楊興超，師清翔，王升升，耿令新，劉春亞，楊 芳

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

小型立式軸流脫粒裝置試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

楊興超，師清翔，王升升，耿令新，劉春亞，楊 芳

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

為減小現(xiàn)有聯(lián)合收割機(jī)整機(jī)的尺寸，增加現(xiàn)有聯(lián)合收割機(jī)在丘陵地區(qū)通過(guò)的靈活性，提出了將市場(chǎng)上普遍使用的橫置式脫粒滾筒改為立式軸流脫粒裝置的方案。同時(shí)，設(shè)計(jì)了一種小型立式軸流脫粒裝置的試驗(yàn)臺(tái)，可清晰地記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中主要工作部件的轉(zhuǎn)速、扭矩、功耗和物料的喂入速度，以及在不同工況下脫粒裝置的工作性能。當(dāng)立式軸流脫粒滾筒的長(zhǎng)度達(dá)到900mm時(shí)，整個(gè)脫粒裝置的脫?？倱p失率、含雜率及斷穗籽粒率分別為1.43%、31.87%和1.06%。

脫粒裝置；試驗(yàn)臺(tái)；脫粒性能；立式軸流

0 引言

我國(guó)有大量的丘陵地區(qū)，其耕土面積約占我國(guó)總耕土面積的30%[1-4]，丘陵地區(qū)的谷物的機(jī)收水平對(duì)我國(guó)全面實(shí)現(xiàn)谷物的機(jī)械化收獲有著重大的影響；而由于丘陵地區(qū)耕作地塊較小不規(guī)則及通過(guò)性較差，急需設(shè)計(jì)一種尺寸較小、通過(guò)性較好及工作性能穩(wěn)定的聯(lián)合收割機(jī)。聯(lián)合收割機(jī)的核心工作部件是脫粒滾筒，市場(chǎng)上現(xiàn)有的聯(lián)合收割機(jī)的脫粒滾筒分為軸流脫粒滾筒和切流脫粒滾筒，布置方式分為橫向布置和縱向布置。橫向布置的脫粒滾筒會(huì)使得收割機(jī)的整機(jī)尺寸很寬，而縱向布置的脫粒滾筒會(huì)使得收割機(jī)的整機(jī)尺寸很長(zhǎng)[5-10]。因此，為了減小收割機(jī)的整機(jī)尺寸、增加其通過(guò)性，只單單地在現(xiàn)有的聯(lián)合收割機(jī)的部件上做改變并不能解決現(xiàn)有的實(shí)際問(wèn)題，應(yīng)該有較大的創(chuàng)新。因此，設(shè)計(jì)出一種小型的立式軸流脫粒裝置，應(yīng)用于聯(lián)合收割機(jī)上可以大大減小整機(jī)的長(zhǎng)度和寬度，解決丘陵山區(qū)谷物的收獲問(wèn)題。

立式軸流脫粒裝置的工作性能將直接影響整機(jī)的工作狀況，但由于谷物本身物理機(jī)械特性的復(fù)雜性和田間工況的差異性，在田間無(wú)法準(zhǔn)確地獲得立式軸流脫粒裝置的性能規(guī)律。因此，有必要設(shè)計(jì)一種小型的立式軸流脫粒裝置的試驗(yàn)臺(tái)，用來(lái)模擬和再現(xiàn)田間的工作狀況，獲得其結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)脫粒性能的影響規(guī)律，以優(yōu)化確定該脫粒裝置的最優(yōu)參數(shù)組合。

1 機(jī)械系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

本文所設(shè)計(jì)的立式軸流脫粒裝置試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 立式軸流脫粒裝置試驗(yàn)臺(tái)的主要參數(shù)

1.2 主要工作部件

立式軸流脫粒滾筒是該試驗(yàn)裝置的主要核心工作部件，主要由脫粒齒板、滾筒上端蓋、滾筒下端蓋、上防纏擋圈、下防纏擋圈、滾筒軸及攪龍葉片等組成，如圖2所示。

1.2.1 脫粒元件

對(duì)于立式軸流脫粒裝置而言，脫粒元件不僅對(duì)谷物要有沖擊脫粒的作用，還要對(duì)谷物有向上的推動(dòng)作用，從而能保證物料更好地實(shí)現(xiàn)自下向上的運(yùn)動(dòng)。因此，本試驗(yàn)裝置的脫粒元件采用板齒。由于立式軸流脫粒裝置在試驗(yàn)過(guò)程要更換板齒與滾筒體徑向的夾角(即要更換板齒傾角)，如果將板齒直接安裝在滾筒體上，在試驗(yàn)過(guò)程中就不得不更換整個(gè)立式軸流脫粒滾筒。因此，為了減輕工作量、節(jié)省材料，將板齒直接連接到一個(gè)板上，構(gòu)成一個(gè)個(gè)的齒板，這樣在試驗(yàn)過(guò)程中只需更換齒板即可。

脫粒滾筒的脫粒能力主要與脫粒元件的分布排列方式及脫粒元件的數(shù)量有關(guān)。在設(shè)計(jì)脫粒元件的分布排列方式時(shí)，如果能夠保證在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中同一齒跡線內(nèi)有多個(gè)脫粒元件，不僅能夠提高脫粒效率，而且還能縮短有效的脫粒滾筒長(zhǎng)度。因此，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用雙頭螺旋線排列，其分布圖如圖3所示。

1.接料盒 2.試驗(yàn)臺(tái)支架 3.滾筒外罩 4.立式軸流脫粒滾筒 5.喂入輪 6.接料板 7.滾筒驅(qū)動(dòng)電機(jī) 8.喂入輪驅(qū)動(dòng)電機(jī) 9.電機(jī)支架圖1 立式軸流脫粒裝置試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of Vertical Axial Threshing Test Bench

1.脫粒齒板 2.滾筒上端蓋 3.滾筒軸 4.帶輪 5.上防纏擋圈 6.滾筒體 7.螺旋攪龍葉片 8.下防纏擋圈 9.滾筒下端蓋圖2 立式軸流脫粒滾筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the Vertical Axial threshing cylinder

圖3 板齒排列圖Fig.3 Schematic diagram of board tooth

1.2.2 螺旋葉片

立式軸流脫粒裝置工作的難點(diǎn)是如何順暢地實(shí)現(xiàn)物料由下向上的運(yùn)動(dòng)，針對(duì)這一難點(diǎn)，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：①利用板齒的螺旋線排列及板齒的傾角與滾筒外殼上的導(dǎo)向板相配合；②在滾筒下0～210mm處，不安裝板齒而是加裝螺旋攪龍葉片。這樣從喂入口進(jìn)來(lái)的物料，先有螺旋攪龍葉片向上輸送，然后由板齒與導(dǎo)向板相配合向上輸送物料。但是，如果物料在螺旋輸送段的時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)加大滾筒脫粒的含雜率。這就要求螺旋攪龍葉片的導(dǎo)程要大，致使物料可以盡快地進(jìn)入脫粒段。所以，本次設(shè)計(jì)采用三頭螺旋，螺距設(shè)為420mm。其設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程為

下料為

式中D—螺旋葉片的外半徑；

d—螺旋葉片的內(nèi)半徑，即螺旋軸的外半徑；

L—螺旋葉片的外周長(zhǎng)；

l—螺旋葉片的內(nèi)周長(zhǎng)；

h—葉片高度；

r下料—葉片展開(kāi)口半徑；

α下料—螺旋葉片切去的圓心角 ；

p—螺旋葉片的螺距。

2 測(cè)控系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)的各主要工作部件主要由變頻調(diào)速電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)，通過(guò)操作臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)物料輸送帶、喂入輪及立式軸流脫粒滾筒轉(zhuǎn)速的無(wú)極調(diào)整。試驗(yàn)臺(tái)的硬件主要由直線位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩傳感器、電磁繼電器等組成，測(cè)控流程圖如圖4所示。

圖4 測(cè)控系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of measurement and control system

試驗(yàn)臺(tái)共安裝了3個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器和2個(gè)扭矩傳感器，分別用來(lái)檢測(cè)輸送帶驅(qū)動(dòng)輪、喂入輪和立式軸流脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速及喂入輪和立式軸流脫粒滾筒的扭矩。本測(cè)試系統(tǒng)的主要功能是：在立式軸流脫粒裝置試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)試驗(yàn)要求，測(cè)量立式軸流脫粒滾筒的線速度、扭矩、轉(zhuǎn)速、功耗、脫粒間隙及物料的喂入速度。

3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前，首先按照試驗(yàn)所需參數(shù)調(diào)整好各工作部件，然后在輸送帶上均勻鋪放一定質(zhì)量的物料，以保證一定量的喂入量。待一切準(zhǔn)備就緒時(shí)，按照試驗(yàn)所需的參數(shù)，分別啟動(dòng)立式軸流脫粒滾筒和喂入輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，待其運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后啟動(dòng)輸送帶，將物料均勻地由喂入輪喂入立式軸流脫粒滾筒；從柵格篩中分離出的脫出物直接落在接料盒中，人工將接料盒中的物料進(jìn)行稱重，然后將斷穗分離出并脫粒稱重，計(jì)算出斷穗籽粒率；然后將剩余的物料進(jìn)行清選，計(jì)算出含雜率。另外，由于立式軸流脫粒滾筒上的攪龍葉片和按螺旋分布的板齒的作用，物料在滾筒內(nèi)由下向上運(yùn)動(dòng)，已經(jīng)脫粒的長(zhǎng)秸稈從出草口排出，經(jīng)人工處理后得到未脫凈率和夾帶損失率。本試驗(yàn)裝置若只進(jìn)行滾筒長(zhǎng)度的試驗(yàn)，只需通過(guò)拆裝柵格篩，進(jìn)而改變柵格篩的長(zhǎng)度即可；對(duì)接料箱內(nèi)的脫出物和出草口的物料進(jìn)行處理，即可得到立式軸流脫粒滾筒的長(zhǎng)度對(duì)脫粒性能的影響規(guī)律。

4 滾筒長(zhǎng)度試驗(yàn)

對(duì)于立式軸流脫粒裝置而言，物料在滾筒內(nèi)脫粒時(shí)間的長(zhǎng)短，對(duì)立式軸流脫粒裝置的脫粒性能有很大的影響，因此本試驗(yàn)是在以前正交試驗(yàn)和回歸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。根據(jù)回歸試驗(yàn)得到的最優(yōu)參數(shù)組合，固定滾筒轉(zhuǎn)速為875r/min、凹板脫粒間隙13mm、板齒傾角8°和凹板柵條間隙9mm，以脫?？倱p失率、斷穗籽粒率和含雜率為目標(biāo)函數(shù)，以滾筒長(zhǎng)度為變量因子，做滾筒長(zhǎng)度試驗(yàn)，其試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

表2 滾筒長(zhǎng)度試驗(yàn)方案及結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析得到滾筒長(zhǎng)度對(duì)立式軸流脫粒裝置的影響規(guī)律，如圖5所示。由圖5的影響規(guī)律可知：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著滾筒長(zhǎng)度的增加，脫?？倱p失率降低、斷穗籽粒率降低、含雜率升高，并且在滾筒長(zhǎng)度為900mm時(shí)，脫?？倱p失率小于1.5%，符合國(guó)家有關(guān)部門對(duì)脫粒機(jī)總損失率的要求。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

在試驗(yàn)過(guò)程中，考慮到人為因素及試驗(yàn)所用物料的差異而造成的試驗(yàn)誤差，為了使得試驗(yàn)結(jié)果更加可靠、可信，需要在最優(yōu)參數(shù)下進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，方案及結(jié)果如表3所示。

圖5 滾筒長(zhǎng)度對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律Fig.5 The influence of The threshing cylinder length on experimental parameters表3 驗(yàn)證試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 3 Validates test program and results

試驗(yàn)序號(hào)滾筒長(zhǎng)度d/mm滾筒轉(zhuǎn)速A/r·min-1脫粒間隙B/mm凹板柵條間隙C/mm脫?？倱p失率β/%斷穗籽粒率η/%含雜率δ/%19008751391.361.1530.8529008751391.511.1031.2839008751391.461.0831.75

6 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的立式軸流脫粒裝置的試驗(yàn)臺(tái)，可獨(dú)立進(jìn)行脫粒性能的試驗(yàn)。其喂入輪的轉(zhuǎn)速、立式軸流脫粒裝置的轉(zhuǎn)速、脫粒板齒的傾角、凹板柵格篩的柵條尺寸及滾筒的長(zhǎng)度等主要工作部件的參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單可靠，且可對(duì)不同狀況下的試驗(yàn)物料的脫?？倱p失率、斷穗籽粒率、含雜率，以及整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的功率消耗進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試分析。

2)本試驗(yàn)裝置的測(cè)控系統(tǒng)可以顯示和記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中喂入輪和立式軸流脫粒滾筒的線速度、扭矩、轉(zhuǎn)速、功耗、脫粒間隙及物料的喂入速度。

3)通過(guò)滾筒長(zhǎng)度的試驗(yàn)，得到當(dāng)滾筒長(zhǎng)度為900mm時(shí)，脫?？倱p失率、含雜率、斷穗籽粒率分別為1.43%、31.87%、1.06%，其脫粒總損失率小于1.5%，符合國(guó)家有關(guān)部門對(duì)脫粒機(jī)總損失率的要求。

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Abstract ID:1003-188X(2017)12-0098-EA

Design of Small Vertical Axial Threshing Mechanism

Yang Xingchao, Shi Qingxiang, Wang Shengsheng, Geng Lingxin, Liu Chunya, Yang Fang

(Agricultural Engineering Equipment School, Henan University of Science & Technology, Luoyang 471003, China)

To reduce the size of the existing combine harvester machine and increase the flexibility of the combine harvester in hilly areas adopted, it is proposed that the exhaust type cylinder which is widely used on the market should be instead of vertical axial threshing mechanism in this paper. And designed a kind of small vertical axial threshing device test bench can clearly record the main working parts of the rotational speed, torque, power consumption and material feeding speed in the whole test process, and the threshing device performance under the different working conditions. When the length of the vertical axial threshing cylinder reaches 900mm, the threshing device loss rate was 1.43%, and the impurity rate of threshing was 31.87% and the broken spike rate was 1.06%.

threshing mechanism; test bench; threshing performance; vertical axial

2016-10-02

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(152102210276)

楊興超(1991-)，男，河南安陽(yáng)人，碩士研究生，(E-mail)yangxingchao223@163.com。

S225.3；S220.3

A

1003-188X(2017)12-0098-04