小型水稻聯(lián)合收割機(jī)旋風(fēng)分離清選試驗(yàn)

盧偉，劉大為，李旭，謝方平,3*，任述光,3，羅海峰,3，陳立永

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，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(shù)研究中心，湖南 長沙410128；4.湖南省農(nóng)廣農(nóng)業(yè)裝備有限公司，湖南 婁底 417700)

小型水稻聯(lián)合收割機(jī)旋風(fēng)分離清選試驗(yàn)

盧偉1,2，劉大為1,2，李旭1,2，謝方平1,2,3*，任述光1,2,3，羅海峰1,2,3，陳立永4

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，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(shù)研究中心，湖南 長沙410128；4.湖南省農(nóng)廣農(nóng)業(yè)裝備有限公司，湖南 婁底 417700)

摘 要：針對(duì)4LZ–0.8型小型水稻聯(lián)合收割機(jī)在清選過程中存在的清選損失較大以及連續(xù)作業(yè)時(shí)濕物料易堵塞問題，對(duì)其分離清選裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的裝置由物料輸送機(jī)構(gòu)、揚(yáng)谷器、旋風(fēng)分離清選筒以及吸雜風(fēng)機(jī)組成，去除了原有刮板拋送機(jī)構(gòu)，在旋風(fēng)分離筒中加裝了半球體分離組件，改物料徑向進(jìn)入分離筒為切向進(jìn)入。利用自制旋風(fēng)分離清選試驗(yàn)臺(tái)，以揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速、吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、分離組件距入口高度為試驗(yàn)因素，以谷粒清潔率和清選損失率為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用回歸分析方法建立了清選系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化確定了最佳參數(shù)組合。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速為1 133 r/min，吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 609 r/min，分離組件距入口高度為51 mm時(shí)，谷粒清潔率達(dá)到98.93%，清選損失率為0.035%。

關(guān) 鍵 詞：小型水稻聯(lián)合收割機(jī)；旋風(fēng)分離器；清選；性能指標(biāo)

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南方丘陵山區(qū)稻田田塊面積小，田塊間高差較大，路窄坡陡，泥腳深爛，大中型聯(lián)合收割機(jī)的使用受到限制[1–5]。為適應(yīng)南方丘陵山地地形地貌特點(diǎn)，研制開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、易攜帶且清選效果較好的微型谷物聯(lián)合收割機(jī)，對(duì)于推進(jìn)山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化具有十分重要的意義[6–7]。旋風(fēng)分

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)與湖南農(nóng)廣農(nóng)業(yè)裝備有限公司合作研制的4LZ–0.8型小型水稻聯(lián)合收割機(jī)，田間生產(chǎn)效果表明，該機(jī)工作可靠，清選效果良好，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，但其清選過程中還存在清選損失較大以及連續(xù)作業(yè)時(shí)潮濕物料易堵塞問題。為了進(jìn)一步優(yōu)化清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，筆者將谷粒清潔率和清選損失率作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過自制旋風(fēng)分離清選試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，確定了最佳參數(shù)組合，以期為4LZ–0.8型小型收割機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

1 清選裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

所設(shè)計(jì)的旋風(fēng)分離清選裝置在4LZ–0.8型小型聯(lián)合收割機(jī)清選系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了如下改進(jìn)。一是去除了原有的徑向刮板輸送裝置，采用揚(yáng)谷器拋灑物料。原有的刮板輸送裝置，雖在一定程度上增加物料輸送量，提高生產(chǎn)能力，但刮板裝置占有了更多輸送空間。當(dāng)生產(chǎn)條件惡劣時(shí)，物料含水率較大，脫出物中大雜余成分較多，物料與輸送裝置相互纏繞，增加了管道堵塞的幾率，而在揚(yáng)谷器葉片高速旋轉(zhuǎn)作用下，物料完全可拋灑至分離筒內(nèi)，因此去除了刮板輸送裝置。二是物料進(jìn)入分離筒的方式由徑向喂入改為切向喂入。切向進(jìn)入時(shí)，物料混合物因漂浮速度不同使得各成分在分離筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)分離，與徑向進(jìn)入時(shí)物料混合物在豎直方向隨上升氣流進(jìn)行分離相比，可增加清選時(shí)間和清選行程，提高清選效率。三是在分離筒中加裝了懸吊的半球體分離組件，如圖1所示。與小型收割機(jī)傳統(tǒng)空筒式結(jié)構(gòu)相比，加裝分離組件，能夠避免因分離筒中心氣流速度與筒壁四周氣流速度差異過大而導(dǎo)致的籽粒隨中心氣流排出機(jī)外帶來的清選損失。

根據(jù)整機(jī)配置要求，確定旋風(fēng)分離筒直徑D=300 mm，出糧口直徑d1=165 mm，吸雜管道直徑d2=150 mm，中心筒高h(yuǎn)1=270 mm，半球體分離組件直徑d=200 mm。考慮輸送管道和清選分離筒的聯(lián)結(jié)平順過渡等因素，采用邊長為a =100 mm的方形輸送管道。

圖1 分離筒的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of separator bowl

2 旋風(fēng)分離清選裝置試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 清選裝置試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)

如圖2所示，模擬旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，自建清選試驗(yàn)臺(tái)。旋風(fēng)分離清選試驗(yàn)臺(tái)主要由喂料斗、螺旋推運(yùn)器、揚(yáng)谷器、輸送管道、旋風(fēng)分離筒、半球體分離組件、風(fēng)量調(diào)節(jié)器、吸雜管道、吸雜風(fēng)機(jī)組成。旋風(fēng)分離筒頂部設(shè)計(jì)成錐形，有利于短莖稈、穎殼、稻穗以及小雜余排出，并在頂部固定風(fēng)量調(diào)節(jié)器，可手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量，確保清選效果。

圖 2 清選試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of the separating device

2.2 工作原理

供試水稻品種為湘早秈 46號(hào)。試驗(yàn)時(shí)測(cè)得草谷比為1.44，谷粒含水率為23.96%，稻穗含水率為38.26%，短莖稈含水率為61.92%，千粒重為31.50 g。

脫粒后的谷物由喂入斗進(jìn)入螺旋推運(yùn)器中，在螺旋推運(yùn)器作用下，被輸送至揚(yáng)谷器內(nèi)。揚(yáng)谷器葉片高速旋轉(zhuǎn)，物料沿切向被拋灑至旋風(fēng)分離筒，物料流與上升氣流近似于垂直相交。在豎直方向上，混合物在流場(chǎng)中受到氣動(dòng)阻力(對(duì)除谷粒之外的雜余而言是動(dòng)力)、自身重力及筒壁對(duì)混合物的摩擦力作用。當(dāng)氣動(dòng)阻力等于物料重力時(shí)，物料在氣流中處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，此時(shí)的氣流速度稱為漂浮速度，它僅與物料自身的密度和形狀有關(guān)。由于脫粒后的混合物中谷粒與短莖稈、稻穗、穎殼以及其他輕小雜余的形狀、密度各不相同，因此它們的漂浮速度均不同。工作時(shí)，利用水稻谷粒與混雜的各類雜質(zhì)的漂浮速度不同，使吸雜風(fēng)機(jī)產(chǎn)生小于谷粒漂浮速度而大于雜質(zhì)漂浮速度的風(fēng)速，谷物與雜質(zhì)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)分離，雜質(zhì)通過吸雜管道經(jīng)吸雜風(fēng)機(jī)排出，而干凈的谷粒則從分離筒底部掉入接糧裝置中，從而達(dá)到清選谷物的目的[18–19]。根據(jù)文獻(xiàn)[20]，選取含雜率為7%的待清選物料，以谷粒清潔率Yq和清選損失率Ys作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。落入接糧箱中的凈糧質(zhì)量與落入箱中的物料總質(zhì)量的比值即谷粒清潔率，吸雜風(fēng)機(jī)吸出的谷粒質(zhì)量與吸出谷粒質(zhì)量與接糧箱中谷粒質(zhì)量之和的比值即清選損失率。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步研究谷粒清潔率、清選損失率與揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速1n、吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2n以及分離組件上表面與輸送管道入口高度h之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)進(jìn)行回歸正交組合試驗(yàn)[21]。在本試驗(yàn)中，選取的試驗(yàn)因素為3個(gè)，因此進(jìn)行三元二次回歸正交組合試驗(yàn)。試驗(yàn)因素及水平編碼值見表1。

表1 三元二次回歸正交試驗(yàn)因素及水平Table 1 Factorts and levels of ternary quardratic regression orthogonal experiment

4 試驗(yàn)結(jié)果和參數(shù)優(yōu)化以及驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

在本試驗(yàn)中，當(dāng)零水平試驗(yàn)次數(shù) m0=1時(shí)，γ=1.215。設(shè)二次回歸方程中的二次項(xiàng)為，其對(duì)應(yīng)的編碼用表示，則可得出中心化處理后的每個(gè)二次項(xiàng)編碼。三元二次回歸正交組合試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 三元二次回歸正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of ternary quadratic regression orthogonal design experiment

表2(續(xù))

通過回歸分析，得到谷粒清潔率 Yq和損失率Ys與揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速(n1)、吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速(n2)以及分離組件上表面與輸送管道入口高度(h)三因素編碼值Z1、Z2、Z3的回歸方程。

Yq=98.093 3–0.148 07Z1+0.343 67Z2–0.485 25Z3– 0.739 40Z1Z2+0.433 45Z1Z3–0.004 40Z2Z3–0.152 34– 0.142 19–0.17265；

Ys=0.037 30–+0.002 86Z1+0.013 44Z2–0.002 31Z3– 0.001 65Z1Z2–0.000 80Z1Z3–0.005 15Z2Z3+ 0.002 49+ 0.002 15+0.003 5。

對(duì)回歸方程的顯著性檢驗(yàn)表明，2方程顯著不失擬，說明與實(shí)際情況擬合較好，可用其描述試驗(yàn)因素對(duì)清選性能的影響。

4.2 參數(shù)優(yōu)化

為了得到預(yù)測(cè)最佳清選效果，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化求解。由于旋風(fēng)分離清選試驗(yàn)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是谷粒清潔率和清選損失率，優(yōu)化屬于多目標(biāo)優(yōu)化，用懲罰函數(shù)法優(yōu)化求解。

目標(biāo)函數(shù)F(X)=–Yq；性能約束條件：G(X)=Ys≤0.003；邊界約束條件：–1.215＜Zj＜1.215。

經(jīng)過優(yōu)化可得清選裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)組合為：揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速n1=1 133 r/min，吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n2=2 609 r/min，分離組件與輸送管道入口高度h=51 mm，此時(shí)，預(yù)測(cè)谷粒清潔率為98.93 %，清選損失率為0.035 %，滿足國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。

4.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)通過優(yōu)化求解所得到的最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，多次試驗(yàn)取平均值，得到谷粒清潔率為98.79%，清選損失率為0.032%。通過驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可知，谷粒清潔率和清選損失率均與預(yù)測(cè)結(jié)果誤差不大，說明試驗(yàn)方法采用得當(dāng)，建立的回歸方程可靠有效。

4.4 喂入量和含雜率對(duì)清選性能的影響

為了研究喂入量對(duì)清選性能的影響，在回歸正交組合試驗(yàn)得到的最佳參數(shù)組合基礎(chǔ)上，進(jìn)行清選裝置對(duì)喂入量的適應(yīng)性試驗(yàn)，其結(jié)果如圖4所示。當(dāng)喂入量增大時(shí)，谷粒清潔率減小，原因在于隨著單位時(shí)間里清選的物料增多，分離筒內(nèi)物料相互影響不斷增大，使下降的谷粒中夾帶輕小雜物和被吸出的雜物攜帶谷粒的機(jī)會(huì)增多。

圖4 不同喂入量下的谷粒清選清潔率和損失率Fig.4 The grain cleaning rate and loss rate under different feeding

在回歸正交組合試驗(yàn)得到的最佳參數(shù)組合基礎(chǔ)上，進(jìn)行清選裝置的含雜率適應(yīng)性試驗(yàn)，其結(jié)果見圖 5。隨著待清選物料含雜物的不斷增多，混合物中短莖稈、穎殼、稻穗以及其他輕小雜余成分增多，谷粒與雜物分離變得困難，掉落谷粒中夾帶的雜物和被吸出的雜物夾帶籽粒增多，而導(dǎo)致谷粒清潔率的降低，損失率增大。

圖5 不同含雜率下的谷粒清選清潔率和損失率Fig.5 The grain cleaning rate and loss rate under different percentage of trash content

5 結(jié)論

在旋風(fēng)分離器中增加半球體分離組件的小型水稻聯(lián)合收割機(jī)清選裝置，采用如下運(yùn)動(dòng)參數(shù)為宜：揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速1n=1 133 r/min，吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2n= 2 609 r/min，分離組件距入口高度h=51 mm。

回歸正交組合試驗(yàn)表明，揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速、吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及分離組件距入口高度對(duì)清選損失率影響小，但對(duì)谷粒清潔率影響較大。當(dāng)吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高以及分離組件距入口高度增加時(shí)，清潔率增加，而揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速對(duì)清潔率影響相反。

通過驗(yàn)證試驗(yàn)證明，該清選系統(tǒng)在最佳參數(shù)組合下，清選損失率為0.035%，谷粒清潔率為98.93%，滿足國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

中圖分類號(hào)：S225.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-1032(2016)01-0097-05

收稿日期：2015–10–27 修回日期：2015–12–28

基金項(xiàng)目：湖南省戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2014GK1056)

作者簡介：盧偉(1990—)，男，湖南臨湘人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研究，1312476554@qq.com；*通信作者，謝方平，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究，hunanxie2002@163.com離清選系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、造價(jià)低、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，在小型收割機(jī)上應(yīng)用較為廣泛，但仍存在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高、損失率較大等缺點(diǎn)，且潮濕物料對(duì)清選效果有較大影響[8–9]。研究表明，改善旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)清選效果，可從清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工況、氣流場(chǎng)等[10–17]方面進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到提高籽粒清潔率，降低清選損失率的目的。

Cyclone separating cleaning test for small-sized rice combine harvester

Lu Wei1,2，Liu Dawei1,2，Li Xu1,2，Xie Fangping1,2,3*，Ren Shuguang1.2.3，Luo Haifeng1,2,3，Chen Liyong4
(1. College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2. Collaborative Innovation Center of Southern Chinese Grain and Oilseed, Changsha 410128, China; 3. Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha 410128, China; 4.Hunan Nongguang Agricultural Equipment Limited Company, Loudi, Hunan 417700, China)

Abstract:The separation device of 4LZ-0.8 small-sized harvester were developed to solve the problems of bigger cleaning loss and blocked by wet material. The developed device mainly consists of the material conveying mechanism, a winnower, the cyclone separation cleaning tube and the fan composition. The original scraper throwing mechanism is removed, and a hemisphere component separation was installed in the cyclone separation tube. The rice was feed into the cyclone separation tube along the radial direction instead of the tangential direction. By using the self-made cyclone separating cleaning tester, a mathematical model of the cleaning system was established by regression analysis using the winnower rotation rate, the suction fan speed and the distance between separating assembly and entrance as factors, and the grain clean-ratio and the cleaning loss as performance index. The combined kinematic parameters have been optimized. The results indicate that the grain clean-ratio of 98.93 % and the cleaning loss of 0.035 % could be achieved under the speed of 1 133 r/min, the suction fan speed of 2 609 r/min, and the height between separating assembly and entrance of 51 mm.

Keywords:small-sized rice combine harvester; cyclone separator; cleaning; performance index