韓長杰 宋東良 朱雪峰 朱興亮 袁盼盼 刁宏偉

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院， 烏魯木齊 830052； 2.新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 烏魯木齊 830052)

0 引言

新疆是食葵主產(chǎn)區(qū)之一，新疆食葵的播種、植保、脫籽等作業(yè)均已實現(xiàn)機械化，但收獲作業(yè)的機械化程度仍處于較低水平[1-3]?，F(xiàn)階段新疆食葵收獲方式為：先將食葵盤割下插在葵稈上(插盤)晾曬4～7 d，待食葵盤含水率降到宜收范圍后，人工進行取盤脫粒。食葵盤經(jīng)晾曬后，葵盤出現(xiàn)拱起，籽粒干燥緊縮，籽間間隙增大，結構趨于松散，人工取盤、拋盤過程中會造成一定籽粒損失，且取盤作業(yè)效率依賴于人工熟練度及參與作業(yè)人工數(shù)[4]，作業(yè)效率低、成本高。因此，設計適用于新疆食葵采收作業(yè)需求的插盤食葵收獲機械對于提高食葵采收效率、促進食葵產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

國外食葵機械化程度比較高，如美國Capello公司開發(fā)了撥禾輪采用塑料柔性撥禾板的葵花收獲機，俄羅斯Rostselmash公司設計了利用鏈條撥齒進行喂入的葵花收獲機，F(xiàn)antini公司生產(chǎn)了鏈條帶動柔性輸送帶進行喂入的葵花收獲機，Ziegler公司借鑒玉米割臺原理開發(fā)了利用拉莖輥實現(xiàn)向日葵葵盤和葵稈分離的葵花收獲機[5]。國外及國內(nèi)部分地區(qū)的成熟食葵植株含水率較小，適宜機械化聯(lián)合采收[6-7]，而新疆晝夜溫差大、夜間露水多、無霜期短，難以滿足食葵整株晾曬時間需求[8-9]，采收期食葵植株含水率較大，此時直接脫粒破損率高，且收取后需及時干燥處理，成本較高，不適用機械化聯(lián)合收獲模式[10]。

針對新疆插盤食葵機械化收獲，新疆豐達機械制造有限公司[11]研制了5TK-1400型移動式食葵取籽機，由人工將田間插稈晾曬后的食葵盤喂入撿拾臺，撿拾臺底部推運螺旋將食葵盤送入脫粒裝置內(nèi)進行脫粒。該機生產(chǎn)效率較高、工作性能較穩(wěn)定，但仍需要人工進行食葵盤撿拾操作，費時費力，且食葵盤整體喂入的脫粒方式功率消耗大、清選復雜，收獲成本高。

在脫粒收獲領域，秦朝學等[12]設計的一種負壓抽吸式割前脫粒收獲機，采用風機產(chǎn)生的負壓抽吸作用及脫粒滾筒的旋轉實現(xiàn)作物穗頭的喂入和脫粒，脫下的籽粒隨氣流吸入集谷倉內(nèi)完成收集，該收獲機無需先切割穗頭再進行脫粒，簡化了收獲作業(yè)步驟。這種在作物站稈下直接對作物結穗部分脫粒收獲的方式，為插盤食葵的機械化收獲提供了參考。

為實現(xiàn)插盤食葵的機械化收獲，解決人工取盤收獲勞動強度大、成本高的問題，本文在割前脫粒收獲方式基礎上，針對新疆插盤食葵收獲現(xiàn)狀，設計一種插盤食葵原位脫粒收獲原理機，以期在不取盤條件下完成葵盤脫粒、籽粒收集工作，減少人工參與、降低收獲成本，為插盤食葵機械化收獲方式提供新的思路。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

插盤食葵原位脫粒收獲原理機主要由原位脫粒裝置和籽?；厥昭b置組成，如圖1所示。其中原位脫粒裝置主要包括分禾器、撥禾鏈組件、葵盤托板、擊打輥、脫粒刷；籽?；厥昭b置主要由集料斗、傳動帶輪組、輸送風管、密封收集箱、離心風機組成。為提高脫凈率，原位脫粒裝置采用擊打-刷脫組合脫粒方式進行作業(yè)，設計供葵稈和葵盤通過的通道，分禾器位于通道最前方，分禾器后布置撥禾鏈和葵盤托板，在通道頂部安裝擊打輥和脫粒刷，通道底部左右兩側對稱布置集料斗，通道外側包有金屬罩殼，籽?；厥昭b置與原位脫粒裝置并排布置，牽引架、地輪等部件安裝在機架上。

圖1 整機結構圖Fig.1 Whole machine structure diagram1.脫粒刷 2.擊打輥 3.撥禾鏈 4.葵盤托板 5.分禾器 6.集料斗 7.機架 8.傳動帶輪組 9.離心風機 10.地輪 11.密封收集箱 12.輸送風管

整機主要參數(shù)如表1所示?；谠幻摿Ｌ攸c，插盤食葵喂入機具后需要有良好的通過性，故定義左右葵盤托板間隙垂直距離為過稈間隙。

表1 主要參數(shù)Tab.1 Main parameters

1.2 工作原理

插盤食葵原位脫粒收獲原理機由拖拉機輸出軸為擊打輥、脫粒刷和離心風機提供動力，地輪驅動撥禾鏈作業(yè)，且保證葵稈喂入速度與機具作業(yè)速度一致。食葵稈經(jīng)分禾器進入原位脫粒裝置，撥禾鏈及葵盤托板引導葵稈到達擊打輥處，擊打輥將葵盤籽粒敲擊松動，之后，脫粒刷旋轉進行脫粒作業(yè)，籽粒脫落后進入集料斗，然后由輸送風管吸入密封收集箱，完成食葵脫粒收集作業(yè)。脫粒后的葵盤、葵稈從機器后方排出留在田間，整機繼續(xù)作業(yè)。

2 關鍵部件設計

2.1 擊打-刷脫組合式原位脫粒裝置

原位脫粒裝置主要包括擋籽軟簾、葵盤托板、撥禾鏈、集料斗、擋籽毛刷、擊打輥、脫粒刷、脫粒刷調(diào)節(jié)機構，如圖2所示，該裝置用于完成食葵盤的喂入、擊打、刷脫、落籽。經(jīng)前期調(diào)研可知人工插盤距地面高度為700～900 mm、食葵稈直徑為25～56 mm，因此設置葵盤托板高度為650 mm、設置過稈間隙為70 mm，確?？P、食葵稈能夠正常喂入。其中，葵盤托板還可以防止葵盤從葵稈脫落并確?？P保持在一定高度。撥禾鏈的作用是引導食葵稈喂入，此外，在擊打輥、脫粒刷作業(yè)環(huán)節(jié)還起到支撐扶正葵盤作用。擊打輥將葵盤籽粒擊打松動，便于后續(xù)刷脫，提高葵盤脫凈率，同時擊打輥還有校正葵盤插盤不穩(wěn)、插盤不正作用。脫粒刷采用柔性材料作業(yè)，對籽粒損傷小，有助于保證籽粒品質。兩側集料斗在上方縫隙交錯排布擋籽毛刷，可以有效減少籽粒落地損失。飛濺的籽粒由機架外側罩殼阻擋并落入下方集料斗中，從而確保籽粒在脫粒后被有效收集。

圖2 葵盤原位脫粒原理圖Fig.2 Schematic of in-situ threshing of edible sunflower head1.擋籽軟簾 2.葵盤托板 3.撥禾鏈 4.集料斗 5.葵稈 6.擋籽毛刷 7.葵盤 8.擊打輥 9.脫粒刷 10.脫粒刷調(diào)節(jié)機構

2.1.1擊打輥設計

擊打輥由圓輥體及多個有序安裝在圓輥體上的擊打元件組成。收獲期葵盤籽粒排布仍較為密實，純?nèi)嵝該舸蛟鳂I(yè)難以破壞其密實結構，脫粒效果較差，而純剛性擊打元件作業(yè)易使籽粒破損。故本文擊打元件采用柔性撥片-剛性撥齒組合方式，利用柔性橡膠片變形吸收部分能量，降低對籽粒的沖擊作用力，利用剛性撥齒破壞籽間密實結構，提高脫粒效果。另外，剛性撥齒端部采用圓弧倒角設計，可以有效避免撥齒尖銳沖擊籽粒，減少葵籽的破損。

葵盤擊打輥長度和直徑是影響生產(chǎn)效率和后續(xù)脫粒效果的重要因素。葵盤采用徑向喂入方式，擊打輥長度過長會導致功耗增加，過短會影響脫粒效果；而擊打輥直徑太小，單排擊打元件擊打行程短，不利于后續(xù)脫粒刷脫粒，擊打輥直徑太大，裝置體積和質量增大、整機尺寸增大，功耗增加。參考脫粒滾筒設計要求[13-15]，設計擊打輥直徑和長度為

(1)

式中Dj——葵盤擊打輥直徑，mm

d——葵盤平均直徑，mm

Lr——葵盤擊打輥長度，mm

dmax——葵盤最大直徑，mm

由前期調(diào)研可知，葵盤平均直徑約279.64 mm，葵盤最大直徑為345.8 mm，代入式(1)計算得葵盤擊打輥直徑應大于133.51 mm，葵盤擊打輥長度應大于380.38 mm，結合機架尺寸設計要求及安裝位置，輥體圓盤直徑取220 mm，輥體長度取390 mm。為避免葵盤擊打破碎嚴重及增加功耗，取擊打輥齒排數(shù)為6排；為提高葵盤擊打效果，相鄰齒排擊打元件采用交錯排列布置方式，單排擊打元件數(shù)為4組。

作業(yè)時，剛性撥齒首先與葵盤接觸，擊打輥繼續(xù)旋轉，柔性撥片彎曲變形，擊打元件受力方向與豎直方向夾角由θF1變?yōu)棣菷2，如圖3所示，葵盤所受水平方向分力減小，豎直方向分力增大，撥齒更易嵌入籽間，破壞籽間密實結構，有助于籽粒脫落。當撥齒接觸到葵盤與籽粒交界處后，柔性撥片彎曲程度減小，葵盤水平方向所受分力增大，豎直方向所受分力減小，葵盤、籽粒更易斷開連接，同樣有利于籽粒脫落。

圖3 柔性擊打元件作業(yè)示意圖Fig.3 Schematic of flexible strike element operation1.擊打輥體 2.柔性撥片 3.剛性撥齒 4.葵盤

2.1.2脫粒刷設計

脫粒刷脫粒由脫粒刷刷絲與籽粒的碰撞實現(xiàn)，兩者的碰撞是復雜非線性接觸問題。假設食葵籽粒具有規(guī)則對稱的幾何形狀，葵盤為水平平面。建立如圖4所示的脫粒刷刷絲與籽粒受力示意圖，分析籽粒被剝離時的受力情況。

圖4 刷絲脫粒機理Fig.4 Brush wire threshing mechanism

圖4中水平方向為x方向，豎直方向為y方向。刷絲與葵盤籽粒接觸，籽粒受力繞點P翻轉一定角度，隨后在刷絲摩擦力作用下籽粒脫出。

籽粒在點P受力為

(2)

式中Fx——籽粒水平方向受力，N

Fy——籽粒豎直方向受力，N

MP——籽粒繞點P力矩，N·m

FN——刷絲對籽粒壓力，N

fT——刷絲對籽粒摩擦力，N

θ——接觸點切線方向與豎直方向夾角，(°)

fr1——籽粒與籽粒間水平作用力，N

fr2——籽粒與籽粒間豎直作用力，N

Nh——籽粒所受葵盤支持力，N

G——籽粒所受重力，N

a——單個籽粒寬度，mm

b——籽粒長度，mm

籽粒所受主動力在豎直方向上的分力均豎直向下，因此豎直方向分力不能使籽粒脫出，為了使刷絲具有脫粒能力，則葵盤籽粒需發(fā)生水平移動或轉動，即Fx>0或MP>0。

通過上述可得出，使籽粒脫出的因素主要為籽粒所受水平方向分力以及籽粒所受轉動力矩。由于fT大小取決于FN，因此，籽粒所受水平方向分力以及籽粒所受轉動力矩由FN決定，其值與刷絲的彈性、韌性、長度有關。刷絲的彈性、韌性由材料決定，結合成本考慮，選擇刷絲材料為耐磨尼龍絲。刷絲長度也是影響刷脫效果的重要因素，為保證刷脫效果，前期進行了不同長度的刷脫測試，根據(jù)測試結果，選定刷絲長度為80 mm。

脫粒刷旋轉動力由頂部錐齒輪輸入，隨著機具行進脫粒刷作業(yè)，脫粒刷作業(yè)區(qū)域如圖5所示。結合葵盤最大直徑及作業(yè)幅寬，刷盤直徑取350 mm。脫粒刷在工作時，刷絲邊緣會產(chǎn)生較大切向力，為保證葵盤能夠順利喂入，脫粒刷應具有一定傾斜角度，設計脫粒刷傾斜角為10°。為提高有效作業(yè)面積，設計脫粒刷與葵盤托板充分接觸形成觸板弧區(qū)，觸板弧區(qū)為脫粒刷主要作業(yè)區(qū)域，兩側邊由于高度較低，同樣具有一定的脫粒效果，屬于有效脫粒區(qū)域。為保證葵盤喂入側刷絲最高點與葵盤托板間隙大于葵盤平均厚度，設計觸板弧區(qū)角度為125°，葵盤喂入側刷絲最高點與葵盤托板間隙為60 mm。為使脫下的籽粒能夠順暢離開脫粒區(qū)域，設計脫粒刷刷絲層厚度為50 mm。

圖5 脫粒刷作業(yè)平面示意圖Fig.5 Schematic of threshing brush operation

脫粒刷作業(yè)時刷絲運動軌跡為旋轉運動與直線運動的合成，如圖6所示，可知刷絲軌跡為余擺線[16]，圖中陰影部分為刷絲作業(yè)時與葵盤表面的接觸區(qū)域。因此，脫粒刷轉速與機具作業(yè)速度對脫粒作業(yè)影響較大。

圖6 刷絲作業(yè)軌跡圖Fig.6 Tract diagram of brush wire operation

對脫粒刷刷絲層外緣點B、內(nèi)緣點A進行分析，確定不同轉速及機具作業(yè)速度下刷絲的作業(yè)曲線，經(jīng)過時間t后，兩點形成的軌跡方程為[17-19]

(3)

(4)

式中xA、yA——刷束內(nèi)緣點A在x、y軸上位移，mm

xB、yB——刷束外緣點B在x、y軸上位移，mm

n——脫粒刷轉速，r/min

v0——機具作業(yè)速度，m/s

RA——脫粒刷刷束內(nèi)緣半徑，mm

RB——脫粒刷刷束外緣半徑，mm

根據(jù)式(3)、(4)，運用Matlab繪制不同作業(yè)參數(shù)下運動軌跡圖，由脫粒刷直徑350 mm，刷絲層厚度 50 mm，得到RB為175 mm，RA為125 mm。

當機具作業(yè)速度一定，可得到刷絲與葵盤接觸點運動軌跡如圖7所示。

圖7 刷絲與葵盤接觸點運動軌跡Fig.7 Motion tracks of contact point between brush wire and edible sunflower head

由圖7可以看出，由于脫粒刷轉速不同，余擺線形成的接觸面積不等，當機具作業(yè)速度不變時，脫粒刷轉速越快，脫粒刷與葵盤總體接觸面積越大，脫粒刷的有效工作區(qū)域越大，脫粒效果越好；而當脫粒刷轉速較小時，脫粒刷與葵盤總體接觸面積小，脫粒效果差。因此在保證機具正常作業(yè)的前提下，應適當提高脫粒刷轉速，以提高脫凈率。

分析籽粒脫出后的運動情況。選擇脫粒刷下半部分觸板弧區(qū)內(nèi)一點Q進行速度分析，如圖8所示，當籽粒被脫出后，脫粒刷點Q絕對速度v決定了該點接觸籽粒速度，而點Q絕對速度方向與機具作業(yè)速度方向的夾角α決定了籽粒能否高效運動至集料斗收集區(qū)域。

由圖8可知，點Q絕對速度由點Q的脫粒刷旋轉的切線速度vr與機具作業(yè)速度v0共同決定。

圖8 脫粒刷下端工作點速度矢量圖Fig.8 Velocity vector diagrams of lower working point of threshing brush

由圖8a可得點Q運動關系為

(5)

式中R——脫粒刷工作半徑，mm

β——接觸點的切線速度方向與機具作業(yè)方向的夾角，(°)

整理得點Q其v與α關系為

(6)

(7)

設i為大于1的任意常數(shù)，當脫粒刷轉速不變，機具作業(yè)速度為iv0時，v1>v，α1<α。分析可知，機具作業(yè)速度增加時，籽粒獲得的初速度增加，而其拋出方向與機具作業(yè)速度方向夾角減小，由于籽粒主要通過葵盤托板外側與機架罩殼之間間隙(落籽區(qū)域)落入集料斗，而夾角的減小使籽粒到達落籽區(qū)的位移變大，增大了籽粒留在葵盤托板上的概率，不利于實現(xiàn)籽粒的高效收集。

同理，當機具作業(yè)速度不變，脫粒刷轉速為in時，v2>v，α2>α。分析可知，脫粒刷轉速越大，籽粒飛出的初速度越大，且籽粒飛出方向與作業(yè)速度方向夾角越大，有利于籽?？焖俚竭_落籽區(qū)域。

同樣在脫粒刷觸板弧區(qū)上半部分選取點S進行速度分析，如圖9所示。

圖9 脫粒刷上端工作點速度矢量圖Fig.9 Velocity vector diagrams of upper working point of threshing brush

當脫粒刷轉速不變，機具作業(yè)速度v0增加時，籽粒獲得的初速度增大，機具作業(yè)速度v0越快，籽粒偏移方向越不利于葵籽向落籽區(qū)域移動。

當機具作業(yè)速度不變，脫粒刷轉速n逐漸增加時，籽粒獲得的初速度先減小后增大，籽粒飛出方向小于點S切線速度方向與收獲機行進方向的夾角β，且β越大，籽粒絕對速度越快，這一結果有利于籽粒運動到落籽區(qū)域。

由上述分析可以看出，在刷絲不同作業(yè)區(qū)域，脫粒刷轉速及機具作業(yè)速度對籽粒收集影響不一。當脫粒刷轉速一定時，機具作業(yè)速度越快，越不利于籽粒收集；當機具作業(yè)速度一定時，脫粒刷轉速越快，籽粒越容易進入落籽區(qū)域，因此從籽粒收集角度考慮，適當提高脫粒刷轉速，可以獲得更好的收集效果。

2.2 籽粒回收裝置

籽?；厥昭b置主要由集料斗和氣力輸送系統(tǒng)組成，其中集料斗設置在擊打輥和脫粒刷正下方，受裝置空間尺寸影響，其容積較小，所處位置較低，傳統(tǒng)的物料輸送機構布置較為困難，本文結合食葵籽粒小，重量輕的特點，采用氣吸形式將葵籽輸送至容積更大的收集箱儲存。氣力輸送系統(tǒng)主要由風機、密封收集箱、輸送風管組成，通過風機旋轉產(chǎn)生的負壓氣流將集料斗集中的葵籽通過輸送風管吸送至密封收集箱中完成收集作業(yè)。為使葵籽在輸送風管內(nèi)不產(chǎn)生堵塞，風管管徑至少應3倍于葵籽長徑[20]，由前期物料試驗可知，葵籽長徑最大值為28.7 mm，而輸送風管進料口又與集料斗尾端連通，綜合考慮確定輸送風管內(nèi)徑為90 mm。結合前期試驗測試及考慮密封收集箱與集料斗空間結構尺寸，在兩集料斗后方分別布置物料輸送線，靠近密封收集箱一側輸送風管長度為1.4 m，遠離一側為1.8 m。籽?；厥昭b置作業(yè)時葵籽流向如圖10所示。

圖10 籽粒流向示意圖Fig.10 Schematic of edible sunflower seeds flow direction1.密封收集箱 2.輸送風管 3.擋籽軟簾 4.集料斗 5.葵盤 6.擊打輥 7.脫粒刷脫粒裝置 8.離心風機

集料斗中籽粒主要來自3個區(qū)域，即擊打輥、脫粒刷脫粒作業(yè)區(qū)域，以及籽粒沿脫粒刷切向脫出后與擋籽軟簾碰撞區(qū)域。

為使籽粒完全被集料斗收集，并考慮擊打棍橫向尺寸及葵盤托板寬度，設計集料斗入口長度為1 000 mm，寬度為120 mm。為保證集料斗中籽粒能夠滑落至底部順利被輸送風管吸入，集料斗前后集籽斜面應滿足

(8)

式中Nb——集料斗斜面對籽粒支持力，N

fN——葵籽所受摩擦力，N

γ——集料斗斜面與水平面夾角，(°)

μ——葵籽與集料斗表面靜摩擦因數(shù)

集料斗材料為Q235鋼，由前期試驗測得μ為0.57，求得集料斗斜面與水平面夾角γ約為30°，因此當集料斗的集籽斜面與水平面夾角大于30°時，籽粒可以順利滑落至集料斗底部。由于集料斗垂直方向空間有限，綜合考慮設計余量，本文取集籽斜面角度為35°。

2.2.1風機選型

氣力輸送中物料懸浮速度是計算系統(tǒng)參數(shù)的基礎依據(jù)，葵籽懸浮速度為[21]

(9)

其中

(10)

式中Ks——形狀系數(shù)，類菱形體Ks1取1.76，類方形板片Ks2取3.23[22]

vx——葵籽懸浮速度，m/s

ds——葵籽當量直徑，m

M——葵籽平均質量，取2.3×10-4kg

ρs——葵籽密度，取625.71 kg/m3[23]

ρ——空氣密度，取1.29 kg/m3

vf——葵籽自由沉降速度，m/s

D1——輸送風管內(nèi)徑，取0.09 m

求得葵籽懸浮速度vx為7.38 m/s。

氣力輸送過程的主要損失來源為輸送管道的沿程損失及進料口間斷供料產(chǎn)生的局部損失[24]，為保證集料斗中籽粒能夠由吸風口吸入籽粒收集箱，風機全壓應滿足動壓與各處壓力損失之和[25]，根據(jù)流體力學理論，應滿足[26-28]

(11)

式中pf——離心風機全壓，Pa

py——管道沿程損失壓力，Pa

pj——進料口產(chǎn)生的局部損失，Pa

pd——風機出風口處動壓，Pa

Qf——風機提供風量，m3/h

Nl——輸送風管條數(shù)，取2

λg——沿程摩阻系數(shù)

Le——風管當量長度，取4 m

k——經(jīng)驗系數(shù)，取5

C——損失系數(shù)，吸口式取20

將葵籽懸浮速度代入式(11)可得所需風機全壓為1 131.01 Pa。

為提高輸送效率，同時考慮經(jīng)濟性，查詢風機性能曲線和離心風機性能表，選擇機號3.6A、功率3 kW的4-72型離心風機，額定轉速為2 900 r/min，流量為2 664～5 268 m3/h，全壓為989～1 578 Pa。通過前期試驗，本研究選定風機工作轉速為2 500～2 900 r/min，測得全壓為1 285～1 578 Pa，工作余量充足，滿足設計要求。

2.2.2籽?；厥昭b置仿真分析

為測試籽?；厥昭b置的功能性，采用EDEM-Fluent耦合方式對葵籽在輸送過程中的運動狀態(tài)進行仿真分析，預測風機在試驗選定參數(shù)范圍下的籽粒輸送能力。

在SolidWorks軟件中建立籽粒三維模型(圖11a)，再將食葵籽粒三維模型導入EDEM軟件中(圖11b)，根據(jù)其模型特征進行手動顆粒填充，最終得到由33個不等徑顆粒組成的食葵籽粒離散元模型(圖11c)。參照文獻[29]并通過試驗驗證，設置食葵籽粒離散元模型基本參數(shù)如表2所示。

圖11 食葵籽粒模型Fig.11 Edible sunflower seeds particle modelings

表2 離散元模型基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of discrete element model

在SolidWorks軟件中建立籽?；厥昭b置三維模型，導入ANSYS 19.2軟件中進行流體域填充及網(wǎng)格模型構建，將劃分的網(wǎng)格模型導入EDEM2018軟件中，設置仿真參數(shù)，再將劃分的網(wǎng)格模型導入Fluent軟件中進行仿真模擬參數(shù)設置，湍流模型選k-ε模型，求解算法采用Phase Coupled Simple。仿真時間步長設置為0.001 s、步數(shù)設置為1 000，最大迭代次數(shù)為20次。流體類型為空氣，湍流強度設為5%，湍流粘度比設為10。然后導入耦合接口文件，連通Fluent-EDEM耦合接口，初始化后啟動軟件進行耦合模擬，接觸模型參數(shù)如表3所示。

表3 接觸模型參數(shù)Tab.3 Contact model parameters

籽?；厥昭b置可以分兩部分分析，一部分為集料斗，另一部分為氣力輸送系統(tǒng)。首先對集料斗集籽能力進行仿真分析。仿真分析時顆粒流量設為0.8 kg/s，顆粒仿真步長為4×10-6s，仿真時間大于1.5 s。入口速度設為0.1 m/s，出口壓力設為100～500 Pa。當出口壓力設為300 Pa時，集料斗仿真結果如圖12所示。

圖12 集料斗籽粒運動仿真圖Fig.12 Simulation diagram of seeds motion in collecting hopper

由圖12可知，當出口壓力為300 Pa時，籽?？梢皂樌麖募隙愤M入氣力輸送系統(tǒng)。設置不同出口壓力進行仿真，可以得到當出口壓力大于等于250 Pa，此壓力遠小于風機工作轉速為2 500～2 900 r/min的集料斗出口壓力，集籽斜面上食葵籽粒可以順利落入集料斗底部，絕大多數(shù)籽粒可以正常進入氣力輸送系統(tǒng)，個別籽粒會在氣力輸送入口處發(fā)生碰撞，但之后也會進入輸送風管，不影響整機運行，集料斗設計合理。

對氣力輸送系統(tǒng)進行仿真分析，可明晰不同參數(shù)下食葵籽粒在氣力輸送空間內(nèi)運動情況。顆粒流量、顆粒仿真步長同上設置，仿真時間大于5 s，離心風機轉速設為2 500～2 900 r/min。當離心風機轉速設為2 700 r/min時，氣力輸送系統(tǒng)仿真結果圖如圖13所示。

圖13 氣力輸送系統(tǒng)籽粒運動仿真圖 Fig13 Simulation diagram of seeds motion of pneumatic conveying system

由圖13可知，當離心風機轉速為2 700 r/min時，籽?？梢皂樌M入密封收集箱。設置不同離心風機轉速進行仿真，可以得到當風機轉速不小于2 600 r/min時，籽粒在輸送風管中不存在回落情況，可順利進入密封收集箱中，在密封收集箱內(nèi)籽粒能夠順利沉降，滿足籽粒輸送轉移的功能。

3 試驗

3.1 試驗設備及材料

試驗過程中主要使用的設備有插盤食葵原位脫粒收獲原理機、土壤-機器-植物系統(tǒng)技術平臺(TCC-3.0型)、接觸式轉速儀(DT-2235B型，量程：2.5～9 999 r/min)、精密電子天平(OHAUSCP3102型，量程：0～3 100 g，精度0.01 g)、鋼卷尺(量程3 m)、皮尺(量程50 m)、保鮮袋、標簽紙等。

試驗材料為采自新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊縣公盛村四隊的食葵品種SH363，食葵種植時間為2021年5月11日，插盤時間為2021年9月23日，采樣時間為2021年9月27日，即晾曬時間為4 d，采樣葵籽平均含水率為19.87%，試驗所用葵盤直徑180～330 mm，單個葵盤質量400～1 100 g，共采集300個葵盤。試驗地點位于新疆農(nóng)業(yè)大學新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，試驗時將原理機掛接在土壤-機器-植物系統(tǒng)技術平臺的懸掛點，對各功能進行調(diào)試。原理機收獲試驗如圖14所示。通過土壤-機器-植物系統(tǒng)技術平臺監(jiān)測并控制機具作業(yè)速度和脫粒刷轉速，調(diào)節(jié)裝置中三相異步電機轉速控制擊打輥轉速。脫粒刷、擊打輥的實際轉速由接觸式轉速儀測量得到，試驗轉速取脫粒刷、擊打輥轉速穩(wěn)定后3次測量平均值。

圖14 原理機收獲試驗Fig.14 Harvest test of principle machine

3.2 試驗方案與指標

本次試驗參照文獻[30]，試驗區(qū)域由穩(wěn)定區(qū)、測定區(qū)、停車區(qū)組成，穩(wěn)定區(qū)3 m、測定區(qū)5 m、停車區(qū)2 m。每次試驗前稱取脫粒前葵盤質量，試驗結束后人工摘除葵盤未脫下的籽粒，分別稱取未脫下的籽粒及去除籽粒后的葵盤質量，另外稱取密封收集箱籽?？傎|量，并挑出破損籽粒稱取質量(破損籽粒包含劃傷較為嚴重籽粒)，每組試驗進行3次，試驗結果取平均值。

試驗指標計算方法為

(12)

(13)

(14)

式中Zw——未脫凈率，%

Sw——籽粒破損率，%

Lw——損失率，%

ma——未脫下籽粒質量，g

mb——去除籽粒后葵盤質量，g

m——脫粒前葵盤質量，g

mc——破損籽粒質量，g

md——密封收集箱中籽粒質量，g

首先進行了原理機預試驗測試，發(fā)現(xiàn)插盤食葵原位脫粒收獲原理機的籽粒損失率主要受機具自身結構設計影響，機具運動參數(shù)對其影響較小，因本研究喂入裝置加裝交錯排布的毛刷，且脫粒裝置外側罩殼設計較為合理，故所設計機具籽粒損失率低，預試驗測得損失率為2.3%～3.4%，符合國家標準[31]，故后續(xù)試驗的試驗指標不考慮損失率。

3.3 單因素試驗

圖15 試驗因素對未脫凈率和籽粒破損率的影響Fig.15 Influence of experiment factors on un-threshing and damage rate

脫粒收獲過程中，機具作業(yè)速度主要影響擊打輥和脫粒刷的有效作業(yè)時間，通過機具作業(yè)速度的單因素試驗得到機具作業(yè)速度對食葵盤未脫凈率和籽粒破損率的影響趨勢，試驗時取脫粒刷轉速為130 r/min，擊打輥轉速為60 r/min，試驗結果如圖15a所示。當機具作業(yè)速度較慢時，葵盤通過擊打輥和脫粒刷的時間較長，籽粒破損主要來源于擊打輥的擊打作用，此時有效脫粒時間較長，未脫凈率較低；機具作業(yè)速度增加時，有效脫粒時間減少，未脫凈率上升，籽粒破損率逐步下降，而機具作業(yè)速度超過0.4 m/s后，有效脫粒時間大大縮短，未脫凈率迅速上升，同時由于擊打輥擊打葵盤次數(shù)變化幅度減小，籽粒破損率下降趨勢減小，因此確定機具作業(yè)速度范圍為0.2～0.4 m/s，在此作業(yè)范圍內(nèi)，脫粒性能較好。

脫粒刷轉速對未脫凈率影響較大，對籽粒劃傷也有一定影響，以脫粒刷轉速為因素進行單因素試驗，得到脫粒刷轉速對食葵盤未脫凈率及籽粒破損率的影響趨勢，試驗時取機具作業(yè)速度為0.3 m/s，擊打輥轉速為60 r/min，試驗結果如圖15b所示。隨著脫粒刷轉速增加，未脫凈率先下降后上升，而籽粒破損率平緩上升。脫粒刷速度較小時，刷絲對葵盤作用力較小，單位時間內(nèi)刷絲刷過的距離短，脫粒效果較差。脫粒刷轉速增大時，脫粒效果提升，而轉速過大時，刷絲邊緣切向力會阻礙葵盤進入，葵盤通過性變差，導致脫粒時間減少，未脫凈率上升。綜合考慮，選取脫粒刷作業(yè)轉速為100～160 r/min。

擊打輥轉速也是影響脫粒性能的關鍵因素，通過對不同擊打輥轉速進行單因素試驗，可得擊打輥轉速對未脫凈率及籽粒破損率的影響趨勢，試驗時機具作業(yè)速度取0.3 m/s，脫粒刷轉速取130 r/min，試驗結果如圖15c所示。隨著擊打輥轉速的提高，籽粒破損率呈上升趨勢，未脫凈率呈下降趨勢。當擊打輥轉速增加時，擊打元件單位時間內(nèi)擊打葵盤次數(shù)提高，葵盤籽粒面出現(xiàn)的籽粒缺口面積增大，葵盤未脫凈率降低，但當轉速較大時，擊打元件對葵盤籽粒面沖擊變大，籽粒破損率上升較為明顯，轉速大于80 r/min后，葵盤與擊打輥差速大，易導致葵盤掉落，影響脫粒效果。因此，取擊打輥轉速為40～80 r/min。

3.4 正交試驗

3.4.1正交試驗設計

采用正交試驗方法，進行食葵原位脫粒收獲試驗，研究機具作業(yè)速度、脫粒刷轉速及擊打輥轉速對機具作業(yè)性能的影響。試驗采用三因素三水平正交試驗方案，依據(jù)前文單因素試驗結果，選取試驗因素和水平如表4所示。

表4 試驗因素水平Tab.4 Test factors and levels

3.4.2試驗結果分析

正交試驗參照L9(34)正交試驗表設計，對脫粒收獲原理機進行9組正交試驗，每組試驗重復3次，取3次平均值作為最終試驗結果，試驗結果如表5所示。

表5 試驗方案與結果Tab.5 Test plan and results

由表5可以看出，在設定條件下，葵盤未脫凈率為6.89%～23.61%，籽粒破損率為0.29%～2.19%。為了進一步確定各因素對評價指標影響的顯著性，利用SPSS 22.0軟件在顯著性水平0.05條件下，對各因素進行方差分析，確定顯著性影響，如表6所示。

由表6可知，在95%置信度下，機具作業(yè)速度對未脫凈率影響極顯著，脫粒刷轉速、擊打輥轉速對未脫凈率影響顯著；擊打輥轉速對籽粒破損率影響極顯著，機具作業(yè)速度、脫粒刷轉速對籽粒破損率影響顯著。各因素對未脫凈率影響由大到小為A、C、B，脫粒較優(yōu)組合為A1B2C3；對籽粒破損率影響由大到小為C、A、B，脫粒較優(yōu)組合為A3B1C1。

表6 方差分析Tab.6 Variance analysis

3.4.3綜合評價

根據(jù)正交試驗指標分析結果可知，未脫凈率和籽粒破損率兩個指標下得出了兩種不同較優(yōu)組合，因此采用加權綜合評價法對試驗結果進行綜合評價[32]，可求得未脫凈隸屬度為W1=X/(Xmax-Xmin)，破損隸屬度為W2=Y/(Ymax-Ymin)。

根據(jù)食葵收獲要求，需保證脫凈率的同時盡量降低籽粒破損率，參考前人研究[33]，取未脫凈率與籽粒破損率權重比P1∶P2為3∶2，則綜合評分S=0.6W1+0.4W2，S越小表明原理機綜合性能越好，計算結果如表7所示。

表7 綜合評價結果Tab.7 Comprehensive evaluation result

由表7可看出，影響兩指標的因素主次為A、B、C，根據(jù)K確定較優(yōu)組合為A2B2C3，即作業(yè)速度0.3 m/s、脫粒刷轉速130 r/min、擊打輥轉速80 r/min。

3.5 試驗驗證

根據(jù)原位脫粒收獲原理機最優(yōu)參數(shù)組合，在新疆農(nóng)業(yè)大學新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室進行了原位脫粒收獲原理機驗證試驗，以作業(yè)速度0.3 m/s、脫粒刷轉速130 r/min、擊打輥轉速80 r/min為試驗參數(shù)，進行3次重復試驗，取3次結果平均值為驗證值，試驗結果如表8所示。

表8 試驗驗證結果Tab.8 Test verification result %

由表8可知，當機具作業(yè)速度為0.3 m/s、脫粒刷轉速為130 r/min、擊打輥轉速為80 r/min時，未脫凈率平均值為7.11%，籽粒破損率平均值為1.13%。

原理機未脫凈率較高，通過分析脫粒作業(yè)過程及葵盤上未脫籽粒分布區(qū)域，可知：葵盤經(jīng)晾曬后存在一定程度的變形，中心區(qū)域向上拱起，邊緣部分向下彎曲，體現(xiàn)到脫粒作業(yè)過程中，表現(xiàn)為葵盤邊緣部分與刷絲接觸不充分，沖擊力度略有不足，導致此區(qū)域籽粒脫凈率不夠理想；另外，為避免葵盤翻落，人工插盤時大多會讓葵稈完全穿過葵盤，使葵稈頂端高過籽粒面一定距離，這導致葵盤在喂入后，高出盤面的葵稈會阻擋刷絲接觸其后方小塊區(qū)域的盤面，導致此區(qū)域籽粒脫凈率較低。

針對以上問題，提出后續(xù)優(yōu)化方案如下：在脫粒刷作業(yè)區(qū)域可在葵盤周向設置撥動機構，使葵盤在脫粒作業(yè)時產(chǎn)生旋轉，保證刷絲與籽粒面的充分接觸；設置多級脫粒結構，如將脫粒刷、滾刷、對輥刷等不同形式的脫粒裝置相結合，對葵盤進行不同方向、不同形式的脫粒，提高脫凈率。

4 結論

(1)針對新疆食葵分段收獲模式，設計了一種由原位脫粒裝置及籽?；厥昭b置組成的插盤食葵原位脫粒收獲原理機，該原理機可以實現(xiàn)插盤食葵在不取盤條件下葵盤脫粒及籽粒收集作業(yè)，可為插盤食葵機械化收獲方式提供新的思路

(2)進行了機具作業(yè)速度、脫粒刷轉速，擊打輥轉速對脫粒性能影響的單因素試驗，得到脫粒性能較好時各因素的合理取值范圍：機具作業(yè)速度為0.2～0.4 m/s、脫粒刷轉速為100～160 r/min、擊打輥轉速為40～80 r/min。機具作業(yè)速度和擊打輥轉速對食葵盤未脫凈率和籽粒破損率影響趨勢相反。

(3)通過三因素三水平正交試驗確定影響食葵盤未脫凈率和籽粒破損率的主次因素由大到小分別為機具作業(yè)速度、脫粒刷轉速、擊打輥轉速；確定了原理機最優(yōu)工作參數(shù)，當機具作業(yè)速度為0.3 m/s、脫粒刷轉速為130 r/min、擊打輥轉速為80 r/min時，脫粒性能最優(yōu)，在此條件下進行驗證試驗，得到食葵盤未脫凈率為7.11%，籽粒破損率為1.13%。