玉米籽粒聯(lián)合收獲機清選裝置優(yōu)化設計與試驗

張 偉,靳 范,,李謙緒, 張俊三,翟修萍,王善博

(1.新疆農業(yè)大學機電工程學院,烏魯木齊 830052;2.新疆新研牧神科技有限公司,烏魯木齊 830011)

0 引 言

【研究意義】隨著我國玉米產業(yè)的發(fā)展,玉米收獲機械也發(fā)展迅速[1-2],其中玉米籽粒清選裝置是收獲作業(yè)中關鍵部件,對整機工作性能有著重要影響作用[3-5]。由于田間玉米籽粒直接收獲過程中物料混合種類復雜,且在清選篩面的運動狀態(tài)多樣化,導致玉米籽粒收獲出現(xiàn)清選效率低下,含雜率高等?！厩叭搜芯窟M展】司增永[6-7]以橫置多滾筒清選為研究對象,以分風板傾角、篩網開度、風機轉速為因素開展了單因素試驗與正交試驗,得出了最佳組合參數(shù)組合。鐘挺[8-9]在4LZ-1.0Q型聯(lián)合收獲機上利用模糊綜合評價分析數(shù)據(jù),得出了影響清選性能的參數(shù)的主次因素,有效降低了清選損失率和夾帶損失率。樊晨龍等[10]設計雙層異向清選裝置試驗臺完成臺架試驗,得出了清選篩面運動規(guī)律,并確定了篩網曲柄的最佳長度和喂入量,改善了清選性能。栗曉宇等[11]基于CASE4099收獲機設計了一種豎式調節(jié)分風板對清選裝置內部流場仿真和試驗,得出了流場在中部分布均勻,垂直方向差值很小,當分風板右偏18°流場中風速均勻,籽粒清選效果較好。John Deere[12]公司生產的C440收獲機設計了一種4層篩網與2個無篩孔抖動板結合的裝置,抖動板承接軸流落下的物料,并將物料均勻送至風選室,有效提高了大喂入量物料清選效率。Ali Mirzazadeh[13]采用神經網絡建立了清選機構參數(shù)與清選損失率之間的關系。LIANG等[14]分析了負載對清選裝置內部氣流速度和體積分布以及風機內部總壓力分布對氣流的影響?！颈狙芯壳腥朦c】目前新疆地區(qū)玉米籽粒收獲過程中清選參數(shù)不合理導致的清選損失率大,損失率較高。需對籽粒篩分過程中進行動力學分析,確定玉米籽粒收獲機清選裝置主要性能參數(shù),采用ADAMS仿真分析得出篩網加速度曲線,驗證參數(shù)設計的合理性?！緮M解決的關鍵問題】分析玉米籽粒含雜率和損失率影響的主要因素,采用Box-Behnken中心組合試驗設計開展田間試驗,分析清選風機蝸殼參數(shù)進行優(yōu)化,研究不同轉速下的風量大小,提高清選效率。運用軟件優(yōu)化,得到清選裝置的最佳組合參數(shù),為研制籽粒清選裝置提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2021年10月在新疆昌吉市西三畦村進行,玉米長勢良好,無倒伏現(xiàn)象。表1

試驗機型為新疆機械研究院股份有限公司試制的自走式玉米籽粒收獲機,器材包括水分測量儀(分辨率0.1%)、電子秤(精度0.1g)、推拉力計、秒表、鋼卷尺、籽粒樣品袋、帆布等。

表1 田間試驗條件

1.2 方 法

1.2.1 整機工作原理

4YZT-8型玉米籽粒聯(lián)合收獲機主要由折疊式割臺,過橋,脫粒裝置,風篩清選裝置以及液壓系統(tǒng)等組成,其工作過程為,當收獲機前進時,在割臺作用下將玉米果穗順利采摘輸送至過橋裝置,過橋將玉米果穗送至脫粒滾筒,在軸流滾筒與凹板的作用下脫出玉米籽粒,隨后混合物料進入清選系統(tǒng),玉米籽粒經過清選分離后進入糧食攪龍輸送至糧箱收集,未脫離干凈的玉米果穗則進入雜余攪龍,再次被送入脫粒系統(tǒng)進行二次脫粒和清選分離,玉米莖稈和苞葉等雜質則被清選裝置直接排出機體外。圖1

注:1.折疊割臺;2.過橋;3.軸流滾筒;4.凹板;5.風機;6.糧食攪龍;7.雜余攪龍;8.清選篩

1.2.2 清選結構組成與工作原理

清選結構主要有清選上篩、清選下篩、清選尾篩、離心風機,分風板等組成。圖2

注:1.風機;2.曲柄連桿;3.籽粒收集箱;4.魚鱗上篩;5.魚鱗篩調節(jié)把手;6.尾篩

該清選裝置由上清選篩與下清選篩采用雙邊驅動。上清選篩通過連桿與下清選篩連接,從而做往復運動。兩側搖臂分別與偏心輪連接,離心清選風機位于上下清選篩體的前下方,與篩網成一定角度安裝。

1.2.3 清選工作原理

該裝置采用上下雙層篩網篩選分離玉米脫出物,當玉米籽粒從脫粒滾筒中落入抖動板,抖動板在擺臂的作用下往復運動,將玉米籽粒送至上清選篩面。同時根據(jù)玉米籽粒與玉米芯軸和莖稈等雜質的空氣動力學特性不同,上下篩振動與離心風機產生的高速氣流經過分風板導流作用下,氣流被分為兩部分,前一部分氣流主要作用于魚鱗篩中前部分,增強混合物料的分離能力,后一部分氣流主要作用于篩網中后段,主要用于將物料中的雜質被清選出機體外,當玉米籽粒通過上篩篩分后,未脫凈的破碎玉米芯等通過后篩網透篩至雜余攪龍進行二次復脫清選,經過離心風機氣流和篩體的共同作用下再次將雜質清選出機體外,潔凈的玉米籽粒則進入糧食攪龍被送入糧箱中收集。圖3

注:1.玉米籽粒;2.碎莖稈;3.玉米莖葉;4.碎玉米芯;5.莖稈與芯軸混合雜質

1.2.4 關鍵部件的結構設計與優(yōu)化

1.2.4.1 振動清選篩

清選篩是清選工作中核心部件之一,該清選系統(tǒng)配置上下雙層篩面,通過前期研究可知物料在是篩面的運動狀態(tài)影響著最終清選效果,因此清選篩的設計必須有較好的透篩性和良好的物料輸送性。清選篩網負荷增大,就會導致大量物料產生堆積,影響清選效果。魚鱗篩網由沖壓魚鱗篩片組成,篩網開度大小可根據(jù)實際作業(yè)情況調整,工作效率高,不易發(fā)生形變,適應作業(yè)場景能力強等特點,可有效降低雜質的透篩率,且推送雜質能力強于其它篩網,且不易發(fā)生堵塞。。在收獲不同作物時,可隨時調節(jié)篩網的開度大小,滿足復雜作業(yè)工況的要求。

在清選作業(yè)中,篩網面積對喂入量的影響較大,確定出合適的篩網面積對實現(xiàn)高效清選作業(yè)參考查閱《農業(yè)機械設計手冊》[15]可知篩面的尺寸與喂入量有關,清選篩的長度可由下式得出

式中:Qs—喂入量,kg/s;

B—篩面寬度,mm;

qs—篩子單位面積承受谷物混合物喂入量kg/(s·m2),可調節(jié)魚鱗篩qs約為1.9～2.5 kg/(s·m2)。

根據(jù)脫粒滾筒脫出的玉米籽粒實際落料幅寬最終確定清選篩的寬度為1 241 mm,為實現(xiàn)高效率作業(yè)取收獲機最大工作喂入量8 kg/s,帶入上式計算得出篩子的長度L為1 500 mm。

1.2.4.2 清選篩面物料運動

玉米果穗經過脫粒滾筒揉搓梳刷后得到的混合物料落在抖動板和篩網上,物料在篩網振動和風機產生的氣流雙重作用下實現(xiàn)雜質分離。以靜力學為基礎分析物料在篩體上運動狀態(tài)。將篩網近似認為簡諧運動[16]。物料在篩面存在三種狀態(tài)即沿篩面上滑,拋起,以及沿篩面下滑[17-18]。同時根據(jù)前期的實驗基礎設計篩面的傾角為3°,振動方向角β取30°,風機傾角設計為30°。為使物料沿篩面下滑則滿足下式。圖4

圖4 物料在篩面的運動Fig.4 Movement analysis of materials on the screen surface

FIcosβ+mgsinα>f+Qcos(θ-α).

(2)

當物料僅沿著篩面向下滑動時,

N=mgcosα+FIsinβ-Qsin(θ-α).

(3)

物料在篩面所受摩擦力為,

f=Ntanφ.

(4)

式中,FI—玉米籽粒所受振動慣性力(N);

f—玉米籽粒受到的摩擦力(N);

Q—玉米籽粒受到的氣流作用力(N);

N—篩面對玉米籽粒的支持力(N);

m—玉米籽粒質量(kg);

g—重力加速度9.8 m/s2;

α—篩面傾角(°);

β—振動方向角(°);

θ—氣流方向角取30°;

φ—篩面與籽粒的靜摩擦角為26°。

聯(lián)立上式可得:

FIcosβcosφ+mgsinαcosφ>mgcosαsinφ

+FIsinβsinφ-Qsin(θ-α)sinφ+

Qcos(θ-α)cosφ.

(5)

整理化簡可得:

物料所受慣性力可用下式表示:

FI=|mAω2sinωt|max

(7)

查閱文獻[15]物料所受到氣流作用力為:

Q=mkpv2.

(8)

式中A—篩網振幅(Hz);

ω—篩網角頻率(rad/s);

kp—玉米籽粒漂浮系數(shù)0.085[15];

t—時間(s);

v—氣流相對速度,取籽粒最小懸浮速度11 m/s[15].

將上式聯(lián)立帶入可得物料相對篩面下滑條件為:

同理可得玉米籽粒相對篩面上滑條件(此時f與P的方向與上圖相反)可用下式表示,

當物料在篩面即將被拋起時,此時物料所受支持力為:

N=mgcosα-FIsinβ-Qsin(θ-α).

(11)

當物料被拋起時滿足N<0,同時可得物料被拋起的條件可用下式表示,

篩網加速度應該同時滿足沿篩網上滑,下滑,以及向上拋起條件,a>K1>K2,且a>K3篩網振動加速度a=Aω2≥11.94 m/s2,當加速度過高時,篩面物料來不及篩分就被吹出清選室外,容易造成較大損失率。查閱文獻[15]得出振動篩加速度一般小于2.5 g可得振動篩加速度范圍取值為,11.94～24.5 m/s2.

同時根據(jù)聯(lián)合收獲機對篩網振動幅度標準,設計曲柄半徑r=33 mm,根據(jù)前期樣機設計,取lAB=450 mm,lBD=425 mm,lCE=1500 mm,lEO2=155 mm。

1.2.4.3 振動篩平面連桿運動(圖5)

圖5 振動篩平面連桿示意Fig.5 Schematic diagram of the plane connecting rod of the vibrating screen

對篩體運動機構建立矢量方程:

式中:ω1—曲柄O1A角速度,rad/s;

ω2—連桿AB角速度,rad/s;

ω3—搖桿BD角速度,rad/s;

α1—曲柄O1A角加速度,rad/s2;

α2—連桿AB角加速度,rad/s2;

α3—搖桿BD角加速度,rad/s2;

篩面運動矢量方程為:

(19)

式中,ω4—篩面CE角速度,rad/s;

ω5—搖桿EO2角速度,rad/s;

α4—篩面CE角加速度,rad/s2;

α5—搖桿EO2角加速度,rad/s2;

篩面角加速度α4不斷變化,得出物料在篩面的運動狀態(tài)受到曲柄轉速的影響,當曲柄轉速增大時,物料在篩面運動加劇,當篩網振動頻率過大時,雜質透篩率和物料損失率率也會隨之增大,當曲柄轉速過小導致篩網振動頻率低,篩網負荷量增大。影響最終清選效果。需要后期進行試驗確定篩網的振動頻率最佳區(qū)間。

1.2.4.4 清選篩運動仿真

在ADAMS/View中全局坐標系設置為Cartesian,MMKS單位,重力加速度取9.8 m/s2建立清選篩振動簡易模型并添加約束條件,其中L1為振動篩驅動原件(曲柄)L4為振動篩體,其余均為搖桿。A、B、C為振動篩上三個測點[19]。在仿真模塊中根據(jù)已知工況設置初始曲柄轉速300 r/min(1 800 d×time),仿真時間為1s,仿真步數(shù)為500。圖5～9

圖6 振動篩仿真簡化模型Fig.6 Simplified model of vibrating screen simulation

圖7 振動篩X方向加速度Fig.7 Acceleration in X direction of vibrating screen

圖8 振動篩Y方向加速度Fig.8 Y direction acceleration of vibrating screen

圖9 振動篩絕對加速度Fig.9 Absolute acceleration of vibrating screen

選取的A B C三個測點的加速度變化基本一致,但通過對比分析加速度a在x方向的數(shù)值大于y向數(shù)值,物料在篩面上橫向輸送能力強于豎直方向,有利于物料在斜拋過程中更好實現(xiàn)籽粒與雜質的分離,提高篩分效率。篩網加速度變化平緩無明顯拐點,振動性能良好,結構設計合理。

1.2.4.5 離心風機蝸殼參數(shù)優(yōu)化設計

風機是清選作業(yè)過程中核心裝置,主要由風機殼體,分流板,風機葉片,進風口和傳動裝置等組成,離心風機主要對進入清選系統(tǒng)的混合物料以高速氣流將混合物中的莖稈和玉米芯軸等雜質吹出,篩選出潔凈的玉米籽粒。風機性能的好壞直接影響到最終收獲機的性能,需要對離心風機參數(shù)進行分析。

在工程中一般使用基元圓弧蝸殼型線法來確定蝸殼外形,通過前期試驗研究確定基元正方形邊長為20 mm。以基元正方形的四個頂點做圖得出離心風機外形尺寸R1=234 mm,R2=254 mm,R3=274 mm,R4=294 mm。圖10

圖10 蝸殼結構示意Fig.10 Brief structure e of cleaning fan

優(yōu)化前后選取三種風機不同轉速條件下,測量風機風量變化情況,通過優(yōu)化設計后實際測得風機效率在三種轉速下分別提高了8%,7.3%,6.9%,同時通過風速儀試驗測得風機風口速度流速均勻。表2～3

表2 蝸殼優(yōu)化前后參數(shù)對比

表3 風機蝸殼優(yōu)化前后風量測試

2 結果與分析

2.1 性能及田間收獲效果

研究表明,選取對清選性能影響較大的實驗因素風機轉速A、振動頻率B、篩網開度C為試驗因素,以玉米籽粒清選損失率T1、籽粒含雜率T2為試驗指標,試驗采用Box-Behnken中心組合試驗。表4

劃分穩(wěn)定區(qū)、測定區(qū)和停車區(qū)。試驗測定區(qū)長度應不少于20 m。且測定區(qū)前應有不少于20 m的穩(wěn)定區(qū),測定區(qū)后至少留出10 m停車區(qū)域。在測定區(qū)域內,從接糧口處取不少于2 000 g混合籽粒。挑出雜質并計量秤重,并按照式(20)進行計算籽粒含雜率。同時在測定區(qū)內,收集帆布中全部損失籽粒以及未脫凈的碎果穗,將其脫凈后稱重并按照式(21)計算玉米籽粒損失率。圖11～12

式中Zz—玉米籽粒雜率(%);

Wza—雜質質量(g);

Wp—升運器排出口玉米籽粒總質量(g)。

式中SL—玉米籽粒損失率(%);

WZ—玉米籽?？傊?g);

WL—清選損失籽?？傎|量(g)。

圖11 田間試驗(左)與試驗指標測定(右)Fig.11 Field experiment (left) and test index determination (right)

圖12 田間試驗收獲效果Fig.12 Harvest effect of field experiment

2.2 玉米籽粒清選裝置指標效果(表5)

表5 玉米籽粒清選裝置

2.3 玉米籽粒含雜率的回歸模型

研究表明,試驗因素對清選含雜率與清選損失率的模型影響顯著(P<0.01),兩個模型失擬項(P>0.05),模型穩(wěn)定回歸擬合性能較好。對清選損失率大小因素依次為風機轉速A、篩網開度C、振動頻率B。表6

對清選損失率影響因素大小依次為風機轉速A、振動頻率B、篩網開度C,T1、T2的回歸方程為:

2.4 各因素響應曲面

2.4.1 各因素對清選含雜率

研究表明,當振動頻率與篩網開度保持不變時,籽粒含雜率隨清選風機轉速的增加而降低。當風機轉速與篩網開度保持不變時,隨著振動頻率的提高,籽粒含雜率先下降趨于平緩后上升。當曲柄轉速上升后,篩網振動頻率增大,物料離散度隨之增大,此時雜質更容易被清除機體外導致含雜率下降。當振動頻率再次增大后,此時篩網振動頻率過大導致物料中含有的碎芯軸,短莖稈等雜質透篩概率增大,使得含雜率上升。當風機轉速與振動頻率保持一定時,篩網開度增大后,籽粒含雜率先下降后上升。當清選篩開度過小時,玉米脫出物物料容易產生堆積,物料不易被充分篩選,導致清選不徹底含雜率高。當篩網開度逐漸增大后,物料在篩面堆積現(xiàn)象得到改善清選效率增加,含雜率降低,當篩網開度繼續(xù)增大時,物料中的莖稈、碎芯軸等更容易透篩隨玉米籽粒一起進入糧倉導致含雜率上升。圖13

2.4.2 各因素對清選損失率

研究表明,風機轉速與清選損失率成正相關關系,玉米籽粒的損失率隨著風機的轉速增大而增大。當振動頻率增加損失率變化整體呈現(xiàn)先下降后上升,當振動頻率由初始開始提高時,物料在篩面更容易分散,損失率減小。當振動頻率再次提高后,物料在篩面停留時間過短,風機來不及清選物料就被排出,造成損失率增大。當篩網開度逐漸增加后,清選損失率先降低后升高。當篩網開度繼續(xù)增大后,物料來不及被吹散就被吹出機體外,造成損失率上升。圖14

2.5 參數(shù)優(yōu)化與驗證

研究表明,利用design-expert對試驗數(shù)據(jù)進行多目標優(yōu)化分析,以清選含雜率和清選損失率為響應變量函數(shù),構建參數(shù)模型為:

優(yōu)化得到清選裝置最佳工作參數(shù)為:風機轉速為1 069 r/min,振動頻率為6HZ,篩網開度大小為16.96 mm時,籽粒含雜率為0.91%,籽粒損失率為1.14%由于試驗工作參數(shù)難以在實際生產作業(yè)中達到優(yōu)化的理論數(shù)值,選擇一組接近優(yōu)化值的試驗參數(shù)進行大田試驗,將裝置風機轉速調為1 050 r/min,振動頻率6Hz,篩網開度調至17 mm,試驗于2021年10月在相同地點測試,試驗重復3次取平均值,得到玉米籽粒含雜率為0.94%,清選損失率為1.19%。試驗值與優(yōu)化值誤差在5%以內,優(yōu)化參數(shù)值可靠,滿足設計要求。表6

表6 籽粒含雜率方差

圖13 清選含雜率響應曲面Fig.13 Clear the response surface with impurity rate

圖14 清選損失率響應曲面Fig.14 Selected loss rate response surface

3 討 論

3.1蝸殼外形[20-21]顯示,在保持蝸殼外形基本外形不變情況下,優(yōu)化風機的蝸舌半徑r,和風機的出口擴張角度θ。減少氣流在回轉處對蝸舌的沖擊壓力,降低了能量損失。目前對收獲機械進行了有關風道出口方式,風篩的不同組合方式和流固耦合等不同方面的研究,例如,有些研究關注清選裝置的結構設計,包括篩面、篩孔、振動器等的設計,以提高清選效率和精度。還有一些研究關注清選裝置的動力學特性,包括振動頻率、振幅等參數(shù)的優(yōu)化,以實現(xiàn)最佳的清選效果。

3.2設計的玉米聯(lián)合收獲機與上代產品相比較收獲機的損失率與含雜率較低,生產效率得到了大幅提高,需要注意的是不同玉米品種由于種植區(qū)域,自然條件等不同導致田間生長狀態(tài)和畝產量不同,在田間作業(yè)時,需要根據(jù)具體情況調節(jié)行走速度,風機分風板角度等參數(shù)。以達到最佳收獲效果。玉米籽粒直收技術發(fā)展起步較晚,尚在起步階段,理論研究仍需加強,如研究改進清選篩網開度自動調節(jié)匹配風機智能調速配合等?？蔀榻窈蟮难芯刻峁└倪M基礎。

4 結 論

4.1分析了玉米籽粒在清選篩面上三種不同運動狀態(tài),確定了影響清選效果主要因素和范圍。驗證了清選篩設計的合理性。對清選風機蝸殼主要參數(shù)進行了優(yōu)化設計分析,提高了風機效率。

4.2建立了以風機轉速,振動頻率,篩網開度為試驗因素,玉米籽粒含雜率為試驗指標。對籽粒含雜率影響大小的因素依次為風機轉速A,篩網開度C,振動頻率B,影響籽粒損失因素依次為風機轉速A、振動頻率B、篩網開度C。最佳組合參數(shù)為風機轉速1 050 r/min,振動頻率為6 Hz,篩網開度為17 mm時,玉米籽粒含雜率為0.94%,清選損失率為1.19%,符合行業(yè)設計要求。