基于多點分布的脫粒裝置凹板力學(xué)特征

胡金鵬，王升升，周罕覓，解曉琳，張瑞紅

(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

紋桿-柵格凹板式脫粒裝置作為傳統(tǒng)軸流脫粒組合形式的一種，廣泛應(yīng)用于小麥、油菜、種用白菜植株等作物的脫粒[1-3]，其脫粒元件與被脫粒物料之間的脫粒機理主要表現(xiàn)為沖擊和揉搓作用。沖擊、揉搓等脫粒作用的強弱程度對脫出物各項脫粒性能指標(biāo)均具有重要的影響[4]。因此，以脫粒裝置受力大小來表征物料受沖擊和揉搓的程度，探究脫粒裝置與物料間的相互作用機理，是開展聯(lián)合收獲裝備脫粒理論研究的重要內(nèi)容之一。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對脫粒滾筒內(nèi)部的負荷檢測開展了較多研究。文獻[5]用驅(qū)動脫粒滾筒無級變速器液壓缸的油壓力表征脫粒滾筒負荷。文獻[6]分析了傳動鏈張緊力和喂入量之間的關(guān)系，用傳動鏈張緊力表征脫粒滾筒負荷。文獻[7-8]以脫粒滾筒主軸扭矩代表滾筒負荷，對其大小和變化規(guī)律進行了測定。以上研究均是以整個脫粒滾筒為研究對象，可大致反映脫粒裝置整體受力大小及變化趨勢。而凹板作為與物料直接接觸的部件，同樣與物料之間存在相互作用力。文獻[9]測定了玉米動態(tài)脫粒過程中凹板后部的作用力以及脫粒滾筒的扭矩，并考查了喂入量對力及扭矩的影響。文獻[10]以凹板后側(cè)油缸油壓力來表征滾筒負荷，設(shè)計了由凹板間隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)和凹板后側(cè)油壓力采集系統(tǒng)組成的脫粒滾筒負荷監(jiān)測和凹板間隙調(diào)節(jié)裝置。兩者均是對凹板整體受力進行研究，而柵格凹板不同位置實際受力情況均有差別，脫粒與分離效果也與各點所受載荷有關(guān)。國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)針對脫粒裝置柵格凹板不同位置載荷大小的研究。因此，開展動態(tài)脫粒過程中柵格凹板反力分布特性研究具有一定的理論價值。

本文針對軸流脫粒裝置脫?？臻g內(nèi)部受力情況復(fù)雜、安裝空間狹小、檢測裝置難以固定等問題，基于自行研制的橫軸流紋桿式脫粒裝置，搭建了多點分布式柵格凹板反力檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了動態(tài)脫粒工況不同位置物料與柵格之間相互作用力的實時檢測，并考察了喂入量和滾筒轉(zhuǎn)速對凹板受力、籽粒未脫凈率、夾帶損失率等性能指標(biāo)的影響，從力的角度進一步揭示了脫粒機理，為智能化聯(lián)合收獲裝備的研發(fā)提供了參考依據(jù)。

1 動態(tài)凹板反力檢測系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

脫粒裝置凹板反力檢測試驗臺，由橫軸流紋桿式脫粒裝置和動態(tài)凹板反力檢測系統(tǒng)組成，可實時采集動態(tài)脫粒過程中柵格凹板與物料之間的凹板反力信號。橫軸流紋桿式脫粒裝置主要由輸送裝置、脫粒滾筒、柵格凹板等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。其主要工作參數(shù)為：脫粒滾筒直徑450 mm，長度900 mm，凹板包角220°，滾筒轉(zhuǎn)速、輸送帶速度、脫粒間隙均可調(diào)。其工作原理為：物料在輸送帶的輸送作用下進入脫?？臻g，在紋桿與柵格凹板的共同作用下，物料不斷沿切向、軸向運動，籽粒、短莖稈不斷被脫下，由接料裝置收集后進行人工處理。動態(tài)凹板反力檢測系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)由電阻應(yīng)變片式傳感器、DH5902動態(tài)信號采集儀、信號處理終端和數(shù)據(jù)處理與分析軟件組成。凹板反力信號由電阻應(yīng)變片式傳感囂測得，經(jīng)應(yīng)變線傳送至信號處理終端，由數(shù)據(jù)處理與分析軟件進行實時顯示、記錄和存儲。

1.2 柵格受力分析

圖3 柵格受力示意圖

脫?？臻g內(nèi)部在高速旋轉(zhuǎn)的紋桿沖擊作用下，物料沿脫粒滾筒切向做加速運動，此時，被紋桿壓實的物料與凹板中的柵格發(fā)生接觸，進而產(chǎn)生連續(xù)的沖擊、搓擦作用，克服物料中籽粒、莖稈本身的應(yīng)力極限，實現(xiàn)脫粒[11]。在物料連續(xù)均勻喂入的情況下，脫粒空間內(nèi)部形成物料流，柵格受力示意圖見圖3。沿滾筒轉(zhuǎn)速方向，柵格分別受到平行于其上表面的搓擦力F2以及作用在其一側(cè)的沖擊載荷F1，同時受到垂直于其上表面的壓力P。其中，以沖擊載荷和搓擦力為主的動態(tài)凹板反力變化，最能體現(xiàn)脫?？臻g內(nèi)部力學(xué)形式和力值大小對各脫粒指標(biāo)的影響。

脫粒過程中，柵格固定在凹板篩托架上，在物料連續(xù)均勻喂入的情況下，同一柵格各個位置均受到來自物料的反作用力F1和F2。因此，可將每一個固定不動的柵格看作懸臂梁[12]。假設(shè)脫粒過程中，單位時間τ內(nèi)一定質(zhì)量M1的物料以速度V1作用在某一柵格上，基于沖量定理，得到如下公式：

(1)

F*=F1+F2,

(2)

其中：M1、M2分別為作用前后物料的質(zhì)量，kg；V1、V2分別為作用前后物料的速度，m/s；F1為物料的沖擊力，N；F2為物料作用在柵格表面的搓擦力，N；F*為物料作用在柵格上的沖擊力和搓擦力的總和，N；τ為物料與柵格接觸作用時間，s。

柵格在物料沖擊載荷和搓擦力的作用下發(fā)生相應(yīng)的微變形即應(yīng)變，進而產(chǎn)生應(yīng)力。結(jié)合文獻[13]，應(yīng)力可以表征柵格在動態(tài)脫粒過程中受物料沖擊、搓擦的程度。根據(jù)材料力學(xué)，柵格內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力類型為彎曲應(yīng)力，彎曲應(yīng)力計算公式為：

(3)

其中：σmax為柵格最大彎曲應(yīng)力；Mmax為合力產(chǎn)生的最大彎矩；l為柵格高度；Wz為柵格的抗彎截面模量。由式(3)可知：柵格所受應(yīng)力與單位時間內(nèi)物料作用于其表面的質(zhì)量和速度有關(guān)，即與脫粒裝置喂入量及滾筒轉(zhuǎn)速有關(guān)。軸流脫粒裝置在實際工作過程中，隨著脫粒過程的進行，物料沿軸向做螺旋運動，速度不斷發(fā)生變化，籽粒不斷被脫下，物料的質(zhì)量、體積不斷減小，因此，凹板柵格所受應(yīng)力大小應(yīng)與物料所處的位置有關(guān)。

1.3 柵格凹板動態(tài)反力檢測方法

動態(tài)脫粒過程中作用于柵格上的沖擊力、搓擦力導(dǎo)致柵格發(fā)生應(yīng)變，產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)變由電阻應(yīng)變片式傳感器獲得，應(yīng)力信號由堅固型DH5902動態(tài)信號采集儀(江蘇東華測試公司生產(chǎn))進行采集、處理。DH5902動態(tài)信號采集儀通道數(shù)為16，最高采樣頻率100 kHz，失真度小于0.5% ，電阻應(yīng)變片式傳感器阻值為120 Ω，靈敏系數(shù)為2.0，基底尺寸為6.9 mm×3.9 mm。

如圖3所示，對單個柵格進行受力分析可知：柵格在承受沖擊力、搓擦力的同時，還受到物料層對柵格表面的壓力。為了排除垂直方向壓力對測定值的影響，選用4片電阻值為120 Ω的電阻應(yīng)變片，采用對稱、全橋連接的方案進行布片。此布片方式適用于只測定彎曲應(yīng)變的情況，消除了拉伸和壓縮應(yīng)變，即消除了壓力P對測定結(jié)果的影響，同時起到了溫度自動補償?shù)淖饔肹14-15]。懸臂梁發(fā)生變形時的最大應(yīng)變及應(yīng)力分布在懸臂梁與支撐的固結(jié)處。因此，為了能在保證傳感器正常工作的同時，測定柵格所受反力產(chǎn)生的最大應(yīng)力，根據(jù)前期針對傳感器貼片位置進行的多組預(yù)試驗結(jié)果，最終確定貼片位置為柵格中心距底部5 mm處。應(yīng)變片布片及接線方式如圖4所示，圖4中，R1、R2、R3、R4均表示應(yīng)變片。

圖4 應(yīng)變片布片及接線方式

為實現(xiàn)柵格凹板不同位置反力的測定，凹板柵格的結(jié)構(gòu)及固定方式如圖5所示。為保證貼片質(zhì)量，沿貼片位置切向的柵格兩側(cè)均未加工篩孔。凹板篩中各個柵格均固定在凹板托架卡槽之中，且相鄰兩柵格之間均留有空隙，互不接觸，獨立工作。該設(shè)計的目的是為了使同一軸向位置處的凹板柵格，在動態(tài)脫粒過程中，僅受單位時間內(nèi)作用在各個獨立柵格表面的物料的平均反作用力，相互之間無影響。

本研究分別在柵格凹板喂入、脫粒、分離各段沿切向選取3個區(qū)段(測點1～測點3，測點4～測點6，測點7～測點9)。其中，測點2、測點5和測點8處于凹板中部同一軸向位置，測點3、測點6和測點9處于凹板后部同一軸向位置，測點1位于喂入口處，測點4和測點7處于凹板前部同一軸向位置。共計9個測點，測點實際布置如圖6所示。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

脫粒試驗在河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院實驗室進行，選取河南省濟源市育種基地內(nèi)大面積種植的種用白菜植株 “晉菜三號F1”為試驗對象，2019年5月23日于試驗田內(nèi)隨機選取待收獲無倒伏植株進行人工收割，并及時完成脫粒試驗。試驗開始前，測得角果含水率(質(zhì)量分數(shù)，下同)28.23%～34.22%，籽粒含水率23.90%～28.09%，莖稈含水率51.60%～60.30%，谷草質(zhì)量比0.13～0.16。

2.2 試驗方法

正式試驗前，分別進行喂入量、轉(zhuǎn)速及脫粒間隙的預(yù)試驗，得到各因素的合理取值為：滾筒轉(zhuǎn)速450～950 r/min，喂入量0.6～1.6 kg/s，脫粒間隙10～25 mm。基于預(yù)試驗結(jié)果，為盡可能保證傳感器性能穩(wěn)定，降低試驗誤差，及時完成檢測，所有試驗均使用同一柵格凹板進行。固定脫粒間隙為20 mm，分別考察喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速對凹板反力、籽粒未脫凈率及夾帶損失率的影響。

圖7 動態(tài)凹板反力檢測試驗現(xiàn)場圖

試驗參照GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機械試驗條件 測定方法的一般規(guī)定》[16]和GB/T 5982—2017《脫粒機 試驗方法》的要求進行[17]。檢測開始前，將一定喂入量的種用白菜植株均勻鋪放到輸送速度為1 m/s的輸送帶上，并留有5 m的加速調(diào)整區(qū)；同時啟動脫粒裝置和DH5902動態(tài)信號采集儀，待脫粒裝置穩(wěn)定運轉(zhuǎn)后，將動態(tài)信號采集儀各通道值平衡清零，啟動輸送帶，完成輸送、喂入、脫粒及各通道壓力信號的采集，每組試驗重復(fù)3次。動態(tài)凹板反力檢測試驗現(xiàn)場圖見圖7。

試驗過程中，記錄各測點凹板反力實時變化，統(tǒng)計各測點篩面載荷平均值，脫出物經(jīng)人工處理后，得到各工況下籽粒的未脫凈率及夾帶損失率。籽粒未脫凈率及夾帶損失率計算公式為：

(4)

(5)

其中：YW為籽粒未脫凈率，%；YJ為夾帶損失率，%；MW為未脫凈籽粒質(zhì)量，g；MJ為夾帶籽粒質(zhì)量，g；MZ為脫出籽粒總質(zhì)量，g。

3 結(jié)果與分析

3.1 動態(tài)凹板反力分布情況

為探討柵格凹板喂入、脫粒、分離段各測點在動態(tài)脫粒工況下的凹板反力變化趨勢和分布特性，在脫粒間隙為20 mm、喂入量1.2 kg/s、滾筒轉(zhuǎn)速750 r/min的試驗條件下，測點1的一組動態(tài)凹板反力實時曲線，如圖8所示。由圖8可知：0～10 s，脫粒滾筒處于空轉(zhuǎn)階段，物料尚未喂入，各測點應(yīng)力值均處在0 MPa附近。10～30 s，物料開始連續(xù)喂入，各測點柵格依次與物料發(fā)生沖擊和搓擦作用，應(yīng)力值瞬間上升。動態(tài)脫粒過程中，柵格不斷受到物料的沖擊和搓擦，所受應(yīng)力值不斷發(fā)生變化，且出現(xiàn)多個應(yīng)力峰值點。30 s之后，物料停止喂入，各測點應(yīng)力值開始下降，并最終維持在一定值。整個脫粒過程持續(xù)20 s左右，脫粒段曲線應(yīng)力值隨時間不斷發(fā)生變化，應(yīng)力峰值大小集中在一定范圍內(nèi)。動態(tài)脫粒過程中，各測點曲線變化規(guī)律相似，且沿脫粒滾筒軸向及切向分布的測點，其應(yīng)力峰值之間存在一定的變化趨勢。為便于描述各測點應(yīng)力峰值大小，選取5個應(yīng)力峰值點，取其平均值為特征值，以表征各測點應(yīng)力分布情況。在脫粒間隙為20 mm、喂入量1.2 kg/s、滾筒轉(zhuǎn)速750 r/min的試驗條件下，統(tǒng)計各測點應(yīng)力峰值大小，如圖9所示，試驗重復(fù)3次。

由圖9可知：各測點曲線應(yīng)力峰值存在明顯不同，表明柵格凹板與物料之間的相互作用力與柵格所在位置有關(guān)。柵格凹板各段沿切向分布的3個區(qū)段(測點1、2、3；測點4、5、6；測點7、8、9)，其應(yīng)力峰值均逐漸減小；沿軸向分布的測點(測點1、4、7；測點2、5、8；測點3、6、9)，其應(yīng)力峰值也呈下降趨勢。出現(xiàn)這種情況的主要原因是：種用白菜植株自喂入口沿切向喂入后，沿軸向做螺旋運動。在此過程中，由于物料受到紋桿、柵格的擠壓和搓擦作用，籽粒及短莖稈不斷被脫下，質(zhì)量不斷減小，物料層厚逐漸被拉薄，與柵格之間的作用程度減弱，因此，沿切向、軸向各測點所得應(yīng)力峰值，不斷減小。同時，測點3與測點4、測點6與測點7應(yīng)力峰值接近，且測點3應(yīng)力峰值略大于測點4的，測點6應(yīng)力峰值也略大于測點7的。主要原因是測點3和測點6分別為喂入段、脫粒段凹板切向的最后一個測點，處于頂蓋上導(dǎo)流板的前一部分，而測點4與測點7分別為脫粒段、分離段凹板的第一個測點，為頂蓋上導(dǎo)流板的后一部分，物料沿測點3和測點6向測點4和測點7運動，該階段物料在慣性力的作用下緊貼導(dǎo)流板運動，幾乎不存在脫粒過程，物料的質(zhì)量、體積基本不變，僅速度降低[18]，故該階段應(yīng)力峰值變化不大。

3.2 喂入量對凹板反力及脫分性能的影響

在脫粒間隙為20 mm、滾筒轉(zhuǎn)速為750 r/min的情況下，進行不同喂入量的試驗研究，各組試驗均重復(fù)3次取平均值。不同喂入量時各測點應(yīng)力峰值如表1所示。

表1 不同喂入量時各測點應(yīng)力峰值 MPa

由表1可知：柵格凹板各測點應(yīng)力峰值均隨喂入量的增大而增大，當(dāng)喂入量較小時，物料層較薄，物料層受到紋桿的壓實作用較小，作用在柵格篩面的搓擦力也較小，物料層對柵格的沖擊作用較弱；當(dāng)喂入量增加，物料層對柵格的壓實作用、沖擊作用均增強，柵格變形增大，應(yīng)力峰值增加。

測點2、測點5和測點8分別處于各區(qū)段的中間位置，運動到此處已經(jīng)處于較為穩(wěn)定的脫粒狀態(tài)，因此，以上3個測點的載荷值能夠反映軸向各區(qū)段動態(tài)脫粒力的分布情況。對不同喂入量的3個測點數(shù)據(jù)進行多項式非線性擬合，分別得到各測點凹板反力的擬合曲線，如圖10所示。測點2、測點5和測點8的擬合方程決定系數(shù)R2分別為0.967、0.959和0.992，表明方程擬合良好，能夠反映各測點凹板反力與喂入量之間的函數(shù)關(guān)系。

圖11為不同喂入量時脫粒性能變化。由圖11可知：籽粒未脫凈率、夾帶損失率均隨著喂入量的增加逐漸上升，籽粒未脫凈率增大比較緩慢，夾帶損失率增大比較明顯。這是因為在喂入量較小時，物料較少，單個白菜角果受到的擠壓、揉搓作用比較顯著，脫粒比較徹底，未脫凈率比較小，此時物料層比較薄，脫下來的籽粒容易穿過物料層和凹板完成分離。當(dāng)喂入量增大時，物料較多，單個角果受到的擠壓、揉搓作用減弱，但由于物料內(nèi)部之間同樣存在搓擦、梳刷和擠壓的作用，且物料層越厚，此作用越顯著，籽粒未脫凈率增加的幅度越小，但層厚增加，脫下來的籽粒穿過物料層的概率大大降低，導(dǎo)致夾帶損失率增大[19-20]。

3.3 滾筒轉(zhuǎn)速對凹板反力及脫分性能的影響

在脫粒間隙為20 mm、喂入量為1.0 kg/s的情況下，進行不同滾筒轉(zhuǎn)速的試驗研究，各組試驗均重復(fù)3次，取平均值，不同滾筒轉(zhuǎn)速時各測點應(yīng)力峰值如表2所示。由表2可知：柵格凹板測點1～測點4的應(yīng)力峰值隨滾筒轉(zhuǎn)速增大而增大，測點5～測點9應(yīng)力峰值隨滾筒轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)降低趨勢。這是因為在喂入、脫粒段的前半段，物料層在紋桿作用下加速運動，隨著滾筒轉(zhuǎn)速增加，單位時間內(nèi)物料對柵格篩的沖擊、搓擦力度增大。此時，多數(shù)籽粒、斷桿被脫下，且滾筒轉(zhuǎn)速越快，脫粒過程越徹底，滾筒內(nèi)部剩余物料質(zhì)量、體積就越低，導(dǎo)致在脫粒段后半段以及整個分離段，測點的應(yīng)力峰值受單位時間內(nèi)作用于柵格上的物料質(zhì)量不斷減少的影響而逐漸降低。

表2 不同滾筒轉(zhuǎn)速時各測點應(yīng)力峰值 MPa

同樣，對不同滾筒轉(zhuǎn)速時各測點數(shù)據(jù)進行多項式非線性擬合，分別得到測點2、測點5和測點8凹板柵格應(yīng)力與滾筒轉(zhuǎn)速之間的擬合方程式，不同滾筒轉(zhuǎn)速時凹板反力擬合曲線如圖12所示。由圖12可知：測點2、測點5和測點8的擬合方程決定系數(shù)R2分別為0.949、0.963和0.989，表明方程擬合度較高，能夠反映各測點應(yīng)力與滾筒轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系。

圖13為不同滾筒轉(zhuǎn)速時脫粒性能變化。由圖13可知：隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，籽粒未脫凈率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，夾帶損失率則逐漸降低。主要原因是：滾筒轉(zhuǎn)速較低時，物料層受柵格篩作用力較小，沖擊次數(shù)較少，處于物料層內(nèi)外位置的白菜角果均不易破碎，導(dǎo)致籽粒未脫凈率較高；隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，白菜角果所受柵格沖擊次數(shù)和沖擊力均提高，脫粒程度逐漸增強，籽粒未脫凈率逐漸降低；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速超過一定值時，物料停留在脫粒裝置內(nèi)部的時間越來越短，夾雜在物料層內(nèi)部的角果未實現(xiàn)脫粒就被排出，籽粒未脫凈率開始增高。而隨著物料層逐漸拉薄，受沖擊、揉搓程度也相對增強，籽粒穿過物料層的概率越來越高，夾帶損失率逐漸降低。

隨著喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速的增加，脫料凹板所受反力與物料之間的相互作用力呈非線性變化，主要脫粒區(qū)域的凹板反力呈非線性增長，但籽粒未脫凈率、夾帶損失率卻呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。這表明：脫粒裝置的喂入量和滾筒轉(zhuǎn)速的改變，可由物料與凹板之間相互作用力大小的變化反映出來，但不同參數(shù)的改變，對物料的層厚密度、物料在脫粒裝置內(nèi)受沖擊的次數(shù)以及物料在脫粒裝置內(nèi)的停留時間等的影響是不同的，從而導(dǎo)致籽粒未脫凈率、夾帶損失率等指標(biāo)的變化也不同。

4 結(jié)論

(1)基于橫軸流紋桿式脫粒裝置，搭建了多點分布式柵格凹板反力檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了不同位置、多個測點處凹板柵格與物料之間凹板反力的實時測量。各測點應(yīng)力峰值變化趨勢為：喂入、脫粒、分離段測點(測點1、2、3；測點4、5、6；測點7、8、9)應(yīng)力峰值沿切向不斷降低，同一軸向位置處測點(測點1、4、7；測點2、5、8；測點3、6、9)應(yīng)力峰值不斷減小，較好地反映了橫軸流紋桿式脫粒裝置凹板篩面載荷的變化情況。

(2)喂入量從0.6 kg/s增加到1.6 kg/s，柵格凹板各測點應(yīng)力峰值、籽粒未脫凈率及夾帶損失率均隨喂入量增大而增大，籽粒未脫凈率增加較為緩慢。滾筒轉(zhuǎn)速從450 r/min增加到950 r/min，柵格凹板喂入段、脫粒前段(測點1～測點4)各測點應(yīng)力峰值隨滾筒轉(zhuǎn)速增大而增大，脫粒后段以及分離段(測點5～測點9)各測點應(yīng)力峰值隨滾筒轉(zhuǎn)速增大而減?。蛔蚜Ｎ疵搩袈孰S滾筒轉(zhuǎn)速增大呈現(xiàn)先降低后增大的變化趨勢，夾帶損失率隨滾筒轉(zhuǎn)速增大逐漸降低。喂入量和滾筒轉(zhuǎn)速的改變，可由物料與凹板之間相互作用力大小的變化反映出來，但不同參數(shù)的改變對脫粒性能指標(biāo)產(chǎn)生的影響不同。