禹曉紅， 王嘉偉， 鄭德聰

（1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)部，山西 晉中 030801； 2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中 030801）

0 引言

蕎麥?zhǔn)菬o限總狀花序，成熟時(shí)間和籽粒成熟度極不一致，為機(jī)械化收獲帶來一定困難，現(xiàn)有的蕎麥脫粒裝置主要采用稻、麥脫粒裝置的脫粒原理，通過旋轉(zhuǎn)滾筒和固定凹板對作物進(jìn)行沖擊、揉搓、梳刷使籽粒分離，為了提高脫粒效果，國內(nèi)外學(xué)者對脫粒裝置進(jìn)行了大量研究[1-2]。衣淑娟等[3]和李海同等[4]對軸流單滾筒脫粒裝置進(jìn)行研究，分析不同類型脫粒滾筒對脫粒效果的影響。徐立章等[5-6]對切縱流雙滾筒脫粒裝置的滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙進(jìn)行優(yōu)化，降低脫粒損失和功耗。李耀明等[7-8]進(jìn)行了高效率、低損耗的多滾筒脫粒裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)研究。陳霓等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)，差速軸流滾筒能提高分離能力，降低損失率和破碎率。劉正懷等[11]研究了回轉(zhuǎn)式柵格凹板脫粒裝置，能夠有效防止脫粒滾筒堵塞，提高工作效率。李毅念等[12]對比軸流式和切流式不同脫粒元件對破碎率的影響，為脫粒裝置的研制提供依據(jù)。WANG Jiawei 等[13-14]研制一種內(nèi)外滾筒旋轉(zhuǎn)式蕎麥脫粒裝置，解決了蕎麥脫粒過程中破損大、損失嚴(yán)重等問題。MIU P I 等[15-16]建立了物料在軸流式脫粒分離裝置中的數(shù)學(xué)模型。

以上研究均基于傳統(tǒng)釘齒滾筒和紋桿滾筒，本文提出一種伸縮桿齒式脫粒裝置，通過伸縮桿齒-紋桿在旋轉(zhuǎn)過程中對物料進(jìn)行揉搓、梳刷而達(dá)到脫粒分離的功能，并在自行設(shè)計(jì)的蕎麥脫粒裝置性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行脫粒性能試驗(yàn)，得到最佳參數(shù)組合。

1 伸縮桿齒式蕎麥脫粒裝置設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

伸縮桿齒式蕎麥脫粒裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由喂入口、滾筒主軸、螺旋喂入裝置、頂蓋、伸縮桿齒、紋桿滾筒、排草口、柵格凹板、側(cè)蓋和機(jī)架等組成。

圖1 伸縮桿齒式蕎麥脫粒裝置結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of retractable rod tooth buckwheat threshing device

工作時(shí)，物料由喂入口進(jìn)入，通過螺旋喂入裝置進(jìn)入柵格凹板和紋桿滾筒之間，在紋桿滾筒和柵格凹板的揉搓、擠壓作用下，實(shí)現(xiàn)籽粒與莖稈的分離，脫出物透過柵格凹板落入清選箱，秸稈在紋桿滾筒作用下螺旋向后運(yùn)動(dòng)，由排草口排出機(jī)外。紋桿滾筒在旋轉(zhuǎn)過程中，帶動(dòng)與其鉸接的桿齒做往復(fù)伸縮運(yùn)動(dòng)，脫粒滾筒軸向螺旋布置的伸縮式桿齒在旋轉(zhuǎn)過程中，進(jìn)一步對物料進(jìn)行沖擊、敲打，實(shí)現(xiàn)難脫籽粒與莖稈的分離，而桿齒在旋轉(zhuǎn)伸縮過程中，能夠很好地對物料進(jìn)行翻騰和向后推送，把長莖稈帶離紋桿滾筒和柵格凹板的最小間隙處，從而避免了堵塞柵格凹板。

1.2 紋桿滾筒設(shè)計(jì)

紋桿滾筒結(jié)構(gòu)如圖2 所示，紋桿滾筒主要由前幅盤、后幅盤通過周向布置的3 根固定肋板焊接成整體，6 根D 型紋桿通過螺栓等間距固定于幅盤外側(cè)，紋桿布置方向應(yīng)具有向后輸送物料的功能，紋桿滾筒用1 mm 厚的包覆鐵皮封閉，構(gòu)成封閉式脫粒滾筒，防止秸稈纏繞和減小脫粒功耗。包覆鐵皮周向等間距開有3 排Φ54 mm 的孔，用來安裝鉸球固定座。紋桿滾筒工作外徑為Φ455 mm。螺紋喂入裝置與滾筒主軸和紋桿滾筒通過螺栓連接成整體。

圖2 紋桿滾筒結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of ribbed rod roller

1.3 伸縮桿齒設(shè)計(jì)

伸縮桿齒結(jié)構(gòu)如圖3 所示，27 根桿齒通過桿齒固定套連接于紋桿滾筒內(nèi)的桿齒固定桿上，可以繞桿齒固定桿旋轉(zhuǎn)。從左往右，第1 根桿齒與水平方向夾角45°放置于紋桿滾筒左下方，第2 根桿齒與水平方向夾角45°放置于紋桿滾筒右下方，第3 根桿齒垂直于水平面放置于紋桿滾筒正上方，后面桿齒按此規(guī)律依次排列成3 排，這樣就成螺旋排列，桿齒直徑為Φ16 mm，長度264 mm。桿齒固定桿前端與桿齒固定桿前軸套通過銷軸連接，桿齒固定桿前軸套通過軸承支撐于脫粒滾筒主軸上，桿齒固定桿后端與桿齒固定桿后軸套通過銷軸連接，桿齒固定桿后軸套通過平鍵與固定于機(jī)架上的脫粒滾筒支撐軸連接在一起，這樣桿齒固定桿能在紋桿滾筒旋轉(zhuǎn)過程中保持固定不動(dòng)。

圖3 伸縮桿齒結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of retractable rod tooth

1.4 柵格凹板設(shè)計(jì)

柵格凹板結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要由左側(cè)固定板、右側(cè)固定板、肋板和幅盤焊接成整體，前后兩端為幅盤，中間周向等間距布置73 根3 mm 厚的肋板，肋板軸向等間距15 mm 穿有Φ3 mm 的鐵絲，形成一系列長15 mm，寬12 mm 的柵格孔，肋板頂面高出鐵絲5 mm，用于阻滯物料，對物料進(jìn)行梳刷、揉搓。柵格凹板內(nèi)側(cè)直徑為320 mm，右側(cè)向外傾斜形成較大空間，方便物料的翻騰和抖動(dòng)。柵格凹板通過左側(cè)固定板、右側(cè)固定板與機(jī)架通過螺栓連接。

圖4 柵格凹板結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of grid concave

1.5 桿齒伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

將伸縮桿齒機(jī)構(gòu)安裝于紋桿滾筒內(nèi)，豎直方向偏心70 mm，每根桿齒穿過通過鉸球固定鉸座固定于紋桿滾筒上的桿齒鏈接鉸球，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。當(dāng)紋桿滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)桿齒的往復(fù)伸縮運(yùn)動(dòng)，當(dāng)桿齒旋轉(zhuǎn)至正上方時(shí)伸出紋桿滾筒外130 mm，當(dāng)桿齒旋轉(zhuǎn)至正下方時(shí)縮進(jìn)與紋桿滾筒齊平，其余位置桿齒伸出紋桿滾筒外0～130 mm。

圖5 伸縮桿齒-紋桿結(jié)構(gòu)Fig. 5 Structure of retractable rod tooth - ribbed rod

2 脫粒性能試驗(yàn)

2.1 蕎麥脫粒性能試驗(yàn)臺

蕎麥脫粒性能試驗(yàn)臺如圖6 所示，主要由伸縮桿齒式脫粒裝置、清選裝置、輸送帶、喂入過橋、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器和機(jī)架等組成，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

圖6 蕎麥脫粒性能試驗(yàn)臺Fig. 6 Buckwheat threshing performance test bench

表1 試驗(yàn)臺技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Technical data of test bed

2.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 5982-2017《脫粒機(jī) 試驗(yàn)方法》和GB/T 5262-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測定方法的一般規(guī)定》進(jìn)行試驗(yàn)，如圖7 所示。試驗(yàn)前，將6 kg 蕎麥均勻鋪放在長10 m、寬1 m 的輸送帶上，通過控制輸送帶速度來實(shí)現(xiàn)不同的喂入量，蕎麥莖稈方向盡量雜亂放置，以模擬聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)。按照試驗(yàn)方案，每次試驗(yàn)重復(fù)3 次，試驗(yàn)結(jié)束后，取出接料盒中脫出混合物進(jìn)行清選和稱質(zhì)量。對排出秸稈進(jìn)行人工清選，統(tǒng)計(jì)損失籽粒質(zhì)量，計(jì)算損失率；對清選后籽粒按照四分法進(jìn)行人工取樣，手動(dòng)挑選破碎籽粒稱質(zhì)量，計(jì)算籽粒破碎率。

圖7 蕎麥脫?，F(xiàn)場Fig. 7 Buckwheat threshing scene map

2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)物料選用山西太谷種植的紅山甜蕎。

試驗(yàn)選取滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、喂入量作為因素，以破碎率、損失率為指標(biāo)探究柔性脫粒裝置的性能。通過單因素試驗(yàn)，確定滾筒轉(zhuǎn)速最佳性能范圍為350～450 r/min，脫粒間隙最佳性能范圍為9～11 mm，喂入量最佳性能范圍為0.8～1.2 kg/s。

試驗(yàn)采用3 因素3 水平正交試驗(yàn)，因素與水平如表2 所示，試驗(yàn)方案和結(jié)果如表3 所示[17-18]。其中A、B、C為因素滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、喂入量的編碼值。

表2 試驗(yàn)因素與水平Tab. 2 Test factors and levels

表3 試驗(yàn)結(jié)果與極差分析Tab. 3 Test results and range analysis

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

2.4.1 對籽粒破碎率的影響

由表3 可知，對籽粒破碎率影響最大的因素為脫粒間隙，隨著脫粒間隙的增加破碎率逐漸減小，當(dāng)脫粒間隙為11 mm 時(shí)，破碎率最低為3.52%。原因是脫粒間隙減小時(shí)紋桿和柵格凹板對物料的擠壓作用力變大，更容易將蕎麥籽粒破損。

滾筒轉(zhuǎn)速對籽粒破碎率影響次之，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加破碎率逐漸增大，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為350 r/min 時(shí)，破碎率最低為3.80%。原因是滾筒轉(zhuǎn)速越大時(shí)紋桿對物料的沖擊作用力變大，更容易將蕎麥籽粒破損。

喂入量對籽粒破碎率影響程度最低，原因是喂入量增大，破碎率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，喂入量為1.0 kg/s 時(shí)，破碎率最低為4.11%。大喂入量時(shí)，物料在滾筒間停留時(shí)間長，籽粒受到大的擠壓力容易破碎，而小喂入量時(shí)，籽粒與內(nèi)外滾筒發(fā)生較為強(qiáng)烈的二次沖擊，故此破碎率較高。

綜上所述，破碎率最低的最佳組合方案是A1B3C2，即滾筒轉(zhuǎn)速350 r/min、脫粒間隙11 mm、喂入量1.0 kg/s。

2.4.2 對籽粒損失率的影響

由表3 可知，對籽粒損失率影響最大的因素為滾筒轉(zhuǎn)速，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加損失率逐漸變大，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為350 r/min 時(shí)，損失率最低為0.10%。原因是滾筒轉(zhuǎn)速增加時(shí)提高了物料在滾筒內(nèi)輸送速度，減小了脫粒時(shí)間，故損失率增大。

脫粒間隙對籽粒損失率的影響次之，隨著脫粒間隙的增大，損失率呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，脫粒間隙為9 mm 時(shí)，損失率最低為0.18%。原因是脫粒間隙增大時(shí)，物料在脫粒滾筒與柵格凹板間的揉搓、擠壓作用變小，從而導(dǎo)致部分籽粒未與秸稈分離就隨秸稈排出機(jī)外，而脫粒間隙繼續(xù)增大時(shí)，脫粒后物料更容易透過柵格凹板落入清選箱，使夾帶損失減小。

喂入量對籽粒損失率的影響最低，隨著喂入量增大，損失率呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，喂入量為1.0 g/s時(shí)，破碎率最低為0.14%。當(dāng)喂入量過小時(shí)，物料在滾筒內(nèi)的停留時(shí)間變短，少量籽粒未與秸稈分離而導(dǎo)致未脫凈損失率增大，而喂入量過大時(shí)，部分籽粒夾帶于秸稈中排出機(jī)外導(dǎo)致夾帶損失增大。

綜上所述，損失率最低的最佳組合方案是A1B1C2，即滾筒轉(zhuǎn)速350 r/min、脫粒間隙9 mm、喂入量1.0 kg/s。

2.4.3 優(yōu)化試驗(yàn)

由于籽粒破碎率最低和籽粒損失率最低指標(biāo)下柔性脫粒裝置的脫粒間隙不一致，因此在滾筒轉(zhuǎn)速為350 r/min，喂入量為1.0 kg/s，脫粒間隙分別為9、10和11 mm 的條件下，再次開展蕎麥脫粒性能試驗(yàn)。通過試驗(yàn)和綜合比較破碎率、損失率，選擇脫粒間隙為10 mm，該脫粒參數(shù)條件下，籽粒破碎率為3.42%，籽粒損失率為0.14%。

3 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種伸縮桿齒式蕎麥脫粒裝置，利用紋桿和柵格凹板的梳刷、擠壓、揉搓實(shí)現(xiàn)脫粒，而伸縮桿齒能夠很好地將物料翻騰、揉搓和抖動(dòng)，解決蕎麥脫粒過程中破碎率大、損失率高、秸稈纏繞堵塞滾筒等問題。

（2）通過蕎麥脫粒性能試驗(yàn)臺，開展伸縮桿齒式脫粒裝置脫粒性能試驗(yàn)，以滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、喂入量作為因素，以籽粒破碎率和籽粒損失率作為指標(biāo)，開展3因素正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：對籽粒破碎率影響最大的因素為脫粒間隙，破碎率最低的最佳組合方案是滾筒轉(zhuǎn)速350 r/min、脫粒間隙11 mm、喂入量1.0 kg/s。對籽粒損失率影響最大的因素為滾筒轉(zhuǎn)速，損失率最低的最佳組合方案是滾筒轉(zhuǎn)速350 r/min、脫粒間隙9 mm、喂入量1.0 kg/s。

（3）通過優(yōu)化試驗(yàn)和綜合比較破碎率、損失率，最終確定伸縮桿齒式脫粒裝置脫粒參數(shù)組合為滾筒轉(zhuǎn)速350 r/min、脫粒間隙10 mm、喂入量1.0 kg/s，該條件下籽粒破碎率為3.42%，籽粒損失率為0.14%。