禾輪的作用程度η為

(9)

式中S——撥禾輪旋轉(zhuǎn)一周聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)的距離,mm

Z——撥禾輪撥禾板數(shù)目

大豆聯(lián)合收獲機(jī)撥禾輪作用程度較小時,撥禾輪的漏撥比例會增加,即Δl距離增加,在Δl范圍內(nèi)的大豆莖稈在自由狀態(tài)下被切割。由于聯(lián)合收獲機(jī)一直向前運(yùn)動,切割器在切割過程中向前推動大豆莖稈,大豆莖稈受力向前彎曲碰撞到撥禾輪,隨后受撥禾輪的扶持作用向后落入割臺(圖5),此時撥禾輪對大豆莖稈的碰撞力比撥禾輪正常扶持大豆莖稈大,可能導(dǎo)致豆莢炸莢并且甩出割臺。

圖5 撥禾輪作用范圍小時莖稈運(yùn)動狀態(tài)Fig.5 Stem movement state in small range of reel action

2.3.2大豆莖稈回彈

撥禾輪前移即撥禾輪軸相對切割器前移一段距離,單個撥禾板的作用范圍最大可由Δx增加至2Δx,增加對大豆莖稈的推送作用[20],在一定程度上增加撥禾輪的作用程度。撥禾輪進(jìn)一步前移時會產(chǎn)生大豆莖稈回彈的現(xiàn)象,如當(dāng)撥禾輪的前移距離為圖2所示的b時,撥禾輪圓心位于O2位置,割刀處于Q處,撥禾板即將與大豆莖稈分離,切割器還未對大豆莖稈進(jìn)行切割,下一時刻大豆莖稈脫離撥禾輪發(fā)生回彈。莖稈產(chǎn)生劇烈振動搖擺(圖6),可能導(dǎo)致豆莢甩出或炸莢。莖稈回彈可能導(dǎo)致大豆莖稈在自由狀態(tài)下被切割或多次被撥禾板打擊,導(dǎo)致較為嚴(yán)重的割臺損失。

圖6 大豆莖稈回彈現(xiàn)象Fig.6 Rebound phenomenon of soybean stem

根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]可知,不產(chǎn)生莖稈回彈的撥禾輪前移距離范圍為

(10)

式中bmax——撥禾輪最大前移距離,mm

bmin——撥禾輪最小前移距離,mm

t1——作物被切斷的時刻

t0——撥禾輪入禾的時刻

繪制不同撥禾速比下的前移范圍如圖7所示,撥禾速比小于1.78時,最小前移量為純虛數(shù),按最小前移距離為0 mm,前移距離b處在bmax與bmin之間時,撥禾輪可以無回彈地穩(wěn)定推送莖稈。撥禾輪無回彈穩(wěn)定推送莖稈的最大撥禾速比為1.94,此時最大前移距離與最小前移距離相等,為154.2 mm。

圖7 撥禾輪前移距離變化曲線Fig.7 Variation curves of reel forward distance

2.3.3撥禾輪高度

撥禾板位置高于大豆莖稈頂部,撥禾輪起不到撥禾作用,大豆莖稈在自由狀態(tài)下被切割。撥禾板與大豆莖稈接觸位置低于切割后莖稈的質(zhì)心,可能導(dǎo)致整個莖稈被撥禾輪帶起,甩出割臺(圖4c),造成掉枝損失。

3 剛?cè)狁詈戏抡嬖囼?yàn)

3.1 仿真模型構(gòu)建

本文采取撥禾輪-大豆植株剛?cè)狁詈戏抡?利用ANSYS軟件和ADAMS軟件結(jié)合進(jìn)行分析,從ANSYS導(dǎo)出柔性體到ADAMS中仿真,對柔性體變形和運(yùn)動過程描述與真實(shí)情況擬合程度較高[21-22]。

3.1.1大豆莖稈柔性體建模與驗(yàn)證

根據(jù)文獻(xiàn)[15]大豆莖稈參數(shù),使用三維建模軟件建立大豆植株的三維模型。因計(jì)算機(jī)仿真性能限制,將大豆豆莢簡化,只保留大豆莖稈。將大豆莖稈導(dǎo)入到ANSYS,設(shè)置大豆莖稈力學(xué)參數(shù),密度為337 kg/m3,楊氏模量為564.7 MPa,泊松比為0.33[23-24]。選用六面體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格大小為2 mm,在莖稈底部創(chuàng)建連接點(diǎn),利用腳本使用ANSYS與ADAMS軟件之間的接口將包含莖稈力學(xué)特征、形態(tài)的模態(tài)中性文件導(dǎo)出[25-27]。

在ANSYS軟件中生成長度50 mm的大豆莖稈柔性體,在ADAMS軟件中模擬三點(diǎn)彎曲,三點(diǎn)彎曲跨距40 mm,刀刃直徑為5 mm。刀刃材料設(shè)置為鋼,左右兩支撐與地面固定,大豆莖稈與左右支撐、大豆莖稈與刀刃之間接觸類型為柔性體和剛性體接觸,接觸剛度564.7 N/mm,力指數(shù)為2.2,阻尼系數(shù)1.545 N/(mm/s),接觸深度0.1 mm,刀刃向下加載速度 10 mm/min,仿真步長0.01 s。將模擬三點(diǎn)彎曲仿真中莖稈與刀刃的相互作用力與文獻(xiàn)[28]試驗(yàn)結(jié)果對比,如圖8所示。在撥禾輪撥禾過程預(yù)仿真中,撥禾輪與莖稈之間的碰撞力均小于100 N,故只取模擬三點(diǎn)彎曲仿真中作用力小于100 N的部分,由圖8可以認(rèn)為莖稈性質(zhì)接近實(shí)際性質(zhì)。

圖8 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.8 Comparison of simulation and test data

3.1.2耦合模型建立

建立撥禾輪三維模型,簡化后導(dǎo)入到ADAMS軟件中,添加撥禾輪與輻板之間的轉(zhuǎn)動副、輻板與中心軸之間的轉(zhuǎn)動副、中心軸與地面之間的滑移副,添加中心軸與輻板的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動、中心軸與地面之間的直線驅(qū)動。導(dǎo)入生成的大豆莖稈模態(tài)中性文件,在大豆莖稈根部與大地之間添加軸套力,接觸剛度為2 855 N/mm,阻尼系數(shù)為0.57 N/(mm/s)[24]。添加撥禾輪與大豆莖稈之間的接觸為柔性體對剛形體,接觸力參數(shù)設(shè)置為碰撞,接觸剛度564.7 N/mm,力指數(shù)為2.2,阻尼系數(shù)1.545 N/(mm/s),接觸深度為0.01 mm。

使用仿真腳本根據(jù)聯(lián)合收獲機(jī)的前進(jìn)速度依次抑制大豆莖稈與大地之間的軸套力,模擬切割器將大豆莖稈切斷。仿真步長設(shè)置為0.001 s,仿真總時間根據(jù)收獲速度調(diào)整。仿真模型如圖9所示。仿真結(jié)束后在后處理界面可以得到大豆莖稈和撥禾板之間的碰撞力,通過仿真動畫和碰撞力可以得到撥禾輪的作用程度。

圖9 ADAMS仿真模型Fig.9 Simulation model of ADAMS

3.2 仿真試驗(yàn)方法

試驗(yàn)因素選取為撥禾速比、撥禾輪高度、撥禾輪前移距離和大豆植株高度,試驗(yàn)指標(biāo)選取為撥禾輪與大豆莖稈之間的碰撞力Y1、撥禾輪作用程度Y2,其中以大豆莖稈與撥禾板接觸瞬間的相互作用力作為撥禾輪與大豆莖稈之間的碰撞力,以撥禾輪撥禾數(shù)目占仿真總莖稈數(shù)目的百分比作為撥禾輪作用程度。

采用四因素五水平二次回歸中心組合試驗(yàn),使用多元二次方程擬合試驗(yàn)因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系,求解在不同大豆植株高度下最優(yōu)的參數(shù)組合[29]。

以山東省濟(jì)寧地區(qū)大豆樣本高度為基礎(chǔ),選定試驗(yàn)大豆植株高度為600～800 mm。對撥禾速比、撥禾輪高度、撥禾輪前移距離進(jìn)行預(yù)試驗(yàn),結(jié)合4LZ-6型大豆聯(lián)合收獲機(jī)實(shí)際參數(shù),選取撥禾輪與大豆莖稈之間的碰撞力較小、撥禾輪作用程度較大的區(qū)域?qū)?yīng)的因素取值范圍作為多因素組合試驗(yàn)參數(shù)范圍。單因素試驗(yàn)表明,撥禾速比在1.4～2.0之間,撥禾輪高度在900～1 150 mm之間,撥禾輪前移距離在0～100 mm之間時,撥禾輪與大豆莖稈之間的碰撞力較小、撥禾輪作用程度較大,以此作為參考,試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Test factors and codes

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab.3 Test design and results

利用Design-Expert軟件對平均碰撞力與作用程度進(jìn)行方差分析,剔除不顯著項(xiàng),結(jié)果如表4所示。

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

根據(jù)表4所示,平均碰撞力方差模型P值小于0.000 1,表明回歸模型極顯著,得到撥禾輪與大豆莖稈之間平均碰撞力的回歸方程為

Y1=-88.65+61.87λ+0.07H-0.05λH

(11)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析,篩選出對碰撞力影響較大的2個因素為撥禾速比(A)與撥禾輪高度(B),影響主次順序?yàn)?撥禾速比、撥禾輪高度。對其交互作用進(jìn)行分析,如圖10所示,可以看出撥禾輪高度與撥禾速比之間的交互作用顯著。撥禾輪高度不變時,碰撞力與撥禾速比正相關(guān);撥禾速比不變時,碰撞力與撥禾輪高度負(fù)相關(guān)。主要原因?yàn)閾芎趟俦葲Q定撥禾輪的相對速度,撥禾速比越大,撥禾板相對于聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)方向的速度越大,對大豆莖稈的打擊力增大。撥禾輪高度升高,撥禾板打擊大豆莖稈的位置提高,等同于懸臂梁模型中力臂加長,在相同撓度下?lián)芎贪迮c大豆莖稈之間的相互作用力減小。

圖10 因素交互作用對碰撞力影響的響應(yīng)曲面Fig.10 Response surface for effect of factor interaction on collision force

撥禾輪作用程度模型P值小于0.000 1,表明回歸模型極顯著,得到撥禾輪作用程度的回歸方程為

Y2=2.09+2.97λ+0.002H-0.015L+1.6× 10-5HL-0.69λ2-7.2×10-6H2

(12)

對撥禾輪作用程度影響較大的因素為撥禾輪速比、撥禾輪高度與大豆植株高度,影響主次順序?yàn)?撥禾速比、撥禾輪高度、大豆植株高度。大豆聯(lián)合收獲機(jī)各參數(shù)之間的交互作用不明顯。其他因素不變時,撥禾輪作用程度和撥禾速比呈正相關(guān),和撥禾輪高度呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)撥禾速比較小時,撥禾輪的作用范圍較小,因大豆種植密度較低,收獲時大豆莖稈不能像稻麥莖稈一樣相互推擠,當(dāng)撥禾輪正好作用在大豆植株間隔時,撥禾輪不能對植株產(chǎn)生有效的撥禾效果,撥禾輪作用程度低。大豆植株高度與撥禾輪高度之間的交互作用明顯,當(dāng)撥禾板高度大于植株高度,撥禾輪起不到撥禾作用,撥禾輪作用程度為0。整體來看,大豆聯(lián)合收獲機(jī)收獲時必須要保證撥禾板作用在大豆莖稈上。

4 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)文獻(xiàn)[28]的研究,大豆炸莢平均破壞力在10 N左右,為使大豆聯(lián)合收獲機(jī)收獲時割臺損失降到最低,根據(jù)以上分析可知需要撥禾輪對莖稈的打擊盡量小,撥禾輪作用程度盡可能大,因此需要進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化以尋求最佳的參數(shù)組合,根據(jù)以上要求,確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

(13)

利用Design-Expert進(jìn)行優(yōu)化求解,手動設(shè)定大豆植株高度,求解得到當(dāng)前高度下的大豆聯(lián)合收獲機(jī)最佳參數(shù),將得出的最優(yōu)參數(shù)與大豆植株高度進(jìn)行擬合,得到大豆植株高度與聯(lián)合收獲機(jī)最優(yōu)參數(shù)的擬合關(guān)系式。其中撥禾速比最優(yōu)參數(shù)

λ=0.001L+0.928 8

(14)

撥禾輪前移距離最優(yōu)參數(shù)

b=-0.196 7L+203.7

(15)

撥禾輪高度最優(yōu)參數(shù)

H=1.039L+275.3

(16)

線性擬合方差分別為0.985 1、0.954 4、0.984 9,可認(rèn)為大豆聯(lián)合收獲機(jī)最優(yōu)參數(shù)與大豆植株高度之間存在線性關(guān)系。

4.2 田間試驗(yàn)

4.2.1模型驗(yàn)證

基于ADAMS軟件探究了撥禾輪對大豆莖稈的碰撞力,但在田間收割過程中碰撞力很難精確測量,因此在進(jìn)行田間試驗(yàn)的同時進(jìn)行仿真試驗(yàn),將田間試驗(yàn)的損失率與仿真試驗(yàn)的平均碰撞力、撥禾輪作用程度建立對應(yīng)關(guān)系,得到平均碰撞力、撥禾輪作用程度與損失率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,同時驗(yàn)證仿真優(yōu)化結(jié)果。

2021年10月20日下午在山東省濟(jì)寧市長溝鎮(zhèn)使用4LZ-6型大豆聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行大豆收獲撥禾輪參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn),撥禾輪半徑為550 mm,寬度2 700 mm,撥禾板數(shù)目6個。大豆品種為齊黃34,參照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》、GB/T 5497—1985《糧食、油料檢驗(yàn)水分測定法》測量試驗(yàn)樣本,試驗(yàn)地大豆植株平均高度751.5 mm,平均底莢高度195.8 mm,試驗(yàn)平均割茬高度52.6 mm,1 m2產(chǎn)量378.3 g,百粒質(zhì)量27.47 g,試驗(yàn)時大豆含水率12.6%,自然落粒幾乎為零,可忽略不計(jì)。

試驗(yàn)中撥禾輪各參數(shù)調(diào)節(jié)方法如下:①撥禾速比調(diào)整。通過調(diào)整車輛前進(jìn)速度的方式實(shí)現(xiàn)撥禾速比的調(diào)整。首先對撥禾輪轉(zhuǎn)速和車速進(jìn)行標(biāo)定,調(diào)整撥禾輪無級調(diào)速帶輪,將撥禾輪轉(zhuǎn)速固定在28 r/min,此時撥禾輪線速度為1.61 m/s,在無級變速手柄進(jìn)行限位標(biāo)記,駕駛員根據(jù)限位標(biāo)記和儀表盤顯示速度控制微調(diào)車速以實(shí)現(xiàn)車速的穩(wěn)定,達(dá)到要求的撥禾速比。②撥禾輪高度調(diào)整。通過駕駛室手柄控制撥禾輪高度油缸調(diào)整撥禾輪高度,通過卷尺測量撥禾輪高度。③撥禾輪前移距離調(diào)整。標(biāo)定割臺撥禾輪前移限位孔,通過調(diào)整撥禾輪對應(yīng)的孔位調(diào)整撥禾輪的前移距離。

試驗(yàn)所需的試驗(yàn)儀器包括非接觸式轉(zhuǎn)速表、電子秤、皮尺、標(biāo)桿、卷尺、1 m2標(biāo)準(zhǔn)取樣框、水分測量儀、秒表、扳手工具等。

選取割臺損失率作為試驗(yàn)指標(biāo),試驗(yàn)共14組,每組試驗(yàn)行程25 m,收獲時收集機(jī)尾脫出物,避免脫出物含有大豆籽粒落到地面影響割臺損失的統(tǒng)計(jì)。收獲完畢后統(tǒng)計(jì)割臺損失。在每組的作業(yè)區(qū)間隨機(jī)選取3個點(diǎn),使用1 m2標(biāo)準(zhǔn)取樣框收集框內(nèi)落粒并取平均值。

大豆植株高度為751.5 mm時,仿真優(yōu)化結(jié)果為撥禾速比1.67,撥禾輪前移距離55.98 mm,撥禾輪高度1 055 mm,根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果結(jié)合4LZ-6型大豆聯(lián)合收獲機(jī)實(shí)際參數(shù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及結(jié)果見表5,其中試驗(yàn)14為仿真模型最優(yōu)解對應(yīng)組(為適應(yīng)田間試驗(yàn),試驗(yàn)時將因素仿真值略加調(diào)整)。模型計(jì)算與仿真的碰撞力偏差平均為1.18 N,撥禾輪作用程度偏差量平均為4.80%,仿真模型準(zhǔn)確;仿真模型最優(yōu)解對應(yīng)組在大田試驗(yàn)中損失率最小,參數(shù)優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確。

表5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Tab.5 Field experiment design scheme and results

4.2.2碰撞力、撥禾輪作用程度與實(shí)際損失擬合

將仿真試驗(yàn)與大田試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行曲線擬合,得到割臺損失率Y和撥禾輪與大豆莖稈間的碰撞力Fn、撥禾輪作用程度η之間的關(guān)系式為

(17)

方程擬合方差為0.703 1,擬合誤差平方和為2.25,由式(17)可知,割臺損失率隨碰撞力的增加呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢,隨撥禾輪作用程度的增加呈先減少后增加的趨勢,符合實(shí)際情況。由于仿真精度與數(shù)據(jù)量的限制,擬合誤差較大,還有待進(jìn)一步優(yōu)化,提高模型的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合大豆聯(lián)合收獲機(jī)撥禾輪的作用過程,分析了割臺損失的原因。在撥禾板最低位置高于莖稈頂部、撥禾輪作用程度小于100%的情況下,莖稈會在自由狀態(tài)下被切割;在撥禾輪撥禾速比大于1.94、撥禾輪前移距離在回彈范圍,莖稈發(fā)生回彈現(xiàn)象;在撥禾板最低位置低于切割后大豆莖稈質(zhì)心的情況下,大豆莖稈被拋出割臺外,會造成較大的割臺損失。

(2)構(gòu)建了撥禾輪與大豆莖稈的剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?開展多因素優(yōu)化試驗(yàn)。分別建立撥禾輪對大豆莖稈碰撞力與撥禾輪撥禾速比、撥禾輪高度之間的數(shù)學(xué)模型,撥禾輪作用程度與撥禾輪撥禾速比、撥禾輪高度、植株高度之間的數(shù)學(xué)模型,撥禾輪撥禾速比、撥禾輪高度、撥禾輪前移距離對碰撞力和撥禾輪作用程度影響主次順序?yàn)?撥禾速比、撥禾輪高度、撥禾輪前移距離。確定大豆聯(lián)合收獲機(jī)最優(yōu)參數(shù)與大豆植株高度之間存在線性對應(yīng)關(guān)系。割臺損失率隨碰撞力與撥禾輪作用程度的增加先減少后增加。本文可為大豆聯(lián)合收獲機(jī)撥禾輪參數(shù)優(yōu)化和降低割臺損失提供參考。