稻麥聯(lián)合收割機(jī)降塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張勇川，吳崇友，蔣 展，蔣 蘭，關(guān)卓懷，王 剛

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014；2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036）

0 引 言

稻麥聯(lián)合收割機(jī)作為一種主要生產(chǎn)裝備為糧食生產(chǎn)發(fā)揮重要作用，其技術(shù)發(fā)展水平是體現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的一個(gè)重要標(biāo)志[1]。稻麥聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)過(guò)程可一次完成收割、輸送、脫粒、分離、清選、卸糧等若干項(xiàng)工序，作業(yè)效率高、便捷[2-5]。但在收割過(guò)程中，收割機(jī)工作部件與被收獲作物相互作用，擾動(dòng)附著在作物表面上的灰塵進(jìn)而脫離生物體表面，形成漂浮、飛揚(yáng)的粉塵，部分粉塵飄散在收割機(jī)周圍，嚴(yán)重影響駕駛員的身體健康、工作視線；有些感病植株本身帶有含病粉塵[6]，對(duì)人體危害更大；更多的粉塵隨風(fēng)飄散在空氣中，造成更大范圍的空氣污染，增加空氣中可吸入顆粒物的含量[7-8]，成為農(nóng)作物收獲季節(jié)空氣污染來(lái)源之一?？梢?jiàn)研究設(shè)計(jì)具有收集和處理粉塵功能的收割機(jī)降塵系統(tǒng)，改善操作者工作條件和保護(hù)環(huán)境均具有重要意義。

為解決聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)揚(yáng)塵問(wèn)題，國(guó)外學(xué)者已進(jìn)行了一系列研究。Kruckman[9]研發(fā)一款安裝于約翰迪爾聯(lián)合收割機(jī)上降塵器，該設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)在于設(shè)計(jì)出一種安裝在輸送裝置最前端可懸掛降塵器，以吸收割臺(tái)處粉塵。Baticados等[10]對(duì)使用低塵收割機(jī)采摘杏仁所產(chǎn)生的粉塵等顆粒物進(jìn)行研究，得出新型低塵收割機(jī)能夠在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況下減少可吸入顆粒物排放的結(jié)論。Downey等[11]研究開(kāi)發(fā)一種測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)果園堅(jiān)果收獲期間的粉塵排放，降低收割機(jī)工作對(duì)環(huán)境的影響。Sharratt等[12]設(shè)計(jì)一種利用傳感器測(cè)量空氣中灰塵的技術(shù)，研究農(nóng)業(yè)粉塵來(lái)源，發(fā)現(xiàn)其中大部分來(lái)源于作物收獲階段，并在可能的情況下，制定控制粉塵排放的策略。Law等[13]研究堅(jiān)果收獲揚(yáng)塵，并開(kāi)發(fā)一種旋風(fēng)分離工藝，用于去除粉塵，并為較小的粉塵開(kāi)發(fā)出幾種候選靜電消除工藝。綜上，國(guó)外對(duì)農(nóng)業(yè)收獲揚(yáng)塵問(wèn)題研究較早，對(duì)收獲粉塵產(chǎn)生以及粉塵本身特性研究較多，對(duì)收獲粉塵降塵理論和技術(shù)研究較少，目前還是科研樣機(jī)階段，幾乎沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品[14]。田偉[15]對(duì)油菜脫粒產(chǎn)塵特性進(jìn)行研究，分析油菜機(jī)械收獲作業(yè)粉塵質(zhì)量濃度及脫粒產(chǎn)塵物理特性。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)境保護(hù)力度的加大，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始研究各種粉塵的收集和處理[16-18]，但在農(nóng)作物收獲方面，還鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)稻麥聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)產(chǎn)塵問(wèn)題，檢測(cè)收割機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵質(zhì)量濃度，分析粉塵分布、特性，在此基礎(chǔ)上研制一種收割機(jī)機(jī)載式降塵系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)、改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化，擬探索聯(lián)合收割機(jī)降塵技術(shù)途徑。

1 稻麥聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)粉塵檢測(cè)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

為了解稻麥聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)粉塵質(zhì)量濃度、分布及特性，2019年10月在江蘇溧陽(yáng)市海斌農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社水稻田對(duì)稻麥聯(lián)合收割機(jī)收獲水稻作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)粉塵檢測(cè)試驗(yàn)。水稻品種為“武運(yùn)粳23號(hào)”，試驗(yàn)機(jī)器為久保田4LBZ-172B半喂入聯(lián)合收割機(jī)，試驗(yàn)儀器包括電子秤；田博6902型粉塵采集器；粉塵成分檢測(cè)儀；LS-909干法激光粒度儀，測(cè)量精度為0.1～3 000μm；HT-9600手持式粉塵濃度檢測(cè)儀，檢測(cè)精度為0～9 999μg/m3。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)依據(jù)GBZ159-2004標(biāo)準(zhǔn)、GB5748-85標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)粉塵進(jìn)行測(cè)定、性質(zhì)檢測(cè)和分析[19-21]。試驗(yàn)過(guò)程分為粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)、采集粉塵及性質(zhì)分析兩個(gè)階段。

1）粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)：在確定的田塊試驗(yàn)區(qū)域，利用粉塵濃度檢測(cè)儀，在不同收割機(jī)速度下對(duì)不同區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度差異，把收割機(jī)分為割臺(tái)、兩側(cè)、駕駛室和尾部4個(gè)區(qū)域。每個(gè)作業(yè)工況連續(xù)檢測(cè)50 s，重復(fù)3次，取平均值。

2）采集粉塵及性質(zhì)分析：通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)觀察確定割臺(tái)是粉塵初步產(chǎn)生的區(qū)域，將粉塵采集點(diǎn)設(shè)置在割臺(tái)上方0.5 m處。在確定的田塊試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，利用粉塵采集器收集收割機(jī)前進(jìn)100 m內(nèi)割臺(tái)處的粉塵，試驗(yàn)重復(fù)3次，收割機(jī)每前進(jìn)100 m都需對(duì)收集的粉塵進(jìn)行清理。此外，對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)收割機(jī)機(jī)體上沉積粉塵和作物植株上原樣粉塵進(jìn)行采樣。將部分采集的粉塵送去檢測(cè)，檢測(cè)對(duì)象為粒徑在0.1～150μm的粉塵，通過(guò)粉塵成分檢測(cè)儀和激光粒度儀檢測(cè)粉塵成分和粒徑分布。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1 粉塵質(zhì)量濃度

粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)結(jié)果如表1所示，割臺(tái)處粉塵質(zhì)量濃度最高，是粉塵產(chǎn)生的主要區(qū)域，與收割機(jī)速度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，隨著收割機(jī)速度上升，作物喂入量增加，產(chǎn)生粉塵相應(yīng)增多。當(dāng)收割機(jī)速度進(jìn)一步加快，割臺(tái)處產(chǎn)生較大氣流，加速粉塵飄散，影響粉塵采集，表現(xiàn)為粉塵質(zhì)量濃度下降；尾部是產(chǎn)塵次要區(qū)域，粉塵質(zhì)量濃度與收割機(jī)速度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，粉塵來(lái)源于排雜口排出的作物碎屑揚(yáng)起的灰塵，收割機(jī)速度越快，排雜口排出碎屑越多，粉塵質(zhì)量濃度越高；收割機(jī)兩側(cè)粉塵質(zhì)量濃度高低與收割機(jī)速度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，收割機(jī)速度加快，割臺(tái)處粉塵被吹散到收割機(jī)兩側(cè)，粉塵質(zhì)量濃度增高；駕駛室內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度受收割機(jī)速度的變化影響較小，與收割機(jī)速度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，收割機(jī)速度加快，駕駛室處產(chǎn)生氣流，吹散粉塵，表現(xiàn)為粉塵質(zhì)量濃度降低。

1.3.2 粉塵采集及特性分析

將收割機(jī)每前進(jìn)100 m后粉塵采集器收集的粉塵進(jìn)行稱量，得其質(zhì)量為97 kg，通過(guò)計(jì)算可知收割機(jī)每前進(jìn)1 m，粉塵采集器收集粉塵質(zhì)量為0.97 kg。

試驗(yàn)采集的粉塵送交英格爾檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司進(jìn)行專業(yè)檢測(cè)分析，結(jié)果如表2、表3所示。

表1 不同收割機(jī)速度下不同區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of dust mass concentration detection at different areas under different harvester speeds

表2 粉塵成分與含量表Table 2 The dust composition and content table

由表2可得，收割機(jī)作業(yè)粉塵種類復(fù)雜，多由礦物質(zhì)、油脂和碳水化合物組成。其中礦物質(zhì)里可能含有多種有害金屬元素（鉻，錳、鎘、鉛、鎳等），這些金屬元素吸入人體內(nèi)，將導(dǎo)致人體中毒甚至死亡。油脂、纖維素等吸入人體內(nèi)也會(huì)導(dǎo)致一些呼吸系統(tǒng)疾病，對(duì)人體造成危害。此外，粉塵中含有的油脂和纖維等都是可燃物體，有發(fā)生爆炸的可能。

粉塵粒徑分析和危害如表3所示，收割機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵粒徑范圍較大，粉塵最小粒徑為0.1μm，最大粒徑為150μm，中位粒徑為21.5μm，粒徑在10和100μm以下的粉塵占比分別為45%和92%。

表3 粉塵粒徑分析表Table 3 Dust particle size analysis table

1.3.3 全部粉塵濃度計(jì)算

由表1可見(jiàn)，割臺(tái)是粉塵分布主要區(qū)域，其粉塵質(zhì)量濃度最大值為4 021μg/m3。由表3可見(jiàn)，粒徑在1～10μm對(duì)人體有害，粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比為43%。將粉塵最大質(zhì)量濃度除以相應(yīng)的粒徑占比，可得割臺(tái)處全部粉塵濃度為8.94 mg/m3，超出中國(guó)規(guī)定的4 mg/m3工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值，且粉塵種類復(fù)雜，對(duì)長(zhǎng)期工作于收割現(xiàn)場(chǎng)的工作人員造成健康損害。

通過(guò)作業(yè)粉塵檢測(cè)試驗(yàn)，獲得降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)思路，對(duì)降塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

2 降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)與原理

利用現(xiàn)有稻麥聯(lián)合收割機(jī)動(dòng)力和收割機(jī)機(jī)體有限的布置空間，并依據(jù)作業(yè)粉塵檢測(cè)所得相關(guān)數(shù)據(jù)，采用負(fù)壓吸塵、濾筒集塵的原理，首次將濾筒除塵器與稻麥聯(lián)合收割機(jī)相結(jié)合，可隨時(shí)更改風(fēng)機(jī)工作參數(shù)，滿足多種田間工作條件。系統(tǒng)主要由帶輪、軸、葉輪、風(fēng)機(jī)、排氣管道、濾筒、降塵箱、輸送管道、吸塵罩等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

降塵系統(tǒng)工作過(guò)程主要分為吸塵罩負(fù)壓吸取、降塵箱濾筒降塵、風(fēng)機(jī)排出干凈氣流3個(gè)階段。工作原理為，皮帶輪與收割機(jī)一側(cè)傳動(dòng)輪連接，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口通過(guò)管道與降塵箱排氣口相連，降塵箱進(jìn)氣口與吸塵罩連接，吸塵罩安裝在收割機(jī)作業(yè)粉塵集中處，利用吸塵罩附近產(chǎn)生的負(fù)壓吸取含塵氣流，含塵氣流流進(jìn)過(guò)濾室，氣流斷面明顯增大，氣體流速迅速減慢，氣流中顆粒較大的粉塵受重力和慣性影響進(jìn)而沉降[22]；粒度細(xì)、密度小的粉塵流進(jìn)過(guò)濾室，受布朗擴(kuò)散和篩濾等綜合影響，堆疊于濾料表面[23]，最后凈化氣體流出濾筒并由排氣管道經(jīng)風(fēng)機(jī)排出。

2.2 主要部件設(shè)計(jì)

2.2.1 風(fēng)機(jī)參數(shù)計(jì)算與選型

風(fēng)機(jī)是降塵系統(tǒng)中的重要部件，為準(zhǔn)確把握滿足降塵要求的風(fēng)機(jī)功率并選型，必須計(jì)算風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量Qac和降塵系統(tǒng)壓力損失Δp。本章風(fēng)機(jī)參數(shù)計(jì)算相關(guān)公式均參考于《氣力輸送工程》[24]。

1）降塵系統(tǒng)風(fēng)速

粉塵顆粒為不規(guī)則形狀球體，在氣流作用下形成懸浮狀態(tài)[25]，必須滿足空氣阻力FR與粉塵浮力相等，則粉塵顆粒的自由懸浮速度v0(m/s)為

式中KS為不規(guī)則形狀物料修正系數(shù)；df為粉塵顆粒的中位粒徑，m；ρf為粉塵的顆粒密度，kg/m3；ρa(bǔ)為空氣的密度，kg/m3；C為繞流阻力系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。查閱資料[24]，不規(guī)則球體KS為1.2，C取0.44，ρa(bǔ)取1.293 kg/m3，g取9.81 m/s2。經(jīng)收割機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵檢測(cè)試驗(yàn)可知粉塵中位粒徑df為2.15×10-5m，粉塵的顆粒密度[26]ρf約為2 650 kg/m3。

計(jì)算出粉塵顆粒自由懸浮速度v0為0.41 m/s，根據(jù)氣力輸送氣流速度經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，輸送管道布置較復(fù)雜且物料為粉狀或纖維狀時(shí)，輸送氣流速度va為顆粒懸浮風(fēng)速v0的數(shù)倍甚至數(shù)十倍[27]，采用公式計(jì)算，輸送氣流速度va（m/s）為

式中a為輸送物料粒度系數(shù)；γs為物料（粉塵）重度，N/m3；β為輸送物料特性系數(shù)；L為輸送距離，m。查閱資料[24]，a取為10，γs取為25 996.50 N/m3，β取為2×10-5，對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)量，理論輸送距離L約為8 m。由此計(jì)算出輸送氣流速度va為16.12 m/s。

2）輸送管道結(jié)構(gòu)參數(shù)

輸送管道將氣-塵混合流從吸塵罩輸送到降塵箱（如圖1中的7所示），管道直徑D（mm）和管道起始段輸送粉塵所需空氣流量Qac（m3/min）為式中G為單位時(shí)間輸送粉塵速率，kg/h；m為單位時(shí)間粉塵質(zhì)量與氣流質(zhì)量的混合比；γa為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣重度，N/m3；n為吸送系統(tǒng)中同時(shí)工作的輸送管數(shù)目。

收割機(jī)降塵系統(tǒng)輸送方式為低壓吸送式氣力輸送，單位時(shí)間粉塵質(zhì)量與氣流質(zhì)量混合比范圍為1～10，本文取m為2[24]；稻麥聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行收割作業(yè)，機(jī)具前進(jìn)速度約為5 km/h，根據(jù)粉塵檢測(cè)試驗(yàn)可知，收割機(jī)每前進(jìn)1 m，粉塵采集器收集粉塵質(zhì)量為0.97 kg，G約為4 850 kg/h；γa為11.77 N/m3；分析粉塵檢測(cè)試驗(yàn)中粉塵分布區(qū)域、質(zhì)量濃度，初定3個(gè)吸塵區(qū)域，管道數(shù)目n為3。

結(jié)合式（2）和式（3），可得氣-塵輸送管道直徑D約為122 mm，工藝吸塵管為標(biāo)準(zhǔn)件，為避免管道堵塞，實(shí)際值應(yīng)大于理論值，取最近規(guī)格為150 mm，輸送管道起始段輸送粉塵所需空氣流量Qac為33.69 m3/min。

3）降塵系統(tǒng)壓力損失

降塵系統(tǒng)壓力損失Δp包括管道壓力損失Δpb和濾筒除塵器壓力損失Δpc，管道壓力損失Δpb包括純空氣流動(dòng)產(chǎn)生的壓力損失Δpa和兩相流中存在物料引起的附加壓力損失Δps，而兩相流中存在物料引起的附加壓力損失Δps包括直管沿程摩擦壓力損失Δpm與物料由零初速度啟動(dòng)產(chǎn)生的壓力損失Δpma，則管系總壓力損失Δpb為

式中λa為沿程摩阻系數(shù)；k為沿程阻力的附加系數(shù)；γa為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣重度，N/m3；g為重力加速度，m/s2；β為相關(guān)系數(shù)。

其中λa=64/Re，Re為雷諾數(shù)，查閱資料[24]，橡膠管道的雷諾數(shù)約為2 100，則λa為0.03；k為0.17；β為0.5～0.8。通過(guò)計(jì)算，可得管系總壓力損失Δpb為2 222.81 Pa，濾筒除塵器的壓力損失Δpc約為1 000～2 000 Pa。估算降塵系統(tǒng)的總壓力損失Δp約為4 000 Pa。

4）風(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)所需功率p（kW）為

式中Qin為風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量，m3/min；pB為風(fēng)機(jī)所需真空度；ηB為風(fēng)機(jī)的流體效率；ηG為機(jī)械傳動(dòng)效率。

前文計(jì)算得降塵系統(tǒng)空氣流量Qac為33.69 m3/min，在決定風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量Qin時(shí)，應(yīng)將Qac加上管道的漏氣量，其中降塵系統(tǒng)漏氣量約占3%，其他管系漏氣量約占2%[24]，可得Qin為1.05Qac，計(jì)算Qin為35.37 m3/min；pB=（1.10～1.20）Δp，約為4 400 Pa；ηB與ηG均取0.8，計(jì)算出風(fēng)機(jī)所需功率p約為4.1 kW。粉塵收獲為室外作業(yè)，易受環(huán)境影響，為提高風(fēng)機(jī)工作效率，選取風(fēng)機(jī)時(shí)因選取風(fēng)量和功率均較大款。查閱資料[24]，根據(jù)以上數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型，風(fēng)機(jī)功率為5.5 kW，風(fēng)機(jī)流量為50～100 m3/min，風(fēng)機(jī)全壓為4 320～5 014 Pa。

2.2.2 降塵箱結(jié)構(gòu)與參數(shù)

降塵箱采用濾筒降塵的方式，實(shí)現(xiàn)粉塵和氣流的分離，是連續(xù)穩(wěn)定降塵的關(guān)鍵部件[28]，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)常用濾筒降塵器樣式，降塵箱擬安裝于收割機(jī)尾部，可用安裝空間較小，應(yīng)盡量減小體型，降塵箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，查閱資料[29]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為800 mm×800 mm×1 000 mm。

降塵箱主要結(jié)構(gòu)包括凈氣室門、過(guò)濾室門、濾筒、過(guò)濾室、進(jìn)氣口、凈氣室、排氣口、檔板。濾筒是降塵的核心部件，其在降塵箱中的布置極為重要，本設(shè)計(jì)中濾筒垂直布置于箱體檔板上，用卡扣固定，檔板下部分連接過(guò)濾室，上部分連接凈氣室。風(fēng)機(jī)進(jìn)氣量約為50～100 m3/min，查閱資料[29]，確定濾筒性能指標(biāo)和數(shù)量，濾筒的總過(guò)濾面積為60 m2，根據(jù)降塵箱尺寸，濾筒數(shù)量為4最合理，單個(gè)濾筒過(guò)濾面積則為15 m2，濾筒外徑為360 mm，高度為600 mm，內(nèi)徑為241 mm，濾筒材質(zhì)為紙質(zhì)覆膜。過(guò)濾室和凈氣室都安裝箱門，方便跟換濾筒和箱內(nèi)清理。

為保證氣流的穩(wěn)定流通，提高降塵系統(tǒng)穩(wěn)定性，排氣口的截面積應(yīng)大于各進(jìn)氣口的截面積之和，排氣口直徑D2(mm)為[29]。

式中n為進(jìn)氣口個(gè)數(shù)。通過(guò)計(jì)算可知輸送管道直徑為150 mm，管道數(shù)目為3，則進(jìn)氣口直徑D1為150 mm，進(jìn)氣口個(gè)數(shù)為3。

由式（6）可知，排氣口直徑D2應(yīng)大于260 mm。降塵箱橫向尺寸為800 mm，因此排氣口直徑D2調(diào)節(jié)范圍為260～800 mm，通風(fēng)管道是標(biāo)準(zhǔn)件，符合標(biāo)準(zhǔn)的最小直徑為300 mm，因此排氣口直徑D2取300 mm，排氣管道直徑取300 mm，個(gè)數(shù)為1。

2.2.3 吸塵罩原理與布置

通過(guò)粉塵檢測(cè)試驗(yàn)可知，割臺(tái)是粉塵產(chǎn)生的主要區(qū)域，其次是尾部。收割機(jī)前進(jìn)，受氣流影響，割臺(tái)處粉塵被吹散到收割機(jī)兩側(cè)，因此需要在收割機(jī)割臺(tái)兩側(cè)安裝吸塵罩；收割機(jī)內(nèi)部存在大量粉塵，這些粉塵主要通過(guò)收割機(jī)排雜口排出，在收割機(jī)內(nèi)部安裝吸塵罩會(huì)吸取籽粒，影響收獲，而排雜口附近存在大量作物碎屑，影響吸塵效果。因此本設(shè)計(jì)選擇在輸送裝置處安裝吸塵罩，當(dāng)作物通過(guò)輸送裝置時(shí)，作物籽粒還未脫出，作物莖稈等較為完整，籽粒和作物碎屑不易被吸取，此外輸送裝置內(nèi)部空間小，較為密閉，具有良好的吸塵條件[30]。

吸塵罩是降塵系統(tǒng)重要部件，它的性能優(yōu)劣直接關(guān)系降塵效率。本系統(tǒng)采用吸風(fēng)口的吸入流動(dòng)方式，罩口的吸氣效果與空氣吸入流動(dòng)特性有關(guān)，主要是研究吸氣空間的流速分布。安裝在割臺(tái)、輸送裝置處的吸塵罩會(huì)影響駕駛員視線，因此本系統(tǒng)吸塵罩采用結(jié)構(gòu)和體積都較小的喇叭口吸塵罩，吸塵罩結(jié)構(gòu)和氣流流通方向如圖3所示。根據(jù)割臺(tái)、輸送裝置有限的布置空間，設(shè)計(jì)割臺(tái)處吸塵罩直徑為300 mm，吸塵罩高度為230 mm；輸送裝置處吸塵罩截面積為0.12 m2，吸塵罩高度為200 mm[29]。

3 降塵系統(tǒng)效率試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證稻麥聯(lián)合收割機(jī)降塵系統(tǒng)的工作性能和設(shè)計(jì)參數(shù)可靠性，2020年6月在江蘇鹽城市東方綠洲現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園進(jìn)行小麥?zhǔn)斋@現(xiàn)場(chǎng)粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)，試驗(yàn)田地土壤類型為黏土，土壤含水率為34.58%，環(huán)境風(fēng)量4級(jí)，環(huán)境溫度24～30 ℃，小麥品種為揚(yáng)麥25，小麥植株總高度為72 cm，每平米小麥株數(shù)為538，小麥理論產(chǎn)量為5.16 t/hm2，秸稈含水率為32.58%，籽粒含水率為10.5%。

試驗(yàn)儀器與設(shè)備包括稻麥聯(lián)合收割機(jī)、收割機(jī)降塵系統(tǒng)、粉塵濃度檢測(cè)儀、電子秤、快速水分測(cè)定儀、卷尺，田間試驗(yàn)如圖4所示。

3.2 試驗(yàn)方法

在確定的田塊試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，利用粉塵濃度檢測(cè)儀，在收割機(jī)作業(yè)過(guò)程中對(duì)割臺(tái)和尾部進(jìn)行粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)，每個(gè)作業(yè)工況連續(xù)檢測(cè)50 s，重復(fù)3次，取平均值。目的是檢驗(yàn)割臺(tái)和輸送裝置處的降塵效率。

降塵效率ηd為

式中Dt為降塵系統(tǒng)未工作時(shí)的粉塵質(zhì)量濃度，μg/m3；Dw為降塵系統(tǒng)工作時(shí)的粉塵質(zhì)量濃度，μg/m3。

收割機(jī)速度、環(huán)境濕度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等影響降塵系統(tǒng)吸塵效果，進(jìn)而影響降塵系統(tǒng)降塵效率。此三因素影響降塵效率的原理為：收割機(jī)速度越快其周圍氣流越大，影響降塵系統(tǒng)吸塵，吸塵效果減弱；在普通室外環(huán)境下，環(huán)境濕度與降塵性能成反比[31-32]；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越快，降塵系統(tǒng)內(nèi)部負(fù)壓越大，吸塵效果越強(qiáng)。

試驗(yàn)收割機(jī)速度范圍為2.8～5.4 km/h；試驗(yàn)當(dāng)天環(huán)境濕度范圍為56%～82%；風(fēng)機(jī)依靠皮帶傳動(dòng)，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)的從動(dòng)輪直徑?jīng)Q定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，受皮帶輪自身限制，其最小直徑為100 mm，收割機(jī)安裝帶輪空間有限，且當(dāng)帶輪過(guò)大時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較慢，降塵系統(tǒng)幾乎不具有吸塵效果，得出帶輪合理最大直徑為200 mm，因此帶輪直徑范圍為100～200 mm，對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1 754～3 507 r/min。

試驗(yàn)采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，選取收割機(jī)速度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、環(huán)境濕度為試驗(yàn)因素。各因素水平取值范圍分別為2.8～5.4 km/h、1 754～3 507 r/min和56～82%，以割臺(tái)、尾部降塵系統(tǒng)效率為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)三因素三水平分析試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼如表4所示。

表4 試驗(yàn)因素水平編碼Table 4 Test factor and level

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)三因素三水平分析試驗(yàn)，試驗(yàn)方案采用17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中包括12個(gè)分析因子，5個(gè)0點(diǎn)估計(jì)誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，試驗(yàn)響應(yīng)值如表5所示。

表5 試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results

3.3.1 回歸模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

運(yùn)用Design-Expert8.0.6.1軟件對(duì)割臺(tái)、尾部試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到割臺(tái)降塵系統(tǒng)效率Y1、尾部降塵系統(tǒng)塵系統(tǒng)效率Y2對(duì)收割機(jī)速度A、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速B、環(huán)境濕度C的二次多項(xiàng)式回歸模型，如式（8）、式（9）所示。

建立割臺(tái)降塵系統(tǒng)效率Y1、尾部降塵效率Y2的方差分析表，如表6所示，降塵系統(tǒng)效率Y1、Y2的回歸模型均極顯著（P＜0.01），說(shuō)明該回歸模型與自變量具有顯著的函數(shù)關(guān)系；失擬項(xiàng)均不顯著（P＞0.1），說(shuō)明回歸模型擬合度較高。因素A、B、C、BC、A2、B2、C2對(duì)割臺(tái)降塵系統(tǒng)效率Y1影響顯著，其他因素影響不顯著，各因素對(duì)割臺(tái)降塵系統(tǒng)效率Y1影響顯著性的大小順序?yàn)锽、A、C。因素A、B、C、AB、B2、C2對(duì)尾部降塵系統(tǒng)效率Y2影響顯著，其他因素影響不顯著，各因素對(duì)尾部降塵系統(tǒng)效率Y2影響顯著性的大小順序?yàn)锽、A、C。

表6 回歸方程方差分析Table 6 Variance analysis of regression equation

3.3.2 交互作用分析

根據(jù)降塵系統(tǒng)效率Y1、Y2二次多項(xiàng)式回歸模型，將試驗(yàn)因素A、B、C中的1個(gè)因素置于0水平，分析其他因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響，繪制響應(yīng)面圖，如圖5、圖6所示。

1）割臺(tái)降塵系統(tǒng)效率響應(yīng)面分析

圖5 a為環(huán)境濕度位于0水平時(shí)，收割機(jī)速度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在某一水平，割臺(tái)降塵效率隨收割機(jī)速度增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且下降速率隨收割機(jī)速度的增加而加快，收割機(jī)速度最優(yōu)范圍是2.8～4.1 km/h；當(dāng)收割機(jī)速度固定在某一水平，割臺(tái)降塵效率隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，因此風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速最優(yōu)范圍為2 800～3 507 r/min。

圖5 b為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速位于0水平時(shí)，收割機(jī)速度和環(huán)境濕度之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)環(huán)境濕度固定在某一水平時(shí)，割臺(tái)降塵效率隨收割機(jī)速度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且下降速率隨著收割機(jī)速度的增加而加快，收割機(jī)速度最優(yōu)范圍是2.8～4.1 km/h，為提高作業(yè)效率，應(yīng)取最大值；當(dāng)收割機(jī)速度固定在某一水平，割臺(tái)降塵效率隨環(huán)境濕度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且下降速率較慢，因此環(huán)境濕度最優(yōu)范圍為56%～69%。

圖5 c為收割機(jī)速度位于0水平時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和環(huán)境濕度之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)環(huán)境濕度固定在某一水平，割臺(tái)降塵效率隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速最優(yōu)范圍為3 000～3 507 r/min；當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在某一水平，割臺(tái)降塵效率隨環(huán)境濕度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且下降速率較慢，環(huán)境濕度最優(yōu)范圍為56%～69%。

2）尾部降塵系統(tǒng)效率響應(yīng)面分析

圖6 a為環(huán)境濕度位于0水平時(shí)，收割機(jī)速度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在某一水平，割臺(tái)降塵效率隨收割機(jī)速度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，收割機(jī)速度最優(yōu)范圍是2.8～5.4 km/h，為提高作業(yè)效率，應(yīng)取最大值；當(dāng)收割機(jī)速度固定在某一水平，割臺(tái)降塵效率隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且上升的速率隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而加快，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速最優(yōu)范圍為2 455～3 507 r/min。

圖6 b為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速位于0水平時(shí)，收割機(jī)速度和環(huán)境濕度之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)環(huán)境濕度固定在某一水平，割臺(tái)降塵效率隨收割機(jī)速度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，收割機(jī)速度最優(yōu)范圍是2.8～4.5 km/h，為提高作業(yè)效率，應(yīng)取最大值；當(dāng)收割機(jī)速度固定在某一水平，割臺(tái)降塵效率隨環(huán)境濕度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且下降速率較慢，環(huán)境濕度最優(yōu)范圍為56%～82%。

圖6 c為收割機(jī)速度位于0水平時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和環(huán)境濕度之間的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)環(huán)境濕度固定在某一水平，割臺(tái)降塵效率隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且上升速率隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而加快，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速最優(yōu)范圍為2 800～3 507 r/min；當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在某一水平，割臺(tái)降塵效率隨環(huán)境濕度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降速率較慢，環(huán)境濕度最優(yōu)范圍為56%～82%。

3.3.3 最優(yōu)工作參數(shù)確定

借助Design-Expert8.0.6.1軟件Optimization模塊對(duì)田間試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，確定優(yōu)化約束條件，如式（10）所示。其中收割機(jī)速度最佳取值范圍為2.8～4.1 km/h，考慮到收割時(shí)間和收割成本等問(wèn)題，應(yīng)取較大值。得到降塵系統(tǒng)效率最佳變量取值為：收割機(jī)速度為3.73 km/h，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 507 r/min，環(huán)境濕度為56%，此時(shí)割臺(tái)降塵系統(tǒng)效率為76.8%。尾部降塵系統(tǒng)效率為79.6%。

以最優(yōu)工作參數(shù)進(jìn)行降塵系統(tǒng)田間試驗(yàn)，對(duì)降塵系統(tǒng)效率進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)進(jìn)行5次并取平均值，去除隨機(jī)誤差影響。得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，割臺(tái)降塵系統(tǒng)效率平均值為75.2%，與模型優(yōu)化所得數(shù)據(jù)76.8%誤差為1.6%；尾部降塵系統(tǒng)效率平均值為77.4%，與模型優(yōu)化所得數(shù)據(jù)79.6%誤差為2.2%。驗(yàn)證了優(yōu)化后最佳參數(shù)組合的可行性。

3.3.4 風(fēng)機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化

收割機(jī)田間工作時(shí)，速度和環(huán)境濕度實(shí)時(shí)變化，本文探求降塵系統(tǒng)在較難工作條件下滿足降塵要求的最低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，為實(shí)際田間工作提供參考依據(jù)，提出滿足降塵要求的風(fēng)機(jī)工作參數(shù)。較難工作條件是指，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，環(huán)境濕度、收割機(jī)速度都取一個(gè)定值，降塵效率最低時(shí)。通過(guò)Design-Expert8.0.6.1軟件的Optimization模塊，結(jié)合回歸方程式（8）、式（9），確定約束條件，如式（11）所示。

得到在較難工作條件下滿足降塵要求的系統(tǒng)工作參數(shù)：收割機(jī)速度為5.4 km/h，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 332 r/min，環(huán)境濕度為82%，此時(shí)割臺(tái)降塵系統(tǒng)效率為64.8%。尾部降塵系統(tǒng)效率為70.2%。得出最低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 332 r/min，保證降塵系統(tǒng)在較難工作條件下滿足降塵要求。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)稻麥聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵質(zhì)量濃度、分布以及特性，結(jié)果表明：割臺(tái)和尾部是粉塵產(chǎn)生的主要區(qū)域；粉塵多由礦物質(zhì)、油脂和碳水化合物組成；粒徑在10和100μm以下的粉塵占比分別為45%和92%。

2）設(shè)計(jì)出一種負(fù)壓吸塵、濾筒集塵的稻麥聯(lián)合收割機(jī)機(jī)載式降塵系統(tǒng)，首次將濾筒除塵器與稻麥聯(lián)合收割機(jī)相結(jié)合，利用現(xiàn)有稻麥聯(lián)合收割機(jī)動(dòng)力，可隨時(shí)更改風(fēng)機(jī)工作參數(shù)，滿足多種田間工作條件。通過(guò)設(shè)計(jì)、計(jì)算系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)和參數(shù)，構(gòu)建初步田間試驗(yàn)系統(tǒng)。

3）通過(guò)理論分析確定影響降塵系統(tǒng)效率的主要因素，試驗(yàn)指標(biāo)為割臺(tái)、尾部降塵系統(tǒng)效率，試驗(yàn)因素為收割機(jī)速度、環(huán)境濕度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)三因素三水平分析試驗(yàn)，建立各因素與試驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)學(xué)回歸模型。通過(guò)軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到最優(yōu)工作參數(shù)組合為：收割機(jī)速度3.73 km/h，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 507 r/min，環(huán)境濕度56%，此時(shí)，割臺(tái)降塵系統(tǒng)效率為76.8%，尾部降塵系統(tǒng)效率為79.6%；降塵系統(tǒng)在較難工作條件下均能滿足降塵要求的最低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 332 r/min。