花生復收機械分離清選裝置設計與試驗

魯河樺,王東偉,何曉寧,員玉良,盧玉倫

(青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266000)

0 引言

我國花生機械化收獲水平逐年提高[1-2],且花生收獲分為兩段式收獲和聯合收獲兩種[3],無論是哪種收獲方式,在解決花生機械化收獲難題的同時,均存在花生漏果、掉果等問題。以東北地區為例,由于每年只種植一次花生,所以大多數以兩段式收獲為主,不僅節約了花生收獲后需要晾曬的場地,也能夠減少聯合作業情況下的損失,沙土地損失率一般為2%左右,隨著土壤粘性的增加,損失率相應增加,一般為3%～5%。除此之外,收獲后的花生在地里晾曬和撿拾收獲過程中,由于根莖斷裂、人踩車軋、撿拾遺漏等因素,部分花生果被遺漏在地里,總損失一般在8%以上。因此,對目前花生果實復收機械進行創新和改進,以有效推進花生全程機械化的進程[4-7]。

本文設計了一種分離清選裝置,并針對花生特性設計了篩桿及旋轉滾筒,以解決復收率低、復收含雜率高等問題;同時,對花生的復收試驗進行分析,選出最優參數組合,改進復收分離裝置的工作系數,旨在為復收效果和未來復收機械的設計研發提供一定的借鑒。

1 關鍵結構及工作原理

1.1 結構組成

分離清選裝置主要由滾筒、上篩板及下篩板組成,如圖1所示。

1.滾筒 2.上篩板 3.下篩板圖1 分離清選裝置工作結構示意圖Fig.1 Working structure diagram of separation and cleaning device

裝置采用旋轉滾筒和篩板的方式對花生莢果進行清選分離處理,裝置與花生莢果之間的碰撞主要是圓桿和花生莢果之間的碰撞,能夠大幅度降低破損率。旋轉滾筒與花生莢果的碰撞能夠使土塊和花生莢果有效分離,方便后續的清選作業,解決了花生莢果復收含雜率、破損率高的問題,提高了復收效率。

1.2 工作原理

裝置工作時,由拖拉機帶動整體向前移動,被挖掘的花生莢果及土塊一起被向后推移,滾筒通過鏈條帶動進行旋轉,對挖掘的土塊進行碰撞,能夠讓花生莢果與土塊進行有效的分離,再一起通過由偏心軸帶動的上下兩層振動篩。其中,上層振動篩將大型土塊、花生秧蔓和整塊大型塑料薄膜進行分離,下層振動篩將花生莢果與粉塵和小土塊進行分離,達到除雜的效果。

2 關鍵部件設計與參數分析

2.1 花生莢果三軸尺寸

本設計主要對兩個品種進行了測量,如圖 2 所示。花生莢果因其形狀的特殊性,并非規則的幾何形體,而是類似于葫蘆形。因此,選擇測量其莢果長度、寬度、厚度3個尺寸來代表大概形體,共選用花生主產區常用的“大白沙”和“冀花16號”兩個品種為研究對象,隨機挑選 100 粒花生莢果,對其種子外形尺寸進行測量,測量結果如表 1 所示。

表1 花生莢果三軸尺寸Table 1 Triaxial dimension of peanut pod mm

冀花 16 號 最小值 最大值 平均值 長度 24. 75 55. 67 40. 01 寬度 16. 38 21. 53 19. 08 厚度 14. 90 19. 46 17. 03

經過測量,兩個品種的花生莢果平均長度差異不大,“冀花16號”與“大白沙”相比更寬更厚,其寬度、厚度的最小值為13.84mm,長度的最大值為55.67mm。

2.2 各部分篩桿間距

篩桿部分主要分為上篩板和下篩板:下篩板的尺寸要求主要是間隔不能大于花生莢果的長寬高的最小值及測量得到的小于13.84mm,也要保證讓盡可能多的雜質被清除,經實際測算,底部分離部分的實際間隔取10mm效果較好且易于加工[8];上篩板的要求是盡可能讓所有的花生莢果都能夠掉落到分離部分,但又要確保不會有大型石塊掉落到分離部分無法篩除,故選擇30～50mm,通過試驗驗證取35mm時效果最佳且易于加工。

2.2.1 滾筒轉速情況分析

在實際的復收過程中,花生莢果與土壤粘結難以分離,所以需要在傳送到振動篩前,利用滾筒將粘結的結構破壞,使莢果與土壤分離來達到除雜的目的,花生莢果受力分析如圖2所示。在此,通過對花生莢果與土壤建立粘合模型,分析其分離條件來確定滾筒轉速[9-10]。

圖2 花生莢果受力分析圖Fig.2 Stress analysis diagram of peanut pod

其中,莢果和黏土分離的基本條件為

f1+G1sinθ>F3

(1)

式中f1—破壞力(N);

F3—土壤粘結力(N);

G1—莢果重力(N);

θ—篩板傾角。

通過查詢資料可知,土壤粘結力的公式為

F3=cS

(2)

式中c—土壤粘結強度(kPa);

S—土壤斷裂面的面積(cm2)。

瞬時沖擊力公式為

f1T=mV

(3)

式中T—撞擊時間(s);

V—撞擊速度(m/s);

m—花生莢果質量(g)。

由式(3)可以獲得滾筒轉速,即

(4)

式中W—滾筒轉速(r/min);

L—滾筒半徑。

通過公式可以計算出果土分離所需要的最小轉速。在實際運行過程中,實際轉速要比所需最小轉速大很多。通過試驗結果可知,轉速在250～340r/min之間時分離效果較好。

2.2.2 花生莢果在振動篩上運動狀態分析

振動篩的設計首先是確定其傾角,根據花生莢果運動特性及莢果與金屬鋼之間的摩擦因數確定篩板的傾角為17°～25°時效果較好[9-12]。

當分離清選裝置的速度過快時,分離清選裝置易產生較大的振動,從而導致果土混合物易產生“跳躍”和“回流”現象,造成果土分離不干凈、花生莢果破損率高等問題[13]。

分離清選裝置在進行果土分離的同時需要將篩面上的物料向后輸送。當分離清選裝置的機構與工作參數選取不同時,果土混合物相對篩面會出現相對靜止、往復滑動和拋離篩面的運動形式[14-17]。花生果相對分離篩正反向滑動時受力情況如圖3所示。

圖3 受力分析圖Fig.3 Stress analysis diagram

由圖3可得,花生莢果在分離清選裝置中的運動狀態為

(5)

其中,ax和ay分別為發生莢果的加速度a在水平方向的加速度和豎直方向的加速度。由上述公式推導可獲得正向滑動瞬時加速度,即

(6)

反向滑動瞬時加速度為

(7)

當莢果被拋離時,有

FN=0

求得

k2rω2cosωt·sinα=gcosα

(8)

拋離篩面時的運動學方程為

(9)

由此得花生莢果拋離篩面后相對分離篩的加速度為

(10)

根據上述推導公式,將已知參數代入求解,即可得到花生莢果相對分離清選裝置運動狀態。

振動篩由主動力帶動的偏心軸共同運動,所以其振動周期和滾筒的頻率是保持一致的。

3 分離清選裝置試驗及數據分析

因為結構和各因素之間的相互影響具有復雜性,在實際的仿真過程中導致仿真效果和田間試驗結果具有誤差,在此選擇田間試驗數據進行分析。

3.1 試驗條件

2021年11月,在吉林省長春市農安縣青島農業大學東北農業裝備研發基地試驗田進行田間試驗,土壤為沙壤土,花生品種選用白沙1016,配套拖拉機為奔野504型拖拉機。

試驗采用多組重復試驗取平均值的方法,對使用福德4HJQ-2.0型花生收獲機收獲過的花生地進行復收作業,每次隨機取長度為30m的花生田塊進行作業。分離裝置如圖4所示。

(a)

(b)圖4 分離裝置實物圖Fig.4 Physical drawing of separation device

試驗以含雜率、破損率、漏果率為指標,其計算方法如下:

含雜率為

(11)

破損率為

(12)

漏果率為

(13)

式中m0—集果箱中花生莢果與土壤總質量(kg);

m1—集果箱中花生莢果質量(kg);

m2—集果箱中破損的花生莢果質量(kg);

m3—地表遺漏花生莢果質量(kg);

m4—土壤中埋藏的花生莢果質量(kg)。

3.2 單因素試驗

通過單因素試驗確定各個因素在多因素試驗中的取值范圍。試驗過程中,參數設定有傾斜角度20°,滾筒轉速280r/min,滾筒半徑94mm,滾桿數量14,距離底部篩桿128mm,前進速度分別為1.37、1.69、1.90、2.26m/s。試驗結果如表2所示。

表 2 機具不同前進速度的試驗結果Table 2 Test results of different forward speeds

不同的前進速度對含土率的影響較大,在速度達到1.90m/s后,含土率快速提升,對破損率的影響并不明顯。

其他條件不變,前進速度設定為1.67m/s,分離清選滾筒轉速分別為250、 280、310、340r/min,試驗結果記錄如表3所示。

表 3 不同滾筒轉速對試驗指標的影響變化Table 3 Influence of different roller speed on test index

由表3可以看出,含土率的趨勢會隨著滾筒轉速的增加而降低,當超過280r/min時下降速度放緩;破損率則相反,特別是當滾筒轉速超過310r/min時,花生莢果的破損率急劇增加。

3.3 多因素試驗

以前進速度、傾斜角度、滾筒轉速為試驗因素,以含雜率、破損率、漏果率為評價指標,為了降低試驗次數,這里選擇了Box-Behnken正交試驗的方法進行三因素三水平的旋轉正交組合試驗。通過采用Design-Expert軟件對實驗數據進行處理分析,試驗結果如表4、表5所示。

表 4 實驗因素編碼Table 4 Experimental factor coding

表 5 實驗設計與試驗結果Table 5 Experimental design and results

3.4 試驗結果分析

對試驗結果進行方差分析,分析結果如表6所示。

表 6 方差分析Table 6 Variance analysis

續表6

應用Design-Expert軟件對試驗數據進行多元回歸擬合建前進速度X1、傾斜角度X2、滾筒轉速X3與含土指數Y1、破損指數Y2、漏果指數Y3之間的回歸方程,即

Y1=1.63+0.01X1-0.012X2-0.35X3-

0.12X1X2+0.0025X1X3-0.092X2X3-

(14)

Y2=1.3+0.026X1+0.083X2+0.25X3+

0.12X1X2-0.018X1X3-0.03X2X3+

(15)

Y3=2.49+0.32X1-0.2X2+0.19X3+

0.06X1X2+0.023X1X3-0.047X2X3+

(16)

1)分析各因素對于含土指數的影響,X3、X22的P值小于0.01,對合格指數的影響極其顯著;X1X2、X32的P值大于0.01且小于0.05,對合格指數的影響顯著。其余項的P值大于0.05,對于合格指數的影響不顯著。排除其余不顯著項得到的回歸方程為

(17)

2)分析各因素對于破損指數的影響,X3的P值小于0.01,對合格指數的影響極其顯著;X22的P值大于0.01且小于0.05,對合格指數的影響顯著;其余項的P值大于0.05,對于合格指數的影響不顯著。排除其余不顯著項得到的回歸方程,即

(18)

3)分析各因素對于漏果指數的影響,X1、X2、X3的P值小于 0.01,對合格指數的影響極其顯著;X12的P值大于0.01且小于0.05,對合格指數的影響顯著;其余項的P值大于0.05,對于合格指數的影響不顯著。排除其余不顯著項得到的回歸方程,即

(19)

3.5 各因素對合格指數的影響分析

使用Design-Expert軟件生成含土指數、破損指數、漏果指數的等高線,如圖5～圖7 所示。

圖5 含土指數的響應面曲線和等高圖Fig.5 Response surface curve and contour map of soil index

圖6 破損指數的響應面曲線和等高圖Fig.6 Response surface curve and contour map of damage index

圖7 漏果指數的響應面曲線和等高圖Fig.7 Response surface curve and contour map of fruit leakage index

由圖 5(b)、(c)可知:含土指數受滾筒轉速的影響較大,當其他條件一定時,滾筒轉速與含土指數呈負相關。由圖 5(a)、(b)可知:行進速度和傾斜角度對含土率共同作用,最佳傾斜角度會伴隨著行進速度的增加而增大,在行進速度為1.37m/s時,最佳的傾斜角度為19°;當行駛速度為1.9m/s時,最佳的傾斜角度為2°左右。

由圖6(a)、(b)可知:破損指數受到滾筒轉速的影響較大,在其他條件一定時,兩者呈現正相關。由圖6(c)可知:當滾筒轉速一定時,傾斜角度和行進速度對破損率的影響都是先呈負相關,后呈正相關,在行進速度為1.7m/s、傾斜角度為20°左右時,破損指數最優。

由圖7可知:傾斜角度的增大可以減少漏果指數,而滾筒轉速和行進速度的增大會導致漏果指數上升,且行進速度對漏果指數的影響最為明顯。

3.6 參數優化

通過Design-Expert軟件對試驗參數進行數據優化,設置邊界條件并建立數學模型,即

通過優化分析獲得當行進速度為1.48m/s、傾斜角度為20.32°、滾筒轉速為275.82r/min時達到最佳效果,即含土率1.659 49%、破損率1.303 51%、漏果率2.322 75%。

3.7 試驗驗證

將裝置參數設定為行進速度1.48m/s、傾斜角度為20.32°、滾筒轉速為275.82r/min,進行5次重復試驗,結果如表7所示。

表7 試驗結果Table 7 Test results %

試驗結果的均值為含土率1.64%、破損率1.29%、漏果率2.37%,與預計結果較為吻合,符合裝置的設計要求。

4 結論

1)設計并實際驗證了一款用于花生莢果復收機械的分離清選裝置,解決了花生與土塊粘結難分離,復收后集果箱中雜質多的問題。

2)通過分析花生莢果特性,確定了分離清選裝置的部分結構數據,其中下篩板間隔選擇10mm、上篩板間隔選擇35mm時較為合理。

3)通過單因素試驗確定試驗的數據選擇范圍,并通過多因數試驗確定行進速度、傾斜角度、滾筒轉速三者對于含土率、破損率、漏果率的影響以及作用強弱。

4)優化數據獲得當行進速度為1.48m/s,傾斜角度為20.32°,滾筒轉速為275.82r/min時達到最佳效果:含土率1.659 49%、破損率1.303 51%、漏果率2.322 75%,且驗證結果與預計較為符合。