燕麥脫粒機(jī)清選裝置設(shè)計與試驗

裴二鵬，程 飛，王 顯，楊旭輝，王嘉偉，鄭德聰

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 太谷 030801）

燕麥脫粒清選裝置是收獲機(jī)械的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，長期以來，燕麥機(jī)械化收獲都是借用現(xiàn)有的稻麥脫粒裝置，不同于小麥，燕麥穎殼寬大，外稃堅硬被有茸毛，穎果的腹面有縱溝，外稃內(nèi)稃和外稃緊抱籽粒，不容易分離，使用現(xiàn)有機(jī)具工作性能差，作業(yè)質(zhì)量不理想。目前關(guān)于燕麥?zhǔn)斋@及其脫粒清選機(jī)械的研究較少[1]。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)樊晨龍等[2]研制的縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)雙層異向清選裝置采用蝸型雙風(fēng)道、雙層篩板獨立振動的方式實現(xiàn)籽粒與脫出物的分離清選，擴(kuò)大清選面積，提高清選能力，可滿足生產(chǎn)量較大時的籽粒清選要求。但該機(jī)型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，不利于后期移植到聯(lián)合收獲機(jī)上。山東理工大學(xué)的金誠謙等[3]針對小麥雙出風(fēng)口多風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)清選裝置主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尋找各因素對收獲清選質(zhì)量的影響。江蘇大學(xué)李青林等[4]構(gòu)建了一套稻麥聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置智能設(shè)計與優(yōu)化系統(tǒng)。利用模塊化系統(tǒng)方法，可以實現(xiàn)清選裝置的智能設(shè)計與優(yōu)化。現(xiàn)有的谷物聯(lián)合收獲機(jī)吹風(fēng)式風(fēng)機(jī)加振動篩的分離清選裝置進(jìn)行燕麥脫出物的清選工作，存在震動大、噪聲嚴(yán)重、工作揚(yáng)塵和飛絮嚴(yán)重等問題[5]。

基于目前燕麥聯(lián)合收獲中清選工作的迫切需求，一種低污染、低功耗且適用于燕麥植株的高效清選裝置必不可少。為此結(jié)合現(xiàn)有機(jī)型，利用農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計理論和機(jī)構(gòu)學(xué)原理對傳統(tǒng)風(fēng)篩清選系統(tǒng)深入研究，并結(jié)合計算機(jī)軟件仿真模擬，設(shè)計了一種與伸縮桿齒—紋桿混合式脫離裝置配套的氣吸式篩分清選裝置。

1 清選裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 組成結(jié)構(gòu)與工作原理

燕麥脫粒機(jī)清選裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架1、支撐桿2、篩箱3、驅(qū)動連桿4、曲柄5、氣吸式離心風(fēng)機(jī)6、雜余斗7、編織篩8、排料斗9、電機(jī)10等組成。

工作時，電機(jī)10及其傳動系統(tǒng)帶動曲柄5轉(zhuǎn)動，通過連桿4驅(qū)動篩箱3做往復(fù)運動，落入篩箱3內(nèi)的燕麥脫出物，在往復(fù)振動作用下不斷向排料斗9方向輸送。當(dāng)物料到達(dá)氣吸式離心風(fēng)機(jī)6進(jìn)風(fēng)口處時，脫出物中的短莖稈和穎殼被吸入風(fēng)機(jī)經(jīng)出風(fēng)口排出，其余脫出物繼續(xù)運動到編織篩8上。籽粒經(jīng)過篩面落入排料斗9，其余短莖稈等脫出物繼續(xù)向后輸送落入雜余斗7中排出機(jī)外，完成脫出物的分離和清選。

1.2 振動式分離篩設(shè)計

振動式分離篩結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由落料篩板1、細(xì)篩網(wǎng)2、粗篩網(wǎng)3、雜余斗4、排料斗5等組成。

落料篩板尺寸根據(jù)脫粒機(jī)整體尺寸確定，落料篩板設(shè)計尺寸為長1 033.5 mm、寬520 mm。細(xì)篩網(wǎng)為網(wǎng)眼尺寸0.425 mm×0.425 mm的編織篩，布置在落料篩板后端。粗篩網(wǎng)為網(wǎng)眼尺寸4 mm×4 mm的編織篩，寬度為520 mm。篩網(wǎng)的最小有效長度（Lmin）參考《LS/T 3519—1988 糧食初清篩試驗方法》[6]。

式中，Q為單位時間處理量（kg/s），設(shè)計喂入量為Q1=0.8 kg/s，故單位時間最大處理量Q=0.8 kg/s；q為振動篩篩網(wǎng)單位篩長處理量（kg/（mm·s）），參考《LS/T 3519—1988 糧食初清篩試驗方法》可得，小麥的振動篩篩網(wǎng)單位篩長處理量q=0.006 94 kg/（mm·s）[6]。

計算得篩網(wǎng)的最小有效長度L min=115 mm。篩網(wǎng)長度越長分離效果越好，同時考慮機(jī)體尺寸緊湊性。篩網(wǎng)設(shè)計長度L=2.5×L min=287.5 mm。

排料斗布置在振動篩正下方，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，燕麥籽粒自然休止角為31.42°，與Q235鋼摩擦角為25.1°，設(shè)計排料斗背板傾斜角度為40°[7]，以保證出料順暢，降低殘留率。同理，雜余斗位于振動篩后方，未脫籽粒和短莖稈經(jīng)由雜余斗排出機(jī)外。

1.3 氣吸式風(fēng)機(jī)設(shè)計

1.3.1 吸風(fēng)口斷面參數(shù)設(shè)計 氣吸式離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示，考慮吸風(fēng)口斷面與細(xì)篩網(wǎng)寬度配合，寬度尺寸為b1=500 mm。吸風(fēng)口長度受支撐桿運動擺動角度限制。振動幅度l設(shè)計如公式（2）。

式中，R為支撐桿長度（m），R=0.181 m；θ為支撐桿擺動角度范圍，受機(jī)架結(jié)構(gòu)限制，θ=18°。計算得振動幅度長度l=0.054 3 m?？紤]吸風(fēng)口長度應(yīng)大于振動篩幅度，l1=1.1×l=0.06 m。

1.3.2 風(fēng)機(jī)風(fēng)量（V）和壓力（P）計算

式中，V為風(fēng)機(jī)風(fēng)量（m3/s）；S0為最小進(jìn)風(fēng)口面 積（m2），S0=b1×l1=0.03 m2；v1為 吸 風(fēng) 口 風(fēng) 速（m/s），燕麥脫出物籽粒、碎莖稈、穎殼的懸浮速度分 別 為4.67～9.76、2.18～5.28、0.31～3.56 m/s[8]。在保證清潔度的前提下，為減少風(fēng)機(jī)損失，獲得飽滿籽粒，選擇吸風(fēng)口風(fēng)速v1=5.76 m/s。計算得風(fēng)機(jī)風(fēng)量V=0.172 m3/s。

式中，P為風(fēng)機(jī)壓力（k Pa）；ρ為空氣密度（kg/m3），ρ=1.29 kg/m3。計 算 得 風(fēng) 機(jī) 壓 力P=21.4k Pa。

1.3.3 葉輪外徑計算

式中，D2為葉輪外徑（m），P=21.4 kPa；n為風(fēng)機(jī) 轉(zhuǎn) 速（r/min），n=1 200 r/min；W為 風(fēng) 機(jī) 功 率（kW），參考現(xiàn)有清選風(fēng)機(jī)，選擇風(fēng)機(jī)功率W=2 kW。計算得葉輪外徑D2=0.298 3 m，取整葉輪外徑D2=0.3 m。

1.3.4 蝸殼外形尺寸設(shè)計 氣吸式風(fēng)機(jī)采用離心式蝸殼結(jié)構(gòu)，如圖5所示，圖中正方形的邊長為A/4，R1、R2、R3、R4是正方形的4個頂角為圓心畫出的圓弧半徑[9]。

式中，D2=0.3 m；A為葉輪外徑與蝸殼底部距離（m）,A=0.088 m。計算可以得出：R1=0.161 m；R2=0.183 m；R3=0.205 m；R4=0.227 m。

式中，D1為機(jī)葉輪內(nèi)徑（m）；D2=0.3 m。計算系數(shù)取0.6，求得D1=0.18 m。

氣吸式離心風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 氣吸式離心風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameter for air-suction centrifugal fan

2 振動篩驅(qū)動機(jī)構(gòu)計算機(jī)仿真

2.1 數(shù)學(xué)模型

振動篩通過平行布置的支撐桿AD和BC安裝在機(jī)架上構(gòu)成平行四桿機(jī)構(gòu)，曲柄OE繞O點轉(zhuǎn)動輸入動力，連桿EF分別與曲柄和篩板體鉸接，并將曲柄動力傳遞到篩體。構(gòu)成曲柄連桿如圖6所示，G點為篩面上的任意點，由于平行四桿機(jī)構(gòu)的特性，該點與篩面上其他點運動軌跡相同，具有代表性[10]。

振動篩驅(qū)動機(jī)構(gòu)矢量如圖7所示，以曲柄回轉(zhuǎn)中心O點為坐標(biāo)原點，出料方向為x軸正方向，建立右手系直角坐標(biāo)系。

建立閉環(huán)矢量方程，如公式（11）、（12）。

將公式（11）分解到直角坐標(biāo)系中，整理得到四桿機(jī)構(gòu)位移方程和公式（13）。解方程可得θ3和θ6。

對公式（13）求一階導(dǎo)，得到四桿機(jī)構(gòu)矩陣形式速度方程如公式（14）。解方程可得w3和w6。

對公式（14）求導(dǎo)可得四桿機(jī)構(gòu)矩陣形式加速度方程如公式（15）。解方程可得α3和α6。

由于r6與r 9平行，可知θ6=θ9，w 6=w 9，α6=α9。振動篩上任意一點G的矩陣形式位移方程如公式（16）。

對公式（16）進(jìn)行一次求導(dǎo)可得到G點矩陣形式速度方程，如公式（17）。

對公式（17）求導(dǎo)可得G點矩陣形式加速度方程，如公式（18）。

2.2 Simulink仿真模型

應(yīng)用2.1的數(shù)學(xué)模型編制程序，利用Simulink模塊建立仿真模型[11]，如圖8所示。

2.3 仿真結(jié)果及分析

振動篩仿真初始參數(shù)如表2所示。

表2 振動篩機(jī)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Parameters of vibrating screen mechanism

從圖9可以看出，運動軌跡為一段曲率極小的圓弧，可視為在做傾斜向上的拋擲運動；振動篩運動過程中水平方向的位移變化量約為60 mm，豎直方向的位移變化量約為23 mm，變化周期為0.2 s。

由圖10、11可知，水平速度在-0.8～0.7 m/s范圍周期變化，豎直速度在-0.37～0.34 m/s范圍周期變化。

從圖12、13可以看出，水平加速度在-22.47～25.10 m/s2范圍周期變化，豎直加速度在-7.50～15.76 m/s2范圍周期變化。

根據(jù)仿真結(jié)果，在0.185 s，G點坐標(biāo)（-330.76，75.66），豎直速度達(dá)到最大值0.34 m/s，物料在篩面被拋起，離開篩面做斜拋運動。運動軌跡如圖14所示，0.036 9 s后落回篩面，此時G點坐標(biāo)（-304.94，87.24），物料絕對坐標(biāo)（-293，87.24），豎直最大拋送高度為29.31 mm，水平方向向后位移11 mm，輸送速度為0.298 1 m/s。結(jié)果表明，物料在篩板上跳動著向出料口方向移動，能夠達(dá)到輸送物料和篩分籽粒的要求。

3 清選裝置性能試驗

3.1 試驗方法

3.1.1 試驗裝置與設(shè)備 2021年8月在山西省晉中市太谷區(qū)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)行了5TG-1.0型燕麥脫粒機(jī)（圖15）性能試驗。

試驗相關(guān)器材包括SW6016型風(fēng)速計，型轉(zhuǎn)速表，工具箱，簸箕，篩子，自封袋，標(biāo)簽，記號筆等。

試驗燕麥品種為北燕1號，燕麥秸稈含水率為14.7%，籽粒含水率為13.5%，千粒質(zhì)量為21.04 g。

3.1.2 性能參數(shù)測試方法 參照《GB/T 8097—2008 聯(lián)合收割機(jī)試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)[12]，選取與清選系統(tǒng)相關(guān)性較大的吸風(fēng)風(fēng)機(jī)風(fēng)口風(fēng)速，篩板振動篩頻率為試驗變量。選擇含雜率、風(fēng)機(jī)損失、篩板損失3個響應(yīng)作為評價指標(biāo)。

3.1.2.1 含雜率 每組試驗結(jié)束，出料口排出籽粒用簸箕收集，稱質(zhì)量。人工用簸箕清選籽粒后再次稱質(zhì)量，后一次質(zhì)量占脫出第一次收集質(zhì)量百分比為含雜率。

式中，Zy為含雜率（%）；m1為排料口排除籽粒質(zhì)量（g）；m2為人工清選后籽粒質(zhì)量（g）。

3.1.2.2 風(fēng)機(jī)損失 風(fēng)機(jī)出口中籽粒的質(zhì)量占籽?？傎|(zhì)量的百分比為風(fēng)機(jī)損失。式中，Sf為風(fēng)機(jī)損失（%）；m3為風(fēng)機(jī)出口損失籽粒質(zhì)量（g）；m4為篩板末端損失籽粒質(zhì)量（g）。

3.1.2.3 篩板損失 篩板出口中籽粒的質(zhì)量占籽粒總質(zhì)量的百分比為篩板損失。

式中，Ss為篩板損失（%）。

因目前國內(nèi)關(guān)于燕麥?zhǔn)斋@相關(guān)研究較少，參考中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY/T 995—2006 谷物（小麥）聯(lián)合收獲機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》[13]，本試驗3個響應(yīng)評價標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 清選性能評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Evaluation criteria of cleaning performance

3.2 風(fēng)機(jī)風(fēng)速單因素試驗

在脫粒滾筒轉(zhuǎn)速361.26 r/min，脫粒間隙11.923 mm，清選篩為網(wǎng)眼尺寸4 mm×4 mm編織篩，振動篩頻率為4.16 Hz的條件下，風(fēng)機(jī)風(fēng)速在0.5～2.5 m/s范圍內(nèi)調(diào)整，獲取含雜率、風(fēng)機(jī)損失和篩板損失的變化情況如圖16所示。

由圖16可知，含雜率隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)速增大而減小，風(fēng)機(jī)損失隨風(fēng)機(jī)風(fēng)速增加而增加，篩板損失隨風(fēng)機(jī)風(fēng)速增加變化不大。含雜率在風(fēng)速1.0 m/s后低于5%，達(dá)到預(yù)定要求；風(fēng)機(jī)損失在0.5～1.0 m/s內(nèi)低于5%，達(dá)到預(yù)期；篩板損失在2 m/s以下整體符合要求。綜合考慮，風(fēng)機(jī)風(fēng)速在0.5～1.0 m/s時，符合清選要求。利用GLM法回歸[14]，得到含雜率(Y1)、風(fēng)機(jī)損失(Y2)、篩板損失（Y3)和風(fēng)機(jī)風(fēng)速（x）之間函數(shù)關(guān)系分別為：Y1=0.047 7-0.016 46x（P＜0.05，R2=0.816 3），Y2=-0.025 01+0.056 06x（P＜0.01，R2=0.985 7），Y3=-0.013 62+0.077 2x-0.052 5x2（P＜0.05，R2=0.999 0）。

3.3 振動篩頻率單因素試驗

本試驗在脫粒滾筒轉(zhuǎn)速361.26 r/min，脫粒間隙11.923 mm，清選篩為網(wǎng)眼尺寸4 mm×4 mm編織篩，風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口風(fēng)速1 m/s的條件下，振動篩頻率在3.08～5.83 Hz范圍內(nèi)調(diào)整，獲取含雜率、風(fēng)機(jī)損失和篩板損失的變化情況，結(jié)果如圖17所示。

由圖17可知，含雜率隨著振動篩頻率增加而減小，風(fēng)機(jī)損失隨振動篩頻率增加而減小，篩板損失隨振動篩頻率增大而增大。含雜率在振動篩頻率達(dá)到13.5 Hz后低于5%，達(dá)到預(yù)期；風(fēng)機(jī)損失整體低于5%，隨振動篩頻率增大而下降；篩板損失受影響最大，3.08～4.16 Hz內(nèi)符合要求，4.16 Hz后損失急劇增大。綜合考慮，振動篩頻率在3.08～4.16 Hz內(nèi)符合清選性能要求。利用GLM法回歸，得到含雜率(Y4)、風(fēng)機(jī)損失（Y5）、篩板損失（Y6）和振動頻率（x）之間函數(shù)關(guān)系分別為：Y4=0.380 5－0.002 23x+0.000 03x2（P＜0.05，R2=0.951 2），Y5=0.064 6+0.000 101x（P＜0.05，R2=0.951 6），Y6=-0.206 4+0.001 045x（P＜0.05，R2=0.918 4）。

3.4 正交試驗

本試驗通過Design-Expert 8.0軟件設(shè)計，所有試驗因素采用-1（低）、0（中）、1（高）3個水平表示[15]，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 試驗設(shè)計及結(jié)果Tab.4 Experimental design and results

由表5可知，風(fēng)機(jī)風(fēng)速（A）的P值＜0.001，對回歸模型影響極顯著，振動篩頻率（B）的P值＜0.001，對回歸模型影響極顯著，互作效應(yīng)AB的P值＜0.001，說明風(fēng)機(jī)風(fēng)速和振動篩頻率對含雜率影響較大，互作效應(yīng)極顯著。

表5 含雜率方差分析Tab.5 Analysis of variance of impurity r ate

從表6可以看出，風(fēng)機(jī)風(fēng)速（A）的P值＜0.001，對回歸模型影響極顯著，振動篩頻率（B）的P值＞0.05，對回歸模型影響不顯著，互作效應(yīng)AB的P值＜0.001，說明風(fēng)機(jī)風(fēng)速對風(fēng)機(jī)損失影響最大，振動篩頻率不顯著，二者的互作效應(yīng)極顯著。

表6 風(fēng)機(jī)損失方差分析Tab.6 Analysis of variance of fan loss

由表7可知，風(fēng)機(jī)風(fēng)速（A）的P值＜0.001，對回歸模型影響極顯著，振動篩頻率（B）的P值＜0.001，對回歸模型影響極顯著，互作效應(yīng)AB的P值＜0.05，說明互作效應(yīng)AB顯著，且振動篩頻率對篩板損失影響最大，同時受到風(fēng)機(jī)風(fēng)速的影響。

表7 篩板損失方差分析Tab.7 Analysis of variance of screen loss

對影響清選性能的風(fēng)機(jī)風(fēng)速（A）、振動篩頻率（B）2個試驗因素的交互作用進(jìn)行3D響應(yīng)曲面分析。從圖18可以看出，風(fēng)機(jī)風(fēng)速逐漸變大時，含雜率隨振動篩頻率增大而減小。

從圖19可以看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速為0.5～1.0 m/s時，風(fēng)機(jī)損失隨振動篩頻率增大而增大，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速為1.0～1.5 m/s時，風(fēng)機(jī)損失隨振動篩頻率增大而減小，交互作用明顯。從圖20可以看出，振動篩頻率對篩板損失影響較大，風(fēng)機(jī)風(fēng)速影響不大，交互作用顯著。

3.5 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

為得到最佳的試驗臺作業(yè)性能，利用Design-Expert 8.0軟件分析試驗結(jié)果，設(shè)定含雜率低于5%，風(fēng)機(jī)損失低于5%，篩板損失低于5%。求解回歸模型得到最優(yōu)參數(shù)為：風(fēng)機(jī)風(fēng)速1.14 m/s，振動篩頻率4.16 Hz，對應(yīng)預(yù)測結(jié)果含雜率為4.651%，風(fēng)機(jī)損失為1.685%，篩板損失為2.785%。

進(jìn)行驗證試驗，試驗結(jié)果及預(yù)測對比如表8所示，誤差率不超過2%，表明預(yù)測模型可靠，試驗最優(yōu)解有效[16]，可用于后期機(jī)器田間試驗。

表8 最優(yōu)參數(shù)情況的試驗結(jié)果與仿真對比Tab.8 Comparison of experimental results and simulations for optimal par ameter conditions

4 結(jié)論與討論

根據(jù)燕麥脫出物分離要求，完成了氣吸式篩分清選裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算，完成了Simulink仿真模擬篩板運動規(guī)律，并對物料在篩板上的運動進(jìn)行分析，結(jié)果表明，物料在篩板上做連續(xù)斜拋運動，最大拋送高度為29.31 mm，水平方向位移為11 mm，輸送速度為0.298 1 m/s，可以持續(xù)輸送和篩分物料。

單因素試驗結(jié)果表明，含雜率隨風(fēng)機(jī)風(fēng)速和振動篩頻率增大而減??；清選損失隨風(fēng)機(jī)風(fēng)速和振動篩頻率增大而增大。在風(fēng)機(jī)風(fēng)速0.5～1.0 m/s，振動篩頻率在3.08～4.16 Hz時，含雜率低于5%，風(fēng)機(jī)損失和篩板損失均低于5%，達(dá)到預(yù)定要求。

利用Design-Expert 8.0軟件設(shè)計響應(yīng)面正交試驗，通過響應(yīng)曲面分析可知，風(fēng)機(jī)風(fēng)速和振動篩頻率的交互效應(yīng)對含雜率和風(fēng)機(jī)損失影響較顯著，對篩板損失不顯著。同時獲得了最優(yōu)參數(shù)組合：風(fēng)機(jī)風(fēng)速1.14 m/s，振動篩頻率4.16 Hz時，預(yù)測含雜率為4.651%，風(fēng)機(jī)損失為1.865%，篩板損失為2.785%，清選裝置清選性能最佳。驗證試驗結(jié)果表明，含雜率4.576%，風(fēng)機(jī)損失1.707%，篩板損失2.700%，誤差低于2%，模型可用。參數(shù)組合符合性能指標(biāo)要求，可用于后期田間試驗。

結(jié)合田間試驗結(jié)果，雖然該清選裝置可快速高效地篩分出脫粒物料中的籽粒與雜質(zhì)，清選性能達(dá)到相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。但對比現(xiàn)有機(jī)型還存在一定不足，如相較于朱現(xiàn)學(xué)等[17]分析了不同谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選風(fēng)道的特點，并進(jìn)行了驗證試驗，效果優(yōu)良；劉師多等[18]的微型小麥聯(lián)合收獲機(jī)旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)，提出了新的清選思路。本研究對于清選系統(tǒng)氣流系統(tǒng)研究不足，僅僅是對于風(fēng)篩系統(tǒng)的疊加，后續(xù)改進(jìn)空間還很大。同時本機(jī)智能化水平較低，對比蔣慶等[19]研究的稻麥聯(lián)合收獲機(jī)清選智能調(diào)控模型和周賢龍等[20]的基于傳感器技術(shù)的谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選損失監(jiān)測系統(tǒng)，差距明顯。因此，后續(xù)的工作開展要致力于理論化模型和智能系統(tǒng)共重。