師清翔，張曉博，耿令新，王升升，盧秀麗

（河南科技大學農(nóng)業(yè)工程學院，河南洛陽 471003）

微型谷物聯(lián)合收割機清選系統(tǒng)試驗

師清翔，張曉博，耿令新，王升升，盧秀麗

（河南科技大學農(nóng)業(yè)工程學院，河南洛陽 471003）

以微型谷物聯(lián)合收割機清選系統(tǒng)為研究對象，以二級揚谷器轉(zhuǎn)速、吸雜風機轉(zhuǎn)速為試驗因素，以籽粒清潔率、清選損失率、籽粒破碎率為試驗指標進行了清選性能回歸試驗，建立了籽粒清潔率和清選損失率回歸數(shù)學模型。利用加權優(yōu)化法進行參數(shù)優(yōu)化，得到較優(yōu)運動參數(shù)組合為：二級揚谷器、吸雜風機轉(zhuǎn)速分別為1 177 r／min、2 948 r／min。在優(yōu)化參數(shù)下，進行了優(yōu)化結果驗證試驗以及清選系統(tǒng)對喂入量和物料狀態(tài)的適應性試驗。試驗結果可為微型谷物聯(lián)合收割機清選系統(tǒng)的設計提供依據(jù)。

收割機；旋風分離；清選系統(tǒng)；回歸分析；參數(shù)優(yōu)化

0 引言

收獲是谷物生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。目前，在中國平原地區(qū)谷物收獲已基本實現(xiàn)機械化。但是，中國具有大量的丘陵山區(qū)，種植小麥、水稻等谷物。丘陵山區(qū)地塊小、道路通過性差，制約著大型谷物聯(lián)合收割機作用的發(fā)揮。微型谷物聯(lián)合收割機是應丘陵山區(qū)谷物收獲需要而提出的一種新型谷物聯(lián)合收割機，要求整機各工作部件結構尺寸小、質(zhì)量輕、裝拆方便、便于分部件運輸［1－5］。

清選是谷物聯(lián)合收獲的重要內(nèi)容。簡化清選系統(tǒng)結構、減輕質(zhì)量是對微型谷物聯(lián)合收割機清選系統(tǒng)的基本要求。基于免割收獲的微型谷物聯(lián)合收割機采用雙揚谷器旋風分離清選系統(tǒng)，結構簡單、質(zhì)量輕，可以完成待清選物料在相互垂直的兩個平面內(nèi)的輸送和清選作業(yè)［6－12］。但田間收獲試驗表明：現(xiàn)有設計參數(shù)下的雙揚谷器旋風分離清選系統(tǒng)清選能力有限，大喂入量時易出現(xiàn)系統(tǒng)堵塞，清選損失率偏高［13－16］。

本文以配置于微型谷物聯(lián)合收割機的雙揚谷器旋風分離系統(tǒng)為研究對象，以提高清選能力、降低清選損失率為主要目標，進行室內(nèi)清選試驗。優(yōu)化確定了清選系統(tǒng)的運動參數(shù)，分析了清選系統(tǒng)的運動參數(shù)對清選性能的影響規(guī)律，為微型谷物聯(lián)合收割機清選系統(tǒng)的參數(shù)設計提供了試驗依據(jù)。

圖1 室內(nèi)清選試驗臺

1 試驗裝置和方法

清選試驗臺如圖1所示，主要部件有：物料輸送帶、接料倉、一級揚谷器、二級揚谷器、旋風分離筒、吸雜風機。主要工作部件的結構尺寸與相對位置根據(jù)微型谷物聯(lián)合收割機的整機配置要求確定。

室內(nèi)試驗的清選喂入量、清選物料組分由微型谷物聯(lián)合收割機的機進速度、割幅、谷物生長狀況等決定。

本試驗以小麥為收獲對象?？紤]丘陵山區(qū)大面積小麥生長狀況，設小麥產(chǎn)量為400 kg每666.67 m2，機進速度0.4 m／s，割幅0.4 m。據(jù)此計算清選系統(tǒng)籽粒喂入量為0.096 kg／s。根據(jù)洛陽市孟津地區(qū)微型谷物聯(lián)合收割機田間作業(yè)情況，確定試驗用小麥物料的含雜率為25%，穎糠和短莖稈質(zhì)量比為10∶1，短莖稈長度為4～7 cm，試驗物料中籽粒含水率為14%～15%，雜余含水率為13%～16%。

每次試驗，輸送帶面上鋪放可滿足清選系統(tǒng)連續(xù)工作30 s的物料，則每次清選試驗所需物料總質(zhì)量為3.84 kg，其中籽粒為2.88 kg，雜余為0.96 kg。

試驗時，首先將稱量好的小麥籽粒與雜余混合，攪拌均勻后，再根據(jù)鋪料的長度和寬度，均勻鋪到輸送帶上。然后依次啟動吸雜風機、二級揚谷器、一級揚谷器的電機，并通過變頻器調(diào)節(jié)使其達到試驗所需轉(zhuǎn)速。待吸雜風機、二級揚谷器、一級揚谷器轉(zhuǎn)速達到試驗所需并穩(wěn)定工作，最后啟動輸送帶。物料從輸送帶順著滑板落入接料室，由推運攪龍送入一級揚谷器，經(jīng)一級揚谷器拋入二級揚谷器葉輪的中心，再由二級揚谷器沿切線方向拋入分離筒內(nèi)。在重力、離心力以及上升氣流的共同作用下，小麥籽粒沿分離筒內(nèi)壁向下螺旋運動，自出糧口落到接糧筒中，雜余在吸雜風機吸力的作用下由吸雜口經(jīng)風機排入接糠網(wǎng)中，完成一次清選系統(tǒng)的試驗。

試驗選取籽粒清潔率Yq、清選損失率Ys和籽粒破損率Yp這3個性能指標。設：接糧筒中物料總質(zhì)量為G1，純凈籽粒質(zhì)量為G2，接糠網(wǎng)中籽粒質(zhì)量為G3，接糧桶中破碎籽粒質(zhì)量為G4，代入下式可得清選系統(tǒng)性能指標。

2 回歸試驗與分析

回歸試驗與分析的目的是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析得到回歸方程，利用回歸方程通過參數(shù)的優(yōu)化得出較優(yōu)的參數(shù)組合及其指標值。為了減少試驗次數(shù)，簡化回歸計算，并使回歸方程實用、可靠，在回歸試驗前對試驗因素的范圍進行了確定，然后根據(jù)回歸試驗設計方法，編排試驗方案并進行試驗，最后進行回歸分析。

2.1 試驗參數(shù)范圍的確定

設n1、n2、n3分別代表一級揚谷器、二級揚谷器、吸雜風機的轉(zhuǎn)速。對試驗參數(shù)的轉(zhuǎn)速范圍提出條件：一級揚谷器轉(zhuǎn)速對清選系統(tǒng)性能指標影響為不顯著，故在后續(xù)試驗中，以清選系統(tǒng)無堵塞為條件確定一級揚谷器轉(zhuǎn)速；二級揚谷器最低轉(zhuǎn)速為揚谷器不堵塞的臨界轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速為籽粒破碎率小于0.5%時的臨界轉(zhuǎn)速；吸雜風機的最低轉(zhuǎn)速為揚谷器不堵塞時的臨界轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速選損失率大于0.5%時的臨界轉(zhuǎn)速。

經(jīng)多次預試驗，在室內(nèi)試驗條件下，工作裝置連續(xù)工作30 s無堵塞清選系統(tǒng)基本運動轉(zhuǎn)速為n1＝600 r／min、n2＝900 r／m in、n3＝3 100 r／m in。根據(jù)條件，將一級揚谷器固定于600 r／min。固定一級揚谷器轉(zhuǎn)速n1＝600 r／min、吸雜風機轉(zhuǎn)速n3＝3 100 r／min，改變二級揚谷器轉(zhuǎn)速n2進行清選系統(tǒng)性能試驗，尋找臨界轉(zhuǎn)速；固定一級揚谷器轉(zhuǎn)速n1＝600 r／min、二級揚谷器轉(zhuǎn)速n2＝900 r／min，改變吸雜風機轉(zhuǎn)速n3進行清選系統(tǒng)性能試驗，尋找臨界轉(zhuǎn)速。

根據(jù)試驗結果，確定了二級揚谷器轉(zhuǎn)速n2與吸雜風機轉(zhuǎn)速n3的取值范圍為：900 r／min≤n2≤1 400 r／min、2 800 r／m in≤n3≤3 400 r／m in。在上述試驗范圍內(nèi)，籽粒破碎率很小，故未將籽粒破碎率引入回歸試驗。

2.2 二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗與分析

本次試驗選用的二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗方法的優(yōu)點是獲得的回歸方程具有通用性，可以提高預報精度，是回歸試驗設計方案中的一種。

以二級揚谷器轉(zhuǎn)速n2和吸雜風機轉(zhuǎn)速n3為試驗因素，以籽粒清潔率Yq與清選損失率Ys為試驗指標，做二次通用旋轉(zhuǎn)組合回歸試驗。試驗方案按照二次通用旋轉(zhuǎn)組合設計方法進行編排。因素的水平編碼表、試驗方案與結果表分別見表1和表2。

對表2中的數(shù)據(jù)做多元回歸分析，就能獲得關于籽粒清潔率Yq與清選損失率Ys的回歸方程：

表1 回歸試驗因素水平編碼表

表2 二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗方案及結果

對方程（4）和方程（5）分別檢驗其顯著性，計算結果表明：兩個方程都在α＝0.01的置信水平下，顯著而且沒有失擬。說明這兩個回歸方程與實際情況的擬合很好，可以用回歸方程分析試驗因素對試驗指標的影響規(guī)律。

2.3 參數(shù)優(yōu)化及驗證試驗

清選系統(tǒng)的兩個試驗指標籽粒清潔率Yq和清選損失率Ys依試驗因素同向變化，故采用加權優(yōu)化法進行參數(shù)優(yōu)化。因清選損失是谷物收獲中人們更關注的指標，所以取籽粒清潔率Yq的加權因數(shù)為0．3，清選損失率Ys的加權因數(shù)為0.7。消除兩指標的量綱，使兩指標處于同一數(shù)量級上，計算兩指標觀測值的評分值Y′q與Y′s。

計算加權綜合指標值Yz＝0.3Y′q－0.7Y′s，指標值越大越好。以Yz為指標值按照單指標進行回歸與優(yōu)化計算，優(yōu)化結果即最佳參數(shù)組合為：n2＝1 177 r／min、n3＝2 948 r／min。將最佳參數(shù)組合代入籽粒清潔率回歸方程（4）和清選損失率回歸方程（5）中，得到最佳參數(shù)組合下，試驗指標預測值為：籽粒清潔率Yq＝98.030%，清選損失率Ys＝0.060%。

最佳參數(shù)下做驗證試驗，籽粒清潔率、清選損失率的結果分別是98.170%和0.051%，驗證結果與指標預測值較為接近。

2.4 降維分析

為弄清試驗因素分別對試驗指標的影響規(guī)律，通過回歸方程的系數(shù)檢驗，剔除不顯著的相關系數(shù)，將兩個最佳參數(shù)分別代入回歸方程，得出二級揚谷器轉(zhuǎn)速與吸雜風機轉(zhuǎn)速分別對籽粒清潔率Yq與清選損失率Ys的影響規(guī)律，如圖2和圖3所示。

圖2 二級揚谷器轉(zhuǎn)速對指標的影響

圖3 風機轉(zhuǎn)速對指標的影響

由圖2可以看出：當吸雜風機轉(zhuǎn)速為優(yōu)化值時，在試驗區(qū)間［900 r／min，1 400 r／min］，籽粒清潔率在98.000%以上，清選損失率在0.170%以下。隨著二級揚谷器轉(zhuǎn)速的升高，籽粒清潔率呈緩慢下降趨勢，清選損失率呈快速下降趨勢。分析原因認為：隨二級揚谷器的轉(zhuǎn)速升高，籽粒和雜余進入分離筒時的速度變大，沿分離筒內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)運動時的離心作用力變大，雜余與籽?；旌显谝黄穑灰追蛛x開，導致籽粒清潔率與清選損失率都呈現(xiàn)下降趨勢。

由圖3可看出：當二級揚谷器的轉(zhuǎn)速為優(yōu)化值時，在試驗區(qū)間［2 900 r／m in，3 400 r／m in］，籽粒清潔率在98.000%以上，清選損失率在0.350%以下。隨著吸雜風機轉(zhuǎn)速的升高，籽粒清潔率與清選損失率均呈快速上升趨勢，說明吸雜風機轉(zhuǎn)速對指標的影響較大。

3 清選系統(tǒng)適應性試驗

清選系統(tǒng)對物料狀態(tài)、喂入量的適應性是衡量清選系統(tǒng)優(yōu)劣的重要方面，本文在最優(yōu)參數(shù)組合下，試驗不同喂入量、含雜率、含水率對清選性能的影響，考察該清選裝置的適應性。

表3 小麥喂入量適應性試驗

表4 小麥含雜率適應性試驗

表5 小麥含水率適應性試驗

（Ⅰ）喂入量適應性試驗：保持25%的含雜率，籽粒喂入量分別為0.072 kg／s、0.096 kg／s、0.120 kg／s、0.144 kg／s，共4次試驗，結果如表3所示。

分析表3可得：隨喂入量的增大，籽粒清潔率降低，清選損失率增大。當清選喂入量小于0.120 kg／s時，籽粒清潔率大于98.000%，清選損失率小于0.050%。

（Ⅱ）含雜率適應性試驗：保持0.096 kg／s的喂入量不動，含雜率分別為15%、20%、25%、30%、35%，共5次試驗，結果如表4所示。

分析表4可得：隨小麥含雜率的升高，籽粒清潔率、清選損失率分別下降與上升。含雜率低于30%時，籽粒清潔率在98.000%以上。含雜率高于30%時，清選系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

（Ⅲ）含水率適應性試驗：保持物料喂入量0.096 kg／s和含雜率25%不變，通過理論計算，準備6份不同的水量，使用噴霧的方式對物料的含水率進行不同調(diào)整。物料需要用密封袋封存12 h左右，數(shù)據(jù)記錄時，以物料試驗時實際含水率為準，試驗結果如表5所示。

分析表5可得：隨籽粒與雜余含水率的增加，籽粒清潔率降低，清選損失率升高。當物料含水率過高時，清選系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。在清選系統(tǒng)正常工作條件下，籽粒清潔率較高，清選損失率小于0.100%。因此，可以用適當提高吸雜風機轉(zhuǎn)速的方法來提高籽粒清潔率和清選系統(tǒng)暢通性，進而提高該清選系統(tǒng)對物料含水率的適應性。

4 結論

（1）本文所涉及的清選系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)組合是：二級揚谷器轉(zhuǎn)速n2＝1 177 r／m in，吸雜風機轉(zhuǎn)速n3＝2 948 r／min。該參數(shù)下籽粒清潔率、清選損失率分別為98.170%和0.051%。

（2）在最佳參數(shù)組合下，當清選喂入量不超過0.120 kg／s，含雜率不超過30%，籽粒含水率不超過13.6%，穎糠含水率不超過28.1%時，籽粒清潔率可達98.000%以上，清選損失率可控制在0.062%以內(nèi)。

（3）雙揚谷器旋風分離清選裝置在優(yōu)化參數(shù)下可用作微型谷物聯(lián)合收割機的清選系統(tǒng)。

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A

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