楊興超，師清翔，王升升，耿令新，劉春亞，楊 芳

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

小型立式軸流脫粒裝置試驗臺的設(shè)計

楊興超，師清翔，王升升，耿令新，劉春亞，楊 芳

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

為減小現(xiàn)有聯(lián)合收割機整機的尺寸，增加現(xiàn)有聯(lián)合收割機在丘陵地區(qū)通過的靈活性，提出了將市場上普遍使用的橫置式脫粒滾筒改為立式軸流脫粒裝置的方案。同時，設(shè)計了一種小型立式軸流脫粒裝置的試驗臺，可清晰地記錄整個試驗過程中主要工作部件的轉(zhuǎn)速、扭矩、功耗和物料的喂入速度，以及在不同工況下脫粒裝置的工作性能。當(dāng)立式軸流脫粒滾筒的長度達到900mm時，整個脫粒裝置的脫?？倱p失率、含雜率及斷穗籽粒率分別為1.43%、31.87%和1.06%。

脫粒裝置；試驗臺；脫粒性能；立式軸流

0 引言

我國有大量的丘陵地區(qū)，其耕土面積約占我國總耕土面積的30%[1-4]，丘陵地區(qū)的谷物的機收水平對我國全面實現(xiàn)谷物的機械化收獲有著重大的影響；而由于丘陵地區(qū)耕作地塊較小不規(guī)則及通過性較差，急需設(shè)計一種尺寸較小、通過性較好及工作性能穩(wěn)定的聯(lián)合收割機。聯(lián)合收割機的核心工作部件是脫粒滾筒，市場上現(xiàn)有的聯(lián)合收割機的脫粒滾筒分為軸流脫粒滾筒和切流脫粒滾筒，布置方式分為橫向布置和縱向布置。橫向布置的脫粒滾筒會使得收割機的整機尺寸很寬，而縱向布置的脫粒滾筒會使得收割機的整機尺寸很長[5-10]。因此，為了減小收割機的整機尺寸、增加其通過性，只單單地在現(xiàn)有的聯(lián)合收割機的部件上做改變并不能解決現(xiàn)有的實際問題，應(yīng)該有較大的創(chuàng)新。因此，設(shè)計出一種小型的立式軸流脫粒裝置，應(yīng)用于聯(lián)合收割機上可以大大減小整機的長度和寬度，解決丘陵山區(qū)谷物的收獲問題。

立式軸流脫粒裝置的工作性能將直接影響整機的工作狀況，但由于谷物本身物理機械特性的復(fù)雜性和田間工況的差異性，在田間無法準確地獲得立式軸流脫粒裝置的性能規(guī)律。因此，有必要設(shè)計一種小型的立式軸流脫粒裝置的試驗臺，用來模擬和再現(xiàn)田間的工作狀況，獲得其結(jié)構(gòu)運動參數(shù)對脫粒性能的影響規(guī)律，以優(yōu)化確定該脫粒裝置的最優(yōu)參數(shù)組合。

1 機械系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

本文所設(shè)計的立式軸流脫粒裝置試驗臺整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 立式軸流脫粒裝置試驗臺的主要參數(shù)

1.2 主要工作部件

立式軸流脫粒滾筒是該試驗裝置的主要核心工作部件，主要由脫粒齒板、滾筒上端蓋、滾筒下端蓋、上防纏擋圈、下防纏擋圈、滾筒軸及攪龍葉片等組成，如圖2所示。

1.2.1 脫粒元件

對于立式軸流脫粒裝置而言，脫粒元件不僅對谷物要有沖擊脫粒的作用，還要對谷物有向上的推動作用，從而能保證物料更好地實現(xiàn)自下向上的運動。因此，本試驗裝置的脫粒元件采用板齒。由于立式軸流脫粒裝置在試驗過程要更換板齒與滾筒體徑向的夾角(即要更換板齒傾角)，如果將板齒直接安裝在滾筒體上，在試驗過程中就不得不更換整個立式軸流脫粒滾筒。因此，為了減輕工作量、節(jié)省材料，將板齒直接連接到一個板上，構(gòu)成一個個的齒板，這樣在試驗過程中只需更換齒板即可。

脫粒滾筒的脫粒能力主要與脫粒元件的分布排列方式及脫粒元件的數(shù)量有關(guān)。在設(shè)計脫粒元件的分布排列方式時，如果能夠保證在轉(zhuǎn)動過程中同一齒跡線內(nèi)有多個脫粒元件，不僅能夠提高脫粒效率，而且還能縮短有效的脫粒滾筒長度。因此，本試驗設(shè)計采用雙頭螺旋線排列，其分布圖如圖3所示。

1.接料盒 2.試驗臺支架 3.滾筒外罩 4.立式軸流脫粒滾筒 5.喂入輪 6.接料板 7.滾筒驅(qū)動電機 8.喂入輪驅(qū)動電機 9.電機支架圖1 立式軸流脫粒裝置試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of Vertical Axial Threshing Test Bench

1.脫粒齒板 2.滾筒上端蓋 3.滾筒軸 4.帶輪 5.上防纏擋圈 6.滾筒體 7.螺旋攪龍葉片 8.下防纏擋圈 9.滾筒下端蓋圖2 立式軸流脫粒滾筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the Vertical Axial threshing cylinder

圖3 板齒排列圖Fig.3 Schematic diagram of board tooth

1.2.2 螺旋葉片

立式軸流脫粒裝置工作的難點是如何順暢地實現(xiàn)物料由下向上的運動，針對這一難點，本試驗設(shè)計如下：①利用板齒的螺旋線排列及板齒的傾角與滾筒外殼上的導(dǎo)向板相配合；②在滾筒下0～210mm處，不安裝板齒而是加裝螺旋攪龍葉片。這樣從喂入口進來的物料，先有螺旋攪龍葉片向上輸送，然后由板齒與導(dǎo)向板相配合向上輸送物料。但是，如果物料在螺旋輸送段的時間長，會加大滾筒脫粒的含雜率。這就要求螺旋攪龍葉片的導(dǎo)程要大，致使物料可以盡快地進入脫粒段。所以，本次設(shè)計采用三頭螺旋，螺距設(shè)為420mm。其設(shè)計計算過程為

下料為

式中D—螺旋葉片的外半徑；

d—螺旋葉片的內(nèi)半徑，即螺旋軸的外半徑；

L—螺旋葉片的外周長；

l—螺旋葉片的內(nèi)周長；

h—葉片高度；

r下料—葉片展開口半徑；

α下料—螺旋葉片切去的圓心角 ；

p—螺旋葉片的螺距。

2 測控系統(tǒng)

試驗臺的各主要工作部件主要由變頻調(diào)速電機控制驅(qū)動，通過操作臺可以實現(xiàn)物料輸送帶、喂入輪及立式軸流脫粒滾筒轉(zhuǎn)速的無極調(diào)整。試驗臺的硬件主要由直線位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩傳感器、電磁繼電器等組成，測控流程圖如圖4所示。

圖4 測控系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of measurement and control system

試驗臺共安裝了3個轉(zhuǎn)速傳感器和2個扭矩傳感器，分別用來檢測輸送帶驅(qū)動輪、喂入輪和立式軸流脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速及喂入輪和立式軸流脫粒滾筒的扭矩。本測試系統(tǒng)的主要功能是：在立式軸流脫粒裝置試驗過程中，根據(jù)試驗要求，測量立式軸流脫粒滾筒的線速度、扭矩、轉(zhuǎn)速、功耗、脫粒間隙及物料的喂入速度。

3 試驗過程

試驗前，首先按照試驗所需參數(shù)調(diào)整好各工作部件，然后在輸送帶上均勻鋪放一定質(zhì)量的物料，以保證一定量的喂入量。待一切準備就緒時，按照試驗所需的參數(shù)，分別啟動立式軸流脫粒滾筒和喂入輪的驅(qū)動電機，待其運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后啟動輸送帶，將物料均勻地由喂入輪喂入立式軸流脫粒滾筒；從柵格篩中分離出的脫出物直接落在接料盒中，人工將接料盒中的物料進行稱重，然后將斷穗分離出并脫粒稱重，計算出斷穗籽粒率；然后將剩余的物料進行清選，計算出含雜率。另外，由于立式軸流脫粒滾筒上的攪龍葉片和按螺旋分布的板齒的作用，物料在滾筒內(nèi)由下向上運動，已經(jīng)脫粒的長秸稈從出草口排出，經(jīng)人工處理后得到未脫凈率和夾帶損失率。本試驗裝置若只進行滾筒長度的試驗，只需通過拆裝柵格篩，進而改變柵格篩的長度即可；對接料箱內(nèi)的脫出物和出草口的物料進行處理，即可得到立式軸流脫粒滾筒的長度對脫粒性能的影響規(guī)律。

4 滾筒長度試驗

對于立式軸流脫粒裝置而言，物料在滾筒內(nèi)脫粒時間的長短，對立式軸流脫粒裝置的脫粒性能有很大的影響，因此本試驗是在以前正交試驗和回歸試驗的基礎(chǔ)上進行的。根據(jù)回歸試驗得到的最優(yōu)參數(shù)組合，固定滾筒轉(zhuǎn)速為875r/min、凹板脫粒間隙13mm、板齒傾角8°和凹板柵條間隙9mm，以脫?？倱p失率、斷穗籽粒率和含雜率為目標函數(shù)，以滾筒長度為變量因子，做滾筒長度試驗，其試驗方案及結(jié)果如表2所示。

表2 滾筒長度試驗方案及結(jié)果

對試驗結(jié)果分析得到滾筒長度對立式軸流脫粒裝置的影響規(guī)律，如圖5所示。由圖5的影響規(guī)律可知：在試驗范圍內(nèi)，隨著滾筒長度的增加，脫?？倱p失率降低、斷穗籽粒率降低、含雜率升高，并且在滾筒長度為900mm時，脫?？倱p失率小于1.5%，符合國家有關(guān)部門對脫粒機總損失率的要求。

5 驗證試驗

在試驗過程中，考慮到人為因素及試驗所用物料的差異而造成的試驗誤差，為了使得試驗結(jié)果更加可靠、可信，需要在最優(yōu)參數(shù)下進行驗證性試驗，方案及結(jié)果如表3所示。

圖5 滾筒長度對各試驗指標的影響規(guī)律Fig.5 The influence of The threshing cylinder length on experimental parameters表3 驗證試驗方案及結(jié)果Table 3 Validates test program and results

試驗序號滾筒長度d/mm滾筒轉(zhuǎn)速A/r·min-1脫粒間隙B/mm凹板柵條間隙C/mm脫?？倱p失率β/%斷穗籽粒率η/%含雜率δ/%19008751391.361.1530.8529008751391.511.1031.2839008751391.461.0831.75

6 結(jié)論

1)設(shè)計的立式軸流脫粒裝置的試驗臺，可獨立進行脫粒性能的試驗。其喂入輪的轉(zhuǎn)速、立式軸流脫粒裝置的轉(zhuǎn)速、脫粒板齒的傾角、凹板柵格篩的柵條尺寸及滾筒的長度等主要工作部件的參數(shù)調(diào)整簡單可靠，且可對不同狀況下的試驗物料的脫?？倱p失率、斷穗籽粒率、含雜率，以及整個試驗系統(tǒng)的功率消耗進行試驗測試分析。

2)本試驗裝置的測控系統(tǒng)可以顯示和記錄整個試驗過程中喂入輪和立式軸流脫粒滾筒的線速度、扭矩、轉(zhuǎn)速、功耗、脫粒間隙及物料的喂入速度。

3)通過滾筒長度的試驗，得到當(dāng)滾筒長度為900mm時，脫?？倱p失率、含雜率、斷穗籽粒率分別為1.43%、31.87%、1.06%，其脫?？倱p失率小于1.5%，符合國家有關(guān)部門對脫粒機總損失率的要求。

[1] 周浩，師清翔，耿令新，等.基于免割收獲的小麥扶持脫粒裝置試驗優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013,44(S2)：52-56,31.

[2] 李寶筏.農(nóng)業(yè)機械學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003:391.

[3] 劉輝，劉鵬程，張建軍，等. 軸流式脫粒裝置脫粒性能的試驗研究[J].農(nóng)機化研究，2012,34(3)：176-179.

[4] 王顯仁，師清翔，倪長安，等.半喂入脫粒裝置脫粒元件對谷粒沖擊次數(shù)的研究[J].農(nóng)機化研究，2011，33(4):17-20.

[5] 徐立章，李耀明，李洪昌，等.縱軸流脫粒分離-清選試驗臺設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009,40(12)：78-79.

[6] 衣淑娟，李敏，孟臣，等.谷物脫粒與分離裝置試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2005,36(1):99-103.

[7] 李靈敏，徐瑞，石坤鵬，等.便攜機分離筒吸雜口偏置型清選裝置的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)機化研究，2016，38(11)：204-208.

[8] 陳樹人，仇華錚，李耀明，等.谷物流量傳感器試驗臺的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012,28(16)：41-44.

[9] 張?zhí)m星，何月娥.谷物收割機機械理論與計算[M].長春：吉林人民出版社，1980:109-110.

[10] 中國農(nóng)業(yè)機械化研究院.農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊：下冊[K].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007:946-951.

Abstract ID:1003-188X(2017)12-0098-EA

Design of Small Vertical Axial Threshing Mechanism

Yang Xingchao, Shi Qingxiang, Wang Shengsheng, Geng Lingxin, Liu Chunya, Yang Fang

(Agricultural Engineering Equipment School, Henan University of Science & Technology, Luoyang 471003, China)

To reduce the size of the existing combine harvester machine and increase the flexibility of the combine harvester in hilly areas adopted, it is proposed that the exhaust type cylinder which is widely used on the market should be instead of vertical axial threshing mechanism in this paper. And designed a kind of small vertical axial threshing device test bench can clearly record the main working parts of the rotational speed, torque, power consumption and material feeding speed in the whole test process, and the threshing device performance under the different working conditions. When the length of the vertical axial threshing cylinder reaches 900mm, the threshing device loss rate was 1.43%, and the impurity rate of threshing was 31.87% and the broken spike rate was 1.06%.

threshing mechanism; test bench; threshing performance; vertical axial

2016-10-02

河南省重點科技攻關(guān)計劃項目(152102210276)

楊興超(1991-)，男，河南安陽人，碩士研究生，(E-mail)yangxingchao223@163.com。

S225.3；S220.3

A

1003-188X(2017)12-0098-04