［摘 要］ 根據(jù)脫粒滾筒不同部位的脫粒要求，利用軟件Solidworks設(shè)計(jì)了一種組合式脫粒滾筒。使用軟件EDEM對(duì)脫粒裝置進(jìn)行了脫粒仿真試驗(yàn)設(shè)置；以滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和導(dǎo)向板升角作為試驗(yàn)變量，脫粒裝置的含雜率、損失率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行單因素脫粒仿真試驗(yàn)，初步了解了滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和導(dǎo)向板升角對(duì)脫粒性能影響的規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，選擇合適的因子水平進(jìn)行三因子三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，得到脫粒裝置含雜率和損失率的回歸模型，并確定了組合式脫粒裝置的最佳參數(shù)組合：滾筒轉(zhuǎn)速354 r/min、脫粒間隙29 mm、導(dǎo)向板升角25°；最后在最優(yōu)參數(shù)組合的條件下，通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的脫粒裝置的優(yōu)越性。

［關(guān)鍵詞］ 蠶豆； 離散元法； 脫粒裝置； 參數(shù)優(yōu)化

［中圖分類號(hào)］ S225.6" ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A

脫粒裝置是組成聯(lián)合收獲機(jī)的關(guān)鍵部件之一。脫粒裝置直接影響著聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離效果，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)對(duì)脫粒裝置的工作性能也有著巨大影響。因此，為了獲得最佳脫粒分離效果，對(duì)脫粒裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化是很有必要的。離散元法（DEM）是一種基于不連續(xù)性假設(shè)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法[1]。離散元仿真能夠在一定程度上替代繁雜的田間試驗(yàn)，從而節(jié)約時(shí)間和精力，簡(jiǎn)化樣機(jī)研制工序，降低設(shè)計(jì)成本。另外其可視性好，能夠展示動(dòng)態(tài)工作過(guò)程，并進(jìn)行仿真計(jì)算分析，為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)提供詳實(shí)的直觀信息和關(guān)鍵數(shù)據(jù)[2-5]。

耿端陽(yáng)[6]等設(shè)計(jì)了一種橫軸流式玉米柔性脫粒裝置，通過(guò)單因素試驗(yàn)和最優(yōu)參數(shù)組合對(duì)比試驗(yàn)，得到了脫粒裝置的最優(yōu)參數(shù)組合；高國(guó)華等[7]設(shè)計(jì)了一臺(tái)多槽連續(xù)自動(dòng)收獲機(jī)，搭建了刀具蔬菜摩擦因數(shù)測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)離散元的方法對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行仿真試驗(yàn)與分析，并結(jié)合正交試驗(yàn)方法對(duì)刀具的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；王鋒等[8]設(shè)計(jì)了一種半夏收獲機(jī)，利用EDEM軟件對(duì)篩分過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，驗(yàn)證了參數(shù)選擇的合理性；Zhuang Zhao等[9]設(shè)計(jì)了一種油莎草反旋挖裝置，建立了土壤油莎草塊莖油莎草根系的團(tuán)聚體模型，并對(duì)不同土層下的油莎草團(tuán)聚體進(jìn)行了離散元仿真試驗(yàn)，通過(guò)離散單仿真和野外采收試驗(yàn)，確定了油莎草反旋挖裝置的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)；Dongming ZHANG等[10]建立了谷子離散元仿真模型，通過(guò)谷子脫粒仿真試驗(yàn)，對(duì)桿齒式脫粒滾筒和紋桿式脫粒滾筒進(jìn)行對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種桿齒紋桿組合式脫粒滾筒，確定了組合脫粒滾筒的最佳參數(shù)組合。

目前基于離散元法的收獲機(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化領(lǐng)域中暫無(wú)針對(duì)蠶豆收獲機(jī)的研究，本研究設(shè)計(jì)了一種組合式脫粒滾筒，以脫粒裝置的含雜率與損失率為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)離散元法對(duì)脫粒裝置進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分析得到適合蠶豆收獲機(jī)脫粒裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，填補(bǔ)了蠶豆收獲機(jī)研究的空白，為蠶豆收獲機(jī)的樣機(jī)研制提供參考。

1 軸流脫粒裝置總體結(jié)構(gòu)

1.1 軸流脫粒裝置總體結(jié)構(gòu)及工作原理

軸流脫粒裝置的關(guān)鍵部件包括帶導(dǎo)向板的頂蓋、螺旋喂入頭、脫粒滾筒、凹板篩、收集箱，如圖1所示。

1-帶導(dǎo)向板的頂蓋；2-螺旋喂入頭；3-收集箱；4-凹板篩；5-脫粒滾筒圖 1 脫粒裝置

其工作原理為作物由喂入口進(jìn)入脫粒裝置，經(jīng)螺旋喂入頭的推送，作物由原來(lái)的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成繞脫粒滾筒軸線的螺旋運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入由頂蓋、脫粒滾筒和凹板篩組成的脫粒室，在脫粒元件的梳刷、擊打、揉搓等作用下，蠶豆籽粒從蠶豆莢中脫出，與蠶豆植株分離；同時(shí)蠶豆與秸稈在滾筒與導(dǎo)向板的作用下沿著滾筒軸線方向作螺旋運(yùn)動(dòng)，流過(guò)脫粒裝置。高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使蠶豆籽粒、豆莢、碎葉、碎秸稈等通過(guò)凹板篩分離出來(lái)，秸稈則從脫粒滾筒末端的排草口排出[11]。

1.2 螺旋喂入頭

螺旋喂入頭是聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置的重要組成部分，起到將從輸送裝置輸送過(guò)來(lái)沿直線運(yùn)動(dòng)的作物迅速推送、換向做螺旋運(yùn)動(dòng)的作用。常見(jiàn)的螺旋喂入頭由錐形頭與螺旋葉片組成，錐形頭喂入口較寬，有利于作物的喂入；螺旋葉片的多少影響著抓取的能力和作物喂入的均勻程度。螺旋葉片過(guò)少，容易造成作物輸入不均勻；螺旋葉片過(guò)多，由于螺旋喂入頭高速旋轉(zhuǎn)，在喂入端會(huì)形成一個(gè)“封閉”平面，不利于作物的抓取[12]。本文采用雙頭螺旋喂入頭，螺旋喂入頭的錐形頭小端直徑為220 mm，大端直徑為500 mm，螺旋葉片外徑為600 mm。

1.3 脫粒滾筒外形尺寸確定

脫粒滾筒的直徑和長(zhǎng)度大小與脫粒、分離裝置的通過(guò)能力密切有關(guān)。直徑過(guò)小，凹板篩脫粒分離面積較小，易發(fā)生堵塞，且蠶豆秸稈較長(zhǎng)，滾筒直徑過(guò)小會(huì)導(dǎo)致蠶豆秸稈纏繞在滾筒上；直徑過(guò)大，可增加脫粒分離面積，但滾筒質(zhì)量增大，機(jī)具負(fù)荷升高。

脫粒滾筒長(zhǎng)度越大，允許蠶豆的投入量越大，同時(shí)由于滾筒長(zhǎng)度變長(zhǎng)，脫粒元件的數(shù)量就越多，脫粒元件與蠶豆間的沖擊、擠搓、摩擦也越多，容易造成蠶豆籽粒與秸稈破碎，導(dǎo)致蠶豆收獲機(jī)破碎率與含雜率升高。

目前市場(chǎng)上的軸流滾筒式脫粒裝置其滾筒工作長(zhǎng)度一般為1～3 m，滾筒直徑大多為550～650 mm。由于蠶豆喂入量較小麥與水稻相對(duì)較小，經(jīng)計(jì)算并結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)，本文脫粒滾筒工作長(zhǎng)度L取1850 mm，滾筒直徑D取600 mm。

1.4 脫粒元件的選型與排布及碰撞過(guò)程分析

1.4.1 脫粒元件的選型與排布 根據(jù)脫粒滾筒不同部位的脫粒要求，將其分為梳整段L1、脫粒段L2、脫粒分離段L3和逐稿段L4。梳整段作為脫粒滾筒的前端部分，主要起到將較厚作物層拉薄、拉松的作用，提高籽粒的脫粒效果；脫粒段主要起脫粒作用，大部分蠶豆在此處完成脫粒；脫粒分離段主要起到將蠶豆籽粒與莖稈分離的作用，同時(shí)還肩負(fù)著使部分較難脫粒的、還未脫粒的蠶豆籽粒完成脫粒工作；逐稿段主要是將蠶豆莖稈、碎葉等雜質(zhì)從脫粒滾筒中排出。

在脫粒滾筒梳整段，紋桿式脫粒元件與作物接觸面積大，抓取以及揉搓能力強(qiáng)，同時(shí)可以避免打碎蠶豆莖稈。在脫粒段，弓齒式脫粒元件對(duì)作物沖擊較小，能夠保證莖稈相對(duì)完整不斷碎。在脫粒分離段，此時(shí)大部分蠶豆基本完成脫粒工作，但存在部分蠶豆籽粒夾雜在莖稈中，還未來(lái)得及分離，桿齒式脫粒元件抓取、擊打作物的能力強(qiáng)，能夠有效地將蠶豆籽粒從莖稈中分離出來(lái)。在逐稿段，此時(shí)蠶豆的脫粒分離工作基本完成，但還存在少量蠶豆漏脫或夾帶，造成脫粒損失。

綜上所述，為了使蠶豆籽粒順利脫粒，并降低含雜率和損失率，選用短紋桿作為脫粒滾筒梳整段的脫粒元件，弓齒作為脫粒段的脫粒元件，桿齒弓齒作為脫粒分離段的脫粒元件，桿齒作為逐稿段的脫粒元件，如圖2所示。

1.4.2 碰撞過(guò)程分析 脫粒元件與蠶豆籽粒碰撞接觸后建立如圖3所示坐標(biāo)系。

根據(jù)Hertz理論可知，任意兩個(gè)曲面體接觸時(shí)，假設(shè)二者均處于彈性狀態(tài)，接觸區(qū)域表面是光滑的二次曲面，不考慮摩擦，且接觸面尺寸遠(yuǎn)小于彈性體表面的曲率半徑尺寸時(shí)，則有接觸區(qū)等效半徑c、最大接觸應(yīng)力qm、接觸區(qū)壓縮量δ，如式（1）所示。

c=ab12=3PRe4E*13（1）

qm=3P2πab=6PE*2π3R2e13λ-23（2）

δ=9P216E*2Re13λ（3）

式中：Re=R′R″為等效相對(duì)半徑，mm；其中R′=1/（1R′1+1R′2），R″=1/（1R″1+1R″2），R′1、R′2分別為脫粒元件和蠶豆籽粒在接觸區(qū)域任意法向平面中的最大曲率半徑，mm; R″1、R″2分別為脫粒元件和蠶豆籽粒在接觸區(qū)域任意法向平面中的最小曲率半徑，mm；E*=1/（1-μ21E1+1-μ22E2）為等效彈性模量，Pa，μ1、μ2分別為脫粒元件和蠶豆籽粒的泊松比，E1、E2分別為脫粒元件和蠶豆籽粒的彈性模量，Pa；λ為修正系數(shù)。

在蠶豆與脫粒元件的碰撞過(guò)程中，由于彈性形變，蠶豆與脫粒元件的中心接近了一個(gè)位移δz。

-Pm*=dv1-v2dt=d2δzdt2（4）

式中：m*=m1m2m1+m2為等效質(zhì)量，其中m1、m2分別為蠶豆與脫粒元件的質(zhì)量，kg；v1、v2分別為蠶豆和脫粒元件的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；t為碰撞時(shí)間，s。

由式（3）可知接觸壓力

P=43E*R12eλ-32δ32（5）

聯(lián)立式（4）、（5）并對(duì)δz積分可得

V20-dδzdt2=1615E*m*（-1）R12eλ-32δ52（6）

式中V0=v1-v2t=0為蠶豆與脫粒元件相互靠近的速度，m/s。

當(dāng)壓縮量達(dá)到最大時(shí)，蠶豆與脫粒元件相對(duì)速度vm=dδzdt=0，可得

δm=15V20m*λ3216E*R12e25（7）

式中δm為最大壓縮量，mm。

當(dāng)壓縮量達(dá)到最大時(shí)，接觸面上的最大壓力

Pm=12536V60m*3E*2Reλ-315（8）

1.5 凹板篩

凹板篩主要負(fù)責(zé)配合滾筒對(duì)作物進(jìn)行脫粒和分離。根據(jù)加工形式的不同，凹板篩分為柵格式、沖孔式和編織式三種。其中，柵格式凹板具有強(qiáng)度大、剛性好和脫粒分離效果好等優(yōu)點(diǎn)；沖孔式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但分離率最差；編織式篩孔率最高，但強(qiáng)度底，容易磨損變形。本文選用柵格式凹板篩，包角設(shè)置為180°，根據(jù)實(shí)際測(cè)量蠶豆最大粒徑，設(shè)計(jì)篩孔尺寸40 mm×34 mm。

1.6 帶導(dǎo)向板的頂蓋

蠶豆植株受離心力的影響，在頂蓋與凹板篩組成的脫粒室中作螺旋運(yùn)動(dòng)，頂蓋中的導(dǎo)向板使其軸向移動(dòng)。導(dǎo)向板升角越大，蠶豆植株軸流速度越大，可快速通過(guò)脫粒裝置，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)避免物料堆積形成堵塞，但軸流速度過(guò)快，蠶豆植株在脫粒裝置中停留的時(shí)間過(guò)短，則會(huì)影響脫粒分離效果，造成漏脫和夾帶損失；升角過(guò)小，蠶豆植株在脫粒裝置中停留時(shí)間越長(zhǎng)，受到脫粒滾筒的打擊、揉搓次數(shù)越多，會(huì)導(dǎo)致蠶豆破碎率升高、碎秸草增多等問(wèn)題。本文導(dǎo)向板升角設(shè)置為10°～50°，導(dǎo)向板高度為60 mm，導(dǎo)向板與滾筒間隙為10 mm。

2 脫粒裝置離散元仿真試驗(yàn)

蠶豆在機(jī)械收獲過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)及受力情況復(fù)雜。利用離散元法模擬蠶豆在收獲機(jī)具內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和受力狀態(tài)，有利于闡明蠶豆與收獲機(jī)具間的相互作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)收獲機(jī)具關(guān)鍵部件相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，提高研究效率，減少研究成本，達(dá)到機(jī)械化收獲要求[13-18]。

2.1 模型建立

2.1.1 脫粒裝置仿真模型建立 在進(jìn)行蠶豆收獲機(jī)脫粒裝置脫粒仿真試驗(yàn)前，需先建立脫粒裝置的機(jī)構(gòu)模型。脫粒裝置主要由頂蓋、螺旋喂入頭、脫粒滾筒、凹板篩、收集箱五個(gè)部分組成。為了使蠶豆顆粒順利喂入脫粒裝置，在喂入口前端加設(shè)一段帶罩輸送帶。利用軟件Solidworks建立脫粒裝置.SLDASM格式的裝配圖，保存為“.STL”格式導(dǎo)入至軟件EDEM中，如圖4所示。

1-頂蓋； 2-輸送帶； 3-收集箱；4-凹板篩； 5-脫粒滾筒； 6-螺旋喂入頭圖 4 脫粒裝置仿真模型

2.1.2 顆粒模型建立 以云豆147待收蠶豆為試驗(yàn)對(duì)象，隨機(jī)選取100枚蠶豆籽粒和50根蠶豆莖稈，通過(guò)游標(biāo)卡尺、卷尺分別對(duì)蠶豆籽粒的長(zhǎng)寬厚和莖稈長(zhǎng)度與直徑進(jìn)行測(cè)量，并取其平均值如表1所示。

1）蠶豆籽粒模型建立 以蠶豆三軸長(zhǎng)度的平均值為參考， 建立蠶豆籽粒的仿真模型，由于EDEM

顆粒建模的基本單元是球體，而蠶豆形狀不規(guī)則，為了使蠶豆的特性更貼合實(shí)際，且盡可能減少仿真時(shí)間，本文采用多球聚合模型對(duì)蠶豆模板進(jìn)行填充[19]，如圖5所示。

2）蠶豆莖稈模型建立 蠶豆莖稈是中空且截面近似正方形，如若利用直徑與莖稈壁厚一致的球形顆粒建立莖稈模型，則需要大量球形顆粒，導(dǎo)致仿真試驗(yàn)計(jì)算量過(guò)大，實(shí)際仿真時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。為了簡(jiǎn)化仿真試驗(yàn)，本文將蠶豆莖稈視為質(zhì)量均勻分布的圓桿，并以蠶豆莖稈總長(zhǎng)的1/4建立短莖稈模型，如圖6所示。

2.2 脫粒仿真試驗(yàn)設(shè)置

在軟件EDEM中選取Hertz-Mindlin（no slip）接觸模型，對(duì)蠶豆籽粒及其莖稈、脫粒裝置的材料屬性及接觸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表2、3所示。

以Box形式在喂入口處建立顆粒工廠，生成蠶籽粒豆及莖稈總質(zhì)量2.5 kg，蠶豆草谷比為1.05。

2.3 單因素試驗(yàn)研究

本文以脫粒裝置部分的含雜率和損失率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)（此含雜率和損失率僅為脫粒裝置部分的含雜率、損失率，并非蠶豆收獲機(jī)整機(jī)的含雜率、損失率），對(duì)脫粒裝置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

含雜率計(jì)算公式：

PZ=WJWJ+WC（9）

式中：PZ為含雜率，WJ為收集箱前端中秸稈的質(zhì)量，WC為收集箱前端中蠶豆的質(zhì)量。

損失率計(jì)算公式：

PS=WSWS+WC（10）

式中：PS為損失率，WS為收集箱后端中蠶豆的質(zhì)量，WC為收集箱前端中蠶豆的質(zhì)量。

影響蠶豆脫粒效果的主要因素有：滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和導(dǎo)向板升角等。本研究選取含水率約12.34%的云豆147蠶豆作為試驗(yàn)對(duì)象，以滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和導(dǎo)向板升角作為試驗(yàn)變量，以脫粒裝置的含雜率、損失率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行單因素脫粒仿真試驗(yàn)。

2.3.1 滾筒轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn) 滾筒轉(zhuǎn)速是影響脫粒效果的重要因素。設(shè)置215 r/min、290 r/min、365 r/min、440 r/min和515 r/min 5個(gè)水平的滾筒轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)變量，脫粒間隙設(shè)置為30mm，導(dǎo)向板升角30°，開(kāi)展?jié)L筒轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)。脫粒裝置含雜率和損失率試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)脫粒裝置含雜率和損失率變化分析可知，脫粒裝置含雜率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的升高逐漸升高，且升高的趨勢(shì)逐漸加大；而損失率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的升高逐漸降低，且降低的趨勢(shì)逐漸放緩。主要是因?yàn)闈L筒轉(zhuǎn)速升高時(shí)，脫粒元件線速度也隨之升高，蠶豆及秸稈受到的擊打力逐漸變大，蠶豆更容易與秸稈分離的同時(shí)，秸稈也更容易斷碎，導(dǎo)致含雜率升高，損失率降低。

2.3.2 脫粒間隙單因素試驗(yàn) 脫粒間隙也是影響脫粒效果的重要因素之一。設(shè)置10 mm、20 mm、30 mm、40 mm和50 mm 5個(gè)水平的脫粒間隙作為試驗(yàn)變量，滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)置為365 r/min、導(dǎo)向板升角30°，開(kāi)展脫粒間隙單因素試驗(yàn)。脫粒裝置含雜率和損失率試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)脫粒裝置含雜率和損失率變化分析可知， 脫粒裝置的含雜率隨著脫粒間隙的增大呈逐漸降低的趨勢(shì)， 而損失率呈升高的趨勢(shì)。 主要是因?yàn)殡S著脫粒間隙的增大， 蠶豆及莖稈的活動(dòng)空間也隨之增大， 受到脫粒元件的擊打與揉搓不充分， 導(dǎo)致蠶豆脫粒不徹底，造成脫粒損失，損失率升高；秸稈受脫粒元件打擊作用變小，斷碎秸稈少，使得含雜率降低。

2.3.3 導(dǎo)向板升角單因素試驗(yàn) 導(dǎo)向板升角同樣影響著脫粒裝置的脫粒效果。設(shè)置10°、20°、30°、40°和50° 5個(gè)水平的導(dǎo)向板升角作為試驗(yàn)變量，滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)置為365 r/min、脫粒間隙30 mm，開(kāi)展導(dǎo)向板升角單因素試驗(yàn)。脫粒裝置含雜率和損失率試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

根據(jù)脫粒裝置含雜率和損失率變化分析可知，脫粒裝置的含雜率隨著導(dǎo)向板升角的增大呈先降低后升高的趨勢(shì)，損失率呈先增加后減小的趨勢(shì)。主要是因?yàn)閷?dǎo)向板升角在10°～30°時(shí)，隨著升角的變大，蠶豆及莖稈在脫粒裝置內(nèi)的軸流速度逐漸變大，停留時(shí)間變短，受到脫粒元件的打擊、揉搓次數(shù)變少，斷碎秸稈少，含雜率降低；在30°后含雜率升高，是因?yàn)閷?dǎo)向板對(duì)蠶豆及莖稈軸向?qū)妥饔弥饾u變小，導(dǎo)致斷碎秸稈增多，含雜率升高。在10°～40°時(shí)，損失率隨升角的增大而升高，是因?yàn)樾Q豆及莖稈的軸向速度增大，受脫粒元件的作用逐漸降低，部分蠶豆還未從秸稈上分離出來(lái)，導(dǎo)致?lián)p失率升高；在40°后含雜率降低，是因?yàn)樾Q豆及莖稈受到的導(dǎo)送作用降低，與脫粒元件接觸增多，蠶豆脫粒充分，損失率降低。

2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)研究

通過(guò)單因素試驗(yàn)，初步了解了滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和導(dǎo)向板升角對(duì)脫粒性能影響的規(guī)律，而各因素相互影響的規(guī)律，還需要進(jìn)行多因素試驗(yàn)進(jìn)行研究。本文以滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、導(dǎo)向板升角為試驗(yàn)因素，脫粒裝置含雜率、損失率為響應(yīng)值，利用軟件Design-Expert進(jìn)行Box-Behnken（BB）試驗(yàn)設(shè)計(jì)，各因素水平如表4所示。

分別以A、B、C對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、導(dǎo)向板升角進(jìn)行編碼，設(shè)計(jì)試驗(yàn)共17組，BB試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表5所示。

2.4.1 回歸模型分析 利用軟件Design-Expert對(duì)Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析，得到含雜率和損失率的二階回歸方程：

YZ=33.94836-0.055278A-0.359600B- 0.813225C-0.000870AB-0.000320AC+ 0.001125BC+0.000154A2+0.008265B2+ 0.014190C2

YS=3.07700-0.012051A-0.018167B- 0.025675C+0.000043AB+0.000080AC- 0.000125BC+9.95556×10-6A2+ 0.000335B2+0.000310C2（11）

式中：YZ為含雜率；YS為損失率；A為滾筒轉(zhuǎn)速；B為脫粒間隙；C為導(dǎo)向板升角。

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)分析可知，含雜率回歸模型p=0.0002lt;0.01，模型極其顯著，失擬項(xiàng)p=0.988gt;0.05，影響不顯著，表明該模型與實(shí)際擬合中非正常誤差所占比例較小，二次回歸方程符合實(shí)際。進(jìn)一步分析A、B、A2、C2的P值均小于0.01，影響極其顯著；C、AB、B2的P值均小于0.05，影響顯著。根據(jù)表7中的數(shù)據(jù)分析可知，損失率回歸模型p=0.0001lt;0.01，模型極其顯著，失擬項(xiàng)p=0.6262gt;0.05，影響不顯著，表明該模型與實(shí)際擬合中非正常誤差所占比例較小，二次回歸方程符合實(shí)際。此外，B、C的P值均小于0.01，影響極其顯著；A、AC、A2的P值均小于0.05，影響顯著。

2.4.2 最佳參數(shù)組合確定 以含雜率與損失率的最小取值為目標(biāo)，利用軟件Design-Expert優(yōu)化模塊對(duì)回歸方程進(jìn)行求解，得到脫粒裝置的最優(yōu)參數(shù)組合為：滾筒轉(zhuǎn)速354 r/min、脫粒間隙29 mm、導(dǎo)向板升角25°，預(yù)測(cè)的最優(yōu)響應(yīng)值為：含雜率7.741%、損失率0.428%。按上述最優(yōu)參數(shù)組合重新設(shè)置并進(jìn)行5次脫粒仿真試驗(yàn)，最終結(jié)果為：含雜率7.362%、損失率0.411%，與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差分別為4.896%、3.972%。仿真試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差均小于10%，表明回歸模型的可靠性較高。

3 田間試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

以十堰雙興公司生產(chǎn)的SXF-85CD蠶豆收獲機(jī)為試驗(yàn)基礎(chǔ)，分別對(duì)桿齒脫粒滾筒（SXF-85CD蠶豆收獲機(jī)原裝脫粒滾筒）和組合式脫粒滾筒進(jìn)行田間試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，將滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和導(dǎo)向板升角設(shè)置為前文所得的最優(yōu)參數(shù)，其他工作參數(shù)與SXF-85CD蠶豆收獲機(jī)正常作業(yè)時(shí)保持一致；試驗(yàn)時(shí)，以相同的正常作業(yè)速度勻速前進(jìn)10 m，往返3次；試驗(yàn)結(jié)束后，清空糧箱，記錄相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，然后換裝另一種脫粒滾筒，采用相同方式進(jìn)行田間試驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料

本次田間試驗(yàn)選在云南省曲靖市陸良縣華僑農(nóng)場(chǎng)（圖10），試驗(yàn)蠶豆品種為云豆147，試驗(yàn)前對(duì)蠶豆作物特性進(jìn)行多次測(cè)量，其平均值如表8所示。

3.3 檢測(cè)方法及試驗(yàn)結(jié)果

按照GB/T 8097-2008和GB/T 5262-2008的規(guī)定，衡量整機(jī)的主要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括損失率、含雜率和破碎率。

1）損失率 在作業(yè)后的地塊里按五點(diǎn)法取5個(gè)點(diǎn)，以每點(diǎn)為中點(diǎn)沿收獲方向各取長(zhǎng)度0.5 m，寬為割幅的取樣區(qū)域，收集該區(qū)域里掉落的豆莢和籽粒，得到取樣區(qū)域內(nèi)所有損失籽粒的質(zhì)量，結(jié)合取樣區(qū)域面積計(jì)算每平方米損失的籽粒質(zhì)量，再加上糧倉(cāng)里籽粒的質(zhì)量和對(duì)應(yīng)的收獲面積，最終得到蠶豆收獲機(jī)的損失率。

2）含雜率 在蠶豆收獲機(jī)收獲的籽粒中隨機(jī)抽取5份樣品，每份約為2 kg，利用四分法對(duì)取得的樣品進(jìn)行分樣，最終得到一份約500 g的樣品，通過(guò)人工對(duì)樣品中的雜質(zhì)進(jìn)行篩選并稱重，得到蠶豆收獲機(jī)的含雜率。

3）破碎率 從清除雜質(zhì)后的樣品中取出重量約為400 g的樣品，利用四分法對(duì)取得的樣品進(jìn)行分樣，最終得到一份約100 g的樣品，通過(guò)人工挑出樣品中破損的蠶豆籽粒并進(jìn)行稱量，得到蠶豆收獲機(jī)的破碎率。

通過(guò)田間試驗(yàn)得到了桿齒脫粒滾筒和組合式脫粒滾筒的損失率、含雜率與破碎率，田間試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種脫粒滾筒的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。其中組合式脫粒滾筒各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)明顯優(yōu)于桿齒脫粒滾筒，設(shè)計(jì)的脫粒裝置很好地達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1）使用軟件Solidworks設(shè)計(jì)了一種蠶豆收獲機(jī)脫粒裝置，并根據(jù)脫粒滾筒不同部位的脫粒要求，設(shè)計(jì)了一種組合式脫粒滾筒，此外還對(duì)螺旋喂入頭、凹板篩、頂蓋進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2）以滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和導(dǎo)向板升角作為試驗(yàn)變量，脫粒裝置的含雜率、損失率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用軟件EDEM對(duì)脫粒裝置進(jìn)行單因素脫粒仿真試驗(yàn)，初步了解了滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和導(dǎo)向板升角對(duì)脫粒性能影響的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，選擇合適的因子水平進(jìn)行三因子三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，得到脫粒裝置含雜率和損失率的回歸模型，確定了組合式脫粒裝置的最佳參數(shù)組合：滾筒轉(zhuǎn)速354 r/min、脫粒間隙29 mm、導(dǎo)向板升角25°。

3）在最優(yōu)參數(shù)組合條件下，對(duì)桿齒脫粒滾筒和組合式脫粒滾筒進(jìn)行了田間試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，組合式脫粒滾筒各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)明顯優(yōu)于桿齒脫粒滾筒，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的脫粒裝置很好地達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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Simulation Study on Threshing Device of Broad Bean HarvesterBased on Discrete Element Method

WEN Changjun1，2， XU Yunfei1，2， CHEN Fan1，2， CHEN Yangyang1，2， HE Yonghao1，2

（1 School of Mechanical Engineering， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068， China; 2 Hubei Key Lab of Manufacture Quality Engineering， Wuhan 430068， China）

Abstract： According to the threshing requirements of different parts of the threshing drum， a combined threshing drum was designed using Solidworks software. Threshing simulation test settings were conducted on the threshing device using software EDEM; A single factor threshing simulation experiment was conducted using drum speed， threshing clearance， and guide plate angle as experimental variables， and the impurity content and loss rate of the threshing device as evaluation indicators. The influence of drum speed， threshing clearance， and guide plate angle on threshing performance was preliminarily understood; On this basis， a suitable factor level was selected for a three factor and three level response surface experiment to obtain a regression model for the impurity content and loss rate of the threshing device. The optimal parameter combination of the combined threshing device was determined： drum speed 354r/min， threshing gap 29mm， and guide plate elevation angle 25 °; Finally， under the optimal parameter combination conditions， the superiority of the designed threshing device was verified through field experiments.

Keywords： broad bean; discrete element method; threshing device; parameter optimization

［責(zé)任編校： 閆 品］