梳刷氣吸式亞麻蒴果收獲試驗臺設計與試驗

徐福龍，賀俊林，王月華，李姣姣

(山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)工程學院，山西 晉中 030801)

0 引言

國外目前亞麻(胡麻)機械化收獲模式主要以兩段收獲和聯(lián)合收獲為主，國外的胡麻收獲裝備智能化水平高、操作控制系統(tǒng)復雜、價格昂貴，不適宜我國亞麻(胡麻)機械化生產(chǎn)裝備的廣泛應用[1]。國內(nèi)目前在亞麻(胡麻)收獲方面的研究主要是以全喂入式和半喂入式收獲為主，在喂入植株時存在植株纏繞脫粒滾筒問題，以及在物料清選時雜質(zhì)成分復雜導致堵塞篩板問題[2-4]。本課題組前期設計的梳齒式亞麻(胡麻)蒴果梳刷試驗臺具有較好的防植株纏繞效果，但也存在蒴果不易收集問題[5]。

針對亞麻(胡麻)機械化收獲中存在的植株纏繞脫粒滾筒問題和蒴果收集問題，本研究旨在基于先獨立收獲蒴果、再對蒴果破殼脫粒的收獲方式，設計了一種梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗臺[6]。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗臺的工作部件主要包括梳刷系統(tǒng)、收集系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、植株輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，主要由機架、梳刷滾筒、梳刷滾筒防護罩、V帶、膠帶輪、植株輸送導軌、植株夾持裝置、離心風機、電磁調(diào)速電動機、三相異步電動機和步進電機等結構組成(圖1)。

1.離心風機 2.離心風機機架 3.風機接口 4.控制器 5.夾持裝置 6.導軌 7.軸承座 8.機架 9.變速膠帶輪 10.大帶輪 11.滾筒軸 12.V帶 13.小帶輪 14.電動機 15.從動軸16.從動六角圓盤 17.主動六角圓盤 18.連接件 19.梳齒架20.梳齒 21.梳刷滾筒防護罩圖1 梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗臺結構Fig.1 Structure of comb-brushing and air-absorbing flax capsule harvest testbed

1.2 工作原理及主要技術參數(shù)

試驗臺工作時，電動機輸出的動力通過膠帶傳動經(jīng)變速膠帶輪到達梳刷滾筒軸端大帶輪，帶動滾筒旋轉(zhuǎn)。滾筒上的梳齒在由主動六角圓盤OL(原動件)、從動六角圓盤NQ、連接件LQ、機架ON、梳齒架、從動軸、滾筒軸等結構組成的平行四桿機構(圖2a)的作用下作平動，主動六角圓盤OL、從動六角圓盤NQ、梳齒尖的運動軌跡分別為S1、S2、S3(圖2b)[7-8]。

圖2 梳刷滾筒工作原理Fig.2 Working principle of comb brush roller

植株在離心式通風機的吸附作用下與梳齒保持緊密的接觸，利于梳齒梳刷植株與梳脫蒴果，梳脫的蒴果在滾筒一側的離心式通風機特定風壓的作用下被收集到指定位置，蒴果與風機葉片及集料箱之間存在較大的撞擊力，因此收集到的蒴果物料屬于半脫粒物料，利于后續(xù)的蒴果破殼脫粒環(huán)節(jié)。試驗臺主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 試驗臺主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of testbed

2 試驗臺性能試驗

2.1 試驗材料、試驗條件及設備

試驗材料選取成熟期藍亞麻植株，含水率為15.33%，藍亞麻別名宿根亞麻(LinumperenneL.var.sibiricumPlanch.)，為亞麻科亞麻屬多年生草本植物，其植株及蒴果特性與胡麻的相似。試驗地點在山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)工程學院機械設計實驗室。試驗設備有梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗臺(圖3)，電熱鼓風干燥箱、電子天平(精度0.01 g)。試驗數(shù)據(jù)處理軟件有Excel(Microsoft Office Excel 2019)、SAS9.1(Statistical Analysis System)。

圖3 梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗臺樣機Fig.3 Comb-brushing and air-absorbing flax capsule harvest testbed

2.2 試驗因素的確定及控制方法

根據(jù)前期梳齒式亞麻(胡麻)蒴果梳刷試驗臺的臺架試驗結果，結合梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗臺的結構布置及工作原理，選取以下4個試驗因素(表2)：梳齒截面形狀A、梳刷滾筒轉(zhuǎn)速B、機具行進相對速度C、離心式通風機風量D[5]。梳齒截面形狀通過安裝不同截面形狀的梳齒來控制，梳刷滾筒轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速來控制，機具行進相對速度通過調(diào)節(jié)導軌步進電機的轉(zhuǎn)速來控制，離心式通風機的風量通過調(diào)節(jié)風機進風口的大小來控制。

表2 試驗因素和水平Tab.2 Test factors and levels

2.3 試驗指標及計算方法

根據(jù)前期梳齒式亞麻(胡麻)蒴果梳刷試驗臺的臺架試驗結果，結合梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗臺的結構布置及工作原理，選取以下2個試驗指標：蒴果收集率Y1，植株纏繞率Y2[5]。試驗臺要求蒴果收集率越大越好，植株纏繞率越小越好，各試驗指標的計算公式分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中M——梳刷前植株總質(zhì)量，g

M1——梳刷后植株質(zhì)量，g

M2——風機出風口收集的蒴果質(zhì)量，g

M3——滾筒上纏繞的植株質(zhì)量，g

2.4 試驗方案、結果與分析

按照L9(34)正交表設計4因素3水平的正交試驗，研究各個試驗因素對試驗指標影響的顯著性，共進行9組試驗，每組試驗重復3次取平均值。每次試驗根據(jù)式(1)和式(2)計算各試驗指標，正交試驗方案及結果如表3所示。

表3 試驗方案及結果Tab.3 Test scheme and results

由極差分析結果(表4)可得：蒴果收集率和植株纏繞率的較優(yōu)參數(shù)組合分別為A-1B-1C-1D1、A0B-1C-1D-1；各因素對蒴果收集率和植株纏繞率的影響順序由大到小分別為D>C>A>B、A>D>B>C。

表4 正交試驗極差分析結果Tab.4 Range analysis results of orthogonal experiment

由方差分析結果(表5)可得：離心式通風機風量和其他因素對蒴果收集率的影響分別為極顯著和不顯著，這是由于梳脫的蒴果依靠風機來收集，因此風機的風量越大，蒴果的收集效果越好；梳齒截面形狀和其他因素對植株纏繞率的影響分別為顯著和不顯著，這是由于植株與梳齒直接接觸，不同截面的梳齒對植株的損傷程度不同，植株有不同程度的斷裂，導致了纏繞率的不同。結合極差分析結果可得較優(yōu)參數(shù)組合為A0B-1C-1D1。

表5 正交試驗方差分析結果Tab.5 Variance analysis results of orthogonal experimental

2.5 試驗驗證

在較優(yōu)參數(shù)組合條件下，經(jīng)試驗臺梳脫收集到的蒴果物料如圖4所示，驗證試驗結果如表6所示[9-10]。蒴果收集率為96.67%，植株纏繞率為0.32%，試驗臺的梳脫、收集、避免植株纏繞等效果較好。

表6 試驗臺驗證試驗結果Tab.6 Test results of test bench verification test

圖4 集料箱收集到的蒴果物料Fig.4 Capsule material collected in aggregate box

3 結論

(1)在較優(yōu)工作參數(shù)組合的梳齒截面形狀為圓形、梳刷滾筒轉(zhuǎn)速44 r/min、機具行進相對速度80 mm/s、離心式通風機風量6 000 m3/h條件下，蒴果收集率為96.67%、植株纏繞率為0.32%，試驗臺梳脫、收集、避免植株纏繞等效果較好。經(jīng)過試驗臺收集得到的蒴果物料為半脫粒物料，物料中植株秸稈成分極少，利于后續(xù)的破殼脫粒環(huán)節(jié)。

(2)基于先得到亞麻(胡麻)蒴果、再對蒴果破殼脫粒的收獲方式，設計的梳刷氣吸式亞麻(胡麻)蒴果收獲試驗臺，提供了解決亞麻(胡麻)機械化收獲過程中植株纏繞滾筒問題和蒴果收集問題的可行性方案。