陳海濤 滕宇嬌 王業(yè)成 史乃煜 王 星
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院, 哈爾濱 150030)
單株大豆種子脫粒是大豆育種的重要環(huán)節(jié),不同于商品大豆脫粒,其育種小區(qū)面積小,種植試驗(yàn)大豆品種珍貴繁多、樣本量小,脫粒時(shí)既要求提高脫粒效率,又要保證各品種之間無混雜。目前科研脫粒工作中,單株脫粒以人工脫粒和普通脫粒機(jī)脫粒方式為主,人工脫粒收獲周期長、浪費(fèi)勞動(dòng)力;普通脫粒機(jī)籽粒的破碎率高、機(jī)器內(nèi)部無法快速清理、易造成不同品種籽粒混雜[1-2]。機(jī)械脫粒是提高工作效率的重要手段與必然趨勢(shì),可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、降低人工成本、提高工作效率[3-4],但也是造成育種大豆機(jī)械損傷的重要因素,影響種子的發(fā)芽、出苗,對(duì)大豆的育種工作帶來潛在危害,對(duì)精量播種技術(shù)影響更加顯著[5-6]。
隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系的發(fā)展,用于科研工作的專用大豆脫粒設(shè)備已有相關(guān)研究。侯守印等[7-8]研究的立式軸流大豆種子專用脫粒機(jī),通過開閉透明的組合外罩,對(duì)機(jī)體內(nèi)的殘留物進(jìn)行快速清理,但釘齒對(duì)大豆籽粒的打擊,易對(duì)籽粒造成破碎和機(jī)械損傷;高連興等[9]設(shè)計(jì)喂入輥軸流滾筒組合式大豆種子脫粒機(jī),滾筒上排布釘齒、弓齒和板齒3種脫粒元件,機(jī)體內(nèi)部復(fù)雜,不能快速清理,易造成種子混雜;范傳輝等[10]設(shè)計(jì)的新型小區(qū)脫粒機(jī),將板式滾筒的橫截面改為三角樣式的支撐,克服易堵塞、脫不凈的脫粒問題,但三角區(qū)域空白大,剛性脫粒材料使籽粒破碎率升高,造成籽粒的機(jī)械損傷;郝玉偉等[11]設(shè)計(jì)室內(nèi)大豆單株脫粒機(jī),采用復(fù)式滾筒結(jié)構(gòu),先由圓紋桿進(jìn)行捶打碾壓,后由弓齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行梳刷脫粒,脫粒過程長,籽粒破碎率高,且不能對(duì)機(jī)體內(nèi)部及時(shí)清理,易混種。目前的脫粒裝置多數(shù)為滾筒式,通過紋桿、釘齒等脫粒元件的打擊、梳刷、碾壓等機(jī)械作用進(jìn)行脫粒,具有脫??煽?、脫凈率高等特點(diǎn),但由于滾筒與脫粒元件為剛性材料,對(duì)大豆種子產(chǎn)生籽粒破碎和機(jī)械損傷,影響育種工作[12-13]。綜上所述,目前研制的專用脫粒機(jī)普遍存在易混雜、籽粒破碎率高、機(jī)械損傷等問題。
針對(duì)以上問題,本文研究一種柔性差速帶式單株大豆脫粒裝置,改變傳統(tǒng)的脫粒滾筒與凹板配合的脫粒方式,通過同向差速的脫粒帶,利用搓擦脫粒原理脫粒,避免大豆育種單株脫粒過程中籽?;祀s、破碎率高和機(jī)械損傷等問題,探尋該單株脫粒裝置的結(jié)構(gòu)與作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化組合,為柔性差速帶式單株大豆脫粒整機(jī)的開發(fā)提供理論依據(jù)。
柔性差速帶式單株大豆脫粒試驗(yàn)裝置如圖1所示。主要由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、脫粒裝置和脫粒帶張緊機(jī)構(gòu)組成。傳動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)帶組成。脫粒裝置由主動(dòng)滾筒、從動(dòng)滾筒、上脫粒帶、下脫粒帶等組成。上、下脫粒帶均為通用橡膠材料,脫粒帶張緊機(jī)構(gòu)由脫粒帶托輥、側(cè)板和彈簧組成,彈簧兩端拉鉤與側(cè)板和托輥連接,提供脫粒帶的張緊力,張緊力的大小改變差速脫粒帶對(duì)大豆植株作用的剪切力[14]。
圖1 柔性差速帶式單株大豆脫粒試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of single-plant soybean threshing device with differential speed flexible belts1.調(diào)速電動(dòng)機(jī) 2.傳動(dòng)帶 3.喂入口 4.機(jī)架 5.主動(dòng)滾筒 6.下脫粒帶 7.脫粒帶張緊機(jī)構(gòu) 8.脫粒帶托輥 9.上脫粒帶 10.滾筒支架 11.從動(dòng)滾筒
調(diào)速電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出軸經(jīng)傳動(dòng)帶與上下脫粒滾筒配合傳遞動(dòng)力。上、下脫粒帶分別由上下的主動(dòng)滾筒提供動(dòng)力,上、下脫粒帶的摩擦力帶動(dòng)從動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。
單株大豆由裝置上方的喂入口進(jìn)入,首先隨脫粒帶運(yùn)動(dòng),之后同時(shí)受上、下脫粒帶的摩擦力作用而進(jìn)入脫粒區(qū)間。由于上下脫粒帶同向差速運(yùn)動(dòng),單株大豆受到揉搓和擠壓作用,對(duì)大豆豆莢進(jìn)行脫粒。在脫粒區(qū)間內(nèi),上下脫粒帶未對(duì)大豆植株的主莖稈造成破壞,完成脫粒后,主莖稈在下脫粒帶的運(yùn)移作用下,排出脫粒區(qū)間,整個(gè)脫粒過程的雜余只有穎殼,易于分離除雜[15]。在脫粒區(qū)間內(nèi),下脫粒帶周期性運(yùn)動(dòng),單株的大豆主莖稈、籽粒、穎殼一次性排出脫粒區(qū)間,避免了與其他種類大豆籽粒的混雜。
脫粒間隙指上、下脫粒帶間的垂直距離,是決定脫粒質(zhì)量關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。脫粒間隙過大導(dǎo)致柔性脫粒帶無法與豆莢接觸,造成未脫凈率增加,過小則會(huì)增大其對(duì)大豆籽粒擠壓力,易導(dǎo)致籽粒破損。
以大豆豆莢為例,對(duì)一粒莢的脫粒過程進(jìn)行受力分析,如圖2所示。
圖2 脫粒區(qū)間豆莢受力分析Fig.2 Diagram of soybean pod stress analysis in threshing zone
由于大豆豆莢的支撐,上下脫粒帶會(huì)產(chǎn)生一定的變形,根據(jù)胡克定律計(jì)算脫粒帶產(chǎn)生的附加張力
(1)
式中F——脫粒帶附加張力,N
E——脫粒帶彈性模量,MPa
A——脫粒帶橫截面積,mm2
ΔL——脫粒帶附加伸長量,mm
L——脫粒帶最高點(diǎn)與未發(fā)生形變處水平距離,mm
其中影響脫粒帶附加張力的相關(guān)參數(shù)為
(2)
式中h——脫粒帶最高點(diǎn)與未發(fā)生形變處垂直距離,mm
α——脫粒帶變形與水平方向夾角,(°)
D——豆莢直徑,mm
e——脫粒間隙,mm
忽略豆莢重力,柔性脫粒帶對(duì)豆莢正壓力與摩擦力為
(3)
式中FN——脫粒帶對(duì)豆莢正壓力,N
Ff——脫粒帶對(duì)豆莢摩擦力,N
μ——脫粒帶與豆莢間摩擦因數(shù)
為保證脫粒質(zhì)量,脫粒帶與豆莢作用力滿足條件
(4)
式中FNmin——大豆籽粒破碎壓力,N
Fτmax——豆莢破壞剪切力,N
由式(1)~(4)可得到脫粒間隙應(yīng)滿足條件
(5)
脫粒裝置采用脫粒帶同向差速脫粒方式,下脫粒帶速度高于上脫粒帶。大豆豆莢會(huì)在脫粒區(qū)間內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),如圖3所示。
圖3 豆莢速度分析Fig.3 Diagram of soybean pod velocity analysis
大豆豆莢繞著虛擬中心O做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),角速度為
(6)
式中v1——上脫粒帶速度,m/s
v2——下脫粒帶速度,m/s
ω——旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s
R——虛擬中心到上脫粒帶距離,mm
脫粒行程是指大豆植株進(jìn)入脫粒區(qū)間后有效工作長度
S=v0t
(7)
其中
式中S——脫粒行程,mm
v0——平均速度,m/s
t——脫粒時(shí)間,s
豆莢旋轉(zhuǎn)角反映脫粒效果,當(dāng)旋轉(zhuǎn)角較大時(shí),脫粒效果較好。豆莢在脫粒區(qū)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)滿足
(8)
式中φ——旋轉(zhuǎn)角,rad
Δv——上下脫粒帶速度差,m/s
由式(6)~(8)可得,上、下脫粒帶速度差與旋轉(zhuǎn)角之間關(guān)系為
(9)
當(dāng)Δv大時(shí),φ越大,脫粒效果越好;當(dāng)Δv小時(shí),φ越小,脫粒效果越差。
試驗(yàn)選用的大豆品種為向陽農(nóng)場2017年栽培的黑農(nóng)48號(hào),其生長特性與基本參數(shù)如表1所示。
表1 物料基本參數(shù)Tab.1 Material basic parameters
試驗(yàn)使用主要儀器設(shè)備為:三相異步電動(dòng)機(jī)(Y90L-4型)、變頻器(E1000-0015T3型)、YB502型電子秤(精度0.01 g,上海海康電子儀器廠)、測速儀(UT371,精度±0.04%)、DGG-9070AD型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)、秒表和數(shù)碼攝像機(jī)等。參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置與脫粒作業(yè)效果如圖4所示。
圖4 參數(shù)試驗(yàn)Fig.4 Parameter experiment
試驗(yàn)于2017年11月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)中心實(shí)施。采用4因素5水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法。以脫粒間隙(x1)、上下帶速度差(x2)、下帶速度(x3)、脫粒行程(x4)為影響因素,以未脫凈率(y1)、夾帶損失率(y2)、破碎率(y3)、平均生產(chǎn)率(y4)為評(píng)價(jià)指標(biāo),共實(shí)施36組試驗(yàn)[16-20]。數(shù)據(jù)處理與分析采用Design-Expert 6.0.10軟件進(jìn)行,各試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5982—2005《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》實(shí)施,分別以3次重復(fù)的均值為測試結(jié)果[21-23]。各因素水平由預(yù)試驗(yàn)確定,因素水平編碼表與試驗(yàn)方案如表2與表3所示。表中x1、x2、x3、x4為因素編碼值。
試驗(yàn)實(shí)施過程中,上下帶速度差與下帶速度由變頻器調(diào)節(jié),脫粒間隙由絲杠調(diào)節(jié),脫粒行程通過調(diào)節(jié)脫粒帶主動(dòng)滾筒與從動(dòng)滾筒之間的距離來改變。
試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
表2 因素編碼Tab.2 Coding of factors
表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab.3 Experimental design layout and results
對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,未脫凈率y1、夾帶損失率y2、破碎率y3、平均生產(chǎn)率y4二次項(xiàng)模型(2FI)有意義(P<0.000 1),在置信度α=0.05下,進(jìn)行F檢驗(yàn),將不顯著項(xiàng)剔除后得到簡化回歸方程
(10)
(11)
(12)
(13)
對(duì)式(10)~(13)進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表4所示。由表可知,模型擬合效果好,回歸方程P>0.000 1,說明回歸方程極顯著。
圖5 各因素對(duì)未脫凈率的影響Fig.5 Response surfaces for effects of factors on loss of unthreshed grain
變異來源平方和自由度均方FP回歸21.3373.0562.6<0.0001剩余1.36280.049y1擬合0.87170.0511.160.4114誤差0.49110.044總和22.6935回歸6.3680.79102.93<0.0001剩余0.21270.0078y2擬合0.014160.00871.370.3028誤差0.07110.0063總和6.5735回歸5.690.6293.36<0.0001剩余0.17260.0067y3擬合0.13150.00842.070.1138誤差0.045110.0041總和5.7835回歸557.97779.71283.01<0.0001剩余7.89280.28y4擬合6.07170.362.160.0977誤差1.82110.17總和565.8635
參照關(guān)于多元二次回歸中各因素重要性的計(jì)算方法,經(jīng)分析計(jì)算,各因素對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)率如表5所示[24-25]。
表5 各因素對(duì)性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)率Tab.5 Contribution ratio of each factor to performance index
結(jié)果表明,各因素對(duì)未脫凈率y1的貢獻(xiàn)率由大到小依次為:上下帶速度差、脫粒間隙、下帶速度、脫粒行程;各因素對(duì)夾帶損失率y2的貢獻(xiàn)率由大到小依次為:下帶速度、脫粒間隙、脫粒行程、上下帶速度差;各因素對(duì)破碎率y3的貢獻(xiàn)率由大到小依次為:脫粒間隙、上下帶速度差、脫粒行程、下帶速度;各因素對(duì)平均生產(chǎn)率y4的貢獻(xiàn)率由大到小依次為:脫粒行程、脫粒間隙、下帶速度、上下帶速度差。
4.5.1各因素對(duì)未脫凈率的影響
各試驗(yàn)因素與未脫凈率的關(guān)系曲面如圖5所示。由圖5a可知,隨著上下帶速度差的增加,未脫凈率呈逐漸下降的趨勢(shì),這是由于上下脫粒帶同向差速運(yùn)動(dòng),差速大時(shí),大豆豆莢所受剪切力和剪切力矩增大,豆莢更容易破開,未脫凈率降低。當(dāng)上下帶速度差固定在某一數(shù)值時(shí),隨著脫粒間隙的增加,未脫凈率呈逐漸上升的趨勢(shì),這是因?yàn)?,?dāng)脫粒間隙較小時(shí),豆莢所受正壓力加大,其與上下脫粒帶接觸面積大,在摩擦因數(shù)一定時(shí),脫離元件提供的剪切力較大,脫離能力增強(qiáng),反之,脫粒間隙大時(shí),脫粒能力減弱,未脫凈率增大。
由圖5b可知,隨著下帶速度增大,未脫凈率呈逐漸上升的趨勢(shì),這是由于上下帶速度差一定時(shí),剪切力與剪切力矩一定,下脫粒帶起到脫粒和運(yùn)輸?shù)淖饔?,脫粒帶速度增大,豆莢在脫粒區(qū)間滯留時(shí)間短,部分豆莢未破開脫粒,未脫凈率高。
由圖5c可知,隨著脫粒行程的增加,未脫凈率呈緩慢下降趨勢(shì),這是由于脫粒行程增加,豆莢在脫粒區(qū)間滯留時(shí)間長,上下脫粒帶對(duì)豆莢的剪切力做功大,從而使大豆籽粒脫粒完全,未脫凈率降低。
4.5.2各因素對(duì)夾帶損失率的影響
各試驗(yàn)因素與夾帶損失率的關(guān)系曲面如圖6所示。由圖6a可知,隨著下帶速度的增加夾帶損失率呈上升的趨勢(shì),這是由于下脫粒帶起到運(yùn)輸與脫粒的作用,當(dāng)下帶速度越來越高時(shí),大豆豆莢在初始階段脫粒,在脫粒行程后期與大豆莖稈分離時(shí)間變短,大豆隨同莖稈排出裝置,夾帶損失升高。當(dāng)下帶速度固定在某一數(shù)值時(shí),隨著脫粒間隙的增加,夾帶損失呈緩慢上升的趨勢(shì),這是由于脫粒間隙增大,豆莢所受正壓力減小,其與上下脫粒帶接觸面積變小,脫粒帶提供剪切力減小,搓擦脫粒能力減弱,大豆不易與大豆莖稈和豆莢分開,隨莖稈共同排出裝置外,夾帶損失率升高。
由圖6b可知,隨著脫粒行程的增加,夾帶損失呈緩慢下降趨勢(shì),這是由于脫粒行程增大,單株大豆在脫粒區(qū)間滯留時(shí)間長,脫粒元件作用時(shí)間長,大豆籽粒與莖稈有充足的時(shí)間分離,夾帶損失率降低。
由圖6c可知,隨著上下帶速度差增加夾帶損失率呈小幅度降低。這是由于上下帶速度差增大,豆莢受到脫粒帶的剪切力增大,脫粒裝置搓擦脫粒能力強(qiáng),大豆易與莖稈分離,夾帶損失率降低。
圖6 各因素對(duì)夾帶損失率的影響Fig.6 Response surfaces for effects of factors on loss of entrap grain
圖7 各因素對(duì)破碎率的影響Fig.7 Response surfaces for effects of factors on cracked grains
4.5.3各因素對(duì)破碎率的影響
各試驗(yàn)因素與破碎率的關(guān)系曲面如圖7所示。由圖7a可知,隨著脫粒間隙的減小,破碎率呈逐漸上升的趨勢(shì)。這是由于脫粒間隙較小時(shí),豆莢所受正壓力增加,脫粒區(qū)間的單株大豆受擠壓和搓擦作用增強(qiáng),脫粒大豆未能及時(shí)通過秸稈與之分離,在脫粒區(qū)間時(shí)間增加,經(jīng)受上下脫粒帶作用時(shí)間和幾率增加,導(dǎo)致其破碎率逐漸升高。當(dāng)脫粒間隙固定為某一數(shù)值時(shí),隨著上下帶速度差的增大,破碎率呈緩慢上升的趨勢(shì),這是由于上下帶速度差增大,脫粒帶提供的剪切力增大,搓擦脫粒能力強(qiáng),大豆籽粒破碎的幾率大。
由圖7b可知,隨著下帶速度的增加,破碎率呈緩慢下降的趨勢(shì),這是由于下脫粒帶不僅為大豆脫粒提供剪切力,并起到運(yùn)輸?shù)淖饔?,?dāng)下脫粒帶速度增高時(shí),脫粒帶對(duì)大豆籽粒作用時(shí)間短,搓擦脫粒效果減小,大豆籽粒破碎率逐漸降低。
由圖7c可知,隨著脫粒行程的增加,破碎率呈緩慢增加的趨勢(shì),這是由于大豆籽粒容易與豆莢和莖稈混合,不僅受到上下脫粒帶的壓力與剪切力,還受到豆莢與莖稈的擠壓與搓擦,大豆籽粒的破碎率升高。
4.5.4各因素對(duì)平均生產(chǎn)率的影響分析
各試驗(yàn)因素與平均生產(chǎn)率的關(guān)系曲面如圖8所示。由圖8a可知,隨著脫粒間隙和上下帶速度差的增加,平均生產(chǎn)率呈逐漸上升的趨勢(shì),這是由于當(dāng)脫粒間隙增大,豆莢所受正壓力增大,當(dāng)上下帶速度差增大,豆莢所受剪切力增大,脫粒裝置搓擦脫粒能力強(qiáng),單株大豆經(jīng)過脫粒區(qū)間能夠很快脫粒,平均生產(chǎn)率升高。
圖8 各因素對(duì)平均生產(chǎn)率的影響Fig.8 Response surfaces for effects of factors on average productivity
圖9 參數(shù)優(yōu)化分析Fig.9 Parameters optimum analysis
由圖8b所示,隨著上下帶速度差和下帶速度的增加,平均生產(chǎn)率呈逐漸上升的趨勢(shì)。這是由于上下帶速度差增大,豆莢所受剪切力增大,脫粒裝置搓擦脫粒能力增強(qiáng),下帶速度增大,單株大豆通過脫粒區(qū)間的時(shí)間變短,平均生產(chǎn)率升高。
由圖8c可知,隨著脫粒行程的增加,平均生產(chǎn)率呈下降的趨勢(shì),這是由于脫粒裝置的脫粒能力一定時(shí),單株大豆經(jīng)過的脫粒行程越大,使得脫粒帶作用時(shí)間增長,平均生產(chǎn)效率降低。
4.5.5優(yōu)化分析
按照低未脫凈率、低夾帶損失率、低破碎率和高平均生產(chǎn)率的優(yōu)化原則,以各因素水平區(qū)間為約束條件[26],優(yōu)化結(jié)果如圖9所示。當(dāng)參數(shù)組合為:脫粒間隙7.55~13.00 mm,上下帶速度差0.59~0.70 m/s,下帶速度0.84 m/s,脫粒行程660 mm,未脫凈率低于1.2%,夾帶損失率低于0.9%,破碎率低于0.8%,平均生產(chǎn)率高于35 kg/h。
在優(yōu)化的最佳結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)范圍內(nèi)選取脫粒間隙9 mm,下帶速度0.84 m/s,上下帶速度差0.63 m/s,脫粒行程660 mm進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果為:未脫凈率為0.6%,夾帶損失率為0.84%,破碎率為0.67%,平均生產(chǎn)率35.32 kg/h。驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果在優(yōu)化性能指標(biāo)區(qū)間內(nèi),表明優(yōu)化結(jié)果可信。
(1)針對(duì)育種用單株大豆的脫粒需求,在理論分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一種柔性差速帶式單株大豆脫粒裝置。區(qū)別于傳統(tǒng)的剛性脫粒滾筒,采用同向差速運(yùn)動(dòng)的橡膠帶作為脫粒元件,利用搓擦脫粒原理,可實(shí)現(xiàn)脫粒過程大豆種子低損傷,無混雜。
(2)影響未脫凈率的各因素主次順序?yàn)椋荷舷聨俣炔?、脫粒間隙、下帶速度、脫粒行程;影響夾帶損失率的各因素主次順序?yàn)椋合聨俣?、脫粒間隙、脫粒行程、上下帶速度差;影響破碎率的各因素主次順序?yàn)椋好摿ig隙、上下帶速度差、脫粒行程、下帶速度;影響平均生產(chǎn)率的各因素主次順序?yàn)椋好摿P谐?、脫粒間隙、下帶速度、上下帶速度差。
(3)對(duì)于籽粒含水率在16%~18%范圍內(nèi)的大豆植株,柔性差速帶式單株大豆脫粒裝置的最佳結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)組合為:脫粒間隙7.55~13.00 mm,上下帶速度差0.59~0.70 m/s,下帶速度0.84 m/s,脫粒行程660 mm,此時(shí)未脫凈率低于1.2%,夾帶損失率低于0.9%,破碎率低于0.8%,平均生產(chǎn)率高于35 kg/h。