周紀(jì)磊，薦世春，位國建，郝付平，姜　偉，邸志峰，孫宜田

(1.山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院，濟(jì)南　250100；2.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京　100083)

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五因素玉米剝皮試驗裝置與試驗設(shè)計研究

周紀(jì)磊1，薦世春1，位國建1，郝付平2，姜偉1，邸志峰1，孫宜田1

(1.山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院，濟(jì)南250100；2.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京100083)

摘要：以黃淮海地區(qū)為代表的一年兩熟制地區(qū)，由于玉米可生長期短、收獲時間緊，收獲時果穗含水率較高，摘穗時易產(chǎn)生斷莖，且苞葉與果穗貼合緊密，剝皮作業(yè)質(zhì)量效果較難保證，剝凈率與啃穗率、脫落籽粒破損之間矛盾突出。目前，對高含水率(≥40%)果穗剝皮裝置的系統(tǒng)理論與試驗研究均較少，因而本文設(shè)計了5因素玉米剝皮試驗裝置，可以進(jìn)行槽型布置和平面布置兩種剝皮裝置的室內(nèi)試驗。通過調(diào)整壓送器與剝皮輥距離、剝皮輥傾角、剝皮輥轉(zhuǎn)速、壓送輪轉(zhuǎn)速及剝皮輥組合形式等關(guān)鍵因素水平，以苞葉剝凈率、啃穗落粒率和籽粒破損率為評價指標(biāo)，進(jìn)行多因素多水平正交試驗，確定剝皮裝置的最佳參數(shù)組合，為玉米聯(lián)合收獲機剝皮裝置選型和參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：玉米果穗；剝皮；正交試驗；裝置

0引言

2014年，全國玉米收獲機銷量達(dá)8.29萬臺，較2013年增長21%。其中，配置剝皮裝置的玉米收獲機能夠一次完成摘穗和果穗剝皮作業(yè)，具有縮減收獲環(huán)節(jié)、節(jié)省勞動力的優(yōu)勢，市場占有率逐年提高，已成為主流產(chǎn)品。在東北、內(nèi)蒙等一年一季區(qū)域，收獲時苞葉蓬松、含水率低、板式摘穗斷莖較少，利于剝皮作業(yè)，現(xiàn)有剝皮裝置能夠較好滿足使用要求[1-2]；以黃淮海地區(qū)為代表的一年兩熟制區(qū)域，由于玉米可生長期短、收獲時間緊，收獲時苞葉含水率高且與果穗貼合緊密，輥式摘穗斷莖較多，不利于果穗剝皮，存在著剝凈率差別大、籽粒脫落率和破損率高的問題[3-4]。部分院校和院所進(jìn)行過該區(qū)域玉米剝皮裝置性能與參數(shù)的試驗研究[5-6]，且以田間機載試驗為主；但由于田間試驗參數(shù)調(diào)整較為費時費力，不能獲得充分的試驗數(shù)據(jù)。為此，設(shè)計了室內(nèi)剝皮試驗裝置，能夠快速調(diào)整試驗因素及水平，以獲取充分的試驗數(shù)據(jù)，為高性能剝皮裝置的研發(fā)提供參考。

1剝皮試驗裝置方案的確定

剝皮裝置工作原理是通過相鄰的兩剝皮輥的相向轉(zhuǎn)動帶動苞葉隨之進(jìn)入兩輥間隙并被扯離穗軸，果穗在壓送器撥輪和剝皮輥的共同作用下從出口排出，從而實現(xiàn)對苞葉的撕取剝離[4]，工作原理如圖1所示。

兩輥中,其一為軸線固定的定輥，另一為軸線可在一定范圍內(nèi)活動的動輥，定輥與動輥間壓緊力由彈簧變形量確定并可調(diào)整。壓送器壓送輪的功用是避免剝皮過程中的果穗跳動及確保果穗整體有序流動，有輪輻式和葉輪式兩種。通過剝皮原理的分析發(fā)現(xiàn)：影響剝皮作業(yè)質(zhì)量的因素較多，包括剝皮輥、壓送輪撥板的形狀、運轉(zhuǎn)參數(shù)及剝皮輥間壓緊力等。檢索相關(guān)文獻(xiàn)[7-8]，有關(guān)于玉米剝皮影響因素、權(quán)重及部分因素間的影響的研究，涉及因素最多為4個、水平常為3個。其中，部分采用田間在機試驗，部分采用實驗室試驗裝置試驗，但因素水平較少其相關(guān)試驗裝置較簡單?；谝延醒芯浚瑒兤ぽ伳z輥現(xiàn)已形成外徑70mm、魚鱗和螺旋表面形狀的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品；剝皮輥的槽型布置和平面布置兩種型式作業(yè)效果及較適用對象已有初步認(rèn)識[9]；剝皮輥間壓緊力由彈簧決定且可在一定范圍內(nèi)變動的方式被普遍采用。由于果穗在剝皮機中受力運動的復(fù)雜性，兩種布置形式下剝皮輥轉(zhuǎn)速、壓送輪轉(zhuǎn)速、剝皮輥與壓送輪間距、剝皮輥傾角及剝皮輥上魚鱗與螺旋組合形式5個因素參數(shù)或其組合尚無較清晰、明確認(rèn)識以用于機型的設(shè)計指導(dǎo)。

針對以上情況及分析得出的5個因素，結(jié)合現(xiàn)有玉米收獲機產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗中的因素參數(shù)范圍，采取了進(jìn)行不同因素水平的正交試驗研究的思路。如剝皮輥形式選整根魚鱗與整根螺旋配對、魚鱗與螺旋間隔布置并相互配對2個水平，其余4因素按照參數(shù)范圍分為5個水平。

圖1　剝皮裝置工作原理

由于涉及剝皮質(zhì)量影響因素多，試驗裝置要求在滿足生產(chǎn)率的條件下盡可能模擬實際工況，同時能進(jìn)行多因素水平的調(diào)節(jié)，增大了試驗裝置的復(fù)雜程度?；诒菊n題任務(wù)側(cè)重于應(yīng)用，借鑒已有研究成果結(jié)論并考慮產(chǎn)品零部件的通用性、后期成果的推廣、試驗結(jié)果的客觀性及便于對比，實驗采用對象為含水率較高(≥40%)的夏玉米果穗剝皮全膠輥方案，剝皮輥和壓送輪橡膠部件均選取現(xiàn)有通用配件，膠輥直徑70mm、壓送輪為橡膠輪輻式和葉輪式。為更好地模擬實際工況并在室內(nèi)可行、減少側(cè)板影響及各果穗間的相互影響、滿足多行聯(lián)合收獲機剝皮裝置設(shè)計選型需要，本實驗裝置選用3組共12根剝皮輥方案[10]。

剝皮輥槽型和平面兩種布置方式各有優(yōu)缺點，對其具體適用性缺少深入研究，但對鮮玉米剝皮應(yīng)采用全膠平輥型式已達(dá)成共識[11]。針對這種情況，考慮試驗研究分槽型和平面兩種并單獨進(jìn)行，且相同輥數(shù)兩種型式在結(jié)構(gòu)尺寸及傳動上的差異，不便統(tǒng)一到一套臺架上，故分別設(shè)計槽型和平面兩種型式的試驗裝置，通過對各自試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后對比其效果。試驗裝置采用交流變頻電動機作為動力，以電氣傳感器方式采集剝皮輥和壓送器輸入軸轉(zhuǎn)速的方案。

2試驗裝置機械結(jié)構(gòu)與傳動方案

綜合考慮動力安裝和傳動路線，便于實現(xiàn)各因素水平的調(diào)節(jié)，將試驗裝置分為3層，即底座、中間架和帶壓送的剝皮裝置。其中，作為動力的交流變頻電動機安裝于中間架并可在安裝槽限定范圍內(nèi)調(diào)整，中間架與底座之間通過鉸鏈連接并與撐桿形成平面四桿機構(gòu)；通過旋扭螺母在撐桿上的位置調(diào)整撐桿作用長度，實現(xiàn)中間架與底架間角度的調(diào)整以達(dá)到所要求的剝皮輥傾角，用角度尺測量中間架傾角并校正，調(diào)整機構(gòu)如圖2所示。

圖2　傾角調(diào)整機構(gòu)簡圖

壓送器與剝皮輥距離通過調(diào)整機構(gòu)實現(xiàn)，調(diào)整方式有兩種：壓送器整體調(diào)整和單根壓送輪軸分別調(diào)節(jié)。調(diào)查分析現(xiàn)有剝皮裝置構(gòu)造可知：平輥型式多使用壓送器整體調(diào)整，槽輥型式多采用單根壓送輪軸分別調(diào)整；個別機型出現(xiàn)通過彈簧調(diào)整壓送輪軸與剝皮輥相對位置的設(shè)計以適應(yīng)果穗喂入不均的情況；優(yōu)點是滿足生產(chǎn)率避免堵塞，不足是剝皮作業(yè)質(zhì)量不穩(wěn)定。本試驗裝置針對平輥和槽輥型式分別采取整體調(diào)整和各輪軸分別調(diào)整的方式。壓送器與剝皮輥間距調(diào)整機構(gòu)如圖3和圖4所示。

圖3　平輥型式壓送輪與剝皮輥間距調(diào)整機構(gòu)簡圖

圖4　槽輥型式壓送輪軸與剝皮輥間距調(diào)整機構(gòu)簡圖

針對兩種剝皮輥布置型式分別設(shè)計傳動路線如圖5和圖6所示。

圖5　平輥布置傳動路線

圖6　槽輥布置傳動路線

該試驗裝置可以通過調(diào)整實現(xiàn)剝皮輥轉(zhuǎn)速、壓送輪轉(zhuǎn)速、剝皮輥傾角及壓送輪剝皮輥間距等因素參數(shù)的不同水平；但剝皮輥形式因素需通過重新排列單根輥上膠輥順序?qū)崿F(xiàn)，因素兩水平如圖7所示。試驗裝置結(jié)構(gòu)與設(shè)計方案完成后，進(jìn)行各因素參數(shù)的確定和傳動的計算?；谵r(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊推薦運轉(zhuǎn)參數(shù)和具體玉米收獲機型設(shè)計經(jīng)驗，將兩型試驗裝置試驗因素參數(shù)確定為表1所示范圍。

圖7　剝皮輥形式因素的兩個水平

電動機選交流變頻調(diào)速類型并通過變頻器控制使用，傳動采用單排滾子鏈，空轉(zhuǎn)時啟動阻力較小，工作運轉(zhuǎn)時剝皮輥阻力矩變化較大且電動機工頻轉(zhuǎn)速超過1 000r/min，考慮剝皮輥初級傳動選較大傳動比以降速、增扭滿足扭矩儲備。

根據(jù)檢索到的剝皮機功率消耗的研究[12]，3組(12根)型式剝皮輥功率在6kW左右、壓送器功率消耗在3kW，本試驗裝置選剝皮輥動力7.5kW、壓送器動力3kW。按照所選電機功率型號的軸徑及選定的10A滾子鏈型號，考慮傳動的平穩(wěn)性和齒數(shù)較優(yōu)，初步確定主動鏈輪齒數(shù)z=17。

實際設(shè)計鏈輪結(jié)構(gòu)尺寸圓整為h1=11mm、h2=10mm，經(jīng)計算均能滿足對齒側(cè)凸緣直徑的要求。

表1　試驗裝置試驗因素參數(shù)調(diào)整范圍

以此類推，選定傳動中各鏈輪齒數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)。

根據(jù)以上傳動方案及結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別進(jìn)行兩型試驗臺設(shè)計，完成后結(jié)構(gòu)如圖8和圖9所示。

為使試驗結(jié)果有可對比性，對于平面和槽型兩種布置方式的壓送輪與剝皮輥間距定義為壓送輪最大外緣與最遠(yuǎn)剝皮輥的最小距離，如圖10所示。

1.底架2.中間架3.壓送器調(diào)頻電機4.壓送輪剝皮輥間距調(diào)整機構(gòu)

5.剝皮輥架6.剝皮輥調(diào)頻電機7.中間架傾角調(diào)整桿

圖8平輥型式試驗臺結(jié)構(gòu)

Fig.8Structure of flat model experiment device

1.底架2.中間架 3.壓送器調(diào)頻電機4.壓送輪剝皮輥間距調(diào)整機構(gòu)

5.剝皮輥架6.剝皮輥調(diào)頻電機7.中間架傾角調(diào)整桿

圖9槽輥型式試驗臺結(jié)構(gòu)

Fig.9Structure of grooved model experiment device

圖10　兩型試驗臺壓送輪與剝皮輥間距定義

3電動機控制與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

在滿足轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩前提下，采用變頻器實現(xiàn)電動機調(diào)速具有結(jié)構(gòu)簡單及調(diào)整方便的優(yōu)勢，通過變頻器上的電位調(diào)節(jié)旋鈕即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。同時，用光電開關(guān)作為轉(zhuǎn)速傳感器測取剝皮輥和壓送器輪軸的輸入轉(zhuǎn)速，并通過儀表顯示在控制臺上。電機控制與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路如圖11所示，完成組裝后的電控臺如圖12所示。

圖11　電機控制與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路原理圖

圖12　剝皮試驗裝置電控臺

4試驗方案設(shè)計

試驗對象為人工摘取的果穗，其苞葉含水率受存放環(huán)境干濕度及時間長短影響易發(fā)生變化，本試驗研究將苞葉含水率作為評價果穗一致性的指標(biāo)。在生產(chǎn)率滿足生產(chǎn)需要的前提下，對衡量剝皮作業(yè)質(zhì)量的剝凈率、籽粒破損率等指標(biāo)在不同因素水平參數(shù)組合時進(jìn)行評價對比才有意義[13-14]，故對試驗方案設(shè)計提出了較高要求。

試驗臺生產(chǎn)率選定是試驗設(shè)計中的一項重要內(nèi)容。在進(jìn)行剝皮試驗裝置方案設(shè)計時考慮到涉及影響因素較多且一般不單獨使用，整機設(shè)計上也僅靠經(jīng)驗選型部件，目前尚未有關(guān)于其生產(chǎn)率的指標(biāo)參照；但遵照整機設(shè)計經(jīng)驗，部件工作能力應(yīng)略大于整機。本試驗研究在調(diào)研當(dāng)前玉米收獲機主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合整機設(shè)計經(jīng)驗選擇了2～3行玉米收獲機廣泛使用的3組(12輥)式，該類機型生產(chǎn)廠家標(biāo)稱作業(yè)效率一般為0.3hm2/h，作業(yè)行進(jìn)速度約3km/h。

按照生產(chǎn)效率0.3hm2/h、大穗高密度種植模式60 000株/hm2計算，生產(chǎn)率(喂入量)為

s=267穗/min

考慮一定過載能力，選擇喂入量為300穗/min，并以此計算升運器刮板運轉(zhuǎn)速度，調(diào)整其動力輸入電動機變頻器旋鈕使其以達(dá)到所需升運能力，可在滿足生產(chǎn)率的要求并真實模擬喂入方式工況下進(jìn)行影響因素的試驗對比。

設(shè)計試驗采用以下流程順序進(jìn)行：

1)試驗材料準(zhǔn)備。預(yù)定品種單一、成熟度較一致的玉米地塊，果穗數(shù)目不小于18 000個。臨近成熟期選擇正常天氣進(jìn)行統(tǒng)一人工采收，采收過程中注意減少對苞葉的損傷(不改變苞葉包緊程度)、保持苞葉完整；采收后按照每袋60只放于帶塑料內(nèi)袋的塑編袋內(nèi)，并稱質(zhì)量、編號記錄。取不同袋內(nèi)的果穗進(jìn)行苞葉含水率測定，統(tǒng)計當(dāng)天試驗中果穗樣本(≥4 000)整體的苞葉含水率。

2)果穗均重與苞葉水分測定。準(zhǔn)備5組試驗所需果穗量(每組5袋/每袋60只)，各袋取2只完整果穗的苞葉放入鹵素水分分析儀進(jìn)行水分測定，對樣本總體苞葉含水率進(jìn)行統(tǒng)計。

3)試驗設(shè)備運轉(zhuǎn)。試驗開始前，轉(zhuǎn)速傳感器架擺放到合適位置并調(diào)整光電計數(shù)器與旋轉(zhuǎn)鏈輪距離后對試驗設(shè)備運行情況進(jìn)行調(diào)試。檢查操作臺儀表與燈光指示是否正常，確認(rèn)正常后，開啟變頻器電源按鈕開關(guān)，同時啟動升運器、剝皮輥和壓送輪電機不低于2min，檢查設(shè)備運行情況是否正常。

運轉(zhuǎn)過程中檢查項目包括：剝皮輥和壓送輪運轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)、升運器工作是否可靠、各電機工作噪聲和溫度是否正常及轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器指示是否正常。

4)按照試驗大綱編排順序進(jìn)行試驗。本試驗基于正交試驗方法進(jìn)行[15]，采用標(biāo)準(zhǔn)正交表L25(56)改造的混合水平正交表L25(54×21)進(jìn)行試驗。按照正交試驗表進(jìn)行編排時需重復(fù)調(diào)整，但各參數(shù)調(diào)整難易程度差別較大。如轉(zhuǎn)速只需調(diào)整變頻器就可實現(xiàn)而無需機械結(jié)構(gòu)調(diào)整，剝皮輥傾角調(diào)整需要調(diào)整撐桿長度，壓送輪與剝皮輥間距調(diào)整時需改變變頻電機相對壓送器動力輸入輪的位置，故涉及間隙調(diào)整裝置手柄或螺桿、變頻電機緊定螺栓，剝皮輥組合形式調(diào)整需采取更換輥部件的方式耗時較長。針對這種情況，按照正交試驗表中試驗號對應(yīng)的不同因素不同水平的組合分析其調(diào)整難易，調(diào)整一次較難因素水平即將包含該因素水平的試驗號對應(yīng)的試驗進(jìn)行完畢。以標(biāo)準(zhǔn)正交表L25(56)改造的混合水平正交表L25(54×21)、正交表中試驗號與實際試驗順序號對應(yīng)關(guān)系、因素水平參數(shù)對照表分別如表2～表4所示。

表2　混合水平正交試驗表L25(54×21)

表3　試驗順序號與試驗號對應(yīng)表

表4　因素水平參數(shù)對照表

5結(jié)論與展望

1)通過試驗裝置的運行試驗，表明該裝置調(diào)節(jié)方案可行、運行可靠、試驗方案可操作，能夠高效進(jìn)行剝皮效果5個影響因素的試驗。

2)試驗過程采用變頻電機作為剝皮輥和壓送器動力來源，與機械傳動相比其扭矩儲備小、抗過載能力較弱；但從生產(chǎn)率上考慮，在保證剝皮裝置可靠性及滿足作業(yè)效果的前提下，整機設(shè)計中優(yōu)先選用高轉(zhuǎn)速，極個別組合的堵塞不影響較優(yōu)參數(shù)組合的客觀性。

3)運行試驗過程中，板式壓送輪與槽型輥配合、星形壓送輪與平面型輥配合情況下均發(fā)生果穗較劇烈跳動，果穗端部進(jìn)入兩輥之間發(fā)生較嚴(yán)重啃穗，且運轉(zhuǎn)噪音較大，可考慮研究新型壓送器解決該類問題。

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Research on the five Factors Corn Husker Experiment Device and Test Scheme Design

Zhou Jilei1, Jian Shichun1, Wei Guojian1, Hao Fuping2, Jiang Wei1, Di Zhifeng1, Sun Yitian1

(1.Shandong Academy of Agricultural Machinery Science, Jinan 250100,China; 2.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Science, Beijing 100083, China)

Abstract：In wheat-maize rotation cropping areas such as Huanghuaihai region, owing to the short growth period, tight harvest time, high moisture rate, high trash content percentage, closely connection between bract and ear, maize harvest is meeting with the difficulties of poor working quality stability, clean husked ear rate is restricted by the bit ear rate and exfoliated kernel damaged rate. So far, the research on the high moisture rate (more than 40%) corn husker, either system theoretical or experimental,is rarely.Based on this status, researchers design a five factors corn husker experiment device which can be used for laboratory test. This study chose the table orthogonal test method.The equipment parameters, which indicated the critical different factors and levels, can be adjusted conveniently, such as distance between compressing wheel and peeling roller, inclination of roller angle,rotating speed of peeling roller and compressing wheel, the style of peeling roller had been combined.This study chose three evaluation indexes, which were clean husked ear rate, bit ear rate and exfoliated kernel damaged rate, for evaluating the better parameter combination, and then maybe provide evidence in designing corn combine harvester or choosing corn husker parameter.

Key words：corn ear; peeling; table orthogonal test; experiment device

文章編號：1003-188X(2016)03-0167-07

中圖分類號：S226.4;S220.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：周紀(jì)磊(1982-)，男，山東高青人，助理工程師，碩士，(E-mail)zhangzhengzb@hotmail.com。通訊作者：薦世春(1963-)，男，山東青島人，研究員，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)jscsh2002@163.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B01)；濟(jì)南市高校院所自主創(chuàng)新項目(201401266)

收稿日期：2015-04-16