正多桿變隙式油葵脫粒裝置設計與試驗

張學軍，馬少騰，朱興亮，袁盼盼，于蒙杰，劉 宇

正多桿變隙式油葵脫粒裝置設計與試驗

張學軍1,2，馬少騰1，朱興亮1,2，袁盼盼1,2，于蒙杰1,2，劉 宇1

（1. 新疆農業大學機電工程學院，烏魯木齊 830052；2. 新疆農業工程裝備創新設計實驗室重點實驗室，烏魯木齊 830052）

目前已有的油葵脫粒裝置無法適用不同條件下的油葵脫粒需求，該文針對油葵在脫粒過程中油葵脫凈率較低、籽粒破損率較高等問題，設計了一種基于多桿機構的變隙式油葵脫粒裝置。重點介紹了變隙式油葵脫粒裝置的結構及工作原理，并對變隙式凹板篩結構的間隙調節機構與角度調節機構進行運動學分析、通過運動軌跡分析和求解，確定了變隙式凹板篩可變間隙為20～60 mm。試制了變隙式油葵脫粒裝置試驗臺，以滾筒轉速、脫粒間隙、喂入量作為試驗因素，以脫凈率、破損率為指標開展正交試驗，確定較優作業參數組合。試驗結果表明：在脫粒過程中，影響油葵脫凈率和籽粒破損率的因素主次順序為脫粒間隙、滾筒轉速、喂入量，較優作業參數組合為脫粒間隙35 mm、滾筒轉速280 r/min、喂入量1.8 kg/s。在較優作業參數組合下進行重復試驗驗證，結果表明，油葵的平均脫凈率為99.01%，籽粒破損率為2.28%，滿足油葵脫粒作業需求。該研究的較優作業參數適用于該文試驗的物料條件，實際作業中需調整脫粒凹板篩的直徑大小，進而改變脫粒間隙等工作參數以適應不同條件下的油葵脫粒需求。研究結果可為后續油葵脫粒裝置的設計提供參考。

農業機械；收獲；試驗；油葵；脫粒；間隙可調；多桿機構

0 引 言

油用葵花（以下統稱油葵）作為中國第四大油料作物，播種面積達到133萬hm2，在農業發展中占據重要地位[1-4]。大規模種植后的機械化收獲是油葵產業發展的必然趨勢。現有油葵脫粒系統主要采用軸流式脫粒裝置，滾筒與凹板篩的間隙是影響脫粒效果的重要因素[5-8]。由于各地種植條件與氣候的不同，油葵品種、含水率、產量等差異較大，因此，油葵采收作業中需要調節脫粒間隙，以滿足不同條件下的脫粒需求。

目前，脫粒間隙調節機構主要分為滾筒調節式和凹板調節式2種[9-12]，其中滾筒調節式的調節過程中滾筒處于運動狀態，實時調節機構較為復雜，凹板調節式與之相反，凹板保持靜止，易實現脫粒間隙實時可調，成為國內外的研究重點[13-15]。國外對脫粒間隙調節機構的研究起步較早，美國約翰迪爾公司生產的S系列谷物收獲機中，采用液壓系統控制滾筒擋板實現脫粒間隙調節；德國克拉斯公司研制的Claas Lexion 560聯合收獲機中脫粒系統采用柵格式凹板，同時設計有預脫粒分離系統，增強分離效果[16]，但成本較高；Clint等發明了一種橫向可調節凹板篩裝置，通過執行器控制連桿機構實現凹板間隙調節[17]，但穩定性低。國內對脫粒間隙調節機構的研究起步較晚，趙武云等設計了一種變徑變間距螺旋板齒式脫粒機，通過改變脫粒滾筒上的釘齒長度而改變脫粒間隙[18-19]，調節較為復雜；林君堂等發明了一種凹板間隙調節機構，通過油缸伸縮控制連桿機構實現凹板間隙調節[20-22]；王殿忠設計了一種四點結構支撐的可調脫粒間隙凹板篩[23]。以上研究中，間隙改變后的凹板篩直徑與原始凹板篩直徑不同心，容易在底部發生堵塞。因此，需要創新應用機構，設計一種基于凹板篩的油葵實時調隙脫粒裝置，以適用于不同條件下的油葵脫粒需求。

為解決上述問題，本文針對油葵軸流脫粒方式，提出脫粒間隙調節前后凹板篩近似圓形，各部位脫粒間隙保持相同的思想，利用正多邊形多桿機構的結構易變性和形似性[24-26]，設計基于多桿機構的變隙式油葵脫粒裝置，轉動各多邊形桿后形成與原多邊形僅邊長不同的新多邊形，調節凹板使凹板篩保持近似圓形，實現脫粒裝置變隙調節；試制變隙式油葵脫粒裝置并開展臺架正交試驗，對其結果進行分析，以及為后續油葵脫粒裝置的研發提供借鑒。

1 油葵脫粒裝置結構與工作原理

1.1 整機結構

變隙式油葵脫粒裝置主要是由電機、鏈條傳動裝置、機架、變隙式凹板篩、液壓缸、紋桿式脫粒滾筒、喂料口以及導流頂蓋組成，如圖1所示。脫粒滾筒與凹板篩同心安裝并固定在機架上，兩者間具有要求的脫粒間隙，裝置的主要技術參數如表1所示。

1.電機 2.鏈條傳動裝置 3.機架 4.變隙式凹板篩 5.液壓缸 6.脫粒滾筒 7.入料口 8.導流頂蓋

表1 變隙式油葵脫粒裝置主要參數

1.2 工作原理

工作時，油葵盤通過入料口進入裝置，電機驅動鏈條傳動，帶動脫粒滾筒高速轉動，油葵盤在脫粒滾筒與凹板篩的作用下進行搓擦、碾壓，脫出油葵籽粒，通過液壓缸控制變隙式凹板篩運動，調節凹板篩直徑，改變脫粒間隙，可適應油葵采收作業情況復雜以及各地種植條件和氣候差異，油葵品種、含水率、產量等因素條件下的脫粒需求。最后，油葵籽粒掉入凹板篩底部，葵盤經導流板排到裝置外，完成脫粒。

2 變隙式凹板篩設計

2.1 變隙式凹板篩的結構及工作原理

變隙式凹板篩主要由篩板單元以及變隙機構組成，如圖2所示。變隙機構對稱安裝在篩板單元兩側，篩板單元在變隙機構上呈圓周分布，兩者間采用轉動連接。

變隙機構由間隙調節機構和角度調節機構2部分組成，如圖3所示。其中間隙調節機構由固定板、間隙調節桿、滑道以及滑動部件組成，各間隙調節桿形成正多邊形，滑道與固定板固結，滑動總成分別與滑道及間隙調節板形成滑動連接，兩相鄰間隙調節桿由滑動部件通過滑槽連接；角度調節機構主要由角度調節板、角度調節桿組成，角度調節桿安裝于角度調節板滑槽內形成滑動連接。篩板單元與間隙調節桿轉動連接，并與角度調節桿固結。

1.篩板單元 2.變隙機構

1.篩板單元 2.固定板 3.角度調節板 4.角度調節桿 5.軌道 6.滑動部件 7.間隙調節桿

工作時，液壓缸推動外側間隙調節桿，在滑動部件作用下，各間隙調節桿形成聯動，轉動相同角度，變隙機構中間隙調節桿所形成的正多邊形內收或外展，實現間隙調節，如圖4所示。同時，間隙調節桿推動篩板單元轉動，驅動角度調節桿在角度調節板滑槽內移動，改變角度調節桿轉角，帶動篩板單元轉動，確保各篩板單元幾何中心始終指向變隙機構的中心，即滾筒軸心，實現角度調節，完成脫粒滾筒變隙調節，利用液壓自鎖閥實現裝置自鎖。該裝置可在工作中實現脫粒間隙的實時、無級調節，適應不同油葵物料學特性條件下的脫粒需求。

注：O點為坐標原點，x、y為坐標軸；R0為調節前凹板篩的內切圓半徑，mm；R1為調節后凹板篩的內切圓半徑，mm；α為間隙調節桿轉動角度，rad。

2.2 間隙調節機構運動學分析

正多邊形多桿機構具有形似性與結構易變性，可實現凹板篩直徑可調節，最終達到脫粒間隙可調節的目的，且調節后凹板篩中心與脫粒滾筒中心重合。通過對變隙機構的運動學分析，確定調節桿以及凹板篩中心在調節過程中的運動規律。

由于變隙機構在凹板篩中采用中心對稱安裝，故僅需建立2個相鄰間隙調節桿的運動學分析簡圖，如圖5所示。

注：A、M 為初始位置時相鄰連桿鉸接點；M’ 為調節后相鄰連桿鉸接點；L0為間隙調節桿形成的正多邊形初始邊長，mm；L1為調節后間隙調節桿的長度，mm；θ為相鄰2個間隙調節桿的夾角，rad。

對式（3）求導后積分，可得：

式中1、2為積分后通解的常數項。

式（4）有通解，證明點運動曲線為規則曲線。

根據式（3）與式（4）可求得：

2.3 角度調節機構運動學分析

間隙調節機構驅動篩板單元轉動后，各篩板單元位置發生變化，間隙調節機構中心與滾筒軸心不重合，導致凹板篩與脫粒滾筒不同心，脫粒間隙分布不一致，不滿足油葵脫粒需求，因此，需增加角度調節機構，與間隙調節機構實時匹配，實現各篩板單元中心始終與滾筒軸心重合。

注：E和E’為間隙調節桿上一點；L為AE長度，mm；β0為篩板單元與間隙調節桿初始安裝角，rad；β1為調節后篩板單元與間隙調節桿形成的角度，rad；β為篩板單元所需要轉動的角度，rad。

過點作相切于間隙調節桿切點為點的圓弧為篩板單元結構示意曲線，且點為間隙調節桿上的通孔，篩板單元中的篩板軸穿過點。根據點可求得點的坐標為：

多個篩板部件所組成的凹板篩的半徑為

(10)

由正弦定理可得：

由此，為了保證間隙調節過程中，篩板單元的法線始終指向脫粒滾筒中心，增加角度調節桿，控制篩板單元的角度變化，所以點為角度調節桿一端的運動方程。同時，角度調節桿另一端點安裝于角度調節板中的滑槽內，由角度調節板中的滑槽控制點運動，求解出點的運動軌跡即為滑槽的曲線方程，如圖7所示。

注：N和N’點為角度調節桿NE的一個端點；L2為角度調節桿NE的長度，mm；L3為角度調節桿NE的端點N到A點的距離，mm；δ為間隙調節桿AM’與AN’所形成的夾角，rad；γ為角度調節桿NE與圓心連線OE’所形成的夾角，rad。

求解出點坐標為：

式（16）為點運動軌跡方程，即為角度調節板內滑槽的曲線方程。

綜上，根據現有脫粒滾筒尺寸，確定滾筒半徑為250 mm，綜合前期調研所獲取的油葵盤厚（約25～40 mm），結合調節桿推動角度范圍，確定凹板篩半徑范圍為270～310 mm，可變間隙范圍為20～60 mm。此外，根據軸流式脫粒滾筒，設計匹配的作業長度，即篩板單元長度為1 500 mm，篩片內弧半徑為330 mm。

3 臺架試驗與結果分析

3.1 試驗材料與設備

為驗證正多桿變隙式油葵脫粒裝置的工作效果，試制試驗臺架，并開展臺架試驗。

試驗對象選用新疆昌吉回族自治州吉木薩爾縣種植的31號油葵品種，種植時間為2018-04-26，成熟時期為2018-09-11，采樣時間為2018-09-13。油葵樣品為生長狀態正常的植株，利用人工收獲摘盤的方式收集完整的油葵盤，葵盤含水率為33%～38%，單個葵盤質量為300～380 g，葵盤直徑為180～220 mm，盤厚25～40 mm，共采集1 500個葵盤，約為600 kg。試驗前對脫粒裝置進行空轉，對變隙式凹板篩的變隙功能（20～60 mm）和脫粒滾筒轉速變頻頻率（0～60 Hz）進行調試。

試驗設備還有JM電子計數天平（量程0～100 g，精度0.001 g）、扭矩儀（靈敏度0.01 N·m，量程（0±500）N·m，轉速0～4 000 rad/min）、電子秤（精度為0.01 g）、裝樣塑料袋、小掃把、簸箕、圓篩等。

3.2 試驗與方法

（18）

脫粒間隙是影響脫粒效果的重要因素，前期測得油葵盤的厚度為25～40 mm之間，結合變隙式油葵脫粒裝置設計的脫粒間隙20～60 mm，根據前期預試驗，針對脫粒間隙對脫粒性能的影響做單因素試驗，即當滾筒轉速與喂入量恒定不變，取滾筒轉速為300 r/min，喂入量為2 kg/s，脫粒間隙為20~60 mm，結果如圖8所示，從圖中可以看出，隨著脫粒間隙的增大，油葵盤脫凈率和籽粒破損率降低，脫粒間隙從20 mm增加到25 mm時，籽粒破損率明顯降低，下降至4.5%以下；當脫粒間隙從45增加到50 mm時，油葵盤脫凈率明顯下降，低至65%以下。因此，選取25、35、45 mm作為脫粒間隙的因素水平。試驗中，通過液壓缸推動外側間隙調節桿，改變脫粒間隙。

注：滾筒轉速為300r·min-1，喂入量為2kg·s-1。

滾筒轉速與喂入量分別影響籽粒與葵盤破損率和工作效率，也是重要考察因素。根據前期預試驗結果，針對滾筒轉速對脫粒性能的影響做單因素試驗，即當脫粒間隙與喂入量恒定不變，取脫粒間隙為30 mm，喂入量為2 kg/s，滾筒轉速為160~480 r/min，結果如圖9所示，從圖中可以看出，隨著滾筒轉速的增加，油葵盤脫凈率和籽粒破損率增大，且當脫粒滾筒轉速從150增加至200 r/min時，油葵脫凈率明顯上升，至92%以上；當脫粒滾筒轉速從360增加至400 r/min時，籽粒破損率明顯上升，至6%以上。當滾筒轉速大于375 r/min時，油葵盤打碎現象嚴重，給后續清選增加了一定的困難，當滾筒轉速小于200 r/min時，油葵盤脫粒效果不明顯，因此選取滾筒轉速水平為200、280、360 r/min。試驗中，在電機與電源之間安裝變頻器，通過調整變頻器頻率改變電機轉速。

當喂入量大于2 kg/s時，脫粒裝置易發生堵塞現象，當喂入量小于1.5 kg/s時，生產率過低，因此選取1.6、1.8、2 kg/s作為喂入量的因素水平。為保證喂入量，試驗開始前將計算并稱量好質量的油葵放入多個容器，試驗時平均每2 s快速倒入1次稱好的油葵，每組試驗共倒入5次，完成10 s的喂入量。最后，建立試驗因素水平表，如表2所示。

注：脫粒間隙為30 mm，喂入量為2kg·s-1。

表2 試驗因素和水平

3.3 試驗結果與分析

為判斷試驗的結果是否由誤差引起，在設計正交設計表時中添加一列空白列。按照L9（34）建立正交試驗表[29]，如表3所示。在試驗過程中記錄試驗后脫出后的籽粒重量，且每組試驗進行3次，取3次測試結果均值作為試驗結果。

表3 正交試驗結果與極差分析

由表3可知，在試驗設定條件下，油葵脫凈率為90.35%～98.87%，籽粒破損率為1.92%～4.93%。各因素極差的大小順序為＞＞，脫粒較優方案為222，即脫粒間隙為35 mm，滾筒轉速為280 r/min，喂入量為1.8 kg/s。

為了進一步探究各因素對評價指標的顯著性影響，運用SPSS20.0數據分析軟件[30]對數據進行方差分析，結果如表4所示。

由表4可知，在95%的置信度下，脫粒間隙對脫凈率和籽粒破損率的影響為極顯著（＜0.01），滾筒轉速為顯著影響因素（＜0.05），喂入量為不顯著影響因素。

表4 方差分析

注：<0.01為極顯著；0.01<<0.05為顯著；＞0.05為不顯著。

Note:<0.01 means highly significant; 0.01<<0.05 means significant;＞0.05 means non-significant.

由臺架試驗結果可知，脫粒間隙是影響脫粒裝置性能的極顯著因素，脫粒間隙過大，葵盤所受擠壓、搓擦及打擊作用減弱，脫凈率和破損率均降低；反之，則葵盤所受作用力增加，脫凈率和破損率均增大，在實際生產中，可根據國家及相關標準對谷物脫粒中滿足脫凈率大于98%且籽粒破損率小于5%的要求選擇合適的脫粒間隙。因此，針對當前生物特性的油葵，其脫粒間隙最優水平為35 mm。

滾筒轉速是影響脫粒裝置性能的顯著因素，當滾筒轉速增加時，脫粒滾筒的線速度增加，油葵盤受到的搓擦、打擊作用也隨之增加，油葵盤的脫凈率和破損率增大；反之，則油葵盤所受作用力減小，脫凈率和破損率降低，因此在破損率的許可范圍內兼顧生產率，選擇滾筒轉速的較優水平為280 r/min。

當喂入量增加時，油葵盤易在脫粒裝置內發生堆積、重疊，影響葵盤上籽粒的脫粒，導致部分籽粒無法分離，脫凈率降低，且脫下的籽粒由于葵盤發生堵塞，無法從凹板篩孔落下，增加了脫粒滾筒對籽粒的打擊、搓擦次數，造成破損率增加；反之，喂入量降低時，無法滿足生產率要求，因此，選擇喂入量的較優水平為1.8 kg/s。

3.4 試驗驗證

為驗證正交試驗結果的準確性，對較優作業參數組合進行重復試驗驗證，按照前述試驗方法進行試驗，結果取平均值，試驗結果如表5所示。由表5可知，在較優作業參數下，脫凈率為99.01%，籽粒破損率為2.28%。達到了國家及相關標準要求，即脫凈率大于98%，籽粒破損率小于5%。

表5 試驗驗證值

本文試驗僅獲取了當前物料條件下的較優作業參數，由于油葵采收作業情況復雜以及各地種植條件和氣候差異，油葵品種、含水率、產量等因素發生改變，合適的脫粒間隙也有所不同，單一條件下的較優作業參數組合不能普遍適用，需要依據田間實際脫粒情況實時調節脫粒間隙，以滿足不同條件下的脫粒需求。

4 結 論

1）設計了變隙式油葵脫粒裝置，介紹了其結構與工作原理，根據間隙調節機構和角度調節機構的運動軌跡分析，確定了各關鍵部件的結構參數。

2）試制了變隙式油葵脫粒裝置，以脫粒間隙、滾筒轉速和喂入量為影響因素，以油葵盤脫凈率和籽粒破損率為試驗指標，開展臺架正交試驗。結果表明，較優作業參數組合為脫粒間隙35 mm，滾筒轉速280 r/min，喂入量1.8 kg/s，脫粒間隙對油葵脫凈率和籽粒破損率的影響極為顯著，滾筒轉速為顯著，喂入量為不顯著。在較優作業參數條件下油葵脫凈率為99.01%，籽粒破碎率為2.28%，滿足相應條件下的收獲作業要求。在實際生產中，應根據田間實際脫粒情況實時調節脫粒間隙，以達到滿足其他條件下的脫粒需求的需求。

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Design and test of oil-sunflower threshing device with variable clearance

Zhang Xuejun1,2, Ma Shaoteng1, Zhu Xingliang1,2, Yuan Panpan1,2, Yu Mengjie1,2, Liu Yu1

(1,,830052,; 2,,830052,)

The existing oil sunflower threshing device cannot meet the requirements of oil sunflower threshing under different conditions. Aiming at the problems of the low oil sunflower threshing rate and the high breaking rate during the threshing process, a threshing device of oil sunflower with variable clearance based on multi-bar mechanism is designed in this paper. The structure and the working principle of the oil-sunflower threshing device with variable clearance were introduced, and the mechanisms of kinematics of the clearance adjustment mechanism and angle adjustment mechanism of the structure of variable clearance concave screen were analyzed, the motion trajectory analysis and solution were performed to determine the structural parameters, the variable clearance range of the variable clearance concave sieve was 20-60 mm. A test bench of the oil-sunflower threshing device with variable clearance was developed. The threshing test was completed at the Key Laboratory of Innovation Design Laboratory of Xinjiang Agricultural Engineering Equipment. The test object was oil sunflower No. 31 with the disk diameter of 180-220 mm and the disk thickness of 25-40 mm, the weight of single sunflower disk was 300-380 g, the moisture content of the sunflower disk was 33%-38%. The test was performed according to the GB/T5982-2017 thresher test method and the DB37/T2878.2-2016 technical requirements. The orthogonal experiment of three factors and three levels was carried out, threshing rate and breaking rate were taken as the indexes and the cylinder speed，the threshing clearance as well as feed rate were the factors. The test results showed that during the threshing process, the factors that affect the oil sunflower threshing rate and breaking rate are threshing clearance, drum speed and feed rate. The optimal combination of operating parameters was that the threshing clearance 35 mm, the drum speed 280 r/min and the feed rate 1.8 kg/s. Through the analysis of variance, it was concluded that the threshing clearance had a very significant effect on the oil sunflower threshing rate and breaking rate, the drum speed was significant, and the feed amount was not significant. Multiple repeated tests were performed under a better combination of operating parameters. The test results showed that the average threshing rate of oil sunflower was 99.01%, and the breaking rate was 2.28%, which met the national standards that the threshing rate greater than 98 % and the breaking rate less than 5%. The better operating parameters of this study are only applicable to the material conditions tested in this paper, but the oil sunflower harvesting operations are complicated, and the factors such as oil sunflower varieties, moisture content, and output are also different. Adjusting the diameter of the threshing concave plate sieve, changing the threshing clearance and other working parameters is to meet the requirements of oil sunflower threshing under different conditions. The research results can provide reference for the design of subsequent oil sunflower threshing device.

agricultural machinery; harvesting; test; oil sunflower; threshing; clearance adjustable; multi-bar mechanism

張學軍，馬少騰，朱興亮，袁盼盼，于蒙杰，劉 宇. 正多桿變隙式油葵脫粒裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(4)：26－33. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.004 http://www.tcsae.org

Zhang Xuejun, Ma Shaoteng, Zhu Xingliang, Yuan Panpan, Yu Mengjie, Liu Yu. Design and test of oil-sunflower threshing device with variable clearance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 26－33. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.004 http://www.tcsae.org

2019-09-23

2020-01-02

“十三五”國家重點研發計劃項目(2016YFD0702104－3)；新疆自治區高校科研計劃創新團隊（XJEDU2017T005）；新疆農業大學研究生科研創新項目（XJAUGRI2019-014）

張學軍，教授，博士生導師，主要從事農業機械化裝備研究。Email：tuec@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.004

S226.1

A

1002-6819(2020)-04-0026-08