脱荚装置是青毛豆采摘机的核心部件,也是青毛豆收获的首道关键环节。脱荚装置性能的好坏直接决定了青毛豆的产量和质量,而青毛豆豆荚鲜嫩、豆粒饱满、荚皮薄,且豆荚在豆杆上分布复杂、收获期短^{[1, 2, 3, 4]},增大了青毛豆采摘的难度。

青毛豆采摘机的脱荚装置多采用钉齿式和摘豆刷,通过梳刷豆杆实现荚杆分离,应用中存在豆荚损伤率高、杂质多等问题^{[5, 6, 7, 8]}。为此,秦广明等^{[9, 10, 11, 12]}率先开发橡胶杆式和螺旋式脱荚装置,通过橡胶杆的旋转拍捋和螺旋摘捋作用完成豆杆与豆荚的分离,试验结果表明破损豆荚和杂质较少。但脱荚装置关键结构参数和作业参数多通过借鉴已成熟的机械(联合收获机的脱粒装置、花生脱壳装置等^{[13, 14, 15, 16]})凭经验确定,从而导致豆荚破损率高、产量低、杂质多等问题始终未能从根本上解决,严重影响了整机的作业性能^{[17, 18]}。 为深入研究青毛豆的采摘机制,本文设计并搭建青毛豆采摘模拟试验台,解决了田间试验费时、费工,诸多参数无法调整,数据获取困难、精度不高等问题^{[19, 20]}。采用理论分析与试验研究相结合的方法,通过大量试验分析脱荚机制、总结规律,得出影响作业性能的主次因素,确定脱荚装置的关键设计参数,为青毛豆采摘机的机构优化和设计改进提供研究基础。

脱荚试验台主要由脱荚辊、行走装置、角度调节机构、间距调节机构、试验台机架和底座等组成。其中,脱荚调速电机通过带传动将动力传递给锥齿轮轴,再经轴上锥齿轮的啮合传动使脱荚辊转动,脱荚辊有螺旋式和橡胶杆式两种,试验台可方便更换脱荚辊,脱荚辊的转速可根据试验需要,通过无级调节脱荚调速电机转速来实现;试验台机架与底座铰接,调节右侧螺杆上螺母的位置,可实现试验台绕左侧机架与底座的铰接连接点转动,从而实现脱荚辊与地面角度的连续调节。总体结构如图1所示。

	图 1 脱荚试验台总体结构图 Fig. 1 Structural diagram of taking off pods test-bed1.行走装置Soybean feeder;2.待脱豆杆Natural bean stem;3.角度调节机构Angle adjuster;4.试验台底座Test-bed base;5.试验台机架Test-bed frame;6.脱荚辊Pods-off rollers;7.脱荚调速电机Pods-off roller speed motor;8.角度调节螺杆Angle adjusting bolt;9.螺母Nut;10.锥齿轮Bevel gears;11.V带轮V pulley;12.锥齿轮轴Shaft of bevel gear;13.间距调节机构Distance adjuster
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间距调节机构由调节盘、调节螺栓和锥齿轮压盘组成(图2)。调节盘用来定位调节螺栓,调节螺栓与锥齿轮压盘一端相连,锥齿轮压盘另一端压紧传动左右脱荚辊旋转的锥齿轮的外端面,试验时根据需要调整调节螺栓伸出调节盘的长度,从而改变调节盘与锥齿轮压盘的间距,实现对脱荚辊间距的连续调整。

	图 2 间距调节机构 Fig. 2 Distance adjuster1.左右脱荚辊Left and center pods-off rollers;2.带座轴承Mounted bearing;3.定位销Stop pin;4.调节螺栓Adjusting bolt;5.调节盘Plate;6.锥齿轮压盘Pressure plate;7.锥齿轮Bevel gear
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行走装置用来模拟青毛豆采摘机作业时的行走速度,由HY RM型滚珠导轨、导轨滑块、豆杆装夹板、弹簧、管卡、钢丝绳和行走调速电机组成(图3)。2个导轨滑块装于滚珠导轨上,且导轨滑块上端均通过高度调节螺栓与豆杆装夹板连成一体。右侧导轨滑块的右端部连接钢丝绳的一端,钢丝绳的另一端与行走电机输出轴上的卷筒相连。弹簧底部焊接于豆杆装夹板上,2个弹簧的间距根据青毛豆实际田间种植的株距确定。工作时,启动行走调速电机,随着电机输出轴上卷筒的转动不断缠绕钢丝绳,从而拖动装有豆杆的滑块移动。试验时,根据试验需要调节行走调速电机的转动速度,实现对行走速度的无级调节。

	图 3 行走装置 Fig. 3 Soybean feeder1.高度调节螺栓Height adjusting bolt;2.豆杆装夹板Soybean stem clamping plank;3.导轨滑块Linear guide blocks;4.待脱豆杆Natural bean stem;5.弹簧Spring;6.管卡Clip;7.HY RM型滚珠导轨HY RM ball-guide;8.钢丝绳Wire rope;9.试验台底座Test-bed base;10.行走调速电机Feeding speed motor
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工作前,首先根据试验需要调整好脱荚辊的间距、脱荚辊与地面的角度、脱荚辊转速和豆杆行走速度;然后人工用管卡将待脱豆杆固定在弹簧外侧,利用弹簧的柔性避免豆杆喂入过程中根部被折断;通过调节螺栓升降豆杆装夹板,保证待脱豆杆进入脱荚装置时最下方的豆荚亦能接触到脱荚辊。工作时,首先启动脱荚调速电机,由V带和锥齿轮传动带动脱荚辊转动,待脱荚辊转动速度稳定后,启动行走电机带动卷筒不断转绕钢丝绳,拖动待脱豆杆喂入到以一定速度背向旋转的两脱辊之间,豆杆在脱辊辊指作用下从根部向上连续脱起,被脱豆荚在脱辊旋转的离心力作用下抛落在两侧以便收集。该试验台设计脱辊转速和行走速度可进行无级调节,两辊间距和角度可实现连续调节。此外,设计方便更换的螺旋式和橡胶杆式脱辊以便对脱荚装置设计参数的研究。试验台总体结构参数和工作参数见表1。

青毛豆采摘模拟试验台;行走装置采用Y90L-4型电动机,功率1.5 kW,转速1 400 r · min^-1;脱荚装置采用Y100L-4型电动机,功率2.2 kW,转速1 440 r · min^-1;JR7000系列通用变频器;脱荚辊采用电机通过V带、锥齿轮传动装置来驱动;电子天平,精度0.01 g;卷尺,精度1 mm;转速表。

试验青毛豆由南京富旭蔬菜种植专业合作社提供,品种为‘萧农秋艳’,7月下旬至8月中旬播种,单株平均结荚约18荚,底荚高18 cm左右,单株荚产量约50 g,由人工将豆杆割下。

试验前根据需要预先对喂入速度、脱荚辊转速、脱荚辊间距和脱荚辊与地面角度等参数进行调整,调节装夹豆杆的位置、豆杆装夹板与导轨滑块的间距,确保对最低结荚处豆荚的有效摘脱,喂入时保持豆杆竖直、匀速喂入。每次试验做完后立即收集、统计被脱豆荚、损伤豆荚和未脱豆荚,观察、记录脱荚过程中豆杆和豆荚的运动状态。

摘净率和破碎率是衡量青毛豆采摘机脱荚性能的2个关键指标。其中:豆荚摘净率Y₁为每次试验脱下的豆荚数量与总豆荚数量的比值;破碎率Y₂为每次试验脱下的豆荚中被脱辊打伤、碰伤、挤伤的豆荚数量与脱下豆荚数量的比值^{[21, 22]}。

首先,基于螺旋式脱荚装置对脱荚辊转速和行走速度分别进行单因素试验,得出各因素对摘净率和破碎率的影响情况。然后根据单因素试验的结果,采用正交试验法得出摘净率高、破碎率低、杂质少的最优脱荚辊转速和行走速度组合,即对脱荚辊转速和行走速度进行2因素3水平的9组正交试验。

确定最优速度组合后,依次对脱荚辊间距、脱荚辊与地面角度进行单因素试验,分析间距和角度的变化对试验结果影响的显著性,得出因素变化对试验指标影响的规律,确定最佳的脱荚间距和荚辊角度。此外,选用脱荚效果较好的螺旋式脱荚辊和橡胶杆式脱荚辊作对比试验,确定最佳的荚辊型式。

根据试验方案,限定试验台脱荚装置的初始参数不变,即脱荚辊间距15 mm,脱荚辊与地面角度为30°。以脱荚辊转速和行走速度之一为变量,另外1个因素取值为:脱荚辊转速660 r · min^-1,行走速度0.3 m · s^-1,进行单因素试验。由图4可见:摘净率和破碎率均随脱荚辊转速增大而升高,脱荚辊转速增高,则采摘力增大、摘净率增高;但过大的采摘力也会对鲜嫩的豆荚造成损伤,导致破碎率的增大。由图5可知:摘净率随着行走速度的增大而降低,分析可能是由于行走速度过快,导致脱辊来不及摘脱出现漏脱;破碎率随着行走速度的增大而降低,过慢的行走速度会造成对豆杆的二次摘脱,故虽摘净率会稍有提高,但破碎率也会显著增大。单因素试验结果表明:脱荚辊转速和行走速度间存在交互作用,因此,本文设计正交试验来确定最优的脱荚辊转速和行走速度组合。

	图 4 脱荚辊转速变化试验结果 Fig. 4 Test results of rollers′ speed change
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	图 5 行走速度变化试验结果 Fig. 5 Test result of walking speed change
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正交试验主要对脱荚辊转速和车轮行走速度进行定量研究,分析影响试验指标的主要因素,确定最优速度组合,从而确定脱荚机关键部件的重要参数。试验因素的各水平采用“随机化”的方法处理,避免由于各水平简单地完全按因素水平由大到小或由小到大的顺序排列而造成人为因素导致的系统误差,如表2所示。

通过理论分析和前期试验得知,各因素之间存在交互效应,所以试验中将各因素之间的交互作用对指标的影响考虑在内。选用2因素3水平按照正交表L₉(3⁴)进行正交试验,每组试验重复5次,分别测试每次试验的豆荚摘净率和破碎率,取平均值,试验结果见表3。

对表3中的试验结果进行极差分析可知:车轮行驶速度和脱荚辊转速的交互作用对摘净率和破碎率的影响不大,影响摘净率的主要因素为车轮行驶速度,影响破碎率的主要因素为脱荚辊转速。采用多指标的试验结果直观分析综合平衡法来确定最佳速度组合,对正交试验结果分析可知,车轮行驶速度对摘净率影响最大,取A₁最好,但其破碎率高、且收获效率低,综合分析确定为A₃;脱荚辊转速对破碎率影响最大,取B₂最好,但其摘净率过低,根据单因素试验分析结果,采用适度增加脱荚辊转速增加摘净率,确定为B₁,最终得出最优方案为A₃B₁。对该组合进行多次试验验证了其最优的采摘效果(图6)。

	图 6 脱荚作业效果图 Fig. 6 Contrast figures of taking off pods
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进行单因素试验的前提条件是保证其他参数固定不变,仅改变需要试验因素的水平,分析因素变化对试验结果的影响。本文选用正交试验中脱荚效果最佳的组合,即在脱荚辊转速660 r · min^-1,车轮行驶速度0.5 m · s^-1,脱荚辊与 水平面的角度为30°时改变脱荚辊的间距,分析间距变化对脱荚性能的影响,试验结果见表4。

对试验结果进行方差分析表明:对于摘净率指标,间距变化因素F值为36.47,在95%的置信度下,临界值5.14,F值>临界值,说明间距变化影响极显著;对于破碎率指标,间距变化因素F值为0.02,临界值5.14,F值 < 临界值,间距变化影响不显著。对于品种为‘萧农秋艳’的青毛豆,脱荚辊间距15 mm时,采摘效果最好,摘净率最高。

为确保显著性分析结果的准确性,选用正交试验中脱荚效果较好的另一组作验证试验,即脱荚辊转速700 r · min^-1,车轮行驶速度0.5 m · s^-1,脱荚辊与水平面的角度30°,试验结果(表5)同样表明:对于摘净率指标,F值为13.33,大于95%置信度下的临界值,间距变化对摘净率影响显著;对于破碎率指标,F值为1.65,小于95%置信度下的临界值,间距变化对破碎率影响不大。

脱荚辊与地面的角度不同,使得豆杆经过脱荚辊的脱荚时间不同,脱荚高度也不同,间接影响脱荚摘净率和破碎率,为分析角度变化对脱荚机各性能指标的影响程度,本文以脱荚辊转速660 r · min^-1,车轮行驶速度0.5 m · s^-1,脱辊间距15 mm为前提,设计角度变化的单因素试验,结果如图7-a所示;并以脱荚辊转速700 r · min^-1,车轮行驶速度和脱辊间距不变为试验前提条件,作单因素对比试验,结果如图7-b所示。由图7可以看出,改变脱荚辊与地面的角度,脱荚的摘净率和破碎率虽有变化,但变化不大,两组对比试验的结果基本一致。因此,试验过程中可忽略该因素对试验指标的影响。

	图 7 角度变化试验结果 Fig. 7 Results of variable angle test
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对螺旋式和橡胶杆式两种辊型的脱荚效果作对比试验,以车轮行驶速度0.5 m · s^-1,脱辊间距15 mm,脱辊与地面角度30°为前提,改变脱荚辊的转速,对比两种辊型荚辊的作业效果,确定脱荚效果最佳的辊型,结果(图8)显示:橡胶杆式脱荚辊的摘净率最高可达95.49%,远低于螺旋式脱荚辊的97.45%;从脱荚效果角度看,用橡胶杆式脱荚辊作业,豆杆叶子几近被脱光,杂质中的枝叶明显较螺旋式脱荚辊作业时增多,增加了后续清选工作的难度;橡胶杆式脱荚辊脱荚破碎率明显高于螺旋式脱荚辊。因此,确定最佳辊型为螺旋式。

	图 8 辊型对比试验结果 Fig. 8 Contrast test results of roller type
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1)设计并搭建了青毛豆采摘模拟试验台,并基于该试验台完成了对青毛豆收获机制的研究,确定高摘净率、低破碎率和杂质少的状态下脱荚装置的设计参数。

2)分析青毛豆摘采作用力、破碎作用力和摘采运动轨迹,对螺旋脱荚辊转速和行走速度进行2因素 3水平的正交试验,通过对试验结果进行极差分析,采用多指标的试验结果直观分析综合平衡法,确定最佳速度组合为脱荚辊转速660 r · min^-1,行走速度0.5 m · s^-1。

3)分析了脱荚辊间距、脱荚辊与地面角度对试验指标的影响,确定最佳的脱荚间距为15 mm,荚辊角度为30°。对比试验螺旋式和橡胶杆式两种辊型的脱荚效果,确定最佳辊型为螺旋式。

4)反复试验结果表明:摘净率≥97%,破碎率≤5%,收获的青毛豆产量高、品相好、杂质少、效率高。试验结果为进一步改进、优化青毛豆采摘机提供参考。