横轴流燕麦柔性脱粒分离装置设计与试验

耿令新,卢富运,孙成龙,左杰文,李 洋,王恒一

(河南科技大学农业装备工程学院，河南 洛阳 471003)

燕麦是一种禾谷类杂粮作物，其产量较低，经济价值及营养价值较高[1-5]。目前，国内还没有专用于收获燕麦的联合收获机，使用改装后的谷物联合收获机收获燕麦存在籽粒损失率大、含杂率高等问题[6-7]。

众多学者对脱粒分离装置做了大量研究。李耀明等[8-12]探究了不同形式的多滚筒组合方式对收获水稻时脱粒分离装置作业性能的影响规律，对每种组合滚筒进行了参数优化，得到了较好的试验结果。师清翔等[13-15]对柔性脱粒装置进行了深入研究，证明了以柔性材料作为柔性齿进行脱粒可以有效减少脱粒过程籽粒的损伤。陈美舟等[16]设计了一种玉米柔性脱粒分离装置，使用“柔性钉齿+双扭簧压力短纹杆”组合式脱粒元件，配合特制的辊式组合脱粒凹板对玉米进行脱粒，在最优的参数组合下，试验台脱粒性能较好。衣淑娟等[17]采用高速摄影技术对稻谷的脱粒过程进行观察分析，探究了脱粒后的籽粒在滚筒中的运动规律。

目前，将柔性脱粒机理应用到燕麦脱粒的研究鲜有报道。本文根据上述研究成果，针对燕麦脱粒过程中存在的问题，拟设计一种横轴流柔性脱粒分离装置，并搭建脱粒试验台；通过正交试验和回归试验探究柔性杆齿长、柔性杆齿直径、柔性杆齿间距、滚筒转速等因素对脱粒性能的影响规律，以期得到最优参数组合，为燕麦脱粒分离装置的创新设计提供参考。

1 试验台组成及工作原理

横轴流燕麦柔性脱粒分离装置试验台主要由输送装置和脱粒装置两部分组成，其结构简图如图1所示。输送装置主要包括输送带、支架、驱动电机等部分；脱粒装置主要包括横轴流滚筒、刚性喂入杆齿、柔性脱粒杆齿、排草齿、凹板筛、滚筒盖、驱动电机等部分。

1.输送带；2.喂料斗；3.滚筒盖；4.脱粒元件；5.幅盘；6.凹板筛；7.排草斗；AT.输送装置；BT.脱粒装置

工作时，输送带将物料均匀地从喂料斗送入横轴流滚筒中，为增加滚筒的喂入效率，其喂入段的脱粒元件选择刚性杆齿，经过脱粒段柔性杆齿的脱粒后，长茎秆在排草齿的作用下通过排草斗排出机外，脱出物透过凹板筛被收集。在一定条件下，柔性杆齿相对于刚性杆齿降低了对物料的打击力度，极大地降低了茎秆的破碎程度，为脱出物后续清选处理减轻负担。

2 关键部件设计

2.1 横轴流滚筒

横轴流滚筒是本装置的核心部件，其作业效果直接决定本装置脱粒性能的好坏。

滚筒喂入段长度l1可按式(1)进行计算[18]：

l1=(z-1)d

(1)

式中，z为单条螺旋线上脱粒段的齿数(个)，d为喂入段齿间距(取d=77 mm)。

滚筒总长度L为：

L=l1+l2+l3

(2)

式中，l2为脱粒段长度(mm)，l3为排草段长度(mm)。

滚筒直径D1为：

D1=D2+2h

(3)

式中，D2为滚筒齿根圆直径(mm)，h为脱粒杆齿高度(mm)。

设计滚筒喂入段单条螺旋线上的齿数为6个，脱粒段长度是喂入段长度的2倍，排草段长度为145 mm。由式(1)、(2)可得滚筒长度为1 300 mm。滚筒的齿根圆直径和脱粒杆齿高度均可调，其关系满足式(3)，设计滚筒直径为540 mm。

2.2 脱粒元件与凹板筛

在燕麦收获时，燕麦植株具有含水率大、韧性强、外形细长的物理特性，使得喂入比较困难。为增加横轴流滚筒的喂入效率，喂入段的脱粒元件选用喂入能力强的刚性杆齿，刚性杆齿直径设计为12 mm；为减小脱粒元件对燕麦秸秆的打击力度，脱粒段的脱粒元件选用柔性杆齿，柔性杆齿用聚氨酯橡胶材料制造；排草齿选用刚性杆齿。其安装方式如图2所示。为防止脱粒元件对茎秆的回带作用，将脱粒元件均向后倾斜10°安装，如图1所示。

1.喂入段刚性杆齿；2.脱粒段柔性杆齿；3.排草段刚性杆齿

考虑到燕麦植株的物理特性，凹板筛类型选用栅格式，凹板筛筛长为1 155 mm、筛孔规格为35 mm×15 mm、包角为240°，如图3所示。

图3 凹板筛三维图

2.3 柔性杆齿与刚性杆齿的打击力比较

在脱粒过程中，将柔性杆齿看作一端固定的悬臂梁，并且假设质量为mz的物料集中一点撞击质量为mr的柔性杆齿。以柔性杆齿根部为原点O，建立坐标系如图4所示，其中F为打击反作用力，l为齿长，δ为CT点的挠度。

图4 柔性杆齿脱粒受力简图

因为脱粒过程遵循能量守恒，则

(4)

式中，Kd为冲击动荷系数，h0为对应于获得动能0.5mv02时重物下落的高度(mm)，v0为悬臂梁CT端的撞击速度(mm·s-1)，δ为在质量G=mzg的静载作用下无质量悬臂梁CT端的静变形(mm)。

脱粒过程中，物料受到的最大打击力为

(5)

依据参考文献[19]，当脱粒齿确定后，mr可以用脱粒齿总质量mT的33/140代替，故

(6)

由式(6)可知，物料受到的最大打击力与柔性杆齿的挠度δ呈负相关，即随着挠度的减小，打击力增大，当挠度趋于0时，脱粒齿表现为刚性。所以在脱粒过程中，使用柔性杆齿相比于刚性杆齿有效地降低了对物料的打击力。

3 结果与分析

3.1 试验条件

燕麦品种选择山西省右玉县具有代表性的坝莜1号，测量统计了其与脱粒性能相关的主要物理特性参数，如表1所示。

表1 燕麦物理参数

设计制造了横轴流燕麦柔性脱粒分离装置试验台，如图5所示。在室内对该装置进行了正交试验，得到了各因素的较优组合及对脱粒性能指标的影响程度。对影响脱粒性能指标较强的两个因素进行二次回归正交旋转组合试验，得到其对脱粒性能指标的影响规律，并对参数进行优化[20-21]。

1.输送装置；2.喂料斗；3.脱粒装置

3.2 试验因素与指标

本装置主要脱粒部件是安装有柔性脱粒元件的横轴流滚筒，故选取与滚筒相关的柔性杆齿长A、柔性杆齿直径B、柔性杆齿间距C和滚筒转速D为试验因素，选取脱出物含杂率(简称含杂率)和夹带损失率(简称损失率)为试验指标。在正交试验时，为综合评定各指标的优劣，增加综合评分指标，运用综合评定法进行处理，参考已有文献[22-23]，认为含杂率和损失率同等重要，确定二者的加权系数均取0.5。各指标计算公式如下：

(7)

(8)

(9)

式中，y1为含杂率(%)，y2为损失率(%)，m1为脱出物总质量(g)，m2为脱出物中杂质质量(g)，m3为排草口排出籽粒质量(g)，Y为综合评分。

3.3 正交试验与分析

参考目前常用的刚性杆齿脱粒元件参数，根据单因素试验结果列出因素水平表，如表2所示。试验选用L9(34)正交表，试验方案及结果如表3所示。

表2 因素水平表

表3 正交试验方案及试验结果

对正交试验数据进行极差分析，得到各因素对含杂率和损失率指标影响的主次程度均表现为D>B>A>C。

由于整个实验过程籽粒破碎率基本为0，故不再考虑籽粒破碎率。按照式(9)计算每组的综合评分，结果如表3所示。

两个指标都是越低越好，所以综合评分越低表明试验结果越好。对每组综合评分再次进行极差分析，得到较优组合为A3B2C2D2，即柔性杆齿长为70 mm、柔性杆齿直径为10 mm、柔性杆齿间距为77 mm、滚筒转速为900 r·min-1。较优组合中柔性杆齿长度为参数选择的最大值70 mm，虽然继续增加其长度有可能出现更优的参数组合，但滚筒直径也会随之减小，因燕麦茎秆较长，存在缠绕滚筒的风险，故不再考虑继续增加柔性杆齿长度。

由于较优组合没有在正交表中出现，故需要对此组合进行验证试验，重复3次取平均值，试验结果如表4所示。将该试验结果与正交试验结果相比较，在试验误差允许的范围内此种组合是较优组合。

表4 正交试验验证结果

3.4 回归试验与分析

3.4.1 回归试验设计 从正交试验结果可以看出，滚筒转速和柔性杆齿直径对该装置脱粒性能指标影响最大。为进一步探索这两个因素对脱粒性能指标的影响规律，以滚筒转速D和柔性杆齿直径B为试验因素，含杂率和损失率为试验指标，进行二次回归正交旋转组合试验。将正交试验得出的较优组合设置为回归试验的零水平，其因素编码如表5所示。其试验方案与结果如表6所示。X1和X2为滚筒转速和柔性杆齿直径的编码值。

表5 回归试验因素编码

对表6中数据进行回归分析得到滚筒转速和柔性杆齿直径与试验指标含杂率y1和损失率y2的函数关系：

表6 回归试验方案与结果

y1=29.71+0.83X1+1.12X2+0.53X1X2+

0.51X12-0.29X22

(10)

y2=1.37-0.4X1-0.23X2-0.11X1X2+

4.126×10-3X12-0.29X22

(11)

由表7可知，两因素对两个指标的回归模型均显著、失拟均不显著，即回归方程能够比较准确地对该装置的脱粒性能进行预测。

表7 回归试验方差分析

3.4.2 试验因素对指标的影响 从图6a的含杂率响应曲面可知，随着滚筒转速和柔性杆齿直径的增加，含杂率逐渐升高，这是因为随着两个因素水平的提高，增大了脱粒元件对物料的打击频率和打击力，使燕麦茎秆破碎更严重，含杂率更高。在两个因素的零水平(滚筒转速为900 r·min-1和柔性杆齿直径为10 mm)之前，随着两个因素水平的增加，含杂率上升缓慢，这是因为当对物料的打击频率较小时，柔性杆齿发挥优势，使对物料打击力缓慢升高；在两个因素的零水平之后，随着两个因素水平的增加，含杂率急剧上升，这是因为当对物料的打击频率较大时，柔性杆齿的优势逐渐降低，使对物料的打击力急剧升高。

从图6b的损失率响应曲面可知，随着滚筒转速和柔性杆齿直径的增加，损失率逐渐降低，这是因为随着两个因素水平的提高，一方面增大了脱粒元件对物料的打击频率和打击力，使装置脱粒性能增强，脱净率增加；另一方面柔性杆齿的振动加大了分离效率，使得排草口夹带损失减小。

图6 滚筒转速和柔性杆直径对含杂率和损失率影响的响应曲面

3.4.3 参数优化与试验验证 为了得到最佳的因素水平组合，应用Design-Expert 8.0软件对试验因素进行优化[24-25]。

(1)目标函数。含杂率y1和损失率y2分别在约束条件下达到最小值，根据数学模型建立目标函数y1min和y2min。

(2)约束条件。各试验因素编码值在试验的范围内取值，其约束条件为

(12)

根据目标函数和约束条件得到该装置的最优参数组合：滚筒转速1 048 r·min-1、柔性杆齿直径7.5 mm，此时的含杂率为29.41%、损失率为1.31%。

为了验证优化结果的可行性，对最优组合参数进行验证试验，重复3次取平均值，试验结果如表8所示。结果表明：验证试验的含杂率和损失率平均值分别为29.50%和1.12%，与最优参数组合预测值比较接近。

表8 回归试验验证结果

在相同参数条件下，对脱粒元件全为刚性杆齿的横轴流滚筒进行试验，试验结果为含杂率为32.21%、损失率为1.64%。与脱粒元件全为刚性杆齿的横轴流滚筒进行对比，回归试验的验证结果含杂率和损失率分别降低了2.71%和0.52%。

4 结 论

1)设计了一种横轴流燕麦柔性脱粒分离装置，选用聚氨酯橡胶材质的柔性杆齿脱粒，在一定条件下，能有效地减少夹带损失率和脱出物含杂率。通过理论分析，证明了在脱粒过程中，柔性杆齿相对于刚性杆齿能有效地降低对物料的打击力。

2)试验得到影响该装置脱粒性能指标的因素主次为滚筒转速、柔性杆齿直径、柔性杆齿长和柔性杆齿间距。当滚筒转速为1 048 r·min-1、柔性杆齿直径为7.5 mm时，本装置的脱粒性能最佳，此时的含杂率为29.41%，损失率为1.31%。

3)通过对回归试验得出的最优参数组合进行验证，含杂率和损失率的平均值分别为29.50%和1.12%；在相同参数条件下，与脱粒元件全为刚性杆齿的横轴流滚筒进行对比，含杂率和损失率分别降低了2.71%、0.52%，脱粒性能明显提高。