李靈敏，徐　瑞，石坤鵬，許慶峰，王曉蘭，王升升

(1.中國一拖集團有限公司 技術中心，河南 洛陽　471039；2.河南科技大學 農業(yè)工程學院, 河南 洛陽　471003)

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便攜機分離筒吸雜口偏置型清選裝置的設計與試驗

李靈敏1，徐瑞1，石坤鵬1，許慶峰1，王曉蘭1，王升升2

(1.中國一拖集團有限公司 技術中心，河南 洛陽471039；2.河南科技大學 農業(yè)工程學院, 河南 洛陽471003)

摘要：清選系統(tǒng)是便攜式谷物聯(lián)合收獲機的重要部分。為此，針對丘陵山區(qū)用的雙行便攜式谷物聯(lián)合收獲機，清選作業(yè)時吸雜風機轉速過高的問題，對吸雜口偏置型分離筒進行了結構設計。通過自制的分離筒吸雜口偏置型清選裝置試驗臺，對吸雜口的旋轉角度與偏置距離進行試驗研究，得到了小麥清選性能較好的旋轉角度與偏置距離分別為30°和30mm，為便攜式谷物聯(lián)合收割機清選系統(tǒng)的設計提供了依據。

關鍵詞：聯(lián)合收割機；清選裝置；分離筒；吸雜口；清選性能

0引言

目前，我國平原地區(qū)的谷物收獲已基本實現機械化。但是，我國具有大量的丘陵山區(qū)，這里廣泛種植小麥、水稻等谷物。隨著我國丘陵山區(qū)農業(yè)機械化水平落后與農機需求增多問題的日益凸顯，解決丘陵山區(qū)農業(yè)機械小型化具有重要意義。便攜式谷物聯(lián)合收割機是應丘陵山區(qū)谷物收獲需要而提出的一種新型谷物聯(lián)合收割機，要求整機各工作部件結構尺寸小、質量輕、裝拆方便、便于分部件運輸[1-4]。

現有的便攜式谷物聯(lián)合收割機上使用的清選系統(tǒng)存在一些問題，如在田間試驗時，風機轉速在3 500r/min左右，導致整機振動比較大，難以保證清選系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，需要對吸雜口偏置分離筒在便攜機清選系統(tǒng)的應用進一步研究，以達到滿足清選標準及使風機轉速降低的目的，這對丘陵山區(qū)用的便攜式谷物聯(lián)合收割機的清選系統(tǒng)的設計很有意義[5-10]。

此次研究的對象是小麥，試驗因素為分離筒吸雜口的旋轉角度和偏置距離；試驗研究了這兩個試驗因素對清選性能的影響規(guī)律，得到了最優(yōu)的分離筒吸雜口旋轉角度和偏置距離；與以往的清選系統(tǒng)對比，在吸雜風機轉速下降的同時，清選性能有所提高，為該清選系統(tǒng)在便攜式谷物聯(lián)合收割機上的配置提供了依據。

1旋風分離裝置工作原理

旋風分離裝置主要包含揚谷器、旋風分離筒和吸雜風機3個工作部件。旋風分離裝置對谷物清選物料的分離是利用空氣動力學特性和物體的漂浮特性實現的。

在旋風分離裝置中，旋風分離筒為物料的分離部件，吸雜風機提供分離筒內的氣流場，揚谷器提供物料進入分離筒時的初始速度。分離筒內部的氣流場有中間高速上升氣流和外圍低速下行氣流，根據物體的漂浮特性，上升氣流的速度要小于籽粒的漂浮速度而大于雜余的漂浮速度，由此決定吸雜風機的工作能力；物料進入分離筒時的初始速度要足夠提供籽粒繞筒壁旋轉的離心力，而雜余的密度小，一般不會形成繞筒壁的環(huán)流，由此決定揚谷器的最小輸送速度。

在谷物清選中的待清選物料需要分離的是籽粒和雜余，其在分離筒中的分離原理是：物料沿切向進入分離筒時有初始速度，在離心力作用下，密度較大的籽粒繞筒壁旋轉，在下行氣流的作用下形成下行物料流，密度較小的雜余受到上升氣流的作用形成上升物料流，上升物料從上口離開分離器，下行物料從下口離開分離器，這樣物料中的籽粒和雜余就完成了分離。但是，在氣流分界線附近會出現籽粒雜余混雜的狀況，部分籽粒進入高速上行氣流區(qū)，這時物體的漂浮特性會起作用，上行氣流速度小于籽粒的漂浮速度，籽粒仍然會下落從下口離開分離筒；但由于籽粒和雜余之間會有較為復雜的相互作用，會有少數籽粒在雜余的托浮下從上口離開分離筒，即為清選的籽粒損失；而部分雜余進入下行氣流區(qū)，但其在落入下口前會在上升氣流的作用下再次進入上升氣流區(qū)，被上升氣流從上口帶離分離筒，同樣會有少數雜余在與籽粒之間的相互作用下從下口離開，影響到清選后籽粒的清潔率。改善旋風分離裝置清選性能，就是通過改變其各項參數，盡量減少從上口排出的籽粒和從下口落下的雜余，減少損失率，提高清潔率。旋風分離裝置的分離原理如圖1所示。

圖1　旋風分離器分離原理

旋風分離裝置的工作過程是：由脫粒滾筒排出的混合物料經揚谷器拋扔沿切向進入旋風分離筒內，在離心力和重力的作用下，籽粒繞筒壁做向下的螺旋運動，從出糧口排出；雜余在上升氣流作用下向上運動，從吸雜口經吸雜風機排出，完成籽粒與雜余的分離。

2吸雜口偏置分離筒的結構

2.1　分離筒結構

吸雜口偏置型分離筒的結構示意圖，如圖2所示。

1.吸雜口　2.分離筒中段　3.物料入口　4.出糧口

2.2　吸雜口旋轉角度

吸雜口旋轉角度的定義如下：由上往下看，吸雜口的圓中心相對于分離筒中段的圓中心的變化角度即為旋轉角度。為了進一步說明，先將吸雜口圓中心相對于分離筒中段的圓中心的偏置距離定為15mm，其次規(guī)定如下：物料進入分離筒的方向為起始位置0°，順時針旋轉180°即為結束位置。試驗中，將這180°的旋轉角度，平均6等分，每30°是一個試驗水平，共6個：0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，如圖3所示。

圖3　吸雜口的旋轉角度

2.3　吸雜口偏置距離

吸雜口偏置距離的定義如下(見圖4)：由上往下看，吸雜口的圓中心相對于分離筒圓筒體圓中心的距離。吸雜口中心由旋轉角度與偏置距離確定，由分離筒的清選原理決定試驗時偏置距離選取時，分離筒的中心點必須在吸雜口的圓圈內。所以，此次偏置距離試驗的取值范圍為0~60mm。將其4等分，每15mm為一個試驗水平，即偏置距離的試驗水平為15、30、45、60mm，再加上偏移距離為0mm(即不偏移)的試驗為對比試驗，一共5個試驗水平。

圖4　吸雜口的偏置距離

3分離筒的影響因素與尺寸

3.1　分離筒頂部

此次研究選用的旋風分離筒為切向旋風分離筒，頂部為錐頂，其錐度的大小影響雜余及短莖稈的排出。錐度大不易分離，影響整機清潔率；錐度小，籽粒容易被吸走，損失嚴重。

3.2　分離筒體高度

筒體高度過小，則分離時間不足，籽粒與雜余來不及充分分離，清潔率降低，且損失會增加；筒體高度過大，則不利于穎糠的排出，導致清選不干凈。

3.3　分離筒錐底角

小麥的摩擦角為27°～38°，錐底角過大，谷物不能及時滑出，造成堵塞；錐底角太小，谷粒和雜余下落過快，影響清潔率。

3.4　切向入料口位置

該因素和筒體高度的影響一樣，主要影響物料在筒體內的運動時間，進而影響其籽粒清潔率和清選損失率。

3.5　下錐體進風口尺寸

進風口太小，阻礙谷物掉落，還會在下錐段和主圓體連接處產生渦流，聚集雜物，影響整機清潔度；尺寸過大則使吸力降低，清潔率降低。

3.6　吸雜口直徑

直徑過大吸力會降低，直徑過小阻礙雜余特別是短莖稈的排出，導致清潔率下降。

3.7　分離筒尺寸

此次分離筒結構尺寸，主要參照現有便攜式谷物聯(lián)合收割機清選系統(tǒng)中旋風分離筒的模型，根據以往經驗，綜合試驗所研究的清選系統(tǒng)喂入量和清選能力兩大因素，對分離筒進行結構相似性設計。在此特別強調的是本試驗研究主要是吸雜口旋轉角度與偏置距離對清選系統(tǒng)性能的影響，并不做清選系統(tǒng)結構參數的優(yōu)化。

此研究所用分離筒頂部錐角為38°，出雜口直徑為110mm；分離筒中段直徑為280mm，高度為195mm；谷物進口尺寸為長87mm×寬55mm；分離筒下錐體錐角為115°，下出糧口直徑取150mm。

4室內試驗

4.1　室內試驗臺和試驗方法

分離筒吸雜口偏置型清選裝置試驗臺主要由物料輸送帶、接料倉、一級揚谷器、二級揚谷器、分離筒和吸雜風機等組成，如圖5所示。主要工作部件的結構尺寸與相對位置根據雙行便攜式谷物聯(lián)合收割機的整機配置要求確定。

室內試驗的清選喂入量、清選物料組分由雙行便攜機的機進速度、割幅、谷物生長狀況等決定。

本試驗以小麥為收獲對象?？紤]丘陵山區(qū)大面積小麥生長狀況，設小麥產量6 000kg/hm2，機進速度0.4m/s，割幅0.4m。據此計算清選系統(tǒng)籽粒喂入量為0.096kg/s。參考雙行便攜式谷物聯(lián)合收割機田間作業(yè)情況，確定試驗用小麥物料的含雜率為25%，穎糠和短莖稈比例為10∶1，短莖稈長度為4～7cm，試驗物料中籽粒含水率14%～15%，雜余含水率13%～16%。

1.變頻電機Ⅰ　2. 變頻電機Ⅱ　3.一級揚谷器　4.接料倉

每次試驗，輸送帶面上鋪放可滿足清選系統(tǒng)連續(xù)工作30s的物料，則每次清選試驗所需物料總量為3.84kg，其中籽粒為2.88kg，雜余為0.96kg。

試驗時，首先將稱重好的小麥籽粒和雜余混合、攪拌均勻后，再根據鋪料的長度和寬度，均勻鋪到輸送帶上；然后依次啟動吸雜風機、二級揚谷器、一級揚谷器的電機，并通過變頻器調節(jié)的使其達到試驗所需轉速，待吸雜風機、二級揚谷器、一級揚谷器轉速達到試驗所需并穩(wěn)定工作，最后啟動輸送帶；物料從輸送帶順著滑板落入接料室，由推運攪龍送入一級揚谷器，經一級揚谷器拋入二級揚谷器葉輪的中心，再由二級揚谷器沿切線方向拋入分離筒內，在重力、離心力以及上升氣流的共同作用下，小麥籽粒沿分離筒內壁向下螺旋運動，自出糧口落到接糧筒中，雜余在吸雜風機吸力的作用下由吸雜口經風機排入接糠網中，完成一次清選系統(tǒng)的試驗。

試驗選取籽粒清潔率Yq、清選損失率Ys和籽粒破損率Yp3個性能指標。設接糧筒中物料總重為G1、純凈籽粒重G2、接糠網中籽粒重G3，可得清選系統(tǒng)性能指標為

(1)

(2)

4.2　吸雜口旋轉角度試驗

首先，以清選工作的順暢和基本滿足清選指標為原則，進行預試驗。經多次試驗后初定：一級揚谷器轉速為600r/min、二級揚谷器轉速為900r/min、吸雜風機轉速為3 100r/min。

以籽粒清潔率與清選損失率為試驗指標，吸風口偏置距離初定15mm，旋轉角度的試驗水平為：0°,30°,60°,90°,120°,150°,180°,保持其余參數不變。試驗結果如表1所示。

表1　 吸雜口的旋轉角度試驗結果表

整理數據得到吸雜口旋轉角度對籽粒清潔率與清選損失率的影響規(guī)律，如圖6所示。

圖6　旋轉角度對試驗指標的影響規(guī)律

由圖6可看出：旋轉角度為30°時，清選損失率低并且籽粒清潔率高，此時的旋轉角度最優(yōu)。

對試驗結果進行分析，小麥物料在剛進入分離筒時，一部分雜余與籽粒還未分離徹底，此時雜余被吸走，會夾帶一些籽粒，導致吸雜口距物料進口處越近，清選損失率就會越大，而籽粒清潔率也會有所提高。所以，在旋轉角度為150°與180°時，清選損失率較大，而180°時籽粒清潔率更高。物料進入分離筒后，籽粒與雜余逐漸分離，在完成籽粒與雜余分離之前，物料沿筒壁運動的時間越長，最終清選分離的就越徹底，因雜余被吸走所導致的籽粒損失就越少。而走的時間過長時，會有部分雜余在接近出糧口的位置而不易被風機吸走，所以在0°時，清選損失率低但清潔率也偏低。所以綜合考慮，30°時清選結果比較好。

4.3　吸雜口的偏置距離試驗

以籽粒清潔率與清選損失率為試驗指標，吸風口偏置旋轉角度為30°，偏置距離試驗水平分為：0、15、30、45、60mm，其他參數保持不變。試驗結果如表2所示。

表2　吸雜口的偏距試驗結果表

整理數據得到偏置距離的變化對籽粒清潔率與清選損失率的影響，如圖7所示。

圖7　置距離對試驗指標的影響規(guī)律

由圖7可以看出：當偏置距離為30mm時，清選損失率較低且籽粒清潔率較高。對試驗結果進行分析，在吸雜口的偏置距離不同時，籽粒損失主要由兩個原因所造成：一是物料在剛進入分離筒時，一部分雜余從分離筒被吸走而夾帶的籽粒損失；二是在偏移距離增大時，吸雜口距分離筒壁的距離變小，沿內壁旋轉的一部分籽粒被吸走而造成的籽粒損失。所以，綜合考慮，吸雜口的偏置距離為30mm時，清選結果較好。

5結論

1)試驗結果表明：吸雜口偏置型的分離筒能減小物料清選時所需的風力，從而降低了吸雜風機的轉速，同時有較好的清選效果，達到了本次試驗研究的目的。

2)通過吸雜口旋轉角度與吸雜口偏置距離的試驗，得到了小麥清選效果較好的吸雜口旋轉角度與偏置距離分別為30°和30mm。

3)吸雜口偏置分離筒清選裝置可用作雙行便攜式谷物聯(lián)合收割機清選系統(tǒng)。

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Design and Experiment of Cyclone Separating Device Based on Off-centered Inlet Scoop

Li Lingmin1, Xu Rui1, Shi Kunpeng1, Xu Qingfeng1, Wang Xiaolan1, Wang Shengsheng2

(1.Research & Design Center, YTO Group Corporation, Luoyang 471039, China；2.College of Agriculture & Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

Abstract：Cleaning is an important part of the portable grain combine.For hilly combine harvest machine, with the double line of portable grain cleaning operations, suction fan the problem of high speed, the suction off-centered inlet scoop type structure design was carried out on the inlet scoop.By homemade inlet scoop mouth offset type cleaning device test bench, to suck the rotation of the inlet scoop rotating angle and offset distance, experimental study of wheat cleaning performance is proved by rotating angle and offset distance of respectively 30 °, 30 mm.For portable grain combine harvester provides the reference for the design of cleaning system.

Key words：combine harvest machine;cleaning device;cyclone separating device; inlet scoop; cleaning performance

中圖分類號：S225.3;S220.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0204-05

作者簡介：李靈敏(1986- ),女，河南新鄉(xiāng)人，工程師，(E-mail)lilingmin5288@sina.com。通訊作者：王升升(1986- )，男，河南洛陽人，講師，碩士，(E-mail)13703491181@126.com。

基金項目：河南省重點科技攻關計劃項目(152102210276)

收稿日期：2015-10-19