雙滾筒式玉米種子脫粒裝置設(shè)計與試驗
2020-10-17 01:02:14倪志偉楊然兵王鳳婕周小輝
農(nóng)機化研究 2020年5期
倪志偉,楊然兵,劉 陽,王 敏,王鳳婕,周小輝
(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,山東 青島 266109;2.河南豪豐機械制造有限公司,河南 許昌 461000)
0 引言
玉米是一種重要的糧食作物、飼料作物和經(jīng)濟作物,富含蛋白質(zhì)、脂肪等,一直被譽為長壽食品,在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟發(fā)展中占有越來越重要的地位。 玉米種子的破損,不但使玉米種子抗壓強度降低,儲存過程中易吸濕、霉變和產(chǎn)生蟲害等,導(dǎo)致市場價值降低,且直接影響種子發(fā)芽[1]。脫粒分離裝置是玉米籽粒收獲機的核心部件[2-5],其工作性能直接決定了玉米籽粒收獲作業(yè)的質(zhì)量。
國外對于脫粒技術(shù)的研究較早,1815年美國開發(fā)出了世界上第一臺手工操作的玉米脫粒機,標(biāo)志著玉米脫粒技術(shù)研究的開始[6]。國外對于玉米脫粒裝置的研制比較早,技術(shù)相對成熟,但一般都是大型機械,價格比較昂貴[7-9]。自20世紀(jì)80年代以來,少數(shù)小型農(nóng)業(yè)機械廠和科研機構(gòu)通過引進國外先進設(shè)備,開發(fā)并生產(chǎn)了種子收獲機械[10]。代表性機械裝備有[11-14]:黑龍江省農(nóng)墾總局紅興隆研究院研發(fā)的5ZTY-450型移動式種子脫粒機,黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究所開發(fā)的5TZ-800型小區(qū)脫粒機,河南衛(wèi)輝市機械廠生產(chǎn)的KT-200型單穗玉米種子脫粒機,浙江托普儀器有限公司開發(fā)的TGL-570B型小區(qū)脫粒機,鐵嶺東升玉米品種試驗中心研發(fā)的DS 系列玉米小區(qū)脫粒機等。
我國對于玉米種子脫粒裝置的研制相對較晚,且普遍存在種子破損嚴(yán)重、含雜率高等問題[15]。為此,設(shè)計了一種雙滾筒式玉米種子脫粒裝置,試驗表明該裝置滿足脫粒標(biāo)準(zhǔn)要求。
1 結(jié)構(gòu)和工作原理
1.1 總體結(jié)構(gòu)
裝置由機架、雙脫粒滾筒、風(fēng)機和振動篩等部件組成,如圖1所示。為了使該脫粒裝置更好地除雜,每個脫粒滾筒都配置一個風(fēng)機。
1.前風(fēng)機 2.進料口 3.第一脫粒滾筒 4.第二脫粒滾筒 5.后風(fēng)機
1.2 工作原理
玉米果穗經(jīng)進料口喂入第1脫粒室,玉米果穗在第1脫粒滾筒內(nèi)做無規(guī)則運動,脫粒原件與玉米果穗發(fā)生相互沖擊作用,使部分玉米籽粒和碎芯脫落;前風(fēng)機通過氣流作用將輕雜質(zhì)排出機外,剩余籽粒和雜質(zhì)通過凹版篩落入振動篩進行二次篩選;隨著脫粒滾筒的旋轉(zhuǎn)和喂入量的增加,玉米果穗移動到第2脫粒室,重復(fù)第1脫粒室的過程,脫粒后的玉米芯經(jīng)排芯口排出機外。
2 關(guān)鍵部件設(shè)計
2.1 脫粒滾筒的設(shè)計
脫粒裝置的功能是將玉米籽粒從果穗上脫下,并從脫出物中分離、清選出來,脫粒滾筒的功能直接影響玉米籽粒的脫出效果。該脫粒滾筒主要由圓柱體和4排桿齒組成,每排桿齒由9個脫粒單元組成,如圖2所示。各脫粒單元均勻排列在每一條線上,相鄰兩排桿齒的脫粒單元交錯排列,為了減少玉米籽粒的損傷,每個脫粒單元外側(cè)套上橡膠材料。作物被脫粒滾筒抓進并拖過凹版,在脫粒單元的沖擊、梳刷和齒面、凹版弧面的搓擠作用下脫粒,同時玉米果穗隨著螺旋形桿齒向另一側(cè)移動。
圖2 釘齒式脫粒滾筒結(jié)構(gòu)簡圖
根據(jù)玉米收獲機和脫粒裝置的總體設(shè)計要求,脫粒滾筒長度L取960mm。脫粒單元采用圓錐形桿齒,脫粒單元上直徑d1為20mm,下直徑d2為30mm,高度h為50mm。
脫粒滾筒直徑D為[16]
(1)
式中M—桿齒排數(shù),取M=4;
S—相鄰兩齒板的中心距(mm),取S=102;
h—釘齒高度(mm)。
脫粒速度vt(滾筒釘齒頂端圓周速度)為
(2)
式中n—滾筒轉(zhuǎn)速(r/min);
D—滾筒釘齒頂端直徑(mm)。
脫粒滾筒采用雙滾筒結(jié)構(gòu),雙滾筒結(jié)構(gòu)相同,滾筒轉(zhuǎn)速前低后高,轉(zhuǎn)速比為1∶2[16],延長了脫粒時間,脫粒干凈,分離效果好。
2.2 凹板的設(shè)計
當(dāng)玉米籽粒脫落后,籽粒會被高速旋轉(zhuǎn)的脫粒桿齒帶動沿切向運動,并沿著果穗徑向滑動,其運動為復(fù)合運動。在篩選過程中,凹板篩的設(shè)計和選擇成為分離過程中的重要影響因素。凹版長度由滾筒長度決定,包角為120°,凹版分離形式主要有柵格式、沖孔篩式和編織篩式3種。其中,沖孔篩式凹版結(jié)構(gòu)簡單、篩孔小,可避免脫粒過程中較大雜余下落到清選系統(tǒng)[17],能降低物料與凹版間的摩擦,因此選擇沖孔篩式。根據(jù)玉米籽粒的物理特性,沖孔直徑選為20mm,如圖3所示。
圖3 凹版模型圖
3 玉米脫粒試驗
3.1 試驗條件
田間收獲試驗選在河南豪豐機械制造有限公司試驗基地進行,試驗地面積為100m×70m,玉米行距為800mm,株距為310mm,果穗長度210mm,植株倒伏率低于5%,果穗下垂率低于15%,最低接穗高度810mm,品種為丹玉14號,含水率為19%～21%。該脫粒裝置安裝在玉米籽粒收獲機上,如圖4所示。
圖4 試驗樣機
該機主要由摘穗裝置、果穗輸送裝置、脫粒裝置及清選裝置等組成,可一次性完成玉米摘穗、脫粒、風(fēng)選及除雜等作業(yè)。該機生產(chǎn)率為0.40～0.45hm2/h,發(fā)動機最大功率為50kW,可一次性收獲兩行玉米。
3.2 試驗方法
試驗依據(jù)GBT 21962-2008 《玉米收獲機械技術(shù)條件》和GBT 21961-2008 《玉米收獲機械 試驗方法》相關(guān)規(guī)定進行。試驗前,測量玉米地塊10m,測試區(qū)兩端均割除,機組進入測試區(qū)前設(shè)置為一定速度,保證前進速度為勻速。
籽粒含雜率和籽粒破碎率計算公式為
(3)
(4)
式中Zz—籽粒含雜率(%);
Wza—雜質(zhì)質(zhì)量(g);
Wh—混合籽粒質(zhì)量(g);
Zs—籽粒破碎率(%);
Ws—破碎籽粒質(zhì)量(g);
Wi—樣品籽?？傎|(zhì)量(g)。
3.3 試驗方案與結(jié)果
試驗采用三因素二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計,試驗總數(shù)為20組,每組試驗進行3次取平均值[18-19]。結(jié)合樣機實際工作情況,確定機組前進速度變化范圍為0.4～1.0m/s,試驗因素水平編碼如表1所示,試驗方案及結(jié)果如表2所示。
表1 因素水平編碼表
表2 試驗方案及結(jié)果分析
3.4 試驗結(jié)果分析
試驗結(jié)果采用Data Processing System(DPS)軟件進行回歸方程的顯著性分析,建立試驗指標(biāo)y1、y2對試驗因素x1、x2和x3的二次多項式回歸模型,如方程(5)、方程(6)所示。進行回歸模型方差分析,籽粒含雜率和籽粒破碎率試驗結(jié)果方差分析如表3、表4所示。
y1=2.3254+0.0125z1+0.0316z2-0.0083z3+
0.0075z1z3-0.0125z2z3
(5)
y2=1.54+0.015z1+0.044z2-0.011z3+
0.0063z1z3+0.0063z2z3
(6)
表3 籽粒含雜率試驗結(jié)果方差分析
注F0.1(1,10)=3.29,F0.05(1,10)=4.96,F0.01(1,10)=10.04,F0.1(5,5)=3.45,F0.01(9,10)=4.95
表4 籽粒破碎率試驗結(jié)果方差分析
續(xù)表4
由表3可知:F11=0.66
(7)
由無量綱編碼值回歸方程可知,試驗因素對籽粒含雜率影響大小次序為:脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、機組前進速度、脫粒間隙。
由表4可知:F21=1.95
(8)
由無量綱編碼值回歸方程可知,試驗因素對籽粒破碎率影響大小次序為:脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、機組前進速度、脫粒間隙。
4 結(jié)論
1)針對玉米脫粒過程中含雜率高、破碎率高等問題,設(shè)計了一種雙滾筒式玉米種子脫粒裝置,并在每個脫粒單元外側(cè)套上橡膠材料,能夠降低玉米籽粒的脫粒損傷。
2)通過對滾筒進行動力學(xué)分析,得出脫粒元件對果穗的打擊力受脫粒滾筒轉(zhuǎn)速影響較大。選取機組前進速度、第二脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙試驗指標(biāo)對含雜率及破碎率進行三因素二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗,得出兩指標(biāo)與作業(yè)參數(shù)之間的影響規(guī)律。
3)由試驗結(jié)果方差分析可知:影響含雜率、破碎率的試驗因素主次順序均為脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、機組前進速度、脫粒間隙。
