譚云峰,陳 霖,胡 森,王 鍵,陳治帆,呂小榮

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,四川 雅安 625014)

機(jī)械化收獲是實(shí)現(xiàn)大豆生產(chǎn)全程機(jī)械化的重要環(huán)節(jié),脫粒分離裝置作為聯(lián)合收獲機(jī)的核心部件,對(duì)整機(jī)的工作質(zhì)量起決定性作用[1]。大豆作為我國(guó)重要的農(nóng)作物之一,是植物油和植物蛋白的主要來(lái)源,對(duì)我國(guó)油脂安全供給、畜牧業(yè)發(fā)展及國(guó)家糧食安全具有重要意義[2-5]。大豆種植在全國(guó)分布較廣,其種植地區(qū)主要集中在山東、內(nèi)蒙古、河南等地[6]。我國(guó)大豆產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展,但我國(guó)目前大豆收獲機(jī)械化水平總體較低,部分地區(qū)仍舊采用人工收獲方式,其生產(chǎn)效率低下、質(zhì)量不佳,且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。現(xiàn)有大豆收獲機(jī)械多是由稻麥聯(lián)合收獲機(jī)改造,由于大豆本身物理性質(zhì)與稻麥存在差異,其收獲存在破損率高、夾帶損失高、易堵塞等問(wèn)題。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),在機(jī)具不適宜的情況下,脫粒部分造成的破碎率高達(dá)10%～20%[7-8],這嚴(yán)重制約了大豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)大豆脫粒裝置的研究均較少。Teng等[9]設(shè)計(jì)了一種螺旋滾筒分段凹形脫粒系統(tǒng),其在滾筒不同脫粒段分別設(shè)計(jì)了不同的凹板篩,單因素分析表明:該脫粒裝置的破損率和雜質(zhì)含量均低于普通滾筒;樊晨龍等[10]設(shè)計(jì)了一種脫粒裝置,其脫粒元件采用圓頭釘齒,凹板篩采用圓管型組合形式,分析了脫粒元件與果穗、果穗與凹板之間的接觸模型,確定了玉米脫粒裝置最優(yōu)脫粒元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)及最佳的凹板組合;謝方平等[11]設(shè)計(jì)了一種柔性桿齒脫粒滾筒,研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)速一定時(shí)柔性齒打擊力小于剛性齒;王志明[12]設(shè)計(jì)了一種前端低速段用于易脫籽粒脫粒、后端高速段用于難脫籽粒脫粒的差速縱軸流脫粒滾筒,其在不改變?cè)袧L筒基本尺寸的情況下,有效降低了損失率、破損率、脫粒功耗;劉基[13]研制了一種低損傷大豆脫粒機(jī)構(gòu),但其僅是改變了脫粒裝置的工作參數(shù),采用的仍舊是偏轉(zhuǎn)一定角度的傳統(tǒng)剛性桿齒,最終的籽粒破損率較高。

目前,國(guó)內(nèi)外聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒采用的脫粒元件以弓齒、桿齒等剛性元件為主,分離凹板篩以柵格式為主[14-15]。本文設(shè)計(jì)了一種縱軸流柔性彎齒式大豆脫粒裝置,更改了脫粒元件的安裝形式,將釘齒設(shè)計(jì)為弧形,脫粒時(shí)為柔性沖擊,脫粒元件可任意拆卸更換,且其脫粒間隙會(huì)隨著脫粒裝置工作負(fù)荷的變化而改變,能有效提高其脫粒性能。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為本文所設(shè)計(jì)的縱軸流柔性彎齒式大豆脫粒裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)圖,該裝置由滾筒、導(dǎo)流板、外殼、機(jī)架、被動(dòng)可轉(zhuǎn)動(dòng)凹板篩、植株傳送帶、顆粒收集盤、電機(jī)等部件組成。脫粒滾筒的上面為間斷螺旋分布可拆卸柔性脫粒元件,脫粒滾筒、導(dǎo)流板和外殼均安裝在機(jī)架上方,傳送帶與電機(jī)安裝在機(jī)架前方,收集盤位于凹板篩下方。

1, 脫粒滾筒;2,導(dǎo)流板;3,外殼;4,機(jī)架;5,被動(dòng)可轉(zhuǎn)動(dòng)凹板篩;6,傳送帶;7,收集盤;8,電機(jī)。1, Threshing drum; 2, Guide plate; 3, Shell; 4, Rack; 5, Passively rotable concave sieve; 6, Conveyor belt; 7, Collection plate; 8, Motor.圖1 縱軸流柔性彎齒式大豆脫粒裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of longitudinal-axial flow flexible bent-tooth soybean thresher

1.2 工作原理

縱軸流脫粒裝置作業(yè)時(shí),大豆植株(后統(tǒng)一簡(jiǎn)稱物料)由傳動(dòng)帶勻速喂入脫粒裝置,在螺旋喂入頭的抓取作用下被強(qiáng)制送入滾筒與凹板間隙內(nèi),之后物料跟隨脫粒滾筒運(yùn)動(dòng),在導(dǎo)流板的作用下旋轉(zhuǎn)向前流動(dòng),隨著脫粒間隙的減小,持續(xù)與脫粒元件及凹板發(fā)生接觸進(jìn)行脫粒,被脫下的籽粒從凹板篩孔隙處掉落至收集盤,完成大豆籽粒的脫粒分離作業(yè)。最終莖稈被推送至滾筒末端排出裝置外,完成整個(gè)脫粒過(guò)程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 脫粒元件

本文設(shè)計(jì)的柔性脫粒元件,其脫粒彎齒通過(guò)扭簧、螺栓固定在滾筒輻條上的底座,且可繞螺栓轉(zhuǎn)動(dòng),扭簧具有吸能減震、減小對(duì)物料的打擊作用,同時(shí)脫粒彎齒偏轉(zhuǎn)會(huì)增大局部脫粒間隙,提高物料流動(dòng)性防止堵塞。脫粒過(guò)程中,脫粒元件隨脫粒滾筒轉(zhuǎn)動(dòng),脫粒彎齒與物料發(fā)生碰撞,當(dāng)撞擊力大于扭簧預(yù)加載力時(shí),扭簧向內(nèi)壓縮,脫粒彎齒轉(zhuǎn)角位置發(fā)生變化,此時(shí)脫粒元件底座與脫粒滾筒輻條共同構(gòu)成剛體系統(tǒng),而扭簧與脫粒彎齒視為柔性系統(tǒng)[16]。具體如圖2所示。

1, 脫粒彎齒;2,限位底座;3,緊定螺釘;4,螺栓;5,指套;6,底座;7,螺帽;8,扭簧;9,輻條。1, Degranulation curved teeth; 2, Limited seating; 3, Set screw; 4, Bolt; 5, Finger glove; 6, Base; 7, Nut; 8, Spring; 9, Spoke.圖2 脫粒元件Fig.2 Threshing element

脫粒彎齒的受力分析如圖3所示,脫粒裝置作業(yè)過(guò)程中,彎齒受到來(lái)自物料的合外力Ft,在該力作用下,桿齒以螺栓為旋轉(zhuǎn)中心向后轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θ。隨著角度θ的增大,螺栓對(duì)彎齒的支撐力Fn1與豎直方向上的夾角β3以及扭簧對(duì)桿齒的作用力Fn2與水平方向的夾角β2均會(huì)增大,而合外力Ft與水平方向的夾角β1保持不變。由于力的相互作用,此時(shí)彎齒對(duì)物料的脫粒力也逐漸增大,這有利于降低大豆籽粒的未脫凈率。當(dāng)物料在脫粒滾筒發(fā)生堵塞,彎齒以極大相對(duì)速度沖擊籽粒,由于彎齒以柔性方式安裝,發(fā)生較大沖擊時(shí)扭簧被壓縮,吸收部分沖擊能量,減小對(duì)籽粒的沖擊作用,從而降低籽粒的破碎率。

Ft,彎齒受到來(lái)自物料的合外力;Fn1,螺栓對(duì)彎齒的支撐力;Fn2,扭簧對(duì)桿齒的作用力;β1,合外力Ft與水平方向的夾角;β2,扭簧對(duì)桿齒的作用力Fn2與水平方向的夾角;β3,螺栓對(duì)彎齒的支撐力Fn1與豎直方向上的夾角;θ,桿齒以螺栓為旋轉(zhuǎn)中心逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度;L,物料與脫粒彎齒接觸點(diǎn)距離扭轉(zhuǎn)中心。Ft, The external forces of curved teeth subjected to the material; Fn1, The support force of the bolt on the bent teeth; Fn2, The force exerted by the torsion spring on the rod teeth; β1, The angle between the external force Ft and the horizontal direction; β2, The angle between the force Fn2 of the torsion spring on the rod teeth and the horizontal direction; β3, The angle between the support force Fn1 of the bolt on the curved teeth and the vertical direction; θ, The rod teeth rotate counterclockwise with the bolt as the center of rotation; L, The distance between the contact point of the material and the threshing bending tooth and the torsion center.圖3 脫粒彎齒受力示意圖Fig.3 Force diagram of threshing element

物料與彎齒接觸時(shí),力平衡方程為:

(1)

可知合外力的表達(dá)式為:

Ft=

(2)

式中,Ft為彎齒受到來(lái)自物料的合外力;Fn1為螺栓對(duì)彎齒的支撐力;Fn2為扭簧對(duì)桿齒的作用力;β1為合外力Ft與水平方向的夾角;β2為扭簧對(duì)桿齒的作用力Fn2與水平方向的夾角;β3為螺栓對(duì)彎齒的支撐力Fn1與豎直方向上的夾角。

通過(guò)預(yù)試驗(yàn)得出,大豆籽粒在施加載荷超過(guò)64 N時(shí)會(huì)出現(xiàn)破壞,大豆莖稈在施加載荷超過(guò)98 N時(shí)會(huì)出現(xiàn)破壞,而大豆豆莢的破莢力僅為3 N左右,因此選定扭簧預(yù)加載荷為9 N,脫粒彎齒對(duì)物料施加的作用力不超過(guò)50 N。由圖3可知,物料與脫粒彎齒接觸點(diǎn)距離扭轉(zhuǎn)中心為L(zhǎng),此時(shí)扭簧的初始扭矩T=Ftcosβ1,當(dāng)物料對(duì)彎齒的作用力大于大豆豆莢的破莢力且小于籽粒破損力時(shí),扭簧發(fā)生扭轉(zhuǎn),以此緩解籽粒受到的沖擊。依據(jù)設(shè)計(jì)要求,L為78 mm,扭簧的初始安裝轉(zhuǎn)角φ=40°,當(dāng)Ft為10 N時(shí),T=780 N·mm-1,由此可以計(jì)算扭簧的有效圈數(shù)N為:

(3)

式(3)中,E為彈性模量,扭簧選擇碳素彈簧鋼絲,取1.97×105MPa;D為扭簧鋼絲直徑,取2 mm;D1為扭簧中徑,扭簧中徑根據(jù)設(shè)計(jì)要求取8 mm,由此可得N=6。

2.2 被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)式凹版篩

傳統(tǒng)收獲機(jī)的脫粒凹板多為柵格式,凹板柵格為長(zhǎng)條狀[17],其表面存在的棱角在脫粒過(guò)程中極易與物料發(fā)生剪切作用,而大豆豆莢的破莢力較小[18],籽粒易從植株中分離,發(fā)生剪切作用時(shí),籽粒破損率增加,莖稈等雜質(zhì)過(guò)度破碎也會(huì)導(dǎo)致清選困難,同時(shí)隔板阻礙物料的軸向流動(dòng),易造成堵塞,這是傳統(tǒng)柵格式凹板篩存在的不足之處。針對(duì)上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)式凹板篩,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。其主要由13組被動(dòng)旋轉(zhuǎn)篩分單元構(gòu)成,每組兩排篩分單元交錯(cuò)配合形成可供籽粒落下的U形孔,可阻擋長(zhǎng)莖稈雜質(zhì)。

1, 凹板篩架;2,被動(dòng)旋轉(zhuǎn)篩分單元。1, Concave sieve tray; 2, Passive rotary screening unit.圖4 被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)式凹板篩單體Fig.4 Passive rotary concave screen monomer

脫粒過(guò)程中,物料受力比較復(fù)雜,同時(shí)物料的質(zhì)量、密度等參數(shù)時(shí)刻在改變,為分析物料的運(yùn)動(dòng)受力情況,對(duì)物料混合物的狀態(tài)變化進(jìn)行簡(jiǎn)化并作出如下假設(shè)[19]:

(1)大豆植株均勻不間斷喂入;

(2)物料層之間不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),保持緊密接觸;

(3)忽略物料之間的相互作用;

(4)物料混合物視為彈性體,保持運(yùn)動(dòng)傳遞。

ω,滾筒角速度;FN,物料受到凹板篩的打擊力;μN(yùn)FN,物料受到凹板篩的摩擦力;FS,物料受到脫粒元件的打擊力;μSFS,物料受到脫粒元件的摩擦力;G,重力;β,物料運(yùn)動(dòng)螺旋角;V,物料運(yùn)動(dòng)速度;δ,脫粒元件對(duì)物料的作用角度。ω, The angular speed of the roller; FN, The impact force of the material subjected to the concave sieve; μN(yùn)FN, The friction of the material subjected to the concave screen; FS, The impact force of the material subjected to the threshing element; μSFS, The frictional force of the material subjected to the threshing element; G, Gravity; β, Spiral angle of material movement; V, Material movement speed; δ, The angle of action of the threshing element on the material.圖5 物料在凹板篩側(cè)運(yùn)動(dòng)受力示意圖Fig.5 The force diagram of the material moving on the screen side of concave plate

FN、FS、μSFS均在凹板篩圓柱體切平面內(nèi),且在A點(diǎn)上。建立凹板篩側(cè)的物料的運(yùn)動(dòng)受力方程,其式為:

(4)

脫粒過(guò)程中,物料主要受到脫粒元件在滾筒與凹板篩間隙間的打擊力FS及凹板篩的反作用力FN,其力的大小均可通過(guò)物料脫粒的角速度與角加速度的形式表示:

(5)

式中,σ為草谷比;μ(z)為軸流脫?？臻g沿Z軸的分離率;e為速度增長(zhǎng)系數(shù);δ為脫粒元件的打擊角度;Nc為脫粒元件排列螺旋列數(shù);Nr為脫粒元件排列螺旋頭數(shù);L為脫粒元件排列螺旋線截距[20]。

由上述模型可知,脫粒元件在滾筒與凹板間隙間的打擊力FS、凹板的反作用力FN是隨角度變化的變量式周期函數(shù)在不同的脫粒位置進(jìn)行脫粒時(shí),物料角速度也呈現(xiàn)周期性變化,初入凹板時(shí)速度最低,隨著在脫?？臻g內(nèi)繼續(xù)軸向圓周運(yùn)動(dòng),角速度逐漸加快并趨于穩(wěn)定、最后又降低。當(dāng)物料運(yùn)動(dòng)速度低時(shí),其與脫粒元件的相對(duì)速度較大。因此,物料受到的沖擊大,籽粒也更容易破碎,反之則沖擊作用小,籽粒破碎率低。

3 仿真試驗(yàn)

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

為使仿真中物料之間及物料與裝置之間的接觸狀態(tài)更真實(shí),提高離散元仿真模型的可靠性,采用TA.XTC-18質(zhì)構(gòu)儀(上海保圣公司生產(chǎn))進(jìn)行物料物理特性測(cè)定試驗(yàn);采用實(shí)驗(yàn)室自制的物料特性綜合測(cè)試裝置測(cè)定物料-鋼板、物料-物料間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和滾動(dòng)摩擦因數(shù)。為標(biāo)定校準(zhǔn)接觸參數(shù),利用臺(tái)架試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)莖稈及豆莢進(jìn)行彎曲壓縮試驗(yàn),將EDEM仿真模擬試驗(yàn)得到的力-位移曲線與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,不斷調(diào)整黏結(jié)參數(shù)確保兩者誤差在±4%之內(nèi)。最終確定離散元仿真接觸參數(shù)和顆粒間黏結(jié)參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 離散元仿真接觸參數(shù)Table 1 Discrete element simulation of contact parameters

表2 顆粒間黏結(jié)參數(shù)Table 2 Parameters of intergranular bond

3.2 仿真模型建立

在脫粒裝置進(jìn)行大豆脫粒時(shí),裝置內(nèi)運(yùn)動(dòng)的混合物包括大豆籽粒、植株短莖稈、豆莢及其他輕雜物,但主要為籽粒和短秸稈,由于豆莢及其他輕雜物對(duì)剩余物料的作用力在脫粒過(guò)程中對(duì)最終脫粒效果的影響較小,所以在仿真過(guò)程中僅考慮大豆籽粒和短莖稈的影響[13]。

將大豆莖稈視為圓柱體,莖稈在脫粒過(guò)程中存在較多的彎曲變形、破碎等情形,傳統(tǒng)的剛性莖稈模型并不能顯現(xiàn)出脫粒時(shí)物料的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況,同時(shí)考慮仿真模型的計(jì)算體量,基于Hertz-Mindlin with bonding V2黏結(jié)接觸模型,利用半徑3.5mm的球形粒子相互黏結(jié)結(jié)構(gòu)建大豆莖稈離散元模型。大豆籽粒的形狀與橢球體相似,因此在建立顆粒模型時(shí)將大豆種子簡(jiǎn)化為橢球體,測(cè)得大豆籽粒三軸數(shù)據(jù)之后,利用五球填充方法構(gòu)建大豆籽粒的仿真模型,其能夠很好地反映出大豆籽粒的接觸狀態(tài)[21-22]。為真實(shí)反映出脫粒裝置的脫粒分離能力及測(cè)試出出口端的夾帶損失率,籽粒與莖稈間也利用Bonding鍵黏結(jié),其強(qiáng)度參考大豆豆莢破莢力,籽粒與莖稈的質(zhì)量比例等于前期預(yù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得喂入物料的草谷比為3∶2。最終建成大豆植株離散元模型如圖6所示。

圖6 收獲期大豆植株離散元建模Fig.6 Discrete element modeling of soybean plant at harvest stage

離散元仿真軟件自身不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的剛體運(yùn)動(dòng)及特殊力的添加,為接近真實(shí)試驗(yàn)條件,這里選用離散元仿真軟件Edem與多體動(dòng)力學(xué)軟件Recurdyn耦合。利用三維建模軟件Solidworks建立大豆脫粒裝置的裝配體模型(volume model),將其導(dǎo)入Recurdyn中,設(shè)置相關(guān)運(yùn)動(dòng)副及力驅(qū)動(dòng)后,輸出wall文件導(dǎo)入Edem中,完成仿真模型導(dǎo)入如圖7所示。

圖7 整機(jī)仿真模型Fig.7 Whole machine simulation model

3.3 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的脫粒裝置的有效性,對(duì)其整機(jī)進(jìn)行耦合仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)時(shí),顆粒工廠設(shè)置于脫粒裝置螺旋喂入口前端,物料喂入量選擇為3 kg·s-1。滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)置400 r·min-1,Raylesihs時(shí)間步長(zhǎng)為15%,仿真時(shí)間為5 s,在0.15 s 后物料進(jìn)入脫粒裝置,在2 s停止喂入物料,耦合仿真過(guò)程如圖8所示。

圖8 耦合仿真過(guò)程Fig.8 Coupling simulation process

通過(guò)EDEM-Recurdyn耦合仿真試驗(yàn),在脫粒效果一致時(shí),得到脫粒元件加扭簧和不加扭簧時(shí)(即柔性彎齒和剛性彎齒)法向與切向接觸力的對(duì)比。從圖9可以看出,柔性脫粒元件比剛性脫粒元件的法向和切向接觸力都要小,且差距較大。當(dāng)脫粒裝置進(jìn)行脫粒,脫粒彎齒與大豆植株接觸力達(dá)到一定值時(shí),大豆籽粒從植株上脫落,當(dāng)接觸力超過(guò)一定值時(shí),大豆籽粒會(huì)出現(xiàn)破碎情況,導(dǎo)致脫粒質(zhì)量降低,破碎的大豆若不及時(shí)處理會(huì)產(chǎn)生霉變等現(xiàn)象,導(dǎo)致浪費(fèi)糧食。因此,合理的接觸力不僅能使脫粒裝置順利脫粒,還能防止籽粒的損失。本文設(shè)計(jì)的柔性脫粒元件可根據(jù)植株的強(qiáng)度提供合適的接觸力,實(shí)現(xiàn)較好的脫粒性能。

圖9 柔性和剛性彎齒的法向與切向接觸力的對(duì)比Fig.9 Comparison of normal and tangential contact forces of flexible and rigid bending teeth

4 物理實(shí)驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c材料

搭建試驗(yàn)臺(tái)架,如圖10所示。探究滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、喂入量對(duì)籽粒破碎率及脫粒夾帶損失的影響規(guī)律及最佳工作參數(shù)組合。試驗(yàn)材料選用擊南夏豆25,測(cè)量出植株平均高度為67.5 cm,主莖節(jié)數(shù)平均為14.5個(gè),株莢數(shù)42.4個(gè),株粒數(shù)70.5粒;每莢粒數(shù)1.7粒,株粒重16.3 g,種子橢圓形,種皮黃色,臍褐色,百粒重24.9 g,完全粒率95.5%。試驗(yàn)開始前使用游標(biāo)卡尺及LDS-1G谷物水分測(cè)定儀測(cè)定植株基本參數(shù)如表3所示。

圖10 試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物圖Fig.10 Physical drawing of test stand

表3 大豆植株基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of soybean plant

4.2 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

試驗(yàn)因素為滾筒轉(zhuǎn)速(A)、脫粒間隙(B)、喂入量(C)三個(gè)因素,試驗(yàn)指標(biāo)為脫出物夾帶損失率及籽粒破碎率,具體計(jì)算方法如下:

(6)

(7)

式中,Y1為大豆脫粒夾帶損失率,%;Y2為大豆脫粒籽粒破碎率,%;m1為脫粒裝置脫出物中籽粒的總質(zhì)量,g;m2為脫粒裝置排雜口排出的籽粒質(zhì)量,g;m3為脫粒裝置脫出物中破碎籽?？傎|(zhì)量,g。

4.3 試驗(yàn)方案

為減少試驗(yàn)次數(shù),選取Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論[23-24],開展三因素三水平二次回歸響應(yīng)面試驗(yàn),共17組。試驗(yàn)因素水平安排如表4所示,參數(shù)范圍基于前期單因素試驗(yàn)及機(jī)具工作要求選取。

表4 試驗(yàn)因素水平Table 4 Level of test factors

試驗(yàn)開始前,使用數(shù)顯轉(zhuǎn)速表標(biāo)定脫粒滾筒轉(zhuǎn)速,使變頻器頻率與所需轉(zhuǎn)速一一對(duì)應(yīng),通過(guò)變頻器調(diào)整滾筒轉(zhuǎn)速;釘齒座與滾筒連接處改為條形孔,脫粒滾筒間隙通過(guò)調(diào)整釘齒座高低進(jìn)行調(diào)整;試驗(yàn)所需物料總質(zhì)量使用電子秤測(cè)量,傳送帶上均勻鋪放物料,物料經(jīng)由進(jìn)料口喂入脫粒裝置內(nèi)部,籽粒被脫下后經(jīng)由凹板篩落入收集盤,莖稈雜質(zhì)在脫粒滾筒及導(dǎo)流板作用下從滾筒末端排出。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)方差分析分別如表5和表6所示。

表5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 5 Test design scheme and results

表6 方差分析Table 6 Analysis of variance

表6方差分析中,針對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速(A)、脫粒間隙(B)、喂入量(C)三個(gè)因素對(duì)損失率(Y1)和破碎率(Y2)指標(biāo)的回歸模型均顯著、失擬項(xiàng)不顯著的結(jié)果,表明回歸方程能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)該脫粒裝置的脫粒性能。根據(jù)方差分析得到關(guān)于損失率、破碎率的回歸方程分別為:

Y1=1.91-0.25A+0.242 5B+0.435C+0.045AB+0.1AC-0.07BC+0.117A2+0.132B2+0.257C2。

(8)

Y2=0.72+0.05A-0.032 5B+0.005C+0.005AB+0.015AC+0.01BC+0.032 5A2-0.002 5B2+0.017 5C2。

(9)

其中,對(duì)于損失率Y1,因素A、B有顯著影響,因素C有極顯著影響,其余無(wú)顯著影響;對(duì)于破碎率Y2,因素A2有顯著影響,因素A、B、C均有極顯著影響,其余無(wú)顯著影響。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)其作出損失率和破碎率響應(yīng)曲面圖,分別如圖11和圖12。從圖11的損失率響應(yīng)曲面可知,脫粒間隙和喂入量一定時(shí),損失率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大逐漸增大,這是由于物料流動(dòng)速度變快以至自由籽粒來(lái)不及分離便已從排雜口排出;當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí),損失率隨著脫粒間隙和喂入量的增大而增大,這是由于脫粒間隙過(guò)大時(shí),脫粒元件的打擊作用難以傳遞到外層物料,其中籽?；祀s在莖稈等雜質(zhì)中被排出;隨著喂入量的增加,脫粒裝置內(nèi)的物料密度增大,更多莖稈雜質(zhì)導(dǎo)致已脫籽粒難以從凹板篩處分離出來(lái),致使損失率增大。

圖11 因素交互作用對(duì)損失率的影響Fig.11 Effect of factor interaction on loss rate

圖12 因素交互作用對(duì)破碎率的影響Fig.12 Effect of interaction of factors on breakage rate

從圖12的破碎率響應(yīng)曲面可知,滾筒轉(zhuǎn)速較大而脫粒間隙較小時(shí),物料在脫?？臻g受到脫粒元件的打擊和搓擦作用,隨著強(qiáng)度、頻率增加,籽粒破碎率增大;脫粒間隙較大時(shí),籽粒有更大的緩沖空間,物料受到的打擊和搓擦作用減弱,籽粒破碎率隨著脫粒間隙的增加而降低。當(dāng)脫粒間隙和滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí),脫?？臻g隨著喂入物料的增加,其物料層變厚、密度變大,籽粒在與脫粒元件直接接觸時(shí)受到的打擊力增大,破碎率隨著喂入量增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

為了得到最佳的工作參數(shù)組合,應(yīng)用Design-Expert 11.0軟件對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化[25-26]。采用損失率、破碎率的回歸方程Y1、Y2建立數(shù)學(xué)模型使其分別在約束條件下達(dá)到最小值。各試驗(yàn)因素編碼值在試驗(yàn)的范圍內(nèi)取值,其約束條件為:

-1≤Xi≤1

0≤Y1≤2

0≤Y2≤2。

(10)

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束條件,通過(guò)軟件求得的該裝置的最優(yōu)參數(shù)組合:滾筒轉(zhuǎn)速366.65 r·min-1、脫粒間隙20.78 mm×15.78 mm、喂入量1.286 kg·s-1,此時(shí)的損失率為1.703%、破碎率為0.685%。

為驗(yàn)證優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,對(duì)所獲得的最優(yōu)組合參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值,表7為試驗(yàn)結(jié)果。從表中可得:臺(tái)架試驗(yàn)損失率和破碎率平均值分別為1.767%、0.713%,與最優(yōu)參數(shù)組合預(yù)測(cè)值誤差低于5%。

表7 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證試驗(yàn)Table 7 Optimization result validation test

4.5 田間試驗(yàn)

將試驗(yàn)臺(tái)架上的脫粒滾筒及凹板篩拆裝于4LZ-1.6Z小型大豆聯(lián)合收獲機(jī)上,如圖13所示。試驗(yàn)地點(diǎn)為四川農(nóng)業(yè)大學(xué)仁壽試驗(yàn)基地,選取與臺(tái)架試驗(yàn)相同品種的成熟期南夏豆25,籽粒含水率為18.25%,莖稈含水率為38.41%。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖14所示,脫粒裝置工作參數(shù)取最優(yōu)參數(shù)組合,其余均設(shè)置為正常收獲時(shí)工作參數(shù),結(jié)合GB/T8097-2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》中收獲試驗(yàn)要求,以損失率、破碎率為試驗(yàn)指標(biāo)。重復(fù)試驗(yàn)3組,每組有效收獲行程25 m,每組試驗(yàn)開始前,收獲機(jī)均已達(dá)到穩(wěn)定速度。根據(jù)中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 11912-2014),要求損失率和破碎率低于 5%,試驗(yàn)結(jié)果表明損失率、破碎率的平均值分別為1.812%和0.753%,均低于該標(biāo)準(zhǔn),最優(yōu)參數(shù)組合的收獲達(dá)到實(shí)際要求。

圖13 機(jī)具安裝Fig.13 Installation of machinery and tools

圖14 大豆收獲試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.14 Soybean harvest test site

5 結(jié)論

(1)針對(duì)傳統(tǒng)大豆脫粒裝置存在的籽粒破碎率高的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種縱軸流柔性彎齒式大豆脫粒裝置,并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)分析,柔性脫粒元件可提高物料流動(dòng)性防止堵塞,被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)式凹板篩形成可供籽粒落下的U形孔,同時(shí)阻擋長(zhǎng)莖稈雜質(zhì)。

(2)通過(guò)EDEM和Recurdyn軟件耦合驗(yàn)證柔性彎齒相較于傳統(tǒng)彎齒在脫粒時(shí)接觸力較小,更有利于大豆收獲。

(3)搭建試驗(yàn)臺(tái)架,選取滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、喂入量作試驗(yàn)因素進(jìn)行了三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)。得出了脫粒裝置在最優(yōu)脫粒情況下參數(shù)組合:滾筒轉(zhuǎn)速為366.65 r·min-1、脫粒間隙為20.78 mm×15.78 mm、喂入量為1.286 kg·s-1。此時(shí)平均籽粒損失率為1.767%,破碎率為0.713%,其效果優(yōu)于傳統(tǒng)脫粒裝置。

(4)進(jìn)行田間試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明損失率、破碎率的平均值分別為1.812%和0.753%,均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值,滿足大豆機(jī)械化收獲的要求。