大豆聯(lián)合收獲機(jī)氣力卸糧裝置的設(shè)計與試驗(yàn)

郭飛揚(yáng) 金誠謙,2* 俞 康 陳艷普 滕悅江 王廷恩

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

大豆聯(lián)合收獲機(jī)卸糧以螺旋輸送器輸送為主，卸糧過程中大豆籽粒不可避免地出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，因此設(shè)計一種能降低破碎率的卸糧裝置具有重要意義[1-5]。為提高螺旋輸送器工作性能，國內(nèi)常采用建立螺旋輸送試驗(yàn)臺通過試驗(yàn)獲得最佳工作參數(shù)或利用軟件建立功耗模型的方法降低功耗、提高生產(chǎn)率[6-7]。國外對卸糧系統(tǒng)研究起步較早，為延長卸糧距離，設(shè)計了一種兩段鉸接式卸糧筒[8]，聯(lián)合收獲機(jī)田間作業(yè)時占用較少空間，卸糧時兩段卸糧筒拼接，延長了工作距離。近幾年小型聯(lián)合收獲機(jī)卸糧系統(tǒng)多與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合，國外已有研究[9]利用激光測距儀和GNSS，使卸糧筒出口精確對準(zhǔn)谷物容器，保證收獲機(jī)在工作同時也能精準(zhǔn)卸糧。

國內(nèi)外各種類型收獲機(jī)卸糧方式均采用螺旋輸送器，主要依靠籽粒與螺旋輸送器葉片之間的摩擦力來輸送籽粒，而螺旋輸送器與卸糧筒內(nèi)壁存在空隙，對籽粒擠壓搓擦，產(chǎn)生破碎[10-11]；而氣力輸送能避免對籽粒的擠壓搓擦，減少破碎[12-15]，但目前氣力輸送在農(nóng)業(yè)上多用于散糧入倉、秸稈還田、施肥播種等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，尚未有聯(lián)合收獲機(jī)卸糧系統(tǒng)采用氣力輸送方式[16-19]。本研究旨在設(shè)計一種大豆聯(lián)合收獲機(jī)氣力卸糧系統(tǒng)，能將糧箱內(nèi)大豆均勻地卸出，顯著減小卸糧過程中籽粒的破碎損失。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

氣力卸糧裝置由團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計研制，安裝在團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的履帶式聯(lián)合收獲機(jī)卸糧系統(tǒng)中，該系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、卸糧裝置、糧箱以及卸糧筒等構(gòu)成(圖1)?？紤]到聯(lián)合收獲機(jī)在田間作業(yè)時，需要較長的輸送距離以及方便檢修的目的，輸送方式選用壓送式。主要參數(shù)見表1。

1.風(fēng)機(jī)；2.機(jī)架；3.氣力卸糧裝置；4.卸糧軟管；5.卸糧筒；6.糧箱1.Fan;2.Frame;3.Pneumatic grain unloading device;4.Grain discharge hose;5.Grain unloader;6.Granary圖1 氣力卸糧系統(tǒng)Fig.1 Pneumatic grain unloading system

表1 氣力卸糧系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of pneumatic grain unloading system

聯(lián)合收獲機(jī)田間作業(yè)時，糧箱內(nèi)糧食因重力作用堆積在氣力卸糧裝置頂部。卸糧開始后，風(fēng)機(jī)先開始轉(zhuǎn)動，待風(fēng)機(jī)穩(wěn)定后，電機(jī)通過鏈傳動帶動氣力卸糧裝置內(nèi)部葉輪轉(zhuǎn)動，將糧箱內(nèi)糧均勻地輸送到氣力卸糧裝置底部，為保證氣密性，葉輪的葉片上用螺栓固定有橡膠墊，保證風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)不會通過氣力卸糧裝置；風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)將從氣力卸糧裝置落下的糧食沿卸糧軟管送至卸糧筒出口，最終糧箱內(nèi)的糧食卸出機(jī)外。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 糧箱設(shè)計

糧箱是聯(lián)合收獲機(jī)重要部件，用于儲存田間作業(yè)時收獲的糧食。氣力卸糧用糧箱與普通糧倉相比減少了位于糧箱底部的水平螺旋輸送器，卸糧時為使糧箱內(nèi)籽粒全部卸出，糧箱下部應(yīng)設(shè)計為梯臺形狀，且糧箱底部薄板與水平方向夾角應(yīng)大于糧食休止角，大豆籽粒休止角約為19°～23°[20]，考慮到剛收獲的大豆灰塵較多，滾動摩擦力變大，糧箱底部薄板與水平面夾角應(yīng)大于25°才能保證卸糧后糧倉內(nèi)無殘余大豆籽粒。糧箱的容積按照聯(lián)合收獲機(jī)喂入量及車身大小進(jìn)行設(shè)計[21]，試驗(yàn)車作業(yè)時喂入量約為2.5 kg/s，糧倉容積應(yīng)在1 m3內(nèi)。根據(jù)車身大小，設(shè)計糧箱長、寬、高分別為155、80和84 cm，左右兩薄板與水平方向夾角為40°，前后兩薄板與水平方向夾角為27°，此時糧箱容積約為830 L，糧箱出口尺寸為35 cm×16 cm。

2.2 氣力卸糧裝置設(shè)計

氣力卸糧裝置由通風(fēng)室、葉輪、端蓋和分糧室組成(圖2)。該裝置安裝在糧箱下部，依靠電機(jī)帶動葉輪轉(zhuǎn)動和糧食自身重力將糧箱內(nèi)糧食連續(xù)均勻地卸出到通風(fēng)室，而且葉輪與分糧室內(nèi)壁要保證氣密性，使糧箱內(nèi)糧食不會在收獲機(jī)田間作業(yè)時落入通風(fēng)室造成堵塞，也不會因在卸糧時因漏風(fēng)導(dǎo)致風(fēng)壓減小從而降低輸送能力。分糧室內(nèi)壁橫截面直徑大小能直接影響到卸糧過程中糧食搓擦的接觸面大小以及卸糧效率大小，還會影響到葉輪長度、葉輪上葉片數(shù)量和寬度。氣力卸糧裝置的分糧室分為進(jìn)糧區(qū)、運(yùn)糧區(qū)、排糧區(qū)以及空閑區(qū)(圖3(a))，為方便計算，將分糧室模型簡化為直徑為d的圓(圖3(b))。

1.通風(fēng)室；2.葉輪；3.端蓋；4.分糧室1.Ventilation room;2.Impeller;3.Cover;4.Separated grain room圖2 氣力卸糧裝置構(gòu)成Fig.2 Composition of pneumatic grain unloading device

H為進(jìn)糧區(qū)；I為運(yùn)糧區(qū)；J為排糧區(qū)；K為空閑區(qū)。 d為分糧室橫截面直徑，mm；α、β、γ、δ分別為運(yùn)糧區(qū)、排糧區(qū)、空閑區(qū)和進(jìn)糧區(qū)對應(yīng)角度，rad。H is feeding area;I is transport area;J is discharged area;K is free area. d is the cross-section diameter of separated grain room,mm;α，β，γ and δ are the angle of transport area,discharged area,free area and feeding area,rad.圖3 分糧室分區(qū)域說明(a)及其簡化模型(b)Fig.3 Regional map of separated grain room (a) and simplification (b)

分糧室內(nèi)壁橫截面直徑與葉輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

(1)

式中：t1為某一籽粒經(jīng)過運(yùn)糧區(qū)的時間，s；L為運(yùn)糧區(qū)的弧長，mm；α為運(yùn)糧區(qū)對應(yīng)的角度，rad；d為分糧室橫截面直徑，mm；v為葉輪邊緣處線速度，m/s；n1為葉輪轉(zhuǎn)速，r/min。由式(1)得：

(2)

由式(2)可見，籽粒在運(yùn)糧區(qū)的時間t僅與運(yùn)糧區(qū)對應(yīng)角度α以及葉輪轉(zhuǎn)速n1有關(guān)。

葉輪在分糧室內(nèi)不工作時應(yīng)起到阻斷糧箱與通風(fēng)室的作用，以防止糧箱內(nèi)糧食受重力作用流入通風(fēng)室，葉輪葉片數(shù)量與運(yùn)糧區(qū)對應(yīng)角度應(yīng)滿足式(3)：

(3)

式中：d0為葉輪直徑，mm；z為葉輪葉片數(shù)量；β為排糧區(qū)對應(yīng)的角度，rad。由式(3)可得：

(4)

由式(4)可以看出葉輪葉片數(shù)量與運(yùn)糧區(qū)和排糧區(qū)大小有關(guān)。

根據(jù)聯(lián)合收獲機(jī)糧箱出口的大小，選取分糧室入口尺寸與糧箱出口尺寸相同，葉輪葉片長度為350 mm，葉輪直徑和分糧室橫截面直徑為200 mm，此時排糧區(qū)對應(yīng)角度α與排糧區(qū)對應(yīng)角度β分別為1.1和1.0 rad，代入式(4)得出葉輪葉片數(shù)量z取值范圍為5.7～6.3，本研究中取z=6，此時葉輪轉(zhuǎn)一周約能卸糧12 L至輸送管道，為保證葉輪強(qiáng)度，中間轉(zhuǎn)軸直徑取40 mm。

2.3 氣力輸送設(shè)計

氣力卸糧主要依靠借助空氣使糧食在管道按指定路線運(yùn)輸，所以氣流對糧食的運(yùn)輸起決定作用。

被輸送顆粒的懸浮速度是設(shè)計氣力輸送的一個重要參數(shù)。在進(jìn)行設(shè)計前先測量大豆的懸浮速度測定試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)在山東理工大學(xué)，試驗(yàn)用大豆為鄭豆1307，含水率為11.0%，測3次并取平均值得到大豆懸浮速度為11.4 m/s，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[22-23]，通過氣流輸送糧食的最小氣流速度與懸浮速度關(guān)系為

va=kvf

(5)

式中：va為輸送糧食所需的最小氣流速度，m/s；vf為懸浮速度，m/s；k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，本次試驗(yàn)輸送管道屬于帶有彎頭的垂直管道類型，取k=2.4，則卸糧筒出口風(fēng)速應(yīng)大于27.4 m/s時，才能保證能通過氣力輸送方式將糧箱內(nèi)大豆卸出。

糧食在管道內(nèi)輸送時，要滿足聯(lián)合收獲機(jī)卸糧效率需求，需要糧食在管道內(nèi)均勻分布，孔隙率很大，即氣流速度在12～40 m/s內(nèi)，料、氣質(zhì)量比(簡稱料氣比)i≤15，稱作稀相氣力輸送[24-25]。料氣比計算方法如下：

(6)

式中：i為料氣比；qms為物料質(zhì)量流量，kg/h；qma為氣流質(zhì)量流量，kg/h；ρa(bǔ)為氣體密度，kg/m3；qVa為氣體流量，m3/h。根據(jù)式(6)計算出料氣比后，可得到葉輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)速以及管道橫截面積之間的關(guān)系：

(7)

式中：V為葉輪槽空間大小，m3；ρb為物料密度，kg/m3；r為輸送管道半徑，mm；vA為風(fēng)速，m/s。

將已知參數(shù)：葉片數(shù)量z=6，葉輪槽空間大小V=0.002 m3，物料密度ρb=1 000 kg/m3，氣體密度ρa(bǔ)=1.3 kg/m3，料氣比i=15，風(fēng)速vA=27.4 m/s代入式(7)可得到葉輪轉(zhuǎn)速n與輸送管道半徑r間的關(guān)系：

r2=119.2n1

(8)

因聯(lián)合收獲機(jī)高位卸糧的卸糧筒較長且試驗(yàn)車車身較小，卸糧筒直徑不宜超過150 mm，卸糧筒內(nèi)用于輸送的卸糧軟管內(nèi)徑應(yīng)不超過100 mm，代入式(8)得到n1≤20.9 r/min。

綜上，氣力卸糧氣力輸送部分葉輪轉(zhuǎn)速n1≤20.9 r/min，風(fēng)速vA≥27.4 m/s，輸送管道半徑r≤50 mm，具體參數(shù)還需要試驗(yàn)進(jìn)行確定。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)于2019年8月10日在山東省臨沂市河?xùn)|區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)選用鄭豆1307大豆籽粒，試驗(yàn)前測得籽粒含水率為11.0%，該品種大豆籽粒平均長、寬、厚分別為7.17、5.58、5.38 mm，百粒質(zhì)量16.8 g。試驗(yàn)前先篩選出破碎率趨于0的大豆籽粒以減少誤差。主要試驗(yàn)設(shè)備有：手持式風(fēng)速儀、秒表、橡膠軟管、網(wǎng)兜、接料袋等。

3.1 氣力卸糧裝置單因素試驗(yàn)

氣力卸糧過程中，大豆籽粒發(fā)生擠壓碰撞主要存在于卸糧裝置內(nèi)部以及氣力輸送管道中[26-27]。在進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)前應(yīng)先進(jìn)行葉輪轉(zhuǎn)速關(guān)于破碎率的單因素試驗(yàn)，探索適合葉輪工作的參數(shù)范圍。根據(jù)之前的計算選取葉輪轉(zhuǎn)速范圍為0～20 r/min。

試驗(yàn)前將卸糧裝置底部通風(fēng)室拆下，用紙箱接住從糧箱卸出籽粒，待運(yùn)行穩(wěn)定后用接料袋取樣，每組試驗(yàn)取樣3組，計算破碎率并取平均值。破碎率計算方法為：

(9)

式中:Y0為卸糧裝置破碎率，%；m0為清除破碎籽粒后的樣品質(zhì)量，g;M0為樣品質(zhì)量，g。

葉輪轉(zhuǎn)速影響破碎率的單因素試驗(yàn)結(jié)果見圖4，可以看出破碎率隨葉輪轉(zhuǎn)速升高呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，葉輪轉(zhuǎn)速大于15 r/min時破碎率升高較快，葉輪轉(zhuǎn)速在12 r/min時因葉輪轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的破碎率最低，主要是因?yàn)槿~輪轉(zhuǎn)速較低時籽粒在卸糧裝置中受擠壓搓擦?xí)r間長，葉輪轉(zhuǎn)速高時籽粒從糧箱入口流入葉輪槽內(nèi)時受力較大，導(dǎo)致破碎率升高。

圖4 葉輪轉(zhuǎn)速影響破碎率的單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Single-factor test result of the rotate speed of impeller on crushing rate

3.2 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[28-29]，影響氣力輸送過程主要因素有含水率、氣流速度和料氣比，其中氣流速度及料氣比為可調(diào)控因素，相應(yīng)選取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、葉輪轉(zhuǎn)速及卸糧軟管內(nèi)徑3個因素作為參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)變量，以大豆聯(lián)合收獲機(jī)氣力卸糧系統(tǒng)的破碎率及卸糧效率為評價指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，每組試驗(yàn)卸糧時間為30 s，取樣3次計算平均值。

3.2.1出口風(fēng)速

根據(jù)式(5)計算出的結(jié)果，若想采用氣力卸糧的方式將大豆完全卸出，卸糧筒出口風(fēng)速必須大于27.4 m/s。采用手持式風(fēng)速儀，測得不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與不同卸糧軟管內(nèi)徑匹配的出口風(fēng)速(表2)，結(jié)果表明3種風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與3種卸糧軟管內(nèi)徑組合后的出口風(fēng)速均可滿足氣力輸送要求。

表2 不同卸糧軟管內(nèi)徑和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速組合的出口風(fēng)速Table 2 Outlet air speed of different combination of unloading hose inner diameter and rotate speed of fan

3.2.2響應(yīng)面試驗(yàn)

本試驗(yàn)以氣力卸糧系統(tǒng)破碎率(以下簡稱破碎率)及卸糧效率為評價指標(biāo)，以葉輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及卸糧軟管內(nèi)徑為主要因素，根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計理論展開三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，探索適合大豆聯(lián)合收獲機(jī)氣力卸糧的最佳參數(shù)組合。試驗(yàn)參照J(rèn)B/T11912—2014《大豆聯(lián)合收割機(jī)》[30]及GB/T8094—2005《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī) 糧箱容量及卸糧機(jī)構(gòu)性能的測定》[31]，卸糧開始5 s后，立即用網(wǎng)兜接住30 s從卸糧筒出口排出的大豆籽粒，并稱重，再用五點(diǎn)取樣法收集用于計算破碎率的樣品。破碎率及卸糧效率計算方法如下：

(10)

(11)

式中：Y1為破碎率，%；W1為樣品質(zhì)量，g；W2為清除破碎籽粒后樣品質(zhì)量，g；Y2為卸糧效率，L/s；Ma為30s卸糧總質(zhì)量，kg；ρ為大豆籽粒密度，kg/m3;tL為卸糧時間，s。

根據(jù)單因素試驗(yàn)及懸浮速度試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，共17組，葉輪轉(zhuǎn)速根據(jù)單因素試驗(yàn)確定高低水平分別為15和7 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)出口風(fēng)速確定高低水平為3 500和2 900 r/min，軟管內(nèi)徑根據(jù)已有卸糧筒尺寸及市面上主流鋼絲軟管尺寸確定高低水平分別為100和66.6 mm。葉輪與風(fēng)機(jī)分別由步進(jìn)電機(jī)通過鏈傳動和伺服電機(jī)通過帶傳動提供動力，鏈傳動用鏈輪齒數(shù)相同，帶傳動減速比為1.1。伺服電機(jī)的控制通過步科專用上位機(jī)向伺服電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送調(diào)速、開機(jī)及停車指令，步進(jìn)電機(jī)控制器內(nèi)已寫好調(diào)控指令，可通過串口控制軟件經(jīng)232串口向控制器發(fā)送控制指令，達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)速。試驗(yàn)因素與水平見表3。最后將試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入Design Expert中進(jìn)行分析，得出各因素兩兩交互對破碎率和卸糧效率的影響，并建立關(guān)于破碎率和卸糧效率的數(shù)學(xué)模型。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 3 Response surface test factor and level

3.3 結(jié)果與分析

從葉輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及卸糧軟管內(nèi)徑關(guān)于破碎率及卸糧效率的響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果(表4)可以看出氣力卸糧系統(tǒng)產(chǎn)生的破碎率不超過3%，卸糧效率可到達(dá)1.31 L/s。

表4 葉輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及卸糧軟管內(nèi)徑影響破碎率及卸糧效率的響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 4 Response surface test schemes and results of rotate speed of impeller,rotate speed of fan and unloading hose inner diameter affecting crushing rate and unloading efficiency

3.3.1破碎率

根據(jù)不同條件下得到的破碎率數(shù)值，對影響破碎率的因素進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表5；編碼值表示的破碎率Y1的數(shù)學(xué)模型為：

(12)

式中：x1、x2、x3分別為葉輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和卸糧軟管內(nèi)徑的水平值。

方差分析中P越小表示該因素對評價指標(biāo)的影響越大，根據(jù)表5得出各因素對破碎率影響程度從大到小依次為，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、葉輪轉(zhuǎn)速、軟管內(nèi)徑。

表5 影響破碎率因素的方差分析Table 5 Analysis of variance of factors affecting crushing rate

3因素兩兩交互對破碎率的影響只有葉輪轉(zhuǎn)速和卸糧軟管內(nèi)徑的交互作用為極顯著，其余項(xiàng)均不顯著,故只分析x1x3項(xiàng)的交互作用。葉輪轉(zhuǎn)速為 7 r/min 時，單位時間內(nèi)通過橡膠軟管內(nèi)的大豆籽粒較少，當(dāng)橡膠軟管直徑為100 mm時大豆籽粒在輸送過程碰撞劇烈，破碎率較高；葉輪轉(zhuǎn)速為15 r/min時，橡膠軟內(nèi)徑較小導(dǎo)致大豆籽粒彼此碰撞次數(shù)增多，破碎率較大(圖5)。

圖5 葉輪轉(zhuǎn)速A和卸糧軟管內(nèi)徑C對破碎率Y1的影響Fig.5 Effect of rotate speed of impeller A and unloading hose inner diameter C on crushing rate Y1

3.3.2卸糧效率

對影響卸糧效率的因素進(jìn)行方差分析結(jié)果見表6，編碼值表示的卸糧效率Y2的數(shù)學(xué)模型為:

(13)

由表6可知，卸糧效率模型的P<0.01，表明建立的回歸模型極顯著，該模型決定系數(shù)R2=0.936 4，表明該模型能反應(yīng)出93.64%響應(yīng)值變化，且失擬項(xiàng)大于0.05，表明試驗(yàn)誤差較小，可用該模型對卸糧效率進(jìn)行預(yù)測。其中x1、x3項(xiàng)的P<0.01，表明對回歸模型影響極顯著，x2、x1x2、x1x3項(xiàng)的P<0.05，表明對回歸模型影響顯著。根據(jù)表6得出，各因素對卸糧效率影響程度從大到小依次為葉輪轉(zhuǎn)速、軟管內(nèi)徑、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

表6 影響卸糧效率因素的方差分析Table 6 Analysis of variance of factors affecting unloading efficiency

3因素兩兩交互對卸糧效率影響只有葉輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及葉輪轉(zhuǎn)速和卸糧軟管內(nèi)徑的交互作用顯著，故只分析x1x2項(xiàng)和x1x3項(xiàng)對卸糧效率的影響。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時，葉輪轉(zhuǎn)速對卸糧效率影響程度較大，主要是葉輪轉(zhuǎn)速提高，單位時間內(nèi)流入卸糧軟管的大豆增多，卸糧效率較高，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 3 500 r/min 時，葉輪轉(zhuǎn)速對卸糧效率影響程度下降，是因?yàn)榇藭r風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)量完全滿足卸糧要求，軟管內(nèi)大豆增加對卸糧效率影響程度不大(圖6(a))；葉輪轉(zhuǎn)速為7 r/min時，軟管內(nèi)徑對卸糧效率影響不大，這是因?yàn)樾都Z軟管內(nèi)大豆量少，此時軟管尺寸較小時也能滿足卸糧要求，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速為15 r/min時，軟管內(nèi)徑越大，管道內(nèi)大豆間因相互碰撞造成的動能損失越少，卸糧軟管內(nèi)大豆流動越快(圖6(b))。

圖6 葉輪轉(zhuǎn)速A、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速B、卸糧軟管內(nèi)徑C交互作用對卸糧效率Y2的影響Fig.6 Effect of rotate speed of impeller A,rotate speed of fan B, unloading hose inner diameter C on unloading efficiency Y2

3.3.3參數(shù)優(yōu)化

為使大豆聯(lián)合收獲機(jī)氣力卸糧工作效果最佳，要求破碎率最小且卸糧效率最大，且卸糧過程中應(yīng)優(yōu)先減少因大豆籽粒破碎而造成的損失，故設(shè)置權(quán)重時破碎率優(yōu)先于卸糧效率，以此確定約束條件：

(14)

通過Design Expert對約束條件進(jìn)行求解，得到最優(yōu)解為：葉輪轉(zhuǎn)速14.962 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 165.706 r/min，軟管內(nèi)徑99.992 mm，此時破碎率為1.73%，卸糧效率為1.33 L/s。

3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)及對比試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn)和對比試驗(yàn)于2019年8月15日在山東省臨沂市河?xùn)|區(qū)進(jìn)行。考慮到參數(shù)調(diào)整的實(shí)際可行性，設(shè)置葉輪轉(zhuǎn)速15 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 166 r/min，卸糧軟管內(nèi)徑100 mm，并將該組參數(shù)下的氣力卸糧工作效果與螺旋輸送器工作效果進(jìn)行對比，對比機(jī)型為洋馬AW85GR，試驗(yàn)方法與響應(yīng)面試驗(yàn)方法相同，破碎率和卸糧效率計算采用式(10)和式(11)，氣力卸糧與螺旋輸送器卸糧工作效果對比見表7。

由表7可知，氣力卸糧相較于螺旋運(yùn)輸器卸糧能明顯減少破碎籽粒的數(shù)量，破碎率為1.49%，遠(yuǎn)低于JB/T 11912—2014《大豆聯(lián)合收割機(jī)》[30]破碎率小于5%的規(guī)定；因目前尚無關(guān)于聯(lián)合收獲機(jī)卸糧效率行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，故與傳統(tǒng)螺旋輸送器卸糧效率進(jìn)行對比，卸糧效率的對比結(jié)果表明氣力卸糧速率略慢于螺旋輸送器卸糧，能滿足大豆聯(lián)合收獲機(jī)田間作業(yè)要求。并且在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，氣力卸糧卸糧結(jié)束后輸送管道內(nèi)不會有殘余大豆籽粒，而螺旋運(yùn)輸器卸糧在糧箱內(nèi)糧食排凈后卸糧筒內(nèi)還會間斷性有零散大豆籽粒卸出。綜上，優(yōu)化的試驗(yàn)參數(shù)作業(yè)效果較好，可應(yīng)用于實(shí)際田間作業(yè)中。

表7 氣力卸糧與螺旋輸送器卸糧工作效果對比Table 7 Effect comparison of pneumatic unloading and screw conveyor unloading

4 結(jié) 論

本研究針對大豆聯(lián)合收獲機(jī)卸糧系統(tǒng)產(chǎn)生破碎較高的問題，設(shè)計了一種氣力卸糧裝置。主要研究結(jié)果如下：

1)所設(shè)計的氣力卸糧裝置的最高葉輪轉(zhuǎn)速為20.9 r/min，適合該裝置的最低風(fēng)速為27.4 m/s，最大卸糧軟管內(nèi)徑為100 mm。

2)單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，適合葉輪工作的轉(zhuǎn)速范圍為3～15 r/min；響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對破碎率影響程度從大到小依次為，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、葉輪轉(zhuǎn)速、卸糧軟管內(nèi)徑，對卸糧效率影響程度從大到小依次為，葉輪轉(zhuǎn)速、卸糧軟管內(nèi)徑、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

3)根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型并結(jié)合實(shí)際，得到了在破碎率最小且卸糧效率最大時的最佳參數(shù)組合：葉輪轉(zhuǎn)速15 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 166 r/min，卸糧軟管內(nèi)徑100 mm。驗(yàn)證試驗(yàn)及對比試驗(yàn)結(jié)果表明，氣力卸糧產(chǎn)生的破碎率為1.49%，低于傳統(tǒng)螺旋輸送器卸糧破碎率以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，氣力卸糧效率為1.3 L/s，略慢于螺旋輸送器卸糧，但能夠滿足大豆聯(lián)合收獲機(jī)田間作業(yè)要求。本研究所設(shè)計的氣力卸糧裝置可為大豆聯(lián)合收獲機(jī)卸糧結(jié)構(gòu)更新?lián)Q代以及氣力輸送的參數(shù)調(diào)整提供參考。