油莎豆收获机风筛选式清选机构的设计与试验

贾洪雷,马中洋,王 刚,黄东岩,顾炳龙,谭贺文

(吉林大学 a.生物与农业工程学院;b.工程仿生教育部重点实验室,长春 130022)

0 引言

油莎豆是一种高产、优质、综合利用价值很高的粮、油、牧、饲、肥多用型新兴经济作物[1-2]。近年来,随着我国油莎豆产业的发展,迫切需要高质量的油莎豆收获设备[3]。清选机构作为油莎豆收获设备中的核心组成部分,结构复杂,研制难度大,其性能对油莎豆收获机整机的作业效果也起着决定性作用。邵阳市农机研究所[4]研制的小型多功能收获机,以振动筛为清选机构,运用模块化设计理念,通过调整振动模块和更换筛选模块,解决了在粘土中收获油莎豆时土、果难以分离的难题。吉林省农业机械研究院[5]设计的油莎豆收获机,以往复运动的振动筛作为清选装置,对油莎豆作物进行清选,可一次完成油莎豆的脱粒、筛选和风选的全部过程。

为提高清选机构的清选性能,国内外相关领域专家和学者对不同作物收获的清选机构和清选机理也进行了大量研究。王立军等[6-8]对玉米收获机振动筛的材料属性、结构形式和工作参数等进行了系统的研究,设计了分段式振动筛、双层不平行振动筛、贯流风阶梯式振动筛等,提高了振动筛的筛分效率。周学建等[9]以水稻为清选对象,探究了清选装置吸杂口偏移位置参数对清选性能的影响规律。高连兴等[10]根据花生清选物料各成分漂浮速度的差异,设计了一种双吸风口振动式花生荚果清选装置,有效降低了花生摘果清选损失率和含杂率。李洪昌等[11]利用CFD-DEM耦合的方法,对风筛式清选装置振动筛上的物料运动数值进行了模拟。唐忠等[12]利用绘制等速线的方法,对水稻清选装置清选室内的涡流进行了研究,发现涡心位置变化对清选清洁率和损失率有较大影响。张敏等[13]通过Plackett-Burman试验和响应面回归试验,探究了风筛选式油菜清选机构的振动筛振幅、曲柄转速、风机转速和风机倾角对清选损失率和籽粒含杂率的影响,并确定了最终的最优参数组合。李耀明等[14]通过对小麦脱粒混合物进行仿真分析与台架试验,设计了一种三维并联振动筛,为提高振动筛的筛分性能提供了新的解决途径。

综上所述,国内外研究的清选机构大多是针对玉米、花生、水稻等作物的,而专门针对油莎豆作物的清选机构却少见报道,且油莎豆块茎外形不规则,易被土壤包裹,清选时其运动规律与玉米、花生、水稻等也有较大差异。现阶段,因油莎豆收获机清选技术的落后一直制约着油莎豆产业的发展,如何降低油莎豆收获机清选作业时的清选损失率和荚果含杂率,已成为高质量油莎豆收获设备研制时亟需重点攻克的技术难题。为此,设计了一种风筛选式清选机构,对油莎豆收获机脱出物料进行二次清选,以期为油莎豆收获机清选机构的设计提供借鉴。

1 整体结构及清选过程

清选机构由振动筛和吸杂风机组成,采用振动筛与气吸组合式清选原理,其具体结构如图1(a)所示。使用时,可将其配置于4GQ-1.3-A型油莎豆收获样机上,安装时筛面后倾与地面呈一定角度,以利于物料向前输送,样机可由拖拉机牵引在田间行走。整体结构如图1(b)所示。

1.吊连杆Ⅰ 2.上层筛 3.下层筛 4.排草口 5.吊连杆Ⅱ 6.驱振摆臂 7.偏心套 8.驱振带轮 9.风机 10.粮斗 11.网带机 12.滚筒筛 13.送料带 14.清选机构 15.提升机 16.挖掘装置 17.传动系统图1 清选机构及油莎豆收获样机结构简图Fig.1 Structure diagram of cleaning device and Cyperus Esculentus harvester prototype

作业时,滚筒筛脱出物进入清选机构振动筛的上层筛,滚筒筛分离出的荚果进入下层筛,筛体在偏心传动机构驱动下按一定振幅和频率往复振动,长杂(包括长的杂草、长的油莎豆茎叶、根系)沿上层筛筛面向机器前进方向(向前)输送,从排草口排出;荚果、短杂(包括短的杂草、短的油莎豆茎叶、根系)、土杂穿过上层筛落到下层筛上,和滚筒筛分离出的荚果一起沿下层筛筛面向前输送;输送过程中部分短杂和土杂一起透过下层筛被筛出机外,剩余短杂被吸杂风机吸走带出机外,而荚果被提升机提升到粮斗内。

2 关键部件设计

2.1 曲柄摆杆机构设计

滚筒筛脱出物经单层筛清选后无法满足油莎豆收获的要求,其物料不能充分抖散、分离,致使含杂严重,清选效果低下。为此,振动筛采用双层筛结构,筛体由上层筛和下层筛组成,两种筛体通过筛连板固接在一起,以此来完成物料的抖散、分离、去土、除杂和输送。王庆祝等[15]的研究表明,筛体做简谐振动可以使筛面的物料产生上下滑移和抛掷的运动。为此,本设计使筛体与各摆杆铰接构成曲柄摆杆机构,不考虑加工与安装误差,筛体的振动可看作简谐振动[16-17],其具体结构如图2所示。工作时,拖拉机将动力传输给驱振带轮,驱振带轮带动驱动轴转动,使偏心套圆心A绕驱动轴轴心O转动,构成曲柄OA并带动连杆AB运动,使连杆AB推动摇杆O1B绕机架铰接点O1转动,并通过连杆BC(即振动筛)带动摇杆O2C,使摇杆O2C绕机架铰接点O2转动,实现连杆BC(即振动筛)的往复运动,达到果杂抖动分离的目的。

1.上层筛 2.下层筛 3.筛连板图2 曲柄摆杆机构结构简图Fig.2 Schematic diagram ofcrank rocker mechanism

进行曲柄摆杆机构设计时,使机构做近似直线的摆动,能够提高振动筛的筛分效率、减少功率消耗[17]。机构做近似直线摆动时,构件设计应满足:O1B∥O2C、O1B=O2C、OA<

2.2 振动筛运动参数的确定

清选过程中,振动筛下层筛的主要作用是由吸杂风机配合,对分离好的荚果再做一次清选,进行去土、去草、去杂处理,而荚果和杂质的分离主要是在振动筛上层筛筛面完成的。因此,本研究运用动态静力学方法[17]分析上层筛筛面物料在筛面上运动的条件。物料在筛面上有3种运动状态,即相对于筛面向上滑动、向下滑动和从筛面抛起。为便于分析,以上层筛筛面质心处的单颗荚果M为研究对象,进行受力分析,其受力状态如图3所示。此时,荚果M相对于筛面处于向下滑动状态,因曲柄半径OA长度远远小于连杆AB长度和摇杆O1B长度,所以可近似认为筛体在做直线摆动[17]。樊晨龙等[18]和李骅[19]的研究表明,曲柄长度、曲柄转速对振动筛筛面运动状态的影响远大于振动筛筛面倾角、振动方向角。根据前期单因素试验,本设计振动筛筛面倾角取α=5°,振动方向角取β=30°,由此可求出物料相对于筛面向上滑动、向下滑动和从筛面抛起的条件。

要使物料相对于筛面向下滑动,必须满足如下条件,即

mgsinα+Pcosβ>F

(1)

仅考虑物料沿筛面向下滑动而无抛起情况,则

T=Psinβ+mgcosα

(2)

筛面对物料的摩擦力计算公式为

F=Ttanφ

(3)

式中P—为荚果所受振动惯性力(N);

F—筛面对荚果摩擦力(N);

T—筛面对荚果支撑反力(N);

m—荚果质量(kg);

g—重力加速度(m/s2);

α—筛面倾角,(°);

β—振动方向角,(°);

φ—筛面与荚果的静摩擦角,测得摩擦角φ=27°。

联立式(1)～式(3)可得

Pcos(β+φ)>mgsin(φ-α)

(4)

参考文献[20]中动态静力学方法对筛面物料运动的分析,可得筛面荚果M相对于筛面向下滑动的条件为λω2>KX≈6.7m/s2,筛面荚果M相对于筛面向上滑动的条件为λω2>KS≈5.2m/s2,筛面荚果M从筛面抛起的条件为λω2>KT≈19.5m/s2,振动筛振动加速度为19.5～24.5m/s2,筛面振幅为7～17mm,曲柄转速为324～565r/min,振动频率为5～9Hz。

2.3 吸杂风机设计

清选机构的吸杂风机采用吸入型通用离心式风机。为了吸走下层筛清选过后物料中剩余的短杂,要求吸风道断面内需具有均匀的风速。因此,风机叶轮壳体采用螺旋蜗壳体,且为了便于短杂的吸出,设计加大了吸风口在筛面上的吸附面积,使吸风口面积大于出风口的面积,风机机罩后侧设置一开口,便于风机内部叶轮故障或被杂草缠绕时的维修,其具体结构如图4所示。

1.出风口 2.风机轴 3.吸风道 4.吸风口 5.风机叶轮 6.机罩开口挡板图4 吸杂风机结构简图Fig.4 Structure diagram of centrifugal fan

清选物料中包括需被风机吸走排出的杂质和剩余的油莎豆荚果,其二者悬浮速度的差异是吸杂风机参数设计的关键[10]。吸杂风机吸风口处风速应大于筛上所有杂质的悬浮速度,以保证杂质能被风机完全吸走排出,从而降低清选机构的荚果含杂率;吸杂风机吸风口处风速应小于筛上油莎豆荚果的悬浮速度,以避免荚果被风机吸出,加大清选机构的清选损失率。因油莎豆此方面相关研究较少,本设计通过参考其它作物的相关文献[21-23]并结合样机试验后,将风机吸风口处风速范围定为5～7m/s,并且通过参考文献[21,23-24]中离心风机转速的计算得出吸杂风机出风口风速为9.5～13.3m/s、风机全压为39.03～76.50Pa、风机转速圆整后为1299～1819r/min,最终确定吸杂风机转速为1300～1800r/min可调。

3 田间试验

3.1 试验条件

试验于2021年10月18-24日在吉林省长春市农安县油莎豆种子种植示范基地进行,如图5所示。基地内油莎豆品种为“龙莎一号”,种植方式为机械直播,播种深度40～50mm,行距300mm,株距250mm,鲜豆产量12000kg/hm2。试验在样机实车上进行,将研制的清选机构搭载在4GQ-1.3-A型油莎豆收获机(吉林省万龙油莎豆专用机械设备制造有限公司生产)上,由拖拉机牵引进行田间试验。选取地势平坦地块,按照GB/T5262-2008《农业机械试验条件测定方法的一般规定》,选取25m为准备区、50m为试验区、25m为停车区。试验前,先用割草机将油莎豆地面部分的茎叶去除,茎叶留茬高度不超过150mm。油莎豆收获机每次收获两行油莎豆,拖拉机前进速度为0.6m/s。

图5 田间试验Fig.5 Field test

3.2 试验指标

试验以清选损失率T1、荚果含杂率T2作为清选作业指标,测试参考《收获机械联合收割机试验方法》(GB/T 8097—2008)进行。试验过程具体如下:试验前,清空油莎豆收获机粮斗内及机内杂物,保证测试区地面无落果;用接料板接取振动筛上层筛排草口的排出物,用编织网袋接取吸杂风机出风口的排出物,以排出物中的油莎豆荚果作为清选损失计算清选损失率;荚果含杂率通过在粮斗内的油莎豆荚果中取样计算,每次取样不少于粮斗内油莎豆荚果总量的1/3。每个试验方案进行3次重复试验,而后取平均值。

清选损失率T1计算公式为

(5)

式中T1—清选损失率(%);

Q1—上层筛和风机排出物中荚果的质量(g);

Q2—料仓内荚果的质量(g)。

荚果含杂率T2计算公式为

(6)

式中T2—荚果含杂率(%);

W1—取样中杂质质量(g);

W2—取样中荚果质量(g)。

3.3 试验结果与分析

3.3.1试验设计

参考其它风筛选式清选机构试验因素的选取[13-20],并结合前期单因素试验,以振动筛振幅A、振动频率B、风机转速C作为试验因素,设计3因素3水平Box-Behnken试验。其中,振动筛振幅、振动频率的水平值由2.2节计算得出的振动筛运动参数理论域值确定,风机转速的水平值由2.3节计算得出的风机理论转速确定,试验共17个试验点。试验具体因素水平及编码如表1所示,试验具体方案及结果如表2所示。试验过程中,拖拉机以固定速度行驶,保持其动力输出轴的转速不变,振动筛的振幅通过更换偏心距不同的偏心套进行调节,振动筛的振动频率通过更换直径不同的驱振带轮进行调节,吸杂风机的转速通过更换直径不同的风机带轮进行调节。

表1 试验因素与水平Table 1 Factors and levels of experiment

表2 试验方案与结果Table 2 Experiment design and result

3.3.2 回归模型建立与显著性分析

根据表2中的数据样本,通过Design-Expert 11软件建立清选损失率Y1和荚果含杂率Y2对振动筛振幅A、振动频率B、风机转速C等3个自变量的二次多项式响应面回归模型,即

Y1=4.66+0.2513A-0.135B+0.0812C-

0.055AB+0.2125AC-0.03BC+

0.4497A2-0.0677B2+0.3797C2

(7)

Y2=5.78-0.1937A-0.4087B-0.5750C+

0.2525AB+0.53AC+0.255BC+

0.7917A2-0.1133B2+0.4343C2

(8)

由回归模型的方差分析结果(见表3、表4)可知:清选损失率Y1、荚果含杂率Y2的P值分别为0.0005、<0.0001(均小于0.01),表明两回归模型影响极显著;其失拟项的P值分别为0.5278、0.2469(均大于0.05),模型失拟性不显著,表明回归模型在试验参数范围内拟合程度较高。由振动筛振幅、振动频率和风机转速的P值可知:试验因素对清选机构清选损失率的影响大小为振幅>振动频率>风机转速,试验因素对清选机构荚果含杂率的影响大小为风机转速>振动频率>振幅。两回归模型决定系数R2分别为0.9579、0.9841,说明清选损失率和荚果含杂率拟和回归模型具有较高的可靠性,95%以上的响应值均可由这两个模型解释。

表3 清选损失率回归模型的方差分析Table 3 Variance analysis for regression model of cleaning loss rate

表4 荚果含杂率回归模型的方差分析Table 4 Variance analysis for regression model of pods impurity rate

3.4 响应面分析

根据表3和表4中回归模型的分析结果,利用Design-Expert 11软件绘制各因素交互效应3D响应面图。

3.4.1清选损失率响应面分析

交互因素对清选损失率Y1影响响应曲面如图6所示。由图6(a)可以看出:当风机转速一定时,清选损失率Y1随着振动频率B的增加呈现不断减小的趋势,但变化较为缓慢;而随着振幅A的增加,清选损失率Y1先缓慢下降再缓慢上升。原因是增加振幅可使筛体摆动幅度加大,使荚果有更多的机会穿过料层接触筛面而顺利透筛;但当筛体摆动的幅度过大时,物料向前输送的速度加快,使荚果在筛面停留时间过短,不能及时透筛,从而造成清选损失率的增加。由图6(b)可以看出:当振动频率一定时,减小振幅A有助于降低清选损失率Y1,而随着风机转速C的增加,清选损失率Y1先缓慢下降再快速上升,此结论与高连兴等[10]的研究结论一致。其原因如下:风机转速大小决定了吸风口处的气流速度高低,当吸风口处气流速度过大时,部分油莎豆荚果会随同短杂被风机吸出排出机外,从而造成清选损失率快速增加。由图6(c)可以看出:当振幅一定时,清选损失率Y1随着振动频率B的增加变化趋势不明显,而随着风机转速C的增加,清选损失率Y1先缓慢下降再快速上升,其原因也是因为风机风力过大、荚果被吸走所致。

3.4.2荚果含杂率响应面分析

交互因素对荚果含杂率Y2影响响应曲面如图7所示。由图7(a)可以看出:当风机转速一定时,增加振动频率B对荚果含杂率影响不显著;而增加振幅A时,荚果含杂率先缓慢下降再缓慢上升。其原因如下:增大振幅后,筛体摆动幅度加大,使杂质在筛面跃起,增加了杂质与筛面接触的机会,更有利于透筛;但振幅过大时,会使杂质在筛面上的运输速度加快,导致其在筛面停留时间过短,未能及时透筛,从而造成荚果含杂率的增加。由图7(b)可以看出:当振动频率一定时,增加振幅A和风机转速C明显有助于降低荚果含杂率。其原因是:风机转速越大,风机吸风口处气流速度越大,越有利于杂质的吸出。由图7(c)可以看出:当振幅一定时,随着振动频率B和风机转速C的增加,荚果含杂率也呈现明显下降趋势,此结论与张敏等[13]的研究结论一致,也是因为风机转速越大杂质越容易被吸出。

3.5 参数优化与试验验证

针对清选损失率Y1和荚果含杂率Y2的回归模型,运用Design-Expert 11软件的Optimization功能,以式(9)为约束条件,求解出清选机构的最优参数组合为振动筛振幅11.03mm、振动频率8.88Hz、风机转速1441.64r/min,此时回归模型预测值清选损失率为4.46%、荚果含杂率为5.42%。

(9)

由于试验方案中并未包含综合优化后的较优参数组合,为验证模型预测结果的可靠性,2021年10月28日采用优化结果在相同地点、用同样的测试方法进行了5次验证试验(见图8);考虑到设备实际作业情况,将优化后的参数进行圆整,调整振动筛振幅为11mm、振动频率为9Hz、风机转速为1442r/min。田间验证试验得到清选损失率和荚果含杂率的数学期望值分别为4.35%、5.49%,与回归模型预测结果相对误差分别为2.47%、1.29%(均小于5%),说明上述参数优化回归模型可靠性较高,回归模型精度能满足参数优化的需要。通过与其它试验方案结果对比分析可知:优化后的清选机构的综合作业质量优于其它参数组合下的作业性能,清选效果较为理想,满足设计要求。

图8 田间验证试验Fig.8 Field validation test

4 结论

1)运用动态静力学方法研究了筛面物料的相对运动,分析了物料相对筛面向上滑动、向下滑动和从筛面抛起的极限条件。为保证荚果顺利穿透上层筛,振动筛主要运动参数的选取范围为振动加速度19.5～24.5m/s2、筛面振幅7～17mm、曲柄转速324～565r/min、振动频率5～9Hz。

2)以振动筛振幅、振动频率、风机转速作为试验因素,设计3因素3水平Box-Behnken试验,分析各因素对清选损失率、荚果含杂率的影响,并进行参数优化,寻求最优参数组合。试验结果表明:最优参数组合为振动筛振幅11mm、振动频率9Hz、风机转速1442r/min,此时清选损失率为4.35%,荚果含杂率为5.49%。