5TYS280玉米脫粒清選試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)研究

崔中凱，邸志峰，周 進(jìn)，張 華，卜令昕，高 強(qiáng)

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100)

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5TYS280玉米脫粒清選試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)研究

崔中凱，邸志峰，周 進(jìn)，張 華，卜令昕，高 強(qiáng)

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100)

我國夏播玉米主要集中在黃淮海地區(qū)，其生長期短、收獲時(shí)籽粒含水率高，直接脫粒收獲易造成籽粒破碎，脫凈率與籽粒破碎率和含雜率之間的矛盾，作業(yè)質(zhì)量較難保證。目前，針對(duì)高含水率玉米脫粒清選裝置的系統(tǒng)理論與試驗(yàn)研究均較少，因此設(shè)計(jì)開發(fā)了一種玉米脫粒清選試驗(yàn)臺(tái)。其主要由機(jī)架、脫粒分離裝置、清選裝置、輸送裝置、電機(jī)控制及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部件組成。以籽粒破碎率和含雜率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過調(diào)整滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角、凹板間隙、篩網(wǎng)傾角、曲軸轉(zhuǎn)速及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵因素水平，進(jìn)行單因素多水平試驗(yàn)及多因素多水平正交試驗(yàn)，確定高含水率玉米脫粒清選裝置的最佳參數(shù)組合，為玉米籽粒收獲機(jī)脫粒清選部件設(shè)計(jì)、改進(jìn)及參數(shù)選擇提供依據(jù)。

夏玉米；試驗(yàn)臺(tái)；果穗脫粒；籽粒清選；正交試驗(yàn)

0 引言

玉米是我國第一大糧食作物，黃淮海地區(qū)是我國玉米最為集中產(chǎn)區(qū)，也是夏播玉米主要種植區(qū)域，常年播種面積約為0.11億hm2，占全國玉米總播種面積的30%以上[1]。該地區(qū)采用一年兩熟的種植模式，大面積連片種植，比較容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化聯(lián)合收獲作業(yè)。

玉米籽粒收獲機(jī)可一次性完成玉米摘穗、剝皮及脫粒等作業(yè)，可節(jié)省工序、降低生產(chǎn)成本、增加農(nóng)民收益。但目前我國夏玉米收獲機(jī)械主要以果穗收獲機(jī)為主，籽粒收獲機(jī)械應(yīng)用很少。這主要是由于夏玉米生長期短，收獲時(shí)籽粒含水率高，脫粒時(shí)籽粒破碎率和含雜率高[2-5]，不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

為解決這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種玉米脫粒清選試驗(yàn)臺(tái)，以籽粒破碎率和含雜率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過調(diào)整滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角、凹板間隙、篩網(wǎng)傾角、曲軸轉(zhuǎn)速及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵因素參數(shù)，可進(jìn)行單因素多水平試驗(yàn)及多因素多水平正交試驗(yàn)，從而確定高含水率玉米脫粒清選裝置的最佳參數(shù)組合，為玉米籽粒收獲機(jī)脫粒清選部件設(shè)計(jì)、改進(jìn)及參數(shù)選擇提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

5TYS280玉米脫粒清選試驗(yàn)臺(tái)的研制首先利用SolidWorks三維建模軟件進(jìn)行樣機(jī)模型的建立，確定總體方案，再進(jìn)行部件的分析、優(yōu)化及樣機(jī)的試制和試驗(yàn)。該試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)架、脫粒分離裝置、振動(dòng)篩、風(fēng)機(jī)、輸送裝置、集糧斗、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、脫粒分離裝置調(diào)整機(jī)構(gòu)及清選裝置調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成，可一次性完成果穗輸送、脫粒、清選及收集等作業(yè)。該試驗(yàn)臺(tái)脫粒分離裝置采用縱軸流脫粒方式，其滾筒傾角、凹板間隙等參數(shù)均可通過脫粒分離裝置調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整；清選裝置采用氣流振動(dòng)篩，其篩網(wǎng)傾角等參數(shù)可通過清選裝置調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。該試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括脫粒電機(jī)、清選電機(jī)、風(fēng)機(jī)電機(jī)和輸送電機(jī)，均采用變頻電機(jī)，其轉(zhuǎn)速可根據(jù)試驗(yàn)要求隨時(shí)調(diào)整。該試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整機(jī)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

工作時(shí)，輸送裝置將玉米果穗輸送至輸送裝置上出口處，經(jīng)脫粒滾筒頂蓋進(jìn)入滾筒內(nèi)，果穗隨著滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)并沿軸向向前運(yùn)動(dòng)。果穗在滾筒內(nèi)主要受紋桿塊的揉搓力、果穗之間相互揉搓力及脫粒釘齒的擊打力，在共同作用下籽粒脫落。脫完粒的芯軸運(yùn)動(dòng)到滾筒另一側(cè)時(shí)經(jīng)導(dǎo)流板排出，籽粒則經(jīng)滾筒下部的柵格式凹板和沖孔式凹板落到振動(dòng)篩的上篩面上；在振動(dòng)篩的振動(dòng)作用下，籽粒和較小的雜質(zhì)經(jīng)篩孔落到下篩面上，然后落到底篩上，較小的雜質(zhì)經(jīng)底篩篩孔排出振動(dòng)篩；而籽粒則在底篩的振動(dòng)作用下，逐漸移動(dòng)到位于振動(dòng)篩后部的接糧斗內(nèi)被收集起來，大于篩孔的雜質(zhì)則被上篩板、下篩板和底篩一直向前推動(dòng)，直至排出振動(dòng)篩。在此過程中，離心式風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力將振動(dòng)篩上細(xì)小的雜質(zhì)吹出篩面，從而實(shí)現(xiàn)果穗脫粒、分離和籽粒清選。

1.脫粒電機(jī) 2.脫粒分離裝置 3.脫粒分離裝置調(diào)整機(jī)構(gòu) 4.機(jī)架 5.振動(dòng)篩 6.集糧斗 7.清選電機(jī) 8.風(fēng)機(jī)電機(jī) 9.風(fēng)機(jī) 10.清選裝置調(diào)整機(jī)構(gòu) 11.輸送裝置 12.輸送電機(jī)

項(xiàng)目單位參數(shù)外形尺寸mm5900×1800×2400脫粒滾筒長度mm2800脫粒滾筒直徑mm660脫粒電機(jī)功率kW7．5脫粒滾筒傾角(°)0～10篩網(wǎng)傾角(°)0～10風(fēng)機(jī)吹風(fēng)角度(°)20～30凹板間隙mm25/30/35/40/45

2 主要部件的研制

2.1 脫粒分離裝置

脫粒分離裝置是試驗(yàn)臺(tái)的核心工作部件。夏玉米收獲時(shí)，籽粒含水率一般在30%以上，脫粒時(shí)籽粒大量破碎，不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。探索高含水率玉米脫粒分離機(jī)構(gòu)及其參數(shù)是該試驗(yàn)臺(tái)需完成的任務(wù)。與切流式脫粒相比，軸流式脫粒具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①脫粒能力強(qiáng)，脫凈率高。果穗進(jìn)入軸流滾筒后，一般要轉(zhuǎn)4～7圈才能完成脫粒過程，脫粒時(shí)間較長，因此在較低的脫粒速度和較大的脫粒間隙下也能脫粒干凈。②分離質(zhì)量好。軸流式脫粒凹板分離面積大，分離時(shí)間長，幾乎全部籽粒都可以分離出來，且脫粒分離同時(shí)完成，不必設(shè)置專門的分離裝置，簡化了結(jié)構(gòu)。③破碎率較低。由于切流式脫粒時(shí)間短且主要靠沖擊脫粒，在喂入量大、脫粒間隙小時(shí)，容易造成籽粒破碎；而軸流式脫粒速度低、脫粒間隙大，脫粒過程主要靠果穗之間的揉搓作用完成，脫粒元件對(duì)果穗的沖擊力較小，籽粒不會(huì)因機(jī)械作用過強(qiáng)而破碎[6]。綜上，該試驗(yàn)臺(tái)采用縱軸流式脫粒方式，主要包括滾筒支架、脫粒滾筒、頂蓋、柵格式凹板、沖孔式凹板及導(dǎo)流板等部件，如圖2所示。

1.滾筒支架 2.頂蓋 3.脫粒滾筒 4.柵格式凹板 5.沖孔式凹板 6.導(dǎo)流板

2.1.1 脫粒滾筒

脫粒滾筒是實(shí)現(xiàn)脫粒功能的主要工作部件，其長度、直徑及脫粒元件型式等參數(shù)是影響脫粒效果的重要因素。在直徑相同條件下，軸流滾筒脫粒裝置脫出物沿滾筒軸向自入口至出口基本呈指數(shù)分布，滾筒長度越長，脫粒、分離能力越強(qiáng)。凹板包角一定時(shí)，大直徑滾筒可以增加果穗脫粒、分離時(shí)間，提高脫粒、分離能力和生產(chǎn)效率。脫粒元件型式主要為釘齒式、紋桿式和組合式：釘齒抓取能力強(qiáng)，沖擊力大，生產(chǎn)效率高，但脫出物含雜率較高；紋桿脫粒作用相對(duì)柔和，打擊作用較弱，揉搓作用強(qiáng)，果穗通過性能強(qiáng)，生產(chǎn)效率高，分離能力強(qiáng)，破碎程度較輕，脫出物含雜率較釘齒低，但未脫凈損失相對(duì)較大。組合式脫粒滾筒綜合單一脫粒元件的優(yōu)勢，綜合脫粒性能相對(duì)較好[7]。結(jié)合實(shí)際情況，該試驗(yàn)臺(tái)脫粒滾筒長度定為2 800mm，滾筒直徑定為660mm，滾筒前端布置紋桿塊，可將大部分籽粒脫下，降低籽粒破碎率；滾筒后端布置釘齒，可將剩余難脫籽粒脫下，提高脫凈率；紋桿塊和釘齒呈螺旋布置，可有效提高果穗的通過能力。脫粒滾筒結(jié)構(gòu)如圖3所示，脫粒元件分布如圖4所示。

1.釘齒 2.紋桿塊 3.排芯板

圖4 脫粒元件分布圖

2.1.2 凹板

凹板除了配合滾筒進(jìn)行脫粒外，還是主要的分離部件。凹板包角、型式及間隙等參數(shù)是影響凹板分離效果的主要因素。隨著包角的增大，分離面積增大，脫凈率提高，但包角過大則會(huì)增加籽粒和芯軸的破碎率。柵格式凹板脫粒分離能力較強(qiáng)，但籽粒破碎較嚴(yán)重。凹板間隙越小，脫凈率越高，但過小的脫粒間隙會(huì)增加籽粒破碎率。本試驗(yàn)臺(tái)在脫粒前端采用柵格式凹板，使籽粒盡快分離，脫粒后端采用沖孔凹板，減少玉米籽粒破碎率，凹板包角定為175°，通過增減調(diào)整板可實(shí)現(xiàn)25、30、35、40、45mm的凹板間隙。

2.2 清選裝置

清選裝置是玉米脫粒清選試驗(yàn)臺(tái)的重要組成部分，功能是將脫粒滾筒中分離出來的物料中的斷軸、碎屑等雜質(zhì)清理干凈。該試驗(yàn)臺(tái)清選裝置采用氣流振動(dòng)篩，主要由振動(dòng)篩和風(fēng)機(jī)組成。

2.2.1 振動(dòng)篩

振動(dòng)篩主要包括接糧板、上篩面、導(dǎo)軌、振動(dòng)篩箱體、密封板、下篩面及底篩等部件。其上篩面、下篩面裝在箱體內(nèi)，由導(dǎo)軌承托以便于拆裝，振動(dòng)篩兩側(cè)邊緣的上方固定有密封用的橡膠條，可以防止玉米籽粒從縫隙中露出。氣流振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)如圖5所示。工作時(shí)，脫下的玉米籽粒和碎軸等雜質(zhì)通過凹板落到上篩面上，經(jīng)上篩面的震動(dòng)篩選，一部分碎軸等雜質(zhì)被分離出來，在振動(dòng)篩振動(dòng)和風(fēng)機(jī)氣流作用下向后輸送；籽粒和細(xì)小雜質(zhì)落到下篩面上，經(jīng)二次篩選出干凈籽粒落到底篩并流動(dòng)到集糧斗內(nèi)。清選時(shí)，篩面上同時(shí)進(jìn)行著籽粒篩分和篩面上物料向后輸送，上篩面為接料篩面，用來分離粗大雜質(zhì)；下篩面為精選篩面，用來分離小雜質(zhì)；物料經(jīng)過兩層篩面的清理后，能夠清除全部大雜質(zhì)和大部分小雜質(zhì)與灰塵[8]。

1.接糧板 2.上篩面 3.導(dǎo)軌 4.振動(dòng)篩箱體 5.密封板 6.下篩面 7.底篩

振動(dòng)篩篩網(wǎng)型式、曲軸轉(zhuǎn)速及篩網(wǎng)傾角等參數(shù)是影響振動(dòng)篩清選性能的主要因素。該試驗(yàn)臺(tái)選用平面沖孔篩，其辨別能力強(qiáng)，清除雜質(zhì)干凈；上篩網(wǎng)和下篩網(wǎng)篩孔優(yōu)先采用φ18mm圓孔，并可通過更換篩網(wǎng)試驗(yàn)16～20mm不同篩孔直徑。振動(dòng)篩篩網(wǎng)傾角通過振動(dòng)篩調(diào)節(jié)裝置可實(shí)現(xiàn)0°～10°范圍內(nèi)可調(diào)。通過調(diào)節(jié)清選電機(jī)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)曲軸轉(zhuǎn)速0～1 440r/min范圍內(nèi)可調(diào)。

2.2.2 風(fēng)機(jī)

清選裝置依靠氣流把漂浮性較強(qiáng)的夾雜物吹出機(jī)外，因此風(fēng)機(jī)性能及參數(shù)對(duì)籽粒清選效果有著重要影響。為獲得較好的籽粒清選效果，風(fēng)機(jī)氣流應(yīng)滿足下述要求：①氣流吹送方向與篩面成20°～25°，風(fēng)扇出氣管道吹著篩面在長度方向的范圍應(yīng)為篩子全長的4/10～6/10；②氣流吹著空間的形狀應(yīng)是逐漸擴(kuò)大的，這樣能夠保證篩面從前到后以一個(gè)逐漸下降的流速分布。風(fēng)機(jī)主要有離心風(fēng)機(jī)、橫流風(fēng)機(jī)和縱流風(fēng)機(jī)等幾種。本試驗(yàn)臺(tái)采用離心風(fēng)機(jī)，其氣流除能滿足上述要求外，橫向分布也比較均勻。該風(fēng)機(jī)主要由殼體、右側(cè)板、風(fēng)機(jī)軸、葉片及葉片支座等部件組成，如圖6所示。

3 電機(jī)控制及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在滿足轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩前提下，采用變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速具有結(jié)構(gòu)簡單及調(diào)整方便的優(yōu)勢，通過變頻器上的電位調(diào)節(jié)旋鈕即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。同時(shí)，用光電開關(guān)作為轉(zhuǎn)速傳感器測取脫粒滾筒、曲軸及風(fēng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速，并通過儀表顯示在控制臺(tái)上[9]。電機(jī)控制與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路如圖7所示。

1.殼體 2.右側(cè)板 3.葉片 4.風(fēng)機(jī)軸 5.葉片支座

圖7 電路控制圖

4 樣機(jī)試制及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

5TYS280玉米脫粒清選試驗(yàn)臺(tái)于2015年在山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院科研試驗(yàn)基地內(nèi)試制完成，樣機(jī)如圖8所示。

試驗(yàn)分為兩部分，即脫粒分離試驗(yàn)與清選試驗(yàn)，兩試驗(yàn)可同時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)對(duì)象為人工摘取的果穗。含水率是影響果穗脫粒特性的重要因素，故本試驗(yàn)過程應(yīng)在果穗3個(gè)不同含水率時(shí)期分別進(jìn)行，包括收獲前期、中期、后期。

1)試驗(yàn)材料準(zhǔn)備。預(yù)定品種單一、成熟度較一致的玉米地塊，分別于收獲前期、中期、后期選擇正常天氣進(jìn)行統(tǒng)一人工采收，每次采收量不應(yīng)低于3 000只。采收后按照每袋60只放于帶塑料內(nèi)袋的塑編袋內(nèi)，并稱重、編號(hào)記錄。

圖8 試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)實(shí)物圖

2)籽粒含水率測定。準(zhǔn)備9組試驗(yàn)所需果穗量(每組4袋)，每袋分別取2只完整果穗，人工剝皮、脫粒，將籽粒放入鹵素水分分析儀進(jìn)行水分測定，對(duì)樣本總體籽粒含水率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3)試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。試驗(yàn)開始前，轉(zhuǎn)速傳感器架擺放到合適位置并調(diào)整光電計(jì)數(shù)器與旋轉(zhuǎn)鏈輪距離后對(duì)試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)試。檢查操作臺(tái)儀表與燈光指示是否正常，確認(rèn)正常后，開啟變頻器電源按鈕開關(guān)，同時(shí)啟動(dòng)各電機(jī)不低于2min，檢查設(shè)備運(yùn)行情況是否平穩(wěn)正常。

4)按照試驗(yàn)大綱進(jìn)行試驗(yàn)。首先進(jìn)行單因素多水平試驗(yàn)，以確定各因素合理水平范圍。脫粒分離試驗(yàn)時(shí)，預(yù)定滾筒傾角6°，凹板間隙35mm，做滾筒轉(zhuǎn)速的單因素試驗(yàn)，尋找最佳滾筒轉(zhuǎn)速n1；再預(yù)定滾筒傾角6°，滾筒轉(zhuǎn)速為n1，做凹板間隙的單因素試驗(yàn)，確定最佳凹板間隙d1；最后固定滾筒轉(zhuǎn)速n1，凹板間隙d1，做滾筒傾角的單因素試驗(yàn)，確定最佳滾筒傾角?1。依據(jù)n1、d1、?1確定脫粒分離正交試驗(yàn)中3個(gè)因素的3個(gè)水平，因素水平對(duì)照表如2所示。

表2 脫粒分離試驗(yàn)因素水平對(duì)照表

清選試驗(yàn)時(shí)，預(yù)定篩網(wǎng)傾角5°，曲軸轉(zhuǎn)速300r/min，做風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的單因素試驗(yàn)，尋找最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ν1；再預(yù)定篩網(wǎng)傾角5°，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ν1，做曲軸轉(zhuǎn)速的單因素試驗(yàn)，確定最佳曲軸轉(zhuǎn)速ω1；最后固定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ν1，曲軸轉(zhuǎn)速ω1，做篩網(wǎng)傾角的單因素試驗(yàn)，確定最佳篩網(wǎng)傾角θ1。依據(jù)θ1、ω1、ν1確定清選正交試驗(yàn)中3個(gè)因素的3個(gè)水平，因素水平對(duì)照表如3所示。

表3 清選試驗(yàn)因素水平對(duì)照表

因脫粒分離試驗(yàn)與清選試驗(yàn)因素互不干擾，且均為三因素三水平，因此多因素多水平正交試驗(yàn)均可按照標(biāo)準(zhǔn)正交表L9(34)進(jìn)行[10]，如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)表

5 結(jié)論

1)通過試驗(yàn)臺(tái)試制及運(yùn)行試驗(yàn)，表明該裝置運(yùn)行可靠，參數(shù)調(diào)節(jié)方案可行，能夠高效完成試驗(yàn)過程。

2)該試驗(yàn)分單因素多水平試驗(yàn)和多因素多水平正交試驗(yàn)兩部分，能有效確定各參數(shù)水平范圍并找出最佳參數(shù)組合。

3)目前參數(shù)調(diào)整及試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄均需人工完成，下一步可考慮增加液壓系統(tǒng)及智能化系統(tǒng)。

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Design and Research on 5TYS280 Corn Threshing and Cleaning Test Bench

Cui Zhongkai, Di Zhifeng, Zhou Jin, Zhang Hua, Bu Lingxin, Gao Qiang

(Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100, China)

In China, summer corn is mainly concentrated in the Huang-Huai-Hai region. Due to short growth period, the grain moisture content is high during harvest. Direct threshing is easy to cause grain crushing. There are problems between net rate, crushing rate and impurity rate. Operation quality is difficult to guarantee. Now there are few theory research and test bench in corn threshing and cleaning. So this article designs one corn threshing and cleaning test bench, mainly including frame, threshing and separating device, cleaning device, transmission device and motor control and rotating speed monitoring system. Using crushing rate and impurity rate as evaluation index, this test bench can carry out single factor experiment and multiple factors levels orthogonal test through adjusting the parameters of cylinder speed, cylinder angle, concave clearance, vibrating screen angle, crankshaft speed and fan speed. It can determine the best parameters for high moisture corn threshing and cleaning device and provide basis for design, improvement and parameter selection.

summer corn; test bench; grain threshing; grain cleaning; orthogonal test

2016-04-18

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD08B01)；山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目(NJGG201507)；山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院地引導(dǎo)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015YDHZ05)

崔中凱(1987-),男,山東鄒平人，工程師,(E-mail)kevin6119@qq.com。

邸志峰(1980-),男,山西原平人，工程師,(E-mail)dzf1125@163.com。

S226.5

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1003-188X(2017)05-0113-05