五因素玉米剥皮试验装置与试验设计研究

周纪磊，荐世春，位国建，郝付平，姜　伟，邸志峰，孙宜田

(1.山东省农业机械科学研究院，济南　250100；2.中国农业机械化科学研究院，北京　100083)



五因素玉米剥皮试验装置与试验设计研究

周纪磊1，荐世春1，位国建1，郝付平2，姜伟1，邸志峰1，孙宜田1

(1.山东省农业机械科学研究院，济南250100；2.中国农业机械化科学研究院，北京100083)

摘要：以黄淮海地区为代表的一年两熟制地区，由于玉米可生长期短、收获时间紧，收获时果穗含水率较高，摘穗时易产生断茎，且苞叶与果穗贴合紧密，剥皮作业质量效果较难保证，剥净率与啃穗率、脱落籽粒破损之间矛盾突出。目前，对高含水率(≥40%)果穗剥皮装置的系统理论与试验研究均较少，因而本文设计了5因素玉米剥皮试验装置，可以进行槽型布置和平面布置两种剥皮装置的室内试验。通过调整压送器与剥皮辊距离、剥皮辊倾角、剥皮辊转速、压送轮转速及剥皮辊组合形式等关键因素水平，以苞叶剥净率、啃穗落粒率和籽粒破损率为评价指标，进行多因素多水平正交试验，确定剥皮装置的最佳参数组合，为玉米联合收获机剥皮装置选型和参数设计提供依据。

关键词：玉米果穗；剥皮；正交试验；装置

0引言

2014年，全国玉米收获机销量达8.29万台，较2013年增长21%。其中，配置剥皮装置的玉米收获机能够一次完成摘穗和果穗剥皮作业，具有缩减收获环节、节省劳动力的优势，市场占有率逐年提高，已成为主流产品。在东北、内蒙等一年一季区域，收获时苞叶蓬松、含水率低、板式摘穗断茎较少，利于剥皮作业，现有剥皮装置能够较好满足使用要求[1-2]；以黄淮海地区为代表的一年两熟制区域，由于玉米可生长期短、收获时间紧，收获时苞叶含水率高且与果穗贴合紧密，辊式摘穗断茎较多，不利于果穗剥皮，存在着剥净率差别大、籽粒脱落率和破损率高的问题[3-4]。部分院校和院所进行过该区域玉米剥皮装置性能与参数的试验研究[5-6]，且以田间机载试验为主；但由于田间试验参数调整较为费时费力，不能获得充分的试验数据。为此，设计了室内剥皮试验装置，能够快速调整试验因素及水平，以获取充分的试验数据，为高性能剥皮装置的研发提供参考。

1剥皮试验装置方案的确定

剥皮装置工作原理是通过相邻的两剥皮辊的相向转动带动苞叶随之进入两辊间隙并被扯离穗轴，果穗在压送器拨轮和剥皮辊的共同作用下从出口排出，从而实现对苞叶的撕取剥离[4]，工作原理如图1所示。

两辊中,其一为轴线固定的定辊，另一为轴线可在一定范围内活动的动辊，定辊与动辊间压紧力由弹簧变形量确定并可调整。压送器压送轮的功用是避免剥皮过程中的果穗跳动及确保果穗整体有序流动，有轮辐式和叶轮式两种。通过剥皮原理的分析发现：影响剥皮作业质量的因素较多，包括剥皮辊、压送轮拨板的形状、运转参数及剥皮辊间压紧力等。检索相关文献[7-8]，有关于玉米剥皮影响因素、权重及部分因素间的影响的研究，涉及因素最多为4个、水平常为3个。其中，部分采用田间在机试验，部分采用实验室试验装置试验，但因素水平较少其相关试验装置较简单。基于已有研究，剥皮辊胶辊现已形成外径70mm、鱼鳞和螺旋表面形状的标准化产品；剥皮辊的槽型布置和平面布置两种型式作业效果及较适用对象已有初步认识[9]；剥皮辊间压紧力由弹簧决定且可在一定范围内变动的方式被普遍采用。由于果穗在剥皮机中受力运动的复杂性，两种布置形式下剥皮辊转速、压送轮转速、剥皮辊与压送轮间距、剥皮辊倾角及剥皮辊上鱼鳞与螺旋组合形式5个因素参数或其组合尚无较清晰、明确认识以用于机型的设计指导。

针对以上情况及分析得出的5个因素，结合现有玉米收获机产品设计经验中的因素参数范围，采取了进行不同因素水平的正交试验研究的思路。如剥皮辊形式选整根鱼鳞与整根螺旋配对、鱼鳞与螺旋间隔布置并相互配对2个水平，其余4因素按照参数范围分为5个水平。

图1　剥皮装置工作原理

由于涉及剥皮质量影响因素多，试验装置要求在满足生产率的条件下尽可能模拟实际工况，同时能进行多因素水平的调节，增大了试验装置的复杂程度。基于本课题任务侧重于应用，借鉴已有研究成果结论并考虑产品零部件的通用性、后期成果的推广、试验结果的客观性及便于对比，实验采用对象为含水率较高(≥40%)的夏玉米果穗剥皮全胶辊方案，剥皮辊和压送轮橡胶部件均选取现有通用配件，胶辊直径70mm、压送轮为橡胶轮辐式和叶轮式。为更好地模拟实际工况并在室内可行、减少侧板影响及各果穗间的相互影响、满足多行联合收获机剥皮装置设计选型需要，本实验装置选用3组共12根剥皮辊方案[10]。

剥皮辊槽型和平面两种布置方式各有优缺点，对其具体适用性缺少深入研究，但对鲜玉米剥皮应采用全胶平辊型式已达成共识[11]。针对这种情况，考虑试验研究分槽型和平面两种并单独进行，且相同辊数两种型式在结构尺寸及传动上的差异，不便统一到一套台架上，故分别设计槽型和平面两种型式的试验装置，通过对各自试验数据进行分析后对比其效果。试验装置采用交流变频电动机作为动力，以电气传感器方式采集剥皮辊和压送器输入轴转速的方案。

2试验装置机械结构与传动方案

综合考虑动力安装和传动路线，便于实现各因素水平的调节，将试验装置分为3层，即底座、中间架和带压送的剥皮装置。其中，作为动力的交流变频电动机安装于中间架并可在安装槽限定范围内调整，中间架与底座之间通过铰链连接并与撑杆形成平面四杆机构；通过旋扭螺母在撑杆上的位置调整撑杆作用长度，实现中间架与底架间角度的调整以达到所要求的剥皮辊倾角，用角度尺测量中间架倾角并校正，调整机构如图2所示。

图2　倾角调整机构简图

压送器与剥皮辊距离通过调整机构实现，调整方式有两种：压送器整体调整和单根压送轮轴分别调节。调查分析现有剥皮装置构造可知：平辊型式多使用压送器整体调整，槽辊型式多采用单根压送轮轴分别调整；个别机型出现通过弹簧调整压送轮轴与剥皮辊相对位置的设计以适应果穗喂入不均的情况；优点是满足生产率避免堵塞，不足是剥皮作业质量不稳定。本试验装置针对平辊和槽辊型式分别采取整体调整和各轮轴分别调整的方式。压送器与剥皮辊间距调整机构如图3和图4所示。

图3　平辊型式压送轮与剥皮辊间距调整机构简图

图4　槽辊型式压送轮轴与剥皮辊间距调整机构简图

针对两种剥皮辊布置型式分别设计传动路线如图5和图6所示。

图5　平辊布置传动路线

图6　槽辊布置传动路线

该试验装置可以通过调整实现剥皮辊转速、压送轮转速、剥皮辊倾角及压送轮剥皮辊间距等因素参数的不同水平；但剥皮辊形式因素需通过重新排列单根辊上胶辊顺序实现，因素两水平如图7所示。试验装置结构与设计方案完成后，进行各因素参数的确定和传动的计算。基于农业机械设计手册推荐运转参数和具体玉米收获机型设计经验，将两型试验装置试验因素参数确定为表1所示范围。

图7　剥皮辊形式因素的两个水平

电动机选交流变频调速类型并通过变频器控制使用，传动采用单排滚子链，空转时启动阻力较小，工作运转时剥皮辊阻力矩变化较大且电动机工频转速超过1 000r/min，考虑剥皮辊初级传动选较大传动比以降速、增扭满足扭矩储备。

根据检索到的剥皮机功率消耗的研究[12]，3组(12根)型式剥皮辊功率在6kW左右、压送器功率消耗在3kW，本试验装置选剥皮辊动力7.5kW、压送器动力3kW。按照所选电机功率型号的轴径及选定的10A滚子链型号，考虑传动的平稳性和齿数较优，初步确定主动链轮齿数z=17。

实际设计链轮结构尺寸圆整为h1=11mm、h2=10mm，经计算均能满足对齿侧凸缘直径的要求。

表1　试验装置试验因素参数调整范围

以此类推，选定传动中各链轮齿数与结构参数。

根据以上传动方案及结构参数，分别进行两型试验台设计，完成后结构如图8和图9所示。

为使试验结果有可对比性，对于平面和槽型两种布置方式的压送轮与剥皮辊间距定义为压送轮最大外缘与最远剥皮辊的最小距离，如图10所示。

1.底架2.中间架3.压送器调频电机4.压送轮剥皮辊间距调整机构

5.剥皮辊架6.剥皮辊调频电机7.中间架倾角调整杆

图8平辊型式试验台结构

Fig.8Structure of flat model experiment device

1.底架2.中间架 3.压送器调频电机4.压送轮剥皮辊间距调整机构

5.剥皮辊架6.剥皮辊调频电机7.中间架倾角调整杆

图9槽辊型式试验台结构

Fig.9Structure of grooved model experiment device

图10　两型试验台压送轮与剥皮辊间距定义

3电动机控制与转速数据采集系统设计

在满足转速和转矩前提下，采用变频器实现电动机调速具有结构简单及调整方便的优势，通过变频器上的电位调节旋钮即可实现转速调节。同时，用光电开关作为转速传感器测取剥皮辊和压送器轮轴的输入转速，并通过仪表显示在控制台上。电机控制与转速数据采集系统电路如图11所示，完成组装后的电控台如图12所示。

图11　电机控制与转速数据采集系统电路原理图

图12　剥皮试验装置电控台

4试验方案设计

试验对象为人工摘取的果穗，其苞叶含水率受存放环境干湿度及时间长短影响易发生变化，本试验研究将苞叶含水率作为评价果穗一致性的指标。在生产率满足生产需要的前提下，对衡量剥皮作业质量的剥净率、籽粒破损率等指标在不同因素水平参数组合时进行评价对比才有意义[13-14]，故对试验方案设计提出了较高要求。

试验台生产率选定是试验设计中的一项重要内容。在进行剥皮试验装置方案设计时考虑到涉及影响因素较多且一般不单独使用，整机设计上也仅靠经验选型部件，目前尚未有关于其生产率的指标参照；但遵照整机设计经验，部件工作能力应略大于整机。本试验研究在调研当前玉米收获机主要参数的基础上，结合整机设计经验选择了2～3行玉米收获机广泛使用的3组(12辊)式，该类机型生产厂家标称作业效率一般为0.3hm2/h，作业行进速度约3km/h。

按照生产效率0.3hm2/h、大穗高密度种植模式60 000株/hm2计算，生产率(喂入量)为

s=267穗/min

考虑一定过载能力，选择喂入量为300穗/min，并以此计算升运器刮板运转速度，调整其动力输入电动机变频器旋钮使其以达到所需升运能力，可在满足生产率的要求并真实模拟喂入方式工况下进行影响因素的试验对比。

设计试验采用以下流程顺序进行：

1)试验材料准备。预定品种单一、成熟度较一致的玉米地块，果穗数目不小于18 000个。临近成熟期选择正常天气进行统一人工采收，采收过程中注意减少对苞叶的损伤(不改变苞叶包紧程度)、保持苞叶完整；采收后按照每袋60只放于带塑料内袋的塑编袋内，并称质量、编号记录。取不同袋内的果穗进行苞叶含水率测定，统计当天试验中果穗样本(≥4 000)整体的苞叶含水率。

2)果穗均重与苞叶水分测定。准备5组试验所需果穗量(每组5袋/每袋60只)，各袋取2只完整果穗的苞叶放入卤素水分分析仪进行水分测定，对样本总体苞叶含水率进行统计。

3)试验设备运转。试验开始前，转速传感器架摆放到合适位置并调整光电计数器与旋转链轮距离后对试验设备运行情况进行调试。检查操作台仪表与灯光指示是否正常，确认正常后，开启变频器电源按钮开关，同时启动升运器、剥皮辊和压送轮电机不低于2min，检查设备运行情况是否正常。

运转过程中检查项目包括：剥皮辊和压送轮运转是否平稳、升运器工作是否可靠、各电机工作噪声和温度是否正常及转数计数器指示是否正常。

4)按照试验大纲编排顺序进行试验。本试验基于正交试验方法进行[15]，采用标准正交表L25(56)改造的混合水平正交表L25(54×21)进行试验。按照正交试验表进行编排时需重复调整，但各参数调整难易程度差别较大。如转速只需调整变频器就可实现而无需机械结构调整，剥皮辊倾角调整需要调整撑杆长度，压送轮与剥皮辊间距调整时需改变变频电机相对压送器动力输入轮的位置，故涉及间隙调整装置手柄或螺杆、变频电机紧定螺栓，剥皮辊组合形式调整需采取更换辊部件的方式耗时较长。针对这种情况，按照正交试验表中试验号对应的不同因素不同水平的组合分析其调整难易，调整一次较难因素水平即将包含该因素水平的试验号对应的试验进行完毕。以标准正交表L25(56)改造的混合水平正交表L25(54×21)、正交表中试验号与实际试验顺序号对应关系、因素水平参数对照表分别如表2～表4所示。

表2　混合水平正交试验表L25(54×21)

表3　试验顺序号与试验号对应表

表4　因素水平参数对照表

5结论与展望

1)通过试验装置的运行试验，表明该装置调节方案可行、运行可靠、试验方案可操作，能够高效进行剥皮效果5个影响因素的试验。

2)试验过程采用变频电机作为剥皮辊和压送器动力来源，与机械传动相比其扭矩储备小、抗过载能力较弱；但从生产率上考虑，在保证剥皮装置可靠性及满足作业效果的前提下，整机设计中优先选用高转速，极个别组合的堵塞不影响较优参数组合的客观性。

3)运行试验过程中，板式压送轮与槽型辊配合、星形压送轮与平面型辊配合情况下均发生果穗较剧烈跳动，果穗端部进入两辊之间发生较严重啃穗，且运转噪音较大，可考虑研究新型压送器解决该类问题。

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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

文章编号：1003-188X(2016)03-0167-07

中图分类号：S226.4;S220.2

文献标识码：A

作者简介：周纪磊(1982-)，男，山东高青人，助理工程师，硕士，(E-mail)zhangzhengzb@hotmail.com。通讯作者：荐世春(1963-)，男，山东青岛人，研究员，硕士生导师，(E-mail)jscsh2002@163.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAD08B01)；济南市高校院所自主创新项目(201401266)

收稿日期：2015-04-16