橫置多滾筒聯合收獲機清選裝置參數優化與試驗

司增永，李耀明，唐 忠，馬 征，李 洋

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

隨著我國連片水稻種植面積的增加及產量的提高，對水稻聯合收獲機的收獲效率提出了更高的要求[1-3]。成芳等利用試驗臺對風篩式清選裝置主要參數進行了試驗研究，研究了清選裝置結構和運動參數對清選性能的影響規律，并建立了數學模型，得到了最佳參數組合并進行了試驗驗證[4]。張義鋒等針對縱軸流風篩式清選裝置的參數進行了試驗研究，以曲柄轉速、風機傾角、風機轉速和喂入量為試驗因素，以含雜率、損失率和功耗為評價指標，通過試驗得出上述因素對清選性能的影響規律[5]。徐立章等通過Fluent軟件對雙出風口多風道離心風機內部氣流場進行了數值模擬，并分析了風機轉速、進風口直徑及分風板角度對風機內部氣流場分布、出風口風速及風量的影響[6]。張義鋒、衣淑娟等在風篩式清洗裝置試驗臺上研究了在不同風速、風向等情況下清選室內脫出混合物分布的影響，得到篩下脫出混合物總質量、雜余質量、籽粒質量和含雜率沿篩子縱向的分布規律[7]。

本文以橫置多滾筒聯合收獲機的多風道清選裝置為研究對象，選取清選損失率、含雜率作為清選性能評價指標，在田間開展以多風道離心式風機轉速、魚鱗篩開度、分風板Ⅰ傾角、分風板Ⅱ傾角為研究參數進行了單因素和正交試驗，分析了上述因素對清選性能的影響，并使用極差分析法對多風道清選裝置的參數進行優化。

1 多風道清選裝置結構

1.1 基本結構

多滾筒聯合收獲機脫粒分離、清選裝置主要結構[8]包括切流滾筒、第Ⅰ橫軸流滾筒、第Ⅱ橫軸流滾筒、滾筒凹板篩、風機、分風板、抖動板、魚鱗篩、回程輸送板、二次雜余攪龍，以及籽粒攪龍等，如圖1所示。

1.切流滾筒 2.切流凹板篩 3.第Ⅰ橫軸流凹板篩 4.抖動板 5.風機上風道 6.風機葉片 7.第Ⅰ分風板 8.第Ⅱ分風板 9.籽粒攪龍 10.魚鱗篩開度調節板 11.回程輸送板 12.下層沖孔篩 13.魚鱗篩 14.二次雜余攪龍 15.尾篩 16.第Ⅰ橫軸流 17.第Ⅱ橫軸流凹板篩 18.第Ⅱ橫軸流滾筒

多滾筒聯合收獲機在實際收割水稻時，其脫粒清選裝置主要結構和運動參數如表1～表3所示。

表1 脫粒分離清選裝置結構參數

表2 清選裝置主要結構和運動參數

表3 風機主要結構參數

1.2 多風道清選裝置工作原理

經切流滾筒凹板篩分離出的脫出混合物落在振動篩前抖動板上，經振動篩前抖動板的抖動、輸送，使物料均勻落到魚鱗篩上；經第Ⅰ、Ⅱ橫軸流滾筒凹板篩分離出的脫出混合物落在回程輸送板上，在回程輸送板的抖動、輸送作用下，脫出混合物變得均勻，一部分物料落在振動篩前抖動板上，一部分直接落入魚鱗篩上；脫出混合物在經振動篩抖動板及回程輸送板拋灑到魚鱗篩上的過程中，大部分輕雜余在雙出風口多風道離心風機的上出風口的作用下被吹出機外，減小了落入魚鱗篩上的脫出混合物總質量，從而減輕了魚鱗篩上清選負荷，進而提高了清選效率。

而落入到魚鱗篩上表面的物料和莖稈，在振動篩和風機下出風口的作用下不斷跳動、透篩，在經下出風口多風道氣流的作用完成混合物的清選作業。雙出風口多風道離心式風機下出風口包括3個風道：經風道Ⅰ吹出的氣流風量較大、風速較小，主要覆蓋振動篩上層魚鱗篩的前中部分和下層編織篩的前部分，提高了脫出混合物的透篩能力，能夠滿足脫出混合物較多的情況；經風道Ⅱ吹出的氣流風量和風速均適中，主要覆蓋上層魚鱗篩和下層編織篩的中后部分，能夠增強混合物的透篩能力；經風道Ⅲ吹出的氣流風速較大、風量較小，主要覆蓋在振動篩的尾部，能夠把剩余的雜余吹出機外，又不把籽粒吹出機外，提高了清選效率[9]。

經振動篩前中部分篩選出的干凈籽粒落入籽粒攪龍，經垂直輸送攪龍輸入糧箱；經振動篩尾部未清選干凈的混合物落入二次雜余攪龍，被二次雜余垂直攪龍輸送到回程輸送板上進行二次清選。

2 多風道清選裝置田間試驗

2.1 試驗材料

2016年11月28日在蘇州吳江進行田間試驗，收獲期間，試驗水稻基本參數如表4所示。

表4 試驗水稻基本參數

2.2 試驗條件

水稻及機器主要工作參數：稻谷含水率為24%，第Ⅰ滾筒轉速為600r/min,第Ⅱ滾筒轉速為720r/min,第Ⅲ滾筒轉速為950r/min。實際喂入量可通過計算式(1)求得[10]

(1)

式中Q—實際喂入量(kg/s)；

B—割幅(m),試驗實際割幅為2.58m；

L—實際收獲的長度(m)，試驗實際收獲長度為15m；

P—產量(kg/hm2)，試驗田水稻產量為9 450kg/hm2；

β—草谷比，試驗草谷比取2.1；

t—收獲時間(s),測得平均時間為16.3s。

由式(1)求得試驗對應的實際喂入量為7.08kg/s。

2.3 試驗方案

試驗選取風機轉速、魚鱗篩開度、風機分風板Ⅰ傾角及風機分風板Ⅱ傾角4個因素為試驗參數，試驗分為單因素和正交試驗進行。以清選損失率、含雜率作為清選性能的衡量指標，研究上述參數對聯合收獲機清選性能指標的影響，并利用極差分析法對試驗測得的數據進行分析處理，從而選出上述工作參數的最優組合。單因素試驗風機的轉速選取900、1 100、1 300、1 500、1 700r/min,魚鱗篩的開度選取12、16、20、24、28mm,分風板Ⅰ的傾角選取18°、22°、26°、30°、34°，分風板Ⅱ的傾角選取18°、22°、26°、30°、34°。根據單因素試驗結果，進行正交試驗，則

F=Wq/(W1+W2)×100%

(2)

S=Wj/W2×100%

(3)

式中F—清選損失率(%)；

S—清選含雜率(%)；

Wq—接料袋接住的籽粒質量(kg)；

Wj—糧箱中雜余的質量(kg)；

W1—接料袋中籽粒與雜余總質量(kg)；

W2—糧箱中籽粒與雜余總質量(kg)。

2.4 試驗過程

試驗前，測量機器4次正常收獲15m長度所需時間，計算出平均收獲15m所需的時間，保證試驗時喂入量的均勻性，試驗時，割幅為2.58m。田間試驗如圖2所示。

圖2 田間試驗

試驗開始前，把接料袋用鐵絲固定在機器后方機架上，用以接住多滾筒聯合收獲機在實際工作中從清選室吹出的脫出混合物；試驗結束之后，把接料袋從機器上取下來，人工將接取到的脫出混合物進行分離，并分別稱取混合物的質量及糧箱內混合物的質量，測得清選損失率；每組試驗結束之后，從糧箱接取一定量的混合物，人工把籽粒與雜余分離，并分別稱取混合物、籽粒和雜余的質量，測得清選含雜率。為減少人為誤差，每組試驗重復3次，試驗結果取平均值。

3 試驗結果及分析

3.1 單因素試驗

3.1.1 風機轉速對清選性能的影響

為研究多風道離心式風機對清選性能的影響，選取清選損失率、清選含雜率為性能指標。聯合收獲機的喂入量保持不變，魚鱗篩的開度為24mm，分風板Ⅰ的傾角為26°，分風板Ⅱ的傾角為26°，選取風機的轉速分別為900、1 100、1 300、1 500、1 700r/min進行試驗研究，得出風機轉速對試驗指標的影響如圖3所示。

圖3 風機轉速對清選性能的影響

由圖3可知：隨著風機轉速的提高，清選損失率逐漸升高，清選含雜率逐漸降低。由此可以得出，隨著風機轉速的提高，清選含雜率逐漸降低，降低了糧箱內籽粒的含雜率，保證了糧箱內籽粒的清潔度；但隨著風機轉速的提高，清選損失率逐漸提高，易造成總損失率超過國家的規定標準。因此，結合清選損失率及含雜率的指標，選擇合適的風機轉速，故風機的轉速選取1 100、1 300、1 500r/min。

3.1.2 魚鱗篩開度對清選性能的影響

為研究魚鱗篩開度對清選性能的影響，選取清選損失率、清選含雜率為性能指標。聯合收獲機的喂入量保持不變，風機的轉速為1 300r/min，分風板Ⅰ的傾角為26°，分風板Ⅱ的傾角為26°，分別選取魚鱗篩的開度12、16、20、24、28mm進行試驗研究，得出魚鱗篩開度對試驗指標的影響如圖4所示。

由圖4可知：隨著魚鱗篩開度的變大，清選損失率逐漸降低，而清選含雜率逐漸升高。因此，綜合考慮結合清選損失率和含雜率的指標，選擇合適魚鱗篩的開度，故魚鱗篩的開度選取20、24、28mm。

3.1.3 分風板Ⅰ對清選性能的影響

為研究分風板Ⅰ對清選性能的影響，選取清選損失率、清選含雜率為性能指標。聯合收獲機的喂入量保持不變，風機的轉速為1 300r/min，魚鱗篩的開度為24mm，分風板Ⅱ傾角為26°，選取分風板Ⅰ的傾角分別取18°、22°、26°、30°、34°進行試驗研究，得出分風板Ⅰ對試驗指標的影響如圖5所示。

圖5 分風板I安裝傾角對清選性能的影響

Fig.5 Influence of air distributing plate I angle on the cleaning performance

由圖5可知：隨著分風板Ⅰ傾角的變大，清選損失率逐漸降低，而清選含雜率均逐漸升高。因此，結合清選損失率和含雜率的指標，選擇合適的分風板Ⅰ的傾角，故選取分風板Ⅰ傾角22°、26°、30°。

3.1.4 分風板Ⅱ對清選性能的影響

為研究分風板Ⅱ對清選性能的影響，選取清選損失率、清選含雜率為性能指標。聯合收獲機的喂入量保持不變，風機的轉速為1 300r/min，魚鱗篩的開度為24mm，分風板Ⅰ傾角為26°，選取分風板Ⅱ的傾角分別取18°、22°、26°、30°、34°進行試驗研究，得出分風板Ⅱ對試驗指標的影響如圖6所示。

圖6 分風板II安裝傾角對清選性能的影響

Fig.6 Influence of air distributing plate II angle on the cleaning performance

由圖6可知：隨著分風板Ⅱ傾角的變大，清選損失率逐漸降低，但清選含雜率均逐漸升高。因此，結合清選損失率和含雜率的指標，選擇合適的分風板Ⅱ傾角，故選取分風板Ⅱ傾角22°、26°、30°。

3.2 正交試驗

試驗選取風機的轉速、魚鱗篩的開度、風機分風板Ⅰ的傾角及風機分風板Ⅱ的傾角4個因素為試驗參數，按照四因素三水平在多滾筒聯合收獲機上進行清選性能正交試驗，其中風機的轉速選取1 100、1 300、1 500r/min,魚鱗篩的開度選取20、24、28mm,分風板Ⅰ的傾角選取22°、26°、30°，分風板Ⅱ的傾角選取22°、26°、30°。以清選損失率、含雜率作為清選性能的衡量指標，研究上述參數對聯合收獲機清選性能指標的影響。

使用Minitab軟件對試驗測量的數據進行分析，選取清選損失率、含雜率為衡量清選性能指標。正交試驗結果如表5所示。

運用極差分析方法[11]分析表5，得出影響聯合收獲機清選性能的主次因素分別為ACDB，清選性能的最優參數組合為A1C3D2B2，即當風機的轉速為1 100r/min、魚鱗篩的開度選取24mm、分風板Ⅰ的傾角選取30°、分風板Ⅱ的傾角選取26°時，相對于其它各組參數，其收獲水稻損失率和含雜率相對較低。將多滾筒聯合收獲機清選裝置調至最佳參數組合狀態下進行田間試驗，得出清選損失率為0.2%，含雜率為0.7%。

表5 田間試驗結果

4 結論

1)單因素試驗結果顯示：隨著風機轉速的提高，清選損失率逐漸升高，清選含雜率逐漸降低；隨著魚鱗篩開度的變大，清選損失率逐漸降低，清選含雜率逐漸升高；隨著分風板Ⅰ傾角的變大，清選損失率逐漸降低，清選含雜率均逐漸升高；隨著分風板Ⅱ傾角的變大，清選損失率逐漸降低，清選含雜率均逐漸升高。

2)運用極差分析法得到橫置多滾筒聯合收獲機清選裝置最優參數組合：風機的轉速為1 100r/min，魚鱗篩的開度選取24mm,分風板Ⅰ的傾角選取30°，分風板Ⅱ的傾角選取26°時，清選損失率為0.2%，含雜率為0.7%。

參考文獻：

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