大豆玉米兼用清選裝置的設(shè)計與試驗

張黎驊，邱清宇，秦代林，羅惠中，袁森林，聶均杉

大豆玉米兼用清選裝置的設(shè)計與試驗

張黎驊，邱清宇，秦代林，羅惠中，袁森林，聶均杉

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，雅安 625000）

為解決大豆玉米間套作中收獲機清選裝置小，清選通用性差、清選時間不足導(dǎo)致的作業(yè)效果差等問題，該研究以4LZ-3.0Z小型自走式谷物聯(lián)合收獲機清選裝置為基礎(chǔ)，改進(jìn)了一種大豆玉米兼用清選裝置的試驗臺，首先使用EDEM建立玉米清選主要脫出物離散元模型，應(yīng)用EDEM-Fluent耦合仿真對比原篩箱A（直上篩和下篩）、改進(jìn)篩箱B（上篩分段、下篩凹面）、改進(jìn)篩箱C（下篩凹面更大）的清選過程，驗證設(shè)計合理性。然后選取振動頻率、上篩傾角、下篩傾角為試驗因素，以含雜率和損失率為試驗指標(biāo)，對大豆和玉米分別進(jìn)行單因素試驗和響應(yīng)面試驗，研究所選試驗因素對試驗指標(biāo)影響，并分別獲得兩種作物最佳工作參數(shù)組合。仿真試驗結(jié)果表明：篩箱B中籽粒透篩區(qū)域和物料移動趨勢相對于A、C更加利于清選。臺架試驗結(jié)果表明：所選試驗因素對試驗結(jié)果均有顯著影響（＜0.05），對于兩種作物，當(dāng)振動頻率增大，損失率和含雜率均先降低后上升；當(dāng)上篩和下篩傾角增大，含雜率先下降后上升，損失率持續(xù)下降。大豆響應(yīng)面試驗結(jié)果表明：當(dāng)振動頻率為5.9 Hz、上篩傾角為10.5°、下篩傾角為6.5°，最優(yōu)清選效果含雜率均值為0.622%，損失率均值為0.439%；玉米響應(yīng)面試驗結(jié)果表明：當(dāng)振動頻率為4.7 Hz、上篩傾角為10.3°、下篩傾角為8.6°，最優(yōu)清選效果含雜率均值為0.956%，損失率均值為0.771%，對比原機的清選裝置，改進(jìn)后大豆清選時含雜率降低38.8%，損失率降低45.9%；玉米清選時含雜率降低29.9%，損失率降低30.1%。研究可為大豆玉米通用聯(lián)合收獲機設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

農(nóng)業(yè)機械；仿真；試驗；清選裝置；響應(yīng)面分析

0 引 言

大豆玉米間套作模式是當(dāng)前國內(nèi)廣大農(nóng)村旱地栽培中比較常見的一種糧油復(fù)合栽培模式，對于保障糧油安全具有重要作用，但此模式收獲的機械化程度較低[1-2]。為提高大豆玉米間套作模式機械化收獲水平，急需研究大豆玉米通用風(fēng)篩式清選裝置等通用收獲部件，最終達(dá)到一臺聯(lián)合收獲機僅通過更換割臺，調(diào)整脫粒和清選工作參數(shù)就實現(xiàn)大豆玉米兼收的工作效果，減少收獲成本，提高收獲效率。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對大豆和玉米清選常用的風(fēng)篩式清選裝置的優(yōu)化已經(jīng)做過較多研究。Macaulay等[3]研究了物料進(jìn)入清選篩后的運動狀態(tài)；Dong等[4-6]基于離散元仿真研究了顆粒在篩面的運動狀況。Ginaji等[7]通過分析和試驗研究了篩面傾斜角度對振動篩篩分效率的影響。Mekonnen等[8]對清選風(fēng)機進(jìn)行三維CFD建模，發(fā)現(xiàn)較大的橫流進(jìn)風(fēng)開口對聯(lián)合收割機的清選效果更有利。王立軍等[9-11]研究了一種適宜玉米清選的貝殼篩，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種階梯式篩體和分段式篩體，進(jìn)一步提高了玉米清選效果。武振超[12]研究了不同篩不同區(qū)域的推移能力、分離能力，通過對比確立了一種清選效果優(yōu)秀的正弦曲線型篩。李洋等[13]分別對四風(fēng)道清選裝置內(nèi)部氣流場進(jìn)行了仿真及試驗，表明多風(fēng)道減輕了清選負(fù)荷，防止脫出混合物堆積。綜上，國內(nèi)外學(xué)者對單種作物的清選裝置研究較多，但對于提升清選裝置對于多種作物的通用性方面的研究還較少。

現(xiàn)階段西南地區(qū)大豆玉米間套作模式主要收獲機具為換裝割臺的小型谷物聯(lián)合收獲機，這些收獲機的清選裝置僅能調(diào)節(jié)魚鱗篩開度，無法改變其他運行參數(shù)，對于大豆玉米的清選適應(yīng)性還急需提高。此外，小型收獲機的清選裝置體積小、篩面短，部分落在上篩的物料來不及清選干凈就被排出機外，造成清選含雜率和損失率上升。鑒于此，本文在4LZ-3.0Z自走式谷物聯(lián)合收獲機清選裝置的基礎(chǔ)上，分析大豆和玉米各物理特性的差異，擬通過改變上下篩結(jié)構(gòu)，增加上下篩傾角調(diào)節(jié)裝置和下篩篩孔尺寸調(diào)節(jié)裝置，提高清選裝置對大豆和玉米的匹配度，延長清選時間，提升清選效果，為大豆玉米通用聯(lián)合收獲機提供理論研究基礎(chǔ)。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

大豆玉米兼用清選裝置試驗臺主要根據(jù)大豆和玉米尺寸、密度、懸浮速度等物理特性不同設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由雙風(fēng)道離心風(fēng)機、抖動板、前篩、后篩、下篩、接料箱、多種調(diào)節(jié)裝置等組成。上、下篩傾角和魚鱗篩開度分別如圖2中1、2和所示。試驗臺主要參數(shù)如表1所示。

1.離心風(fēng)機 2.風(fēng)向調(diào)節(jié)裝置 3.抖動板 4前篩 5.前篩開度調(diào)節(jié)裝置 6.后篩 7.后篩調(diào)節(jié)裝置 8.下篩調(diào)節(jié)裝置 9.下曲面篩 10.后軸及振幅調(diào)節(jié)裝置 11.接料箱 12.扭矩傳感器

1.上篩傾角調(diào)節(jié)孔 2.下篩傾角調(diào)節(jié)孔

1. Angle adjusting hole of upper sieve 2. Angle adjusting hole of lower sieve

注：1、2分別為上、下篩傾角，(°)；為魚鱗篩開度，mm。

Note:1,2is the inclination angle of the upper and lower sieve, (°);is the opening of fish scale sieve, mm.

圖2 各調(diào)節(jié)參數(shù)示意圖

Fig.2 Schematic diagram of each adjustment parameter

表1 試驗臺主要參數(shù) Table 1 Main parameters of test bench

1.2 工作原理

大豆玉米兼用清選裝置與傳統(tǒng)風(fēng)篩式清選裝置基本工作原理相同，主要是根據(jù)脫?；旌衔镏凶蚜Ｅc雜余的物理特性與空氣動力學(xué)特性的差異完成清選作業(yè)[14-16]。更換清選作物時，無需更換工作部件，只需通過調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速、篩箱振動頻率和其他關(guān)鍵部件的參數(shù)即可達(dá)到匹配作物的效果。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 篩箱設(shè)計

篩箱是清選裝置主要工作部件之一，篩箱主要包括抖動板、分段式上篩、曲面下篩和各調(diào)節(jié)裝置。篩箱尺寸參考4LZ-3.0Z自走式谷物聯(lián)合收獲機，篩箱內(nèi)部寬度為540 mm，長度為1215 mm。

2.1.1 分段式上篩設(shè)計

為適應(yīng)大豆和玉米脫出物清選時尺寸的差異，上篩采用可調(diào)節(jié)開度的魚鱗篩。魚鱗篩篩片長度為480 mm，魚鱗篩區(qū)域長度為670 mm。在常規(guī)小型清選裝置中，物料主要集中落在上篩前中部[17]，落在篩箱前端（抖動板和上篩前段）的籽粒能夠得到較充足的清選時間，但部分落在篩箱后部的籽?？赡軙豢焖倥懦鰴C外，所以本設(shè)計的分段式上篩分段位置在整個篩箱接近中部的區(qū)域，即魚鱗篩面三分之一處，其分段位置和結(jié)構(gòu)示意圖如圖2和3所示。魚鱗篩前后半段的開度調(diào)節(jié)均通過緊定螺釘固定，根據(jù)作物清選可能需要的開度，設(shè)置調(diào)節(jié)范圍為10～30 mm。

1.開度調(diào)節(jié)緊定螺栓 2.可調(diào)開度魚鱗篩 3.后篩開度調(diào)節(jié)裝置 4.后篩傾角調(diào)節(jié)孔

2.1.2 下曲面篩設(shè)計

根據(jù)常規(guī)清選篩內(nèi)部清選情況相關(guān)研究[18-19]，透過上篩的物料集中落在下篩前半段，容易造成物料堆積，不利于籽粒透篩。為提升下篩前半段對脫出物的推料、均布效果和后半段對脫出物的滯留、阻擋效果，下篩采用凹面編織篩，篩孔為15 mm方孔[20]，篩絲直徑為1 mm，水平長度為700 mm，參照《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》所規(guī)定篩面傾角范圍[21]，根據(jù)所需下篩樣式和長度，截取式中水平長度為700 mm的部分，擬合正弦函數(shù)得到凹面篩控制方程為

為保證清選大豆和玉米時都有較好效果，下篩需增加篩孔調(diào)節(jié)裝置。下篩使用雙層相同的編織篩重疊放置，編織篩通過焊接夾板組合，如圖4中位置B所示，以便安裝至篩箱。上層篩焊接具有長孔的夾板，長孔如圖4中位置A所示，使上層篩能夠沿著篩長孔方向進(jìn)行移動，當(dāng)兩層篩板錯開時，就能減小篩孔有效的尺寸，再通過緊定螺釘固定前后兩端，實現(xiàn)篩孔調(diào)節(jié)。

2.1.3 傾角調(diào)節(jié)裝置設(shè)計

因大豆和玉米物理性質(zhì)有各種差異，在篩箱上設(shè)計傾角調(diào)節(jié)裝置以確定上下篩在實際工作過程中最適宜的安裝傾角，上下篩一端固定，另一端通過緊定螺釘固定在長孔中實現(xiàn)傾角調(diào)節(jié)，篩面傾角過大會導(dǎo)致雜余無法排出，同時根據(jù)篩箱側(cè)面剩余空間，調(diào)節(jié)孔上篩后半段角度調(diào)節(jié)范圍制作為0°～25°，下篩已有一定傾角，下篩傾角調(diào)節(jié)范圍為制作為0°～15°。

圖4 下篩篩孔調(diào)節(jié)裝置示意圖

2.2 單籽粒受力分析

受力分析主要對單顆籽粒相對于篩面拋擲時和拋擲后的受力進(jìn)行分析，研究上篩傾角和下曲面篩（兩位置籽粒瞬時受力情況相同）對籽粒的影響。當(dāng)籽粒所受系統(tǒng)慣性力向上時，系統(tǒng)慣性力沿篩面法線方向分力與籽粒所受篩面支持力方向相同，籽粒此時有被拋起的趨勢，其在篩面受力分析如圖5所示。

注：F為籽粒所受摩擦力，N；N為籽粒所受支持力，N；I為籽粒所受系統(tǒng)慣性力，N；P為籽粒所受風(fēng)力，N；G為籽粒所受重力，N；α為籽粒接觸篩面位置切線與水平方向夾角，(°)；β為風(fēng)力方向與水平方向夾角，(°)；δ為振動方向與水平面所夾銳角，(°)。

篩面運動方程為[22]

籽粒所受風(fēng)力P(N)為[22]

籽粒所受系統(tǒng)慣性力(N)為

式中0為籽粒所受慣性加速度m/s2，與篩面加速度大小相等方向相反。

由受力平衡有：

由式（6）～式（7）得：

注：Δy為篩面位移，mm；τ為物料速度與水平方向夾角，(°)；v0為物料拋起初速度，m·s-1；x為物料從拋起到撞擊篩面的水平位移，mm；y為物料從拋起到撞擊篩面的豎直位移，mm。

篩箱振動時，籽粒被篩面被拋起時記1，下一次落至篩面時間記2，如圖6所示，分析籽粒位移，得到：

可整理得出：

3 仿真分析

3.1 數(shù)值模型

為驗證分段上篩和凹面下篩清選過程中對物料的影響，使用EDEM-Fluent耦合對物料篩面運動軌跡和透篩過程等進(jìn)行分析。玉米和大豆清選過程近似，但大豆豆莢不容易使用EDEM進(jìn)行填充，所以以玉米脫出物清選過程為代表進(jìn)行仿真分析。分別從玉米脫出物中挑選100個樣本進(jìn)行測量和記錄，并參考相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置[23-24]。為便于模擬和提高計算效率，只考慮體積和質(zhì)量的大小對玉米脫出物進(jìn)行建模和填充，如圖7所示。

圖7 玉米脫出物模型

為驗證下凹面篩清選效果，建立原有清選篩模型A，改進(jìn)后為分段傾斜上篩和符合式（1）曲線的凹面下篩的篩箱簡化模型B，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增大凹面程度，使下篩曲線方程振幅由91增至101的改進(jìn)后的篩箱模型C。分別將三種篩箱導(dǎo)入EDEM和Fluent軟件中，模型如圖8所示。

根據(jù)所選小型收獲機常規(guī)工作情況[25-26]設(shè)置喂入量為3 kg/s，振幅18 mm，振動頻率為5 Hz，進(jìn)入清選裝置的玉米脫出物是透過篩面正上方的脫粒凹板近似于勻加速向下的運動，玉米籽粒進(jìn)入篩箱的部位主要在篩箱前部，少部分在篩箱中后部，所以確定顆粒工廠位置在篩箱抖動板和上篩前半段上方，顆粒初速度設(shè)置為0。在Fluent中選定標(biāo)準(zhǔn)-模型，求解器類型選定為壓力基非穩(wěn)態(tài)，風(fēng)速設(shè)置為10 m/s[27]。

圖8 篩箱模型

3.2 結(jié)果與分析

脫出物進(jìn)入篩箱后，各顆粒之間以及顆粒與清選裝置之間會產(chǎn)生接觸后形成復(fù)雜運動，三種篩箱清選至3 s時的仿真情況如圖9所示。試驗中，籽粒自上篩排出情況較少，僅截取圓形籽粒在下篩的運動路徑進(jìn)行觀察和分析，如圖10所示。

圖9 篩分過程模擬

對比圖9中三種篩箱的總體清選情況，并觀察籽粒每次跳動的劇烈程度和位移情況判斷籽粒速度，未改進(jìn)的篩箱A中物料每次跳躍情況相似，向后的位移相對均勻，物料在上篩和下篩前中部透篩集中；在改進(jìn)后的篩箱中B和C中，物料在上篩后半段和下篩后半段跳動小，后移速度明顯更低，在下篩前半段后移速度快，物料在上篩中部透篩集中，籽粒在下篩中部透篩較多。但因雜余也會被有傾角的篩面阻擋，導(dǎo)致排雜緩慢，篩箱B中的雜余能隨著多次振動后從下篩尾部排出，篩箱C因為篩尾部傾角過大，部分雜余無法排出，不停向后滑落，長時間滯留在下篩，影響清選效率。

圖10 篩箱中圓形籽粒運動過程

對比圖10中下篩籽粒的運動軌跡，籽粒在篩箱A上每次跳躍情況相似，未透篩的籽粒以較快的速度向后移動，多次未透篩后就可能排出機外，導(dǎo)致籽粒損失。B、C兩種篩箱中，籽粒在下篩前半段跳躍幅度大，快速向后移動，避免了籽粒堆積，同時因為后半段阻擋，籽粒更難被拋起，部分籽粒在篩尾發(fā)生回彈現(xiàn)象，難以從排雜口排出，篩箱C中回彈現(xiàn)象更加明顯，透篩區(qū)域也更靠近篩面中部。

綜上，篩箱中物料運動情況符合受力分析中的結(jié)論，采用可調(diào)傾角的上篩和式（1）曲線的下篩的篩箱B清選效果更好，所以本設(shè)計采用此形式。

4 試驗與分析

4.1 儀器與設(shè)備

試驗儀器與設(shè)備主要包括：銳普RP100型變頻器、DT-3880熱敏式風(fēng)速儀（精度：±5%）、電子秤（精度：0.1 g）、大豆玉米兼用清選試驗臺（圖11）、JN-DN3扭矩傳感器、UT371非接觸式轉(zhuǎn)速儀、懸浮速度測試臺、攔截紗網(wǎng)等。

圖11 清選試驗臺

4.2 試驗材料

選取大豆玉米間作常用品種，玉米品種為雅玉988，大豆品種為南豆12，用聯(lián)合收獲機脫粒處理，測量隨機選取的100粒試驗大豆和玉米籽粒的三軸尺寸計算平均數(shù)值，為篩網(wǎng)調(diào)節(jié)提供參考，大豆、玉米三軸尺寸平均值分別為6.364、5.225、7.631 mm和7.813、5.176、11.055 mm；對未清選的脫出物進(jìn)行分類后使用電子秤稱量各物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[28-29]后使用懸浮速度測試臺測試各物料懸浮速度，為風(fēng)機轉(zhuǎn)速選擇提供參考，結(jié)果如表2所示。

表2 各物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)及懸浮速度 Table 2 Mass fraction and suspension speed of each material

4.3 清選裝置性能試驗

4.3.1 試驗方法

根據(jù)《JB/T11912-2014大豆收割機》、《GB/T 21962-2020玉米收獲機械技術(shù)條件》等現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行臺架試驗。

1）為對比篩箱A和B清選過程的籽粒透篩區(qū)域分布情況，與仿真試驗設(shè)置相同參數(shù)（上篩傾角25°，下篩傾角10°）進(jìn)行臺架驗證試驗，試驗前按下篩尺寸將接料箱均分為前、中、后三個區(qū)域，試驗后收集籽粒并計算各區(qū)域籽粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2）選取籽粒的含雜率和損失率作為試驗指標(biāo)。含雜率：每次試驗結(jié)束后，收集接料箱中所有物料并稱量，人工清選出所有雜質(zhì)后對潔凈籽粒稱量，清理出的雜質(zhì)占所有物料質(zhì)量的百分比為含雜率。籽粒含雜率計算式為

式中w為含雜率，%；1為接料箱中所有物料的質(zhì)量，kg；2為潔凈籽粒質(zhì)量，kg。

損失率：試驗時用攔截紗網(wǎng)收集所有從清選機排出的物料，每次試驗結(jié)束后，人工收集排出物料中的籽粒并稱量。籽粒損失率計算式為

式中P為損失率，%；3為排出機外籽粒的質(zhì)量，kg。

根據(jù)預(yù)試驗結(jié)果，振動頻率和上、下篩不同安裝傾角對于試驗結(jié)果影響較大，所以選取上述因素進(jìn)行單因素試驗。試驗各因素如表3所示，兩種作物清選時均設(shè)置振幅為18 mm，喂入量3 kg/s，每次試驗使用傳送帶持續(xù)喂入3 s，玉米試驗時魚鱗篩開度為20 mm，風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min；大豆試驗時魚鱗篩開度為17 mm，風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。根據(jù)表2作物參數(shù)并參考相關(guān)文獻(xiàn)[30]，下篩調(diào)節(jié)前篩選玉米，同時為保證調(diào)節(jié)后大豆透篩率不下降，篩孔調(diào)節(jié)后為15 mm×12 mm長孔，按式（16）[22]計算得到大豆透篩率大于玉米透篩率，錯開篩網(wǎng)的調(diào)節(jié)方法不會使透篩率下降。

表3 單因素試驗各因素取值 Table 3 Acceptance value of each factor in single factor test

4.3.2 仿真結(jié)果驗證試驗

仿真驗證試驗重復(fù)5次取平均值，結(jié)果如圖12所示。篩箱A和B清選后的籽粒透篩后掉落至接料箱前、中、后三個區(qū)域中的分布情況符合仿真試驗結(jié)論，證明仿真分析結(jié)果可靠。

圖12 仿真結(jié)果驗證試驗

4.3.3 單因素試驗

大豆和玉米清選單因素試驗結(jié)果如圖13所示。清選物料含雜率和損失率隨振動頻率先下降后上升，振動頻率上升，物料能更好的從雜質(zhì)中分離和透過篩網(wǎng)，隨著振動頻率持續(xù)上升，篩網(wǎng)對物料的撞擊加大，更容易快速后移，同時雜質(zhì)也因為劇烈運動更容易透篩；清選物料含雜率隨著篩網(wǎng)角度上升先減小后上升，損失率持續(xù)下降。篩網(wǎng)角度上升能減小物料向后移動速度，增加篩選時間，隨著篩網(wǎng)角度持續(xù)上升，雜余在清選機中被篩網(wǎng)阻擋，滯留時間過長，透篩幾率上升，所以含雜率先下降后上升；同時籽粒也被傾斜篩網(wǎng)阻擋，所以損失率持續(xù)下降。

圖13 單因素試驗

4.3.4 響應(yīng)面試驗

根據(jù)單因素試驗的結(jié)果，以振動頻率（）、上篩傾角（）、下篩傾角（）為自變量，以大豆（玉米）的含雜率和損失率為響應(yīng)值，用Design-expert進(jìn)行試驗的設(shè)計，對回歸模型含雜率（w）和損失率（P）進(jìn)行分析，大豆和玉米因素水平如表4所示，試驗結(jié)果如表5所示。利用Design-expert統(tǒng)計軟件對回歸模型進(jìn)行分析，結(jié)果如表6所示。

表4 試驗因素編碼 Table 4 Coding levels and factors

由表6分析可知，對于大豆籽粒含雜率和損失率，模型<0.01，說明擬合模型均達(dá)到極顯著水平；失擬項>0.05，失擬項均不顯著；模型決定系數(shù)2均較高，表明回歸數(shù)學(xué)模型與實際結(jié)果擬合精度高。振動頻率（）對于含雜率和損失率<0.05，說明振動頻率對大豆含雜率和損失率影響顯著；上篩傾角（）、下篩傾角（）對于含雜率<0.05，說明上、下篩傾角對大豆含雜率影響顯著；上篩傾角（）、下篩傾角（）對于損失率<0.01，證明這些因素對于損失率的影響極顯著。影響含雜率各因素按影響大小排序依次為上篩傾角、下篩傾角、振動頻率；影響損失率各因素按影響大小排序依次為下篩傾角、上篩傾角、振動頻率。各交互因素響應(yīng)面如圖14 a、14b、14c所示。影響大豆清選效果的3個因素經(jīng)過擬合得到含雜率（w1）和損失率（P1）回歸方程如式（17）和（18）。

表5 響應(yīng)面試驗結(jié)果 Table 5 Response surface test results

表6 方差分析結(jié)果Table 6 Analysis of variance results

注：<0.01表示極顯著；<0.05表示差異顯著。

Note:< 0.01 means extremely significance;<0.05 means significance.

通過Design-Expert軟件對回歸方程進(jìn)行求解，得出此清選裝置對于大豆的最佳作業(yè)參數(shù)（小數(shù)取整）為振動頻率5.9 Hz、上篩傾角10.5°、下篩傾角6.5°。預(yù)測的響應(yīng)值為含雜率0.6%，損失率0.4%。為驗證回歸模型的可靠性，對上述最佳清選作業(yè)參數(shù)進(jìn)行5次試驗，試驗結(jié)果表明：含雜率均值為0.622%，損失率均值為0.439%。

對于玉米籽粒含雜率和損失率，模型<0.01，說明擬合模型達(dá)到極顯著水平；失擬項>0.05，失擬項均不顯著；模型決定系數(shù)2均較高，表明回歸數(shù)學(xué)模型與實際結(jié)果擬合精度高。振動頻率（）對于含雜率<0.01，對于損失率<0.05，證明振動頻率對含雜率影響極顯著，對損失率影響顯著；上篩傾角（）和下篩傾角（）<0.01，證明這些因素對籽粒含雜率和損失率影響極顯著。上、下篩傾角影響含雜率各因素按影響大小排序依次為下篩傾角、振動頻率、上篩傾角；影響損失率各因素按影響大小排序依次為下篩傾角、上篩傾角、振動頻率。各交互因素響應(yīng)面如圖14d、14e、14f所示。

圖14 各交互因素響應(yīng)面

影響玉米清選效果的3個因素經(jīng)過擬合得到含雜率（w2）和損失率（P2）回歸方程如式（19）和（20）所示。此清選裝置對于玉米的最佳作業(yè)參數(shù)（小數(shù)取整）為振動頻率4.7 Hz、上篩傾角10.3°、下篩傾角8.6°。預(yù)測的響應(yīng)值為含雜率0.9%，損失率0.7%。試驗含雜率均值為0.956%，損失率均值為0.771%。

大豆和玉米的含雜率及損失率試驗值與預(yù)測值的相對誤差均小于5%，說明回歸模型準(zhǔn)確度較高。

兩種物料的清選效果均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。未改進(jìn)的4LZ-3.0Z小型自走式谷物聯(lián)合收獲機進(jìn)行大豆清選時，籽含雜率為1.017%，清選損失率為0.811%，改進(jìn)后含雜率降低38.8%，損失率降低45.9%；進(jìn)行玉米清選時，籽粒含雜率為1.364%，清選損失率為1.103%，改進(jìn)后含雜率降低29.9%，損失率降低30.1%。

5 結(jié) 論

1）上篩采用魚鱗篩調(diào)節(jié)開度，兩層下篩重疊并沿篩面移動改變篩孔并調(diào)節(jié)工作角度，可以實現(xiàn)大豆和玉米清選切換，同時通過透篩概率的計算證明，大豆透篩率不會降低。通過清選脫出物受力分析和仿真試驗驗證分段式上篩和凹面下篩設(shè)計能夠延長作物清選時間，減少籽粒后移速度。

2）由回歸模型對響應(yīng)面試驗分析得出，影響大豆含雜率各因素按影響大小排序依次為上篩傾角、下篩傾角、振動頻率，影響損失率各因素按影響大小排序依次為下篩傾角、上篩傾角、振動頻率；影響玉米清選含雜率各因素按影響大小排序依次為下篩傾角、振動頻率、上篩傾角，影響損失率各因素按影響大小排序依次為下篩傾角、上篩傾角、振動頻率。

3）得到了大豆玉米兼用清選裝置對于作物的最佳作業(yè)參數(shù)，對于大豆：振動頻率為5.9 Hz、上篩傾角為10.5°、下篩傾角為6.5°，最優(yōu)清選效果為含雜率均值為0.622%，損失率率均值為0.439%，改進(jìn)后含雜率降低38.8%，損失率降低45.9%；對于玉米：振動頻率為4.7 Hz、上篩傾角為10.3°、下篩傾角為8.6°，最優(yōu)清選效果為含雜率均值為0.771%，損失率均值為0.956%，改進(jìn)后含雜率降低29.9%，損失率降低30.1%。

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Design and test of the dual-purpose cleaning device for soybean and corn

Zhang Lihua, Qiu Qingyu, Qin Dailin, Luo Huizhong, Yuan Senlin, Nie Junshan

(,,625000,)

Sufficient clearing time, lower impurity content, and loss rate are highly required in the cleaning device of the harvester. The higher generality, larger size, and sieve surface of the device are also demanded during the clearing operation of the two crops of soybean and corn. In this study, an improved cleaning bench was optimized for the 4LZ-3.0Z small self-walking combined grain harvester. A testbed was also built for the cleaning device of soybean and corn. Firstly, the discrete element model was established for the main explants of corn cleaning using EDEM software. Secondly, the EDEM-Fluent coupling simulation was conducted to determine the trajectory and velocity changes of materials in the sieving box during cleaning. A comparison was made on the original sieve box A (Straight upper sieve and lower sieve), the improved sieve box B (Upper sieve section and lower sieve concave surface), and the improved sieve box C (Concave surface is larger). Thirdly, the force analysis was then verified to be the optimal design. The experimental factors were selected as the vibration frequency of the vibrating sieve, the inclination angle of the upper sieve, and the inclination angle of the lower sieve, particularly for the generality and performance of the cleaning device. The single factor test and Response Surface Method (RSM) were carried out for the soybean and corn, with the impurity rate and the loss rate of the cleaning as the experimental indexes. Finally, the best parameter combination was obtained to clarify the influence of experimental factors on the indicators in the cleaning device for two crops. The simulation results showed that the grain movement in the process of cleaning was consistent with the force analysis. Specifically, there was miscellaneous accumulation in the sieve box C. Much more contribution of cleaning was achieved in the grain penetration area and the material movement trend in the sieve box B, compared with the box A and C. The bench test results of the two crops showed that the three selected test factors presented a significant influence on the parameters (<0.05). Once the vibration frequency increased, the loss rate and impurity rate of the grain cleaning showed a trend of first decreasing and then increasing during the cleaning of the two crops. By contrast, the impurity content decreased first and then increased, while the loss rate continued to decrease, as the inclination angle of the upper and lower sieve increased significantly. The RSM showed that the optimal working parameters of the equipment for the soybean cleaning were the vibration frequency of 5.9 Hz, the inclination angle of the upper screen at 10.5°, and the inclination angle of the lower screen at 6.5°. The optimal cleaning was achieved in this case, where the average impurity rate and loss rate were 0.622% and 0.439%, respectively. In corn cleaning, the optimal working parameters of the cleaning device were the vibration frequency of 4.7 Hz, the inclination angle of the upper screen at 10.3°, and the inclination angle of the lower screen at 8.6°. Correspondingly, the optimal cleaning was achieved, where the average impurities rate and loss rate were 0.956%, and 0.771%, respectively. Therefore, the impurity content and loss rate of the improved soybean cleaning were reduced by 38.8% and 45.9%, respectively, compared with the original. In corn cleaning, the impurity content and loss rate were reduced by 29.9% and 30.1%, respectively. This finding can provide a theoretical basis for the design soybean and corn combined harvester in the soybean and corn intercropping.

agricultural machinery; simulation; test; cleaning device; response surface analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.003

S232.5

A

1002-6819(2022)-15-0021-10

張黎驊，邱清宇，秦代林，等. 大豆玉米兼用清選裝置的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(15)：21-30.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.003 http://www.tcsae.org

Zhang Lihua, Qiu Qingyu, Qin Dailin, et al. Design and test of the dual-purpose cleaning device for soybean and corn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(15): 21-30. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.003 http://www.tcsae.org

2022-06-30

2022-07-30

國家玉米產(chǎn)業(yè)體系專項項目（CARS-02）；高地隙智能玉米跨行聯(lián)合收獲機的研發(fā)與示范（2020YFQ0033）；玉米-大豆帶狀復(fù)種關(guān)鍵環(huán)節(jié)機具和裝備研究與示范（2021YFG0063）

張黎驊，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為玉米全程機械化裝備。Email：zhanglihua69@126.com