谷子半喂入脱粒装置试验

骆恒光，师清翔，王升升，耿令新，许泽宇

(河南科技大学 农业装备工程学院，河南 洛阳 471003)



谷子半喂入脱粒装置试验

骆恒光，师清翔，王升升，耿令新，许泽宇

(河南科技大学 农业装备工程学院，河南 洛阳 471003)

摘要：利用谷子半喂入脱粒装置试验台，以脱不净率为指标进行了滚筒转速的单因素试验；以滚筒碾压段接料籽粒质量分数和杂余籽粒率为指标，进行了碾压辊状态的对比试验。在此基础上，以脱粒损失率、含杂率和杂余籽粒率为指标，进行了滚筒转速、脱粒间隙、凹板筛条间隙的正交试验和回归试验，优化得到该半喂入脱粒装置的最优参数组合。在试验条件下，当碾压辊可转动、滚筒转速为620 r/min、脱粒间隙为12.5 mm、凹板筛条间隙为9 mm时，脱粒损失率和含杂率分别达到0.91%和10.91%。

关键词：半喂入脱粒装置；谷子；脱粒损失率；含杂率

0引言

谷子在中国具有悠久的栽种历史，属于传统的优势杂粮作物，在现代绿色保健食品中占有举足轻重的地位，是发展旱作生态农业和节水农业的理想作物[1-5]。据统计，中国谷子的种植面积占世界谷子种植面积的90%以上，总产量也达到世界的80%以上[6-8]。长期以来，中国农业收获机械的发展主要集中在小麦、水稻和玉米三大粮食作物上，对谷子的收获机械研究起步较晚。传统谷子收获方式成本高、劳动强度大，难以适应农业现代化发展的需求，导致谷子生产水平严重滞后，制约了谷子相关产业的发展[9-14]。现有的谷子联合收割机多由小麦联合收割机改造而来，采用全喂入形式，工作过程中易出现喂入不良和掉穗等现象，且脱出物含杂率高，籽粒与杂余不易分离，夹带损失较大，难以满足生产要求。

本文采用半喂入脱粒的形式，将切割后的植株夹持提升后，在水平夹持机构的作用下沿滚筒轴向向后输送，并通过螺旋输送机构的作用，确保物料向脱粒装置稳定有序地喂入，完成脱粒作业。本文通过室内试验得到该脱粒装置最优的结构和运动参数，为整机的研制提供理论基础和试验依据。

1试验设备及方法

1.输送小车；2.切割装置；3.喂入机构；4.夹持提升装置；5.扶持机构；6.脱粒装置；7.螺旋输送机构；8.水平夹持机构。 图1　半喂入脱粒装置试验台结构示意图

1.1试验设备

本文设计的谷子半喂入脱粒装置试验台主要包括将谷子植株立姿输送的输送小车、夹持提升装置、半喂入脱粒装置和接料盒等部分，各装置均由变频电机驱动。试验台结构如图1所示。试验中，采用待脱粒谷子植株随输送小车向脱粒装置运动的方式，模拟该半喂入脱粒装置的田间工作状况。谷子植株在前进过程中被割刀切割，经过喂入机构的拨禾推送后，在夹持提升装置的作用下立姿输送至半喂入脱粒装置，并在水平夹持机构夹持输送和螺旋输送机构引导扶持的共同作用下，仅将谷子穗头部分喂入脱粒装置完成脱粒作业。谷子植株喂入示意图如图2所示。

半喂入脱粒装置主要包括脱粒滚筒、凹板和顶盖，试验中滚筒转速可调，凹板更换方便。针对谷子脱粒特点，该装置中脱粒滚筒及凹板筛均采用分段的形式。脱粒滚筒元件布置如图3所示，通过分段选择碾压辊和杆齿两种脱粒元件，可实现对谷穗先碾压后抖动的脱粒效果。使用的栅格凹板采用格板前密后疏分布的形式，在不同位置提高了脱粒装置的碾压效果和籽粒分离能力。

1.脱粒滚筒;2.谷子植株;3.引导杆;4.喂入螺旋输送器。图2 谷子植株喂入示意图1.碾压辊;2.杆齿。图3 脱粒滚筒元件布置图

放置于脱粒装置下方的接料盒，用于接取经凹板分离的脱出物。沿脱粒滚筒轴向将其等分成10小格，从前向后依次编号为1、2、…、10，用以研究碾压辊对谷穗的碾压效果及脱出物沿脱粒装置的轴向分布情况。

试验仪器主要包括激光测速仪、电子天平、电子称、烘干设备、摄像机和计算机等。

1.2试验物料及方法

本试验所用谷子采集于河南省孟津县横水镇试验田，经实地检测，谷子产量为7 500 kg/hm2，自然状态株高900 mm，茎秆绝对含水率40.33%，籽粒绝对含水率26.67%，谷草比1∶1。根据上述检测数据，计算确定每组试验所需物料量。

将植株呈立姿均匀固定在输送小车上，做好试验的相关准备工作。试验前，调节往复式割刀速度使其能对作物完成正常切割。按照该半喂入脱粒装置田间工作状况确定输送小车的速度为0.5 m/s。分别调节夹持提升装置夹持链和扶持链的速度，使其保证植株在夹持提升过程中的纵向水平分速度与小车的输送速度相等。然后，调节水平夹持链速度和喂入螺旋输送器转速，使螺旋输送器叶片轴向引导速度与水平夹持链线速度一致，且均与输送小车行进速度相等。脱粒过程中损失的籽粒由铺设于脱粒装置下方的塑料布接取。

试验时，首先确保割刀、夹持提升装置、水平夹持链、喂入螺旋输送器和脱粒滚筒均平稳运转，将接料盒放置于脱粒装置下方指定位置后，启动固定有谷子植株的输送小车进行脱粒试验。经夹持提升后的谷子植株随水平夹持链沿脱粒滚筒轴向运动的过程中，穗头部分经压弯引导进入脱粒滚筒内，被脱下的籽粒和部分杂余通过凹板筛的分离作用落入下方接料盒中。试验结束后，切断相关电源。

收集脱粒装置下方塑料布上的籽粒并称量，质量记为y′，收集谷子茎秆上未脱净的穗头，人工处理得到籽粒并称量，质量记为y″。

该半喂入脱粒装置的性能指标为：

含杂率(质量分数)，

脱不净率(质量分数)，

杂余籽粒率(质量分数)，

脱粒损失率(质量分数)，

其中：杂余籽粒率为脱出物中未脱净谷码所带籽粒质量占籽粒总质量的百分比。

2结果及分析

图4　滚筒转速对脱不净率的影响曲线

2.1滚筒转速单因素试验

谷穗的脱净程度直观反映了脱粒滚筒转速的合适与否，故以脱不净率φ为指标，在前段碾压辊可转动、脱粒间隙为8 mm、凹板筛条间隙为13 mm的条件下，进行滚筒转速的单因素试验，试验结果见图4。从试验结果中容易看出：当滚筒转速达到 500 r/min时，其脱不净率已达到较低水平且降低缓慢。故将500 r/min作为参考转速进行后续试验。

2.2碾压辊状态对比试验

根据谷子脱粒的特点，滚筒前段均匀布置碾压辊的碾压效果对该脱粒装置的脱粒效果有重要影响，应作进一步研究。本试验以滚筒碾压段接料籽粒质量分数和杂余籽粒率δ为指标，在滚筒转速为500 r/min、脱粒间隙为8 mm、凹板筛条间隙为13 mm的条件下，对碾压辊状态进行对比试验，试验结果如表1所示。由表1可以看出：在碾压辊可转动的状态下，碾压段接料量大、杂余籽粒率小，对穗头的碾压效果更好。确定碾压辊为转动状态，进行后续正交试验。

表1　碾压辊状态对比试验结果

2.3正交试验

选取对脱粒性能有较大影响的凹板筛条间隙A、脱粒间隙B、滚筒转速C为研究对象，以脱粒损失率η、含杂率β和杂余籽粒率δ为指标，在碾压辊可转动的状态下选用L9(34)正交表进行正交试验。

表2　正交试验因素水平编码表

正交试验各因素水平编码如表2所示，试验方案及结果如表3所示。

对试验结果进行极差分析，得到3个因素对各性能指标影响程度的主次顺序：对脱粒损失率的影响为C>B>A；对含杂率的影响为C>A>B；对杂余籽粒率的影响为A>B>C。

用加权评分法确定综合指标，对试验数据进行分析，取含杂率、杂余籽粒率和脱粒损失率的加权系数分别为-0.2、-0.3和-0.5，得到的较优参数组合为：凹板筛条间隙9 mm，脱粒间隙12 mm，滚筒转速650 r/min。

为得到各试验因素对性能指标影响的显著性情况，对试验结果进行方差分析，分析结果显示：在试验范围内，凹板筛条间隙对杂余籽粒率和含杂率影响显著，而对脱粒损失率影响不显著；脱粒间隙仅对脱粒损失率影响显著；滚筒转速对脱粒损失率和含杂率影响均特别显著，而对杂余籽粒率影响不显著。

表3　正交试验方案及结果

2.4回归试验

在正交试验所得较优参数组合的基础上，可通过二次通用旋转组合设计回归试验，建立该脱粒装置各性能指标和参数间可靠的回归模型，确定最优参数组合，并实现指标预测和参数控制[15-18]。

由于试验中所用栅格筛规格有限，其凹板筛条间隙不能匹配回归试验参数水平的取值，故固定正交试验所得凹板筛条间隙的较优水平9 mm，仅以剩余两因素为研究对象进行回归试验。以正交试验所得较优参数组合中滚筒转速和脱粒间隙的水平作为回归试验中两因素的零水平。由正交试验结果的方差分析可知：在试验范围内，脱粒间隙和滚筒转速对杂余籽粒率的影响均不显著，故回归试验不再考虑杂余籽粒率，只将脱粒损失率η和含杂率β作为性能指标进行研究。回归试验因素水平编码如表4所示，回归试验方案及结果如表5所示。

表4　回归试验因素水平编码表

表5　回归试验方案及结果

考虑到室内试验条件与田间实际情况的差异、人为因素造成的误差以及试验物料含水率变化等因素，在利用DPS软件对所得试验数据进行多元回归分析时，选取置信度水平为α=0.25，分别得到脱粒损失率和含杂率在标准空间内的多元回归方程：

脱粒损失率(质量分数)，

(1)

含杂率(质量分数)，

(2)

其中：x1和x2分别为脱粒间隙和滚筒转速的因素编码。

分析计算得到式(1)的相关系数R和剩余标准差S分别为0.806 3和2.602 3；式(2)的相关系数R和剩余标准差S分别为0.915 4 和7.237 5，表明两个方程均有很高的相关度。对式(1)和式(2)进行方差分析检验其显著性，结果如表6所示。由表6可知：脱粒损失率和含杂率的回归方程均有较高的显著性，回归模型能够实现对试验指标的预测及参数的控制。

用加权优化法对两个试验指标进行参数优化，由于脱粒损失率是反映脱粒装置性能的最重要指标，同时结合谷子清选难度大的特点，故取含杂率的加权系数为-0.4，脱粒损失率的加权系数为-0.6，得到的最优参数组合为：滚筒转速620 r/min，脱粒间隙12.5 mm。在此条件下，该脱粒装置的脱粒损失率和含杂率分别达到0.91%和10.91%。

2.5验证试验

由回归方程优化所得的最优参数组合并未在回归试验各水平中出现，为判断最优点处各指标试验值和方程预测值的吻合程度，需要进行该脱粒装置在最优参数下的验证试验，验证试验方案及结果如表7所示。考虑到人为因素及试验物料状态变化等造成的影响，试验结果与最优参数下的预测值接近，说明回归方程有较高的预测精度。

表7　验证试验方案及结果

2.6脱粒损失率影响因素分析

脱粒损失率是反映脱粒装置性能的最重要指标。通过对式(1)进行降维分析，可以得到滚筒转速和脱粒间隙对脱粒损失率的影响规律，如图5所示。分析图5可知：在试验范围内，随着滚筒转速增大，脱粒元件对谷子穗头的碾压和抖动作用更加充分，脱粒损失率在一定范围内降低。当脱粒间隙过小时，物料在脱粒装置内的运动受到影响，易产生堆积导致其籽粒分离能力下降，造成夹带损失增加，脱粒损失率在一定程度上增大；而脱粒间隙过大时，又会因脱粒元件对物料作用力的减弱，使物料脱不净现象增加，脱粒损失率增大。

图5　滚筒转速和脱粒间隙对脱粒损失率的影响规律

3结论

(1)碾压辊在可转动状态下对谷穗具有更好的碾压效果。

(2)在试验范围内，减小凹板筛条间隙，杂余籽粒率降低。

(3)在试验范围内，脱粒损失率随着滚筒转速增大而降低，随着脱粒间隙增大而在一定范围内先降低后升高。

(4)在试验条件下，该脱粒装置在碾压辊可转动、滚筒转速620 r/min、脱粒间隙12.5 mm、凹板筛条间隙9 mm时达到最优性能，此时脱粒损失率和含杂率分别为0.91%和10.91%。

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基金项目：河南省重点科技攻关计划基金项目(152102210276)

作者简介：骆恒光(1990-),男,河南辉县人,硕士生;师清翔(1957-),男，河南孟州人,教授,硕士，博士生导师,主要从事谷物联合收获机方面的研究.

收稿日期：2016-03-16

文章编号：1672-6871(2016)05-0056-06

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.013

中图分类号：S225.3

文献标志码：A