便攜機(jī)分離筒吸雜口偏置型清選裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李靈敏，徐　瑞，石坤鵬，許慶峰，王曉蘭，王升升

(1.中國一拖集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，河南 洛陽　471039；2.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院, 河南 洛陽　471003)

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便攜機(jī)分離筒吸雜口偏置型清選裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李靈敏1，徐瑞1，石坤鵬1，許慶峰1，王曉蘭1，王升升2

(1.中國一拖集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，河南 洛陽471039；2.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院, 河南 洛陽471003)

摘要：清選系統(tǒng)是便攜式谷物聯(lián)合收獲機(jī)的重要部分。為此，針對丘陵山區(qū)用的雙行便攜式谷物聯(lián)合收獲機(jī)，清選作業(yè)時(shí)吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高的問題，對吸雜口偏置型分離筒進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過自制的分離筒吸雜口偏置型清選裝置試驗(yàn)臺(tái)，對吸雜口的旋轉(zhuǎn)角度與偏置距離進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到了小麥清選性能較好的旋轉(zhuǎn)角度與偏置距離分別為30°和30mm，為便攜式谷物聯(lián)合收割機(jī)清選系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收割機(jī)；清選裝置；分離筒；吸雜口；清選性能

0引言

目前，我國平原地區(qū)的谷物收獲已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。但是，我國具有大量的丘陵山區(qū)，這里廣泛種植小麥、水稻等谷物。隨著我國丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平落后與農(nóng)機(jī)需求增多問題的日益凸顯，解決丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械小型化具有重要意義。便攜式谷物聯(lián)合收割機(jī)是應(yīng)丘陵山區(qū)谷物收獲需要而提出的一種新型谷物聯(lián)合收割機(jī)，要求整機(jī)各工作部件結(jié)構(gòu)尺寸小、質(zhì)量輕、裝拆方便、便于分部件運(yùn)輸[1-4]。

現(xiàn)有的便攜式谷物聯(lián)合收割機(jī)上使用的清選系統(tǒng)存在一些問題，如在田間試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3 500r/min左右，導(dǎo)致整機(jī)振動(dòng)比較大，難以保證清選系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，需要對吸雜口偏置分離筒在便攜機(jī)清選系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)一步研究，以達(dá)到滿足清選標(biāo)準(zhǔn)及使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低的目的，這對丘陵山區(qū)用的便攜式谷物聯(lián)合收割機(jī)的清選系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很有意義[5-10]。

此次研究的對象是小麥，試驗(yàn)因素為分離筒吸雜口的旋轉(zhuǎn)角度和偏置距離；試驗(yàn)研究了這兩個(gè)試驗(yàn)因素對清選性能的影響規(guī)律，得到了最優(yōu)的分離筒吸雜口旋轉(zhuǎn)角度和偏置距離；與以往的清選系統(tǒng)對比，在吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降的同時(shí)，清選性能有所提高，為該清選系統(tǒng)在便攜式谷物聯(lián)合收割機(jī)上的配置提供了依據(jù)。

1旋風(fēng)分離裝置工作原理

旋風(fēng)分離裝置主要包含揚(yáng)谷器、旋風(fēng)分離筒和吸雜風(fēng)機(jī)3個(gè)工作部件。旋風(fēng)分離裝置對谷物清選物料的分離是利用空氣動(dòng)力學(xué)特性和物體的漂浮特性實(shí)現(xiàn)的。

在旋風(fēng)分離裝置中，旋風(fēng)分離筒為物料的分離部件，吸雜風(fēng)機(jī)提供分離筒內(nèi)的氣流場，揚(yáng)谷器提供物料進(jìn)入分離筒時(shí)的初始速度。分離筒內(nèi)部的氣流場有中間高速上升氣流和外圍低速下行氣流，根據(jù)物體的漂浮特性，上升氣流的速度要小于籽粒的漂浮速度而大于雜余的漂浮速度，由此決定吸雜風(fēng)機(jī)的工作能力；物料進(jìn)入分離筒時(shí)的初始速度要足夠提供籽粒繞筒壁旋轉(zhuǎn)的離心力，而雜余的密度小，一般不會(huì)形成繞筒壁的環(huán)流，由此決定揚(yáng)谷器的最小輸送速度。

在谷物清選中的待清選物料需要分離的是籽粒和雜余，其在分離筒中的分離原理是：物料沿切向進(jìn)入分離筒時(shí)有初始速度，在離心力作用下，密度較大的籽粒繞筒壁旋轉(zhuǎn)，在下行氣流的作用下形成下行物料流，密度較小的雜余受到上升氣流的作用形成上升物料流，上升物料從上口離開分離器，下行物料從下口離開分離器，這樣物料中的籽粒和雜余就完成了分離。但是，在氣流分界線附近會(huì)出現(xiàn)籽粒雜余混雜的狀況，部分籽粒進(jìn)入高速上行氣流區(qū)，這時(shí)物體的漂浮特性會(huì)起作用，上行氣流速度小于籽粒的漂浮速度，籽粒仍然會(huì)下落從下口離開分離筒；但由于籽粒和雜余之間會(huì)有較為復(fù)雜的相互作用，會(huì)有少數(shù)籽粒在雜余的托浮下從上口離開分離筒，即為清選的籽粒損失；而部分雜余進(jìn)入下行氣流區(qū)，但其在落入下口前會(huì)在上升氣流的作用下再次進(jìn)入上升氣流區(qū)，被上升氣流從上口帶離分離筒，同樣會(huì)有少數(shù)雜余在與籽粒之間的相互作用下從下口離開，影響到清選后籽粒的清潔率。改善旋風(fēng)分離裝置清選性能，就是通過改變其各項(xiàng)參數(shù)，盡量減少從上口排出的籽粒和從下口落下的雜余，減少損失率，提高清潔率。旋風(fēng)分離裝置的分離原理如圖1所示。

圖1　旋風(fēng)分離器分離原理

旋風(fēng)分離裝置的工作過程是：由脫粒滾筒排出的混合物料經(jīng)揚(yáng)谷器拋扔沿切向進(jìn)入旋風(fēng)分離筒內(nèi)，在離心力和重力的作用下，籽粒繞筒壁做向下的螺旋運(yùn)動(dòng)，從出糧口排出；雜余在上升氣流作用下向上運(yùn)動(dòng)，從吸雜口經(jīng)吸雜風(fēng)機(jī)排出，完成籽粒與雜余的分離。

2吸雜口偏置分離筒的結(jié)構(gòu)

2.1　分離筒結(jié)構(gòu)

吸雜口偏置型分離筒的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

1.吸雜口　2.分離筒中段　3.物料入口　4.出糧口

2.2　吸雜口旋轉(zhuǎn)角度

吸雜口旋轉(zhuǎn)角度的定義如下：由上往下看，吸雜口的圓中心相對于分離筒中段的圓中心的變化角度即為旋轉(zhuǎn)角度。為了進(jìn)一步說明，先將吸雜口圓中心相對于分離筒中段的圓中心的偏置距離定為15mm，其次規(guī)定如下：物料進(jìn)入分離筒的方向?yàn)槠鹗嘉恢?°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°即為結(jié)束位置。試驗(yàn)中，將這180°的旋轉(zhuǎn)角度，平均6等分，每30°是一個(gè)試驗(yàn)水平，共6個(gè)：0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，如圖3所示。

圖3　吸雜口的旋轉(zhuǎn)角度

2.3　吸雜口偏置距離

吸雜口偏置距離的定義如下(見圖4)：由上往下看，吸雜口的圓中心相對于分離筒圓筒體圓中心的距離。吸雜口中心由旋轉(zhuǎn)角度與偏置距離確定，由分離筒的清選原理決定試驗(yàn)時(shí)偏置距離選取時(shí)，分離筒的中心點(diǎn)必須在吸雜口的圓圈內(nèi)。所以，此次偏置距離試驗(yàn)的取值范圍為0~60mm。將其4等分，每15mm為一個(gè)試驗(yàn)水平，即偏置距離的試驗(yàn)水平為15、30、45、60mm，再加上偏移距離為0mm(即不偏移)的試驗(yàn)為對比試驗(yàn)，一共5個(gè)試驗(yàn)水平。

圖4　吸雜口的偏置距離

3分離筒的影響因素與尺寸

3.1　分離筒頂部

此次研究選用的旋風(fēng)分離筒為切向旋風(fēng)分離筒，頂部為錐頂，其錐度的大小影響雜余及短莖稈的排出。錐度大不易分離，影響整機(jī)清潔率；錐度小，籽粒容易被吸走，損失嚴(yán)重。

3.2　分離筒體高度

筒體高度過小，則分離時(shí)間不足，籽粒與雜余來不及充分分離，清潔率降低，且損失會(huì)增加；筒體高度過大，則不利于穎糠的排出，導(dǎo)致清選不干凈。

3.3　分離筒錐底角

小麥的摩擦角為27°～38°，錐底角過大，谷物不能及時(shí)滑出，造成堵塞；錐底角太小，谷粒和雜余下落過快，影響清潔率。

3.4　切向入料口位置

該因素和筒體高度的影響一樣，主要影響物料在筒體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，進(jìn)而影響其籽粒清潔率和清選損失率。

3.5　下錐體進(jìn)風(fēng)口尺寸

進(jìn)風(fēng)口太小，阻礙谷物掉落，還會(huì)在下錐段和主圓體連接處產(chǎn)生渦流，聚集雜物，影響整機(jī)清潔度；尺寸過大則使吸力降低，清潔率降低。

3.6　吸雜口直徑

直徑過大吸力會(huì)降低，直徑過小阻礙雜余特別是短莖稈的排出，導(dǎo)致清潔率下降。

3.7　分離筒尺寸

此次分離筒結(jié)構(gòu)尺寸，主要參照現(xiàn)有便攜式谷物聯(lián)合收割機(jī)清選系統(tǒng)中旋風(fēng)分離筒的模型，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，綜合試驗(yàn)所研究的清選系統(tǒng)喂入量和清選能力兩大因素，對分離筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)相似性設(shè)計(jì)。在此特別強(qiáng)調(diào)的是本試驗(yàn)研究主要是吸雜口旋轉(zhuǎn)角度與偏置距離對清選系統(tǒng)性能的影響，并不做清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。

此研究所用分離筒頂部錐角為38°，出雜口直徑為110mm；分離筒中段直徑為280mm，高度為195mm；谷物進(jìn)口尺寸為長87mm×寬55mm；分離筒下錐體錐角為115°，下出糧口直徑取150mm。

4室內(nèi)試驗(yàn)

4.1　室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)方法

分離筒吸雜口偏置型清選裝置試驗(yàn)臺(tái)主要由物料輸送帶、接料倉、一級揚(yáng)谷器、二級揚(yáng)谷器、分離筒和吸雜風(fēng)機(jī)等組成，如圖5所示。主要工作部件的結(jié)構(gòu)尺寸與相對位置根據(jù)雙行便攜式谷物聯(lián)合收割機(jī)的整機(jī)配置要求確定。

室內(nèi)試驗(yàn)的清選喂入量、清選物料組分由雙行便攜機(jī)的機(jī)進(jìn)速度、割幅、谷物生長狀況等決定。

本試驗(yàn)以小麥為收獲對象。考慮丘陵山區(qū)大面積小麥生長狀況，設(shè)小麥產(chǎn)量6 000kg/hm2，機(jī)進(jìn)速度0.4m/s，割幅0.4m。據(jù)此計(jì)算清選系統(tǒng)籽粒喂入量為0.096kg/s。參考雙行便攜式谷物聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)情況，確定試驗(yàn)用小麥物料的含雜率為25%，穎糠和短莖稈比例為10∶1，短莖稈長度為4～7cm，試驗(yàn)物料中籽粒含水率14%～15%，雜余含水率13%～16%。

1.變頻電機(jī)Ⅰ　2. 變頻電機(jī)Ⅱ　3.一級揚(yáng)谷器　4.接料倉

每次試驗(yàn)，輸送帶面上鋪放可滿足清選系統(tǒng)連續(xù)工作30s的物料，則每次清選試驗(yàn)所需物料總量為3.84kg，其中籽粒為2.88kg，雜余為0.96kg。

試驗(yàn)時(shí)，首先將稱重好的小麥籽粒和雜余混合、攪拌均勻后，再根據(jù)鋪料的長度和寬度，均勻鋪到輸送帶上；然后依次啟動(dòng)吸雜風(fēng)機(jī)、二級揚(yáng)谷器、一級揚(yáng)谷器的電機(jī)，并通過變頻器調(diào)節(jié)的使其達(dá)到試驗(yàn)所需轉(zhuǎn)速，待吸雜風(fēng)機(jī)、二級揚(yáng)谷器、一級揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速達(dá)到試驗(yàn)所需并穩(wěn)定工作，最后啟動(dòng)輸送帶；物料從輸送帶順著滑板落入接料室，由推運(yùn)攪龍送入一級揚(yáng)谷器，經(jīng)一級揚(yáng)谷器拋入二級揚(yáng)谷器葉輪的中心，再由二級揚(yáng)谷器沿切線方向拋入分離筒內(nèi)，在重力、離心力以及上升氣流的共同作用下，小麥籽粒沿分離筒內(nèi)壁向下螺旋運(yùn)動(dòng)，自出糧口落到接糧筒中，雜余在吸雜風(fēng)機(jī)吸力的作用下由吸雜口經(jīng)風(fēng)機(jī)排入接糠網(wǎng)中，完成一次清選系統(tǒng)的試驗(yàn)。

試驗(yàn)選取籽粒清潔率Yq、清選損失率Ys和籽粒破損率Yp3個(gè)性能指標(biāo)。設(shè)接糧筒中物料總重為G1、純凈籽粒重G2、接糠網(wǎng)中籽粒重G3，可得清選系統(tǒng)性能指標(biāo)為

(1)

(2)

4.2　吸雜口旋轉(zhuǎn)角度試驗(yàn)

首先，以清選工作的順暢和基本滿足清選指標(biāo)為原則，進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)。經(jīng)多次試驗(yàn)后初定：一級揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速為600r/min、二級揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速為900r/min、吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 100r/min。

以籽粒清潔率與清選損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，吸風(fēng)口偏置距離初定15mm，旋轉(zhuǎn)角度的試驗(yàn)水平為：0°,30°,60°,90°,120°,150°,180°,保持其余參數(shù)不變。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　 吸雜口的旋轉(zhuǎn)角度試驗(yàn)結(jié)果表

整理數(shù)據(jù)得到吸雜口旋轉(zhuǎn)角度對籽粒清潔率與清選損失率的影響規(guī)律，如圖6所示。

圖6　旋轉(zhuǎn)角度對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律

由圖6可看出：旋轉(zhuǎn)角度為30°時(shí)，清選損失率低并且籽粒清潔率高，此時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度最優(yōu)。

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，小麥物料在剛進(jìn)入分離筒時(shí)，一部分雜余與籽粒還未分離徹底，此時(shí)雜余被吸走，會(huì)夾帶一些籽粒，導(dǎo)致吸雜口距物料進(jìn)口處越近，清選損失率就會(huì)越大，而籽粒清潔率也會(huì)有所提高。所以，在旋轉(zhuǎn)角度為150°與180°時(shí)，清選損失率較大，而180°時(shí)籽粒清潔率更高。物料進(jìn)入分離筒后，籽粒與雜余逐漸分離，在完成籽粒與雜余分離之前，物料沿筒壁運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越長，最終清選分離的就越徹底，因雜余被吸走所導(dǎo)致的籽粒損失就越少。而走的時(shí)間過長時(shí)，會(huì)有部分雜余在接近出糧口的位置而不易被風(fēng)機(jī)吸走，所以在0°時(shí)，清選損失率低但清潔率也偏低。所以綜合考慮，30°時(shí)清選結(jié)果比較好。

4.3　吸雜口的偏置距離試驗(yàn)

以籽粒清潔率與清選損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，吸風(fēng)口偏置旋轉(zhuǎn)角度為30°，偏置距離試驗(yàn)水平分為：0、15、30、45、60mm，其他參數(shù)保持不變。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　吸雜口的偏距試驗(yàn)結(jié)果表

整理數(shù)據(jù)得到偏置距離的變化對籽粒清潔率與清選損失率的影響，如圖7所示。

圖7　置距離對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律

由圖7可以看出：當(dāng)偏置距離為30mm時(shí)，清選損失率較低且籽粒清潔率較高。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，在吸雜口的偏置距離不同時(shí)，籽粒損失主要由兩個(gè)原因所造成：一是物料在剛進(jìn)入分離筒時(shí)，一部分雜余從分離筒被吸走而夾帶的籽粒損失；二是在偏移距離增大時(shí)，吸雜口距分離筒壁的距離變小，沿內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)的一部分籽粒被吸走而造成的籽粒損失。所以，綜合考慮，吸雜口的偏置距離為30mm時(shí)，清選結(jié)果較好。

5結(jié)論

1)試驗(yàn)結(jié)果表明：吸雜口偏置型的分離筒能減小物料清選時(shí)所需的風(fēng)力，從而降低了吸雜風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)有較好的清選效果，達(dá)到了本次試驗(yàn)研究的目的。

2)通過吸雜口旋轉(zhuǎn)角度與吸雜口偏置距離的試驗(yàn)，得到了小麥清選效果較好的吸雜口旋轉(zhuǎn)角度與偏置距離分別為30°和30mm。

3)吸雜口偏置分離筒清選裝置可用作雙行便攜式谷物聯(lián)合收割機(jī)清選系統(tǒng)。

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Design and Experiment of Cyclone Separating Device Based on Off-centered Inlet Scoop

Li Lingmin1, Xu Rui1, Shi Kunpeng1, Xu Qingfeng1, Wang Xiaolan1, Wang Shengsheng2

(1.Research & Design Center, YTO Group Corporation, Luoyang 471039, China；2.College of Agriculture & Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

Abstract：Cleaning is an important part of the portable grain combine.For hilly combine harvest machine, with the double line of portable grain cleaning operations, suction fan the problem of high speed, the suction off-centered inlet scoop type structure design was carried out on the inlet scoop.By homemade inlet scoop mouth offset type cleaning device test bench, to suck the rotation of the inlet scoop rotating angle and offset distance, experimental study of wheat cleaning performance is proved by rotating angle and offset distance of respectively 30 °, 30 mm.For portable grain combine harvester provides the reference for the design of cleaning system.

Key words：combine harvest machine;cleaning device;cyclone separating device; inlet scoop; cleaning performance

中圖分類號：S225.3;S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0204-05

作者簡介：李靈敏(1986- ),女，河南新鄉(xiāng)人，工程師，(E-mail)lilingmin5288@sina.com。通訊作者：王升升(1986- )，男，河南洛陽人，講師，碩士，(E-mail)13703491181@126.com。

基金項(xiàng)目：河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(152102210276)

收稿日期：2015-10-19