程 超,付 君,陳 志,任露泉
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收獲機振動篩振動參數影響不同濕度脫出物粘附特性
程 超1,2,付 君1,2※,陳 志2,3,任露泉1,2
(1. 吉林大學工程仿生教育部重點實驗室,長春 130022;2. 吉林大學生物與農業工程學院,長春 130022;3. 中國機械工業集團有限公司,北京 100080)
針對水稻脫出物表面濕潤、黏性大的物料特性,以及易粘附在振動篩和抖動板上、誘發清選堵塞和夾帶損失的技術難題,該文利用自制直線振動試驗臺架,研究了振動篩振動參數對水稻脫出物界面粘附特性的影響。以2種濕度水稻脫出物為試驗對象,選取振幅、振動頻率、振動角度為影響因素,以單位面積粘附量為試驗指標,通過單因素試驗分析了各因素對試驗指標的影響規律,確定了各因素較優水平區間;通過正交試驗設計及分析,得到2種濕度脫出物單位面積粘附量關于3個振動參數的數學模型,以及各因素對2種濕度脫出物單位面積粘附量影響的主次順序,根據響應面分析比較,進一步證明了濕度是影響脫出物粘附特性的重要條件,與低濕度脫出物相比,高濕度脫出物的界面粘附更嚴重;低濕度脫出物單位面積粘附量的最優振動參數組合為振幅60 mm,振動頻率6 Hz,振動角度50°;高濕度脫出物單位面積粘附量的最優振動參數組合為振幅50 mm,振動頻率7 Hz,振動角度50°。研究結果可為水稻收獲機振動篩的粘附界面調控及脫附界面構建提供參考。
機械化;振動;粘附;濕度;水稻脫出物;清選
清選是谷物收獲過程中重要工序之一[1-4],清選裝置的振動性能對清選作業質量有著重要的影響[5-6]。水稻等谷物收獲時含水率高[7-9],其脫出物表面濕潤、黏性大,易粘附在振動篩和抖動板上,導致清選裝置有效作業面積減少、篩孔堵塞和物料流動受阻等問題[10]。振動是清選裝置的核心工作原理之一,脫出物粘附在導流板、抖動板和清選篩等振動部件的表面,嚴重影響了清選裝置的作業性能,造成清選作業效率大幅降低、清選損失增加、含雜率高等問題,因此,從振動參數角度探究脫出物與清選裝置界面粘附特性變化規律,對降低谷物清選作業損失率和含雜率具有重要意義。
目前,針對水稻等谷物清選作業損失率高、含雜嚴重等問題,國內外學者主要從脫出物特性、清選裝置結構與氣流場等方面進行了研究[11-12]。任述光等[13]利用兩相流動力學理論,分析了水稻聯合收割機脫粒清選分流筒中氣流和雜物顆粒兩相流動的規律;童水光等[14]對縱軸流全喂入風篩式清選裝置中的混合流場進行了三維數值模擬,并改進了雙風道六出風口風機的結構;李洪昌等[15]在自行研制的清選試驗臺上進行了氣流場測定試驗和水稻清選試驗。王成軍等[16-17]設計了三自由度混聯振動篩,并對棉籽顆粒在三自由度混聯振動篩面上的運動規律進行了研究;王志華等[18]利用ADAMS軟件對聯合收割機振動篩進行虛擬設計與動態仿真分析。陳翠英等[19]、陳立等[20]對油菜脫出物的機械物理特性進行了研究;Wang Lijun等[21]研究了非簡諧篩面上質點的運動狀態和動力學;李耀明等[22]分析了風篩式清選裝置中脫出物的非線性運動規律,建立了物料與簡諧振動篩面的碰撞運動模型。然而,國內外對脫出物界面粘附、堵孔等問題研究較少,李耀明等[23-24]、馬征等[25-27]對油菜脫出物的粘附與摩擦特性進行了系統研究,并將仿生非光滑功能表面[28]應用到清選篩面上;文獻[25]提到黏篩堵孔問題屬濕黏農業物料與運動金屬部件之間的粘附摩擦問題,由此分析可知,導流板、抖動板和清選篩等金屬振動部件的運動特性對物料-金屬部件粘附界面的形成具有重要影響,而這方面的研究鮮報道。本文以往復振動篩的振動參數為因素,探索其對水稻脫出物界面粘附特性的影響。
本文利用自行設計的振動試驗臺架,以振幅、振頻和振動角度3個振動參數為試驗因素,以單位面積粘附量為試驗指標,首先對2種濕度水稻脫出物進行了單因素試驗,根據單因素試驗結果,確定了3因素正交試驗邊界條件,然后通過正交試驗及響應面分析,建立水稻脫出物界面粘附特性數學模型,分析并比較2種濕度水稻脫出物界面粘附規律,以期為解決水稻收獲機械清選裝置中導流板、抖動板、清選篩等關鍵作業部件的粘附問題提供振動參數依據,為水稻收獲機工作部件的粘附界面調控及脫附界面構建提供振動參數優化方法。
為保證試驗結果的合理性,通過換裝不同長度的曲柄、改變調速器輸出轉速、變換滑軌安裝角度等,確保試驗臺能夠準確地調節振幅、振頻和振動角度3個振動參數,采用直線振動設計方案自制振動試驗臺,結構如圖1所示。

1.支撐座 2.機架 3.電機座 4.調速器 5.電機 6.傳動軸 7.曲柄 8.連桿 9.振動框 10.加速度傳感器 11.MRD-81動態數據采集分析系統 12.滑軌 13.直線軸承 14.調位滑塊 15.篩面基體 16.同步帶輪 17.同步帶
機架由鋁型材和鐵板搭建而成,電機固定在電機座上,電機型號為YYCJ-300,調速器型號為US-52,為減少振動干擾,電機座與機架相互分離,2根滑軌通過支撐座平行安裝在機架上,每根圓形滑軌上各安裝2個直線軸承,振動框前、后兩端分別固定在下部2個直線軸承上,上部2個直線軸承固定在調位塊上,調位塊左右滑動可以調節2根滑軌的角度,傳動軸通過立式軸承安裝在機架上,曲柄固定在傳動軸的兩端,連桿兩端分別鉸接到曲柄和振動框的吊耳上,電機通過同步帶輪、同步帶驅動曲柄連桿機構,從而帶動篩框沿滑軌方向往復直線振動,試驗臺選用MDR-81動態數據采集分析系統,系統包括MDR移動數據記錄器和上位機軟件,加速度傳感器型號為EA-YD-186,量程為[–50,50] g,2個加速度傳感器分別固定在振動框的底部和后端,分別用來測試水平和豎直2個方向的加速度。
由于清選裝置中包括導流板、抖動板和振動篩等振動部件,各部件結構、形式不一,而本文探究的振動參數對水稻脫出物界面粘附特性的影響,其核心在于水稻脫出物與上述不同振動部件的界面接觸,故本文選用常見的304不銹鋼板作為篩面基體,其表面光滑平整,依據水稻收獲機中振動篩面積及清選物料質量,并結合本試驗所用物料質量,確定其尺寸為300 mm×250 mm×1 mm,水平固定在振動框上,靜態傾角為0。
根據試驗臺架結構可知,篩面基體的振幅等于曲柄的長度,篩面基體的振頻取決于電機的轉速,篩面基體的振動方向等于滑軌的傾角,因此,試驗過程中通過更換不同長度的曲柄調控振幅,利用調速器改變電機轉速調控振頻,通過移動調位滑塊的位置調控振動方向。
設定曲柄順時針旋轉,根據試驗臺工作原理,篩面基體的運動方程為:

式中為篩面基體沿傾斜滑軌的位移,mm;為曲柄長度,mm;為曲柄轉速,rad/s;為時間,s;0為曲柄初始相位,(°)。
通過二次求導得到篩面基體的加速度方程為:

因此,篩面基體的水平加速度、垂直加速度方程分別為:

式中為滑軌相對于水平面的傾斜角度,(°)。
為了盡量減少無效振動的干擾,提高試驗可靠性,試驗前,利用加速度傳感器對振動試驗臺進行校核,根據水稻收獲機振動篩的振動規律,設定電機轉速為180 r/min(=6π rad/s)、曲柄長度為50 mm、滑軌角度3為50°,初始相位0為π,理論上,篩面基體的水平加速度方程為:

篩面基體的垂直加速度方程為:

校核加速度曲線與理論曲線如圖2所示,從圖2中可看出,校核加速度曲線與理論曲線基本吻合,無較大的振動干擾,由于振動框往復運動必然受到摩擦阻力,振動過程中實際加速度峰值略小于理論值,相對誤差為0.9%,對試驗結果不會產生較大影響,滿足本文試驗要求[29]。
如圖3所示,在黑龍江佳木斯市友誼農場兩段式水稻收獲現場,隨機抽樣連續作業0.4 hm2后的水稻收割機,發現其抖動板的表面多處被粘附物覆蓋,粘附情況嚴重。
本文針對東北地區兩段式水稻收獲工藝,制備不同濕度的水稻脫出物,試驗水稻取自吉林省遼源市東遼縣安恕鎮,品種為科裕47。從田間取回后將部分水稻進行晾曬處理,適當降低其含水率,以未晾曬水稻作為試驗效果的對比物料,制備出同一水稻品種2種不同濕度的試驗物料。然后利用本課題組單縱軸流谷物脫粒裝置對2種濕度水稻進行脫粒,得到2種濕度的脫出物,如圖4所示,將晾曬處理水稻制備的脫出物命名為低濕度脫出物,將未晾曬水稻制備的脫出物命名為高濕度脫出物,測得2種水稻脫出物屬性如表1所示。單縱軸流谷物脫粒裝置中關鍵部件的結構及運動參數如下:脫粒元件為釘齒型,滾筒直徑和長度分別為620、1 960 mm,滾筒轉速為600 r/min,脫粒間隙為20 mm。

圖3 水稻收獲機的抖動板粘附情況

a. 低濕度脫出物b. 高濕度脫出物 a. Threshed mixture with low moistureb. Threshed mixture with high moisture
表1 2種水稻脫出物屬性

Table 1 Properties of 2 kinds of threshed mixtures
考慮到本文篩面基體的尺寸較小,試驗前需確定水稻脫出物喂入量,根據常發CF805N聯合收割機喂入量為4 kg/s,振動篩篩選面積為1.24 m2,假設聯合收割機清選過程中脫出物在篩面鋪放均勻,試驗喂入量通過式(7)計算。

式中為試驗喂入量,g;、分別為篩面基體的長度和寬度,m。
為評價不同振動參數條件下篩面基體與水稻脫出物界面粘附特性的差異,本文引入單位面積粘附量的概念,表示為(g/m2),如式(8)所示,越大說明篩面基體上脫出物界面粘附越嚴重。

式中為篩面基體上粘附物質量,g。
影響脫出物振動界面粘附特性的振動參數主要包括振幅、振頻和振動角度,本文試驗以低濕度脫出物和高濕度脫出物為試驗對象,以單位面積粘附量為試驗指標,以振幅1、振動頻率2和振動角度3為試驗因素首先進行單因素試驗。如圖5a所示,試驗前稱量篩面基體質量,根據式(7)計算出每組試驗的喂入量為241.94 g,均勻平鋪在篩面基體上。為使水稻脫出物與篩面基體充分接觸,根據物料喂入量與振動篩清選效率關系,設定振動時間為30 s;振動結束后,從振動框上取下篩面基體,將篩面基體倒置,未粘附在篩面基體上的脫出物會發生脫落,粘附在篩面基體上的水稻脫出物為尺寸較小的碎屑,如圖5b所示,再次稱量篩面基體質量,試驗前后篩面基體的質量差即為粘附物質量。最后根據式(8)計算出單位面積粘附量,每組試驗重復5次,取平均值。單因素試驗因素及水平如表2所示。

a. 試驗前b. 試驗后 a. Before testingb. After testing
表2 單因素試驗因素及水平

Table 2 Factors and levels of single factor test
試驗設定振動頻率為5 Hz,振動角度為50°,進行振幅的單因素試驗,振幅對不同濕度脫出物單位面積粘附量的影響如圖6a所示。
由圖6a可知,脫出物單位面積粘附量隨著振幅的增大整體呈現下降的趨勢,在相同振幅條件下,低濕度脫出物的單位面積粘附量明顯小于高濕度脫出物的單位面積粘附量,濕度越高,水稻脫出物單位面積粘附量越大,說明其界面粘附越嚴重。振幅在10~40 mm區間內,2種濕度脫出物的單位面積粘附量下降趨勢平緩,說明增大振幅對脫出物單位面積粘附量的影響不大;振幅介于40~60 mm時,2種濕度脫出物的單位面積粘附量呈現驟降的趨勢,此區間內增大振幅可以有效地降低脫出物單位面黏粘附量;當振幅大于60 mm,2種濕度脫出物的單位面積粘附量下降趨于平緩,振幅變化對脫出物單位面積粘附量影響小。
試驗設定振幅為50 mm,振動角度為50°,對振動頻率開展單因素試驗,振動頻率對脫出物單位面積粘附量的影響如圖6b所示。
由圖6b可知,脫出物單位面積粘附量隨著振動頻率的增大整體呈現先下降后上升的趨勢,在相同振動頻率條件下,低濕度脫出物單位面積粘附量明顯小于高濕脫出物單位面積粘附量。在1~6 Hz區間內,2種濕度脫出物單位面積粘附量均呈線性下降,通過提高振動頻率可以有效抑制脫出物的界面粘附;當頻率大于6 Hz時,脫出物單位面積粘附量呈現上升趨勢,尤其是高濕度脫出物,粘附量上升趨勢更為明顯,在此區間內,提高振動頻率會使脫出物界面粘附更為嚴重。因此,頻率6 Hz是脫出物界面粘附特性發生變化的重要拐點。
試驗設定振幅為50 mm,振動頻率為5 Hz,對振動角度開展單因素試驗,振動角度對脫出物單位面積粘附量的影響如圖6c所示。
由圖6c可知,脫出物單位面積粘附量隨著振動角度的增大整體呈現下降的趨勢,在相同振動角度條件下,低濕度脫出物的單位面積粘附量明顯小于高濕度脫出物的單位面積粘附量。在10°~30°內,2種濕度脫出物的單位面積粘附量基本保持不變,增大振動角度對其界面粘附特性影響不大;在30°~60°內,2種濕度脫出物的單位面積粘附量快速下降,增大振動角度可以有效降低脫出物的界面粘附;在60°~90°內,2種濕度脫出物單位面積粘附量略有上升,但幅度不大,增大振動角度對其界面粘附特性影響較小。

a. 振幅對脫出物單位面積粘附量的影響a. Effect of vibration amplitude on adhesion in unit area of threshed mixturesb. 振動頻率對脫出物單位面積粘附量的影響b. Effect of vibration frequency on adhesion in unit area of threshed mixturesc. 振動角度對脫出物單位面積粘附量的影響c. Effect of vibration angle on adhesion in unit area of threshed mixtures
為探究各試驗因素對試驗指標的貢獻率以及各因素之間的交互作用,進一步比較2種不同濕度脫出物在篩面基體上的界面粘附特性差異,同時建立2種脫出物單位面積粘附量關于3個振動參數的數學模型,本文參考文獻[30]進行二次回歸正交試驗設計,試驗以不同濕度脫出物為試驗對象,以單位面積粘附量為試驗指標,根據單因素試驗結果以及清選作業常用參數匹配,選定振幅為40~60 mm,振動頻率為5~7 Hz,振動角度為40°~60°進行三元二次回歸正交組合試驗,共18組,試驗方法參照單因素試驗進行,各因素水平編碼如表3所示,正交試驗方案及結果如表4所示。

表3 正交試驗因素水平編碼表
注:代表編碼空間中星號點與中心點之間的距離,=1.414。
Note:represents the distance between asterisk point and central point,=1.414.

表4 正交試驗方案及結果
根據表4中試驗結果,進行三元二次回歸擬合和方差分析,剔除不顯著項,得到低濕度脫出物單位面積粘附量1和高濕度脫出物單位面積粘附量2的回歸模型分別為式(9)和式(10)。


表5為脫出物單位面積粘附量回歸模型的方差分析結果,由表5可知,2個回歸模型的值均小于0.01,表明顯著性水平高,失擬項值均小于0.25,說明擬合效果好。根據值大小可以確定試驗因素對試驗指標的貢獻率,3個振動參數對低濕度脫出物單位面積粘附量1的影響次序由大到小依次為振動角度、振幅、振動頻率,其中振幅和振動頻率對試驗指標的交互作用較顯著,3個振動參數對高濕度脫出物單位面積粘附量2的影響次序由大到小依次為振動頻率、振動角度、振幅,其中,振動角度和振幅對試驗指標的貢獻率較為接近,振幅和振動頻率對試驗指標的交互作用影響較顯著。

表5 脫出物單位面積粘附量回歸模型方差分析
注:<0.05 為顯著,<0.01 為極顯著,0.05為不顯著。
Note:<0.05 represents significance,<0.01 means extremely significance,>0.05 means no significance.
根據正交試驗結果及回歸模型,進行雙因素響應面分析,結果如圖7所示。由圖7可知,雙因素試驗組合對脫出物單位面積粘附量的影響曲面走勢基本相同,在相同雙因素試驗條件下,高濕度脫出物單位面積粘附量明顯高于低濕度脫出物,這表明濕度是影響脫出物粘附特性的重要條件,高濕度脫出物的界面粘附比低濕度脫出物嚴重。振幅和振動頻率對2種濕度脫出物單位面積粘附量存在交互作用,振幅和振動角度、振動頻率和振動角度對2種濕度脫出物單位面積粘附量沒有交互作用,振幅與低濕度脫出物單位面積粘附量呈負相關,與高濕度脫出物單位面積粘附量呈先負相關后正相關,振動頻率和振動角度與2種濕度脫出物單位面積粘附量均呈先負相關后正相關。對于低濕度脫出物,當振幅為60 mm,振動頻率為6 Hz,振動角度為50°時,其單位面積粘附量取得最優值,對于高濕度脫出物,當振幅為50 mm,振動頻率為7 Hz,振動角度為50°時,其單位面積粘附量取得最優值。

a. 振幅和振動頻率對脫出物單位面積粘附量的影響(振動角度50°)a. Effect of vibration amplitude and vibration frequency on adhesion in unit area of threshed mixtures (vibration angle 50°)b. 振幅和振動角度對脫出物單位面積粘附量的影響(振動頻率為6 Hz)b. Effect of vibration amplitude and vibration angle on adhesion in unit area of threshed mixtures (vibration frequency 6 Hz)c. 振動頻率和振動角度對脫出物單位面積粘附量的影響(振幅50 mm)c. Effect of vibration frequency and vibration angle on adhesion in unit area of threshed mixtures(vibration amplitude 50 mm)
為進一步驗證模型準確性,基于本文振動試驗臺架,利用最優參數組合對2種濕度脫出物單位面積粘附量模型進行驗證試驗,每組試驗重復3次,取平均值,結果如表6所示,由于粘附物主要是脫出物中的細小雜余成分,而本文試驗物料量相對較少,且每組試驗所用物料中各成分質量比例有細微偏差,故試驗平均值與模型值基本吻合,相對誤差均小于10%,回歸模型可靠。

表6 回歸模型驗證結果
針對水稻脫出物表面濕潤、黏性大,易粘附的問題,本文研究了振幅、振動頻率和振動角度3個振動參數對2種濕度水稻脫出物與篩面基體界面粘附特性的影響,得到以下結論:
1)通過開展單因素試驗,分析了3個振動參數對2種濕度脫出物界面粘附特性的影響規律,確定了各振動參數較優水平區間,振幅為40~60 mm,振動頻率為5~7 Hz,振動角度為40°~60°。
2)得到2種濕度脫出物單位面積粘附量關于振動參數的數學模型以及最優組合,低濕度脫出物單位面積粘附量取得最優值的參數組合為振幅60 mm,振動頻率6 Hz,振動角度50°;高濕度脫出物單位面積粘附量取得最優值的參數組合為振幅50 mm,振動頻率7 Hz,振動角度50°。
3)3個振動參數對低濕度脫出物單位面積粘附量的影響次序由大到小依次為振動角度、振幅、振動頻率,振動參數對高濕度脫出物單位面積粘附量的影響次序由大到小依次為振動頻率、振動角度、振幅,只有振幅和振動頻率對2種脫出物單位面積粘附量存在交互作用影響。
4)通過不同濕度脫出物的對比試驗發現,濕度是影響脫出物界面粘附特性的重要條件,高濕度脫出物的界面粘附比低濕度脫出物嚴重。
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Effect of vibration parameters of vibrating screen for harvester on adhesion characteristics of threshed mixtures with different moistures
Cheng Chao1,2, Fu Jun1,2※, Chen Zhi2,3, Ren Luquan1,2
(1.,,,130022,; 2.,,130022,; 3.,100080,)
Rice is one of the three major grain crops in China. Cleaning is one of the most important processes in rice harvesting, and the performance of vibrating screen and vibrating board has significant effect on cleaning operation. However, rice has high moisture content during harvest, its surface is moist and sticky, and it is easy to stick to vibrating screen and vibrating board. Therefore, it is great significance to study the effect of vibration parameters on interface adhesion characteristics of rice threshed mixture. In this paper, a linear vibration tested was designed and checked. The sieve substrate was made of 304 stainless steel. 2 kinds of rice threshed mixtures with different moisture content were selected as test objects, The moisture content of grain, straw and impurity in threshed mixtures with low moisture contentwas 18.76%, 54.68% and 32.18% respectively. The moisture content of grain, straw and impurity in threshed mixtures with high moisture content was 24.56%, 79.04% and 47.73% respectively. Vibration amplitude, vibration frequency and vibration angle were selected as test factors, and adhesion in unit area was used as test index. Through single factor test, the influence law of each factor on the test index was analyzed, and the better level of each factor was determined, that is the vibration amplitude was 40-60 mm, the vibration frequency was 5-7 Hz, the vibration angle was 40°-60°. Then, the design and analysis of orthogonal test were carried out in this paper, the mathematical models for test index of 2 kinds of threshed mixture with different moisture content and the order of main and secondary factors affecting the test index were obtained. The influence of vibration parameters on the adhesion in unit area of threshed mixtures with low moisture content in descending order was the vibration angle, vibration amplitude and vibration frequency. The influence of vibration parameters on the adhesion in unit area of threshed mixtures with high moisture content in descending order was the vibration frequency, vibration angle and vibration amplitude. The interaction between vibration amplitude and vibration frequency was found, and the response surface analysis was carried out. The trend of the response surface of 2 kinds of threshed mixture was basically same. The influence of moisture content on the adhesion characteristics of threshed mixture was obtained. Through the comparison test of 2 kinds of rice threshed mixtures, it was found that moisture content was an important condition that affected the interface adhesion properties, and the higher the moisture content, the more serious the adhesion was. The optimum parameter combination for adhesion in unit area of threshed mixtures with low moisture content was that the vibration amplitude was 60 mm, the vibration frequency was 6 Hz, and the vibration angle was 50°. The optimum parameter combination for adhesion in unit area of threshed mixtures with high moisture was that the amplitude was 50 mm, the vibration frequency was 7 Hz, and the vibration angle was 50°. Verification test results showed that the regression model was reliable and the relative error was less than 10%.
mechanization; vibration; adhesion; moisture; rice threshed mixtures; cleaning
2018-10-29
2019-02-13
國家重點研發計劃(2017YFD0700302)
程超,博士生,主要從事仿生收獲技術與裝備研究。Email:chengchao17@mails.jlu.edu.cn
付君,副教授,博士生導師,主要從事仿生收獲技術與裝備研究。Email:fu_jun@jlu.edu.cn
10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.004
S225.4
A
1002-6819(2019)-08-0029-08
程 超,付 君,陳 志,任露泉. 收獲機振動篩振動參數影響不同濕度脫出物粘附特性[J]. 農業工程學報,2019,35(8):29-36. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.004 http://www.tcsae.org
Cheng Chao, Fu Jun, Chen Zhi, Ren Luquan. Effect of vibration parameters of vibrating screen for harvester on adhesion characteristics of threshed mixtures with different moistures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 29-36. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.004 http://www.tcsae.org