斜置切縱流聯(lián)合收獲機脫粒分離裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

李耀明　陳　洋　徐立章　李　磊

(江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室， 鎮(zhèn)江 212013)

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斜置切縱流聯(lián)合收獲機脫粒分離裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

李耀明陳洋徐立章李磊

(江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室， 鎮(zhèn)江 212013)

為滿足我國現(xiàn)階段高產(chǎn)水稻的收獲要求，對自行研制的履帶式斜置切縱流聯(lián)合收獲機進行了結(jié)構(gòu)改進,構(gòu)建了載荷測試系統(tǒng)，并在田間開展了三因素三水平的正交試驗，分析了切縱流滾筒轉(zhuǎn)速、切流滾筒凹板篩結(jié)構(gòu)形式、斜置縱軸流螺旋喂入頭與導(dǎo)流罩徑向間隙等因素對脫粒分離性能的影響，使用極差分析法對斜置切縱流聯(lián)合收獲機脫粒分離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明：切流滾筒轉(zhuǎn)速和縱軸流滾筒轉(zhuǎn)速分別為862、806 r/min，切流凹板篩過渡段為導(dǎo)向、分離孔式，螺旋喂入頭與導(dǎo)流罩徑向間隙為50 mm時，整機的脫粒分離性能較優(yōu)。脫粒分離總損失率為0.62%，脫粒分離總功耗為40.42 kW。

聯(lián)合收獲機； 斜置切縱流； 脫粒分離裝置； 參數(shù)優(yōu)化； 正交試驗

引言

水稻是我國主要糧食作物,在糧食安全中占有極其重要的地位，2012年末我國水稻機械化收獲水平已達到69.32%。隨著糧食作物單產(chǎn)的不斷提高，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對機械化聯(lián)合收獲的脫粒分離性能和作業(yè)效率等要求越來越高。聯(lián)合收獲機在保證良好性能的前提下正向高效、大喂入量方向發(fā)展，以提高生產(chǎn)效率[1]。目前，全喂入式聯(lián)合收獲機種類很多，根據(jù)谷物沿滾筒的運動方向可分為切流式、軸流式、組合式[2]。其中軸流式聯(lián)合收獲機主要有單縱軸流式和切縱流式，切縱流收獲機具有脫粒行程長、分離面積大，可以在不增大機體體積的情況下提高生產(chǎn)率，脫凈率高、破碎率低，對潮濕、難脫作物適應(yīng)性好等優(yōu)點[3-5]。近年來，研制的切縱流聯(lián)合收獲機[6]，切流滾筒和縱軸流滾筒整體呈L型布局方式，但當(dāng)喂入量增大時，切流滾筒與縱軸流交接過渡處極易出現(xiàn)喂入不順暢、容易引發(fā)堵塞現(xiàn)象，同時，該機型物料喂入到縱軸流滾筒僅依靠前置的螺旋喂入葉片機械式旋轉(zhuǎn)喂入，喂入方式較為單一。相關(guān)文獻表明[7]，切流滾筒與縱軸流滾筒交接口設(shè)計不合理，造成切流滾筒向縱軸滾筒物料喂入不順暢，嚴重時甚至引發(fā)作物堵塞，造成塞車現(xiàn)象，而物料輸送不順暢引發(fā)無效功率的損耗也急需解決。

新型履帶式斜置切縱流雙滾筒脫粒分離裝置[8]采用“高效分級脫粒”與“螺旋喂入頭負壓輔助喂入”思想，切流滾筒以縱軸流滾筒中心軸線呈T型對稱布置，縱軸流滾筒以前低后高傾斜6°布置。作業(yè)時，切流滾筒對物料進行初脫、初分離，以及起到強化喂入縱軸流滾筒的作用，故采用較大脫粒間隙負責(zé)完成70%以上的易脫、易分離籽粒的初脫初分離任務(wù)[9]，斜置縱軸流滾筒采用低轉(zhuǎn)速、較小間隙等結(jié)構(gòu)運行參數(shù)，負責(zé)完成較難脫粒、難分離的籽粒的復(fù)脫分離任務(wù)；同時，新型斜置切縱流滾筒過渡口采用螺旋過渡喂入裝置，配合導(dǎo)流罩，將機械式轉(zhuǎn)動喂入與負壓氣流輔助喂入相結(jié)合，增強了對作物的低損傷順暢輸送能力，保證了作物輸送的連續(xù)性與均勻性，整個脫粒分離裝置具有喂入能力強、對作物和收獲條件適應(yīng)范圍廣等特點。

前期研究已對斜置切縱流脫粒分離性能展開了相應(yīng)的研究，但未能就切縱流滾筒轉(zhuǎn)速、切流滾筒凹板篩的結(jié)構(gòu)形式、斜置縱軸流喂入頭與導(dǎo)流罩徑向間隙向下延展對脫粒功耗、脫粒損失率的影響等問題展開研究，為此，在自行研制的履帶式斜置切縱流聯(lián)合收獲機上進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進，并構(gòu)建載荷測試系統(tǒng)，將切縱流滾筒轉(zhuǎn)速、切流滾筒凹板篩的組合結(jié)構(gòu)形式、螺旋喂入頭與導(dǎo)流罩徑向間隙 3因素作為研究對象，研究斜置切縱流脫粒裝置的脫粒分離性能。通過進行三因素三水平正交試驗以及數(shù)據(jù)分析，確定脫粒裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其作業(yè)性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)和收獲要求，為后續(xù)的斜置切縱流脫粒分離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運動參數(shù)的進一步優(yōu)化與設(shè)計提供參考依據(jù)。

1　整機配置及測試系統(tǒng)構(gòu)建

1.1整體結(jié)構(gòu)

新型斜置切縱流脫粒分離裝置主要包括：切流滾筒、錐形螺旋喂入裝置、斜置縱軸流滾筒和機架，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。該試驗車主要由發(fā)動機、HST變速箱、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、割臺總成、輸送槽、脫粒分離裝置、糧箱以及履帶式行走底盤等組成。相應(yīng)的斜置切縱流聯(lián)合收獲機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1　斜置切縱流聯(lián)合收獲機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of oblique tangential-longitudinal combine1.割臺　2.駕駛室　3.輸送槽　4.切流滾筒　5.縱軸流滾筒　6.回程板　7.液壓無極變速裝置(HST)　8.發(fā)動機　9.風(fēng)機　10.振動篩

參數(shù)數(shù)值切流滾筒直徑/mm550切流滾筒長度/mm800切流脫粒間隙/mm20脫粒元件釘齒切流釘齒直徑/mm12切流釘齒高度/mm93切流滾筒脫粒齒桿排數(shù)/排6切流凹板篩結(jié)構(gòu)形式光板、柵格、過渡板組合式縱軸流滾筒直徑/mm650縱軸流滾筒長度/mm1800縱軸流滾筒間隙/mm15縱軸流釘齒直徑/mm12縱軸流釘齒高/mm105縱軸流滾筒凹板篩結(jié)構(gòu)形式分塊組合式柵格

1.2功耗測試系統(tǒng)

為了獲得斜置切縱流脫粒分離裝置的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時方便田間試驗方案調(diào)節(jié)，對樣機結(jié)構(gòu)進行改進，并且在該樣機上構(gòu)建切流滾筒及縱軸流滾筒載荷測試系統(tǒng)。

斜置切縱流聯(lián)合收獲機脫粒分離裝置的傳動路徑如圖2所示：動力由發(fā)動機五槽帶輪傳遞到中間軸，中間軸另一端通過雙排鏈輪傳遞到切流滾筒，切流滾筒通過另一端的換向齒輪箱及單排鏈輪將動力傳輸?shù)娇v軸流滾筒，用于縱軸流滾筒脫粒分離。

圖2　斜置切縱流脫粒分離動力傳動路徑結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2　Power transmission path of oblique tangential-longitudinal threshing and separating device1.發(fā)動機　2.五槽帶盤　3.中間軸　4.雙排鏈輪　5.切流滾筒 6.縱軸流滾筒　7.單排鏈輪　8.轉(zhuǎn)向齒輪箱

結(jié)合斜置切縱流脫粒分離裝置傳動及盤式傳感器安裝特點，將切流滾筒及軸流滾筒的傳動軸進行改造，將傳動軸斷開，設(shè)計2個連接法蘭將CYB-807S型盤式扭矩傳感器安裝在傳動軸上，其中，外側(cè)法蘭與斷開的傳動軸的軸頭進行焊合?？v軸流盤式扭矩傳感器采取相同的安裝方法。通過在傳動工作部件上安裝霍爾傳感器構(gòu)建轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)。圖3為切流滾筒傳動軸改造后的傳感器安裝裝配圖。圖4為各工作部件扭矩傳感器安裝位置。

圖3　切流滾筒盤式扭矩傳感器裝配圖Fig.3　Assembly of disc torque sensor1.切流滾筒　2.連接法蘭　3.盤式扭矩傳感器　4.法蘭軸頭焊合部件

圖4　各工作部件扭矩傳感器安裝位置Fig.4　Installation position of torque sensor1.感應(yīng)磁鋼　2.霍爾傳感器測頭　3.盤式扭矩傳感器　4.縱軸流滾筒　5.傳動軸

選用CYB-807S型盤式扭矩傳感器(量程為±1 000 N·m，輸出電流為4～10 mA)，在有效量程范圍內(nèi)，傳感器的扭矩輸出電流信號與對應(yīng)的扭矩基本呈線性關(guān)系，因此，在測量準(zhǔn)確度不超過標(biāo)稱值時，無需通過逐段參數(shù)標(biāo)定來完成計算，只需計算出扭矩傳感器的靈敏度，該傳感器靈敏度為0.008 mA/(N·m)，通過輸出的電流便可計算出扭矩值。

此外，由于CYB-807S型盤式扭矩傳感器輸出為電流信號，所以采集系統(tǒng)還需配備一個電流測試單元?；魻杺鞲衅鬏敵龅氖敲}沖信號，為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號采集，采集系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)速測試單元。綜合考慮選用DH5902型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有豐富的測試單元：轉(zhuǎn)速/計數(shù)器通道單元、應(yīng)變/電壓測試單元、任意波形發(fā)生器單元等，同時選配DH3811型電流環(huán)適配器采集扭矩傳感器輸出的電流信號。試驗時，采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz，同步采集扭矩信號和轉(zhuǎn)速信號，對采集的信號進行處理，可算出功耗為

(1)

其中

(2)

(3)

式中fp——正向滿量程輸出電流，取20 mA

fr——反向滿量程輸出電流，取4 mA

N——扭矩滿量程，取1 000 N·m

a——靈敏度，計算得0.008 mA/(N·m)

f——實測輸出電流，mA

M——實測扭矩，N·m

n——與輸出電壓相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，r/min

P——傳動軸上功耗，kW

在試驗時，由于聯(lián)合收獲機作業(yè)環(huán)境惡劣復(fù)雜，所以將采集系統(tǒng)放置在駕駛室，如圖5所示。

圖5　傳感器信號連接線和布置Fig.5　Arrangement of sensor signal lines1.計算機　2.DH3811型電流環(huán)適配器　3.DH5902型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2　試驗方案與結(jié)果分析

2.1試驗材料

于2015年11月在江蘇省靖江市進行田間試驗，試驗樣機及田間試驗圖片如圖6所示。試驗前對水稻特性進行測量，水稻部分特性如表2所示，其中籽粒和莖稈含水率通過實驗室電熱恒溫真空干燥箱(DZF-6050型，上海精宏試驗設(shè)備有限公司)測得。

圖6　田間試驗Fig.6　Experimental field test photo of oblique tangential-longitudinal combine

圖7　3種不同結(jié)構(gòu)的切流凹板篩過渡段Fig.7　Three different structures of angential concave

2.2試驗方法及試驗因素

根據(jù)機器設(shè)計要求，試驗時喂入量為7.5 kg/s，切縱流滾筒轉(zhuǎn)速、切流滾筒凹板篩的結(jié)構(gòu)形式、螺旋喂入頭與導(dǎo)流罩徑向間隙為影響因素，按三因素三水平正交試驗法[10](如表3所示)進行水稻脫粒分離試驗，測試和分析切流滾筒脫粒功耗、縱軸流滾筒脫粒功耗、籽粒總損失率，最終得到最優(yōu)的脫粒分離裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)。

表2　水稻物料特性Tab.2　Rice characteristics in experiment

表3　試驗因素與水平Tab.3　Factors and levers

2.2.1斜置切縱流滾筒轉(zhuǎn)速

滾筒轉(zhuǎn)速對脫粒分離性能有著重要影響，因此有必要通過試驗研究，探尋在斜置切縱流脫粒分離裝置中，滾筒轉(zhuǎn)速對脫粒性能的影響。在本試驗車上，滾筒轉(zhuǎn)速通過更換鏈輪，改變鏈輪齒數(shù)，從而改變傳動比來實現(xiàn)切縱流滾筒轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

2.2.2切流滾筒凹板篩形式

在收獲作業(yè)時，物料由輸送槽喂入到切流滾筒中，在高速旋轉(zhuǎn)的脫粒滾筒及凹板篩共同作用下，對物料進行脫粒分離，目前市場上聯(lián)合收獲機配置的凹板篩大多數(shù)采用柵格式凹板篩，其脫粒分離能力都較強[11]。本試驗車切流滾筒采用組合式凹板篩結(jié)構(gòu)，組合式凹板篩由喂入平板、柵格凹板篩、過渡板組成，如圖7所示。

切流凹板篩過渡段的結(jié)構(gòu)直接影響作物能否順利輸送到軸流滾筒中，過渡段設(shè)計不合理，作物無法順暢進入后續(xù)的軸流滾筒中，容易發(fā)生物料堆積及堵塞問題[7]。此外，切流凹板篩過渡段增加分離孔，提高了籽粒分離面積的同時也增加了落入清選室的脫出混合物，增大清選負荷，損失率也會相應(yīng)增加。因此設(shè)計了3組切流凹板篩作為3個水平，通過試驗優(yōu)化出最佳結(jié)構(gòu)。

通過置換連接在柵格凹板上的過渡段，以此分析對比不同過渡段對脫離性能的影響。

2.2.3螺旋喂入頭與導(dǎo)流罩徑向間隙

新型斜置切縱流脫粒分離裝置采用了“縱軸流負壓輔助喂入”思想，傳統(tǒng)的縱軸流螺旋喂入頭直接與軸流滾筒頂蓋相配合，螺旋葉片對物料的抓取能力較低。本試驗車螺旋喂入頭與同軸的導(dǎo)流罩配合如圖8所示，作業(yè)時，高速旋轉(zhuǎn)螺旋喂入頭通過螺旋葉片機械式將物料喂入到縱軸流滾筒中，同時由于螺旋喂入頭與導(dǎo)流罩形成封閉的空間，高速旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片與導(dǎo)流罩形成類似軸流風(fēng)機的較強的軸向氣流，達到負壓氣流輔助喂入作用?？紤]軸流風(fēng)機的徑向間隙對風(fēng)機的性能和效率有較大的影響[12-13]，同時考慮到切流滾筒向軸流滾筒喂入的莖稈量，將螺旋喂入頭與導(dǎo)流罩徑向間隙配合設(shè)計成3個水平，分別為30、40、50 mm。通過替換不同大小的導(dǎo)流罩，來實現(xiàn)徑向間隙的調(diào)整。

圖8　螺旋喂入頭三維結(jié)構(gòu)圖Fig.8　3D structure diagram of spiral transition device

每組試驗前，量取寬為2.5 m、長為25 m的水稻田塊并用4根標(biāo)桿做好標(biāo)記，中間兩個標(biāo)桿距離為10 m，收獲機停在距離測量好的田塊后方，以此留有一定的啟動距離。試驗時，割茬為20 cm，以中擋前進速度收獲，選取速度平穩(wěn)的中間10 m段作為測量范圍，物料經(jīng)過切流滾筒初脫及縱軸流滾筒復(fù)脫后，莖稈從縱軸流滾筒排草口排出，落入收獲機下面的油布上，為了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用人工處理的方式來收集油布上夾雜在秸稈中的籽粒及未脫凈籽粒，從而獲取總損失率。

2.3試驗結(jié)果分析

通過對切縱流收獲機進行脫粒分離試驗，得到切流滾筒功耗、縱軸流滾筒功耗、總損失率，試驗結(jié)果如表4所示。

試驗參數(shù)對脫粒滾筒總功耗進行極差分析[14-15]，結(jié)果見表5,通過極差分析得，各參數(shù)對滾筒脫?？偣挠绊懙闹鞔我蛩貫锳、C、B，其中最優(yōu)參數(shù)組合為A3B2C3時，脫?？偣淖钚?。對脫粒總損失率進行極差分析，見表6，對滾筒總損失率影響的主次因素為A、B、C，其中最優(yōu)參數(shù)組合為A3B2C1時，脫?？倱p失率最小。

表4　斜置切縱流脫粒分離裝置田間脫粒分離性能正交試驗結(jié)果Tab.4　Experiment results of oblique tangential-longitudinal combine in the field

脫粒功耗較低的最優(yōu)方案為A3B2C3，而脫?？倱p失最低的最優(yōu)方案為A3B2C1，兩個方案的區(qū)別在于螺旋喂入頭與導(dǎo)流罩徑向間隙的不同。根據(jù)脫粒裝置的設(shè)計要求，損失率重要性大于脫粒功耗，權(quán)重系數(shù)分別取0.6和0.4。因此因素C的最佳水平為C3。

表5　試驗參數(shù)對滾筒脫?？偣挠绊懙臉O差分析結(jié)果Tab.5　Analysis of parameters on total power consumption

表6　試驗參數(shù)對脫粒損失率影響的極差分析結(jié)果Tab.6　Analysis of parameters on entrained loss

綜合分析，影響脫粒分離性能的主次因素為切/縱流滾筒轉(zhuǎn)速為862、806 r/min，螺旋喂入頭與導(dǎo)流罩徑向間隙為50 mm，切流凹板篩過渡段為導(dǎo)向、分離孔式。由于最優(yōu)參數(shù)出現(xiàn)在正交試驗中，所以無需進行試驗驗證。在最優(yōu)參數(shù)下，斜置切縱流聯(lián)合收獲機的性能指標(biāo)為：總損失率0.62%，脫粒分離總功耗為40.42 kW。

3　結(jié)論

(1)螺旋喂入葉片與導(dǎo)流罩徑向間隙對脫粒總損失率影響不大，但對斜置縱軸流的功耗有一定的影響。

(2)在脫粒分離性能試驗中，脫粒分離平均總功耗為43.59 kW，其中切流滾筒脫粒分離平均功耗為9.29 kW，縱軸流滾筒脫粒分離平均功耗為34.30 kW。

(3)在斜置切縱流聯(lián)合收獲機脫粒分離性能試驗車上進行了水稻田間脫粒分離試驗，最優(yōu)方案為切/縱流滾筒轉(zhuǎn)速為862、806 r/min，螺旋喂入頭與導(dǎo)流罩徑向間隙50 mm，切流凹板篩過渡段為導(dǎo)向、分離孔式。在此條件下脫粒分離總損失率為0.62%，脫粒分離總功耗為40.42 kW。

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Optimization of Structural Parameters for Threshing and Separating Device in Oblique Tangential-longitudinal Combine

Li YaomingChen YangXu LizhangLi Lei

(KeyLaboratoryofModernAgriculturalEquipmentandTechnology,MinistryofEducation,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

With the advancement of the rice cultivation technology and the vigorously promotion of the super hybrid rice, the rice yield is increased rapidly, which proposes higher demand for the performance of the threshing and separating device for the large-amount feeding combine harvester (7～9 kg/s feeding amount). When facing large feeding amount, the transition between tangential flow roller and longitudinal-axial flow separating roller will easily get blocking. In order to optimize the structure of new-style threshing and separating device in oblique tangential-longitudinal combine and to meet the requirements of high-yielding rice harvest at present in China, rice harvest in field was conducted to study the influence of speeds of tangential drum and longitudinal drum, structure form of the tangential drum concave, gap of the conical spiral transition and cover on the performance of total consumption and total loss. The combine was re-constructed based on self-developed oblique tangential-longitudinal combine and load test system was built for the combine. Orthogonal test with three factors and three levels was carried out in the combine. Optimal parameters were gained by orthogonal test range analysis method. According to the analyzed results of orthogonal test, the rotational speeds of tangential drum and longitudinal drum were 862 r/min and 806 r/min. The structure form of the tangential drum concave was the type of orientation and separation hole. The gap of the conical spiral transition and cover was 50 mm. Under the optimal parameters, the field experiment results were total loss rate of 0.62% and total power consumption of 40.42 kW.

combine; oblique tangential-longitudinal; threshing and separating device; parameter optimization; orthogonal experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.009

2016-02-28

2016-04-03

江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化資產(chǎn)項目(BA2014062)

李耀明(1959—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械設(shè)計及理論研究，E-mail： ymli@ujs.edu.cn

S225.3

A

1000-1298(2016)09-0056-06