鮮食玉米柔性采摘低損集穗收獲割臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王善博,阿力木·買買提吐?tīng)栠d,,李謙緒,杜志高,張 偉

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.新疆新研牧神科技有限公司,烏魯木齊 830011)

0 引 言

【研究意義】鮮食玉米包括甜玉米、糯玉米和水果玉米,2020年我國(guó)鮮食玉米種植面積達(dá)1.47×106hm2[1]。目前我國(guó)玉米整體機(jī)械收獲率已超過(guò)80%,但由于鮮食玉米含水率普遍在60%以上[2],使用傳統(tǒng)玉米收獲機(jī)收獲時(shí)極易損傷玉米果穗,造成籽粒損傷[3-4],所以鮮食玉米人工收獲較多[5-6],人工收獲成本高、時(shí)間長(zhǎng),鮮食玉米上市時(shí)品質(zhì)得不到保障[7-8]。鮮食玉米收獲機(jī)械化發(fā)展尚緩慢[9]。美國(guó)Ten Square公司生產(chǎn)的鮮食玉米收獲機(jī)能實(shí)現(xiàn)低損摘穗[10],但價(jià)格昂貴,加之國(guó)內(nèi)外種植模式和種植品種的差異,使得國(guó)外機(jī)型在國(guó)內(nèi)難以推廣和應(yīng)用[11]。鮮食玉米與成熟玉米在采摘方式上可以通用,設(shè)計(jì)使用切削式拉莖輥,利用刀刃切斷鮮食玉米穗柄,可以達(dá)到人工收割的效果,使用橡膠撥禾帶替代鋼制撥禾鏈,大幅減少?zèng)_擊損失。【前人研究進(jìn)展】姚河江等[12]設(shè)計(jì)了一種六棱刀片交錯(cuò)布置的切削式鮮食玉米拉莖輥和內(nèi)圈雙層傳動(dòng)齒橡膠撥禾帶;李天宇[13]設(shè)計(jì)了一種柔性低損摘穗裝置,并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)研究了滑切式拉莖輥參數(shù)最優(yōu)值;唐遵峰等[14]設(shè)計(jì)了一種對(duì)中拉莖切柄的柔性摘穗裝置。【本研究切入點(diǎn)】目前鮮食玉米機(jī)械收獲率尚較低,現(xiàn)有機(jī)型存在收獲果穗籽粒破損率高、含雜率高,需針對(duì)輸送攪龍?jiān)诩脒^(guò)程中造成的果穗損傷問(wèn)題設(shè)計(jì)一種低損集穗裝置。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】采用柔性摘穗技術(shù),設(shè)計(jì)一種鮮食玉米收獲割臺(tái)柔性摘穗裝置;通過(guò)對(duì)拉莖輥瞬時(shí)狀態(tài)受力分析和離散元仿真試驗(yàn)確定拉莖輥中心距取值范圍;通過(guò)耐疲勞性測(cè)試探究橡膠撥禾帶失效形式并優(yōu)化撥禾帶材料;通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證并優(yōu)化摘穗裝置與低損集穗裝置性能。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 鮮食玉米

以彩甜糯6號(hào)鮮食玉米為研究對(duì)象,于2021年9月在黑龍江省哈爾濱市呼蘭區(qū)康金鎮(zhèn)進(jìn)行田間試驗(yàn),田間環(huán)境溫度26℃,濕度63%,試驗(yàn)機(jī)型為4YZ-6(650)自走式鮮食玉米收獲機(jī),配備負(fù)壓式除雜裝置以及攪龍集穗與帶低損集穗裝置的兩種割臺(tái)。試驗(yàn)主要設(shè)備有鋼卷尺、游標(biāo)卡尺、石英電子秒表、溫度計(jì)、快速水分測(cè)定儀、攝像機(jī)等。試驗(yàn)玉米品種為彩甜糯6號(hào)。鮮食玉米植株及果穗?yún)?shù):行距500 mm,株距300 mm,株高2 000～2 200 mm,穗位1 050～1 200 mm,穗長(zhǎng)220～260 mm,果穗最大直徑55～58 mm,單穗重450～600 g,籽粒含水率70.6%,莖稈含水率73.8%。

1.1.2 收獲割臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

主要由摘穗裝置、集穗裝置、輸送攪龍、出料口和位于割臺(tái)護(hù)壁內(nèi)的傳動(dòng)裝置以及分禾罩、果穗護(hù)板、分禾器等輔助裝置組成。圖1

注：1.摘穗裝置;2.集穗裝置;3.輸送攪龍;4.出料口;5.分禾罩;6.割臺(tái)護(hù)壁;7.果穗護(hù)板;8.分禾器

所設(shè)計(jì)的摘穗裝置位于分禾罩下方,是割臺(tái)最重要的部分。其主要由皮帶導(dǎo)板、張緊裝置、撥禾帶從動(dòng)輪、摘穗板、摘穗架、撥禾帶主動(dòng)輪、橡膠撥禾帶、齒輪箱、防堵塞定刀和切削式拉莖輥組成。圖2

1.皮帶導(dǎo)板;2.張緊裝置;3.撥禾帶從動(dòng)輪;4.摘穗板;5.摘穗架;6.撥禾帶主動(dòng)輪;7.橡膠撥禾帶;8.齒輪箱;9.防堵塞定刀;10.切削式拉莖輥

1.1.3 割臺(tái)工作原理

割臺(tái)收獲鮮食玉米果穗分為兩個(gè)過(guò)程。第一過(guò)程中,收獲機(jī)沿鮮食玉米行間行駛,帶有果穗的玉米莖稈被分禾器導(dǎo)向撥禾帶,撥禾帶撥動(dòng)玉米莖稈向后喂入,拉莖輥將玉米莖稈沿摘穗板的工作間隙向下拉扯,由于摘穗板的阻擋,玉米穗柄被拉莖輥切斷,果穗被摘下,至此完成摘穗過(guò)程。第二過(guò)程中,果穗受撥禾帶作用向后做斜拋運(yùn)動(dòng),落入由一組擋板式輸送器組成的集穗裝置中,輸送器將果穗聚集至出料口處,至此完成集穗過(guò)程。少部分玉米莖稈被拉莖輥切斷,由集穗裝置上方的攪龍輸送器聚集排至出料口處。被收集的果穗及雜質(zhì)由出料口落入后續(xù)輸送裝置向后運(yùn)輸完成清選等其他工作。

1.1.4 割臺(tái)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.1.4.1 摘穗板設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)摘穗板后部間隙比前部間隙大3 mm,呈“前窄后寬”的樣式,根據(jù)前期測(cè)量結(jié)果鮮食玉米果穗中部直徑一般在50～60 mm,莖稈直徑一般在15～30 mm,為保證果穗的順利采摘及秸稈舒暢通過(guò),設(shè)計(jì)摘穗板間隙調(diào)節(jié)范圍為,前部:28.5～31.5 mm,后部31.5～34.5 mm。設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)孔中心圓距離Dt=25 mm,βt=4°以調(diào)節(jié)摘穗板間距。采用彈性模量更小的不銹鋼代替Q235鋼,并將摘穗板外緣折彎呈一定弧度,以減緩摘穗過(guò)程中果穗受到的沖擊。圖3

圖3 摘穗板裝置

1.1.4.2 橡膠撥禾帶設(shè)計(jì)

(1)橡膠撥禾帶基本參數(shù)設(shè)計(jì)

鮮食玉米植株株距一般為200～300 mm,設(shè)計(jì)每條橡膠撥禾帶上撥禾齒距離DB等于200 mm,采用撥禾齒交錯(cuò)安裝的方式,撥禾齒長(zhǎng)度到達(dá)摘穗板間隙,能對(duì)玉米莖稈起到有效的夾持作用。為了保證玉米植株在收獲過(guò)程中不出現(xiàn)倒伏,橡膠撥禾帶線速度的水平分速度應(yīng)該與機(jī)器前進(jìn)速度大小相等,方向相反,但實(shí)際工作時(shí),撥禾帶與玉米莖稈之間可能打滑,因此撥禾帶線速度應(yīng)稍大于理論速度,設(shè)定橡膠撥禾帶線速度水平分速度與機(jī)器前進(jìn)速度大小之比為K,撥禾帶線速度滿足公式(1)。

vdcosα=Kvc.

(1)

式中,vd:橡膠撥禾帶線速度(m/s);

α:摘穗裝置與地面夾角(°);

vc:機(jī)器前進(jìn)速度(m/s);

K取1.1,設(shè)計(jì)α最大為20°[15-16],機(jī)器前進(jìn)速度vc為6～8 km/h,帶入上式得撥禾帶線速度vd取值范圍為1.95～2.60 m/s。

撥禾齒面積尺寸越大,對(duì)果穗的沖擊越小,為了使撥禾齒撞擊果穗時(shí)不破壞果穗,滿足以下公式。圖4

(2)

圖4 橡膠撥禾帶示意

式中,Fg:鮮食玉米籽粒臨界破壞壓縮力,根據(jù)文獻(xiàn)得知48 N[17];

σg:果穗撞擊撥禾齒所能承受最大應(yīng)力(Pa);

s:單個(gè)玉米籽粒頂面積,取0.000 2 m2;

vg:果穗與撥禾齒相對(duì)速度(m/s);

E:帶苞葉果穗彈性模量,取1.37×108Pa[17];

P:橡膠撥禾帶沖擊部分重量,應(yīng)該為撥禾帶總重的一半,根據(jù)實(shí)際重量取1.5 kg;

g:重力加速度,取9.8 kg/N;

vd max:撥禾帶最大速度,2.6 m/s;

A:果穗撥禾齒碰撞面積(m2);

Dg:果穗直徑,取0.05 m;

λ:撞擊面積系數(shù),取0.2;

HB:撥禾齒高度(m);

L:撥禾齒長(zhǎng)度,為0.05 m。

根據(jù)公式得HB為撥禾齒高度應(yīng)大于0.049 m,設(shè)計(jì)56 mm,滿足理論要求。

(2)兩種不同材質(zhì)橡膠撥禾帶耐疲勞性測(cè)試

橡膠撥禾帶強(qiáng)度對(duì)撥禾裝置可靠性具有重要影響,在以往的機(jī)型中,橡膠撥禾帶強(qiáng)度不夠容易發(fā)生斷裂,卷入拉莖輥導(dǎo)致嚴(yán)重堵塞,甚至破壞拉莖輥軸體,此外橡膠磨損產(chǎn)生細(xì)小顆粒危害環(huán)境,污染收獲作物[18]。加氧化鋅的丁腈橡膠具有更強(qiáng)的抗磨損能力[19-20],將普通丁腈橡膠撥禾帶和加氧化鋅的丁腈橡膠撥禾帶安裝于同一機(jī)器進(jìn)行耐疲勞性測(cè)試,試驗(yàn)周期為3個(gè)月。工作3個(gè)月后取下兩種材料橡膠撥禾帶洗凈比較,普通丁腈橡膠撥禾帶內(nèi)圈傳動(dòng)齒磨損嚴(yán)重,橡膠撥禾帶主體有斷裂趨勢(shì),外圈撥禾齒出現(xiàn)疲勞開(kāi)膠;加氧化鋅的丁腈橡膠撥禾帶內(nèi)圈傳動(dòng)齒磨損程度較低且外圈撥禾齒無(wú)明顯裂紋產(chǎn)生。圖5

圖5 耐疲勞性測(cè)試結(jié)果比較

1.1.4.3 兩級(jí)過(guò)渡切削式拉莖輥設(shè)計(jì)

(1)兩級(jí)過(guò)渡切削式拉莖輥基本參數(shù)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的拉莖輥包括導(dǎo)入段、過(guò)渡段Ⅰ、過(guò)渡段Ⅱ、切柄拉莖段。導(dǎo)入段為帶螺紋椎體,相向旋轉(zhuǎn)可夾持玉米莖稈向后運(yùn)動(dòng);過(guò)渡段Ⅱ直徑逐漸增大,抓取效果逐漸減弱,切削性能逐漸增大;切柄拉莖段直徑達(dá)到最大,對(duì)穗柄的切削效果最好,設(shè)計(jì)中此段直徑沿莖稈進(jìn)給方向略微減小,以防止莖稈堵塞。所設(shè)計(jì)的拉莖輥采用兩級(jí)過(guò)渡,第一級(jí)過(guò)渡段豁口大于莖稈直徑,對(duì)莖稈抓取作用很弱但能使莖稈更流暢的向后進(jìn)給。所設(shè)計(jì)的拉莖輥采用交錯(cuò)刀式裝配,能夠減弱對(duì)莖稈的切削,減少莖稈被扯斷的概率,從而降低含雜率。圖6

圖6 兩級(jí)過(guò)渡切削式拉莖輥結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)拉莖輥轉(zhuǎn)速過(guò)快,果穗容易被啃傷,當(dāng)拉莖輥轉(zhuǎn)速過(guò)慢,莖稈和拉莖輥之間容易產(chǎn)生滑移,容易造成莖稈堵塞,根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)[21]暫定拉莖輥轉(zhuǎn)速為800 rad/min。

拉莖段長(zhǎng)度與橡膠撥禾帶線速度比值應(yīng)等于接穗點(diǎn)到拉莖段初始位置的豎直距離與切削式拉莖輥線速度的比值。且切削式拉莖輥總長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)計(jì)滿足:其至少能拉過(guò)玉米莖稈接穗點(diǎn)通過(guò)摘穗板,同時(shí)作業(yè)玉米莖稈不超過(guò)兩根以防止堵塞,即滿足以下公式。

(3)

式中,hs:拉莖輥軸線最低點(diǎn)距接穗點(diǎn)距離,mm;

ω:切削式拉莖輥轉(zhuǎn)速(rad/min);

lb:切削式拉莖輥過(guò)渡段Ⅰ長(zhǎng)度(mm);

lc:切削式拉莖輥過(guò)渡段Ⅱ長(zhǎng)度(mm);

vl:切削式拉莖輥過(guò)渡段Ⅱ開(kāi)始處所在直徑的線速度(m/s);

la:切削式拉莖輥導(dǎo)入段長(zhǎng)度(mm);

ld:切削式拉莖輥切柄拉莖段長(zhǎng)度(mm);

Z:鮮食玉米植株間距(mm)。

根據(jù)公式計(jì)算并設(shè)計(jì)拉莖輥導(dǎo)入段長(zhǎng)度la=140 mm,拉莖輥過(guò)渡段Ⅰ長(zhǎng)度la=50 mm,拉莖輥過(guò)渡段Ⅱ長(zhǎng)度lc=250 mm,拉莖輥切柄拉莖段長(zhǎng)度ld=340 mm。圖7

圖7 拉莖輥示意

切削式拉莖輥工作過(guò)程主要由兩部分組成,其一是玉米莖稈隨著被撥禾帶向后運(yùn)動(dòng),刀口越來(lái)越窄,刀刃滑入莖稈;其二是滑入莖稈的刀片被拉莖輥向下拉扯。

拉莖輥刀刃滑入莖稈的瞬間,刀刃對(duì)莖稈提供的阻力為F,撥禾帶為莖稈提供向后進(jìn)給力Fd,進(jìn)給力Fd由發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)到割臺(tái)齒輪箱驅(qū)動(dòng),遠(yuǎn)大于刀刃對(duì)莖稈水平方向的阻力Fx。

設(shè)計(jì)切削式拉莖輥過(guò)渡段Ⅰ直徑為70～86 mm,過(guò)渡段Ⅱ直徑為86～108 mm、切柄拉莖段直徑恒為108 mm。切削式拉莖輥過(guò)渡段Ⅱ的最大間隙需小于莖稈直徑才能有產(chǎn)生拉莖效果。此外切削式拉莖輥喂入角需小于玉米莖稈與結(jié)構(gòu)鋼的摩擦角才能保證玉米莖稈被向下拉扯。只有左拉莖輥一片刀片滑入玉米莖稈,此情況切削式拉莖輥對(duì)玉米莖稈的抓取力最小,若此時(shí)能夠順利拉扯玉米莖稈,則能保證切削式拉莖輥恒能對(duì)玉米莖稈產(chǎn)生抓取效果。假定刀背與所在直線與圓φc′相切,通過(guò)數(shù)學(xué)分析得到拉莖輥中心距D滿足以下公式。圖8

(4)

圖8 切削式拉莖輥工作過(guò)程瞬時(shí)狀態(tài)

式中,D:切削式拉莖輥中心距(mm);

φc:過(guò)渡段Ⅱ開(kāi)始處直徑,設(shè)計(jì)為86 mm;

φ:玉米莖稈直徑,取25 mm;

γ:左拉莖輥喂入角(°);

γ0:摩擦角,玉米莖稈與結(jié)構(gòu)鋼的摩擦角為17.75°～28.37°[22],取最大值摩擦角γ0為28.37°;

θ:拉莖輥刀角,設(shè)計(jì)為30°;

ε:莖稈與右輥刀背頂圓接觸點(diǎn)切線的法線與水平線夾角(°);

φc′:過(guò)渡段Ⅱ開(kāi)始處刀背直徑,設(shè)計(jì)為79 mm;

δ:拉莖輥刀片厚度,設(shè)計(jì)為5 mm。

帶入公式(8)、(9),得出D的取值范圍為91.65 mm≤D≤107.00 mm。圖8

(2)切削式拉莖輥仿真試驗(yàn)

切削式拉莖輥在拉扯莖稈時(shí)不應(yīng)該切斷莖稈,否則將導(dǎo)致收獲含雜率上升,以D為變量分別設(shè)置D=92 mm、D=97 mm、D=102 mm、D=107 mm進(jìn)行四組離散元仿真試驗(yàn)。

仿真試驗(yàn)開(kāi)始前,在EDEM中生成空心圓柱,直徑25 mm,高350 mm,設(shè)置顆粒半徑為1 mm,查閱相關(guān)文獻(xiàn)[18,23],創(chuàng)建顆粒工廠進(jìn)行填充,添加bonding接觸模型并設(shè)置,并通過(guò)壓縮至165 mm高度,導(dǎo)出生成EDEM Simulation Deck(*.dem)文件并打開(kāi),導(dǎo)入拉莖輥拉莖段三維模型,設(shè)置轉(zhuǎn)速為800 r/min,切削式拉莖輥相對(duì)玉米秸稈法向速度為3.4 m/s,仿真總時(shí)長(zhǎng)為0.25 s。表1,圖9

圖9 玉米莖稈離散元模型

當(dāng)D=92 mm或當(dāng)D=97 mm時(shí)玉米莖稈離散元模型被嚴(yán)重切斷,當(dāng)D=102 mm或D=107 mm時(shí)玉米莖稈離散元模型斷口處仍然有較好的連接,斷口長(zhǎng)度一般占莖稈直徑的1/3～1/2大小。在后處理模塊中對(duì)各工況粘結(jié)鍵隨時(shí)間變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),導(dǎo)入到Excel軟件匯總,當(dāng)D=92 mm時(shí)粘結(jié)鍵剩余數(shù)量為20 104個(gè),當(dāng)D=97 mm時(shí)粘結(jié)鍵剩余數(shù)量為27 828個(gè),當(dāng)D=102 mm時(shí)粘結(jié)鍵剩余數(shù)量為32 986個(gè),當(dāng)D=107 mm時(shí)粘結(jié)鍵剩余數(shù)量為33 778個(gè)。拉莖輥中心距D=102 mm時(shí)粘結(jié)鍵剩余數(shù)量最多,暫定拉莖輥中心距D為102 mm。圖10,圖11

圖10 仿真拉莖效果

圖11 粘結(jié)鍵數(shù)量隨時(shí)間變化

1.1.4.4 低損集穗裝置設(shè)計(jì)

割臺(tái)保留攪龍輸送器,將其高度抬升,以保證長(zhǎng)秸稈能被向后聚集,防止割臺(tái)堵塞,使用擋板式輸送器代替攪龍收集玉米果穗,設(shè)計(jì)要求為玉米果穗做斜拋運(yùn)動(dòng)時(shí)不磕碰蛟龍葉片,且由于輸送帶與地面有一定傾角,玉米果穗需落到輸送帶橫向中心位置偏上處,以避免果穗下滑聚集到輸送帶下部,折損輸送帶壽命。以上應(yīng)滿足公式(5),其中果穗被撥禾帶撥動(dòng)向后運(yùn)輸?shù)乃俣瓤烧J(rèn)為等于輸送帶線速度。圖12,圖13

注：撥禾帶的作用為向后撥動(dòng)莖稈以及果穗。攪龍軸線方向?yàn)闄C(jī)器前進(jìn)方向的垂直方向,攪龍對(duì)摘下的果穗進(jìn)行橫向的聚集、運(yùn)輸,摘下的果穗從各個(gè)摘穗裝置被聚集的過(guò)程叫做集穗過(guò)程。

圖13 低損集穗過(guò)程示意

式中,v:果穗斜拋速度(m/s);

vx:果穗斜拋水平分速度(m/s);

vy:果穗斜拋豎直分速度(m/s);

hd:輸送帶橫向位置偏上處距摘穗架頂端高度(m);

Dd:輸送帶橫向位置偏上處距摘穗架頂端水平距離(m)。

vd max為2.6 m/s,當(dāng)hd=85 mm時(shí)既能保障果穗能順利通過(guò)攪龍葉片和輸送帶的間隙,又能保證摘穗架頂端距輸送帶高度不至于太高,以避免果穗跌落損傷,設(shè)計(jì)Dd=492 mm。當(dāng)割臺(tái)傾斜角度α達(dá)到最大值20°時(shí),θd的角度為12°,以減少果穗向下滑移,攪龍圓點(diǎn)距摘穗架水平方向距離Dj取385 mm,豎直方向距離hj取350 mm,可以保障果穗不會(huì)磕碰攪龍葉片。

輸送帶的寬度根據(jù)喂入量、輸送速度、物料密度等參數(shù)應(yīng)滿足以下公式。

(6)

式中,B:輸送帶寬度(m);

Q:喂入量(t/h);

Kd:斷面系數(shù),取105;

Kv:速度系數(shù),取0.95;

Kβ:傾角系數(shù),取0.92;

vs:輸送帶速度(m/s);

ρ:物料密度(t/m3)。

Q取割臺(tái)喂入量1/2,為20.52 t/h,輸送帶線速度為1.85 m/s,ρ取1 t/m3,得出輸送帶理論寬度B≥ 0.342 m,設(shè)計(jì)寬度為500 mm。圖14

注：1.液壓馬達(dá);2.擋板輸送帶;3.張緊裝置;4.主動(dòng)輥軸承

1.2 方 法

1.2.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21962-2020《玉米收獲機(jī)械》[24]方法與指標(biāo),選取四個(gè)試驗(yàn)地塊,極少數(shù)玉米長(zhǎng)勢(shì)較差不符合規(guī)定要求,試驗(yàn)開(kāi)始前給予清除,調(diào)節(jié)摘穗板間隙至合適值,每次試驗(yàn)機(jī)器作業(yè)20 m,作業(yè)后從果穗箱中提取果穗,脫粒清凈后,揀出有明顯裂紋及破皮的籽粒,分別稱出破損籽粒質(zhì)量及樣品籽粒總質(zhì)量,按公式(7)計(jì)算籽粒破損率。在果穗箱中提取并稱出玉米莖稈、玉米葉片等雜質(zhì)質(zhì)量以及收獲樣品總質(zhì)量,按公式(8)計(jì)算含雜率。

(7)

(8)

式中,Z:籽粒破損率(%);

ms:破損籽粒質(zhì)量(g);

mi:樣品籽粒總質(zhì)量(g);

H:含雜率(%);

mU:收獲物總質(zhì)量(g);

mZ:雜質(zhì)總質(zhì)量(g)。

1.2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用三因素三水平Box-Behnken的正交試驗(yàn)方法,選取前進(jìn)速度、拉莖輥中心距和拉莖輥轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素,籽粒破損率Z及含雜率H作為評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行三因素三水平兩指標(biāo)田間試驗(yàn),并使用Design-expert 12軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。A、B、C為因素編碼值。正交試驗(yàn)裝配帶低損集穗裝置的割臺(tái),前進(jìn)速度及拉莖輥轉(zhuǎn)速由傳感器輸出顯示數(shù)值,人工控制,拉莖輥中心距由增加減少墊片調(diào)節(jié)。表2

表2 正交試驗(yàn)因素編碼

1.2.3 低損集穗裝置有效性驗(yàn)證試驗(yàn)

4YZ-6(650)型自走式鮮食玉米收獲機(jī)更換攪龍集穗割臺(tái),試驗(yàn)前機(jī)器空轉(zhuǎn)2 min,排出設(shè)備內(nèi)雜物,機(jī)器以正交試驗(yàn)優(yōu)化后參數(shù)進(jìn)行5次試驗(yàn),記錄試驗(yàn)結(jié)果與低損集穗割臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果并比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低損集穗裝置下籽粒破損率和含雜率多元回歸比較

研究表明,得到Z和H的回歸方程如公式(9)、(10)所示。

Z=0.422+0.098A+0.028B+0.120C+0.100A2+0.080B2.

(9)

H=0.802+0.211A-0.691B+0.345C+0.113AC-0.039A2.

(10)

籽粒破損率二次回歸模型P<0.000 1,回歸模型極顯著;失擬項(xiàng)P>0.05,不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。因素影響主次順序:拉莖輥轉(zhuǎn)速C、前進(jìn)速度A、拉莖輥中心距B,其中前進(jìn)速度A、拉莖輥轉(zhuǎn)速C對(duì)籽粒破損率影響極其顯著,拉莖輥中心距B對(duì)籽粒破損率影響顯著;三因素交互項(xiàng)不顯著,前進(jìn)速度、拉莖輥中心距和拉莖輥轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)籽粒破損率影響不明顯。

含雜率二次回歸模型P<0.0001,回歸模型極顯著。各因素對(duì)總功耗影響的顯著性從大到小依次是前進(jìn)速度A、拉莖輥轉(zhuǎn)速C、拉莖輥中心距B,三因素對(duì)含雜率影響都極其顯著;交互項(xiàng)AC影響顯著,前進(jìn)速度和拉莖輥轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率具有交互影響。失擬項(xiàng)P<0.01,存在其他影響含雜率的主要因素。表3,表4,圖15

表3 正交試驗(yàn)及結(jié)果

表4 試驗(yàn)結(jié)果

圖15 田間試驗(yàn)與作業(yè)效果

2.2 前進(jìn)速度、拉莖輥中心距和拉莖輥轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒破損率和含雜率的影響

研究表明,C=800 r/min時(shí),前進(jìn)速度和拉莖輥中心距的交互作用對(duì)籽粒破損率的影響。當(dāng)前進(jìn)速度一定時(shí),籽粒破損率隨拉莖輥中心距的增大先減小后增大,這是由于當(dāng)拉莖輥中心距過(guò)小,導(dǎo)致玉米莖稈被切斷,帶著果穗的莖稈在除雜風(fēng)機(jī)二次拉莖裝置處被拉扯,果穗遭到磕碰,進(jìn)而導(dǎo)致籽粒破損率較高,而拉莖輥中心距過(guò)大導(dǎo)致果穗穗柄難以被切斷,果穗受到摘穗板的拉力增大,進(jìn)而導(dǎo)致籽粒破損率較高。當(dāng)拉莖輥中心距一定時(shí),籽粒破損率隨前進(jìn)速度的增大先緩慢減小后急劇增大。

B=102 mm時(shí),前進(jìn)速度和拉莖輥轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)籽粒破損率的影響。當(dāng)前進(jìn)速度一定時(shí),籽粒破損率隨拉莖輥轉(zhuǎn)速的增大而增大,這是由于拉莖輥轉(zhuǎn)速越大,莖稈所受拉扯力越大,果穗所受沖擊就越大,籽粒破損率就越大。當(dāng)拉莖輥轉(zhuǎn)速一定時(shí),籽粒破損率隨前進(jìn)速度的增大先減小后增大。

A=8 km/h時(shí),拉莖輥中心距與拉莖輥轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)籽粒破損率的影響。當(dāng)中心距一定時(shí),籽粒破損率隨拉莖輥轉(zhuǎn)速的增大而增大。當(dāng)拉莖輥轉(zhuǎn)速一定時(shí),籽粒破損率隨中心距的增大先減小后增大。

C=800 r/min時(shí),前進(jìn)速度和拉莖輥中心距的交互作用對(duì)含雜率的影響。當(dāng)前進(jìn)速度一定時(shí),含雜率隨拉莖輥中心距的減小而增大,這是由于拉莖輥間隙越小,對(duì)莖稈的切削能力越強(qiáng),莖稈被切斷,含雜率上升。當(dāng)拉莖輥中心距一定時(shí),含雜率隨前進(jìn)速度的增大而增大。

B=102 mm時(shí),前進(jìn)速度和拉莖輥轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)含雜率的影響。當(dāng)前進(jìn)速度一定時(shí),含雜率隨拉莖輥轉(zhuǎn)速的增大而增大,這是由于拉莖輥轉(zhuǎn)速增大,對(duì)玉米莖稈作用力增大,莖稈容易被拉斷,導(dǎo)致含雜率增大。當(dāng)拉莖輥轉(zhuǎn)速一定時(shí),籽粒破損率隨前進(jìn)速度的增大而增大。前進(jìn)速度增大時(shí),會(huì)增強(qiáng)含雜率隨拉莖輥轉(zhuǎn)速的增大而增大的趨勢(shì)。

A=8 km/h時(shí),拉莖輥中心距與拉莖輥轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)含雜率的影響。當(dāng)中心距一定時(shí),含雜率隨拉莖輥轉(zhuǎn)速的增大而增大。當(dāng)拉莖輥轉(zhuǎn)速一定時(shí),含雜率隨中心距的增大而減小。表5,圖16

表5 籽粒破損率Z及含雜率H方差

圖16 各因素對(duì)籽粒破損率和含雜率影響的響應(yīng)曲面

2.3 摘穗裝置狀態(tài)下各因素參數(shù)組合

研究表明,以籽粒破損率Z、含雜率H最小為最終優(yōu)化目標(biāo),結(jié)合邊界條件,對(duì)所建立的二元回歸模型展開(kāi)多因素優(yōu)化求解,其目標(biāo)函數(shù)與約束條件為

前進(jìn)速度為7.42 km/h,拉莖輥中心距為102.80 mm,拉莖輥轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)籽粒破損率為0.34%,含雜率為0.40%。

2.4 低損集穗裝置有效性驗(yàn)證

研究表明,結(jié)合實(shí)際條件以前進(jìn)速度為7.4 km/h,拉莖輥中心距為103 mm,拉莖輥轉(zhuǎn)速為700 r/min進(jìn)行試驗(yàn),重復(fù)5次。各組籽粒破損率低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.5%,含雜率低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1%。平均籽粒破損率為0.368%,平均含雜率為0.43%,籽粒破損率方差為2.7×10-4%2,含雜率方差為2.73×10-3%2,數(shù)據(jù)浮動(dòng)較小,試驗(yàn)具有可信性。試驗(yàn)中籽粒破損率及平均含雜率平均值與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差分別為為8.8%和7.5%。表6,圖17

表6 優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果

(11)

圖17 優(yōu)化后作業(yè)效果

研究表明,2組試驗(yàn)總體均滿足正態(tài)分布,對(duì)低損集穗裝置的有效性進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)。

檢驗(yàn)兩正態(tài)總體方差齊性,令H0:σ12=σ22。

檢驗(yàn)法則:

檢驗(yàn)σ12、σ22未知,但σ12=σ22,在顯著水平α=0.005下,H0:μ1-μ2=0;H1:μ1-μ2>0。

檢驗(yàn)法則為:

查表得t0.005(8)=-t0.995(8)=-3.355 4,小于不等式前,故拒絕H0,μ1-μ2>0,2次試驗(yàn)存在顯著差異,可排除偶然性造成的干擾,即帶低損集穗裝置可減少對(duì)玉米果穗的損傷,試驗(yàn)中平均籽粒破損率減小了0.08%。

3 討論

3.1拉莖輥間隙對(duì)籽粒破損率有顯著影響,與文獻(xiàn)[2]結(jié)論一致;拉莖輥轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒破損率有顯著影響,與文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]結(jié)論相同;前進(jìn)速度對(duì)籽粒破損率有顯著影響,與文獻(xiàn)[14]結(jié)論一致。

3.2以擋板式輸送器替代攪龍輸送器聚集玉米果穗可顯著減少籽粒損傷問(wèn)題。解決除摘穗過(guò)程外的集穗、運(yùn)輸、卸糧等過(guò)程中導(dǎo)致的籽粒損傷問(wèn)題也存在現(xiàn)實(shí)意義。

3.3改變兩拉莖輥沿其自身軸線的相對(duì)安裝角度,也可以增加拉莖輥輥刀對(duì)鮮食玉米穗柄及莖稈的削切能力,從而對(duì)籽粒破損率和含雜率產(chǎn)生影響,今后研究可以探究拉莖輥沿自身軸線方向的不同安裝角度對(duì)采摘效果的影響。

4 結(jié) 論

4.1設(shè)計(jì)了一種鮮食玉米收獲割臺(tái)柔性摘穗裝置,確定了撥禾帶、拉莖輥外形尺寸及工作參數(shù),設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)過(guò)渡切削式拉莖輥,通過(guò)對(duì)其建立瞬時(shí)狀態(tài)數(shù)學(xué)模型確定了拉莖輥裝配中心距取值范圍為91.65 mm≤D≤107.00 mm。確定了拉莖輥裝配中心距取值范圍為103 mm左右。

4.2加氧化鋅的丁腈橡膠有更好抗磨損能力。

4.3當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度為7.4 km/h,拉莖輥中心距為102.8 mm,拉莖輥轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)作業(yè)效果最好,優(yōu)化后試驗(yàn)平均籽粒破損率為0.368%,平均含雜率為0.43%,均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4.4設(shè)計(jì)了一種低損集穗裝置,其由兩組擋板式輸送器組成,工作線速度為1.85 m/s,有效地緩解了果穗磕碰攪龍葉片所導(dǎo)致的籽粒損傷問(wèn)題,平均籽粒破損率減小了0.08%。