花生聯(lián)合收獲機(jī)清選系統(tǒng)試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)

劉春亞，王升升，師清翔，耿令新，楊 芳

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

花生在我國有著悠久的種植歷史，是我國主要的經(jīng)濟(jì)與油料作物之一，內(nèi)含豐富的脂肪、蛋白質(zhì)等多種營養(yǎng)物質(zhì)[1-2]。我國的花生種植分布范圍很廣，種植面積常年在400萬hm2以上，約占世界種植總面積的20%，居世界第2位[3]。但是，花生的收獲問題一直困擾著我國花生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而機(jī)械化聯(lián)合收獲可一次性完成所有的花生收獲作業(yè)環(huán)節(jié)，不僅省時(shí)省力，而且收獲速度快、效率高，是未來花生收獲的主要研究方向[4-5]。

清選裝置作為花生聯(lián)合收獲機(jī)的重要組成部分，直接影響到整機(jī)的作業(yè)性能及花生的后續(xù)儲藏加工[6-7]?；ㄉ摮鑫镏饕ɑㄉv果、斷稈、輕雜物和土塊等。其中，莢果與斷稈的空氣動力學(xué)特性差異較小，給花生清選帶來了很大困難。目前，花生收獲機(jī)普遍采用的簡易風(fēng)選或風(fēng)篩配合清選方式，均不能有效地清除待清選物料中的斷稈，普遍存在著清潔率低、損失率大及適應(yīng)性差等問題[8-9]。

因此，在研究花生摘果脫出物清選特性參數(shù)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的花生聯(lián)合收獲機(jī)清選系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)與理論分析。同時(shí)，設(shè)計(jì)制造了室內(nèi)試驗(yàn)臺，通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際工作狀況，研究其結(jié)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)對清選性能的影響規(guī)律，優(yōu)化確定其最優(yōu)參數(shù)組合。

1 花生摘果脫出物清選特性參數(shù)

花生摘果脫出物主要包括莢果、斷稈、輕雜物和土塊等，其清選特性表現(xiàn)在形態(tài)、物理、空氣動力學(xué)等方面。為了給花生聯(lián)合收獲機(jī)清選系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)，本文選取河南省種植較多的豫花15作為試驗(yàn)花生品種，從其摘果脫出物中隨機(jī)抽取20份樣本，統(tǒng)計(jì)了其與收獲機(jī)清選系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的主要特性參數(shù)，如表1所示。

表1 花生摘果脫出物清選特性參數(shù)Table 1 Cleaning characteristic parameters of peanut mixture

2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

室內(nèi)試驗(yàn)臺主要由物料輸送帶、清選裝置及接料裝置等部分組成，如圖1所示。其中，清選裝置由輕雜物清理裝置構(gòu)和斷稈分離裝置兩部分構(gòu)成：前者由喂料斗、滑板、橫流風(fēng)機(jī)等構(gòu)成；后者由若干對相向轉(zhuǎn)動的分離輥、導(dǎo)料板、齒輪傳動機(jī)構(gòu)及螺紋調(diào)節(jié)桿等構(gòu)成。

清選裝置采用氣吸和對輥分離組合式清選原理。工作時(shí)，待清選物料由物料輸送帶定量、穩(wěn)定地輸送到清選裝置的喂料斗中，然后沿著傾斜的滑板下滑；由于滑板上布滿通氣孔，在物料下滑過程中，輕雜物及部分短莖稈受到經(jīng)過滑板通氣孔進(jìn)入橫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口的高速氣流作用,被吸入橫流風(fēng)機(jī)，并從橫流風(fēng)機(jī)出氣口排入網(wǎng)袋，從而實(shí)現(xiàn)輕雜物及部分短莖稈與花生莢果的分離；剩余的物料則通過滑板下端的落料口下落至斷稈分離裝置上，相向轉(zhuǎn)動的分離輥將物料中的斷稈夾住并送至斷稈分離裝置的下方，落入接稈箱；位于斷稈分離裝置上方的花生莢果經(jīng)出果口滑落至接果箱，完成花生的清選。

Ⅰ.輕雜物清理裝置 Ⅱ.斷稈分離裝置 1.物料輸送帶 2.喂料斗 3.滑板 4.殼體 5.分離輥 6.導(dǎo)料板 7.接果箱 8.螺紋調(diào)節(jié)桿 9.接稈箱 10.試驗(yàn)臺架 11.網(wǎng)袋 12.橫流風(fēng)機(jī)

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 滑板主要參數(shù)確定

滑板由一大一小兩塊組成，二者的尺寸(長×寬)分別為600mm×580mm、600mm×200mm,其上均布滿通氣孔，借助該通氣孔可為橫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口提供氣體。根據(jù)試驗(yàn)的需要，滑板的長度、位置及傾角均可進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此改變落料口寬度、滑板到風(fēng)機(jī)葉輪的距離和物料沿滑板下滑速度等相關(guān)參數(shù)。

在確保物料下滑過程中不發(fā)生壅堵的條件下，根據(jù)花生莢果的摩擦及運(yùn)動特性，通過試驗(yàn)確定滑板的傾角為40°。

3.2 橫流風(fēng)機(jī)主要參數(shù)確定

在該清選系統(tǒng)中，橫流風(fēng)機(jī)是作為吸氣風(fēng)機(jī)使用的。由于橫流風(fēng)機(jī)擁有著獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與工作原理，使其擁有許多其他類型風(fēng)機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如特性系數(shù)高、沿風(fēng)機(jī)軸向?qū)挾染鶆蚺滹L(fēng)及雜物自清理能力強(qiáng)等，從而為橫流風(fēng)機(jī)作為吸雜部件使用提供了可能[10-11]。

本文所設(shè)計(jì)的橫流風(fēng)機(jī)主要由殼體和葉輪組成，葉輪葉片前傾，殼體采用偏心圓近似方案設(shè)計(jì)，如圖2所示。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)有：葉輪外徑D2=260mm，內(nèi)外徑比D1/D2=0.7，葉片數(shù)Z=24，葉片進(jìn)口安裝角β1=90°，葉片出口安裝角β2=25°，蝸殼間隙e1=15mm，蝸舌間隙e2=10mm。葉片的曲率半徑R、葉片圓心的定位半徑R0及葉片弧長所對應(yīng)的圓心角φ的計(jì)算公式為

φ=φ2-φ1

式中R1—葉輪內(nèi)半徑；

R2—葉輪外半徑。

將數(shù)據(jù)代入上述公式中，計(jì)算可得：葉片的曲率半徑R=36.58mm，葉片圓心的定位半徑R=98.07mm，葉片弧長所對應(yīng)的圓心角R=77.83°。

3.3 斷稈分離裝置運(yùn)動特性與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

斷稈分離裝置作為清選系統(tǒng)的核心工作部件之一，直接決定著該清選系統(tǒng)的作業(yè)清選效果。若要實(shí)現(xiàn)斷稈與莢果順利分離，則必須考慮分離輥的間隙和直徑。

3.3.1 斷稈及莢果受力分析

斷稈分離裝置與水平面呈一定角度安裝在機(jī)架上，且該角度通過螺紋調(diào)節(jié)桿在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，以改變物料的下滑速度；每一對分離輥轉(zhuǎn)向相反，分離輥之間采用外嚙合齒輪傳遞動力。當(dāng)斷稈及莢果落到分離裝置上時(shí)，由于自重G的作用，會沿著分離輥的軸向下滑，同時(shí)被導(dǎo)料板引導(dǎo)進(jìn)入每一對相向轉(zhuǎn)動的分離輥所形成的凹槽內(nèi)。為了便于分析，假設(shè)斷稈和莢果均為規(guī)則的圓柱狀，被分離輥?zhàn)トr(shí)，分別受到分離輥?zhàn)饔糜谧ト〔课坏闹Х戳、Ng和抓取力T、Tg。其受力分析如圖3所示。

1.殼體 2.葉輪 3.葉片 4.底殼 5.進(jìn)氣口 6.舌部 7.出氣口

圖3 受力分析Fig.3 Diagram of force analysis

正常工作的分離輥應(yīng)滿足能夠抓取斷稈但不抓取花生莢果的要求[12]。在忽略重力影響的情況下，要使分離輥能夠抓取斷稈，應(yīng)滿足在y軸上的合力是沿負(fù)方向的，即

Tcosαj-Nsinαj>0

(1)

cosαj-Nsinαj>0

(2)

由于T=Nμj，代入式(1)化簡得到

tanαj<μj

式中μj—分離輥與斷稈的摩擦因數(shù)；

αj—分離輥與斷稈的起始抓取角；

dj—斷稈直徑；

D—分離輥直徑；

h—分離輥間隙。

同理，要使莢果不被分離輥擠壓破碎，必須滿足以下的條件，即

tanαg>μg

式中μg—分離輥與莢果的摩擦因數(shù)；

αg—分離輥與莢果的起始抓取角。

設(shè)分離輥與斷稈和莢果的摩擦角分別為φj、φg，則μj=tanφj,μg=tanφg。分離輥的工作條件是：αj<φj、αg>φg。綜上所述，需要滿足的條件如下：分離輥對斷稈的起始抓取角αj應(yīng)小于分離輥與斷稈的摩擦角φj，分離輥對花生莢果的起始抓取角αg應(yīng)大于分離輥與花生莢果的摩擦角φg。

3.3.2 分離輥主要參數(shù)確定

分離輥的參數(shù)主要包括分離輥的材料、直徑D、長度l、間隙h及轉(zhuǎn)速v等。這些參數(shù)直接決定著斷稈分離裝置的分離效果，在保證分離效果的同時(shí)應(yīng)盡量使分離輥的能耗小，使用壽命長。

分離輥均采用尼龍棒加工制成，兩端鑲嵌鋼制軸頭。依據(jù)上述的分離輥正常工作條件，即分離輥對斷稈的起始抓取角αj應(yīng)小于分離輥與斷稈的摩擦角φj，分離輥對花生莢果的起始抓取角αg應(yīng)大于分離輥與花生莢果的摩擦角φg，由式(2)可推導(dǎo)出分離輥直徑的取值范圍為

(3)

式中dj—莢果直徑。

分離輥的間隙h的選取是否合理直接影響分離性能。間隙過小會使分離輥無法抓取斷稈或分離效果較差，過大則容易損傷破碎莢果甚至造成莢果損失，所以設(shè)計(jì)的分離輥間隙調(diào)節(jié)范圍在2～4mm之間。

由表1可知：花生莢果的寬度和厚度極為相近，可近似將莢果看成圓柱體，其直徑為8.6～17.5mm，斷稈直徑為1.3～5.2mm，莢果與斷稈和分離輥的摩擦因數(shù)分別為0.42、0.45。將數(shù)據(jù)代入式(3)中,可計(jì)算出分離輥直徑的取值范圍為34～60mm。出于對分離輥的對數(shù)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用壽命的考慮，通過試驗(yàn)考察，確定分離輥直徑為40mm。

4 斷稈分離試驗(yàn)

由于本試驗(yàn)是在輕雜物清理試驗(yàn)之后進(jìn)行的，故依據(jù)前面試驗(yàn)結(jié)果，選擇橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為920r/min，落料口寬度為50mm，滑板到風(fēng)機(jī)葉輪的距離為100mm，待清選物料的喂入量為1kg/s。

本試驗(yàn)選定分離輥轉(zhuǎn)速與分離裝置傾角作為試驗(yàn)因素，以清潔率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行雙因素試驗(yàn)。在本試驗(yàn)中，由于測得花生果與分離輥的摩擦角為25°，考慮到傾角過大時(shí)物料下滑速度太快會導(dǎo)致分離時(shí)間變短，可能達(dá)不到很好的分離效果，所以將分離裝置傾角的取值定為25°、30°、35°、40°這4個水平值，分離輥轉(zhuǎn)速的因素水平取值為200、300、400、500r/min。試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。從方差分析表中可以看出，分離裝置傾角和分離輥轉(zhuǎn)速對花生莢果的清潔率都非常顯著的影響。

表2 雙因素試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Test methods and results

方差分析Table 3 Variance analysis

以清潔率Q為目標(biāo)函數(shù)，以分離裝置傾角X1和分離輥轉(zhuǎn)速X2為自變量，建立數(shù)學(xué)模型。通過MatLab數(shù)據(jù)處理軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理，得到二次多項(xiàng)式回歸方程為

回歸方程的相關(guān)系數(shù)R=0.981 8，剩余標(biāo)準(zhǔn)差為0.196 1，表明該回歸方程擬合程度較好。對回歸方程進(jìn)行方差分析可知，該回歸模型非常顯著。繪制分離裝置傾角、分離輥轉(zhuǎn)速與清潔率之間的響應(yīng)曲面，如圖4所示。

從圖4中可以看出：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著分離裝置傾角與分離輥轉(zhuǎn)速的增大，清潔率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是由于傾角較小時(shí)，物料下滑速度慢，容易堆積導(dǎo)致斷稈分離效果較差；隨著傾角的增大，清潔率得到了提高, 但是傾角過大時(shí)，下滑速度過快，分離輥對物料的作用時(shí)間變短致使清潔率略有下降。同時(shí)，由于分離輥上加工有螺旋推送槽，對物料具有推送作用，轉(zhuǎn)速增大時(shí)，能增大物料下滑速度以及分離輥對物料的作用頻率,從而清潔率會有提升；轉(zhuǎn)速過大時(shí)，會使物料的速度太快，分離輥對物料的作用時(shí)間減短，導(dǎo)致清選效果有所下降。

圖4 分離裝置傾角和分離輥轉(zhuǎn)速對清潔率的影響Fig.4 Response-surface of cleaning rate with the separating device angle and roller speed

由響應(yīng)曲面可以看出：當(dāng)分離裝置傾角與分離輥轉(zhuǎn)速分別為33°、412r/min時(shí)，清選效果最好，清潔率到達(dá)99.38%。

5 結(jié)論

1) 花生收獲機(jī)清選系統(tǒng)試驗(yàn)臺主要由輕雜物清理裝置與斷稈分離裝置組成，采用氣吸和對輥分離組合式清選原理，初步解決了花生莢果的清選問題，結(jié)構(gòu)簡單。

2) 試驗(yàn)臺的滑板、橫流風(fēng)機(jī)和斷稈分離裝置等主要工作部件的結(jié)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)均可進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠滿足不同工作條件的清選試驗(yàn)要求，最大可能模擬真實(shí)田間作業(yè)環(huán)境。

3) 根據(jù)斷稈分離試驗(yàn)可知：在不改變試驗(yàn)臺其他工作參數(shù)條件下，分離裝置傾角和分離輥轉(zhuǎn)速在33°、

412r/min清選效果達(dá)到最好，清潔率為99.38%，達(dá)到了國家對花生聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)的清選質(zhì)量要求。