袁華杰，周學(xué)建，馬 萌，李宇航，王升升

(河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003)

0 引言

清選作業(yè)是谷物聯(lián)合收獲機(jī)械上不可或缺的工作部分，對(duì)整機(jī)的清潔率和損失率有極大的影響。目前，市場(chǎng)上使用的清選裝置主要有純氣流清選和風(fēng)篩聯(lián)合清選兩種形式[1-5］。旋風(fēng)分離裝置作為一種比較典型的純氣流清選方式，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便，而在微型谷物聯(lián)合收獲機(jī)上得到廣泛應(yīng)用[6-10］。

目前，在微型小麥聯(lián)合收獲機(jī)上使用的旋風(fēng)分離裝置還存在一些問(wèn)題，如吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，一般都在2 600 r/min以上，震動(dòng)比較嚴(yán)重，其工作穩(wěn)定性不能得到保證[11-15］。因此，通過(guò)對(duì)旋風(fēng)分離裝置進(jìn)行深入研究，以降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和提高清選性能，這對(duì)微型谷物聯(lián)合收獲機(jī)的發(fā)展和山地、丘陵地區(qū)谷物收獲機(jī)的推廣應(yīng)用有著重要作用。本次研究以小麥為研究對(duì)象，探索了偏置吸雜口的旋轉(zhuǎn)角度和吸雜口偏置距離兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋風(fēng)分離裝置性能的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了正交試驗(yàn)和回歸試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)研究，吸雜風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速得到明顯地降低，同時(shí)提高了清選性能，為旋風(fēng)分離裝置在微型小麥聯(lián)合收獲機(jī)上的配置提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法和過(guò)程

旋風(fēng)分離清選試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，主要由揚(yáng)谷器、旋風(fēng)分離筒和吸雜風(fēng)機(jī)3個(gè)主要部件組成，另外，揚(yáng)谷器管道和吸雜管道作為連接部件，輸送帶、推運(yùn)攪龍和接料室為物料輸送部件，接糧箱和接糠網(wǎng)袋為接料容器。

本試驗(yàn)?zāi)M的工作狀況是機(jī)進(jìn)速度0.5 m/s，割幅1 m，小麥產(chǎn)量為400 kg每0.066 7 hm2，據(jù)此可計(jì)算出清選系統(tǒng)籽粒喂入量為0.3 kg/s。試驗(yàn)用物料的含雜率為30%，穎糠和短莖稈比例為10∶1，可得出清選物料的總喂入量為0.429 kg/s，其中穎糠為0.117 kg/s，短莖稈為0.012 kg/s。再根據(jù)輸送帶速度和物料的鋪料長(zhǎng)度，可得出每次試驗(yàn)所用的物料總量。試驗(yàn)物料中籽粒含水率7% ～8%，雜余含水率6% ～7%。

圖1 旋風(fēng)分離清選試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)時(shí)清選試驗(yàn)臺(tái)的工作過(guò)程是:首先，將稱量好的籽粒和雜余混合均勻，按鋪料長(zhǎng)度鋪到輸送帶上;然后，打開(kāi)控制風(fēng)機(jī)和揚(yáng)谷器的電機(jī)變頻器，待風(fēng)機(jī)和揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后打開(kāi)輸送帶的電機(jī)變頻器;物料進(jìn)入接料室，并被推運(yùn)攪龍送入揚(yáng)谷器，再由揚(yáng)谷器沿切向拋入分離筒，在離心力作用下，籽粒繞筒壁作向下的螺旋運(yùn)動(dòng)，從出糧口排出，雜余在上升氣流作用下從吸雜口經(jīng)風(fēng)機(jī)排出，完成籽粒與雜余的分離。

本試驗(yàn)選取籽粒清潔率Yq和清選損失率Ys兩個(gè)指標(biāo)。經(jīng)過(guò)處理和稱量，接糧箱中物料總質(zhì)量為G1，純籽粒質(zhì)量G2，損失籽粒質(zhì)量G3。代入下式計(jì)算得出試驗(yàn)指標(biāo)值:

2 吸雜口偏移方位試驗(yàn)

為降低吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，提高清選性能，本試驗(yàn)對(duì)旋風(fēng)分離筒的吸雜口偏移方位進(jìn)行了試驗(yàn)研究，本研究分為兩部分，吸雜口偏置的旋轉(zhuǎn)角度試驗(yàn)和吸雜口偏置距離試驗(yàn)。

2.1 吸雜口偏置旋轉(zhuǎn)角度試驗(yàn)

原有用于小麥清選的旋風(fēng)分離筒直徑是400 mm，為降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，現(xiàn)將分離筒直徑減小為300 mm。

分離筒取物料入口尺寸80 mm×100 mm，吸雜口直徑160 mm，出糧口直徑160 mm。

將吸雜口中心垂線與物料進(jìn)口在分離筒筒體徑向上分置于筒體的中心軸線的相對(duì)兩側(cè)，為方便研究吸雜口偏置旋轉(zhuǎn)角度這一單因素，將吸雜口中心相對(duì)于分離筒中心的偏置距離定為20 mm。規(guī)定旋轉(zhuǎn)角度與物料進(jìn)入方向一致時(shí)為0°，與物料進(jìn)入方向相反為180°。在本次試驗(yàn)中，吸雜口旋轉(zhuǎn)角度的范圍是 0°～180°，設(shè)定7 個(gè)水平，旋轉(zhuǎn)角度的試驗(yàn)水平分別為 0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°。吸雜口偏置旋轉(zhuǎn)角度示意圖如圖2所示。

以清選過(guò)程通暢和基本滿足清選要求為原則進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，確定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 350 r/min，揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速為700 r/min，輸送帶速度為0.3 m/s，鋪料長(zhǎng)度3 m。每次試驗(yàn)物料:籽粒3 kg，穎糠1.17 kg，短莖稈0.12 kg。

每個(gè)因素水平做兩次試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為接糧箱中的物料總質(zhì)量G1、純凈籽粒質(zhì)量G2，清選損失籽粒質(zhì)量G3，通過(guò)式(1)和式(2)得到試驗(yàn)指標(biāo)值，為試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)角度對(duì)清潔率和損失率的影響都顯著。吸雜口偏置旋轉(zhuǎn)角度對(duì)清潔率和損失率的影響如圖3所示。

圖2 吸雜口偏置旋轉(zhuǎn)角度示意圖

圖3 旋轉(zhuǎn)角度對(duì)清選效果的影響規(guī)律

從圖3可以看出:清潔率都在97.5%以上，損失率都在1%以上，清潔率基本滿足要求，損失率偏高，在考慮低損失率同時(shí)兼顧清潔率的情況下，旋轉(zhuǎn)角度為30°時(shí)清選效果較好。

物料剛進(jìn)入分離筒時(shí)，穎糠與籽粒還未完全分離，這時(shí)會(huì)有一部分穎糠被吸走，且會(huì)攜帶一些籽粒，吸雜口離物料入口越近，這一種損失越大，而清潔率會(huì)稍有提高，所以150°、180°損失較大，180°清潔率較高。物料進(jìn)入分離筒后，籽粒與雜余逐漸分離，在完成籽粒和雜余分離之前，物料所走過(guò)的行程越長(zhǎng)，其分離的就越徹底，因雜余被吸走所帶來(lái)的籽粒損失就越少，所以30°時(shí)清選效果比較好;而路線過(guò)長(zhǎng)時(shí)，會(huì)有部分短莖稈和穎糠在分離筒中位置太靠下而不易被風(fēng)機(jī)吸走，所以0°時(shí)清選損失小但清潔率偏低。

2.2 吸雜口偏置距離試驗(yàn)

由吸雜口偏置旋轉(zhuǎn)角度試驗(yàn)可知:當(dāng)分離筒筒徑為300 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度為30°清選效果較好，但其損失率仍大于1%。要進(jìn)一步降低損失率就要增大分離筒直徑，因此，將分離筒筒徑增加到350 mm。

吸雜口偏置距離示意圖見(jiàn)圖4。吸雜口偏置距離就是吸雜口中心與分離筒中心之間的距離。吸雜口中心位于遠(yuǎn)離物料入口一側(cè)，偏置距離選取的原則是吸雜口邊緣線不能越過(guò)分離筒中心點(diǎn)，因此偏置距離的選取范圍是0～80 mm。單因素試驗(yàn)水平數(shù)不能少于5個(gè)，取吸雜口偏置距離的試驗(yàn)水平為20 mm、35 mm、50 mm、65 mm、80 mm，同時(shí)增加偏移距離為0 mm(即不偏移)的試驗(yàn)為對(duì)比試驗(yàn)。

經(jīng)預(yù)試驗(yàn)，定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 350 r/min，揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，其他試驗(yàn)條件不變。

試驗(yàn)結(jié)果方差分析表明，偏置距離對(duì)小麥清潔率影響不顯著，試驗(yàn)結(jié)果為98.2% ～98.7%;而偏置距離對(duì)小麥清選損失率影響顯著。

吸雜口偏置距離試驗(yàn)結(jié)果表明，偏置距離為35 mm時(shí)清選損失率最低。在吸雜口偏置距離變化時(shí)清選損失主要由兩部分構(gòu)成:一是物料剛進(jìn)入分離筒時(shí)部分雜余被吸走夾帶的籽粒損失;二是偏移距離較大時(shí)吸雜口離分離筒壁較近，有一部分繞筒壁旋轉(zhuǎn)的籽粒被吸走造成損失。因此，偏置距離不宜過(guò)大或過(guò)小，為35 mm時(shí)清選效果較好。

圖4 吸雜口偏置距離示意圖

3 清選裝置試驗(yàn)研究

3.1 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)是一種尋求參數(shù)水平較優(yōu)組合的高效率試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，利用正交表可解決多因素的試驗(yàn)問(wèn)題。通過(guò)正交試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，判斷因素對(duì)指標(biāo)影響的顯著性;進(jìn)行極差分析，判斷因素影響主次和因素水平較優(yōu)組合，為回歸試驗(yàn)挑選因子提供依據(jù)。

在吸雜口偏移方位的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)取分離筒直徑350 mm，吸雜口旋轉(zhuǎn)角度30°，偏移距離35 mm。選取吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速(z1)、揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速(z2)、吸雜口直徑(z3)和出糧口直徑為試驗(yàn)因素(分別為 A、B、C、D)，清潔率和損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，各因素水平編碼見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平編碼表

本次正交試驗(yàn)有4個(gè)因素，正交表采用L9(34)，則試驗(yàn)無(wú)空列，無(wú)法計(jì)算誤差的均方，需要進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)才能進(jìn)行方差分析，試驗(yàn)安排及結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，4個(gè)因素對(duì)清潔率和損失率的影響都顯著，說(shuō)明4個(gè)因素都可以作為回歸試驗(yàn)的因子。

本試驗(yàn)有兩個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)，其極差分析采用加權(quán)綜合評(píng)分法，由試驗(yàn)結(jié)果可看出:清潔率大多數(shù)滿足要求，損失率普遍偏高，所以清潔率權(quán)重取0.4，損失率權(quán)重取0.6，影響綜合指標(biāo)的因素主次為C＞A＞B＞D，較優(yōu)組合為A2B2C1D1。

表2 正交試驗(yàn)安排及試驗(yàn)結(jié)果

3.2 回歸試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，4個(gè)因素中出糧口直徑對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響最小，將其取最小值160 mm，有利于減小分離筒中心高速氣流區(qū)對(duì)周邊的影響，可以減小損失率。因此，在回歸試驗(yàn)中取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速和吸雜口直徑作為試驗(yàn)因素，進(jìn)行三因素回歸試驗(yàn)。

3.2.1 二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)

回歸試驗(yàn)有多種設(shè)計(jì)方案，本試驗(yàn)中選用二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法，其得到的回歸方程有通用性，且有較高的預(yù)測(cè)精度。

在正交試驗(yàn)得出的試驗(yàn)因素較優(yōu)水平附近安排二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表3，試驗(yàn)安排及其結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 回歸試驗(yàn)因素水平編碼表

表4 二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)安排及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表4中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸，得到清潔率Yq和損失率Ys在因素空間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)二次回歸方程:

對(duì)清潔率回歸方程和損失率回歸方程分別進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，兩個(gè)方程都在α=0.01的置信水平下顯著且不失擬，說(shuō)明可以用回歸方程表示因素對(duì)指標(biāo)的影響規(guī)律。3.2.2 參數(shù)優(yōu)化及其驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)回歸方程進(jìn)行優(yōu)化得到較優(yōu)參數(shù)組合，本次試驗(yàn)中采用主目標(biāo)優(yōu)化法。這種優(yōu)化方法的優(yōu)點(diǎn)是化二次方程求解為簡(jiǎn)單的線性規(guī)劃問(wèn)題，在輔助目標(biāo)滿足要求的情況下得到主目標(biāo)的最優(yōu)值。

目標(biāo)函數(shù):

性能約束函數(shù):

邊界約束函數(shù):

求目標(biāo)函數(shù)的最小值，其中Ys為清潔率回歸方程，Yq為損失率回歸方程，最終優(yōu)化結(jié)果即最佳參數(shù)組合為:z1=1 348 r/min，z2=1 012 r/min，z3=147 mm，Yq=98%，Ys=0.86%。

在最佳參數(shù)下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為清潔率98.17%、損失率0.89%，驗(yàn)證結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果比較接近。

3.3 適應(yīng)性試驗(yàn)

通過(guò)適應(yīng)性試驗(yàn)可以判斷試驗(yàn)結(jié)論的適用范圍，為該試驗(yàn)裝置配置到微型谷物聯(lián)合收獲機(jī)提供依據(jù)。適應(yīng)性一般從喂入量、含雜率和含水率等方面來(lái)考慮，本次試驗(yàn)就從這3個(gè)方面來(lái)進(jìn)行該清選裝置的適應(yīng)性試驗(yàn)。

(Ⅰ)變喂入量試驗(yàn):保持含雜率30%不變，小麥籽粒喂入量分別按0.15 kg/s、0.20 kg/s、0.25 kg/s、0.30 kg/s和0.35 kg/s進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可以看出:隨喂入量降低，清潔率明顯升高，損失率也有所降低;如果是小喂入量收獲機(jī)可以考慮適當(dāng)降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在滿足清潔率要求的情況下降低損失率。

(Ⅱ)變含雜率試驗(yàn):保持小麥籽粒喂入量0.3 kg/s的喂入量不變，含雜率取15%、20%、25%、30%和35%進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可以看出:隨含雜率增加，清潔率下降，損失率升高;含雜率在25%以下時(shí)，清潔率在99%以上，可以考慮適當(dāng)降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在滿足清潔率要求的情況下降低損失率。

圖5 喂入量適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果

圖6 含雜率適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果

(Ⅲ)變含水率試驗(yàn):保持含雜率30%和小麥籽粒喂入量0.3 kg/s不變，利用灑水的辦法調(diào)整室內(nèi)試驗(yàn)物料的含水率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可以看出:隨著含水率的增加，清潔率下降，損失率升高。

表5 含水率適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)吸雜口偏置型旋風(fēng)分離清選裝置能有效降低清選損失率，同時(shí)減小了分離筒中物料分離所需要的風(fēng)力，從而達(dá)到了本次試驗(yàn)降低吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

(2)通過(guò)吸雜口偏移方位試驗(yàn)，得到了清選效果較好的吸雜口偏移位置。旋風(fēng)分離清選裝置在旋風(fēng)分離筒直徑為350 mm、吸雜口偏置角度為30°，揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，吸雜口偏置距離35 mm清選效果較好，此時(shí)籽粒清潔率在98%以上，損失率在1%以下。

(3)通過(guò)對(duì)吸雜口偏置型旋風(fēng)分離清選裝置的試驗(yàn)研究，得到了該清選裝置的較優(yōu)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù):出糧口直徑160 mm，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 348 r/min，揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速1 012 r/min，吸雜口直徑147 mm。在該參數(shù)下，籽粒清潔率為98%，清選損失率為0.86%。

[1]徐立章，李耀明，張立功，等.軸流式脫粒-清選裝置試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(12):85-88.

[2]李洪昌，李耀明，唐忠.風(fēng)篩式清洗裝置清選性能試驗(yàn)研究[J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2010(6):54-57.

[3]鄭一平，林金秀.微型聯(lián)合收割機(jī)的現(xiàn)狀及前景[J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007(9):232-234.

[4]李耀明，鄧玲黎，丁為民.小型聯(lián)合收割機(jī)清選裝置的技術(shù)分析[J］.農(nóng)機(jī)化研究，2004(3):55-56.

[5]尹健，楊寧，王妍.基于結(jié)構(gòu)模塊化的微型山地稻麥聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)[J］.農(nóng)機(jī)化研究，2011(11):106-109.

[6]彭維明.切向旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2001，32(4):20-24.

[7]龐奇.新型旋風(fēng)分離清洗系統(tǒng)內(nèi)部氣流及物料狀態(tài)研究[D］.洛陽(yáng):河南科技大學(xué)，2009.

[8]劉師多，毛鵬軍，師清翔，等.微型小麥聯(lián)合收割機(jī)的研制[J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械，2006(18):176-180.

[9]王升升，師清翔，倪長(zhǎng)安，等.旋風(fēng)分離清洗系統(tǒng)阻力特性及工況的試驗(yàn)研究[J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，32(4):53-56.

[10]李銀海，丁啟朔，羅海兵，等.微型聯(lián)合收割機(jī)氣流式清選裝置的仿真研究[J］.農(nóng)業(yè)化研究，2009，31(1):85-88.

[11]倪長(zhǎng)安，張利娟，劉師多，等.無(wú)導(dǎo)向片旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)的試驗(yàn)分析[J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(8):135-138.

[12]魏世軍.小型聯(lián)合收割機(jī)清洗系統(tǒng)試驗(yàn)研究[D］.洛陽(yáng):河南科技大學(xué)，2008.

[13]劉師多，張利娟，師清翔.微型小麥聯(lián)合收獲機(jī)旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)研究[J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(6):45-48.

[14]金鑫，姬江濤，崔麗慧，等.甘蔗聯(lián)合收割機(jī)剝?nèi)~裝置的性能試驗(yàn)和參數(shù)優(yōu)化[J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，33(1):58-62.

[15]張利娟，劉師多，師清翔，等.物料狀態(tài)對(duì)旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)清選性能的影響[J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，27(3):68-70.