收获机振动筛振动参数影响不同湿度脱出物粘附特性

程 超，付 君，陈 志，任露泉



收获机振动筛振动参数影响不同湿度脱出物粘附特性

程 超1,2，付 君1,2※，陈 志2,3，任露泉1,2

（1. 吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春 130022；2. 吉林大学生物与农业工程学院，长春 130022；3. 中国机械工业集团有限公司，北京 100080）

针对水稻脱出物表面湿润、黏性大的物料特性，以及易粘附在振动筛和抖动板上、诱发清选堵塞和夹带损失的技术难题，该文利用自制直线振动试验台架，研究了振动筛振动参数对水稻脱出物界面粘附特性的影响。以2种湿度水稻脱出物为试验对象，选取振幅、振动频率、振动角度为影响因素，以单位面积粘附量为试验指标，通过单因素试验分析了各因素对试验指标的影响规律，确定了各因素较优水平区间；通过正交试验设计及分析，得到2种湿度脱出物单位面积粘附量关于3个振动参数的数学模型，以及各因素对2种湿度脱出物单位面积粘附量影响的主次顺序，根据响应面分析比较，进一步证明了湿度是影响脱出物粘附特性的重要条件，与低湿度脱出物相比，高湿度脱出物的界面粘附更严重；低湿度脱出物单位面积粘附量的最优振动参数组合为振幅60 mm，振动频率6 Hz，振动角度50°；高湿度脱出物单位面积粘附量的最优振动参数组合为振幅50 mm，振动频率7 Hz，振动角度50°。研究结果可为水稻收获机振动筛的粘附界面调控及脱附界面构建提供参考。

机械化；振动；粘附；湿度；水稻脱出物；清选

0 引 言

清选是谷物收获过程中重要工序之一[1-4]，清选装置的振动性能对清选作业质量有着重要的影响[5-6]。水稻等谷物收获时含水率高[7-9]，其脱出物表面湿润、黏性大，易粘附在振动筛和抖动板上，导致清选装置有效作业面积减少、筛孔堵塞和物料流动受阻等问题[10]。振动是清选装置的核心工作原理之一，脱出物粘附在导流板、抖动板和清选筛等振动部件的表面，严重影响了清选装置的作业性能，造成清选作业效率大幅降低、清选损失增加、含杂率高等问题，因此，从振动参数角度探究脱出物与清选装置界面粘附特性变化规律，对降低谷物清选作业损失率和含杂率具有重要意义。

目前，针对水稻等谷物清选作业损失率高、含杂严重等问题，国内外学者主要从脱出物特性、清选装置结构与气流场等方面进行了研究[11-12]。任述光等[13]利用两相流动力学理论，分析了水稻联合收割机脱粒清选分流筒中气流和杂物颗粒两相流动的规律；童水光等[14]对纵轴流全喂入风筛式清选装置中的混合流场进行了三维数值模拟，并改进了双风道六出风口风机的结构；李洪昌等[15]在自行研制的清选试验台上进行了气流场测定试验和水稻清选试验。王成军等[16-17]设计了三自由度混联振动筛，并对棉籽颗粒在三自由度混联振动筛面上的运动规律进行了研究；王志华等[18]利用ADAMS软件对联合收割机振动筛进行虚拟设计与动态仿真分析。陈翠英等[19]、陈立等[20]对油菜脱出物的机械物理特性进行了研究；Wang Lijun等[21]研究了非简谐筛面上质点的运动状态和动力学；李耀明等[22]分析了风筛式清选装置中脱出物的非线性运动规律，建立了物料与简谐振动筛面的碰撞运动模型。然而，国内外对脱出物界面粘附、堵孔等问题研究较少，李耀明等[23-24]、马征等[25-27]对油菜脱出物的粘附与摩擦特性进行了系统研究，并将仿生非光滑功能表面[28]应用到清选筛面上；文献[25]提到黏筛堵孔问题属湿黏农业物料与运动金属部件之间的粘附摩擦问题，由此分析可知，导流板、抖动板和清选筛等金属振动部件的运动特性对物料-金属部件粘附界面的形成具有重要影响，而这方面的研究鲜报道。本文以往复振动筛的振动参数为因素，探索其对水稻脱出物界面粘附特性的影响。

本文利用自行设计的振动试验台架，以振幅、振频和振动角度3个振动参数为试验因素，以单位面积粘附量为试验指标，首先对2种湿度水稻脱出物进行了单因素试验，根据单因素试验结果，确定了3因素正交试验边界条件，然后通过正交试验及响应面分析，建立水稻脱出物界面粘附特性数学模型，分析并比较2种湿度水稻脱出物界面粘附规律，以期为解决水稻收获机械清选装置中导流板、抖动板、清选筛等关键作业部件的粘附问题提供振动参数依据，为水稻收获机工作部件的粘附界面调控及脱附界面构建提供振动参数优化方法。

1 试验台架与材料

1.1 试验台架结构

为保证试验结果的合理性，通过换装不同长度的曲柄、改变调速器输出转速、变换滑轨安装角度等，确保试验台能够准确地调节振幅、振频和振动角度3个振动参数，采用直线振动设计方案自制振动试验台，结构如图1所示。

1.支撑座 2.机架 3.电机座 4.调速器 5.电机 6.传动轴 7.曲柄 8.连杆 9.振动框 10.加速度传感器 11.MRD-81动态数据采集分析系统 12.滑轨 13.直线轴承 14.调位滑块 15.筛面基体 16.同步带轮 17.同步带

机架由铝型材和铁板搭建而成，电机固定在电机座上，电机型号为YYCJ-300，调速器型号为US-52，为减少振动干扰，电机座与机架相互分离，2根滑轨通过支撑座平行安装在机架上，每根圆形滑轨上各安装2个直线轴承，振动框前、后两端分别固定在下部2个直线轴承上，上部2个直线轴承固定在调位块上，调位块左右滑动可以调节2根滑轨的角度，传动轴通过立式轴承安装在机架上，曲柄固定在传动轴的两端，连杆两端分别铰接到曲柄和振动框的吊耳上，电机通过同步带轮、同步带驱动曲柄连杆机构，从而带动筛框沿滑轨方向往复直线振动，试验台选用MDR-81动态数据采集分析系统，系统包括MDR移动数据记录器和上位机软件，加速度传感器型号为EA-YD-186，量程为[–50，50] g，2个加速度传感器分别固定在振动框的底部和后端，分别用来测试水平和竖直2个方向的加速度。

由于清选装置中包括导流板、抖动板和振动筛等振动部件，各部件结构、形式不一，而本文探究的振动参数对水稻脱出物界面粘附特性的影响，其核心在于水稻脱出物与上述不同振动部件的界面接触，故本文选用常见的304不锈钢板作为筛面基体，其表面光滑平整，依据水稻收获机中振动筛面积及清选物料质量，并结合本试验所用物料质量，确定其尺寸为300 mm×250 mm×1 mm，水平固定在振动框上，静态倾角为0。

1.2 试验台架工作原理

根据试验台架结构可知，筛面基体的振幅等于曲柄的长度，筛面基体的振频取决于电机的转速，筛面基体的振动方向等于滑轨的倾角，因此，试验过程中通过更换不同长度的曲柄调控振幅，利用调速器改变电机转速调控振频，通过移动调位滑块的位置调控振动方向。

设定曲柄顺时针旋转，根据试验台工作原理，筛面基体的运动方程为：

式中为筛面基体沿倾斜滑轨的位移，mm；为曲柄长度，mm；为曲柄转速，rad/s；为时间，s；0为曲柄初始相位，(°)。

通过二次求导得到筛面基体的加速度方程为：

因此，筛面基体的水平加速度、垂直加速度方程分别为：

式中为滑轨相对于水平面的倾斜角度，(°)。

为了尽量减少无效振动的干扰，提高试验可靠性，试验前，利用加速度传感器对振动试验台进行校核，根据水稻收获机振动筛的振动规律，设定电机转速为180 r/min（=6π rad/s）、曲柄长度为50 mm、滑轨角度3为50°，初始相位0为π，理论上，筛面基体的水平加速度方程为：

筛面基体的垂直加速度方程为：

校核加速度曲线与理论曲线如图2所示，从图2中可看出，校核加速度曲线与理论曲线基本吻合，无较大的振动干扰，由于振动框往复运动必然受到摩擦阻力，振动过程中实际加速度峰值略小于理论值，相对误差为0.9%，对试验结果不会产生较大影响，满足本文试验要求[29]。

1.3 试验材料

如图3所示，在黑龙江佳木斯市友谊农场两段式水稻收获现场，随机抽样连续作业0.4 hm2后的水稻收割机，发现其抖动板的表面多处被粘附物覆盖，粘附情况严重。

本文针对东北地区两段式水稻收获工艺，制备不同湿度的水稻脱出物，试验水稻取自吉林省辽源市东辽县安恕镇，品种为科裕47。从田间取回后将部分水稻进行晾晒处理，适当降低其含水率，以未晾晒水稻作为试验效果的对比物料，制备出同一水稻品种2种不同湿度的试验物料。然后利用本课题组单纵轴流谷物脱粒装置对2种湿度水稻进行脱粒，得到2种湿度的脱出物，如图4所示，将晾晒处理水稻制备的脱出物命名为低湿度脱出物，将未晾晒水稻制备的脱出物命名为高湿度脱出物，测得2种水稻脱出物属性如表1所示。单纵轴流谷物脱粒装置中关键部件的结构及运动参数如下：脱粒元件为钉齿型，滚筒直径和长度分别为620、1 960 mm，滚筒转速为600 r/min，脱粒间隙为20 mm。

图3 水稻收获机的抖动板粘附情况

a. 低湿度脱出物b. 高湿度脱出物 a. Threshed mixture with low moistureb. Threshed mixture with high moisture

表1 2种水稻脱出物属性

Table 1 Properties of 2 kinds of threshed mixtures

考虑到本文筛面基体的尺寸较小，试验前需确定水稻脱出物喂入量，根据常发CF805N联合收割机喂入量为4 kg/s，振动筛筛选面积为1.24 m2，假设联合收割机清选过程中脱出物在筛面铺放均匀，试验喂入量通过式（7）计算。

式中为试验喂入量，g；、分别为筛面基体的长度和宽度，m。

为评价不同振动参数条件下筛面基体与水稻脱出物界面粘附特性的差异，本文引入单位面积粘附量的概念，表示为（g/m2），如式（8）所示，越大说明筛面基体上脱出物界面粘附越严重。

式中为筛面基体上粘附物质量，g。

2 单因素试验

影响脱出物振动界面粘附特性的振动参数主要包括振幅、振频和振动角度，本文试验以低湿度脱出物和高湿度脱出物为试验对象，以单位面积粘附量为试验指标，以振幅1、振动频率2和振动角度3为试验因素首先进行单因素试验。如图5a所示，试验前称量筛面基体质量，根据式（7）计算出每组试验的喂入量为241.94 g，均匀平铺在筛面基体上。为使水稻脱出物与筛面基体充分接触，根据物料喂入量与振动筛清选效率关系，设定振动时间为30 s；振动结束后，从振动框上取下筛面基体，将筛面基体倒置，未粘附在筛面基体上的脱出物会发生脱落，粘附在筛面基体上的水稻脱出物为尺寸较小的碎屑，如图5b所示，再次称量筛面基体质量，试验前后筛面基体的质量差即为粘附物质量。最后根据式（8）计算出单位面积粘附量，每组试验重复5次，取平均值。单因素试验因素及水平如表2所示。

a. 试验前b. 试验后 a. Before testingb. After testing

表2 单因素试验因素及水平

Table 2 Factors and levels of single factor test

2.1 振幅对脱出物界面粘附特性的影响

试验设定振动频率为5 Hz，振动角度为50°，进行振幅的单因素试验，振幅对不同湿度脱出物单位面积粘附量的影响如图6a所示。

由图6a可知，脱出物单位面积粘附量随着振幅的增大整体呈现下降的趋势，在相同振幅条件下，低湿度脱出物的单位面积粘附量明显小于高湿度脱出物的单位面积粘附量，湿度越高，水稻脱出物单位面积粘附量越大，说明其界面粘附越严重。振幅在10～40 mm区间内，2种湿度脱出物的单位面积粘附量下降趋势平缓，说明增大振幅对脱出物单位面积粘附量的影响不大；振幅介于40～60 mm时，2种湿度脱出物的单位面积粘附量呈现骤降的趋势，此区间内增大振幅可以有效地降低脱出物单位面黏粘附量；当振幅大于60 mm，2种湿度脱出物的单位面积粘附量下降趋于平缓，振幅变化对脱出物单位面积粘附量影响小。

2.2 振动频率对脱出物粘附特性的影响

试验设定振幅为50 mm，振动角度为50°，对振动频率开展单因素试验，振动频率对脱出物单位面积粘附量的影响如图6b所示。

由图6b可知，脱出物单位面积粘附量随着振动频率的增大整体呈现先下降后上升的趋势，在相同振动频率条件下，低湿度脱出物单位面积粘附量明显小于高湿脱出物单位面积粘附量。在1～6 Hz区间内，2种湿度脱出物单位面积粘附量均呈线性下降，通过提高振动频率可以有效抑制脱出物的界面粘附；当频率大于6 Hz时，脱出物单位面积粘附量呈现上升趋势，尤其是高湿度脱出物，粘附量上升趋势更为明显，在此区间内，提高振动频率会使脱出物界面粘附更为严重。因此，频率6 Hz是脱出物界面粘附特性发生变化的重要拐点。

2.3 振动角度对脱出物粘附特性的影响

试验设定振幅为50 mm，振动频率为5 Hz，对振动角度开展单因素试验，振动角度对脱出物单位面积粘附量的影响如图6c所示。

由图6c可知，脱出物单位面积粘附量随着振动角度的增大整体呈现下降的趋势，在相同振动角度条件下，低湿度脱出物的单位面积粘附量明显小于高湿度脱出物的单位面积粘附量。在10°～30°内，2种湿度脱出物的单位面积粘附量基本保持不变，增大振动角度对其界面粘附特性影响不大；在30°～60°内，2种湿度脱出物的单位面积粘附量快速下降，增大振动角度可以有效降低脱出物的界面粘附；在60°～90°内，2种湿度脱出物单位面积粘附量略有上升，但幅度不大，增大振动角度对其界面粘附特性影响较小。

a. 振幅对脱出物单位面积粘附量的影响a. Effect of vibration amplitude on adhesion in unit area of threshed mixturesb. 振动频率对脱出物单位面积粘附量的影响b. Effect of vibration frequency on adhesion in unit area of threshed mixturesc. 振动角度对脱出物单位面积粘附量的影响c. Effect of vibration angle on adhesion in unit area of threshed mixtures

3 正交试验

3.1 正交试验设计

为探究各试验因素对试验指标的贡献率以及各因素之间的交互作用，进一步比较2种不同湿度脱出物在筛面基体上的界面粘附特性差异，同时建立2种脱出物单位面积粘附量关于3个振动参数的数学模型，本文参考文献[30]进行二次回归正交试验设计，试验以不同湿度脱出物为试验对象，以单位面积粘附量为试验指标，根据单因素试验结果以及清选作业常用参数匹配，选定振幅为40～60 mm，振动频率为5～7 Hz，振动角度为40°～60°进行三元二次回归正交组合试验，共18组，试验方法参照单因素试验进行，各因素水平编码如表3所示，正交试验方案及结果如表4所示。

表3 正交试验因素水平编码表

注：代表编码空间中星号点与中心点之间的距离，=1.414。

Note:represents the distance between asterisk point and central point,=1.414.

表4 正交试验方案及结果

3.2 回归模型及显著性分析

根据表4中试验结果，进行三元二次回归拟合和方差分析，剔除不显著项，得到低湿度脱出物单位面积粘附量1和高湿度脱出物单位面积粘附量2的回归模型分别为式（9）和式（10）。

表5为脱出物单位面积粘附量回归模型的方差分析结果，由表5可知，2个回归模型的值均小于0.01，表明显著性水平高，失拟项值均小于0.25，说明拟合效果好。根据值大小可以确定试验因素对试验指标的贡献率，3个振动参数对低湿度脱出物单位面积粘附量1的影响次序由大到小依次为振动角度、振幅、振动频率，其中振幅和振动频率对试验指标的交互作用较显著，3个振动参数对高湿度脱出物单位面积粘附量2的影响次序由大到小依次为振动频率、振动角度、振幅，其中，振动角度和振幅对试验指标的贡献率较为接近，振幅和振动频率对试验指标的交互作用影响较显著。

表5 脱出物单位面积粘附量回归模型方差分析

注：<0.05 为显著，<0.01 为极显著，0.05为不显著。

Note:<0.05 represents significance,<0.01 means extremely significance，>0.05 means no significance.

3.3 响应面分析

根据正交试验结果及回归模型，进行双因素响应面分析，结果如图7所示。由图7可知，双因素试验组合对脱出物单位面积粘附量的影响曲面走势基本相同，在相同双因素试验条件下，高湿度脱出物单位面积粘附量明显高于低湿度脱出物，这表明湿度是影响脱出物粘附特性的重要条件，高湿度脱出物的界面粘附比低湿度脱出物严重。振幅和振动频率对2种湿度脱出物单位面积粘附量存在交互作用，振幅和振动角度、振动频率和振动角度对2种湿度脱出物单位面积粘附量没有交互作用，振幅与低湿度脱出物单位面积粘附量呈负相关，与高湿度脱出物单位面积粘附量呈先负相关后正相关，振动频率和振动角度与2种湿度脱出物单位面积粘附量均呈先负相关后正相关。对于低湿度脱出物，当振幅为60 mm，振动频率为6 Hz，振动角度为50°时，其单位面积粘附量取得最优值，对于高湿度脱出物，当振幅为50 mm，振动频率为7 Hz，振动角度为50°时，其单位面积粘附量取得最优值。

a. 振幅和振动频率对脱出物单位面积粘附量的影响（振动角度50°）a. Effect of vibration amplitude and vibration frequency on adhesion in unit area of threshed mixtures （vibration angle 50°）b. 振幅和振动角度对脱出物单位面积粘附量的影响（振动频率为6 Hz）b. Effect of vibration amplitude and vibration angle on adhesion in unit area of threshed mixtures （vibration frequency 6 Hz）c. 振动频率和振动角度对脱出物单位面积粘附量的影响（振幅50 mm）c. Effect of vibration frequency and vibration angle on adhesion in unit area of threshed mixtures（vibration amplitude 50 mm）

3.4 模型验证

为进一步验证模型准确性，基于本文振动试验台架，利用最优参数组合对2种湿度脱出物单位面积粘附量模型进行验证试验，每组试验重复3次，取平均值，结果如表6所示，由于粘附物主要是脱出物中的细小杂余成分，而本文试验物料量相对较少，且每组试验所用物料中各成分质量比例有细微偏差，故试验平均值与模型值基本吻合，相对误差均小于10%，回归模型可靠。

表6 回归模型验证结果

4 结 论

针对水稻脱出物表面湿润、黏性大，易粘附的问题，本文研究了振幅、振动频率和振动角度3个振动参数对2种湿度水稻脱出物与筛面基体界面粘附特性的影响，得到以下结论：

1）通过开展单因素试验，分析了3个振动参数对2种湿度脱出物界面粘附特性的影响规律，确定了各振动参数较优水平区间，振幅为40～60 mm，振动频率为5～7 Hz，振动角度为40°～60°。

2）得到2种湿度脱出物单位面积粘附量关于振动参数的数学模型以及最优组合，低湿度脱出物单位面积粘附量取得最优值的参数组合为振幅60 mm，振动频率6 Hz，振动角度50°；高湿度脱出物单位面积粘附量取得最优值的参数组合为振幅50 mm，振动频率7 Hz，振动角度50°。

3）3个振动参数对低湿度脱出物单位面积粘附量的影响次序由大到小依次为振动角度、振幅、振动频率，振动参数对高湿度脱出物单位面积粘附量的影响次序由大到小依次为振动频率、振动角度、振幅，只有振幅和振动频率对2种脱出物单位面积粘附量存在交互作用影响。

4）通过不同湿度脱出物的对比试验发现，湿度是影响脱出物界面粘附特性的重要条件，高湿度脱出物的界面粘附比低湿度脱出物严重。

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Effect of vibration parameters of vibrating screen for harvester on adhesion characteristics of threshed mixtures with different moistures

Cheng Chao1,2, Fu Jun1,2※, Chen Zhi2,3, Ren Luquan1,2

(1.,,,130022,; 2.,,130022,; 3.,100080,)

Rice is one of the three major grain crops in China. Cleaning is one of the most important processes in rice harvesting, and the performance of vibrating screen and vibrating board has significant effect on cleaning operation. However, rice has high moisture content during harvest, its surface is moist and sticky, and it is easy to stick to vibrating screen and vibrating board. Therefore, it is great significance to study the effect of vibration parameters on interface adhesion characteristics of rice threshed mixture. In this paper, a linear vibration tested was designed and checked. The sieve substrate was made of 304 stainless steel. 2 kinds of rice threshed mixtures with different moisture content were selected as test objects, The moisture content of grain, straw and impurity in threshed mixtures with low moisture contentwas 18.76%, 54.68% and 32.18% respectively. The moisture content of grain, straw and impurity in threshed mixtures with high moisture content was 24.56%, 79.04% and 47.73% respectively. Vibration amplitude, vibration frequency and vibration angle were selected as test factors, and adhesion in unit area was used as test index. Through single factor test, the influence law of each factor on the test index was analyzed, and the better level of each factor was determined, that is the vibration amplitude was 40-60 mm, the vibration frequency was 5-7 Hz, the vibration angle was 40°-60°. Then, the design and analysis of orthogonal test were carried out in this paper, the mathematical models for test index of 2 kinds of threshed mixture with different moisture content and the order of main and secondary factors affecting the test index were obtained. The influence of vibration parameters on the adhesion in unit area of threshed mixtures with low moisture content in descending order was the vibration angle, vibration amplitude and vibration frequency. The influence of vibration parameters on the adhesion in unit area of threshed mixtures with high moisture content in descending order was the vibration frequency, vibration angle and vibration amplitude. The interaction between vibration amplitude and vibration frequency was found, and the response surface analysis was carried out. The trend of the response surface of 2 kinds of threshed mixture was basically same. The influence of moisture content on the adhesion characteristics of threshed mixture was obtained. Through the comparison test of 2 kinds of rice threshed mixtures, it was found that moisture content was an important condition that affected the interface adhesion properties, and the higher the moisture content, the more serious the adhesion was. The optimum parameter combination for adhesion in unit area of threshed mixtures with low moisture content was that the vibration amplitude was 60 mm, the vibration frequency was 6 Hz, and the vibration angle was 50°. The optimum parameter combination for adhesion in unit area of threshed mixtures with high moisture was that the amplitude was 50 mm, the vibration frequency was 7 Hz, and the vibration angle was 50°. Verification test results showed that the regression model was reliable and the relative error was less than 10%.

mechanization; vibration; adhesion; moisture; rice threshed mixtures; cleaning

2018-10-29

2019-02-13

国家重点研发计划（2017YFD0700302）

程超，博士生，主要从事仿生收获技术与装备研究。Email：chengchao17@mails.jlu.edu.cn

付君，副教授，博士生导师，主要从事仿生收获技术与装备研究。Email：fu_jun@jlu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.004

S225.4

A

1002-6819(2019)-08-0029-08

程 超，付 君，陈 志，任露泉. 收获机振动筛振动参数影响不同湿度脱出物粘附特性[J]. 农业工程学报，2019，35(8)：29－36. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.004 http://www.tcsae.org

Cheng Chao, Fu Jun, Chen Zhi, Ren Luquan. Effect of vibration parameters of vibrating screen for harvester on adhesion characteristics of threshed mixtures with different moistures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 29－36. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.004 http://www.tcsae.org