大豆收获机清选损失籽粒分布规律研究

摘 要：为提高大豆收获机籽粒清选损失检测准确率，研究了清选损失籽粒的分布规律，确定了各因素对清选损失籽粒分布规律的影响，找到清选损失籽粒检测传感器的安装位置及角度，提高了清选损失检测的准确性、科学性。高速摄影试验表明，风门开度、鱼鳞筛开度和振动筛频率等参数对损失籽粒分布规律无显著影响。

关键词：大豆籽粒；清选损失；分布规律；高速摄影

中图分类号：S226.5 文献标志码：B 文章编号：1674-7909（2024）11-152-3

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.11.035

0 引言

随着我国大豆收获机械化水平的日益提高，相关企业对大豆收获机清选损失在线检测的需求也日益增强。目前，我国大部分联合收获机通过安装传感器来检测清选损失情况。目前，我国对清选损失籽粒分布规律的研究还处于起步阶段，清选损失籽粒检测传感器的安装位置及角度尚不明确，导致检测结果不准确［1］，因此有必要对清选损失籽粒分布规律进行研究。针对大豆联合收获机清选损失籽粒分布不明确的情况，在自行研制的高速摄影试验台上进行了清选损失籽粒分布规律的高速摄影试验，分析了清选损失籽粒在不同参数情况下的分布规律，为大豆收获机清选损失籽粒检测传感器安装位置及角度的确定提供数据参考。

1 高速摄影试验台设计及其工作原理

1.1 高速摄影试验台设计

为准确检测大豆收获机作业过程中的大豆籽粒清选损失情况，研究清选损失大豆籽粒在清选排出后的分布规律，在大豆收获机风筛式清选装置基础上设计了高速摄影试验台，分别独立设计了风机调速装置、振动筛曲柄及鱼鳞筛开度调节装置，以实现风筛式清选装置清选作业参数的自动化调整［2-3］，并在清选筛后方设置高速摄像机进行拍摄。高速摄影试验台如图1所示。

1.2 高速摄影试验台工作原理

将称量好的大豆脱粒混合物料均匀铺放到输送带上，使其随输送带匀速运动；大豆脱粒混合物料掉落到抖动板上，由抖动板落到上、下筛，振动筛不断进行往复运动；大豆脱粒混合物料持续由抖动板输送到鱼鳞筛，在风机经风道形成的气流场与振动筛往复运动的共同作用下，对脱粒混合物完成均匀分摊、疏松、分离和透筛；脱粒混合物中碎豆荚、茎秆等杂余被吹出机外，但也有少数的大豆籽粒夹杂在杂余中一起被吹出机外［4-6］。大部分干净的大豆籽粒透过振动筛落下。排出机外的抛出物被高速摄像机所拍摄。试验结束后，分别对高速摄像机拍摄的大豆籽粒进行捕捉分析。调控装置可对风机转速、振动筛频率、鱼鳞筛开度进行调整，探究各清选参数对清选损失籽粒分布规律的影响。

2 清选损失籽粒分布规律检测台架试验

2.1 试验设备及其参数

试验设备由高速摄影机、镜头、计算机、电源适配器、多功能线缆、以太网数据线缆、PCC软件、三角架云台、高亮度大灯等组成。其中，高速摄影机采用美国Vision Research公司生产的100万像素级Phantom ® VEO 410高速摄像机。该摄像机在满幅状态下的拍摄速率为5 200帧/s，拍摄速率最大为650 000帧/s，具有超高灵敏度，无图像滞后现象，能有效避免眩光和强光对成像的影响。

为保证能够较好地获取拍摄图像，拍摄过程中使用高亮度大灯进行补光，确保高速摄影机的进光量，并将高速摄影机调至较低分辨率和色彩辨识度，从而获得清晰图像和较短曝光时间。

选取风机转速、振动筛频率和鱼鳞筛开度3个因素进行试验，试验因素组合及序号如表1所示。用高速摄影机对清选抛出物进行拍摄，研究上述3个因素对清选损失籽粒分布规律的影响，每组试验前试验台先空转1 min，将上一组试验的物料充分排净；每组试验结束后，对高速摄像机拍摄捕捉到的大豆籽粒进行整理分析。为提高试验的准确性，每组试验重复3次取平均值。

2.2 大豆籽粒在抛出时运动示踪

高速摄影机安放在试验台抛出口一侧，通过以太网数据线缆与计算机连接。试验人员通过PCC2.8软件打开高速摄影机，调整高速摄影机焦距使其获取清晰的图像。试验台开始工作后将清选损失物料排出机外，试验人员通过PCC2.8软件开启捕获录制。

为拍摄大豆籽粒抛出运动轨迹，在试验台工作30 s后，启动高速摄像系统，开始记录试验中大豆籽粒抛出运动的过程。

激活跟踪测量工具，在图像中选择要跟踪的点，标记要追踪的大豆籽粒，如图2所示。

选中Autotracking，并点击播放按钮，对目标进行轨迹标记，如图3所示。

2.3 单因素试验结果分析

通过高速摄影试验拍摄可知，大部分损失籽粒分布在振动筛后方0～260 mm的位置。在不同风机转速、振动筛频率、鱼鳞筛开度下，清选损失抛出物中大豆籽粒数量沿X轴（X轴为检测区域中心距排出口的垂直方向）的分布无显著差异，即清选损失大豆籽粒沿X轴的分布情况与风机转速、振动筛频率、鱼鳞筛开度无关。不同风机转速、振动筛频率、鱼鳞筛开度下，损失籽粒质量比例沿X轴正向的分布概率模型见式（1）。

[y=a×xb]" " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式（1）中：a、b均为待定常数。利用表1中所示的试验数据，通过Origin软件进行非线性拟合得到a=587.284 18，b=-0.855 76，拟合结果如图4所示。

通过PCC2.8软件分析，确定了大豆籽粒吹出排出口后的运动轨迹为抛物线，且大豆籽粒自身也做高速旋转运动（其平均速度为14.35 m/s），当大豆籽粒到达传感器安装位置时与水平面呈45°夹角。所以，为确保籽粒能垂直打击到清选损失检测传感器上，清选损失检测传感器需与水平面呈45°夹角、朝向收获机抛出口安放。

3 结论

通过高速摄影台架试验，找出了影响大豆清选损失籽粒分布规律的因素（风机转速、振动筛频率、鱼鳞筛开度），分析得出以下结论：风机转速、振动筛频率、鱼鳞筛开度对清选大豆损失籽粒的分布无显著性影响；籽粒质量比例沿X轴的分布概率模型、损失籽粒分布区域大都在距排出口垂直距离0～260 mm的位置。因此，该位置是籽粒损失检测传感器在联合收获机上理想的安装位置。

通过PCC2.8软件分析，得出了清选损失大豆籽粒运动轨迹类似抛物线的结论。因此，籽粒损失检测传感器应与水平面呈45°、朝向清选排出口安放。大豆排出机外时，自身做高速旋转运动，其平均速度为14.35 m/s。

参考文献：

［1］唐小涵，金诚谦，张国海，等.我国联合收获机脱粒分离装置的研究现状［J］.农机化研究，2022，44（3）：1-9，15.

［2］刘鹏，金诚谦，杨腾祥，等.多参数可调可测式清选系统设计与试验［J］.农业机械学报，2020，51（S2）：191-201.

［3］唐小涵，赵男，郭榛，等.多参数可调式清选损失分布检测试验台设计与试验［J］.农机化研究，2022，44（12）：148-155.

［4］介战.我国谷物随机损失率测试展望［J］.农机化研究，2009（7）：5-9.

［5］唐小涵，赵栗，宋丽，等.联合收获机清选损失监测研究现状［J］.乡村科技，2024，15（1）：145-149.

［6］冉军辉，吴崇友.传感器在谷物联合收获机中的应用进展及发展方向［J］.江苏农业科学，2019，47（22）：23-29.