吾斯曼·吾木爾，沙塔爾·司馬義，克然木·熱合木吐力，祖麗皮亞·艾合買提

(1.新疆財經(jīng)大學博士后流動站,烏魯木齊市,830012;2.新疆社會科學院農(nóng)村發(fā)展研究所,烏魯木齊市,830011;3.新疆鄯善縣惠民農(nóng)業(yè)研究咨詢服務(wù)站,新疆吐魯番市,838011)

0 引言

玉米是我國的重要糧食作物和經(jīng)濟作物,在我國的種植面積不斷擴大。據(jù)統(tǒng)計,2021年,我國的玉米種植面積達到了43 320 khm2,并逐年遞增[1-2]。玉米的經(jīng)濟收益在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中占有重要地位,機械化玉米農(nóng)藝生產(chǎn)過程已成為必然趨勢,普及玉米的機械化生產(chǎn)是增加農(nóng)民收益、加快農(nóng)機推廣的重要手段。玉米機械化收獲分為玉米穗體收獲和籽粒收獲兩種。其中穗體收獲是用玉米收割機完成玉米穗體與秸稈的分離以及穗體的收集;玉米籽粒收獲是由脫粒裝置、清選裝置等完成籽粒與穗體的分離以及籽粒的收集[3],但是在現(xiàn)階段玉米脫粒機械中,仍存在籽粒脫凈率較低、破損率較大的問題[4]。因此,在玉米脫粒作業(yè)中改善脫粒裝置的脫粒性能,是增產(chǎn)增效的重要手段。

對改變脫粒間隙的研究國內(nèi)外相對較多。例如,德國研制的lexion700系列聯(lián)合收割機中設(shè)有自動調(diào)節(jié)脫粒系統(tǒng),可以針對收獲作物的條件自動調(diào)節(jié)脫粒間隙,降低裝備能耗和提高收獲率[5];美國研制的S660聯(lián)合收割機配備新型TriStream脫粒滾筒后,可以改變脫粒間隙,在保證收獲率的同時使脫粒更加柔和,降低破損率[6];Berkamp等[7]發(fā)明了一種裝載與聯(lián)合收獲機中的凹板篩,該裝置通過調(diào)節(jié)液壓缸活塞的伸縮,可調(diào)節(jié)脫粒間隙,使凹板篩上的壓力保持不變。在國內(nèi),調(diào)節(jié)脫粒間隙的研究方向也在逐步發(fā)展,例如,李耀明等[8-9]設(shè)計了一種由液壓缸在底部支撐凹板篩的脫粒裝置,可根據(jù)液壓缸的直線運動調(diào)節(jié)脫粒間隙;張成文[10]設(shè)計了一種凹板篩與液壓缸結(jié)合的裝置,凹板篩的一端與液壓缸鉸接,利用液壓系統(tǒng)對裝置進行監(jiān)測,自動調(diào)節(jié)脫粒間隙。但目前的脫粒裝置仍存在間隙調(diào)節(jié)效果差、脫粒過程易堵塞等問題。因此,基于凹板篩部件,設(shè)計一種可以改變凹板篩直徑大小的機構(gòu),使脫粒滾筒與凹板篩直徑同心,以匹配不同作業(yè)參數(shù)的下的脫粒需求。

針對玉米脫粒過程中存在容易出現(xiàn)脫凈率低和籽粒易發(fā)生破損的問題,本文結(jié)合可調(diào)節(jié)脫粒間隙[11-14],設(shè)計了一種可調(diào)節(jié)式玉米脫粒裝置,進行相關(guān)試驗研究,在三元二次正交回歸試驗分析基礎(chǔ)上,建立響應(yīng)面回歸方程,確定適用于當前玉米品種以及收獲時的物料條件下的最優(yōu)參數(shù)組合,使玉米脫凈率和籽粒破損率達到最優(yōu)結(jié)果,為玉米籽粒收獲提供參考依據(jù)。

1 玉米脫粒裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

可調(diào)節(jié)式玉米脫粒裝置如圖1所示,其中,紋桿式脫粒滾筒與可調(diào)節(jié)式凹板篩在安裝時保證同心安裝并固定于機架。裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 可調(diào)節(jié)式玉米脫粒裝置整體結(jié)構(gòu)

可調(diào)節(jié)式玉米脫粒裝置中由電機作為驅(qū)動系統(tǒng),皮帶作為傳動系統(tǒng)、紋桿式脫粒滾筒與可調(diào)節(jié)式凹板篩作為脫粒執(zhí)行系統(tǒng)。工作時,動力由電機提供,玉米由入料口進入,在脫粒滾筒轉(zhuǎn)動與凹板篩的作用下進行滾動翻轉(zhuǎn)、揉搓、擠壓,將玉米籽粒與穗體分離,通過液壓裝置可調(diào)節(jié)脫粒間隙,以滿足不同情況下的脫粒需求,最后將脫出的玉米籽粒導(dǎo)流收集,完成玉米脫粒過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 脫粒滾筒

脫粒滾筒的直徑大小對脫粒、分離裝置的通過能力有很大的影響,滾筒直徑過小易發(fā)生纏繞,滾筒直徑過大,增加了脫粒滾徐的消耗。根據(jù)前期預(yù)試驗且綜合考慮作業(yè)載荷、喂入量、生產(chǎn)率等因素,這里設(shè)計的滾筒的直徑為550 mm,紋桿高度為25 mm。故紋桿式脫粒滾筒的直徑為600 mm,計算公式如式(1)所示。

DZ=D1+2H

(1)

式中:DZ——紋桿式脫粒滾筒頂圓直徑,mm;

D1——滾筒直徑,mm;

H——紋桿高度,mm。

在脫粒作業(yè)中,脫粒滾筒上紋桿的線速度對玉米籽粒受到的揉搓力起到一定的作用。脫粒速度越大,籽粒的脫凈率越高,但也增加了脫粒功率,籽粒的破損率也隨之增加;反之,脫粒速度過小,無法保證玉米籽粒的脫凈率。因此,在滿足脫凈率的前提下,盡量選擇較低的脫粒速度,達到高脫凈率、低破損率、低功率消耗的目的。參考農(nóng)業(yè)機械手冊大豆的脫粒速度為7.5～9.5 m/s,玉米的脫粒速度為10.5～17.5 m/s,以及根據(jù)前期對脫粒速度做的預(yù)試驗,在保證脫凈率的前提下,脫粒速度為6.5～9.5 m/s,根據(jù)式(2)可得出滾筒轉(zhuǎn)速為200～300 r/min。

(2)

式中:nZ——滾筒轉(zhuǎn)速,m/s;

vZ——脫粒滾筒頂部的線速度,m/s。

由于紋桿長度主要根據(jù)生產(chǎn)率決定,且本文研究目的是為變隙式玉米脫粒裝置中可調(diào)節(jié)脫粒間隙裝置設(shè)計提供參考依據(jù),因此為了滿足玉米脫粒裝置的工作效率適應(yīng)當下谷物類脫粒裝置的一般生產(chǎn)率,以及現(xiàn)有軸流式脫粒滾筒的工作長度一般為1～3 m,根據(jù)現(xiàn)有的脫粒試驗臺的結(jié)構(gòu)尺寸,確定紋桿滾筒長度L為1 400 mm。脫粒裝置的喂入量計算如式(3)所示。

q≤Lq0

(3)

式中:q——脫粒裝置喂入量,kg/s;

q0——許用喂入量,kg/(s·m)。

由于聯(lián)合收獲機中脫粒裝置的許用喂入量為1.5～2.0 kg/(s·m)。因此,本文選取許用喂入量q0為1.5 kg/(s·m)。則求得喂入量q≤2.1 kg/s。

2.2 可調(diào)節(jié)式凹板篩

2.2.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

可調(diào)節(jié)式凹板篩主要是由篩板單元與直徑調(diào)節(jié)機構(gòu)組成,如圖2所示。在篩板單元兩端分別安裝一個直徑調(diào)節(jié)機構(gòu),且篩板單元在直徑調(diào)節(jié)機構(gòu)上呈圓周分布,兩者間采用固定連接。同步調(diào)節(jié)直徑調(diào)節(jié)機構(gòu)可實現(xiàn)凹板篩直徑的可調(diào)。

圖2 直徑調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

篩板單元是由連接桿與多個篩片組成。直徑調(diào)節(jié)機構(gòu)是由固定板、推動桿以及調(diào)節(jié)桿組成。推動桿安裝在固定板的外側(cè)滑動槽內(nèi),調(diào)節(jié)桿的一端與推動桿鉸接,調(diào)節(jié)桿的另有一端與穿過固定板孔槽的篩板單元中的連接桿鉸接。

工作時,液壓缸推動驅(qū)動桿,在驅(qū)動桿的作用下,推動桿在固定板上滑動,帶動調(diào)節(jié)桿沿徑向移動,篩板單元與調(diào)節(jié)桿的一端穿過固定板發(fā)成鍵連接后隨其發(fā)生徑向運動,使得凹板篩的直徑發(fā)生改變,如圖3所示。當運動到合適位置參數(shù)時,在液壓缸自鎖閥的作用下發(fā)生自鎖,保證凹板篩的穩(wěn)定性。

在圖3中,R0為調(diào)節(jié)桿與推動桿鉸接處半徑,mm;R1min為初始時凹板篩半徑,mm;R1max為運動后凹板篩半徑,mm;α為調(diào)節(jié)桿轉(zhuǎn)動角度,rad;δ為可調(diào)間距,mm。

2.2.2 直徑調(diào)節(jié)機構(gòu)的運動分析

直徑調(diào)節(jié)機構(gòu)與7個調(diào)節(jié)桿鉸接,每個調(diào)節(jié)桿之間保持30°夾角,各調(diào)節(jié)桿運動方式相同,如圖4所示。A點鉸接與推動桿上,B點穿過固定板與篩板單元鍵連接,且在Y軸上移動。則A點坐標為

(4)

又因為A點滿足圓方程,則

xA2+yA2=R02

(5)

則將式(4)代入到式(5)中,得

(-Lsinα)2+[-(R2+Lcosα)]2=R02

(6)

壓力角α可變范圍為0°～40°,且正弦函數(shù)與余弦函數(shù)為單調(diào)函數(shù)。因此,根據(jù)前期對玉米物料的測定:登海8883號玉米的直徑在45 mm左右,含水率為30%左右。設(shè)計脫粒間隙可調(diào)節(jié)范圍δ為20～45 mm,根據(jù)脫粒滾筒的設(shè)計(脫粒滾筒半徑為300 mm),調(diào)節(jié)桿初始時的角度α1min為0°,則初始時凹板篩的半徑R1min為320 mm;調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)桿角度α1max為40°時,調(diào)節(jié)桿調(diào)節(jié)后凹板篩的半徑R1max為345 mm。根據(jù)式(7),考慮結(jié)構(gòu)中調(diào)節(jié)桿的強度、材料等問題,求出調(diào)節(jié)桿的長度L為150 mm,調(diào)節(jié)桿與推動桿鉸接處半徑R0為470 mm。

(7)

最后根據(jù)凹板篩可調(diào)節(jié)的間隙范圍a的公式可求得凹板篩最大調(diào)節(jié)的間隙值,即amax=25 mm;最終根據(jù)脫粒滾筒尺寸確定脫粒間隙的可調(diào)節(jié)范圍為20～45 mm,計算公式如式(8)所示。

(8)

3 性能試驗

3.1 試驗材料與設(shè)備

為驗證可調(diào)間隙玉米脫粒裝置的作業(yè)性能,試制了一臺物理樣機進行響應(yīng)面試驗。試驗選用在我國北方地區(qū)廣泛種植的登海8883號玉米作為試驗對象。其基本物料特性參數(shù)如表2所示。

表2 物料基本參數(shù)

試驗中主要使用設(shè)備儀器為:三相異步電動機、量程為0～100 g、精度為0.001 g的JM電子計數(shù)天平、靈敏度為0.01 N/m,量程為0～500 N/m,轉(zhuǎn)速為0～4 000 rad/min的扭矩儀、裝樣塑料袋、小掃把、簸箕、圓篩等。

3.2 試驗設(shè)計與方法

根據(jù)前期預(yù)試驗結(jié)果選取該裝置的調(diào)節(jié)間隙、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速以及物料進給量作為試驗因素,試驗水平如表3所示。

表3 試驗因素及水平

試驗中各項性能指標根據(jù)國家標準GB/T 5982—2017《脫粒機試驗方法》[15],每組試驗進行3次,分別以3次試驗值的平均值為試驗結(jié)果。選取脫凈率Y1與籽粒破損率Y2作為評價指標,計算公式如式(9)、式(10)所示。

(9)

式中:Y1——脫凈率,%;

mW——已脫籽粒重,g;

m——籽粒總重量,g。

(10)

式中:Y2——破損率,%;

mp——破損籽粒重,g。

3.3 試驗結(jié)果與分析

依照Design-Expert軟件里Box-Benhnken中心組合設(shè)計理論能用較少的試驗次數(shù)進行全方位的分析研究。選定玉米脫粒裝置的調(diào)節(jié)間隙、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、物料進給量作為影響因子,以脫凈率和破損率作為響應(yīng)值,采用三元二次回歸正交試驗方案進行響應(yīng)面試驗研究。正交試驗方案和結(jié)果如表4所示,X1、X2、X3為編碼值。根據(jù)表4試驗結(jié)果顯示,該裝置的脫凈率為97.35%～99.22%,破損率為2.16%～3.62%。

表4 試驗方案與結(jié)果

3.4 回歸模型建立與顯著性檢驗

根據(jù)正交試驗方案與所得結(jié)果,通過Design-Expert8.0.6軟件對所得數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合的分析,建立玉米籽粒的脫凈率和籽粒的破損率對可調(diào)節(jié)式玉米脫粒裝置的調(diào)節(jié)間隙、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、物料進給量3個因素空間內(nèi)的二次響應(yīng)面回歸模型,回歸方程如式(11)、式(12)所示。

y1=98.30-0.62A+0.26B-0.26C-

0.16AB+0.015AC+0.15BC-

0.34A2+0.17B2+0.18C2

(11)

y2=2.30-0.50A-0.22B+0.20C-

0.17AB+0.14AC-0.13BC+

0.53A2+0.14B2+0.28C2

(12)

對式(11)和式(12)分別進行方差分析,分析結(jié)果如表5、表6所示。

表5 玉米脫凈率方差分析

表6 玉米破損率方差分析

響應(yīng)面模型中的玉米籽粒脫凈率與籽粒破損率模型的P值分別為0.000 2、0.000 3(P<0.01),該結(jié)果表明脫凈率和破損率的二次響應(yīng)面回歸模型極為顯著;失擬項P分別為0.628 7、0.110 7(P>0.05),表明模型擬合程度較高;回歸模型的決定系數(shù)R2分別為0.968 5、0.962 5,表明有96.25%以上的評價指標可以由上述的模型進行解釋。綜上所述,該回歸模型能夠?qū)崿F(xiàn)試驗指標的預(yù)測及參數(shù)的控制,并且裝置的作業(yè)參數(shù)可以根據(jù)此模型進行優(yōu)化。

對于玉米凈率的響應(yīng)面回歸模型中有4個回歸模型項A、B、C、A2對模型影響極為顯著(P<0.01),有1個回歸項C2對模型的影響較為顯著(P<0.05),有4個回歸項AB、AC、BC、B2對該模型影響為不顯著(P>0.05)。對于籽粒破損率的響應(yīng)面回歸模型中有4個回歸模型項A、B、A2、C2對模型影響極為顯著(P<0.01),有1個回歸項C對模型的影響較為顯著(P<0.05),有4個回歸項AB、AC、BC、B2對該模型表現(xiàn)為不顯著(P>0.05)。

將表現(xiàn)為不顯著的回歸項進行去除,得到優(yōu)化后的響應(yīng)面回歸方程如式(13)、式(14)所示。分析優(yōu)化后的回歸模型,根據(jù)模型y1、y2的P值均小于0.000 1、模型y1、y2的失擬項P值分別為0.283 3、0.053 5,得出優(yōu)化后的模型可靠。

y1=98.37-0.62A+0.26B-0.26C-

0.33A2+0.19C2

(13)

y2=2.36-0.50A-0.22B+0.20C+

0.53A2+0.29C2

(14)

根據(jù)回歸方程的分析結(jié)果,通過Design-Expert軟件繪制3D-surface響應(yīng)面,調(diào)節(jié)間隙、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、物料進給量對玉米的脫凈率和籽粒破損率的影響,如圖5所示。

(a) Y1=f(X1,X2,1.75)

根據(jù)上述試驗結(jié)果分析得出,3個因素對玉米脫凈率和籽粒破損率的影響順序為:調(diào)節(jié)間隙>脫粒滾筒轉(zhuǎn)速>物料進給量。即當脫粒間隙越小確保能夠更多地將玉米穗體與籽粒分離,提高玉米的脫凈率;滾筒轉(zhuǎn)速越高,在滾筒外形尺寸不變的情況下,脫粒元件的線速度越大,對玉米的沖擊隨之增加,對籽粒的分離有明顯效果,但同時對籽粒的沖擊強度也會增加,導(dǎo)致籽粒發(fā)生破損;喂入量越大,易在脫粒作業(yè)區(qū)內(nèi)發(fā)生籽粒堆積與重疊,導(dǎo)致玉米籽粒的脫凈率下降,影響整個裝置的作業(yè)性能。

3.5 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

為進一步提高玉米脫粒過程中的脫凈率、降低破損率,通過Design-Expert軟件中數(shù)據(jù)分析功能,對所建立的三元二次回歸正交試驗進行參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)上述的響應(yīng)面回歸方程進行分析以及對影響因素進行優(yōu)化得出最佳因素水平組合,并對影響因素的最優(yōu)參數(shù)進行元整化,即調(diào)節(jié)間隙為29.84 mm、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為299.79 r/min、物料進給量為1.54 kg/s,在最優(yōu)參數(shù)組合下獲得玉米脫凈率和籽粒破損率的預(yù)測值分別為99.07%、2.23%。

為了驗證優(yōu)化結(jié)果的準確性與可靠性,對最優(yōu)組合參數(shù)進行重復(fù)驗證性試驗,按照前述的試驗方法進行試驗,結(jié)果取平均值,考慮裝置在試驗中的可操作性將印象因素的最優(yōu)參數(shù)進行元整化,即調(diào)節(jié)間隙為30 mm、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min、物料進給量為1.5 kg/s,試驗結(jié)果如表7所示。

表7 試驗驗證值

根據(jù)試驗驗證結(jié)果可知,玉米籽粒脫凈率在98%以上,籽粒破損率低于2.40%,且平均脫凈率和籽粒破損率分別為98.67%、2.34%,與理論值預(yù)測值的相對誤差絕對值均小于4%,證明參數(shù)優(yōu)化方法的結(jié)果可靠。

4 結(jié)論

1) 針對當前玉米籽粒機械存在的脫凈率低、籽粒破損大等問題,優(yōu)化設(shè)計一種調(diào)隙式玉米脫粒裝置,介紹其結(jié)構(gòu)與工作原理,對間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)進行運動分析,確保該裝置滿足玉米脫粒作業(yè)要求。

2) 以登海8883號玉米品種為脫粒對象,對調(diào)隙式玉米脫粒裝置參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計,通過理論分析和計算確定了脫粒滾筒直徑為550 mm,紋桿高度為25 mm,外滾筒直徑為600 mm,紋桿長度為1 400 mm,調(diào)節(jié)桿長度為150 mm,調(diào)節(jié)桿與推動桿鉸接處半徑為470 mm。

3) 根據(jù)試制的可調(diào)節(jié)式脫粒裝置的樣機,以調(diào)節(jié)間隙、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速以及物料進給量為影響因子,以玉米籽粒脫凈率和籽粒破損率為性能指標,進行正交試驗。試驗結(jié)果表明:調(diào)節(jié)間隙與脫粒滾筒轉(zhuǎn)速對試驗指標的影響為極顯著,物料進給量為顯著;影響順序為調(diào)節(jié)間隙>脫粒滾筒轉(zhuǎn)速>物料進給量。通過優(yōu)化分析與試驗驗證,獲得了最佳參數(shù)組合:調(diào)節(jié)間隙為30 mm、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min、物料進給量為1.5 kg/s,在該作業(yè)參數(shù)條件下玉米的脫凈率為98.67%,籽粒破損率為2.3%,試驗與理論優(yōu)化值的誤差均小于4%,且滿足國家及相關(guān)標準對脫粒裝置的作業(yè)要求。