橫置多滾筒聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

司增永，李耀明，唐 忠，馬 征，李 洋

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

隨著我國連片水稻種植面積的增加及產(chǎn)量的提高，對水稻聯(lián)合收獲機(jī)的收獲效率提出了更高的要求[1-3]。成芳等利用試驗(yàn)臺(tái)對風(fēng)篩式清選裝置主要參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了清選裝置結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對清選性能的影響規(guī)律，并建立了數(shù)學(xué)模型，得到了最佳參數(shù)組合并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[4]。張義鋒等針對縱軸流風(fēng)篩式清選裝置的參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以曲柄轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)傾角、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和喂入量為試驗(yàn)因素，以含雜率、損失率和功耗為評價(jià)指標(biāo)，通過試驗(yàn)得出上述因素對清選性能的影響規(guī)律[5]。徐立章等通過Fluent軟件對雙出風(fēng)口多風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)風(fēng)口直徑及分風(fēng)板角度對風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流場分布、出風(fēng)口風(fēng)速及風(fēng)量的影響[6]。張義鋒、衣淑娟等在風(fēng)篩式清洗裝置試驗(yàn)臺(tái)上研究了在不同風(fēng)速、風(fēng)向等情況下清選室內(nèi)脫出混合物分布的影響，得到篩下脫出混合物總質(zhì)量、雜余質(zhì)量、籽粒質(zhì)量和含雜率沿篩子縱向的分布規(guī)律[7]。

本文以橫置多滾筒聯(lián)合收獲機(jī)的多風(fēng)道清選裝置為研究對象，選取清選損失率、含雜率作為清選性能評價(jià)指標(biāo)，在田間開展以多風(fēng)道離心式風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、魚鱗篩開度、分風(fēng)板Ⅰ傾角、分風(fēng)板Ⅱ傾角為研究參數(shù)進(jìn)行了單因素和正交試驗(yàn)，分析了上述因素對清選性能的影響，并使用極差分析法對多風(fēng)道清選裝置的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 多風(fēng)道清選裝置結(jié)構(gòu)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

多滾筒聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離、清選裝置主要結(jié)構(gòu)[8]包括切流滾筒、第Ⅰ橫軸流滾筒、第Ⅱ橫軸流滾筒、滾筒凹板篩、風(fēng)機(jī)、分風(fēng)板、抖動(dòng)板、魚鱗篩、回程輸送板、二次雜余攪龍，以及籽粒攪龍等，如圖1所示。

1.切流滾筒 2.切流凹板篩 3.第Ⅰ橫軸流凹板篩 4.抖動(dòng)板 5.風(fēng)機(jī)上風(fēng)道 6.風(fēng)機(jī)葉片 7.第Ⅰ分風(fēng)板 8.第Ⅱ分風(fēng)板 9.籽粒攪龍 10.魚鱗篩開度調(diào)節(jié)板 11.回程輸送板 12.下層沖孔篩 13.魚鱗篩 14.二次雜余攪龍 15.尾篩 16.第Ⅰ橫軸流 17.第Ⅱ橫軸流凹板篩 18.第Ⅱ橫軸流滾筒

多滾筒聯(lián)合收獲機(jī)在實(shí)際收割水稻時(shí)，其脫粒清選裝置主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表1～表3所示。

表1 脫粒分離清選裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 清選裝置主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)

表3 風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 多風(fēng)道清選裝置工作原理

經(jīng)切流滾筒凹板篩分離出的脫出混合物落在振動(dòng)篩前抖動(dòng)板上，經(jīng)振動(dòng)篩前抖動(dòng)板的抖動(dòng)、輸送，使物料均勻落到魚鱗篩上；經(jīng)第Ⅰ、Ⅱ橫軸流滾筒凹板篩分離出的脫出混合物落在回程輸送板上，在回程輸送板的抖動(dòng)、輸送作用下，脫出混合物變得均勻，一部分物料落在振動(dòng)篩前抖動(dòng)板上，一部分直接落入魚鱗篩上；脫出混合物在經(jīng)振動(dòng)篩抖動(dòng)板及回程輸送板拋灑到魚鱗篩上的過程中，大部分輕雜余在雙出風(fēng)口多風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)的上出風(fēng)口的作用下被吹出機(jī)外，減小了落入魚鱗篩上的脫出混合物總質(zhì)量，從而減輕了魚鱗篩上清選負(fù)荷，進(jìn)而提高了清選效率。

而落入到魚鱗篩上表面的物料和莖稈，在振動(dòng)篩和風(fēng)機(jī)下出風(fēng)口的作用下不斷跳動(dòng)、透篩，在經(jīng)下出風(fēng)口多風(fēng)道氣流的作用完成混合物的清選作業(yè)。雙出風(fēng)口多風(fēng)道離心式風(fēng)機(jī)下出風(fēng)口包括3個(gè)風(fēng)道：經(jīng)風(fēng)道Ⅰ吹出的氣流風(fēng)量較大、風(fēng)速較小，主要覆蓋振動(dòng)篩上層魚鱗篩的前中部分和下層編織篩的前部分，提高了脫出混合物的透篩能力，能夠滿足脫出混合物較多的情況；經(jīng)風(fēng)道Ⅱ吹出的氣流風(fēng)量和風(fēng)速均適中，主要覆蓋上層魚鱗篩和下層編織篩的中后部分，能夠增強(qiáng)混合物的透篩能力；經(jīng)風(fēng)道Ⅲ吹出的氣流風(fēng)速較大、風(fēng)量較小，主要覆蓋在振動(dòng)篩的尾部，能夠把剩余的雜余吹出機(jī)外，又不把籽粒吹出機(jī)外，提高了清選效率[9]。

經(jīng)振動(dòng)篩前中部分篩選出的干凈籽粒落入籽粒攪龍，經(jīng)垂直輸送攪龍輸入糧箱；經(jīng)振動(dòng)篩尾部未清選干凈的混合物落入二次雜余攪龍，被二次雜余垂直攪龍輸送到回程輸送板上進(jìn)行二次清選。

2 多風(fēng)道清選裝置田間試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

2016年11月28日在蘇州吳江進(jìn)行田間試驗(yàn)，收獲期間，試驗(yàn)水稻基本參數(shù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)水稻基本參數(shù)

2.2 試驗(yàn)條件

水稻及機(jī)器主要工作參數(shù)：稻谷含水率為24%，第Ⅰ滾筒轉(zhuǎn)速為600r/min,第Ⅱ滾筒轉(zhuǎn)速為720r/min,第Ⅲ滾筒轉(zhuǎn)速為950r/min。實(shí)際喂入量可通過計(jì)算式(1)求得[10]

(1)

式中Q—實(shí)際喂入量(kg/s)；

B—割幅(m),試驗(yàn)實(shí)際割幅為2.58m；

L—實(shí)際收獲的長度(m)，試驗(yàn)實(shí)際收獲長度為15m；

P—產(chǎn)量(kg/hm2)，試驗(yàn)田水稻產(chǎn)量為9 450kg/hm2；

β—草谷比，試驗(yàn)草谷比取2.1；

t—收獲時(shí)間(s),測得平均時(shí)間為16.3s。

由式(1)求得試驗(yàn)對應(yīng)的實(shí)際喂入量為7.08kg/s。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、魚鱗篩開度、風(fēng)機(jī)分風(fēng)板Ⅰ傾角及風(fēng)機(jī)分風(fēng)板Ⅱ傾角4個(gè)因素為試驗(yàn)參數(shù)，試驗(yàn)分為單因素和正交試驗(yàn)進(jìn)行。以清選損失率、含雜率作為清選性能的衡量指標(biāo)，研究上述參數(shù)對聯(lián)合收獲機(jī)清選性能指標(biāo)的影響，并利用極差分析法對試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而選出上述工作參數(shù)的最優(yōu)組合。單因素試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速選取900、1 100、1 300、1 500、1 700r/min,魚鱗篩的開度選取12、16、20、24、28mm,分風(fēng)板Ⅰ的傾角選取18°、22°、26°、30°、34°，分風(fēng)板Ⅱ的傾角選取18°、22°、26°、30°、34°。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行正交試驗(yàn)，則

F=Wq/(W1+W2)×100%

(2)

S=Wj/W2×100%

(3)

式中F—清選損失率(%)；

S—清選含雜率(%)；

Wq—接料袋接住的籽粒質(zhì)量(kg)；

Wj—糧箱中雜余的質(zhì)量(kg)；

W1—接料袋中籽粒與雜余總質(zhì)量(kg)；

W2—糧箱中籽粒與雜余總質(zhì)量(kg)。

2.4 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前，測量機(jī)器4次正常收獲15m長度所需時(shí)間，計(jì)算出平均收獲15m所需的時(shí)間，保證試驗(yàn)時(shí)喂入量的均勻性，試驗(yàn)時(shí)，割幅為2.58m。田間試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)開始前，把接料袋用鐵絲固定在機(jī)器后方機(jī)架上，用以接住多滾筒聯(lián)合收獲機(jī)在實(shí)際工作中從清選室吹出的脫出混合物；試驗(yàn)結(jié)束之后，把接料袋從機(jī)器上取下來，人工將接取到的脫出混合物進(jìn)行分離，并分別稱取混合物的質(zhì)量及糧箱內(nèi)混合物的質(zhì)量，測得清選損失率；每組試驗(yàn)結(jié)束之后，從糧箱接取一定量的混合物，人工把籽粒與雜余分離，并分別稱取混合物、籽粒和雜余的質(zhì)量，測得清選含雜率。為減少人為誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 單因素試驗(yàn)

3.1.1 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對清選性能的影響

為研究多風(fēng)道離心式風(fēng)機(jī)對清選性能的影響，選取清選損失率、清選含雜率為性能指標(biāo)。聯(lián)合收獲機(jī)的喂入量保持不變，魚鱗篩的開度為24mm，分風(fēng)板Ⅰ的傾角為26°，分風(fēng)板Ⅱ的傾角為26°，選取風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速分別為900、1 100、1 300、1 500、1 700r/min進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對試驗(yàn)指標(biāo)的影響如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對清選性能的影響

由圖3可知：隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，清選損失率逐漸升高，清選含雜率逐漸降低。由此可以得出，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，清選含雜率逐漸降低，降低了糧箱內(nèi)籽粒的含雜率，保證了糧箱內(nèi)籽粒的清潔度；但隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，清選損失率逐漸提高，易造成總損失率超過國家的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。因此，結(jié)合清選損失率及含雜率的指標(biāo)，選擇合適的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，故風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速選取1 100、1 300、1 500r/min。

3.1.2 魚鱗篩開度對清選性能的影響

為研究魚鱗篩開度對清選性能的影響，選取清選損失率、清選含雜率為性能指標(biāo)。聯(lián)合收獲機(jī)的喂入量保持不變，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 300r/min，分風(fēng)板Ⅰ的傾角為26°，分風(fēng)板Ⅱ的傾角為26°，分別選取魚鱗篩的開度12、16、20、24、28mm進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出魚鱗篩開度對試驗(yàn)指標(biāo)的影響如圖4所示。

由圖4可知：隨著魚鱗篩開度的變大，清選損失率逐漸降低，而清選含雜率逐漸升高。因此，綜合考慮結(jié)合清選損失率和含雜率的指標(biāo)，選擇合適魚鱗篩的開度，故魚鱗篩的開度選取20、24、28mm。

3.1.3 分風(fēng)板Ⅰ對清選性能的影響

為研究分風(fēng)板Ⅰ對清選性能的影響，選取清選損失率、清選含雜率為性能指標(biāo)。聯(lián)合收獲機(jī)的喂入量保持不變，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 300r/min，魚鱗篩的開度為24mm，分風(fēng)板Ⅱ傾角為26°，選取分風(fēng)板Ⅰ的傾角分別取18°、22°、26°、30°、34°進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出分風(fēng)板Ⅰ對試驗(yàn)指標(biāo)的影響如圖5所示。

圖5 分風(fēng)板I安裝傾角對清選性能的影響

Fig.5 Influence of air distributing plate I angle on the cleaning performance

由圖5可知：隨著分風(fēng)板Ⅰ傾角的變大，清選損失率逐漸降低，而清選含雜率均逐漸升高。因此，結(jié)合清選損失率和含雜率的指標(biāo)，選擇合適的分風(fēng)板Ⅰ的傾角，故選取分風(fēng)板Ⅰ傾角22°、26°、30°。

3.1.4 分風(fēng)板Ⅱ?qū)η暹x性能的影響

為研究分風(fēng)板Ⅱ?qū)η暹x性能的影響，選取清選損失率、清選含雜率為性能指標(biāo)。聯(lián)合收獲機(jī)的喂入量保持不變，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 300r/min，魚鱗篩的開度為24mm，分風(fēng)板Ⅰ傾角為26°，選取分風(fēng)板Ⅱ的傾角分別取18°、22°、26°、30°、34°進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出分風(fēng)板Ⅱ?qū)υ囼?yàn)指標(biāo)的影響如圖6所示。

圖6 分風(fēng)板II安裝傾角對清選性能的影響

Fig.6 Influence of air distributing plate II angle on the cleaning performance

由圖6可知：隨著分風(fēng)板Ⅱ傾角的變大，清選損失率逐漸降低，但清選含雜率均逐漸升高。因此，結(jié)合清選損失率和含雜率的指標(biāo)，選擇合適的分風(fēng)板Ⅱ傾角，故選取分風(fēng)板Ⅱ傾角22°、26°、30°。

3.2 正交試驗(yàn)

試驗(yàn)選取風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、魚鱗篩的開度、風(fēng)機(jī)分風(fēng)板Ⅰ的傾角及風(fēng)機(jī)分風(fēng)板Ⅱ的傾角4個(gè)因素為試驗(yàn)參數(shù)，按照四因素三水平在多滾筒聯(lián)合收獲機(jī)上進(jìn)行清選性能正交試驗(yàn)，其中風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速選取1 100、1 300、1 500r/min,魚鱗篩的開度選取20、24、28mm,分風(fēng)板Ⅰ的傾角選取22°、26°、30°，分風(fēng)板Ⅱ的傾角選取22°、26°、30°。以清選損失率、含雜率作為清選性能的衡量指標(biāo)，研究上述參數(shù)對聯(lián)合收獲機(jī)清選性能指標(biāo)的影響。

使用Minitab軟件對試驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取清選損失率、含雜率為衡量清選性能指標(biāo)。正交試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

運(yùn)用極差分析方法[11]分析表5，得出影響聯(lián)合收獲機(jī)清選性能的主次因素分別為ACDB，清選性能的最優(yōu)參數(shù)組合為A1C3D2B2，即當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 100r/min、魚鱗篩的開度選取24mm、分風(fēng)板Ⅰ的傾角選取30°、分風(fēng)板Ⅱ的傾角選取26°時(shí)，相對于其它各組參數(shù)，其收獲水稻損失率和含雜率相對較低。將多滾筒聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置調(diào)至最佳參數(shù)組合狀態(tài)下進(jìn)行田間試驗(yàn)，得出清選損失率為0.2%，含雜率為0.7%。

表5 田間試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)單因素試驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，清選損失率逐漸升高，清選含雜率逐漸降低；隨著魚鱗篩開度的變大，清選損失率逐漸降低，清選含雜率逐漸升高；隨著分風(fēng)板Ⅰ傾角的變大，清選損失率逐漸降低，清選含雜率均逐漸升高；隨著分風(fēng)板Ⅱ傾角的變大，清選損失率逐漸降低，清選含雜率均逐漸升高。

2)運(yùn)用極差分析法得到橫置多滾筒聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置最優(yōu)參數(shù)組合：風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 100r/min，魚鱗篩的開度選取24mm,分風(fēng)板Ⅰ的傾角選取30°，分風(fēng)板Ⅱ的傾角選取26°時(shí)，清選損失率為0.2%，含雜率為0.7%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許太白.橫置多滾筒組合式脫粒分離裝置脫分性能對比試驗(yàn)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2016(1):83-87.

[2] 李方，李耀明.切縱流清選室氣道氣流優(yōu)化與仿真研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015，37(2):75-78.

[3] 許太白.多滾筒脫粒分離裝置的試驗(yàn)及分析[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2012.

[4] 成芳,王俊.風(fēng)篩式清選裝置主要參數(shù)的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1998(12):217-221.

[5] 張義峰，趙妍，衣淑娟，等.縱軸流風(fēng)篩式清選裝置參數(shù)的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2010,32(8) :146-149.

[6] 徐立章,于麗娟.雙出風(fēng)口多風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014(10):78-86.

[7] 張義峰，衣淑娟，汪春，等.縱軸流風(fēng)篩式清選裝置性能縱向分布規(guī)律的研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(8) :146-149.

[8] 周偉.階梯式單切雙橫流脫粒分離裝置及整機(jī)總體設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2015.

[9] 于麗娟.雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2015.

[10] 馬培培.單縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置優(yōu)化分析與試驗(yàn)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2016.

[11] 任露泉. 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化[M].北京：科學(xué)出版社，2011.