油菜聯(lián)合收獲機(jī)凸塊擾流式旋風(fēng)分離清選裝置研究

萬星宇 袁佳誠 廖慶喜 張 敏 關(guān)卓懷 李海同

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210014； 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014)

0 引言

油菜不與水稻、小麥等主要糧食作物爭地，是我國最具擴(kuò)種潛力的油料作物[1]。油菜植株高大、分枝眾多、成熟度不一致，人工收獲勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，機(jī)械化收獲是保證油菜高質(zhì)高效生產(chǎn)的關(guān)鍵[2-5]。聯(lián)合收獲是油菜機(jī)械化收獲的主要方式，聯(lián)合收獲機(jī)一次下地可完成切割、脫粒、分離、清選等主要工序，具有生產(chǎn)效率高、利于搶農(nóng)時(shí)等優(yōu)勢(shì)，清選是實(shí)現(xiàn)脫出物中油菜籽粒與短莖稈、莢殼等雜余分離的關(guān)鍵[6-7]。常規(guī)油菜聯(lián)合收獲清選裝置多為風(fēng)機(jī)與往復(fù)式振動(dòng)篩組合式，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且振動(dòng)較大；此外，油菜脫出物含水率高，易導(dǎo)致風(fēng)篩組合式清選裝置出現(xiàn)“糊篩”現(xiàn)象，導(dǎo)致籽粒無法透過篩網(wǎng)，增大清選損失[8-11]。

為簡化清選裝置結(jié)構(gòu)，農(nóng)業(yè)清選、糧油加工、工業(yè)除塵等領(lǐng)域常用的旋風(fēng)分離清選裝置在油菜聯(lián)合收獲中得到一定應(yīng)用。旋風(fēng)分離清選裝置采用氣流清選原理，主要包括喂料裝置、旋風(fēng)分離筒、管道、風(fēng)機(jī)等[12-15]。風(fēng)機(jī)通過管道與旋風(fēng)分離筒頂部連接，作業(yè)時(shí)形成懸浮氣流場(chǎng)，利用籽粒與雜余機(jī)械物理性能和空氣動(dòng)力學(xué)特性差異實(shí)現(xiàn)籽粒的分離[16-19]，喂料裝置包括輸送帶式喂料裝置、拋揚(yáng)機(jī)等，旋風(fēng)分離筒頂部多采用錐臺(tái)結(jié)構(gòu)以避免雜余吸出時(shí)在頂部堆積堵塞[20-21]。

在旋風(fēng)分離筒內(nèi)壁約束下形成的懸浮氣流場(chǎng)分布是影響旋風(fēng)分離清選性能的關(guān)鍵，國內(nèi)外學(xué)者從結(jié)構(gòu)改進(jìn)、參數(shù)匹配、模擬仿真等方面開展了旋風(fēng)分離清選性能研究。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，主要改進(jìn)旋風(fēng)分離筒上錐段和下錐段結(jié)構(gòu)，如改進(jìn)設(shè)計(jì)錐頂蝸殼式旋風(fēng)分離筒，提出了吸雜口偏置設(shè)計(jì)[22-23]，研究了偏置位移和角度對(duì)清選性能的影響，在旋風(fēng)分離筒下錐段增加透氣孔等；在參數(shù)匹配方面，通過探明風(fēng)機(jī)、喂料裝置等運(yùn)行參數(shù)和旋風(fēng)分離筒結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)清選性能優(yōu)化，如文獻(xiàn)[24-26]探究了旋風(fēng)分離清選風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速和旋風(fēng)分離筒結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)清選性能的影響；在模擬仿真方面，基于CFD、CFD-DEM耦合的方法應(yīng)用廣泛，是可視化旋風(fēng)分離筒內(nèi)部氣流場(chǎng)狀態(tài)的主要手段，前期基于CFD的仿真結(jié)果表明，靠近旋風(fēng)分離筒內(nèi)壁部分區(qū)域存在氣流速度為0的死區(qū)[27]，導(dǎo)致油菜脫出物分離不徹底，夾帶損失率增加，清潔率降低等。

本研究在油菜聯(lián)合收獲機(jī)旋風(fēng)分離清選裝置的基礎(chǔ)上，解析旋風(fēng)分離氣流場(chǎng)死區(qū)對(duì)油菜籽粒運(yùn)動(dòng)的影響，提出在旋風(fēng)分離筒下錐段內(nèi)壁增設(shè)螺旋間隔排列的圓柱擾流凸塊，通過形成柱狀凸起擾動(dòng)內(nèi)部氣流場(chǎng)消除死區(qū)，為便于調(diào)節(jié)凸塊形位參數(shù)，采用便于安裝和移動(dòng)的帶磁性的圓柱凸塊，基于自主研發(fā)的聯(lián)合收獲測(cè)試平臺(tái)開展單因素試驗(yàn)與Box-Behnken試驗(yàn)，優(yōu)化得出旋風(fēng)分離筒運(yùn)行參數(shù)與凸塊排列結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳組合，為油菜聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 聯(lián)合收獲機(jī)基本結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 基本結(jié)構(gòu)

自主研發(fā)的4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括割臺(tái)、切碎拋送裝置、縱軸流脫粒分離裝置、旋風(fēng)分離清選裝置等(圖1a)，其中旋風(fēng)分離清選裝置由拋揚(yáng)機(jī)、旋風(fēng)分離筒、吸雜管道、離心風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵部件組成，旋風(fēng)分離筒分為上錐段、中間圓柱段和下錐段3部分[20]，上錐段出口為吸雜口，與吸雜管道相連，中間圓柱段與拋揚(yáng)機(jī)相連，下錐段出口為出糧口，吸雜管道連接旋風(fēng)分離筒與離心風(fēng)機(jī)；相比常規(guī)矩形凸塊，圓形凸塊與脫出物的接觸多為線接觸，摩擦力較小，不易阻礙物料運(yùn)動(dòng)，故采用圓形凸塊；擾流圓柱凸塊(直徑20 mm、高7 mm)呈螺旋間隔吸附于旋風(fēng)分離筒下錐段，利用旋風(fēng)分離筒內(nèi)氣流流經(jīng)凸塊時(shí)的自激振蕩現(xiàn)象減少死區(qū)(圖1b)。聯(lián)合收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of 4LYZ-2.0 type combine harvester for rapeseed1.割臺(tái) 2.復(fù)合式推運(yùn)器 3.切碎拋送裝置 4.縱軸流脫粒分離裝置 5.脫出物提升螺旋輸送器 6.離心風(fēng)機(jī) 7.旋風(fēng)分離筒 8.拋揚(yáng)機(jī) 9.上錐段 10.圓柱段 11.下錐段

圖 2 籽粒在水平面氣流場(chǎng)死區(qū)內(nèi)遷移運(yùn)動(dòng)分析Fig.2 Kinematic analysis of rapeseed migration in dead zone of horizontal airflow field1.高速氣流區(qū) 2.低速氣流區(qū) 3.死區(qū)

表1 油菜聯(lián)合收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main parameters of rapeseed combine harvester

1.2 工作過程

油菜聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，撥禾輪將油菜植株扶持送入割臺(tái)并被切割，切斷后的油菜莖稈由復(fù)合式推運(yùn)器推送至切碎拋送裝置，切碎拋送裝置將油菜莖稈切斷后拋至縱軸流脫粒分離裝置內(nèi)；進(jìn)入脫粒分離裝置的油菜在脫粒元件擊打、揉搓作用下破裂并釋放籽粒，大部分莖稈軸向運(yùn)移至田間，少量短莖稈透過篩網(wǎng)，與莢殼、輕雜余等組成雜余物料；脫出物在輸送器作用下被輸送至旋風(fēng)分離清選裝置。

進(jìn)入旋風(fēng)分離清選裝置的油菜脫出物在拋揚(yáng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)作用下以一定的初速度切向進(jìn)入旋風(fēng)分離筒，旋風(fēng)分離筒中心軸區(qū)域氣流速度較高，為高速氣流區(qū)，近筒壁區(qū)域氣流速度較低，為低速氣流區(qū)；油菜脫出物下落至下錐段后由于截面變化，體積較大的雜余會(huì)緩慢靠近高速氣流區(qū)，并被高速氣流攜帶至吸雜口[15,20]；體積較小的籽?？拷诿孢\(yùn)動(dòng)，由出糧口落出，實(shí)現(xiàn)籽粒與雜余分離。此外，由于靜電效應(yīng)，籽粒與壁面、脫出物等其他物體碰撞過程中，材料表面相互摩擦引起電荷重新分布而形成靜電，進(jìn)而在磁場(chǎng)的作用下向凸塊靠近，即凸塊可輔助引導(dǎo)籽粒向壁面靠近。

2 籽粒遷移過程與凸塊排布分析

2.1 籽粒在氣流場(chǎng)死區(qū)遷移過程分析

前期基于CFD的氣流場(chǎng)數(shù)值分析結(jié)果表明，旋風(fēng)分離筒內(nèi)存在氣流速度為0的區(qū)域，即死區(qū)，籽粒在氣流場(chǎng)死區(qū)內(nèi)的遷移運(yùn)動(dòng)可分解為在水平面內(nèi)極坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)與垂直面笛卡爾坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)[20,28]。

2.1.1死區(qū)對(duì)水平面內(nèi)籽粒運(yùn)動(dòng)的影響

籽粒在氣流場(chǎng)中的三維運(yùn)動(dòng)可由水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)合成，在水平面內(nèi)，籽粒由氣流裹挾，在旋風(fēng)分離筒圓形壁面約束下運(yùn)動(dòng)，假設(shè)籽粒為球體，則籽粒中心點(diǎn)與旋風(fēng)分離筒橫截面中心點(diǎn)之間的位置關(guān)系可用夾角和距離表示，適宜建立極坐標(biāo)系描述籽粒在水平面內(nèi)位置。

籽粒在水平面內(nèi)的遷移運(yùn)動(dòng)規(guī)律與籽粒速度、加速度變化有關(guān)，籽粒所受作用力則影響其加速度。籽粒在極坐標(biāo)下的遷移速度為徑向速度與切向速度的向量和，即

(1)

式中vph——水平面內(nèi)籽粒速度，m/s

當(dāng)籽粒速度與極徑方向的夾角為αv時(shí)，籽粒運(yùn)動(dòng)速度的徑向與切向分速度為

(2)

同理，籽粒在極坐標(biāo)下的遷移加速度亦可分解為徑向加速度與切向加速度，即

ah=ar+aθ

(3)

式中ah——水平面內(nèi)籽粒加速度，m/s2

ar——水平面內(nèi)籽粒切向方向加速度，m/s2

aθ——水平面內(nèi)籽粒徑向方向加速度，m/s2

根據(jù)極坐標(biāo)系與笛卡爾坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系，籽粒在極坐標(biāo)系下的速度與加速度之間的關(guān)系滿足

(4)

籽粒所受加速度與其所受作用力有關(guān)，在不考慮籽粒之間、籽粒與筒壁之間的碰撞，忽略慣性力、浮力等的條件下，籽粒在死區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)主要受空氣阻力、重力的作用[29]。在水平面內(nèi)，空氣阻力是影響籽粒遷移的主要因素，籽粒所受空氣阻力與其和氣流速度之間的相對(duì)速度有關(guān)，由于氣流場(chǎng)死區(qū)內(nèi)氣流速度為0，則籽粒與氣流的相對(duì)速度即為籽粒自身速度vp，空氣阻力方向與籽粒運(yùn)動(dòng)速度方向相反，由圖2籽粒受力分析可知

(5)

式中mp——單粒油菜籽質(zhì)量，kg

Fdh——籽粒所受空氣阻力水平面分力，N

假設(shè)籽粒為球體，則單粒油菜籽質(zhì)量計(jì)算式為

(6)

式中dp——油菜籽粒直徑，mm

ρp——油菜籽粒密度，kg/m3

籽粒在死區(qū)內(nèi)所受空氣阻力與空氣密度、籽粒直徑、籽粒運(yùn)動(dòng)速度等有關(guān)，計(jì)算式為

(7)

式中CD——阻力系數(shù)

ρt——空氣密度，kg/m3

聯(lián)立式(2)和式(5)～(7)可得在水平面極坐標(biāo)系中，籽粒在氣流場(chǎng)死區(qū)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(8)

當(dāng)旋風(fēng)分離筒內(nèi)不存在死區(qū)時(shí)，籽粒與氣流的相對(duì)速度不再與籽粒速度大小相等、方向相反，籽粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律見文獻(xiàn)[20]。

籽粒與氣流的相對(duì)速度滿足

(9)

式中αc——籽粒和氣流相對(duì)速度與極徑方向的夾角，rad

vch——籽粒與氣流相對(duì)速度，m/s

uh——?dú)饬魉俣?，m/s

αu——?dú)饬魉俣扰c極徑方向的夾角，rad

聯(lián)立式(2)可得

(10)

即

(11)

同時(shí)，無死區(qū)時(shí)籽粒所受空氣阻力滿足

(12)

由式(7)、(11)、(12)分析得

(13)

將式(10)代入式(13)可得氣流場(chǎng)無死區(qū)條件下籽粒在極坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(14)

當(dāng)同一籽粒處于同一位置以相同初速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，式(8)與式(14)相差為

(15)

理想狀態(tài)下旋風(fēng)分離筒內(nèi)氣流攜帶油菜籽粒運(yùn)動(dòng)，氣流速度大于籽粒運(yùn)動(dòng)速度，即uh>vph，相同條件下，氣流場(chǎng)無死區(qū)時(shí)，籽粒所受徑向加速度差和切向加速度差均為正值，死區(qū)的存在會(huì)阻礙籽粒在水平面內(nèi)向壁面靠近和繞旋風(fēng)分離筒中心軸的運(yùn)動(dòng)，使籽粒向旋風(fēng)分離筒中心軸靠攏，易被中心高速氣流捕獲，造成籽粒損失；同理，當(dāng)死區(qū)存在時(shí)，莖稈、莢殼等雜余物料更易分離，有利于提高籽粒清潔率。優(yōu)先考慮降低籽粒損失時(shí)，應(yīng)盡量消除氣流場(chǎng)死區(qū)。

2.1.2死區(qū)對(duì)垂直面內(nèi)籽粒運(yùn)動(dòng)的影響分析

因油菜籽粒在旋風(fēng)分離筒水平面內(nèi)的遷移運(yùn)動(dòng)已在極坐標(biāo)系下分解為徑向運(yùn)動(dòng)和切向運(yùn)動(dòng)，在垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)僅為氣流阻礙下的直線運(yùn)動(dòng)，3種運(yùn)動(dòng)合成即可反映籽粒在旋風(fēng)分離筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

籽粒在垂直面內(nèi)的直線運(yùn)動(dòng)適宜在笛卡爾坐標(biāo)系中表達(dá)，以上錐段與圓柱端壁面交界處為原點(diǎn)構(gòu)建笛卡爾坐標(biāo)系，如圖3所示。通過對(duì)籽粒z軸坐標(biāo)函數(shù)的連續(xù)求導(dǎo)后，可得籽粒在垂直方向運(yùn)動(dòng)的加速度，即

圖3 籽粒在垂直面氣流場(chǎng)死區(qū)內(nèi)遷移運(yùn)動(dòng)分析Fig.3 Kinematic analysis of rapeseed migration in dead zone of vertical airflow field1.高速氣流區(qū) 2.低速氣流區(qū) 3.死區(qū)

(16)

籽粒在垂直面內(nèi)主要受重力和空氣阻力的作用，空氣阻力與籽粒和氣流相對(duì)速度有關(guān)，當(dāng)籽粒穿過死區(qū)時(shí)，籽粒、氣流相對(duì)速度與籽粒運(yùn)動(dòng)速度大小相等、方向相反，籽粒運(yùn)動(dòng)加速度滿足

mpaz=mpg-Fdz

(17)

(18)

式中Fdz——垂直面內(nèi)籽粒所受空氣阻力，N

vpz——籽粒垂直運(yùn)動(dòng)速度，m/s

聯(lián)立式(16)～(18)可得籽粒在垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(19)

當(dāng)旋風(fēng)分離筒內(nèi)不存在死區(qū)時(shí)，籽粒在垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律見文獻(xiàn)[20]。

無死區(qū)時(shí)，籽粒所受作用力滿足

(20)

式中uz——垂直面內(nèi)氣流速度，m/s

無死區(qū)時(shí)，籽粒在垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(21)

當(dāng)同一籽粒處于同一位置以相同初速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，式(19)與式(21)相差為

(22)

當(dāng)氣流場(chǎng)不存在死區(qū)時(shí)，籽粒在懸浮氣流場(chǎng)作用下的下落時(shí)間增加，可保證籽粒與雜余的有效分離時(shí)間，提高籽粒清潔率。

由籽粒在水平面與垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析可知，消除旋風(fēng)分離氣流場(chǎng)死區(qū)可促進(jìn)籽粒遠(yuǎn)離旋風(fēng)分離筒中心軸附近高速氣流區(qū)，更易向壁面靠近，減少了籽粒被高速懸浮氣流捕獲的概率，可減少籽粒損失，同時(shí)增加籽粒與雜余的有效分離時(shí)間。

2.2 凸塊排布分析

在凸塊排布分析方面，主要依據(jù)擾流原理及脫出物中短莖稈、莢殼、籽粒等不同組分的三軸尺寸差異，明確凸塊間距、螺旋升角等因素的取值范圍，為確定試驗(yàn)因素水平提供依據(jù)。

設(shè)置凸塊為間隔螺旋排布，使凸塊呈一定傾角排列，利用旋風(fēng)分離筒內(nèi)氣流切向流經(jīng)凸塊時(shí)的自激振蕩現(xiàn)象，從而形成氣流場(chǎng)速度和壓力的變化以減少死區(qū)。當(dāng)氣流切向流經(jīng)間隔排布凸塊時(shí)，由于開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性作用，氣流在前一凸塊邊緣影響下產(chǎn)生剪切層自激振蕩，其傳播方向與氣流場(chǎng)總體流向相同，即為正向擾動(dòng)；當(dāng)正向擾動(dòng)與后一凸塊碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與氣流場(chǎng)總體流向不一致的逆向擾動(dòng)，當(dāng)逆向擾動(dòng)傳播至前一凸塊后又會(huì)增強(qiáng)該位置的正向擾動(dòng)，在正向擾動(dòng)和逆向擾動(dòng)的耦合作用下凸塊周圍引發(fā)氣流場(chǎng)自激振蕩現(xiàn)象，從而減少死區(qū)，如圖4所示。因旋風(fēng)分離筒下錐段為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為保證內(nèi)部氣流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，在凸塊螺旋間隔排布的基礎(chǔ)上，采用多頭均勻?qū)ΨQ設(shè)置，影響凸塊排布主要參數(shù)為螺旋頭數(shù)z、初始相位、螺旋升角φ、凸塊間距s等。

圖4 凸塊對(duì)旋風(fēng)分離氣流場(chǎng)擾流作用示意圖Fig.4 Schematic of effect of raised cylinder on cyclone separation airflow field

進(jìn)入旋風(fēng)分離筒內(nèi)的油菜脫出物主要包括籽粒、短莖稈、莢殼、輕雜余等，其中輕雜余易于分離，大部分在進(jìn)入下錐段前即被吸出機(jī)外，因此脫出物中輕雜余質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)清選性能影響不顯著[30]，重點(diǎn)分析凸塊對(duì)籽粒、短莖稈、莢殼的影響。當(dāng)油菜喂入量為2～3 kg/s、脫粒間隙為30 mm、切碎滾筒轉(zhuǎn)速為430～550 r/min、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為450～650 r/min時(shí)，籽粒、短莖稈、莢殼的三軸尺寸及質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。

表2 油菜脫出物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及三軸尺寸Tab.2 Mass fraction and triaxial size of rapeseed threshing outputs

由于籽粒直徑較小，與短莖稈和莢殼的長度差異大，因此間隔排布的凸塊除利用氣流自激振動(dòng)減少死區(qū)外，還可通過凸塊之間的間隙影響籽粒、短莖稈和莢殼的運(yùn)動(dòng)，其中細(xì)小籽粒通過凸塊間隙的概率較大，可沿旋風(fēng)分離筒壁運(yùn)動(dòng)至出糧口，而部分長度較長且處于特定姿態(tài)的短莖稈與莢殼無法穿過凸塊間隙，在翻越凸塊過程中向旋風(fēng)分離筒中心軸靠攏，易被高速氣流區(qū)捕獲，促進(jìn)籽粒與雜余的分離，如圖5所示。

圖5 凸塊對(duì)特定姿態(tài)莖稈及莢殼的阻礙作用Fig.5 Hindering effect of raised cylinder on stem and pod shell of specific attitude1.凸塊 2.油菜籽粒 3.短莖稈/莢殼

假設(shè)短莖稈或莢殼在氣力輸送過程中緊貼壁面，一端與凸塊點(diǎn)O接觸后在摩擦力作用下定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，則凸塊間隙Δs需滿足

Δs=s-d0

(23)

式中d0——凸塊直徑，取20 mm

lj——短莖稈或莢殼最小平均長度，由表2可知為41.78 mm

由式(23)可知，當(dāng)凸塊間距不變時(shí)，凸塊直徑直接影響凸塊間隙，進(jìn)而改變短莖稈或莢殼通過凸塊間隙的概率，影響旋風(fēng)分離清選效果。

計(jì)算得凸塊間距s<61.78 mm，因凸塊之間引力作用，凸塊間距過小時(shí)凸塊之間的引力大于其與壁面吸附產(chǎn)生的摩擦力，難以形成間隔排布，故設(shè)計(jì)凸塊間隙至少可容納1個(gè)凸塊，則凸塊間距為40 mm≤s<61.78 mm。

在旋風(fēng)分離筒仰視圖中心位置建立坐標(biāo)系，預(yù)試驗(yàn)表明，未安裝凸塊時(shí)，物料由旋風(fēng)分離筒入口進(jìn)入，大部分在中間圓柱段內(nèi)沿壁面運(yùn)動(dòng)后由下錐段第1象限進(jìn)入，如圖6所示，故優(yōu)先保障下錐段第1象限內(nèi)間隔排列凸塊，將出糧口邊界與x軸的交點(diǎn)A設(shè)定為單頭螺旋起點(diǎn)，以螺旋線與旋風(fēng)分離筒下錐段和圓柱段交界處為終點(diǎn)(圖7)。

圖6 無凸塊條件下物料運(yùn)動(dòng)過程Fig.6 Material movement process without raised cylinder

圖7 單頭螺旋間隔排布示意圖Fig.7 Single head spiral spaced arrangement of raised cylinder

為保證凸塊螺旋之間無干擾并減少對(duì)氣流的阻礙，設(shè)計(jì)單頭螺旋線約束于第1象限，則弧線AB、AC為螺旋線臨界位置；考慮開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性作用引起的擾動(dòng)為剪切層自激振蕩，凸塊排布螺旋升角不宜大于下錐段錐角，則螺旋升角φ滿足

(24)

式中D——旋風(fēng)分離筒圓柱段直徑，取450 mm

h——旋風(fēng)分離筒下錐段高度，mm

d2——旋風(fēng)分離筒出糧口直徑，取200 mm

ψ——旋風(fēng)分離筒下錐段錐角，取75°

計(jì)算得螺旋升角臨界范圍為60.26°～75°。

凸塊間隔排布采用多頭均勻?qū)ΨQ設(shè)置時(shí)，將下錐段壁面空間分割為等體積的若干區(qū)域，如圖8所示，在單位時(shí)間內(nèi)，為保證油菜脫出物可沿壁面運(yùn)動(dòng)，分割出的局部區(qū)域體積需盡量容納油菜脫出物，降低油菜籽粒向旋風(fēng)分離筒中心軸靠近的概率，減少籽粒損失，根據(jù)油菜脫出物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及各組分體積，凸塊分割區(qū)域體積需滿足

圖8 凸塊排布分割區(qū)域示意圖Fig.8 Schematic of raised cylinder arrangement segmentation region

(25)

式中V0——分割區(qū)域體積，m3

V1——單位時(shí)間進(jìn)入旋風(fēng)分離筒內(nèi)的籽粒體積，m3

V2——單位時(shí)間進(jìn)入旋風(fēng)分離筒內(nèi)的莖稈體積，m3

V3——單位時(shí)間進(jìn)入旋風(fēng)分離筒內(nèi)的莢殼體積，m3

z——螺旋頭數(shù)

由式(25)可知，凸塊高度h0主要通過影響凸塊螺旋分割區(qū)域體積而影響清選效果。

單個(gè)油菜籽粒可按球體體積計(jì)算，短莖稈與莢殼形狀復(fù)雜，其體積可按質(zhì)量與容重之比計(jì)算，則各組分體積計(jì)算式為

(26)

式中η1——脫出物中籽粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取最大值51.93%

η2——脫出物中短莖稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取最大值16.47%

η3——脫出物中莢殼質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取最大值31.68%

Q0——脫出物喂入量，當(dāng)整機(jī)喂入量為3 kg/s時(shí)約為1 kg/s

Δm——油菜籽千粒質(zhì)量，取4.2 g

ρ——短莖稈與莢殼容重，取780 kg/m3

聯(lián)立式(25)、(26)計(jì)算得z≤4.67個(gè)。

因旋風(fēng)分離筒內(nèi)氣流場(chǎng)狀態(tài)與油菜脫出物組分復(fù)雜，在確定凸塊排布主要參數(shù)范圍的基礎(chǔ)上需通過試驗(yàn)進(jìn)一步明確各參數(shù)對(duì)清選性能的影響，后續(xù)以螺旋升角φ∈[55°,75°]、凸塊間距s∈[40 mm,60 mm]、螺旋頭數(shù)1～4個(gè)為因素水平范圍，開展單因素試驗(yàn)明確各因素對(duì)清選性能的影響規(guī)律，并開展Box-Behnken試驗(yàn)確定最佳參數(shù)組合。

3 凸塊擾流式旋風(fēng)分離清選性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與方法

依托自主研發(fā)的油菜聯(lián)合收獲機(jī)關(guān)鍵部件試驗(yàn)臺(tái)，開展凸塊排布結(jié)構(gòu)參數(shù)的單因素試驗(yàn)，探究凸塊擾流作用對(duì)旋風(fēng)分離清選性能的影響，明確清選性能較優(yōu)的凸塊螺旋排布頭數(shù)；進(jìn)一步以螺旋升角φ、凸塊間距s、旋風(fēng)分離筒入口風(fēng)速v1、吸雜口風(fēng)速v2為因素，以清潔率、損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于Design-Expert 12.0 軟件開展Box-Behnken試驗(yàn)，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)與各因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，得到最佳參數(shù)組合并驗(yàn)證。

油菜聯(lián)合收獲關(guān)鍵部件試驗(yàn)臺(tái)由喂料輸送帶、割臺(tái)、脫粒分離裝置、旋風(fēng)分離清選裝置等組成，如圖9a所示，各部件運(yùn)行均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可通過調(diào)節(jié)拋揚(yáng)裝置轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)入口風(fēng)速、吸雜口風(fēng)速的調(diào)節(jié)。

圖9 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure diagrams of test bench1.割臺(tái) 2.輸送帶 3.鏈耙式輸送裝置 4.脫粒分離裝置 5.旋風(fēng)分離清選裝置 6.離心風(fēng)機(jī) 7.吸雜管道 8.旋風(fēng)分離筒 9.脫出物提升螺旋輸送器 10.拋揚(yáng)裝置 11.出糧口接料盒 12.圓柱凸塊

試驗(yàn)所用材料為機(jī)直播華油雜62，人工收獲后掛藏，試驗(yàn)前復(fù)水處理，保證含水率為30%～40%，將復(fù)水后的油菜均勻鋪放于喂料輸送帶，由于輸送帶由靜止到達(dá)到設(shè)定線速度需一定時(shí)間，為保證喂入量穩(wěn)定，需保證油菜以恒定速度喂入割臺(tái)，故油菜鋪放時(shí)在喂料輸送帶前端預(yù)留緩沖段；旋風(fēng)分離筒采用透明材料，為保證凸塊吸附，利用內(nèi)外對(duì)置凸塊引力形成的靜摩擦力使凸塊吸附于內(nèi)壁，可通過調(diào)節(jié)筒外凸塊位置改變內(nèi)部凸塊排布，如圖9b所示；凸塊螺旋以旋風(fēng)分離筒縱向中心軸為旋轉(zhuǎn)軸，均勻環(huán)形陣列即可形成多頭螺旋。試驗(yàn)時(shí)設(shè)定各部件驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速并啟動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)束后收集旋風(fēng)分離筒出糧口、風(fēng)機(jī)出口處物料并稱量，再篩分其中籽粒后稱量籽粒質(zhì)量。

因增加凸塊本質(zhì)上是對(duì)旋風(fēng)分離氣流場(chǎng)的擾動(dòng)，旋風(fēng)分離筒幾何尺寸變化會(huì)導(dǎo)致原始?xì)饬鲌?chǎng)狀態(tài)差異，進(jìn)而影響凸塊擾流作用，故需針對(duì)特定旋風(fēng)分離筒優(yōu)化得出凸塊排布螺旋升角、凸塊間距、入口風(fēng)速、吸雜口風(fēng)速的最佳參數(shù)組合，本文采用的旋風(fēng)分離筒主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。油菜脫出物空氣動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試結(jié)果表明[19]：籽粒和莢殼懸浮速度與含水率呈線性增長關(guān)系，而莖稈和輕雜余懸浮速度與含水率呈指數(shù)增長關(guān)系，氣流清選速度以4～6 m/s為宜。設(shè)圓柱段內(nèi)懸浮氣流速度為4～6 m/s且旋風(fēng)分離筒內(nèi)氣體流量不變，則當(dāng)圓柱段直徑與吸雜口直徑分別為450 mm和200 mm時(shí)，圓柱段截面積與吸雜口截面積之比為5.06，則吸雜口風(fēng)速范圍為20.24～30.36 m/s，臺(tái)架試驗(yàn)中取整處理，則吸雜口風(fēng)速范圍取20～30 m/s。

表3 旋風(fēng)分離筒主要技術(shù)參數(shù)Tab.3 Main parameters of cyclone separation cleaning device

3.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

旋風(fēng)分離清選裝置清潔率與損失率為主要性能指標(biāo)[14-15,20]，計(jì)算式為

(27)

(28)

式中Yq——清潔率，%

Ys——損失率，%

m0——出糧口物料總質(zhì)量，kg

m1——出糧口油菜籽?？傎|(zhì)量，kg

m2——風(fēng)機(jī)出口油菜籽?？傎|(zhì)量，kg

為綜合評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離清選裝置性能，對(duì)清潔率、損失率進(jìn)行離差標(biāo)準(zhǔn)化，轉(zhuǎn)化公式為

S=(Yi-Ymin)/(Ymax-Ymin)

(29)

式中S——清潔率或損失率的離差標(biāo)準(zhǔn)化值，取0～1

Yi——第i個(gè)水平下的籽粒清潔率或損失率，%

Ymin——清潔率或損失率最小值，%

Ymax——清潔率或損失率最大值，%

清潔率和損失率離差標(biāo)準(zhǔn)化后采用加權(quán)處理得到性能綜合評(píng)分Y0，綜合評(píng)分越高則清選性能越好，優(yōu)先減少籽粒損失率，則綜合評(píng)分計(jì)算式為[14-15,20]

Y0=0.35Sq-0.65Ss

(30)

式中Sq——清潔率離差標(biāo)準(zhǔn)化值

Ss——損失率離差標(biāo)準(zhǔn)化值

3.3 凸塊排布對(duì)清選性能的影響

3.3.1螺旋升角對(duì)清選性能的影響

設(shè)定凸塊間距為50 mm、螺旋頭數(shù)為1個(gè)、入口風(fēng)速為3 m/s、吸雜口風(fēng)速為25 m/s，開展螺旋升角單因素試驗(yàn)，圖10為螺旋升角與清選性能的關(guān)系曲線。由圖10a可知，隨著凸塊排布螺旋升角的增加，損失率呈先減少后增加再減少的趨勢(shì)，原因在于螺旋排列的凸塊除擾動(dòng)氣流以減少死區(qū)外，也可利用籽粒與雜余的三軸尺寸差異實(shí)現(xiàn)兩者的分離，細(xì)小籽粒易穿過凸塊間隙，粗長雜余難以通過，被迫向高速氣流區(qū)移動(dòng)，凸塊間距不變時(shí)，螺旋升角越大則凸塊間軸向間距s1越大；當(dāng)螺旋升角小于60°時(shí)，凸塊間隙減小，部分籽粒與雜余一同向高速氣流區(qū)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致清潔率與損失率較高；當(dāng)螺旋升角進(jìn)一步增加時(shí)，凸塊間隙逐步增大，籽粒與雜余更易分離，清潔率逐步提高；當(dāng)螺旋升角大于70°時(shí)，凸塊對(duì)雜余運(yùn)動(dòng)的阻礙作用減少，導(dǎo)致雜余被懸浮氣流捕獲的概率減少，損失率穩(wěn)定降低的同時(shí)清潔率大幅下降。由圖10b可知，隨著螺旋升角的增大，旋風(fēng)分離清選裝置綜合清選性能呈“雙波峰”上升趨勢(shì)，原因?yàn)閱晤^螺旋擾動(dòng)下旋風(fēng)分離筒內(nèi)部氣流場(chǎng)呈波動(dòng)狀態(tài)。

圖10 螺旋升角與清選性能的關(guān)系曲線Fig.10 Relationships between helix angle and performance of cleaning device

3.3.2凸塊間距對(duì)清選性能的影響

設(shè)定螺旋升角為65°、螺旋頭數(shù)為1個(gè)、入口風(fēng)速為3 m/s、吸雜口風(fēng)速為25 m/s，開展凸塊間距單因素試驗(yàn)，圖11為凸塊間距與清選性能的關(guān)系曲線。由圖11a可知，隨著凸塊間距的增大，損失率呈波動(dòng)變化，而當(dāng)凸塊間距超過45 mm時(shí)，清潔率相對(duì)穩(wěn)定，原因在于油菜籽粒與雜余體積存在差異，無氣流死區(qū)影響下，細(xì)小籽粒易由凸塊間間隙穿過，體積較大的雜余更易撞擊凸塊并向高速氣流區(qū)運(yùn)動(dòng)，被懸浮氣流捕獲，從而提高清潔率。由圖11b可知，隨著凸塊間距的增加，旋風(fēng)分離清選裝置綜合性能變化與損失率的負(fù)相關(guān)變化趨勢(shì)基本一致，原因在于清潔率相對(duì)穩(wěn)定，清選裝置綜合性能主要受損失率影響。

圖11 凸塊間距與清選性能的關(guān)系曲線Fig.11 Relationships between space of magnetic column and performance of cleaning device

3.3.3螺旋頭數(shù)對(duì)清選性能的影響

設(shè)定螺旋升角為65°、凸塊間距為50 mm、入口風(fēng)速為3 m/s、吸雜口風(fēng)速為25 m/s，開展螺旋頭數(shù)單因素試驗(yàn)，圖12為螺旋頭數(shù)與清選性能的關(guān)系曲線。由圖12a可知，相比于不采用凸塊擾流(螺旋頭數(shù)為0)，當(dāng)凸塊采用單頭螺旋時(shí)，旋風(fēng)分離清選裝置損失率更高，清選性能降低，原因在于單頭螺旋影響單側(cè)旋風(fēng)分離氣流場(chǎng)，導(dǎo)致氣流場(chǎng)分布不均衡，內(nèi)部流場(chǎng)紊亂，籽粒被吸出概率增大；隨著螺旋頭數(shù)的增加，軸對(duì)稱環(huán)繞的螺旋凸塊對(duì)旋風(fēng)分離筒內(nèi)氣流場(chǎng)的擾動(dòng)相對(duì)平衡，減少了死區(qū)，被懸浮氣流場(chǎng)捕獲的籽粒減少，損失率逐漸降低。由圖12b可知，當(dāng)螺旋頭數(shù)大于1個(gè)時(shí)，旋風(fēng)分離清選裝置綜合性能逐漸提升，表明增加凸塊擾流可實(shí)現(xiàn)油菜聯(lián)合收獲旋風(fēng)分離清選裝置的性能優(yōu)化；當(dāng)螺旋頭數(shù)為4個(gè)時(shí)，旋風(fēng)分離筒高速氣流區(qū)更加集中于軸向中心軸，體積較大的雜余更易被捕獲，而細(xì)小籽粒運(yùn)動(dòng)過程中更靠近筒壁，在減少籽粒損失的同時(shí)提升了清潔率?？紤]螺旋頭數(shù)需為整數(shù)，開展Box-Behnken試驗(yàn)前需給定常數(shù)，結(jié)合旋風(fēng)分離清選裝置綜合性能變化趨勢(shì)確定后續(xù)試驗(yàn)中凸塊排布采用4頭螺旋。

圖12 螺旋頭數(shù)與清選性能的關(guān)系曲線Fig.12 Relationships between number of screw and performance of cleaning device

3.4 Box-Behnken試驗(yàn)與最優(yōu)參數(shù)組合驗(yàn)證

在明確凸塊螺旋排布頭數(shù)的基礎(chǔ)上，以螺旋升角(55°～75°)、凸塊間距(40～60 mm)為結(jié)構(gòu)參數(shù)變量，以旋風(fēng)分離筒入口風(fēng)速(1～5 m/s)、吸雜口風(fēng)速(20～30 m/s)為運(yùn)行參數(shù)變量，開展4因素Box-Behnken試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 Box-Behnken試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of Box-Behnken experiment

運(yùn)用Design-Expert開展多元回歸擬合，得出清潔率、損失率與各因素之間的回歸方程為

(31)

(32)

清潔率和損失率回歸方程的P值均小于0.001，說明模型較為準(zhǔn)確，依據(jù)回歸方程得到的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖13所示。

圖13 評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.13 Comparison between predicted and measured values of evaluation indexes

在各因素水平范圍約束下，以損失率最低、清潔率最高為目標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(33)

基于Design-Expert優(yōu)化模塊求解得出最佳參數(shù)組合為：螺旋升角66.2°、凸塊間距48.3 mm、入口風(fēng)速4.9 m/s、吸雜口風(fēng)速25.4 m/s，在最佳參數(shù)組合下，清潔率與損失率的理論最優(yōu)值分別為94.71%和3.58%。

在最佳參數(shù)組合條件下開展臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)(圖14a、14b)，包括物料準(zhǔn)備、結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)標(biāo)定、啟動(dòng)清選試驗(yàn)、試驗(yàn)后物料收集與分類處理等環(huán)節(jié)，其中物料準(zhǔn)備與單因素試驗(yàn)一致，試驗(yàn)前標(biāo)定結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)，最佳參數(shù)組合為結(jié)構(gòu)參數(shù)螺旋升角66.2°、凸塊間距48.3 mm和螺旋頭數(shù)4個(gè)，運(yùn)行參數(shù)入口風(fēng)速4.9 m/s和吸雜口風(fēng)速25.4 m/s，安裝凸塊前按照螺旋升角66.2°在下錐段繪制定位螺旋線，以凸塊間距48.3 mm標(biāo)記定位點(diǎn)，移動(dòng)凸塊至定位點(diǎn)，完成凸塊的單頭螺旋排列，采用相同方法按均布方式完成4頭螺旋的凸塊排列；利用HT-9829型熱敏式風(fēng)速儀實(shí)時(shí)測(cè)量旋風(fēng)分離筒入口風(fēng)速和吸雜口風(fēng)速，通過試驗(yàn)臺(tái)控制面板調(diào)節(jié)拋揚(yáng)機(jī)及風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使入口風(fēng)速、吸雜口風(fēng)速分別達(dá)到4.9 m/s和25.4 m/s；標(biāo)定完成后啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)其余工作部件，將油菜喂入割臺(tái)至完成清選作業(yè)，收集出糧口及風(fēng)機(jī)出口處物料，按照式(27)、(28)計(jì)算清潔率及損失率。

圖14 最佳參數(shù)組合驗(yàn)證Fig.14 Validation of optimal parameter combination

為進(jìn)一步對(duì)比驗(yàn)證最佳參數(shù)組合下的旋風(fēng)分離筒清選性能，在入口風(fēng)速、吸雜口風(fēng)速不變的條件下，開展無凸塊清選臺(tái)架試驗(yàn)(圖14c)及臨近參數(shù)組合下的清選臺(tái)架試驗(yàn)，臨近參數(shù)組合選擇為螺旋升角65°、凸塊間距40 mm、螺旋頭數(shù)4個(gè)、入口風(fēng)速5 m/s、吸雜口風(fēng)速25 m/s，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 最佳參數(shù)組合驗(yàn)證臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of optimal parameter combination validation bench-test

由表5可知，在最佳參數(shù)組合下清潔率與損失率實(shí)測(cè)值分別為93.87%和4.21%，與理論最優(yōu)值基本一致，清潔率與損失率均優(yōu)于臨近參數(shù)組合；去除凸塊后，物料運(yùn)動(dòng)過程中，籽粒與雜余相對(duì)集中，清潔率與損失率分別為89.97%和4.79%，表明增加凸塊清潔率可提高3.9個(gè)百分點(diǎn)，損失率降低0.58個(gè)百分點(diǎn)。

4 田間試驗(yàn)

油菜聯(lián)合收獲機(jī)旋風(fēng)分離清選裝置田間驗(yàn)證試驗(yàn)于2022年5月在湖北省武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地(30°27′59″N，114°20′59″E)開展，如圖15所示。試驗(yàn)材料為適收期機(jī)直播油菜，基本無倒伏現(xiàn)象；采用五點(diǎn)取樣法測(cè)得油菜種植密度為32～36株/m2，株高范圍為1 542～1 659 mm，在每個(gè)取樣點(diǎn)隨機(jī)人工收獲5株完整油菜并分解為籽粒、短莖稈、莢殼，測(cè)得含水率范圍分別為40.53%～47.12%、63.27%～70.35%和31.14%～38.33%。

圖15 田間試驗(yàn)Fig.15 Field experiment

為提高旋風(fēng)分離清選裝置對(duì)田間地表復(fù)雜工況的適應(yīng)性，采用鋼材制作旋風(fēng)分離筒替代臺(tái)架試驗(yàn)所用透明材質(zhì)旋風(fēng)分離筒，按照油菜聯(lián)合收獲機(jī)旋風(fēng)分離清選裝置最佳參數(shù)組合開展試驗(yàn)，即螺旋升角66.2°、凸塊間距48.3 mm、螺旋頭數(shù)4個(gè)、入口風(fēng)速4.9 m/s、吸雜口風(fēng)速25.4 m/s，利用HT-9829型熱敏式風(fēng)速儀測(cè)試入口風(fēng)速和吸雜口風(fēng)速，通過油菜聯(lián)合收獲機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)拋揚(yáng)機(jī)、風(fēng)機(jī)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速并完成風(fēng)速的標(biāo)定，在旋風(fēng)分離筒出糧口和風(fēng)機(jī)出口處分別懸掛種子袋用于收集出口處物料。試驗(yàn)參照GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》、GB/T 6562—2008 《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件》、NY 2610—2014《谷物聯(lián)合收割機(jī) 安全操作規(guī)程》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將試驗(yàn)田按照油菜聯(lián)合收獲機(jī)割幅劃分為3個(gè)長10 m、寬2 m的試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)兩端設(shè)置500 mm緩沖區(qū)，試驗(yàn)時(shí)油菜聯(lián)合收獲機(jī)滿幅作業(yè)，因地表起伏不平，難以保證收獲機(jī)以恒定速度前進(jìn)，故控制機(jī)組前進(jìn)速度范圍為2.1～3.6 km/h，割臺(tái)離地高度設(shè)置為350 mm，試驗(yàn)期間觀察機(jī)具作業(yè)情況，試驗(yàn)區(qū)收獲完成后即為單組試驗(yàn)結(jié)束。

單組試驗(yàn)結(jié)束后收集旋風(fēng)分離筒出糧口處物料及風(fēng)機(jī)出口處物料并稱量，然后篩分其中油菜籽粒并稱量，計(jì)算油菜聯(lián)合收獲機(jī)旋風(fēng)分離清選裝置清潔率和損失率，結(jié)果如表6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在旋風(fēng)分離清選裝置最佳參數(shù)組合條件下，油菜聯(lián)合收獲機(jī)田間作業(yè)順暢，清選裝置無堵塞，清潔率為90.03%～92.78%，損失率為4.52%～5.07%。

表6 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of field experiment

5 結(jié)論

(1)提出了一種內(nèi)壁吸附凸塊擾流的旋風(fēng)分離筒及其清選裝置，運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析表明旋風(fēng)分離氣流場(chǎng)死區(qū)不利于油菜籽粒遷移，通過旋風(fēng)分離筒下錐段內(nèi)壁螺旋間隔排列的圓柱凸塊可實(shí)現(xiàn)氣流場(chǎng)的擾動(dòng)。

(2)單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)凸塊呈4頭均勻?qū)ΨQ螺旋排布時(shí)，籽粒損失較少且清潔率較高，增加凸塊擾流可提升旋風(fēng)分離清選裝置性能。

(3)Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)螺旋升角為66.2°、凸塊間距為48.3 mm、入口風(fēng)速為4.9 m/s、吸雜口風(fēng)速為25.4 m/s時(shí)，旋風(fēng)分離清選裝置性能較優(yōu)，清潔率預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值分別為94.71%和93.87%，損失率預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值分別為3.58%和4.21%，增加凸塊清潔率可提高3.9個(gè)百分點(diǎn)，損失率降低0.58個(gè)百分點(diǎn)。

(4)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，旋風(fēng)分離清選裝置田間作業(yè)順暢無堵塞，清潔率與損失率分別為90.03%～92.78%和4.52%～5.07%，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。