連國(guó)黨，魏鑫鑫，馬麗娜,2，周?chē)?guó)輝，宗望遠(yuǎn),2

軸流螺旋滾筒式食用向日葵脫粒裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

連國(guó)黨1，魏鑫鑫1，馬麗娜1,2，周?chē)?guó)輝3，宗望遠(yuǎn)1,2※

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；3. 石家莊金箭機(jī)械設(shè)備制造有限公司，石家莊 052160）

針對(duì)食葵脫粒過(guò)程中籽粒表皮劃傷嚴(yán)重及未脫凈率高等問(wèn)題，該研究設(shè)計(jì)了一種軸流螺旋滾筒式食葵脫粒裝置。脫粒元件為外徑32 mm的螺旋管，對(duì)物料在脫?？臻g的運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，確定脫粒元件螺旋管螺旋升角為63°，螺距為2 800 mm。以葵花3638為對(duì)象進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，通過(guò)單因素試驗(yàn)探索喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速及脫粒間隙對(duì)籽粒未脫凈率和破損率的影響，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙為影響因素，未脫凈率和破損率為響應(yīng)指標(biāo)，進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，利用Design-Expert軟件建立響應(yīng)指標(biāo)與影響因素之間的數(shù)學(xué)模型，基于響應(yīng)面法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，獲得脫粒裝置在喂入量1.4 kg/s、滾筒轉(zhuǎn)速300 r/min、脫粒間隙35 mm的參數(shù)組合下脫粒效果較好，此時(shí)未脫凈率為0.55%，破損率1.76%。以?xún)?yōu)化參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，未脫凈率為0.59%、破損率為1.77%，與模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差均小于5%。該裝置未脫凈率與破損率均低于現(xiàn)有向日葵脫粒機(jī)，滿(mǎn)足向日葵機(jī)械化收獲標(biāo)準(zhǔn)。該研究可為食葵機(jī)械化收獲裝備的研制提供理論參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；參數(shù)優(yōu)化；食用向日葵；螺旋滾筒；脫粒裝置

0 引 言

向日葵是全球四大油料作物之一，其籽粒營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，不僅是葵花油的優(yōu)質(zhì)油源，也是加工休閑食品的重要原材料[1]。全球大約有40個(gè)國(guó)家及地區(qū)種植向日葵，總種植面積約0.27億hm2左右，主要分布在俄羅斯、烏克蘭、阿根廷、中國(guó)、美國(guó)等國(guó)家，但是國(guó)外以油葵（油用向日葵）種植為主，食葵（食用向日葵）種植面積不到10%[2-3]；國(guó)內(nèi)向日葵種植主要集中在內(nèi)蒙古、新疆、河北及東北地區(qū)，常年種植面積穩(wěn)定在106.67多萬(wàn)hm2，其中食葵面積占70%左右[4-5]。目前食葵的收獲主要是人工與機(jī)械相結(jié)合，無(wú)法滿(mǎn)足食葵規(guī)模化生產(chǎn)需求，機(jī)械化收獲是解決食葵產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和提高農(nóng)民收益的關(guān)鍵問(wèn)題，在食葵機(jī)械化收獲過(guò)程中，脫粒是不可缺少的一道工序。

由于食葵籽粒上有短毛，較為細(xì)嫰，使用傳統(tǒng)脫粒元件表皮易被劃傷造成花皮籽粒，大大降低其經(jīng)濟(jì)價(jià)值，且葵盤(pán)破碎嚴(yán)重，不易清選。脫粒元件結(jié)構(gòu)形式及脫粒系統(tǒng)關(guān)鍵工作參數(shù)匹配問(wèn)題是影響食葵脫粒效果的主要因素[6]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了一系列的相關(guān)探索。Azharuddin等[7]使用不同形態(tài)的釘齒滾筒探究脫粒元件結(jié)構(gòu)對(duì)向日葵脫粒性能的影響；Morsy等[8]使用“釘齒-紋桿”組合式滾筒探究脫粒速度、含水率及脫粒間隙等因素對(duì)向日葵脫粒性能的影響；Abdollahpour等[9-10]采用攪拌的原理探究脫粒速度、含水率及喂入量對(duì)脫粒效果的影響；Sudajan等[11]探究了不同滾筒類(lèi)型、滾筒轉(zhuǎn)速及喂料速度等對(duì)脫粒性能的影響；黃曉鵬等[12]設(shè)計(jì)了一種搓齒釘式葵花脫籽機(jī)，探究食葵脫粒效果；王云德[13]使用不同結(jié)構(gòu)形式的脫粒滾筒探究食葵脫粒效果；韓長(zhǎng)杰等[14]使用弓齒與釘齒相結(jié)合脫粒方式探究油葵脫粒效果；于亞飛[15]依據(jù)仿生原理雞喙離散食葵籽粒過(guò)程，設(shè)計(jì)了食葵仿生脫粒機(jī)；張學(xué)軍等[16]設(shè)計(jì)了一種正多桿變隙式油葵脫粒裝置，使用紋桿式脫粒元件，探究不同工作參數(shù)下對(duì)油葵的脫粒效果；郝建軍等[17]設(shè)計(jì)了一種切流式油葵脫粒篩分機(jī)，探究喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速及脫粒間隙對(duì)脫粒效果的影響。綜上所述，目前對(duì)向日葵脫粒裝置的研究主要針對(duì)釘齒、紋桿、弓齒組合等脫粒元件，此類(lèi)脫粒元件對(duì)食葵籽粒表皮損傷嚴(yán)重，脫粒效果不理想。

本文針對(duì)食葵脫粒裝置易導(dǎo)致食葵籽粒表皮被劃傷、未脫凈率高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種軸流螺旋滾筒式食葵脫粒裝置，對(duì)物料在脫?？臻g運(yùn)移的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，明確脫粒元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于單因素與多因素試驗(yàn)，探究脫粒裝置工作參數(shù)對(duì)脫粒效果的影響，尋求最佳參數(shù)組合，以期為食葵機(jī)械化收獲提供參考。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

食葵脫粒裝置整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要由脫粒滾筒、頂蓋、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)、機(jī)架、籽粒收集裝置、凹板篩、脫粒間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及物料輸送裝置等組成。

1.物料喂入口 2.脫粒滾筒 3.頂蓋 4.動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng) 5.電機(jī) 6.機(jī)架 7.籽粒收集裝置 8.凹板篩 9.脫粒間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 10.物料輸送裝置

1.2 工作原理

工作時(shí)，輸送裝置將物料輸送至脫粒裝置喂入口，物料從喂入口進(jìn)入脫粒裝置，在螺旋管式脫粒元件與凹板篩共同作用下，葵盤(pán)受到擠壓而變形，導(dǎo)致籽粒與葵盤(pán)的連接變松散，實(shí)現(xiàn)部分籽粒分離，隨著螺旋管與凹板篩連續(xù)多次擠壓葵盤(pán)，達(dá)到籽粒與葵盤(pán)完全脫粒?？P(pán)在螺旋管作用下邊脫粒邊運(yùn)移，籽粒通過(guò)凹板篩落入收集裝置，雜物被運(yùn)移至脫粒裝置排雜口流出，脫粒裝置結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)如表1所示。

表1 脫粒裝置結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 脫粒滾筒

脫粒滾筒是脫粒裝置的關(guān)鍵工作部件，關(guān)系到脫粒裝置的整體性能。軸流脫粒滾筒有圓柱形和圓錐形2種，現(xiàn)有收獲機(jī)多采用圓柱形脫粒滾筒[18]，故選用圓柱形脫粒滾筒。

2.1.1 結(jié)構(gòu)尺寸確定

脫粒滾筒直徑關(guān)系到脫粒裝置的工作效率，在相同轉(zhuǎn)速下，直徑過(guò)小脫粒元件線(xiàn)速度低，與物料接觸力度小，脫粒不干凈，直徑過(guò)大脫粒元件線(xiàn)速度高，與物料接觸力度大，但物料破損嚴(yán)重。結(jié)合國(guó)內(nèi)紋桿脫粒滾筒標(biāo)準(zhǔn)（NJ105-75），確定滾筒直徑為400 mm。滾筒長(zhǎng)度直接決定脫粒裝置的脫粒性能及分離能力，過(guò)短物料在脫?？臻g滯留時(shí)間短，脫粒不充分，過(guò)長(zhǎng)物料在脫?？臻g滯留時(shí)間長(zhǎng)易出現(xiàn)過(guò)脫現(xiàn)象，籽粒含雜較多，不利于清選，滾筒長(zhǎng)度（mm）主要由喂入量及滾筒結(jié)構(gòu)形式確定，按公式（1）計(jì)算[19]。

式中為喂入量，kg/s；0為滾筒單位長(zhǎng)度的脫粒能力，kg/(s·m)。

依據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[19]，不同的作物和脫粒結(jié)構(gòu)形式，滾筒單位長(zhǎng)度的脫粒能力不同，對(duì)螺旋脫粒滾筒，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定0取0.7～1.0 kg/(s·m)，取1.4kg/s,由公式（1）計(jì)算出脫粒滾筒長(zhǎng)度范圍為1 400～2 000 mm,結(jié)合縱軸流脫粒滾筒長(zhǎng)度[19]，確定其長(zhǎng)度為1 800 mm。

2.1.2 脫粒元件選擇與布置

完熟期食葵莖稈、葵盤(pán)背面變黃、葉片干枯，其籽粒為瘦果，表皮多為黑底白紋且附有短毛，較為細(xì)嫰，易脫粒但表皮極易被劃傷。由于螺旋管結(jié)構(gòu)為圓狀無(wú)棱角，與物料碰撞強(qiáng)度低，摩擦力小，對(duì)食葵籽粒損傷小且能確保葵盤(pán)完整性，因此脫粒元件使用螺旋管，螺旋管在滾筒上按4頭布置，如圖2所示。

1.左軸頭 2.滾筒體 3.螺旋管 4.撥盤(pán)板 5.排雜筒體 6.右軸頭

根據(jù)課題組測(cè)量，河北地區(qū)廣泛種植的優(yōu)質(zhì)品種葵花3638葵盤(pán)直徑180～330 mm，葵盤(pán)厚度45～70 mm，籽粒長(zhǎng)度16～26 mm。本文脫粒工藝為切向喂入、軸向脫粒、切向排出方式，脫粒滾筒工作區(qū)分為脫粒段和排雜段，脫粒段尺寸過(guò)小會(huì)導(dǎo)致脫粒不充分，未脫凈率高，排雜段尺寸過(guò)小會(huì)導(dǎo)致雜物不能及時(shí)排除，出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，根據(jù)葵盤(pán)直徑尺寸實(shí)測(cè)最大值,確定脫粒段長(zhǎng)度1 400 mm，排雜段長(zhǎng)度400 mm。

為避免滾筒體與凹板篩間距過(guò)小造成籽粒破裂，螺旋管直徑應(yīng)大于食葵籽粒長(zhǎng)度。前期試驗(yàn)對(duì)比了相同滾筒轉(zhuǎn)速及喂入量條件下直徑28、32、36 mm螺旋管的脫粒效果，結(jié)果表明螺旋管直徑越大，與葵盤(pán)的接觸面積越大，脫粒間隙越小，脫凈率越高，但對(duì)葵盤(pán)的破損越大，螺旋管直徑越小，與葵盤(pán)的接觸面積越小，脫粒間隙越大，脫凈率越低，葵盤(pán)破損越小，綜合考慮選擇外徑為32 mm的螺旋管作為脫粒元件。

與釘齒、紋桿、弓齒等常用脫粒元件擊打、揉搓脫粒原理相比，螺旋管式脫粒元件與葵盤(pán)接觸更加柔和，葵盤(pán)經(jīng)過(guò)擠壓后整體變松散，更易脫粒，且對(duì)葵盤(pán)及籽粒的損傷較小，降低籽粒破損率。

2.2 凹板篩

凹板篩在脫粒過(guò)程中配合脫粒滾筒完成籽粒的脫粒及分離，其長(zhǎng)度由脫粒滾筒的有效工作長(zhǎng)度決定，結(jié)合上文脫粒滾筒脫粒段尺寸，凹板篩長(zhǎng)度取1 400 mm。常用凹板篩有沖孔與柵格兩種，本文根據(jù)食葵籽粒形態(tài)，選擇柵格式（見(jiàn)圖3），柵格采用直徑為10 mm的圓鋼按半圓弧焊接而成，柵格寬度為28 mm，包角180°，由于圓鋼無(wú)棱角，與葵盤(pán)碰撞強(qiáng)度低，且對(duì)葵盤(pán)的摩擦阻力小，籽粒通過(guò)性好，可降低籽粒的破損率，有利于實(shí)現(xiàn)籽粒與雜質(zhì)分離。

1.凹板篩桿 2.凹板篩連接板 3.凹板篩掛座

為了使物料順暢進(jìn)入脫?？臻g，凹板篩與脫粒滾筒圓心錯(cuò)位布置[20]，通常入口間隙1＞出口間隙2。

2.3 脫粒過(guò)程分析

螺旋管式脫粒元件工作過(guò)程不僅與凹板篩共同擠壓物料使籽粒分離，而且實(shí)現(xiàn)物料沿軸向運(yùn)移，為探究螺旋管的螺旋升角及螺距等關(guān)鍵參數(shù)，開(kāi)展物料在脫粒過(guò)程中沿軸向運(yùn)移的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析。

2.3.1 物料沿軸向動(dòng)力學(xué)分析

脫粒過(guò)程物料與螺旋管在任一處接觸，并與其產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，受力分析如圖4所示。

螺旋管對(duì)物料的作用力合力F與螺旋管的法向力F偏離了一定角度，此角度為摩擦角，將合力分解為軸向力F和圓周力F。

式中為物料與螺旋管之間的摩擦系數(shù)；為螺距，m；為脫粒滾筒直徑，m。

若使物料軸向運(yùn)動(dòng)，必須保證軸向動(dòng)力大于軸向阻力，即滿(mǎn)足：

式中1為物料與螺旋管之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

由公式（3）可得：

故螺旋升角與摩擦角應(yīng)滿(mǎn)足：

1.滾筒體 2.螺旋管

1.Drum body 2.Spiral tube

注：為滾筒旋轉(zhuǎn)角速度，rad·s-1；F為螺旋管對(duì)物料的作用力合力，N；F為螺旋管的法向力，N；F為滾筒與物料的摩擦力，N;為摩擦角，(°)；為螺旋升角，(°)；F為F的軸向分力，N；F為F的圓周分力，N。

Note:is the angular speed of drum rotation, rad·s-1;Fis the combined force of the spiral tube on the materials, N;Fis the normal force of the spiral tube, N;Fis the frictional force between the spiral drum and the materials, N;is the friction angle, (°);is the spiral lift angle, (°);Fis the axial component force ofF, N;Fis the circumferential component force ofF, N.

圖4 物料沿螺旋滾筒軸向運(yùn)移的受力分析

Fig 4 Force analysis of material transported along the axis of spiral drum

2.3.2 物料沿軸向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

脫粒過(guò)程物料在螺旋管作用下邊旋轉(zhuǎn)邊沿軸向運(yùn)移，任一點(diǎn)處物料運(yùn)動(dòng)速度圖解如圖5所示。

由于物料與螺旋管之間存在摩擦力，因此點(diǎn)物料的絕對(duì)速度方向偏離法線(xiàn)一定角度，其合速度v可分解為沿軸向的速度v和沿圓周的速度v。

若使物料沿軸向運(yùn)移，必須保證軸向分速度大于0，即滿(mǎn)足：

由公式（5）可得出：

聯(lián)立公式（7）和（8）得出螺旋管螺距應(yīng)滿(mǎn)足：

根據(jù)公式（5）和（9）確定螺距為2 800 mm，螺旋升角為63°。

1.滾筒體 2.螺旋管

1.Drum body 2.Spiral tube

注：為物料與螺旋管接觸點(diǎn)；v為物料的運(yùn)動(dòng)合速度，m·s-1；'為物料的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m·s-1；v為物料的牽連速度，m·s-1；v為在摩擦力條件下物料相對(duì)螺旋管的滑動(dòng)速度，m·s-1；v為無(wú)摩擦力條件下物料相對(duì)螺旋管的滑動(dòng)速度，m·s-1；v為v的軸向分速度m·s-1；v為v的圓周分速度，m·s-1。

Note:is the point of contact between material and spiral tube;vis the combined speed of motion of the materials, m·s-1;'is the absolute speed of motion of the materials, m·s-1;vis the implication speed of the materials, m·s-1;vis the sliding speed of the materials relative to the spiral tube under frictional conditions, m·s-1;vis the sliding speed of the materials relative to the spiral tube under frictionless conditions, m·s-1;vis the axial partial speed ofv, m·s-1;vis the circumferential partial speed ofv, m·s-1.

圖5 物料在滾筒上的運(yùn)動(dòng)速度分析

Fig.5 Speed analysis of material movement on the drum

2.3.3 物料擠壓過(guò)程分析

為探究擠壓力對(duì)脫粒效果的影響，對(duì)物料在擠壓過(guò)程進(jìn)行受力分析，選取凹板篩側(cè)任一截面，在任一位置葵盤(pán)重心處建立坐標(biāo)系進(jìn)行受力分析，如圖6所示，在水平及豎直方向?qū)Ω髁M(jìn)行分解。

整理得葵盤(pán)所受擠壓合力合為

綜上分析，葵盤(pán)所受擠壓合力合與有關(guān)，隨著脫粒間隙變化而變化，所以擠壓力隨著脫粒間隙的變化而變化，擠壓力過(guò)大，籽粒破損率高，擠壓力過(guò)小，未脫凈率高，因此脫粒間隙對(duì)脫粒效果影響較大。

2.4 物料軸向運(yùn)動(dòng)仿真分析

為驗(yàn)證脫粒裝置設(shè)計(jì)的合理性，分析脫粒過(guò)程中物料的運(yùn)動(dòng)情況，基于EDEM軟件對(duì)螺旋滾筒中葵盤(pán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析[21]。根據(jù)食葵脫粒裝置實(shí)際工況要求，設(shè)定喂入量為1.4 kg/s、轉(zhuǎn)速為300 r/min、脫粒間隙為35 mm。參考相關(guān)文獻(xiàn)[22-23]，結(jié)合實(shí)際測(cè)量結(jié)果設(shè)定仿真參數(shù)，見(jiàn)表2。

1.凹板篩 2.葵盤(pán) 3.滾筒體 4.螺旋管

1.Concave sieve 2.Sunflower disc 3.Drum body 4.Spiral tube

注：1為入口間隙，mm；為脫粒間隙，mm；2為出口間隙，mm；為葵盤(pán)重心；F為凹板篩對(duì)葵盤(pán)的支持力，N；F為螺旋管對(duì)葵盤(pán)的作用力，N；f為凹板篩對(duì)葵盤(pán)的摩擦力，N；F為滾筒體對(duì)葵盤(pán)的作用力，N；為葵盤(pán)重力，N；為凹板篩支持力與水平線(xiàn)的夾角，(°)。

Note:1is the inlet clearance, mm;is the threshing clearance, mm;2is the outlet clearance, mm;is the center of gravity of the sunflower disc;Fis the support force of the concave sieve on the sunflower disc, N;Fis the force of the spiral tube on the sunflower disc, N;fis the friction force of the concave sieve on the sunflower disc, N;Fis the force of the drum body on the sunflower disc, N;is the gravity of sunflower disc, N.is the angle between the concave screen support force and the horizontal line, (°).

圖6 脫粒裝置對(duì)物料的擠壓原理

Fig.6 The principle of extrusion of material by threshing device

表2 仿真參數(shù)

利用Solidworks軟件建立脫粒裝置模型（圖7a）并導(dǎo)入EDEM 軟件，然后建立葵盤(pán)仿真模型（圖7b），設(shè)定葵盤(pán)直徑、厚度和帶莖稈長(zhǎng)度為202、53、30 mm。

將模型導(dǎo)入EDEM 軟件后，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，利用EDEM求解器提取物料在脫粒空間運(yùn)動(dòng)中的軸向力及軸向速度，見(jiàn)圖8。

圖7 仿真模型

圖8 脫粒過(guò)程仿真結(jié)果

由于物料在脫?？臻g邊脫粒邊沿軸向運(yùn)移，因此軸向速度和軸向力應(yīng)大于0，即：

由圖8b仿真結(jié)果可知，在脫粒滾筒高速旋轉(zhuǎn)下，葵盤(pán)初始進(jìn)入脫?？臻g時(shí)，脫粒元件對(duì)葵盤(pán)產(chǎn)生作用力，出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，導(dǎo)致葵盤(pán)在脫?？臻g喂入口位置出現(xiàn)不規(guī)則跳動(dòng)，因此葵盤(pán)初始進(jìn)入脫?？臻g一段時(shí)間內(nèi)軸向力及軸向速度出現(xiàn)負(fù)值，隨著時(shí)間的增大，葵盤(pán)軸向速度和軸向力均為正值，葵盤(pán)在脫?？臻g沿軸向運(yùn)移，說(shuō)明整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用石家莊金箭機(jī)械設(shè)備制造有限公司試驗(yàn)田種植的葵花3638，葵盤(pán)直徑為180～330 mm，厚度45～70 mm，含水率28%～36%，籽粒含水率13.5%～15%，籽粒長(zhǎng)度16～26 mm，單個(gè)葵盤(pán)質(zhì)量265～785 g，共采集600個(gè)葵盤(pán)，大約420 kg。試驗(yàn)于2021年10月10日至10月15日在河北石家莊金箭機(jī)械設(shè)備制造有限公司進(jìn)行。

3.2 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

軸流螺旋滾筒式食葵脫粒裝置試驗(yàn)臺(tái)（課題組自制，圖9），水分測(cè)定儀MB45（量程0～45 g，精度0.001）、三相異步電機(jī)（YE3-100L2-4），電子天平LP-C100001（量程0～10 000 g，精度0.1 g）、勝利VICTOR DM6234P+轉(zhuǎn)速表（轉(zhuǎn)速范圍2.5～99 999 r/min，精度：±0.5%）、HOLIP變頻器（HLP-A型），食品袋若干；掃把、簸箕、標(biāo)簽紙若干。

a. 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)a. Test siteb. 脫粒滾筒b. Threshing drum

3.3 試驗(yàn)方法

為探究脫粒裝置工作參數(shù)對(duì)脫粒效果的影響，尋找較優(yōu)工作參數(shù)組合，選取喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙為試驗(yàn)因素，未脫凈率和破損率為響應(yīng)指標(biāo)，進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為三因素三水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)[24]，共17組，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。試驗(yàn)參照GB/T 5982-2017《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》[25]開(kāi)展，在正交試驗(yàn)前先開(kāi)展單因素試驗(yàn)，確定各因素水平范圍，隨機(jī)將葵盤(pán)分為17組。物料輸送裝置皮帶上設(shè)有隔板，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)每組試驗(yàn)喂入的葵盤(pán)按質(zhì)量依次放至皮帶隔板內(nèi)，保證每組試驗(yàn)喂入量恒定，按試驗(yàn)要求調(diào)整好脫粒間隙，啟動(dòng)電源開(kāi)關(guān)先使脫粒裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)變頻器轉(zhuǎn)速按鈕調(diào)試滾筒轉(zhuǎn)速，后運(yùn)行物料輸送裝置將葵盤(pán)依次喂入，收集脫粒裝置脫出物并稱(chēng)量，按公式（13）～（14）計(jì)算未脫凈率和破損率。

未脫凈率為每份樣品中葵盤(pán)未脫下籽粒的質(zhì)量1(g)與該樣品籽?？傎|(zhì)量(g)的比值：

破損率為每份樣品中被機(jī)器損傷、表皮劃傷及有裂紋的籽粒2(g)與該樣品籽?？傎|(zhì)量(g)的比值：

3.4 單因素試驗(yàn)

為確定正交組合試驗(yàn)各因素水平合理的范圍，先對(duì)喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙進(jìn)行單因素試驗(yàn)，找出各因素對(duì)脫粒效果的影響規(guī)律。

3.4.1 喂入量對(duì)脫粒效果的影響

脫粒裝置連續(xù)工作情況下，喂入量大容易堵塞，喂入量小能耗較大。在滾筒轉(zhuǎn)速300 r/min，脫粒間隙35 mm的條件下，改變喂入量進(jìn)行單因素試驗(yàn)，具體結(jié)果見(jiàn)圖10。

從圖10中可以看出，隨著喂入量的增大，未脫凈率遞增，喂入量在1.4～1.6 kg/s之間未脫凈率變化較平緩，超過(guò)1.6 kg/s后遞增明顯。隨著喂入量增大，籽粒破損率先降低后升高，喂入量1.4 kg/s時(shí)破損率最低，為1.75%。

圖10 喂入量對(duì)脫粒性能的影響

3.4.2 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)脫粒效果的影響

在脫粒過(guò)程中，脫粒元件線(xiàn)速度的大小直接影響葵盤(pán)在脫粒空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，葵盤(pán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變將導(dǎo)致葵盤(pán)與脫粒元件之間的作用力變化，直接影響脫粒效果[26]，借鑒油葵脫粒裝置，初步確定滾筒轉(zhuǎn)速為：200 r/min≤≤400 r/min[27]。在喂入量為1.4 kg/s，脫粒間隙35 mm條件下，改變滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行單因素試驗(yàn)，具體結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)脫粒性能的影響

從圖11可知，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大，未脫凈率先降低后升高，滾筒轉(zhuǎn)速在300 r/min時(shí)最低，為 0.51%，超過(guò)300 r/min后遞增。隨著滾筒轉(zhuǎn)速增大，籽粒破損率先降低后平緩升高，在300 r/min時(shí)破損率最低，為1.71%。

3.4.3 脫粒間隙對(duì)脫粒效果的影響

食葵脫粒過(guò)程中，未脫粒的葵盤(pán)從滾筒與凹板篩的間隙經(jīng)過(guò)，脫粒間隙的大小對(duì)脫粒性能影響較大，在喂入量為1.4 kg/s，滾筒轉(zhuǎn)速在300 r/min的條件下，改變脫粒間隙進(jìn)行單因素試驗(yàn)，具體如圖12所示。從圖12可知，隨著脫粒間隙的增大，未脫凈率遞增，在35～40 mm之間未脫凈率變化較平緩，超過(guò)40 mm遞增明顯。隨著脫粒間隙增大，破損率先遞減后平緩，破損率在35 mm時(shí)達(dá)到最低，為1.74%。

圖12 脫粒間隙對(duì)脫粒性能的影響

3.5 正交試驗(yàn)

以喂入量1、滾筒轉(zhuǎn)速2、脫粒間隙3為試驗(yàn)因素，以未脫凈率1和破損率2為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)三因素三水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)[28]。前期單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，喂入量為1.2～1.6 kg/s，滾筒轉(zhuǎn)速為250～350 r/min，脫粒間隙30～40 mm范圍內(nèi)，未脫凈率和破損率較低，試驗(yàn)因素水平編碼如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素水平編碼表

3.6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.6.1 試驗(yàn)方案與結(jié)果

二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)方案及結(jié)果

3.6.2 回歸模型建立與方差分析

借助 Design-Expert軟件對(duì)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析及顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。通過(guò)回歸模型方差分析表明：未脫凈率、破損率的回歸方程模型<0.000 1，說(shuō)明2個(gè)回歸方程模型顯著，失擬項(xiàng)>0.05，無(wú)失擬因素存在，說(shuō)明預(yù)測(cè)模型合理。

分別建立喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙與未脫凈率1、破損率2之間的二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)回歸模型，剔除不顯著因素回歸方程為

喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙對(duì)未脫凈率1和破損率2的響應(yīng)曲面如圖13所示。

表5 食葵籽粒未脫凈率和破損率回歸模型方差分析

注：<0.01（極顯著），0.01≤0.05（顯著），≥0.05（不顯著）；X為x的水平值，=1,2,3。

Note:<0.01 (highly significant), 0.01≤<0.05 (significant),≥0.05 (not significant);Xis level value ofx,=1,2,3.

圖13 試驗(yàn)因素對(duì)食葵未脫凈率及破損率的響應(yīng)曲面

由圖13a可知，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速300 r/min時(shí)，未脫凈率隨著脫粒間隙的增大而遞增，隨著喂入量的增大而變化不夠明顯。

由圖13b可知，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速300 r/min時(shí)，破損率隨著脫粒間隙的增大呈平緩下降趨勢(shì)，隨著喂入量的增大，脫粒間隙物料厚度增大，導(dǎo)致脫粒元件與物料之間作用力增強(qiáng)，因此破損率呈現(xiàn)平緩的遞增趨勢(shì)。

由圖13c可知，當(dāng)脫粒間隙3=35 mm時(shí)，破損率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大，隨著喂入量的增大先減小后增大。

3.7 參數(shù)優(yōu)化

由于各因素交互作用對(duì)未脫凈率和破損率的影響不盡相同，以未脫凈率最低、破損率最低為優(yōu)化目標(biāo)，尋求最佳工作參數(shù)組合，目標(biāo)函數(shù)如公式（17）所示。

借助Design-Expert軟件得出較優(yōu)參數(shù)組合為：喂入量為1.36 kg/s，滾筒轉(zhuǎn)速為302.52 r/min，脫粒間隙為35.35 mm，圓整優(yōu)化結(jié)果，喂入量1.4 kg/s，滾筒轉(zhuǎn)速300 r/min，脫粒間隙35 mm，此時(shí)未脫凈率為0.55%，破損率1.76%，滿(mǎn)足向日葵機(jī)械化收獲標(biāo)準(zhǔn)，作業(yè)性能優(yōu)于現(xiàn)有向日葵脫粒機(jī)，見(jiàn)表6。

表6 作業(yè)性能對(duì)比

3.8 試驗(yàn)驗(yàn)證

為操作方便，將優(yōu)化參數(shù)圓整，以喂入量為1.4 kg/s，滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min，脫粒間隙為35 mm，在食葵脫粒試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，為消除隨機(jī)誤差，進(jìn)行5次試驗(yàn)取平均值，結(jié)果如表7所示。

表7 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，各評(píng)價(jià)指標(biāo)均值與模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差均小于5%，與優(yōu)化結(jié)果基本吻合，參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可靠。

4 結(jié) 論

1）針對(duì)食葵在脫粒過(guò)程籽粒表皮易劃傷，脫粒不干凈等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種軸流螺旋滾筒式食葵脫粒裝置。脫粒元件為直徑32 mm的螺旋管，凹板篩為柵格式，包角180°，通過(guò)對(duì)物料在脫粒空間運(yùn)移的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，確定螺旋管的螺旋升角為63°，螺距為2 800 mm。

2）以喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙為試驗(yàn)因素，以食葵盤(pán)未脫凈率、籽粒破損率為響應(yīng)指標(biāo)，開(kāi)展了正交試驗(yàn)，結(jié)果表明，在喂入量為1.4 kg/s、滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min、脫粒間隙為35 mm時(shí)，脫粒效果較理想，此時(shí)未脫凈率為0.55%，破損率1.76%，滿(mǎn)足向日葵機(jī)械化收獲標(biāo)準(zhǔn)。在該組合參數(shù)下進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果與模型預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差小于5%，證明預(yù)測(cè)模型具有實(shí)際意義。

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Design and experiments of the axial-flow spiral drum threshing device for the edible sunflower

Lian Guodang1, Wei Xinxin1, Ma Lina1,2, Zhou Guohui3, Zong Wangyuan1,2※

(1.,,430070,; 2.,,430070,; 3.,,052160,)

Sunflower is one of the four major oil crops in the world. There are oil and edible sunflower at present. Among them, there is a large planting area of edible sunflowers in China. The seeds of edible sunflowers are thin and delicate easy to thresh, and the skin is mostly black with white lines and short hairs. Particularly, the skin of seeds is easily scratched, as the full ripe stage stalks and back of sunflower disc turn yellow and leaves dry up. The traditional threshing elements are also easily scratched during threshing. The resulting flowery-skinned seeds can greatly reduce the economic value, where the sunflower discs are seriously broken and hard to clean. It is very necessary to balance the structure of the threshing element and the key operating parameters of the system for the better threshing performance of sunflowers. In this study, an axial, spiral, and cylindrical threshing devicewas designed for the low breaking and un-threshing rate of edible sunflowers during harvesting and threshing. A theoretical and experimental investigation was carried out, according to the current status of sunflower threshing. The sunflower threshing device was mainly composed of a threshing drum, top cover, power transmission system, frame, grain collection, concave screen, threshing gap adjustment mechanism, and material conveying component. The threshing element was a spiral tube with an external diameter of 32 mm, in order to reduce the scratching of grain skin during threshing. The concave screen used the grid with the wrap angle of 180° for the larger separation area. The kinematics and dynamics of material transport were then analyzed in the threshing space. The spiral lift angle was 63° for the spiral tube of the threshing element, where the pitch was 2 800 mm. Taking the sunflower 3638 as the object, the field test was performed on the self-developed sunflower threshing bench. A single-factor experiment was carried out to determine the influence of working parameters on the threshing performance. The results show that an optimal combination was achieved, with the range of feeding rate of 1.2-1.6 kg/s, drum speed of 250-350 r/min, and threshing clearance of 30-40 mm. There were generally low un-threshing rate and damage rates in this case. A multi-objective optimization test was conducted to evaluate the threshing performance under the optimal combination of the parameters in the threshing device. A secondary rotation orthogonal test was carried out, with the feeding rate, drum speed, and threshing clearance as the influencing factors, while the un-threshing rate and breaking rate as the response indices. Design-Expert software was then selected to establish the mathematical model between the response index and the influencing factors. The optimal combination of parameters was optimized using the response surface method. The optimized parameter set was determined as the feeding rate of 1.4 kg/s, and the drum speed of 300 r/min with a threshing clearance of 35 mm. At the same time, the un-threshing rate and the breaking rate were 0.55%, and 1.76%, respectively. A verification test was carried out on the test bench. After that, the un-threshing rate was 0.59%, and the breaking rate was 1.77%. Among them, the relative error was less than 5% in the predicted value of the model, indicating the suitability of the prediction model. This finding can provide a theoretical reference for the mechanized harvesting equipment of edible sunflowers.

agricultural mechinery; parameter optimization; edible sunflower; spiral drum; threshing device

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.005

S225.1

A

1002-6819(2022)-17-0042-10

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Lian Guodang, Wei Xinxin, Ma Lina, et al. Design and experiments of the axial-flow spiral drum threshing device for the edible sunflower[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(17): 42-51. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.005 http://www.tcsae.org

2022-05-03

2022-08-30

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0702104）

連國(guó)黨，博士生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械裝備設(shè)計(jì)與理論。Email：lgd929@126.com

宗望遠(yuǎn)，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)與測(cè)控。Email：zwy@ mail.hzau.edu.cn