周福君 官曉東 唐遵峰 吳 昊

(1.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030; 2.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司， 北京 100083)

0 引言

鮮食玉米一般指甜玉米、糯玉米等[1-2]，這些品種的玉米口感甜糯可直接食用，也可后續(xù)加工成玉米飲料等商品，其營養(yǎng)價值高，受到廣大消費者喜愛，因此鮮食玉米具有較大的市場空間。由于鮮食玉米經(jīng)濟價值高，其種植面積逐年擴大。但我國鮮食玉米果穗收獲機械化水平較低，現(xiàn)有機械作業(yè)時果穗破碎，收獲后含雜量較高，混有莖稈、莖葉等雜質(zhì)，影響后續(xù)鮮食玉米的深加工作業(yè)[3]。因此，在鮮食玉米果穗收獲機上設置除雜裝置十分必要。

目前，針對除雜清選作業(yè)有氣流清選、壓氣法、振動篩清選、靜電選分[4]等多種方式。徐立章等[5]對谷物聯(lián)合收獲機精選技術(shù)進行了分析，對振動篩和氣流清選做了詳細分析，為本裝置的設計提供了理論依據(jù)。張俊三等[6]在牧神4YZT-7型自走式玉米籽粒收獲機上應用了風扇篩式清選裝置，王立軍等[7]對玉米清選組合孔篩體進行了設計與試驗，二者均采用振動方式將谷物與雜質(zhì)分離。但鮮食玉米收獲時果穗含水率高，應采取果穗收獲方式，采用振動式和機械式除雜的方法會對果穗籽粒造成機械損傷，影響鮮食玉米的經(jīng)濟價值，因此選用氣流除雜的方式較為合適。權(quán)新濤[8]發(fā)明了一種玉米聯(lián)合收獲機果穗風選裝置，當果穗從升運器掉落時將雜葉吹出，但無法去除質(zhì)量較大的莖稈。王克恒等[9]發(fā)明了玉米收獲機用吸風式排雜裝置，利用風機負壓將雜葉吸入，通過風機葉輪旋轉(zhuǎn)將雜葉打碎，對折斷的莖稈除雜效果較差。張銀平等[10]對穗莖兼收玉米收獲機莖稈切碎與輸送裝置進行了設計與試驗，轉(zhuǎn)子銑刀切割器作為莖稈的切斷裝置，為本文在除雜裝置中增加切碎機構(gòu)提供了思路。張喜瑞等[11]對4YZT-2型自走式鮮食玉米對行收獲機進行了設計與試驗，但未對摘下的果穗進行清雜。美國Pixall有限公司研究了一種鮮食甜玉米收獲機械[12]，采用獨立的、雙控制多葉片轉(zhuǎn)子葉輪清洗風扇進行除雜，除雜效果較好，但對除雜后的雜質(zhì)未進行處理。唐遵峰等[13]研究了一種制種玉米種穗收獲機，利用負壓氣流進行清選，但鮮食玉米莖稈與制種玉米的莖稈含水率差異較大，不適用于鮮食玉米收獲除雜。目前，針對鮮食玉米果穗收獲的除雜裝置研究較少，現(xiàn)有的鮮食玉米收獲機大多采用玉米收獲機上的風選裝置進行除雜，由于收獲的玉米種類不同，莖稈特性差異較大，導致除雜不凈、除雜效果較差。負壓清雜不會對果穗造成損傷，在農(nóng)業(yè)收獲機械除雜中應用較為廣泛。鮮食玉米果穗含水率較高，籽粒易損傷，負壓除雜能保證鮮食玉米的品相完好，提高鮮食玉米的經(jīng)濟價值。國內(nèi)對鮮食玉米果穗收獲、負壓除雜，同時進行莖稈切碎處理的研究尚未見報道。

本文研究旨在提高鮮食玉米果穗收獲的清潔度。根據(jù)鮮食玉米果穗收獲對果穗含雜率和雜質(zhì)切碎合格率的要求，本文對軸流式負壓除雜裝置的性能進行理論分析，對定刀切割莖稈進行力學分析，并對動刀進行動力學分析。為了保證裝置不發(fā)生堵塞，且莖稈切碎長度能夠達到要求，確定動、定刀數(shù)量及刀間隙，結(jié)合臺架試驗對裝置的參數(shù)進行優(yōu)化，在滿足機器作業(yè)效率和降低功耗的條件下達到降低果穗含雜率的目的，并保證雜質(zhì)切碎合格率滿足國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

1 裝置設計

1.1 裝置構(gòu)成

鮮食玉米軸流式風機除雜裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝置主要由風機外殼、風機葉輪、風機軸、吸雜導流罩、排雜導流罩、定刀、動刀等組成。風機外殼的正下方安裝吸雜導流罩，圓周方向安裝排雜導流罩，風機葉輪與風機軸焊合，與風機外殼相配合，風機外殼下部靠近吸雜導流罩的位置沿圓周方向均勻分布定刀，風機軸套安裝動刀，動刀與定刀在豎直方向上交錯排列。

圖1 軸流風機除雜裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of impurity removal device of axial flow fan1.風機軸 2.風機外殼 3.吸雜導流罩 4.定刀 5.動刀 6.風機葉輪 7.排雜導流罩

1.2 工作原理

裝置作業(yè)時，電機通過V型傳動帶帶動風機軸轉(zhuǎn)動，風機軸帶動風機葉輪和動刀高速旋轉(zhuǎn)，當轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，風機葉輪會形成負壓氣流場，物料輸送裝置將通過鮮食玉米收獲機割臺摘取的物料運送至吸雜導流罩下方區(qū)域時，物料中的殘葉、莖稈等雜質(zhì)會隨著氣流沿吸雜導流罩被吸入裝置中，雜質(zhì)經(jīng)過動刀旋轉(zhuǎn)區(qū)域時，動刀與定刀會將進入的雜質(zhì)切碎，切碎后的雜質(zhì)在風機葉輪的拋送和切流風的作用下沿切流風經(jīng)排雜導流罩排出裝置。借鑒環(huán)衛(wèi)設備中已有大量應用[14-16]，可證明裝置的可行性。

1.3 風機轉(zhuǎn)速的確定

本裝置的主要作用是將物料中的雜質(zhì)通過軸流負壓[17-18]和切流正壓[19]的氣流場完成作業(yè)[20]，裝置工作示意圖如圖2所示。

圖2 裝置工作示意圖Fig.2 Schematic of device

裝置的主要工作參數(shù)是風機轉(zhuǎn)速，風機轉(zhuǎn)速由除雜作業(yè)所需的風力確定，計算式為

(1)

(2)

Fw=G

(3)

(4)

(5)

(6)

式中Q——風機流量，m3/s

D——葉輪直徑，m

Fw——風機風力

B——葉輪寬度，m

μ——葉輪圓周速度，m/s

S——風機橫截面積，m2

ρ——空氣密度，取1.29 kg/m3

vw——入口處風速，m/s

G——雜質(zhì)中單個長莖稈重力，N

nw——風機轉(zhuǎn)速，r/min

A——莖稈截面積，m2

pd——風機動壓，Pa

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設計手冊》設計得本裝置葉輪直徑D=0.600 m，葉輪寬度B=0.175 m，風機吸雜導流罩橫截面積S=0.040 m2，根據(jù)對莖稈的物理特性研究得到長莖稈的質(zhì)量約為98 g，莖稈的直徑為34 mm，計算可求得風機轉(zhuǎn)速理論值為1 416 r/min，此時動壓約為1 077 Pa，由于風機工作時在物料與斷面處會產(chǎn)生流動損失[21]，導致風機效率下降5%～10%，進而得風機轉(zhuǎn)速范圍為1 490～1 573 r/min。

1.4 動刀切碎雜質(zhì)力學分析

裝置中動定刀的作用是切碎通過負壓流場吸上來的雜質(zhì)[22-23]，切碎效果好，風機更易將雜質(zhì)吸入。當動刀隨著風機軸做高速旋轉(zhuǎn)運動時，動刀刀刃具有很高的切割速度[24-25]，為了防止動刀發(fā)生突然斷裂，動刀與風機軸采用甩刀方式連接[26]。高速旋轉(zhuǎn)時，兩側(cè)動刀因離心力的作用，在徑向上處于同一直線，同風機軸形成旋轉(zhuǎn)整體。當切割物料中含雜質(zhì)時，動刀切碎莖稈時受力分析如圖3所示。

圖3 切碎莖稈受力分析圖Fig.3 Stress analysis of crushed stem

根據(jù)受力平衡條件，可得到方程

(7)

N2=T2

(8)

(9)

式中T1——定刀切碎莖稈所需的力，N

N——莖稈垂直方向上的支反力，N

N1、N2——莖稈對刃面的壓力，N

φ——莖稈與刃面摩擦角，取30.6°

α——刀刃刃角，取21.8°

T2——莖稈內(nèi)部連接力，N

通過對鮮食玉米莖稈進行力學試驗，經(jīng)分析計算可以得到莖稈垂直方向上的支反力約為635 N，莖稈內(nèi)部連接力約為154 N，定刀切碎莖稈所需的力約為878 N。動刀旋轉(zhuǎn)時動力學分析如圖4所示。

圖4 動刀旋轉(zhuǎn)時動力學分析圖Fig.4 Dynamic analysis of knife rotation

當動刀切碎雜質(zhì)時，動刀會克服切碎雜質(zhì)的阻力做功，使動刀在圓周方向上產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，之后會在離心力的作用下復位，通過理論力學分析，可得到相對于銷軸的力矩平衡方程為

T1=F

(10)

FL4=mω2L1L3sinθ+fmω2R1r

(11)

L4=L2cosθ

(12)

式中F——克服切碎雜質(zhì)的阻力，N

L2——銷軸中心線到動刀端部徑向長度，mm

m——動刀質(zhì)量，kg

L4——動刀長度，mm

ω——風機軸角速度，rad/s

L1——風機軸中心線到銷軸中心線的徑向長度，mm

L3——銷軸中心線到動刀重心徑向長度，mm

θ——動刀運動時產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角，(°)

f——動刀與銷軸的摩擦因數(shù)，取0.1

R1——動刀重心到風機軸中心線的徑向長度，mm

r——銷軸半徑，mm

通過式(10)～(12)推導可得

(13)

確定定刀形狀尺寸和安裝位置后，可以得到L1=109 mm，L2=100 mm，L3=53 mm，r=4.5 mm，定刀作業(yè)時，偏轉(zhuǎn)角過大會造成莖稈無法切斷，通過查閱資料可知θ<38°，并對偏轉(zhuǎn)角θ求極限確定風機軸最小轉(zhuǎn)速得到n=1 326 r/min，從而得到風機軸轉(zhuǎn)速在1 326～1 573 r/min之間時，能夠保證莖稈被切碎。

1.5 動、定刀間隙的確定

裝置在切碎莖稈作業(yè)時，為了保證莖稈切碎長度的合格率[27]，動、定刀的安裝位置在軸向上采取交錯排列的安裝方式，在莖稈被吸入裝置進行切碎時形成夾持較牢固的三點彎曲夾持，使莖稈更易被切碎，在對莖稈進行切碎但沒有完全切斷時，莖稈在作用力P0的作用下產(chǎn)生彎曲，為了保證切碎質(zhì)量，刀間隙應滿足

(14)

式中E——莖稈彈性模量，MPa

I——莖稈截面慣量，cm4

Δs——動、定刀間隙，mm

ωj——莖稈彎曲撓度，mm

L——定刀長度，mm

通過莖稈的物理特性試驗得到莖稈的彈性模量為4.12 MPa，莖稈的截面慣量為6.55 cm4，莖稈的彎曲撓度為4 mm時，莖稈發(fā)生斷裂，此時算出Δs為23 mm，為了能夠保證裝置的安全性，動定刀間隙應不小于18 mm，故Δs在18～23 mm范圍內(nèi)時，動定刀切碎莖稈合格率性能較好，綜合考慮動、定刀間隙取20 mm。

1.6 定刀數(shù)

當動刀與葉輪同軸轉(zhuǎn)動時，動刀數(shù)量過多會造成堵塞，因此動刀采用“一”字形安裝方式，通過改變周向定刀的數(shù)量，來保證莖稈的切碎長度，莖稈的理論切碎長度

(15)

式中l(wèi)——切碎莖稈長度，mm

Dw——風機導流罩直徑，mm

z——圓周方向定刀數(shù)

Δx——莖稈在切碎區(qū)域的位移，mm

v——莖稈進入吸雜導流罩速度，m/s

根據(jù)農(nóng)藝要求，莖稈的理論切碎長度為5 cm，本裝置的風機吸雜導流罩直徑Dw為400 mm，根據(jù)分析當莖稈勻速進入裝置時速度v=4.8 m/s，切割區(qū)域軸向?qū)挾葹?0 mm，通過計算滿足莖稈切碎長度的單排定刀數(shù)最少為3，由于受到吸雜導流罩直徑[28-30]的限制，數(shù)量最多為8，通過計算得出定刀數(shù)目z在3～8之間，可保證莖稈的切碎長度理論上滿足行業(yè)規(guī)范要求。

2 參數(shù)優(yōu)化試驗

2.1 試驗材料

試驗所需的鮮食玉米植株種植于東北農(nóng)業(yè)大學向陽試驗基地，鮮食玉米的品種為五彩糯，用于試驗的物料為經(jīng)鮮食玉米收獲機割臺收獲后的混合物料，其中距離莖稈頂端約400 mm的殘余莖稈為長莖稈，其余細小莖稈為短莖稈，其中物料由質(zhì)量分數(shù)76%的鮮食玉米果穗、5%的長莖稈、13%的短莖稈、6%的莖葉(包含其他輕雜)組成，其中鮮食玉米果穗的含水率在60%左右。試驗材料如圖5所示。

圖5 試驗材料Fig.5 Test material sample

2.2 試驗材料力學參數(shù)測定

試驗材料的力學參數(shù)與試驗關(guān)系密切，利用WDW-S型萬能材料試驗機對試驗材料進行剪切試驗和彎曲試驗，選取量程為0～5 kN，速度為5 mm/min的萬能試驗機。將試驗材料制成試樣，試樣均為鮮食玉米莖稈的中上部，經(jīng)測量平均含水率約為63%，平均直徑為34 mm，密度約0.24 g/cm3，對上述試驗試樣進行5次重復力學特性試驗。

采用雙面剪切的試驗方法對莖稈進行剪切試驗，如圖6所示。

圖6 剪切試驗Fig.6 Shear test

通過材料力學公式計算剪切強度，計算式為

(16)

式中τ——剪切強度，MPa

F1——莖稈剪切力，N

采用三點彎曲的試驗方法對莖稈進行彎曲試驗，計算式為

(17)

式中 ΔF——載荷增量，N

Δεa——軸向應變增量

通過公式計算得到試驗材料的力學特性為最大剪切力878 N，剪切強度4.5 MPa，彈性模量4.12 MPa，截面模量6.55 cm4。

2.3 試驗條件

試驗裝置主要由扭矩傳感器、風壓測量儀、風速計、無紙記錄儀、電動機、變頻器等組成。電動機選用浙江齒輪減速電機有限公司生產(chǎn)的YH160L-4型三相異步電動機，電動機額定轉(zhuǎn)速為1 680 r/min，電動機與風機軸之間采用V型帶傳動，本試驗裝置的臺架試驗于2019年9月在黑龍江省北方寒地現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)重點實驗室進行，將試驗材料均勻放置在托盤上，托盤下方安置地輪，利用牽引裝置使地輪勻速運動，試驗現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 試驗現(xiàn)場圖Fig.7 Photo of test site1.軸流式負壓風機 2.變頻器 3.計算機 4.扭矩測量儀 5.電機 6.扭矩傳感器

2.4 試驗指標

本裝置主要是對鮮食玉米果穗進行除雜并保證切碎莖稈的質(zhì)量，目前針對鮮食玉米果穗收獲尚無國家標準，本文采用GB/T 21962—2008《玉米收獲機械 技術(shù)條件》中果穗含雜率為試驗指標，NY/T 2088-2011《玉米青貯收獲機 作業(yè)質(zhì)量》中的莖稈切碎長度為試驗指標。

收集經(jīng)過風機作業(yè)后的物料，測得物料中雜質(zhì)質(zhì)量和物料總質(zhì)量,兩者比值為果穗含雜率，計算式為

(18)

式中Gn——果穗含雜率，%

Wn——雜質(zhì)質(zhì)量，g

Wp——經(jīng)過風機作業(yè)后的物料總質(zhì)量，g

收集經(jīng)排雜導流罩排出的莖稈，其中長度大于50 mm的莖稈為不合格莖稈，測得其總質(zhì)量，再測排出雜質(zhì)的總質(zhì)量，計算莖稈切碎長度合格率為

(19)

式中η——莖稈切碎長度合格率，%

m1——不合格莖稈質(zhì)量，g

M——排出雜質(zhì)的總質(zhì)量，g

2.5 試驗方案

裝置前期進行了單因素優(yōu)化試驗，由于試驗材料與吸風口的距離過大，在風機轉(zhuǎn)速理論范圍內(nèi)，會導致裝置除雜作業(yè)效果不明顯；而當試驗材料均勻鋪在托盤上時會有一定的高度，試驗材料與吸風口的距離過小，吸雜導流罩會擋住部分試驗材料，使部分雜質(zhì)無法進入吸風口，故采用黃金分割法確定試驗材料上表面與吸風口的距離為40 mm。為了對裝置的參數(shù)進行優(yōu)化，選取風機轉(zhuǎn)速、定刀數(shù)、喂入量作為試驗因素，采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設計對參數(shù)進行優(yōu)化[31]，由裝置理論分析得到風機轉(zhuǎn)速范圍為1 326～1 573 r/min；單排定刀數(shù)在3～8之間；通過查閱資料得到，四行鮮食玉米收獲機正常作業(yè)時前進速度為5.5～12.5 km/h，由于無法將裝置安裝在鮮食玉米收獲機上進行試驗，故當鮮食玉米收獲機在此作業(yè)速度范圍時，收獲標準種植規(guī)模地塊所得到的物料質(zhì)量，通過計算得到裝置喂入量在6～14 kg/s，將試驗材料均勻放置在托盤上，通過牽引裝置控制托盤的前進速度，根據(jù)Design-Expert軟件可以確定各試驗因素水平,試驗因素編碼如表1所示。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Experimental factor coding

2.6 試驗結(jié)果分析

根據(jù)Design-Expert軟件確定試驗方案，通過臺架試驗測得試驗結(jié)果，試驗方案與結(jié)果如表2所示(x1、x2、x3為因素編碼值)，根據(jù)試驗方案所需物料總質(zhì)量為889 kg，本文主要針對物料中的雜質(zhì)進行處理，故鮮食玉米果穗可重復使用，鮮食玉米果穗總質(zhì)量約為160 kg，雜質(zhì)總質(zhì)量為729 kg。累計作業(yè)時間為345 s，在裝置作業(yè)時沒有發(fā)現(xiàn)因粘度造成裝置堵塞的問題。

表2 試驗方案與結(jié)果Tab.2 Test scheme and results

x2x3對莖稈切碎長度合格率Y1的影響顯著(0.01≤P≤0.05)，x1x2對莖稈切碎長度合格率Y1的影響不顯著(P>0.1)，將此項作為殘差項，在莖稈切碎長度合格率Y1的回歸方程中將此項除去可得出Y1的回歸方程為

(20)

檢驗此回歸方程的擬合度，得到P=0.805 0，說明該二次回歸模型可以描述試驗指標Y1。

(21)

檢驗此回歸方程的擬合度，得到P=0.306 9，說明該二次回歸模型可以描述試驗指標Y2。

表3 莖稈切碎長度合格率和果穗含雜率的方差分析Tab.3 Variance analysis of qualified rate of shattered stem length and grain impurity rate

圖8 響應曲面分析圖Fig.8 Response surface analysis diagrams

根據(jù)各因素與試驗指標對應的回歸方程，進一步優(yōu)化數(shù)據(jù)，得到交互項對試驗指標的響應分析圖，如圖8所示。風機轉(zhuǎn)速和喂入量的交互作用對莖稈切碎長度合格率的影響如圖8a所示，當定刀數(shù)為6，喂入量一定時，莖稈切碎長度合格率隨風機轉(zhuǎn)速的增大呈先下降后上升的趨勢，原因是風機轉(zhuǎn)速的增大對莖稈的吸入量增多，動刀的轉(zhuǎn)速不足以對全部莖稈完全切碎，伴隨著動刀轉(zhuǎn)速不斷增大吸入量增長緩慢時，動刀對莖稈切割的頻率增加使合格率上升；當風機轉(zhuǎn)速一定時，莖稈切碎長度合格率隨喂入量的增加而下降，原因是喂入量增大導致吸入莖稈增多，動刀的動力不足。喂入量和定刀數(shù)的交互作用對莖稈切碎長度合格率如圖8b所示，當風機轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，定刀數(shù)一定時，莖稈切碎長度合格率隨著喂入量的上升而降低，原因是喂入量的增大導致吸入莖稈增加，定刀數(shù)和風機轉(zhuǎn)速一定時，莖稈同時進入，使動刀作業(yè)時間增加，莖稈向上運動位移變大，使莖稈切碎長度合格率降低。

對于果穗含雜率Y2，風機轉(zhuǎn)速和定刀數(shù)的交互作用對果穗含雜率的影響如圖8c所示，當喂入量為10 kg/s時，風機轉(zhuǎn)速一定，果穗含雜率隨定刀數(shù)的增加呈略微升高的趨勢，導致此趨勢的主要原因是定刀數(shù)的增加減少了吸雜導流罩的橫截面積，使雜質(zhì)不易進入裝置；當定刀數(shù)一定時，隨著風機轉(zhuǎn)速的增加果穗含雜率不斷降低，原因是風機轉(zhuǎn)速增加，莖稈進入裝置的速度增加，使果穗含雜率降低。喂入量和風機轉(zhuǎn)速的交互作用對果穗含雜率的影響如圖8d所示，當定刀數(shù)為6時，風機轉(zhuǎn)速一定，果穗含雜率隨喂入量增加呈先降低后上升趨勢，原因是當喂入量較小時，裝置可以大量除雜，而喂入量逐漸變大，導致物料中雜質(zhì)增加，但裝置吸入的雜質(zhì)不變使果穗含雜率上升；當喂入量一定，果穗含雜率隨風機轉(zhuǎn)速增大呈降低趨勢，原因是風機轉(zhuǎn)速增加使裝置對雜質(zhì)的吸力增大，除雜性能提升。喂入量和定刀數(shù)的交互作用對果穗含雜率的影響如圖8e所示，當風機轉(zhuǎn)速為1 450 r/min時，當喂入量一定，隨著定刀數(shù)的增加果穗含雜率上升，原因是定刀數(shù)過多時吸雜導流罩周向空間減小，有一部分雜質(zhì)重新落在物料堆中；當定刀數(shù)一定，隨喂入量增加果穗含雜率上升，原因是物料中的雜質(zhì)增多使果穗含雜率上升。

2.7 各因素對試驗指標影響的主次分析

因試驗指標的回歸方程為多元非線性模型，因此采用因素貢獻率來確定各因素對試驗指標的相對重要程度[32-33]，通過計算因素貢獻率的方法確定影響的主次順序，該數(shù)學模型為

(22)

由目標函數(shù)各項對應的F值計算得出貢獻率

(23)

(24)

式中Δj——因素對試驗指標的貢獻率

δj——第j個因素一次項貢獻率

δjj——第j個因素二次項貢獻率

δij——第j個因素交互項貢獻率

計算各試驗指標的因素貢獻率，結(jié)果如表4所示，對試驗指標莖稈切碎長度合格率Y1的貢獻率從大到小依次為喂入量、風機轉(zhuǎn)速、定刀數(shù)，對果穗含雜率Y2的貢獻率從大到小依次為風機轉(zhuǎn)速、喂入量、定刀數(shù)。

表4 各因素對試驗指標的貢獻率Tab.4 Contribution rate of each factor to each test index

2.8 工作參數(shù)優(yōu)化

綜合二次回歸模型、響應曲面分析和對裝置作業(yè)時的要求，為各試驗因素設定約束同時建立數(shù)學模型

(25)

利用Optimization模塊進行優(yōu)化分析，在試驗因素的約束區(qū)間，對其最優(yōu)水平進行選取，得出當風機轉(zhuǎn)速為1 524 r/min、定刀數(shù)為4、喂入量為7.6 kg/s時，莖稈切碎長度合格率為96.8%，果穗含雜率為0.69%。

通過驗證試驗對優(yōu)化后的組合進行5組重復試驗驗證，將本裝置架在土槽(視為果穗輸運器)正上方，在土槽上放置臺架，臺架上均勻鋪放割臺收獲后的物料，使物料層上表面與風機導流罩距離為40 mm，每米鋪放物料為3.8 kg，將土槽前進速度設為2 m/s，保證物料喂入量為7.6 kg/s，在風機轉(zhuǎn)速為1 524 r/min、定刀數(shù)為4的條件下進行驗證試驗，驗證試驗現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 驗證試驗現(xiàn)場圖Fig.9 Photo of verification test

對試驗結(jié)果計算平均值，莖稈切碎長度合格率為96.2%，果穗含雜率為0.71%，根據(jù)公式

(26)

可知驗證試驗中莖稈切碎長度合格率方差為4×10-5%2，果穗含雜率方差為2×10-8%2，根據(jù)方差值可知，數(shù)據(jù)浮動程度較小，重復試驗結(jié)果的平均值可信度較高，與優(yōu)化結(jié)果中莖稈切碎長度合格率誤差為0.06%，與果穗含雜率誤差為0.02%，此誤差為環(huán)境因素產(chǎn)生的誤差，在系統(tǒng)誤差范圍之內(nèi)，與Design-Expert優(yōu)化結(jié)果基本一致。本裝置使果穗含雜率降低了約23.3%，大大提高了收獲后果穗清潔度。裝置對雜質(zhì)的作業(yè)質(zhì)量與現(xiàn)有青飼粉碎機[34]作業(yè)質(zhì)量相比，試驗效果較好。滿足青貯玉米收獲機相關(guān)要求。

根據(jù)公式

(27)

式中T——扭矩(通過扭矩傳感器測得)，N·m

P——功率，kW

當風機轉(zhuǎn)速達到1 524 r/min時，測得扭矩為44 N·m，求得功率P約為7 kW。通過查閱資料可知，以美國十方公司鮮食玉米果穗收獲機為例，收獲機總動力為125 kW，約占四行鮮食玉米收獲機5%。當鮮食玉米果穗收獲機在玉米達到標準種植規(guī)模地塊作業(yè)時，收獲的物料質(zhì)量達到7.6 kg/s時，機具作業(yè)速度理論上可以達到7 km/h，滿足四行鮮食玉米收獲機要求。

3 結(jié)論

(1)針對鮮食玉米果穗收獲機收獲后果穗含雜率高等問題，對軸流式負壓風機除雜裝置進行了性能分析，在吸雜導流罩處增加雜質(zhì)切碎裝置，保證在提高果穗清潔度的同時使雜質(zhì)切碎長度合格。

(2)通過對動、定刀進行動力學分析，以及對動、定刀數(shù)和刀間隙進行分析，得到裝置作業(yè)時風機轉(zhuǎn)速的范圍為1 326～1 573 r/min，定刀數(shù)為3～8，動、定刀間隙取20 mm。

(3)選取風機轉(zhuǎn)速、定刀數(shù)、喂入量為試驗因素，以果穗含雜率和莖稈切碎長度合格率為試驗指標，采用二次回歸正交組合試驗方案進行臺架試驗，結(jié)果表明，影響果穗含雜率的主次順序依次為喂入量、風機轉(zhuǎn)速、定刀數(shù)，影響莖稈切碎長度合格率的主次順序依次為風機轉(zhuǎn)速、喂入量、定刀數(shù)。

(4)建立了參數(shù)優(yōu)化數(shù)學模型，通過優(yōu)化得到風機轉(zhuǎn)速為1 524 r/min、定刀數(shù)為4、喂入量為7.6 kg/s時，試驗指標為最優(yōu)。通過5組驗證試驗得出，莖稈切碎長度合格率平均值為96.2%，果穗含雜率平均值為0.71%。負壓除雜使收獲后的鮮食玉米果穗含雜率降低了約23.3%，能夠滿足鮮食玉米收獲機相關(guān)要求，莖稈切碎質(zhì)量能夠滿足青貯玉米收獲機相關(guān)要求。