孟凡虎,姜 萌,耿端陽,林連華,徐海港
(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東 淄博 255049;2.山東時風(fēng)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山東 高唐 252800)
我國是一個農(nóng)業(yè)大國,“三農(nóng)”一直是國家重點扶持和發(fā)展的對象。隨著我國農(nóng)業(yè)機械化水平的不斷提高,小麥機械化收獲技術(shù)也在不斷進(jìn)步和發(fā)展。截止到2016年,我國小麥機收率達(dá)到84%以上,主產(chǎn)區(qū)甚至達(dá)到96%以上[1-3]。但是,隨著我國土地集約化的發(fā)展及農(nóng)作物產(chǎn)量的不斷提高,傳統(tǒng)切流(橫流)式小麥?zhǔn)斋@機難以滿足大喂入量小麥?zhǔn)斋@的矛盾逐漸顯現(xiàn),國內(nèi)許多小麥?zhǔn)斋@機骨干企業(yè)和學(xué)者都加強了對軸流滾筒式小麥?zhǔn)斋@機的研究,特別是作為收獲機核心技術(shù)的縱軸流脫粒系統(tǒng),成為當(dāng)前谷物收獲機的重點研究內(nèi)容[4-9]。
目前,市場上小麥?zhǔn)斋@機多采用切流式脫粒和橫軸流兩種脫粒方式。切流脫粒方式由于脫粒時間短很難滿足大喂入量作業(yè)的脫凈率要求;同時,由于脫粒強度過大容易導(dǎo)致籽粒破碎率上升,所以這種方式難以滿足大喂入量小麥?zhǔn)斋@的性能要求[10-12]。橫軸流脫粒分離方式由于受到空間位置的限制,脫粒滾筒不能太長,因此脫粒和分離能力受到極大限制,在喂入量較大時會出現(xiàn)脫粒、分離不徹底及夾帶損失較大等問題[13]。
縱軸流脫粒技術(shù)具有橫向尺寸小,脫粒、分離時間長等優(yōu)點[14]??v軸流又分為單縱軸流和雙縱軸流兩種,雙縱軸流因為橫向距離太寬、成本較高、加工工序復(fù)雜等原因受到各種限制,因此本文主要對單縱軸流滾筒進(jìn)行試驗研究[15]。
單縱軸流脫粒滾筒主要由喂入螺旋、輻盤、紋桿座及排草板等組成,如圖1所示。脫粒滾筒按照功能分為前后兩大部分:前半部分將待脫谷物順暢導(dǎo)入脫粒滾筒與凹板之間,后半部分將谷物脫粒及將籽粒從脫出物中分離。對于前半部分,其結(jié)構(gòu)由3個成一定角度的葉片和導(dǎo)料月牙組成:導(dǎo)料月牙通過旋轉(zhuǎn)對谷物產(chǎn)生離心力,使其導(dǎo)向喂入螺旋的作用范圍;喂入螺旋作用于范圍內(nèi)的谷物導(dǎo)向脫粒滾筒與凹板間隙,這里的凹板間隙分為入口間隙和出口間隙,為了使得小麥順暢進(jìn)入脫粒區(qū)入口間隙常大于出口間隙,出口間隙采用偏心結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整(一端用螺栓固定,另一端采用螺紋桿調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu))。后半部分為滾筒殼體、紋桿座及排草板等組成:紋桿座以螺旋線結(jié)構(gòu)安裝于滾筒殼體,實現(xiàn)谷物沿脫粒滾筒軸線方向以螺旋形前進(jìn),并在該運動過程中不斷受到凹板柵條的阻擋和紋桿座的反復(fù)沖擊、揉搓來完成脫粒和籽粒的分離。其主要參數(shù)如表1所示。
1.前半軸 2.導(dǎo)料月牙 3.喂入螺旋 4.脫粒凹板 5.分離凹板 6.排草板 7.后半軸 8.滾筒蓋 9.紋桿座組合 10.滾筒殼體 11.凹板調(diào)節(jié)機構(gòu) 12.喂入錐體圖1 稻麥聯(lián)合收獲機縱軸流脫粒裝置Fig.1 Vertical flow drum of rice wheat combine harvester表1 縱軸流滾筒主要參數(shù)Table 1 Main parameters of longitudinal flow drum
項目單位參數(shù)脫粒滾筒形式單縱軸流紋桿座式脫粒滾筒尺寸mm?650×2860脫粒凹板入口間隙mm40脫粒凹板出口間隙mm5~40凹板包角(°)210
工作時,來自過橋的谷物在高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)料月牙的作用下被甩向周邊,進(jìn)而被位于其后的喂入螺旋抓取,并被拖入;在紋桿座配合凹板的沖擊、揉搓作用下,谷物完成籽粒與莖稈的分離,凹板間隙的大小直接影響谷物的含雜率。在此過程,由于紋桿座呈螺旋線方式分布,所以在谷物脫粒的同時起到往后推動脫?;旌衔锏淖饔谩0及彘g隙可由凹板調(diào)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)大范圍調(diào)節(jié),以滿足不同作物、不同含水率作物收獲的脫粒需要;另外,當(dāng)脫粒過程發(fā)生堵塞時也可快速清理。在此過程,為了延長谷物的脫粒時間,該脫粒滾筒采用前低后高的傾斜式放置,讓其具有一定傾斜角度,來改善滾筒的脫粒性能。
喂入螺旋是喂入系統(tǒng)的主要部件,主要功能是保證谷物由輸送過橋持續(xù)穩(wěn)定導(dǎo)入脫粒滾筒與凹板之間,防止谷物在此堆積和堵塞,提高系統(tǒng)工作的可靠性。喂入螺旋的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1.三爪 2.葉片 3.加強板圖2 喂入螺旋Fig.2 Feed screw structure
滾筒的喂入螺旋由3個沿圓周方向均布的大端高度為310mm葉片組成。為了最大限度地提高葉片的導(dǎo)向作用和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生對谷物的向內(nèi)吸力,葉片的大端直接固定在三爪上,小端通過加強筋連接在脫粒滾筒前部的錐體上。為了強化旋轉(zhuǎn)帶來的風(fēng)向,以形成穩(wěn)定的軸向吸引力,從而強化谷物向脫粒滾筒與凹板之間的導(dǎo)向能力,將葉片設(shè)計為沿中部向旋轉(zhuǎn)方向的折彎結(jié)構(gòu),折彎半徑約為150mm,葉片的折彎角度為49°。
為了提高脫粒效果和脫粒過程的工作可靠性,本脫粒元件設(shè)計為組合式結(jié)構(gòu),即該紋桿座組合由脫粒板、紋桿頭、紋桿座、平衡塊以及螺栓所組成,如圖3所示。
為了增強脫粒效果,本滾筒的脫粒元件按照三頭螺旋線方式進(jìn)行布置,設(shè)其螺旋角為φ,滾筒直徑為D,則螺旋線的導(dǎo)程為
l=πDtanφ
假設(shè)軸流脫粒滾筒單位長度脫下籽粒的百分比為脫粒強度系數(shù),用α表示,顯然脫粒強度系數(shù)與滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒元件類型及脫粒間隙等因素有關(guān);谷物初始籽粒含量為y,則任意段單位長度未脫下的籽粒含量為y(1-α),即
dy/dx=(1-α)y
解之得
lny=(1-α)x+c
根據(jù)當(dāng)前的麥草比一般為1∶1.1,即當(dāng)x=0時,其秸稈未脫下的籽粒為c,代入上式即可得到
lny=c
y=Ce(1-α)x
由于本紋桿座組合由脫粒板和紋桿頭組成,所以該結(jié)構(gòu)既發(fā)揮了紋桿脫粒元件揉搓破碎低的優(yōu)勢,又集成了釘齒抓取莖稈和沖擊能力強的優(yōu)勢,為適合大喂入量和收獲不同作物創(chuàng)造了條件。例如,對于易脫的作物(小麥、大豆、大麥、油菜等)將脫粒板安裝在紋桿座左側(cè)的位置,提高對莖稈的抓取能力;對于比較難脫粒的作物(水稻等)就需要將脫粒板由圖3位置更換至平衡墊板的左側(cè),以提高對水稻的梳刷作用;對于特別難脫的作物,可以采取在兩個位置同時安裝脫粒板的方法進(jìn)一步提高梳刷作用。
1.脫粒板 2.紋桿頭 3.螺栓 4.平衡塊 5.紋桿座圖3 紋桿座組合Fig.3 Bar assembly
如前文所述,脫粒滾筒分為前后兩段結(jié)構(gòu),前段將大部分籽??梢悦撓虏⒎蛛x,其余未脫下的籽粒在螺旋式脫粒元件作用下,一邊沿滾筒軸線方向后移,一邊不斷翻轉(zhuǎn)秸稈,實現(xiàn)未脫下谷物與脫粒元件的直接接觸,大大改善谷物的脫粒效果;隨著秸稈層厚度的不斷變小,也有利于脫下籽粒與莖稈的分離。當(dāng)然,由于滾筒后段脫粒物的不斷減少,所以有些機型甚至將分離凹板改為分段結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)脫粒滾筒不同位置脫粒間隙的不斷變化,提高對逐漸減少的剩余脫粒物的適應(yīng)性,不斷減少谷物的脫粒損失。
為了驗證上述分析的正確性,筆者選擇了影響脫粒強度系數(shù)較大的滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙(脫粒系統(tǒng)的出口間隙)及滾筒傾角為試驗參數(shù),以評價脫粒性能的含雜率和損失率為評價指標(biāo),采用正交試驗設(shè)計方法,探尋了影響脫粒性能因素的主次關(guān)系,確定所選參數(shù)的較優(yōu)組合。為滿足縱軸流滾筒脫粒的要求,參考國內(nèi)外類似機型的參數(shù)確定了選定參數(shù)的試驗水平,其因素與水平表如表2所示。試驗結(jié)果如表3所示。
表2 試驗因素與水平Table 2 Test factors and levels
表3 試驗結(jié)果Table 3 Test scheme and result
3.1.1極差分析
滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙和滾筒傾角各水平對滾筒脫粒性能的影響如圖4所示。
圖4 各指標(biāo)對損失率、含雜率的影響Fig.4 The influence of each index on the loss rate and impurity content
各考察因子的極差值越大,說明該因子對試驗指標(biāo)的影響越大,結(jié)合圖4的試驗結(jié)果,確定了谷物含雜率和損失率影響因素的主次關(guān)系,如表4所示。
表4 試驗指標(biāo)分析Table 4 Analys is of test indexes
3.1.2 方差分析
綜合極差分析和方差分析可知:滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙和滾筒傾角對滾筒的脫粒效果的影響是不同的,如表5所示。
表5 滾筒性能指標(biāo)方差分析Table 5 Variance analysis of roller performance
續(xù)表5
F0.1(3,6)=3.29;F0.05(3,6)=4.76;F0.01(3,6)=9.87。
由方差分析結(jié)果可知:滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、滾筒傾角對滾筒脫粒性能指標(biāo)均有顯著作用。這表明所選參數(shù)正確,是影響該滾筒脫粒性能的主要因素。
在這3個參數(shù)中,滾筒轉(zhuǎn)速對滾筒脫粒性能的2個指標(biāo)均有顯著影響,隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提高谷物含雜率和損失率呈現(xiàn)先降后升的趨勢。這是因為滾筒轉(zhuǎn)速提高后,谷物被滾筒上的脫粒元件擊打及被凹板撞擊強度和次數(shù)增強,谷粒更容易從莖稈上脫下,并由凹板分離出來。
凹板間隙對谷物含雜率和損失率具有顯著影響,間隙過大,脫??臻g增加,脫粒元件對莖稈的揉搓和沖擊作用降低,從而影響了脫粒效果;間隙太小,會對谷物的沖擊和揉搓作用加強,從而使莖稈破碎過于嚴(yán)重,影響了籽粒與莖稈的分離。
滾筒傾角對谷物含雜率和損失率有一定影響,當(dāng)滾筒傾角增大時,由于延長了谷物的脫粒時間,所以滾筒脫粒更加徹底,谷粒的含雜率及損失率就呈現(xiàn)下降的趨勢。
通過極差和方差分析,綜合各試驗因數(shù)對滾筒脫粒性能指標(biāo)的影響及其優(yōu)化組合,按照以谷物含雜率低、損失率低的原則,確定A3B2C4為較優(yōu)組合。
1)開發(fā)了一套縱軸流式滾筒脫粒裝置,分析了該脫粒方式的工作原理,建立了脫凈率與脫粒強度系數(shù)的數(shù)學(xué)模型,為縱軸流滾筒的改進(jìn)設(shè)計提供了理論依據(jù)。
2)確定了滾筒脫粒裝置中關(guān)鍵工作部件的工作參數(shù),并驗證了相關(guān)參數(shù)設(shè)計的合理性。
3)通過正交試驗確定了影響谷物損失率的3個主次因素順序為:滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角、凹板間隙;影響谷物含雜率的3個主次因素順序為:凹板間隙、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角。較優(yōu)組合為滾筒轉(zhuǎn)速800r/min、凹板間隙15mm、滾筒傾角8°,在該參數(shù)下谷物的含雜率為0.11%、損失率為0.29%,完全滿足國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。