張學(xué)軍 張?jiān)坪?史增錄 馬少騰 黃 爽 程金鵬

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052)

0 引言

油用向日葵是我國(guó)第四大油料作物，具有成長(zhǎng)周期短、產(chǎn)量大及含油量高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有種植面積超過(guò)1.16×106hm2，新疆地區(qū)自然環(huán)境適合油葵生長(zhǎng)，為我國(guó)油葵主要產(chǎn)區(qū)之一，隨著油葵產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，機(jī)械化水平低成為影響油葵經(jīng)濟(jì)效益的主要因素[1]。清選裝置作為油葵聯(lián)合收獲機(jī)關(guān)鍵部件，其作業(yè)質(zhì)量是評(píng)價(jià)油葵收獲重要指標(biāo)之一，油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置多由谷物收獲機(jī)改制而成[2-3]，但油葵脫出物與谷物脫出物物料特性存在巨大差異，谷物清選裝置對(duì)油葵清選適應(yīng)性差。因此，有必要根據(jù)油葵的物料特性，優(yōu)化油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，提高油葵收獲機(jī)械化水平。

近年來(lái)，科研人員針對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置開(kāi)展了大量研究[4]。這些研究主要包括清選裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[5]、清選機(jī)理分析[6]及清選裝置工作參數(shù)優(yōu)化[7]等方面。因缺少油葵脫出物物料特性的測(cè)定，現(xiàn)有油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置存在振動(dòng)篩后段物料堵塞及油葵籽粒在裝置底部堆積等問(wèn)題，導(dǎo)致油葵籽粒含雜率高、損失率高，油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)優(yōu)化有待深入研究。本文基于合作研制的4LZK-2.5Z型油葵聯(lián)合收獲機(jī)，進(jìn)行油葵脫出物物料特性研究，確定清選裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)，以解決油葵清選裝置含雜率高、損失率高的問(wèn)題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

4LZK-2.5Z型履帶式油葵聯(lián)合收獲機(jī)配有撥禾輪式割臺(tái)[8]、脫粒裝置、履帶式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、駕駛室、工作參數(shù)采集系統(tǒng)及液壓控制系統(tǒng)等裝置，為清選裝置田間收獲、工況作業(yè)參數(shù)調(diào)整及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 油葵聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure drawing of oil sunflower combine harvester1.撥禾輪式割臺(tái) 2.駕駛室 3.糧倉(cāng) 4.脫粒裝置 5.清選裝置 6.履帶式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.2 工作過(guò)程

油葵聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)切割油葵植株得含有油葵籽粒的葵盤，通過(guò)提升器喂入脫粒裝置，在脫粒元件揉搓作用下，于脫粒裝置下方掉落含有油葵籽粒的脫出物，經(jīng)清選裝置作用后油葵籽粒被分離，隨后輸送至糧倉(cāng)，雜質(zhì)則排出機(jī)體。清選裝置選用風(fēng)篩式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由離心風(fēng)機(jī)、分風(fēng)板、振動(dòng)篩上篩、振動(dòng)篩下篩、籽粒輸送板及輸糧螺旋輸送器等構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of oil sunflower combine harvester cleaning device1.離心風(fēng)機(jī) 2.振動(dòng)篩上篩 3.分風(fēng)板 4.輸糧螺旋輸送器 5.籽粒輸送板 6.振動(dòng)篩下篩

振動(dòng)篩上篩采用編織網(wǎng)篩連至振動(dòng)篩后段，替代傳統(tǒng)逐稿尾篩。編織網(wǎng)篩可將脫出物中體積較大雜質(zhì)篩分，篩面雜質(zhì)在振動(dòng)篩與清選氣流共同作用下排出機(jī)體，同時(shí)油葵籽粒與小體積雜質(zhì)可透過(guò)網(wǎng)篩孔，保證油葵籽粒的透篩率。透過(guò)振動(dòng)篩的脫出物在清選氣流作用下分離油葵籽粒，小體積雜質(zhì)被吹出清選裝置，油葵籽粒落至籽粒輸送板喂入輸糧螺旋輸送器，油葵籽粒分離過(guò)程如圖3所示。

圖3 油葵籽粒分離過(guò)程圖Fig.3 Diagram of oil sunflower seed separation process1.油葵籽粒 2.碎莖稈 3.長(zhǎng)莖稈 4.碎葵盤 5.葵盤

2 脫出物物料特性試驗(yàn)

2.1 脫出物組成成分測(cè)定

油葵聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置為軸流式紋桿脫粒滾筒，試驗(yàn)對(duì)象為新疆阜康地區(qū)成熟期矮大頭DW667油用向日葵，葵盤由韌皮纖維層、木質(zhì)層、葵盤葉片等組成，如圖4所示。油葵脫出物主要成分為大塊葵盤、碎葵盤、長(zhǎng)莖稈、碎莖稈、油葵籽粒、碎葉片及穎殼等。碎葵盤等小體積雜質(zhì)可隨油葵籽粒透過(guò)篩網(wǎng)表面，透篩脫出物主要構(gòu)成成分為油葵籽粒、碎葵盤、碎莖稈、輕質(zhì)雜余(碎葉片及穎殼)，如圖5所示，質(zhì)量占比分別為85.6%、6.7%、4.9%、2.8%。

圖4 油葵葵盤結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Oil sunflower sunflower plate structure diagram1.葵盤葉片 2.油葵籽粒穎殼 3.葵盤韌皮纖維層 4.葵盤木質(zhì)層

圖5 透篩脫出物組成成分圖Fig.5 Composition diagram of through sieve mixture

2.2 脫出物物料特性測(cè)定

透篩脫出物的空氣動(dòng)力學(xué)特性可由物料懸浮速度表示[4]，與含水率及密度[9]有關(guān)，多次隨機(jī)采集透篩脫出物試驗(yàn)樣本，對(duì)透篩脫出物分組測(cè)定各物料的含水率及密度，計(jì)算各物料理論懸浮速度范圍值。物料幾何特征使用哈量LINKS型千分尺。物料密度采用排水法測(cè)試，使用儀器包括先行者CP3102型電子天平、測(cè)量物料體積的量筒、量杯及物料盛放盒等。含水率采用干燥法測(cè)定，由DHG-9125A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行物料干燥，隨后由精密電子天平進(jìn)行稱量，使用干基含水率表示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 透篩脫出物基本物料特性參數(shù)Tab.2 Basic material characteristics of through sieve mixture

2.3 脫出物懸浮速度測(cè)定

通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合測(cè)定懸浮速度，當(dāng)物料自身重力與氣流作用力相等時(shí)懸浮于垂直氣流場(chǎng)[10]，此時(shí)物料處氣流速度為懸浮速度，氣流作用力表達(dá)式為

(1)

式中Fp——?dú)饬髯饔昧?，N

ρs——物料自身密度，油葵籽粒取962 kg/m3

A——物料垂直氣流的截面積，m2

C——阻力系數(shù)，取0.44

v——?dú)饬髁魉?，m/s

流體力學(xué)中氣體流動(dòng)阻力系數(shù)分為：Stokes區(qū)、Allen區(qū)、Newton區(qū)，不同物料在氣流場(chǎng)中的阻力系數(shù)值不同，采用粒徑法[10]判斷油葵籽粒及碎葵盤物料的阻力系數(shù)分區(qū)，各區(qū)域?qū)?yīng)物料粒徑分別為dp≤2.2T、2.2T

(2)

式中T——粒徑法計(jì)算因子，mm

μ——空氣運(yùn)動(dòng)粘度，取0.181 Pa·s

ρa(bǔ)——空氣密度，取1.29 kg/m3

計(jì)算得油葵籽粒及碎葵盤物料阻力系數(shù)均為Newton區(qū)。油葵籽粒形狀為非球形，按照不規(guī)則球形物體的形狀修正系數(shù)計(jì)算，取S=1.1[10]，碎葵盤按照立方體形狀修正系數(shù)計(jì)算，取S=1.86[10]，短莖稈按照直徑迎風(fēng)面積[10]計(jì)算。Newton區(qū)中物料懸浮速度vp計(jì)算公式[10]為

(3)

式中S——非球形形狀修正系數(shù)

計(jì)算得油葵籽粒理論懸浮速度為13.85 m/s，碎葵盤理論懸浮速度為6.97 m/s，短莖稈理論懸浮速度為2.78 m/s，物料間懸浮速度存在明顯差異，風(fēng)選油葵籽粒具有良好效果。碎葉片及穎殼等輕質(zhì)雜余迎風(fēng)面積小且質(zhì)量輕，不進(jìn)行理論懸浮速度計(jì)算。使用密封袋分類封裝脫出物，將物料置于懸浮速度試驗(yàn)臺(tái)下方喂料口阻尼網(wǎng)處，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及試驗(yàn)裝置內(nèi)氣流流速。觀察透明管中被測(cè)物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)物料呈動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，由熱球式風(fēng)速儀測(cè)量，記作被測(cè)物料懸浮速度。

油葵籽粒懸浮速度為9.62～12.54 m/s，碎葵盤、短莖稈、碎葉片、穎殼等雜質(zhì)的懸浮速度變化范圍為3.42～5.16 m/s、3.92～6.76 m/s、0.96～2.17 m/s、1.93～3.14 m/s，懸浮速度差異是離心風(fēng)機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化的主要依據(jù)。為實(shí)現(xiàn)油葵脫出物中雜質(zhì)的有效排出，清選裝置內(nèi)部氣流流速應(yīng)大于雜質(zhì)懸浮速度，同時(shí)避免風(fēng)速過(guò)高造成的籽粒損失增加，離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處氣流流速應(yīng)小于油葵籽粒懸浮速度，參考文獻(xiàn)[11]，計(jì)算得離心風(fēng)機(jī)出口氣流流速為9.62 m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 326 r/min，結(jié)合樣機(jī)試驗(yàn)，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)小于1 400 r/min。

3 清選裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置為曲柄雙滑塊機(jī)構(gòu)，由偏心輪驅(qū)動(dòng)，可視為曲柄，振動(dòng)篩為負(fù)偏置式滑塊機(jī)構(gòu)，籽粒輸送板為對(duì)心式滑塊機(jī)構(gòu)。振動(dòng)篩機(jī)架為連桿，沿上滑塊軌道平移，帶動(dòng)振動(dòng)篩面往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不同于曲柄搖桿式機(jī)構(gòu)振動(dòng)篩視為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)[12]，滑塊機(jī)構(gòu)中連桿各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)受裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)影響。籽粒輸送板為滑塊部件，由提升連桿帶動(dòng)沿下滑塊軌道平移，實(shí)現(xiàn)籽粒輸送板面的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖6所示。

圖6 振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.6 Schematic of shaker movement1.上滑塊軌道 2.振動(dòng)篩機(jī)架 3.偏心輪 4.籽粒輸送板 5.下滑塊軌道 6.提升連桿

3.1 振動(dòng)篩主要參數(shù)設(shè)計(jì)

油葵脫出物組成成分在振動(dòng)篩上分布不均，振動(dòng)篩前段脫出物以油葵籽粒和輕質(zhì)雜余為主，中段出現(xiàn)碎葵盤、短莖稈及碎葉片，后段掉落大塊葵盤和長(zhǎng)莖稈。不同脫出物對(duì)振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)要求不同，采用封閉矢量多邊形分析法建立矢量方程，分析篩面不同點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和振動(dòng)篩安裝位置建立坐標(biāo)系x′O′y′和xOy，如圖7所示。

圖7 振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.7 Movement diagram of vibrating screen mechanism

圖7中l(wèi)AB為曲柄長(zhǎng)度，lBC和lCD為振動(dòng)篩機(jī)架長(zhǎng)度，振動(dòng)篩體參數(shù)可由△BCD求得，lBD為曲柄鉸接點(diǎn)與滑塊所連虛擬桿長(zhǎng)度，le為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)偏心距。構(gòu)建封閉矢量多邊形O′ABD，坐標(biāo)系x′O′y′中位置矢量環(huán)方程為

lAB+lBD=lAO′+lO′D

(4)

式(4)的復(fù)數(shù)形式表達(dá)式為

lABeiθ1+lBDeiθ2=leeiπ/2+lO′A

(5)

式中θ1——曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度，(°)

θ2——連桿BD與x′軸夾角，(°)

將虛部與實(shí)部進(jìn)行分離得

(6)

對(duì)式(6)進(jìn)行求解可得連桿lBD角位移表達(dá)式

(7)

式(5)對(duì)t求導(dǎo)，通過(guò)虛部與實(shí)部相等，求得連桿lBD角速度及角加速度為

(8)

式中ω——曲柄角速度，rad/s

點(diǎn)E為篩面任意一點(diǎn)，在坐標(biāo)系xOy中位置方程為

(9)

式中l(wèi)BE——篩面任意點(diǎn)E與曲柄鉸接處距離，mm

θ4——振動(dòng)篩內(nèi)部夾角，(°)

θ6——滑塊軌道與地面夾角，(°)

由余弦定理求解△BDE得lBE為

(10)

式中l(wèi)DE——篩面任意點(diǎn)E與滑塊距離，mm

θ5——振動(dòng)篩內(nèi)部夾角，(°)

式(9)對(duì)t求二次導(dǎo)數(shù)，得點(diǎn)E水平和豎直方向加速度，為便于分析影響因素采用矩陣表示為

(11)

由式(11)可知，振動(dòng)篩面各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)受振動(dòng)篩機(jī)架、曲柄長(zhǎng)度、機(jī)架夾角、偏心距及滑塊軌道與地面傾角等裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，4LZK-2.5Z型油葵聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒脫出段長(zhǎng)度為1 251 mm，油葵脫出物需要全部落入振動(dòng)篩面，振動(dòng)篩機(jī)架lCD長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1 290 mm，根據(jù)聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)幅度的要求[13]，確定曲柄長(zhǎng)度為35 mm，振動(dòng)篩前段油葵籽粒含量較多，應(yīng)增大脫出物分散程度提高油葵籽粒透篩率，振動(dòng)篩后段存在葵盤等大塊雜質(zhì)，應(yīng)提高振幅增強(qiáng)對(duì)雜質(zhì)的拋送效果，因此以振動(dòng)篩面后段振幅大于前段為目標(biāo)[14]，通過(guò)前期樣機(jī)試驗(yàn)，確定振動(dòng)篩機(jī)架lBC長(zhǎng)度為380 mm、偏心距為800 mm、機(jī)架夾角為142°、滑塊軌道與地面傾角為20°。

3.2 振動(dòng)篩面葵盤運(yùn)動(dòng)分析

脫粒裝置掉落至振動(dòng)篩面的葵盤，因振動(dòng)篩表面為編織網(wǎng)篩網(wǎng)孔較密，與葵盤間摩擦因數(shù)大，不易在篩面滑動(dòng)，形成物料堆積篩網(wǎng)堵塞，影響清選質(zhì)量，取振動(dòng)篩面與曲柄運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相同處，分析葵盤運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，提高排出效率，將曲柄的運(yùn)動(dòng)劃分4個(gè)區(qū)域，如圖8所示。

圖8 葵盤在曲柄不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下受力圖Fig.8 Mallow plate subjected to force diagram under different motion states of crank

當(dāng)曲柄由區(qū)域Ⅰ向區(qū)域Ⅱ運(yùn)動(dòng)且N>0時(shí)，葵盤沿篩面方向受力Fx的方程為

Fx=Fpcosβ+qcos(ωt1-γ)-Gcosγ-Ff

(12)

其中

Ff=Ntanφ1

式中N——葵盤支持力，N

Ff——葵盤摩擦力，N

G——葵盤重力，N

γ——重力與篩面垂直方向夾角，(°)

β——?dú)饬髯饔昧εc篩面夾角，(°)

φ1——葵盤滑動(dòng)摩擦角，(°)

t1——曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，s

曲柄由區(qū)域Ⅲ向區(qū)域Ⅳ運(yùn)動(dòng)且N>0時(shí)，葵盤沿篩面方向受力方程為

Fx=Fpcosβ-qcos(ωt1-γ)-Gcosγ+Ff

(13)

當(dāng)Fx≠0時(shí)，葵盤在區(qū)域Ⅰ、Ⅱ產(chǎn)生向振動(dòng)篩前段相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，在區(qū)域Ⅲ、Ⅳ產(chǎn)生向振動(dòng)篩后段相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

葵盤在振動(dòng)篩表面垂直方向受力方程為

(14)

式中q——葵盤慣性力，N

g——重力加速度，取9.8 m/s2

m——單個(gè)葵盤質(zhì)量，kg

r——曲柄長(zhǎng)度，mm

曲柄由區(qū)域Ⅱ向區(qū)域Ⅲ運(yùn)動(dòng)，氣流對(duì)葵盤的作用力小于重力，所受篩面支持力始終大于0，葵盤不會(huì)被拋離篩面。曲柄由區(qū)域Ⅳ向區(qū)域Ⅰ運(yùn)動(dòng)，當(dāng)N=0時(shí)葵盤位于拋起臨界點(diǎn)，葵盤拋起角度與曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度有關(guān)，拋起時(shí)曲柄角速度需滿足條件

(15)

葵盤拋起后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與拋起角度有關(guān)，若曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度為δ時(shí)，葵盤拋離篩面，其水平與豎直方向速度vx、vy為

(16)

葵盤拋起后受重力與氣流作用力的合力為F，再次掉落至篩面的時(shí)間t2為

(17)

式中a——葵盤合加速度，m/s2

葵盤水平方向移動(dòng)距離X為

(18)

葵盤底部存有部分葵柄，傾斜于振動(dòng)篩表面，葵盤受力點(diǎn)與質(zhì)心為不同點(diǎn)，導(dǎo)致葵盤在拋起過(guò)程中受到力矩作用繞質(zhì)心發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，若葵盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度過(guò)大，葵盤再次接觸篩面的姿態(tài)不固定，存在向振動(dòng)篩前段運(yùn)動(dòng)的情況，影響清選效率，對(duì)葵盤的拋起姿態(tài)進(jìn)行分析，如圖9所示。根據(jù)受力點(diǎn)與質(zhì)心相對(duì)位置，分類為受力點(diǎn)位于質(zhì)心左側(cè)或受力點(diǎn)位于質(zhì)心右側(cè)。

圖9 葵盤拋起姿態(tài)圖Fig.9 Sunflower dish throwing posture diagrams

葵盤受力點(diǎn)位于質(zhì)心左側(cè)時(shí)有

(19)

葵盤受力點(diǎn)位于質(zhì)心右側(cè)時(shí)有

(20)

動(dòng)量矩公式為M=Jω2，葵盤轉(zhuǎn)動(dòng)角δ1為

(21)

式中J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

N1、N2——葵盤所受篩面垂直合力，N

Fx1、Fx2——葵盤所受篩面水平合力，N

M、M1、M2——葵盤合力矩，N·m

MN、M′N——垂直篩面合力產(chǎn)生的力矩，N·m

MT、M′T——水平篩面合力產(chǎn)生的力矩，N·m

L——葵盤受力點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)距離，mm

α——葵盤與篩面夾角，(°)

ω2——葵盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s

由式(18)可知，葵盤拋起后移動(dòng)距離受曲柄轉(zhuǎn)速影響，曲柄轉(zhuǎn)速提高時(shí)，葵盤拋起角度減小，垂直方向速度增大，水平位移減少，使得葵盤排出清選裝置所需時(shí)間增加，同時(shí)葵盤拋起時(shí)間增大，由式(21)可知，葵盤拋起時(shí)間增大使得葵盤空中轉(zhuǎn)動(dòng)角度增大，造成篩面接觸時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不明，葵盤無(wú)法有效排出，清選效率降低。振動(dòng)篩面各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)不同，需通過(guò)試驗(yàn)確定曲柄轉(zhuǎn)速較優(yōu)工作區(qū)間。

3.3 籽粒輸送板主要參數(shù)設(shè)計(jì)

油葵籽粒穿過(guò)清選氣流與籽粒輸送板表面碰撞后，法向速度降低，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，落入籽粒輸送板。油葵籽粒的碰撞恢復(fù)系數(shù)隨碰撞角增加而增加[15]，為使油葵籽粒碰撞后盡可能平穩(wěn)落入槽內(nèi)，減少飛濺損失，籽粒輸送板表面采用階梯狀設(shè)計(jì)，單層階梯外形與鋸齒相似，單向輸送油葵籽粒。籽粒輸送板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與滑塊M相同，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中連桿遠(yuǎn)長(zhǎng)于曲柄，滑塊M的運(yùn)動(dòng)可看作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)[16]，如圖10所示。

圖10 籽粒輸送板物料受力分析圖Fig.10 Working diagram of grain conveyor plate

油葵籽粒在籽粒輸送板表面受力方程為

(22)

式中F1——油葵籽粒慣性力，N

N3——油葵籽粒支持力，N

Ff1——油葵籽粒摩擦力，N

G1——油葵籽粒重力，N

m1——單個(gè)油葵籽粒質(zhì)量，kg

φ2——油葵籽?；瑒?dòng)摩擦角，(°)

σ2——鋸齒寬面與籽粒輸送板夾角，(°)

σ3——滑塊軌道與地面夾角，(°)

油葵籽粒沿輸送板向下滑動(dòng)的臨界條件為

G1sin(σ3-σ2)+F1cosσ2≥Ff1

(23)

將式(22)代入式(23)可得

gsin(σ3-σ2)+ω2rsin(ωt1)cosσ2≥
(gcos(σ3-σ2)+ω2rsin(ωt1)sinσ2)tanφ2

(24)

(25)

根據(jù)前期試驗(yàn)，考慮籽粒輸送板的安裝空間，同時(shí)保證油葵籽粒盡可能掉落至籽粒輸送板表面，設(shè)計(jì)提升連桿BM長(zhǎng)300 mm，籽粒輸送板長(zhǎng)610 mm，滑塊軌道與地面夾角為σ3=16°。籽粒輸送板表面鋸齒需逐齒推送油葵籽粒，使前一級(jí)鋸齒槽內(nèi)籽粒落入下一級(jí)鋸齒槽，同時(shí)防止籽?；鼗辽弦患?jí)鋸齒槽。當(dāng)籽粒輸送板沿滑塊軌道上行時(shí)，油葵籽粒沿鋸齒寬面相對(duì)輸送板向下移動(dòng)，籽粒水平位移Mx應(yīng)大于單齒距的寬度Zl，籽粒輸送板下行時(shí)，油葵籽粒在回推作用力下易發(fā)生回滑，鋸齒高度Zh應(yīng)大于籽粒寬度最大值，確定鋸齒高度為13 mm。鋸齒內(nèi)部夾角σ1過(guò)大會(huì)導(dǎo)致油葵籽粒拋離籽粒輸送板形成籽粒飛濺，過(guò)小則會(huì)形成鋸齒槽內(nèi)籽粒堆積，籽粒輸送板夾角σ2影響鋸齒寬面對(duì)油葵籽粒的推送作用，角度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致籽粒反向回滑，過(guò)小時(shí)油葵籽粒垂直位移My減少，籽粒推送效率降低，參考振動(dòng)篩抖動(dòng)板設(shè)計(jì)，確定鋸齒內(nèi)部夾角為95°、鋸齒寬面與籽粒輸送板夾角為12°，由三角代換得鋸齒寬度為52 mm。油葵籽粒與輸送板表面為非彈性碰撞，為避免油葵籽粒在碰撞與推送過(guò)程產(chǎn)生破損，齒尖進(jìn)行圓角處理，圓角半徑為2 mm。

油葵籽粒滑動(dòng)摩擦角取φ2=29°[17]，將相關(guān)參數(shù)代入式(25)，得油葵籽粒沿輸送板表面向下滑動(dòng)時(shí)需滿足n≥119.61 r/min，取整確定曲柄轉(zhuǎn)速應(yīng)大于120 r/min，即振動(dòng)頻率2 Hz。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州阜康市進(jìn)行，試驗(yàn)品種為矮大頭DW667號(hào)油葵，種植平均行距為400 mm，完整葵盤質(zhì)量范圍為280～370 g，油葵籽粒千粒質(zhì)量為55.9 g，油葵籽粒平均含水率為27.1%，自然落籽量為0.2 g/m2，作物長(zhǎng)勢(shì)均勻，地勢(shì)平坦，無(wú)障礙物。參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8097—2008《聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》和NY/T 373—2011《風(fēng)篩式種子清選機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率和分風(fēng)板傾角作為試驗(yàn)因素，油葵籽粒含雜率Sw和籽粒損失率Zp為清選質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

油葵聯(lián)合收獲機(jī)裝有自抗擾-動(dòng)態(tài)矩陣系統(tǒng)，可保證喂入量穩(wěn)定在2.45 kg/s。為減少田間作業(yè)對(duì)單因素試驗(yàn)造成的誤差，試驗(yàn)時(shí)拆除油葵聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)，采用輸送帶喂入葵盤。每組試驗(yàn)僅調(diào)整單個(gè)試驗(yàn)因素，參數(shù)調(diào)節(jié)通過(guò)機(jī)器液壓系統(tǒng)及更換零部件實(shí)現(xiàn)，數(shù)值由霍爾轉(zhuǎn)速傳感器反饋至監(jiān)測(cè)顯示屏。每組試驗(yàn)開(kāi)始前清除上組試驗(yàn)殘留物料，待本次試驗(yàn)結(jié)束，通過(guò)分樣篩將糧倉(cāng)內(nèi)油葵籽粒與雜質(zhì)篩分，統(tǒng)計(jì)油葵籽粒含雜率；使用集料箱與集料袋收集清選裝置尾部排出物，篩選其中油葵籽粒，統(tǒng)計(jì)籽粒損失率。為提高單因素試驗(yàn)的準(zhǔn)確度，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，將均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

4.2 單因素試驗(yàn)

圖11a為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)清選性能的影響，設(shè)定振動(dòng)頻率為4 Hz，分風(fēng)板傾角為30°，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000～1 400 r/min范圍內(nèi)選取5個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)清選裝置的清選性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，油葵籽粒含雜率呈下降趨勢(shì)，籽粒損失率持續(xù)上升。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高對(duì)應(yīng)氣流作用力增大，對(duì)油葵籽粒與雜質(zhì)分離作用增強(qiáng)，清選效果得到明顯提高，但被吹出清選室油葵籽粒數(shù)量增加，導(dǎo)致籽粒損失率上升。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速取值范圍為1 000～1 200 r/min時(shí)，油葵籽粒含雜率迅速下降，同時(shí)損失率上升明顯；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至1 200～1 400 r/min區(qū)間，油葵籽粒含雜率繼續(xù)下降，籽粒損失率逐漸趨于穩(wěn)定上升幅度較小，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 100～1 300 r/min為清選裝置較優(yōu)工作區(qū)間。

圖11 單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Single factor test results

圖11b為振動(dòng)頻率對(duì)清選性能的影響，固定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，分風(fēng)板傾角為30°，振動(dòng)頻率在2～6 Hz的范圍內(nèi)調(diào)整。油葵籽粒含雜率呈先下降后上升趨勢(shì)，籽粒損失率整體呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。振動(dòng)頻率較低時(shí)，篩面物料拋起效果差，篩網(wǎng)堵塞，部分油葵籽粒未透過(guò)篩面被直接排出。當(dāng)振動(dòng)頻率位于2～4 Hz區(qū)間時(shí)，脫出物在振動(dòng)篩面離散度增大、跳動(dòng)明顯，對(duì)油葵籽粒與雜質(zhì)的篩分效果明顯，油葵籽粒含雜率顯著下降。在4～6 Hz區(qū)間時(shí)，隨振動(dòng)頻率增大，部分雜質(zhì)碰撞后落回篩面，堆積于篩面影響雜質(zhì)排出，油葵籽粒含雜率上升，同時(shí)油葵籽粒未經(jīng)篩分被直接排出，導(dǎo)致籽粒損失率上升。振動(dòng)頻率3～5 Hz是滿足油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選作業(yè)要求的較優(yōu)區(qū)間。

圖11c為分風(fēng)板傾角對(duì)清選性能的影響，分風(fēng)板傾角在10°～50°區(qū)間調(diào)節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)，由圖可知油葵籽粒含雜率呈先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì)，籽粒損失率呈先降后上升趨勢(shì)，產(chǎn)生這種變化趨勢(shì)的原因是：風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的清選氣流受分風(fēng)板導(dǎo)向吹至清選裝置各處，當(dāng)分風(fēng)板傾角處于低水平時(shí)，清選裝置內(nèi)部氣流散亂，氣流對(duì)雜質(zhì)推送效果較弱，含雜率高，篩面處雜質(zhì)堆積，導(dǎo)致油葵籽粒無(wú)法透過(guò)篩網(wǎng)，油葵籽粒損失率高；隨著分風(fēng)板傾角增大，氣流推送效果明顯，雜質(zhì)吹出清選裝置，籽粒透篩率上升，籽粒損失率下降，當(dāng)分風(fēng)板傾角處于較高水平時(shí)，振動(dòng)篩前中段清選氣流推送效果變強(qiáng)，部分油葵籽粒被直接吹出清選裝置，同時(shí)振動(dòng)篩后段推送效果變?nèi)?，脫出物在篩面堆積，造成籽粒損失率上升。

4.3 正交試驗(yàn)

為進(jìn)一步探究上述試驗(yàn)因素與清選指標(biāo)之間的交互作用，尋找影響規(guī)律及較優(yōu)參數(shù)組合，根據(jù)響應(yīng)面分析法，以油葵籽粒含雜率和籽粒損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，開(kāi)展響應(yīng)面試驗(yàn)。根據(jù)單因素結(jié)果選取該機(jī)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率、分風(fēng)板傾角作為試驗(yàn)因素，試驗(yàn)因素編碼設(shè)計(jì)如表3所示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表4所示，A、B、C為因素編碼值。

表3 試驗(yàn)因素編碼Tab.3 Factors and levels of experiment

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.4 Experimental layout and results

4.4 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

通過(guò)Design-Expert 12軟件開(kāi)展多元回歸擬合分析，建立油葵籽粒含雜率、籽粒損失率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率、分風(fēng)板傾角3個(gè)自變量的響應(yīng)面正交回歸模型，對(duì)其進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示。油葵籽粒含雜率和損失率模型P=0.001、P<0.000 1(P<0.01)，證實(shí)所得回歸模型高度顯著；失擬項(xiàng)P分別為0.233 8、0.790 9，該清選裝置工作參數(shù)可根據(jù)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化。油葵籽粒含雜率模型中A、B、B2、C2對(duì)回歸模型影響極顯著(P<0.01)；AB、BC、A2對(duì)回歸模型影響不顯著(P>0.05)；油葵籽粒損失率模型中A、AB、AC、A2、B2對(duì)回歸模型影響極顯著(P<0.01)；BC、C2對(duì)回歸模型影響不顯著(P>0.05)。去除不顯著回歸項(xiàng)優(yōu)化后的方程為

表5 油葵籽粒含雜率與損失率方差分析Tab.5 Variance analysis of impurity rate and loss rate in oil sunflower

Y1=5.05-2.07A+1.71B+0.92C-
1.57AC+2.76B2+1.97C2

(26)

Y2=1.68+0.42A-0.19B+0.16C-
0.49AB+0.38AC+0.74A2+0.61B2

(27)

根據(jù)回歸模型分析結(jié)果，利用數(shù)據(jù)分析軟件繪制交互響應(yīng)曲面，如圖12所示。

圖12 正交試驗(yàn)響應(yīng)曲面Fig.12 Orthogonal test response surfaces

由圖12a可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與分風(fēng)板傾角增大時(shí)，含雜率均呈下降趨勢(shì)，與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，分風(fēng)板傾角呈先負(fù)后正相關(guān)關(guān)系。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)響應(yīng)曲面影響更明顯，主要因?yàn)轱L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變清選裝置各處氣流作用力，影響雜質(zhì)排出效果。由圖12b可知，振動(dòng)頻率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)油葵籽粒損失率均呈先負(fù)后正相關(guān)關(guān)系，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)油葵籽粒損失率的作用比振動(dòng)頻率的作用顯著。由圖12c可知，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與油葵籽粒損失率呈正相關(guān)關(guān)系，分風(fēng)板傾角與油葵籽粒損失率在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于高水平時(shí)，呈正相關(guān)關(guān)系，由圖可知風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)油葵籽粒損失率的作用相比分風(fēng)板傾角作用顯著。各試驗(yàn)因素對(duì)油葵籽粒含雜率和損失率影響大小順序均為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率、分風(fēng)板傾角。

以籽粒含雜率、籽粒損失率最小值為優(yōu)化目標(biāo)，以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率和分風(fēng)板傾角為優(yōu)化對(duì)象，通過(guò)Design-Expert軟件對(duì)回歸模型進(jìn)行尋優(yōu)，目標(biāo)及約束條件方程為

(28)

得到清選裝置最優(yōu)工作參數(shù)為：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 204.7 r/min、振動(dòng)頻率3.91 Hz、分風(fēng)板傾角26.48°，此參數(shù)組合下求得油葵籽粒含雜率與籽粒損失率為3.95%、1.65%。

4.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化所得參數(shù)組合進(jìn)行3次田間驗(yàn)證試驗(yàn)(圖13)，考慮試驗(yàn)可行性將工作參數(shù)圓整：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200 r/min、振動(dòng)頻率4 Hz，分風(fēng)板傾角27°。田間試驗(yàn)過(guò)程分為3個(gè)區(qū)域：調(diào)節(jié)清選裝置工作參數(shù)的穩(wěn)定區(qū)、油葵聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)的測(cè)定區(qū)和確保試驗(yàn)完全進(jìn)行的停車區(qū)。各區(qū)域長(zhǎng)度均為20 m，其中測(cè)定區(qū)寬度不小于3個(gè)工作幅寬。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

圖13 田間驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.13 Validation test in field

表6 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Tab.6 Experiment verification results %

分析田間驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果，得出最優(yōu)參數(shù)組合下平均油葵籽粒含雜率為4.25%，平均籽粒損失率為1.82%，油葵籽粒含雜率小于5%，損失率小于3%，滿足國(guó)家及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

(1)分析了油葵聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置脫出物組成成分及物料特性，測(cè)定了脫出物各物料懸浮速度，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析確定清選裝置振動(dòng)篩與籽粒輸送板的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)振動(dòng)篩面葵盤及籽粒輸送板面油葵籽粒進(jìn)行了受力分析，得到影響清選質(zhì)量主要工作參數(shù)。

(2)開(kāi)展了單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)，得到了清選裝置主要工作參數(shù)取值范圍：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 100～1 300 r/min、振動(dòng)頻率3～5 Hz、分風(fēng)板傾角20°～40°，各因素對(duì)油葵籽粒含雜率和損失率影響大小順序均為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率、分風(fēng)板傾角。

(3)通過(guò)Design-Expert軟件優(yōu)化工作參數(shù)，得工作參數(shù)組合：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 204.7 r/min、振動(dòng)頻率3.91 Hz、分風(fēng)板傾角26.48°，此時(shí)，油葵籽粒含雜率為3.95%，籽粒損失率為1.65%。田間試驗(yàn)表明：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200 r/min、振動(dòng)頻率4 Hz、分風(fēng)板傾角27°時(shí)，平均油葵籽粒含雜率為4.25%，平均籽粒損失率為1.82%，滿足油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。