食葵割台落粒损失和籽粒表皮损伤关键影响因素分析

刘 巍，宗望远,2，马丽娜,2，连国党，李 茂

食葵割台落粒损失和籽粒表皮损伤关键影响因素分析

刘 巍1，宗望远1,2，马丽娜1,2※，连国党1，李 茂1

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

食葵联合收获机田间作业时，割台拨禾轮在拨禾过程中碰撞葵盘造成葵盘落粒，在螺旋输送器输送籽粒和葵盘过程中，籽粒表皮受到摩擦作用力导致表皮损伤，此外割台剧烈振动也会引起茎秆抖动，进而造成葵盘落粒。针对上述问题，该研究对适收期内不同含水率下食葵收获过程中割台碰撞、振动作用对葵盘落粒损失以及摩擦作用对籽粒表皮损伤的影响规律进行试验研究，明确食葵较佳收获时期，提高食葵收获作业效果。首先，开展拨禾轮与葵盘碰撞作用对落粒损失影响试验和螺旋输送器输送过程对食葵籽粒表皮损伤影响试验，结果表明籽粒含水率与落粒损失率呈极显著负相关（<0.01），与籽粒表皮损伤率呈极显著正相关（<0.01）。其次，根据食葵收获对籽粒损失率和损伤率的要求确定了落粒损失率和籽粒表皮损伤率对收获效果的影响权重分别为0.54和0.46，通过目标函数寻优得出籽粒含水率为9%～13%为食葵较佳收获期。最后，基于Default Shaker液压振动台研究联合收获机主要振动频率范围内（1～40 Hz）的振动激励对落粒损失的影响，结果表明，食葵植株在7 Hz振动激励作用下葵盘落粒损失率最大为1.5%。试验结果可为割台关键部件运行参数的优化奠定基础。

农业机械；损伤；食葵收获；割台；落粒损失；碰撞；振动激励

0 引 言

向日葵是中国第三大油料作物，每年的产量约为300万t[1]，向日葵可分为油用向日葵（简称油葵）和食用向日葵（简称食葵）两种类型，其中食葵作为食用葵瓜子的主要原料，可以为农户带来巨大的经济效益[2-3]。收获是食葵生产的关键环节，且割台损失率占收获总损失率的50%以上[4]，割台收获效果直接影响食葵产业的经济效益，国内食葵联合收获机收获效果不佳的原因之一是收获时期的选取不够准确。食葵成熟度低（含水率高）时，联合收获损失率降低，但籽粒表皮损伤率和脱粒清选含杂率高；食葵成熟度高（含水率低）时，联合收获籽粒表皮损伤率和脱粒清选含杂率降低，但损失率高。为降低联合收获损失率和损伤率，目前食葵收获主要采用人工分段收获，即通过人工采摘葵盘后将葵盘插在原始茎秆上晾晒，葵盘经过晾晒风干，葵盘籽粒含水率快速降低至满足食葵脱粒清选的要求，再通过人工摘取葵盘进行机械脱粒[5-6]。食葵人工收获过程存在劳动强度大、作业效率低、人工成本高等问题，因此，研究食葵生物力学特性对提高国内食葵联合收获作业效果具有重要意义。

由于食葵和油葵均属于向日葵，针对二者生物力学特性的研究主要集中在其籽粒生物力学特性[7-8]和茎秆剪切力学特性等方面[9-11]。KHODABAKHSHIAN等[12]评估了3种伊朗油葵籽粒的形态、含水率与向日葵籽粒的终端速度、雷诺数、阻力系数之间的函数关系；SELVAM等[13]研究了5个品种的向日葵籽粒含水率与初始开裂力、平均断裂力、断裂能之间的关系，所有品种的初始开裂力、平均断裂力随含水率的增加而线性下降，断裂能随含水率的增加而线性增加；于亚飞[14]开展了食葵籽粒准静态压缩试验，得到食葵籽粒准静态下的最大破裂力，阐明了籽粒含水率与最大应力和最大破裂力之间的函数关系；纪洪亭等[15]通过多元统计方法对食葵植株的结实率、百粒质量、株高、花盘直径、籽粒尺寸等农艺特性进行统计分析；针对油葵茎秆不易切断的生物学特性，刘羊等[16]分析了油葵茎秆切割过程中茎秆的受力情况，通过试验测得圆盘割刀切割茎秆所需的平均功耗；刘羊等[17]对“矮大头667”油葵籽粒的碰撞恢复系数进行研究，确定了籽粒与不同材料的碰撞恢复系数；郝建军等[18]利用三维扫描建模技术构建了“矮大头567”油葵籽粒的离散元模型，并测得了油葵籽粒的堆积角。

上述研究主要针对食葵或油葵植株茎秆、葵盘、籽粒的几何参数以及籽粒碰撞破碎力、挤压破碎力等力学参数进行相关研究，研究结果为向日葵联合收获机的设计提供理论依据或为仿真试验提供了参考。植株振动[19]、冲击碰撞[20-21]等力学特性也是影响收获作业质量的重要因素，是整机关键部件性能参数优化的前提，而上述植株力学特性等方面的研究主要集中在甘蔗、玉米、油菜等[22-24]作物上。目前尚未有针对食葵收获效果影响因素以及食葵振动特性相关研究的文献报道，因此本文针对上述问题开展试验研究，探究适收期不同含水率下割台碰撞和振动作用对落粒损失以及输送过程对籽粒表皮损伤的影响规律，进而明确食葵较佳收获时期，解决食葵收获中割台落粒损失与籽粒表皮损伤之间的矛盾，拟为优化食葵收获作业质量并为食葵联合收获机关键部件结构参数设计提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 整机结构及工作原理

食葵联合收获机主要由割台、升运器、脱粒清选装置、粮仓、卸粮装置等组成，其中割台主要由分禾器、拨禾轮、往复式切割器、螺旋输送器等组成，总体结构如图1所示。联合收获机田间作业时，植株首先进入割台，通过割台分禾器分禾和扶禾，拨禾轮拨禾以及往复式切割器切割植株茎秆，切断后的食葵植株由螺旋输送器输送至升运器进而喂入脱粒清选装置，实现葵盘脱粒和籽粒清选，脱出籽粒由送粮风机输送至粮仓，而脱粒后的葵盘和茎秆等杂余则被抛出机外，从而完成食葵联合收获作业。联合收获机田间收获作业工况下关键部件主要运行参数如表1所示。

1.分禾器 2.拨禾轮 3.往复式切割器 4.螺旋输送器 5.链耙升运器 6.行走装置 7.脱粒装置 8.卸粮装置

表1 4LZK-2.5Z食葵联合收获机田间收获工况主要参数

1.2 关键因素确定

1.2.1 割台籽粒碰撞损失因素分析

割台是联合收获机最先接触作物的工作部件，收获时食葵植株首先被分禾器引导至对应通道，随着拨禾轮的转动拨禾板对食葵植株进行扶持和推送，食葵植株运动至分禾器末端并被往复式切割器切断茎秆，拨禾轮将上端的葵盘和茎秆拨入割台，由螺旋输送器进行导拢输送至升运器，升运器再将物料输送至后续的脱粒清选装置。为探究拨禾轮拨禾作业过程中，在不同含水率下，拨禾轮碰撞对葵盘落粒损失的影响规律，开展拨禾过程拨禾板碰撞作用对食葵葵盘落粒损失影响试验。

1.2.2 割台籽粒损伤因素分析

食葵植株在拨禾轮的扶禾和拨禾作用下被往复式切割器割断，该过程中拨禾轮和割刀对葵盘的碰撞以及割刀往复运动的振动激励均造成葵盘落粒。被切割下的葵盘和掉落在割台上的籽粒均通过螺旋输送器输送至升运器，进而进行后续脱粒清选作业，最终进入粮仓。在螺旋输送器导拢输送籽粒和葵盘过程中，其螺旋叶片带动籽粒在割台底板进行横向移动，由于籽粒与割台底板之间存在摩擦，使得籽粒表皮出现损伤。为研究不同籽粒含水率下螺旋输送器输送过程对籽粒表皮损伤的影响程度，开展螺旋输送器输送过程对食葵籽粒表皮损伤率影响试验。

1.2.3 植株振动落粒影响因素分析

以割台收获过程中的食葵植株为研究对象，食葵中段通过割台分禾器间隙，在此过程中分禾器夹持植株并传递割台振动，因此食葵植株主要受到横向的振动激励，将食葵植株简化为简支梁，茎秆上部的葵盘质量等效为(kg)，茎秆段等效为阻尼，该振动系统的等效模型[25]如图 2所示。

注：F 为葵盘施加给茎秆的重力，N；k为弹性系数；c为阻尼系数；x为干扰力导致的形变量，mm；m为葵盘质量，kg；v为葵盘运动速度，m·s-1；ma为葵盘惯性力，N；cv为阻尼力，N；Δst为重力导致的形变量，mm；Fdsinwt为激振力，N。

选定竖直向下为正坐标轴方向，对食葵茎秆夹持部分进行受力分析，可得食葵葵盘的运动方程为

由于=Δ，化简式（1）可得：

系统的固有频率0为

令

则式（2）可化简为

式（5）的通解为

式中、为振幅，mm；为位移落后激振力的相位角，（°）。

在小阻尼情况下，该解的第一部分为衰减振动，随时间增加迅速减弱直至消失；第二部分为强迫振动，第一部分消失后通解可简化为

其中，

由上述分析可知，植株受迫振动的幅值与其固有频率、阻尼系数、葵盘质量以及激振源振动信号有关。食葵收获过程中，割台上存在多种振动激励，主要由割刀、振动筛等的往复运动，拨禾轮、螺旋输送器、脱粒装置等的不平衡转动以及发动机、传动部件等运行过程产生。为探究振动对葵盘落粒的影响程度，开展振动激励对食葵葵盘落粒损失影响试验。

1.2.4 试验材料

试验材料为内蒙古呼和浩特市武川县食葵SH363，适收期其籽粒含水率在7%～19%，在食葵茎秆高度为700 mm处测量茎秆直径，其主要物理参数如表 2所示。

表2 食葵植株主要物理特性参数

1.3 试验设计及方法

1.3.1 拨禾轮碰撞试验

拨禾轮式割台拨禾板碰撞葵盘试验台架结构方案如图3所示，主要由食葵植株固定支架、台架底座、拨禾轮、直流电机、往复式切割器等组成，其中拨禾轮直径为500 mm，其上安装有拨禾板，拨禾轮轴的安装高度高于割刀安装高度350 mm，以保证拨禾板可以将食葵葵盘拨入割台内部。当拨禾轮轴带动拨禾板运动至拨禾轮底部时，对食葵植株进行拨禾，同时对葵盘产生一定的碰撞和击打作用，造成葵盘落粒损失。由于食葵植株喂入割台过程中，拨禾轮仅对食葵植株拨禾一次，即拨禾轮仅击打和碰撞葵盘一次，因此本试验研究中，拨禾轮只安装一个拨禾板，模拟和研究食葵喂入过程中拨禾板对葵盘的单次击打造成的葵盘籽粒落粒损失程度。

a. 试验台架 a. Test benchb. 示意图 b. Schematic diagram

1.电动机 2.拨禾板 3.拨禾轮 4.往复式切割器 5.台架底座 6.食葵植株

1.Motor 2.Reel board 3.Reel 4.Reciprocating cutter 5.Bench base 6.Edible sunflower plant

图3 食葵植株碰撞试验台架及碰撞示意图

图3 Collision test bench and its schematic diagram of edible sunflower plants

由于拨禾轮拨禾方向和整机前进方向相反，基于拨禾速比和二者相对运动过程分析，由式（10）计算收获过程中拨禾轮与葵盘碰撞时的相对运动速度[25]。试验过程中试验台架保持静止，拨禾轮轴带动拨禾板转动至拨禾轮底部时击打和碰撞葵盘。

式中为拨禾板与葵盘瞬时碰撞速度，m/s；为拨禾速比，向日葵联合收获机拨禾速比为1.6；为整机收获作业速度，m/s。

拨禾轮相对转速为

式中为拨禾轮半径，mm。

由式（10）可知，当收获作业速度为0.8 m/s时，拨禾轮与食葵葵盘的碰撞速度为0.48 m/s。由式（11）可得此时拨禾轮相对转速为18.33 r/min。因此该试验中，保持植株和台架静止、拨禾轮转速为18.33 r/min。

田间随机抽取48个含水率为19%左右的葵盘，保留茎秆长度40 cm。将葵盘置于室内干燥通风处自然晾干，每隔12 h取其中6个葵盘，开展一组碰撞试验，测试不同含水率下葵盘在拨禾板碰撞作用下的落粒损失率。

单次试验采用1个葵盘，将其茎秆固定在食葵植株固定支架的圆管中，拨禾板初始位置位于刚越过葵盘的后侧，启动并调节直流电机，使其转速稳定在18.33 r/min，电机带动拨禾轮转动，进而带动拨禾板转动360°，然后停止台架运行，即完成一次拨禾板对食葵植株碰撞作用。

收集掉落籽粒并称量，记为1，统计葵盘中剩余籽粒质量，记为2。随机取出20 g籽粒，利用SDH-1202快速卤素水分测定仪（浙江赛德仪器设备有限公司，精度0.01%）对籽粒进行含水率测量，在该含水率下其拨禾碰撞损失率1为

选择同一批次（成熟度近似相同）下不同葵盘，开展拨禾轮碰撞试验3次，计算在该含水率下葵盘碰撞损失率的平均值。

1.3.2 螺旋输送器输送过程试验

螺旋输送器对籽粒的输送过程是在其叶片的横向输送作用下籽粒沿着割台底板横向移动，进而出现籽粒表皮损伤。为简化试验装置，采用刮板输送近似模拟对籽粒的输送过程。不同含水率籽粒表皮受割台底板摩擦损伤的试验台架如4所示，主要由安装机架、三相异步电机、链轮、链条、轴承座、U型输送通道、L型刮板等组成。U型输送通道长1.4 m，有效输送距离为1.2 m，割台收获过程中螺旋输送器是把籽粒由割台两端往中间输送至升运器，割台幅宽2.4 m，食葵籽粒在割台底板的输送距离为1.2 m，试验台架籽粒输送距离与实际输送距离一致；此外，U型输送通道材质与割台底板一致。通过变频器调节三相异步电机到达预定转速，电机通过皮带和带轮带动链轮转动，进而带动链条上L型刮板水平移动。由于食葵籽粒的厚度范围为3.3～6.9 mm，故设置L型刮板与U型通道的间隙为1.5 mm，从而保证L型刮板可以带动籽粒在U型通道内滑动，以模拟螺旋输送器对食葵籽粒的输送作用。

1.籽粒收集装置 2.张紧螺栓 3.链条 4.U 型输送通道 5.食葵籽粒 6.L型刮板 7.三相异步电动机 8.皮带轮 9.变频器

对螺旋输送器导拢输送物料过程进行运动学分析，如图5所示。

在螺旋输送器导拢输送过程中，食葵籽粒沿割台底板横向运动，其运动速度为螺旋叶片顶部运动速度的水平分速度，满足如下关系：

注：为螺旋输送器转速，r·min-1；为螺旋输送器叶片螺距，mm；v为籽粒沿螺旋输送器轴向的速度，m·s-1。

Note:is the speed of the screw conveyor, r·min-1;is the screw pitch of the screw conveyor blade, mm;vis the velocity of the seed along the axial direction of the screw conveyor, m·s-1.

图5 食葵籽粒运输过程运动学分析

Fig.5 Kinetic analysis of edible sunflower seeds transportation process

食葵联合收获机螺旋输送器的工作转速为180 r/min，螺距为0.4 m，由式（13）可得食葵籽粒在割台底板的横向运动速度为1.2 m/s，因此设置L型刮板的水平运动速度为1.2 m/s，以保证L型刮板对籽粒的输送速度与螺旋输送器一致。

随机选取籽粒含水率为19%左右的食葵葵盘，分别取出葵盘中籽粒表皮无损伤的籽粒并充分混合。将籽粒分成36份，每份25 g，每3份为1组，共12组。籽粒均放置于通风干燥处，每6 h开展1组试验，以测试在不同含水率下，输送籽粒过程中造成的籽粒表皮损伤率。

单次试验将一份25 g表皮完好的籽粒放置于U型输送通道前端。启动电机并调节链条线速度为1.2 m/s 进而带动L型刮板推动食葵籽粒在U型输送通道内滑动并从后端推出，收集推出的食葵籽粒并挑选出外皮有损伤的籽粒，同一含水率下重复试验3次。食葵籽粒表皮损伤率2为

式中3为损伤籽粒质量，g；4为试验籽粒总质量，g。

1.3.3 振动激励对葵盘落粒损失影响试验

基于Default Shaker液压振动台（如图6所示），对食葵植株施加振动激励，该振动台在竖直方向上下振动，其相关参数如表3所示。在液压振动平台上安装茎秆固定板，通过茎秆固定板夹持食葵植株茎秆，此时食葵植株横向固定在振动平台。振动台竖直上下振动时，通过茎秆振动传递至葵盘，导致部分籽粒脱离葵盘，可模拟田间收获食葵植株振动落粒。在试验台振动过程中，利用高速摄影仪（德国PCO公司，分辨率1 920×1 440，像素）记录食葵葵盘振动幅值。

基于上述试验结果确定食葵较佳收获时期时食葵籽粒的含水率。田间选取该含水率下的食葵葵盘若干，利用Default Shaker液压振动台对食葵葵盘施加一定的振动激励[26-27]。

由表1可知，食葵联合收获机振源一阶振动频率主要集中在40 Hz以内。首先利用振动平台对食葵植株施加扫频激励，单次试验采用1个食葵葵盘，试验前将单个食葵葵盘的茎秆夹持在振动平台茎秆固定板上，在振动平台、茎秆、葵盘分别布置测点A、B、C。

1.高速摄像机 2.背景板 3.食葵植株 4.茎秆固定板 5.液压振动平台 6.液压振动平台底座 7.计算机

表3 Default Shaker液压振动台性能参数

设置振动平台扫频参数为1～40 Hz，振动时间为60 s。试验时利用高速摄影机记录3个测点在扫频激励下的振动信号，利用MATLAB软件对高速摄影仪采集图像进行分割、二值化处理、滤波处理，最后求解出3个测点的中心坐标[28]，对测点坐标进行数据处理分别得出不同频率下B、C点振动幅值，其中B点振动信号为振动平台振幅随频率变化规律（见图7）。将C点振动信号与B点振动信号相减即可得出测点C葵盘振幅随频率变化趋势，从而明确不同振动频率对葵盘振动的影响程度。重复试验3次，以保证葵盘受激励振动规律的一致性。

图7 振动平台激励振动信号

基于扫频试验，明确引起葵盘振动的主要频率范围，进而在该频率范围内，开展单因素试验，分别研究该频率范围内的每一振动频率引起葵盘的落粒损失率。单次试验运行60 s，试验完成后，通过在试验平台下方铺设细纱网收集葵盘振动掉落的籽粒称量；然后取出葵盘剩余籽粒称量；进而计算该振动频率下的落粒损失率。每一振动频率重复试验3次，取平均值。

2 结果与分析

2.1 拨禾板碰撞试验

拨禾过程拨禾板碰撞作用对葵盘落粒损失影响试验结果如图8所示。由图8可知拟合线的决定系数2=0.974，因此籽粒含水率与葵盘碰撞损失率呈极显著负相关关系（<0.01），葵盘碰撞落粒损失率随籽粒含水率的升高而线性下降。试验表明在食葵收获过程中籽粒含水率越高，籽粒与葵盘的结合力越大，籽粒在受到碰撞时越不容易脱落。

图8 籽粒含水率w对籽粒损失率h1的影响

2.2 螺旋输送器输送过程试验

收集螺旋输送器输送过程对食葵籽粒表皮损伤影响试验中表皮出现损伤的籽粒，如图9所示。

图9 试验过程中表皮损伤的籽粒

对试验结果分析可得，不同含水率下摩擦作用对食葵籽粒表皮损伤率影响规律，如图10所示。

图10 籽粒含水率w对籽粒表皮损伤率h2的影响

由图10可知，拟合曲线的决定系数2=0.994，因此适收期内食葵籽粒的损伤率与籽粒含水率呈极显著正相关关系（<0.01），且食葵籽粒的损伤率随籽粒含水率的升高而升高。试验表明在食葵收获过程中籽粒含水率越高，籽粒表皮更容易破损，籽粒表皮损伤率越大。

台架试验仅模拟螺旋输送器对籽粒的输送过程，实际食葵收获过程中，螺旋输送器将籽粒和葵盘、茎秆等物料一起输送，由于葵盘和茎秆的存在，导致螺旋输送器叶片对籽粒的挤压作用力更大，进而导致籽粒表皮磨损程度更严重。该试验一定程度上可以反映不同含水率下籽粒输送过程中的表皮损伤规律。籽粒含水率越高碰撞损失率越低，因此在收获时期的选择上要综合考虑对籽粒损失率和籽粒表皮损伤率的影响。

2.3 较佳收获期含水率确定

基于上述试验结果可知，籽粒含水率与葵盘碰撞落粒损失率呈负相关，与籽粒表皮损伤率呈正相关，因此为降低碰撞落粒损失和籽粒表皮损伤，需确定较佳收获期的籽粒含水率，进而明确较佳收获时期。

由《食葵机械化收获技术解决方案》及《食葵机械化收获技术规程》（DB 15/T 1843-2020）确定食葵联合收获作业质量标准为籽粒总损失率≤3.5%，籽粒划伤率≤4%。根据当地农户对收获质量要求的标准，对损失率和损伤率赋予相应的权重分别为0.54和0.46，基于等式约束条件下的优化算法，利用MATLAB求解较佳收获时期，目标函数及约束条件为

式中为收获总损失。

基于式（15）求得籽粒含水率与食葵收获总损失的关系如图11所示。由图11可知，收获总损失最低时，籽粒含水率为10.8%，食葵的较佳收获时期籽粒含水率为9%～13%。

图11 籽粒含水率w对目标函数值h的影响

可根据食葵实际收获质量要求设定不同的损失率和损伤率权重，确定食葵的较佳收获时期籽粒含水率。

2.4 振动激励对食葵葵盘落粒损失影响试验

基于食葵较佳收获期籽粒含水率的研究，选择食葵生长时期保证其籽粒含水率接近10.8%，试验中籽粒含水率实际为10.9%。针对较佳收获时期内的食葵植株开展扫频试验，结果如图12所示。

由图12可知，葵盘分别在5～15 Hz、15～25 Hz振动频率范围内分别出现振动位移峰值；7 Hz时葵盘振幅最大，其次为17 Hz时。因此，在5～25 Hz频率范围内开展不同振动频率对葵盘落粒损失率影响试验，结果如图13所示。

图12 食葵葵盘受迫振动信号

图13 5～25Hz振动频率对落粒损失率的影响

由图13可知，在5～15 Hz对食葵葵盘施加振动频率时，食葵籽粒最大损失率为1.5%，此时振动频率为7 Hz；在15～25 Hz对食葵葵盘施加振动频率时，食葵籽粒最大损失率为1.3%，此时振动频率为19 Hz。

籽粒含水率为10.8%时，葵盘的一阶固有频率为7 Hz，结合表1中食葵联合收获机各关键部件理论振动频率可知，往复式切割器的理论振动频率为7.08 Hz，与食葵植株的一阶固有频率重合，在田间收获过程中往复式切割器振动激励会造成食葵植株共振，引起葵盘落粒损失，因此割台振动也是引起割台损失的原因之一。试验结果也可为割台关键部件运行参数的优化提供理论依据。

田间收获实际过程中籽粒损失率和表皮损伤率除受工作部件影响之外，还受气候、种植条件、植株之间的相互碰撞和摩擦等因素制约，影响因素更多元化，本文更倾向于规律的探索，只能把复杂问题简单化。重点针对联合收获机割台主要工作部件对食葵葵盘或籽粒作用过程进行研究，明确了拨禾过程拨禾板碰撞作用与葵盘落粒损失之间的影响关系、螺旋输送器输送籽粒过程中摩擦作用与食葵籽粒表皮损伤之间的影响关系以及割台多源振动与葵盘籽粒落粒之间的关系，并从中找到指导食葵收获的相关规律。虽然影响因素较为复杂，但不同含水率条件下收获时，对割台损失率和籽粒表皮损伤率影响的基本规律保持一致。

3 结 论

1）“食葵SH363”适收期籽粒含水率在7%～19%，食葵籽粒含水率与碰撞作用下葵盘落粒损失率呈极显著负相关(<0.01)；籽粒含水率与摩擦作用下籽粒表皮损伤率呈极显著正相关(<0.01)。

2）通过对适收期内食葵收获总损失进行寻优，获得较佳收获时期为籽粒含水率为9%～13%，为食葵收获时期的选择提供参考。

3）食葵植株在7 Hz振动激励作用下葵盘落粒损失率最高，其次为19 Hz，可为割台关键部件运行参数的优化提供理论依据。

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Influencing factors of falling seeds loss at header and seed hull damage of edible sunflower

LIU Wei1, ZONG Wangyuan1,2, MA Lina1,2※, LIAN Guodang1, LI Mao1

(1.,,430070;2.,,430070)

When the sunflower combine harvester is operating in the field, the header reel may collide with the sunflower disk in the process of reeling, easily leading to the seeds dropping off the sunflower disk. The surface of the seed is subject to friction force, even damage to the seed hull, during the process of transporting seeds and sunflower disks with the spiral augers and elevator components. In addition, the severe vibration of the header can also cause the straw to shake, resulting the high seed loss. In this study, several experiments were carried out to explore the influence of the header collision and vibration on sunflower seed loss and the influence of the friction on the seed hull damage under different seed moisture content during the harvest period. The proper time of sunflower harvesting was determined to balance the contradiction between falling seeds loss and seed hull damage. The harvesting effect was also improved in the sunflower combine harvester. Firstly, a series of investigation was conducted to determine the impact of the collision of the reel web on the sunflower plate falling seeds loss during reeling, while the effect of the screw auger conveying on the hull damage of the sunflower seeds. The results show that the higher the moisture content of the seeds during harvesting, the greater the binding force between the seeds and the sunflower plate was, while the easier the damage of the seed hull was, and the greater the damage rate of the seed hull, was. There were less likely the seeds to fall off when they were hit. The optimal harvest time was considered to balance the comprehensive influence of the seed loss rate and the seed damage rate. Secondly, the weights of the sunflower plate falling seeds loss rate and the seed hull damage rate on the harvesting effect were 0.54 and 0.46, respectively, according to the requirements of sunflower harvesting on the loss rate and skin loss rate. The objective function was optimized with the Matlab platform. Thus, the moisture content of about 10.8% (9%-13%) was the best harvest period for sunflowers. Finally, the Default Shaker hydraulic shaking,table was utilized to clarify the influence of vibration excitation in the main vibration frequency range of combine harvester on the falling seeds loss of the sunflower plate. The results show that the first-order vibration frequency was 7 Hz with a great impact on shattering, and the second-order vibration frequency was 19 Hz. The loss rate of sunflower plate shattering was 1.5% at most under the excitation of the first-order vibration. However, the theoretical vibration frequency of the reciprocating cutter was 7.08 Hz, similar to the first-order vibration frequency of the sunflower plant. The vibration excitation of the reciprocating cutter can cause the resonance of the sunflower plant during harvesting in the field, resulting in seed loss. The finding can also provide a strong reference to optimize the operation parameters of the key components of the header in the sunflower combine harvester.

agricultural machinery; damage; sunflower harvesting; header; seed falling loss; collision; vibration excitation

10.11975/j.issn.1002-6819.202210123

S225

A

1002-6819(2023)-06-0054-09

刘巍，宗望远，马丽娜，等. 食葵割台落粒损失和籽粒表皮损伤关键影响因素分析[J]. 农业工程学报，2023，39(6)：54-62.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210123 http://www.tcsae.org

LIU Wei, ZONG Wangyuan, MA Lina, et al. Influencing factors of falling seeds loss at header and seed hull damage of edible sunflower[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 54-62. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210123 http://www.tcsae.org

2022-10-12

2023-02-14

国家重点研发计划项目（2016YFD0702104）

刘巍，博士生，研究方向为现代农业装备设计与测控。Email：liuwei1@webmail.hzau.edu.cn

马丽娜，副教授，研究方向为现代农业装备设计、测试与智能控制。Email：sunnylina@mail.hzau.edu.cn