燕麥脫粒機清選裝置設計與試驗

裴二鵬，程 飛，王 顯，楊旭輝，王嘉偉，鄭德聰

（山西農業大學 農業工程學院，山西 太谷 030801）

燕麥脫粒清選裝置是收獲機械的關鍵環節，長期以來，燕麥機械化收獲都是借用現有的稻麥脫粒裝置，不同于小麥，燕麥穎殼寬大，外稃堅硬被有茸毛，穎果的腹面有縱溝，外稃內稃和外稃緊抱籽粒，不容易分離，使用現有機具工作性能差，作業質量不理想。目前關于燕麥收獲及其脫粒清選機械的研究較少[1]。中國農業大學樊晨龍等[2]研制的縱軸流聯合收獲機雙層異向清選裝置采用蝸型雙風道、雙層篩板獨立振動的方式實現籽粒與脫出物的分離清選，擴大清選面積，提高清選能力，可滿足生產量較大時的籽粒清選要求。但該機型結構復雜，體積龐大，不利于后期移植到聯合收獲機上。山東理工大學的金誠謙等[3]針對小麥雙出風口多風道離心風機清選裝置主要參數進行優化，尋找各因素對收獲清選質量的影響。江蘇大學李青林等[4]構建了一套稻麥聯合收獲機清選裝置智能設計與優化系統。利用模塊化系統方法，可以實現清選裝置的智能設計與優化。現有的谷物聯合收獲機吹風式風機加振動篩的分離清選裝置進行燕麥脫出物的清選工作，存在震動大、噪聲嚴重、工作揚塵和飛絮嚴重等問題[5]。

基于目前燕麥聯合收獲中清選工作的迫切需求，一種低污染、低功耗且適用于燕麥植株的高效清選裝置必不可少。為此結合現有機型，利用農業機械設計理論和機構學原理對傳統風篩清選系統深入研究，并結合計算機軟件仿真模擬，設計了一種與伸縮桿齒—紋桿混合式脫離裝置配套的氣吸式篩分清選裝置。

1 清選裝置結構設計

1.1 組成結構與工作原理

燕麥脫粒機清選裝置結構如圖1所示，主要由機架1、支撐桿2、篩箱3、驅動連桿4、曲柄5、氣吸式離心風機6、雜余斗7、編織篩8、排料斗9、電機10等組成。

工作時，電機10及其傳動系統帶動曲柄5轉動，通過連桿4驅動篩箱3做往復運動，落入篩箱3內的燕麥脫出物，在往復振動作用下不斷向排料斗9方向輸送。當物料到達氣吸式離心風機6進風口處時，脫出物中的短莖稈和穎殼被吸入風機經出風口排出，其余脫出物繼續運動到編織篩8上。籽粒經過篩面落入排料斗9，其余短莖稈等脫出物繼續向后輸送落入雜余斗7中排出機外，完成脫出物的分離和清選。

1.2 振動式分離篩設計

振動式分離篩結構如圖2所示，主要由落料篩板1、細篩網2、粗篩網3、雜余斗4、排料斗5等組成。

落料篩板尺寸根據脫粒機整體尺寸確定，落料篩板設計尺寸為長1 033.5 mm、寬520 mm。細篩網為網眼尺寸0.425 mm×0.425 mm的編織篩，布置在落料篩板后端。粗篩網為網眼尺寸4 mm×4 mm的編織篩，寬度為520 mm。篩網的最小有效長度（Lmin）參考《LS/T 3519—1988 糧食初清篩試驗方法》[6]。

式中，Q為單位時間處理量（kg/s），設計喂入量為Q1=0.8 kg/s，故單位時間最大處理量Q=0.8 kg/s；q為振動篩篩網單位篩長處理量（kg/（mm·s）），參考《LS/T 3519—1988 糧食初清篩試驗方法》可得，小麥的振動篩篩網單位篩長處理量q=0.006 94 kg/（mm·s）[6]。

計算得篩網的最小有效長度L min=115 mm。篩網長度越長分離效果越好，同時考慮機體尺寸緊湊性。篩網設計長度L=2.5×L min=287.5 mm。

排料斗布置在振動篩正下方，其結構如圖3所示，燕麥籽粒自然休止角為31.42°，與Q235鋼摩擦角為25.1°，設計排料斗背板傾斜角度為40°[7]，以保證出料順暢，降低殘留率。同理，雜余斗位于振動篩后方，未脫籽粒和短莖稈經由雜余斗排出機外。

1.3 氣吸式風機設計

1.3.1 吸風口斷面參數設計 氣吸式離心風機結構如圖4所示，考慮吸風口斷面與細篩網寬度配合，寬度尺寸為b1=500 mm。吸風口長度受支撐桿運動擺動角度限制。振動幅度l設計如公式（2）。

式中，R為支撐桿長度（m），R=0.181 m；θ為支撐桿擺動角度范圍，受機架結構限制，θ=18°。計算得振動幅度長度l=0.054 3 m。考慮吸風口長度應大于振動篩幅度，l1=1.1×l=0.06 m。

1.3.2 風機風量（V）和壓力（P）計算

式中，V為風機風量（m3/s）；S0為最小進風口面 積（m2），S0=b1×l1=0.03 m2；v1為 吸 風 口 風 速（m/s），燕麥脫出物籽粒、碎莖稈、穎殼的懸浮速度分 別 為4.67～9.76、2.18～5.28、0.31～3.56 m/s[8]。在保證清潔度的前提下，為減少風機損失，獲得飽滿籽粒，選擇吸風口風速v1=5.76 m/s。計算得風機風量V=0.172 m3/s。

式中，P為風機壓力（k Pa）；ρ為空氣密度（kg/m3），ρ=1.29 kg/m3。計 算 得 風 機 壓 力P=21.4k Pa。

1.3.3 葉輪外徑計算

式中，D2為葉輪外徑（m），P=21.4 kPa；n為風機 轉 速（r/min），n=1 200 r/min；W為 風 機 功 率（kW），參考現有清選風機，選擇風機功率W=2 kW。計算得葉輪外徑D2=0.298 3 m，取整葉輪外徑D2=0.3 m。

1.3.4 蝸殼外形尺寸設計 氣吸式風機采用離心式蝸殼結構，如圖5所示，圖中正方形的邊長為A/4，R1、R2、R3、R4是正方形的4個頂角為圓心畫出的圓弧半徑[9]。

式中，D2=0.3 m；A為葉輪外徑與蝸殼底部距離（m）,A=0.088 m。計算可以得出：R1=0.161 m；R2=0.183 m；R3=0.205 m；R4=0.227 m。

式中，D1為機葉輪內徑（m）；D2=0.3 m。計算系數取0.6，求得D1=0.18 m。

氣吸式離心風機的基本參數如表1所示。

表1 氣吸式離心風機的基本參數Tab.1 Basic parameter for air-suction centrifugal fan

2 振動篩驅動機構計算機仿真

2.1 數學模型

振動篩通過平行布置的支撐桿AD和BC安裝在機架上構成平行四桿機構，曲柄OE繞O點轉動輸入動力，連桿EF分別與曲柄和篩板體鉸接，并將曲柄動力傳遞到篩體。構成曲柄連桿如圖6所示，G點為篩面上的任意點，由于平行四桿機構的特性，該點與篩面上其他點運動軌跡相同，具有代表性[10]。

振動篩驅動機構矢量如圖7所示，以曲柄回轉中心O點為坐標原點，出料方向為x軸正方向，建立右手系直角坐標系。

建立閉環矢量方程，如公式（11）、（12）。

將公式（11）分解到直角坐標系中，整理得到四桿機構位移方程和公式（13）。解方程可得θ3和θ6。

對公式（13）求一階導，得到四桿機構矩陣形式速度方程如公式（14）。解方程可得w3和w6。

對公式（14）求導可得四桿機構矩陣形式加速度方程如公式（15）。解方程可得α3和α6。

由于r6與r 9平行，可知θ6=θ9，w 6=w 9，α6=α9。振動篩上任意一點G的矩陣形式位移方程如公式（16）。

對公式（16）進行一次求導可得到G點矩陣形式速度方程，如公式（17）。

對公式（17）求導可得G點矩陣形式加速度方程，如公式（18）。

2.2 Simulink仿真模型

應用2.1的數學模型編制程序，利用Simulink模塊建立仿真模型[11]，如圖8所示。

2.3 仿真結果及分析

振動篩仿真初始參數如表2所示。

表2 振動篩機構參數Tab.2 Parameters of vibrating screen mechanism

從圖9可以看出，運動軌跡為一段曲率極小的圓弧，可視為在做傾斜向上的拋擲運動；振動篩運動過程中水平方向的位移變化量約為60 mm，豎直方向的位移變化量約為23 mm，變化周期為0.2 s。

由圖10、11可知，水平速度在-0.8～0.7 m/s范圍周期變化，豎直速度在-0.37～0.34 m/s范圍周期變化。

從圖12、13可以看出，水平加速度在-22.47～25.10 m/s2范圍周期變化，豎直加速度在-7.50～15.76 m/s2范圍周期變化。

根據仿真結果，在0.185 s，G點坐標（-330.76，75.66），豎直速度達到最大值0.34 m/s，物料在篩面被拋起，離開篩面做斜拋運動。運動軌跡如圖14所示，0.036 9 s后落回篩面，此時G點坐標（-304.94，87.24），物料絕對坐標（-293，87.24），豎直最大拋送高度為29.31 mm，水平方向向后位移11 mm，輸送速度為0.298 1 m/s。結果表明，物料在篩板上跳動著向出料口方向移動，能夠達到輸送物料和篩分籽粒的要求。

3 清選裝置性能試驗

3.1 試驗方法

3.1.1 試驗裝置與設備 2021年8月在山西省晉中市太谷區山西農業大學進行了5TG-1.0型燕麥脫粒機（圖15）性能試驗。

試驗相關器材包括SW6016型風速計，型轉速表，工具箱，簸箕，篩子，自封袋，標簽，記號筆等。

試驗燕麥品種為北燕1號，燕麥秸稈含水率為14.7%，籽粒含水率為13.5%，千粒質量為21.04 g。

3.1.2 性能參數測試方法 參照《GB/T 8097—2008 聯合收割機試驗方法》標準[12]，選取與清選系統相關性較大的吸風風機風口風速，篩板振動篩頻率為試驗變量。選擇含雜率、風機損失、篩板損失3個響應作為評價指標。

3.1.2.1 含雜率 每組試驗結束，出料口排出籽粒用簸箕收集，稱質量。人工用簸箕清選籽粒后再次稱質量，后一次質量占脫出第一次收集質量百分比為含雜率。

式中，Zy為含雜率（%）；m1為排料口排除籽粒質量（g）；m2為人工清選后籽粒質量（g）。

3.1.2.2 風機損失 風機出口中籽粒的質量占籽粒總質量的百分比為風機損失。式中，Sf為風機損失（%）；m3為風機出口損失籽粒質量（g）；m4為篩板末端損失籽粒質量（g）。

3.1.2.3 篩板損失 篩板出口中籽粒的質量占籽粒總質量的百分比為篩板損失。

式中，Ss為篩板損失（%）。

因目前國內關于燕麥收獲相關研究較少，參考中華人民共和國農業行業標準《NY/T 995—2006 谷物（小麥）聯合收獲機械作業質量》[13]，本試驗3個響應評價標準如表3所示。

表3 清選性能評價標準Tab.3 Evaluation criteria of cleaning performance

3.2 風機風速單因素試驗

在脫粒滾筒轉速361.26 r/min，脫粒間隙11.923 mm，清選篩為網眼尺寸4 mm×4 mm編織篩，振動篩頻率為4.16 Hz的條件下，風機風速在0.5～2.5 m/s范圍內調整，獲取含雜率、風機損失和篩板損失的變化情況如圖16所示。

由圖16可知，含雜率隨著風機風速增大而減小，風機損失隨風機風速增加而增加，篩板損失隨風機風速增加變化不大。含雜率在風速1.0 m/s后低于5%，達到預定要求；風機損失在0.5～1.0 m/s內低于5%，達到預期；篩板損失在2 m/s以下整體符合要求。綜合考慮，風機風速在0.5～1.0 m/s時，符合清選要求。利用GLM法回歸[14]，得到含雜率(Y1)、風機損失(Y2)、篩板損失（Y3)和風機風速（x）之間函數關系分別為：Y1=0.047 7-0.016 46x（P＜0.05，R2=0.816 3），Y2=-0.025 01+0.056 06x（P＜0.01，R2=0.985 7），Y3=-0.013 62+0.077 2x-0.052 5x2（P＜0.05，R2=0.999 0）。

3.3 振動篩頻率單因素試驗

本試驗在脫粒滾筒轉速361.26 r/min，脫粒間隙11.923 mm，清選篩為網眼尺寸4 mm×4 mm編織篩，風機吸風口風速1 m/s的條件下，振動篩頻率在3.08～5.83 Hz范圍內調整，獲取含雜率、風機損失和篩板損失的變化情況，結果如圖17所示。

由圖17可知，含雜率隨著振動篩頻率增加而減小，風機損失隨振動篩頻率增加而減小，篩板損失隨振動篩頻率增大而增大。含雜率在振動篩頻率達到13.5 Hz后低于5%，達到預期；風機損失整體低于5%，隨振動篩頻率增大而下降；篩板損失受影響最大，3.08～4.16 Hz內符合要求，4.16 Hz后損失急劇增大。綜合考慮，振動篩頻率在3.08～4.16 Hz內符合清選性能要求。利用GLM法回歸，得到含雜率(Y4)、風機損失（Y5）、篩板損失（Y6）和振動頻率（x）之間函數關系分別為：Y4=0.380 5－0.002 23x+0.000 03x2（P＜0.05，R2=0.951 2），Y5=0.064 6+0.000 101x（P＜0.05，R2=0.951 6），Y6=-0.206 4+0.001 045x（P＜0.05，R2=0.918 4）。

3.4 正交試驗

本試驗通過Design-Expert 8.0軟件設計，所有試驗因素采用-1（低）、0（中）、1（高）3個水平表示[15]，試驗結果如表4所示。

表4 試驗設計及結果Tab.4 Experimental design and results

由表5可知，風機風速（A）的P值＜0.001，對回歸模型影響極顯著，振動篩頻率（B）的P值＜0.001，對回歸模型影響極顯著，互作效應AB的P值＜0.001，說明風機風速和振動篩頻率對含雜率影響較大，互作效應極顯著。

表5 含雜率方差分析Tab.5 Analysis of variance of impurity r ate

從表6可以看出，風機風速（A）的P值＜0.001，對回歸模型影響極顯著，振動篩頻率（B）的P值＞0.05，對回歸模型影響不顯著，互作效應AB的P值＜0.001，說明風機風速對風機損失影響最大，振動篩頻率不顯著，二者的互作效應極顯著。

表6 風機損失方差分析Tab.6 Analysis of variance of fan loss

由表7可知，風機風速（A）的P值＜0.001，對回歸模型影響極顯著，振動篩頻率（B）的P值＜0.001，對回歸模型影響極顯著，互作效應AB的P值＜0.05，說明互作效應AB顯著，且振動篩頻率對篩板損失影響最大，同時受到風機風速的影響。

表7 篩板損失方差分析Tab.7 Analysis of variance of screen loss

對影響清選性能的風機風速（A）、振動篩頻率（B）2個試驗因素的交互作用進行3D響應曲面分析。從圖18可以看出，風機風速逐漸變大時，含雜率隨振動篩頻率增大而減小。

從圖19可以看出，當風機風速為0.5～1.0 m/s時，風機損失隨振動篩頻率增大而增大，當風機風速為1.0～1.5 m/s時，風機損失隨振動篩頻率增大而減小，交互作用明顯。從圖20可以看出，振動篩頻率對篩板損失影響較大，風機風速影響不大，交互作用顯著。

3.5 參數優化與驗證試驗

為得到最佳的試驗臺作業性能，利用Design-Expert 8.0軟件分析試驗結果，設定含雜率低于5%，風機損失低于5%，篩板損失低于5%。求解回歸模型得到最優參數為：風機風速1.14 m/s，振動篩頻率4.16 Hz，對應預測結果含雜率為4.651%，風機損失為1.685%，篩板損失為2.785%。

進行驗證試驗，試驗結果及預測對比如表8所示，誤差率不超過2%，表明預測模型可靠，試驗最優解有效[16]，可用于后期機器田間試驗。

表8 最優參數情況的試驗結果與仿真對比Tab.8 Comparison of experimental results and simulations for optimal par ameter conditions

4 結論與討論

根據燕麥脫出物分離要求，完成了氣吸式篩分清選裝置的結構設計和計算，完成了Simulink仿真模擬篩板運動規律，并對物料在篩板上的運動進行分析，結果表明，物料在篩板上做連續斜拋運動，最大拋送高度為29.31 mm，水平方向位移為11 mm，輸送速度為0.298 1 m/s，可以持續輸送和篩分物料。

單因素試驗結果表明，含雜率隨風機風速和振動篩頻率增大而減小；清選損失隨風機風速和振動篩頻率增大而增大。在風機風速0.5～1.0 m/s，振動篩頻率在3.08～4.16 Hz時，含雜率低于5%，風機損失和篩板損失均低于5%，達到預定要求。

利用Design-Expert 8.0軟件設計響應面正交試驗，通過響應曲面分析可知，風機風速和振動篩頻率的交互效應對含雜率和風機損失影響較顯著，對篩板損失不顯著。同時獲得了最優參數組合：風機風速1.14 m/s，振動篩頻率4.16 Hz時，預測含雜率為4.651%，風機損失為1.865%，篩板損失為2.785%，清選裝置清選性能最佳。驗證試驗結果表明，含雜率4.576%，風機損失1.707%，篩板損失2.700%，誤差低于2%，模型可用。參數組合符合性能指標要求，可用于后期田間試驗。

結合田間試驗結果，雖然該清選裝置可快速高效地篩分出脫粒物料中的籽粒與雜質，清選性能達到相關國家標準。但對比現有機型還存在一定不足，如相較于朱現學等[17]分析了不同谷物聯合收獲機清選風道的特點，并進行了驗證試驗，效果優良；劉師多等[18]的微型小麥聯合收獲機旋風分離清選系統，提出了新的清選思路。本研究對于清選系統氣流系統研究不足，僅僅是對于風篩系統的疊加，后續改進空間還很大。同時本機智能化水平較低，對比蔣慶等[19]研究的稻麥聯合收獲機清選智能調控模型和周賢龍等[20]的基于傳感器技術的谷物聯合收獲機清選損失監測系統，差距明顯。因此，后續的工作開展要致力于理論化模型和智能系統共重。