摘要：针对小麦联合收获机作业过程清选损失和籽粒含杂率“双高”的问题，开展小麦联合收获机清选作业参数优化试验，探究整机清选装置作业参数对清选损失率和籽粒含杂率的影响规律，确定清选作业参数的最优组合。基于气流场籽粒运动分析，建立风筛清选系统的试验模型;对清选筛振幅、清选筛频率、风机风速和气流方向角4个参数进行了单因素试验和响应面回归试验，结果表明风机风速是影响籽粒含杂率的显著影响因素，振幅、频率是影响清选损失率的显著影响因素。采用响应面试验方法，应用Design-Expert建立了清选损失率和籽粒含杂率的回归数学模型，获得了最佳工作参数：清选筛振幅31mm、清选筛频率4Hz、风机风速12m/s、气流方向角26°。在诸参数组合的试验结果为：籽粒含杂率为0.476%，清选损失率为0.438%，与理论计算的相对误差分别为7.8%和6.4%。该研究结果为小麦联合收获机风筛式清选装置的参数选择和设计提供参考。
关键词：农业工程;小麦收获机;清选;力学分析;参数优化;响应面
0引言
谷物机械化收获技术是体现农业现代化程度的一个重要标志，清选损失率和籽粒含杂率是衡量联合收获机作业性能非常重要的两个指标，直接反映收获机的技术水平[1~2]。清选装置是小麦联合收获机的核心部件之一，其作业质量直接影响到整机的收获损失和小麦含杂率指标[3~5]，故国内外学者对此进行了大量研究。樊晨龙等[6]对纵轴流联合收获机双层异向清选装置进行了研究，分析了筛上物的运动规律，确定了清选筛和双风道风机的结构参数运动参数。李骅等[7]基于CFD对风筛式清选装置气流场优化，获得了气流场的分布规律及其对清选效果的影响。李耀明等[8~12]对收获机清选装置振动筛的运动参数及筛上物的非线性运动规律进行仿真分析与优化;采用神经网络技术对风筛式清选气流场进行研究，建立了清选装置参数与清选损失之间的关系;以入风口角度和筛面形态为试验因素，对仿生非光滑筛面微观气流场进行了数值模拟研究。以上研究为谷物收获机清选装置工作原理的参数设计与优化提供了重要的理论依据。显然，上述研究多以单一气流或清选筛结构进行研究，而清选损失和籽粒含杂率是气流与筛子清选综合作用的结果，故优化气筛综合结构对提高清选性能指标具有重要的意义。
本文以实验室的风筛式清选试验样机为手段，模拟小麦收获机在大田的作业过程，分析清选装置作业参数变化对清选效果(清选损失率和籽粒含杂率)的影响规律，建立清选装置作业参数与清选果间的数学模型，优化获得小麦联合收获清选装置作业参数的最优参数组合，为小麦联合收割机清选装置的参数选择和优化提供参考。
1试验原理与材料
1.1试验样机结构和原理
本文的试验样机是时风4LZ-7小麦收获机改装而成，即卸下前割台和茎秆切碎抛撒装置并加装小麦喂入装置而成，其原理如图1所示。
试验样机工作时，小麦从试验机前端喂入，输送过桥带动小麦至脱粒滚筒，由脱粒滚筒配合凹板完成对小麦的揉搓、冲击作用，实现籽粒与茎秆分离，其中脱下的籽粒、断草、粉尘及杂余穿过分离凹板进入清选系统，而长秸秆则排出机外。清选系统主要由清选筛和风机组成，通过曲柄连杆机构带动上筛和下筛做异向直线往复运动，离心风机在气流一定倾角下为物料清选提供合适的气流场，实现清选物料(籽粒与杂质)的分层和分离，经过分离和清选的籽粒由输送搅龙送至粮仓，断草、粉尘与轻杂余随气流排出机外;小部分籽粒受到气流和清选筛的过度作用随茎秆排出机外，最终导致清选损失。
1.2清选装置参数
试验样机中清选装置主要由清选室、离心风机、清选筛等组成，清选室内结构如图2所示。清选筛包括上、下清选筛和尾筛，上清选筛和尾筛为大鱼鳞筛，下清选筛为小鱼鳞筛，振动形式为同频异向振动，上、下清选筛呈并联关系，尾筛与上清选筛呈串联关系;上清选筛筛孔开度较大，对小麦清选物进行初级筛选，以除去清选物中较大的杂质，清选损失主要发生在上清选筛作业过程;下清选筛筛孔开度较小，对初级筛选后的籽粒进行二次筛选，以除去籽粒中较小的杂质;尾筛对来自上清选筛的杂余进行再次筛选，以减少清选损失。
1.3试验参数测量方法
振动频率可通过调节振动电机上的凸轮来改变。振动频率的测量采用录波比较法，由于下清选筛对于清选质量起决定性作用，将传感器安装在下清选筛的中部(图1d点位置)，通过传感器将被测机械振动转换成电信号，经过滤波后适当的放大并接到记录仪器上，在刻有标准时标和幅度大小的记录纸上，把振动的波形记录下来，然后以一定时标内记录的波形数来确定振动频率。
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振幅调节靠电机轴两端的偏心块夹角来改变激振力的大小，夹角越大，激振力越小，振幅越大，反之亦然。振动筛上安装有振幅牌，以实心圆为标志，当筛机振动时，两个相切的圆所代表的数据就是当前时刻的实际振幅。为减少地形和机器振动等因素对振动振幅的影响，开展试验时每组试验测10次振幅，去掉两个最高值和两个最高值，然后取平均值。
风速的大小通过调节月牙板开度实现，开度越大，风速越大。风速的测量采用杯状风速计，分别安装在风机风口出、振动筛中部和尾部出口处(图1a、b、c点位置)，对3个不同位置风速进行测量。结果表明当出口位置a的风速定为1时，位置b的风速为0.76，位置c的风速为0.62，试验数据以位置b的为准。
1.4试验材料
考虑本文主要研究清选系统，为方便试验小麦喂入试验样机,对试验样机喂入机构进行了改进,即拆去割台,安装小麦输送装置;去除后部茎杆抛撒装置。为了简化分析过程，假设小麦经过脱粒分离装置后的清选物组分一致;试验过程小麦茎杆、籽粒含水率不变。清选物包括籽粒、长茎秆、短茎秆及轻杂余等。选择山东省种植面积较广泛的济麦22为试验对象。小麦平均株高612mm，主茎秆平均直径3.5mm。试验小麦籽粒含水率在18%~20%，籽粒千粒质量约为33.4g，平均喂入量7.0kg/s，测得籽粒平均长度约为7.05mm、平均宽度约为2.97mm，茎秆的含水率39.4%~48.5%，长茎秆长度在100~280mm，短茎秆的长度在15~100mm。
2清选装置理论分析
2.1物料在气流场中的受力分析
考虑为了增加清选过程籽粒穿过筛孔的概率，尽量使断草、颖壳等杂质脱离筛面，而籽粒不脱离筛面，其中杂质脱离筛面有利于降低杂质对清选筛孔的阻塞作用;而籽粒不脱离筛面提高了籽粒穿过筛孔的概率，降低清选损失。为此，必须掌握物料在气流场中的运动规律。风机产生气流会在流动过程中衰弱，在近风口处清选气流的方向角和气流阻力都是最大的，在末端处最小，为了简化分析过程，以物料在振动筛中间位置为例，此处气流较稳定且对物料作用较明显，对纯气流场物料的受力情况进行研究，设清选气流的方向角为β，筛面角为α，则筛上物的受力包括重力mg，气流阻力P，筛面支撑力N，如图3所示。
2.2筛上物在筛面上的运动分析
本研究使用的试验样机清选系统由一曲柄连杆机构驱动由筛面和吊杆组成的平行四边形机构组成，如图4所示。
由于筛子与等长吊杆形成了平行四边形，所以筛面做平面运动，即所有点的运动规律完全相同;又由于吊杆和连杆长度远大于曲柄半径，故可近似认为筛子在曲柄连杆机构作用下做以OO′为振动方向、2r(r为曲柄半径)为振幅的直线往复运动。
取曲柄回转中心O为坐标原点，以回转中心O与筛架连杆铰接点O′方向为x轴正方向，并取曲柄与OO′重合位置的负方向为曲柄起始位置，则筛子的位移、速度、加速度分别为：
4正交试验
4.1试验设计
为进一步寻求小麦籽粒收获机清选作业参数最优配比组合，探究作业参数对考察指标的交互作用和影响规律，开展小麦籽粒收获机清选作业参数正交试验研究，试验采用二次回归正交组合设计方案，以籽粒含杂率y1、清选损失y2为试验指标，各试验因素水平编码如表2所示，正交试验方案及结果如表3所示，x1、x2、x3、x4为因素编码值。
应用响应曲面法分析各因素交互作用对籽粒含杂率和清选损失率的影响，即固定4个因素中2个因素为0水平，考察其他2个因素对籽粒含杂率和清选损失率的影响，其中选出交互作用较显著的几组进行分析。根据正交试验结果和回归模型分析可知，小麦联合收获机收获作业籽粒含杂率最优作业参数组合为:振幅36.17mm、频率6.00Hz、风机风速12.00m/s、气流方向角25.45°，清选损失率最优作业参数组合为:振幅26.46mm、频率4.29Hz、风机风速8.95m/s、气流方向角22.59°，基于上述最优参数组合，结合回归模型，进行双因素响应面分析，籽粒含杂率正交试验响应面如图9所示，清选损失率正交试验响应面如图10所示。
由图9分析可知，在风机风速的各个水平下，籽粒含杂率随清选筛振幅增加均呈现先下降后上升趋势，在清选筛振幅的各个水平下，籽粒含杂率随风机风速增加均呈现下降趋势;在气流方向角的各个水平下，籽粒含杂率随清选筛振幅增加均呈现先下降后上升趋势，在清选筛振幅的各个水平下，籽粒含杂率随气流方向角增加均呈现先下降后上升趋势;在各个水平下，籽粒含杂率随清选筛振幅增加均呈现先下降后上升趋势，清选筛频率对籽粒含杂率的影响效果不明显，与单因素试验趋势基本吻合。
由图10分析可知，在清选筛振幅的各个水平下，清选损失率随清选筛频率增加均呈现上升趋势，在清选筛频率的各个水平下，清选损失率随振动振幅率增加均呈现上升趋势;在清选筛频率的个水平下，清选损失率随风机风速增加均呈现上升趋势，在风机风速的各个水平下，清选损失率随清选筛频率增加均呈现上升趋势;在清选筛振幅的各个水平下，清选损失率随气流方向角增加均呈现先上升后下降趋势，在气流方向角的各个水平下，清选损失率随清选筛振幅增加均呈现上升趋势。综合响应面的变化趋势，在小麦联合收获机实际清选作业时，需满足低含杂率、低损失率双重要求，然而通过上述分析可知，籽粒含杂率和清选损失率的最优作业参数组合不同，并且二者随作业参数的变化趋势相反，因此，收获作业时需要结合实际作业需求，综合考虑2个试验指标，进行收获作业参数配比。
4.3参数优化
根据上述结论，采用多目标优化方法，应用Design-Expert软件进行优化求解。分别以籽粒含杂率、清选损失率的回归方程作为响应变量函数并限定其取值范围，确定因子变量及相应的约束条件，进行模型优化。
通过多目标优化，得到最佳工作参数：清选筛振幅31.16mm、清选筛频率4.00Hz、风机风速12.00m/s、气流方向角26.30°。在该参数组合的期望结果为：籽粒含杂率为0.439%，清选损失率为0.410%。实际试验中很难达到理论求解的优化值，根据收获机清选参数可调范围，选择一组接近优化值得参数进行田间试验，参数值选为清选筛振幅31mm、清选筛频率4Hz、风机风速12m/s、气流方向角26°。
在该参数组合下开展田间试验，试验选用时风4LZ-7型谷物收获机，如图11所示，验证结果为：籽粒含杂率为0.476%，清选损失率为0.438%，与理论计算的相对误差分别为7.8%和6.4%。
5结论
1)开发了可实现风筛组合清选的验样机，完成了风筛组合式清选系统的运动分析，建立了试验模型，进行了风筛式清选机构清选筛振幅、清选筛频率、风机风速、气流方向角4个参数对清选效果影响的试验。应用Design-Expert分析表明风机风速是影响籽粒含杂率的显著影响因素，振幅、频率是影响清选损失率的显著影响因素。
2)开展了单因素试验和响应面回归试验，得到小麦籽粒含杂率与清选损失率关于4个清选作业参数的回归模型以及最优组合，小麦籽粒含杂率取得最优值的参数组合为：振幅36.17mm、频率6.00Hz、风机风速12.00m/s、气流方向角25.45°;小麦清选损失率取得最优值的参数组合为：振幅26.46mm、频率4.29Hz、风机风速8.95m/s、气流方向角22.59°。
3)采用多目标优化方法、以籽粒含杂率和损失率为优化目标，对影响作业效果的四个参数进行优化，得到较优的参数组合：清选筛振幅31mm、清选筛频率4Hz、风机风速12m/s、气流方向角26°。开展了大田试验，在该参数组合的试验结果：籽粒含杂率为0.476%，清选损失率为0.438%。与理论计算的相对误差分别为7.8%和6.4%。——论文作者：耿端阳1，牟孝栋1，张国栋1，王宗源1，朱俊科1，徐海刚2
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