張紅梅，周正，呂志軍，王萬章，何豪，呂嚴柳

(河南農業(yè)大學機電工程學院，鄭州市，450002)

0 引言

油莎豆(CyperusesculentusL.)，又稱虎堅果，油沙草，屬于莎草科作物，其塊莖多為球形或橢球形[1-2]。油莎豆常見的英文名稱有：Earth almond、Chufa、Yellow nutsedge and Zulu nuts，作為一年生的經(jīng)濟作物，由于油莎豆的塊莖含有豐富的油、維生素、淀粉等營養(yǎng)物質，是提取優(yōu)質食用油的原料[3-4]。因此，有計劃地擴大油莎豆的種植面積可以獲得更多的健康食用油原料，減少食用油料油脂的對外依存度，提高我國食用油的自給能力，以利于更好地維護我國食用油安全。

油莎豆在中國發(fā)展60多年來，機械化收獲始終難以推進，土是主要矛盾，若要解決收獲問題，應首先解決篩土問題。據(jù)前期調研，油莎豆收獲時需要將10～15 cm以上的土壤全部挖起，進行豆、土、草等雜質的分離，篩土量為150～225 kg/m2。目前，國外的油莎豆收獲機主要為滾筒式收獲機，其結構單一、尺寸過大，不適合國內農戶使用，并且鮮有關于油莎豆收獲技術研究的報道。國內學者對油莎豆收獲機的研究較少，未形成系統(tǒng)的油莎豆收獲技術體系研究；劉文亮等[5-6]設計了縱軸式和立軸式油莎豆收獲機，對設計方案進行了詳細介紹，并對收獲機的核心零部件進行校核。實際收獲生產(chǎn)中，農戶多使用改進后的花生收獲機完成油莎豆的收獲，造成收獲損失高、效率低等突出問題。因此，針對以上問題，有必要結合現(xiàn)有的塊莖類作物收獲機和農產(chǎn)品物料清選篩分理論來完成油莎豆收獲機的設計及制造[7-12]。在塊莖作物收獲機研究方面，胡志超等[13]針對分段式花生收獲作業(yè)模式，設計了振篩式花生收獲機，提高了花生收獲效率；宋江等[14]設計了一種平貝母藥材收獲機，并對振動篩的運動過程進行了理論分析，為丘陵地區(qū)平貝母生產(chǎn)收獲工作提供了支撐；崔中凱等[15]為實現(xiàn)甘薯的機械化收獲，設計了一種牽引式甘薯收獲機，通過田間試驗表明收獲機的各個核心部件工作性能良好，實現(xiàn)了收獲過程中的土薯分離，有效地降低了傷薯率。在清選篩分理論研究方面，王立軍等[16-18]對物料在振動篩上的運動進行研究，并研究了振動篩不同工作參數(shù)對篩分性能的影響。謝勝仕等[19]研究了馬鈴薯在篩分過程中的運移規(guī)律，通過正交試驗得到了馬鈴薯收獲機的最佳工作參數(shù)。

為解決油莎豆高效低損收獲這一難點問題，在開展多次田間試驗研究的基礎上，課題組提出先脫粒后分離的油莎豆收獲方式，先將油莎豆從油沙草根部分離，再完成豆、土、草混合物的篩分，即可避免油莎豆在根須包裹下隨根須被排出收獲機外造成損失，還可完成初步的碎土，便于之后的篩分，提高篩土效率?；诖?，本文設計一種油莎豆收獲機，利用矩陣分析法和ADAMS仿真，研究篩面各點的運動特性，通過臺架試驗對該收獲機工作參數(shù)進行優(yōu)化，為之后的油莎豆收獲技術研究提供參考。

1 油莎豆脫粒篩分裝置結構與工作原理

1.1 整機結構

本文所設計的油莎豆收獲機基于平面四桿機構以及曲柄搖桿機構的工作原理，主要分為兩大工作部分，即脫粒系統(tǒng)和篩分系統(tǒng)。其中，脫粒系統(tǒng)主要由切流滾筒和沖孔凹板組成，篩分系統(tǒng)主要由振動驅動系統(tǒng)、沖孔篩和編織篩組成，如圖1所示。工作時，在電機的帶動下，脫粒系統(tǒng)對油莎豆進行脫粒，篩分系統(tǒng)對豆、土、草混合物進行分離，最終得到干凈、完整的油莎豆。

圖1 油莎豆收獲機結構圖Fig. 1 Structure diagram of the Cyperus esculentus L. harvester1.編織篩 2.沖孔篩 3.風機 4.電機5.脫粒室 6.機架 7.振動驅動系統(tǒng)

1.2 工作原理

油莎豆收獲篩分機作業(yè)時，收獲挖掘的物料混合物通過喂入斗送入篩分機。豆、土和草組成的混合物料與脫粒裝置中板齒、柱齒的脫粒元件作用，使油莎豆從草的根部脫落，同時大部分豆和土壤顆粒從脫粒凹板篩落下，雜草、根莖等從脫粒滾筒后方排出，由于土塊和油莎豆顆粒的比重大而進入下方的雙層同步振動篩分裝置進行清選，而輕質雜物和部分草在風機作用下從前端被排出機外，進入篩分裝置中的混合物料在雙層篩板的作用下被充分分離，根莖和部分雜物從上層平板篩后端出草口排出機外，油莎豆則從下層編織篩板后端出料口排出收集。

2 篩分機構運動分析

振動篩分機構是整個收獲機的重要組成部分之一，該機構性能的優(yōu)劣決定了油莎豆的收獲質量[11, 20]。其中，振動篩分機構由偏心輪、連桿、沖孔篩和編織篩組成。利用矩陣法對篩分機構進行運動理論分析，首先建立平面直角坐標系，得到該機構的位置方程，將所建立的位置方程對時間進行求導，可以得到速度和加速度的方程，完成機構的運動分析[21-22]。為便于分析計算篩面各點的運動特征，將篩分機構簡化為曲柄搖桿機構，該機構在xOy平面投影的簡圖如圖2所示。圖中l(wèi)1、l2、l3、l4、l5、S1、S2分別為機構中各桿和虛擬桿的長度，θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、? 分別為各桿與x軸之間的夾角。

圖2 振動篩分機構投影圖Fig. 2 Projection of the vibratory screening mechanism

建立驅動機構的運動矢量方程，即

l1+l2+l4=S1

(1)

(2)

將式(2)對時間取一次導數(shù)

(3)

將式(2)對時間取二次導數(shù)

(4)

式中：ω1——曲柄AB角速度，rad/s；

ω2——連桿BC角速度，rad/s；

ω4——搖桿EC角速度，rad/s；

α2——連桿BC角加速度，rad/s2；

α4——搖桿EC角加速度，rad/s2。

建立篩面的運動矢量方程，即

l4+S1=l3+l5

(5)

(6)

將式(6)對時間取一次導數(shù)

(7)

將式(6)對時間取二次導數(shù)

(8)

式中：ω3——篩面CD角速度，rad/s；

ω5——搖桿FD角速度，rad/s；

α3——篩面CD角加速度，rad/s2；

α5——搖桿FD角加速度，rad/s2。

由式(8)可得，篩面在整個運動過程中角度θ3和角加速度α3是持續(xù)變化的，該變化是由各桿長度、各桿與水平面夾角、各桿角速度和角加速度引起的。在整個曲柄連桿雙搖桿機構中，各桿的長度直接影響著篩面傾角的變化。在不改變曲柄搖桿工作參數(shù)的基礎上，不同的搖桿長度l4、l5可以直接改變篩面的傾角。因此，需要繼續(xù)深入研究篩面傾角的變化對該油莎豆收獲機篩分性能的影響。篩面任意一點G在xOy平面內的運動方程

(9)

式中：xG——G點的x坐標值；

yG——G點的y坐標值；

lG——G點與鉸接點C的距離。

將式(9)對時間取一次導數(shù)

(10)

式中：vxG——G點沿x軸方向的速度分量，m/s；

vyG——G點的y軸方向的速度分量，m/s。

將式(9)對時間取二次導數(shù)

(11)

式中：axG——G點沿x軸方向的加速度分量，m/s2；

ayG——G點的y軸方向的加速度分量，m/s2。

根據(jù)以上分析可以得到，篩面的運動為往復式周期運動而非簡單的正弦曲線運動。曲柄搖桿的角速度ω1、ω2決定著篩面速度和加速度的變化，本機構中可通過改變曲柄的轉速來實現(xiàn)其角速度的變化。曲柄搖桿的長度l1、l2影響著篩面的振幅變化，本機構中可改變偏心輪的大小實現(xiàn)振幅的變化。篩面的運動規(guī)律與曲柄轉速、振幅、篩面傾角密切相關，有必要開展深入的研究。

3 篩分機構仿真分析

結合平面往復式振動篩的各桿工作參數(shù)，利用ADAMS軟件完成篩分機構的運動分析[23-24]。在Solidworks軟件中對曲柄雙搖桿機構進行虛擬樣機裝配，并確定各桿的長度。其中，桿l1、l2、l3、l4、l5的長度分別為22 mm、140 mm、900 mm、120 mm、200 mm。

將油莎豆收獲機篩分機構的三維模型導入ADAMS中，確定模型所在的坐標系，定義模型材料屬性，添加不同零部件之間的配合關系。為深入研究篩面縱向不同位置的運動特征，由右至左等間距依次標記5個MARKER點，各點在ADAMS全局坐標系中坐標分別為G1(1060，190)、G2(840，160)、G3(615，135)、G4(405，105)、G5(160，80)，如圖3所示。

(a) 篩分機構三維模型

(b) Marker點標記示意圖圖3 篩分機構模型Fig. 3 Sieving mechanism model

由圖4(a)和圖4(b)可知，由右至左各標記點沿x軸和y軸的位移變化趨勢相同。在x軸方向上，5個標記點的位移變化量均為51.7 mm。而在y軸方向上，5個標記點的位移變化量為6.9 mm。由此可知，水平方向的位移變化量遠大于豎直方向的位移變化量，水平方向的振幅有利于促進物料顆粒持續(xù)的向后端移動，防止大量物料堆積在篩面前端；豎直方向的振幅有利于提高物料顆粒的松散度，提高篩土效率。

(a) x向位移變化曲線

(b) y向位移變化曲線

(c) x向速度變化曲線

(d) y向速度變化曲線

(e) x向加速度變化曲線

(f) y向加速度變化曲線圖4 標記點運動規(guī)律Fig. 4 Movement pattern of the marker points

由圖4(c)和圖4(e)可知，篩面5個標記點各時刻的速度和加速度變化趨勢一致。速度的最大幅值由G1點的0.688 2 m/s增大為G5點的0.691 3 m/s，加速度的最大幅值由G1至G5逐漸升高。在本文之前定義的坐標系內，其沿x軸正向速度最大值為0.691 3 m/s，沿x軸負向速度最小值為0.702 4 m/s。在一個周期內，物料顆粒在篩面上可順利由篩面前端向后端運動，保證顆粒順利完成整個篩分過程。

由圖4(d)可知，篩面各標記點沿y軸方向速度的變化量很小，沿y軸方向的最大速度幅值從G1點的0.160 6 m/s減小為G5點的0.079 7 m/s。在相同時間內，物料在篩面前端豎直方向的位移大于在篩面后端豎直方向的位移，可使物料混合物在篩面前端充分分層，增加土壤顆粒的透篩率，提高篩分效率；物料在篩面后端的豎直位移小可防止物料跳動過高造成損失。

由圖4(f)可知，篩面各標記點沿y軸方向加速度在0.12 s和0.26 s時出現(xiàn)兩個峰值，沿y軸方向加速度的最大幅值由G1點至G5點逐漸減小。物料混合物在篩面前端受力大于篩面后端，可增大混合物在篩面前端的松散度，提高土壤顆粒與篩面接觸概率，提高篩分效率。因此，根據(jù)以上分析可知，該機構篩面的運動特性可滿足篩分要求。

4 臺架試驗與結果分析

4.1 試驗設計

試驗選取油莎豆的品種為中油莎一號，土壤為河南省民權縣沙壤土。在實際收獲過程中，主要難點為收獲慢、損失高等問題，因此根據(jù)實際收獲要求，將油莎豆的篩分效率和損失率作為主要評價指標。

(12)

式中：Y1——篩分效率，%；

ε——原料中土壤顆粒的粒級含量，%；

σ——篩上產(chǎn)品中土壤顆粒的粒級含量，%；

δ——篩下產(chǎn)品中土壤顆粒的粒級含量，%。

(13)

式中：Y2——損失率，%；

m1——損失的油莎豆質量，g；

m2——油莎豆總質量，g。

4.2 試驗方法

根據(jù)前文理論分析結果，選取曲柄轉速A、篩面傾角B和振幅C為試驗因素，將篩分效率和油莎豆損失率作為本次試驗的評價指標。試驗樣機如圖5所示。采用三因素三水平正交組合設計方案進行試驗，如表1所示。

圖5 試驗樣機圖Fig. 5 Test prototype diagram

表1 試驗因素水平Tab. 1 Factors and levels of experiment

4.3 試驗結果與分析

試驗結果如表2所示，利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行處理，得到篩分效率的方差分析結果如表3所示。

由分析結果得：試驗模型顯著(P=0.000 4<0.01)；失擬項p=0.920 1>0.05，殘差項不顯著，該回歸模型成立。其中篩分效率受曲柄轉速和振幅所對應二次項的影響均顯著，受曲柄轉速和振幅的交互項AC的影響顯著，受其余交互項的影響不顯著；各因素對篩分效率的顯著性順序從大到小依次為篩面傾角、曲柄轉速和振幅。獲得篩分效率Y1的回歸數(shù)學模型

Y1=96.43+0.84A+0.62B+0.21C-0.33AB-3.02AC-0.22BC-2.57A2-0.54B2-3.32C2

表2 試驗方案與結果Tab. 2 Test scheme and results

表3 篩分效率方差分析Tab. 3 Variance analysis of screening efficiency

根據(jù)試驗結果，所得各因素對篩分效率影響的響應面曲線如圖6所示。篩分效率隨曲柄轉速的增大先升高后降低，降低幅度大于升高幅度。其主要原因是，隨著曲柄轉速的增加，篩面的振動頻率升高，促進了豆、土混合物在篩面的運動，使混合物在篩面長度方向上分布的更加均勻，高頻率的振動增加了混合物的松散度，使土壤顆粒更容易透篩而出。隨著曲柄轉速的進一步增大，豆、土混合物在篩面的停留時間減少，導致土壤顆粒無法有效透篩，即篩分效率降低。

圖6 曲柄轉速和振幅對篩分效率的影響Fig. 6 Effects of crank speed and amplitude onscreening efficiency

篩分效率隨著振幅的增大先升高后降低，升高幅度大于降低幅度。其主要原因是，開始振幅小，拋擲強度小，篩分效率低，隨著振幅的增加，顆粒的拋擲強度變大，拋擲速度也變大，篩分效率增加；但當振幅過大，顆粒振動的太厲害，其與篩面接觸不夠，篩分效率也會降低。

損失率的方差分析結果如表4所示。由分析結果得：試驗模型顯著(P=0.000 3<0.01)；失擬項p=0.542 1>0.05，殘差項不顯著，該回歸模型成立。其中損失率受各因素對應的二次項的影響均顯著，受曲柄轉速和振幅的交互項AC的影響顯著，受其余交互項的影響不顯著；各因素對損失率的顯著性順序從大到小依次為篩面傾角、曲柄轉速和振幅。獲得損失率Y2的回歸數(shù)學模型

Y2=1.95+0.31A-0.27B+0.059C-0.038AB+

0.41AC+0.061BC+0.58A2+0.18B2+

0.75C2

根據(jù)試驗結果，曲柄轉速和傾角對損失率影響的響應面曲線如圖7所示。損失率隨著曲柄轉速和傾角的增加，均為先減小后增大的變化曲線。當轉速、振幅較低時，籽粒的損失率較高，此時的轉速、振幅不能使豆、土混合物均勻散開，減少了脫出物中豆與篩面的接觸；隨著篩面振幅的增大，油莎豆與土壤顆粒的跳動越明顯，其拋起高度也隨之增加。彈起的高度越高，籽粒與雜余的碰撞次數(shù)越多，損失率增加。

表4 損失率方差分析Tab. 4 Variance analysis of rate of loss

圖7 曲柄轉速和傾角對損失率的影響Fig. 7 Effects of crank speed and inclination on loss rate

4.4 試驗驗證

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行優(yōu)化，獲得該收獲機的最佳工作參數(shù)為：曲柄轉速為236.51 rad/min，篩面傾角為6.7°，振幅為3.98 mm，篩分效率為96.56%，損失率為1.83%。進行5次重復試驗并對試驗結果均值化處理(表5)，得到篩分效率為96.07%，損失率為1.23%，滿足設計要求。

表5 臺架驗證試驗結果Tab. 5 Results of tests

5 結論

1) 根據(jù)油莎豆收獲難的問題，提出分步式收獲方式并設計了一種油莎豆收獲機，利用矩陣法對篩分機構進行分析，得到篩面和篩面任意一點的運動方程，找到了影響篩面運動的關鍵參數(shù)，即曲柄轉速、頻率和篩面傾角。

2) 通過ADAMS仿真分析，研究了篩面的運動特征，沿篩面方向各點的水平速度和水平最速度最大值逐漸增大，促進物料向篩面后端移動；各點的豎直速度和加速度逐漸減小，物料在篩面前端獲得較大的豎直方向的力，提高物料的松散度，增大了物料顆粒的透篩概率。因此，該機構篩面的運動特征可滿足篩分要求。

3) 選取篩分效率和損失率為試驗指標，以曲柄轉速、篩面傾角和振幅為試驗因素，進行三因素三水平正交試驗。結果表明：各因素對篩分效率和損失率的顯著性順序一致，從大到小依次為篩面傾角、曲柄轉速和振幅；得到了油莎豆收獲機的最佳工作參數(shù)，當曲柄轉速為236.51 rad/min，篩面傾角為6.7°，振幅為3.98 mm，篩分效率為96.56%，損失率為1.83%。