程 超 付 君 唐心龍 陳 志 任露泉

(1.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)春 130022； 2.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130022；3.吉林大學(xué)農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)基地， 長(zhǎng)春 130062； 4.中國(guó)機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司， 北京 100080)

0 引言

抖動(dòng)板是水稻等谷物收獲機(jī)械的重要作業(yè)部件，其主要作用是通過(guò)往復(fù)振動(dòng)將來(lái)自脫粒裝置的脫出物喂入清選篩。然而，水稻收獲時(shí)含水率較高，其脫出物中的細(xì)小濕黏物料與抖動(dòng)板接觸時(shí)，極易產(chǎn)生粘附和堵塞現(xiàn)象，造成抖動(dòng)板拋送效率下降、作業(yè)功耗增大、清選喂入量不均勻等問(wèn)題，嚴(yán)重影響水稻收獲質(zhì)量和收獲機(jī)械作業(yè)可靠性。因此，提高水稻收獲機(jī)械物料抖動(dòng)板表面的抗粘附特性、減少粘附物很有必要。

在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，學(xué)者們針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件減粘脫附問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，研究主要包括土壤粘附特性[1-4]、機(jī)械式土壤脫附[5-6]、觸土部件表面改形及改性[7-9]等方面，此外，仿生學(xué)的發(fā)展為農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件減粘脫附提供了新思路，陳秉聰院士、任露泉院士等通過(guò)對(duì)土壤動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，土壤動(dòng)物的器官構(gòu)型和非光滑體表形貌具有減粘降阻和脫附效應(yīng)[10-12]，這種仿生減粘脫附技術(shù)在鏵式犁犁壁[13-15]、播種機(jī)開(kāi)溝器[16-17]等農(nóng)機(jī)零部件上得到廣泛的應(yīng)用。然而，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)收獲機(jī)械零部件與農(nóng)業(yè)物料的減粘脫附研究較少。其中，李耀明等[18]將仿生非光滑表面應(yīng)用到油菜收獲機(jī)的振動(dòng)篩上，試驗(yàn)證明仿生非光滑篩面減粘脫附效果顯著，穩(wěn)定性、適用性較強(qiáng)，但非光滑篩面加工工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高。傅美貞等[19]通過(guò)對(duì)振動(dòng)篩表面噴涂聚四氟乙烯，使其表面不沾水、不沾污，但涂層耐磨性能和耐久性差，未得到推廣應(yīng)用。

加熱是調(diào)控粘附界面力學(xué)屬性的重要方法，能夠減弱界面法向或切向粘附性能[20]，表面分布著粘性液體的濕黏水稻物料，與金屬抖動(dòng)板構(gòu)成了物料-金屬接觸界面，對(duì)該界面加熱可減小水膜的表面張力，降低接觸粘附力。本文構(gòu)建水稻濕黏物料表面與金屬板表面的加熱脫附界面理論模型，分別進(jìn)行加載加熱脫附試驗(yàn)、振動(dòng)加熱脫附試驗(yàn)和熱氣流加熱脫附試驗(yàn)，揭示金屬抖動(dòng)板的脫附規(guī)律及機(jī)理，為提高水稻收獲機(jī)械的綜合作業(yè)性能提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

水稻物料在脫粒裝置中受到反復(fù)擊打、揉搓，會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)小碎屑，碎屑表面殘留傷流液，極易粘附在收獲機(jī)械的金屬抖動(dòng)板上，形成粘附物。為提高加熱脫附顯著性，試驗(yàn)以粘附性強(qiáng)的細(xì)小濕黏水稻物料為試驗(yàn)對(duì)象，水稻取自吉林省東遼縣安恕鎮(zhèn)，品種為科裕47，濕黏物料制備方法參考文獻(xiàn)[18]，根據(jù)篩面粘附物成分及尺寸分布情況，利用粉碎機(jī)處理新鮮水稻秸稈和稻葉，配制各種尺寸梯度的細(xì)小濕黏物料混合物，如圖1所示，其含水率為76.54%[21]，濕黏物料尺寸范圍比例如圖2所示，物料中尺寸不超過(guò)1 mm的成分約占50%，物料中尺寸超過(guò)5 mm的成分約占10%，最大尺寸不超過(guò)10 mm，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)需要重新配制濕黏物料，且保存時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。

圖1 濕黏水稻物料實(shí)物圖Fig.1 Picture of wet and sticky rice materials

圖2 濕黏水稻物料尺寸范圍比例Fig.2 Size range ratio of wet and sticky rice materials

圖3 金屬抖動(dòng)板加熱方案Fig.3 Heating scheme of metal plate1.塑料板 2.硅橡膠加熱片 3.金屬抖動(dòng)板 4.溫度控制器

水稻收獲機(jī)械中抖動(dòng)板的材質(zhì)多為鍍鋅板和不銹鋼板，為了減少物料粘附，目前部分抖動(dòng)板表面設(shè)計(jì)有條紋，但這種表面改形的脫附方式只能有助于大尺寸物料流動(dòng)，對(duì)于細(xì)小的濕黏物料會(huì)形成阻礙，導(dǎo)致粘附加劇，根據(jù)本文試驗(yàn)?zāi)康模瑫r(shí)排除其他脫附因素的干擾，本文試驗(yàn)選用平面鍍鋅板和不銹鋼板兩種基材作為加熱脫附試驗(yàn)部件。兩種金屬抖動(dòng)板厚度均為1 mm，試驗(yàn)前對(duì)金屬抖動(dòng)板表面油漬、毛刺加以處理，確保金屬抖動(dòng)板表面光潔。為了能夠精確、穩(wěn)定地控制金屬抖動(dòng)板溫度，試驗(yàn)選用硅橡膠加熱片對(duì)其進(jìn)行加熱保溫，如圖3所示。

硅橡膠加熱片嵌套在金屬抖動(dòng)板和塑料板之間，金屬抖動(dòng)板和塑料板固定在一起，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)溫度控制器調(diào)節(jié)硅橡膠加熱片的溫度，溫度控制精度為1℃，硅橡膠加熱片尺寸為300 mm×200 mm×2 mm，故金屬抖動(dòng)板的有效加熱面積為0.06 m2，塑料板厚度為2 mm，加熱過(guò)程中起到絕熱、減少熱量損失的作用。

2 加熱脫附界面理論

在水稻機(jī)械化收獲過(guò)程中，金屬部件對(duì)水稻物料的擊打、揉搓是不可避免的。利用體視顯微鏡觀察受損的傷濕黏水稻物料的表面形貌發(fā)現(xiàn)，其表面附著大量水膜，如圖4所示，水膜的毛細(xì)作用是造成界面粘附的重要原因。

圖4 濕黏水稻物料表面附著水膜Fig.4 Water film attached to surface of wet sticky rice material

根據(jù)界面科學(xué)理論[22]，構(gòu)建濕黏水稻物料表面與金屬抖動(dòng)板表面的粘附界面幾何模型。當(dāng)濕黏水稻物料與金屬抖動(dòng)板接觸時(shí)，如圖5a所示，水膜介于二者之間形成毛細(xì)橋梁，此時(shí)，毛細(xì)力遠(yuǎn)大于范德華力，粘附力主要表現(xiàn)為毛細(xì)橋梁的毛細(xì)力。當(dāng)金屬抖動(dòng)板被加熱時(shí)，金屬抖動(dòng)板表面和濕黏物料表面產(chǎn)生溫度差，根據(jù)熱量平衡原理，水膜不斷吸收金屬抖動(dòng)板表面的熱量，并隨著熱量的不斷積累而產(chǎn)生汽化現(xiàn)象；因毛細(xì)橋梁處于粘附界面的最外部，最先揮發(fā)；因金屬抖動(dòng)板表面的溫度高于水稻濕黏物料表面的溫度，故與金屬抖動(dòng)板表面接觸的水膜揮發(fā)速度較快，濕黏界面被破壞的過(guò)程如圖5b所示。當(dāng)水膜汽化消失后，濕黏的水稻物料與金屬抖動(dòng)板的粘附界面模型被完全破壞，如圖5c所示，毛細(xì)力徹底消失，金屬抖動(dòng)板實(shí)現(xiàn)脫附。

圖5 濕黏水稻物料與金屬抖動(dòng)板的粘附界面Fig.5 Adhesion interface between wet sticky rice material and metal jitter plate1.水稻物料 2.毛細(xì)橋梁 3. 金屬抖動(dòng)板 4.水稻物料表面殘留水膜 5.金屬抖動(dòng)板表面

圖6 粘附秸稈滑落試驗(yàn)方案Fig.6 Adhesive straw slip test scheme1.水稻秸稈 2.毛細(xì)橋梁 3.金屬抖動(dòng)板

因此，溫度是影響金屬抖動(dòng)板抗粘特性的重要因素；在安全工況溫度條件下，金屬抖動(dòng)板的溫度越高，其表面的水膜吸熱速率越快，汽化越高效，抗粘特性越優(yōu)良；本節(jié)構(gòu)建的加熱脫附界面理論，為揭示水稻收獲機(jī)械抖動(dòng)板加熱脫附規(guī)律奠定了理論依據(jù)。

為驗(yàn)證上述加熱脫附界面理論，如圖6所示，依據(jù)清選裝置常用的振動(dòng)方向角度，將金屬抖動(dòng)板傾斜45°放置并對(duì)其加熱，測(cè)試熱脫附條件下水稻秸稈在金屬抖動(dòng)板上的滑落運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

為保證對(duì)比試驗(yàn)的合理性及有效性，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案如下：首先進(jìn)行對(duì)照組試驗(yàn)，金屬抖動(dòng)板不加熱，如圖7a所示，利用滴定管在金屬抖動(dòng)板上滴0.05 mL蒸餾水，如圖7b所示，將長(zhǎng)10 mm、直徑4 mm的水稻秸稈置于水滴上，水稻秸稈由于水膜的作用，粘附在傾斜的抖動(dòng)板上；然后進(jìn)行驗(yàn)證組試驗(yàn)，金屬抖動(dòng)板加熱到35℃，水膜及秸稈的處理方式與上組試驗(yàn)相同，水稻秸稈粘附在加熱的金屬抖動(dòng)板上。利用攝像機(jī)記錄兩組粘附秸稈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖7 對(duì)照組中粘附秸稈滑動(dòng)情況Fig.7 Adhesive straw slippage in control group

根據(jù)攝像機(jī)記錄結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組中粘附在金屬抖動(dòng)板上的秸稈在5 min內(nèi)保持不動(dòng)，未發(fā)生滑動(dòng)，表明水稻秸稈處于穩(wěn)定的粘附模型中。而驗(yàn)證組中粘附在加熱金屬抖動(dòng)板上的秸稈的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖8所示，在10 s時(shí)，發(fā)生初次滑動(dòng)，在15 s時(shí)，秸稈滑動(dòng)距離超過(guò)10 mm，在17 s時(shí)，秸稈滑動(dòng)距離超過(guò)20 mm，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，秸稈不斷向下滑動(dòng)，在金屬抖動(dòng)板表面秸稈滑落的路徑上無(wú)水膜痕跡，當(dāng)秸稈從金屬抖動(dòng)板完全滑落時(shí)，觀察秸稈表面形貌發(fā)現(xiàn)，水膜完全消失。

圖8 驗(yàn)證組中粘附秸稈滑動(dòng)情況Fig.8 Adhesive straw slippage in validation group

在圖6所示的粘附秸稈滑落試驗(yàn)方案中，秸稈的受力平衡是由粘附力和重力共同作用形成的，重力沿金屬抖動(dòng)板向下的分力是造成秸稈滑落的誘因。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，加熱破壞了粘附模型中的水膜，使得毛細(xì)力消失，粘附力大幅減小，打破了秸稈的平衡狀態(tài)，從而造成秸稈向下滑落。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 加載加熱脫附試驗(yàn)

參考油菜混合物與仿生篩面基體間粘附特性研究方法[18]，本文設(shè)計(jì)的加載加熱脫附試驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示，金屬抖動(dòng)板整體固定到微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，濕黏水稻物料均勻鋪放在金屬抖動(dòng)板正下方，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)帶動(dòng)金屬抖動(dòng)板對(duì)濕黏水稻物料進(jìn)行定量加載，試驗(yàn)以常溫下金屬抖動(dòng)板加載脫附試驗(yàn)作為對(duì)照，試驗(yàn)變量為金屬抖動(dòng)板的表面溫度。

圖9 加載加熱脫附試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.9 Loading and heating anti-adhesion test system

試驗(yàn)前測(cè)得室內(nèi)溫度為26.3℃，在不加熱情況下，利用紅外線測(cè)溫儀測(cè)得鍍鋅抖動(dòng)板和不銹鋼抖動(dòng)板表面溫度分別為25.0℃和25.1℃，因此對(duì)照組試驗(yàn)溫度選定為25℃，各加熱溫度分別為30、35、40、45、50℃，利用硅橡膠加熱片對(duì)金屬抖動(dòng)板加熱時(shí)，要保證其加熱均勻、穩(wěn)定，利用紅外線測(cè)溫儀確認(rèn)無(wú)誤后，啟動(dòng)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，設(shè)定電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載速度為1 mm/min，載荷達(dá)到預(yù)設(shè)值5 N時(shí)進(jìn)入恒壓加載模式，30 s后將金屬抖動(dòng)板取下，收集粘附物，并統(tǒng)計(jì)其質(zhì)量，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值。不同溫度下，鍍鋅抖動(dòng)板和不銹鋼抖動(dòng)板上粘附物質(zhì)量變化情況如圖10所示，粘附物分布情況分別如圖11、12所示。

圖10 不同溫度下2種金屬抖動(dòng)板上粘附物質(zhì)量分布Fig.10 Mass distribution of adhesion on two metal jitter plates at different temperatures

圖11 不同溫度下鍍鋅抖動(dòng)板上粘附物分布Fig.11 Adhesion distribution on galvanized jitter plate at different temperatures

圖12 不同溫度下不銹鋼抖動(dòng)板上粘附物分布Fig.12 Adhesion distribution on stainless steel jitter plate at different temperatures

由圖10分析可知，隨著溫度升高，鍍鋅板和不銹鋼板兩種金屬抖動(dòng)板上粘附物質(zhì)量變化規(guī)律較為相似，均呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)。由圖11和圖12可以看出，隨著溫度升高兩種金屬抖動(dòng)板上粘附物明顯減少，在不加熱的情況下，即溫度為25℃時(shí)，金屬抖動(dòng)板上粘附物分布面積最大。隨著加熱溫度提高，粘附物分布面積逐漸減小，特別是溫度超過(guò)40℃時(shí)，脫附現(xiàn)象尤為明顯，粘附面積大幅減少。根據(jù)以上分析表明，通過(guò)加熱可以改善金屬抖動(dòng)板和濕黏水稻物料粘附界面脫附條件，有效抑制界面粘附，減少濕黏水稻物料粘附質(zhì)量和分布面積，加熱脫附適用于不同材質(zhì)的金屬抖動(dòng)板，溫度是影響濕黏水稻物料和金屬抖動(dòng)板界面加熱脫附特性的重要因素。

為量化溫度對(duì)濕黏水稻物料和金屬抖動(dòng)板粘附界面脫附的影響程度，以對(duì)照試驗(yàn)組(25℃)粘附物質(zhì)量為基數(shù)，定義脫附率為

(1)

式中ηT——溫度為T時(shí)金屬抖動(dòng)板的脫附率，%

m——對(duì)照試驗(yàn)組金屬抖動(dòng)板上粘附物質(zhì)量，g

mT——溫度為T時(shí)金屬抖動(dòng)板上粘附物質(zhì)量，g

根據(jù)圖10的試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合式(1)求得不同加熱溫度下兩種金屬抖動(dòng)板脫附率，如圖13所示，利用Origin軟件對(duì)脫附率變化規(guī)律進(jìn)行擬合，得到兩種金屬抖動(dòng)板脫附率曲線模型

ηT1=-0.054 8T2+6.556 1T-128.95

(R2=0.995 5)

(2)

ηT2=-0.037 4T2+5.141 1T-103.61

(R2=0.993 7)

(3)

式中ηT1——溫度為T時(shí)鍍鋅板的脫附率，%

ηT2——溫度為T時(shí)不銹鋼板的脫附率，%

T——溫度，℃

圖13 不同溫度下兩種金屬板脫附率變化曲線Fig.13 Anti-adhesion rate changing curves of two test parts at different temperatures

由圖13分析可知，隨著溫度升高，兩種金屬抖動(dòng)板的脫附率變化規(guī)律較為相似，金屬抖動(dòng)板溫度越高，其抗粘特性越強(qiáng)，脫附率越高，溫度為50℃時(shí)，鍍鋅板與不銹鋼板的脫附率分別為61.81%和61.33%，但根據(jù)曲線模型可知，隨著溫度升高，脫附率增長(zhǎng)速率逐漸減小。

3.2 振動(dòng)加熱脫附試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在接近靜態(tài)的條件下金屬抖動(dòng)板通過(guò)加熱可以提高其減粘脫附特性，然而，在水稻收獲機(jī)械作業(yè)時(shí)，抖動(dòng)板的粘附問(wèn)題多是在振動(dòng)條件下造成的，當(dāng)抖動(dòng)板上濕黏水稻物料受到的粘附力大于慣性力時(shí)，濕黏物料與抖動(dòng)板的表面會(huì)形成穩(wěn)定的界面粘附系統(tǒng)，加熱可以破壞界面粘附系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，進(jìn)一步探究在振動(dòng)條件下金屬抖動(dòng)板加熱減粘脫附特性及其規(guī)律。

振動(dòng)加熱脫附試驗(yàn)裝置如圖14所示，試驗(yàn)在直線振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，將塑料板、硅橡膠加熱片和金屬抖動(dòng)板由下至上依次固定到振動(dòng)架上，溫度控制器固定在機(jī)架上，電機(jī)通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)振動(dòng)架及金屬抖動(dòng)板往復(fù)振動(dòng)，金屬抖動(dòng)板的振動(dòng)頻率通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)，振動(dòng)幅度通過(guò)更換曲柄調(diào)節(jié)。

比較不同振動(dòng)強(qiáng)度下金屬抖動(dòng)板加熱脫附特性，試驗(yàn)選定較低、中等和較高3種振動(dòng)強(qiáng)度作業(yè)工況，分別為振頻2 Hz、振幅10 mm，振頻4 Hz、振幅20 mm，振頻6 Hz、振幅40 mm，對(duì)照試驗(yàn)溫度選定為25℃，各加熱溫度分別為30、35、40、45、50℃，每組試驗(yàn)前調(diào)整振動(dòng)參數(shù)，利用硅橡膠加熱片調(diào)節(jié)金屬抖動(dòng)板溫度，經(jīng)充分預(yù)熱后，利用紅外線測(cè)溫儀取多點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫確認(rèn)，稱取100 g濕黏水稻物料，均勻鋪放在金屬抖動(dòng)板上，然后啟動(dòng)電機(jī)，30 s后關(guān)閉電機(jī)，將金屬抖動(dòng)板取下，收集金屬抖動(dòng)板上的粘附物，統(tǒng)計(jì)粘附物質(zhì)量，3種作業(yè)工況下每組試驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值，并根據(jù)式(1)計(jì)算脫附率，每次試驗(yàn)結(jié)束后清理金屬抖動(dòng)板表面雜物和水漬，確保不影響下組試驗(yàn)。較低、中等和較高3種振動(dòng)強(qiáng)度作業(yè)工況下，隨著溫度升高，鍍鋅板和不銹鋼板兩種金屬抖動(dòng)板上粘附物質(zhì)量及脫附率變化情況如圖15～17所示。

圖15 振頻為2 Hz、振幅為10 mm時(shí)，隨著溫度升高兩種金屬抖動(dòng)板上粘附物質(zhì)量及脫附率變化情況Fig.15 Change of adhesion weight and anti-adhesion rate on two metal jitter plates with increase of temperature when vibration frequency was 2 Hz and amplitude was 10 mm

圖16 振頻為4 Hz、振幅為20 mm時(shí)，隨著溫度升高兩種金屬抖動(dòng)板上粘附物質(zhì)量及脫附率變化情況Fig.16 Change of adhesion weight and anti-adhesion rate on two metal jitter plates with increase of temperature when vibration frequency was 4 Hz and amplitude was 20 mm

圖17 振頻為6 Hz、振幅為40 mm時(shí)，隨著溫度升高兩種金屬抖動(dòng)板上粘附物質(zhì)量及脫附率變化情況Fig.17 Change of adhesion weight and anti-adhesion rate on two metal jitter plates with increase of temperature when vibration frequency was 6 Hz and amplitude was 40 mm

由圖15a分析可知，隨著溫度升高，鍍鋅板和不銹鋼板上粘附物質(zhì)量整體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，二者差別不明顯，在25～35℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，粘附物質(zhì)量變化不大，減少趨勢(shì)緩慢，在35～50℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，粘附物質(zhì)量快速減少。結(jié)合圖15b可知，在25～35℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，金屬抖動(dòng)板加熱脫附率升高緩慢，溫度為35℃時(shí)，脫附率不超過(guò)10%，金屬抖動(dòng)板加熱減粘脫附效果不顯著，在35～50℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，金屬抖動(dòng)板加熱脫附率提高明顯，溫度為40℃時(shí)，脫附率超過(guò)25%，溫度為50℃時(shí)，脫附率約為50%。

根據(jù)以上分析表明，當(dāng)振頻為2 Hz、振幅為10 mm時(shí)，鍍鋅抖動(dòng)板和不銹鋼抖動(dòng)板通過(guò)較低溫加熱對(duì)濕黏水稻物料的減粘脫附作用不大，只有加熱溫度超過(guò)35℃時(shí)，隨著溫度升高，金屬板減粘特性增強(qiáng)，脫附效果非常顯著，造成這種現(xiàn)象的原因是，金屬抖動(dòng)板振動(dòng)強(qiáng)度較低時(shí)，無(wú)法為濕黏水稻物料提供足夠大的慣性力使其克服粘附力，但如果加熱溫度較低，即便界面粘附力降低，也不足以幫助濕黏水稻物料脫附。

由圖16a分析可知，隨著溫度升高，鍍鋅板和不銹鋼板兩種金屬板上粘附物質(zhì)量逐漸減少，二者指標(biāo)變化較為相似，在25～30℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，粘附物質(zhì)量變化較小，在30～50℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，粘附物質(zhì)量快速減少，變化明顯。由圖16b分析可知，隨溫度升高，金屬抖動(dòng)板脫附率逐漸升高，在25～30℃區(qū)間內(nèi)，金屬抖動(dòng)板脫附率升高緩慢，溫度為30℃時(shí)，脫附率不超過(guò)10%，當(dāng)溫度大于30℃時(shí)，脫附率快速升高，溫度為40℃時(shí)，脫附率已超過(guò)40%，溫度為50℃時(shí)，脫附率超過(guò)60%。

根據(jù)以上分析表明，在中等振動(dòng)強(qiáng)度下，鍍鋅板和不銹鋼板兩種材質(zhì)抖動(dòng)板溫度低于30℃時(shí)，加熱減粘脫附作用不顯著，溫度超過(guò)30℃時(shí)，金屬抖動(dòng)板溫度越高，減粘脫附特性越強(qiáng)，脫附效果顯著，與較低振動(dòng)強(qiáng)度下脫附效果相比，中等振動(dòng)強(qiáng)度下，試驗(yàn)部件脫附速率更快，相同溫度下脫附率更高。

由圖17a分析可知，在較高振動(dòng)強(qiáng)度工況下，隨著溫度升高，鍍鋅板和不銹鋼板上粘附物質(zhì)量整體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，二者沒(méi)有明顯區(qū)別，在25～40℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，粘附物質(zhì)量快速降低，在40～50℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，粘附物質(zhì)量變化較小，減速緩慢。由圖17b可知，隨著溫度升高，脫附率整體呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，在25～40℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，金屬抖動(dòng)板加熱脫附率快速升高，溫度為30℃時(shí)，脫附率超過(guò)了20%，溫度為40℃時(shí)，脫附率達(dá)到了65%，金屬抖動(dòng)板加熱減粘脫附效果顯著，在40～50℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，金屬抖動(dòng)板加熱脫附率增長(zhǎng)緩慢，溫度為50℃時(shí)，脫附率接近70%。

根據(jù)以上分析表明，在較高振動(dòng)強(qiáng)度條件下，金屬抖動(dòng)板通過(guò)低溫加熱可以實(shí)現(xiàn)快速減粘脫附，在25～40℃區(qū)間內(nèi)，脫附率快速增長(zhǎng)，加熱溫度超過(guò)40℃時(shí)，脫附率已經(jīng)接近峰值，脫附率超過(guò)65%，金屬抖動(dòng)板減粘特性保持穩(wěn)定。由于振動(dòng)強(qiáng)度高，慣性力大，即便加熱溫度不高，在一定程度上也能降低金屬抖動(dòng)板與濕黏水稻物料的界面粘附力，相比于較低、中等強(qiáng)度振動(dòng)加熱脫附效果，較高振動(dòng)強(qiáng)度脫附速度更快，脫附率更高，實(shí)際清選作業(yè)過(guò)程中，抖動(dòng)板加熱受到能耗等因素限制，采用較低溫加熱、較高強(qiáng)度振動(dòng)的方案的可行性更高，因此，抖動(dòng)板采用40℃加熱，設(shè)定振頻6 Hz、振幅40 mm的作業(yè)參數(shù)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)減粘脫附。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

加載和振動(dòng)加熱脫附試驗(yàn)結(jié)果充分表明，金屬抖動(dòng)板通過(guò)加熱可以有效抑制濕黏水稻物料粘附在其表面，加熱減粘脫附效果顯著，水稻抖動(dòng)拋送過(guò)程中脫出物易在抖動(dòng)板上產(chǎn)生粘附，本質(zhì)上就是濕黏物料與金屬部件的粘附問(wèn)題，因此，加熱為實(shí)現(xiàn)水稻收獲機(jī)械抖動(dòng)板減粘脫附提供了新方案。

考慮到利用硅橡膠加熱片對(duì)抖動(dòng)板進(jìn)行加熱在實(shí)際生產(chǎn)中可行性不大，選擇合適的加熱方式非常重要，為保證加熱效果，同時(shí)根據(jù)抖動(dòng)板的位置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用熱氣流對(duì)金屬抖動(dòng)板進(jìn)行加熱在實(shí)際生產(chǎn)中可行性較高，由于水稻聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量的余熱，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收利用技術(shù)較為成熟，在糧食干燥等方面應(yīng)用較多，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用為抖動(dòng)板加熱提供了技術(shù)保障[23-24]。在前文試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以熱氣流為熱源，開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如圖18所示，以直線振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架為基礎(chǔ)，將小型熱風(fēng)泵的管道出風(fēng)口固定在振動(dòng)架的前端，氣流出口在振動(dòng)架后端，振動(dòng)架內(nèi)形成相對(duì)密閉的環(huán)境，將熱敏風(fēng)速儀的探頭固定在振動(dòng)架內(nèi)，用來(lái)測(cè)試管道出風(fēng)口處的風(fēng)速和溫度。

圖18 熱氣流加熱試驗(yàn)方案Fig.18 Hot gas flow heating test scheme1.金屬抖動(dòng)板 2.振動(dòng)架 3.管道 4.電機(jī) 5.熱風(fēng)泵 6.熱敏風(fēng)速儀

驗(yàn)證試驗(yàn)按照下述方案進(jìn)行：振動(dòng)架作業(yè)參數(shù)設(shè)定為振頻4 Hz、振幅20 mm，試驗(yàn)共包括3組，常溫下抖動(dòng)金屬板粘附情況作為對(duì)照組，另外兩組為抖動(dòng)金屬板加熱脫附試驗(yàn)，加熱溫度為30、35℃，加熱時(shí)，開(kāi)啟小型熱風(fēng)泵，利用熱敏風(fēng)速儀測(cè)定風(fēng)溫，由于存在熱量散失，設(shè)定風(fēng)溫比抖動(dòng)金屬板的預(yù)加熱溫度高一些，經(jīng)過(guò)充分預(yù)熱之后，在金屬板上選取多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，利用紅外線測(cè)溫儀測(cè)定金屬板加熱均勻，確認(rèn)滿足試驗(yàn)條件后，稱取100 g濕黏水稻物料，均勻鋪放在抖動(dòng)金屬板上，開(kāi)啟電機(jī)，振動(dòng)持續(xù)30 s，結(jié)束后統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)指標(biāo)，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Verification test results

由表1分析可知，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與圖16中結(jié)果基本吻合，隨著溫度升高，抖動(dòng)金屬板減粘脫附性能逐漸增強(qiáng)，利用熱氣流加熱抖動(dòng)金屬板同樣可以有效地抑制濕黏水稻物料粘附在其表面，因此，熱氣流加熱是實(shí)現(xiàn)水稻收獲機(jī)械抖動(dòng)板與濕黏物料減粘脫附的有效方式。

4 結(jié)論

(1)構(gòu)建了濕黏水稻物料與金屬抖動(dòng)板表面的粘附界面模型，分析得出水膜的毛細(xì)作用是形成粘附界面的重要原因，揭示了金屬抖動(dòng)板表面加熱對(duì)粘附界面的脫附作用機(jī)理。

(2)通過(guò)加載加熱脫附試驗(yàn)，得到兩種金屬抖動(dòng)板脫附率曲線模型，粘附界面加熱可以有效抑制濕黏水稻物料粘附在金屬抖動(dòng)板表面，金屬抖動(dòng)板溫度越高，抗粘特性越強(qiáng)，當(dāng)溫度為50℃時(shí)，鍍鋅板和不銹鋼板的脫附率分別為61.81%和61.33%。

(3)金屬抖動(dòng)板的振動(dòng)強(qiáng)度影響加熱脫附效果，較高振動(dòng)強(qiáng)度脫附速度更快，脫附率更高，綜合考慮加熱能耗等因素，采用較低溫加熱、較高強(qiáng)度振動(dòng)的脫附方案。試驗(yàn)表明，抖動(dòng)板采用40℃加熱，設(shè)定振頻6 Hz、振幅40 mm的作業(yè)參數(shù)，脫附率超過(guò)65%，滿足實(shí)際作業(yè)要求。

(4)利用熱氣流加熱兩種金屬抖動(dòng)板，同樣可以有效地抑制濕黏水稻物料的粘附，熱氣流加熱是實(shí)現(xiàn)水稻收獲機(jī)械抖動(dòng)板與濕黏物料減粘脫附的有效方式。