縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)

梁振偉,李耀明,馬培培,魏純才,王建鵬

(江蘇大學(xué) 教育部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

聯(lián)合收獲機(jī)是能夠一次性完成切割、輸送、脫粒分離、清選及集糧等工序的收獲機(jī)械。近年來(lái)，由于單縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒相對(duì)較長(zhǎng)，谷物破損率相對(duì)較低，因此其越來(lái)越受到市場(chǎng)的青睞。清選裝置是重要工作部件，直接影響整機(jī)的作業(yè)性能及谷物的收獲性能(損失率、含雜率)[1-3]。目前，單縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置大多采用風(fēng)篩式清選裝置[3]。近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)風(fēng)篩式清選裝置進(jìn)行了不同程度的研究。成芳等利用試驗(yàn)臺(tái)對(duì)風(fēng)篩式清選裝置主要參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究[8-9]；李耀明等根據(jù)油菜脫出物的特性提出了利于其清選的清選裝置參數(shù)[10]；許乃章等對(duì)半喂入量聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置主要參數(shù)進(jìn)行了理論研究[11]。以上研究主要針對(duì)清選裝置工作參數(shù)進(jìn)行研究分析，但僅通過(guò)調(diào)節(jié)工作參數(shù)無(wú)法使尾部物料得到有利的清選。單縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)采用縱向脫粒滾筒，因風(fēng)機(jī)在篩面中后部產(chǎn)生的氣流較前部小；此外，滾筒中后部落下的物料含雜率較高，籽粒容易隨莖稈被拋出機(jī)外，造成谷物損失，清選效果不佳[7]。為解決上述單縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)風(fēng)篩式清選裝置存在的缺陷，對(duì)清選裝置部分進(jìn)行參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

本文針對(duì)銳龍單縱軸流聯(lián)合收割機(jī)，以損失率及含雜率作為性能指標(biāo)，通過(guò)分析物料在氣流作用下的運(yùn)動(dòng)方程找出影響物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要因素；利用正交試驗(yàn)研究參數(shù)對(duì)清選性能指標(biāo)的影響，并對(duì)清選室內(nèi)氣流場(chǎng)進(jìn)行仿真，找出清選裝置的不足并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，且通過(guò)田間試驗(yàn)分析出最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 風(fēng)篩式清選裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

風(fēng)篩式清選裝置主要由風(fēng)機(jī)、振動(dòng)篩 、籽粒攪龍、雜余攪龍及回程篩板等組成，如圖1所示。工作時(shí)，清選篩及抖動(dòng)板不斷做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，物料脫出物不斷地由上抖動(dòng)板、中抖動(dòng)板、下抖動(dòng)板輸送到篩面，在風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流及振動(dòng)篩共同作用下使脫出物分散、分層、透篩，干凈籽粒經(jīng)籽粒攪龍進(jìn)入糧箱，部分雜余通過(guò)雜余攪龍進(jìn)行二次清選[4-5]。

1.風(fēng)機(jī) 2. 第II導(dǎo)風(fēng)板 3. 第I導(dǎo)風(fēng)板 4.上抖動(dòng)板 5.籽粒絞龍 6.魚(yú)鱗篩 7.雜余絞龍圖1 清選裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of cleaning mechanism

1.2 物料在氣流作用下的運(yùn)動(dòng)方程

氣流清選主要根據(jù)物料不同的空氣動(dòng)力特性來(lái)進(jìn)行清選，在對(duì)清選室內(nèi)脫出物的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析時(shí)，可分析單個(gè)脫出物的運(yùn)動(dòng)，將單個(gè)脫出物視為質(zhì)量為m的點(diǎn)[12-14]。氣流對(duì)單個(gè)脫出物的作用力可表示為

(1)

式中p—?dú)饬鲗?duì)質(zhì)量m的點(diǎn)的作用力(N)；

m—物料的質(zhì)量(kg)；

kρ—漂浮系數(shù)；

Vρ—漂浮速度(m/s)；

V1—?dú)饬飨鄬?duì)于質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度(m/s)。

由式(1)可知：氣流對(duì)單個(gè)脫出物的作用力P主要決定于氣流相對(duì)于質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度V1。單個(gè)脫出物在氣流中的運(yùn)動(dòng)速度如圖2所示。圖2中，V0為脫出物從抖動(dòng)板落下進(jìn)入清選室的初始速度，其與水平線的夾角為θ；u為氣流速度；V1為氣流與脫出物的相對(duì)速度(其與脫出物相對(duì)于氣流的速度w大小相等、方向相反)；α為氣流速度u與水平線的夾角；β為V1與水平線的夾角。

圖2 單個(gè)脫出物在氣流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度分析圖Fig.2 Velocity analysis diagram of single rotor in air flow

根據(jù)速度矢量的合成定理，氣流與質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度V1可表示為

V1=u-V

(2)

由式(1)與式(2)可確定氣流對(duì)單個(gè)脫出物的作用力P, 質(zhì)點(diǎn)受力分析圖如圖3所示。圖3中：G為脫出物重力，P為氣流對(duì)脫出物的作用力。結(jié)合式(2) 可得出脫出物在氣流中的動(dòng)力學(xué)微分方程為

(3)

(4)

根據(jù)圖2中的矢量圖，將u分解到水平方向和垂直方向可得

ux=ucosα

(5)

uy=usinα

(6)

則V1x、V1y可表示為

V1x=ucosα-Vx

(7)

V1y=usinα-Vy

(8)

將式(7)、式(8)分別代入式(3)、式(4)中，并消去m得

(9)

(10)

(11)

初始條件為

V0x=V0cosθ

(12)

V0y=-V0sinθ

(13)

由式(12)和式(13)可看出：脫出物在氣流中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要與脫出物自身的懸浮速度Vρ、氣流速度u、氣流的方向角α、脫出物進(jìn)入清選室內(nèi)的初始速度V0和方向角θ有關(guān)。氣流速度u由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，氣流方向角主要由第I導(dǎo)風(fēng)板傾角 及第II導(dǎo)風(fēng)板傾角決定，脫出物進(jìn)入清選室內(nèi)的初始速度V0和方向角θ主要由振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。

圖3 單個(gè)脫出物受力分析圖Fig.3 Stress analysis diagram of single rotor

2 田間性能試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為丹陽(yáng)市生態(tài)園，水稻品種為“鎮(zhèn)稻18號(hào)”，根據(jù)機(jī)械收獲田間試驗(yàn)方法[15]，測(cè)得水稻作物自然高度79.96mm，穗頭高度8.66mm, 割茬高度11.84mm，割幅寬度1 994mm, 莖稈含水率63.88%,籽粒含水率24.98%,千粒質(zhì)量31.7g,籽粒質(zhì)量857.4g/m2，主要研究風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、魚(yú)鱗篩開(kāi)度、分風(fēng)板I角度、分風(fēng)板II角度4個(gè)參數(shù)對(duì)清選性能指標(biāo)的影響，按照四因素三水平在單縱軸流聯(lián)合收割機(jī)上進(jìn)行水稻清選性能試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，割幅為2m，前進(jìn)距離為20m，以籽粒含雜及清選損失率作為性能指標(biāo)，取含雜率及損失率的平均值(綜合性能)為最終清選性能指標(biāo)[16]。田間正交試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知：影響清選性能的主次因素為A、D、B、C，清選性能最優(yōu)組合為A3D2B3C1，即當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400r/min，第I導(dǎo)風(fēng)板傾角為30°，第II導(dǎo)風(fēng)板傾角為15°，魚(yú)鱗篩開(kāi)度為24.5mm時(shí)，相比其他各組正交試驗(yàn)組合，其水稻損失率及含雜率較低。將單縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)調(diào)至此參數(shù)組合情況下進(jìn)行田間試驗(yàn)，在3次重復(fù)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)其清選性能衡量指標(biāo)中損失率為0.32%，含雜率為0.38%。

表1 田間試驗(yàn)結(jié)果表

采用基于壓力的SIMPLE非耦合隱式求解算法，選取離散格式為二階迎風(fēng)格式。將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent中，將振動(dòng)篩表面設(shè)置為靜止壁面，工作氣壓為1個(gè)大氣壓(101 325Pa)；入口邊界采用速度入口且假設(shè)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速均勻，其值為10m/s；出口邊界設(shè)置為自由出口，其他保持默認(rèn)設(shè)置[18]。數(shù)值模擬結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400r/min，第I導(dǎo)風(fēng)板傾角為30°、第II導(dǎo)風(fēng)板傾角為15°、魚(yú)鱗篩開(kāi)度為24.5mm時(shí)，氣流場(chǎng)分布較為合理。

3 單縱軸流聯(lián)合收割機(jī)清選裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 改進(jìn)后的清選裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

在上述清選裝置結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在振動(dòng)篩后上方安裝了回程篩板，使得從凹板篩后部落下的水稻物料在回程篩板的作用下進(jìn)行清選，避免了從凹板篩后部落下的水稻物料被直接吹到機(jī)外從而造成清選損失；同時(shí)，也使部分物料遷移到清選能力較高的振動(dòng)篩中部，提高了整機(jī)的作業(yè)性能。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.風(fēng)機(jī) 2.第II導(dǎo)風(fēng)板 3.第I導(dǎo)風(fēng)板 4.上抖動(dòng)板 5.籽粒絞龍 6.魚(yú)鱗篩 7.雜余絞龍 8.回程板圖4 改進(jìn)后清選裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of improved cleaning mechanism

3.2 回程篩板設(shè)計(jì)

回程篩板由回程板及編織篩組成。根據(jù)清選室氣流場(chǎng)分布特點(diǎn)，將回程板設(shè)計(jì)為440mm×850mm，其前端位于倒數(shù)第2根魚(yú)鱗篩正上方。編織篩為350mm ×850mm，編織篩孔徑為40mm，其前部位于第9根魚(yú)鱗篩正上方。

3.3 田間性能試驗(yàn)分析

田間試驗(yàn)參數(shù)與上述最佳試驗(yàn)參數(shù)相同，為尋求最佳的回程篩板安裝角度，選取安裝角度分別為20°、30°、40°進(jìn)行田間性能試驗(yàn)。

表2 田間試驗(yàn)性能表

由表2可知：回程篩板安裝傾角為30°時(shí)，清選性能較佳。在最佳工作參數(shù)條件下，改進(jìn)前，水稻籽粒損失率及含雜率分別為0.32%、0.31%，改進(jìn)后，水稻籽粒損失率及含雜率分別為0.20%、0.17%。結(jié)果證實(shí)：改進(jìn)后，單縱軸流聯(lián)合收割機(jī)清選性能得到提高。

4 結(jié)論

1)為優(yōu)選清選裝置最優(yōu)工作參數(shù),通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、魚(yú)鱗篩開(kāi)度、分風(fēng)板I角度及分風(fēng)板II角度等4個(gè)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn),結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400r/min，第I導(dǎo)風(fēng)板傾角為30°、第II導(dǎo)風(fēng)板傾角為15°、魚(yú)鱗篩開(kāi)度為24.5mm時(shí)，清選效果較佳，損失率為0.32%，含雜率為0.31%。

2)在通過(guò)對(duì)清選裝置氣流場(chǎng)進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)上,對(duì)清選裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后清選裝置的清選性能得到提高，且當(dāng)回程篩板安裝角度為30°時(shí)，清選性能較佳，損失率為0.20%，含雜率為0.17%。

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