油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復(fù)清機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

廖慶喜 王 昌 何 坤 袁佳誠(chéng) 萬(wàn)星宇

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)油菜聯(lián)合收獲機(jī)多由稻-麥聯(lián)合收獲機(jī)改裝而來(lái)，適應(yīng)性不強(qiáng)導(dǎo)致收獲后籽粒含雜率較高[1]。相關(guān)學(xué)者在降低油菜聯(lián)合收獲機(jī)含雜率與損失率方面做了大量研究，主要集中在割臺(tái)研究[2-4]、脫粒裝置研究[5]及清選裝置研究[6-8]方面，但受籽粒細(xì)小不易分離、油菜脫出物組分糅雜、含水率較高等因素的影響，聯(lián)合收獲機(jī)清選后的油菜籽粒中依舊含有較多輕細(xì)雜余，含雜率有待進(jìn)一步降低。而我國(guó)對(duì)聯(lián)合收獲后的籽粒處理大部分仍停留在傳統(tǒng)人工清選方式上，機(jī)械化程度不高，難以適應(yīng)細(xì)小油菜籽粒與輕細(xì)雜余的分離，影響儲(chǔ)存安全和后續(xù)加工的成品質(zhì)量。

油菜籽清選是為了清除雜質(zhì)、提高品質(zhì)，一般可根據(jù)油菜籽與雜質(zhì)之間的物理特性差異確定有效的分離方法，如：顆粒度、比重差及空氣動(dòng)力學(xué)特性等[9]。國(guó)內(nèi)油料的清理多采用篩選法，常用的油菜籽篩選設(shè)備有平面回轉(zhuǎn)篩和振動(dòng)篩[10-11]。廖慶喜等[12]基于含雜油菜籽各組分空氣動(dòng)力學(xué)特性差異設(shè)計(jì)了一種離心氣流清選和回轉(zhuǎn)篩選組合式的清選試驗(yàn)臺(tái)；王立軍等[13]在利用CFD-DEM耦合技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)雙層往復(fù)振動(dòng)篩清選裝置內(nèi)氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行仿真基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種分段式振動(dòng)圓孔篩清選裝置；王豪東等[14]基于EDEM模擬了物料在回轉(zhuǎn)組合多層篩篩選過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)情況，得到了較優(yōu)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)組合；BARBOSA等[15]基于圖像分析技術(shù)開(kāi)展了振動(dòng)篩上固液分離動(dòng)力學(xué)研究；曾乙倫等[16]基于非連續(xù)變形分析(DDA)方法，對(duì)ZKR-1022型振動(dòng)篩的篩分過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模擬，揭示了直線振動(dòng)篩的篩分過(guò)程和機(jī)理。由于收獲后的含雜油菜籽中成分糅雜：由籽粒、短莖稈、果莢殼、輕雜余組成[17]，平面回轉(zhuǎn)篩作業(yè)后籽粒含雜率較低，但篩分效率不高，振動(dòng)篩作業(yè)效率高，但雜余透篩率也高，致使含雜率增加。綜上，應(yīng)用于油菜聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)后含雜油菜籽的復(fù)清裝備有待深入研究。

本文結(jié)合不同篩分結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復(fù)清機(jī)，采用分級(jí)篩搭載偏心配重塊組合式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“先篩分，再風(fēng)選”的工藝流程：先依靠偏心配重塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激振力驅(qū)動(dòng)分級(jí)篩振動(dòng)篩分大雜余，再采用離心風(fēng)機(jī)吹除小雜余，從而實(shí)現(xiàn)含雜油菜籽中籽粒與雜余的分離。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

1.1 總體結(jié)構(gòu)

油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復(fù)清機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由機(jī)架、螺旋輸送裝置、聯(lián)接軟管、離心振動(dòng)式篩分裝置、側(cè)向風(fēng)選裝置、電機(jī)等部分組成。該機(jī)具為獨(dú)立機(jī)具，主要對(duì)油菜聯(lián)合收獲后的含雜油菜籽進(jìn)行篩分，工作時(shí)，振動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件(圖2)的上、下偏心塊高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力的合力作用在軸線的中垂面內(nèi)，從而形成激振力并驅(qū)動(dòng)篩體振動(dòng)。螺旋輸送裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)、激振源驅(qū)動(dòng)電機(jī)及離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速均可調(diào)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 離心振動(dòng)式篩分裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of centrifugal-vibrating screening device

離心振動(dòng)式篩分裝置分為上部組合篩體、中間激振源、下部底座3部分，上部組合篩體喂料口與螺旋輸送裝置出口通過(guò)軟管聯(lián)接；中間激振源通過(guò)金屬束邊與上部組合篩體聯(lián)接，并通過(guò)固定彈簧支撐于下部底座上方，第1層篩網(wǎng)選擇圓形沖孔篩式，第2層篩網(wǎng)選擇方孔編織篩式。

1.2 工作過(guò)程

如圖3所示，油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復(fù)清機(jī)工作過(guò)程主要包括：物料輸送過(guò)程、篩分過(guò)程以及風(fēng)選過(guò)程。物料輸送過(guò)程是指料斗內(nèi)的含雜油菜籽在螺旋葉片的作用下被動(dòng)提升至螺旋輸送裝置出口，經(jīng)軟管落至離心振動(dòng)式篩分裝置中；篩分過(guò)程指經(jīng)螺旋輸送裝置輸送過(guò)來(lái)的含雜油菜籽受重力影響，落在由振動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件作用產(chǎn)生振動(dòng)的篩網(wǎng)上，使得含雜油菜籽在篩網(wǎng)上“跳躍”，而含雜油菜籽中各組分因物理特性各異[18]，籽粒和細(xì)小輕雜余從大雜余中分離出來(lái)，透過(guò)上下不同孔徑的篩網(wǎng)落到集料金屬片上并經(jīng)下層出料口排出，而短莖稈、夾殼等則因尺寸較大無(wú)法透過(guò)篩網(wǎng)，在激振力作用下做圓周擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，經(jīng)各篩網(wǎng)排草口排出；風(fēng)選過(guò)程指從離心振動(dòng)式篩分裝置下層出料口排出的籽粒和細(xì)小輕雜余在下落至側(cè)向風(fēng)選裝置內(nèi)時(shí)受離心風(fēng)機(jī)作用，輕雜余被吹除，剩余油菜籽粒從出料口排出，從而完成籽粒清選。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

2.1 生產(chǎn)效率

為滿足收獲機(jī)作業(yè)后含雜油菜籽的復(fù)清要求，以市場(chǎng)占有率較高的雷沃谷神4LZ-8.0F型、沃得4LZ-6.0MCQ型、東禾牌4LZ-4.0Z型全喂入谷物聯(lián)合收獲機(jī)為例，查閱對(duì)應(yīng)收獲機(jī)使用說(shuō)明書(shū)可知，其工作效率分別為0.6～1.3 hm2/h、0.27～0.85 hm2/h、0.34～0.64 hm2/h，收獲機(jī)對(duì)應(yīng)糧箱容積分別為2.5、1.4、1.3 m3；由文獻(xiàn)[1]可知，油菜籽產(chǎn)量為1 800～2 100 kg/hm2，為保證各收獲機(jī)糧箱滿箱時(shí)，上一箱籽粒能完成復(fù)清，以便后續(xù)進(jìn)一步處理，則

Vρc≥ηtQc

(1)

式中V——聯(lián)合收獲機(jī)糧箱容積，m3

ρc——油菜籽平均容重，690 kg/m3[19]

η——收獲機(jī)工作效率，hm2/h

t——糧箱滿箱時(shí)收獲機(jī)工作時(shí)間，h

Qc——油菜籽產(chǎn)量，取2 100 kg/hm2

經(jīng)計(jì)算，各收獲機(jī)糧箱滿箱時(shí)收獲機(jī)工作時(shí)間分別為0.63、0.54、0.67 h，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的含雜油菜籽復(fù)清機(jī)喂入量應(yīng)為0.76、0.50、0.37 kg/s，方可實(shí)現(xiàn)含雜油菜籽的復(fù)清，考慮到實(shí)際作業(yè)時(shí)籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)、人工喂料、裝袋、晾曬等環(huán)節(jié)會(huì)占用一定時(shí)間，油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復(fù)清機(jī)喂入量在滿足較大喂入量收獲機(jī)復(fù)清條件下應(yīng)盡可能取較大值，此時(shí)復(fù)清機(jī)喂入量需乘以一個(gè)安全系數(shù)f0，取f0=2，計(jì)算得復(fù)清機(jī)喂入量分別為1.52、1.00、0.74 kg/s，故設(shè)計(jì)含雜油菜籽復(fù)清機(jī)喂入量為1.5 kg/s，即生產(chǎn)效率為5.4 t/h。

2.2 螺旋輸送裝置

螺旋輸送裝置利用旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片連續(xù)、穩(wěn)定地推送含雜油菜籽，從而完成其傾斜輸送過(guò)程。含雜油菜籽在螺旋輸送裝置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)主要有2個(gè)階段：料斗里的含雜油菜籽受重力作用自然下落到螺旋葉片上，完成物料的填充；含雜油菜籽被旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片以一定速度向上提升，由卸料口排出。

螺旋葉片表面是由垂直于軸的元線繞軸作等速回轉(zhuǎn)并沿軸向等速移動(dòng)而形成，綜合考慮篩分效率和整機(jī)尺寸，查閱文獻(xiàn)[9]，按照推薦的R20優(yōu)先系數(shù)，螺旋外徑D取160 mm，螺旋葉片厚度取2 mm，主軸一般采用無(wú)縫鋼管，直徑d取30 mm，螺旋葉片與機(jī)殼之間的間隙δ一般取5～10 mm，因油菜籽直徑較小，由文獻(xiàn)[19]可知，油菜籽當(dāng)量直徑集中在1.9～2.1 mm，為保證籽粒的順利輸送，螺旋葉片與機(jī)殼間隙取較小值，取5 mm。

P=πDtanβ0<308 mm

(2)

又因螺距P一般為螺旋外徑D的80%～100%，綜合考慮取螺距P=160 mm，計(jì)算螺旋升角β0為18°。

螺旋葉片的軸向輸送能力需大于篩分裝置的喂入量，即

(3)

式中Ql——螺旋輸送裝置生產(chǎn)率，kg/s

ψ——輸送谷粒或雜余時(shí)的充滿系數(shù)，油菜籽取0.3

nl——螺旋葉片轉(zhuǎn)速，r/min

γ——谷?；螂s余單位容積質(zhì)量，1 060 kg/m3

C0——螺旋葉片傾斜輸送系數(shù)，取0.76

計(jì)算得：nl≥138 r/min。

2.3 離心振動(dòng)式篩分裝置

篩分是將混合物料通過(guò)一層或數(shù)層帶孔的篩面，使物料按寬度或厚度分成若干個(gè)粒度級(jí)別的過(guò)程[22]。離心振動(dòng)式篩分裝置主要工作部件為篩體和激振源，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3.1篩體

篩體主要由篩框、篩網(wǎng)、排草口組成。為避免物料堆積引起堵塞，使篩分效率降低，影響清選性能，篩網(wǎng)有效篩分面積S1需滿足

qsS1≥Qs(1-η1)

(4)

式中Qs——含雜油菜籽喂入量，kg/s

η1——含雜油菜籽中能透過(guò)圓形沖孔篩的成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得圓形沖孔篩為69.04%

qs——篩網(wǎng)單位面積可承擔(dān)含雜油菜籽質(zhì)量，kg/(s·m2)，查農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，qs為1.5～2.5 kg/(s·m2)，油菜籽粒較小，qs可取2.5 kg/(s·m2)

計(jì)算得：S1≥0.19 m2。

而篩網(wǎng)為圓形，因此可確定篩網(wǎng)半徑r0計(jì)算式

(5)

計(jì)算得：r0≥246 mm。

考慮到實(shí)際篩分作業(yè)時(shí)喂入量會(huì)有一定波動(dòng)，篩網(wǎng)半徑應(yīng)取較大值，取r0=300 mm。

2.3.2運(yùn)動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)化模型

離心振動(dòng)式篩分裝置可簡(jiǎn)化為圖6所示的力學(xué)模型，通過(guò)質(zhì)心O建立固定空間直角坐標(biāo)系，由于上下偏心塊的質(zhì)心與整個(gè)參振部分的質(zhì)心不重合，篩面上會(huì)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)激振主矢P(t)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)激振主矩M(t)。

(6)

M(t)=2m0ω2rLei(π-ωt-β)

(7)

其中

(8)

(9)

式中m0——上下偏心塊質(zhì)量，kg

ω——直流電機(jī)角速度，rad/s

r——上下偏心塊偏心距，mm

θ——上下偏心塊夾角，(°)

l0——上下偏心塊之間的垂直距離，mm

l1——上偏心塊與機(jī)體質(zhì)心的垂直距離，mm

β——力矩矢相對(duì)于力矢超前角，rad

將該裝置的運(yùn)動(dòng)微分方程表示為復(fù)數(shù)形式

(10)

(11)

其中

X=X+iYφ=φy+iφx

式中M——參振質(zhì)量

J——參振質(zhì)量對(duì)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

C——阻力系數(shù)

Cφ——阻力矩系數(shù)

K——彈簧水平剛度

Kφ——彈簧繞坐標(biāo)軸剛度

X——位移的復(fù)數(shù)形式

φ——角位移的復(fù)數(shù)形式

φx——繞x軸角位移

φy——繞y軸角位移

設(shè)穩(wěn)態(tài)解為

X=Aei(ωt-θ1)
φ=φei(ωt-β-θ2)

式中A——篩體隨質(zhì)心作圓平動(dòng)半徑，mm

φ——篩體繞質(zhì)心平面作圓錐面擺動(dòng)擺角，(°)

θ1——激振力對(duì)其位移的相位差角

θ2——激振力矩對(duì)其位移的相位差角

忽略阻尼影響可得

(12)

(13)

式中Z0、Z0φ——頻率比

ω0、ω0φ——固有頻率

考慮到θ1=θ2≈180°，則穩(wěn)態(tài)解為

X=-Aeiωt=-A(cos(ωt)+isin(ωt))

(14)

φ=-φei(ωt-β)=-φ(cos(ωt-β)+isin(ωt-β))

(15)

由式(14)可知，在旋轉(zhuǎn)激振主矢P(t)的作用下，篩體隨質(zhì)心作半徑為A的圓平動(dòng)；由式(15)可知，在旋轉(zhuǎn)激振主矩M(t)的作用下，篩體繞質(zhì)心平面作擺角為φ的圓錐面擺動(dòng)。

2.3.3離心過(guò)程分析

篩體的圓平動(dòng)是向第一、二層篩面上的含雜油菜籽施加離心力從而促進(jìn)雜余排出的主要因素，離心運(yùn)動(dòng)過(guò)程中籽粒透過(guò)篩孔，對(duì)清選效果影響最大的運(yùn)行參數(shù)為直流電機(jī)角速度ω。假設(shè)物料由入料口落至清選篩面后獲得與篩體同樣的回轉(zhuǎn)速度。將物料各成分的運(yùn)動(dòng)視為質(zhì)量為m1的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，并忽略各成分之間的相互作用，則物料所受作用力如圖7所示[23]。

由圖7可得

離心力

F=m1ω2r1

(16)

重力

G=m1g

(17)

篩面支撐力

N=G=m1g

(18)

摩擦力

f=μN(yùn)

(19)

式中r1——物料所在位置與篩網(wǎng)中心軸線距離，mm

g——重力加速度，取9.8 m/s2

μ——物料與金屬的摩擦因數(shù)，約為0.71[24]

由力學(xué)分析可知，為保證篩面上物料具有良好流動(dòng)性能，使物料中雜余順利從排草口排出的必要條件為

m1ω2r1≥μm1g

(20)

即直流電機(jī)最低角速度ωmin為

(21)

由式(21)可知，雜余順利排出所需最低轉(zhuǎn)速主要取決于物料所在位置與篩網(wǎng)中心軸線距離r1，當(dāng)r1取最小值時(shí)，中心位置的物料可穩(wěn)定向四周擴(kuò)散，此時(shí)，篩面上物料具有較好的流動(dòng)性能。假設(shè)含雜油菜籽由入料口進(jìn)入后垂直落在篩網(wǎng)上，r1最小值應(yīng)取油菜籽粒的半徑，即r1min=1 mm，代入式(21)求得ωmin=83.41 rad/s，即雜余順利排出直流電機(jī)所需最低轉(zhuǎn)速為796.55 r/min。

2.3.4振動(dòng)過(guò)程分析

含雜油菜籽中各組分由于密度不同，在受到振動(dòng)時(shí)各組分會(huì)自動(dòng)分級(jí)，而含雜油菜籽中油菜籽粒比重較大，且其呈球狀，受到振動(dòng)易于接觸篩面并透過(guò)篩網(wǎng)，因此含雜油菜籽在篩面上的振動(dòng)對(duì)提升篩分效率具有重要意義，而含雜油菜籽在篩面上的振動(dòng)要求篩體運(yùn)動(dòng)時(shí)能給含雜油菜籽一個(gè)向上的拋擲力。

篩體繞質(zhì)心平面作擺角為φ的圓錐面擺動(dòng)時(shí)，篩面上與質(zhì)心O距離為r2處含雜油菜籽的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示?？梢钥闯龊s油菜籽的運(yùn)動(dòng)軌跡是半徑為l2sinφ的圓柱體被某斜面所截的空間橢圓交截線，進(jìn)一步可以分解成水平面內(nèi)半徑為l2sinφ的平動(dòng)和垂直方向上振幅為r2sinφ的直線振動(dòng)。因此，含雜油菜籽在垂直方向上的位移表達(dá)式為

Z=AZcos(ωt-β)

(22)

其中

AZ=r2sinφ

式中AZ——垂直振幅，mm

(23)

由式(23)得

(24)

2.4 風(fēng)選裝置設(shè)計(jì)與分析

含雜油菜籽經(jīng)篩分裝置篩分去除大雜余后，剩下的油菜籽粒和穎殼等細(xì)小輕雜余經(jīng)排草口落入側(cè)向風(fēng)選裝置，由側(cè)向風(fēng)選裝置完成進(jìn)一步清選。側(cè)向風(fēng)選裝置主要由離心風(fēng)機(jī)、清選罩殼、入料口等組成，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

2.4.1最小風(fēng)量

清選罩殼是風(fēng)選裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，清選罩殼內(nèi)氣流場(chǎng)分布直接影響風(fēng)選裝置清選性能。由文獻(xiàn)[9]可知，風(fēng)選裝置所需最小風(fēng)量與雜余含量有關(guān)，計(jì)算式為

V0=β1Qs/(μ1ρ)

(25)

式中V0——清選罩殼所需最小風(fēng)量，m3/s

β1——穎殼等輕雜余占含雜油菜籽的比率，試驗(yàn)取0.8%

μ1——攜帶雜質(zhì)氣流混合濃度比，為0.2～0.3，取0.3

ρ——空氣密度，取1.2 kg/m3

計(jì)算得風(fēng)選裝置所需最小風(fēng)量V0=0.03 m3/s。

為保證含雜油菜籽中輕雜余能夠從風(fēng)選裝置出口排出，清選罩殼內(nèi)最小風(fēng)速不能低于輕雜余懸浮速度。含雜油菜籽懸浮速度測(cè)定表明: 籽粒懸浮速度為7.4～9.4 m/s，短莖稈為6.3～11.2 m/s，莢殼為2.4～3.2 m/s，輕雜余為1.1～3.2 m/s[25]。

設(shè)計(jì)清選罩殼出風(fēng)口截面積為Sa=0.36×0.2=0.072 m2，此時(shí)，清選罩殼內(nèi)應(yīng)有風(fēng)量V1為

V1=Savq

(26)

式中vq——含雜油菜籽中輕雜余懸浮速度，取3.2 m/s

計(jì)算得V1=0.23 m3/s>V0，滿足風(fēng)選要求。

2.4.2氣流場(chǎng)分析

進(jìn)入氣流場(chǎng)的物料為油菜籽粒和輕雜余混合物，由文獻(xiàn)[25]對(duì)含雜油菜籽各組分懸浮速度測(cè)定結(jié)果可知：當(dāng)風(fēng)選裝置出口截面上的風(fēng)速為3～7 m/s時(shí)，能達(dá)到較好的清選效果。為進(jìn)一步確定離心風(fēng)機(jī)出口截面上的風(fēng)速范圍，基于CFD(Computational fluid dynamics)對(duì)風(fēng)選裝置內(nèi)部流體的流場(chǎng)特性進(jìn)行研究。

基于清選罩殼幾何模型結(jié)合布爾運(yùn)算[26]對(duì)其內(nèi)部流體域進(jìn)行提取，利用mesh軟件對(duì)提取后的流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖10所示。設(shè)置風(fēng)機(jī)出口為流場(chǎng)的風(fēng)速入口，空氣以恒定速度流入流體域，將流體域網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置。將流體介質(zhì)設(shè)置為空氣，進(jìn)氣口處氣體流速范圍為3～7 m/s，出口處壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，湍流模型選擇Standardk-ε模型。

設(shè)置進(jìn)氣口處氣體流速范圍為3～7 m/s，迭代1 500次，F(xiàn)luent軟件計(jì)算完成后，利用CFD-Post軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理。圖11所示為清選罩殼中心垂直面上的速度分布云圖以及速度矢量圖。

由圖11可以看出，出口風(fēng)速在3～7 m/s范圍內(nèi)時(shí)，入口風(fēng)速與出口風(fēng)速基本相等，風(fēng)速衰減較弱，由此可以確定為實(shí)現(xiàn)較好的風(fēng)選效果，應(yīng)設(shè)定離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速范圍為3～7 m/s。

3 清選性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)油菜品種為華油雜62，種植方式為機(jī)直播，人工收獲后運(yùn)送至試驗(yàn)場(chǎng)地，以喂入量3～4 kg/s均勻連續(xù)喂送至東禾4LYZ-4.0型油菜聯(lián)合收獲機(jī)完成脫粒清選，收集糧箱內(nèi)的含雜油菜籽，主要包括籽粒、莢殼、短莖稈及輕雜余4種成分。試驗(yàn)測(cè)得：含雜油菜籽中籽粒比例約為94.10%，籽粒千粒質(zhì)量為4.7 g，莢殼比例約為2.24%，短莖稈比例約為2.88%，輕雜余比例約為0.77%。將含雜油菜籽中各組分按比例配制，混合均勻后倒入螺旋輸送裝置料斗內(nèi)，調(diào)節(jié)螺旋葉片提升轉(zhuǎn)速為140 r/min，均勻連續(xù)喂送含雜油菜籽至離心振動(dòng)式篩分裝置內(nèi)，再經(jīng)側(cè)向風(fēng)選裝置完成清選，最后收集各排草口物料。試驗(yàn)臺(tái)架如圖12所示。

由于試驗(yàn)材料為人工收割后在大棚晾曬的掛藏油菜，為模擬實(shí)際作業(yè)情況，對(duì)含雜油菜籽做復(fù)水處理，調(diào)節(jié)含水率至15%～20%[27]。試驗(yàn)主要設(shè)備有：SW6236C型高精度轉(zhuǎn)速儀、電子天平(精度為0.1 g)、高精度手提電子秤、直流電機(jī)調(diào)速器、NES-350-24型開(kāi)關(guān)電源、水分測(cè)定儀等。

3.2 試驗(yàn)因素及指標(biāo)

為使油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復(fù)清機(jī)具備較好的清選性能，應(yīng)滿足含雜油菜籽在篩面上有合適的拋擲指數(shù)和拋擲次數(shù)以及離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口有合適的風(fēng)速。由式(24)可知，直流電機(jī)角速度一定時(shí)，拋擲指數(shù)與垂直振幅有關(guān)，而垂直振幅主要由激振力決定，激振力又與偏心塊夾角有關(guān)；拋擲次數(shù)指單位時(shí)間物料被拋起次數(shù)，可用振動(dòng)頻率表征，振動(dòng)頻率與偏心塊轉(zhuǎn)速有關(guān)。因此，確定試驗(yàn)以振動(dòng)頻率、垂直振幅及離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為影響因素，以復(fù)清機(jī)籽粒含雜率與篩分效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。含雜率與篩分效率計(jì)算公式為

(27)

(28)

式中YZ——含雜率，%

YS——篩分效率，%

m2——側(cè)向風(fēng)選裝置出糧口物料總質(zhì)量，kg

m3——第1層排草口籽粒質(zhì)量，kg

m4——第2層排草口籽粒質(zhì)量，kg

m5——側(cè)向風(fēng)選裝置排草口籽粒質(zhì)量，kg

m6——側(cè)向風(fēng)選裝置出糧口油菜籽粒質(zhì)量，kg

3.3 試驗(yàn)與分析

3.3.1振動(dòng)檢測(cè)

為確定油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復(fù)清機(jī)工作時(shí)，不同的偏心塊轉(zhuǎn)速和偏心塊夾角對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率及垂直振幅，利用iSV2101型測(cè)振儀對(duì)篩體的振動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)。如圖13所示，在篩體上均勻布置4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別測(cè)量偏心塊夾角為60°，偏心塊轉(zhuǎn)速在800～1 400 r/min范圍內(nèi)時(shí)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率，以及偏心塊轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，偏心塊夾角在0°～180°范圍內(nèi)時(shí)對(duì)應(yīng)的垂直振幅，測(cè)量結(jié)果取平均值，測(cè)量結(jié)果如表2、3所示。

表2 偏心塊轉(zhuǎn)速與振動(dòng)頻率對(duì)照Tab.2 Comparison of rotation speed of eccentric block and vibration frequency

表3 偏心塊夾角與垂直振幅對(duì)照Tab.3 Comparison of angle of eccentric block and vertical amplitude

3.3.2單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.2.1離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速

設(shè)置振動(dòng)頻率為14.61 Hz，垂直振幅3.64 mm，離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速在3～9 m/s間選取7個(gè)水平，每個(gè)水平下重復(fù)3次試驗(yàn)(下同)。離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速與轉(zhuǎn)速之間對(duì)照如表4所示。

表4 離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速與轉(zhuǎn)速對(duì)照Tab.4 Comparison of air velocity and fan speed

圖14為離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速與清選性能關(guān)系曲線。由圖可知：含雜率隨離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速的增加逐漸降低，而篩分效率隨離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速的增加變化幅度不大，基本穩(wěn)定在98.35%左右，原因在于隨著離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速的增大，清選罩殼內(nèi)的氣流速度增加，雜余所受氣流的作用力逐漸增大，致使雜余被吹出的質(zhì)量增加，因此風(fēng)選裝置出糧口所得籽粒含雜率降低；而篩分效率主要由篩分裝置的振動(dòng)頻率和垂直振幅決定，與離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速關(guān)聯(lián)不大，因此篩分效率基本穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。當(dāng)出風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到7 m/s或更大時(shí)，含雜率基本保持穩(wěn)定，且考慮到油菜籽粒懸浮速度因素，因此出風(fēng)口風(fēng)速不宜超過(guò)7 m/s。綜合考慮籽粒含雜率與篩分效率要求，離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速在5～7 m/s范圍內(nèi)時(shí)，清選性能較好。

3.3.2.2振動(dòng)頻率

設(shè)置垂直振幅為3.64 mm，離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為6 m/s，振動(dòng)頻率在9.99～17.63 Hz間選取7個(gè)水平。振動(dòng)頻率可通過(guò)偏心塊轉(zhuǎn)速的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

圖15為振動(dòng)頻率與清選性能關(guān)系曲線。由圖可知：含雜率隨著振動(dòng)頻率的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，原因在于振動(dòng)頻率為9.99 Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)偏心塊轉(zhuǎn)速較低，篩分裝置篩網(wǎng)上物料所受的離心力較小，導(dǎo)致物料流動(dòng)到篩分裝置第1、2層篩體排草口時(shí)間較長(zhǎng)，期間隨著裝置運(yùn)行，混合物料中較多雜余進(jìn)入到風(fēng)選裝置，風(fēng)選裝置負(fù)荷增加，使得含雜率較大，而后隨著振動(dòng)頻率增加，物料所受的離心力變大，含雜率逐漸降低；當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到12.08 Hz時(shí)，物料所受的離心力已能保證物料較快流動(dòng)到篩分裝置各層篩體排草口，而隨著振動(dòng)頻率繼續(xù)增大，物料在篩網(wǎng)上的拋擲次數(shù)逐漸增加，雜余透過(guò)篩網(wǎng)的概率增加，含雜率又逐漸增大。而篩分效率整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，原因在于隨著振動(dòng)頻率增加，篩網(wǎng)上油菜籽粒所受的離心力逐漸增大，使得各層篩體排草口排出物料中籽粒質(zhì)量逐漸增加，篩分效率降低。綜合考慮籽粒含雜率與篩分效率要求，當(dāng)振動(dòng)頻率在12.08～14.61 Hz范圍內(nèi)時(shí)，清選性能較好。

3.3.2.3垂直振幅

設(shè)置離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為6 m/s，振動(dòng)頻率為14.61 Hz，垂直振幅在3.43～3.71 mm間選取7個(gè)水平。垂直振幅可通過(guò)偏心塊夾角的改變實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

圖16為垂直振幅與清選性能關(guān)系曲線。由圖可知：含雜率隨著垂直振幅增加而逐漸增大，原因在于隨著垂直振幅增加，篩面上物料所受的激振力逐漸增大，使得進(jìn)入風(fēng)選裝置中的雜余質(zhì)量逐漸增加，含雜率增大；而篩分效率隨著垂直振幅增加而降低，原因在于隨著激振力的增加，篩網(wǎng)上油菜籽粒所受力逐漸增大，使得各排草口排出物料中籽粒質(zhì)量逐漸增加，篩分效率降低。由于激振力較小時(shí)，各層篩體排草口排出物質(zhì)總質(zhì)量也較小，不利于雜余排出，綜合考慮籽粒含雜率與篩分效率要求，當(dāng)垂直振幅在3.59～3.64 mm范圍內(nèi)時(shí)，清選性能較好。

3.3.3正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇合適的因素水平，分析確定影響清選因素的主次順序以及合理的工作參數(shù)組合。選擇正交表L9(34)安排正交試驗(yàn)，因素水平如表5所示，清選試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，A、B、C為因素水平值。

表5 試驗(yàn)因素水平Tab.5 Factors and levels of experiment

由表6可知，影響含雜率因素主次為：離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速(C)、振動(dòng)頻率(A)、垂直振幅(B)，較優(yōu)參數(shù)組合為A3B2C3；影響篩分效率因素主次為：振動(dòng)頻率(A)、垂直振幅(B)、離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速(C)，較優(yōu)參數(shù)組合為A3B3C1。表7表明，離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速對(duì)含雜率影響極顯著，振動(dòng)頻率、垂直振幅對(duì)含雜率影響顯著；振動(dòng)頻率、垂直振幅對(duì)篩分效率影響顯著，離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速對(duì)篩分效率影響不顯著。由此可以確定為達(dá)到較優(yōu)清選效果，垂直振幅(B)應(yīng)取第2水平值；離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速(C)對(duì)含雜率影響極顯著，對(duì)篩分效率影響不顯著，因此選取第3水平值；振動(dòng)頻率(A)對(duì)含雜率、篩分效率影響都顯著，為使二者都達(dá)到較優(yōu)效果，選取第3水平值。由此確定較優(yōu)參數(shù)組合方案為A3B2C3，即振動(dòng)頻率為14.61 Hz、垂直振幅為3.61 mm、離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為7 m/s。在該組合條件下進(jìn)行試驗(yàn)，重復(fù)5次取平均值，試驗(yàn)結(jié)果：籽粒含雜率平均值為0.53%，篩分效率平均值為98.39%，符合油菜籽粒后續(xù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)(含雜率小于3%)。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析Tab.6 Results of orthogonal test and range analysis

表7 方差分析Tab.7 Variance analysis result

油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復(fù)清機(jī)作業(yè)時(shí)整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，物料流動(dòng)順暢未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，試驗(yàn)表明油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復(fù)清機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)含雜油菜籽的分離、清選功能。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復(fù)清機(jī)，確定了含雜油菜籽復(fù)清機(jī)的結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)，此裝備可在滿足油菜籽粒存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上有效降低人工作業(yè)強(qiáng)度。

(2)通過(guò)分析振動(dòng)頻率、垂直振幅、離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速對(duì)清選性能影響的單因素試驗(yàn)，得到清選性能較好的情況下各因素的合理變化范圍：振動(dòng)頻率為12.08～14.61 Hz、垂直振幅為3.59～3.64 mm、離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為5～7 m/s。

(3)采用三因素三水平正交試驗(yàn)，確定了影響籽粒含雜率的因素由大到小為離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速、振動(dòng)頻率、垂直振幅，影響篩分效率的因素由大到小為振動(dòng)頻率、垂直振幅、離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速；確定了較優(yōu)參數(shù)組合：振動(dòng)頻率為14.61 Hz、垂直振幅為3.61 mm、離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為7 m/s，在此參數(shù)組合下，油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復(fù)清機(jī)籽粒含雜率平均值為0.53%，篩分效率平均值為98.39%，符合油菜籽粒后續(xù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)(含雜率小于3%)。