玉米脫粒清選試驗臺清選參數優化研究

杜洪恿,張 恒,李浩澤,張國海,金誠謙,2,李景景

(1.山東理工大學 農業工程與食品科學學院,山東 淄博 255000;2.農業農村部南京農業機械化研究所,南京 210014;3.山東亞豐農業機械裝備有限公司,山東 淄博 255000)

0 引言

玉米籽粒收獲機在工作時進行脫粒清選,直接收獲玉米籽粒,收獲的玉米籽粒可以晾曬或烘干后貯藏,減少后續工作環節,近幾年得到了快速地發展[1]。玉米籽粒收獲機針對大規模作業,作業速度快、收獲效率高,但喂入量的增加對清選性能提出了極高的挑戰。在收獲玉米時,玉米的含水率普遍偏高,高含水率玉米會影響機器的脫粒清選性能,造成玉米破損率偏高、清選損失嚴重等問題[2-3]。清選裝置作為其不可或缺的一部分,對其研究改進具有實際應用意義。

為了更好地研究玉米籽粒收獲機的脫粒清選性能,以亞豐新時代4YZL-6S玉米籽粒收獲機為原型,設計了一種脫粒清選試驗平臺。在不改變清選裝置結構的前提下,合理調節各清選參數,充分發揮各部分的性能,對于減少損失率、降低含雜率具有重要意義[4]。

本文在理論分析的基礎上,對影響清選效果的主要參數進行了研究,以含雜率和損失率為主要性能指標,對風機轉速、調風板傾角、魚鱗篩開度、曲柄轉速4因素進行單因素試驗,挑選出優水平后進行了4因素三水平正交實驗,用極差分析法得出了最優的參數組合,為之后清選研究提供了參考。

1 脫粒清選試驗臺清選結構及工作原理

1.1 清選結構

清選裝置主要由階梯狀抖動板、離心風機、上篩、下篩、尾篩、風機調風板、籽粒攪龍、雜余攪龍及曲柄搖桿機構等組成,如圖1所示。

1.階梯狀抖動板 2.離心風機 3.風機調風板 4.下魚鱗篩 5.籽粒攪龍 6.雜余攪龍 7.尾篩 8.上魚鱗篩 9.曲柄搖桿機構

清選裝置采用的是風篩式結構,風機部分、曲柄搖桿部分均用三相電機驅動,通過調整變頻器來實現各部分速度的改變。清選參數如表1所示,電機轉速調整范圍如表2所示。

表1 清選參數

表2 轉速調整范圍

1.2 清選裝置工作原理

經脫粒裝置作用后的混合物從凹板篩排出,落到階梯狀抖動板上,物料在抖動板上來回抖動彈跳后,會均勻地落在上魚鱗篩上,在篩子的往復運動下,物料變得疏松、分層,大部分輕雜質經離心風機的作用后直接排出機外;剩余的混合物經過透篩后,落入到下魚鱗篩,此時雜質含量較少,經下魚鱗篩篩選后得到清潔的玉米籽粒;篩選后的籽粒從斜板滑落入籽粒攪龍中,經籽粒攪龍作用后輸送到籽粒收集裝置中;經尾篩未清選干凈的脫出物落入到雜余攪龍中,經雜余攪龍和升運器的作用后進入脫粒裝置中進行復脫和二次清選[5-6]。

2 主要工作部件及控制系統

2.1 抖動板

抖動板位于縱軸流脫粒滾筒的前下半部分,結構如圖2所示。

1.導流板 2.階梯狀板面 3.小導流板 4.指狀篩

玉米混合物從脫粒裝置的凹板篩排出,大部分先落入到抖動板上。抖動板面呈階梯狀,往復運動時使混合物分布均勻,運動過程中使混合物分層分布。抖動板上增加導流板,3個導流板交錯分布,起導流攤分作用,將物料在篩面上橫向攤分均勻,分攤均勻的混合物經相互平行小導流板的作用,縱向向后均勻輸送。抖動板末端配有指狀篩,起疏松作用,將較長的短莖稈架起,使其他混合物首先落入到篩面上,短莖稈分布在混合物的表層,經離心風機和魚鱗篩的共同作用,短莖稈被吹出機外,減少了清選負荷,提高了清選效果。

2.2 魚鱗篩

采用雙層魚鱗篩,結構如圖3所示。魚鱗篩與沖孔篩、貝殼篩相比較優勢為:魚鱗篩的篩孔形狀類似于魚鱗狀,清選能力及適用性強,能夠很好地降低破損玉米芯和其他雜余物的透篩率,向后推送秸稈類雜質的能力強于其他兩種篩子,且篩孔不容易發生堵塞[7]。篩子后面配有篩片角度調節機構,當收獲不同品種的玉米或者不同的谷物時,可調節篩子的開度大小,滿足不同的篩選要求;兩層篩子的面積較大,當脫出物增加時,也能達到篩分要求。清選裝置后面配有面積較小的尾篩,傾斜角度略大于上篩和下篩:一是防止玉米混合物由于風力作用被吹出機外,造成不必要的浪費;二是將混合物進一步清選篩分。清選篩下方配有籽粒攪龍和雜余攪龍,籽粒攪龍將清選后的籽粒收集,輸送到糧食收集裝置中;未脫干凈或未清選干凈的玉米混合物通過尾篩落入到雜余攪龍,雜余攪龍將其收集起來,升運器將其輸送到脫粒裝置中,進行復脫和二次清選。

1.魚鱗篩片 2.魚鱗篩調節機構

2.3 清選風機

風機采用的是蝸殼式離心風機,主要由風機殼、風機軸、調風板、葉片和葉片連接座等組成,如圖4所示。離心風機的寬度較大,可提供足量的風,且吹出的氣流橫向分布比較均勻。出風口處設計有調風板,可以改變吹出的風向,調節篩子前后位置風速的大小,風機轉速用調速電機控制,可通過變頻器實現轉速的改變,調節范圍為1 100～1 300r/min。

1.風機殼 2.風機軸 3.調風板 4.葉片 5.葉片連接座

2.4 控制系統

設計了一個控制柜,通過變頻器實現各部分轉速的調節。變頻器是通過頻率的改變來控制電機轉速的設備,不僅能調速,還有過流、過載、過壓等一些保護電路的功能。通過外控制面板可以實現電機的啟動、停止和急停,且能改變軸流和過橋部分電機的正反轉,方便和安全。通過轉速儀測出要調速部分的轉速,根據目標轉速計算出頻率,調節變頻器上的頻率加減按鈕完成轉速的調節,為了防止調節失誤,需用轉速儀二次測量驗證。

3 脫粒清選試驗臺清選試驗

試驗分為脫粒和清選兩部分,兩部分可同時進行,調節脫粒參數,讓脫粒滾筒轉速為490r/min、脫粒間隙為29mm、喂入量為5kg/s,此時達到了最佳脫粒效果;然后,忽略脫粒部分對清選效果影響,改變影響清選效果的主要參數完成清選試驗。脫粒清選試驗臺如圖5所示。

圖5 脫粒清選試驗臺實物圖

1)試驗準備。試驗開始之前,先進行脫粒清選試驗臺的檢查工作,檢查機器鏈條、帶輪等部分是否連接正常;接通電源,檢查變頻器、儀表盤、指示燈等部分是否顯示正常;按下啟動按鈕,啟動電機,檢查各部分是否平穩運轉。

2)試驗材料。試驗材料為人工采收的未脫粒的玉米果穗,選取同一地段,長勢基本相同的玉米進行采收。裝袋稱重,每袋質量為50kg,控制其喂入量為5kg/s,調節好輸送帶轉速,計算出平鋪長度,將稱重好的玉米平鋪到輸送帶上。

3)試驗方案。試驗先進行單因素試驗,選取風機轉速,調風板傾角、魚鱗篩開度、曲軸轉速4因素為研究參數,每個因素在參數調節范圍內選取5個水平,以計算出的清選含雜率和損失率為評價指標,選出比較理想的3個水平后進行正交試驗,對數據采用極差分析法找出最優的清選參數組合。

清選含雜率和損失率的計算方法為

Y=Wj/W2×100%

(1)

S=Wq/(W1+W2)×100%

(2)

式中Y—清選含雜率(%);

S—清選損失率(%);

Wj—接料盒中雜余的總質量(kg);

Wq—落到接料篷布上籽粒的質量(kg);

W1—落到接料篷布上籽粒和雜余的總質量(kg);

W2—接料盒中籽粒和雜余的總質量(kg)。

4)試驗過程。試驗開始前,將接料盒放到籽粒攪龍出口處,接放清選后的玉米籽粒;將接料篷布平鋪在機器后面,用以接放清選損失的籽粒和雜余。每次清選試驗結束后,分離出接料篷布上的玉米籽粒,稱取其質量、接料篷布上混合物的總質量、接料盒中混合物的總質量,計算出清選損失率;從籽粒攪龍出口處接出一部分混合物,分離出雜余和籽粒的質量,計算清選出含雜率。為了減少含雜率測量誤差,進行3次接料試驗,取平均值作為最終的含雜率。試驗過程及試驗結果處理如圖6所示。

圖6 試驗過程及試驗結果處理

4 試驗結果分析

4.1 風機轉速試驗

風機轉速單因素試驗方案:調整魚鱗篩的開度為16mm,風機調風板的傾角為36°,曲軸的轉速為325r/min,得到的試驗數據如表3所示。

表3 風機轉速試驗數據

用Origin9.1對試驗數據作圖,以計算出的清選損失率和含雜率為衡量清選性能好壞的指標,分析出風機轉速對清選性能的影響情況,如圖7所示。

圖7 風機轉速單因素試驗

在其他條件不變的情況下,隨著風機轉速的提高,清選含雜率越來越小,但清選損失率越來越大。為了達到最佳的清選效果,綜合考慮清選損失率和含雜率這兩個指標,選取風機轉速為1 150、1 200、1 250r/min進行正交試驗。

4.2 魚鱗篩開度試驗

魚鱗篩開度單因素試驗方案:調整風機轉速為1 200r/min,風機的調風板傾角為36°,曲軸的轉速為325r/min,得到的試驗數據如表4所示。

表4 魚鱗篩開度試驗數據

用Origin9.1對試驗數據作圖,以計算出的清選損失率和含雜率為衡量清選性能好壞的指標,分析出魚鱗篩開度大小對清選性能的影響情況,如圖8所示。

圖8 魚鱗篩開度單因素試驗

在其他條件不變的情況下,隨著魚鱗篩開度的增加,清選損失率越來越小,但清選含雜率越來越大。為了達到最佳的清選效果,綜合考慮清選損失率和含雜率這兩個指標,選取魚鱗篩開度為14、16、18mm進行正交試驗。

4.3 調風板傾角試驗

調風板傾角單因素試驗方案:調整風機轉速為1 200r/min,魚鱗篩的開度為16mm,曲軸的轉速為325r/min,試驗數據如表5所示。

表5 調風板傾角試驗數據

用Origin9.1對試驗數據作圖,以計算出的清選損失率和含雜率為衡量清選性能好壞的指標,分析出調風板傾角大小對清選性能的影響情況,如圖9所示,

圖9 調風板傾角單因素試驗

在其他條件不變的情況下,隨著調風板傾角的增加,清選損失率越來越小,但清選含雜率先減小后增大。這是因為:當風機調風板傾角很小時,清選室內篩前的氣流較小,風選作用不明顯,大部分雜質存留在篩前,沒被吹出機外,導致含雜率較高,篩后的氣流較大,一些玉米脫出物被吹出機外,導致損失率較大;當風機傾角太大時,氣流主要集中在篩前,雖然風選效果明顯,但篩后氣流較小,雜質很難被吹出機外,含雜率又有所增加。為了達到最佳的清選效果,綜合考慮清選損失率和含雜率這兩個指標,選取調風板傾角大小為36°、54°、72°進行正交試驗。

4.4 曲柄轉速試驗

曲柄轉速單因素試驗方案:調整風機轉速為1 200r/min,魚鱗篩的開度為16mm,調風板的傾角為36°,得到的試驗數據如表6所示。

表6 曲柄轉速試驗數據

用Origin9.1對試驗數據作圖,以清選損失率和含雜率為性能指標,分析曲柄轉速對清選效果的影響情況,如圖10所示。

圖10 曲柄轉速單因素試驗

在其他條件不變的情況下,隨著曲柄轉速的增加,清選含雜率越來越小,但清選損失率越來越大。實際工作過程中,曲柄轉速不易過高,過高影響篩子工作的穩定性。為了達到最佳的清選效果,綜合考慮清選損失率和含雜率這兩個指標,選取曲柄轉速為305、315、325r/min進行正交試驗。

5 正交試驗

單因素試驗分析完畢后,將篩選出優水平的風機轉速、魚鱗篩開度、調風板傾角和曲柄轉速為試驗對象,進行四因素三水平正交試驗,正交試驗按照標準正交表L9(34)進行,如表7所示。

表7 清選試驗因素水平對照表

進行正交試驗,把計算出的清選含雜率和損失率作為評價清選質量的指標,用極差分析的方法對試驗數據處理分析,得出正交清選試驗的結果如表8所示。

表8 正交清選試驗結果表

初選優化清選條件:根據清選損失率和含雜率不同水平平均值確定各清選因素的優化水平組合為

清選損失率(%):優水平 A1B1C2D3

清選含雜率(%):優水平 A1B2C3D1

清選損失率和含雜率單獨分析出的優水平不一致,需根據這兩者影響的主次因素,綜合分析,得到最優的清選參數,即

清選損失率(%):主次因素 CADB

清選含雜率(%):主次因素 ACBD

1)對于風機轉速A:從對清選效果影響順序來看,風機轉速對清選含雜率的影響在第一位,是主要因素,風機轉速對清選損失率的影響在第二位,是次要因素,應以清選含雜率中風機轉速的優水平作為最終選擇的水平,因此選取A1水平。

2)對于魚鱗篩開度B:從對清選效果影響順序來看,魚鱗篩開度對清選含雜率的影響在第三位,是主要因素,魚鱗篩開度對清選損失率的影響在第四位,是次要因素,應以清選含雜率中魚鱗篩開度的優水平作為最終選擇的水平,因此選取B2水平。

3)對于調風板傾角C:從對清選效果影響順序來看,調風板傾角對清選損失率的影響在第一位,是主要因素,調風板傾角對清選含雜率的影響在第二位,是次要因素,應以清選損失率中調風板傾角的優水平作為最終選擇的水平,因此選取C2水平。

4)對于曲軸轉速D:從對清選效果影響順序來看,曲軸轉速對清選損失率的影響在第三位,是主要因素,曲軸轉速對清選含雜率的影響在第四位,是次要因素,應以清選損失率中曲軸轉速的優水平作為最終選擇的水平,因此選取D3水平。

采用極差分析法分析表中數據,得出影響玉米清選性能最優的清選性能參數組合為A1、B2、C2、D3,即當風機的轉速調整為1 150r/min,魚鱗篩的開度為16mm、調風板的傾角為54°、曲軸的轉速為325r/min時,相對于其他清選參數組合,達到了最優的清選效果。將脫粒清選試驗臺調整至此參數組合下進行試驗,做3次重復試驗[8],并將試驗結果取平均值,得到調整參數后的清選損失率為0.286%,含雜率為0.149%。

6 結論

1)脫粒清選試驗臺中利用電機提供動力,參數便于調整,機器容易操控,可實現脫粒滾筒和過橋的正反轉。在室內作業時,無需考慮天氣的影響,方便試驗的進行。

2)試驗由單因素試驗、正交試驗組成。先進行4個單因素試驗,確定了每個因素中參數的3個優水平,減少了正交試驗的試驗次數。用極差分析法分析正交試驗得出的數據,得出了最優的參數組合:當風機的轉速為1 150r/min,調風板的傾角為54°,魚鱗篩的開度為16mm,曲軸的轉速為315r/min時,清選效果最好,此時的清選損失率為0.286%,含雜率為0.149%。

3)進行試驗時,參數調節和試驗數據整理等均由人工完成,存在較大的試驗誤差,需對脫粒清選試驗臺進行改進,編寫程序,將要調節的參數輸入到計算機,智能化地調節各個清選參數,得到的數據保存到計算機中,利用數據分析軟件高效準確地分析出試驗結果。

4)脫粒清選試驗臺脫粒部分調節不當會影響清選性能,可單獨設計一個清選試驗臺,防止其他干擾,方便得出清選結論。利用Fluent和EDEM軟件仿真分析清選過程,將仿真數據和試驗數據作對比,驗證了試驗結果的準確性。