谷子軸流脫粒與分離試驗(yàn)臺(tái)的研制

張東明，衣淑娟，陶桂香，毛 欣

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

現(xiàn)代人們不斷追求科學(xué)健康的飲食習(xí)慣，對(duì)小米的需求量迅速增加，谷子種植面積開始呈上升趨勢(shì)。目前，谷子生產(chǎn)水平落后于大宗作物，機(jī)械化水平較低，雖然北方、山西等地區(qū)使用脫粒機(jī)對(duì)谷子進(jìn)行收獲，但是現(xiàn)有的脫粒裝置大多由其他種類脫粒機(jī)改造而成，存在脫粒間隙、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒元件形式及凹板篩柵格尺寸參數(shù)對(duì)谷子果穗形態(tài)結(jié)構(gòu)、各部之間連接力和籽粒粒徑的不適應(yīng)問(wèn)題[1-4]。所以，要提高谷子等作物收獲水平，研制與其配套的農(nóng)機(jī)具，提高其生產(chǎn)機(jī)械化水平是必要的。

收獲過(guò)程中所用的脫粒裝置形式大體分為切流式脫分裝置和軸流式脫分裝置，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)選用前段脫粒、后段旋轉(zhuǎn)分離的軸流式脫分裝置[5-7]。脫粒裝置是收獲過(guò)程的核心部分，但由于作物性狀復(fù)雜，脫粒裝置的脫粒分離性能是不可能穩(wěn)定地適應(yīng)全程作業(yè)，所以具有較先進(jìn)的配置、更多的調(diào)整功能且方便調(diào)整的脫粒裝置才能有更好的適應(yīng)性，進(jìn)而降低含雜率、斷穗率、總損失率，還能降低滾筒工作功耗，節(jié)約能源[8-9]。谷子軸流脫分試驗(yàn)臺(tái)針對(duì)目前谷子收獲現(xiàn)狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，鑒于試驗(yàn)臺(tái)室內(nèi)試驗(yàn)相比于田間試驗(yàn)在參數(shù)調(diào)控及數(shù)據(jù)采集方面擁有顯著優(yōu)勢(shì)，研制了軸流脫粒與分離試驗(yàn)臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的試驗(yàn)研究，為傳統(tǒng)機(jī)型的改造和新機(jī)型的研制提供依據(jù)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)臺(tái)工作部分采用軸流式脫分裝置，在傳統(tǒng)脫分裝置功能基礎(chǔ)上，配有工作及環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)臺(tái)主要由傳送皮帶、喂入過(guò)橋、桿齒式軸流脫分滾筒、柵格凹板及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

將谷子作物均勻放置在傳送皮帶上，通過(guò)調(diào)速輸送帶秤及DA-25型差動(dòng)變壓器式直線位移傳感器采集喂入量信息后，作物經(jīng)過(guò)橋進(jìn)入脫分裝置，再利用YB-2型應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速、承受扭矩進(jìn)行采集；采集的數(shù)據(jù)通過(guò)MCGS組態(tài)軟件儲(chǔ)存數(shù)據(jù)并生成實(shí)時(shí)曲線和歷史數(shù)據(jù)曲線，軟件還可通過(guò)“OPC”“ODBC”“DDE”“ActiveX”等方式與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)，以便試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、處理。試驗(yàn)臺(tái)配有電氣控制柜，通過(guò)RS-485局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)下位SIMENSMDV45及SIMENSMDV4型變頻器的變頻參數(shù)采集、啟?？刂坪娃D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，利用其恒轉(zhuǎn)矩的特性實(shí)現(xiàn)平滑改變電機(jī)轉(zhuǎn)速；電磁離合器減少了頻繁啟動(dòng)、停止對(duì)電機(jī)的損害，制動(dòng)器可以使試驗(yàn)設(shè)備瞬時(shí)停車。

1.2 主要參數(shù)

整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)工作部分占地總長(zhǎng)20m、寬1.2m、高1.8m，主要技術(shù)參數(shù)值如表1所示。

1.傳送皮帶 2.重量傳感器 3.喂入過(guò)橋 4.桿齒式軸流滾筒 5.柵格凹板 6.接料車 7.速度、扭矩傳感器 8.電機(jī) 9.溫濕度傳感器 10.電氣控制柜 11.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖1 谷子軸流脫粒試驗(yàn)臺(tái)總體示意圖Fig.1 Millet threshing test stand overall diagram

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 The main technical parameters

2 關(guān)鍵參數(shù)確定

試驗(yàn)臺(tái)作業(yè)工作部件包括軸流脫粒與分離滾筒、柵格凹板、喂入過(guò)橋及輸送臺(tái)等。

2.1 軸流脫粒與分離滾筒

脫分裝置采用軸流式脫粒滾筒，呈開式，由于脫分裝置較長(zhǎng)，采用了梳刷作物能力強(qiáng)的桿齒作為脫粒元件，螺旋排列，谷物在滾筒的前部分在桿齒作用下進(jìn)行脫粒，緊接著在后面部分實(shí)現(xiàn)谷物籽粒與莖稈的分離。試驗(yàn)臺(tái)采用軸向自動(dòng)喂入，作物不易進(jìn)入滾筒凹板間隙，為此配置了專用的螺旋葉輪，把作物導(dǎo)入脫粒裝置，滾筒尾部設(shè)置了推出葉片，為防止廢物由推出葉片通過(guò)排出口排出裝置外時(shí)出現(xiàn)拋射、上揚(yáng)情況對(duì)試驗(yàn)過(guò)程造成不便，推出葉片設(shè)計(jì)了一定的下壓角度[10-14]。滾筒形式如圖2所示。

1.螺旋葉輪 2.彎頭桿齒 3.推出葉片圖2 桿齒式軸流滾筒Fig.2 Rod-type axial roller

脫分裝置工藝流程選用軸向喂入，由徑向排出，軸流滾筒由錐臺(tái)和直滾筒兩部分組成。工作時(shí)，首先是螺旋葉輪的輔助喂入，物料在與前端錐臺(tái)接觸時(shí)部分脫粒開始，但籽粒并沒有立刻與莖稈分離，待物料進(jìn)入到直滾筒后隨著繼續(xù)被脫下的籽粒、穎殼、斷穗等脫出物一起從凹板排出落入料車，長(zhǎng)莖稈由排出口排出機(jī)體外。谷物在桿齒前部分進(jìn)行脫粒作業(yè)，后面部分進(jìn)行籽粒與莖稈的分離作業(yè)。由于采用的軸流式脫粒滾筒軸向喂入過(guò)程中滾筒前后均有配套的喂入、推出元件，對(duì)生產(chǎn)和裝配工藝有較高的要求,在實(shí)現(xiàn)較大喂入量的同時(shí)可在裝置內(nèi)對(duì)作物進(jìn)行脫粒和螺旋分離。

2.1.1 桿齒數(shù)。

脫粒滾筒上的圓柱桿齒數(shù)Z按脫粒設(shè)備的生產(chǎn)率計(jì)算，圓筒釘齒按一定間距均勻分布并固定在外側(cè)的8根齒桿上，這些圓柱釘齒在齒桿上呈環(huán)形均勻分布。其計(jì)算公式為

其中，q為試驗(yàn)臺(tái)喂入量(kg/s)，q=2kg/s；β為喂入作物中籽粒所占比重，β=0.4；qb為每個(gè)釘齒的脫粒能力(kg/s)，此處qb=0.025kg/s。經(jīng)計(jì)算釘齒數(shù)Z≥80，為保證其平衡性能，釘齒數(shù)Z取88。

2.1.2 螺旋頭數(shù)

螺旋頭數(shù)K即螺旋線條數(shù)，螺旋頭數(shù)越多，谷子送進(jìn)速度也就越快，單位時(shí)間內(nèi)的喂入量越大，滾筒脫粒能力越強(qiáng)。齒板數(shù)M和螺旋頭數(shù)K的比值決定許多結(jié)果參數(shù)，一般為了保證產(chǎn)物質(zhì)量，取M/K≥2，此處取2。

2.1.3 桿齒形狀及排列方式

為防止纏草現(xiàn)象出現(xiàn)，影響脫粒質(zhì)量，采用彎頭桿齒，直徑為φ12的桿齒上端部向后彎曲，如圖3所示。脫粒齒在滾筒上為交錯(cuò)等距離均列式排列，在按照螺旋線均勻配置的齒組式排列，如圖4所示。

圖3 彎頭桿齒Fig.3 Elbow pole tooth

圖4中：1-1’，2-2’…，橫線為齒板數(shù)M，橫線之間間距為齒板間距s，s值為287.1mm；橫向?yàn)檩S流滾筒長(zhǎng)度L；縱向長(zhǎng)度πD是滾筒齒頂圓周長(zhǎng)2 009.6mm；斜線為滾筒圓柱面上螺旋線，各齒板與斜線交點(diǎn)即為釘齒分布位置，相鄰兩齒跡間隔為齒跡距a值為350mm。

圖4 桿齒排列圖Fig.4 Pole teeth arrangement

2.2 凹板

凹板是脫粒作業(yè)的主要部件，如圖5所示。首先，凹板在脫粒裝置中進(jìn)行作業(yè)時(shí)必須與脫粒滾筒有一定的配合關(guān)系，使得作物在柵格凹板與脫粒滾筒之間的間隙里充分的搓擦，使籽粒、莖稈分離；其次，凹板上的柵格小孔尺寸是根據(jù)谷子的特性設(shè)計(jì)的，其孔徑必須滿足脫粒過(guò)程可以使脫下來(lái)的籽粒通過(guò)柵格掉入下方的接料車?yán)?，同時(shí)要盡量保證阻隔長(zhǎng)莖稈等雜質(zhì)落入料車，影響產(chǎn)物的雜質(zhì)率[15-16]；最后，凹板表面比較平滑，能與多種類型的脫粒滾筒進(jìn)行配合，方便設(shè)備的調(diào)試。試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)更換凹板進(jìn)行柵格尺寸的調(diào)節(jié)，脫粒間隙的調(diào)節(jié)是通過(guò)對(duì)凹板的位置調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)構(gòu)通過(guò)螺旋結(jié)構(gòu)，調(diào)整凹板位置高度，同時(shí)起到固定凹板位置的作用。本柵格凹板長(zhǎng)度為1 950mm，包角為180°。

圖5 柵格凹板Fig.5 Grid concave plate

谷子作物的生產(chǎn)率與裝置中的柵格凹板直徑有一定的關(guān)系，柵格凹板直徑與作物產(chǎn)率成正比，但并不呈一次線性關(guān)系。凹板直徑D1為

D1=D+2δ

式中D1—凹板直徑(mm)；

D—滾筒齒頂圓直徑(mm)；

δ—脫粒間隙(mm)。

把D=640mm、δ=5mm代入得D1=650mm。

2.3 喂入過(guò)橋

喂入過(guò)橋在試驗(yàn)過(guò)程作為傳送皮帶與主軸動(dòng)力臺(tái)的中間傳遞設(shè)備，在整個(gè)作物運(yùn)送中起紐帶作用，如圖6所示。由于主軸動(dòng)力臺(tái)喂入口所在水平方向與傳送皮帶傳輸方向不在同一水平線上，所以在傳輸環(huán)節(jié)使用了喂入過(guò)橋進(jìn)行有效傳輸。

圖6 喂入過(guò)橋裝配Fig.6 Feeding bridge assembly

2.4 輸送臺(tái)

輸送臺(tái)總長(zhǎng)度約為15m，設(shè)計(jì)了30m長(zhǎng)的輸送平帶，在平帶靠近喂入過(guò)橋的部分裝有調(diào)速傳送帶秤，試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，先將谷子作物均勻地鋪在傳送皮帶上，在一定速度下，經(jīng)過(guò)稱重傳感器、速度傳感器進(jìn)入喂入過(guò)橋，采集有效喂入量數(shù)據(jù)。

2.4.1 調(diào)速傳送帶秤

調(diào)速傳送帶秤用于測(cè)試喂入量，主體由稱重傳感器、速度傳感器、稱量控制器及秤體組成。調(diào)速秤為3組單杠桿稱量托輥，側(cè)匯力式結(jié)構(gòu)，安置在輸送平帶靠近喂入口側(cè)，如圖7所示。選用拉伸式結(jié)構(gòu)的電阻應(yīng)變式稱重傳感器，測(cè)量范圍0～150kg，綜合準(zhǔn)確度優(yōu)于0.03%，靈敏度為2.0×10-3，重復(fù)性為0.015%F.S，非線性為0.02%F.S。

3 控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 電氣控制柜控制部分

控制柜控制電源及試驗(yàn)設(shè)備各個(gè)部分的參數(shù)，利用免測(cè)速矢量型SIMENSMDV45變頻器的恒轉(zhuǎn)矩特性平滑改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，包括輸送帶速度、喂入過(guò)橋傳送速度及脫分滾筒的轉(zhuǎn)速，通過(guò)調(diào)節(jié)各部速度參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)喂入量、喂入速度及主軸轉(zhuǎn)速等主要試驗(yàn)參數(shù)[17-18]。電氣控制柜實(shí)物圖如圖8所示。

圖7 傳送皮帶裝配Fig.7 Conveyor assembly

圖8 電氣控制柜實(shí)物圖Fig.8 Electrical control cabinet physical map

控制柜對(duì)各部分可以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)和停止，方便參數(shù)的調(diào)整，且每個(gè)部分都裝有電磁離合器。試驗(yàn)開始時(shí)，首先打開總電源，可提前設(shè)定好轉(zhuǎn)速信息，然后打開動(dòng)力臺(tái)電源，確認(rèn)電機(jī)開始工作后，按下離合器開關(guān)，離合器嚙合，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；再按照上述步驟依次打開過(guò)橋電源、過(guò)橋離合器和輸送臺(tái)電源、輸送臺(tái)離合器即可開始作業(yè)。

3.2 總體采集控制過(guò)程

通過(guò)定時(shí)/計(jì)數(shù)器板分別完成對(duì)于主軸轉(zhuǎn)矩、主軸轉(zhuǎn)速及光電編碼器的數(shù)據(jù)采集，A /D采集板通過(guò)接線端子板完成對(duì)于溫度傳感器、濕度傳感器及位移傳感器的數(shù)據(jù)采集。本設(shè)計(jì)采用的是ISA總線通信模式，通過(guò)工控機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器上顯示[19]。計(jì)算機(jī)控制圖如圖9所示。

圖9 計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Computer control structure diagram

3.3 數(shù)據(jù)采集及參數(shù)計(jì)算

3.3.1 脫粒滾筒線速度計(jì)算

經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)速頻率量換算，得出脫粒滾筒線速度，計(jì)算公式為

式中n1—脫粒滾筒轉(zhuǎn)速；

R—滾筒半徑(mm)，本系統(tǒng)中選R=320。

3.3.2 電機(jī)軸輸出功率

電機(jī)軸輸出功率可以通過(guò)轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩值和轉(zhuǎn)速信號(hào)值，再經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的計(jì)算后得出具體數(shù)值，計(jì)算公式為

式中M—轉(zhuǎn)矩；

Z—傳動(dòng)效率，本系統(tǒng)中Z=0.91。

3.3.3 喂入速度

喂入速度的計(jì)算公式為

式中n2—被動(dòng)輥轉(zhuǎn)速；

L1—被動(dòng)輥每轉(zhuǎn)1周輸送帶的位移(mm)，本系統(tǒng)取L1=1.004 595。

3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用MCGS組態(tài)軟件平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)工作參數(shù)實(shí)時(shí)曲線、工作參數(shù)儀表盤、工作參數(shù)組合歷史曲線、獨(dú)立參數(shù)歷史曲線及報(bào)警顯示功能，也能對(duì)影響試驗(yàn)臺(tái)工作穩(wěn)定性能的因素進(jìn)行分析。

采集系統(tǒng)主界面包括系統(tǒng)時(shí)鐘、工作參數(shù)和環(huán)境參數(shù)。其中，時(shí)鐘顯示日期時(shí)間，工作參數(shù)和環(huán)境參數(shù)提供實(shí)時(shí)的數(shù)字顯示，實(shí)時(shí)的主軸功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線等顯示在主界面右側(cè)的坐標(biāo)系中，如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面Fig.10 Data acquisition system interface

3.5 模擬采集試驗(yàn)

完成設(shè)備和系統(tǒng)調(diào)試，對(duì)設(shè)備進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)模擬試驗(yàn)，設(shè)備各部分運(yùn)轉(zhuǎn)正常，滾筒、過(guò)橋、皮帶轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平穩(wěn)，采集系統(tǒng)各模塊功能正常，各項(xiàng)工作、環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在系統(tǒng)界面上。其中，脫粒滾筒的功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速形成曲線反映在系統(tǒng)中，當(dāng)通過(guò)控制柜對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)，數(shù)據(jù)采集正確、完整，曲線變化正確。模擬試驗(yàn)表明：該試驗(yàn)臺(tái)具有在設(shè)備運(yùn)行中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、繪制曲線并形成報(bào)表的功能，可為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。

4 結(jié)論

1)研制了具有數(shù)據(jù)采集功能的桿齒式軸流脫粒分離試驗(yàn)臺(tái)，可對(duì)谷子進(jìn)行脫粒、分離作業(yè)。試驗(yàn)臺(tái)可調(diào)節(jié)的參數(shù)包括喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙等，亦可更換滾筒、凹板改變滾筒形式及柵格尺寸，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的試驗(yàn)研究。

2)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、各部傳感器、電子硬件設(shè)備，以及在MCGS組態(tài)軟件平臺(tái)上開發(fā)的數(shù)據(jù)采集與開關(guān)量控制軟件構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)，以報(bào)表形式顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并生成數(shù)據(jù)變化曲線。