大豆收獲機縱軸流柔性脫粒裝置脫出物分布規(guī)律

陳艷普 康 艷 王廷恩 寧新杰 金誠謙,2* 印 祥

(1.山東理工大學 農業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255000； 2.農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所，南京 210014)

大豆收獲機收獲大豆時，作物通過脫粒滾筒脫粒，脫出混合物(籽粒、細小雜余、莖稈)經過凹板篩分離到清選篩上。針對軸向和徑向脫出物分布規(guī)律的研究，對確定清選篩結構和尺寸，從而改善籽粒和雜余在篩面上分布狀況，減小清選系統負擔及提高清選性能具有重要意義[1-4]。因此對于脫粒裝置脫出物分布研究尤為重要。

目前針對不同脫粒裝置脫出物分布規(guī)律的研究較多：P.L.Miu[5]對桿齒式軸流脫粒裝置脫粒分離過程進行研究，推導出籽粒和雜質的分離率理論，以及隨滾筒長度變化的分離模型，并通過試驗進行了驗證；V.M.Hunynh等[6]利用傳統脫粒裝置建立了脫粒分離模型，并對脫粒裝置徑向分布規(guī)律進行研究，得出了徑向分布回歸方程；邵維民等[7]對小型板齒式軸流脫粒分離裝置進行軸向脫出物分布研究，闡明了軸向脫出物分布與滾筒長度的關系；李保國[8]對安裝有軸流式組合脫粒滾筒的脫粒裝置進行了脫出物分布規(guī)律的研究，主要針對籽粒在軸向分布規(guī)律進行探討，并通過擬合曲線的方式得到了籽粒在軸向的脫出物分布模型，但是模型過于簡單；李渤海等[9]、衣淑娟等[10-13]和陶桂香等[14]利用水稻脫粒試驗，對螺旋葉片板齒組合式和釘齒式軸流2種不同的脫粒分離裝置進行了脫出物分布規(guī)律研究，對試驗數據擬合分布曲線發(fā)現，2種脫粒裝置的脫出物分布規(guī)律曲線沿軸向呈 Peal-Reed 模型；郭炎等[15]利用水稻試驗對縱軸流脫分裝置的脫出物進行徑向分布規(guī)律研究，發(fā)現脫粒元件采用釘齒時脫出物徑向分布較為均勻。目前未見針對縱軸流柔性脫粒分離裝置的脫出物分布規(guī)律的研究。

本研究擬以縱軸流柔性脫粒裝置為試驗對象，以滾筒轉速、喂入量、脫粒間隙、導流板角度為試驗因素，進行單因素試驗，對比不同因素變化下脫出物在軸向和徑向的分布規(guī)律的變化；獲取縱軸流柔性脫粒裝置的脫出物分布規(guī)律，以期為研制清選裝置提供參考。

1 縱軸流柔性脫粒裝置結構及工作原理

1.1 脫粒裝置的結構

縱軸流柔性脫粒裝置整體結構見圖1。主要由柔性脫粒滾筒、頂蓋、導流板、機架、間隙可調式凹板篩等機構組成。脫粒滾筒主體框架由輔盤、主軸和輻條組成，外側焊有兩根螺旋筋，為減小脫粒元件對作物的打擊力，柔性脫粒桿齒外側包有聚氨酯橡膠套，按雙螺旋排布形式焊接在外置螺旋筋上；螺旋喂入裝置通過螺栓與滾筒主體框架連接。

θ為導流板角度。θ is the deflector angle. 1.柔性脫粒滾筒；2.可調式凹板篩；3.凹板篩電液推桿；4.機架；5.頂蓋電液推桿；6.頂蓋；7.導流板 1.Flexible threshing drum; 2. Adjustable concave plate screen； 3.Concave sieve electro-hydraulic push rod; 4.Frame; 5.Top cover electro-hydraulic putter; 6. Top cover; 7.Deflector圖1 柔性脫粒裝置(a)和頂蓋(b)Fig.1 Flexible thresher (a) and top cover (b)

1.2 工作原理

縱軸流柔性脫粒裝置的工作過程主要分為4個階段，分別為大豆植株喂入、脫粒、分離、排出莖稈。工作過程中，大豆植株在螺旋喂入裝置的強制作用下進入脫粒室內；作物在脫粒桿齒和導流板的共同作用下沿軸向向后做螺旋運動；在此過程中，大豆籽粒在桿齒和凹板篩的打擊、碰撞等作用下，從豆莢中脫出，完成脫粒過程；在脫粒過程中，脫粒桿齒與聚氨酯橡膠組成的柔性桿齒，有效降低了脫粒元件對籽粒的打擊力，降低了大豆籽粒在脫粒過程中產生的機械損傷；脫下的大豆籽粒通過凹板篩進入到清選裝置，完成分離過程；剩余的長莖稈等雜質被推送到滾筒尾端，排出脫粒室，完成整個脫粒過程。

2 試驗裝置及條件

2.1 試驗裝置

縱軸流柔性脫粒分離試驗臺由本研究團隊自主設計研制，主要包括縱軸流柔性脫粒分離裝置、輸送帶、信號采集器等(圖2)，試驗時根據不同要求的喂入量，將大豆植株物料均與鋪放在在輸送帶上；大豆植株經輸送帶進入喂入攪龍，由過橋強制輸送到脫粒裝置內，在脫粒室內進行脫粒分離；莖稈等雜余從脫粒裝置尾部排出，脫出混合物通過凹板篩進入到接料盒內，試驗后對接料盒內的混合物進行人工處理；根據試驗需求，在凹板篩下放置6×6個接料盒，每個接料盒標準尺寸為210 mm×145 mm，接料盒分布見圖3。每次試驗過后對每一個接料盒內的脫出物進行人工分類計數。對接料盒內的脫出物分類發(fā)現，脫出物主要分為：籽粒、豆莢和輕質雜余(細小顆粒和短莖稈)，對各物料進行稱重記錄。

1.輸送帶；2.喂入電機；3.過橋電機；4.過橋；5.縱軸流柔性脫粒分離裝置；6.密閉室；7.接料盤；8.滾筒驅動電機；9.控制柜；10.信號采集器 1.Conveyor； 2.Feed motor; 3.Bridge motor; 4.Cross the bridge; 5.Vertical axial flow flexible threshing and separating device; 6.Confined room; 7.Receiving tray; 8.Drum drive motor; 9.Control cabinet; 10.Signal collector圖2 縱軸流柔性脫粒分離試驗臺Fig.2 Vertical axial flow threshing and separating test bench

①柔性脫粒滾筒； ②可調式凹板篩； ③接料盒 ① Flexible threshing drum; ② Adjustable concave plate screen； ③ Material receiving box圖3 接料盒軸向(a)和徑向(b)分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of the axial (a) and radial (b) distributions of the receiving box

2.2 試驗條件

試驗使用的大豆為臨豆11號，其植株特性見表1。以滾筒轉速n、喂入量Q、脫粒間隙e和導流板角度θ為因素，進行單因素試驗，分析各個工作參數對縱軸流柔性脫粒裝置的脫出物軸向和徑向分布規(guī)律的影響。

對縱軸流柔性脫粒裝置進行單因素試驗，試驗因素水平見表2。試驗過程中，某一試驗因素參數變化時，其余因素參數選取中間值。每組試驗過后，人工將脫出物分為籽粒、豆莢、莖稈和輕質雜余，并稱重記錄，為保證試驗的準確性，每組試驗做3次，取平均值。

表1 試驗大豆植株特性Table 1 Test soybean plant characteristics

表2 脫出物分布試驗單因素水平表Table 2 Single factor levelTable for extruder distribution test

3 試驗結果及分析

3.1 滾筒轉速對脫出物分布規(guī)律影響

選取滾筒轉速n分別為500、600和700 r/min，不同滾筒轉速下軸向和徑向脫出物分布見圖4。

不同滾筒轉速時軸向脫出物分布規(guī)律相似，隨著作物脫粒分離的進行，脫出物質量沿滾筒軸向不斷降低；1號接料盒中脫出物質量最高，隨后迅速降低，3和4號接料盒中的脫出物質量相差較??；脫出物沿軸向分布不均勻。隨著滾筒轉速提升，脫出物質量峰值不斷減少，而對應其他接料盒的質量不斷增加(圖4(a))。不同滾筒轉速下徑向脫出物分布規(guī)律相似，徑向脫出物分布不均勻，但是整體脫出總物質量不斷減少(圖4(b))。表明：當滾筒轉速增加時，柔性脫粒元件對物料的作用力沒有明顯的增大；滾筒轉速增加，加快植株運動速度，減少了脫粒室內植株的脫粒時間，莖稈受到的打擊次數減少，能分離出的莖稈雜質質量減少。因此滾筒轉速增大時脫出物質量減少。通過對軸向和徑向曲線光滑程度的對比，當滾筒轉速為700 r/min時曲線的光滑程度較好。

圖4 不同滾筒轉速n下脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.4 Distribution of axial (a) and radial (b) of the effluent at different drum speeds n

3.2 喂入量對脫出物分布規(guī)律影響

選取喂入量Q分別為2.5、5.0和7.5 kg/s進行試驗。不同喂入量情況下，軸向脫出物分布規(guī)律相似，脫出物分布不均勻。1號接料盒中脫出物質量最高，隨后迅速降低，隨著喂入量不斷增加，每個接料盒的脫出物質量增大(圖5(a))；徑向脫出物分布不均勻，脫出物質量變化為先增后減再增，隨著喂入量增加，脫出物質量曲線變化更加明顯(圖5(b))。表明：當喂入量增大時，脫粒室內的大豆植株增多，物料之間、物料與脫粒元件之間的擠壓力增大，大豆植株受到的作用力增大，脫下物料量增加，分離出的脫出物質量增加；喂入量對軸向和徑向脫出物分布規(guī)律沒有影響。

圖5 不同喂入量Q下脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.5 Distribution of axial (a) and radial (b) of the effluent under different feeding quantities Q

3.3 脫粒間隙對脫出物分布規(guī)律影響

選取脫粒間隙e分別為20、25和30 mm進行試驗。不同脫出物間隙的脫出物分布規(guī)律相似且分布不均勻。隨著脫粒間隙增大，1號接料盒中脫出物質量不斷減少，3、4號接料盒呈現先增大后減少的趨勢(圖6(a))。徑向脫出物分布呈現出先增后減載增再減的趨勢；隨著脫粒間隙增加，脫出物質量整體不斷減少(圖6(b))。這表明：隨著脫粒間隙增大，脫粒室內的大豆植株形成的物料流變松散，脫出物越容易穿過物料流分離出來，并且由于脫粒間隙增大，脫粒室內空間增大，植株受到脫粒元件打擊次數相應減少，所有當脫粒間隙增大時脫出物質量減少；脫粒間隙對軸向和徑向脫出物分布規(guī)律沒有影響。

圖6 不同脫粒間隙e下脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.6 Distribution of axial (a) and radial (b) of effluents under different threshing gaps e

3.4 導流板角度對脫出物分布規(guī)律影響

選取導流板角度θ分別為60°、70°和80°，不同導流板角度下，軸向脫出物分布規(guī)律相似且分布不均勻，隨著導流板角度增加，脫出物質量峰值不斷增大，但2號接料盒以后脫出物質量呈現出先減少后增大的趨勢(圖7(a))；導流板角度對徑向脫出物分布基本沒有影響且分布不均勻，整體還是呈現出先增后減再增再減的趨勢(圖7(a))。表明：由于導流板角度對大豆物料的脫粒時間有關，當導流板角度越大，大豆物料再脫粒室內的停留時間越長，受到脫粒元件打擊次數和與凹板篩搓擦時間越多，使大豆莖稈破碎嚴重，導致能夠分離出的物料質量增加，所以隨著導流板角度增大，脫出物總質量不斷增加。

圖7 不同導流板角度θ下脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.7 Distribution of axial (a) and radial (b) of the effluent under different guide plate angles θ

4 脫出物分布規(guī)律

對試驗數據進行分析發(fā)現，柔性脫粒裝置的各個工作參數對軸向和徑向的脫出物分布變化趨勢沒有影響。為得出柔性脫粒裝置的脫出物分布規(guī)律，選取各個參數為中間值，即滾筒轉速為600 r/min，喂入量5 kg/s，脫粒間隙25 mm，導流板角度為70°進行脫出物分布試驗，將脫出物總質量、脫出籽粒質量、大豆豆莢質量和輕質雜余質量在軸向和徑向的分布數據導入到SPSS中進行擬合，試驗結果見圖8。

圖8 當n=600 r/min、Q=5 kg/s、e=25 mm、θ=70°時脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.8 Distribution of prolapse on axial (a) and radial (b) when n=600 r/min, Q=5 kg/s, e=25 mm, θ=70°

由圖8(a)可知：軸向脫出物分布規(guī)律與籽粒分布規(guī)律相同，在脫粒滾筒最前端分離出的物料質量最高，隨后迅速下降，4、5、6號接料盒變化速度減緩，6號接料盒的物料質量最小；由籽粒分布曲線可以看出，脫出大豆籽粒都集中在脫粒端被分離出來，較為難脫的籽粒在分離段分離出脫粒室；由于脫粒元件外包有聚氨酯橡膠套，可以有效降低脫粒元件對大豆植株的打擊力，減少由莖稈破碎帶來的雜質，從輕質雜余的曲線可以看出，輕質雜余主要集中在滾筒前端，隨著滾筒長度變化被分離出的輕質雜余質量不斷減少，與文獻[12]中輕質雜余的分布曲線不斷增加相比，柔性脫粒滾筒對莖稈的損傷較少，可有效減輕清選工作量。對軸向脫出物的數據進行擬合得到關于脫出物、籽粒、豆莢和輕質雜余在軸向脫出分布規(guī)律的回歸方程(表3)。

脫出物、籽粒、豆莢、輕質雜物的徑向分布規(guī)律相似，其中籽粒與脫出物的徑向分布狀況更為相似；物料質量在2號接料盒出現第一個峰值，在4號接料盒出現第一個波谷，5號接料盒的脫出物量達到第二峰值，兩個峰值差值較大，第一峰值約是第二峰值的2倍左右；豆莢、輕質雜物的曲線變化較平緩。表明脫出物落入清選裝置上分布不均勻(圖8(b))。利用SPSS 對處理后的數據進行回歸擬合得出脫出物等徑向分布曲線為系數不同的多項式形式，y=a+bx+cx2+dx3+ex4。

表3 軸向脫出物分布回歸方程Table 3 Regression equation of axial extractives distribution

5 結 論

本研究通過單因素對比試驗，探究滾筒轉速、喂入量、脫粒間隙和導流板工作參數對縱軸流柔性脫粒裝置軸向和徑向脫出物分布規(guī)律的影響，研究結果如下：

1)脫出物在軸向上變化趨勢是不斷減??；徑向分布按“馬鞍型”分布；隨著縱軸流柔性脫粒裝置工作參數變化，軸向和徑向的脫出物分布規(guī)律趨勢沒變。

2)縱軸流柔性脫粒裝置軸向脫出物和籽粒分布規(guī)律符合y=aexp(bx)，軸向豆莢和輕質雜余分布規(guī)律符合三次函數；脫出物等徑向分布曲線為系數不同的多項式形式,y=a+bx+cx2+dx3+ex4。