陳艷普 康 艷 王廷恩 寧新杰 金誠(chéng)謙,2* 印 祥

(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 255000； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

大豆收獲機(jī)收獲大豆時(shí)，作物通過(guò)脫粒滾筒脫粒，脫出混合物(籽粒、細(xì)小雜余、莖稈)經(jīng)過(guò)凹板篩分離到清選篩上。針對(duì)軸向和徑向脫出物分布規(guī)律的研究，對(duì)確定清選篩結(jié)構(gòu)和尺寸，從而改善籽粒和雜余在篩面上分布狀況，減小清選系統(tǒng)負(fù)擔(dān)及提高清選性能具有重要意義[1-4]。因此對(duì)于脫粒裝置脫出物分布研究尤為重要。

目前針對(duì)不同脫粒裝置脫出物分布規(guī)律的研究較多：P.L.Miu[5]對(duì)桿齒式軸流脫粒裝置脫粒分離過(guò)程進(jìn)行研究，推導(dǎo)出籽粒和雜質(zhì)的分離率理論，以及隨滾筒長(zhǎng)度變化的分離模型，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；V.M.Hunynh等[6]利用傳統(tǒng)脫粒裝置建立了脫粒分離模型，并對(duì)脫粒裝置徑向分布規(guī)律進(jìn)行研究，得出了徑向分布回歸方程；邵維民等[7]對(duì)小型板齒式軸流脫粒分離裝置進(jìn)行軸向脫出物分布研究，闡明了軸向脫出物分布與滾筒長(zhǎng)度的關(guān)系；李保國(guó)[8]對(duì)安裝有軸流式組合脫粒滾筒的脫粒裝置進(jìn)行了脫出物分布規(guī)律的研究，主要針對(duì)籽粒在軸向分布規(guī)律進(jìn)行探討，并通過(guò)擬合曲線的方式得到了籽粒在軸向的脫出物分布模型，但是模型過(guò)于簡(jiǎn)單；李渤海等[9]、衣淑娟等[10-13]和陶桂香等[14]利用水稻脫粒試驗(yàn)，對(duì)螺旋葉片板齒組合式和釘齒式軸流2種不同的脫粒分離裝置進(jìn)行了脫出物分布規(guī)律研究，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分布曲線發(fā)現(xiàn)，2種脫粒裝置的脫出物分布規(guī)律曲線沿軸向呈 Peal-Reed 模型；郭炎等[15]利用水稻試驗(yàn)對(duì)縱軸流脫分裝置的脫出物進(jìn)行徑向分布規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)脫粒元件采用釘齒時(shí)脫出物徑向分布較為均勻。目前未見針對(duì)縱軸流柔性脫粒分離裝置的脫出物分布規(guī)律的研究。

本研究擬以縱軸流柔性脫粒裝置為試驗(yàn)對(duì)象，以滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量、脫粒間隙、導(dǎo)流板角度為試驗(yàn)因素，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，對(duì)比不同因素變化下脫出物在軸向和徑向的分布規(guī)律的變化；獲取縱軸流柔性脫粒裝置的脫出物分布規(guī)律，以期為研制清選裝置提供參考。

1 縱軸流柔性脫粒裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 脫粒裝置的結(jié)構(gòu)

縱軸流柔性脫粒裝置整體結(jié)構(gòu)見圖1。主要由柔性脫粒滾筒、頂蓋、導(dǎo)流板、機(jī)架、間隙可調(diào)式凹板篩等機(jī)構(gòu)組成。脫粒滾筒主體框架由輔盤、主軸和輻條組成，外側(cè)焊有兩根螺旋筋，為減小脫粒元件對(duì)作物的打擊力，柔性脫粒桿齒外側(cè)包有聚氨酯橡膠套，按雙螺旋排布形式焊接在外置螺旋筋上；螺旋喂入裝置通過(guò)螺栓與滾筒主體框架連接。

θ為導(dǎo)流板角度。θ is the deflector angle. 1.柔性脫粒滾筒；2.可調(diào)式凹板篩；3.凹板篩電液推桿；4.機(jī)架；5.頂蓋電液推桿；6.頂蓋；7.導(dǎo)流板 1.Flexible threshing drum; 2. Adjustable concave plate screen； 3.Concave sieve electro-hydraulic push rod; 4.Frame; 5.Top cover electro-hydraulic putter; 6. Top cover; 7.Deflector圖1 柔性脫粒裝置(a)和頂蓋(b)Fig.1 Flexible thresher (a) and top cover (b)

1.2 工作原理

縱軸流柔性脫粒裝置的工作過(guò)程主要分為4個(gè)階段，分別為大豆植株喂入、脫粒、分離、排出莖稈。工作過(guò)程中，大豆植株在螺旋喂入裝置的強(qiáng)制作用下進(jìn)入脫粒室內(nèi)；作物在脫粒桿齒和導(dǎo)流板的共同作用下沿軸向向后做螺旋運(yùn)動(dòng)；在此過(guò)程中，大豆籽粒在桿齒和凹板篩的打擊、碰撞等作用下，從豆莢中脫出，完成脫粒過(guò)程；在脫粒過(guò)程中，脫粒桿齒與聚氨酯橡膠組成的柔性桿齒，有效降低了脫粒元件對(duì)籽粒的打擊力，降低了大豆籽粒在脫粒過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械損傷；脫下的大豆籽粒通過(guò)凹板篩進(jìn)入到清選裝置，完成分離過(guò)程；剩余的長(zhǎng)莖稈等雜質(zhì)被推送到滾筒尾端，排出脫粒室，完成整個(gè)脫粒過(guò)程。

2 試驗(yàn)裝置及條件

2.1 試驗(yàn)裝置

縱軸流柔性脫粒分離試驗(yàn)臺(tái)由本研究團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)研制，主要包括縱軸流柔性脫粒分離裝置、輸送帶、信號(hào)采集器等(圖2)，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)不同要求的喂入量，將大豆植株物料均與鋪放在在輸送帶上；大豆植株經(jīng)輸送帶進(jìn)入喂入攪龍，由過(guò)橋強(qiáng)制輸送到脫粒裝置內(nèi)，在脫粒室內(nèi)進(jìn)行脫粒分離；莖稈等雜余從脫粒裝置尾部排出，脫出混合物通過(guò)凹板篩進(jìn)入到接料盒內(nèi)，試驗(yàn)后對(duì)接料盒內(nèi)的混合物進(jìn)行人工處理；根據(jù)試驗(yàn)需求，在凹板篩下放置6×6個(gè)接料盒，每個(gè)接料盒標(biāo)準(zhǔn)尺寸為210 mm×145 mm，接料盒分布見圖3。每次試驗(yàn)過(guò)后對(duì)每一個(gè)接料盒內(nèi)的脫出物進(jìn)行人工分類計(jì)數(shù)。對(duì)接料盒內(nèi)的脫出物分類發(fā)現(xiàn)，脫出物主要分為：籽粒、豆莢和輕質(zhì)雜余(細(xì)小顆粒和短莖稈)，對(duì)各物料進(jìn)行稱重記錄。

1.輸送帶；2.喂入電機(jī)；3.過(guò)橋電機(jī)；4.過(guò)橋；5.縱軸流柔性脫粒分離裝置；6.密閉室；7.接料盤；8.滾筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)；9.控制柜；10.信號(hào)采集器 1.Conveyor； 2.Feed motor; 3.Bridge motor; 4.Cross the bridge; 5.Vertical axial flow flexible threshing and separating device; 6.Confined room; 7.Receiving tray; 8.Drum drive motor; 9.Control cabinet; 10.Signal collector圖2 縱軸流柔性脫粒分離試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Vertical axial flow threshing and separating test bench

①柔性脫粒滾筒； ②可調(diào)式凹板篩； ③接料盒 ① Flexible threshing drum; ② Adjustable concave plate screen； ③ Material receiving box圖3 接料盒軸向(a)和徑向(b)分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of the axial (a) and radial (b) distributions of the receiving box

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)使用的大豆為臨豆11號(hào)，其植株特性見表1。以滾筒轉(zhuǎn)速n、喂入量Q、脫粒間隙e和導(dǎo)流板角度θ為因素，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分析各個(gè)工作參數(shù)對(duì)縱軸流柔性脫粒裝置的脫出物軸向和徑向分布規(guī)律的影響。

對(duì)縱軸流柔性脫粒裝置進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平見表2。試驗(yàn)過(guò)程中，某一試驗(yàn)因素參數(shù)變化時(shí)，其余因素參數(shù)選取中間值。每組試驗(yàn)過(guò)后，人工將脫出物分為籽粒、豆莢、莖稈和輕質(zhì)雜余，并稱重記錄，為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)做3次，取平均值。

表1 試驗(yàn)大豆植株特性Table 1 Test soybean plant characteristics

表2 脫出物分布試驗(yàn)單因素水平表Table 2 Single factor levelTable for extruder distribution test

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)脫出物分布規(guī)律影響

選取滾筒轉(zhuǎn)速n分別為500、600和700 r/min，不同滾筒轉(zhuǎn)速下軸向和徑向脫出物分布見圖4。

不同滾筒轉(zhuǎn)速時(shí)軸向脫出物分布規(guī)律相似，隨著作物脫粒分離的進(jìn)行，脫出物質(zhì)量沿滾筒軸向不斷降低；1號(hào)接料盒中脫出物質(zhì)量最高，隨后迅速降低，3和4號(hào)接料盒中的脫出物質(zhì)量相差較小；脫出物沿軸向分布不均勻。隨著滾筒轉(zhuǎn)速提升，脫出物質(zhì)量峰值不斷減少，而對(duì)應(yīng)其他接料盒的質(zhì)量不斷增加(圖4(a))。不同滾筒轉(zhuǎn)速下徑向脫出物分布規(guī)律相似，徑向脫出物分布不均勻，但是整體脫出總物質(zhì)量不斷減少(圖4(b))。表明：當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速增加時(shí)，柔性脫粒元件對(duì)物料的作用力沒有明顯的增大；滾筒轉(zhuǎn)速增加，加快植株運(yùn)動(dòng)速度，減少了脫粒室內(nèi)植株的脫粒時(shí)間，莖稈受到的打擊次數(shù)減少，能分離出的莖稈雜質(zhì)質(zhì)量減少。因此滾筒轉(zhuǎn)速增大時(shí)脫出物質(zhì)量減少。通過(guò)對(duì)軸向和徑向曲線光滑程度的對(duì)比，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)曲線的光滑程度較好。

圖4 不同滾筒轉(zhuǎn)速n下脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.4 Distribution of axial (a) and radial (b) of the effluent at different drum speeds n

3.2 喂入量對(duì)脫出物分布規(guī)律影響

選取喂入量Q分別為2.5、5.0和7.5 kg/s進(jìn)行試驗(yàn)。不同喂入量情況下，軸向脫出物分布規(guī)律相似，脫出物分布不均勻。1號(hào)接料盒中脫出物質(zhì)量最高，隨后迅速降低，隨著喂入量不斷增加，每個(gè)接料盒的脫出物質(zhì)量增大(圖5(a))；徑向脫出物分布不均勻，脫出物質(zhì)量變化為先增后減再增，隨著喂入量增加，脫出物質(zhì)量曲線變化更加明顯(圖5(b))。表明：當(dāng)喂入量增大時(shí)，脫粒室內(nèi)的大豆植株增多，物料之間、物料與脫粒元件之間的擠壓力增大，大豆植株受到的作用力增大，脫下物料量增加，分離出的脫出物質(zhì)量增加；喂入量對(duì)軸向和徑向脫出物分布規(guī)律沒有影響。

圖5 不同喂入量Q下脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.5 Distribution of axial (a) and radial (b) of the effluent under different feeding quantities Q

3.3 脫粒間隙對(duì)脫出物分布規(guī)律影響

選取脫粒間隙e分別為20、25和30 mm進(jìn)行試驗(yàn)。不同脫出物間隙的脫出物分布規(guī)律相似且分布不均勻。隨著脫粒間隙增大，1號(hào)接料盒中脫出物質(zhì)量不斷減少，3、4號(hào)接料盒呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)(圖6(a))。徑向脫出物分布呈現(xiàn)出先增后減載增再減的趨勢(shì)；隨著脫粒間隙增加，脫出物質(zhì)量整體不斷減少(圖6(b))。這表明：隨著脫粒間隙增大，脫粒室內(nèi)的大豆植株形成的物料流變松散，脫出物越容易穿過(guò)物料流分離出來(lái)，并且由于脫粒間隙增大，脫粒室內(nèi)空間增大，植株受到脫粒元件打擊次數(shù)相應(yīng)減少，所有當(dāng)脫粒間隙增大時(shí)脫出物質(zhì)量減少；脫粒間隙對(duì)軸向和徑向脫出物分布規(guī)律沒有影響。

圖6 不同脫粒間隙e下脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.6 Distribution of axial (a) and radial (b) of effluents under different threshing gaps e

3.4 導(dǎo)流板角度對(duì)脫出物分布規(guī)律影響

選取導(dǎo)流板角度θ分別為60°、70°和80°，不同導(dǎo)流板角度下，軸向脫出物分布規(guī)律相似且分布不均勻，隨著導(dǎo)流板角度增加，脫出物質(zhì)量峰值不斷增大，但2號(hào)接料盒以后脫出物質(zhì)量呈現(xiàn)出先減少后增大的趨勢(shì)(圖7(a))；導(dǎo)流板角度對(duì)徑向脫出物分布基本沒有影響且分布不均勻，整體還是呈現(xiàn)出先增后減再增再減的趨勢(shì)(圖7(a))。表明：由于導(dǎo)流板角度對(duì)大豆物料的脫粒時(shí)間有關(guān)，當(dāng)導(dǎo)流板角度越大，大豆物料再脫粒室內(nèi)的停留時(shí)間越長(zhǎng)，受到脫粒元件打擊次數(shù)和與凹板篩搓擦?xí)r間越多，使大豆莖稈破碎嚴(yán)重，導(dǎo)致能夠分離出的物料質(zhì)量增加，所以隨著導(dǎo)流板角度增大，脫出物總質(zhì)量不斷增加。

圖7 不同導(dǎo)流板角度θ下脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.7 Distribution of axial (a) and radial (b) of the effluent under different guide plate angles θ

4 脫出物分布規(guī)律

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，柔性脫粒裝置的各個(gè)工作參數(shù)對(duì)軸向和徑向的脫出物分布變化趨勢(shì)沒有影響。為得出柔性脫粒裝置的脫出物分布規(guī)律，選取各個(gè)參數(shù)為中間值，即滾筒轉(zhuǎn)速為600 r/min，喂入量5 kg/s，脫粒間隙25 mm，導(dǎo)流板角度為70°進(jìn)行脫出物分布試驗(yàn)，將脫出物總質(zhì)量、脫出籽粒質(zhì)量、大豆豆莢質(zhì)量和輕質(zhì)雜余質(zhì)量在軸向和徑向的分布數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SPSS中進(jìn)行擬合，試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 當(dāng)n=600 r/min、Q=5 kg/s、e=25 mm、θ=70°時(shí)脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.8 Distribution of prolapse on axial (a) and radial (b) when n=600 r/min, Q=5 kg/s, e=25 mm, θ=70°

由圖8(a)可知：軸向脫出物分布規(guī)律與籽粒分布規(guī)律相同，在脫粒滾筒最前端分離出的物料質(zhì)量最高，隨后迅速下降，4、5、6號(hào)接料盒變化速度減緩，6號(hào)接料盒的物料質(zhì)量最??；由籽粒分布曲線可以看出，脫出大豆籽粒都集中在脫粒端被分離出來(lái)，較為難脫的籽粒在分離段分離出脫粒室；由于脫粒元件外包有聚氨酯橡膠套，可以有效降低脫粒元件對(duì)大豆植株的打擊力，減少由莖稈破碎帶來(lái)的雜質(zhì)，從輕質(zhì)雜余的曲線可以看出，輕質(zhì)雜余主要集中在滾筒前端，隨著滾筒長(zhǎng)度變化被分離出的輕質(zhì)雜余質(zhì)量不斷減少，與文獻(xiàn)[12]中輕質(zhì)雜余的分布曲線不斷增加相比，柔性脫粒滾筒對(duì)莖稈的損傷較少，可有效減輕清選工作量。對(duì)軸向脫出物的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到關(guān)于脫出物、籽粒、豆莢和輕質(zhì)雜余在軸向脫出分布規(guī)律的回歸方程(表3)。

脫出物、籽粒、豆莢、輕質(zhì)雜物的徑向分布規(guī)律相似，其中籽粒與脫出物的徑向分布狀況更為相似；物料質(zhì)量在2號(hào)接料盒出現(xiàn)第一個(gè)峰值，在4號(hào)接料盒出現(xiàn)第一個(gè)波谷，5號(hào)接料盒的脫出物量達(dá)到第二峰值，兩個(gè)峰值差值較大，第一峰值約是第二峰值的2倍左右；豆莢、輕質(zhì)雜物的曲線變化較平緩。表明脫出物落入清選裝置上分布不均勻(圖8(b))。利用SPSS 對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合得出脫出物等徑向分布曲線為系數(shù)不同的多項(xiàng)式形式，y=a+bx+cx2+dx3+ex4。

表3 軸向脫出物分布回歸方程Table 3 Regression equation of axial extractives distribution

5 結(jié) 論

本研究通過(guò)單因素對(duì)比試驗(yàn)，探究滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量、脫粒間隙和導(dǎo)流板工作參數(shù)對(duì)縱軸流柔性脫粒裝置軸向和徑向脫出物分布規(guī)律的影響，研究結(jié)果如下：

1)脫出物在軸向上變化趨勢(shì)是不斷減??；徑向分布按“馬鞍型”分布；隨著縱軸流柔性脫粒裝置工作參數(shù)變化，軸向和徑向的脫出物分布規(guī)律趨勢(shì)沒變。

2)縱軸流柔性脫粒裝置軸向脫出物和籽粒分布規(guī)律符合y=aexp(bx)，軸向豆莢和輕質(zhì)雜余分布規(guī)律符合三次函數(shù)；脫出物等徑向分布曲線為系數(shù)不同的多項(xiàng)式形式,y=a+bx+cx2+dx3+ex4。