油菜收獲清選篩面物料勻散導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

江 濤 李海同 關(guān)卓懷 沐森林 吳崇友 張 敏

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014)

0 引言

聯(lián)合收獲機(jī)清選系統(tǒng)作業(yè)性能對(duì)油菜收獲質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用[1-4]，國內(nèi)外油菜聯(lián)合收獲機(jī)普遍采用風(fēng)篩式清選系統(tǒng)[5-9]。油菜植株經(jīng)脫粒滾筒作用后，脫出物料落至清選篩面，受到氣流與振動(dòng)篩的共同作用，脫出物在篩面的分布及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)清選損失和作業(yè)效率具有顯著影響。

隨著油菜育種和栽培技術(shù)的發(fā)展，為了追求更高產(chǎn)量，我國長江流域冬油菜種植密度持續(xù)增大[10]，由以前的30萬株/hm2左右提高到目前的45～52.5萬株/hm2，收獲期油菜生物量顯著提高，喂入量以及脫粒滾筒脫出物量增加明顯，現(xiàn)階段所普遍使用的履帶式油菜聯(lián)合收獲主力機(jī)型清選處理能力不足，導(dǎo)致清選損失率大幅增高，無法滿足高密高產(chǎn)油菜的收獲需求，已成為亟待解決的產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵問題。

歐美等油菜主產(chǎn)國普遍使用大型輪式聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行作業(yè)，機(jī)具成熟，作業(yè)性能高，且由于清選室空間大，可配置多層抖動(dòng)板以及多層振動(dòng)篩，能夠有效提升清選篩分面積，可對(duì)物料進(jìn)行多層次的精細(xì)篩分[11-12]。但是我國長江流域常用的履帶式聯(lián)合收獲機(jī)因?yàn)闄C(jī)體空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，通過增加振動(dòng)篩層數(shù)達(dá)到減損的方法并不適用。

國內(nèi)學(xué)者針對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)清選系統(tǒng)的減損研究主要集中于作業(yè)參數(shù)優(yōu)化，張敏等[13]進(jìn)行了Plackett-Burman試驗(yàn)和響應(yīng)面回歸試驗(yàn)，分析了影響風(fēng)篩選式聯(lián)合收獲機(jī)清選損失率和籽粒含雜率的主要因素為振動(dòng)篩振幅和曲柄轉(zhuǎn)速。WANG等[14]為了降低收獲清選損失，通過仿真模擬分析了不同篩孔形式對(duì)籽粒透篩概率的影響規(guī)律。劉鵬等[15-16]、仇解[17]通過設(shè)計(jì)聯(lián)合收獲機(jī)清選系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)并進(jìn)行了清選參數(shù)優(yōu)化田間試驗(yàn)，在一定程度上降低了清選損失率與含雜率。耿端陽等[18]為解決清選損失率和含雜率“雙高”問題，探究了清選裝置作業(yè)參數(shù)對(duì)清選損失率和籽粒含雜率的影響規(guī)律，確定了清選作業(yè)參數(shù)的最優(yōu)組合。針對(duì)高密高產(chǎn)油菜聯(lián)合收獲清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的研究尚未見報(bào)道。

通過本研究團(tuán)隊(duì)前期田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，收獲高密高產(chǎn)油菜時(shí)，由于割臺(tái)喂入生物量增加，清選篩面處理能力不足，滾筒脫出物會(huì)在篩面產(chǎn)生層疊和堆積，上層物料因無法及時(shí)透篩而被直接排出機(jī)外，造成清選損失率大幅度上升。通過調(diào)節(jié)清選作業(yè)參數(shù)仍然無法有效解決篩面物料堆積導(dǎo)致的籽粒難以透篩的問題，僅依靠氣流與振動(dòng)篩對(duì)物料的作用難以提高油菜籽粒與其他雜物的分離作用，無法有效降低清選損失率。

振動(dòng)篩是風(fēng)篩式清選系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件[19]，振動(dòng)篩面物料群體運(yùn)動(dòng)可以視為局部無序而整體有序、局部不穩(wěn)定而整體穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)[20]，脫出物料與振動(dòng)篩面碰撞后被拋起，上升過程中物料群體在自身重力作用下松散、分層和下落，與篩面接觸后完成與篩孔的尺寸比較和透篩。當(dāng)脫出物量增加后，物料在短暫拋起過程中的分層作用減弱，上層物料積壓阻礙了物料的分層與松散，進(jìn)而影響籽粒透篩。因此當(dāng)脫出物量增加后，為了提高籽粒的透篩幾率，需要提高物料群體的分層速度，使其快速達(dá)到松散狀態(tài)，關(guān)鍵在于加強(qiáng)物料群體在局部區(qū)域的無序運(yùn)動(dòng)，增加物料群體間的無規(guī)則碰撞次數(shù)，提高物料的離散程度。

基于上述問題和解決思路，本文通過設(shè)計(jì)清選篩面物料勻散導(dǎo)流裝置，對(duì)篩面物料流的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行及時(shí)干預(yù)，防止物料堆積，提升籽粒與其他雜質(zhì)的離散程度，提高籽粒透篩概率，從而提升清選系統(tǒng)的處理能力，提高作業(yè)性能，以期為解決履帶式油菜聯(lián)合收獲機(jī)適應(yīng)高密高產(chǎn)油菜收獲難題，獲得低損高效作業(yè)效果提供技術(shù)參考。

1 清選系統(tǒng)勻散導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 清選系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理

通用型履帶式油菜收獲機(jī)清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，清選氣流由六葉片離心風(fēng)機(jī)提供，振動(dòng)篩前端為波紋式抖動(dòng)板，振動(dòng)篩為雙層式結(jié)構(gòu)，上篩采用魚鱗篩，下篩采用編織篩，抖動(dòng)板和上下篩通過篩架尾部的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。物料經(jīng)過脫粒滾筒后散落在抖動(dòng)板和魚鱗篩面，脫出物中的油菜籽粒通過篩面落入輸糧螺旋輸送器并被輸送至糧箱中，小部分物料落入篩尾下方的二次清選螺旋輸送器并被輸送回脫粒、清選系統(tǒng)進(jìn)行二次作業(yè)。如前文所述，為了提高籽粒透篩幾率，需要通過外部作用來增加物料的松散度，以星光至勝100型油菜聯(lián)合收獲機(jī)清選系統(tǒng)為參考，在抖動(dòng)板后部、振動(dòng)篩上方增設(shè)兩組勻散導(dǎo)流裝置，如圖1所示。

圖1 帶有勻散導(dǎo)流裝置的清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of structure of cleaning system with uniform dispersion diversion device1.風(fēng)機(jī) 2.導(dǎo)風(fēng)板 3.勻散導(dǎo)流裝置 4.輸糧螺旋輸送器 5.編織篩 6.魚鱗篩 7.二次清選螺旋輸送器 8.振動(dòng)篩驅(qū)動(dòng)臂

物料在經(jīng)過滾筒脫粒分離后進(jìn)入清選系統(tǒng)，脫出物在振動(dòng)篩的作用下產(chǎn)生向上的拋擲運(yùn)動(dòng)。勻散導(dǎo)流裝置的導(dǎo)流桿作空間復(fù)合運(yùn)動(dòng)，對(duì)物料運(yùn)動(dòng)進(jìn)行干預(yù)和引導(dǎo)，增加物料間的碰撞，提高物料松散度和均勻性，減小篩分壓力，提高籽粒透篩幾率，作業(yè)過程示意如圖2所示。

圖2 清選系統(tǒng)作業(yè)過程示意圖Fig.2 Schematic of process of cleaning system

1.2 勻散導(dǎo)流裝置運(yùn)動(dòng)分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1運(yùn)動(dòng)分析

勻散導(dǎo)流裝置主要由導(dǎo)流桿、驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、主軸、主軸驅(qū)動(dòng)輪、滾筒以及滾筒驅(qū)動(dòng)輪組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。導(dǎo)流桿在空間中的運(yùn)動(dòng)為繞Y軸往復(fù)擺動(dòng)和繞X軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，同步實(shí)現(xiàn)對(duì)脫出物料群體的勻散、導(dǎo)流和推送：在篩面橫向方向上繞Y軸往復(fù)擺動(dòng)形成對(duì)脫出物料群體運(yùn)動(dòng)的勻散導(dǎo)流，繞X軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)形成對(duì)篩面物料群體的縱向推送。

如圖3所示，主軸驅(qū)動(dòng)輪以恒定角速度在YOZ平面內(nèi)繞X軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)以相同的角速度勻速旋轉(zhuǎn)，通過驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)上的滑槽與滾子接觸作用，導(dǎo)流桿僅在XOZ平面內(nèi)做往復(fù)擺動(dòng)而并不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，滾筒獨(dú)立于主軸繞X軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，筒壁與導(dǎo)流桿接觸作用，帶動(dòng)導(dǎo)流桿以相同的角速度繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 勻散導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.3 Schematics of device structure and movement1.滾筒驅(qū)動(dòng)輪 2.導(dǎo)流桿 3.驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié) 4.旋轉(zhuǎn)主軸 5.主軸驅(qū)動(dòng)輪 6.滾筒 7.保持架 8.滾子

當(dāng)主軸驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)過一定角度后，根據(jù)幾何關(guān)系有

(1)

式中ω——主軸驅(qū)動(dòng)輪角速度，rad/s

α——驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)滑槽傾角，(°)

LOA——主軸驅(qū)動(dòng)輪外圓到點(diǎn)O距離，mm

LOB——導(dǎo)流桿頂端到點(diǎn)O距離(導(dǎo)流桿回轉(zhuǎn)半徑)，mm

β——導(dǎo)流桿擺動(dòng)角，(°)

O——零向量

t——主軸驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，s

i、j、k——X、Y、Z軸方向上的單位向量

根據(jù)擺環(huán)運(yùn)動(dòng)特性，始終有向量LOB垂直于向量LOA，則

LOBLOA=0

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)可得

tanβ=tanαcos(ωt)

(3)

導(dǎo)流桿頂端在X軸向的移動(dòng)距離為

x=LOBsinβ

(4)

式中x——導(dǎo)流桿頂端在X軸向移動(dòng)距離，mm

將式(3)代入式(4)可得

(5)

則導(dǎo)流桿頂端在X軸方向的速度和加速度分別為

(6)

(7)

式中vx——導(dǎo)流桿頂端在X軸向移動(dòng)速度，mm/s

ax——導(dǎo)流桿頂端在X軸向加速度，mm/s2

此外，導(dǎo)流桿在滾筒帶動(dòng)下在YOZ平面內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)，則

(8)

式中z——導(dǎo)流桿頂端在Z軸向移動(dòng)距離，mm

y——導(dǎo)流桿頂端在Y軸向移動(dòng)距離，mm

ω2——滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s

則導(dǎo)流桿頂端在YOZ平面內(nèi)的速度和加速度分別為

(9)

(10)

式中vz——導(dǎo)流桿頂端在Z軸向移動(dòng)速度，mm/s

vy——導(dǎo)流桿頂端在Y軸向移動(dòng)速度，mm/s

az——導(dǎo)流桿頂端在Z軸向向心加速度，mm/s2

ay——導(dǎo)流桿頂端在Y軸向向心加速度，mm/s2

由上述分析可以看出，導(dǎo)流桿的往復(fù)擺動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)主要受導(dǎo)流桿回轉(zhuǎn)半徑LOB、驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)滑槽傾角α、主動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)輪角速度ω以及滾筒角速度ω2的影響。為方便表述和后續(xù)仿真設(shè)置，轉(zhuǎn)換主動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)輪角速度ω為導(dǎo)流桿頂端擺動(dòng)頻率

(11)

式中f——導(dǎo)流桿頂端往復(fù)擺動(dòng)頻率，Hz

轉(zhuǎn)換滾筒角速度ω2為導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速

(12)

式中n2——導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速，r/min

1.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證導(dǎo)流桿擺動(dòng)極限位置在篩面內(nèi)，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)中心點(diǎn)O到篩面?zhèn)冗吘嚯x為

D≥LOBsinα

(13)

式中D——驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)中心到篩面?zhèn)冗吘嚯x，mm

為保證相鄰導(dǎo)流桿在X軸方向不會(huì)相互干涉，中心距為

L≥2LOBsinα

(14)

式中L——相鄰驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)中心距，mm

設(shè)振動(dòng)篩面寬度為b，則篩面寬度方向上可配置的導(dǎo)流裝置個(gè)數(shù)滿足

2D+(q-1)L≤b

(15)

(16)

式中q——振動(dòng)篩面寬度方向?qū)Я鳁U個(gè)數(shù)

通過測量參考機(jī)型清選室尺寸，確定脫粒滾筒最低點(diǎn)到上篩面的距離為260 mm，綜合考慮振動(dòng)篩振幅以及物料群體運(yùn)動(dòng)過程中離開篩面的高度，設(shè)計(jì)導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到端部距離LOB=100 mm?？紤]傳動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性以及振動(dòng)，并參考聯(lián)合收獲機(jī)割刀擺環(huán)機(jī)構(gòu)傾角最佳范圍[21]，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)滑槽傾角不超過30°。根據(jù)篩面寬度760 mm，設(shè)計(jì)篩面寬度方向?qū)Я鳁U個(gè)數(shù)為7個(gè)。

油菜脫出物在離開抖動(dòng)板后在水平方向上移動(dòng)距離為90～110 mm[22]，因此為了不影響物料在離開抖動(dòng)板后的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)第1組導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心到抖動(dòng)板端部的距離為160 mm，由于篩分物料量沿著篩面長度方向遞減，此外若第2組導(dǎo)流桿過于靠近篩尾，會(huì)降低作用效果，因此設(shè)計(jì)兩組導(dǎo)流桿中心距離為400 mm，具體尺寸如圖4所示。

圖4 裝置位置示意圖Fig.4 Schematic of device position

2 仿真模型與參數(shù)設(shè)置

2.1 清選系統(tǒng)及勻散導(dǎo)流裝置模型

根據(jù)前文設(shè)計(jì)在SolidWorks軟件中建立清選系統(tǒng)以及勻散導(dǎo)流裝置三維模型，其中魚鱗篩開度為40°，編織篩孔尺寸為10 mm×10 mm，篩面傾角為3°，篩面長度為850 mm。在運(yùn)用離散元方法探究谷物振動(dòng)篩分的仿真研究中，常采用減小篩面寬度的方法來降低計(jì)算量[7,23-24]。本文研究目的為探究勻散導(dǎo)流裝置對(duì)篩面物料的疏松和分層作用對(duì)清選性能的影響，由于振動(dòng)篩作業(yè)時(shí)沒有橫向位移，且其結(jié)構(gòu)在寬度方向上對(duì)稱，篩面寬度對(duì)篩上物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律幾乎沒有影響，因此綜合考慮，將篩面寬度設(shè)為200 mm。在ANSYS Workbench軟件的Meshing模塊中采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格法對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[25-26]，設(shè)置網(wǎng)格最小單元尺寸為2 mm，對(duì)魚鱗篩面進(jìn)行網(wǎng)格加密，共生成28 241 332個(gè)網(wǎng)格，平均質(zhì)量0.84，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 清選系統(tǒng)網(wǎng)格模型Fig.5 Grid model of cleaning system

2.2 顆粒離散元模型

油菜收獲滾筒脫出物主要可分為3類：油菜籽粒、角果殼和莖稈，如圖6所示。根據(jù)實(shí)際外形尺寸建立離散元模型。油菜籽粒平均直徑為2 mm，千粒質(zhì)量4.2 g；莖稈平均長度50 mm，直徑6 mm；角果殼平均長度45 mm，近似寬度與厚度為3 mm。

各材料力學(xué)特性參數(shù)及相互間接觸作用系數(shù)如表1、2所示[27-28]。

表1 物料力學(xué)特性參數(shù)Tab.1 Mechanical properties of materials

表2 各材料間接觸系數(shù)Tab.2 Contact coefficient between materials

2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

EDEM軟件中的基礎(chǔ)接觸模型采用 Hertz-Mindlin 無滑動(dòng)模型，為了避免寬度縮減造成振動(dòng)篩兩側(cè)壁面對(duì)物料運(yùn)動(dòng)的影響，將計(jì)算區(qū)域的X軸方向設(shè)為周期邊界條件，即當(dāng)有顆粒離開一側(cè)壁面的計(jì)算區(qū)域時(shí)，會(huì)從另一側(cè)壁面進(jìn)入計(jì)算區(qū)域。該機(jī)型正常作業(yè)時(shí)振動(dòng)篩頻率為6 Hz，振幅21 mm，振動(dòng)方向角30°。設(shè)定EDEM中時(shí)間步長是Rayleigh步長的25%。在Fluent中選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，求解器類型選定為壓力基非穩(wěn)態(tài)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為950 r/min，時(shí)間步長為EDEM中的50倍。

根據(jù)前期田間試驗(yàn)結(jié)果，該機(jī)型以正常作業(yè)速度收獲高密高產(chǎn)油菜時(shí)，進(jìn)入割臺(tái)螺旋輸送器的油菜植株生物量約為7 kg/s，其中進(jìn)入清選系統(tǒng)的脫出物質(zhì)量約占41%，脫出物各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為籽粒43%、角果殼22%、莖稈31%、其他雜余4%，設(shè)定EDEM中的顆粒工廠連續(xù)生成脫出物總時(shí)間為4 s。為避免表述歧義，文中的喂入量均指由脫粒滾筒進(jìn)入清選系統(tǒng)的脫出物質(zhì)量。

在EDEM中設(shè)置4個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域，如圖7所示。其中籽粒透篩統(tǒng)計(jì)區(qū)域位于編織篩下方，劃分為50×10個(gè)子區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)于編織篩的篩孔，用于統(tǒng)計(jì)籽粒透篩數(shù)量和位置。籽粒統(tǒng)計(jì)區(qū)域1用于統(tǒng)計(jì)收集到的籽粒以及雜物質(zhì)量，籽粒統(tǒng)計(jì)區(qū)域2用于統(tǒng)計(jì)通過篩尾進(jìn)入二次脫粒清選的籽粒及雜物質(zhì)量，篩尾損失統(tǒng)計(jì)區(qū)域用于統(tǒng)計(jì)清選過程中被排出機(jī)體的籽粒個(gè)數(shù)。

圖7 各統(tǒng)計(jì)區(qū)域示意圖Fig.7 Schematic representation of each statistical area

3 仿真結(jié)果分析

3.1 原機(jī)清選仿真結(jié)果

根據(jù)前述參數(shù)設(shè)置進(jìn)行仿真，由各統(tǒng)計(jì)區(qū)域計(jì)算清選損失率為8.81%，含雜率5.17%，已超過油菜聯(lián)合收獲作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。圖8為清選過程中篩面物料運(yùn)動(dòng)情況，由于脫出物量增加，篩上物料產(chǎn)生層疊和堆積，篩孔被大量的角果殼以及短莖稈所覆蓋，處于物料中上層的籽粒透篩機(jī)率降低，易隨篩面雜物一起向后運(yùn)動(dòng)并被拋出機(jī)體外。圖8a、8b分別為篩前和篩尾處的物料堆積情況，圖8c為篩尾處去除角果殼和莖稈后單獨(dú)顯示籽粒的運(yùn)動(dòng)情況，可以看出，沿篩面縱向方向上，籽粒和雜物間均有不同程度的摻雜和裹挾，在篩尾處仍然有較多的籽粒無法透篩，造成損失。

圖8 篩面物料堆積情況示意圖Fig.8 Schematics of material accumulation on screen

根據(jù)籽粒透篩位置和數(shù)量建立分布圖，如圖9所示?？梢钥闯?，籽粒的透篩位置多分布于振動(dòng)篩前半段，尤其集中于抖動(dòng)板與振動(dòng)篩承接區(qū)域內(nèi)。原因是由于在清選開始時(shí)刻，下落的物料并未在篩面產(chǎn)生堆積，籽粒透篩率較高，隨著物料層厚度的增加，籽粒與雜物的裹挾摻雜程度加劇，透篩率下降明顯。

圖9 籽粒透篩位置分布Fig.9 Oilseed penetration distribution

3.2 帶有勻散導(dǎo)流裝置清選仿真結(jié)果

3.2.1篩面氣流速度對(duì)比

為了明確增設(shè)勻散導(dǎo)流裝置后篩面的流場變化，提取原機(jī)與增設(shè)裝置后篩面區(qū)域截面氣流速度矢量圖，如圖10所示。

圖10 X軸向篩面氣流速度對(duì)比Fig.10 Comparison of screen region air velocity of X axis

從圖10可以看出，原機(jī)在魚鱗篩面上方30 mm區(qū)域內(nèi)的X軸向氣流速度為4.1～4.5 m/s，增設(shè)勻散導(dǎo)流裝置后，魚鱗篩面上方30 mm區(qū)域內(nèi)的X軸向氣流速度為4.3～4.6 m/s，且氣流方向基本保持一致，由此可以明確增設(shè)導(dǎo)流裝置后并不會(huì)對(duì)篩面區(qū)域內(nèi)的氣流速度和方向造成不利影響。

3.2.2清選結(jié)果分析

根據(jù)前文仿真參數(shù)，保持振動(dòng)篩振頻、振幅和振動(dòng)方向角不變，設(shè)定導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率為6 Hz、驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)滑槽傾角為15°以及導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速為100 r/min，在同等脫出物喂入量下進(jìn)行清選仿真對(duì)比試驗(yàn)，最終清選損失率為5.74%、含雜率3.25%，對(duì)比原機(jī)清選結(jié)果，損失率和含雜率均有所降低。

圖11虛線為導(dǎo)流桿頂端運(yùn)動(dòng)軌跡，可以看出，導(dǎo)流桿運(yùn)動(dòng)軌跡所形成的環(huán)扣能夠深入篩面上的物料群體，對(duì)其產(chǎn)生沿篩面橫向和縱向的導(dǎo)流作用。

圖11 導(dǎo)流桿運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.11 Schematic of diversion rod movement trajectory

圖12為原機(jī)清選系統(tǒng)與增設(shè)勻散導(dǎo)流裝置后清選過程中籽粒和角果殼以及莖稈之間的碰撞次數(shù)，可以看出，在增設(shè)勻散導(dǎo)流裝置后，籽粒與角果殼以及莖稈之間的碰撞次數(shù)增加明顯，根據(jù)前文所述，增加振動(dòng)篩分過程中物料間的無規(guī)則碰撞次數(shù)將有利于物料達(dá)到松散狀態(tài)，有利于提高籽粒透篩幾率。

圖12 籽粒與角果及莖稈碰撞次數(shù)對(duì)比Fig.12 Comparison of numbers of oilseed and pod and stalk collision

為提高篩面清選性能，應(yīng)當(dāng)提高篩面前端與抖動(dòng)板銜接區(qū)域的脫出物運(yùn)移速度，使該區(qū)域內(nèi)的物料快速后移和離散均布，減輕篩前壓力，提高篩面中段的篩分作用。

提取1.2～3.5 s內(nèi)篩前端區(qū)域油菜籽粒在Y軸方向上的平均速度，原機(jī)與增設(shè)勻散導(dǎo)流裝置后的籽粒運(yùn)動(dòng)速度變化對(duì)比如圖13所示?？梢钥闯?，在勻散導(dǎo)流裝置的作用下，油菜籽粒在Y軸向的平均運(yùn)移速度較原機(jī)整體提升明顯，利于其向后推送。

圖13 篩面籽粒Y軸方向平均速度對(duì)比Fig.13 Comparison of oilseed average velocity in Y direction on sieve surface

根據(jù)籽粒透篩位置和數(shù)量建立分布圖，如圖14所示。由圖14可以看出，在同樣的作業(yè)條件下，增設(shè)勻散導(dǎo)流裝置后，籽粒在篩面橫向位置上的透篩分布更加均勻且數(shù)量明顯增多，同時(shí)籽粒的透篩位置在篩面縱向方向上也有延伸，緩解了篩面前端的清選壓力。

圖14 增設(shè)勻散導(dǎo)流裝置后籽粒透篩位置分布Fig.14 Oilseed penetration distribution after installation of device

結(jié)合圖12～14可以看出，篩面勻散導(dǎo)流裝置的復(fù)合運(yùn)動(dòng)可以增加物料群體間的碰撞次數(shù)，提高籽粒和雜物的離散程度，有效解決物料堆積、分層能力減弱所造成的籽粒透篩困難問題，提高籽粒透篩幾率和透篩分布均勻性，有效降低清選損失率。同時(shí)物料群的疏松也利于氣流作用于其內(nèi)部，提升風(fēng)選效果，降低含雜率。

3.3 勻散導(dǎo)流裝置參數(shù)單因素試驗(yàn)

根據(jù)前文分析，在收獲高密高產(chǎn)油菜時(shí)，勻散導(dǎo)流裝置有利于降低清選損失率和含雜率，提升清選作業(yè)質(zhì)量，根據(jù)式(5)和式(8)可以看出，導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率f、導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速n2以及驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)滑槽傾角α?xí)?duì)導(dǎo)流桿在X、Y、Z軸方向上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)造成影響，進(jìn)而影響勻散導(dǎo)流裝置對(duì)物料群體的作用。為了研究這3個(gè)因素對(duì)清選作業(yè)性能的影響規(guī)律，以清選損失率Y1和清選含雜率Y2為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

3.3.1導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率對(duì)清選性能的影響

在導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速100 r/min、滑槽傾角15°時(shí)進(jìn)行導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)擺動(dòng)頻率低于5 Hz時(shí)，根據(jù)式(6)和式(11)計(jì)算得到的導(dǎo)流桿頂端在篩面橫向運(yùn)動(dòng)速度較低，對(duì)物料群體的運(yùn)動(dòng)影響不大，因此截選擺動(dòng)頻率從6 Hz開始時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，如圖15所示。由圖15可以看出，隨著擺動(dòng)頻率的增加，損失率先逐漸降低再升高，含雜率先下降后再快速增加。當(dāng)擺動(dòng)頻率升高時(shí)，導(dǎo)流桿對(duì)篩面物料的橫向作用次數(shù)增加，提高了籽粒與物料的離散程度，增加透篩率，降低了損失。但是當(dāng)擺動(dòng)頻率過高時(shí)，物料在篩面橫向方向運(yùn)動(dòng)次數(shù)過多，阻礙了物料的后移，物料堆積影響籽粒透篩，增加了損失率。擺動(dòng)頻率增加，利于篩前物料分層稀疏，提高了氣流對(duì)于物料中雜余的作用效果，降低了含雜率，但是同樣地，過高的擺動(dòng)頻率影響了物料群體后移，增加了物料的透篩次數(shù)，雜余透篩幾率增加，使含雜率有所增加。因此，選取導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率9～12 Hz作為多因素試驗(yàn)水平范圍。

圖15 不同導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率下的清選性能曲線Fig.15 Cleaning performance of different diversion rod oscillation frequencies

3.3.2導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速對(duì)清選性能的影響

根據(jù)前述仿真試驗(yàn)結(jié)果，原機(jī)清選篩面籽粒在篩面縱向的平均運(yùn)動(dòng)速度為0.4～0.6 m/s，為了避免導(dǎo)流桿進(jìn)入物料層后對(duì)物料的后移造成阻礙，需要確保導(dǎo)流桿端部的運(yùn)動(dòng)線速度大于0.6 m/s。導(dǎo)流桿端部點(diǎn)B線速度為

(17)

式中vB——導(dǎo)流桿端部點(diǎn)B線速度，mm/s

根據(jù)設(shè)計(jì)的導(dǎo)流桿長度LOB=100 mm，由式(17)計(jì)算得到導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速需要大于60 r/min。

在導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率12 Hz、滑槽傾角15°時(shí)進(jìn)行導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖16所示。由圖16可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，損失率逐漸降低后再迅速升高，含雜率隨著轉(zhuǎn)速提高先略有降低，隨后再逐漸增加。當(dāng)導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速增加，導(dǎo)流桿對(duì)物料群體的疏松作用有所提升，同時(shí)提高了物料群體的后移速度，緩解了篩前清選壓力，利于籽粒與雜余分離，提高籽粒透篩幾率，降低損失。但是當(dāng)轉(zhuǎn)速過大時(shí)，導(dǎo)流桿會(huì)造成物料回帶，影響物料整體后移，導(dǎo)致篩前物料有所堆積，減少了籽粒透篩幾率，增加了損失率。同時(shí)影響了氣流的分選效果，增加了含雜率。因此，選擇導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速80～120 r/min作為多因素試驗(yàn)水平范圍。

圖16 不同導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速下的清選性能曲線Fig.16 Cleaning performance of different diversion rod rotation speeds

3.3.3滑槽傾角對(duì)清選性能的影響

根據(jù)前文分析，滑槽傾角影響導(dǎo)流桿在篩面的橫向運(yùn)動(dòng)距離，在相同的擺動(dòng)頻率下，傾角增加使得導(dǎo)流桿橫向運(yùn)動(dòng)速度增加，雖然提升了對(duì)物料的碰撞強(qiáng)度，但同時(shí)也增加了物料的橫向運(yùn)動(dòng)距離，因此滑槽傾角不宜過大。此外，為了降低擺動(dòng)方向改變時(shí)導(dǎo)流桿在驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)上的受力，提高運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，參考聯(lián)合收獲機(jī)割刀擺環(huán)機(jī)構(gòu)傾角最佳范圍，確定滑槽傾角不超過30°，在單因素試驗(yàn)中設(shè)置為 5°～25°。

在導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率15 Hz、轉(zhuǎn)速100 r/min時(shí)進(jìn)行導(dǎo)流桿滑槽傾角單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖17所示。由圖17可以看出，隨著滑槽傾角的增加，損失率先有明顯降低后再升高。含雜率先略有下降，隨后再緩慢上升。隨著滑槽傾角的增大，導(dǎo)流桿在篩面橫向方向上的作用區(qū)域增大，增加了導(dǎo)流桿對(duì)物料的作用范圍，增加了物料間的碰撞次數(shù)，利于物料分層稀疏，增加籽粒透篩率。當(dāng)滑槽傾角過大時(shí)，導(dǎo)流桿對(duì)物料群體的作用過激，反而影響了籽粒的透篩，增加了物料在篩面橫向方向的運(yùn)動(dòng)距離，影響物料向后輸送，增加了篩分損失率和含雜率。因此，選擇滑槽傾角10°～20°作為多因素試驗(yàn)水平范圍。

圖17 不同驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)滑槽傾角下的清選性能曲線Fig.17 Cleaning performance of different joint chute inclination angles

3.4 勻散導(dǎo)流裝置參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

3.4.1試驗(yàn)方法

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果所確定的各因素水平范圍如表3所示。以損失率Y1和清選含雜率Y2作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，開展三因素三水平二次回歸正交組合試驗(yàn)[29]。試驗(yàn)方案包括17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中12個(gè)分析因子，5個(gè)零點(diǎn)估計(jì)誤差，試驗(yàn)方案和結(jié)果如表4所示，X1、X2、X3為因素編碼值。

表3 試驗(yàn)因素編碼Tab.3 Code of experimental factors

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Tab.4 Test design and results

3.4.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)清選損失率Y1和清選含雜率Y2與試驗(yàn)因素X1、X2、X3間的關(guān)系進(jìn)行二次多元擬合，并對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 回歸方程方差分析Tab.5 Variance analysis of regression equation

(1)清選損失率回歸模型建立與顯著性分析

Y1=4.11-1.15X1-0.35X2-0.31X3+0.21X1X2-

(18)

根據(jù)圖18a可以看出，當(dāng)滑槽傾角X3處于0水平(15°)時(shí)，擺動(dòng)頻率X1增大，損失率Y1降低，導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速X2增大，損失率Y1降低。在X1的各個(gè)水平下，當(dāng)X2增加時(shí)，Y1呈現(xiàn)不同幅度的變化。當(dāng)X1處于低水平時(shí)，Y1隨X2的降低趨勢(shì)更為明顯。

圖18 交互作用對(duì)損失率影響的響應(yīng)面Fig.18 Response surfaces of impact of interaction on loss rate

圖18b中，當(dāng)轉(zhuǎn)速X2處于0水平(100 r/min)時(shí)，擺動(dòng)頻率X1增大，損失率Y1先降低后升高，滑槽傾角X3增大，損失率Y1降低，響應(yīng)面曲線沿X1方向的變化更快。在X1的各個(gè)水平下，當(dāng)X3增加時(shí)，Y1呈現(xiàn)不同幅度的變化。當(dāng)X1處于高水平時(shí)，Y1隨X3增大所表現(xiàn)出的降低趨勢(shì)更為明顯。同樣的，當(dāng)X3處于高水平時(shí)，X1的增大也會(huì)導(dǎo)致Y1出現(xiàn)更為明顯的變化趨勢(shì)。

圖18c中，當(dāng)擺動(dòng)頻率X1處于0水平(12 Hz)時(shí)，轉(zhuǎn)速X2增大，損失率Y1逐漸降低，滑槽傾角X3增大，損失率Y1降低，響應(yīng)面曲線沿X3方向的變化更快。當(dāng)X2處于高水平時(shí)，Y1隨X3增大所表現(xiàn)出的降低趨勢(shì)更為明顯。

分析產(chǎn)生這種交互作用的原因是隨著導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率、轉(zhuǎn)速以及滑槽傾角的增加，勻散導(dǎo)流裝置對(duì)物料群體的作用強(qiáng)度加大，籽粒與其他物料之間的碰觸次數(shù)增加，提高了松散度，籽粒透篩幾率增加，降低了清選損失率。各因素對(duì)清選損失率的影響有所區(qū)別，其中以導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率影響最大，主要原因是擺動(dòng)頻率決定了導(dǎo)流桿運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡環(huán)扣在篩面橫向方向上的運(yùn)動(dòng)次數(shù)，隨著頻率提高，運(yùn)動(dòng)次數(shù)增加，導(dǎo)流桿對(duì)物料群體的作用次數(shù)相應(yīng)增加，增強(qiáng)了單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)流桿的作用強(qiáng)度，當(dāng)喂入量提高，脫出物料群體密度增大時(shí)作用效果更為明顯。

(2)清選含雜率回歸模型建立與顯著性分析

Y2=4.26+1.2X1+0.46X2+0.1X3-0.32X1X2+

(19)

根據(jù)圖19a可以看出，當(dāng)滑槽傾角X3處于0水平(15°)時(shí)，導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率X1增大，含雜率Y2增加，轉(zhuǎn)速X2增大，含雜率Y2增加。曲面沿X1方向變化更快。當(dāng)X1處于低水平時(shí)，Y2隨X2增大所表現(xiàn)出的增加趨勢(shì)更為明顯。同樣的，當(dāng)X2處于低水平時(shí)，Y2隨X1增大所表現(xiàn)出的增加趨勢(shì)更為明顯。導(dǎo)流桿頻率增加，增加了單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)流桿運(yùn)動(dòng)所形成環(huán)扣在篩面橫向運(yùn)動(dòng)次數(shù)，增加了對(duì)物料群體的作用次數(shù)，雜余透篩幾率增加。導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速增大，相鄰導(dǎo)流桿作用間隔減小，在高頻擺動(dòng)下會(huì)對(duì)物料運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙，增加了雜物的觸篩次數(shù)和透篩幾率，增加了含雜率。

圖19b中，當(dāng)轉(zhuǎn)速X2處于0水平(100 r/min)時(shí)，擺動(dòng)頻率X1增大，含雜率Y2增加，滑槽傾角X3增大，含雜率Y2逐漸增加，響應(yīng)面曲線沿X1方向的變化更快。在X3的各個(gè)水平下，當(dāng)X1增加時(shí)，Y2均快速增加。當(dāng)X1處于低水平時(shí)，Y2隨X3的增加所表現(xiàn)出的增加趨勢(shì)較為平緩，當(dāng)X1處于高水平時(shí)，Y2隨X3的增加逐漸增大。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是當(dāng)導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率較高時(shí)，在同一導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速下，滑槽傾角增大使得導(dǎo)流桿的運(yùn)動(dòng)區(qū)域快速增大，對(duì)物料群體的作用覆蓋范圍增加，導(dǎo)致更多的雜物透篩，提高了含雜率。

圖19c中，當(dāng)擺動(dòng)頻率X1處于0水平(12 Hz)時(shí)，轉(zhuǎn)速X2增大，含雜率Y2逐漸增加。當(dāng)X2處于低水平時(shí)，滑槽傾角X3增大，含雜率Y2增加，當(dāng)X2處于高水平時(shí)，Y2均處于高值，隨X3的增加略微變化。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是當(dāng)導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速較低時(shí)，滑槽傾角增加提高了導(dǎo)流桿在篩面橫向上的作用距離，提高了物料的作用范圍，增加了雜物透篩，提高了含雜率。當(dāng)導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速較高時(shí)，導(dǎo)流桿對(duì)物料群體作用增加，雜物透篩概率整體上有所提升，此時(shí)滑槽傾角增大在一定程度上提高了物料層的松散程度，有利于氣流作用于料層內(nèi)部，提高氣流對(duì)物料的分選效果，利于降低含雜率。

圖19 交互作用對(duì)含雜率影響的響應(yīng)面Fig.19 Response surfaces of impact of interaction on impurity rate

3.4.3參數(shù)組合優(yōu)化

為了提高勻散導(dǎo)流裝置的性能，提高大喂入量條件下的清選作業(yè)質(zhì)量，以清選損失率和含雜率最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率、導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速和滑槽傾角進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合約束條件，建立目標(biāo)及約束函數(shù)

(20)

通過Design-Expert軟件進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，優(yōu)化后的最佳參數(shù)組合為：導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率12.5 Hz、導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速120 r/min、滑槽傾角20°，對(duì)應(yīng)清選損失率3.62%，含雜率4.31%。

為驗(yàn)證參數(shù)組合優(yōu)化結(jié)果的正確性，建立滑槽傾角為20°的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)及勻散導(dǎo)流裝置模型，導(dǎo)入EDEM軟件中進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，設(shè)置導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率12 Hz、導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速120 r/min，共進(jìn)行3次試驗(yàn)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果為清選損失率3.82%、含雜率4.18%，與優(yōu)化結(jié)果相符。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料和方法

為驗(yàn)證勻散導(dǎo)流裝置仿真試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，根據(jù)前文分析結(jié)果加工勻散導(dǎo)流裝置實(shí)物，如圖20所示，并在搭建的脫粒清選試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，如圖21所示。

圖20 勻散導(dǎo)流裝置實(shí)物圖Fig.20 Picture of uniform dispersion diversion device

圖21 臺(tái)架試驗(yàn)Fig.21 Bench test

在田間收集滾筒脫出物作為臺(tái)架試驗(yàn)材料，試驗(yàn)油菜品種為浙油51，莖稈含水率53.8%，籽粒含水率30.6%，千粒質(zhì)量4.11 g。根據(jù)仿真參數(shù)設(shè)置，每次試驗(yàn)將12 kg的脫出混合物均勻放于輸送帶上，人工鋪放物料時(shí)靠近割臺(tái)一端空余1 m，用以輸送帶加速至設(shè)定的線速度，余下4 m均勻鋪放物料，設(shè)定輸送帶線速度為1 m/s，各作業(yè)參數(shù)和仿真試驗(yàn)保持一致，臺(tái)架試驗(yàn)共重復(fù)5次。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.6 Comparison of bench test results %

從表6可以看出，當(dāng)增設(shè)勻散導(dǎo)流裝置在最優(yōu)結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)條件下，清選損失率和含雜率結(jié)果均符合油菜聯(lián)合收獲作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中損失率相較原清選系統(tǒng)降低49.8%，含雜率相較原清選系統(tǒng)降低34.7%，表明應(yīng)用所設(shè)計(jì)的篩面物料導(dǎo)流裝置可以解決因喂入量增加而導(dǎo)致的籽粒難以透篩的問題，能夠有效提升清選系統(tǒng)作業(yè)性能，滿足履帶式聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行高密高產(chǎn)油菜收獲的清選作業(yè)需求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種適用于履帶式油菜聯(lián)合收獲機(jī)的篩面物料勻散導(dǎo)流裝置，有效提高了篩面物料分層速度、提升了籽粒與雜質(zhì)的離散程度、提高了篩分均勻性，有效解決了高密高產(chǎn)油菜收獲作業(yè)條件下篩面物料堆積問題，提高了清選作業(yè)質(zhì)量。

(2)通過對(duì)勻散導(dǎo)流裝置作業(yè)過程的理論分析，明確了影響其作業(yè)性能的關(guān)鍵參數(shù)為導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率、導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速以及驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)滑槽傾角，并確定了各參數(shù)試驗(yàn)水平。

(3)通過離散元仿真與二次回歸正交組合試驗(yàn)相結(jié)合，以導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率、導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)滑槽傾角為試驗(yàn)因素，以清選損失率、清選含雜率為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，確定了影響清選系統(tǒng)作業(yè)性能的裝置最優(yōu)作業(yè)和結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：導(dǎo)流桿擺動(dòng)頻率12.5 Hz、導(dǎo)流桿轉(zhuǎn)速120 r/min、滑槽傾角20°。

(4)臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，在高密高產(chǎn)油菜喂入量條件下，增設(shè)勻散導(dǎo)流裝置后的清選損失率為3.97%，含雜率為3.71%，對(duì)比原機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果，損失率降低49.8%，含雜率降低34.7%，表明改進(jìn)優(yōu)化后的清選系統(tǒng)能夠滿足履帶式聯(lián)合收獲機(jī)在高密高產(chǎn)油菜收獲作業(yè)條件下的低損高效清選要求。