大豆联合收获机田间清选作业参数优化

刘 鹏，金诚谦,，刘 政，张光跃，蔡泽宇，康 艳，印 祥

大豆联合收获机田间清选作业参数优化

刘 鹏1，金诚谦1,2※，刘 政2，张光跃2，蔡泽宇2，康 艳1，印 祥1

（1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博 255000；2. 农业农村部南京农业机械化研究所，南京 210014）

为了改变国内大豆联合收获机田间作业时因清选装置的参数调节缺乏相应理论指导，造成清选参数调控不及时与不精确而导致大豆机收清选损失率和含杂率均较高的现状，该研究利用多参数可调可测式清选系统进行了大豆机收清选参数优化田间试验，分析了大豆机收时清选参数（作业速度、鱼鳞筛筛片开度、风门开度、风机转速和振动筛曲柄转速）对清选指标（清选损失率和含杂率）的影响规律，求解出最佳清选参数组合，完成大豆机收最佳清选参数组合的田间验证试验。试验结果表明，清选参数对清选损失率影响大小排序为振动筛曲柄转速、风机转速、作业速度、风门开度、鱼鳞筛筛片开度，清选参数对含杂率影响大小排序为鱼鳞筛筛片开度、风门开度、风机转速、作业速度、振动筛曲柄转速。求解出清选损失率偏小和含杂率偏小且喂入量偏大时最佳清选参数组合为作业速度6 km/h、鱼鳞筛筛片开度32 mm、风门开度17°、风机转速1 310 r/min和振动筛曲柄转速410 r/min，此时清选损失率为0.25%，含杂率为0.61%，与模型优化值的相对误差分别是0.250%和0.113%，对比常用清选参数条件下大豆联合收获机田间试验的清选指标，清选损失率下降了0.05%，含杂率下降了2.09%。研究结果可为大豆联合收获机田间作业时清选参数的设定与调控以及自适应清选系统调控策略的研发提供理论依据。

收获机；田间试验；优化；大豆机收；多参数可调可测式清选系统；清选参数；清选指标；影响规律

0 引 言

清选工序是联合收获机田间作业的核心步骤，清选装置是联合收获机进行作物田间收获时完成脱粒混合物中籽粒与杂余分离清选的主要设备。清选参数直接影响联合收获机清选装置作业性能。清选指标则用于衡量和评价联合收获机田间作业时清选装置直接造成的籽粒损失与收获籽粒中的含杂情况，主要用清选损失率与含杂率来表示[1-6]。

国内专家学者在联合收获机清选参数优化以及清选参数对清选指标的影响规律方面进行了大量的研究。在水稻机收清选参数研究方面，梁振伟等通过仿真和田间试验，研究了多个清选参数对清选室内气流场变化和清选指标的影响规律，选出清选性能较佳的参数组合[7-8]；司增永等以多风道清选装置为研究对象，选取风机转速、鱼鳞筛筛片开度和分风板角度为清选参数，完成水稻机收清选参数优化田间试验与分析，降低了水稻机收清选损失率和含杂率[9-10]。在小麦机收清选参数研究方面，钟挺等利用4LZ-1.0Q型稻麦联合收获机完成小麦机收脱粒清选参数优化田间试验，应用模糊综合评价法分析数据，得到脱粒清选装置作业参数对小麦机收作业指标的影响主次顺序和最佳脱粒清选参数组合[11-12]；师清翔等利用微型谷物联合收获机双扬谷器旋风分离清选系统试验台完成小麦机收清选参数优化台架试验，分析出最佳清选参数组合[13-14]。在玉米机收清选参数研究方面，王立军等利用仿真和台架试验分析了清选筛参数、清选机构运动参数及清选作业参数对清选指标的影响规律并得出最佳作业参数组合[15-17]；程超等利用清选筛堵塞性能试验台和改装玉米联合收获机完成台架试验和田间试验，分析数据得出了清选筛运动参数对芯轴堵塞质量的影响规律和清选参数对损失率和含杂率的影响规律，分别求出清选筛运动参数最佳组合和清选作业参数最佳组合[18-19]；樊晨龙等利用双层异向清选装置试验台完成玉米机收清选运动参数优化台架试验，得出清选运动参数对清选指标的影响规律和较优清选运动参数组合[20]。在油菜机收清选参数研究方面，张敏等利用双滚筒联合收获试验平台进行了油菜机收清选机构参数优化试验，得出清选机构参数对清选指标的影响规律和最优清选参数组合[21]。在大豆机收清选参数研究方面，金诚谦等针对现有联合收获机收获大豆时脱粒清选系统工作部件的作业参数调节不当而造成大豆机收损失率、破碎率和含杂率较高的问题，选取作业速度、脱粒段脱粒间隙、分离段脱粒间隙、滚筒转速、导流板角度、分风板角度、风机转速、上筛前部开度和上筛后部开度为研究参数，利用4YZL-5S型大豆联合收获机完成大豆机收作业质量主要影响参数的田间试验，分析了各参数对大豆机收作业指标的影响规律，得出大豆机收作业质量主要影响参数的最佳组合，此时损失率、破碎率和含杂率分别为0.24%、0.90%和0.14%[22-23]。

综合研究现状可知，现阶段国内在联合收获机田间作业时清选参数对清选指标的影响规律方面的研究工作主要集中于水稻、小麦、玉米和油菜等作物，文献[22]研究了前进速度和风机转速2个清选参数对大豆机收总损失率的影响效应，而专门进行大豆机收多个清选参数优化以及对清选指标影响规律的精细化研究工作还较少。大豆机收清选工序区别于其他谷物，大豆联合收获机田间作业时的清选损失率与含杂率易受喂入量和清选装置作业参数的影响。通过分析大豆联合收获机清选装置工作原理，确定影响清选指标的主要清选参数，利用田间试验方法研究大豆机收清选参数对清选指标的影响规律，可有效优化大豆联合收获机田间作业的清选参数组合及其调控精度和调节时间[24-29]。

本文针对大豆联合收获机田间作业时清选装置作业参数的调控缺乏相应理论指导，造成清选参数调控不及时与不精确而导致大豆机收清选损失率和含杂率均较高的问题，选取作业速度、鱼鳞筛筛片开度、风门开度、风机转速和振动筛曲柄转速为清选参数，以清选损失率与含杂率为清选指标，采用Design Expert 10.0软件完成响应面试验设计，利用自制多参数可调可测式清选系统完成大豆机收清选参数优化田间试验，通过贡献率方法和响应曲面图分析法计算和分析了5个清选参数对2个清选指标的贡献率和响应效应，探寻大豆机收时清选参数对清选指标的影响规律，求解出大豆机收最佳清选参数组合，以期为大豆联合收获机田间作业清选参数的调控与自适应清选系统调控策略的研发提供理论依据。

1 多参数可调可测式清选系统

1.1 清选系统结构与大豆机收清选作业原理

多参数可调可测式清选系统包括机架、风门开度调控装置、鱼鳞筛筛片开度调控装置、风机转速调控装置、振动筛、振动筛曲柄转速调控装置、GPS模块和控制显示终端。结构示意图如图1所示。

多参数可调可测式清选系统进行大豆机收时的清选作业原理：由振动筛承接脱粒装置脱出的大豆脱粒混合物，在振动筛向后的往复运动和风机经风道在清选室内形成风场的共同作用下，完成大豆脱粒混合物中大豆籽粒与杂质的风选筛分作业。大部分大豆籽粒与少量轻杂余透过振动筛上筛与下筛落入集粮搅龙进行下一步大豆籽粒收集工序，未脱净作物豆荚与较大杂余继续在振动筛往复运动和风机风场的共同作用下，向振动筛后方运动，此过程中未脱净豆荚从尾筛处落入复脱搅龙经过复脱装置重新进入脱粒清选装置进行二次脱粒清选作业，较大杂余则继续在振动筛往复运动和风机风场的共同作用下被排除清选室外，以此完成大豆机收清选作业。

1.机架 2.风门调节板Ⅰ 3.风机伺服电机 4.风机主动轮 5.风机皮带 6.风机 7.风机从动轮 8.风门开度舵机Ⅰ 9.振动筛 10.筛片开度舵机 11.电池Ⅰ 12.电池Ⅱ 13.振动筛曲柄伺服电机 14.振动筛曲柄主动轮 15.振动筛曲柄皮带 16.振动筛曲柄 17.振动筛曲柄从动轮 18.复脱搅龙 19.集粮搅龙 20.风门调节板Ⅱ 21.风门开度舵机Ⅱ

1.2 清选参数调控与监测方法

由大豆机收清选作业原理和清选系统结构可知，大豆联合收获机清选装置属于风筛式清选装置，在清选装置各部件结构不变的前提下，鱼鳞筛筛片开度、风门开度、风机转速与振动筛曲柄转速可调节，这4个清选参数均对清选指标造成直接影响，又因清选指标还受到喂入量的影响，而作业速度决定喂入量[30-36]。因此大豆联合收获机清选装置作业性能主要受到作业速度、鱼鳞筛筛片开度、风门开度、风机转速与振动筛曲柄转速的影响。本文针对上述5个清选作业参数进行大豆机收清选作业参数优化田间试验研究，为确保5个清选参数水平的调控精度和提升试验数据精准度，需要对5个清选参数的调控与监测方法进行分析[28-29]。

1）作业速度调控与监测方法。作业速度通过收获机驾驶员手动设定并由多参数可调可测式清选系统的GPS模块进行实时监测并在控制显示终端实时显示，由收获机驾驶员根据控制显示终端实时显示的作业速度进行手动调控。

2）鱼鳞筛筛片开度调控与监测方法。鱼鳞筛筛片开度通过控制显示终端设定筛片开度参数，由鱼鳞筛筛片开度调控装置进行参数调控与实时监测并在控制显示终端实时显示。鱼鳞筛筛片开度调控装置包括鱼鳞筛、筛片开度舵机和筛片开度调节片，以鱼鳞筛相邻筛片的平行间距作为鱼鳞筛筛片开度，结构如图2a所示。

3）风门开度调控与监测方法。风门开度通过控制显示终端设定参数，由风门开度调控装置进行参数调控与实时监测并在控制显示终端实时显示。风门开度调控装置包括2个风门调节板和2个风门开度舵机，以风门调节板的调节角度作为风门开度，结构如图2b所示。

4）风机转速调控与监测方法。风机转速通过控制显示终端设定参数，由风机转速调控装置进行参数调控与实时监测并在控制显示终端实时显示。风机转速调控装置由风机、风机伺服电机、风机主动轮、风机皮带与风机从动轮组成，结构如图2c所示。

5）振动筛曲柄转速调控与监测方法。振动筛曲柄转速通过控制显示终端设定参数，由振动筛曲柄转速调控装置进行参数调控与实时监测并在控制显示终端实时显示。振动筛曲柄转速调控装置包括振动筛曲柄伺服电机、振动筛曲柄主动轮、振动筛曲柄皮带、振动筛曲柄从动轮和振动筛曲柄，结构如图2d所示。

1.鱼鳞筛筛片 2.筛片开度调节片 3.筛片开度舵机 4.风门调节板 5.风门开度舵机 6.风机伺服电机 7.风机主动轮 8.风机皮带 9.风机从动轮 10.风机 11.振动筛曲柄伺服电机 12.振动筛曲柄主动轮 13.振动筛曲柄皮带 14.振动筛曲柄从动轮 15.振动筛曲柄

1.Chaffer screen plate 2.Screen plate opening adjusting plate 3.Screen plate opening actuator 4.Damper adjusting plate 5.Damper opening actuator 6.Fan servo motor 7.Fan driving wheel 8.Fan belt 9.Fan driven wheel 10.Fan 11.Shale shaker crank servo motor 12.Shale shaker crank driving wheel 13.Shale shaker crank belt 14.Shale shaker crank driven wheel 15.Shale shaker crank

注：为鱼鳞筛筛片开度，mm；为风门调节板调节角度，(°)。

Note:is the opening of chaffer screen, (mm);is the adjusting angle of the damper adjusting plate, (°).

图2 清选参数调控装置结构示意图

Fig.2 Structure diagram of cleaning parameter control device

2 大豆机收清选参数优化田间试验

2.1 试验参数

田间试验之前，参照国家标准《GB/T5262-2008农业机械试验条件测定方法的一般规定》，用1 m2正方框在大豆机收田间试验区域选取1 m2大豆，按割茬高度收集1 m2的大豆植株和自然落粒样本，大豆品种为笨大豆，测量、计算与统计试验用大豆的特性参数，如表1所示。

表1 大豆特性参数表

通过实际测量多参数可调可测式清选系统机具和前期大豆机收田间试验研究，确定大豆机收清选作业参数优化田间试验的收获机部分装置作业参数[28-29]，如表2所示。

表2 试验机具参数表

2.2 试验过程

试验时间为2019年10月19日-2019年10月22日，试验地点为山东省临沂市河东区大豆试验基地。试验前，在清选杂余排出口捆绑清选损失接料袋用于收集每组试验的清选损失样本，用采集袋在粮箱入粮口处采集每组试验的含杂样本。参照国家标准《GB/T8097-2008收获机械联合收割机试验方法》和行业标准《JB/T11912-2014大豆收割机》设定每组试验的作业长度为25 m，每组试验重复3次且清选损失样本和含杂样本各取样3次，按试验数据计算方法处理样本，求平均值后得出每组试验的清选损失率与含杂率。按照试验序号依次完成大豆机收清选参数优化田间试验，试验过程如图3所示。

图3 试验过程图

2.3 试验指标计算方法

1）参照行业标准《JB/T11912-2014大豆收割机》，用式（1）计算喂入量。

式中为喂入量，kg/s；为每组试验喂入大豆植株量，g；为每组试验作业时间，s；为1 m2大豆植株量，g/m2；为割幅，m；为作业距离，m；为作业速度，km/h。

2）先计算1 m2清选损失量与1 m2剩余损失量的和，再减去1 m2自然落粒量，可得1 m2大豆损失量，参考国家标准《JB/T11912-2014大豆收割机》确定清选损失率和含杂率的测量与计算方法。

用式（2）计算每组试验的清选损失率。

式中P为清选损失率，%；W为1 m2清选损失量，g；W为1 m2大豆损失量，g；W为1 m2大豆收获量，g。

用式（3）计算含杂率。

式中P为含杂率，%；W为含杂样本质量，g；W为杂质清除后的样本质量，g。

2.4 试验数据统计

按试验指标计算方法完成大豆机收清选作业参数优化田间试验的喂入量、清选损失率和含杂率的计算统计。根据表1中大豆特性参数、大豆机收脱粒混合物清选特性以及各成分漂浮系数和该大豆品种籽粒三轴尺寸（0.28 mm×0.25 mm×0.30 mm），为确保清选装置作业时大豆籽粒落入集粮搅龙且杂质被吹出机外以及大喂入量条件下作业，选取鱼鳞筛筛片开度中间值为28 mm、风门开度中间值为9°、风机转速中间值为1 400 r/min、振动筛曲柄转速中间值为400 r/min和作业速度中间值为4 km/h。因为鱼鳞筛筛片开度的调节范围是23～33 mm、风门开度调节范围是9°～18°和作业速度的调节范围是2～6 km/h，结合文献[28]和文献[29]中的清选参数水平，根据5个清选作业参数的调控精度与调节范围[36-38]确定本次试验5个清选参数的水平，如表3所示。响应面试验设计表以及清选损失率与含杂率的数据统计如表4所示。将表4中5个清选参数处于0水平时的清选指标单独列表，计算此时清选损失率和含杂率的平均值分别为0.30%和2.70%，两者的极差分别为0.31%和4.09%，即两者的数值变动范围均较大，是因为大豆机收田间试验时会受到试验区域自然落粒不均匀、大豆植株夹带杂草、豆粒含水率不均匀、机外风速不稳定、地面情况、作业环境和天气状况等外界因素的影响，但不影响响应面试验的整体数据分析，且对后面的研究工作有很大参考价值，数据统计如表5所示。

表3 清选参数水平表

表4 响应面试验数据统计表

表5 清选损失率方差分析表

3 大豆联合收获机清选参数响应面优化分析

3.1 清选损失率

3.1.1 清选损失率回归模型建立与显著性检验

根据表4试验数据，对清选损失率进行方差分析，结果如表5所示。值用于分析对象显著性，≤0.01表示响应模型极显著，0.01<≤0.05表示响应模型较为显著，>0.05表示响应模型不显著[39-41]。得到清选损失率的回归方程为

P=0.32−0.041−0.056+0.043+0.051+

0.133+0.005−0.015+0.013−0.04−

0.018+0.013−0.07+0.058+

0.105+0.113−0.0512−0.0362+

0.0142−0.0572+0.0322（4）

式中为作业速度；为鱼鳞筛筛片开度；为风门开度；为风机转速；为振动筛曲柄转速。

由表5可知，清选损失率模型的值为0.009 6小于0.01，表明建立的清选损失率回归模型极其显著，模型的决定系数R=0.684 8，表明该回归模型能反映出68.48%的响应值变化，说明得到的线性回归方程拟合效果较好。在该回归模型中，项的值小于0.01，表示在置信区间99%范围内，对清选损失率回归模型的影响极其显著。其余各项的值均大于0.05，表示对清选损失率回归模型的影响均不显著。

3.1.2 各参数对清选损失率的贡献率

贡献率∆能反映出单个参数对所建立回归模型的影响程度，∆越大，影响程度就越大[39-41]，∆计算公式如下：

式中为方差分析的值；为考核值；Δ为贡献率；δ第个参数一次项的贡献率；δ为第个参数二次项的贡献率；δ为第个参数与其他参数交互作用的贡献率。

根据公式（5）和公式（6）计算各参数对清选损失率的贡献率，如表6所示。根据表6的数据可知，清选参数对清选损失率贡献率的大小排序为：振动筛曲柄转速、风机转速、作业速度、风门开度、鱼鳞筛筛片开度。

表6 各参数对清选损失率的贡献率表

3.1.3 各参数对清选损失率的响应效应分析

由表5数据得出，振动筛曲柄转速对清选损失率影响显著。作业速度、鱼鳞筛筛片开度、风门开度和风机转速对清选损失率影响不显著，故列为非显著项排除分析，只进行显著项与清选损失率的响应效应分析。现对振动筛曲柄转速与清选损失率的响应效应进行分析，由图4看出，振动筛曲柄转速对清选损失率的影响趋势是增加，随着振动筛曲柄转速增大，清选损失率随之变大且变化明显，是因为振动筛曲柄转速决定振动筛振动频率，振动筛曲柄转速增大会使大豆脱粒混合物受到振动筛向后往复运动的推动作用频率加快，单位时间内大豆脱粒混合物排出清选室的籽粒量增大，清选损失率随之变大。

3.2 含杂率

3.2.1 含杂率回归模型建立与显著性检验

根据表4试验数据，对含杂率进行方差分析，结果如表7所示。得到含杂率的回归方程为

P=2.697+0.334+1.467−1.269+0.218+

0.009375−0.598+1.173+1.725−

0.648−3.405+2.315+0.853−

0.448+0.3+0.373−0.402+1.9092+

0.5752+1.222−0.912（7）

图4 振动筛曲柄转速对清选损失率的响应曲面分析图

表7 含杂率方差分析表

由表7可知，含杂率模型的值为0.010 1小于0.05，表明建立的含杂率回归模型较显著，模型的决定系数2=0.683 2，表明该回归模型能反映出68.32%的响应值变化，说明得到的线性回归方程拟合效果较好。在该回归模型中，和项的值小于0.01，表示在置信区间99%范围内对含杂率回归模型的影响极其显著，、和2项的值大于0.01且小于0.05，表示在置信区间95%范围内对含杂率回归模型的影响较显著。其余各项的值均大于0.05，表示对建立的含杂率回归模型影响均不显著。

3.2.2 各参数对含杂率的贡献率

利用公式（5）和公式（6）计算各参数对含杂率的贡献率，如表8所示。根据表8的数据可知，清选参数对含杂率贡献率的大小排序为：鱼鳞筛筛片开度、风门开度、风机转速、作业速度、振动筛曲柄转速。

表9 各参数对含杂率的贡献率表

3.2.3 各参数对含杂率的响应效应分析

由表7数据得出，鱼鳞筛筛片开度与风门开度对含杂率的影响显著，作业速度、风机转速和振动筛曲柄转速对含杂率的影响不显著，故列为非显著项排除，只进行显著项与含杂率的响应效应分析。先对鱼鳞筛筛片开度与含杂率的响应效应进行分析：图5a、5d和5e显示鱼鳞筛筛片开度对含杂率影响趋势是先减少后增加，图5c显示鱼鳞筛筛片开度对含杂率影响趋势是增加，综合4个响应曲面变化趋势，鱼鳞筛筛片开度对含杂率的影响极其显著且存在较显著的二次作用，鱼鳞筛筛片开度与风门开度存在极其显著的交互作用，鱼鳞筛筛片开度与风机转速存在较显著的交互作用，是因为鱼鳞筛筛片开度变化会改变鱼鳞筛相邻平行筛片间距，对单位时间内大豆脱粒混合物透筛量以及大豆籽粒与杂质的分离量影响极大，对清选损失率影响极大。对风门开度与含杂率的响应效应进行分析，图5b显示风门开度对含杂率影响趋势是减少，图5c显示风门开度对含杂率影响趋势是增加，图5f和5g显示风门开度对含杂率无显著变化，综合4个响应曲面变化趋势，风门开度对含杂率的影响较为显著且风门开度与鱼鳞筛筛片开度极其显著的交互作用，是因为风门开度决定风机进风口面积进而决定清选室内风场风量分布情况，风门开度的变化会使清选室内大豆脱粒混合物受到的风场作用力随之变化，单位时间内大豆脱粒混合物中大豆籽粒与杂质的分离量变化且杂质吹出量也随之变化，对含杂率影响较大。

图5 鱼鳞筛筛片开度与风门开度对含杂率的响应曲面分析图

3.3 清选参数优化与试验验证

3.3.1 清选参数优化

因大豆机收时清选作业要求是清选损失率和含杂率越小越好，所以，清选损失率和含杂率是偏小型指标。为提高大豆机收清选作业效率，在清选指标最小的前提下要求喂入量越大越好，在大豆种植条件、割台割幅以及其余收获机部件作业参数不变的条件下，作业速度决定喂入量，因此提高大豆机收清选效率要求作业速度越大越好。5个清选参数均在水平范围内取值，由此可确定约束条件为作业速度最大、清选损失率最小和含杂率最小。根据约束条件建立大豆机收清选参数组合优化模型为

因为Design Expert 10.0软件本身具备约束条件优化求解功能，运用该软件在清选参数水平范围内求解出满足约束条件最大喂入量、最小清选损失率和最小含杂率时的大豆机收最佳清选参数组合为作业速度6.000 km/h、鱼鳞筛筛片开度31.662 mm、风门开度16.611°、风机转速1 309.834 r/min和振动筛曲柄转速411.128 r/min，此时清选损失率为0.050%，含杂率为0.497%。

3.3.2 大豆机收最佳清选参数组合试验验证

为验证大豆机收清选参数组合优化模型的可靠性，根据求解出的大豆机收最佳清选参数组合，在同一个大豆试验区域进行了大豆机收最佳清选参数组合田间验证试验。因多参数可调可测式清选系统的5个清选参数在水平范围内均可实现无级调控，但清选参数设定精确到小数点后1位数难以实现，故将最接近的1组清选参数组合调整为大豆机收最佳清选参数组合：作业速度6 km/h、鱼鳞筛筛片开度32 mm、风门开度17°、风机转速1 310 r/min和振动筛曲柄转速410 r/min。按表2中的试验机具参数和最佳清选参数组合共完成3次大豆机收田间验证试验，计算3组田间验证试验的清选损失率和含杂率，平均值分别为0.25%和0.61%，如表9所示。用表9中的清选指标与3.3.1节中的优化结果进行差的绝对值计算，得出清选损失率与含杂率的相对误差分别为0.250%和0.113%，清选指标相对误差较小。

表9 大豆机收最佳清选参数组合验证试验数据表

5个清选参数的0水平值是多参数可调可测式清选系统对应型号的联合收获机进行大豆田间收获时的常用清选作业参数。用表9中清选指标的平均值减去0水平清选指标的平均值，以差的正负代表清选指标升高或下降，得出大豆机收最佳清选参数组合田间验证试验的清选损失率下降了0.05%，含杂率下降了2.09%。由文献[10]可知，大豆机收损失主要是割台损失，其次是夹带损失和未脱净损失，最后是清选损失，故清选损失占比较小，清选损失率数值及极差较小；由文献[17]可知，含杂率、总损失率和破碎率是衡量收获机工作性能的3大指标，含杂率数值及极差较大。5个清选参数均处于0水平时清选损失率极差小于含杂率极差，符合上述分析情况，故优化后清选损失率的下降幅度小于优化后含杂率的下降幅度。本研究结果为大豆联合收获机田间作业时清选参数的设定与调控提供参考。

4 结 论

1）应用田间试验法，完成大豆机收清选参数优化田间试验，用Design Expert软件分析试验数据得出大豆联合收获机田间作业时作业速度、鱼鳞筛筛片开度、风门开度、风机转速和振动筛曲柄转速对大豆机收清选指标的影响顺序：清选参数对清选损失率影响排序为振动筛曲柄转速、风机转速、作业速度、风门开度、鱼鳞筛筛片开度，清选参数对含杂率影响排序为鱼鳞筛筛片开度、风门开度、风机转速、作业速度、振动筛曲柄转速。通过分析各参数与清选指标的响应曲面图，得出显著项清选参数对清选指标的响应效应。本文得出的5个清选参数对大豆机收清选指标的影响规律可为大豆联合收获机田间作业清选参数的适时与精确调控和自适应清选系统调控策略的研发提供理论指导。

2）建立了大豆机收清选参数组合优化模型，应用Design Expert 10.0软件自带的约束条件优化求解功能，得出作业速度偏大、清选损失率偏小和含杂率偏小时大豆机收最佳清选参数组合为作业速度6 km/h、鱼鳞筛筛片开度32 mm、风门开度17°、风机转速1 310 r/min和振动筛曲柄转速410 r/min。利用多参数可调可测式清选系统进行了大豆机收最佳清选参数组合的田间验证试验，此时清选指标为清选损失率0.25%和含杂率0.61%，与常用清选参数条件下大豆联合收获机田间试验的清选指标进行对比分析，清选损失率下降了0.05%，含杂率下降了2.09%。本文预测出的大豆机收最佳清选参数组合可为大豆机收时清选参数设定与田间作业参数优化提供实际参考。

[1]徐立章，李洋，李耀明，等. 谷物联合收获机清选技术与装置研究进展[J]. 农业机械学报，2019，50(10)：1-16.

Xu Lizhang, Li Yang, Li Yaoming, et al. Research progress on cleaning technology and equipment of grain combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(10): 1-16. (in Chinese with English abstract)

[2]宁新杰，金诚谦，印祥，等. 谷物联合收割机风筛式清选装置研究现状与发展趋势[J]. 中国农机化学报，2018，39(9)：5-10.

Ning Xinjie, Jin Chengqian, Yin Xiang, et al. Research status and development trend of air screen cleaning device for grain combine harvester[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2018, 39(9): 5-10. (in Chinese with English abstract)

[3]苏天生，韩增德，崔俊伟，等. 谷物联合收割机清选装置研究现状及发展趋势[J]. 农机化研究，2016，38(2)：6-11.

Su Tiansheng, Han zengde, Cui Junwei, et al. Research status and development trend of grain combine cleaning device [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016, 38(2): 6-11. (in Chinese with English abstract)

[4]汤庆，吴崇友，王素珍，等. 谷物清选装置研究现状及发展趋势[J]. 农机化研究，2013，35(12)：225-228.

Tang Qing, Wu Chongyou, Wang Suzhen, et al. Research status and development trend of grain cleaning device[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013, 35(12): 225-228. (in Chinese with English abstract)

[5]朱鹏飞. 谷物风筛清选仿真研究及关键参数优化设计[D].杭州：浙江大学，2019.

Zhu Pengfei. Simulation Study and Optimization Design of Key Parameters of Grain Air Screen Cleaning[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[6]陈庆文，韩增德，崔俊伟，等. 自走式谷物联合收割机发展现状及趋势分析[J]. 中国农业科技导报，2015，17(1)：109-114.

Chen Qingwen, Han Zengde, Cui Junwei, et al. Analysis of development status and trend of self-propelled grain combine[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2015, 17(1): 109-114. (in Chinese with English abstract)

[7]梁振伟. 多风道清选装置设计方法及清选损失监测与控制技术研究[D]. 镇江：江苏大学，2018.

Liang Zhenwei. Research on Design Method and Cleaning Loss Monitoring and Control Technology of Multi Air Cleaning Device[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[8]梁振伟，李耀明，马培培，等. 纵轴流联合收获机清选装置结构优化与试验[J]. 农机化研究，2018，40(5)：170-174.

Liang Zhenwei, Li Yaoming, Ma Peipei, et al. Structural optimization and test of cleaning device of vertical axial flow combine harvester[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(5): 170-174. (in Chinese with English abstract)

[9]司增永，李耀明，唐忠，等. 横置多滚筒联合收获机清选装置参数优化与试验[J]. 农机化研究，2018，40(7)：185-189，205.

Si Zengyong, Li Yaoming, Tang Zhong, et al. Parameter optimization and test of cleaning device of transverse multi drum combine harvester[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(7): 185-189, 205. (in Chinese with English abstract)

[10]司增永. 多滚筒联合收获机清选装置设计与试验[D]. 镇江：江苏大学，2017.

Si Zengyong. Design and Test of Cleaning Device for Multi Drum Combine Harvester [D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[11]钟挺，胡志超，顾峰玮，等. 4LZ-1.0Q型稻麦联合收获机脱粒清选部件试验与优化[J]. 农业机械学报，2012，43(10)：76-81.

Zhong Ting, Hu Zhichao, Gu Fengwei, et al. Test and optimization of threshing and cleaning components of 4lz-1.0q rice wheat combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(10): 76-81. (in Chinese with English abstract)

[12]钟挺，胡志超，顾峰玮，等. 轻简型全喂入稻麦联合收获清选装置分析及设计要点探析[J]. 中国农机化，2012(6)：67-70，77.

Zhong Ting, Hu Zhichao, Gu Fengwei, et al. Analysis and design of light and simple all feed rice wheat combined harvest cleaning device[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2012(6): 67-70, 77. (in Chinese with English abstract)

[13]师清翔，马萌，闫卫红，等. 双扬谷器旋风分离清选系统试验与参数优化[J]. 农业机械学报，2014，45(11)：124-128.

Shi Qingxiang, Ma Meng, Yan Weihong, et al. Test and parameter optimization of cyclone separation and cleaning system with double lift trough[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(11): 124-128. (in Chinese with English abstract)

[14]师清翔，张晓博，耿令新，等. 微型谷物联合收割机清选系统试验[J]. 河南科技大学学报：自然科学版，2015，36(5)：82-86，89.

Shi Qingxiang, Zhang Xiaobo, Geng Lingxin, et al. Experiment on cleaning system of minigrain combine harvester[J]. Journal of Henan University of Science and Technology: Natural Science, 2015, 36(5): 82-86, 89. (in Chinese with English abstract)

[15]王立军，段良坤，郑招辉，等. 三移动两转动振动筛驱动机构优化与试验[J]. 农业机械学报，2018，49(6)：138-145.

Wang Lijun, Duan Liangkun, Zheng Zhaohui, et al. Optimization and test of driving mechanism of three moving and two rotating vibrating screen[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(6): 138-145. (in Chinese with English abstract)

[16]王立军，冯鑫，武振超，等. 玉米联合收获机贯流风阶梯式振动筛设计与试验[J]. 农业机械学报，2018，49(10)：115-123.

Wang Lijun, Feng Xin, Wu Zhenchao, et al. Design and test of cross flow stepped vibrating screen for corn combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(10): 115-123. (in Chinese with English abstract)

[17]王立军，李瑞，于泳涛，等. 玉米籽粒收获机双层不平行振动筛设计与试验[J]. 农业机械学报，2019，50(7)：130-139.

Wang Lijun, Li Rui, Yu Yongtao, et al. Design and test of double layer non parallel vibrating screen for corn harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(7): 130-139. (in Chinese with English abstract)

[18]程超，付君，郝付平，等. 清选筛运动参数对玉米芯轴堵筛规律的影响[J]. 吉林大学学报：工学版，2020，50(1)：351-360.

Cheng Chao, Fu Jun, Hao Fuping, et al. The influence of the motion parameters of the cleaning screen on the plugging rule of corn cob[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2020, 50(1): 351-360. (in Chinese with English abstract)

[19]程超，付君，陈志，等. 玉米籽粒收获机清选装置参数优化试验[J]. 农业机械学报，2019，50(7)：151-158.

Cheng Chao, Fu Jun, Chen Zhi, et al. Parameter optimization test of cleaning device of corn harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(7): 151-158. (in Chinese with English abstract)

[20]樊晨龙，崔涛，张东兴，等. 纵轴流联合收获机双层异向清选装置设计与试验[J]. 农业机械学报，2018，49(S1)：239-248.

Fan Chenlong, Cui Tao, Zhang Dongxing, et al. Design and test of double-layer and different direction cleaning device of longitudinal axial flow combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(S1): 239-248. (in Chinese with English abstract)

[21]张敏，金诚谦，梁苏宁，等. 风筛选式油菜联合收割机清选机构参数优化与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(24)：8-15.

Zhang Min, Jin Chengqian, Liang Suning, et al. Parameter optimization and test of cleaning mechanism of wind screened rape combine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(24): 8-15. (in Chinese with English abstract)

[22]金诚谦，郭飞扬，徐金山，等. 大豆联合收获机作业参数优化[J]. 农业工程学报，2019，35(13)：10-22.

Jin Chengqian, Guo Feiyang, Xu Jinshan, et al. Optimization of operation parameters of soybean combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 10-22. (in Chinese with English abstract)

[23]金诚谦. 大豆收获机脱粒分离装置参数优化与试验[C]// 中国作物学会大豆专业委员会.第十届全国大豆学术讨论会论文摘要集，2017：174.

[24]刘鹏，金诚谦，印祥，等. 大豆联合收获机清选装置与关键技术研究进展[J]. 浙江农业学报，2019，31(10)：1758-1766.

Liu Peng, Jin Chengqian, Yin Xiang, et al. Research progress on cleaning device and key technology of soybean combine harvester[J]. Acta Agriculturae Zhejiangensis, 2019, 31(10): 1758-1766. (in Chinese with English abstract)

[25]耿令新，张利娟，师清翔，等. 便携式谷物联合收获机锥顶蜗壳式旋风分离清选系统参数优化[J]. 中国农机化学报，2013，34(4)：146-149，133.

Geng Lingxin, Zhang Lijuan, Shi Qingxiang, et al. Optimization of parameters of conical top volute type cyclone separation and cleaning system of portable grain combine harvester[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2013, 34(4): 146-149, 133. (in Chinese with English abstract)

[26]宫云涛. 大豆收获机发展研究[J]. 农业科技与装备，2013(2)：61-62.

Gong Yuntao. Research on the development of soybean harvester[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment, 2013(2): 61-62. (in Chinese with English abstract)

[27]刘基，金诚谦，梁苏宁，等. 大豆机械收获损失的研究现状[J]. 农机化研究，2017，39(7)：1-9，15.

Liu Ji, Jin Chengqian, Liang Suning, et al. Research status of soybean mechanical harvest loss[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(7): 1-9, 15. (in Chinese with English abstract)

[28]赵学观，徐丽明，高连兴，等. 基于Fluent的大豆脱粒机旋风分离器模拟与优化[J]. 农业机械学报，2014，45(S1)：80-87.

Zhao Xueguan, Xu liming, Gao Lianxing, et al. Simulation and optimization of cyclone separator of soybean thresher based on fluent[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(S1): 80-87. (in Chinese with English abstract)

[29]高剑. 大豆机械收获技术[J]. 农业开发与装备，2019(3)：155.

Gao Jian. Soybean mechanical harvesting technology[J]. Agricultural Development & Equipments, 2019(3): 155. (in Chinese with English abstract)

[30]于昭洋，胡志超，曹明珠，等. 切流式花生全喂入联合收获机清选机构设计[J]. 农业工程学报，2019，35(9)：29-37.

Yu Zhaoyang, Hu Zhichao, Cao Mingzhu, et al. Design of cleaning mechanism of cutting flow type peanut full feed combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(9): 29-37. (in Chinese with English abstract)

[31]王建楠，刘敏基，胡志超，等. 花生种子带式清选设备关键作业参数优化[J]. 农业工程学报，2018，34(23)：33-41.

Wang Jiannan, Liu Minji, Hu Zhichao, et al. Optimization of key operation parameters of peanut seed belt cleaning equipment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 33-41. (in Chinese with English abstract)

[32]李洋，徐立章，周蓥，等. 脱出物喂入量对多风道清选装置内部气流场的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(12)：48-55.

Li Yang, Xu Lizhang, Zhou Ying, et al. The influence of the feed amount of the effluent on the internal airflow field of the multi-channel cleaning device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 48-55. (in Chinese with English abstract)

[33]廖庆喜，万星宇，李海同，等. 油菜联合收获机旋风分离清选系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(14)：24-31.

Liao Qingxi, Wan Xingyu, Li Haitong, et al. Design and test of cyclone separation and cleaning system for rape combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(14): 24-31. (in Chinese with English abstract)

[34]任述光，谢方平，王修善，等. 4LZ-0.8型水稻联合收割机清选装置气固两相分离作业机理[J]. 农业工程学报，2015，31(12)：16-22.

Ren Shuguang, Xie Fangping, Wang Xiushan, et al. Operation mechanism of gas-solid two-phase separation in cleaning device of 4lz-0.8 rice combine harvester [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(12): 16-22. (in Chinese with English abstract)

[35]杜小强，肖梦华，胡小钦，等. 贯流式谷物清选装置气固两相流数值模拟与试验[J]. 农业工程学报，2014，30(3)：27-34.

Du Xiaoqiang, Xiao Menghua, Hu Xiaoqin, et al. Numerical simulation and experiment of gas-solid two-phase flow in tubular grain cleaning device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(3): 27-34. (in Chinese with English abstract)

[36]高连兴，赵学观，杨德旭，等. 大豆脱粒机气力清选循环装置研制与性能试验[J]. 农业工程学报，2012，28(24)：22-27.

Gao Lianxing, Zhao Xueguan, Yang Dexu, et al. Development and performance test of pneumatic cleaning circulation device of soybean thresher[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(24): 22-27. (in Chinese with English abstract)

[37]王扬，吕凤妍，徐天月，等. 大豆籽粒形状和尺寸分析及其建模[J]. 吉林大学学报：工学版，2018，48(2)：507-517.

Wang Yang, Lü Fengyan, Xu Tianyue, et al. Analysis and modeling of soybean seed shape and size[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2018, 48(2): 507-517. (in Chinese with English abstract)

[38]张继成，陈海涛，纪文艺，等. 大豆脱出物悬浮速度试验研究[J]. 农机化研究，2013，35(4)：127-131.

Zhang Jicheng, Chen Haitao, Ji Wenyi, et al. Experimental study on suspension velocity of soybean effluents[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013, 35(4): 127-131. (in Chinese with English abstract)

[39]邱轶兵. 试验设计与数据处理[M]. 北京：中国科学技术大学出版社，2008.

[40]耿端阳. 新编农业机械学[M]. 北京：国防工业出版社，2011.

[41]马寨璞. 高级生物统计[M]. 北京：科学出版社，2016.

Optimization of field cleaning parameters of soybean combine harvester

Liu Peng1, Jin Chengqian1,2※, Liu Zheng2, Zhang Guangyue2, Cai Zeyu2, Kang Yan1, Yin Xiang1

(1.,255000,; 2.,210014,)

At present, there are few studies on the influence of the cleaning parameters of soybean harvester on the cleaning indexes in China. In order to change the current situation of soybean combine harvester, due to the lack of theoretical guidance for the parameter adjustment of the corresponding cleaning device, the cleaning parameter adjustment is not timely and accurate, resulting in high loss rate and high impurity content of soybean harvester. In this study, the multi parameter adjustable and measurable cleaning system was used to optimize the cleaning parameters of soybean harvester in field test. The influence rules of the five cleaning parameters on the two cleaning indexes were analyzed, and the best cleaning parameter combination was found. The field verification test of the best cleaning parameter combination of soybean harvester was completed. Based on the analysis of the structure of cleaning system and the principle of cleaning operation of soybean harvester, the importance of the operating parameters and operating speed of cleaning device to the cleaning indexes of soybean combine harvester was obtained. The operation speed, opening of chaffer screen, damper opening, fan speed and crank speed of shale shaker were used to optimize the five cleaning parameters in field experiments. Cleaning loss rate and impurity rate were used to optimize the two cleaning indexes of field experiments. Through the analysis of the influence of cleaning device on the indexes of soybean combine harvester, the cleaning loss rate and impurity rate were determined as cleaning indexes, and in the field experiment, the cleaning loss of samples were collected in the form of binding cleaning loss receiving bag at the back of cleaning room to optimize the parameters of cleaning loss in the field experiment. Response surface test design and data analysis are completed by using design expert software. The contribution rate and response effect of each parameter on the two cleaning indexes were analyzed by the contribution rate method and response surface diagram. The results showed that the order of influence of cleaning parameters on cleaning loss rate was crank speed of shale shaker, fan speed, operation speed, damper opening, opening of chaffer screen. The order of influence of cleaning parameters on the impurity rate was opening of chaffer screen, damper opening, fan speed, operation speed, crank speed of shale shaker; The results showed that when the cleaning loss rate was small and the impurity rate was small and the feeding amount was large, the optimal cleaning parameters were operation speed was 6 km/h, opening of chaffer screen was 32 mm, damper opening was 17°, fan speed was 1 310 r/min and crank speed of shale shaker was 410 r/min. At this time, the cleaning loss rate was 0.25%, the impurity rate was 0.61%, and the relative error with the optimized value of the model was 0.250% and 0.113%, respectively. Compared with the cleaning indexes of the field experiment of soybean combine harvester under the common cleaning parameters, the cleaning loss rate was reduced by 0.05%, and the impurity rate was reduced by 2.09%. The results provide a theoretical basis for the setting and adjustment of cleaning parameters and the research and development of self-adaptive cleaning system.

harvester; field test; optimization; soybean harvest; multi parameter adjustable and measurable cleaning system; cleaning parameters; cleaning index; influence rule

刘鹏，金诚谦，刘政，等. 大豆联合收获机田间清选作业参数优化[J]. 农业工程学报，2020，36(10)：35-45.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.005 http://www.tcsae.org

Liu Peng, Jin Chengqian, Liu Zheng, et al. Optimization of field cleaning parameters of soybean combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 35-45. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.005 http://www.tcsae.org

2020-02-13

2020-04-24

现代农业产业技术体系建设专项资金项目（CARS-04-PS26）；山东省农机装备研发创新计划项目（2018YF006）；山东省高等学校优势学科人才团队培育计划项目（2016－2020）；中央引导地方科技发展专项基金项目；山东省科技创新基地专项（SDKL2019014）

刘鹏，博士生，主要从事机械化旱作农业技术体系及装备研究。Email：820016001@qq.com

金诚谦，研究员，主要从事大田作物收获机械化与智能化技术研究。Email：412114402@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.005

S225.6

A

1002-6819(2020)-10-0035-11