油莎豆收獲篩分機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與試驗(yàn)*

張紅梅，周正，呂志軍，王萬章，何豪，呂嚴(yán)柳

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州市，450002)

0 引言

油莎豆(CyperusesculentusL.)，又稱虎堅(jiān)果，油沙草，屬于莎草科作物，其塊莖多為球形或橢球形[1-2]。油莎豆常見的英文名稱有：Earth almond、Chufa、Yellow nutsedge and Zulu nuts，作為一年生的經(jīng)濟(jì)作物，由于油莎豆的塊莖含有豐富的油、維生素、淀粉等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是提取優(yōu)質(zhì)食用油的原料[3-4]。因此，有計(jì)劃地?cái)U(kuò)大油莎豆的種植面積可以獲得更多的健康食用油原料，減少食用油料油脂的對(duì)外依存度，提高我國(guó)食用油的自給能力，以利于更好地維護(hù)我國(guó)食用油安全。

油莎豆在中國(guó)發(fā)展60多年來，機(jī)械化收獲始終難以推進(jìn)，土是主要矛盾，若要解決收獲問題，應(yīng)首先解決篩土問題。據(jù)前期調(diào)研，油莎豆收獲時(shí)需要將10～15 cm以上的土壤全部挖起，進(jìn)行豆、土、草等雜質(zhì)的分離，篩土量為150～225 kg/m2。目前，國(guó)外的油莎豆收獲機(jī)主要為滾筒式收獲機(jī)，其結(jié)構(gòu)單一、尺寸過大，不適合國(guó)內(nèi)農(nóng)戶使用，并且鮮有關(guān)于油莎豆收獲技術(shù)研究的報(bào)道。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)油莎豆收獲機(jī)的研究較少，未形成系統(tǒng)的油莎豆收獲技術(shù)體系研究；劉文亮等[5-6]設(shè)計(jì)了縱軸式和立軸式油莎豆收獲機(jī)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)收獲機(jī)的核心零部件進(jìn)行校核。實(shí)際收獲生產(chǎn)中，農(nóng)戶多使用改進(jìn)后的花生收獲機(jī)完成油莎豆的收獲，造成收獲損失高、效率低等突出問題。因此，針對(duì)以上問題，有必要結(jié)合現(xiàn)有的塊莖類作物收獲機(jī)和農(nóng)產(chǎn)品物料清選篩分理論來完成油莎豆收獲機(jī)的設(shè)計(jì)及制造[7-12]。在塊莖作物收獲機(jī)研究方面，胡志超等[13]針對(duì)分段式花生收獲作業(yè)模式，設(shè)計(jì)了振篩式花生收獲機(jī)，提高了花生收獲效率；宋江等[14]設(shè)計(jì)了一種平貝母藥材收獲機(jī)，并對(duì)振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了理論分析，為丘陵地區(qū)平貝母生產(chǎn)收獲工作提供了支撐；崔中凱等[15]為實(shí)現(xiàn)甘薯的機(jī)械化收獲，設(shè)計(jì)了一種牽引式甘薯收獲機(jī)，通過田間試驗(yàn)表明收獲機(jī)的各個(gè)核心部件工作性能良好，實(shí)現(xiàn)了收獲過程中的土薯分離，有效地降低了傷薯率。在清選篩分理論研究方面，王立軍等[16-18]對(duì)物料在振動(dòng)篩上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，并研究了振動(dòng)篩不同工作參數(shù)對(duì)篩分性能的影響。謝勝仕等[19]研究了馬鈴薯在篩分過程中的運(yùn)移規(guī)律，通過正交試驗(yàn)得到了馬鈴薯收獲機(jī)的最佳工作參數(shù)。

為解決油莎豆高效低損收獲這一難點(diǎn)問題，在開展多次田間試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，課題組提出先脫粒后分離的油莎豆收獲方式，先將油莎豆從油沙草根部分離，再完成豆、土、草混合物的篩分，即可避免油莎豆在根須包裹下隨根須被排出收獲機(jī)外造成損失，還可完成初步的碎土，便于之后的篩分，提高篩土效率。基于此，本文設(shè)計(jì)一種油莎豆收獲機(jī)，利用矩陣分析法和ADAMS仿真，研究篩面各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性，通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)該收獲機(jī)工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為之后的油莎豆收獲技術(shù)研究提供參考。

1 油莎豆脫粒篩分裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的油莎豆收獲機(jī)基于平面四桿機(jī)構(gòu)以及曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的工作原理，主要分為兩大工作部分，即脫粒系統(tǒng)和篩分系統(tǒng)。其中，脫粒系統(tǒng)主要由切流滾筒和沖孔凹板組成，篩分系統(tǒng)主要由振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、沖孔篩和編織篩組成，如圖1所示。工作時(shí)，在電機(jī)的帶動(dòng)下，脫粒系統(tǒng)對(duì)油莎豆進(jìn)行脫粒，篩分系統(tǒng)對(duì)豆、土、草混合物進(jìn)行分離，最終得到干凈、完整的油莎豆。

圖1 油莎豆收獲機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of the Cyperus esculentus L. harvester1.編織篩 2.沖孔篩 3.風(fēng)機(jī) 4.電機(jī)5.脫粒室 6.機(jī)架 7.振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.2 工作原理

油莎豆收獲篩分機(jī)作業(yè)時(shí)，收獲挖掘的物料混合物通過喂入斗送入篩分機(jī)。豆、土和草組成的混合物料與脫粒裝置中板齒、柱齒的脫粒元件作用，使油莎豆從草的根部脫落，同時(shí)大部分豆和土壤顆粒從脫粒凹板篩落下，雜草、根莖等從脫粒滾筒后方排出，由于土塊和油莎豆顆粒的比重大而進(jìn)入下方的雙層同步振動(dòng)篩分裝置進(jìn)行清選，而輕質(zhì)雜物和部分草在風(fēng)機(jī)作用下從前端被排出機(jī)外，進(jìn)入篩分裝置中的混合物料在雙層篩板的作用下被充分分離，根莖和部分雜物從上層平板篩后端出草口排出機(jī)外，油莎豆則從下層編織篩板后端出料口排出收集。

2 篩分機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

振動(dòng)篩分機(jī)構(gòu)是整個(gè)收獲機(jī)的重要組成部分之一，該機(jī)構(gòu)性能的優(yōu)劣決定了油莎豆的收獲質(zhì)量[11, 20]。其中，振動(dòng)篩分機(jī)構(gòu)由偏心輪、連桿、沖孔篩和編織篩組成。利用矩陣法對(duì)篩分機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)理論分析，首先建立平面直角坐標(biāo)系，得到該機(jī)構(gòu)的位置方程，將所建立的位置方程對(duì)時(shí)間進(jìn)行求導(dǎo)，可以得到速度和加速度的方程，完成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析[21-22]。為便于分析計(jì)算篩面各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特征，將篩分機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)在xOy平面投影的簡(jiǎn)圖如圖2所示。圖中l(wèi)1、l2、l3、l4、l5、S1、S2分別為機(jī)構(gòu)中各桿和虛擬桿的長(zhǎng)度，θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、? 分別為各桿與x軸之間的夾角。

圖2 振動(dòng)篩分機(jī)構(gòu)投影圖Fig. 2 Projection of the vibratory screening mechanism

建立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)矢量方程，即

l1+l2+l4=S1

(1)

(2)

將式(2)對(duì)時(shí)間取一次導(dǎo)數(shù)

(3)

將式(2)對(duì)時(shí)間取二次導(dǎo)數(shù)

(4)

式中：ω1——曲柄AB角速度，rad/s；

ω2——連桿BC角速度，rad/s；

ω4——搖桿EC角速度，rad/s；

α2——連桿BC角加速度，rad/s2；

α4——搖桿EC角加速度，rad/s2。

建立篩面的運(yùn)動(dòng)矢量方程，即

l4+S1=l3+l5

(5)

(6)

將式(6)對(duì)時(shí)間取一次導(dǎo)數(shù)

(7)

將式(6)對(duì)時(shí)間取二次導(dǎo)數(shù)

(8)

式中：ω3——篩面CD角速度，rad/s；

ω5——搖桿FD角速度，rad/s；

α3——篩面CD角加速度，rad/s2；

α5——搖桿FD角加速度，rad/s2。

由式(8)可得，篩面在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中角度θ3和角加速度α3是持續(xù)變化的，該變化是由各桿長(zhǎng)度、各桿與水平面夾角、各桿角速度和角加速度引起的。在整個(gè)曲柄連桿雙搖桿機(jī)構(gòu)中，各桿的長(zhǎng)度直接影響著篩面傾角的變化。在不改變曲柄搖桿工作參數(shù)的基礎(chǔ)上，不同的搖桿長(zhǎng)度l4、l5可以直接改變篩面的傾角。因此，需要繼續(xù)深入研究篩面傾角的變化對(duì)該油莎豆收獲機(jī)篩分性能的影響。篩面任意一點(diǎn)G在xOy平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程

(9)

式中：xG——G點(diǎn)的x坐標(biāo)值；

yG——G點(diǎn)的y坐標(biāo)值；

lG——G點(diǎn)與鉸接點(diǎn)C的距離。

將式(9)對(duì)時(shí)間取一次導(dǎo)數(shù)

(10)

式中：vxG——G點(diǎn)沿x軸方向的速度分量，m/s；

vyG——G點(diǎn)的y軸方向的速度分量，m/s。

將式(9)對(duì)時(shí)間取二次導(dǎo)數(shù)

(11)

式中：axG——G點(diǎn)沿x軸方向的加速度分量，m/s2；

ayG——G點(diǎn)的y軸方向的加速度分量，m/s2。

根據(jù)以上分析可以得到，篩面的運(yùn)動(dòng)為往復(fù)式周期運(yùn)動(dòng)而非簡(jiǎn)單的正弦曲線運(yùn)動(dòng)。曲柄搖桿的角速度ω1、ω2決定著篩面速度和加速度的變化，本機(jī)構(gòu)中可通過改變曲柄的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)其角速度的變化。曲柄搖桿的長(zhǎng)度l1、l2影響著篩面的振幅變化，本機(jī)構(gòu)中可改變偏心輪的大小實(shí)現(xiàn)振幅的變化。篩面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與曲柄轉(zhuǎn)速、振幅、篩面傾角密切相關(guān)，有必要開展深入的研究。

3 篩分機(jī)構(gòu)仿真分析

結(jié)合平面往復(fù)式振動(dòng)篩的各桿工作參數(shù)，利用ADAMS軟件完成篩分機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析[23-24]。在Solidworks軟件中對(duì)曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬樣機(jī)裝配，并確定各桿的長(zhǎng)度。其中，桿l1、l2、l3、l4、l5的長(zhǎng)度分別為22 mm、140 mm、900 mm、120 mm、200 mm。

將油莎豆收獲機(jī)篩分機(jī)構(gòu)的三維模型導(dǎo)入ADAMS中，確定模型所在的坐標(biāo)系，定義模型材料屬性，添加不同零部件之間的配合關(guān)系。為深入研究篩面縱向不同位置的運(yùn)動(dòng)特征，由右至左等間距依次標(biāo)記5個(gè)MARKER點(diǎn)，各點(diǎn)在ADAMS全局坐標(biāo)系中坐標(biāo)分別為G1(1060，190)、G2(840，160)、G3(615，135)、G4(405，105)、G5(160，80)，如圖3所示。

(a) 篩分機(jī)構(gòu)三維模型

(b) Marker點(diǎn)標(biāo)記示意圖圖3 篩分機(jī)構(gòu)模型Fig. 3 Sieving mechanism model

由圖4(a)和圖4(b)可知，由右至左各標(biāo)記點(diǎn)沿x軸和y軸的位移變化趨勢(shì)相同。在x軸方向上，5個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位移變化量均為51.7 mm。而在y軸方向上，5個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位移變化量為6.9 mm。由此可知，水平方向的位移變化量遠(yuǎn)大于豎直方向的位移變化量，水平方向的振幅有利于促進(jìn)物料顆粒持續(xù)的向后端移動(dòng)，防止大量物料堆積在篩面前端；豎直方向的振幅有利于提高物料顆粒的松散度，提高篩土效率。

(a) x向位移變化曲線

(b) y向位移變化曲線

(c) x向速度變化曲線

(d) y向速度變化曲線

(e) x向加速度變化曲線

(f) y向加速度變化曲線圖4 標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig. 4 Movement pattern of the marker points

由圖4(c)和圖4(e)可知，篩面5個(gè)標(biāo)記點(diǎn)各時(shí)刻的速度和加速度變化趨勢(shì)一致。速度的最大幅值由G1點(diǎn)的0.688 2 m/s增大為G5點(diǎn)的0.691 3 m/s，加速度的最大幅值由G1至G5逐漸升高。在本文之前定義的坐標(biāo)系內(nèi)，其沿x軸正向速度最大值為0.691 3 m/s，沿x軸負(fù)向速度最小值為0.702 4 m/s。在一個(gè)周期內(nèi)，物料顆粒在篩面上可順利由篩面前端向后端運(yùn)動(dòng)，保證顆粒順利完成整個(gè)篩分過程。

由圖4(d)可知，篩面各標(biāo)記點(diǎn)沿y軸方向速度的變化量很小，沿y軸方向的最大速度幅值從G1點(diǎn)的0.160 6 m/s減小為G5點(diǎn)的0.079 7 m/s。在相同時(shí)間內(nèi)，物料在篩面前端豎直方向的位移大于在篩面后端豎直方向的位移，可使物料混合物在篩面前端充分分層，增加土壤顆粒的透篩率，提高篩分效率；物料在篩面后端的豎直位移小可防止物料跳動(dòng)過高造成損失。

由圖4(f)可知，篩面各標(biāo)記點(diǎn)沿y軸方向加速度在0.12 s和0.26 s時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，沿y軸方向加速度的最大幅值由G1點(diǎn)至G5點(diǎn)逐漸減小。物料混合物在篩面前端受力大于篩面后端，可增大混合物在篩面前端的松散度，提高土壤顆粒與篩面接觸概率，提高篩分效率。因此，根據(jù)以上分析可知，該機(jī)構(gòu)篩面的運(yùn)動(dòng)特性可滿足篩分要求。

4 臺(tái)架試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取油莎豆的品種為中油莎一號(hào)，土壤為河南省民權(quán)縣沙壤土。在實(shí)際收獲過程中，主要難點(diǎn)為收獲慢、損失高等問題，因此根據(jù)實(shí)際收獲要求，將油莎豆的篩分效率和損失率作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(12)

式中：Y1——篩分效率，%；

ε——原料中土壤顆粒的粒級(jí)含量，%；

σ——篩上產(chǎn)品中土壤顆粒的粒級(jí)含量，%；

δ——篩下產(chǎn)品中土壤顆粒的粒級(jí)含量，%。

(13)

式中：Y2——損失率，%；

m1——損失的油莎豆質(zhì)量，g；

m2——油莎豆總質(zhì)量，g。

4.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)前文理論分析結(jié)果，選取曲柄轉(zhuǎn)速A、篩面傾角B和振幅C為試驗(yàn)因素，將篩分效率和油莎豆損失率作為本次試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示。采用三因素三水平正交組合設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)，如表1所示。

圖5 試驗(yàn)樣機(jī)圖Fig. 5 Test prototype diagram

表1 試驗(yàn)因素水平Tab. 1 Factors and levels of experiment

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到篩分效率的方差分析結(jié)果如表3所示。

由分析結(jié)果得：試驗(yàn)?zāi)Ｐ惋@著(P=0.000 4<0.01)；失擬項(xiàng)p=0.920 1>0.05，殘差項(xiàng)不顯著，該回歸模型成立。其中篩分效率受曲柄轉(zhuǎn)速和振幅所對(duì)應(yīng)二次項(xiàng)的影響均顯著，受曲柄轉(zhuǎn)速和振幅的交互項(xiàng)AC的影響顯著，受其余交互項(xiàng)的影響不顯著；各因素對(duì)篩分效率的顯著性順序從大到小依次為篩面傾角、曲柄轉(zhuǎn)速和振幅。獲得篩分效率Y1的回歸數(shù)學(xué)模型

Y1=96.43+0.84A+0.62B+0.21C-0.33AB-3.02AC-0.22BC-2.57A2-0.54B2-3.32C2

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab. 2 Test scheme and results

表3 篩分效率方差分析Tab. 3 Variance analysis of screening efficiency

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，所得各因素對(duì)篩分效率影響的響應(yīng)面曲線如圖6所示。篩分效率隨曲柄轉(zhuǎn)速的增大先升高后降低，降低幅度大于升高幅度。其主要原因是，隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增加，篩面的振動(dòng)頻率升高，促進(jìn)了豆、土混合物在篩面的運(yùn)動(dòng)，使混合物在篩面長(zhǎng)度方向上分布的更加均勻，高頻率的振動(dòng)增加了混合物的松散度，使土壤顆粒更容易透篩而出。隨著曲柄轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增大，豆、土混合物在篩面的停留時(shí)間減少，導(dǎo)致土壤顆粒無法有效透篩，即篩分效率降低。

圖6 曲柄轉(zhuǎn)速和振幅對(duì)篩分效率的影響Fig. 6 Effects of crank speed and amplitude onscreening efficiency

篩分效率隨著振幅的增大先升高后降低，升高幅度大于降低幅度。其主要原因是，開始振幅小，拋擲強(qiáng)度小，篩分效率低，隨著振幅的增加，顆粒的拋擲強(qiáng)度變大，拋擲速度也變大，篩分效率增加；但當(dāng)振幅過大，顆粒振動(dòng)的太厲害，其與篩面接觸不夠，篩分效率也會(huì)降低。

損失率的方差分析結(jié)果如表4所示。由分析結(jié)果得：試驗(yàn)?zāi)Ｐ惋@著(P=0.000 3<0.01)；失擬項(xiàng)p=0.542 1>0.05，殘差項(xiàng)不顯著，該回歸模型成立。其中損失率受各因素對(duì)應(yīng)的二次項(xiàng)的影響均顯著，受曲柄轉(zhuǎn)速和振幅的交互項(xiàng)AC的影響顯著，受其余交互項(xiàng)的影響不顯著；各因素對(duì)損失率的顯著性順序從大到小依次為篩面傾角、曲柄轉(zhuǎn)速和振幅。獲得損失率Y2的回歸數(shù)學(xué)模型

Y2=1.95+0.31A-0.27B+0.059C-0.038AB+

0.41AC+0.061BC+0.58A2+0.18B2+

0.75C2

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，曲柄轉(zhuǎn)速和傾角對(duì)損失率影響的響應(yīng)面曲線如圖7所示。損失率隨著曲柄轉(zhuǎn)速和傾角的增加，均為先減小后增大的變化曲線。當(dāng)轉(zhuǎn)速、振幅較低時(shí)，籽粒的損失率較高，此時(shí)的轉(zhuǎn)速、振幅不能使豆、土混合物均勻散開，減少了脫出物中豆與篩面的接觸；隨著篩面振幅的增大，油莎豆與土壤顆粒的跳動(dòng)越明顯，其拋起高度也隨之增加。彈起的高度越高，籽粒與雜余的碰撞次數(shù)越多，損失率增加。

表4 損失率方差分析Tab. 4 Variance analysis of rate of loss

圖7 曲柄轉(zhuǎn)速和傾角對(duì)損失率的影響Fig. 7 Effects of crank speed and inclination on loss rate

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，獲得該收獲機(jī)的最佳工作參數(shù)為：曲柄轉(zhuǎn)速為236.51 rad/min，篩面傾角為6.7°，振幅為3.98 mm，篩分效率為96.56%，損失率為1.83%。進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果均值化處理(表5)，得到篩分效率為96.07%，損失率為1.23%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab. 5 Results of tests

5 結(jié)論

1) 根據(jù)油莎豆收獲難的問題，提出分步式收獲方式并設(shè)計(jì)了一種油莎豆收獲機(jī)，利用矩陣法對(duì)篩分機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，得到篩面和篩面任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程，找到了影響篩面運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)，即曲柄轉(zhuǎn)速、頻率和篩面傾角。

2) 通過ADAMS仿真分析，研究了篩面的運(yùn)動(dòng)特征，沿篩面方向各點(diǎn)的水平速度和水平最速度最大值逐漸增大，促進(jìn)物料向篩面后端移動(dòng)；各點(diǎn)的豎直速度和加速度逐漸減小，物料在篩面前端獲得較大的豎直方向的力，提高物料的松散度，增大了物料顆粒的透篩概率。因此，該機(jī)構(gòu)篩面的運(yùn)動(dòng)特征可滿足篩分要求。

3) 選取篩分效率和損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，以曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角和振幅為試驗(yàn)因素，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。結(jié)果表明：各因素對(duì)篩分效率和損失率的顯著性順序一致，從大到小依次為篩面傾角、曲柄轉(zhuǎn)速和振幅；得到了油莎豆收獲機(jī)的最佳工作參數(shù)，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速為236.51 rad/min，篩面傾角為6.7°，振幅為3.98 mm，篩分效率為96.56%，損失率為1.83%。