批次式種子清選裝置設(shè)計與試驗

李永磊，萬里鵬程，陳海軍，馮志琴，劉偉帥，朱 明，宋建農(nóng)

批次式種子清選裝置設(shè)計與試驗

李永磊1,3，萬里鵬程1，陳海軍2,3※，馮志琴2,3，劉偉帥1，朱 明2,3，宋建農(nóng)1

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100125； 3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后處理重點實驗室，北京 100125）

針對試驗小區(qū)種質(zhì)材料“批次式、無殘留、易清機、高效率”特殊加工要求，該研究采用開放式組合框架結(jié)構(gòu)、變頻振動清篩技術(shù)，系統(tǒng)集成批次供種、風選除雜、篩選分級、篩面清理等作業(yè)工序，設(shè)計了批次式種子清選裝置，并對供料系統(tǒng)、風選系統(tǒng)、篩分裝置等關(guān)鍵部件進行了設(shè)計與分析。以玉米種子為試驗對象，以給料速度、振動頻率、振幅、篩面傾角為試驗因素，以物料凈度、獲選率和作業(yè)時間為試驗指標，開展了四因素三水平Box-Behnken試驗，建立了響應面數(shù)學模型，并進行了參數(shù)優(yōu)化和試驗驗證。結(jié)果表明，振幅、振動頻率及二者的交互作用是影響凈度和獲選率的主要因素；給料速度、振幅、振動頻率、篩面傾角均對作業(yè)時間有較大影響；優(yōu)化參數(shù)組合為給料速度0.072 kg/s、振幅5 mm、振動頻率6.25 Hz、篩面傾角4.6°，在此參數(shù)下的驗證試驗結(jié)果為凈度98.8%、獲選率為99.7%、作業(yè)時間約50 s，與模型優(yōu)化預測結(jié)果基本一致。生產(chǎn)性能試驗結(jié)果表明，處理量15 kg/批時清選裝置加工能力達到10批/h，各項指標均滿足設(shè)計要求。研究可為種質(zhì)材料及其他顆粒物料批次式清選裝備的設(shè)計提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；設(shè)計；優(yōu)化；種子加工；批次作業(yè)；清選裝置；種子凈度

0 引 言

種業(yè)機械化是涵蓋農(nóng)作物品種選育與試驗、制種生產(chǎn)、種子加工等多環(huán)節(jié)的系統(tǒng)工程，是實現(xiàn)種業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)和前提[1]。中國種子加工機械裝備經(jīng)過多年發(fā)展基本能夠滿足種業(yè)市場需求，中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院等單位研制了一批適應中國國情的種子加工單機與成套設(shè)備并得到廣泛的推廣和應用。由于田間試驗種植品種多、單品面積小、間隔種植、重復試驗、同步試驗等特殊的種植農(nóng)藝及試驗需求，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械已無法滿足其作業(yè)要求，田間試驗機械化已發(fā)展成為特殊的、獨立的機械化技術(shù)體系[2-3]。中國田間試驗機械研究起步較晚，且由于作業(yè)要求復雜、技術(shù)難度較大、研制成本較高、市場培育緩慢等原因，相關(guān)研究多數(shù)停留在科研階段，投放市場的專用技術(shù)裝備缺乏，田間試驗機械化已成為種業(yè)機械化發(fā)展的瓶頸[1,4]。近年來，中國小區(qū)播種機、小區(qū)收獲機等品種選育與試驗機械裝備的研發(fā)和推廣取得較大進展[5-12]，但是試驗小區(qū)收獲的種子仍然依賴于人工或簡易工具輔助清選。

目前，種子/糧食加工、谷物收獲等領(lǐng)域的清選技術(shù)裝備研究較多集中在篩分效率提升、生產(chǎn)能力增加及作業(yè)質(zhì)量改善等方面[13-17]，適用于小批量育種種質(zhì)材料處理的專用裝備研究相對較少，主要為簸箕、套篩等簡易工具或者采用小型通用篩選機或風篩清選機（處理能力約50～100 kg/h，連續(xù)作業(yè)）等，存在手工作業(yè)勞動強度大、作業(yè)效率低，通用設(shè)備種子易殘留及清機不便耗時長等問題[18-21]，無法滿足現(xiàn)代育種需求。針對試驗小區(qū)種質(zhì)材料“批次式、無殘留、易清機、高效率”特殊加工要求，本文采用開放式組合框架結(jié)構(gòu)、變頻振動清篩技術(shù)，系統(tǒng)集成批次供種、風選除雜、篩選分級、篩面清理等作業(yè)工序，研制出適合種質(zhì)材料清選作業(yè)的批次式種子清選裝置，通過優(yōu)化配置適用技術(shù)參數(shù)，基本實現(xiàn)了種質(zhì)材料的批次高效清選作業(yè)。

1 裝置總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 清選裝置作業(yè)要求

農(nóng)作物品種選育與試驗通常以品種試驗小區(qū)（簡稱小區(qū)）為基本種植單位，每個小區(qū)收獲的種子為1份種質(zhì)材料[10,22-23]。批次式種子清選裝置作業(yè)對象主要為人工或機械收獲后的種質(zhì)材料，功能要求是實現(xiàn)種子清選除雜和尺寸分選。中國育種小區(qū)面積通常為5～20 m2，如小麥與水稻區(qū)域試驗小區(qū)面積多為13.33 m2[24-25]、玉米區(qū)域試驗小區(qū)面積多為20 m2（實收12 m2）[26]，每個小區(qū)種子質(zhì)量約為5～15 kg。小區(qū)種子收獲后通常采用尼龍網(wǎng)袋獨立包裝，雜質(zhì)主要由秸稈雜余、碎芯與破損粒及灰塵等組成，含雜率約為4%～10%。小區(qū)種子清選加工的特殊性在于品種及數(shù)量多、單份質(zhì)量少、批次作業(yè)、避免混雜且需要較高作業(yè)效率等。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

清選裝置主要由機架、供料系統(tǒng)、風選系統(tǒng)、篩分裝置、驅(qū)動裝置及電控系統(tǒng)等組成，如圖1所示。供料系統(tǒng)與篩分裝置固定在機架上；風選系統(tǒng)由清選風道和旋風分離器兩部分組成，清選風道安裝在供料系統(tǒng)與篩分裝置之間，旋風分離器安裝在可移動支架上，由旋風分離器風機為清選風道提供負壓氣流；篩分裝置為2層開放式組合框架結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動裝置帶動下近似往復直線運動完成篩選作業(yè)；驅(qū)動裝置采用電機驅(qū)動的曲柄（偏心軸）連桿裝置為篩分裝置提供動力；電控系統(tǒng)由控制面板和控制箱2部分組成，為整機運行提供電氣控制。主要參數(shù)如表1所示。

1.機架 2.供料系統(tǒng) 3.風選系統(tǒng) 4.篩分裝置 5.驅(qū)動裝置 6.電控系統(tǒng)

表1 批次式種子清選裝置主要參數(shù)

1.3 工作原理

批次式種子清選裝置作業(yè)過程可分為供料篩分、振動清機、工況復位3個階段。1）供料篩分：料斗中物料由電磁振動給料器向清選風道均勻供料；較重物料經(jīng)風道出料口進入篩分裝置，碎秸稈等雜質(zhì)經(jīng)風道進入旋風分離器沉降收集，灰塵等輕雜質(zhì)經(jīng)布袋除塵器過濾收集；由往復振動的篩分裝置完成物料分選，長秸稈等較大雜質(zhì)經(jīng)第一層篩面、合格種子經(jīng)第二層篩面、不完善粒等較小雜質(zhì)經(jīng)溜板，分別由各出料口排出。2）振動清機：當供料完成后及時增加篩分裝置振動頻率加速物料排出，提高篩面清理質(zhì)量和作業(yè)效率；及時檢查篩面物料情況，根據(jù)需要采用擊打篩面、停機清理等方式清除篩面殘留種子等異物。3）工況復位：將振動頻率、篩面傾角等恢復至初始工況，進行后續(xù)作業(yè)。

篩面傾角可以根據(jù)不同類型種子處理要求靈活調(diào)節(jié)；電控系統(tǒng)實現(xiàn)給料速度、清選風速、振動頻率、篩面傾角等工作參數(shù)的控制與動態(tài)調(diào)整。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 供料系統(tǒng)設(shè)計

供料系統(tǒng)主要由料斗、給料盤、振動給料器、固定安裝板、彈簧減震座、安裝底板等組成，如圖2所示。選用SKD140型直線電磁振動給料器[27]（振幅0.5～1 mm、功率25 W、承載力50 N），配套使用SDVC31-S數(shù)字調(diào)頻調(diào)壓控制器（輸出電壓范圍0～260 V）。料斗容積約0.008 m3，給料盤有效長度280 mm、出料口寬度170 mm。供料系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)料斗活門開度和電磁振動給料器輸入電壓實現(xiàn)給料速度的調(diào)節(jié)。經(jīng)試驗，電磁振動給料器給料電壓的適用范圍為170～195 V。

圖2 供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 風選系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 清選風道設(shè)計

清選風道由風道外殼、觀察窗、擋料板、導料板、調(diào)風板、調(diào)節(jié)螺桿、異形風管等構(gòu)成，擋料板、導料板及調(diào)風板上端固定在風道外殼上。風道中物料在導料板和擋料板復合作用下有效分散。

清選風道結(jié)構(gòu)如圖3所示。進料口200 mm×50 mm，出料口/進風口200 mm×40 mm（當量直徑1約67 mm）、面積1約0.008 m2，出風口直徑2為80 mm、面積2約為0.005 m2，氣流與物料分離有效作用長度約100 mm。根據(jù)主要農(nóng)作物種子臨界速度[28]，進風口最大風速1max取值為7 m/s，清選風道空氣流量1由式（1）計算可得；出風口最大速度2max由式（2）計算可得。

1=1·1max=202 m3/h（1）

2max=1/2=11.2 m/s（2）

氣流在清選風道中的阻力1由沿程阻力H和局部阻力H兩部分構(gòu)成[14,28]，其中沿程阻力H作用段由風道外殼局部、異形風管、旋風分離器連接風管等組成，實際作用長度約為1 200 mm；局部阻力H由風道外殼與異形風管160°彎頭阻力H1、異形風管90°彎頭阻力H2、連接風管90°彎頭阻力H3等3部分組成。以出風口直徑2、出風口極限速度2max為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行簡化計算。

式中為摩擦阻力系數(shù)；為空氣密度，0.122 kg/m3；采用近似公式（4）計算。

式中ζ為局部阻力系數(shù)，ζ1=0.27，ζ2=ζ3=0.23。

清選風道阻力由式（6）計算可得。

1=H+H=68.5 Pa（6）

1.風道外殼 2.觀察窗 3.擋料板 4.導料板 5.調(diào)風板 6.調(diào)節(jié)螺桿 7.異形風管

2.2.2 旋風分離器設(shè)計

旋風分離器主要有安裝架、風機、分離器、進風口、布袋除塵器、集雜桶等組成，如圖4所示。

1.安裝架 2.分離器 3.進風口 4.風機 5.布袋除塵器 6.集雜桶

分離器系統(tǒng)阻力2由進風口變徑阻力H1、分離器阻力H2、風機出風口變徑阻力H3、布袋除塵阻力D4等組成，以進風口風速v1公式（7）簡化計算可得。

式中ζ為局部阻力系數(shù)，估算ζ1=0.28、ζ3=0.23、ζ4=0.5，ζ2由公式（8）計算。

2.2.3 風機選型計算

為使旋風分離器結(jié)構(gòu)緊湊，將風機與分離器連接為一體，安裝在可移動安裝架上。計算風量0=1=345 m3/h，風選壓力損失總計約為

0=1+2=703 Pa（9）

綜合考慮選用DF-5 370 W多翼離心風機，流量為660 m3/h、全壓為850 Pa。

2.3 篩分裝置設(shè)計

為便于觀察篩面物料狀態(tài)及便捷更換篩片，篩分裝置采用開放式組合篩框結(jié)構(gòu)，包括安裝座、彈性板、安裝底板、安裝板、篩架、組合篩框、傾角調(diào)節(jié)裝置、底層溜板、出料口等，如圖5所示。兩組組合篩框安裝在篩架上，篩架固定在安裝板上；安裝板與安裝底板一端為銷接，另一端與傾角調(diào)節(jié)裝置相連，安裝板與安裝底板的夾角由傾角調(diào)整裝置控制；安裝底板由4根彈性板（電木）通過螺栓固定在安裝座上，在驅(qū)動裝置帶動下近似往復直線運動；安裝座固定在機架桌面上。

1.安裝座 2.彈性板 3.安裝底板 4.安裝板 5.篩架 6.組合篩框 7.傾角調(diào)節(jié)裝置 8.溜板 9.出料口

2.3.1 組合篩框設(shè)計

組合篩框由下框、上框、篩片、橡膠球、橡膠球架、壓片、壓緊螺栓、鎖扣、合頁等組成。上框與下框一側(cè)通過合頁鉸接，另一側(cè)采用鎖扣固定。上框閉合時，篩片在篩框、壓片、壓緊螺栓綜合作用下被固定在上框與下框之間的卡槽內(nèi)；上框開啟后，篩片能夠方便的取出和更換。篩框外形尺寸460 mm×280 mm× 35 mm，篩片尺寸460 mm×254 mm×1 mm。組合篩框結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.下框 2.上框 3.篩片 4.橡膠球 5.橡膠球架 6.壓片 7.壓緊螺栓 8.鎖扣 9.合頁

2.3.2 篩分裝置運動特性分析

篩分裝置運動分析如圖7所示。彈性板安裝角0為60°，連桿長度0為245 mm，連桿安裝角=90°?0=30°。曲柄半徑為，某一時刻曲柄轉(zhuǎn)角=，為曲柄角速度（rad/s）。曲柄自連桿安裝線（12）到水平面轉(zhuǎn)角0==30°。連桿與安裝底板銷接中心點2繞虛擬點擺動，擺線長為1、擺動位移范圍為1，在某一時刻2點的位移S1由公式（10）近似計算可得。

因篩面隨安裝底板往復運動，篩面各點及篩面上的物料具有與2點相同的運動及動力學特性。

1）篩面運動特性分析

以篩面中心點0的運動來表征分析篩面運動特性。在連桿安裝線（12）方向上，某時刻篩面中心點0的位移、速度、加速度分別由式（11）～式（13）表示。

注：O1為曲柄旋轉(zhuǎn)中心；O2為連桿與安裝底板銷接中心點；A、B為彈性板及安裝座與機架桌面固定點；C、D為O2點及篩面中心點擺動中心點；H1為傾角調(diào)節(jié)裝置安裝高度，mm；r為曲柄半徑，mm；L0為連桿長度，mm；L1為O2點虛擬擺線長度，mm；S1為O2點擺動位移范圍，mm；S2為篩面中心點擺動位移范圍，mm；δ0為彈性板安裝角，(°)；δ為連桿安裝角，(°)；θ0為曲柄自O(shè)1O2連線旋轉(zhuǎn)至水平位置夾角，(°)；θ為某一時間曲柄轉(zhuǎn)角，(°)；β為篩面傾角，(°)。

2）篩面種子動力學特性

以篩面中心點種子的受力來表征篩面物料動力學特性，種子受力分析如圖8所示。篩面上種子存在靜止、滑移、跳躍等運動狀態(tài)，篩面對物料的連續(xù)拋擲并使之跳躍脫離篩面是實現(xiàn)物料篩分的必要條件，因此重點研究拋擲狀態(tài)下的種子運動特性。篩面上種子受到自身重力、慣性力、篩面摩擦力等力的綜合作用，當種子脫離篩面跳躍時，篩面法向力的合力F=0，力學方程為：

注：為篩面種子流動方向；為篩面法向方向；為振動方向角（激振力與篩面夾角），(°)；為篩面傾角，(°)；為連桿安裝角，(°)；為種子重力，N；G為種子重力在向的分力，N；G為種子重力在向的分力，N；為種子慣性力，N；F為慣性力在向的分力，N；F為慣性力在向的分力，N；F為種子在向的合力，N。

Note:indicates the working direction;indicates the vertical direction;is the angle of vibration, (°);is the inclination angle of screen, (°);is the mounting angel of link, (°);is seed gravity, N;Gis the component force of seed gravity indirection, N;Gis the component force of seed gravity indirection, N;is the inertia force of seed provided by crank, N;Fis the component force indirection, N;Fis the component force indirection, N;Fis the resultant force of seed indirection, N.

圖8 種子受力分析簡圖

Fig.8 Diagram of force analysis with seed

采用振動強度（種子最大加速度與重力加速度之比）衡量篩面的振動強弱，如式（15）所示。根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊初步確定振動強度取值范圍[28]，1.5～2.5。

式中a2max為周期變化的a2的最大值。

采用拋擲指數(shù)K表征篩面物料運動特征（在篩面法向上種子最大加速度與重力加速度之比），如公式（16）所示。

2.3.3 傾角調(diào)節(jié)裝置設(shè)計

篩面傾角調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)如圖9所示，雙向梯形螺桿左右端為反向螺紋，當雙向梯形螺桿在傾角調(diào)節(jié)電機驅(qū)動下轉(zhuǎn)動時，螺桿移動塊帶動X型連接板向中間收攏或向雙側(cè)擴張，安裝板右側(cè)位置高度隨之發(fā)生變化，從而實現(xiàn)安裝板傾角的便捷調(diào)整。雙向梯形螺桿螺紋規(guī)格為Tr16×4LH(RH)，傾角調(diào)節(jié)電機功率25 W，轉(zhuǎn)速68 r/min；安裝板傾角調(diào)節(jié)速率ω≈0.4 °/s，傾角調(diào)節(jié)范圍3°～10°。

1.安裝底板 2.安裝板 3.雙向梯形螺桿 4.連接板 5.螺桿移動塊 6.帶座軸承 7.傾角調(diào)節(jié)電機 8.同步帶輪 9.安裝立柱 10.銷軸 11.帶座軸承 12.光軸 13.滑塊

2.4 驅(qū)動裝置設(shè)計

驅(qū)動裝置由主軸、偏心軸套、偏心軸安裝套、連桿、配重塊、驅(qū)動電機等組成，如圖10所示。參考現(xiàn)有種子清選加工裝備技術(shù)參數(shù)，根據(jù)振動強度、拋擲指數(shù)K的取值范圍進行曲柄半徑、曲柄角速度、振動方向角、篩面傾角等參數(shù)的設(shè)計與校核。

根據(jù)前期預試驗結(jié)果分析可知，當0=245 mm、1=205 mm、0=30°時，驅(qū)動裝置參數(shù)=4～6 mm、轉(zhuǎn)速1=340～420 r/min、篩面傾角=3°～6°時能夠正常工作，此時=35.5～44 rad/s，max=52.4 rad/s，計算可得2=16.6～24.9 mm，a2max=10.5～24.1 m/s2，=1.07～2.45，K=0.59～1.45。當1max=500 r/min時，清選裝置具有良好的清篩效果，此時max=3.48，Kmax=2.06。

1.主軸 2.偏心軸套 3.偏心軸安裝套 4.連桿 5.配重塊 6.帶座軸承 7.聯(lián)軸器 8.驅(qū)動電機

2.5 電控系統(tǒng)設(shè)計與操作要求

電控系統(tǒng)輸入電壓220 V，輸出總功率約1 kW，其主要功能包括：1）供料系統(tǒng)電磁振動給料器供電電壓調(diào)節(jié)；2）風選系統(tǒng)風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；3）篩分裝置驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、傾角調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)；4）安全限位、參數(shù)顯示等其他內(nèi)容。

9月早些時候，Cyclone-30產(chǎn)生的30 MeV射束已進入Faraday杯——這是一個用于在真空環(huán)境中捕集帶電粒子的金屬杯。射束隨后被用于生產(chǎn)氟-18。氟-18可用于制備氟代脫氧葡萄糖(FDG)——一種放射性藥物。

電控系統(tǒng)操作基本要求：1）設(shè)定初始工作參數(shù)，依次開啟風機、驅(qū)動電機、振動給料器，開始清選作業(yè)；2）當供料完成后增加驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速至500 r/min；3）及時檢查篩面狀況，當篩面無殘留物料時完成本次清選作業(yè)；必要時停機檢查；4）恢復各工作參數(shù)至初始值，進行下一批次種子清選作業(yè)或結(jié)束清選任務(wù)。

3 性能試驗

3.1 試驗條件

3.2 試驗指標

根據(jù)種質(zhì)材料清選要求并參考《GB/T 5983-2013 種子清選機試驗方法》等標準規(guī)范，確定清選裝置性能指標為凈度S、獲選率S、作業(yè)時間S。

凈度S（%），由公式（17）計算可得。

式中為合格種子出料口排出的種子質(zhì)量，kg；1為合格種子中雜質(zhì)質(zhì)量，kg。

獲選率S（%），由公式（18）計算可得。

式中0為種子總質(zhì)量，kg；0為作業(yè)前凈度，%。

作業(yè)時間S（s），包括供料篩分時長、振動清機時長、工況復位時長，由公式（19）計算可得。

式中S1為供料篩分時長，s；S2為振動清機時長，s；S3為工況復位時長，s。

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 試驗設(shè)計

為保證試驗數(shù)據(jù)可比性及試驗操作便捷性，玉米批次處理量為3 kg。綜合考慮清選作業(yè)要求及預試驗結(jié)果，以給料速度、振動頻率、振幅、篩面傾角為試驗因素，設(shè)計四因素三水平Box-Behnken試驗[30]，共進行29組試驗，每組試驗重復3次取均值為試驗結(jié)果。各試驗因素水平及編碼如表2所示，試驗方案及結(jié)果如表3所示。

表2 Box-Behnken試驗因素水平編碼表

表3 試驗方案及結(jié)果表

3.3.2 顯著性檢驗與回歸方程

試驗數(shù)據(jù)采用Design-expert 12.0軟件進行分析[31]，建立種子凈度S、獲選率S、作業(yè)時間S的回歸方程。

表4 種子凈度SJ方差分析表

注：**極顯著（＜0.01）；*顯著（0.01＜≤0.05）；下同。

Note: ** highly significant (＜0.01); * significant (0.01＜≤0.05); the same below.

表5 獲選率SX方差分析表

在本試驗方案實施過程中，作業(yè)時間S的差異主要來源于給料篩選所用時長S1，當供料結(jié)束后2～3 s即可加大振動頻率進行篩面清理作業(yè)。當振動頻率達到8.3 Hz時，除極個別情況下需要輔以橡膠棒定點擊打篩面或進行停機清理外，基本能夠?qū)崿F(xiàn)批次物料的不停機間歇作業(yè)，清理篩面所用時長S2約為3～5 s，參數(shù)復位所需時長S3約為2～3 s。

綜合分析，批次非連續(xù)作業(yè)條件下適當增加給料速度及給料器清空時間能夠有效減少作業(yè)時間。

表6 作業(yè)時間ST方差分析表

3.3.3 各因素對試驗指標的影響效應分析

1）種子凈度S。由圖11可以看出，當給料速度為0.058 kg/s和篩面傾角為4.5°時，若振動頻率固定，種子凈度值隨著振幅增大而增大；若振幅固定，種子凈度值隨著振動頻率的增高先增大隨后降低，振幅與振動頻率存在較優(yōu)的組合值；振動頻率為5.6～6.3 Hz，振幅為5～6 mm，種子凈度存在較優(yōu)值。

圖11 X2X3對種子凈度的交互作用

2）獲選率S。由圖12可知，當給料速度為0.058 kg/s和篩面傾角為4.5°時，若振幅固定，物料獲選率值隨著振動頻率增高逐漸減?。蝗粽駝宇l率固定，獲選率隨著振幅增大而減?。划斦駝宇l率為6～6.6 Hz時，獲選率存在較優(yōu)值，此時振幅可取值為5～6 mm。

圖12 X2X3對獲選率的交互作用

3）作業(yè)時間S。由前述方差分析結(jié)果可知，給料速度、振幅、振動頻率、篩面傾角均對作業(yè)時間有較大影響，分析給料速度與其他三因素的交互作用。由圖13a可知，當其他因素固定時，作業(yè)時間隨著給料速度及振動頻率的增大而縮短，在滿足作業(yè)質(zhì)量要求條件下，宜選用較大給料速度和較高振動頻率。由圖13b可知，當振動頻率6.3 Hz、篩面傾角4.5°時，若振幅固定，作業(yè)時間隨著給料速度的增大而縮短；若給料速度固定，作業(yè)時間隨振幅增大先減小而后增加，振幅為5 mm時，存在作業(yè)時間較優(yōu)值。由圖13c可知，當振動頻率為6.3 Hz、振幅為5 mm時，若給料速度固定，作業(yè)時間隨篩面傾角增加先減小而后增加；若篩面傾角固定，作業(yè)時間隨給料速度增大而縮短，當給料速度為0.072 kg/s、篩面傾角4.2°～6°區(qū)間時，作業(yè)時間有較優(yōu)值。

3.3.4 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

在Design-Expert 12.0軟件中對試驗指標回歸模型進行優(yōu)化求解，以最高種子凈度、最高獲選率、最短作業(yè)時間為優(yōu)化目標，根據(jù)工作實際適度增加各因素的取值范圍，約束函數(shù)如式（23）所示。

運行Optimization模塊，獲得各因素的優(yōu)化取值為1=0.072 kg/s、2=6.25 Hz、3=4.76 mm、4=4.6°，此時試驗指標預測值分別為：S=98.7%、S=99.6%、S=46 s。

根據(jù)作業(yè)實際將各參數(shù)值取整為1=0.072 kg/s、2=6.25 Hz3=5 mm4=4.6°，進行3次重復驗證試驗，試驗材料和方法與上述相同。試驗結(jié)果表明在該組參數(shù)下S=98.8%、S=99.7%、S=50 s。

3.3.5 生產(chǎn)性能試驗

以15 kg玉米種子為原料進行生產(chǎn)性能試驗，物料原始凈度為97%，配置優(yōu)化參數(shù)1=0.072 kg/s、2=6.25 Hz3=5 mm4=4.6°，進行3次重復試驗，測定得到各試驗指標為S=99.1%、S=99%、S=223 s。綜合考慮篩面清理以及更換物料、篩片等環(huán)節(jié)所需時間，15 kg物料批次作業(yè)時間約為5～6 min，清選裝置能夠加工10批次/h（約150 kg/h）的物料，能夠滿足相關(guān)設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

1）設(shè)計了批次式種子清選裝置，采用開放式組合框架結(jié)構(gòu)、變頻振動清篩技術(shù)，系統(tǒng)集成批次供種、風選除雜、篩選分級、篩面清理等作業(yè)工序，實現(xiàn)了物料的批次加工作業(yè)。

2）玉米種子清選試驗結(jié)果表明振幅、振動頻率及二者的交互作用是影響種子凈度和獲選率的主要因素；給料速度、振幅、振動頻率、篩面傾角均對作業(yè)時間有較大影響。

3）玉米種子清選試驗結(jié)果優(yōu)化分析與試驗驗證，批次處理量3 kg時，優(yōu)化參數(shù)組合為給料速度0.072 kg/s、振幅5 mm、振動頻率6.25 Hz、篩面傾角4.6°，驗證試驗結(jié)果為種子凈度98.8%、獲選率為99.7%、作業(yè)時間約50 s，與模型優(yōu)化預測結(jié)果基本一致。15 kg玉米生產(chǎn)性能試驗結(jié)果表明清選裝置加工能力能夠達到10批次/h（約150 kg/h），各項指標均滿足設(shè)計要求。

[1]朱明，陳海軍，李永磊. 中國種業(yè)機械化現(xiàn)狀調(diào)研與發(fā)展分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31(14)：1-7.

Zhu Ming, Chen Haijun, Li Yonglei. Investigation and development analysis of seed industry mechanization in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(14): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[2]尚書旗，楊然兵，殷元元，等. 國際田間試驗機械的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(增刊1)：5-8.

Shang Shuqi, Yang Ranbing, Yin Yuanyuan, et al. Current situation and development trend of mechanization of field experiments[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(Supp.1): 5-8. (in Chinese with English abstract)

[3]楊薇，李建東，方憲法，等. 玉米育種播種機械化國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2018，8(6)：9-15.

Yang Wei, Li Jiandong, Fang Xianfa, et al. Domestic and foreign current situation and developent trend of seeding mechanization in maze breeding[J]. Agricultural Engineering, 2018, 8(6): 9-15. (in Chinese with English abstract)

[4]常建國，劉興博，葉彤，等. 農(nóng)業(yè)小區(qū)田間育種試驗機械的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 農(nóng)機化研究，2011，33(2)：238-241.

Chang Jianguo, Liu Xingbo, Ye Tong, et al. Agriucltural plot field trial breeding status and development of machinery[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 33(2): 238-241. (in Chinese with English abstract)

[5]孫欽華，李國瑩，王勇，等. 稻麥繁育收獲機研究現(xiàn)狀及展望[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2020，10(3)：7-11.

Sun Qinhua, Li Guoying, Wang Yong, et al. Research situation and prospect of rice and wheat breeding harvesters[J]. Agricultural Engineering, 2020, 10(3): 7-11. (in Chinese with English abstract)

[6]王浩，唐勇偉，董振振，等. 基于小區(qū)育種路徑自對齊的小麥小區(qū)播種機改進[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學報，2019，31(10)：1709-1716.

Wang Hao, Tang Yongwei, Dong Zhenzhen, et al. Self-alignment algorithm of wheat plot breeding path based on Beidou satellite positioning[J]. Acta Agriculturae Zhejiangensis, 2019, 31(10): 1709-1716. (in Chinese with English abstract)

[7]楊薇，方憲法，李建東，等. 種腔自凈型氣吸式玉米小區(qū)精量排種器設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2019，50(6)：64-73.

Yang Wei, Fang Xianfa, Li Jiandong, et al. Design and experiment of air-suction precision seed meter with self-clearing seed chamber for corn plot test[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(6): 64-73. (in Chinese with English abstract)

[8]宋慶斌. 玉米小區(qū)精量播種機研制[D]. 長春：吉林農(nóng)業(yè)大學，2019.

Song Qingbin. Development of Precision Planter in Corn Community[D]. Changchun: Jilin Agricultural University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[9]肖焱中. 玉米小區(qū)育種測產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計與試驗研究[D]. 鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學，2019.

Xiao Yanzhong. Design and Experimental Study of Yield Measurement System for Maize Plot Breeding[D]. Zhengzhou: Henan Agricultural University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[10]魏麗娟，戴飛，韓正晟，等. 小區(qū)小麥育種聯(lián)合收獲機試驗研究[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學報，2016，28(6)：1082-1088.

Wei Lijuan, Dai Fei, Han Zhengsheng, et al. Experiment on plot wheat breeding combine harvester[J]. Acta Agriculturae Zhejianggensis, 2016, 28(6): 1082-1088. (in Chinese with English abstract)

[11]王家勝，王東偉，尚書旗，等. 4LZZ-1.0型小區(qū)稻麥聯(lián)合收割機的研制及試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32(18)：19-25.

Wang Jiasheng, Wang Dongwei, Shang Shuqi, et al. Development and experiment on 4LZZ-1.0 type plot grain combine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(18): 19-25. (in Chinese with English abstract)

[12]Dai Fei, Zhang Fengwei, Gao Aimin, et al. Optimization of key operating parameters in 4GX-100 type cropland plot wheat seed combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(Supp.2): 53-58. (in English with Chinese abstract)

[13]冷峻，栗曉宇，杜岳峰，等. 單縱軸流谷物聯(lián)合收獲機清選裝置內(nèi)部流場分析與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(11)：39-48.

Leng Jun, Li Xiaoyu, Du Yuefeng, et al. Analysis and optimization of internal flow field of cleaning device of single longtitudinal axial flow grain combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(11): 39-48. (in Chinese with English abstract)

[14]金誠謙，李慶倫，倪有亮，等. 小麥聯(lián)合收獲機雙出風口多風道清選作業(yè)試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(10)：26-34.

Jin Chengqian, Li Qinglun, Ni Youliang, et al. Experimental study on double air outlet multi-ducts cleaning device of wheat combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 26-34. (in Chinese with English abstract)

[15]楊芳. 基于內(nèi)流式圓筒篩的大白菜種子清選裝置試驗研究[D]. 洛陽:河南科技大學，2019.

Yang Fang. Experimental Study on Seed Cleaning Device of Chinese Cabbage Based on Inner Flow Cylinder Screen[D]. Luoyang: Henan University of Science and Technology, 2019. (in Chinese with English abstract)

[16]程超，付君，陳志，等. 收獲機振動篩振動參數(shù)影響不同濕度脫出物粘附特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(8)：29-36.

Cheng Chao, Fu Jun, Chen Zhi, et al. Effect of vibration parameters of vibrating screen for harvester on adhesion characteristics of threshed mixtures with different moistures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 29-36. (in Chinese with English abstract)

[17]王啟陽，吳文福，朱浩天. 玉米螺旋式清選裝置的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(20)：12-19.

Wang Qiyang, Wu Wenfu, Zhu Haotian. Design and test of screw cleaning mechanism for corn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 12-19. (in Chinese with English abstract)

[18]周澗楠. 種子清選機的設(shè)計與試驗[D]. 合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學，2017.

Zhou Jiannan. Design and Experimental Study on the Seed Cleaning Machine[D]. Hefei: Anhui Agricultural University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[19]王旭，王春光，王全喜，等. 種子重力分選機預分層喂料系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2019，50(12)：80-88.

Wang Xu, Wang Chunguang, Wang Quanxi, et al. Design and experiment of pre-stratified feeding system for gravity seed separator[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(12): 80-88. (in Chinese with English abstract)

[20]王立軍，馮鑫，鄭招輝，等. 玉米清選組合孔篩體設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2019，50(5)：104-113.

Wang Lijun, Feng Xin, Zheng Zhaohui, et al. Design and test of combined sieve of maize screening[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(5): 104-113. (in Chinese with English abstract)

[21]李心平，趙高源，姬江濤，等. 燕麥弧形柵格篩復清選式圓筒篩清選裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2020，51(5)：124-133.

Li Xinping, Zhao Gaoyuan, Ji Jiangtao, et al. Design and test of cylinder screen oat cleaning device with arc grid sieves and re-cleaning[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(5): 124-133. (in Chinese with English abstract)

[22]王長春. 田間育種試驗機械化的發(fā)展[J]. 世界農(nóng)業(yè)，2001(4)：43-44.

[23]Zhao Liqing, Shang Shuqi, Wang Yanyao, et al. Intelligent yield monitoring system of harvester based on plot breeding[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(26): 172-178. (in English with Chinese abstract)

[24]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部. 農(nóng)作物品種區(qū)域試驗技術(shù)規(guī)范水稻：NY/T 1300-2007[S]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2007.

[25]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部. 農(nóng)作物品種區(qū)域試驗技術(shù)規(guī)程小麥：NY/T 1301-2007 [S]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2007.

[26]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部. 農(nóng)作物品種試驗技術(shù)規(guī)程玉米：NY/T 1209-2006[S]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2006.

[27]顧平燦. 電磁振動給料器的建模與參數(shù)選擇[D]. 舟山：浙江海洋學院，2013.

Gu Pingcan. The Electomagnetic Vibratory Feeder for Modeling and Parameter Selection[D]. Zhoushan: Zhejiang Ocean University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[28]中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院. 農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊（上下冊）[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社.

[29]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 長圓孔、長方孔和圓孔篩板：GB/T 12620-2008[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[30]林雙奎. 試驗優(yōu)化設(shè)計與統(tǒng)計分析（第二版）[M]. 北京：科學出版社，2020.

[31]葛宜元. 試驗設(shè)計方法與Design-Expert軟件應用[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2014.

Design and experiment of batch seed cleaning device

Li Yonglei1,3, Wan Lipengcheng1, Chen Haijun2,3※, Feng Zhiqin2,3, Liu Weishuai1, Zhu Ming2,3, Song Jiannong1

(1.100083,;2.100125,;3.100125,)

Plot breeding has become a key part for the selecting of seed and the preparation breeding program to date, providing for the evaluation data and breeder or original seeds. At present, preserving biodiversity and ecosystem functions have posed a great challenge on the seed mechanization of field experiment in rapidly increasing rural areas in China, particularly on the special agronomic and test requirement. Seed harvesting from the plot is still in manually processing with a simple assistant tool, or by commonly used machines to clean, such as screen separator and air-screen separator with the capacity about 50-100 kg/h. A special cleaning device is lacking for the plot seeds in the modern variety breeding. Technology and equipment of seed cleaning have been a focal issue to efficiently promote the production capacity or quality in a plot breeding. In the special need of seed processing, a novel cleaning treater was systematically designed in this study, thereby to improve the mechanization level of plot breeding. The seed cleaning device in batches consisted of the frame, feeding system, winnowing system, sorting unit, driving unit, and electronic control system. A combined screen with open frame and variant-frequency vibration was used in the device, further to enhance the working quality, such as batch cleaning efficiency and preventing seed mixing, as well as easy operation in screen cleaning. Other main components were also optimized in this study. Furthermore, A Box-Behnken test was conducted, where the seed purity, percentage of chosen seed, and working time were selected as test indexes, while the feeding rate, vibration frequency, amplitude, and screen inclination angle were selected as factors for design. The results showed that the amplitude, vibration frequency, and the interaction between them were significant factors, indicating a strong influence on the seed purity and percentage of chosen seed. The working time greatly depended on the feeding rate, vibration frequency, and amplitude. An optimum combination of selected factors was achieved, where the feeding rate of 0.072 kg/s, the vibration frequency of 6.25 Hz, the amplitude of 5 mm, and the screen inclination angle of 4.6°, to reach an optimal design with the seed purity of 98.8%, the percentage of chosen seed of 99.7%, and the working time of 50 s. A performance test was also carried out, indicating that the experimental data was basically consistent with that in the model prediction on condition of 3 kg per batch. The data demonstrated that the processing capacity of the device can be 10 batches per hour (15 kg per batch), where all the indexes can meet the design requirements. This finding can provide a sound reference for the optimal design of batch cleaning device for the seed or other granular materials.

agricultural machinery; design; optimization; seed processing; batch cleaning; cleaning device; seed purity

李永磊，萬里鵬程，陳海軍，等. 批次式種子清選裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(23)：48-58.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.006 http://www.tcsae.org

Li Yonglei, Wan Lipengcheng, Chen Haijun, et al. Design and experiment of batch seed cleaning device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 48-58. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.006 http://www.tcsae.org

2020-08-12

2020-10-13

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD070120503）；國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD070030202）

李永磊，副教授，主要從事農(nóng)機裝備現(xiàn)代設(shè)計理論方法及振動利用技術(shù)研究。Email：liyl0393@cau.edu.cn

陳海軍，研究員，主要從事種業(yè)裝備及工程技術(shù)研究。Email：chenhj118@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.006

S226.5

A

1002-6819(2020)-23-0048-11