小區(qū)聯(lián)合收獲機清選裝置試驗與參數(shù)優(yōu)化

王 浩， 王嘉偉， 巨孟凱， 韓翔濤， 鄭德聰

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

0 引言

清選裝置是小區(qū)聯(lián)合收獲機的關鍵組成部分，在機械化收獲過程中，由于短碎秸稈較多、清選困難等問題導致清選裝置很難達到小區(qū)收獲的標準，而對于部分清選裝置由于清選參數(shù)調整不當，從而導致清選出的籽粒含雜率與損失率過高，大大降低了清選性能與收獲效率[1-2]。鞏延光[3]設計了一種上置風機振動篩式籽?；厥昭b置，主要針對玉米采用高低輥式剝皮裝置配以該回收裝置，實現(xiàn)玉米的低損收獲。熊偉琪等[4]設計了一種稻油聯(lián)合收獲機的清選裝置，采用離心蝸殼式風機與振動篩相互配合，多風道與雙層篩結構，通過正交試驗得到適合水稻和油菜的收獲最佳工作狀態(tài)。

清選裝置工作性能受多因素影響，結合清選性能試驗臺以風機轉速和振動篩曲柄轉速為因素，以籽粒含雜率和損失率為指標進行響應面試驗，建立相關數(shù)學模型，并進行優(yōu)化計算，得到最佳工作匹配參數(shù)，并通過因素互相影響分析，總結風機轉速和振動篩曲柄轉速對含雜率與損失率的影響規(guī)律，可為小區(qū)收獲機械清選裝置的研究和設計提供參考。

1 結構設計

1.1 結構組成及工作原理

試驗清選裝置為風篩式清選裝置，結構如圖1 所示，主要由振動板、編織篩、尾篩、傳動裝置、復脫輸送裝置、籽粒輸送裝置和清選風機等組成。

圖1 清選裝置結構Fig. 1 Structure of cleaning device

工作時，位于清選裝置上方的脫粒裝置將脫出物落到振動板上，通過其振動輸送作用，將待清選物料逐步均勻的遞送到編織篩上，通過其篩分作用，籽粒下落到籽粒輸送裝置內(nèi)進行收集，輕雜、穎糠被氣流吹出機外，篩面上的長莖稈和未脫凈物料逐步向后輸送，長莖稈通過尾篩和氣流的聯(lián)合作用排出機外，未脫凈物料則通過尾篩下落到復脫輸送裝置進行復脫。

決定該裝置工作性能的主要因素是風機轉速和振動篩工作頻率。

1.2 主要技術參數(shù)

小區(qū)聯(lián)合收獲機清選裝置沒有專門的技術性能指標，本試驗以GB/T 5 983?2013《種子清選機試驗方法》和GB/T 5 982?2017《脫粒機 試驗方法》為參考，確定試驗性能指標如表1 所示[5]。清選裝置主要技術參數(shù)如表2 所示。

表1 燕麥清選裝置性能指標Tab. 1 Performance index of oat cleaning device

表2 清選裝置技術參數(shù)Tab. 2 Technical parameters for cleaning device

2 振動篩運動學仿真

2.1 數(shù)學模型

振動篩原理如圖2 所示，振動篩前端通過傾斜滑塊機構支撐鉸接點A，后端通過偏心式曲柄連接曲柄回轉中心O。工作時曲柄繞O點勻速轉動，驅動篩體做往復運動，實現(xiàn)對篩面上物料的輸送和篩分。

圖2 振動篩原理Fig. 2 Schematic diagram of shaker

振動篩驅動機構矢量圖如圖3 所示，以曲柄回轉中心O為坐標原點，水平方向為X軸，建立右手直角坐標系。

圖3 閉環(huán)矢量圖Fig. 3 Closed loop vector diagram

建立機構的矢量方程，如式（1）所示。

可得l4和 θ3的位移方程，如式（2）所示。

對位移方程求導，得矩陣形式的速度方程，如式（3）所示。

對速度方程求導，可得矩陣形式的加速度方程，如式（4）所示。

篩面上任意一點E的矢量方程為

E點的位移方程為

E點的速度方程為

E點的加速度方程為

2.2 仿真模型

根據(jù)上述數(shù)學模型，編制程序，建立Simulink 仿真模型，如圖4 所示，仿真初始條件如表3 所示[6]。

表3 仿真初始條件Tab. 3 Simulation initial conditions

圖4 振動篩機構Simulink 仿真模型Fig. 4 Simulink simulation model of shaker mechanism

2.3 仿真結果及分析

為了研究篩面運動規(guī)律，以篩面中心為基點，間距600 mm 等距取3 個點，如圖5 所示。

圖5 振動篩篩面取點Fig. 5 Shaker screen surface take point

通過仿真，得到篩面上1 點處的位移、速度和加速度變化規(guī)律，如圖6、圖7 和圖8 所示。由結果可知，篩面1 點處有一個明顯的向后拋送物料的運動，能有效地防止堵塞篩面。vx的變化范圍為?0.702～0.688 m/s，vy的變化范圍為?0.301～0.290 m/s，ax的范圍為?25.2～25.5 m/s2，ay的范圍為?10.6～10.9 m/s2。篩面運動為穩(wěn)定的周期運動，且速度和加速度變化為簡諧運動。

圖6 篩面1 點運動軌跡Fig. 6 Motion trajectory of screen surface point 1

圖7 篩面1 點水平及豎直方向速度Fig. 7 Horizontal and vertical velocity of screen surface point 1

圖8 篩面1 點水平及豎直方向加速度Fig. 8 Horizontal and vertical acceleration of screen surface point 1

通過仿真，得到篩面上2 點處的位移、速度和加速度變化規(guī)律，如圖9、圖10 和圖11 所示。由結果可知，篩面2 點處的運動軌跡趨于平緩，方便將籽粒抖落，提高清選效果。vx的范圍為?0.687～0.678 m/s，vy的變化范圍為?0.337～0.336 m/s，ax的變化范圍為?24.8～24.9 m/s2，ay的范圍為?12.2～12.3 m/s2。篩面運動為穩(wěn)定的周期運動，且速度和加速度變化均為簡諧運動。

圖9 篩面2 點運動軌跡Fig. 9 Motion trajectory of screen surface point 2

圖10 篩面2 點水平及豎直方向速度Fig. 10 Horizontal and vertical velocity of screen surface point 2

圖11 篩面2 點水平及豎直方向加速度Fig. 11 Horizontal and vertical acceleration of screen surface point 2

通過仿真，得到篩面上3 點處的位移、速度和、加速度變化規(guī)律，如圖12、圖13 和圖14 所示。由結果可知，篩面3 點處的運動相比2 點更加平緩，且有一個明顯的向后回收的運動，能有效地降低夾帶損失率。vx的 范 圍 為?0.701～0.699 m/s，vy的 變 化 范 圍 為?0.649～0.647 m/s，ax的 范圍為?25.4～25.5 m/s2，ay的變化范圍為?23.5～23.7 m/s2。篩面運動為穩(wěn)定的周期運動，且速度和加速度變化均為簡諧運動。

圖12 篩面3 點運動軌跡Fig. 12 Motion trajectory of screen surface point 3

圖13 篩面3 點水平及豎直方向速度Fig. 13 Horizontal and vertical velocity of screen surface point 3

圖14 篩面3 點水平及豎直方向加速度Fig. 14 Horizontal and vertical acceleration of screen surface point 3

2.4 篩面上物料的運動分析

篩面上所選3 點的物料相對于篩面的運動軌跡如圖15、圖16 和圖17 所示。

圖15 篩面1 點物料相對篩面運動軌跡Fig. 15 Movement track of material on screen surface point 1 relative to screen surface

圖16 篩面2 點物料相對篩面運動軌跡Fig. 16 Movement track of material on screen surface point 2 relative to screen surface

圖17 篩面3 點物料相對篩面運動軌跡Fig. 17 Movement track of material on screen surface point 3 relative to screen surface

篩面上1 點處的水平方向運動距離較大，豎直方向較小，此運動方式能夠高效得到輸送籽粒，防止篩面堵塞；2 點處的水平方向運動距離相對于1 點略有減小，豎直方向運動距離增大，此運動方式能夠達到高效篩分的效果；3 點處的豎直方向運動距離繼續(xù)增大，水平方向運動距離急劇減小，而且有一個明顯的回收運動，能夠極大的減小損失率。

3 試驗研究

3.1 試驗方法

3.1.1 試驗材料與設備

試驗用燕麥取自山西省晉中市太谷區(qū)山西農(nóng)業(yè)大學申奉試驗田，該品種燕麥平均株高70 cm，平均行距22 cm，千粒質量21.04 g，籽粒平均含水率13.5%，秸稈平均含水率14.7%，燕麥長勢良好。

試驗所用儀器包括DT22358 型轉速表、TCS-60 型電子臺秤、KFS-C1 型電子秤、SW6016 型風速電子測繪儀、簸箕、標簽及樣品袋等。

試驗地點為山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)工程學院旱作農(nóng)業(yè)機械關鍵技術與裝備山西省重點實驗室。試驗現(xiàn)場如圖18 所示。

圖18 燕麥清選性能試驗現(xiàn)場Fig. 18 Oat cleaning performance test site

將6 kg 燕麥雜亂、均勻地放置在長10 m、寬1 m的輸送帶上，通過調節(jié)輸送帶傳輸速度確保喂入量為0.6 kg/s。通過變頻器調節(jié)內(nèi)外滾筒轉速使其均保持在最佳工作狀態(tài)。通過變頻器控制影響清選效果的各因素，在不同參數(shù)狀態(tài)下進行試驗。依據(jù)試驗設計方案，每組試驗重復3 次，結果取平均值[7]。每次試驗結束，所有脫出物進行人工處理稱質量。

3.1.2 試驗測量方法

試驗選取風機轉速、振動篩曲柄轉速為影響因素，以籽粒含雜率和損失率為指標進行試驗[8]。首先，選取風機轉速分別為900、1 000、1 100、1 200 和1 300 r/min進行單因素試驗得到最佳的風機轉速；其次，在最佳風機轉速狀態(tài)下，分別選擇振動篩曲柄轉速為250、275、300、325 和350 r/min 進行單因素試驗，最后采用Cenrtel Composite 中心復合設計方法進行響應面試驗。

（1）含雜率。試驗結束后，在籽粒出料口接出所有物料后稱質量，經(jīng)過人工清選后得到不含雜質的籽粒再次稱質量，人工處理掉的雜質質量占所有物料質量的百分比為含雜率。籽粒的含雜率計算公式如式（9）所示

式中y1?含雜率，%

x1?含雜質籽粒質量，g

x2?不含雜質籽粒質量，g

（2）損失率。每次試驗時在振動篩末端出料口用篷布接住所有物料，試驗結束后，經(jīng)人工處理，從中清選出損失的籽粒稱質量，其占所有物料質量的百分比為損失率。籽粒的損失率計算公式如式（10）所示。

式中y2?損失率，%

x1?含雜質籽粒質量，g

x3?損失籽粒質量，g

3.2 風機轉速單因素試驗

風機轉速是影響風速的最主要因素，綜合考慮清選系統(tǒng)風速需求和燕麥籽粒懸浮速度，并由SW6016 型風速電子測繪儀測得風機轉速900 r/min 時，出風口風速3.2 m/s，當風機轉速1 300 r/min 時，出風口風速7.2 m/s。選擇風機轉速范圍900～1 300 r/min，試驗結果如圖19所示。

由圖19 可知，籽粒含雜率隨風機轉速的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，籽粒損失率在風機轉速范圍為900～1 100 r/min 時基本持平，1 100 r/min 后，隨風機轉速的增加損失率陡增。在綜合考慮損失率與含雜率俱佳的情況下，風機轉速在1 000 r/min 時，清選效果最佳。含雜率Y1、 損失率Y2與風機轉速X1之間的函數(shù)關系如式（11）、式（12）所示。

圖19 風機轉速對含雜率和損失率的影響Fig. 19 Influence of fan speed on impurity content and loss rate

3.3 振動篩曲柄轉速單因素試驗

在綜合考慮含雜率和損失率的情況下，由風機轉速單因素試驗得到風機轉速的最佳工作狀態(tài)為1 000 r/min，因此選擇風機轉速為1 000 r/min 保持不變，振動篩曲柄轉速為250～350 r/min 進行試驗，結果如圖20 所示。

圖20 振動篩曲柄轉速對含雜率和損失率的影響Fig. 20 Influence of crank speed of vibrating screen on impurity rate and loss rate

由圖20 可知，籽粒含雜率隨著振動篩曲柄轉速的增加呈現(xiàn)出先減后增的趨勢，曲柄轉速在250～275 r/min范圍內(nèi)含雜率減小，在275 r/min 后隨轉速增加含雜率緩慢增加。籽粒損失率在轉速為250～300 r/min 范圍內(nèi)波動較小，在300 r/min 后損失率開始持續(xù)上升。綜合考慮得振動篩曲柄轉速在275 r/min 時，含雜率與損失率均適宜，清選效果最佳。含雜率Y3、 損失率Y4與風機轉速X2之間的函數(shù)關系如式（13）、式（14）所示。

3.4 多因素試驗與結果分析

此次多因素試驗，采用Design-Exper 軟件中Cenrtel Composite 中心復合設計方法對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合與方差分析，建立含雜率、損失率和風機轉速、振動篩曲柄轉速的數(shù)學模型[9-11]。對響應面交互作用進行分析，所有試驗因素均用編碼?1（低）、0（中）與+1（高）3 個水平表示[12]。

3.4.1 試驗結果

試驗因素、水平與試驗結果如表4 和表5 所示。

表4 試驗因素編碼Tab. 4 Coding table of test factors

表5 試驗方案與結果Tab. 5 Test scheme and results

根據(jù)表5 數(shù)據(jù)，利用Design-Exper12 軟件對含雜率及損失率進行方差回歸分析，得到含雜率Y5、 損失率Y6隨試驗因素變化關系的回歸方程模型，如式（15）、式（16）所示[13-14]。

3.4.2 方差分析

依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，對其進行方差分析后并去除不顯著項后得到的結果如表6 和表7 所示[15]。

表6 含雜率方差分析Tab. 6 Variance analysis of containing impurity rate

表7 損失率方差分析Tab. 7 Variance analysis of loss rate

由表6 可知，各因素之間的交互作用對于含雜率影響大小 的 順序為X4、、X3X4、 X3、，其中X4、、X3X4影 響 極 顯 著（P＜0.01）， X3影 響 顯 著（0.01≤P＜0.05），影響較顯著（0.05≤P＜0.1），其他因素影響不顯著（P＞0.1）。失擬項P=0.461 8，不顯著（P＞0.1），證明不存在其他影響試驗指標的主要因素[13]。

由表7 可知，各因素之間的交互作用對于損失率影響大小的順序為X4、 X3、X3X4、、，其中X4、X3影響極顯著（P＜0.01），X3X4、影響顯著（0.01≤P＜0.05），影響不顯著（P＞0.1），失擬項P=0.884 2，不顯著（P＞0.1），證明不存在其他影響試驗指標的主要因素[16]。

3.4.3 響應曲面分析

風機轉速 X3、 振動篩曲柄轉速 X4及其交互作用對含雜率、損失率有顯著影響，利用Design-Exper12 軟件得到風機轉速、振動篩曲柄轉速的交互作用對含雜率的響應曲面，如圖21 所示。風機轉速、振動篩曲柄轉速的交互作用對損失率的響應曲面，如圖22 所示[17-18]。

圖21 因素交互作用對含雜率的影響Fig. 21 Influence of factor interaction on impurity content

圖22 因素交互作用對損失率的影響Fig. 22 Influence of factor interaction on loss rate

風機轉速和振動篩曲柄轉速對含雜率的交互影響較大，當兩因素均處在最低水平時，含雜率在圖示區(qū)間內(nèi)取得極大值；當振動篩曲柄轉速在最高水平時，含雜率均處在較低范圍；當振動篩曲柄轉速處在最低水平時，含雜率均處在較高范圍。當風機轉速保持不變時，隨振動篩曲柄轉速的增加含雜率逐漸降低；當振動篩曲柄轉速保持不變時，含雜率隨風機轉速的增加出現(xiàn)先增后減的過程，但變化范圍不大。

風機轉速和振動篩曲柄轉速對損失率的交互影響較大，當兩因素均處在最高水平時，損失率在圖示區(qū)間內(nèi)取得極大值；當因素均處在最低水平時，損失率在圖示區(qū)間取得極小值。隨著風機轉速和振動篩曲柄轉速的增大，損失率呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。

3.5 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

為了獲得該脫粒裝置的最佳工作狀態(tài)，使得含雜率和損失率均處在較低水平，設定其約束條件為含雜率與損失率均低于1.5%，利用Design-Exper12 軟件中的優(yōu)化功能對回歸模型進行優(yōu)化求解，為了驗證上述試驗結論，在以上最優(yōu)工作狀態(tài)下，進行多次驗證試驗，得到的結果如表8 所示[19-20]。試驗誤差較小，在可接受范圍內(nèi)，表明該回歸方程與實際情況比較符合，模型可靠[21]。

表8 預測及驗證結果Tab. 8 Prediction and validation results

4 結論

（1）振動篩運動學仿真結果表明，在振動過程中，篩面1 點處水平運動距離較大，上拋距離較小，主要起到向后輸送物料的效果；2 點處運動方式主要起到高效篩分的效果；3 點處的運動主要為上拋運動，水平方向運動距離極小，主要起到抖動作用，在風機風速的力作用下將雜余甩出機外，并且此處有明顯的回收運動，能夠將雜余中夾雜的籽粒有效回收，從而有效降低損失率。

（2）單因素試驗結果表明，風機轉速和振動篩曲柄轉速對含雜率和損失率的影響均極其顯著。當風機轉速在1 000～1 100 r/min 時，含雜率和損失率均處在較低水平；當振動篩曲柄轉速在250～300 r/min 時，含雜率和損失率均在較低水平。

（3）正交試驗結果表明，風機轉速和振動篩曲柄轉速的交互作用對含雜率和損失率的影響極其顯著。建立試驗回歸方程模型，得出風機轉速和振動篩曲柄轉速的最佳工作狀態(tài)組合為風機轉速900 r/min，振動篩曲柄轉速300 r/min。在最佳工作狀態(tài)下，進行多次驗證試驗，得到的含雜率平均值為0.75%、損失率平均值為0.62%，低于國家標準。試驗值與優(yōu)化模型預測值的誤差不大，試驗結論吻合。

綜上所述，該清選裝置可以高效快速地篩分出籽粒與雜質并且篩面不會形成堵塞的狀態(tài)，清選效果能夠滿足國家相關標準。