孟凡虎，姜 萌，耿端陽，林連華，徐海港

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東時(shí)風(fēng)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山東 高唐 252800)

0 引言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，“三農(nóng)”一直是國家重點(diǎn)扶持和發(fā)展的對象。隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提高，小麥機(jī)械化收獲技術(shù)也在不斷進(jìn)步和發(fā)展。截止到2016年，我國小麥機(jī)收率達(dá)到84%以上，主產(chǎn)區(qū)甚至達(dá)到96%以上[1-3]。但是，隨著我國土地集約化的發(fā)展及農(nóng)作物產(chǎn)量的不斷提高，傳統(tǒng)切流(橫流)式小麥?zhǔn)斋@機(jī)難以滿足大喂入量小麥?zhǔn)斋@的矛盾逐漸顯現(xiàn)，國內(nèi)許多小麥?zhǔn)斋@機(jī)骨干企業(yè)和學(xué)者都加強(qiáng)了對軸流滾筒式小麥?zhǔn)斋@機(jī)的研究，特別是作為收獲機(jī)核心技術(shù)的縱軸流脫粒系統(tǒng)，成為當(dāng)前谷物收獲機(jī)的重點(diǎn)研究內(nèi)容[4-9]。

目前，市場上小麥?zhǔn)斋@機(jī)多采用切流式脫粒和橫軸流兩種脫粒方式。切流脫粒方式由于脫粒時(shí)間短很難滿足大喂入量作業(yè)的脫凈率要求；同時(shí)，由于脫粒強(qiáng)度過大容易導(dǎo)致籽粒破碎率上升，所以這種方式難以滿足大喂入量小麥?zhǔn)斋@的性能要求[10-12]。橫軸流脫粒分離方式由于受到空間位置的限制，脫粒滾筒不能太長，因此脫粒和分離能力受到極大限制，在喂入量較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)脫粒、分離不徹底及夾帶損失較大等問題[13]。

縱軸流脫粒技術(shù)具有橫向尺寸小，脫粒、分離時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)[14]?？v軸流又分為單縱軸流和雙縱軸流兩種，雙縱軸流因?yàn)闄M向距離太寬、成本較高、加工工序復(fù)雜等原因受到各種限制，因此本文主要對單縱軸流滾筒進(jìn)行試驗(yàn)研究[15]。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

單縱軸流脫粒滾筒主要由喂入螺旋、輻盤、紋桿座及排草板等組成，如圖1所示。脫粒滾筒按照功能分為前后兩大部分：前半部分將待脫谷物順暢導(dǎo)入脫粒滾筒與凹板之間，后半部分將谷物脫粒及將籽粒從脫出物中分離。對于前半部分，其結(jié)構(gòu)由3個(gè)成一定角度的葉片和導(dǎo)料月牙組成：導(dǎo)料月牙通過旋轉(zhuǎn)對谷物產(chǎn)生離心力，使其導(dǎo)向喂入螺旋的作用范圍；喂入螺旋作用于范圍內(nèi)的谷物導(dǎo)向脫粒滾筒與凹板間隙，這里的凹板間隙分為入口間隙和出口間隙，為了使得小麥順暢進(jìn)入脫粒區(qū)入口間隙常大于出口間隙，出口間隙采用偏心結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整(一端用螺栓固定，另一端采用螺紋桿調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu))。后半部分為滾筒殼體、紋桿座及排草板等組成：紋桿座以螺旋線結(jié)構(gòu)安裝于滾筒殼體，實(shí)現(xiàn)谷物沿脫粒滾筒軸線方向以螺旋形前進(jìn)，并在該運(yùn)動(dòng)過程中不斷受到凹板柵條的阻擋和紋桿座的反復(fù)沖擊、揉搓來完成脫粒和籽粒的分離。其主要參數(shù)如表1所示。

1.前半軸 2.導(dǎo)料月牙 3.喂入螺旋 4.脫粒凹板 5.分離凹板 6.排草板 7.后半軸 8.滾筒蓋 9.紋桿座組合 10.滾筒殼體 11.凹板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 12.喂入錐體圖1 稻麥聯(lián)合收獲機(jī)縱軸流脫粒裝置Fig.1 Vertical flow drum of rice wheat combine harvester表1 縱軸流滾筒主要參數(shù)Table 1 Main parameters of longitudinal flow drum

項(xiàng)目單位參數(shù)脫粒滾筒形式單縱軸流紋桿座式脫粒滾筒尺寸mm?650×2860脫粒凹板入口間隙mm40脫粒凹板出口間隙mm5～40凹板包角(°)210

1.2 工作原理

工作時(shí)，來自過橋的谷物在高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)料月牙的作用下被甩向周邊，進(jìn)而被位于其后的喂入螺旋抓取，并被拖入；在紋桿座配合凹板的沖擊、揉搓作用下，谷物完成籽粒與莖稈的分離，凹板間隙的大小直接影響谷物的含雜率。在此過程，由于紋桿座呈螺旋線方式分布，所以在谷物脫粒的同時(shí)起到往后推動(dòng)脫粒混合物的作用。凹板間隙可由凹板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)節(jié)，以滿足不同作物、不同含水率作物收獲的脫粒需要；另外，當(dāng)脫粒過程發(fā)生堵塞時(shí)也可快速清理。在此過程，為了延長谷物的脫粒時(shí)間，該脫粒滾筒采用前低后高的傾斜式放置，讓其具有一定傾斜角度，來改善滾筒的脫粒性能。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 喂入螺旋設(shè)計(jì)

喂入螺旋是喂入系統(tǒng)的主要部件，主要功能是保證谷物由輸送過橋持續(xù)穩(wěn)定導(dǎo)入脫粒滾筒與凹板之間，防止谷物在此堆積和堵塞，提高系統(tǒng)工作的可靠性。喂入螺旋的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.三爪 2.葉片 3.加強(qiáng)板圖2 喂入螺旋Fig.2 Feed screw structure

滾筒的喂入螺旋由3個(gè)沿圓周方向均布的大端高度為310mm葉片組成。為了最大限度地提高葉片的導(dǎo)向作用和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生對谷物的向內(nèi)吸力，葉片的大端直接固定在三爪上，小端通過加強(qiáng)筋連接在脫粒滾筒前部的錐體上。為了強(qiáng)化旋轉(zhuǎn)帶來的風(fēng)向，以形成穩(wěn)定的軸向吸引力，從而強(qiáng)化谷物向脫粒滾筒與凹板之間的導(dǎo)向能力，將葉片設(shè)計(jì)為沿中部向旋轉(zhuǎn)方向的折彎結(jié)構(gòu)，折彎半徑約為150mm，葉片的折彎角度為49°。

2.2 脫粒元件設(shè)計(jì)

為了提高脫粒效果和脫粒過程的工作可靠性，本脫粒元件設(shè)計(jì)為組合式結(jié)構(gòu)，即該紋桿座組合由脫粒板、紋桿頭、紋桿座、平衡塊以及螺栓所組成，如圖3所示。

為了增強(qiáng)脫粒效果，本滾筒的脫粒元件按照三頭螺旋線方式進(jìn)行布置，設(shè)其螺旋角為φ，滾筒直徑為D，則螺旋線的導(dǎo)程為

l=πDtanφ

假設(shè)軸流脫粒滾筒單位長度脫下籽粒的百分比為脫粒強(qiáng)度系數(shù)，用α表示，顯然脫粒強(qiáng)度系數(shù)與滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒元件類型及脫粒間隙等因素有關(guān)；谷物初始籽粒含量為y，則任意段單位長度未脫下的籽粒含量為y(1-α)，即

dy/dx=(1-α)y

解之得

lny=(1-α)x+c

根據(jù)當(dāng)前的麥草比一般為1∶1.1，即當(dāng)x=0時(shí)，其秸稈未脫下的籽粒為c，代入上式即可得到

lny=c

y=Ce(1-α)x

由于本紋桿座組合由脫粒板和紋桿頭組成，所以該結(jié)構(gòu)既發(fā)揮了紋桿脫粒元件揉搓破碎低的優(yōu)勢，又集成了釘齒抓取莖稈和沖擊能力強(qiáng)的優(yōu)勢，為適合大喂入量和收獲不同作物創(chuàng)造了條件。例如，對于易脫的作物(小麥、大豆、大麥、油菜等)將脫粒板安裝在紋桿座左側(cè)的位置，提高對莖稈的抓取能力；對于比較難脫粒的作物(水稻等)就需要將脫粒板由圖3位置更換至平衡墊板的左側(cè)，以提高對水稻的梳刷作用；對于特別難脫的作物，可以采取在兩個(gè)位置同時(shí)安裝脫粒板的方法進(jìn)一步提高梳刷作用。

1.脫粒板 2.紋桿頭 3.螺栓 4.平衡塊 5.紋桿座圖3 紋桿座組合Fig.3 Bar assembly

如前文所述，脫粒滾筒分為前后兩段結(jié)構(gòu)，前段將大部分籽?？梢悦撓虏⒎蛛x，其余未脫下的籽粒在螺旋式脫粒元件作用下，一邊沿滾筒軸線方向后移，一邊不斷翻轉(zhuǎn)秸稈，實(shí)現(xiàn)未脫下谷物與脫粒元件的直接接觸，大大改善谷物的脫粒效果；隨著秸稈層厚度的不斷變小，也有利于脫下籽粒與莖稈的分離。當(dāng)然，由于滾筒后段脫粒物的不斷減少，所以有些機(jī)型甚至將分離凹板改為分段結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)脫粒滾筒不同位置脫粒間隙的不斷變化，提高對逐漸減少的剩余脫粒物的適應(yīng)性，不斷減少谷物的脫粒損失。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證上述分析的正確性，筆者選擇了影響脫粒強(qiáng)度系數(shù)較大的滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙(脫粒系統(tǒng)的出口間隙)及滾筒傾角為試驗(yàn)參數(shù)，以評價(jià)脫粒性能的含雜率和損失率為評價(jià)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，探尋了影響脫粒性能因素的主次關(guān)系，確定所選參數(shù)的較優(yōu)組合。為滿足縱軸流滾筒脫粒的要求，參考國內(nèi)外類似機(jī)型的參數(shù)確定了選定參數(shù)的試驗(yàn)水平，其因素與水平表如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平Table 2 Test factors and levels

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test scheme and result

3.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1極差分析

滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙和滾筒傾角各水平對滾筒脫粒性能的影響如圖4所示。

圖4 各指標(biāo)對損失率、含雜率的影響Fig.4 The influence of each index on the loss rate and impurity content

各考察因子的極差值越大，說明該因子對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，結(jié)合圖4的試驗(yàn)結(jié)果，確定了谷物含雜率和損失率影響因素的主次關(guān)系，如表4所示。

表4 試驗(yàn)指標(biāo)分析Table 4 Analys is of test indexes

3.1.2 方差分析

綜合極差分析和方差分析可知：滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙和滾筒傾角對滾筒的脫粒效果的影響是不同的，如表5所示。

表5 滾筒性能指標(biāo)方差分析Table 5 Variance analysis of roller performance

續(xù)表5

F0.1(3,6)=3.29；F0.05(3,6)=4.76；F0.01(3,6)=9.87。

由方差分析結(jié)果可知：滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、滾筒傾角對滾筒脫粒性能指標(biāo)均有顯著作用。這表明所選參數(shù)正確，是影響該滾筒脫粒性能的主要因素。

在這3個(gè)參數(shù)中，滾筒轉(zhuǎn)速對滾筒脫粒性能的2個(gè)指標(biāo)均有顯著影響，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提高谷物含雜率和損失率呈現(xiàn)先降后升的趨勢。這是因?yàn)闈L筒轉(zhuǎn)速提高后，谷物被滾筒上的脫粒元件擊打及被凹板撞擊強(qiáng)度和次數(shù)增強(qiáng)，谷粒更容易從莖稈上脫下，并由凹板分離出來。

凹板間隙對谷物含雜率和損失率具有顯著影響，間隙過大，脫?？臻g增加，脫粒元件對莖稈的揉搓和沖擊作用降低，從而影響了脫粒效果；間隙太小，會(huì)對谷物的沖擊和揉搓作用加強(qiáng)，從而使莖稈破碎過于嚴(yán)重，影響了籽粒與莖稈的分離。

滾筒傾角對谷物含雜率和損失率有一定影響，當(dāng)滾筒傾角增大時(shí)，由于延長了谷物的脫粒時(shí)間，所以滾筒脫粒更加徹底，谷粒的含雜率及損失率就呈現(xiàn)下降的趨勢。

通過極差和方差分析，綜合各試驗(yàn)因數(shù)對滾筒脫粒性能指標(biāo)的影響及其優(yōu)化組合，按照以谷物含雜率低、損失率低的原則，確定A3B2C4為較優(yōu)組合。

4 結(jié)論

1)開發(fā)了一套縱軸流式滾筒脫粒裝置，分析了該脫粒方式的工作原理，建立了脫凈率與脫粒強(qiáng)度系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，為縱軸流滾筒的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2)確定了滾筒脫粒裝置中關(guān)鍵工作部件的工作參數(shù)，并驗(yàn)證了相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

3)通過正交試驗(yàn)確定了影響谷物損失率的3個(gè)主次因素順序?yàn)椋簼L筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角、凹板間隙；影響谷物含雜率的3個(gè)主次因素順序?yàn)椋喊及彘g隙、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角。較優(yōu)組合為滾筒轉(zhuǎn)速800r/min、凹板間隙15mm、滾筒傾角8°，在該參數(shù)下谷物的含雜率為0.11%、損失率為0.29%，完全滿足國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。