崔中凱，邸志峰，周 進，張 華，卜令昕，高 強

(山東省農業(yè)機械科學研究院，濟南 250100)

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5TYS280玉米脫粒清選試驗臺的設計研究

崔中凱，邸志峰，周 進，張 華，卜令昕，高 強

(山東省農業(yè)機械科學研究院，濟南 250100)

我國夏播玉米主要集中在黃淮海地區(qū)，其生長期短、收獲時籽粒含水率高，直接脫粒收獲易造成籽粒破碎，脫凈率與籽粒破碎率和含雜率之間的矛盾，作業(yè)質量較難保證。目前，針對高含水率玉米脫粒清選裝置的系統(tǒng)理論與試驗研究均較少，因此設計開發(fā)了一種玉米脫粒清選試驗臺。其主要由機架、脫粒分離裝置、清選裝置、輸送裝置、電機控制及轉速數據采集系統(tǒng)等部件組成。以籽粒破碎率和含雜率為評價指標，通過調整滾筒轉速、滾筒傾角、凹板間隙、篩網傾角、曲軸轉速及風機轉速等關鍵因素水平，進行單因素多水平試驗及多因素多水平正交試驗，確定高含水率玉米脫粒清選裝置的最佳參數組合，為玉米籽粒收獲機脫粒清選部件設計、改進及參數選擇提供依據。

夏玉米；試驗臺；果穗脫粒；籽粒清選；正交試驗

0 引言

玉米是我國第一大糧食作物，黃淮海地區(qū)是我國玉米最為集中產區(qū)，也是夏播玉米主要種植區(qū)域，常年播種面積約為0.11億hm2，占全國玉米總播種面積的30%以上[1]。該地區(qū)采用一年兩熟的種植模式，大面積連片種植，比較容易實現(xiàn)機械化聯(lián)合收獲作業(yè)。

玉米籽粒收獲機可一次性完成玉米摘穗、剝皮及脫粒等作業(yè)，可節(jié)省工序、降低生產成本、增加農民收益。但目前我國夏玉米收獲機械主要以果穗收獲機為主，籽粒收獲機械應用很少。這主要是由于夏玉米生長期短，收獲時籽粒含水率高，脫粒時籽粒破碎率和含雜率高[2-5]，不能滿足實際生產需求。

為解決這一問題，本文設計了一種玉米脫粒清選試驗臺，以籽粒破碎率和含雜率為評價指標，通過調整滾筒轉速、滾筒傾角、凹板間隙、篩網傾角、曲軸轉速及風機轉速等關鍵因素參數，可進行單因素多水平試驗及多因素多水平正交試驗，從而確定高含水率玉米脫粒清選裝置的最佳參數組合，為玉米籽粒收獲機脫粒清選部件設計、改進及參數選擇提供依據。

1 試驗臺總體結構及工作原理

1.1 總體結構

5TYS280玉米脫粒清選試驗臺的研制首先利用SolidWorks三維建模軟件進行樣機模型的建立，確定總體方案，再進行部件的分析、優(yōu)化及樣機的試制和試驗。該試驗臺主要由機架、脫粒分離裝置、振動篩、風機、輸送裝置、集糧斗、驅動電機、脫粒分離裝置調整機構及清選裝置調整機構等組成，可一次性完成果穗輸送、脫粒、清選及收集等作業(yè)。該試驗臺脫粒分離裝置采用縱軸流脫粒方式，其滾筒傾角、凹板間隙等參數均可通過脫粒分離裝置調整機構進行調整；清選裝置采用氣流振動篩，其篩網傾角等參數可通過清選裝置調整機構進行調整。該試驗臺驅動電機包括脫粒電機、清選電機、風機電機和輸送電機，均采用變頻電機，其轉速可根據試驗要求隨時調整。該試驗臺總體結構如圖1所示，整機參數如表1所示。

1.2 工作原理

工作時，輸送裝置將玉米果穗輸送至輸送裝置上出口處，經脫粒滾筒頂蓋進入滾筒內，果穗隨著滾筒一起轉動并沿軸向向前運動。果穗在滾筒內主要受紋桿塊的揉搓力、果穗之間相互揉搓力及脫粒釘齒的擊打力，在共同作用下籽粒脫落。脫完粒的芯軸運動到滾筒另一側時經導流板排出，籽粒則經滾筒下部的柵格式凹板和沖孔式凹板落到振動篩的上篩面上；在振動篩的振動作用下，籽粒和較小的雜質經篩孔落到下篩面上，然后落到底篩上，較小的雜質經底篩篩孔排出振動篩；而籽粒則在底篩的振動作用下，逐漸移動到位于振動篩后部的接糧斗內被收集起來，大于篩孔的雜質則被上篩板、下篩板和底篩一直向前推動，直至排出振動篩。在此過程中，離心式風機產生的風力將振動篩上細小的雜質吹出篩面，從而實現(xiàn)果穗脫粒、分離和籽粒清選。

1.脫粒電機 2.脫粒分離裝置 3.脫粒分離裝置調整機構 4.機架 5.振動篩 6.集糧斗 7.清選電機 8.風機電機 9.風機 10.清選裝置調整機構 11.輸送裝置 12.輸送電機

項目單位參數外形尺寸mm5900×1800×2400脫粒滾筒長度mm2800脫粒滾筒直徑mm660脫粒電機功率kW7．5脫粒滾筒傾角(°)0～10篩網傾角(°)0～10風機吹風角度(°)20～30凹板間隙mm25/30/35/40/45

2 主要部件的研制

2.1 脫粒分離裝置

脫粒分離裝置是試驗臺的核心工作部件。夏玉米收獲時，籽粒含水率一般在30%以上，脫粒時籽粒大量破碎，不能滿足實際生產需求。探索高含水率玉米脫粒分離機構及其參數是該試驗臺需完成的任務。與切流式脫粒相比，軸流式脫粒具有以下幾個優(yōu)點：①脫粒能力強，脫凈率高。果穗進入軸流滾筒后，一般要轉4～7圈才能完成脫粒過程，脫粒時間較長，因此在較低的脫粒速度和較大的脫粒間隙下也能脫粒干凈。②分離質量好。軸流式脫粒凹板分離面積大，分離時間長，幾乎全部籽粒都可以分離出來，且脫粒分離同時完成，不必設置專門的分離裝置，簡化了結構。③破碎率較低。由于切流式脫粒時間短且主要靠沖擊脫粒，在喂入量大、脫粒間隙小時，容易造成籽粒破碎；而軸流式脫粒速度低、脫粒間隙大，脫粒過程主要靠果穗之間的揉搓作用完成，脫粒元件對果穗的沖擊力較小，籽粒不會因機械作用過強而破碎[6]。綜上，該試驗臺采用縱軸流式脫粒方式，主要包括滾筒支架、脫粒滾筒、頂蓋、柵格式凹板、沖孔式凹板及導流板等部件，如圖2所示。

1.滾筒支架 2.頂蓋 3.脫粒滾筒 4.柵格式凹板 5.沖孔式凹板 6.導流板

2.1.1 脫粒滾筒

脫粒滾筒是實現(xiàn)脫粒功能的主要工作部件，其長度、直徑及脫粒元件型式等參數是影響脫粒效果的重要因素。在直徑相同條件下，軸流滾筒脫粒裝置脫出物沿滾筒軸向自入口至出口基本呈指數分布，滾筒長度越長，脫粒、分離能力越強。凹板包角一定時，大直徑滾筒可以增加果穗脫粒、分離時間，提高脫粒、分離能力和生產效率。脫粒元件型式主要為釘齒式、紋桿式和組合式：釘齒抓取能力強，沖擊力大，生產效率高，但脫出物含雜率較高；紋桿脫粒作用相對柔和，打擊作用較弱，揉搓作用強，果穗通過性能強，生產效率高，分離能力強，破碎程度較輕，脫出物含雜率較釘齒低，但未脫凈損失相對較大。組合式脫粒滾筒綜合單一脫粒元件的優(yōu)勢，綜合脫粒性能相對較好[7]。結合實際情況，該試驗臺脫粒滾筒長度定為2 800mm，滾筒直徑定為660mm，滾筒前端布置紋桿塊，可將大部分籽粒脫下，降低籽粒破碎率；滾筒后端布置釘齒，可將剩余難脫籽粒脫下，提高脫凈率；紋桿塊和釘齒呈螺旋布置，可有效提高果穗的通過能力。脫粒滾筒結構如圖3所示，脫粒元件分布如圖4所示。

1.釘齒 2.紋桿塊 3.排芯板

圖4 脫粒元件分布圖

2.1.2 凹板

凹板除了配合滾筒進行脫粒外，還是主要的分離部件。凹板包角、型式及間隙等參數是影響凹板分離效果的主要因素。隨著包角的增大，分離面積增大，脫凈率提高，但包角過大則會增加籽粒和芯軸的破碎率。柵格式凹板脫粒分離能力較強，但籽粒破碎較嚴重。凹板間隙越小，脫凈率越高，但過小的脫粒間隙會增加籽粒破碎率。本試驗臺在脫粒前端采用柵格式凹板，使籽粒盡快分離，脫粒后端采用沖孔凹板，減少玉米籽粒破碎率，凹板包角定為175°，通過增減調整板可實現(xiàn)25、30、35、40、45mm的凹板間隙。

2.2 清選裝置

清選裝置是玉米脫粒清選試驗臺的重要組成部分，功能是將脫粒滾筒中分離出來的物料中的斷軸、碎屑等雜質清理干凈。該試驗臺清選裝置采用氣流振動篩，主要由振動篩和風機組成。

2.2.1 振動篩

振動篩主要包括接糧板、上篩面、導軌、振動篩箱體、密封板、下篩面及底篩等部件。其上篩面、下篩面裝在箱體內，由導軌承托以便于拆裝，振動篩兩側邊緣的上方固定有密封用的橡膠條，可以防止玉米籽粒從縫隙中露出。氣流振動篩結構如圖5所示。工作時，脫下的玉米籽粒和碎軸等雜質通過凹板落到上篩面上，經上篩面的震動篩選，一部分碎軸等雜質被分離出來，在振動篩振動和風機氣流作用下向后輸送；籽粒和細小雜質落到下篩面上，經二次篩選出干凈籽粒落到底篩并流動到集糧斗內。清選時，篩面上同時進行著籽粒篩分和篩面上物料向后輸送，上篩面為接料篩面，用來分離粗大雜質；下篩面為精選篩面，用來分離小雜質；物料經過兩層篩面的清理后，能夠清除全部大雜質和大部分小雜質與灰塵[8]。

1.接糧板 2.上篩面 3.導軌 4.振動篩箱體 5.密封板 6.下篩面 7.底篩

振動篩篩網型式、曲軸轉速及篩網傾角等參數是影響振動篩清選性能的主要因素。該試驗臺選用平面沖孔篩，其辨別能力強，清除雜質干凈；上篩網和下篩網篩孔優(yōu)先采用φ18mm圓孔，并可通過更換篩網試驗16～20mm不同篩孔直徑。振動篩篩網傾角通過振動篩調節(jié)裝置可實現(xiàn)0°～10°范圍內可調。通過調節(jié)清選電機轉速，可實現(xiàn)曲軸轉速0～1 440r/min范圍內可調。

2.2.2 風機

清選裝置依靠氣流把漂浮性較強的夾雜物吹出機外，因此風機性能及參數對籽粒清選效果有著重要影響。為獲得較好的籽粒清選效果，風機氣流應滿足下述要求：①氣流吹送方向與篩面成20°～25°，風扇出氣管道吹著篩面在長度方向的范圍應為篩子全長的4/10～6/10；②氣流吹著空間的形狀應是逐漸擴大的，這樣能夠保證篩面從前到后以一個逐漸下降的流速分布。風機主要有離心風機、橫流風機和縱流風機等幾種。本試驗臺采用離心風機，其氣流除能滿足上述要求外，橫向分布也比較均勻。該風機主要由殼體、右側板、風機軸、葉片及葉片支座等部件組成，如圖6所示。

3 電機控制及轉速數據采集系統(tǒng)

在滿足轉速和轉矩前提下，采用變頻器實現(xiàn)電動機調速具有結構簡單及調整方便的優(yōu)勢，通過變頻器上的電位調節(jié)旋鈕即可實現(xiàn)轉速調節(jié)。同時，用光電開關作為轉速傳感器測取脫粒滾筒、曲軸及風機的輸入轉速，并通過儀表顯示在控制臺上[9]。電機控制與轉速數據采集系統(tǒng)電路如圖7所示。

1.殼體 2.右側板 3.葉片 4.風機軸 5.葉片支座

圖7 電路控制圖

4 樣機試制及試驗方案設計

5TYS280玉米脫粒清選試驗臺于2015年在山東省農業(yè)機械科學研究院科研試驗基地內試制完成，樣機如圖8所示。

試驗分為兩部分，即脫粒分離試驗與清選試驗，兩試驗可同時進行，試驗對象為人工摘取的果穗。含水率是影響果穗脫粒特性的重要因素，故本試驗過程應在果穗3個不同含水率時期分別進行，包括收獲前期、中期、后期。

1)試驗材料準備。預定品種單一、成熟度較一致的玉米地塊，分別于收獲前期、中期、后期選擇正常天氣進行統(tǒng)一人工采收，每次采收量不應低于3 000只。采收后按照每袋60只放于帶塑料內袋的塑編袋內，并稱重、編號記錄。

圖8 試驗臺樣機實物圖

2)籽粒含水率測定。準備9組試驗所需果穗量(每組4袋)，每袋分別取2只完整果穗，人工剝皮、脫粒，將籽粒放入鹵素水分分析儀進行水分測定，對樣本總體籽粒含水率進行統(tǒng)計。

3)試驗設備運轉。試驗開始前，轉速傳感器架擺放到合適位置并調整光電計數器與旋轉鏈輪距離后對試驗設備運行情況進行調試。檢查操作臺儀表與燈光指示是否正常，確認正常后，開啟變頻器電源按鈕開關，同時啟動各電機不低于2min，檢查設備運行情況是否平穩(wěn)正常。

4)按照試驗大綱進行試驗。首先進行單因素多水平試驗，以確定各因素合理水平范圍。脫粒分離試驗時，預定滾筒傾角6°，凹板間隙35mm，做滾筒轉速的單因素試驗，尋找最佳滾筒轉速n1；再預定滾筒傾角6°，滾筒轉速為n1，做凹板間隙的單因素試驗，確定最佳凹板間隙d1；最后固定滾筒轉速n1，凹板間隙d1，做滾筒傾角的單因素試驗，確定最佳滾筒傾角?1。依據n1、d1、?1確定脫粒分離正交試驗中3個因素的3個水平，因素水平對照表如2所示。

表2 脫粒分離試驗因素水平對照表

清選試驗時，預定篩網傾角5°，曲軸轉速300r/min，做風機轉速的單因素試驗，尋找最佳風機轉速ν1；再預定篩網傾角5°，風機轉速ν1，做曲軸轉速的單因素試驗，確定最佳曲軸轉速ω1；最后固定風機轉速ν1，曲軸轉速ω1，做篩網傾角的單因素試驗，確定最佳篩網傾角θ1。依據θ1、ω1、ν1確定清選正交試驗中3個因素的3個水平，因素水平對照表如3所示。

表3 清選試驗因素水平對照表

因脫粒分離試驗與清選試驗因素互不干擾，且均為三因素三水平，因此多因素多水平正交試驗均可按照標準正交表L9(34)進行[10]，如表4所示。

表4 正交試驗表

5 結論

1)通過試驗臺試制及運行試驗，表明該裝置運行可靠，參數調節(jié)方案可行，能夠高效完成試驗過程。

2)該試驗分單因素多水平試驗和多因素多水平正交試驗兩部分，能有效確定各參數水平范圍并找出最佳參數組合。

3)目前參數調整及試驗數據記錄均需人工完成，下一步可考慮增加液壓系統(tǒng)及智能化系統(tǒng)。

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Design and Research on 5TYS280 Corn Threshing and Cleaning Test Bench

Cui Zhongkai, Di Zhifeng, Zhou Jin, Zhang Hua, Bu Lingxin, Gao Qiang

(Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100, China)

In China, summer corn is mainly concentrated in the Huang-Huai-Hai region. Due to short growth period, the grain moisture content is high during harvest. Direct threshing is easy to cause grain crushing. There are problems between net rate, crushing rate and impurity rate. Operation quality is difficult to guarantee. Now there are few theory research and test bench in corn threshing and cleaning. So this article designs one corn threshing and cleaning test bench, mainly including frame, threshing and separating device, cleaning device, transmission device and motor control and rotating speed monitoring system. Using crushing rate and impurity rate as evaluation index, this test bench can carry out single factor experiment and multiple factors levels orthogonal test through adjusting the parameters of cylinder speed, cylinder angle, concave clearance, vibrating screen angle, crankshaft speed and fan speed. It can determine the best parameters for high moisture corn threshing and cleaning device and provide basis for design, improvement and parameter selection.

summer corn; test bench; grain threshing; grain cleaning; orthogonal test

2016-04-18

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B01)；山東省農機裝備研發(fā)創(chuàng)新項目(NJGG201507)；山東省農業(yè)科學院院地引導科技計劃項目(2015YDHZ05)

崔中凱(1987-),男,山東鄒平人，工程師,(E-mail)kevin6119@qq.com。

邸志峰(1980-),男,山西原平人，工程師,(E-mail)dzf1125@163.com。

S226.5

A

1003-188X(2017)05-0113-05