油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗

張學(xué)軍 張云赫 史增錄 馬少騰 黃 爽 程金鵬

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052)

0 引言

油用向日葵是我國第四大油料作物，具有成長周期短、產(chǎn)量大及含油量高等優(yōu)點，現(xiàn)有種植面積超過1.16×106hm2，新疆地區(qū)自然環(huán)境適合油葵生長，為我國油葵主要產(chǎn)區(qū)之一，隨著油葵產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，機(jī)械化水平低成為影響油葵經(jīng)濟(jì)效益的主要因素[1]。清選裝置作為油葵聯(lián)合收獲機(jī)關(guān)鍵部件，其作業(yè)質(zhì)量是評價油葵收獲重要指標(biāo)之一，油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置多由谷物收獲機(jī)改制而成[2-3]，但油葵脫出物與谷物脫出物物料特性存在巨大差異，谷物清選裝置對油葵清選適應(yīng)性差。因此，有必要根據(jù)油葵的物料特性，優(yōu)化油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，提高油葵收獲機(jī)械化水平。

近年來，科研人員針對聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置開展了大量研究[4]。這些研究主要包括清選裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化[5]、清選機(jī)理分析[6]及清選裝置工作參數(shù)優(yōu)化[7]等方面。因缺少油葵脫出物物料特性的測定，現(xiàn)有油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置存在振動篩后段物料堵塞及油葵籽粒在裝置底部堆積等問題，導(dǎo)致油葵籽粒含雜率高、損失率高，油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)優(yōu)化有待深入研究。本文基于合作研制的4LZK-2.5Z型油葵聯(lián)合收獲機(jī)，進(jìn)行油葵脫出物物料特性研究，確定清選裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)，以解決油葵清選裝置含雜率高、損失率高的問題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

4LZK-2.5Z型履帶式油葵聯(lián)合收獲機(jī)配有撥禾輪式割臺[8]、脫粒裝置、履帶式驅(qū)動系統(tǒng)、駕駛室、工作參數(shù)采集系統(tǒng)及液壓控制系統(tǒng)等裝置，為清選裝置田間收獲、工況作業(yè)參數(shù)調(diào)整及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供試驗平臺，如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 油葵聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure drawing of oil sunflower combine harvester1.撥禾輪式割臺 2.駕駛室 3.糧倉 4.脫粒裝置 5.清選裝置 6.履帶式驅(qū)動系統(tǒng)

1.2 工作過程

油葵聯(lián)合收獲機(jī)割臺切割油葵植株得含有油葵籽粒的葵盤，通過提升器喂入脫粒裝置，在脫粒元件揉搓作用下，于脫粒裝置下方掉落含有油葵籽粒的脫出物，經(jīng)清選裝置作用后油葵籽粒被分離，隨后輸送至糧倉，雜質(zhì)則排出機(jī)體。清選裝置選用風(fēng)篩式結(jié)構(gòu)設(shè)計，由離心風(fēng)機(jī)、分風(fēng)板、振動篩上篩、振動篩下篩、籽粒輸送板及輸糧螺旋輸送器等構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of oil sunflower combine harvester cleaning device1.離心風(fēng)機(jī) 2.振動篩上篩 3.分風(fēng)板 4.輸糧螺旋輸送器 5.籽粒輸送板 6.振動篩下篩

振動篩上篩采用編織網(wǎng)篩連至振動篩后段，替代傳統(tǒng)逐稿尾篩。編織網(wǎng)篩可將脫出物中體積較大雜質(zhì)篩分，篩面雜質(zhì)在振動篩與清選氣流共同作用下排出機(jī)體，同時油葵籽粒與小體積雜質(zhì)可透過網(wǎng)篩孔，保證油葵籽粒的透篩率。透過振動篩的脫出物在清選氣流作用下分離油葵籽粒，小體積雜質(zhì)被吹出清選裝置，油葵籽粒落至籽粒輸送板喂入輸糧螺旋輸送器，油葵籽粒分離過程如圖3所示。

圖3 油葵籽粒分離過程圖Fig.3 Diagram of oil sunflower seed separation process1.油葵籽粒 2.碎莖稈 3.長莖稈 4.碎葵盤 5.葵盤

2 脫出物物料特性試驗

2.1 脫出物組成成分測定

油葵聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置為軸流式紋桿脫粒滾筒，試驗對象為新疆阜康地區(qū)成熟期矮大頭DW667油用向日葵，葵盤由韌皮纖維層、木質(zhì)層、葵盤葉片等組成，如圖4所示。油葵脫出物主要成分為大塊葵盤、碎葵盤、長莖稈、碎莖稈、油葵籽粒、碎葉片及穎殼等。碎葵盤等小體積雜質(zhì)可隨油葵籽粒透過篩網(wǎng)表面，透篩脫出物主要構(gòu)成成分為油葵籽粒、碎葵盤、碎莖稈、輕質(zhì)雜余(碎葉片及穎殼)，如圖5所示，質(zhì)量占比分別為85.6%、6.7%、4.9%、2.8%。

圖4 油葵葵盤結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Oil sunflower sunflower plate structure diagram1.葵盤葉片 2.油葵籽粒穎殼 3.葵盤韌皮纖維層 4.葵盤木質(zhì)層

圖5 透篩脫出物組成成分圖Fig.5 Composition diagram of through sieve mixture

2.2 脫出物物料特性測定

透篩脫出物的空氣動力學(xué)特性可由物料懸浮速度表示[4]，與含水率及密度[9]有關(guān)，多次隨機(jī)采集透篩脫出物試驗樣本，對透篩脫出物分組測定各物料的含水率及密度，計算各物料理論懸浮速度范圍值。物料幾何特征使用哈量LINKS型千分尺。物料密度采用排水法測試，使用儀器包括先行者CP3102型電子天平、測量物料體積的量筒、量杯及物料盛放盒等。含水率采用干燥法測定，由DHG-9125A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行物料干燥，隨后由精密電子天平進(jìn)行稱量，使用干基含水率表示，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 透篩脫出物基本物料特性參數(shù)Tab.2 Basic material characteristics of through sieve mixture

2.3 脫出物懸浮速度測定

通過理論計算與實際試驗相結(jié)合測定懸浮速度，當(dāng)物料自身重力與氣流作用力相等時懸浮于垂直氣流場[10]，此時物料處氣流速度為懸浮速度，氣流作用力表達(dá)式為

(1)

式中Fp——氣流作用力，N

ρs——物料自身密度，油葵籽粒取962 kg/m3

A——物料垂直氣流的截面積，m2

C——阻力系數(shù)，取0.44

v——氣流流速，m/s

流體力學(xué)中氣體流動阻力系數(shù)分為：Stokes區(qū)、Allen區(qū)、Newton區(qū)，不同物料在氣流場中的阻力系數(shù)值不同，采用粒徑法[10]判斷油葵籽粒及碎葵盤物料的阻力系數(shù)分區(qū)，各區(qū)域?qū)?yīng)物料粒徑分別為dp≤2.2T、2.2T

(2)

式中T——粒徑法計算因子，mm

μ——空氣運動粘度，取0.181 Pa·s

ρa(bǔ)——空氣密度，取1.29 kg/m3

計算得油葵籽粒及碎葵盤物料阻力系數(shù)均為Newton區(qū)。油葵籽粒形狀為非球形，按照不規(guī)則球形物體的形狀修正系數(shù)計算，取S=1.1[10]，碎葵盤按照立方體形狀修正系數(shù)計算，取S=1.86[10]，短莖稈按照直徑迎風(fēng)面積[10]計算。Newton區(qū)中物料懸浮速度vp計算公式[10]為

(3)

式中S——非球形形狀修正系數(shù)

計算得油葵籽粒理論懸浮速度為13.85 m/s，碎葵盤理論懸浮速度為6.97 m/s，短莖稈理論懸浮速度為2.78 m/s，物料間懸浮速度存在明顯差異，風(fēng)選油葵籽粒具有良好效果。碎葉片及穎殼等輕質(zhì)雜余迎風(fēng)面積小且質(zhì)量輕，不進(jìn)行理論懸浮速度計算。使用密封袋分類封裝脫出物，將物料置于懸浮速度試驗臺下方喂料口阻尼網(wǎng)處，通過調(diào)節(jié)變頻器改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及試驗裝置內(nèi)氣流流速。觀察透明管中被測物料運動狀態(tài)，當(dāng)物料呈動態(tài)平衡時，由熱球式風(fēng)速儀測量，記作被測物料懸浮速度。

油葵籽粒懸浮速度為9.62～12.54 m/s，碎葵盤、短莖稈、碎葉片、穎殼等雜質(zhì)的懸浮速度變化范圍為3.42～5.16 m/s、3.92～6.76 m/s、0.96～2.17 m/s、1.93～3.14 m/s，懸浮速度差異是離心風(fēng)機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化的主要依據(jù)。為實現(xiàn)油葵脫出物中雜質(zhì)的有效排出，清選裝置內(nèi)部氣流流速應(yīng)大于雜質(zhì)懸浮速度，同時避免風(fēng)速過高造成的籽粒損失增加，離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處氣流流速應(yīng)小于油葵籽粒懸浮速度，參考文獻(xiàn)[11]，計算得離心風(fēng)機(jī)出口氣流流速為9.62 m/s時，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 326 r/min，結(jié)合樣機(jī)試驗，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)小于1 400 r/min。

3 清選裝置關(guān)鍵部件設(shè)計

油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置為曲柄雙滑塊機(jī)構(gòu)，由偏心輪驅(qū)動，可視為曲柄，振動篩為負(fù)偏置式滑塊機(jī)構(gòu)，籽粒輸送板為對心式滑塊機(jī)構(gòu)。振動篩機(jī)架為連桿，沿上滑塊軌道平移，帶動振動篩面往復(fù)運動，不同于曲柄搖桿式機(jī)構(gòu)振動篩視為簡諧運動[12]，滑塊機(jī)構(gòu)中連桿各點運動趨勢受裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)影響。籽粒輸送板為滑塊部件，由提升連桿帶動沿下滑塊軌道平移，實現(xiàn)籽粒輸送板面的往復(fù)運動，如圖6所示。

圖6 振動篩運動示意圖Fig.6 Schematic of shaker movement1.上滑塊軌道 2.振動篩機(jī)架 3.偏心輪 4.籽粒輸送板 5.下滑塊軌道 6.提升連桿

3.1 振動篩主要參數(shù)設(shè)計

油葵脫出物組成成分在振動篩上分布不均，振動篩前段脫出物以油葵籽粒和輕質(zhì)雜余為主，中段出現(xiàn)碎葵盤、短莖稈及碎葉片，后段掉落大塊葵盤和長莖稈。不同脫出物對振動篩運動趨勢要求不同，采用封閉矢量多邊形分析法建立矢量方程，分析篩面不同點的運動趨勢，以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和振動篩安裝位置建立坐標(biāo)系x′O′y′和xOy，如圖7所示。

圖7 振動篩機(jī)構(gòu)運動簡圖Fig.7 Movement diagram of vibrating screen mechanism

圖7中l(wèi)AB為曲柄長度，lBC和lCD為振動篩機(jī)架長度，振動篩體參數(shù)可由△BCD求得，lBD為曲柄鉸接點與滑塊所連虛擬桿長度，le為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)偏心距。構(gòu)建封閉矢量多邊形O′ABD，坐標(biāo)系x′O′y′中位置矢量環(huán)方程為

lAB+lBD=lAO′+lO′D

(4)

式(4)的復(fù)數(shù)形式表達(dá)式為

lABeiθ1+lBDeiθ2=leeiπ/2+lO′A

(5)

式中θ1——曲柄轉(zhuǎn)動角度，(°)

θ2——連桿BD與x′軸夾角，(°)

將虛部與實部進(jìn)行分離得

(6)

對式(6)進(jìn)行求解可得連桿lBD角位移表達(dá)式

(7)

式(5)對t求導(dǎo)，通過虛部與實部相等，求得連桿lBD角速度及角加速度為

(8)

式中ω——曲柄角速度，rad/s

點E為篩面任意一點，在坐標(biāo)系xOy中位置方程為

(9)

式中l(wèi)BE——篩面任意點E與曲柄鉸接處距離，mm

θ4——振動篩內(nèi)部夾角，(°)

θ6——滑塊軌道與地面夾角，(°)

由余弦定理求解△BDE得lBE為

(10)

式中l(wèi)DE——篩面任意點E與滑塊距離，mm

θ5——振動篩內(nèi)部夾角，(°)

式(9)對t求二次導(dǎo)數(shù)，得點E水平和豎直方向加速度，為便于分析影響因素采用矩陣表示為

(11)

由式(11)可知，振動篩面各點的運動趨勢受振動篩機(jī)架、曲柄長度、機(jī)架夾角、偏心距及滑塊軌道與地面傾角等裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，4LZK-2.5Z型油葵聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒脫出段長度為1 251 mm，油葵脫出物需要全部落入振動篩面，振動篩機(jī)架lCD長度設(shè)計為1 290 mm，根據(jù)聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對振動幅度的要求[13]，確定曲柄長度為35 mm，振動篩前段油葵籽粒含量較多，應(yīng)增大脫出物分散程度提高油葵籽粒透篩率，振動篩后段存在葵盤等大塊雜質(zhì)，應(yīng)提高振幅增強(qiáng)對雜質(zhì)的拋送效果，因此以振動篩面后段振幅大于前段為目標(biāo)[14]，通過前期樣機(jī)試驗，確定振動篩機(jī)架lBC長度為380 mm、偏心距為800 mm、機(jī)架夾角為142°、滑塊軌道與地面傾角為20°。

3.2 振動篩面葵盤運動分析

脫粒裝置掉落至振動篩面的葵盤，因振動篩表面為編織網(wǎng)篩網(wǎng)孔較密，與葵盤間摩擦因數(shù)大，不易在篩面滑動，形成物料堆積篩網(wǎng)堵塞，影響清選質(zhì)量，取振動篩面與曲柄運動趨勢相同處，分析葵盤運動趨勢，提高排出效率，將曲柄的運動劃分4個區(qū)域，如圖8所示。

圖8 葵盤在曲柄不同運動狀態(tài)下受力圖Fig.8 Mallow plate subjected to force diagram under different motion states of crank

當(dāng)曲柄由區(qū)域Ⅰ向區(qū)域Ⅱ運動且N>0時，葵盤沿篩面方向受力Fx的方程為

Fx=Fpcosβ+qcos(ωt1-γ)-Gcosγ-Ff

(12)

其中

Ff=Ntanφ1

式中N——葵盤支持力，N

Ff——葵盤摩擦力，N

G——葵盤重力，N

γ——重力與篩面垂直方向夾角，(°)

β——氣流作用力與篩面夾角，(°)

φ1——葵盤滑動摩擦角，(°)

t1——曲柄轉(zhuǎn)動時間，s

曲柄由區(qū)域Ⅲ向區(qū)域Ⅳ運動且N>0時，葵盤沿篩面方向受力方程為

Fx=Fpcosβ-qcos(ωt1-γ)-Gcosγ+Ff

(13)

當(dāng)Fx≠0時，葵盤在區(qū)域Ⅰ、Ⅱ產(chǎn)生向振動篩前段相對運動的趨勢，在區(qū)域Ⅲ、Ⅳ產(chǎn)生向振動篩后段相對運動趨勢。

葵盤在振動篩表面垂直方向受力方程為

(14)

式中q——葵盤慣性力，N

g——重力加速度，取9.8 m/s2

m——單個葵盤質(zhì)量，kg

r——曲柄長度，mm

曲柄由區(qū)域Ⅱ向區(qū)域Ⅲ運動，氣流對葵盤的作用力小于重力，所受篩面支持力始終大于0，葵盤不會被拋離篩面。曲柄由區(qū)域Ⅳ向區(qū)域Ⅰ運動，當(dāng)N=0時葵盤位于拋起臨界點，葵盤拋起角度與曲柄轉(zhuǎn)動角度有關(guān)，拋起時曲柄角速度需滿足條件

(15)

葵盤拋起后的運動狀態(tài)與拋起角度有關(guān)，若曲柄轉(zhuǎn)動角度為δ時，葵盤拋離篩面，其水平與豎直方向速度vx、vy為

(16)

葵盤拋起后受重力與氣流作用力的合力為F，再次掉落至篩面的時間t2為

(17)

式中a——葵盤合加速度，m/s2

葵盤水平方向移動距離X為

(18)

葵盤底部存有部分葵柄，傾斜于振動篩表面，葵盤受力點與質(zhì)心為不同點，導(dǎo)致葵盤在拋起過程中受到力矩作用繞質(zhì)心發(fā)生轉(zhuǎn)動，若葵盤轉(zhuǎn)動角度過大，葵盤再次接觸篩面的姿態(tài)不固定，存在向振動篩前段運動的情況，影響清選效率，對葵盤的拋起姿態(tài)進(jìn)行分析，如圖9所示。根據(jù)受力點與質(zhì)心相對位置，分類為受力點位于質(zhì)心左側(cè)或受力點位于質(zhì)心右側(cè)。

圖9 葵盤拋起姿態(tài)圖Fig.9 Sunflower dish throwing posture diagrams

葵盤受力點位于質(zhì)心左側(cè)時有

(19)

葵盤受力點位于質(zhì)心右側(cè)時有

(20)

動量矩公式為M=Jω2，葵盤轉(zhuǎn)動角δ1為

(21)

式中J——轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

N1、N2——葵盤所受篩面垂直合力，N

Fx1、Fx2——葵盤所受篩面水平合力，N

M、M1、M2——葵盤合力矩，N·m

MN、M′N——垂直篩面合力產(chǎn)生的力矩，N·m

MT、M′T——水平篩面合力產(chǎn)生的力矩，N·m

L——葵盤受力點與質(zhì)點距離，mm

α——葵盤與篩面夾角，(°)

ω2——葵盤轉(zhuǎn)動角速度，rad/s

由式(18)可知，葵盤拋起后移動距離受曲柄轉(zhuǎn)速影響，曲柄轉(zhuǎn)速提高時，葵盤拋起角度減小，垂直方向速度增大，水平位移減少，使得葵盤排出清選裝置所需時間增加，同時葵盤拋起時間增大，由式(21)可知，葵盤拋起時間增大使得葵盤空中轉(zhuǎn)動角度增大，造成篩面接觸時運動狀態(tài)不明，葵盤無法有效排出，清選效率降低。振動篩面各點運動趨勢不同，需通過試驗確定曲柄轉(zhuǎn)速較優(yōu)工作區(qū)間。

3.3 籽粒輸送板主要參數(shù)設(shè)計

油葵籽粒穿過清選氣流與籽粒輸送板表面碰撞后，法向速度降低，運動狀態(tài)發(fā)生改變，落入籽粒輸送板。油葵籽粒的碰撞恢復(fù)系數(shù)隨碰撞角增加而增加[15]，為使油葵籽粒碰撞后盡可能平穩(wěn)落入槽內(nèi)，減少飛濺損失，籽粒輸送板表面采用階梯狀設(shè)計，單層階梯外形與鋸齒相似，單向輸送油葵籽粒。籽粒輸送板運動狀態(tài)與滑塊M相同，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中連桿遠(yuǎn)長于曲柄，滑塊M的運動可看作簡諧運動[16]，如圖10所示。

圖10 籽粒輸送板物料受力分析圖Fig.10 Working diagram of grain conveyor plate

油葵籽粒在籽粒輸送板表面受力方程為

(22)

式中F1——油葵籽粒慣性力，N

N3——油葵籽粒支持力，N

Ff1——油葵籽粒摩擦力，N

G1——油葵籽粒重力，N

m1——單個油葵籽粒質(zhì)量，kg

φ2——油葵籽粒滑動摩擦角，(°)

σ2——鋸齒寬面與籽粒輸送板夾角，(°)

σ3——滑塊軌道與地面夾角，(°)

油葵籽粒沿輸送板向下滑動的臨界條件為

G1sin(σ3-σ2)+F1cosσ2≥Ff1

(23)

將式(22)代入式(23)可得

gsin(σ3-σ2)+ω2rsin(ωt1)cosσ2≥
(gcos(σ3-σ2)+ω2rsin(ωt1)sinσ2)tanφ2

(24)

(25)

根據(jù)前期試驗，考慮籽粒輸送板的安裝空間，同時保證油葵籽粒盡可能掉落至籽粒輸送板表面，設(shè)計提升連桿BM長300 mm，籽粒輸送板長610 mm，滑塊軌道與地面夾角為σ3=16°。籽粒輸送板表面鋸齒需逐齒推送油葵籽粒，使前一級鋸齒槽內(nèi)籽粒落入下一級鋸齒槽，同時防止籽?；鼗辽弦患変忼X槽。當(dāng)籽粒輸送板沿滑塊軌道上行時，油葵籽粒沿鋸齒寬面相對輸送板向下移動，籽粒水平位移Mx應(yīng)大于單齒距的寬度Zl，籽粒輸送板下行時，油葵籽粒在回推作用力下易發(fā)生回滑，鋸齒高度Zh應(yīng)大于籽粒寬度最大值，確定鋸齒高度為13 mm。鋸齒內(nèi)部夾角σ1過大會導(dǎo)致油葵籽粒拋離籽粒輸送板形成籽粒飛濺，過小則會形成鋸齒槽內(nèi)籽粒堆積，籽粒輸送板夾角σ2影響鋸齒寬面對油葵籽粒的推送作用，角度過大會導(dǎo)致籽粒反向回滑，過小時油葵籽粒垂直位移My減少，籽粒推送效率降低，參考振動篩抖動板設(shè)計，確定鋸齒內(nèi)部夾角為95°、鋸齒寬面與籽粒輸送板夾角為12°，由三角代換得鋸齒寬度為52 mm。油葵籽粒與輸送板表面為非彈性碰撞，為避免油葵籽粒在碰撞與推送過程產(chǎn)生破損，齒尖進(jìn)行圓角處理，圓角半徑為2 mm。

油葵籽?；瑒幽Σ两侨ˇ?=29°[17]，將相關(guān)參數(shù)代入式(25)，得油葵籽粒沿輸送板表面向下滑動時需滿足n≥119.61 r/min，取整確定曲柄轉(zhuǎn)速應(yīng)大于120 r/min，即振動頻率2 Hz。

4 試驗

4.1 試驗方案

試驗于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州阜康市進(jìn)行，試驗品種為矮大頭DW667號油葵，種植平均行距為400 mm，完整葵盤質(zhì)量范圍為280～370 g，油葵籽粒千粒質(zhì)量為55.9 g，油葵籽粒平均含水率為27.1%，自然落籽量為0.2 g/m2，作物長勢均勻，地勢平坦，無障礙物。參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8097—2008《聯(lián)合收割機(jī)試驗方法》和NY/T 373—2011《風(fēng)篩式種子清選機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》，以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動頻率和分風(fēng)板傾角作為試驗因素，油葵籽粒含雜率Sw和籽粒損失率Zp為清選質(zhì)量評價指標(biāo)。

油葵聯(lián)合收獲機(jī)裝有自抗擾-動態(tài)矩陣系統(tǒng)，可保證喂入量穩(wěn)定在2.45 kg/s。為減少田間作業(yè)對單因素試驗造成的誤差，試驗時拆除油葵聯(lián)合收獲機(jī)割臺，采用輸送帶喂入葵盤。每組試驗僅調(diào)整單個試驗因素，參數(shù)調(diào)節(jié)通過機(jī)器液壓系統(tǒng)及更換零部件實現(xiàn)，數(shù)值由霍爾轉(zhuǎn)速傳感器反饋至監(jiān)測顯示屏。每組試驗開始前清除上組試驗殘留物料，待本次試驗結(jié)束，通過分樣篩將糧倉內(nèi)油葵籽粒與雜質(zhì)篩分，統(tǒng)計油葵籽粒含雜率；使用集料箱與集料袋收集清選裝置尾部排出物，篩選其中油葵籽粒，統(tǒng)計籽粒損失率。為提高單因素試驗的準(zhǔn)確度，每組試驗重復(fù)3次，將均值作為試驗結(jié)果。

4.2 單因素試驗

圖11a為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對清選性能的影響，設(shè)定振動頻率為4 Hz，分風(fēng)板傾角為30°，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000～1 400 r/min范圍內(nèi)選取5個轉(zhuǎn)速對清選裝置的清選性能進(jìn)行評價。隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，油葵籽粒含雜率呈下降趨勢，籽粒損失率持續(xù)上升。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高對應(yīng)氣流作用力增大，對油葵籽粒與雜質(zhì)分離作用增強(qiáng)，清選效果得到明顯提高，但被吹出清選室油葵籽粒數(shù)量增加，導(dǎo)致籽粒損失率上升。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速取值范圍為1 000～1 200 r/min時，油葵籽粒含雜率迅速下降，同時損失率上升明顯；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至1 200～1 400 r/min區(qū)間，油葵籽粒含雜率繼續(xù)下降，籽粒損失率逐漸趨于穩(wěn)定上升幅度較小，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 100～1 300 r/min為清選裝置較優(yōu)工作區(qū)間。

圖11 單因素試驗結(jié)果Fig.11 Single factor test results

圖11b為振動頻率對清選性能的影響，固定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，分風(fēng)板傾角為30°，振動頻率在2～6 Hz的范圍內(nèi)調(diào)整。油葵籽粒含雜率呈先下降后上升趨勢，籽粒損失率整體呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。振動頻率較低時，篩面物料拋起效果差，篩網(wǎng)堵塞，部分油葵籽粒未透過篩面被直接排出。當(dāng)振動頻率位于2～4 Hz區(qū)間時，脫出物在振動篩面離散度增大、跳動明顯，對油葵籽粒與雜質(zhì)的篩分效果明顯，油葵籽粒含雜率顯著下降。在4～6 Hz區(qū)間時，隨振動頻率增大，部分雜質(zhì)碰撞后落回篩面，堆積于篩面影響雜質(zhì)排出，油葵籽粒含雜率上升，同時油葵籽粒未經(jīng)篩分被直接排出，導(dǎo)致籽粒損失率上升。振動頻率3～5 Hz是滿足油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選作業(yè)要求的較優(yōu)區(qū)間。

圖11c為分風(fēng)板傾角對清選性能的影響，分風(fēng)板傾角在10°～50°區(qū)間調(diào)節(jié)進(jìn)行試驗，由圖可知油葵籽粒含雜率呈先下降后平穩(wěn)的趨勢，籽粒損失率呈先降后上升趨勢，產(chǎn)生這種變化趨勢的原因是：風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的清選氣流受分風(fēng)板導(dǎo)向吹至清選裝置各處，當(dāng)分風(fēng)板傾角處于低水平時，清選裝置內(nèi)部氣流散亂，氣流對雜質(zhì)推送效果較弱，含雜率高，篩面處雜質(zhì)堆積，導(dǎo)致油葵籽粒無法透過篩網(wǎng)，油葵籽粒損失率高；隨著分風(fēng)板傾角增大，氣流推送效果明顯，雜質(zhì)吹出清選裝置，籽粒透篩率上升，籽粒損失率下降，當(dāng)分風(fēng)板傾角處于較高水平時，振動篩前中段清選氣流推送效果變強(qiáng)，部分油葵籽粒被直接吹出清選裝置，同時振動篩后段推送效果變?nèi)?，脫出物在篩面堆積，造成籽粒損失率上升。

4.3 正交試驗

為進(jìn)一步探究上述試驗因素與清選指標(biāo)之間的交互作用，尋找影響規(guī)律及較優(yōu)參數(shù)組合，根據(jù)響應(yīng)面分析法，以油葵籽粒含雜率和籽粒損失率為試驗指標(biāo)，開展響應(yīng)面試驗。根據(jù)單因素結(jié)果選取該機(jī)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動頻率、分風(fēng)板傾角作為試驗因素，試驗因素編碼設(shè)計如表3所示，試驗設(shè)計與結(jié)果如表4所示，A、B、C為因素編碼值。

表3 試驗因素編碼Tab.3 Factors and levels of experiment

表4 試驗方案與結(jié)果Tab.4 Experimental layout and results

4.4 回歸模型建立與顯著性檢驗

通過Design-Expert 12軟件開展多元回歸擬合分析，建立油葵籽粒含雜率、籽粒損失率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動頻率、分風(fēng)板傾角3個自變量的響應(yīng)面正交回歸模型，對其進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示。油葵籽粒含雜率和損失率模型P=0.001、P<0.000 1(P<0.01)，證實所得回歸模型高度顯著；失擬項P分別為0.233 8、0.790 9，該清選裝置工作參數(shù)可根據(jù)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化。油葵籽粒含雜率模型中A、B、B2、C2對回歸模型影響極顯著(P<0.01)；AB、BC、A2對回歸模型影響不顯著(P>0.05)；油葵籽粒損失率模型中A、AB、AC、A2、B2對回歸模型影響極顯著(P<0.01)；BC、C2對回歸模型影響不顯著(P>0.05)。去除不顯著回歸項優(yōu)化后的方程為

表5 油葵籽粒含雜率與損失率方差分析Tab.5 Variance analysis of impurity rate and loss rate in oil sunflower

Y1=5.05-2.07A+1.71B+0.92C-
1.57AC+2.76B2+1.97C2

(26)

Y2=1.68+0.42A-0.19B+0.16C-
0.49AB+0.38AC+0.74A2+0.61B2

(27)

根據(jù)回歸模型分析結(jié)果，利用數(shù)據(jù)分析軟件繪制交互響應(yīng)曲面，如圖12所示。

圖12 正交試驗響應(yīng)曲面Fig.12 Orthogonal test response surfaces

由圖12a可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與分風(fēng)板傾角增大時，含雜率均呈下降趨勢，與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，分風(fēng)板傾角呈先負(fù)后正相關(guān)關(guān)系。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化對響應(yīng)曲面影響更明顯，主要因為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變清選裝置各處氣流作用力，影響雜質(zhì)排出效果。由圖12b可知，振動頻率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對油葵籽粒損失率均呈先負(fù)后正相關(guān)關(guān)系，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對油葵籽粒損失率的作用比振動頻率的作用顯著。由圖12c可知，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與油葵籽粒損失率呈正相關(guān)關(guān)系，分風(fēng)板傾角與油葵籽粒損失率在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于高水平時，呈正相關(guān)關(guān)系，由圖可知風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對油葵籽粒損失率的作用相比分風(fēng)板傾角作用顯著。各試驗因素對油葵籽粒含雜率和損失率影響大小順序均為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動頻率、分風(fēng)板傾角。

以籽粒含雜率、籽粒損失率最小值為優(yōu)化目標(biāo)，以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動頻率和分風(fēng)板傾角為優(yōu)化對象，通過Design-Expert軟件對回歸模型進(jìn)行尋優(yōu)，目標(biāo)及約束條件方程為

(28)

得到清選裝置最優(yōu)工作參數(shù)為：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 204.7 r/min、振動頻率3.91 Hz、分風(fēng)板傾角26.48°，此參數(shù)組合下求得油葵籽粒含雜率與籽粒損失率為3.95%、1.65%。

4.5 試驗驗證

根據(jù)優(yōu)化所得參數(shù)組合進(jìn)行3次田間驗證試驗(圖13)，考慮試驗可行性將工作參數(shù)圓整：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200 r/min、振動頻率4 Hz，分風(fēng)板傾角27°。田間試驗過程分為3個區(qū)域：調(diào)節(jié)清選裝置工作參數(shù)的穩(wěn)定區(qū)、油葵聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)的測定區(qū)和確保試驗完全進(jìn)行的停車區(qū)。各區(qū)域長度均為20 m，其中測定區(qū)寬度不小于3個工作幅寬。試驗結(jié)果如表6所示。

圖13 田間驗證試驗Fig.13 Validation test in field

表6 試驗驗證結(jié)果Tab.6 Experiment verification results %

分析田間驗證試驗的結(jié)果，得出最優(yōu)參數(shù)組合下平均油葵籽粒含雜率為4.25%，平均籽粒損失率為1.82%，油葵籽粒含雜率小于5%，損失率小于3%，滿足國家及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

(1)分析了油葵聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置脫出物組成成分及物料特性，測定了脫出物各物料懸浮速度，通過運動學(xué)分析確定清選裝置振動篩與籽粒輸送板的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，對振動篩面葵盤及籽粒輸送板面油葵籽粒進(jìn)行了受力分析，得到影響清選質(zhì)量主要工作參數(shù)。

(2)開展了單因素試驗和響應(yīng)面試驗，得到了清選裝置主要工作參數(shù)取值范圍：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 100～1 300 r/min、振動頻率3～5 Hz、分風(fēng)板傾角20°～40°，各因素對油葵籽粒含雜率和損失率影響大小順序均為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動頻率、分風(fēng)板傾角。

(3)通過Design-Expert軟件優(yōu)化工作參數(shù)，得工作參數(shù)組合：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 204.7 r/min、振動頻率3.91 Hz、分風(fēng)板傾角26.48°，此時，油葵籽粒含雜率為3.95%，籽粒損失率為1.65%。田間試驗表明：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200 r/min、振動頻率4 Hz、分風(fēng)板傾角27°時，平均油葵籽粒含雜率為4.25%，平均籽粒損失率為1.82%，滿足油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。