張紫恒 陶桂香 衣淑娟 王幃 岳晴 李睿

摘要：針對谷子清選機械清選小籽粒效率困難、清選率低，現(xiàn)有的谷子清選裝置采用手動操作實現(xiàn)不同規(guī)格、不同作物的不同篩分速度、操作復(fù)雜，不易調(diào)整到理想的速度和長度等問題，設(shè)計一種谷子風篩式清選裝置及風量風速監(jiān)測系統(tǒng)。對清選裝置關(guān)鍵部件的參數(shù)進行設(shè)計計算，建立清選機三維模型。對風量風速監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)計，實現(xiàn)風篩式清選裝置的風量風速的遠程監(jiān)控，可以通過參數(shù)精確調(diào)整使風機的風速達到裝置清選的最優(yōu)效果。為獲得最佳的清選裝置性能參數(shù)，以曲柄轉(zhuǎn)速、風機轉(zhuǎn)速為試驗因素，以籽粒含雜率、清選損失率為評價指標，進行二因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗。確定最佳參數(shù)組合：當曲柄轉(zhuǎn)速為225r/min、風機轉(zhuǎn)速為915r/min時，籽粒含雜率為2.42%，清選損失率為2.77%。對優(yōu)化結(jié)果進行驗證試驗，驗證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞：谷子；風篩式清選裝置；監(jiān)測系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：S226.5

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 06-0119-09

收稿日期：2022年10月25日

修回日期：2022年12月21日

*基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（52275246）；黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202110223031）

第一作者：張紫恒，男，1999年生，哈爾濱人，碩士研究生；研究方向為農(nóng)業(yè)機械化收獲裝備。E-mail： 597409715@qq.com

通訊作者：陶桂香，女，1976年生，山東單縣人，博士，教授；研究方向為農(nóng)業(yè)機械化收獲裝備。E-mail： tgx1996@163.com

Design and experimental of a wind sieve type cleaning device for cereals

Zhang Ziheng¹， Tao Guixiang¹， Yi Shujuan¹， Wang Wei¹， Yue Qing¹， Li Rui²

（1. College of Engineering， Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， 163319， China；

2. College of Mechanical and Vehicle Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan， 030002， China）

Abstract： Aiming at the problems such as difficult efficiency and low cleaning rate of small grain cleaning， manual operation of the existing grain cleaning device to achieve different sizes， different crops of different screening speed， complicated operation， not easy to adjust to the ideal speed and length， a grain air sieve cleaning device and air volume and wind speed monitoring system were designed. The parameters of the key components of the cleaning device were designed and calculated， and the three-dimensional model of the cleaning machine was established. The air volume and wind speed monitoring system was designed to realize the remote monitoring of the air volume and wind speed of the air screen cleaning device， and the optimal effect of the wind speed of the fan could be achieved through the accurate adjustment of parameters. In order to obtain the best performance parameters of the cleaning device， with the cranking speed and fan speed as test factors， and grain impurity content and cleaning loss rate as evaluation indicators， a two-factor， five-level quadratic orthogonal rotational combination test was carried out to determine the best parameter combination. When the crank speed was 225 r/min and the fan speed was 915 r/min， the grain impurity content was just 2.42% and the cleaning loss rate was 2.77%. The verification experiment was carried out on the optimization results， and the verification results were basically consistent with the optimization results.

Keywords： millet； wind sieve type cleaning device； monitoring system； structural design

0 引言

谷子是中國特有的雜糧作物，在中國分布極其廣泛，種植區(qū)域遍及全國。近年來，谷子種植面積不斷增加，谷子產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)了良好的發(fā)展勢頭，但谷子機械化收獲程度較低，一直是制約谷子生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸。清選是谷子收獲的重要環(huán)節(jié)，清選系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運動參數(shù)及谷子初脫后的物料特性均對清選損失率、含雜率有重要影響，已有文獻對谷子的機械物理性能和空氣動力學(xué)特性進行了研究^[1-3]。其中谷子清選是小籽粒清選的難題之一，谷子籽粒的清選因其直徑小、籽粒含雜率及損失率偏高、凈度低、清選困難等問題一直困擾著谷子收獲行業(yè)。

近年來，科研人員針對聯(lián)合收獲機清選裝置開展了大量研究^[4]。這些研究主要包括清選裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化^[5]、清選機理分析^[6]及清選裝置工作參數(shù)優(yōu)化^[7]等方面。目前，在歐洲和美國的發(fā)達國家，對谷物等小規(guī)模谷物處理設(shè)施的研究早就開始了，比如阿里斯·查莫斯在傳統(tǒng)清選裝置上采取高速強制喂入清選混合物的手段并加大了清選裝置的風量^[8]，F(xiàn)arran等^[9]研究了空氣速度、進料率以及進料方向?qū)任锴暹x的影響。然而，由于小谷物的種植面積低于人口對谷物、風扇和篩的需求，發(fā)展速度放慢了，缺少對谷子清選更多相關(guān)的報道。國內(nèi)關(guān)于谷子清選裝置的研究極少，但也有寥寥研究成果，如李心平^[10]、孟亞娟^[11]等發(fā)明并驗證了一種新的谷子清選裝置，設(shè)計開發(fā)了一種通過人為調(diào)節(jié)其主動輥轉(zhuǎn)速以及壓緊位置先分離谷碼后清選的新型谷子清選裝置（輥搓風機圓筒篩式谷子清選裝置），調(diào)節(jié)對谷碼的擠壓力達到最佳分離谷碼效果，但該清選裝置清選過程中需要人為操作跟進，對操作者要求高，沒有監(jiān)測系統(tǒng)不能夠精確把控清選效果，不能夠達到全自動清選的效果。在同為小籽粒的清選機器研究中，馬宗雨等^[12]設(shè)計優(yōu)化了一種羊草種子脫出物料風篩清選裝置，在谷子清選機的基礎(chǔ)上，根據(jù)羊草種子的特性對整臺機器的參數(shù)重新設(shè)計優(yōu)化，但優(yōu)化后的裝置不再適合谷子清選；張學(xué)軍等^[13]設(shè)計優(yōu)化了一種油葵聯(lián)合收獲機清選裝置脫出物料風篩清選裝置，在谷子清選機的基礎(chǔ)上根據(jù)油葵脫出物物料特性對整臺機器的參數(shù)重新設(shè)計優(yōu)化，優(yōu)化后的裝置也不再適合谷子清選。

針對以上問題，本研究設(shè)計一種谷子風篩式清選裝置及風量風速監(jiān)測系統(tǒng)，通過風機與振動篩的配合分離籽粒與雜余，通過二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，確定組合谷子清選裝置最優(yōu)參數(shù)組合，解決清選谷子效率低的問題。風量風速系統(tǒng)可以實時監(jiān)測記錄風機的風量風速，便于在清選過程中進行調(diào)整以及記錄數(shù)據(jù)，為谷子清選裝置的優(yōu)化及改進設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 清選裝置的構(gòu)成

谷子風篩式清選裝置主要包括橫流風機、抖動版、上分風板、下分風板、籽粒絞龍、振動上篩、振動下篩、雜余絞龍、復(fù)脫絞龍以及傳動結(jié)構(gòu)。振動篩傳動結(jié)構(gòu)主要依靠振動篩鏈輪與鏈條外嚙合實現(xiàn)運動，鏈條另一端是與電機相連的同心輪，通過電機傳動提供動力，與鏈輪相連的另一端是偏心裝置，在鏈傳動以及偏心輪共同作用下實現(xiàn)振動篩的往復(fù)運動，且振動篩電機通過變頻器控制可實現(xiàn)振動篩的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中風機部分使用橫流風機，將分風板安置在出風口處，將風流一分為三，構(gòu)成了三個風道。振動篩是雙層篩結(jié)構(gòu)形式，上下篩均為編織篩。橫流風機與振動篩在工作過程中共同搭配運作，橫流風機上出風口的氣流在振動篩前端導(dǎo)風板的作用下被吹到振動篩抖動版和篩網(wǎng)之間，中、下出風口的氣流分別被吹到振動篩的中部和尾部^[14]。

1.2 清選裝置工作原理

橫流風機與振動篩彼此配合，風機上出風口較大的風力在篩面入口處將物料吹散，將其中的輕雜余吹向后方或機外。而中出風口的氣流吹向篩子中部，編織篩能夠確保中部篩面上方保留穩(wěn)定氣流。下出風口的氣流吹向清選裝置尾部的雜余絞龍，該部分風速會有一定程度的突然增大并最終在出口處衰減到較低的風速。

脫下物料先落入振動篩抖動板與編織篩面之間，從脫出物物料分布特征來看，絕大部分物料落入抖動板，更小部分直接落入篩面。抖動板使物料勻速鋪平，同時把物料往后推，物料下落至上篩面前，通過風機上風道的氣流作用，漂浮性能強的雜余被吹散，起到預(yù)清選的作用。其余的物料下落到振動上篩篩面上，靠振動的篩片不斷向后推送并分散分層。這部分物料在振動篩的中后段會受到橫流風機中下兩個出風口氣流的作用，一方面物料會進一步分層以提高清選效率。直接從脫粒裝置落在篩面上的脫出物也經(jīng)歷同樣過程。物料落在上篩篩面之后，顆粒落入篩片間隙內(nèi)并通過編織篩掉入籽粒水平絞龍內(nèi)，籽粒水平絞龍與籽粒豎直絞龍的配合將直接把籽粒送入糧箱。少部分未吹離機外之雜余及連帶籽粒之莖稈落于雜余水平絞龍內(nèi)，雜余水平絞龍及雜余豎直絞龍輸送此部分材料返回清選裝置二次脫粒清選以降低籽粒含雜率。

2 關(guān)鍵部件

2.1 篩網(wǎng)設(shè)計

谷子清選試驗臺工作時，谷子第一次清選時物料處在進料口的位置上，在摩擦力以及重力的作用下，均勻滑落到篩網(wǎng)裝置中，首先被壓緊輥搓的作用搓擦，搓擦力和擠壓力以及其本身重力使剩余谷碼分離成籽粒與穎殼兩個部分；將輥搓過的料分層次均勻地拋揚到篩面上；上層篩面呈12mm×12mm；下層篩面呈6mm×6mm，谷子輥搓過料經(jīng)過不斷地轉(zhuǎn)動拋揚而分離；根據(jù)谷子的空氣動力學(xué)特性，因為谷子籽粒和其他雜余相比質(zhì)量不同，所以可以進行清選，振動上篩結(jié)構(gòu)如圖2所示，振動下篩如圖3所示。

該系統(tǒng)采用皮托管風速傳感器測量風機的相關(guān)數(shù)據(jù)^[15]。采用試驗辦法直接測量氣流速度不容易獲得確切數(shù)字，而氣流中的壓力可用測壓計測得，先用于測量飛機速度，但也兼有其他許多功用。因此，壓力可通過皮托管測得，再用伯努利定理公式推算氣流速度。內(nèi)套管內(nèi)裝有一個與外管同軸安裝在一起的測流裝置，其內(nèi)部裝一根空心直管，管中設(shè)有壓力傳感器，通過導(dǎo)線接到計算機上。皮托管是圓頭雙層套管，外套管的口徑為18mm^[16]，圓頭中心有與內(nèi)套管及測壓計相連的總壓孔，其孔徑為6～12mm。外套管一側(cè)在距圓頭中心約100mm的位置上沿周向均勻地開設(shè)靜壓孔，靜壓孔與測壓計相連通，將皮托管放置在待測氣流中，使管軸與氣流的走向一致，管子前端正對氣流。流在圓頭中心附近時，速度逐漸降低，流到圓頭中心時滯止等于零。因此，在圓頭中心測得總壓p_φ。因為管子較細，C點完全遠離圓頭中心，所以C點的速度與壓力已基本回到氣流速度V等于壓力的值，所以C點所測靜壓p_∞較大。根據(jù)伯努利定理得到流速的計算如式（1）所示。

V_∞=2（p_φ－p_∞）ρ（1）

式中： p_φ——測得的總壓，Pa；

p_∞——測得的靜壓，Pa。

壓力監(jiān)測裝置所測總壓與靜壓之差p_φ-p_∞以及流體之密度ρ均可根據(jù)式（1）求得氣流流速。可以通過風速V算出風量L的大小，計算如式（2）所示。

L=F×V×60（2）

式中： F——風口的橫截面積，m²。

在試驗中需要對氣體的靜壓、動壓、全壓等進行測量。用標準管代替標準件進行測試是最經(jīng)濟可行的方法。測量氣體的全壓，孔口應(yīng)與風道中氣流的流向相反，測靜壓的孔口應(yīng)豎直。

因此必須采用合適的測試設(shè)備及正確的測試方法。在測量全壓和靜壓的過程中，另一頭要和大氣連通。因為全壓是動壓和靜壓之和，所以可只測其中2個數(shù)值，而另外1個數(shù)值可由公式求得。測量風壓采用的是法蘭式探頭，其特征在于：兩相似金屬管平行排列，所測的兩開口方向相背，在測定中，朝向氣流開口測得的數(shù)值為全壓，而背向氣流開口則等于靜壓。由于測量有誤差，所以法蘭式皮托管需要經(jīng)過修正后才能投入使用，法蘭式皮托管動壓修正系數(shù)通常介于0.82～0.85之間。

2.2 傳動結(jié)構(gòu)

篩分過程：在清選試驗臺運行的過程中，谷子的大量顆粒大小和形狀存在差異，粗、細料經(jīng)混合破碎后由篩面入篩，僅有部分籽粒接觸篩面，與篩面相接觸的其他顆粒，并不都比篩孔小，但比篩孔小的顆粒占很大比例，分散于篩層各處^[17]，上下有兩個軸體，各軸具有偏心重量并反向轉(zhuǎn)動。這種特殊結(jié)構(gòu)可以用來篩分不同顆粒大小和形狀的物料。目前在國外已有許多廠家生產(chǎn)這類機器。這種設(shè)備可分為單軸及多軸兩種型式。雙軸振動篩是由齒輪嚙合保證同步的，傳動結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 橫流風機

橫流風機亦稱貫流風機，其葉輪呈現(xiàn)為多葉式，長圓形并帶有前部多翼形的葉片。參數(shù)如表1所示。其優(yōu)點如下：阻力小，噪聲低；風量大，揚程高；效率高；重量輕，體積小。葉輪在轉(zhuǎn)動過程中氣流由葉輪開放部流入葉片欄、通過葉輪的內(nèi)部，從反側(cè)的葉片欄排出到蝸殼，形成工作氣流^[18]。

3 系統(tǒng)的功能設(shè)計與參數(shù)監(jiān)測

3.1 風機監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計

參數(shù)監(jiān)測首先是對風機各種參數(shù)進行檢測。利用各種傳感技術(shù)對風機進行狀態(tài)監(jiān)測是非常必要的。在風機運行中，通過檢測風速風量判斷其工作狀況，進而達到實時調(diào)控的目的。風機振動速度，流量及負壓通過傳感器監(jiān)測獲得，傳感器參數(shù)信息持續(xù)傳遞給上位機。系統(tǒng)的主要功能有：（1）完成風機系統(tǒng)運轉(zhuǎn)參數(shù)的實時監(jiān)測上傳^[19]。（2）對風機氣動參數(shù)：負壓，流量，全（靜）壓，全（靜）壓效率，溫度等進行實時監(jiān)控。（3）所有監(jiān)測參數(shù)均通過通信線路傳輸?shù)奖O(jiān)測上位機^[20]。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

風機監(jiān)控系統(tǒng)為集中管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由上位機軟件，下位機硬件組成，實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測與控制。介紹了該監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理及軟硬件設(shè)計方法。通過性能試驗表明：系統(tǒng)穩(wěn)定、監(jiān)測準確、操作簡便。實現(xiàn)了對風機各變量參數(shù)，風機各氣動參數(shù)：負壓，流量，完全（靜態(tài)）壓力，全（靜）壓和溫度等進行測量^[21]。

3.3 風機監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)指標

環(huán)境溫度：0～50℃；工作電壓：220V；風機監(jiān)測精度：壓力0.5級、流量2.5級、其他1.5級監(jiān)測。參數(shù)范圍：按具體情況確定。

3.4 風速、風量、風壓的監(jiān)測和計算

風機的氣體流量是分析風機運行狀態(tài)的最主要參數(shù)之一，是繪制橫流風機三種特性曲線的前提，所以對橫流風機的氣體流量進行實時監(jiān)測是非常必要的，在風機監(jiān)測系統(tǒng)中，氣體流量的監(jiān)測是根據(jù)氣體流經(jīng)微壓力傳感器時所構(gòu)成的壓力計算取得。皮托管原理如圖5所示。

4 風機監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)組成和特點

該系統(tǒng)由信號測取裝置與傳感（變送）器，上位機等裝置組成。圖6為風機監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成。

風量風速監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分主要特點：（1）采用先進計算機技術(shù)、智能化程度高、功能完善：用圖形界面展示工風機運行情況、圖片豐富真實、直觀形象。（2）流量監(jiān)測措施具有穩(wěn)定性、實用性、新穎性、準確性、可靠性等特點。（3）選用可靠性高、精度要求高的傳感（變送）器。（4）軟件設(shè)計安全性高。（5）操作簡單、維護方便^[22]。

4.2 風機參數(shù)監(jiān)測硬件

該系統(tǒng)以PLC傳感器配以各種外圍設(shè)備組成，在組態(tài)王軟件的控制下，完成數(shù)據(jù)的采集、分析等任務(wù)，以圖表等多種樣式顯示在顯示屏上，并傳輸?shù)街付ǖ攸c^[22]，如圖7所示。

4.3 風機監(jiān)測點布置

本裝置是由10個法蘭式探頭由皮托管連接至傳感器，再由傳感器將數(shù)據(jù)上傳至上位機從而達到監(jiān)測顯示數(shù)據(jù)目的。監(jiān)測點位置如圖8所示。

5 風機監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

風機監(jiān)測系統(tǒng)使用的是組態(tài)王（KingView）軟件，應(yīng)用組態(tài)王構(gòu)建風機監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)外圍硬件，進行風速、風量、風壓等指標數(shù)據(jù)的收集、分析與統(tǒng)計，完成風機工作過程監(jiān)測，將風機清選流程實現(xiàn)圖形化操作。實時顯示流量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)友好的人機交互界面設(shè)計。

風機監(jiān)測系統(tǒng)通過法蘭式探頭及傳感器采集風速、風壓、風量等參數(shù)指標數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時查詢與監(jiān)控。系統(tǒng)通過RS485、RJ45通信方式把監(jiān)測站、上位機、其他測控裝置連接，把現(xiàn)場控制和遠程控制連接起來，實現(xiàn)現(xiàn)場－遠程雙控。系統(tǒng)應(yīng)用組態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布控件進行Web發(fā)布，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的子菜單有趨勢曲線、棒圖和數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)以三種不同形式表達數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，管理者可以直觀地進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，輕松獲得統(tǒng)計和分析結(jié)果，風機監(jiān)測系統(tǒng)通過對風的參數(shù)進行分析完成風量、風壓、風速等指標的實時數(shù)據(jù)的在線和追溯性查詢、分析、統(tǒng)計操作。事件日志的子菜單有日志、月日志、年日志，方便查尋和統(tǒng)計不同時間段的數(shù)據(jù)。

6 風量風速監(jiān)測系統(tǒng)性能試驗

6.1 試驗材料與儀器設(shè)備

將所設(shè)計的風量風速監(jiān)測系統(tǒng)進行測試對比試驗，試驗在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)收獲實驗室谷子清選試驗臺上進行，將風量風速監(jiān)測系統(tǒng)安裝在谷子清選試驗臺上，同時準備一臺手持風速測量儀GM8908，用兩臺測量設(shè)備同時在同一部位對風速進行測量，對比二者數(shù)據(jù)進行比較監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是否準確。試驗設(shè)備如圖9所示。

6.2 評價指標

本試驗以橫流風機風速作為評價指標進行試驗研究。采用風量風速監(jiān)測系統(tǒng)以及手持風速測量儀GM8908測量數(shù)據(jù)。

6.3 對比試驗

為驗證風量風速監(jiān)測系統(tǒng)測量精確，同時準備一臺手持風速測量儀GM8908，用兩臺測量設(shè)備同時在同一部位對風量進行測量，在風機風量為10m³/h、50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h、400m³/h、500m³/h、600m³/h時，進行對比測量試驗。結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，風速設(shè)置較小時，風量風速監(jiān)測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)精度不同于手持風速測量儀GM8908，而在風機風量達500m³/h時，風量風速監(jiān)測系統(tǒng)測量值與GM8908相比無明顯差異。表明風量風速監(jiān)測系統(tǒng)是一個可以精確完成風篩式谷子清選裝置數(shù)據(jù)監(jiān)測任務(wù)的儀器設(shè)備。

7 谷子風篩式清選裝置性能試驗

7.1 試驗方法

通過樣機對設(shè)計的谷子風篩式分選裝置進行臺架性能試驗，選用龍谷27號谷穗作為試驗對象，在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)收獲實驗室谷子風篩式清選試驗臺進行了試驗。 裝置主要由振動篩、橫流風機、復(fù)脫絞龍、風量風速監(jiān)測系統(tǒng)等組成。設(shè)計試驗臺控制風機轉(zhuǎn)速在700～1100r/min作為試驗區(qū)間。在試驗中測量風機轉(zhuǎn)速以及曲柄轉(zhuǎn)速，盡量使喂入量均等；收集試驗區(qū)內(nèi)籽粒及未脫凈的谷碼；計算籽粒含雜率和清選損失率。

7.2 試驗依據(jù)

參照TNJ 1213—2020 《谷子聯(lián)合收獲機團體標準》^[24]，將籽粒含雜率、清選損失率作為試驗的評價指標。

籽粒含雜率

y₁=v₁V₀×100%（3）

清選損失率

y₂=v₂－（V₀－v₁）v₂×100%（4）

式中： v₁——清選作業(yè)完成后籽粒輸出絞龍內(nèi)所含雜余質(zhì)量，kg；

V₀——清選作業(yè)完成后籽粒輸出絞龍內(nèi)所接樣品總質(zhì)量，kg；

v₂——臺架作業(yè)開始喂料斗喂入籽?？傎|(zhì)量，kg。

7.3 多因素試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

將風機轉(zhuǎn)速和曲柄轉(zhuǎn)速作為正交試驗的影響因素，取籽粒含雜率，清選損失率作為考察指標。正交試驗的因素水平如表2所示，根據(jù)正交表Ｌ^１3（2⁵）進行試驗，如表3所示。A、B分別表示曲柄轉(zhuǎn)速、風機轉(zhuǎn)速的編碼值。

8 試驗結(jié)果分析

8.1 各因素對籽粒含雜率的影響分析

1） 方差分析。通過數(shù)據(jù)處理軟件Design-Expert 11對試驗結(jié)果分析，結(jié)果如表4所示。

2） 回歸方程。模型的P＜0.05，說明籽粒含雜率的回歸模型是顯著的，然而失擬項P>0.05，檢驗結(jié)果不顯著，說明方程的擬合情況相對較好，回歸方程具有意義。A、B、AB、A²對方程的影響顯著，其他各項影響不顯著，去掉不顯著因素（P＞0.05）項得到的籽粒含雜率因素編碼回歸方程

Y_m=2.84－0.4A－0.46B+0.6AB+0.71A²

式中： Y_m——籽粒含雜率。

對因素編碼值進行計算得到籽粒含雜率的回歸方程

Y_m=47.4－0.26a－0.03b+0.000 107ab+

0.000 352a²

式中： a——曲柄轉(zhuǎn)速；

b——風機轉(zhuǎn)速。

3） 各因素交互作用對籽粒含雜率的影響。曲柄轉(zhuǎn)速和風機轉(zhuǎn)速交互作用對籽粒含雜率的影響規(guī)律如圖11所示。

由圖11可以看出，在風機轉(zhuǎn)速的各個水平中，伴著曲柄轉(zhuǎn)速的上升，其含雜率曲線稍顯降低，到達0水平（250r/min）左右時達到最低值，超過250r/min后又明顯上升；在曲柄轉(zhuǎn)速不變時，伴著風機轉(zhuǎn)速的逐步提高，含雜率也在不斷降低。曲柄轉(zhuǎn)速為250r/min左右，風機轉(zhuǎn)速在1水平（300r/min）及以上時，含雜率比較低。當曲柄轉(zhuǎn)速和風機轉(zhuǎn)速相互作用時，影響含雜率的主要因素為曲柄轉(zhuǎn)速。

通常，可以使用貢獻率法評價不同因子對各指標Y主要影響關(guān)系，根據(jù)二次回歸式求出回歸系數(shù)的方差比F（j）、F（ij）、F（jj），令

δ=0F<1

1－1FF>1（5）

第j個要因?qū)的貢獻率的計算如式（5）所示。

Δ_j=δ_j+12∑mi=1，i≠jδ_ij+δ_jj（6）

其中δ_j和δ_jj分別表達了第j項因素對一次項與二次項的貢獻，δ_ij表示在交互項中的貢獻，這是表示第j因素和其他因素兩兩影響的結(jié)果。因此，其貢獻應(yīng)該單獨加諸各要素中，可以采用平分。對比各因子貢獻率大小，就可以清楚各因素對指標影響的大小^[25]。

F（1）=12.80；δ₁=0.921 9

F（2）=17.17；δ₂=0.941 8

F（11）=35.16；δ₁₁=0.971 6

F（12）=14.37；δ₁₂=0.930 4

F（22）=0.008 2；δ₂₂=0

由式（6）可得，貢獻率Δ₁=2.358 7，Δ₂=1.427 6，試驗因素A、B對籽粒含雜率作用的順序為：Δ₁>Δ₂，即曲柄轉(zhuǎn)速>風機轉(zhuǎn)速。

8.2 各因素對清選損失率的影響分析

1） 方差分析。根據(jù)曲柄轉(zhuǎn)速、風機轉(zhuǎn)速兩個因素對清選損失率進行方差分析，方差分析結(jié)果如表5所示。

2） 回歸方程。根據(jù)回歸方程計算方法并剔除不顯著項，可得到清選損失率的因素編碼回歸方程

Y_n=1.61+0.3A+0.79B+0.32AB+0.21A²+0.64B²

式中： Y_n——清選損失率。

對因素編碼值進行計算得到清選損失率的回歸方程

Y_n=37.61－0.09a－0.07b+0.000 06ab+0.000 1a²+0.000 04b²

3） 各因素交互作用對清選損失率的影響。曲柄轉(zhuǎn)速和風機轉(zhuǎn)速交互作用對清選損失率的影響規(guī)律如圖12所示。

由圖12可知，當風機轉(zhuǎn)速在低水平時，隨曲柄轉(zhuǎn)速升高，損失率減小直至平坦，當風機轉(zhuǎn)速高達一定程度后，隨曲柄轉(zhuǎn)速升高，損失率增加；在曲柄轉(zhuǎn)速和風機轉(zhuǎn)速的交互作用下，其中曲柄轉(zhuǎn)速對損失率影響最大。當曲柄轉(zhuǎn)速在低水平時，隨風機轉(zhuǎn)速提高而提高，損失率呈先降后升的趨勢，當曲柄轉(zhuǎn)速到達很高的時候，隨風機轉(zhuǎn)速提高而提高，損失率先是比較平坦，然后又逐漸增大。當曲柄轉(zhuǎn)速和風機轉(zhuǎn)速相互作用時，風機轉(zhuǎn)速對損失率影響最大。

4） 各因素對清選損失率影響的關(guān)系分析。同樣采用貢獻率的方法，根據(jù)式（6）得到不同回歸系數(shù)檢驗方差比和貢獻

F（1）=16.48；δ₁=0.939 3

F（2）=113.27；δ₂=0.991 2

F（11）=6.99；δ₁₁=0.856 9

F（12）=9.48；δ₁₂=0.894 5

F（22）=64.45；δ₂₂=0.984 5

由式（6）可得，貢獻率為：Δ₁=2.243 5，Δ₂=2.404 2，可得試驗因素A、B對清選損失率作用的順序為：Δ₂>Δ₁，即風機轉(zhuǎn)速>曲柄轉(zhuǎn)速。

8.3 參數(shù)優(yōu)化

通過對谷子風篩式清選裝置的多因素試驗研究，得到了各試驗因素對不同試驗指標的影響規(guī)律以及兩種因素對不同性能指標的相互作用效應(yīng)，分別對籽粒含雜率和清選損失率建立了回歸方程。采用Design-Expert 11軟件分析籽粒含雜率和清選損失率的優(yōu)化問題，將優(yōu)化條件設(shè)置為含雜率與清選損失率達到最小值^[26]，建立一個非線性的數(shù)學(xué)模型，在此模型中約束

350 r/min≥A≥150 r/min

1 100 r/min≥B≥700 r/min

根據(jù)表6綜合優(yōu)化組合參數(shù)可得谷子風篩式清選裝置最佳性能參數(shù)組合為：曲柄轉(zhuǎn)速225 r/min、風機轉(zhuǎn)速915 r/min。

8.4 驗證試驗

對最佳參數(shù)組合進行試驗驗證，綜合考慮實際作業(yè)情況后將曲柄轉(zhuǎn)速設(shè)定為225r/min，風機轉(zhuǎn)速設(shè)定為915r/min。進行三組試驗取平均值，試驗結(jié)果如表7所示。由表7可以看出，各性能指標的試驗結(jié)果分別為2.42%、2.77%，依據(jù)農(nóng)業(yè)機械收獲行業(yè)標準^[27]各項性能指標滿足收獲要求。

9 結(jié)論

1） 開發(fā)一款谷子風篩式清選試驗臺，包括谷子清選以及數(shù)據(jù)收集功能?？稍谠囼灥攸c調(diào)整的參數(shù)包括風速和曲柄轉(zhuǎn)速，可根據(jù)收集的數(shù)據(jù)進行實時調(diào)整橫流風機的轉(zhuǎn)速。這有助于有效減少清選作業(yè)的負擔，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2） 分別對風機監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、PLC采集數(shù)據(jù)過程進行設(shè)計，實現(xiàn)谷子清選過程的風機參數(shù)顯示和遠程監(jiān)控，可以及時排除故障，快速精確調(diào)節(jié)工作最優(yōu)參數(shù)。

3） 通過對比試驗驗證該風量風速監(jiān)測系統(tǒng)滿足測量需求并達到測量精度標準，通過多因素試驗結(jié)果分析可知，在清選過程中影響谷子籽粒含雜率主要為風機轉(zhuǎn)速，影響谷子清選損失率主要為曲柄轉(zhuǎn)速。曲柄轉(zhuǎn)速為225r/min，風機轉(zhuǎn)速為915r/min，是谷子清選最優(yōu)參數(shù)結(jié)果，該條件下籽粒含雜率2.42%和清選損失率2.77%。實際結(jié)果和優(yōu)化值相差不大，優(yōu)化值精度可靠。

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