油莎豆收獲機風篩選式清選機構的設計與試驗

賈洪雷,馬中洋,王 剛,黃東巖,顧炳龍,譚賀文

(吉林大學 a.生物與農業工程學院;b.工程仿生教育部重點實驗室,長春 130022)

0 引言

油莎豆是一種高產、優質、綜合利用價值很高的糧、油、牧、飼、肥多用型新興經濟作物[1-2]。近年來,隨著我國油莎豆產業的發展,迫切需要高質量的油莎豆收獲設備[3]。清選機構作為油莎豆收獲設備中的核心組成部分,結構復雜,研制難度大,其性能對油莎豆收獲機整機的作業效果也起著決定性作用。邵陽市農機研究所[4]研制的小型多功能收獲機,以振動篩為清選機構,運用模塊化設計理念,通過調整振動模塊和更換篩選模塊,解決了在粘土中收獲油莎豆時土、果難以分離的難題。吉林省農業機械研究院[5]設計的油莎豆收獲機,以往復運動的振動篩作為清選裝置,對油莎豆作物進行清選,可一次完成油莎豆的脫粒、篩選和風選的全部過程。

為提高清選機構的清選性能,國內外相關領域專家和學者對不同作物收獲的清選機構和清選機理也進行了大量研究。王立軍等[6-8]對玉米收獲機振動篩的材料屬性、結構形式和工作參數等進行了系統的研究,設計了分段式振動篩、雙層不平行振動篩、貫流風階梯式振動篩等,提高了振動篩的篩分效率。周學建等[9]以水稻為清選對象,探究了清選裝置吸雜口偏移位置參數對清選性能的影響規律。高連興等[10]根據花生清選物料各成分漂浮速度的差異,設計了一種雙吸風口振動式花生莢果清選裝置,有效降低了花生摘果清選損失率和含雜率。李洪昌等[11]利用CFD-DEM耦合的方法,對風篩式清選裝置振動篩上的物料運動數值進行了模擬。唐忠等[12]利用繪制等速線的方法,對水稻清選裝置清選室內的渦流進行了研究,發現渦心位置變化對清選清潔率和損失率有較大影響。張敏等[13]通過Plackett-Burman試驗和響應面回歸試驗,探究了風篩選式油菜清選機構的振動篩振幅、曲柄轉速、風機轉速和風機傾角對清選損失率和籽粒含雜率的影響,并確定了最終的最優參數組合。李耀明等[14]通過對小麥脫?；旌衔镞M行仿真分析與臺架試驗,設計了一種三維并聯振動篩,為提高振動篩的篩分性能提供了新的解決途徑。

綜上所述,國內外研究的清選機構大多是針對玉米、花生、水稻等作物的,而專門針對油莎豆作物的清選機構卻少見報道,且油莎豆塊莖外形不規則,易被土壤包裹,清選時其運動規律與玉米、花生、水稻等也有較大差異。現階段,因油莎豆收獲機清選技術的落后一直制約著油莎豆產業的發展,如何降低油莎豆收獲機清選作業時的清選損失率和莢果含雜率,已成為高質量油莎豆收獲設備研制時亟需重點攻克的技術難題。為此,設計了一種風篩選式清選機構,對油莎豆收獲機脫出物料進行二次清選,以期為油莎豆收獲機清選機構的設計提供借鑒。

1 整體結構及清選過程

清選機構由振動篩和吸雜風機組成,采用振動篩與氣吸組合式清選原理,其具體結構如圖1(a)所示。使用時,可將其配置于4GQ-1.3-A型油莎豆收獲樣機上,安裝時篩面后傾與地面呈一定角度,以利于物料向前輸送,樣機可由拖拉機牽引在田間行走。整體結構如圖1(b)所示。

1.吊連桿Ⅰ 2.上層篩 3.下層篩 4.排草口 5.吊連桿Ⅱ 6.驅振擺臂 7.偏心套 8.驅振帶輪 9.風機 10.糧斗 11.網帶機 12.滾筒篩 13.送料帶 14.清選機構 15.提升機 16.挖掘裝置 17.傳動系統圖1 清選機構及油莎豆收獲樣機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of cleaning device and Cyperus Esculentus harvester prototype

作業時,滾筒篩脫出物進入清選機構振動篩的上層篩,滾筒篩分離出的莢果進入下層篩,篩體在偏心傳動機構驅動下按一定振幅和頻率往復振動,長雜(包括長的雜草、長的油莎豆莖葉、根系)沿上層篩篩面向機器前進方向(向前)輸送,從排草口排出;莢果、短雜(包括短的雜草、短的油莎豆莖葉、根系)、土雜穿過上層篩落到下層篩上,和滾筒篩分離出的莢果一起沿下層篩篩面向前輸送;輸送過程中部分短雜和土雜一起透過下層篩被篩出機外,剩余短雜被吸雜風機吸走帶出機外,而莢果被提升機提升到糧斗內。

2 關鍵部件設計

2.1 曲柄擺桿機構設計

滾筒篩脫出物經單層篩清選后無法滿足油莎豆收獲的要求,其物料不能充分抖散、分離,致使含雜嚴重,清選效果低下。為此,振動篩采用雙層篩結構,篩體由上層篩和下層篩組成,兩種篩體通過篩連板固接在一起,以此來完成物料的抖散、分離、去土、除雜和輸送。王慶祝等[15]的研究表明,篩體做簡諧振動可以使篩面的物料產生上下滑移和拋擲的運動。為此,本設計使篩體與各擺桿鉸接構成曲柄擺桿機構,不考慮加工與安裝誤差,篩體的振動可看作簡諧振動[16-17],其具體結構如圖2所示。工作時,拖拉機將動力傳輸給驅振帶輪,驅振帶輪帶動驅動軸轉動,使偏心套圓心A繞驅動軸軸心O轉動,構成曲柄OA并帶動連桿AB運動,使連桿AB推動搖桿O1B繞機架鉸接點O1轉動,并通過連桿BC(即振動篩)帶動搖桿O2C,使搖桿O2C繞機架鉸接點O2轉動,實現連桿BC(即振動篩)的往復運動,達到果雜抖動分離的目的。

1.上層篩 2.下層篩 3.篩連板圖2 曲柄擺桿機構結構簡圖Fig.2 Schematic diagram ofcrank rocker mechanism

進行曲柄擺桿機構設計時,使機構做近似直線的擺動,能夠提高振動篩的篩分效率、減少功率消耗[17]。機構做近似直線擺動時,構件設計應滿足:O1B∥O2C、O1B=O2C、OA<

2.2 振動篩運動參數的確定

清選過程中,振動篩下層篩的主要作用是由吸雜風機配合,對分離好的莢果再做一次清選,進行去土、去草、去雜處理,而莢果和雜質的分離主要是在振動篩上層篩篩面完成的。因此,本研究運用動態靜力學方法[17]分析上層篩篩面物料在篩面上運動的條件。物料在篩面上有3種運動狀態,即相對于篩面向上滑動、向下滑動和從篩面拋起。為便于分析,以上層篩篩面質心處的單顆莢果M為研究對象,進行受力分析,其受力狀態如圖3所示。此時,莢果M相對于篩面處于向下滑動狀態,因曲柄半徑OA長度遠遠小于連桿AB長度和搖桿O1B長度,所以可近似認為篩體在做直線擺動[17]。樊晨龍等[18]和李驊[19]的研究表明,曲柄長度、曲柄轉速對振動篩篩面運動狀態的影響遠大于振動篩篩面傾角、振動方向角。根據前期單因素試驗,本設計振動篩篩面傾角取α=5°,振動方向角取β=30°,由此可求出物料相對于篩面向上滑動、向下滑動和從篩面拋起的條件。

要使物料相對于篩面向下滑動,必須滿足如下條件,即

mgsinα+Pcosβ>F

(1)

僅考慮物料沿篩面向下滑動而無拋起情況,則

T=Psinβ+mgcosα

(2)

篩面對物料的摩擦力計算公式為

F=Ttanφ

(3)

式中P—為莢果所受振動慣性力(N);

F—篩面對莢果摩擦力(N);

T—篩面對莢果支撐反力(N);

m—莢果質量(kg);

g—重力加速度(m/s2);

α—篩面傾角,(°);

β—振動方向角,(°);

φ—篩面與莢果的靜摩擦角,測得摩擦角φ=27°。

聯立式(1)～式(3)可得

Pcos(β+φ)>mgsin(φ-α)

(4)

參考文獻[20]中動態靜力學方法對篩面物料運動的分析,可得篩面莢果M相對于篩面向下滑動的條件為λω2>KX≈6.7m/s2,篩面莢果M相對于篩面向上滑動的條件為λω2>KS≈5.2m/s2,篩面莢果M從篩面拋起的條件為λω2>KT≈19.5m/s2,振動篩振動加速度為19.5～24.5m/s2,篩面振幅為7～17mm,曲柄轉速為324～565r/min,振動頻率為5～9Hz。

2.3 吸雜風機設計

清選機構的吸雜風機采用吸入型通用離心式風機。為了吸走下層篩清選過后物料中剩余的短雜,要求吸風道斷面內需具有均勻的風速。因此,風機葉輪殼體采用螺旋蝸殼體,且為了便于短雜的吸出,設計加大了吸風口在篩面上的吸附面積,使吸風口面積大于出風口的面積,風機機罩后側設置一開口,便于風機內部葉輪故障或被雜草纏繞時的維修,其具體結構如圖4所示。

1.出風口 2.風機軸 3.吸風道 4.吸風口 5.風機葉輪 6.機罩開口擋板圖4 吸雜風機結構簡圖Fig.4 Structure diagram of centrifugal fan

清選物料中包括需被風機吸走排出的雜質和剩余的油莎豆莢果,其二者懸浮速度的差異是吸雜風機參數設計的關鍵[10]。吸雜風機吸風口處風速應大于篩上所有雜質的懸浮速度,以保證雜質能被風機完全吸走排出,從而降低清選機構的莢果含雜率;吸雜風機吸風口處風速應小于篩上油莎豆莢果的懸浮速度,以避免莢果被風機吸出,加大清選機構的清選損失率。因油莎豆此方面相關研究較少,本設計通過參考其它作物的相關文獻[21-23]并結合樣機試驗后,將風機吸風口處風速范圍定為5～7m/s,并且通過參考文獻[21,23-24]中離心風機轉速的計算得出吸雜風機出風口風速為9.5～13.3m/s、風機全壓為39.03～76.50Pa、風機轉速圓整后為1299～1819r/min,最終確定吸雜風機轉速為1300～1800r/min可調。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

試驗于2021年10月18-24日在吉林省長春市農安縣油莎豆種子種植示范基地進行,如圖5所示。基地內油莎豆品種為“龍莎一號”,種植方式為機械直播,播種深度40～50mm,行距300mm,株距250mm,鮮豆產量12000kg/hm2。試驗在樣機實車上進行,將研制的清選機構搭載在4GQ-1.3-A型油莎豆收獲機(吉林省萬龍油莎豆專用機械設備制造有限公司生產)上,由拖拉機牽引進行田間試驗。選取地勢平坦地塊,按照GB/T5262-2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》,選取25m為準備區、50m為試驗區、25m為停車區。試驗前,先用割草機將油莎豆地面部分的莖葉去除,莖葉留茬高度不超過150mm。油莎豆收獲機每次收獲兩行油莎豆,拖拉機前進速度為0.6m/s。

圖5 田間試驗Fig.5 Field test

3.2 試驗指標

試驗以清選損失率T1、莢果含雜率T2作為清選作業指標,測試參考《收獲機械聯合收割機試驗方法》(GB/T 8097—2008)進行。試驗過程具體如下:試驗前,清空油莎豆收獲機糧斗內及機內雜物,保證測試區地面無落果;用接料板接取振動篩上層篩排草口的排出物,用編織網袋接取吸雜風機出風口的排出物,以排出物中的油莎豆莢果作為清選損失計算清選損失率;莢果含雜率通過在糧斗內的油莎豆莢果中取樣計算,每次取樣不少于糧斗內油莎豆莢果總量的1/3。每個試驗方案進行3次重復試驗,而后取平均值。

清選損失率T1計算公式為

(5)

式中T1—清選損失率(%);

Q1—上層篩和風機排出物中莢果的質量(g);

Q2—料倉內莢果的質量(g)。

莢果含雜率T2計算公式為

(6)

式中T2—莢果含雜率(%);

W1—取樣中雜質質量(g);

W2—取樣中莢果質量(g)。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1試驗設計

參考其它風篩選式清選機構試驗因素的選取[13-20],并結合前期單因素試驗,以振動篩振幅A、振動頻率B、風機轉速C作為試驗因素,設計3因素3水平Box-Behnken試驗。其中,振動篩振幅、振動頻率的水平值由2.2節計算得出的振動篩運動參數理論域值確定,風機轉速的水平值由2.3節計算得出的風機理論轉速確定,試驗共17個試驗點。試驗具體因素水平及編碼如表1所示,試驗具體方案及結果如表2所示。試驗過程中,拖拉機以固定速度行駛,保持其動力輸出軸的轉速不變,振動篩的振幅通過更換偏心距不同的偏心套進行調節,振動篩的振動頻率通過更換直徑不同的驅振帶輪進行調節,吸雜風機的轉速通過更換直徑不同的風機帶輪進行調節。

表1 試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of experiment

表2 試驗方案與結果Table 2 Experiment design and result

3.3.2 回歸模型建立與顯著性分析

根據表2中的數據樣本,通過Design-Expert 11軟件建立清選損失率Y1和莢果含雜率Y2對振動篩振幅A、振動頻率B、風機轉速C等3個自變量的二次多項式響應面回歸模型,即

Y1=4.66+0.2513A-0.135B+0.0812C-

0.055AB+0.2125AC-0.03BC+

0.4497A2-0.0677B2+0.3797C2

(7)

Y2=5.78-0.1937A-0.4087B-0.5750C+

0.2525AB+0.53AC+0.255BC+

0.7917A2-0.1133B2+0.4343C2

(8)

由回歸模型的方差分析結果(見表3、表4)可知:清選損失率Y1、莢果含雜率Y2的P值分別為0.0005、<0.0001(均小于0.01),表明兩回歸模型影響極顯著;其失擬項的P值分別為0.5278、0.2469(均大于0.05),模型失擬性不顯著,表明回歸模型在試驗參數范圍內擬合程度較高。由振動篩振幅、振動頻率和風機轉速的P值可知:試驗因素對清選機構清選損失率的影響大小為振幅>振動頻率>風機轉速,試驗因素對清選機構莢果含雜率的影響大小為風機轉速>振動頻率>振幅。兩回歸模型決定系數R2分別為0.9579、0.9841,說明清選損失率和莢果含雜率擬和回歸模型具有較高的可靠性,95%以上的響應值均可由這兩個模型解釋。

表3 清選損失率回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis for regression model of cleaning loss rate

表4 莢果含雜率回歸模型的方差分析Table 4 Variance analysis for regression model of pods impurity rate

3.4 響應面分析

根據表3和表4中回歸模型的分析結果,利用Design-Expert 11軟件繪制各因素交互效應3D響應面圖。

3.4.1清選損失率響應面分析

交互因素對清選損失率Y1影響響應曲面如圖6所示。由圖6(a)可以看出:當風機轉速一定時,清選損失率Y1隨著振動頻率B的增加呈現不斷減小的趨勢,但變化較為緩慢;而隨著振幅A的增加,清選損失率Y1先緩慢下降再緩慢上升。原因是增加振幅可使篩體擺動幅度加大,使莢果有更多的機會穿過料層接觸篩面而順利透篩;但當篩體擺動的幅度過大時,物料向前輸送的速度加快,使莢果在篩面停留時間過短,不能及時透篩,從而造成清選損失率的增加。由圖6(b)可以看出:當振動頻率一定時,減小振幅A有助于降低清選損失率Y1,而隨著風機轉速C的增加,清選損失率Y1先緩慢下降再快速上升,此結論與高連興等[10]的研究結論一致。其原因如下:風機轉速大小決定了吸風口處的氣流速度高低,當吸風口處氣流速度過大時,部分油莎豆莢果會隨同短雜被風機吸出排出機外,從而造成清選損失率快速增加。由圖6(c)可以看出:當振幅一定時,清選損失率Y1隨著振動頻率B的增加變化趨勢不明顯,而隨著風機轉速C的增加,清選損失率Y1先緩慢下降再快速上升,其原因也是因為風機風力過大、莢果被吸走所致。

3.4.2莢果含雜率響應面分析

交互因素對莢果含雜率Y2影響響應曲面如圖7所示。由圖7(a)可以看出:當風機轉速一定時,增加振動頻率B對莢果含雜率影響不顯著;而增加振幅A時,莢果含雜率先緩慢下降再緩慢上升。其原因如下:增大振幅后,篩體擺動幅度加大,使雜質在篩面躍起,增加了雜質與篩面接觸的機會,更有利于透篩;但振幅過大時,會使雜質在篩面上的運輸速度加快,導致其在篩面停留時間過短,未能及時透篩,從而造成莢果含雜率的增加。由圖7(b)可以看出:當振動頻率一定時,增加振幅A和風機轉速C明顯有助于降低莢果含雜率。其原因是:風機轉速越大,風機吸風口處氣流速度越大,越有利于雜質的吸出。由圖7(c)可以看出:當振幅一定時,隨著振動頻率B和風機轉速C的增加,莢果含雜率也呈現明顯下降趨勢,此結論與張敏等[13]的研究結論一致,也是因為風機轉速越大雜質越容易被吸出。

3.5 參數優化與試驗驗證

針對清選損失率Y1和莢果含雜率Y2的回歸模型,運用Design-Expert 11軟件的Optimization功能,以式(9)為約束條件,求解出清選機構的最優參數組合為振動篩振幅11.03mm、振動頻率8.88Hz、風機轉速1441.64r/min,此時回歸模型預測值清選損失率為4.46%、莢果含雜率為5.42%。

(9)

由于試驗方案中并未包含綜合優化后的較優參數組合,為驗證模型預測結果的可靠性,2021年10月28日采用優化結果在相同地點、用同樣的測試方法進行了5次驗證試驗(見圖8);考慮到設備實際作業情況,將優化后的參數進行圓整,調整振動篩振幅為11mm、振動頻率為9Hz、風機轉速為1442r/min。田間驗證試驗得到清選損失率和莢果含雜率的數學期望值分別為4.35%、5.49%,與回歸模型預測結果相對誤差分別為2.47%、1.29%(均小于5%),說明上述參數優化回歸模型可靠性較高,回歸模型精度能滿足參數優化的需要。通過與其它試驗方案結果對比分析可知:優化后的清選機構的綜合作業質量優于其它參數組合下的作業性能,清選效果較為理想,滿足設計要求。

圖8 田間驗證試驗Fig.8 Field validation test

4 結論

1)運用動態靜力學方法研究了篩面物料的相對運動,分析了物料相對篩面向上滑動、向下滑動和從篩面拋起的極限條件。為保證莢果順利穿透上層篩,振動篩主要運動參數的選取范圍為振動加速度19.5～24.5m/s2、篩面振幅7～17mm、曲柄轉速324～565r/min、振動頻率5～9Hz。

2)以振動篩振幅、振動頻率、風機轉速作為試驗因素,設計3因素3水平Box-Behnken試驗,分析各因素對清選損失率、莢果含雜率的影響,并進行參數優化,尋求最優參數組合。試驗結果表明:最優參數組合為振動篩振幅11mm、振動頻率9Hz、風機轉速1442r/min,此時清選損失率為4.35%,莢果含雜率為5.49%。