縱軸流聯(lián)合收獲機清選裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗

梁振偉,李耀明,馬培培,魏純才,王建鵬

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

0 引言

聯(lián)合收獲機是能夠一次性完成切割、輸送、脫粒分離、清選及集糧等工序的收獲機械。近年來，由于單縱軸流聯(lián)合收獲機脫粒滾筒相對較長，谷物破損率相對較低，因此其越來越受到市場的青睞。清選裝置是重要工作部件，直接影響整機的作業(yè)性能及谷物的收獲性能(損失率、含雜率)[1-3]。目前，單縱軸流聯(lián)合收獲機清選裝置大多采用風(fēng)篩式清選裝置[3]。近年來，很多學(xué)者對風(fēng)篩式清選裝置進(jìn)行了不同程度的研究。成芳等利用試驗臺對風(fēng)篩式清選裝置主要參數(shù)進(jìn)行了試驗研究[8-9]；李耀明等根據(jù)油菜脫出物的特性提出了利于其清選的清選裝置參數(shù)[10]；許乃章等對半喂入量聯(lián)合收獲機清選裝置主要參數(shù)進(jìn)行了理論研究[11]。以上研究主要針對清選裝置工作參數(shù)進(jìn)行研究分析，但僅通過調(diào)節(jié)工作參數(shù)無法使尾部物料得到有利的清選。單縱軸流聯(lián)合收獲機采用縱向脫粒滾筒，因風(fēng)機在篩面中后部產(chǎn)生的氣流較前部??；此外，滾筒中后部落下的物料含雜率較高，籽粒容易隨莖稈被拋出機外，造成谷物損失，清選效果不佳[7]。為解決上述單縱軸流聯(lián)合收獲機風(fēng)篩式清選裝置存在的缺陷，對清選裝置部分進(jìn)行參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

本文針對銳龍單縱軸流聯(lián)合收割機，以損失率及含雜率作為性能指標(biāo)，通過分析物料在氣流作用下的運動方程找出影響物料運動狀態(tài)的主要因素；利用正交試驗研究參數(shù)對清選性能指標(biāo)的影響，并對清選室內(nèi)氣流場進(jìn)行仿真，找出清選裝置的不足并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，且通過田間試驗分析出最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 設(shè)計原理及機構(gòu)

1.1 風(fēng)篩式清選裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

風(fēng)篩式清選裝置主要由風(fēng)機、振動篩 、籽粒攪龍、雜余攪龍及回程篩板等組成，如圖1所示。工作時，清選篩及抖動板不斷做往復(fù)運動，物料脫出物不斷地由上抖動板、中抖動板、下抖動板輸送到篩面，在風(fēng)機產(chǎn)生的氣流及振動篩共同作用下使脫出物分散、分層、透篩，干凈籽粒經(jīng)籽粒攪龍進(jìn)入糧箱，部分雜余通過雜余攪龍進(jìn)行二次清選[4-5]。

1.風(fēng)機 2. 第II導(dǎo)風(fēng)板 3. 第I導(dǎo)風(fēng)板 4.上抖動板 5.籽粒絞龍 6.魚鱗篩 7.雜余絞龍圖1 清選裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of cleaning mechanism

1.2 物料在氣流作用下的運動方程

氣流清選主要根據(jù)物料不同的空氣動力特性來進(jìn)行清選，在對清選室內(nèi)脫出物的運動進(jìn)行分析時，可分析單個脫出物的運動，將單個脫出物視為質(zhì)量為m的點[12-14]。氣流對單個脫出物的作用力可表示為

(1)

式中p—氣流對質(zhì)量m的點的作用力(N)；

m—物料的質(zhì)量(kg)；

kρ—漂浮系數(shù)；

Vρ—漂浮速度(m/s)；

V1—氣流相對于質(zhì)點的相對速度(m/s)。

由式(1)可知：氣流對單個脫出物的作用力P主要決定于氣流相對于質(zhì)點的相對速度V1。單個脫出物在氣流中的運動速度如圖2所示。圖2中，V0為脫出物從抖動板落下進(jìn)入清選室的初始速度，其與水平線的夾角為θ；u為氣流速度；V1為氣流與脫出物的相對速度(其與脫出物相對于氣流的速度w大小相等、方向相反)；α為氣流速度u與水平線的夾角；β為V1與水平線的夾角。

圖2 單個脫出物在氣流場中的運動速度分析圖Fig.2 Velocity analysis diagram of single rotor in air flow

根據(jù)速度矢量的合成定理，氣流與質(zhì)點的相對速度V1可表示為

V1=u-V

(2)

由式(1)與式(2)可確定氣流對單個脫出物的作用力P, 質(zhì)點受力分析圖如圖3所示。圖3中：G為脫出物重力，P為氣流對脫出物的作用力。結(jié)合式(2) 可得出脫出物在氣流中的動力學(xué)微分方程為

(3)

(4)

根據(jù)圖2中的矢量圖，將u分解到水平方向和垂直方向可得

ux=ucosα

(5)

uy=usinα

(6)

則V1x、V1y可表示為

V1x=ucosα-Vx

(7)

V1y=usinα-Vy

(8)

將式(7)、式(8)分別代入式(3)、式(4)中，并消去m得

(9)

(10)

(11)

初始條件為

V0x=V0cosθ

(12)

V0y=-V0sinθ

(13)

由式(12)和式(13)可看出：脫出物在氣流中的運動狀態(tài)主要與脫出物自身的懸浮速度Vρ、氣流速度u、氣流的方向角α、脫出物進(jìn)入清選室內(nèi)的初始速度V0和方向角θ有關(guān)。氣流速度u由風(fēng)機轉(zhuǎn)速決定，氣流方向角主要由第I導(dǎo)風(fēng)板傾角 及第II導(dǎo)風(fēng)板傾角決定，脫出物進(jìn)入清選室內(nèi)的初始速度V0和方向角θ主要由振動篩的運動狀態(tài)有關(guān)。

圖3 單個脫出物受力分析圖Fig.3 Stress analysis diagram of single rotor

2 田間性能試驗

試驗地點為丹陽市生態(tài)園，水稻品種為“鎮(zhèn)稻18號”，根據(jù)機械收獲田間試驗方法[15]，測得水稻作物自然高度79.96mm，穗頭高度8.66mm, 割茬高度11.84mm，割幅寬度1 994mm, 莖稈含水率63.88%,籽粒含水率24.98%,千粒質(zhì)量31.7g,籽粒質(zhì)量857.4g/m2，主要研究風(fēng)機轉(zhuǎn)速、魚鱗篩開度、分風(fēng)板I角度、分風(fēng)板II角度4個參數(shù)對清選性能指標(biāo)的影響，按照四因素三水平在單縱軸流聯(lián)合收割機上進(jìn)行水稻清選性能試驗。試驗時，割幅為2m，前進(jìn)距離為20m，以籽粒含雜及清選損失率作為性能指標(biāo)，取含雜率及損失率的平均值(綜合性能)為最終清選性能指標(biāo)[16]。田間正交試驗結(jié)果如表1所示。

由表1可知：影響清選性能的主次因素為A、D、B、C，清選性能最優(yōu)組合為A3D2B3C1，即當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 400r/min，第I導(dǎo)風(fēng)板傾角為30°，第II導(dǎo)風(fēng)板傾角為15°，魚鱗篩開度為24.5mm時，相比其他各組正交試驗組合，其水稻損失率及含雜率較低。將單縱軸流聯(lián)合收獲機調(diào)至此參數(shù)組合情況下進(jìn)行田間試驗，在3次重復(fù)試驗后發(fā)現(xiàn)其清選性能衡量指標(biāo)中損失率為0.32%，含雜率為0.38%。

表1 田間試驗結(jié)果表

采用基于壓力的SIMPLE非耦合隱式求解算法，選取離散格式為二階迎風(fēng)格式。將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent中，將振動篩表面設(shè)置為靜止壁面，工作氣壓為1個大氣壓(101 325Pa)；入口邊界采用速度入口且假設(shè)風(fēng)機出風(fēng)口風(fēng)速均勻，其值為10m/s；出口邊界設(shè)置為自由出口，其他保持默認(rèn)設(shè)置[18]。數(shù)值模擬結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 400r/min，第I導(dǎo)風(fēng)板傾角為30°、第II導(dǎo)風(fēng)板傾角為15°、魚鱗篩開度為24.5mm時，氣流場分布較為合理。

3 單縱軸流聯(lián)合收割機清選裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 改進(jìn)后的清選裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

在上述清選裝置結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在振動篩后上方安裝了回程篩板，使得從凹板篩后部落下的水稻物料在回程篩板的作用下進(jìn)行清選，避免了從凹板篩后部落下的水稻物料被直接吹到機外從而造成清選損失；同時，也使部分物料遷移到清選能力較高的振動篩中部，提高了整機的作業(yè)性能。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.風(fēng)機 2.第II導(dǎo)風(fēng)板 3.第I導(dǎo)風(fēng)板 4.上抖動板 5.籽粒絞龍 6.魚鱗篩 7.雜余絞龍 8.回程板圖4 改進(jìn)后清選裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of improved cleaning mechanism

3.2 回程篩板設(shè)計

回程篩板由回程板及編織篩組成。根據(jù)清選室氣流場分布特點，將回程板設(shè)計為440mm×850mm，其前端位于倒數(shù)第2根魚鱗篩正上方。編織篩為350mm ×850mm，編織篩孔徑為40mm，其前部位于第9根魚鱗篩正上方。

3.3 田間性能試驗分析

田間試驗參數(shù)與上述最佳試驗參數(shù)相同，為尋求最佳的回程篩板安裝角度，選取安裝角度分別為20°、30°、40°進(jìn)行田間性能試驗。

表2 田間試驗性能表

由表2可知：回程篩板安裝傾角為30°時，清選性能較佳。在最佳工作參數(shù)條件下，改進(jìn)前，水稻籽粒損失率及含雜率分別為0.32%、0.31%，改進(jìn)后，水稻籽粒損失率及含雜率分別為0.20%、0.17%。結(jié)果證實：改進(jìn)后，單縱軸流聯(lián)合收割機清選性能得到提高。

4 結(jié)論

1)為優(yōu)選清選裝置最優(yōu)工作參數(shù),通過調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速、魚鱗篩開度、分風(fēng)板I角度及分風(fēng)板II角度等4個參數(shù)進(jìn)行正交試驗,結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 400r/min，第I導(dǎo)風(fēng)板傾角為30°、第II導(dǎo)風(fēng)板傾角為15°、魚鱗篩開度為24.5mm時，清選效果較佳，損失率為0.32%，含雜率為0.31%。

2)在通過對清選裝置氣流場進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)上,對清選裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。試驗結(jié)果表明：改進(jìn)后清選裝置的清選性能得到提高，且當(dāng)回程篩板安裝角度為30°時，清選性能較佳，損失率為0.20%，含雜率為0.17%。

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