調(diào)隙式玉米脫粒裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)*

吾斯曼·吾木爾，沙塔爾·司馬義，克然木·熱合木吐力，祖麗皮亞·艾合買提

(1.新疆財(cái)經(jīng)大學(xué)博士后流動(dòng)站,烏魯木齊市,830012;2.新疆社會(huì)科學(xué)院農(nóng)村發(fā)展研究所,烏魯木齊市,830011;3.新疆鄯善縣惠民農(nóng)業(yè)研究咨詢服務(wù)站,新疆吐魯番市,838011)

0 引言

玉米是我國的重要糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物,在我國的種植面積不斷擴(kuò)大。據(jù)統(tǒng)計(jì),2021年,我國的玉米種植面積達(dá)到了43 320 khm2,并逐年遞增[1-2]。玉米的經(jīng)濟(jì)收益在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要地位,機(jī)械化玉米農(nóng)藝生產(chǎn)過程已成為必然趨勢(shì),普及玉米的機(jī)械化生產(chǎn)是增加農(nóng)民收益、加快農(nóng)機(jī)推廣的重要手段。玉米機(jī)械化收獲分為玉米穗體收獲和籽粒收獲兩種。其中穗體收獲是用玉米收割機(jī)完成玉米穗體與秸稈的分離以及穗體的收集;玉米籽粒收獲是由脫粒裝置、清選裝置等完成籽粒與穗體的分離以及籽粒的收集[3],但是在現(xiàn)階段玉米脫粒機(jī)械中,仍存在籽粒脫凈率較低、破損率較大的問題[4]。因此,在玉米脫粒作業(yè)中改善脫粒裝置的脫粒性能,是增產(chǎn)增效的重要手段。

對(duì)改變脫粒間隙的研究國內(nèi)外相對(duì)較多。例如,德國研制的lexion700系列聯(lián)合收割機(jī)中設(shè)有自動(dòng)調(diào)節(jié)脫粒系統(tǒng),可以針對(duì)收獲作物的條件自動(dòng)調(diào)節(jié)脫粒間隙,降低裝備能耗和提高收獲率[5];美國研制的S660聯(lián)合收割機(jī)配備新型TriStream脫粒滾筒后,可以改變脫粒間隙,在保證收獲率的同時(shí)使脫粒更加柔和,降低破損率[6];Berkamp等[7]發(fā)明了一種裝載與聯(lián)合收獲機(jī)中的凹板篩,該裝置通過調(diào)節(jié)液壓缸活塞的伸縮,可調(diào)節(jié)脫粒間隙,使凹板篩上的壓力保持不變。在國內(nèi),調(diào)節(jié)脫粒間隙的研究方向也在逐步發(fā)展,例如,李耀明等[8-9]設(shè)計(jì)了一種由液壓缸在底部支撐凹板篩的脫粒裝置,可根據(jù)液壓缸的直線運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)脫粒間隙;張成文[10]設(shè)計(jì)了一種凹板篩與液壓缸結(jié)合的裝置,凹板篩的一端與液壓缸鉸接,利用液壓系統(tǒng)對(duì)裝置進(jìn)行監(jiān)測,自動(dòng)調(diào)節(jié)脫粒間隙。但目前的脫粒裝置仍存在間隙調(diào)節(jié)效果差、脫粒過程易堵塞等問題。因此,基于凹板篩部件,設(shè)計(jì)一種可以改變凹板篩直徑大小的機(jī)構(gòu),使脫粒滾筒與凹板篩直徑同心,以匹配不同作業(yè)參數(shù)的下的脫粒需求。

針對(duì)玉米脫粒過程中存在容易出現(xiàn)脫凈率低和籽粒易發(fā)生破損的問題,本文結(jié)合可調(diào)節(jié)脫粒間隙[11-14],設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)式玉米脫粒裝置,進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究,在三元二次正交回歸試驗(yàn)分析基礎(chǔ)上,建立響應(yīng)面回歸方程,確定適用于當(dāng)前玉米品種以及收獲時(shí)的物料條件下的最優(yōu)參數(shù)組合,使玉米脫凈率和籽粒破損率達(dá)到最優(yōu)結(jié)果,為玉米籽粒收獲提供參考依據(jù)。

1 玉米脫粒裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

可調(diào)節(jié)式玉米脫粒裝置如圖1所示,其中,紋桿式脫粒滾筒與可調(diào)節(jié)式凹板篩在安裝時(shí)保證同心安裝并固定于機(jī)架。裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 可調(diào)節(jié)式玉米脫粒裝置整體結(jié)構(gòu)

可調(diào)節(jié)式玉米脫粒裝置中由電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),皮帶作為傳動(dòng)系統(tǒng)、紋桿式脫粒滾筒與可調(diào)節(jié)式凹板篩作為脫粒執(zhí)行系統(tǒng)。工作時(shí),動(dòng)力由電機(jī)提供,玉米由入料口進(jìn)入,在脫粒滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)與凹板篩的作用下進(jìn)行滾動(dòng)翻轉(zhuǎn)、揉搓、擠壓,將玉米籽粒與穗體分離,通過液壓裝置可調(diào)節(jié)脫粒間隙,以滿足不同情況下的脫粒需求,最后將脫出的玉米籽粒導(dǎo)流收集,完成玉米脫粒過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 脫粒滾筒

脫粒滾筒的直徑大小對(duì)脫粒、分離裝置的通過能力有很大的影響,滾筒直徑過小易發(fā)生纏繞,滾筒直徑過大,增加了脫粒滾徐的消耗。根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)且綜合考慮作業(yè)載荷、喂入量、生產(chǎn)率等因素,這里設(shè)計(jì)的滾筒的直徑為550 mm,紋桿高度為25 mm。故紋桿式脫粒滾筒的直徑為600 mm,計(jì)算公式如式(1)所示。

DZ=D1+2H

(1)

式中:DZ——紋桿式脫粒滾筒頂圓直徑,mm;

D1——滾筒直徑,mm;

H——紋桿高度,mm。

在脫粒作業(yè)中,脫粒滾筒上紋桿的線速度對(duì)玉米籽粒受到的揉搓力起到一定的作用。脫粒速度越大,籽粒的脫凈率越高,但也增加了脫粒功率,籽粒的破損率也隨之增加;反之,脫粒速度過小,無法保證玉米籽粒的脫凈率。因此,在滿足脫凈率的前提下,盡量選擇較低的脫粒速度,達(dá)到高脫凈率、低破損率、低功率消耗的目的。參考農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊(cè)大豆的脫粒速度為7.5～9.5 m/s,玉米的脫粒速度為10.5～17.5 m/s,以及根據(jù)前期對(duì)脫粒速度做的預(yù)試驗(yàn),在保證脫凈率的前提下,脫粒速度為6.5～9.5 m/s,根據(jù)式(2)可得出滾筒轉(zhuǎn)速為200～300 r/min。

(2)

式中:nZ——滾筒轉(zhuǎn)速,m/s;

vZ——脫粒滾筒頂部的線速度,m/s。

由于紋桿長度主要根據(jù)生產(chǎn)率決定,且本文研究目的是為變隙式玉米脫粒裝置中可調(diào)節(jié)脫粒間隙裝置設(shè)計(jì)提供參考依據(jù),因此為了滿足玉米脫粒裝置的工作效率適應(yīng)當(dāng)下谷物類脫粒裝置的一般生產(chǎn)率,以及現(xiàn)有軸流式脫粒滾筒的工作長度一般為1～3 m,根據(jù)現(xiàn)有的脫粒試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)尺寸,確定紋桿滾筒長度L為1 400 mm。脫粒裝置的喂入量計(jì)算如式(3)所示。

q≤Lq0

(3)

式中:q——脫粒裝置喂入量,kg/s;

q0——許用喂入量,kg/(s·m)。

由于聯(lián)合收獲機(jī)中脫粒裝置的許用喂入量為1.5～2.0 kg/(s·m)。因此,本文選取許用喂入量q0為1.5 kg/(s·m)。則求得喂入量q≤2.1 kg/s。

2.2 可調(diào)節(jié)式凹板篩

2.2.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

可調(diào)節(jié)式凹板篩主要是由篩板單元與直徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成,如圖2所示。在篩板單元兩端分別安裝一個(gè)直徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),且篩板單元在直徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上呈圓周分布,兩者間采用固定連接。同步調(diào)節(jié)直徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)凹板篩直徑的可調(diào)。

圖2 直徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

篩板單元是由連接桿與多個(gè)篩片組成。直徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是由固定板、推動(dòng)桿以及調(diào)節(jié)桿組成。推動(dòng)桿安裝在固定板的外側(cè)滑動(dòng)槽內(nèi),調(diào)節(jié)桿的一端與推動(dòng)桿鉸接,調(diào)節(jié)桿的另有一端與穿過固定板孔槽的篩板單元中的連接桿鉸接。

工作時(shí),液壓缸推動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿,在驅(qū)動(dòng)桿的作用下,推動(dòng)桿在固定板上滑動(dòng),帶動(dòng)調(diào)節(jié)桿沿徑向移動(dòng),篩板單元與調(diào)節(jié)桿的一端穿過固定板發(fā)成鍵連接后隨其發(fā)生徑向運(yùn)動(dòng),使得凹板篩的直徑發(fā)生改變,如圖3所示。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到合適位置參數(shù)時(shí),在液壓缸自鎖閥的作用下發(fā)生自鎖,保證凹板篩的穩(wěn)定性。

在圖3中,R0為調(diào)節(jié)桿與推動(dòng)桿鉸接處半徑,mm;R1min為初始時(shí)凹板篩半徑,mm;R1max為運(yùn)動(dòng)后凹板篩半徑,mm;α為調(diào)節(jié)桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度,rad;δ為可調(diào)間距,mm。

2.2.2 直徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

直徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與7個(gè)調(diào)節(jié)桿鉸接,每個(gè)調(diào)節(jié)桿之間保持30°夾角,各調(diào)節(jié)桿運(yùn)動(dòng)方式相同,如圖4所示。A點(diǎn)鉸接與推動(dòng)桿上,B點(diǎn)穿過固定板與篩板單元鍵連接,且在Y軸上移動(dòng)。則A點(diǎn)坐標(biāo)為

(4)

又因?yàn)锳點(diǎn)滿足圓方程,則

xA2+yA2=R02

(5)

則將式(4)代入到式(5)中,得

(-Lsinα)2+[-(R2+Lcosα)]2=R02

(6)

壓力角α可變范圍為0°～40°,且正弦函數(shù)與余弦函數(shù)為單調(diào)函數(shù)。因此,根據(jù)前期對(duì)玉米物料的測定:登海8883號(hào)玉米的直徑在45 mm左右,含水率為30%左右。設(shè)計(jì)脫粒間隙可調(diào)節(jié)范圍δ為20～45 mm,根據(jù)脫粒滾筒的設(shè)計(jì)(脫粒滾筒半徑為300 mm),調(diào)節(jié)桿初始時(shí)的角度α1min為0°,則初始時(shí)凹板篩的半徑R1min為320 mm;調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)桿角度α1max為40°時(shí),調(diào)節(jié)桿調(diào)節(jié)后凹板篩的半徑R1max為345 mm。根據(jù)式(7),考慮結(jié)構(gòu)中調(diào)節(jié)桿的強(qiáng)度、材料等問題,求出調(diào)節(jié)桿的長度L為150 mm,調(diào)節(jié)桿與推動(dòng)桿鉸接處半徑R0為470 mm。

(7)

最后根據(jù)凹板篩可調(diào)節(jié)的間隙范圍a的公式可求得凹板篩最大調(diào)節(jié)的間隙值,即amax=25 mm;最終根據(jù)脫粒滾筒尺寸確定脫粒間隙的可調(diào)節(jié)范圍為20～45 mm,計(jì)算公式如式(8)所示。

(8)

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

為驗(yàn)證可調(diào)間隙玉米脫粒裝置的作業(yè)性能,試制了一臺(tái)物理樣機(jī)進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。試驗(yàn)選用在我國北方地區(qū)廣泛種植的登海8883號(hào)玉米作為試驗(yàn)對(duì)象。其基本物料特性參數(shù)如表2所示。

表2 物料基本參數(shù)

試驗(yàn)中主要使用設(shè)備儀器為:三相異步電動(dòng)機(jī)、量程為0～100 g、精度為0.001 g的JM電子計(jì)數(shù)天平、靈敏度為0.01 N/m,量程為0～500 N/m,轉(zhuǎn)速為0～4 000 rad/min的扭矩儀、裝樣塑料袋、小掃把、簸箕、圓篩等。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果選取該裝置的調(diào)節(jié)間隙、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速以及物料進(jìn)給量作為試驗(yàn)因素,試驗(yàn)水平如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素及水平

試驗(yàn)中各項(xiàng)性能指標(biāo)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5982—2017《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》[15],每組試驗(yàn)進(jìn)行3次,分別以3次試驗(yàn)值的平均值為試驗(yàn)結(jié)果。選取脫凈率Y1與籽粒破損率Y2作為評(píng)價(jià)指標(biāo),計(jì)算公式如式(9)、式(10)所示。

(9)

式中:Y1——脫凈率,%;

mW——已脫籽粒重,g;

m——籽?？傊亓?g。

(10)

式中:Y2——破損率,%;

mp——破損籽粒重,g。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

依照Design-Expert軟件里Box-Benhnken中心組合設(shè)計(jì)理論能用較少的試驗(yàn)次數(shù)進(jìn)行全方位的分析研究。選定玉米脫粒裝置的調(diào)節(jié)間隙、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、物料進(jìn)給量作為影響因子,以脫凈率和破損率作為響應(yīng)值,采用三元二次回歸正交試驗(yàn)方案進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)研究。正交試驗(yàn)方案和結(jié)果如表4所示,X1、X2、X3為編碼值。根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果顯示,該裝置的脫凈率為97.35%～99.22%,破損率為2.16%～3.62%。

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果

3.4 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)方案與所得結(jié)果,通過Design-Expert8.0.6軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合的分析,建立玉米籽粒的脫凈率和籽粒的破損率對(duì)可調(diào)節(jié)式玉米脫粒裝置的調(diào)節(jié)間隙、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、物料進(jìn)給量3個(gè)因素空間內(nèi)的二次響應(yīng)面回歸模型,回歸方程如式(11)、式(12)所示。

y1=98.30-0.62A+0.26B-0.26C-

0.16AB+0.015AC+0.15BC-

0.34A2+0.17B2+0.18C2

(11)

y2=2.30-0.50A-0.22B+0.20C-

0.17AB+0.14AC-0.13BC+

0.53A2+0.14B2+0.28C2

(12)

對(duì)式(11)和式(12)分別進(jìn)行方差分析,分析結(jié)果如表5、表6所示。

表5 玉米脫凈率方差分析

表6 玉米破損率方差分析

響應(yīng)面模型中的玉米籽粒脫凈率與籽粒破損率模型的P值分別為0.000 2、0.000 3(P<0.01),該結(jié)果表明脫凈率和破損率的二次響應(yīng)面回歸模型極為顯著;失擬項(xiàng)P分別為0.628 7、0.110 7(P>0.05),表明模型擬合程度較高;回歸模型的決定系數(shù)R2分別為0.968 5、0.962 5,表明有96.25%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以由上述的模型進(jìn)行解釋。綜上所述,該回歸模型能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)指標(biāo)的預(yù)測及參數(shù)的控制,并且裝置的作業(yè)參數(shù)可以根據(jù)此模型進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)于玉米凈率的響應(yīng)面回歸模型中有4個(gè)回歸模型項(xiàng)A、B、C、A2對(duì)模型影響極為顯著(P<0.01),有1個(gè)回歸項(xiàng)C2對(duì)模型的影響較為顯著(P<0.05),有4個(gè)回歸項(xiàng)AB、AC、BC、B2對(duì)該模型影響為不顯著(P>0.05)。對(duì)于籽粒破損率的響應(yīng)面回歸模型中有4個(gè)回歸模型項(xiàng)A、B、A2、C2對(duì)模型影響極為顯著(P<0.01),有1個(gè)回歸項(xiàng)C對(duì)模型的影響較為顯著(P<0.05),有4個(gè)回歸項(xiàng)AB、AC、BC、B2對(duì)該模型表現(xiàn)為不顯著(P>0.05)。

將表現(xiàn)為不顯著的回歸項(xiàng)進(jìn)行去除,得到優(yōu)化后的響應(yīng)面回歸方程如式(13)、式(14)所示。分析優(yōu)化后的回歸模型,根據(jù)模型y1、y2的P值均小于0.000 1、模型y1、y2的失擬項(xiàng)P值分別為0.283 3、0.053 5,得出優(yōu)化后的模型可靠。

y1=98.37-0.62A+0.26B-0.26C-

0.33A2+0.19C2

(13)

y2=2.36-0.50A-0.22B+0.20C+

0.53A2+0.29C2

(14)

根據(jù)回歸方程的分析結(jié)果,通過Design-Expert軟件繪制3D-surface響應(yīng)面,調(diào)節(jié)間隙、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、物料進(jìn)給量對(duì)玉米的脫凈率和籽粒破損率的影響,如圖5所示。

(a) Y1=f(X1,X2,1.75)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果分析得出,3個(gè)因素對(duì)玉米脫凈率和籽粒破損率的影響順序?yàn)?調(diào)節(jié)間隙>脫粒滾筒轉(zhuǎn)速>物料進(jìn)給量。即當(dāng)脫粒間隙越小確保能夠更多地將玉米穗體與籽粒分離,提高玉米的脫凈率;滾筒轉(zhuǎn)速越高,在滾筒外形尺寸不變的情況下,脫粒元件的線速度越大,對(duì)玉米的沖擊隨之增加,對(duì)籽粒的分離有明顯效果,但同時(shí)對(duì)籽粒的沖擊強(qiáng)度也會(huì)增加,導(dǎo)致籽粒發(fā)生破損;喂入量越大,易在脫粒作業(yè)區(qū)內(nèi)發(fā)生籽粒堆積與重疊,導(dǎo)致玉米籽粒的脫凈率下降,影響整個(gè)裝置的作業(yè)性能。

3.5 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步提高玉米脫粒過程中的脫凈率、降低破損率,通過Design-Expert軟件中數(shù)據(jù)分析功能,對(duì)所建立的三元二次回歸正交試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)上述的響應(yīng)面回歸方程進(jìn)行分析以及對(duì)影響因素進(jìn)行優(yōu)化得出最佳因素水平組合,并對(duì)影響因素的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行元整化,即調(diào)節(jié)間隙為29.84 mm、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為299.79 r/min、物料進(jìn)給量為1.54 kg/s,在最優(yōu)參數(shù)組合下獲得玉米脫凈率和籽粒破損率的預(yù)測值分別為99.07%、2.23%。

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性,對(duì)最優(yōu)組合參數(shù)進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證性試驗(yàn),按照前述的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果取平均值,考慮裝置在試驗(yàn)中的可操作性將印象因素的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行元整化,即調(diào)節(jié)間隙為30 mm、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min、物料進(jìn)給量為1.5 kg/s,試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 試驗(yàn)驗(yàn)證值

根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知,玉米籽粒脫凈率在98%以上,籽粒破損率低于2.40%,且平均脫凈率和籽粒破損率分別為98.67%、2.34%,與理論值預(yù)測值的相對(duì)誤差絕對(duì)值均小于4%,證明參數(shù)優(yōu)化方法的結(jié)果可靠。

4 結(jié)論

1) 針對(duì)當(dāng)前玉米籽粒機(jī)械存在的脫凈率低、籽粒破損大等問題,優(yōu)化設(shè)計(jì)一種調(diào)隙式玉米脫粒裝置,介紹其結(jié)構(gòu)與工作原理,對(duì)間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,確保該裝置滿足玉米脫粒作業(yè)要求。

2) 以登海8883號(hào)玉米品種為脫粒對(duì)象,對(duì)調(diào)隙式玉米脫粒裝置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),通過理論分析和計(jì)算確定了脫粒滾筒直徑為550 mm,紋桿高度為25 mm,外滾筒直徑為600 mm,紋桿長度為1 400 mm,調(diào)節(jié)桿長度為150 mm,調(diào)節(jié)桿與推動(dòng)桿鉸接處半徑為470 mm。

3) 根據(jù)試制的可調(diào)節(jié)式脫粒裝置的樣機(jī),以調(diào)節(jié)間隙、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速以及物料進(jìn)給量為影響因子,以玉米籽粒脫凈率和籽粒破損率為性能指標(biāo),進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:調(diào)節(jié)間隙與脫粒滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響為極顯著,物料進(jìn)給量為顯著;影響順序?yàn)檎{(diào)節(jié)間隙>脫粒滾筒轉(zhuǎn)速>物料進(jìn)給量。通過優(yōu)化分析與試驗(yàn)驗(yàn)證,獲得了最佳參數(shù)組合:調(diào)節(jié)間隙為30 mm、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min、物料進(jìn)給量為1.5 kg/s,在該作業(yè)參數(shù)條件下玉米的脫凈率為98.67%,籽粒破損率為2.3%,試驗(yàn)與理論優(yōu)化值的誤差均小于4%,且滿足國家及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)脫粒裝置的作業(yè)要求。