王升升，耿令新，師清翔，許澤宇

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

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螺旋輸送與篩筒組合式分離裝置性能試驗(yàn)

王升升，耿令新，師清翔，許澤宇

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

大中型谷物聯(lián)合收割機(jī)分離裝置存在體積龐大、振動(dòng)強(qiáng)等問題，小型谷物聯(lián)合收割機(jī)分離裝置缺乏對(duì)斷莖稈的處理能力且分離能力較弱。為此，提出了一種螺旋輸送與篩筒組合式分離裝置。通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了攪龍轉(zhuǎn)速、裝置傾角和分離篩孔尺寸對(duì)分離性能的影響，得出了最優(yōu)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)了籽粒、穎糠及莖稈在輸送過程中的有效分離，為清選裝置在谷物聯(lián)合收割機(jī)上的應(yīng)用提供了依據(jù)。

螺旋輸送；篩筒；分離裝置；聯(lián)合收割機(jī)

0 引言

分離裝置是谷物聯(lián)合收割機(jī)的重要組成部分，分離性能是衡量收獲機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，其優(yōu)劣直接影響到整機(jī)作業(yè)效果[1-3]。目前，大中型谷物聯(lián)合收割機(jī)上廣泛采用振動(dòng)篩式分離裝置，整體體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、振動(dòng)劇烈[4-7]，且不適宜配置到小型谷物聯(lián)合收割機(jī)上[8-10]。小型谷物聯(lián)合收割機(jī)上的分離裝置大多是由大型聯(lián)合收割機(jī)上的分離裝置簡(jiǎn)化而來，甚至沒有適宜的分離裝置，分離效果差，性能低下[11-13]。由河南科技大學(xué)研制的旋風(fēng)分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定，并已成功配置于小型谷物聯(lián)合收割機(jī)上，初步解決了小型谷物聯(lián)合收割機(jī)缺乏適宜分離裝置的難題[14-17]。但使用中發(fā)現(xiàn)，該分離裝置不能處理長(zhǎng)莖稈，為了防止堵塞，采用了較高的揚(yáng)谷器轉(zhuǎn)速，使籽粒破碎率增加、振動(dòng)加大、可靠性降低；同時(shí)，由于該裝置的進(jìn)料口較小，當(dāng)喂入量過大時(shí)，物料過于集中，籽粒與雜物的分離更加困難，分離能力迅速降低[18-20]。

本研究提出一種螺旋攪龍與分離篩筒組合式分離裝置，以螺旋攪龍代替揚(yáng)谷器完成滾筒脫出物物料的輸送，避免揚(yáng)谷器帶來的籽粒破碎；將螺旋攪龍貫穿于篩孔分離筒內(nèi)，不僅能清除長(zhǎng)莖稈，且可有效減輕裝置振動(dòng)，簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)和減小體積。通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了攪龍轉(zhuǎn)速、裝置傾角和分離篩孔尺寸對(duì)分離性能的影響，測(cè)試了裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)。結(jié)果表明：在選定的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)下，該裝置能夠較好地完成分離作業(yè)工作，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到較優(yōu)水平。

1 裝置結(jié)構(gòu)與工作過程

組合式分離裝置主要由接料斗、螺旋輸送攪龍、篩孔分離筒、引流罩和接料箱等組成，如圖1所示。工作時(shí)，由輸送帶運(yùn)送物料，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋輸送攪龍，角度調(diào)節(jié)桿調(diào)節(jié)裝置傾角。

1.排草口 2.引流罩 3.接料箱 4.篩孔分離筒 5.螺旋輸送攪龍 6.接料斗 7.輸送帶 8.變頻電機(jī) 9.角度調(diào)節(jié)桿 10.試驗(yàn)臺(tái)架

工作過程：經(jīng)滾筒脫粒后的谷物脫出物，由輸送帶運(yùn)送至接料斗，在供料充分的條件下進(jìn)行裝置試驗(yàn)。物料進(jìn)入接料斗后，由螺旋輸送攪龍輸送入分離筒。輸送過程中，由于分離篩筒的作用，物料被分離為兩部分：一部分為長(zhǎng)莖稈和大多數(shù)短莖稈，此部分由螺旋輸送攪龍連續(xù)地推送至分離筒末端的排草口，并排出機(jī)外；另一部分為籽粒、穎糠和少數(shù)短莖稈，此部分物料穿過分離篩孔，自然下落至接料箱中，完成分離工作。

2 試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)方法

反映該分離裝置性能的指標(biāo)是分離能力和夾帶損失率。在輸送間隙、分離面積與分離筒長(zhǎng)度確定的情況下，影響該分離裝置性能的主要因素是分離孔尺寸、攪龍轉(zhuǎn)速和裝置傾角。本試驗(yàn)在改變分離孔尺寸、攪龍轉(zhuǎn)速和裝置傾角的條件下進(jìn)行，檢測(cè)出該分離裝置的分離能力及該裝置引起的夾帶損失率。在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，研究出分離性能(分離能力和夾帶損失率)與分離孔尺寸、攪龍轉(zhuǎn)速和裝置傾角之間的關(guān)系。

試驗(yàn)時(shí)，依次更換使用14、18、22mm分離孔直徑的篩孔分離筒進(jìn)行3組試驗(yàn)。對(duì)每組試驗(yàn)依次采用0°、20°、40°、60°的裝置傾角，對(duì)每種裝置傾角依次采用100、250、400、550 r/min的攪龍轉(zhuǎn)速，在不同的參數(shù)組合下進(jìn)行雙因素試驗(yàn)。

試驗(yàn)所需的小麥物料是收割機(jī)滾筒脫出物物料，主要由籽粒、穎糠和莖稈構(gòu)成，物料含雜率為30%，穎糠和莖稈的質(zhì)量比為10:1，莖稈長(zhǎng)度為5～12cm，籽粒含水率為13%～14%，穎糠、莖稈含水率為13%～16%。為了得到分離裝置的最大分離能力，試驗(yàn)在供料充分的條件下進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，待分離筒內(nèi)充滿物料時(shí)，將接料箱推至接料位置處，同時(shí)開始計(jì)時(shí)；保持正常工作一段時(shí)間后取回接料箱，并同時(shí)停止計(jì)時(shí)；試驗(yàn)結(jié)束后，清選并稱量出接料箱內(nèi)籽粒的質(zhì)量和被夾帶排出機(jī)外的籽粒質(zhì)量，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 14mm分離孔直徑時(shí)的試驗(yàn)

分離孔直徑為14mm時(shí)，夾帶損失率的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，分離能力的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 夾帶損失率試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表1

表2 分離能力試驗(yàn)結(jié)果

為研究攪龍轉(zhuǎn)速和裝置傾角對(duì)夾帶損失率和分離能力影響的顯著性關(guān)系，分別以夾帶損失率和分離能力為性能指標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到影響夾帶損失率的分析結(jié)果如表3所示，影響分離能力的分析結(jié)果如表4所示。從結(jié)果中可以看出：攪龍轉(zhuǎn)速和裝置傾角對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響顯著。

表3 影響夾帶損失率的方差分析表

表4 影響分離能力的方差分析表

分別以夾帶損失率J14和分離能力F14為目標(biāo)函數(shù)，攪龍轉(zhuǎn)速x1和裝置傾角x2為自變量，建立數(shù)學(xué)模型。利用分析軟件分析數(shù)據(jù)，得出回歸方程為

J14=82.4828349+0.012623280949x1-

2.4468919503x2+0.016764600407x22-

0.00016239416353x1x2

F14= -31.52549835+0.3898164143x1+

4.800989447x2-0.00007275594314x12-

0.08587255050x22+0.0009331116133x1x2

對(duì)兩個(gè)回歸方程進(jìn)行方差分析，得出夾帶損失率回歸方程J14的相關(guān)系數(shù)R為0.979，分離能力回歸方程F14的相關(guān)系數(shù)R為0.952，表明該模型擬合程度好，方程不失擬。

通過對(duì)回歸方程的計(jì)算，得出裝置在大于53.0°傾角工作時(shí)夾帶損失率的值小于1%，在此條件下裝置分離能力的最大值為每秒分離出191.1g/s籽粒。

3.2 18mm分離孔直徑時(shí)的試驗(yàn)

分離孔直徑為18 mm時(shí)，夾帶損失率的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，分離能力的試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表5 夾帶損失率試驗(yàn)結(jié)果

表6 分離能力試驗(yàn)結(jié)果

為研究攪龍轉(zhuǎn)速和裝置傾角對(duì)夾帶損失率和分離能力影響的顯著性關(guān)系，分別以夾帶損失率和分離能力為性能指標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，影響夾帶損失率的分析結(jié)果如表7所示，影響分離能力的分析結(jié)果如表8所示。由結(jié)果可以看出：攪龍轉(zhuǎn)速和裝置傾角對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響顯著。

表7 影響夾帶損失率的方差分析表

表8 影響分離能力的方差分析表

分別以夾帶損失率J18和分離能力F18為目標(biāo)函數(shù)，攪龍轉(zhuǎn)速x1和裝置傾角x2為自變量，建立數(shù)學(xué)模型。利用分析軟件分析數(shù)據(jù)得出回歸方程為

J18=69.4596535+0.03323849986x1-2.2952106902x2-

0.000013871806339x12+0.018108819823x22-

0.0004254258170x1x2

F18= -44.9979977+0.5042075961x1+6.675103467x2-

0.00006125751433x12-0.11074083800x22-

0.0004503872730x1x2

對(duì)兩個(gè)回歸方程進(jìn)行方差分析，得出夾帶損失率回歸方程J18的相關(guān)系數(shù)R為0.984，分離能力回歸方程F18的相關(guān)系數(shù)R為0.985，表明該模型擬合程度好，方程不失擬。

通過對(duì)回歸方程的計(jì)算，得出裝置在大于48.2°傾角工作時(shí)夾帶損失率的值小于1%，在此條件下裝置分離能力的最大值為每秒分離出280.5g/s籽粒。

3.3 22mm分離孔直徑時(shí)的試驗(yàn)

分離孔直徑為22mm時(shí)，夾帶損失率的試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，分離能力的試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表9 夾帶損失率試驗(yàn)結(jié)果

表10 分離能力試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表10

分別以夾帶損失率和分離能力為性能指標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，以研究試驗(yàn)因素對(duì)夾帶損失率和分離能力影響的顯著性關(guān)系。影響夾帶損失率的分析結(jié)果如表11所示，影響分離能力的分析結(jié)果如表12所示。從結(jié)果中可以看出：攪龍轉(zhuǎn)速和裝置傾角對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響顯著。

表11 影響夾帶損失率的方差分析表

表12 影響分離能力的方差分析表

分別以夾帶損失率J22和分離能力F22為目標(biāo)函數(shù)，攪龍轉(zhuǎn)速x1和裝置傾角x2為自變量，建立數(shù)學(xué)模型。利用分析軟件分析數(shù)據(jù)得出回歸方程為

J22=52.6741254+0.03984371299x1-1.7882980106x2-

0.000015328946600x12+0.014505711464x22-

0.0005557662143x1x2

F22= -24.63399597+0.6409348013x1+10.358549746x2

-0.18033064020x22+0.0021838942258x1x2

對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，得出夾帶損失率回歸方程J22的相關(guān)系數(shù)R為0.978，分離能力回歸方程F22的相關(guān)系數(shù)R為0.956，表明該模型擬合程度好，方程不失擬。

通過對(duì)回歸方程的計(jì)算，得出裝置在大于41.4°傾角或轉(zhuǎn)速低于496.2r/min工作時(shí)夾帶損失率的值小于1%，在此條件下裝置分離能力的最大值每秒分離出為559.6g/s籽粒。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)得出在不同分離孔尺寸條件下裝置傾角的適宜取值范圍，并得出了分離裝置的分離能力。在夾帶損失率小于1%的情況下，裝置傾角的取值范圍和裝置的分離能力如表13所示。

表13 各部件工作參數(shù)取值范圍

從表13中可以看出:裝置在22mm分離孔尺寸工作時(shí)，裝置的傾角可以調(diào)節(jié)到較低水平，有利于提高輸送物料的能力；且在此分離孔尺寸工作時(shí)，裝置的分離能力明顯提高。

為了便于觀察裝置在22mm分離孔尺寸工作時(shí)攪龍轉(zhuǎn)速和裝置傾角對(duì)夾帶損失率和分離能力的影響規(guī)律，繪制出試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響圖。由于裝置傾角在0°～60°時(shí)的夾帶損失率在同一圖上表示困難，從實(shí)用角度出發(fā)，只將裝置傾角為40°和60°時(shí)的性能擬合曲線在圖中表示，如圖2和圖3所示。從圖2、圖3可以看出：裝置傾角在40°～60°的情況下能達(dá)到1%以下的夾帶損失率，在此分離孔尺寸工作時(shí)，裝置的分離能力達(dá)到最優(yōu)。通過對(duì)回歸方程的計(jì)算可知：裝置在大于41.4°傾角或攪龍轉(zhuǎn)速低于496.2r/min工作時(shí)，夾帶損失率的值小于1%，此時(shí)分離裝置每秒可分離出559.6g籽粒，即分離裝置的分離能力為2 014.6kg/h。

圖2 裝置傾角和攪龍轉(zhuǎn)速對(duì)夾帶損失率的影響

圖3 裝置傾角和攪龍轉(zhuǎn)速對(duì)分離能力的影響

4 結(jié)論

1)分離篩筒與螺旋輸送攪龍相配合，可有效清除待清選物料中的長(zhǎng)莖稈。這種組合方式結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)于大喂入量輸送能力強(qiáng)。

2)以分離篩筒配合螺旋輸送攪龍分離待清選小麥脫出物中的莖稈時(shí)，分離孔的直徑以22 mm為宜。在試驗(yàn)條件下，分離孔直徑小于22mm時(shí)，裝置的夾帶損失過大。

3)以管道配合螺旋攪龍輸送待清選小麥脫出物物料時(shí)，管道與輸送攪龍外徑之間的輸送間隙不宜小于7mm，否則會(huì)引起籽粒破碎率的增加。

4)分離裝置性能試驗(yàn)表明：裝置在大于41.4°傾角或攪龍轉(zhuǎn)速低于496.2 r/min工作時(shí)，夾帶損失率小于1%，分離裝置的分離能力為2 014.6kg/h。

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Performance Testing on the Combined Separation Device of Screw Conveyor and Sieve Tube

Wang Shengsheng, Geng Lingxin, Shi Qingxiang, Xu Zeyu

(College of Agriculture & Engineering, Henan University of Science & Technology, Luoyang 471003, China)

Large and medium-sized grain combine harvester separation device has a problem of large volume and strong vibration, while small grain combine harvester lack the capacity of processing broken stalk, and separation capacity is smaller. Therefore, in this paper, we proposes a screw conveyor and sieve tube combined separation device.Through the laboratory tests, we studied the effects of stirring speed, inclination angle and screen size on the separation performance. The optimal combination of structure and motion parameters is obtained and the separation of grain, chaff and stalks in the process of delivery is also achieved. It provided the basis for the application of the separating device in the grain combine harvester.

screw auger; sieve tube; separating device; combine harvester

2016-07-01

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(152102210276)；河南省產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(2015HNCXY008)；河南科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)開發(fā)基金項(xiàng)目(SY1516010)

王升升(1986-)，男，河南洛陽人，講師，(E-mail)wangsheng5288@126.com。

S225.3；S220.3

A

1003-188X(2017)08-0180-06