李冬杰 王東偉 何曉寧 左百強(qiáng) 張春曉 李緒

摘要：針對目前半喂入花生聯(lián)合收獲機(jī)其清選環(huán)節(jié)存在清選損失率高、莢果含雜率高等問題，基于花生一次清選后花生莢果破損機(jī)理，設(shè)計(jì)一種二次清選裝置，主要包括輸送鏈、柵條篩、篩架、液壓缸、滑土板，并確定該裝置的基本參數(shù)。通過ADAMS軟件分析，建立清選過程中花生與裝置碰撞模型，確定以篩子轉(zhuǎn)速、篩子安裝高度、篩子傾角為主要影響因素，并針對“宇花14號”花生品種進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：篩子安裝高度為29 cm、篩子轉(zhuǎn)速為147 r/min、篩子安裝角度為19°，對應(yīng)的莢果含雜率為1.65%、清選損失率為1.37%。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用該裝置的兩壟四行花生聯(lián)合機(jī)作業(yè)效果明顯提高。

關(guān)鍵詞：花生；聯(lián)合收獲；半喂入；二次清選；ADAMS

中圖分類號：S226.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2095-5553 （2024） 03-0117-09

Study on secondary cleaning mechanism of peanut semi feeding combined harvest

Li Dongjie， Wang Dongwei， He Xiaoning， Zuo Baiqiang， Zhang Chunxiao， Li Xu

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao Agricultural University， Qingdao， 266109， China）

Abstract：

In view of the problems of high cleaning loss rate and high impurity content of pod in the cleaning process of half feeding peanut combined harvester at present， a secondary cleaning device was designed based on the damage mechanism of peanut fruit after primary cleaning， which mainly included conveying chain， bar screen， screen frame， hydraulic cylinder and sliding plate， and the basic parameters of the device were determined. Through the analysis of ADAMS software， the collision model between peanut and the device in the cleaning process was established， and the screen speed， screen installation height and screen inclination angle were determined as the main influencing factors. The peanut variety “Yuhua 14” was tested and studied. The results show that the screen installation height is 29 cm， the screen rotation speed is 147 r/min， and the screen installation angle is 19°. The corresponding peanut fruit impurity content is 1.65%， and the cleaning loss rate is 1.37%. Through the analysis， the operation effect of the peanut combined machine with two-row and four-row with this device has been significantly improved.

Keywords：peanut; combined harvest; half feeding; secondary cleaning; ADAMS

0 引言

花生是我國重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物。近10年來我國花生種植面積與產(chǎn)量大幅增加，且種植面積與產(chǎn)量一直處于穩(wěn)步增長的狀態(tài)［1］。目前通過文獻(xiàn)檢索和分析，國外針對半喂入花生收獲研究相對較少，由于國外花生植株主要以匍匐型為主，不適宜半喂入聯(lián)合收獲。國內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，王冰等［2］針對半喂入花生收獲機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，同時針對四行收獲機(jī)彈指篩結(jié)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。王東偉等［3］針對生聯(lián)合收獲機(jī)L型輸送清選分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，進(jìn)一步降低花生含雜率。付云開［4］針對鮮花生進(jìn)行物理特性分析，并對其篩選裝置進(jìn)行大量試驗(yàn)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低其含雜率及莢果破損率。在花生聯(lián)合收獲機(jī)中，尤其是針對大喂入量的收獲機(jī)，清選環(huán)節(jié)格外重要，機(jī)械清選決定了花生收獲的含雜率和清選效率，對花生收獲機(jī)的整體工作性能和收獲質(zhì)量影響較大［5］?，F(xiàn)有的花生清選環(huán)節(jié)均以一次清選機(jī)構(gòu)研究為主，均未涉及二次清選的方法，仍存在清潔率低、難以清選等問題，目前市場上的兩壟四行半喂入聯(lián)合收獲機(jī)經(jīng)過一次清選后，含雜率均大于3%，關(guān)鍵技術(shù)難題亟待解決。

為提高半喂入花生聯(lián)合收獲機(jī)的性能，本文從現(xiàn)有的半喂入式花生聯(lián)合收獲機(jī)入手，設(shè)計(jì)一種二次清選機(jī)構(gòu)。并通過ADAMS軟件對整個作業(yè)過程中的花生運(yùn)動軌跡方程進(jìn)行分析［6］，對清選裝置的運(yùn)動與工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過仿真試驗(yàn)、田間試驗(yàn)對機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，最終得出優(yōu)化參數(shù)，為我國半喂入式花生聯(lián)合收獲清選技術(shù)體系建立奠定基礎(chǔ)［7］。

1 花生一次清選脫出物的清選特性研究

花生植株經(jīng)過摘果滾筒，花生莢果與雜質(zhì)混合物經(jīng)過一次清選后，還存在未篩選掉的雜質(zhì)及部分癟果，一起經(jīng)過運(yùn)輸鏈進(jìn)入到集果箱中，在花生果進(jìn)入集果箱前設(shè)計(jì)一種二次清選裝置［8］，因此需要對一次清選后脫出混合物展開具體的物理特性研究，包括其混合物的組成成分、各種混合物所占的比例，其次再研究經(jīng)過一次清選的振動風(fēng)機(jī)吹后莢果物理性質(zhì)的改變情況，同時對花生莢果及其混合物進(jìn)行測定。最后，綜合分析花生經(jīng)過一次清選且輸送后的各混合物，為后續(xù)的花生二次清選裝置結(jié)構(gòu)形式、規(guī)律提供理論支持［9］。

1.1 花生一次清選后莢果物理特性研究

當(dāng)花生收獲期時，因?yàn)楂@取的營養(yǎng)物質(zhì)不同，所以每個花生的長勢、籽粒飽滿程度不同，這樣將導(dǎo)致其花生的外形存在差異，因此需要對花生進(jìn)行外部結(jié)構(gòu)尺寸的測量［10］，以山東省平度市“宇花14號”品種花生為例，構(gòu)建如圖1所示的花生三軸尺寸示意圖進(jìn)行探究，為后續(xù)的二次清選裝置的篩孔設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。圖1中a表示花生寬度，b表示花生長度，c表示花生高度。

隨機(jī)選取“宇花14號”花生品種30顆，采用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺分別測量其長、寬、高，并記錄數(shù)據(jù)。通過Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。

通過數(shù)據(jù)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)“宇花14號”花生品種莢果長度數(shù)值分布在30～40 mm范圍內(nèi)，其平均值為34.52mm；寬度數(shù)值分布在12～17 mm范圍內(nèi)，其平均值為14.23 mm；高度分布在11～15mm范圍內(nèi)，其平均值為13.55 mm。花生莢果在寬度和高度數(shù)值相近，即花生在寬度和高度層面的形狀尺寸近似一致，為后續(xù)花生建模及清選篩的篩孔設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

確定花生莢果尺寸同時，需要對花生莢果外殼進(jìn)行破碎極限試驗(yàn)。由于花生莢果在經(jīng)過摘果環(huán)節(jié)［11］，花生莢果會受到摘果輥一定的擠壓，當(dāng)進(jìn)入到一次清選篩時，會受到振動篩的不斷顛簸，同時由于風(fēng)機(jī)的風(fēng)選過程，會使莢果和雜質(zhì)產(chǎn)生不同規(guī)則的碰撞，會使花生本身的物理性質(zhì)發(fā)生改變［12］，為了更好地確定二次清選裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，需要對一次清選后的花生莢果進(jìn)行莢果破碎驗(yàn)，為后續(xù)的二次清選裝置的安裝高度、傾斜角度及轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

選取“宇花14號”花生品種，用萬能試驗(yàn)機(jī)對收獲期的花生進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)，將花生莢果分別從3個方向各10粒進(jìn)行施壓，即正壓、側(cè)壓、立壓，其放置位置如圖2所示，并記錄花生莢果外殼破碎極限力。

花生莢果外殼破碎極限力數(shù)值如表2所示。

莢果在三個方向的承受力各不相同，存在差異，通過壓力試驗(yàn)總體數(shù)據(jù)分析，花生莢果外殼破碎極限力Y方向所承受的壓力最大，其次是Z方向，最弱的是X方向。花生莢果正壓即Z方向施壓載荷極限范圍55.77～72.68 N；花生莢果側(cè)壓即Y方向施壓載荷極限范圍88.45～112.13 N；花生莢果立壓即X方向施壓載荷極限范圍31.15～42.32 N。

1.2 花生一次清選脫出物的組成比例

探究花生一次清選脫出物的混合成分、各混合物所占的比例，對半喂入聯(lián)合收獲機(jī)一次清選機(jī)構(gòu)清選效果進(jìn)行檢驗(yàn)，因?yàn)橐淮吻暹x脫出物的組成成分和各成分比例變化時，清選工作效果也會發(fā)生很大變化，綜合分析花生一次清選脫出物各成分之間的特性差異，為二次清選裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)［13］。

此次試驗(yàn)的花生品種為“宇花14號”，在試驗(yàn)田地隨機(jī)選取5段成熟花生，然后使用半喂入花生聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行收獲，花生在摘果、一次清選后，其脫出物主要包含花生莢果、殘根斷秧、輕雜質(zhì)、土塊等，其中輕雜質(zhì)主要包括草屑以及破碎果殼等［14］。其脫出物進(jìn)行分類稱重得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示

從表3可以看出，對于花生一次清選后的脫出物，除花生莢果外，殘根斷秧、輕雜質(zhì)、泥土在花生一次清選脫出物中所占比例5%左右，為進(jìn)一步降低花生收獲時的含雜率，需要設(shè)計(jì)一種二次篩選裝置。

2 二次清選裝置設(shè)計(jì)

2.1 二次清選裝置結(jié)構(gòu)與原理

針對多壟多行半喂入花生聯(lián)合收獲機(jī)采用傳統(tǒng)的一次清選裝置存在含雜率高問題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種鏈桿式二次清選裝置，主要包括輸送鏈、柵條篩、篩架、液壓缸、滑土板等，如圖3所示。

二次清選作業(yè)的過程主要包括對雜質(zhì)的清選和對花生莢果的輸送，其運(yùn)動過程主要為L型輸送鏈的轉(zhuǎn)動、清選篩自身轉(zhuǎn)動，當(dāng)花生和雜質(zhì)物料到達(dá)L型輸送鏈的頂部，將以平拋運(yùn)動的形式散落在清選篩，同時由于清選篩具有一定的傾斜角度，將使得花生及其雜質(zhì)呈現(xiàn)出顛簸趨勢，從而使泥土雜質(zhì)振落，花生莢果跟隨清選篩自身運(yùn)動流入集果箱。

其工作原理是，花生莢果及雜質(zhì)通過L型輸送機(jī)構(gòu)落到鏈桿式二次清選裝置上，該裝置可根據(jù)實(shí)際清選需求通過液壓缸來調(diào)節(jié)篩面與篩架之間的角度，更好地實(shí)現(xiàn)清選效果，通過角度的控制，控制花生莢果及雜質(zhì)掉落在篩面的顛簸力，使得更多的雜質(zhì)沿滑土板滑出，剩余的花生莢果則隨輸送鏈條進(jìn)入集果箱。鏈桿式二次清選裝置與一級清選裝置配合使用，將一級未清理掉的雜質(zhì)清選出去，完成清選作業(yè)。

2.2 清選篩運(yùn)動理論分析

清選篩的尺寸參數(shù)由清選負(fù)荷與工作臺喂入量二者共同確定，首先，清選篩在結(jié)構(gòu)方面應(yīng)簡單設(shè)計(jì)，同時需要保證L型輸送鏈的莢果及其雜質(zhì)全部落入清選篩，其次，在清選篩堆積的莢果和雜質(zhì)物料也不能過厚，以避免物料發(fā)生擁堵，影響分離效果。與L型輸送鏈的尺寸相互配合，可確定清選篩的寬度為390 mm，圓鋼之間的間隙為7 mm，花生莢果及雜質(zhì)物料順利傾倒在清選篩內(nèi)，保證不落花生的前提下，使其雜質(zhì)進(jìn)一步被順利清除，其中花生果的傾倒頻率為180次/min，每個升運(yùn)斗的容量為0.625 kg，可進(jìn)一步確定清選篩長度。

L=q1（1－λk）Bgqs（1）

式中：q1——工作臺喂入量，kg/s；λ——喂入物料中，秧蔓占花生植株的比值，其范圍0.2～0.3；k——升運(yùn)斗裝置中含有雜質(zhì)物料的系數(shù)，其值為0.1～0.4；B——篩子寬度，m；g——重力加速度；qs——篩子單位面積允許承擔(dān)的混合物料質(zhì)量，鏈條篩的qs為0.6～0.8 kg/（s·m2）。

以四行花生收獲機(jī)的實(shí)際情況為例，生產(chǎn)率按0.4 hm2/h計(jì)，工作臺喂入量取q=1.91 kg/s?？纱_定清選篩長度L為0.54～0.79 m。

混合物料落入清選篩時，為了保證泥土、碎雜質(zhì)流落掉，花生莢果順利后移至集果箱，清選篩的篩面傾角α可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，為確定最佳的篩面傾角，需要對振動篩篩面上的花生莢果及其雜質(zhì)進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

圖4中N是花生莢果和雜質(zhì)所受篩面的支持力，f是花生莢果和雜質(zhì)所受到的摩擦力，α是篩面的傾斜角度，mg是其重力。對花生及其雜質(zhì)物料與清選篩接觸時受力分析。

花生莢果和雜質(zhì)所受到的支持力可表示為N=mgcosα（2）

花生莢果及其雜質(zhì)物料在篩面上受到的摩擦力f=mgsinα（3）

mgsinα=μmgcosα（4）

0≤sinαcosα≤1（5）

因此，為保證清選篩能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的作業(yè)效果，篩面傾斜角的傾斜度不可以超過45°，同時根據(jù)實(shí)際工作條件，在機(jī)器工作前，可通過液壓缸進(jìn)行微調(diào)角度，即完成對二次清選篩的設(shè)計(jì)。

3 基于ADAMS的二次清選運(yùn)動分析

3.1 二次清選機(jī)構(gòu)模型建立

運(yùn)用ADAMS對二次清選裝置進(jìn)行動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)的分析，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過定義材料屬性、工作狀態(tài)等情況，使其更接近系統(tǒng)參數(shù)，利用Solidworks進(jìn)行模型簡化，保留L型輸送鏈和二次清選篩機(jī)構(gòu)，使得二者固定，同時互相不干擾自身運(yùn)動，將簡化后的裝置模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，并完成動態(tài)仿真、結(jié)果分析、優(yōu)化參數(shù)等過程。

3.2 二次清選機(jī)構(gòu)動力學(xué)方程建立

3.2.1 添加約束及運(yùn)動

為了使所建模型更加準(zhǔn)確地模擬其現(xiàn)實(shí)運(yùn)動，采用運(yùn)動副和約束進(jìn)行相對運(yùn)動關(guān)系的物理描述，其中定義機(jī)架與大地相連，其余的部件通過相互之間的轉(zhuǎn)動副、軸套約束并固定自身在空間中的放置點(diǎn)。同時設(shè)置鏈輪和鏈條、花生和輸送鏈、花生和清選篩的接觸約束，添加約束后的系統(tǒng)共有1個外嚙合齒輪副，即高副接觸，19個低副接觸，且自由度為1。將驅(qū)動約束設(shè)置在一級鏈輪上，在其上添加運(yùn)動驅(qū)動，使得整個L型輸送鏈與清選篩相配合，且具有確定的運(yùn)動形態(tài)。

在求解器的設(shè)置上，當(dāng)積分步長減小并趨近于0時，則Jacobian矩陣將呈現(xiàn)病態(tài)，為了更加有效地監(jiān)測速度積分的誤差、控制拉式乘子的誤差，就會用到降階積分方法，此次仿真采用SI2的積分格式，可建立系統(tǒng)的動力學(xué)微分—代數(shù)方程［6］，如式（6）所示。

P·－аTаq+ΦTqλ+HTF=0P=аTаq·u－q·+ΦTqμ=0 μ=0Φ（q，t）=0Φ（q，u，t）=0F=f（u，q，t）（6）

式中：t——時間，s;q·——廣義速度，m/s;T——系統(tǒng)動能，N·m；F——系統(tǒng)所受外力，N；λ——完整約束的拉式乘子列陣；H——步長；P——廣義動量；P·——廣義力，即廣義動量的時間偏導(dǎo)；u——廣義速度列陣；q——廣義坐標(biāo)列陣；Φ（q，t）——完整約束方程；Φ（q，u，t）——非完整約束方程；μ——對應(yīng)于非完整約束的拉式乘子列陣。

式（6）能同時滿足Φ和Φ·求解不違約且步長趨近0時Jacobian矩陣不會呈現(xiàn)病態(tài)現(xiàn)象，ADAMS軟件積分求解器具體設(shè)置界面，如圖5所示。

3.2.2 構(gòu)建花生與篩面的接觸碰撞模型

在所建的模型中，進(jìn)行其參數(shù)的設(shè)定，其中花生密度為218 kg/m3，花生的外形設(shè)置成兩個圓球形狀，且花生直徑為已知，這樣花生顆粒質(zhì)量便可求解，花生從L型輸送鏈頂端落入二次清選篩的高度為330 cm，由于在接觸約束法中，初始的接觸瞬時速度呈現(xiàn)不連續(xù)的特點(diǎn)，同時需要在花生與清選篩初始碰撞時，需要實(shí)現(xiàn)無碰撞到碰撞的速度跳躍，利用沖量—動量法求出其碰撞的初始速度

M-DnDTN0ΔqI=0－（1+e）vn（7）

式中：vn——清選篩上碰撞點(diǎn)在碰撞前速度沿篩面法向投影；M——廣義質(zhì)量矩陣;Δq——廣義位移；DTN——N階列陣；I——碰撞沖量；Dn——n維組數(shù)；e——碰撞恢復(fù)系數(shù)，取值0～1。

Dn=［Dnα，DnB1，DnB2，…，DnBi］T（8）

Dnα=－аV^Iаα/I=nаWаαhF（9）

DnBi=－аV^IаBi/I=nаWаBihF（10）

式中：V^I——沖量勢；α——浮動坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角；Bi——模態(tài)坐標(biāo)點(diǎn)；hF——浮動坐標(biāo)系下碰撞點(diǎn)P位置矢量列陣；W——慣性系到浮動坐標(biāo)系的方向余弦陣。

得出碰撞后廣義速度、廣義位移為q·t+=q·t++Δq·（11）

qt+=qt-（12）

Δq=M－1DnI（13）

式中：Δq·——廣義速度增量列陣；Δq——廣義位移；M-1——廣義質(zhì)量逆矩陣。

3.3 仿真運(yùn)行與結(jié)果分析

花生莢果跟隨清選篩運(yùn)動過程中，隨著篩面轉(zhuǎn)速的增大，花生莢果受到的力將增大，如圖6所示。

由莢果的物理特性試驗(yàn)得到，圖6中莢果隨裝置運(yùn)動而造成的碰撞力數(shù)值遠(yuǎn)大于莢果抗壓力。綜合分析可得到造成莢果破損的沖擊力度不僅與莢果自身抗壓極限載荷相關(guān)，也與篩子轉(zhuǎn)速、篩子傾斜角度、篩子安裝高度等因素相關(guān)，后續(xù)進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)時調(diào)節(jié)篩子基本參數(shù)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證影響。

4 花生篩選試驗(yàn)分析

4.1 凈果篩選率的標(biāo)準(zhǔn)

二次篩選裝置決定了花生收獲過程的篩選損失率和莢果含雜率。通過各因素不同水平的正交試驗(yàn)［15］，得到最優(yōu)參數(shù)組合，將莢果損失率和莢果含雜率作為試驗(yàn)指標(biāo)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對二次篩選裝置進(jìn)行評價。

篩選裝置是構(gòu)成花生收獲機(jī)的重要部分，通過二次篩選裝置進(jìn)一步篩分雜質(zhì)物料。根據(jù)收獲機(jī)的相關(guān)試驗(yàn)方法，將莢果含雜率Y1和莢果的損失率Y2作為評價二次篩選裝置工作性能的試驗(yàn)指標(biāo)，其中損失率Y2作為次要試驗(yàn)指標(biāo)，莢果含雜率Y1作為主要試驗(yàn)指標(biāo)。

花生莢果含雜率

Y1=w′w×100%（14）

式中：w——二次清選后物料總質(zhì)量，kg；w′——二次清選后雜質(zhì)質(zhì)量，kg。

花生莢果損失率

Y2=m′m×100%（15）

式中：m——莢果總質(zhì)量，kg；m′——清選后花生莢果損失質(zhì)量，kg。

4.2 篩選裝置安裝高度單因素試驗(yàn)分析

二次清選篩安裝高度距離對花生篩選率有影響，此試驗(yàn)主要是探究安裝高度對花生清選效果的影響規(guī)律，篩面傾角設(shè)置為20°，將轉(zhuǎn)速設(shè)置為140 r/min。清選篩安裝高度對花生莢果含雜率、損失率造成的影響如圖7所示，隨著安裝高度的增大，含雜率逐漸降低，而損失率逐漸趨于增大，當(dāng)高度設(shè)置30 cm時，含雜率低于3%，莢果損失率低于2%，其清選篩的篩選效果最好。

4.3 篩選裝置轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)分析

花生莢果含雜率、損失率與篩子轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，設(shè)置篩面傾角為25°，篩子安裝高度30 cm，本次試驗(yàn)主要以110 r/min、120 r/min、130 r/min、140 r/min、150 r/min、160 r/min等不同轉(zhuǎn)速來測定花生收獲效果，并研究篩子轉(zhuǎn)速與莢果含雜率、莢果損失率之間的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于130 r/min時，花生莢果易堆積，雜質(zhì)容易跟隨莢果進(jìn)入集果箱，含雜率高于7%，莢果損失情況相對增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于150 r/min時，轉(zhuǎn)速較高，花生莢果在二次清選篩停留時間較短，花生的含雜率又將呈現(xiàn)上升趨勢，而莢果的損失率曲線則趨于平穩(wěn)，基于試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在140 r/min時，其清選效果最佳。

4.4 篩子安裝角度單因素試驗(yàn)分析

篩子的安裝角度對花生莢果及其雜質(zhì)物料運(yùn)動情況影響顯著，對莢果的含雜率和損失率都將造成影響，本文將篩子轉(zhuǎn)速設(shè)置為140 r/min，安裝高度35 cm，在該條件下，以不同安裝角度5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°來探究篩選效果如圖9所示。當(dāng)篩子安裝角度為19°時，花生莢果含雜率、莢果損失率最低，分別為3.1%、1.8%。這是因?yàn)楹Y子的傾斜角度影響了花生莢果和雜質(zhì)物料的運(yùn)動。

5 多因素試驗(yàn)分析

5.1 試驗(yàn)條件

在山東省平度市試驗(yàn)基地開展試驗(yàn)，該試驗(yàn)基地種植花生品種為“宇花14號”，其花生種植農(nóng)藝模式為單壟雙行種植，壟距750 mm，株距263 mm，產(chǎn)量4 000 kg/hm2。試驗(yàn)設(shè)備是以二壟四行花生聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，并通過取樣、稱重等方式進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和獲取。

選取對收獲質(zhì)量影響較大的篩子安裝高度、篩子轉(zhuǎn)速、篩子安裝角度作為試驗(yàn)因素。以莢果含雜率、莢果損失率作為試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)因素與水平如表4所示。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)分析試驗(yàn)［16， 17］，以花生含雜率、花生損失率為指標(biāo)，試驗(yàn)總共進(jìn)行17組，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表5所示。其中，A、B、C為因素編碼值。

5.3 回歸模型的建立與檢驗(yàn)

利用Design-Expert軟件對表5數(shù)據(jù)開展多元回歸擬合分析［18］，建立莢果含雜率Y1、清選損失率Y2對A、B、C的響應(yīng)面回歸模型，并對回歸方程進(jìn)行方差分析，如表6所示。

Y1、Y2對A、B、C的響應(yīng)面回歸模型為

Y1=1.92+0.09A+0.51B－0.17C+0.063AB－0.57AC+0.15BC－0.26A2－0.18B2－0.13C2（16）

Y2=1.22－0.14A+0.044B+0.031C+0.018AB+0.033AC－0.015BC+0.78A2+0.39B2+0.48C2（17）

由表6可知，莢果含雜率Y1、清選損失率Y2的P值均小于0.05，表明2個模型影響極顯著。失擬項(xiàng)P值均大于0.05，失擬不顯著，因此，該模型可以預(yù)測二次清選裝置的工作參數(shù)。根據(jù)兩模型各因素回歸系數(shù)，可得到各因素對莢果含雜率的影響由大到小為A、C、B，即篩子轉(zhuǎn)速、篩子安裝角度、篩子安裝高度，各因素對清選損失率的影響由大到小為A、B、C，即篩子安裝高度、篩子轉(zhuǎn)速、篩子安裝角度。

5.4 模型交互項(xiàng)解析

如圖11所示，兩兩因素交互作用莢果含雜率響應(yīng)曲面變化趨勢分析，表明莢果含雜率隨篩子安裝高度A的增大而減小，隨安裝角度C的增大而減小，受篩子轉(zhuǎn)速B的影響偏小。

如圖12所示，兩兩因素交互作用對指標(biāo)損失率的響應(yīng)曲面變化趨勢分析，表明篩選損失率隨篩子安裝高度A的增大而增大，隨安裝角度C的增大而增大，隨篩子轉(zhuǎn)速B的增大而增大。

5.5 二次清選裝置參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，為進(jìn)一步提升二次清選作業(yè)性能，在各試驗(yàn)因素水平約束條件下，將莢果含雜率Y1、清選損失率Y2最小值作為優(yōu)化指標(biāo)，建立性能指標(biāo)全因子二次回歸方程，進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化與最優(yōu)工作參數(shù)確定

minY1（A，B，C）minY2（A，B，C）s.t.25 cm≤A≤35 cm130 r/min≤B≤150 r/min15°≤C≤25°（18）

利用Design-Expert可求得滿足約束條件的最小莢果含雜率Y1、清選損失率Y2的最優(yōu)參數(shù)組合。求解的最優(yōu)參數(shù)組合為：篩子安裝高度29 cm、篩子轉(zhuǎn)速為147 r/min、篩子安裝角度19°，此時莢果含雜率為1.65%、清選損失率為1.37%。

通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證，含雜率穩(wěn)定在2.6%，清選損失率穩(wěn)定在1.9%，均低于我國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 502—2016《花生收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》的要求，同時驗(yàn)證了二次篩選裝置的工作效果。

6 結(jié)論

1） ?設(shè)計(jì)了一種二次清選裝置，主要包括輸送鏈、柵條篩、篩架、液壓缸、滑土板。其與L型輸送鏈的尺寸相互配合，二次清選篩寬度為390 mm，柵條之間間隙為7 mm，長度范圍0.54～0.79 m。

2） ?在分析二次清選裝置工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了二次清選關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及理論分析，利用ADAMS仿真軟件建立二次清選裝置虛擬樣機(jī)模型，得出影響清選篩的平均撞擊載荷遠(yuǎn)小于花生極限抗壓載荷，并確定了各因素的參數(shù)范圍。

3） ?利用Design-Expert軟件，進(jìn)行二次清選裝置工作參數(shù)優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果表明：莢果含雜率的影響主次順序分別為篩子轉(zhuǎn)速、篩子安裝角度、篩子安裝高度，清選損失率的影響主次順序?yàn)楹Y子安裝高度、篩子轉(zhuǎn)速、篩子安裝角度。求解的最優(yōu)參數(shù)組合為篩子安裝高度29 cm、篩子轉(zhuǎn)速147 r/min、篩子安裝角度19°，此時，莢果含雜率為1.65%、清選損失率為1.37%。

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基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（重大科技創(chuàng)新工程）項(xiàng)目（2021CXGC010813）

第一作者：李冬杰，女，1996年生，山東德州人，碩士研究生；研究方向?yàn)楦o類作物生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備。E-mail： 1124349753@qq.com

通訊作者：王東偉，男，1981年生，山東泰安人，博士，教授；研究方向?yàn)楝F(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)—智慧農(nóng)機(jī)。E-mail： 200701031@qau.edu.cn