5TY–100 型油菜脫粒機逐稿器臺架試驗研究

謝偉，吳明亮,3*，官春云，沈宇峰，石增祥

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學 a.工學院；b.油料作物研究所，湖南 長沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128；3.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術研究中心，湖南 長沙 410128)

由于油菜植株高大，分枝眾多，角果成熟度不一致，導致油菜機械化收獲損失率高，制約了油菜機械化生產(chǎn)的發(fā)展[1–2]。油菜機械化收獲損失來源于3個方面：一是割臺切割振動導致成熟角果的炸莢損失；二是成熟度不一致導致的脫粒清選損失，三是由于秸稈量大，秸稈與籽粒分離不徹底而導致的夾帶損失。油菜品種選育、收獲機械的切割割臺、脫粒清選裝置等的相關研究成果的運用，使得機械化收獲損失可降低到10%以下[3–7]，基于輕簡化設計的脫粒機在高產(chǎn)油菜脫粒時，秸稈與籽粒分離不徹底而導致的夾帶損失已成為油菜機械化收獲損失的主要來源。雖然現(xiàn)有脫粒機的脫粒滾筒末端加裝了類似風機葉片的排草板代替逐稿器，解決了因秸稈量大易造成排草口堵塞的問題，但仍存在排草板將物料中未進入清選室內(nèi)的籽粒連同物料從排草口直接排出機外造成的夾帶損失[8–9]問題。筆者以湖南農(nóng)業(yè)大學設計的5TY–100 型油菜脫粒機排草口處所設置的逐稿器為研究對象，設計制作了一種逐稿分離試驗臺[10]，通過臺架試驗研究該逐稿器的各參數(shù)對物料逐稿分離性能的影響，以期得到最佳結構和運動參數(shù)，實現(xiàn)進一步降低夾帶損失的目的。

1 逐稿分離試驗臺結構及工作原理

1.1 總體結構

油菜逐稿分離試驗臺主要由接料斗、調(diào)速電機、逐稿器、喂入輪、喂料斗、機架、排雜斗等組成，其中逐稿器由振動篩、擺桿、擋料板和曲柄連桿機構組成，如圖1 所示。

圖1 油菜逐稿分離試驗臺結構 Fig.1 The structure of rape vibration thrashing separate test stand

試驗時動力為2 臺調(diào)速電機(6IK200RGN–CF)，以滿足曲柄轉速0 ～400 r/min 和喂入輪轉速0 ～120 r/min 可調(diào)。為增加籽粒透篩機率，并減少籽粒在振動篩面上的碰撞、彈跳和飛濺造成的損失，在篩面上安裝有擋料板。在逐稿器兩側開有相應的滑軌，以方便更換篩面，實現(xiàn)擺桿位置和驅動位置的無極可調(diào)。篩面長寬比為2.5 ～3.5[11]，篩面長度設計為600 mm，寬度為210 mm。

1.2 工作原理

試驗臺穩(wěn)定工作后，人工將脫出物(包括油菜籽粒、莢殼、莖稈及輕雜物)均勻放入喂料斗中，調(diào)節(jié)喂入輪速度以控制物料的輸送速度，將其均勻地輸送到逐稿器中，調(diào)節(jié)擺桿狀態(tài)和驅動系統(tǒng)，改變逐稿器中振動篩的運動速度和行程等。當曲柄旋轉一定的角度時，帶動前后擺桿擺動，振動篩在一定的角度范圍內(nèi)往復運動，使脫出物在篩面上作連續(xù)斜上拋運動時被拋擲松散，在與篩面碰撞時油菜籽粒通過篩孔，掉入篩下的接料斗；短莖稈等沿篩面向后輸送，最終被拋出篩面，實現(xiàn)籽粒與雜物的分離并將雜物拋送出機體。

2 試驗因素選取原則

脫出物在篩面上必須對篩面有相對運動，籽粒才能落入篩孔。根據(jù)文獻[12–16]，得出曲柄運動的向心加速度ω2r 與重力加速度g 的比值K(稱為篩子運動的加速度比)。ω2r 增大，法向反力FN減小，當ω2r 增至某一值時，F(xiàn)N=0，為脫出物拋離篩面的臨界值。脫出物拋離篩面的條件為：

式(1)中K 值取2 ～3。

由此可見，脫出物在篩面上的運動與篩面傾角α、振動方向角β、振幅r、曲柄轉速ω 等有關。

K 值的大小直接影響曲柄角速度ω 和曲柄半徑r，即影響曲柄轉速和振幅，從而影響油菜脫出物料的運動狀態(tài)。根據(jù)設計需要，分別取曲柄轉速為240、280 和320 r/min，曲柄半徑均為28 mm 的3組數(shù)據(jù)進行試驗，得出曲柄轉速在280 r/min 時效果較好，取n=280 r/min，為滿足K=2 ～3，曲柄半徑r取24 ～34 mm，篩面傾角α 取3° ～12°，且(β–α)取15° ～30°[11]，則振動方向角β 范圍為22° ～42°。

在保證試驗臺其他因素不變的情況下，調(diào)節(jié)擺桿的長度，可以改變擺幅角度。擺桿長度不宜過短，應至少長于脫出物的厚度(脫出物厚度為100 mm)。擺桿機構的配置應保證當篩子向后的行程終了時，篩面處于其最高位置；篩子向前的行程終了時，篩面處于其最低位置[12]。當篩面上脫出物的慣性力向后時有垂直向上的分量，摩擦力減小，脫出物易于向后移動；當慣性力向前時，垂直分量向下，籽粒易于通過篩孔，因此，當篩面處于最低位置時，擺桿擺動的起始位置與篩面的傾角應大于或等于90°，即擺幅角θ≤2(β–α)。通過試驗得出逐稿分離裝置最佳振動方向角和篩面傾角，從而得出最大擺幅角，計算出擺桿調(diào)節(jié)的極限長度，設計擺桿長度為100～200 mm，在此范圍內(nèi)無極可調(diào)。

3 試驗與分析

3.1 試驗材料

試驗材料選用湘雜1613人工收割并充分后熟，經(jīng)5TY–100 型油菜脫粒機脫粒，收集經(jīng)排草板拋至排雜口的脫出物，包含莖稈、籽粒、莢殼、輕雜物。測得其物理機械特性如表1 所示。

表1 排雜口脫出物特性 Table 1 The characteristic list of rape outlet extractions

3.2 試驗設計與方法

調(diào)節(jié)試驗臺各參數(shù)值，啟動試驗臺，將試驗材料按0.2g/s 勻速放入喂入口，最后收集篩出的損失籽粒m1(kg)和篩下的干凈籽粒m2(kg)，根據(jù)公式S=m1/(m1+m2)×100%，計算出損失率。

通過大量試驗得出，篩面型式取開度10 mm 的魚鱗篩，擺桿位置取均分位置，連桿長度根據(jù)試驗臺整體結構取170 mm，驅動位置取中間位置，篩面傾角取9°。選取影響逐稿分離性能較大的振幅、振動方向角、曲柄轉速、擺幅角作為試驗因素，進行單因素和多因素正交試驗，找出主要影響因素與逐稿分離性能指標關系及最優(yōu)方案。

3.2.1 單因素試驗

在進行單因素試驗時，每做下一個單因素試驗，都選擇前述單因數(shù)試驗的最佳水平值作為試驗值，每個因素選擇5個水平，在每個水平下重復4次試驗。

1) 設定振幅約等于曲柄長度，保持試驗臺其他因素不變，通過調(diào)節(jié)曲柄長度，調(diào)整曲軸位置，設置振幅分別為24、27、30、33、36 mm 進行試驗。

2) 選取振幅為30 mm，保持試驗臺其他因素不變，通過調(diào)整曲軸位置，改變振動方向角為22°、27°、32°、37°、42°進行試驗。

3) 選取振幅為30 mm，振動方向角為27°，保持試驗臺其他因素不變，調(diào)節(jié)電機轉速，設置曲柄轉速為200、240、280、320、360 r/min 進行試驗。

4) 選取振幅為30 mm，振動方向角為27°，曲柄轉速為280 r/min，保持試驗臺其他因素不變，調(diào)節(jié)擺桿長度，設置擺幅角為26°、28°、30°、32°和34°進行試驗。

3.2.2 多因素試驗

在單因素試驗的基礎上，選取振幅(A)、曲柄轉速(B)、振動方向角(C)和擺幅角(D)進行L9(34)正交試驗[17]，每組試驗進行5次，結果取平均值。試驗因素及水平如表2 所示。

表2 正交試驗因素及水平 Table 2 Levels and factors for orthogonal test

4 結果與分析

4.1 單因素試驗結果

4.1.1 振幅對排雜口損失率的影響

如圖2–a 所示，隨著振幅的增大，排雜口的損失率在30 mm 處出現(xiàn)最低點，且在振幅小于24 mm時，脫出物難以篩出機外。確定振幅以30 mm 為宜。

圖2 不同振幅、振動方向角、曲柄轉速、擺幅角下的排雜口損失率 Fig.2 Different amplitude, vibrating direction angle, sieve obliquity, swing direction angle of the discharging outlet loss rate

4.1.2 振動方向角對排雜口損失率的影響

圖2–b 表明，隨著振動方向角的增大，排雜口的損失率先略有下降，后逐漸升高，在振動方向角為27°時，出現(xiàn)最低點。確定振動方向角以27°為宜。

4.1.3 曲柄轉速對排雜口損失率的影響

圖2–c 結果表明，隨著曲柄轉速的提高，排雜口損失率增大，當曲柄轉速低于200 r/min 時，篩面混合物無法篩出機外，當曲柄轉速在200和240 r/min時，排出物料在篩面停留的時間較長，曲柄轉速在280 r/min 以上時，機架振動較大，同時混合停留在篩面的時間較短，籽粒的透篩能力降低，排雜口損失率迅速增大，因而曲柄轉速以280 r/min 為宜。

4.1.4 篩面傾角對排雜口損失率的影響

圖2–d 結果表明，隨著擺幅角的增大，排雜口損失率增大，擺幅角大于30°時，由于擺桿長度過長，使得振動篩出現(xiàn)晃動，影響逐稿分離效率，因此擺幅角以28°為宜。

4.2 正交試驗結果

正交試驗結果列于表3。影響排雜口損失率的因素大小依次為振動方向角、曲柄轉速、擺幅角、振幅。較優(yōu)組合為A1B1C2D1，即振幅28 mm，曲柄轉速250 r/min，振動方向角30°，擺幅角28°。

表3 正交試驗結果 Table 3 Design and result of orthogonal experiment

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