油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復清機設(shè)計與試驗

廖慶喜 王 昌 何 坤 袁佳誠 萬星宇

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

目前，國內(nèi)油菜聯(lián)合收獲機多由稻-麥聯(lián)合收獲機改裝而來，適應性不強導致收獲后籽粒含雜率較高[1]。相關(guān)學者在降低油菜聯(lián)合收獲機含雜率與損失率方面做了大量研究，主要集中在割臺研究[2-4]、脫粒裝置研究[5]及清選裝置研究[6-8]方面，但受籽粒細小不易分離、油菜脫出物組分糅雜、含水率較高等因素的影響，聯(lián)合收獲機清選后的油菜籽粒中依舊含有較多輕細雜余，含雜率有待進一步降低。而我國對聯(lián)合收獲后的籽粒處理大部分仍停留在傳統(tǒng)人工清選方式上，機械化程度不高，難以適應細小油菜籽粒與輕細雜余的分離，影響儲存安全和后續(xù)加工的成品質(zhì)量。

油菜籽清選是為了清除雜質(zhì)、提高品質(zhì)，一般可根據(jù)油菜籽與雜質(zhì)之間的物理特性差異確定有效的分離方法，如：顆粒度、比重差及空氣動力學特性等[9]。國內(nèi)油料的清理多采用篩選法，常用的油菜籽篩選設(shè)備有平面回轉(zhuǎn)篩和振動篩[10-11]。廖慶喜等[12]基于含雜油菜籽各組分空氣動力學特性差異設(shè)計了一種離心氣流清選和回轉(zhuǎn)篩選組合式的清選試驗臺；王立軍等[13]在利用CFD-DEM耦合技術(shù)對傳統(tǒng)雙層往復振動篩清選裝置內(nèi)氣固兩相流動進行仿真基礎(chǔ)上，設(shè)計一種分段式振動圓孔篩清選裝置；王豪東等[14]基于EDEM模擬了物料在回轉(zhuǎn)組合多層篩篩選過程中的運動情況，得到了較優(yōu)結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)組合；BARBOSA等[15]基于圖像分析技術(shù)開展了振動篩上固液分離動力學研究；曾乙倫等[16]基于非連續(xù)變形分析(DDA)方法，對ZKR-1022型振動篩的篩分過程進行了動力學模擬，揭示了直線振動篩的篩分過程和機理。由于收獲后的含雜油菜籽中成分糅雜：由籽粒、短莖稈、果莢殼、輕雜余組成[17]，平面回轉(zhuǎn)篩作業(yè)后籽粒含雜率較低，但篩分效率不高，振動篩作業(yè)效率高，但雜余透篩率也高，致使含雜率增加。綜上，應用于油菜聯(lián)合收獲機作業(yè)后含雜油菜籽的復清裝備有待深入研究。

本文結(jié)合不同篩分結(jié)構(gòu)形式的特點，設(shè)計一種油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復清機，采用分級篩搭載偏心配重塊組合式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)“先篩分，再風選”的工藝流程：先依靠偏心配重塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激振力驅(qū)動分級篩振動篩分大雜余，再采用離心風機吹除小雜余，從而實現(xiàn)含雜油菜籽中籽粒與雜余的分離。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 總體結(jié)構(gòu)

油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復清機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由機架、螺旋輸送裝置、聯(lián)接軟管、離心振動式篩分裝置、側(cè)向風選裝置、電機等部分組成。該機具為獨立機具，主要對油菜聯(lián)合收獲后的含雜油菜籽進行篩分，工作時，振動驅(qū)動部件(圖2)的上、下偏心塊高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力的合力作用在軸線的中垂面內(nèi)，從而形成激振力并驅(qū)動篩體振動。螺旋輸送裝置驅(qū)動電機、激振源驅(qū)動電機及離心風機轉(zhuǎn)速均可調(diào)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 離心振動式篩分裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of centrifugal-vibrating screening device

離心振動式篩分裝置分為上部組合篩體、中間激振源、下部底座3部分，上部組合篩體喂料口與螺旋輸送裝置出口通過軟管聯(lián)接；中間激振源通過金屬束邊與上部組合篩體聯(lián)接，并通過固定彈簧支撐于下部底座上方，第1層篩網(wǎng)選擇圓形沖孔篩式，第2層篩網(wǎng)選擇方孔編織篩式。

1.2 工作過程

如圖3所示，油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復清機工作過程主要包括：物料輸送過程、篩分過程以及風選過程。物料輸送過程是指料斗內(nèi)的含雜油菜籽在螺旋葉片的作用下被動提升至螺旋輸送裝置出口，經(jīng)軟管落至離心振動式篩分裝置中；篩分過程指經(jīng)螺旋輸送裝置輸送過來的含雜油菜籽受重力影響，落在由振動驅(qū)動部件作用產(chǎn)生振動的篩網(wǎng)上，使得含雜油菜籽在篩網(wǎng)上“跳躍”，而含雜油菜籽中各組分因物理特性各異[18]，籽粒和細小輕雜余從大雜余中分離出來，透過上下不同孔徑的篩網(wǎng)落到集料金屬片上并經(jīng)下層出料口排出，而短莖稈、夾殼等則因尺寸較大無法透過篩網(wǎng)，在激振力作用下做圓周擴散運動，經(jīng)各篩網(wǎng)排草口排出；風選過程指從離心振動式篩分裝置下層出料口排出的籽粒和細小輕雜余在下落至側(cè)向風選裝置內(nèi)時受離心風機作用，輕雜余被吹除，剩余油菜籽粒從出料口排出，從而完成籽粒清選。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)分析

2.1 生產(chǎn)效率

為滿足收獲機作業(yè)后含雜油菜籽的復清要求，以市場占有率較高的雷沃谷神4LZ-8.0F型、沃得4LZ-6.0MCQ型、東禾牌4LZ-4.0Z型全喂入谷物聯(lián)合收獲機為例，查閱對應收獲機使用說明書可知，其工作效率分別為0.6～1.3 hm2/h、0.27～0.85 hm2/h、0.34～0.64 hm2/h，收獲機對應糧箱容積分別為2.5、1.4、1.3 m3；由文獻[1]可知，油菜籽產(chǎn)量為1 800～2 100 kg/hm2，為保證各收獲機糧箱滿箱時，上一箱籽粒能完成復清，以便后續(xù)進一步處理，則

Vρc≥ηtQc

(1)

式中V——聯(lián)合收獲機糧箱容積，m3

ρc——油菜籽平均容重，690 kg/m3[19]

η——收獲機工作效率，hm2/h

t——糧箱滿箱時收獲機工作時間，h

Qc——油菜籽產(chǎn)量，取2 100 kg/hm2

經(jīng)計算，各收獲機糧箱滿箱時收獲機工作時間分別為0.63、0.54、0.67 h，此時，對應的含雜油菜籽復清機喂入量應為0.76、0.50、0.37 kg/s，方可實現(xiàn)含雜油菜籽的復清，考慮到實際作業(yè)時籽粒轉(zhuǎn)運、人工喂料、裝袋、晾曬等環(huán)節(jié)會占用一定時間，油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復清機喂入量在滿足較大喂入量收獲機復清條件下應盡可能取較大值，此時復清機喂入量需乘以一個安全系數(shù)f0，取f0=2，計算得復清機喂入量分別為1.52、1.00、0.74 kg/s，故設(shè)計含雜油菜籽復清機喂入量為1.5 kg/s，即生產(chǎn)效率為5.4 t/h。

2.2 螺旋輸送裝置

螺旋輸送裝置利用旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片連續(xù)、穩(wěn)定地推送含雜油菜籽，從而完成其傾斜輸送過程。含雜油菜籽在螺旋輸送裝置內(nèi)的運動主要有2個階段：料斗里的含雜油菜籽受重力作用自然下落到螺旋葉片上，完成物料的填充；含雜油菜籽被旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片以一定速度向上提升，由卸料口排出。

螺旋葉片表面是由垂直于軸的元線繞軸作等速回轉(zhuǎn)并沿軸向等速移動而形成，綜合考慮篩分效率和整機尺寸，查閱文獻[9]，按照推薦的R20優(yōu)先系數(shù)，螺旋外徑D取160 mm，螺旋葉片厚度取2 mm，主軸一般采用無縫鋼管，直徑d取30 mm，螺旋葉片與機殼之間的間隙δ一般取5～10 mm，因油菜籽直徑較小，由文獻[19]可知，油菜籽當量直徑集中在1.9～2.1 mm，為保證籽粒的順利輸送，螺旋葉片與機殼間隙取較小值，取5 mm。

P=πDtanβ0<308 mm

(2)

又因螺距P一般為螺旋外徑D的80%～100%，綜合考慮取螺距P=160 mm，計算螺旋升角β0為18°。

螺旋葉片的軸向輸送能力需大于篩分裝置的喂入量，即

(3)

式中Ql——螺旋輸送裝置生產(chǎn)率，kg/s

ψ——輸送谷?；螂s余時的充滿系數(shù)，油菜籽取0.3

nl——螺旋葉片轉(zhuǎn)速，r/min

γ——谷?；螂s余單位容積質(zhì)量，1 060 kg/m3

C0——螺旋葉片傾斜輸送系數(shù)，取0.76

計算得：nl≥138 r/min。

2.3 離心振動式篩分裝置

篩分是將混合物料通過一層或數(shù)層帶孔的篩面，使物料按寬度或厚度分成若干個粒度級別的過程[22]。離心振動式篩分裝置主要工作部件為篩體和激振源，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3.1篩體

篩體主要由篩框、篩網(wǎng)、排草口組成。為避免物料堆積引起堵塞，使篩分效率降低，影響清選性能，篩網(wǎng)有效篩分面積S1需滿足

qsS1≥Qs(1-η1)

(4)

式中Qs——含雜油菜籽喂入量，kg/s

η1——含雜油菜籽中能透過圓形沖孔篩的成分質(zhì)量分數(shù)，經(jīng)試驗測得圓形沖孔篩為69.04%

qs——篩網(wǎng)單位面積可承擔含雜油菜籽質(zhì)量，kg/(s·m2)，查農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊可知，qs為1.5～2.5 kg/(s·m2)，油菜籽粒較小，qs可取2.5 kg/(s·m2)

計算得：S1≥0.19 m2。

而篩網(wǎng)為圓形，因此可確定篩網(wǎng)半徑r0計算式

(5)

計算得：r0≥246 mm。

考慮到實際篩分作業(yè)時喂入量會有一定波動，篩網(wǎng)半徑應取較大值，取r0=300 mm。

2.3.2運動過程簡化模型

離心振動式篩分裝置可簡化為圖6所示的力學模型，通過質(zhì)心O建立固定空間直角坐標系，由于上下偏心塊的質(zhì)心與整個參振部分的質(zhì)心不重合，篩面上會形成一個旋轉(zhuǎn)激振主矢P(t)和一個旋轉(zhuǎn)激振主矩M(t)。

(6)

M(t)=2m0ω2rLei(π-ωt-β)

(7)

其中

(8)

(9)

式中m0——上下偏心塊質(zhì)量，kg

ω——直流電機角速度，rad/s

r——上下偏心塊偏心距，mm

θ——上下偏心塊夾角，(°)

l0——上下偏心塊之間的垂直距離，mm

l1——上偏心塊與機體質(zhì)心的垂直距離，mm

β——力矩矢相對于力矢超前角，rad

將該裝置的運動微分方程表示為復數(shù)形式

(10)

(11)

其中

X=X+iYφ=φy+iφx

式中M——參振質(zhì)量

J——參振質(zhì)量對坐標軸的轉(zhuǎn)動慣量

C——阻力系數(shù)

Cφ——阻力矩系數(shù)

K——彈簧水平剛度

Kφ——彈簧繞坐標軸剛度

X——位移的復數(shù)形式

φ——角位移的復數(shù)形式

φx——繞x軸角位移

φy——繞y軸角位移

設(shè)穩(wěn)態(tài)解為

X=Aei(ωt-θ1)
φ=φei(ωt-β-θ2)

式中A——篩體隨質(zhì)心作圓平動半徑，mm

φ——篩體繞質(zhì)心平面作圓錐面擺動擺角，(°)

θ1——激振力對其位移的相位差角

θ2——激振力矩對其位移的相位差角

忽略阻尼影響可得

(12)

(13)

式中Z0、Z0φ——頻率比

ω0、ω0φ——固有頻率

考慮到θ1=θ2≈180°，則穩(wěn)態(tài)解為

X=-Aeiωt=-A(cos(ωt)+isin(ωt))

(14)

φ=-φei(ωt-β)=-φ(cos(ωt-β)+isin(ωt-β))

(15)

由式(14)可知，在旋轉(zhuǎn)激振主矢P(t)的作用下，篩體隨質(zhì)心作半徑為A的圓平動；由式(15)可知，在旋轉(zhuǎn)激振主矩M(t)的作用下，篩體繞質(zhì)心平面作擺角為φ的圓錐面擺動。

2.3.3離心過程分析

篩體的圓平動是向第一、二層篩面上的含雜油菜籽施加離心力從而促進雜余排出的主要因素，離心運動過程中籽粒透過篩孔，對清選效果影響最大的運行參數(shù)為直流電機角速度ω。假設(shè)物料由入料口落至清選篩面后獲得與篩體同樣的回轉(zhuǎn)速度。將物料各成分的運動視為質(zhì)量為m1的點運動，并忽略各成分之間的相互作用，則物料所受作用力如圖7所示[23]。

由圖7可得

離心力

F=m1ω2r1

(16)

重力

G=m1g

(17)

篩面支撐力

N=G=m1g

(18)

摩擦力

f=μN

(19)

式中r1——物料所在位置與篩網(wǎng)中心軸線距離，mm

g——重力加速度，取9.8 m/s2

μ——物料與金屬的摩擦因數(shù)，約為0.71[24]

由力學分析可知，為保證篩面上物料具有良好流動性能，使物料中雜余順利從排草口排出的必要條件為

m1ω2r1≥μm1g

(20)

即直流電機最低角速度ωmin為

(21)

由式(21)可知，雜余順利排出所需最低轉(zhuǎn)速主要取決于物料所在位置與篩網(wǎng)中心軸線距離r1，當r1取最小值時，中心位置的物料可穩(wěn)定向四周擴散，此時，篩面上物料具有較好的流動性能。假設(shè)含雜油菜籽由入料口進入后垂直落在篩網(wǎng)上，r1最小值應取油菜籽粒的半徑，即r1min=1 mm，代入式(21)求得ωmin=83.41 rad/s，即雜余順利排出直流電機所需最低轉(zhuǎn)速為796.55 r/min。

2.3.4振動過程分析

含雜油菜籽中各組分由于密度不同，在受到振動時各組分會自動分級，而含雜油菜籽中油菜籽粒比重較大，且其呈球狀，受到振動易于接觸篩面并透過篩網(wǎng)，因此含雜油菜籽在篩面上的振動對提升篩分效率具有重要意義，而含雜油菜籽在篩面上的振動要求篩體運動時能給含雜油菜籽一個向上的拋擲力。

篩體繞質(zhì)心平面作擺角為φ的圓錐面擺動時，篩面上與質(zhì)心O距離為r2處含雜油菜籽的運動軌跡如圖8所示?？梢钥闯龊s油菜籽的運動軌跡是半徑為l2sinφ的圓柱體被某斜面所截的空間橢圓交截線，進一步可以分解成水平面內(nèi)半徑為l2sinφ的平動和垂直方向上振幅為r2sinφ的直線振動。因此，含雜油菜籽在垂直方向上的位移表達式為

Z=AZcos(ωt-β)

(22)

其中

AZ=r2sinφ

式中AZ——垂直振幅，mm

(23)

由式(23)得

(24)

2.4 風選裝置設(shè)計與分析

含雜油菜籽經(jīng)篩分裝置篩分去除大雜余后，剩下的油菜籽粒和穎殼等細小輕雜余經(jīng)排草口落入側(cè)向風選裝置，由側(cè)向風選裝置完成進一步清選。側(cè)向風選裝置主要由離心風機、清選罩殼、入料口等組成，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

2.4.1最小風量

清選罩殼是風選裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，清選罩殼內(nèi)氣流場分布直接影響風選裝置清選性能。由文獻[9]可知，風選裝置所需最小風量與雜余含量有關(guān)，計算式為

V0=β1Qs/(μ1ρ)

(25)

式中V0——清選罩殼所需最小風量，m3/s

β1——穎殼等輕雜余占含雜油菜籽的比率，試驗取0.8%

μ1——攜帶雜質(zhì)氣流混合濃度比，為0.2～0.3，取0.3

ρ——空氣密度，取1.2 kg/m3

計算得風選裝置所需最小風量V0=0.03 m3/s。

為保證含雜油菜籽中輕雜余能夠從風選裝置出口排出，清選罩殼內(nèi)最小風速不能低于輕雜余懸浮速度。含雜油菜籽懸浮速度測定表明: 籽粒懸浮速度為7.4～9.4 m/s，短莖稈為6.3～11.2 m/s，莢殼為2.4～3.2 m/s，輕雜余為1.1～3.2 m/s[25]。

設(shè)計清選罩殼出風口截面積為Sa=0.36×0.2=0.072 m2，此時，清選罩殼內(nèi)應有風量V1為

V1=Savq

(26)

式中vq——含雜油菜籽中輕雜余懸浮速度，取3.2 m/s

計算得V1=0.23 m3/s>V0，滿足風選要求。

2.4.2氣流場分析

進入氣流場的物料為油菜籽粒和輕雜余混合物，由文獻[25]對含雜油菜籽各組分懸浮速度測定結(jié)果可知：當風選裝置出口截面上的風速為3～7 m/s時，能達到較好的清選效果。為進一步確定離心風機出口截面上的風速范圍，基于CFD(Computational fluid dynamics)對風選裝置內(nèi)部流體的流場特性進行研究。

基于清選罩殼幾何模型結(jié)合布爾運算[26]對其內(nèi)部流體域進行提取，利用mesh軟件對提取后的流體域進行網(wǎng)格劃分，如圖10所示。設(shè)置風機出口為流場的風速入口，空氣以恒定速度流入流體域，將流體域網(wǎng)格導入Fluent軟件中進行仿真參數(shù)設(shè)置。將流體介質(zhì)設(shè)置為空氣，進氣口處氣體流速范圍為3～7 m/s，出口處壓力設(shè)置為標準大氣壓，湍流模型選擇Standardk-ε模型。

設(shè)置進氣口處氣體流速范圍為3～7 m/s，迭代1 500次，F(xiàn)luent軟件計算完成后，利用CFD-Post軟件對計算結(jié)果進行后處理。圖11所示為清選罩殼中心垂直面上的速度分布云圖以及速度矢量圖。

由圖11可以看出，出口風速在3～7 m/s范圍內(nèi)時，入口風速與出口風速基本相等，風速衰減較弱，由此可以確定為實現(xiàn)較好的風選效果，應設(shè)定離心風機出風口風速范圍為3～7 m/s。

3 清選性能試驗

3.1 試驗材料與方法

試驗在華中農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗基地進行，試驗油菜品種為華油雜62，種植方式為機直播，人工收獲后運送至試驗場地，以喂入量3～4 kg/s均勻連續(xù)喂送至東禾4LYZ-4.0型油菜聯(lián)合收獲機完成脫粒清選，收集糧箱內(nèi)的含雜油菜籽，主要包括籽粒、莢殼、短莖稈及輕雜余4種成分。試驗測得：含雜油菜籽中籽粒比例約為94.10%，籽粒千粒質(zhì)量為4.7 g，莢殼比例約為2.24%，短莖稈比例約為2.88%，輕雜余比例約為0.77%。將含雜油菜籽中各組分按比例配制，混合均勻后倒入螺旋輸送裝置料斗內(nèi)，調(diào)節(jié)螺旋葉片提升轉(zhuǎn)速為140 r/min，均勻連續(xù)喂送含雜油菜籽至離心振動式篩分裝置內(nèi)，再經(jīng)側(cè)向風選裝置完成清選，最后收集各排草口物料。試驗臺架如圖12所示。

由于試驗材料為人工收割后在大棚晾曬的掛藏油菜，為模擬實際作業(yè)情況，對含雜油菜籽做復水處理，調(diào)節(jié)含水率至15%～20%[27]。試驗主要設(shè)備有：SW6236C型高精度轉(zhuǎn)速儀、電子天平(精度為0.1 g)、高精度手提電子秤、直流電機調(diào)速器、NES-350-24型開關(guān)電源、水分測定儀等。

3.2 試驗因素及指標

為使油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復清機具備較好的清選性能，應滿足含雜油菜籽在篩面上有合適的拋擲指數(shù)和拋擲次數(shù)以及離心風機出風口有合適的風速。由式(24)可知，直流電機角速度一定時，拋擲指數(shù)與垂直振幅有關(guān)，而垂直振幅主要由激振力決定，激振力又與偏心塊夾角有關(guān)；拋擲次數(shù)指單位時間物料被拋起次數(shù)，可用振動頻率表征，振動頻率與偏心塊轉(zhuǎn)速有關(guān)。因此，確定試驗以振動頻率、垂直振幅及離心風機出風口風速為影響因素，以復清機籽粒含雜率與篩分效率為評價指標。含雜率與篩分效率計算公式為

(27)

(28)

式中YZ——含雜率，%

YS——篩分效率，%

m2——側(cè)向風選裝置出糧口物料總質(zhì)量，kg

m3——第1層排草口籽粒質(zhì)量，kg

m4——第2層排草口籽粒質(zhì)量，kg

m5——側(cè)向風選裝置排草口籽粒質(zhì)量，kg

m6——側(cè)向風選裝置出糧口油菜籽粒質(zhì)量，kg

3.3 試驗與分析

3.3.1振動檢測

為確定油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復清機工作時，不同的偏心塊轉(zhuǎn)速和偏心塊夾角對應的振動頻率及垂直振幅，利用iSV2101型測振儀對篩體的振動情況進行檢測。如圖13所示，在篩體上均勻布置4個測量點，分別測量偏心塊夾角為60°，偏心塊轉(zhuǎn)速在800～1 400 r/min范圍內(nèi)時對應的振動頻率，以及偏心塊轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，偏心塊夾角在0°～180°范圍內(nèi)時對應的垂直振幅，測量結(jié)果取平均值，測量結(jié)果如表2、3所示。

表2 偏心塊轉(zhuǎn)速與振動頻率對照Tab.2 Comparison of rotation speed of eccentric block and vibration frequency

表3 偏心塊夾角與垂直振幅對照Tab.3 Comparison of angle of eccentric block and vertical amplitude

3.3.2單因素試驗結(jié)果與分析

3.3.2.1離心風機出風口風速

設(shè)置振動頻率為14.61 Hz，垂直振幅3.64 mm，離心風機出風口風速在3～9 m/s間選取7個水平，每個水平下重復3次試驗(下同)。離心風機出風口風速與轉(zhuǎn)速之間對照如表4所示。

表4 離心風機出風口風速與轉(zhuǎn)速對照Tab.4 Comparison of air velocity and fan speed

圖14為離心風機出風口風速與清選性能關(guān)系曲線。由圖可知：含雜率隨離心風機出風口風速的增加逐漸降低，而篩分效率隨離心風機出風口風速的增加變化幅度不大，基本穩(wěn)定在98.35%左右，原因在于隨著離心風機出風口風速的增大，清選罩殼內(nèi)的氣流速度增加，雜余所受氣流的作用力逐漸增大，致使雜余被吹出的質(zhì)量增加，因此風選裝置出糧口所得籽粒含雜率降低；而篩分效率主要由篩分裝置的振動頻率和垂直振幅決定，與離心風機出風口風速關(guān)聯(lián)不大，因此篩分效率基本穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。當出風口風速達到7 m/s或更大時，含雜率基本保持穩(wěn)定，且考慮到油菜籽粒懸浮速度因素，因此出風口風速不宜超過7 m/s。綜合考慮籽粒含雜率與篩分效率要求，離心風機出風口風速在5～7 m/s范圍內(nèi)時，清選性能較好。

3.3.2.2振動頻率

設(shè)置垂直振幅為3.64 mm，離心風機出風口風速為6 m/s，振動頻率在9.99～17.63 Hz間選取7個水平。振動頻率可通過偏心塊轉(zhuǎn)速的改變來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。

圖15為振動頻率與清選性能關(guān)系曲線。由圖可知：含雜率隨著振動頻率的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，原因在于振動頻率為9.99 Hz時，對應偏心塊轉(zhuǎn)速較低，篩分裝置篩網(wǎng)上物料所受的離心力較小，導致物料流動到篩分裝置第1、2層篩體排草口時間較長，期間隨著裝置運行，混合物料中較多雜余進入到風選裝置，風選裝置負荷增加，使得含雜率較大，而后隨著振動頻率增加，物料所受的離心力變大，含雜率逐漸降低；當振動頻率達到12.08 Hz時，物料所受的離心力已能保證物料較快流動到篩分裝置各層篩體排草口，而隨著振動頻率繼續(xù)增大，物料在篩網(wǎng)上的拋擲次數(shù)逐漸增加，雜余透過篩網(wǎng)的概率增加，含雜率又逐漸增大。而篩分效率整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，原因在于隨著振動頻率增加，篩網(wǎng)上油菜籽粒所受的離心力逐漸增大，使得各層篩體排草口排出物料中籽粒質(zhì)量逐漸增加，篩分效率降低。綜合考慮籽粒含雜率與篩分效率要求，當振動頻率在12.08～14.61 Hz范圍內(nèi)時，清選性能較好。

3.3.2.3垂直振幅

設(shè)置離心風機出風口風速為6 m/s，振動頻率為14.61 Hz，垂直振幅在3.43～3.71 mm間選取7個水平。垂直振幅可通過偏心塊夾角的改變實現(xiàn)調(diào)節(jié)。

圖16為垂直振幅與清選性能關(guān)系曲線。由圖可知：含雜率隨著垂直振幅增加而逐漸增大，原因在于隨著垂直振幅增加，篩面上物料所受的激振力逐漸增大，使得進入風選裝置中的雜余質(zhì)量逐漸增加，含雜率增大；而篩分效率隨著垂直振幅增加而降低，原因在于隨著激振力的增加，篩網(wǎng)上油菜籽粒所受力逐漸增大，使得各排草口排出物料中籽粒質(zhì)量逐漸增加，篩分效率降低。由于激振力較小時，各層篩體排草口排出物質(zhì)總質(zhì)量也較小，不利于雜余排出，綜合考慮籽粒含雜率與篩分效率要求，當垂直振幅在3.59～3.64 mm范圍內(nèi)時，清選性能較好。

3.3.3正交試驗結(jié)果與分析

在單因素試驗基礎(chǔ)上，選擇合適的因素水平，分析確定影響清選因素的主次順序以及合理的工作參數(shù)組合。選擇正交表L9(34)安排正交試驗，因素水平如表5所示，清選試驗結(jié)果如表6所示，A、B、C為因素水平值。

表5 試驗因素水平Tab.5 Factors and levels of experiment

由表6可知，影響含雜率因素主次為：離心風機出風口風速(C)、振動頻率(A)、垂直振幅(B)，較優(yōu)參數(shù)組合為A3B2C3；影響篩分效率因素主次為：振動頻率(A)、垂直振幅(B)、離心風機出風口風速(C)，較優(yōu)參數(shù)組合為A3B3C1。表7表明，離心風機出風口風速對含雜率影響極顯著，振動頻率、垂直振幅對含雜率影響顯著；振動頻率、垂直振幅對篩分效率影響顯著，離心風機出風口風速對篩分效率影響不顯著。由此可以確定為達到較優(yōu)清選效果，垂直振幅(B)應取第2水平值；離心風機出風口風速(C)對含雜率影響極顯著，對篩分效率影響不顯著，因此選取第3水平值；振動頻率(A)對含雜率、篩分效率影響都顯著，為使二者都達到較優(yōu)效果，選取第3水平值。由此確定較優(yōu)參數(shù)組合方案為A3B2C3，即振動頻率為14.61 Hz、垂直振幅為3.61 mm、離心風機出風口風速為7 m/s。在該組合條件下進行試驗，重復5次取平均值，試驗結(jié)果：籽粒含雜率平均值為0.53%，篩分效率平均值為98.39%，符合油菜籽粒后續(xù)存儲標準(含雜率小于3%)。

表6 正交試驗結(jié)果和極差分析Tab.6 Results of orthogonal test and range analysis

表7 方差分析Tab.7 Variance analysis result

油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復清機作業(yè)時整機運行平穩(wěn)，物料流動順暢未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，試驗表明油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復清機可實現(xiàn)對含雜油菜籽的分離、清選功能。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復清機，確定了含雜油菜籽復清機的結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)，此裝備可在滿足油菜籽粒存儲標準的基礎(chǔ)上有效降低人工作業(yè)強度。

(2)通過分析振動頻率、垂直振幅、離心風機出風口風速對清選性能影響的單因素試驗，得到清選性能較好的情況下各因素的合理變化范圍：振動頻率為12.08～14.61 Hz、垂直振幅為3.59～3.64 mm、離心風機出風口風速為5～7 m/s。

(3)采用三因素三水平正交試驗，確定了影響籽粒含雜率的因素由大到小為離心風機出風口風速、振動頻率、垂直振幅，影響篩分效率的因素由大到小為振動頻率、垂直振幅、離心風機出風口風速；確定了較優(yōu)參數(shù)組合：振動頻率為14.61 Hz、垂直振幅為3.61 mm、離心風機出風口風速為7 m/s，在此參數(shù)組合下，油菜聯(lián)合收獲后含雜油菜籽復清機籽粒含雜率平均值為0.53%，篩分效率平均值為98.39%，符合油菜籽粒后續(xù)存儲標準(含雜率小于3%)。