發(fā)布時間：2021-03-30所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：針對油菜聯(lián)合收獲機篩下物組分在不同質量比條件下，旋風分離清選系統(tǒng)性能差異較大的問題，開展了篩下物組分質量比對旋風分離清選系統(tǒng)性能影響的研究。基于自主研發(fā)的4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機，開展了以切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置切碎滾筒和脫粒滾
摘要：針對油菜聯(lián)合收獲機篩下物組分在不同質量比條件下，旋風分離清選系統(tǒng)性能差異較大的問題，開展了篩下物組分質量比對旋風分離清選系統(tǒng)性能影響的研究。基于自主研發(fā)的4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機，開展了以切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置切碎滾筒和脫粒滾筒轉速為因素的雙因素試驗，探究了油菜篩下物各組分質量比在不同運行參數(shù)下的變化區(qū)間;以篩下物組分質量比為因素開展了正交試驗和二次旋轉正交組合試驗，明確了篩下物各組分對清選性能影響的顯著性，并構建了莢殼、短莖稈質量比與清潔率、損失率之間的回歸模型，基于多目標優(yōu)化明確了莢殼、短莖稈質量比的較優(yōu)變化區(qū)間。雙因素試驗表明：切碎滾筒轉速為430r/min~550r/min、脫粒滾筒轉速為450r/min~650r/min時，篩下物中莢殼、短莖稈、輕雜余、籽粒質量比變化區(qū)間分別為20.86%~31.68%、9.12%~16.47%、8.36%~11.27%、50.05%~51.93%;正交試驗表明：短莖稈質量比對清潔率影響極顯著，莢殼質量比對損失率和清潔率影響均極顯著;多目標優(yōu)化結果表明：當莢殼質量比在20.00%~27.67%、短莖稈質量比在9.00%~12.08%時，旋風分離清選系統(tǒng)損失率低于6%、清潔率大于94%;田間試驗表明：4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機滿足工作要求，通過調節(jié)切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置運行參數(shù)可調節(jié)篩下物組分比例，當切碎滾筒轉速為550r/min、脫粒滾筒轉速450r/min時，脫粒裝置夾帶損失率為2.01%，旋風分離清選系統(tǒng)損失率為5.39%、清潔率為94.62%，為油菜聯(lián)合收獲機脫粒分離裝置和清選系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化與匹配提供參考。
關鍵詞：農(nóng)業(yè)機械化工程;油菜;聯(lián)合收獲機;旋風分離;篩下物組分質量比
0引言
油菜聯(lián)合收獲機能夠一次完成切割、脫粒、分離和清選等多重作業(yè)工序，高效省時[1-5]。清選作為其中關鍵環(huán)節(jié)，其性能優(yōu)劣對整機作業(yè)質量至關重要。目前油菜聯(lián)合收獲機清選裝置多為風機與振動篩配合使用的風篩式清選，但其結構復雜、尺寸龐大，振動大。旋風分離作為一種清選分離方式，其結構緊湊，被廣泛應用[6-11]。
針對旋風分離清選技術在聯(lián)合收獲機上的應用問題，國內外學者在結構設計、參數(shù)設計、仿真及優(yōu)化設計上進行了深入研究[12-14]。陳立、廖慶喜等測定了油菜篩下物不同組分物料的懸浮速度，并設計了一種油菜聯(lián)合收獲機篩下物旋風分離清選試驗臺，完成了油菜篩下物的分離清選[15-16];劉師多等將旋風分離用于小麥聯(lián)合收獲機中，并確定了相關結構參數(shù)和運行參數(shù)[17];高連興等將旋風分離應用在大豆聯(lián)合收獲機上[18];戴飛等結合胡麻脫出物的物料特性，利用旋風清選系統(tǒng)完成胡麻脫出物的分離清選[19]，為旋風分離清選系統(tǒng)在油菜聯(lián)合收獲機上的應用提供了參考。此外倪長安等對微型小麥聯(lián)合收獲機旋風分離清選關鍵部件的運行參數(shù)和結構參數(shù)開展了試驗研究[20];敬志臣等利用Fluent軟件模擬了小麥穎殼、莖稈及籽粒的分離效率，進一步提升了收獲機上旋風分離清選系統(tǒng)的工作性能[21]。
旋風分離清選系統(tǒng)的工作性能對篩下物組分質量比、喂入量以及物料特性變化較為敏感[22]。針對物料特性陳翠英等測定了油菜篩下物的空氣動力學特性[23];侯華銘等測定了谷子篩下物含水率對其懸浮特性的影響，明確了谷子脫出物懸浮速度與其含水率的關系[24];Huang等通過雙向耦合CFD模擬和試驗，研究了顆粒喂入量對旋風分離器性能的影響，結果表明CFD模擬可用于合理預測不同顆粒喂入量下的分離效率[25]，為后續(xù)清選系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了依據(jù)。油菜篩下物組分雜糅，包括籽粒、莢殼、短莖稈、輕雜余，但相關研究主要集中在單一組分物料的機械特性和空氣動力學上，對混合組分關系鮮有研究[26]。
本文基于自主研發(fā)的4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機，研究切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置運行參數(shù)對篩下物組分質量比的影響規(guī)律及篩下物組分質量比對旋風分離清選系統(tǒng)性能影響規(guī)律，為脫粒分離裝置和清選裝置參數(shù)優(yōu)化與匹配提供了參考依據(jù)。
1油菜收獲機結構與物料分流過程
1.1基本結構
自主研發(fā)的4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機為液壓驅動自走式油菜聯(lián)合收獲機，其核心部件包括割臺、切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置、旋風分離清選系統(tǒng)、履帶式行走底盤及液壓動力控制系統(tǒng)等，其結構如圖1所示，收獲機主要技術參數(shù)如表1所示。
1.2物料分流過程
油菜在割刀及撥禾輪的共同作用下被切斷，并由撥禾輪撥送至復切輸送器，經(jīng)由復切輸送器輸送至切碎裝置;在輔助喂入輥的強制輸送作用下，進一步被切碎滾筒切碎后形成100~300mm的物料流;物料流在切碎裝置的拋送作用下，頂部徑向喂入至縱軸流脫粒分離裝置，并在縱軸流脫粒分離裝置的作用下，籽粒、莢殼、短莖稈和輕雜余等物料透過篩網(wǎng)形成篩下物，篩下物組分如圖2所示;篩下物在拋揚機的作用下，以一定的初速度被拋送至旋風分離筒內，籽粒在旋風分離筒內由于懸浮速度的差異完成清選過程并落入糧倉，至此完成油菜的切割、輸送、脫粒、分離及清選等過程。脫粒分離裝置內其它秸稈及旋風分離筒內莢殼、短莖稈等雜余則分別通過排草口和風機出風口排送至田間。油菜聯(lián)合收獲機物料分流過程如圖3。
2切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置運行參數(shù)對篩下物組分影響
利用4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機為試驗臺架，選擇切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置切碎滾筒轉速和脫粒滾筒轉速為影響因素，進行兩因素五水平的雙因素試驗，研究不同運行參數(shù)對篩下物組分質量比的影響規(guī)律及其變化區(qū)間。
2.1試驗材料與方法
試驗在華中農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗基地進行，試驗油菜為機直播華油雜62，人工收獲后掛藏，試驗對油菜進行復水處理，復水后測得油菜莖稈含水率為51.36%，果莢含水率為30.12%，籽粒含水率為22.84%。試驗平臺為自主研發(fā)的4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機。核心裝置切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置主要由輔助喂入輥、切碎裝置和縱軸流脫粒分離裝置等部件組成。裝置主要結構參數(shù)如表2所示：
以4LYZ-2.0油菜聯(lián)合收獲機為試驗臺，控制喂入量為2~3kg/s。試驗開始前在輸送帶上鋪放油菜，根據(jù)聯(lián)合收獲機田間作業(yè)機組前進速度調節(jié)輸送帶帶速，調節(jié)各部件轉速至穩(wěn)定后啟動輸送帶，完成油菜的輸送和脫粒分離。
2.2試驗結果與分析
通過調節(jié)4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置運行參數(shù)，得到不同運行參數(shù)下的切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置篩下物各組分質量比，試驗結果如圖5所示。
由圖5知：在切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置脫粒間隙為30mm、切碎滾筒轉速為430r/min~550r/min、脫粒滾筒轉速為450r/min~650r/min的條件下，篩下物中莢殼質量比為20.86%~31.68%、短莖稈質量比為9.12%~16.47%、輕雜余質量比為8.36%~11.27%、籽粒質量比為50.05%~51.93%。
隨著切碎滾筒轉速增加，對物料的作用次數(shù)增多，部分莢殼被切碎成輕雜余，篩下物中的莢殼質量比逐步下降。脫粒滾筒轉速在450r/min~500r/min增加時，在莢殼過篩率增加、物料流動速度增加以及打擊次數(shù)增多的共同作用下，篩下物中莢殼質量比小范圍波動;隨著轉速繼續(xù)增大，脫粒分離裝置內物料快速軸向輸送，部分莢殼從排草口排出，另一部分莢殼經(jīng)多次打擊后變成輕雜余，莢殼質量比逐漸降低。
篩下物中短莖稈所占質量比隨切碎滾筒轉速增大而增加，由于切碎滾筒轉速增加，油菜莖稈以及分支被切碎后平均長度逐漸降低，增加了篩下物短莖稈質量比。隨著脫粒滾筒轉速增加，篩下物短莖稈質量比在450r/min~650r/min內先增后減再增加。脫粒滾筒轉速在450r/min~500r/min內增加時，油菜莖稈以及分枝的斷裂與破碎增加，導致篩下物中短莖稈增加;滾筒轉速增在500r/min~550r/min內增加時，雖然莖稈破碎也繼續(xù)增加，但滾筒內物料軸向流動速度加快，部分短莖稈未能及時經(jīng)過篩網(wǎng)分離而從排草口排出，此時篩下物短莖稈質量比小幅度減小;隨著滾筒轉速的繼續(xù)提高，莖稈的破碎率急劇增加，篩下物短莖稈質量比繼續(xù)增加。
相關期刊推薦：《吉林大學學報(工學版)》1957年創(chuàng)刊，是綜合性學術期刊。主要報道吉林大學工學門類的科學研究成果。包括：機械工程、材料科學與工程、動力工程及工程熱物理、交通運輸工程、農(nóng)業(yè)工程、控制科學與工程、計算機科學與技術、電子科學與技術、信息與通信工程等方面的學術論文。也發(fā)表國內外在上述領域的最新研究成果。
輕雜余主要成分為兩片莢殼中間的隔膜及經(jīng)過切碎滾筒和脫粒滾筒多次打擊與搓擦之后的細碎莢殼與莖稈。切碎滾筒轉速提高，切碎滾筒對莖稈和莢殼的作用次數(shù)增加導致輕雜余所占質量比緩慢增加。脫粒滾筒轉速在450r/min~500r/min內增加時，物料流動速度加快，篩下物輕雜余質量比逐漸減小;隨著脫粒滾筒轉速的繼續(xù)增加，脫粒元件的打擊次數(shù)增多，細碎果莢與莖稈增多，導致輕雜余質量比逐漸增大。
脫粒裝置夾帶損失整體較低，大部分籽粒可順利透過篩網(wǎng)進入清選系統(tǒng)，篩下物中籽粒質量分數(shù)因切碎滾筒轉速和脫粒滾筒轉速變化在50.05%~51.93%內小范圍波動，其波動是因為莢殼、短莖稈和輕雜余的過篩質量變化造成的。
由表4方差分析可知切碎滾筒轉速對篩下物中莢殼、短莖稈及輕雜余的質量比的影響均極顯著，對籽粒質量比影響不顯著;脫粒滾筒轉速對篩下物中莢殼、短莖稈和輕雜余質量比影響均極顯著，對籽粒質量比影響不顯著。
3篩下物組分質量比對清選系統(tǒng)影響
為探究篩下物各組分質量比對旋風分離清選系統(tǒng)工作性能的影響規(guī)律。擬通過正交試驗明確篩下物中莢殼、短莖稈及輕雜余質量比對旋風分離清選系統(tǒng)性能影響的顯著性;結合正交試驗結果開展二次旋轉正交組合試驗構建清潔率、損失率與篩下物組分質量比之間的回歸模型;通過建立清潔率與損失率的邊界條件探索得到滿足清選性能要求的篩下物質量比范圍，獲取切碎滾筒與脫粒滾筒轉速的較優(yōu)組合。
3.1正交試驗
切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置運行參數(shù)對篩下物組分影響可知，篩下物中籽粒變化范圍較小，因此以清潔率和損失率為評價指標，以篩下物中莢殼、短莖稈及輕雜余質量比為因素進行三因素五水平正交試驗。
3.1.1試驗材料與方法
基于4LYZ-2.0油菜聯(lián)合收獲機搭建旋風分離清選系統(tǒng)試驗臺，旋風分離清選系統(tǒng)主要部件包括拋揚機、旋風分離筒、離心風機及管道等。
基于切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置不同運行參數(shù)對篩下物組分質量比影響試驗結果確定試驗因素與水平范圍。選取篩下物中莢殼質量比、短莖稈質量比與輕雜余質量比為試驗因素進行三因素五水平正交試驗。在因素水平范圍選取時，基于試驗結果適當擴大各因素試驗水平范圍。試驗各因素水平范圍為：短莖稈質量比為9%~17%、輕雜余質量比為8%~12%、莢殼質量比為20%~32%。根據(jù)以上參數(shù)變化區(qū)間確定試驗因素水平，如表5所示。
3.1.2試驗結果與分析
利用油菜聯(lián)合收獲機旋風分離清選系統(tǒng)進行清選試驗，得到不同篩下物組分比例下的清潔率與損失率，試驗結果與方差分析結果如表6和表7所示。試驗結果采用綜合評分法分析，根據(jù)實際生產(chǎn)過程中保證較低的損失率為主的原則，擬定清潔率權重為0.35，損失率權重為0.65，加權后綜合評分越高效果越好[28]。綜合分=清潔率隸屬度×0.35-損失率隸屬度×0.65
由表6正交試驗結果可知：通過極差分析，影響旋風分離清選系統(tǒng)作業(yè)效果因素主次分別為：莢殼質量比、短莖稈質量比、輕雜余質量比。
由表7方差分析可知：篩下物中莢殼質量比對損失率和清潔率影響均極顯著;篩下物中短莖稈質量比對清選系統(tǒng)的清潔率影響極顯著、對損失率影響不顯著;篩下物中輕雜余質量比對清選系統(tǒng)清潔率和損失率影響均不顯著。故在后續(xù)試驗研究中重點考察短莖稈、莢殼質量比對清選性能的影響。
3.2二次旋轉正交組合試驗
正交試驗可知輕雜余質量比對清潔率和損失率均不顯著，因此選取篩下物中莢殼質量比及短莖稈質量比為因素進行二次旋轉正交組合試驗，建立篩下物中莢殼質量比、短莖稈質量比與清潔率、損失率之間回歸方程，確定滿足旋風分離清選性能的篩下物中莢殼及短莖稈質量比范圍區(qū)間。試驗因素編碼值如表8所示，試驗結果如表9所示。
綜合圖5可知，滿足條件的切碎滾筒轉速與脫粒滾筒轉速組合有：550r/min、450r/min;490r/min、550r/min，且兩組合下的脫粒分離性能及篩下物中莢殼和短莖稈質量比相近，利用液壓流量傳感器及壓力傳感器測得切碎滾筒轉550r/min、脫粒滾筒轉速450r/min組合功耗相對較小，在此條件下測得切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置夾帶損失為0.46%、功耗為4.45kW，清選裝置清潔率94.29%、損失率為5.08%。
4田間試驗
2019年5月于華中農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗基地開展田間試驗。試驗材料為機直播華油雜62號油菜，種植密度為38株/m2，平均株高為1757mm，油菜主莖稈含水率為58.04%，果莢含水率為36.83%，籽粒含水率為24.55%。4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機割幅2m，試驗時控制割茬高度在250~350mm，機組前進速度2.1~3.6km/h，機組作業(yè)效率0.43~0.72hm2/h，喂入量為2~3kg/s。每次試驗調節(jié)切碎滾筒轉速、脫粒滾筒轉速進行試驗，試驗后收集排草口、出糧口和風機出口處物料，稱重并篩選出其中籽粒，計算得出切拋組合式縱軸流脫粒分離裝置夾帶損失率及旋風分離清選系統(tǒng)清潔率和損失率。當切碎滾筒轉速為550r/min、脫粒滾筒轉速450r/min、脫粒間隙30mm時，脫粒裝置夾帶損失率為2.01%，旋風分離清選系統(tǒng)損失率為5.39%、清潔率為94.62%。
4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機田間作業(yè)時運行平穩(wěn)、物料流動順暢、田間試驗效果如圖7所示。試驗表明：4LYZ-2.0型油菜聯(lián)合收獲機滿足工作要求，通過調節(jié)關鍵部件運行參數(shù)可調節(jié)篩下物組分比例，從而實現(xiàn)較優(yōu)的清選性能。——論文作者：袁佳誠1,2王昌1,2何坤1,2萬星宇1,2廖慶喜1,2※
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