CN113545218B - 油菜联合收获系统试验台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种油菜联合收获系统试验台，包括输送带式物料喂入装置、割台、纵轴流脱粒分离装置及旋风分离清选装置割台安装在输送带式物料喂入装置的尾端，还包括位于旋风分离清选装置吸杂口处的第一风速风压传感器及位于旋风分离清选装置入口处的第二风速风压传感器；根据第一风速风压传感器采集的旋风分离筒吸杂口风速x1和第二风速风压传感器采集的旋风分离筒入口风速x2获得旋风分离清选装置的籽粒清洁率Yq、损失率YS的预测模型。通过内置预测模型的测控系统，可预测联合收获关键部件性能评价指标和物料质量分布规律，通过设定目标函数可得到较优参数组合，实现试验台关键部件的可控可调。

Description

油菜联合收获系统试验台
技术领域
本发明属于农业机械中的收获技术领域，具体涉及一种油菜联合收获系统试验台。
背景技术
油菜是我国最主要的油料作物，在其生长周期内的多功能开发如观赏、蜜源、饲用等也发展迅速，综合经济效益逐步提高。联合收获是油菜机械化收获主要方式之一，依托油菜联合收获机可一次性完成油菜植株的切割、输送、脱粒、分离、清选等主要工序并直接获得清洁籽粒，具有适收期集中、省时省力、生产效率高等多方面优势。
当前，油菜联合收获机已在油菜集中种植地广泛应用，但受到油菜生长特性差异、田块面积大小不一、地形地势崎岖不定等因素影响，油菜联合收获机的割台、脱粒分离装置、清选装置等的结构参数与运行参数之间难以实现较优匹配，对油菜植株高大、分枝众多、成熟度不一致、含水率高等特殊生物学特性的适应性较差，导致联合收获综合损失率居高不下。此外，传统油菜联合收获机关键部件设计多采用经验公式计算，且田间作业难以准确获取喂入量波动条件下的实时运行参数、物料迁移轨迹、内部气流场分布、风速风压等，缺乏对联合收获性能评价指标(如脱粒分离装置的夹带损失率、脱出率等和清选装置的籽粒清洁率、损失率等)和物料迁移过程中的组分质量比变化(如脱出物中籽粒和杂余质量比)的预测与控制，导致油菜高效低损联合收获机制不明、机具研发及田间试验周期长、研发成本居高不下等现实问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种解决联合收获机参数匹配困难、作业性能难以预测监控且高效低损的油菜联合收获系统试验台。
为实现上述目的，本发明所设计的油菜联合收获系统试验台，包括输送带式物料喂入装置、割台、纵轴流脱粒分离装置及旋风分离清选装置，割台安装在输送带式物料喂入装置的尾端，纵轴流脱粒分离装置和割台末端相连，旋风分离清选装置安装在纵轴流脱粒分离装置的后端；还包括位于旋风分离清选装置吸杂口处的第一风速风压传感器及位于旋风分离清选装置入口处的第二风速风压传感器；根据第一风速风压传感器采集的旋风分离筒吸杂口风速x1和第二风速风压传感器采集的旋风分离筒入口风速x2获得旋风分离清选装置的籽粒清洁率Yq、损失率YS的预测模型，如下：
Figure BDA0003158853990000021
进一步地，根据所述割台的螺旋推进器转速X1、割台的链耙式输送装置转速X2、脱粒间隙X3、纵轴流脱粒分离装置的纵轴流脱粒滚筒转速X4及油菜喂入量X5，获得物料占比预测模型，如下：
Figure BDA0003158853990000022
其中，Y4为脱出物占比、Y5为脱出物中籽粒占比、Y6为排草口物料占比、Y7为脱前损失物料占比、Y8为收获机内残留物占比。
进一步地，所述纵轴流脱粒分离装置中脱出物收集器包括n个籽粒收集盒，每个籽粒收集盒中设置有一个质量传感器，根据每个传感器采集的每个籽粒收集盒内的脱出物质量mi，结合物料占比预测模型，获得喂入油菜总质量M、单个籽粒收集盒内籽粒质量mzi与杂鱼质量myi、脱出物中籽粒总质量mz及杂余质量my，分别为：
Figure BDA0003158853990000031
进一步地，根据所述割台的螺旋推进器转速X1、割台的链耙式输送装置转速X2、脱粒间隙X3、纵轴流脱粒分离装置的纵轴流脱粒滚筒转速X4及油菜喂入量X5，获得纵轴流脱粒分离装置的脱出率Y1、夹带损失率Y2和排草切碎程度Y3的预测模型，如下：
Figure BDA0003158853990000032
进一步地，根据所述旋风分离清选装置的籽粒清洁率Yq、损失率YS的预测模型建立优化目标函数：
maxY(A,B)＝a·Yq-b·Ys
其中：a为清洁率权重、b为损失率权重
Figure BDA0003158853990000041
进一步地，所述输送带式物料喂入装置包括用于支撑的承载架、位于承载架上的传送带及安装在承载架下方的传动电机，传动电机通过带传动方式向传送带提供动力。
进一步地，所述割台包括割台承载架、固定在割台承载架上的螺旋推进器及与螺旋推进器外部铰接的链耙式输送装置，链耙式输送装置的出料口末端与倾斜10～30°配置的纵轴流脱粒分离装置的入口连接；螺旋推进器通过带传动与传动轴配合，传动轴通过传动机构从割台电机获得动力。
进一步地，所述纵轴流脱粒分离装置包括支撑架、倾斜布置在支撑架上的脱粒滚筒罩壳、安装在脱粒滚筒罩壳内的纵轴流脱粒滚筒、位于纵轴流脱粒滚筒上方的导向顶盖、位于纵轴流脱粒滚筒下方的凹板筛、位于凹板筛下方可拆卸的脱出物收集器、开设在脱粒滚筒罩壳一侧的入料口、固定在脱粒滚筒罩壳另一侧的排草口及位于脱出物收集器下方的脱出物提升搅龙。
进一步地，所述脱粒滚筒罩壳上沿纵轴脱粒滚筒的轴向方向上开设有观察窗，正对于纵轴流脱粒分离装置观察窗位置处布置有高速摄影系统。
进一步地，所述旋风分离清选装置包括位于纵轴流脱粒分离装置脱出物提升搅龙出口下方的抛扬机、通过螺栓与抛扬机出口段相连的旋风分离筒、位于旋风分离筒下方的籽粒提升搅龙、位于旋风分离筒侧方的粮箱、位于粮箱上方的离心风机及连接旋风分离筒吸杂口和离心风机入口的吸杂管道，以及给离心风机提供动力的第一电机和给籽粒提升搅龙提供动力的第二电机。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明油菜联合收获系统试验台通过内置预测模型的测控系统，可预测联合收获关键部件性能评价指标和物料质量分布规律，通过设定目标函数可得到较优参数组合，实现试验台关键部件的可控可调。
附图说明
图1为本发明油菜联合收获系统试验台的结构示意图；
图2为图1中输送带式物料喂入装置的结构示意图；
图3为图1中割台的结构示意图；
图4为图1中纵轴流脱粒分离装置的结构示意图；
图5为图1中旋风分离清选装置的结构示意图；
图6为图1中测控系统的结构示意图。
图中：输送带式物料喂入装置1、割台2、纵轴流脱粒分离装置 3、旋风分离清选装置4、测控系统5、支撑架1.1、传送带1.2、传动电机1.3、螺旋推进器2.1、传动机构2.2、割台承载架2.3、割台电机2.4、链耙式输送装置2.5、电机架2.6、传动轴2.7、导向顶盖 3.1、凹板筛3.2、纵轴流脱粒滚筒3.3、滚筒传动轴3.4、排草口3.5、观察窗3.6、脱出物收集器3.7、入料口3.8、脱粒滚筒罩壳3.9、分离电机3.10、脱出物提升搅龙3.11、支撑架3.12、离心风机4.1、吸杂管道4.2、粮箱4.3、抛扬机4.4、第二电机4.5、籽粒提升搅龙4.6、旋风分离筒4.7、第一电机4.8、控制柜5.1、第二风速风压传感器5.2、高速摄影系统5.3、质量传感器5.4、第一风速风压传感器5.5。
具体实施方式
下面结合图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，以便本领域技术人员理解。
如图1所示油菜联合收获系统试验台，包括输送带式物料喂入装置1、割台2、纵轴流脱粒分离装置3、旋风分离清选装置4及测控系统5，割台2安装在输送带式物料喂入装置1的尾端，纵轴流脱粒分离装置3和割台2末端相连，旋风分离清选装置4安装在纵轴流脱粒分离装置3的后端。
结合图2所示，输送带式物料喂入装置1包括用于支撑的承载架1.1、位于承载架1.1上的传送带1.2、安装在承载架1.1下方的传动电机1.3，传动电机1.3通过带传动方式向传送带1.2提供动力。
结合图3所示，割台2包括割台承载架2.3、固定在割台承载架 2.3上的螺旋推进器2.1及与螺旋推进器2.1外部铰接的链耙式输送装置2.5，链耙式输送装置2.5的出料口末端与倾斜10～30°配置的纵轴流脱粒分离装置3的入口连接。螺旋推进器2.1通过带传动与传动轴2.7配合，传动轴2.7通过传动机构2.2从割台电机2.4获得动力来源，割台电机2.4固定在电机架2.6上。
结合图4所示，纵轴流脱粒分离装置3包括支撑架3.12、倾斜布置在支撑架3.12上的脱粒滚筒罩壳3.9、安装在脱粒滚筒罩壳3.9 内的纵轴流脱粒滚筒3.3、位于纵轴流脱粒滚筒3.3上方的导向顶盖 3.1、位于纵轴流脱粒滚筒3.3下方的凹板筛3.2、位于凹板筛3.2下方可拆卸的脱出物收集器3.7、开设在脱粒滚筒罩壳3.9一侧的入料口3.8、固定在脱粒滚筒罩壳3.9另一侧的排草口3.5及位于脱出物收集器3.7下方的脱出物提升搅龙3.11，脱粒滚筒罩壳3.9上沿纵轴流脱粒滚筒3.3的轴向方向上开设有观察窗3.6，其用于观察脱粒滚筒罩壳3.9内部的实时情况。
纵轴脱粒滚筒3.3通过滚筒传动轴3.4获得动力，滚筒传动轴3.4 通过割台电机2.8提供动力，滚筒传动轴3.4可通过联轴器配合更换不同型号的脱粒滚筒以满足各种需求的测试结果，脱出物提升搅龙 3.11的尾部与分离电机3.10相连。纵轴流脱粒滚筒3.3脱粒段由4～6 排间隔安装脱粒元件的圆管与幅盘组成，脱粒元件以单头或双头螺旋排列形式通过螺栓连接安装于圆管上，通过调节脱粒元件伸出高度实现脱粒滚筒外径和凹板筛间隙的调节，可根据物料不同更换钉齿式、刀齿式、纹杆式脱粒元件。凹板筛3.2包括上层编织筛和下层栅格，通过调整上层编织筛与下层栅格的相对位置实现凹板筛的筛孔孔径调节。脱出物收集器3.7由n个籽粒收集盒呈矩阵排列，用于承接经脱粒分离工序后的油菜脱出物，进而用于分析脱出物质量分布特性，脱出物收集器3.7可从侧方水平抽离，使油菜脱出物落入脱出物提升搅龙3.11并进入清选装置。
结合图5所示，旋风分离清选装置4包括位于纵轴流脱粒分离装置3脱出物提升搅龙3.11出口下方的抛扬机4.4、通过螺栓与抛扬机4.4出口段相连的旋风分离筒4.7、位于旋风分离筒4.7下方的籽粒提升搅龙4.6、位于旋风分离筒4.7侧方的粮箱4.3、位于粮箱4.3上方的离心风机4.1及连接旋风分离筒4.7吸杂口和离心风机4.1入口的吸杂管道4.2，以及给离心风机4.1提供动力的第一电机4.8和给籽粒提升搅龙4.6提供动力的第二电机4.5。
如图6所示，测控系统5包括位于输送带式物料喂入装置1侧方的控制柜5.1、正对于纵轴流脱粒分离装置3观察窗3.6的高速摄影系统5.3、位于每个籽粒收集盒上的质量传感器5.4、位于旋风分离清选装置4吸杂口处的第一风速风压传感器5.5及位于旋风分离清选装置4入口处的第二风速风压传感器5.2，高速摄影系统5.3、质量传感器5.4、第一风速风压传感器5.5和第二风速风压传感器5.2 均与控制柜5.1相连。
作业时，先由控制柜启动各个电机及工作部件，油菜经过输送带式物料喂入装置1进入到割台2，在割台2中被打断为短茎杆，短茎向物料传送通道汇集进而进入纵轴流脱粒分离装置3，油菜果荚经纵轴流脱粒滚筒击打破裂，高速摄影系统在此时能捕捉油菜籽粒的运动轨迹并将结果传回控制柜，若需要分析油菜籽粒的空间分布特性，可将脱出物收集器3.7放置在凹板筛3.2下方，通过质量传感器获取到每个籽粒收集盒的质量大小并将结果传回电脑软件完成油菜籽粒的空间分布特性测试；如不需要上述分析，则可抽出脱出物收集器，使油菜籽及部分杂余透过凹板筛直接进入下方脱出物提升搅龙，被输送至旋风分离清选系统抛扬机内，分离的短茎秆则由脱粒分离装置后部排出；进入抛扬机的籽粒及部分杂余在抛扬机叶轮高速回转作用下被抛送进入旋风分离筒，离心风机叶轮高速回转并沿吸杂管道在旋风分离筒内形成负压气流场，较重的油菜籽粒由出粮口落下进入籽粒提升搅龙，被提升至粮箱内，较轻的杂余则在负压气流作用下上升进入风机并被排出机外，从而完成整个收获过程。
收获过程中，测控系统5可获得螺旋推进器转速X1、链耙式输送装置转速X2、脱粒间隙X3、纵轴流脱粒滚筒转速X4、油菜喂入量 X5、旋风分离筒吸杂口风速x1、旋风分离筒入口风速x2，纵轴流脱粒分离装置的脱出率Y1、夹带损失率Y2和排草切碎程度Y3的预测模型如下：
Figure BDA0003158853990000081
脱出物占比Y4、脱出物中籽粒占比Y5、排草口物料占比Y6、脱前损失物料占比Y7、收获机内残留物占比Y8的物料占比预测模型如下：
Figure BDA0003158853990000082
质量传感器获取到每个籽粒收集盒内的脱出物质量mi，结合物料占比预测模型，可分析得喂入油菜总质量M、单个籽粒收集盒内籽粒质量mzi与杂鱼质量myi、脱出物中籽粒总质量mz及杂余质量 my分别为：
Figure BDA0003158853990000091
旋风分离清选装置的籽粒清洁率Yq、损失率YS的预测模型如下：
Figure BDA0003158853990000092
测控系统5的配套软件还可设置收获性能评价指标的优化目标函数，通过设置关键参数的边界条件优化得出较优参数组合，实现参数的控制。以旋风分离清选装置为例，清洁率和损失率要求不同，需优先保证损失率低，其次保证清洁率高。采取加权综合评分法处理，拟定清洁率权重为a，损失率权重为b，以加权值作为评价标准建立优化目标函数：
Figure BDA0003158853990000094
其中：
Figure BDA0003158853990000093
设置吸杂口风速与入口风速范围后，通过多元二次函数预测模型反求得出较优参数，当a＝0.35，b＝0.65时，优化得出最佳参数组合为吸杂口风速15.3m/s、入口风速4.2m/s，此时旋风分离清选装置籽粒清洁率为96.77％。通过设置不同的权重、目标函数和边界条件，可得到满足不同需求的关键参数组合。

Claims (6)

1.一种油菜联合收获系统试验台，包括输送带式物料喂入装置(1)、割台(2)、纵轴流脱粒分离装置(3)及旋风分离清选装置(4)，割台(2)安装在输送带式物料喂入装置(1)的尾端，纵轴流脱粒分离装置(3)和割台(2)末端相连，旋风分离清选装置(4)安装在纵轴流脱粒分离装置(3)的后端；其特征在于：还包括位于旋风分离清选装置(4)吸杂口处的第一风速风压传感器(5.5)及位于旋风分离清选装置(4)入口处的第二风速风压传感器(5.2)；根据第一风速风压传感器(5.5)采集的旋风分离筒吸杂口风速x1和第二风速风压传感器(5.2)采集的旋风分离筒入口风速x2获得旋风分离清选装置的籽粒清洁率Yq、损失率YS的预测模型，如下：
Figure FDA0003694986820000011
根据所述割台(2)的螺旋推进器(2.1)转速X1、割台(2)的链耙式输送装置(2.5)转速X2、脱粒间隙X3、纵轴流脱粒分离装置(3)的纵轴流脱粒滚筒(3.3)转速X4及油菜喂入量X5，获得物料占比预测模型，如下：
Figure FDA0003694986820000012
其中，Y4为脱出物占比、Y5为脱出物中籽粒占比、Y6为排草口物料占比、Y7为脱前损失物料占比、Y8为收获机内残留物占比；
所述纵轴流脱粒分离装置(3)中脱出物收集器(3.7)包括n个籽粒收集盒，每个籽粒收集盒中设置有一个质量传感器(5.4)，根据每个传感器(5.4)采集的每个籽粒收集盒内的脱出物质量mi，结合物料占比预测模型，获得喂入油菜总质量M、单个籽粒收集盒内籽粒质量mzi与杂鱼质量myi、脱出物中籽粒总质量mz及杂余质量my，分别为：
Figure FDA0003694986820000021
根据所述割台(2)的螺旋推进器(2.1)转速X1、割台(2)的链耙式输送装置(2.5)转速X2、脱粒间隙X3、纵轴流脱粒分离装置(3)的纵轴流脱粒滚筒(3.3)转速X4及油菜喂入量X5，获得纵轴流脱粒分离装置(3)的脱出率Y1、夹带损失率Y2和排草切碎程度Y3的预测模型，如下：
Figure FDA0003694986820000022
根据所述旋风分离清选装置的籽粒清洁率Yq、损失率YS的预测模型建立优化目标函数：
Figure FDA0003694986820000023
其中：a为清洁率权重、b为损失率权重
Figure FDA0003694986820000031
2.根据权利要求1所述油菜联合收获系统试验台，其特征在于：所述输送带式物料喂入装置(1)包括用于支撑的承载架(1.1)、位于承载架(1.1)上的传送带(1.2)及安装在承载架(1.1)下方的传动电机(1.3)，传动电机(1.3)通过带传动方式向传送带(1.2)提供动力。
3.根据权利要求1所述油菜联合收获系统试验台，其特征在于：所述割台(2)包括割台承载架(2.3)、固定在割台承载架(2.3)上的螺旋推进器(2.1)及与螺旋推进器(2.1)外部铰接的链耙式输送装置(2.5)，链耙式输送装置(2.5)的出料口末端与倾斜10～30°配置的纵轴流脱粒分离装置(3)的入口连接；螺旋推进器(2.1)通过带传动与传动轴(2.7)配合，传动轴(2.7)通过传动机构(2.2)从割台电机(2.4)获得动力。
4.根据权利要求1所述油菜联合收获系统试验台，其特征在于：所述纵轴流脱粒分离装置(3)包括支撑架(3.12)、倾斜布置在支撑架(3.12)上的脱粒滚筒罩壳(3.9)、安装在脱离滚筒罩壳(3.9)内的纵轴流脱粒滚筒(3.3)、位于纵轴流脱粒滚筒(3.3)上方的导向顶盖(3.1)、位于纵轴流脱粒滚筒(3.3)下方的凹板筛(3.2)、位于凹板筛(3.2)下方可拆卸的脱出物收集器(3.7)、开设在脱离滚筒罩壳(3.9)一侧的入料口(3.8)、固定在脱离滚筒罩壳(3.9)另一侧的排草口(3.5)及位于脱出物收集器(3.7)下方的脱出物提升搅龙(3.11)。
5.根据权利要求4所述油菜联合收获系统试验台，其特征在于：所述脱粒滚筒罩壳(3.9)上沿纵轴流脱粒滚筒(3.3)的轴向方向上开设有观察窗(3.6)，正对于纵轴流脱粒分离装置(3)观察窗(3.6)位置处布置有高速摄影系统(5.3)。
6.根据权利要求1所述油菜联合收获系统试验台，其特征在于：所述旋风分离清选装置(4)包括位于纵轴流脱粒分离装置(3)脱出物提升搅龙(3.11)出口下方的抛扬机(4.4)、通过螺栓与抛扬机(4.4)出口段相连的旋风分离筒(4.7)、位于旋风分离筒(4.7)下方的籽粒提升搅龙(4.6)、位于旋风分离筒(4.7)侧方的粮箱(4.3)、位于粮箱(4.3)上方的离心风机(4.1)及连接旋风分离筒(4.7)吸杂口和离心风机(4.1)入口的吸杂管道(4.2)，以及给离心风机(4.1)提供动力的第一电机(4.8)和给籽粒提升搅龙(4.6)提供动力的第二电机(4.5)。
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