聯(lián)合收割機(jī)喂入量與收獲損失關(guān)系模型研究

聯(lián)合收割機(jī)喂入量與收獲損失關(guān)系模型研究

0聯(lián)合長出率低、低損失率高的原因聯(lián)合收割機(jī)的供應(yīng)是指同一時(shí)期內(nèi)由聯(lián)合收割機(jī)加工的收獲量。喂入量也是聯(lián)合收割機(jī)一個(gè)非常重要的參數(shù),其工作部件只有在設(shè)計(jì)的額定喂入量范圍內(nèi)才能發(fā)揮最佳效能。收獲損失是多種損失的集合,主要包括收獲前損失、割臺損失和收獲過程損失,以落粒、丟穗、漏割、脫不凈、夾帶、破碎等形式表現(xiàn)出來。聯(lián)合收割機(jī)無論設(shè)計(jì)者還是使用者,都在追求大喂入量和低損失率,希望提高工作效率,保證收獲質(zhì)量。聯(lián)合收割機(jī)收獲過程的損失與喂入量、作物屬性、脫粒室和清選室的結(jié)構(gòu)參數(shù)等有直接關(guān)聯(lián)。田間作業(yè)時(shí),脫粒和清選部件的工作參數(shù)調(diào)整到最佳狀態(tài)后不會自動(dòng)改變,作物屬性在一定地點(diǎn)和時(shí)間條件下也基本一致,而喂入量直接取決于聯(lián)合收割機(jī)的作業(yè)速度,受駕駛員的主觀操作因素影響很大。試驗(yàn)表明,特定條件下,收獲損失與喂入量關(guān)聯(lián)度很大,研究其關(guān)系模型對于收獲過程中降低損失率具有指導(dǎo)意義。本文結(jié)合田間試驗(yàn)樣本對聯(lián)合收割機(jī)喂入量和收獲損失的影響因素進(jìn)行分析,并建立了喂入量與收獲過程損失之間的關(guān)系模型,然后在室內(nèi)喂入量控制試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了模型驗(yàn)證試驗(yàn)。1小麥田間收獲試驗(yàn)本文利用之前開發(fā)的基于虛擬儀器技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)參數(shù)檢測系統(tǒng),并依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T8097-1996《收獲機(jī)械聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》制定了相應(yīng)的田間試驗(yàn)流程和準(zhǔn)則,以新疆-2A型全喂入自走式稻麥聯(lián)合收割機(jī)(額定喂入量2.0kg/s,割幅2.36m,生產(chǎn)率5333~6666m2/h,前進(jìn)速度1.7~22.4km/h)為試驗(yàn)樣機(jī),在中國甘肅武威和河南洛陽進(jìn)行了小麥田間收獲試驗(yàn),獲得了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù),然后對異常數(shù)據(jù)點(diǎn)剔除并平均后,得到39組田間試驗(yàn)樣本。如表1所示為其中的10組試驗(yàn)樣本,并按照喂入量升序排列。2配合物的用量對聯(lián)合長絲特性的影響喂入量的影響因素主要包括谷物密度、割茬高度、割幅寬度和作業(yè)速度。其中谷物密度在田間波動(dòng)較大,不僅與單位面積株數(shù)、長勢有關(guān),而且與莖秸含水率的變化有關(guān);割茬高度由收獲工藝決定,一般情況下應(yīng)該保留在一定范圍內(nèi),當(dāng)谷物密度和割茬高度一定時(shí),可以從草谷比的信息上反映出來;對于特定的聯(lián)合收割機(jī),割幅寬度是個(gè)常數(shù),因?yàn)榇蟛糠智闆r下,聯(lián)合收割機(jī)都是滿幅收獲;當(dāng)作業(yè)速度提高,喂入量會隨之增大。本文根據(jù)試驗(yàn)樣本建立的喂入量與作業(yè)速度的關(guān)系如圖1所示。從圖中可以看出,喂入量與作業(yè)速度近似呈線性關(guān)系,當(dāng)作業(yè)速度增加,喂入量增大。這是因?yàn)樽鳂I(yè)速度提高時(shí),單位時(shí)間內(nèi)收獲的谷物增加,喂入量也就隨之增大。但是從圖1中也發(fā)現(xiàn),喂入量除了與作業(yè)速度有關(guān)外,還受其他因素的影響,因此在相同作業(yè)速度下,喂入量存在較大波動(dòng)。圖2所示為不同谷物密度時(shí),喂入量與作業(yè)速度的關(guān)系。從圖中可以看出,喂入量受谷物密度的影響較大,相同作業(yè)速度下,谷物密度越大,其喂入量也越大。即使谷物密度相同時(shí),喂入量與作業(yè)速度之間也不是簡單的線性關(guān)系,因?yàn)樵诠任锩芏群妥鳂I(yè)速度一定的情況下,草谷比發(fā)生變化,其喂入量也會發(fā)生變化。這也進(jìn)一步說明,實(shí)際收獲過程中喂入量應(yīng)該是一個(gè)范圍,除了與作業(yè)速度有關(guān)外,還與草谷比,谷物秸稈混雜度等因素有關(guān)。在聯(lián)合收割機(jī)工作過程中,谷物密度不可控制,但割茬高度可以控制在一定范圍內(nèi),即草谷比變化很小,而且正常情況下為滿幅收獲,因此唯一可調(diào)的參數(shù)就是作業(yè)速度。為此國內(nèi)外學(xué)者對喂入量檢測進(jìn)行了大量研究,試圖獲取喂入量信息來控制聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)速度。Coers和Burke通過檢測傾斜輸送喂入輥的負(fù)荷對作業(yè)速度進(jìn)行控制,Staiert和Krukow等試圖通過改變喂入輥的轉(zhuǎn)速來達(dá)到谷物均勻喂入的目的,同時(shí)實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。Budzich也曾設(shè)計(jì)了不同的檢測方法對脫粒滾筒的扭矩進(jìn)行檢測,并實(shí)現(xiàn)對作業(yè)速度的控制。國內(nèi)介戰(zhàn)等通過安裝在傾斜輸送器上的壓力傳感器來檢測喂入量,用以控制作業(yè)速度,并進(jìn)行了大量試驗(yàn),建立了基于谷物對傾斜輸送器底板壓力的喂入量當(dāng)量模型。陳進(jìn)等根據(jù)喂入驅(qū)動(dòng)軸扭矩檢測喂入量,建立了兩者的關(guān)系方程。3過程損失檢測方法收獲損失主要包括收獲前損失(PHL)、割臺損失(GL)和收獲過程損失(PL)。收獲前損失是在谷物收獲前,因?yàn)轱L(fēng)、雨、成熟期等自然因素造成的落粒損失。割臺損失主要由漏割、落粒和丟穗三種損失組成,受谷物成熟度、作業(yè)行走路線及撥禾輪位置和轉(zhuǎn)速的影響。收獲前損失和割臺損失主要受谷物自然屬性(成熟度、倒伏度、含水率)不可控因素影響,通過選擇合適的收獲時(shí)間,對撥禾輪進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和控制,便可有效地降低這兩種損失。收獲過程損失除了受谷物自然屬性的影響外,還主要受到喂入量、草谷比等收獲參數(shù)的影響,該損失直接影響收獲機(jī)械的效率和作業(yè)質(zhì)量。國內(nèi)外學(xué)者對如何檢測收獲過程損失進(jìn)行了大量研究,也有學(xué)者通過自動(dòng)控制聯(lián)合收割機(jī)的作業(yè)速度改變喂入量,來降低收獲過程損失。具體來講收獲過程損失包括脫粒損失、分離損失和清選損失,分別由聯(lián)合收割機(jī)的脫粒、分離和清選裝置引起。在脫粒過程中,喂入量過大或過小都會使脫粒損失增加,即使相同喂入量下,草谷比過大也會導(dǎo)致破碎率升高;分離損失主要受喂入量的影響,如果喂入量過大,會導(dǎo)致籽粒未被分離出來造成夾帶損失;清選損失與莖稈破碎程度、風(fēng)量大小有關(guān),而莖稈破碎程度主要由喂入量和莖稈含水率決定。因此,在整個(gè)收獲過程損失中,喂入量是決定因素。4田間試驗(yàn)結(jié)果分析本文試圖建立喂入量與收獲過程損失之間的關(guān)系模型,需要指出的是在田間試驗(yàn)樣本中,收獲過程損失率主要包含清選損失和分離損失,而不包括脫粒破碎率所造成的損失。Philips和O’Callaghan曾采用指數(shù)方程建立了脫粒損失和喂入量的關(guān)系模型。聯(lián)合收割機(jī)測試研究中心PAMI(PrairieAgriculturalMachineryInstitute)、FAT(SwissFederalResearchStationforAgriculturalEconomicsandEngineering)和DLG(GermanAgriculturalSociety)利用線性函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和二次函數(shù)對收獲過程損失進(jìn)行了回歸分析。本文利用冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和二次函數(shù)對田間試驗(yàn)樣本(表1)進(jìn)行擬合分析,擬合結(jié)果如圖3所示。具體擬合模型的參數(shù)和結(jié)果如下式中,η為收獲過程損失率,%;q為喂入量,kg/s。對圖3進(jìn)行分析可以看出,冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的擬合結(jié)果表明,其收獲過程損失率是隨著喂入量的增加而逐漸增大的,與一般的研究結(jié)果相吻合;而二次函數(shù)的擬合結(jié)果卻表明,在小喂入量的時(shí)候(<2.5kg/s),隨著喂入量增大,收獲過程損失率會逐漸減小,當(dāng)喂入量達(dá)到2.5kg/s時(shí),收獲過程損失率達(dá)到最低,此后隨著喂入量不斷增大,收獲過程損失率又逐漸增加,這說明對于新疆-2A型試驗(yàn)樣機(jī),在喂入量為2.5kg/s的時(shí)候,其收獲過程損失率最低,此時(shí)具有最好的收獲質(zhì)量,而該試驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)喂入量為2.0~2.5kg/s。另外,從擬合結(jié)果來看,二次函數(shù)的R2值最高,說明二次函數(shù)對該樣機(jī)具有較好的擬合精度。以上現(xiàn)象說明收獲過程損失率并不是一直隨著喂入量的增大而增加的,只有當(dāng)喂入量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),收獲過程損失率的變化才符合此規(guī)律。分析原因可能是在喂入量尚未達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),喂入脫粒滾筒的物料較少,脫粒滾筒與谷物之間的揉搓、打擊以及對谷物產(chǎn)生的加速度不夠充分,便導(dǎo)致脫不凈損失增加;隨著喂入量增大到設(shè)計(jì)范圍內(nèi)時(shí),此時(shí)聯(lián)合收割機(jī)工作在最佳狀態(tài),收獲過程損失率達(dá)到最低;隨著喂入量進(jìn)一步增大,喂入物料過多,導(dǎo)致脫粒滾筒對谷物脫粒不充分,同時(shí)分離和清選系統(tǒng)也不能對脫粒后的物料進(jìn)行充分分離和清選,致使收獲過程損失率迅速增大。5測試驗(yàn)量控制試驗(yàn)本文在洛陽中收機(jī)械裝備有限公司試驗(yàn)車間利用喂入量控制試驗(yàn)裝置對本文建立的喂入量與收獲過程損失模型(式3)進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn),如圖4所示。該裝置由支架、輸送帶和變頻電機(jī)構(gòu)成,輸送帶長度為26m,寬1m,由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),輸送帶速度調(diào)節(jié)范圍為0~1.2m/s。試驗(yàn)前,將試驗(yàn)樣機(jī)的撥禾輪拆卸掉,并支撐起前輪,保證該樣機(jī)各部件工作正常。試驗(yàn)過程中,稱取相應(yīng)質(zhì)量的谷物,均勻的鋪撒在輸送帶上,輸送帶的喂入速度設(shè)定為1.0m/s。本文在喂入量為0.3~4.1kg/s的范圍內(nèi)分別進(jìn)行了11組恒喂入量試驗(yàn)驗(yàn)證,其收獲過程損失率的檢測方法如文獻(xiàn)所述。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。從圖5可以直觀地看出實(shí)際檢測收獲過程損失率與模型計(jì)算值的偏差率。喂入量控制試驗(yàn)結(jié)果表明,根據(jù)田間試驗(yàn)樣本建立的喂入量與收獲過程損失模型具有較好的準(zhǔn)確性,其絕對偏差范圍為0.04%~0.91%,其偏差的均值為0.29%,這個(gè)結(jié)果證明了前文的結(jié)論,即收獲過程損失率并不是隨著喂入量增大而增加,只有當(dāng)喂入量達(dá)到一定值后才符合此規(guī)律,這個(gè)值理論上應(yīng)該在該聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)喂入量范圍之內(nèi)。對于本試驗(yàn)樣機(jī),其收獲質(zhì)量最優(yōu)喂入量應(yīng)為2.5kg/s。6模型的建立和驗(yàn)證利用開發(fā)的聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)參數(shù)檢測系統(tǒng),以新疆-2A型聯(lián)合收割機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī),在中國多個(gè)小麥主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行了小麥?zhǔn)斋@田間試驗(yàn),獲得了試驗(yàn)樣本。根據(jù)試驗(yàn)樣本分析了喂入量和收獲損失的影響因素,并建立了喂入量和收獲過程損失的冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和二次函數(shù)關(guān)系模型。試驗(yàn)樣本分析發(fā)現(xiàn),收獲過程損失率并不是隨喂入量增大而增加