王立軍 李義博 鄭招輝 武振超 于泳濤 劉天華

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

清選裝置是玉米籽粒收獲機(jī)清選系統(tǒng)的重要組成部分，一般分為純氣流清選裝置和風(fēng)篩式清選裝置。風(fēng)篩式清選裝置具有清選效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、籽粒清潔率高等特點(diǎn)，在當(dāng)今玉米收獲機(jī)械中應(yīng)用廣泛[1-3]。TBATABAIFAR等[4]研究了谷物在篩面上實(shí)現(xiàn)水平分散所需要的氣流壓力和流量，分析了在連續(xù)喂入情況下脫出物篩分時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)； MAERTENS等[5]為了研究谷物在清選分離時(shí)不同組分形式的流動(dòng)，通過(guò)引入合適的守恒定律和概率密度分布函數(shù)，建立了整體分析模型;LI[6]運(yùn)用離散元法研究不同粒度顆粒在不同篩孔分層透篩時(shí)行為和分層透篩規(guī)律；王立軍等[7]采用CFD-DEM耦合仿真方法模擬風(fēng)篩式清選裝置中玉米脫出物在振動(dòng)篩篩面上的運(yùn)動(dòng)狀況；趙杰文等[8]研究了在水平氣流中籽粒、莖稈和其他脫出物的運(yùn)動(dòng)形式，確定了谷粒下落沿氣流方向的分布函數(shù)；趙京華等[9]對(duì)莖稈在低速氣流作用下的受力進(jìn)行測(cè)定，分析了各因素對(duì)莖稈與籽粒分層分離的影響規(guī)律；成芳等[10]研究了風(fēng)篩式清選裝置結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)清選能力的影響規(guī)律，建立了曲柄轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和出風(fēng)口傾角對(duì)籽粒清潔率和損失率的數(shù)學(xué)模型，獲得了優(yōu)化參數(shù)，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

隨著玉米單產(chǎn)的逐年提高，為了達(dá)到清選裝置籽粒高清潔率和低損失率的清選能力要求，目前文獻(xiàn)中多數(shù)依靠改進(jìn)風(fēng)篩式清選裝置中平面往復(fù)振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)或結(jié)構(gòu)參數(shù)[11-13]。本文提出在風(fēng)篩式玉米清選裝置清選篩上部空間安裝雜余拋送器，通過(guò)CFD-DEM耦合方法研究玉米脫出物在雜余拋送器作用下的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)仿真試驗(yàn)確定雜余拋送器最佳結(jié)構(gòu)，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 增設(shè)雜余拋送器的清選裝置

增設(shè)雜余拋送器的清選裝置主要由雜余拋送器、吊桿、連桿、曲柄、帶座軸承、機(jī)架和清選篩組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 增設(shè)雜余拋送器的清選裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of cleaning device with mechanism of throwing impurity 1.上吊桿 2.機(jī)架 3.上圓孔篩 4.雜余拋送器撥輥 5.雜余拋送器撥指 6.下圓孔篩 7.帶座軸承 8.連桿A 9.連桿B 10.曲柄

增設(shè)雜余拋送器的清選裝置通過(guò)雜余拋送器、風(fēng)場(chǎng)和振動(dòng)篩聯(lián)合作用對(duì)玉米脫出物進(jìn)行清選。雜余拋送器通過(guò)帶座軸承套配在清選裝置機(jī)架上，并與之相固接，其由直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)帶帶動(dòng)撥輥工作，雜余拋送器上的撥指通過(guò)撥輥轉(zhuǎn)動(dòng)做回轉(zhuǎn)圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)完成對(duì)脫出物中雜余的拋送工作。風(fēng)機(jī)和振動(dòng)篩由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流場(chǎng)將脫出物吹散，振動(dòng)篩通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成對(duì)脫出物篩分工作。

1.2 雜余拋送器工作原理

圖2 雜余拋送器工作原理圖Fig.2 Working principle of mechanism of throwing impurity 1.圓孔篩 2.抖動(dòng)板 3.玉米籽粒 4.玉米芯 5.撥指 6.玉米莖稈

如圖2所示，雜余拋送器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)可對(duì)從物料抖動(dòng)板落下的玉米脫出物進(jìn)行初步清選，尺寸較大的莖稈和玉米芯在風(fēng)場(chǎng)和撥指聯(lián)合作用下被拋到振動(dòng)篩的后部，而尺寸較小的籽粒與玉米芯從軸向相鄰指間隙中漏出至振動(dòng)篩篩面上。在整個(gè)清選過(guò)程中，雜余被持續(xù)拋起到玉米籽粒的上方，呈現(xiàn)豎直方向“分層”現(xiàn)象；玉米籽粒和雜余水平方向上向篩后運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)“分散”現(xiàn)象。雜余拋送器能夠?qū)崿F(xiàn)籽粒和雜余的初步分離，減少在風(fēng)場(chǎng)作用下雜余對(duì)玉米籽粒的攜帶作用，降低玉米籽粒損失率；雜余被拋送至振動(dòng)篩后部，使籽粒透篩幾率變大，透篩時(shí)間變短，篩下籽粒清潔率提高。

2 玉米脫出物顆粒運(yùn)動(dòng)特性分析

玉米脫出物從抖動(dòng)板落到旋轉(zhuǎn)的雜余拋送器撥指上，隨后玉米芯和莖稈被拋送至振動(dòng)篩后部、籽粒漏至振動(dòng)篩篩面進(jìn)行透篩。為探究雜余拋送器對(duì)玉米脫出物顆粒在水平方向上被拋送位移的影響，建立脫出物顆粒運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。整個(gè)玉米脫出物顆粒拋送過(guò)程可分為3個(gè)階段：脫出物顆粒離開(kāi)抖動(dòng)板到達(dá)雜余拋送器撥指前的運(yùn)動(dòng)；脫出物顆粒在雜余拋送器撥指上的運(yùn)動(dòng)；脫出物顆粒被拋后在風(fēng)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。

2.1 離開(kāi)抖動(dòng)板到達(dá)撥指前的運(yùn)動(dòng)分析

玉米脫出物顆粒離開(kāi)抖動(dòng)板運(yùn)動(dòng)到雜余拋送器撥指前，在風(fēng)場(chǎng)中受力模型如圖3所示，忽略顆粒所受空氣阻力、顆粒之間的相互作用和其自旋性，顆粒僅受自身重力G和風(fēng)力Fw作用[14]。

圖3 玉米脫出物顆粒離開(kāi)抖動(dòng)板到達(dá)撥指前受力模型Fig.3 Force model of maize mixture leaving tossing board before arriving at raking finger

玉米脫出物顆粒離開(kāi)抖動(dòng)板時(shí)的速度即進(jìn)入清選裝置的初始速度v0在X1和Y1方向的分速度分別為

v0X1=v0cosε

(1)

v0Y1=-v0sinε

(2)

式中ε——顆粒離開(kāi)抖動(dòng)板時(shí)速度方向角，(°)

玉米脫出物顆粒離開(kāi)抖動(dòng)板，運(yùn)動(dòng)時(shí)間t后，速度為v，其在X1和Y1方向的動(dòng)力學(xué)微分方程分別為

(3)

(4)

其中

Fw=kρmu2

(5)

G=mg

(6)

(7)

式中m——脫出物顆粒質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

kρ——漂浮系數(shù)，mm-1

u——?dú)饬魉俣龋琺/s

α——?dú)饬鞣较蚪牵?°)

vρ——漂浮速度，m/s

對(duì)式(1)～(7)分析可知，在清選裝置入口氣流速度、氣流方向角、脫出物顆粒自身漂浮速度一定時(shí)，顆粒離開(kāi)抖動(dòng)板到達(dá)撥指前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與其離開(kāi)抖動(dòng)板時(shí)的速度有關(guān)。

由文獻(xiàn)[15]可知，通過(guò)CFD-DEM耦合仿真方法提取到玉米脫出物顆粒離開(kāi)抖動(dòng)板時(shí)豎直方向速度很小(小于0.1 m/s)，水平速度為0.1～0.7 m/s。脫出物顆粒離開(kāi)抖動(dòng)板到達(dá)撥指前的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示，顆粒進(jìn)入清選裝置的水平初速度決定其在水平方向位移，曲線1和曲線2代表水平初速度最小和最大雜余顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。點(diǎn)P(LP,0)為撥指指尖到振動(dòng)篩篩面豎直距離最小點(diǎn)，該點(diǎn)為雜余顆粒是否能被撥指接住的臨界位置。紅色、綠色、藍(lán)色顆粒分別代表玉米莖稈、玉米籽粒、玉米芯。

圖4 脫出物顆粒離開(kāi)抖動(dòng)板到達(dá)撥指時(shí)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.4 Sketch of moving trajectory of maize mixture leaving tossing board before arriving at raking finger

脫出物顆粒以速度v0離開(kāi)抖動(dòng)板到達(dá)撥指前的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

(8)

式中L——顆粒離開(kāi)抖動(dòng)板到達(dá)撥指前在X1方向的位移，mm

H——顆粒離開(kāi)抖動(dòng)板到達(dá)撥指前在Y1方向的位移，mm

在清選裝置入口氣流速度為12.8 m/s、氣流方向角為25°條件下，基于抖動(dòng)板尾部高于上篩100 mm，振動(dòng)篩振幅19 mm[15-16]，該過(guò)程脫出物顆粒豎直方向最小和最大位移分別為19 mm和81 mm。通過(guò)公式(1)～(8)獲得雜余顆粒離開(kāi)抖動(dòng)板到達(dá)撥指前最小和最大水平位移分別為L(zhǎng)min=70 mm，Lmax=130 mm。

綜上，為確保雜余拋送器撥指完全接住雜余顆粒，不發(fā)生漏撒，雜余拋送器軸心應(yīng)安裝在距離上篩豎直100 mm，距離抖動(dòng)板尾部水平130 mm位置。

2.2 在雜余拋送器撥指上的運(yùn)動(dòng)分析

圖5 玉米脫出物顆粒在撥指上受力示意圖Fig.5 Force diagrams of maize mixture on raking finger 1.玉米脫出物顆粒 2.雜余拋送器撥指 3.雜余拋送器撥輥

(9)

(10)

其中

Fs=mω2R

(11)

(12)

Ff1=fN1=f(Gsinβ+Fssinδ-Fk-Fwcos(β-α))

(13)

Ff2=fN2=f(Gsinβ+Fssinδ+Fk-Fwcos(β-α))

(14)

由圖5可知

(15)

r0=Rsinδ

(16)

l=Rcosδ

(17)

γ=ωt

(18)

式中ω——雜余拋送器撥輥旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

N1、N2——脫出物顆粒減速和加速時(shí)對(duì)撥指正壓力，N

R——撥指運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)半徑，mm

f——摩擦因數(shù)

β——重力與撥指間夾角，(°)

γ——撥指的轉(zhuǎn)角，(°)

δ——離心力與撥指間夾角，(°)

聯(lián)立公式(9)～(18)得出玉米脫出物顆粒在雜余拋送器撥指上減速和加速時(shí)運(yùn)動(dòng)方程為

(19)

其中

j=kρu2(sin(δ+α)?fcos(δ+α))-g(cosδ±fsinδ)

(20)

q=kρu2(cos(δ+α)±fsin(δ+α))+g(sinδ?fcosδ)

(21)

式中“±、?”上、下符號(hào)分別代表顆粒在雜余拋送器撥指上減速和加速狀態(tài)參數(shù)符號(hào)。

由上述分析可知，當(dāng)玉米脫出物顆粒在撥指某一位置時(shí)，所受風(fēng)力、氣流方向角、離心力與撥指間夾角一定，其在撥指上的運(yùn)動(dòng)與以下因素有關(guān)：撥輥旋轉(zhuǎn)角速度、撥指運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)半徑、脫出物顆粒在撥指上運(yùn)動(dòng)時(shí)間等。玉米脫出物顆粒在撥指上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步影響其被拋出后在風(fēng)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響脫出物顆粒在水平方向上的位移。

2.3 被拋后在風(fēng)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)分析

玉米脫出物顆粒從撥指上被拋出后，忽略其所受空氣阻力及自身旋轉(zhuǎn)引起周圍氣流變化，其在風(fēng)場(chǎng)與重力場(chǎng)聯(lián)合作用下在振動(dòng)篩上部空間做類似斜拋運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示。其中，A點(diǎn)為脫出物顆粒被拋射點(diǎn)，B點(diǎn)為脫出物顆粒運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)，H點(diǎn)為脫出物顆粒與篩面初次接觸點(diǎn)。

圖6 玉米脫出物顆粒被拋后運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.6 Sketch of moving trajectory of maize mixture threw

玉米脫出物顆粒從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

(22)

玉米脫出物顆粒從B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到H點(diǎn)過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

(23)

式中aY2——脫出物顆粒在Y2方向加速度，m/s2

v1——顆粒在撥指上被拋出時(shí)初速度，m/s

θ——脫出物顆粒最佳拋射角，(°)

LAB——A至B水平方向位移，mm

LBH——B至H水平方向位移，mm

HAB——A至B豎直方向位移，mm

HDH——D至H豎直方向位移，mm

aX2——脫出物顆粒在X2方向加速度，m/s2

vHY2——脫出物顆粒在H點(diǎn)Y2方向速度，m/s

vBX2——脫出物顆粒在B點(diǎn)X2方向速度，m/s

撥指拋送雜余的水平位移越遠(yuǎn)，籽粒透篩的幾率就越大，雖然大部分籽粒通過(guò)撥指間隙漏至振動(dòng)篩上實(shí)現(xiàn)透篩，仍有籽粒會(huì)被撥指拋送到出料口，導(dǎo)致籽粒損失率增加，因此應(yīng)為這些籽粒留有一定水平距離保證其能夠透篩。當(dāng)入口氣流速度為12.8 m/s，氣流方向角為25°時(shí)，玉米籽粒在X2方向速度最大值達(dá)到2.12 m/s僅需0.35 s[19-20]，參考玉米收獲機(jī)中振動(dòng)篩篩長(zhǎng)為1 360 mm，結(jié)合籽粒在篩面運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，本文取振動(dòng)篩篩面長(zhǎng)度1/2作為被拋玉米脫出物顆粒在水平方向運(yùn)動(dòng)的最大位移(LAH=LAC+LEH=680 mm)。聯(lián)立公式(5)～(7)、(22)、(23)得出脫出物顆粒從被拋點(diǎn)A至與篩面初次接觸點(diǎn)H水平位移為

(24)

式中HCE——C至E豎直方向位移，mm

將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入公式(24)中，得出被拋脫出物顆粒在水平方向從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到H點(diǎn)，即運(yùn)動(dòng)最大位移條件下，撥指運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)半徑R與最佳拋射角θ關(guān)系式為

(25)

2.4 撥指曲線設(shè)計(jì)

撥指曲線可以看作是由無(wú)數(shù)個(gè)脫出物顆粒最佳拋射點(diǎn)集合形成的線條，其方程為顆粒最佳拋射點(diǎn)橫縱坐標(biāo)的函數(shù)方程。最佳拋射點(diǎn)為玉米脫出物任意顆粒落到撥指上任意位置，在水平方向均能達(dá)到最大位移LAH=680 mm時(shí)，顆粒在撥指上的拋射位置坐標(biāo)如圖6所示。在坐標(biāo)系O2X2Y2中，脫出物顆粒最佳拋射點(diǎn)坐標(biāo)A(x，y),其中x=Rsinθ，y=Rcosθ。假設(shè)脫出物顆粒所受風(fēng)力保持不變，撥指某一回轉(zhuǎn)半徑R和該回轉(zhuǎn)半徑下的顆粒最佳拋射角θ決定顆粒最佳拋射點(diǎn)坐標(biāo)和水平方向上加速運(yùn)動(dòng)的位移。將脫出物顆粒最佳拋射點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)x=Rsinθ、y=Rcosθ代入到公式(25)中，得到撥指曲線方程為

(26)

3 仿真試驗(yàn)

3.1 增設(shè)雜余拋送器的清選裝置模型

6行玉米收獲機(jī)中風(fēng)篩式清選裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：長(zhǎng)度1 850 mm，高度925 mm，寬度1 100 mm，清選裝置內(nèi)振動(dòng)篩上篩和下篩均為圓孔篩，尾篩為貝殼篩，上篩、下篩長(zhǎng)度均為1 360 mm，尾篩長(zhǎng)度280 mm，篩體厚度2 mm，尾篩篩面安裝傾角為3.5°，上篩的振動(dòng)方向角為136.6°，下篩的振動(dòng)方向角為43.4°。原有風(fēng)篩式清選裝置中抖動(dòng)板為階梯板，其與水平面夾角為1.74°，階梯板尾部與上篩面垂直距離約75 mm。根據(jù)文獻(xiàn)[16]要求，抖動(dòng)板尾部高于上篩面距離最大為100 mm。

在一定情況下，物料喂入口越高，越有利于更多的雜余被拋送至振動(dòng)篩后部，現(xiàn)將增設(shè)雜余拋送器的清選裝置中抖動(dòng)板位置調(diào)整到距離上篩面100 mm處，抖動(dòng)板與水平面夾角保持不變?？紤]計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力，清選裝置寬度選取100 mm進(jìn)行建模，其物理模型如圖7所示。運(yùn)用CATIA軟件對(duì)增設(shè)雜余拋送器的清選裝置進(jìn)行三維建模，將其保存為IGS格式并導(dǎo)入Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，運(yùn)用局部網(wǎng)格重構(gòu)法作為動(dòng)網(wǎng)格(Moving mesh)的更新計(jì)算方法。

圖7 增設(shè)雜余拋送器的清選裝置模型Fig.7 Model of cleaning device with mechanism of throwing impurity 1.氣流入口 2.抖動(dòng)板 3.雜余拋送器 4.上圓孔篩 5.雜余出口 6.貝殼尾篩 7.下圓孔篩

3.2 玉米脫出物成分及其模型

玉米脫出物的成分以及各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖8所示[21]。以德美亞1號(hào)為參考，利用東北農(nóng)業(yè)大學(xué)三維激光掃描試驗(yàn)臺(tái)對(duì)玉米脫出物進(jìn)行掃描建模，在CATIA軟件中將顆粒模型云點(diǎn)圖轉(zhuǎn)化為IGS格式，導(dǎo)入到EDEM軟件中進(jìn)行小球填充，玉米脫出物實(shí)體及模型如圖9所示。

圖8 玉米脫出物各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.8 Percentage diagram of various components in maize mixture

圖9 玉米脫出物實(shí)體及模型Fig.9 Models of maize particles, cob and stalk

3.3 仿真參數(shù)設(shè)置

本研究采用CFD-DEM耦合的方法，設(shè)定各材料力學(xué)特性及各材料間接觸屬性如表1和表2所示[15]。在EDEM中各材料接觸模型選用Hertz-Mindlin(no-slip)無(wú)滑動(dòng)模型，設(shè)定增設(shè)雜余拋送器的清選裝置中振動(dòng)篩振動(dòng)頻率為5.15 Hz，振幅為19 mm，清選裝置入口脫出物量分別為5、6、7 kg/s。由于原裝置入口氣流速度范圍為9.6～16 m/s，取其速度中心值u=12.8 m/s作為本研究清選裝置入口氣流速度。為保證風(fēng)機(jī)入口氣流流速最大，本文取風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)風(fēng)板角度為25°。 EDEM中時(shí)間步長(zhǎng)為Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)的20%，F(xiàn)luent時(shí)間步長(zhǎng)為EDEM時(shí)間步長(zhǎng)的100倍。

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

表2 材料間接觸屬性參數(shù)Tab.2 Interaction properties of different materials

3.4 雜余拋送器性能指標(biāo)的選取

玉米籽粒與尺寸較小的玉米芯從雜余拋送器撥指間隙中漏到振動(dòng)篩篩面上，尺寸較大的雜余被拋送至振動(dòng)篩后部，可實(shí)現(xiàn)籽粒和雜余的初步分離，減少雜余對(duì)籽粒的攜帶作用。水平方向上雜余被拋送得越遠(yuǎn)，其在振動(dòng)篩上透篩的幾率就越小，玉米籽粒透篩的幾率就越大，玉米籽粒清潔率就越高。雜余與籽粒在水平方向上運(yùn)動(dòng)重疊的位移越小，雜余對(duì)籽粒的攜帶作用越小，玉米籽粒損失率就越低。因此，本文以雜余被拋送水平位移y1(mm)、雜余與籽粒被拋送水平位移重疊量y2(mm)作為雜余拋送器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的直接指標(biāo)。玉米籽粒清潔率和損失率作為增設(shè)雜余拋送器的清選裝置與未加雜余拋送器清選裝置對(duì)比的間接性能指標(biāo)。

3.5 單因素仿真試驗(yàn)

基于玉米脫出物顆粒在雜余拋送器撥指上運(yùn)動(dòng)分析，開(kāi)展以雜余拋送器周向撥指數(shù)量、撥指回轉(zhuǎn)半徑、軸向相鄰指間距、撥輥旋轉(zhuǎn)角速度的單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)以雜余被拋送水平位移、雜余與籽粒被拋送水平位移重疊量為清選性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，尋求各因素對(duì)雜余拋送器清選性能的影響規(guī)律[22-25]。單因素試驗(yàn)各因素所取水平以預(yù)試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，如表3所示。在進(jìn)行單因素試驗(yàn)時(shí)，其他因素水平選取范圍中心值。

表3 單因素試驗(yàn)因素水平Tab.3 Experimental factors and levels

3.5.1周向撥指數(shù)量

為使從抖動(dòng)板抖落下的雜余能被撥指接住不發(fā)生漏拋，周向撥指數(shù)量不能排布太少。為減小撥指與玉米籽粒間剛性碰撞而導(dǎo)致玉米籽粒損傷以及從軸向撥指間隙中漏出幾率減小，周向撥指數(shù)量不能分布太多?，F(xiàn)將周向撥指數(shù)量設(shè)置為4～10個(gè)。通過(guò)單因素試驗(yàn)可得：周向撥指數(shù)量從6個(gè)增加到10個(gè)，雜余被拋送水平位移范圍為205～700 mm，雜余被拋送水平位移隨周向撥指數(shù)量增加逐漸增大，但周向撥指數(shù)量從8個(gè)增加到10個(gè)時(shí)，遞增幅度較小；籽粒與雜余水平位移重疊量為-35～35 mm，兩者水平位移重疊量隨周向撥指數(shù)量增加呈先減小后增大趨勢(shì)，如圖10所示。當(dāng)周向撥指數(shù)量小于6個(gè)時(shí)，雜余被拋送水平位移較小且存在雜余與籽粒水平位移重疊現(xiàn)象，撥指對(duì)雜余的拋送作用減弱。因此，將周向撥指數(shù)量設(shè)置為6～10個(gè)。

圖10 不同周向撥指數(shù)量時(shí)玉米脫出物被拋送水平位移Fig.10 Horizontal displacement of maize mixture threw under different numbers of raking finger in circumferential direction

3.5.2撥指回轉(zhuǎn)半徑

為保證撥指完全接住玉米脫出物顆粒，不發(fā)生漏撒現(xiàn)象，撥指回轉(zhuǎn)半徑應(yīng)大于脫出物顆粒在水平方向的最大位移與最小位移之差，即R≥Lmax-Lmin=60 mm。撥指曲線形狀由參數(shù)化方程(26)定義(以撥指曲線在直角坐標(biāo)系第二象限為例)，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，確定撥指回轉(zhuǎn)半徑范圍60～90 mm；參照最佳拋射點(diǎn)定義，由撥指回轉(zhuǎn)半徑R與最佳拋射點(diǎn)A(x，y)關(guān)系，可得撥指回轉(zhuǎn)半徑在60～90 mm時(shí)，撥指具體形狀(R60、R65、…、R90分別表示撥指回轉(zhuǎn)半徑60、65、…、90 mm)如圖11所示。

圖11 玉米脫出物顆粒最佳拋射點(diǎn)示意圖Fig.11 Diagram of the best position for throwing maize mixture

通過(guò)撥指回轉(zhuǎn)半徑單因素試驗(yàn)可得：撥指回轉(zhuǎn)半徑在70～90 mm區(qū)間內(nèi)，撥指對(duì)雜余的水平拋送位移范圍為170～670 mm，雜余水平拋送位移隨撥指回轉(zhuǎn)半徑增大先增后減；籽粒與雜余水平位移重疊量為-45～39 mm，兩者水平位移重疊量先減后增。當(dāng)撥指回轉(zhuǎn)半徑在其它情況下，雜余被拋送水平位移較小且雜余與籽粒水平位移重疊量較大，如圖12所示。因此，將雜余拋送器回轉(zhuǎn)半徑范圍設(shè)置為70～90 mm。

圖12 不同撥指回轉(zhuǎn)半徑時(shí)玉米脫出物被拋送水平位移Fig.12 Horizontal displacement of maize mixture threw under different rotation radii of raking finger

3.5.3軸向相鄰指間距

在玉米脫出物中，玉米籽粒形狀主要分為球形、矩形、錐形[26]。3種玉米籽粒立體尺寸主要集中在9～15 mm。保證籽粒能夠順利從周向相鄰撥指間隙漏出，即立體尺寸最大的顆粒漏出其它形狀的顆粒便可順利漏出。通過(guò)單因素試驗(yàn)可得：軸向相鄰指間距從11 mm增加到15 mm，雜余被拋送水平位移從697 mm減小到165 mm，雜余被拋送水平位移隨軸向相鄰指間距增大而逐漸減小，變化趨勢(shì)較緩；籽粒與雜余水平位移重疊量為-45～30 mm，其隨軸向相鄰撥指間距增大呈先減小后增大趨勢(shì)，如圖13所示。在軸向相鄰指間距小于11 mm時(shí)，雜余雖拋送水平距離較遠(yuǎn)，但籽粒與雜余水平重疊位移較大，雜余對(duì)籽粒攜帶作用較大，籽粒損失率增大。綜上，軸向相鄰指間距范圍設(shè)置為11～15 mm。

圖13 不同軸向相鄰指間距時(shí)玉米脫出物被拋送 水平位移Fig.13 Horizontal displacement of maize mixture threw under different spacings between raking fingers

3.5.4撥輥旋轉(zhuǎn)角速度

當(dāng)撥指指尖最小線速度大于篩面水平方向最大速度時(shí)，有利于將玉米脫出物顆粒向篩后拋送[27]。清選裝置中平面往復(fù)振動(dòng)篩面水平方向速度范圍為-0.96～1.12 m/s[26]，故撥指指尖線速度應(yīng)大于上述篩面水平速度最大值1.12 m/s。當(dāng)撥指指尖線速度大于1.12 m/s，撥指回轉(zhuǎn)半徑R=80 mm為中心值時(shí)，根據(jù)撥指指尖線速度表達(dá)式v1=ωR，所對(duì)應(yīng)的撥輥旋轉(zhuǎn)角速度應(yīng)大于14 rad/s。為更加全面地獲得撥指旋轉(zhuǎn)角速度對(duì)被拋脫出物水平位移的影響，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果擴(kuò)大撥輥旋轉(zhuǎn)角速度范圍至10～22 rad/s。

通過(guò)撥輥旋轉(zhuǎn)角速度單因素試驗(yàn)可得：撥輥旋轉(zhuǎn)角速度在12～20 rad/s區(qū)間內(nèi)，撥指對(duì)雜余的水平拋送位移范圍為165～650 mm，隨著撥輥旋轉(zhuǎn)角速度的增大，雜余被拋送水平位移呈先增大后減小趨勢(shì)，籽粒與雜余在水平方向位移重疊量為-68～44 mm，隨著撥輥旋轉(zhuǎn)角速度的增大，呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，如圖14所示；當(dāng)撥輥旋轉(zhuǎn)角速度小于12 rad/s或大于20 rad/s時(shí)，雜余被拋送水平位移較小且籽粒與雜余水平位移重疊量較大，籽粒透篩幾率減小，雜余對(duì)籽粒攜帶作用增強(qiáng)，使籽粒清潔率減小、損失率增大。因此將撥輥旋轉(zhuǎn)角速度設(shè)置為12～20 rad/s。

圖14 不同撥輥旋轉(zhuǎn)角速度時(shí)玉米脫出物被拋送 水平位移Fig.14 Horizontal displacement of maize mixture threw at different angular velocities of roll

3.6 多因素仿真試驗(yàn)

3.6.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)單因素試驗(yàn)確定雜余拋送器周向撥指數(shù)量x1、撥指回轉(zhuǎn)半徑x2、軸向相鄰指間距x3、撥輥旋轉(zhuǎn)角速度x4為試驗(yàn)因素，以雜余被拋送水平位移y1、雜余與籽粒水平位移重疊量y2為試驗(yàn)指標(biāo)，雜余被拋送水平位移y1計(jì)算公式為

(27)

式中Xi——第i個(gè)雜余水平方向上被拋送位移，mm

n——水平方向上雜余數(shù)量

采用四因素五水平中心組合設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼如表4所示。

3.6.2玉米脫出物被拋送過(guò)程

圖15為在周向撥指數(shù)量8個(gè)、軸向相鄰指間距13 mm、撥指回轉(zhuǎn)半徑80 mm、撥輥旋轉(zhuǎn)角速度16 rad/s條件下，玉米脫出物在雜余拋送器拋送作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，圖中紅色、綠色、藍(lán)色顆粒分別表示玉米莖稈、玉米籽粒和玉米芯。在時(shí)間為0.35 s時(shí)，脫出物在雜余拋送器作用下實(shí)現(xiàn)了初步分離，玉米籽粒從軸向相鄰指間隙中漏出至振動(dòng)篩上開(kāi)始透篩，雜余在撥指拋揚(yáng)作用下開(kāi)始向篩后運(yùn)動(dòng)；在時(shí)間1.00～1.35 s內(nèi)，籽粒和雜余在振動(dòng)篩上呈現(xiàn)“豎直分層、水平分散”效果最為明顯，如圖15b所示。在時(shí)間為1.78 s時(shí)，大部分籽粒已經(jīng)完成透篩，小部分籽粒與雜余在水平方向上運(yùn)動(dòng)位移存在重疊且重疊位移較小。雜余拋送器使雜余對(duì)籽粒的攜帶作用減小，從而籽粒損失率減小；使籽粒透篩幾率增大，從而籽粒清潔率增大。

表4 試驗(yàn)因素編碼Tab.4 Experimental factors and codes

圖15 玉米脫出物在雜余拋送器下被拋送狀態(tài)Fig.15 Status of maize mixture threw with help of mechanism of throwing impurity

圖16 各因素對(duì)雜余被拋送水平位移的響應(yīng)曲面Fig.16 Response surfaces of all factors on horizontal displacement of maize impurity threw

3.6.3試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)雜余被拋送水平位移回歸模型與響應(yīng)面分析

使用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及擬合后可知：模型顯著性檢驗(yàn)F值為1 114.86，p值小于0.000 1，該模型極顯著；失擬項(xiàng)p=0.460 5>0.05，殘差項(xiàng)不顯著，該回歸模型成立。x1x2、x1x4、x3x4對(duì)指標(biāo)影響均顯著，其余交互項(xiàng)對(duì)其不顯著。各因素對(duì)雜余被拋送水平位移影響由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋簒1、x4、x3、x2。進(jìn)行方差分析后可得各因素對(duì)雜余被拋送水平位移的回歸數(shù)學(xué)模型為

(28)

各因素對(duì)雜余被拋送水平位移的響應(yīng)曲面如圖16所示。由圖16a可知，當(dāng)撥輥旋轉(zhuǎn)角速度為16 rad/s，軸向相鄰指間距為13 mm時(shí)，在周向撥指數(shù)量一定的條件下，雜余被拋送水平位移隨撥指回轉(zhuǎn)半徑增大呈先增大后減小趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著撥指回轉(zhuǎn)半徑增大，撥指對(duì)雜余拋送作用增強(qiáng)，雜余被拋出時(shí)速度增大，在做類似斜拋運(yùn)動(dòng)的水平分速度變大，雜余在水平方向上被拋送位移變大，但是，當(dāng)撥指回轉(zhuǎn)半徑處于高水平時(shí)，雜余被拋出時(shí)速度變大，做類似斜拋運(yùn)動(dòng)的豎直分速度變大，雜余被拋豎直位移變大，由于風(fēng)篩式清選裝置空間結(jié)構(gòu)限制，導(dǎo)致雜余極易撞到清選裝置上頂板而反彈到清選裝置的振動(dòng)篩上，不能做完整類似斜拋運(yùn)動(dòng)，水平位移減小。

由圖16b可知，在軸向相鄰指間距為13 mm，撥指回轉(zhuǎn)半徑為80 mm，周向撥指數(shù)量一定的條件下，撥輥旋轉(zhuǎn)角速度處于12～16 rad/s區(qū)間內(nèi)，雜余被拋送水平位移隨撥輥旋轉(zhuǎn)角速度的增大而增大；撥輥旋轉(zhuǎn)角速度處于16～20 rad/s區(qū)間內(nèi)，雜余被拋送水平位移隨撥輥旋轉(zhuǎn)角速度的增大有減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)閾茌佇D(zhuǎn)角速度處于低水平時(shí)，隨著撥輥旋轉(zhuǎn)角速度的不斷增大，撥指對(duì)雜余拋送作用增強(qiáng)，雜余被拋出時(shí)的線速度增大，雜余在做類似斜拋運(yùn)動(dòng)的水平分速度、水平位移變大，故雜余被拋送水平位移與撥輥旋轉(zhuǎn)角速度呈正相關(guān)；撥輥旋轉(zhuǎn)角速度處于高水平時(shí)，隨著撥輥旋轉(zhuǎn)角速度增大，雜余被拋甩的豎直高度就越大，碰到清選室上頂板的幾率就越大，不能做完整加速運(yùn)動(dòng)的雜余水平位移減小。

由圖16c可知，在周向撥指數(shù)量為8個(gè)，撥指回轉(zhuǎn)半徑為80 mm，無(wú)論撥輥旋轉(zhuǎn)角速度處于低水平還是高水平，雜余被拋送水平位移均隨軸向相鄰指間距增大而減小。這是因?yàn)殡S著軸向相鄰指間距增大，部分雜余將從相鄰指間隙中漏出，撥指對(duì)其拋揚(yáng)幾率和強(qiáng)度均變小，未能被撥指拋送的雜余水平位移減??；其他條件不變，在軸向相鄰指間距一定時(shí)，雜余被拋送水平位移隨撥輥旋轉(zhuǎn)角速度增大呈先增大后減小趨勢(shì)。

(2)雜余與籽粒被拋送水平位移重疊量回歸模型與響應(yīng)面分析

圖17 各因素對(duì)雜余與籽粒被拋送水平位移重疊量的響應(yīng)曲面Fig.17 Response surfaces of all factors on overlapping displacement between maize particles and impurity

經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及擬合后可知：模型顯著性檢驗(yàn)F值為152.46，p值小于0.000 1，該模型極顯著；失擬項(xiàng)p=0.407 1>0.05，殘差項(xiàng)不顯著，說(shuō)明該回歸模型成立。x1x2、x1x3、x1x4對(duì)指標(biāo)影響均顯著。各因素對(duì)被拋?zhàn)蚜Ｅc雜余水平重疊位移影響由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋簒1、x3、x4、x2。進(jìn)行方差分析后可得各因素對(duì)雜余與籽粒被拋送水平位移重疊量回歸數(shù)學(xué)模型為

(29)

所得各因素對(duì)雜余與籽粒被拋送水平位移重疊量的響應(yīng)曲面如圖17所示。由圖17a可知，在撥輥旋轉(zhuǎn)角速度為16 rad/s，軸向相鄰指間距為13 mm，撥指回轉(zhuǎn)半徑一定的條件下，隨著周向撥指數(shù)量增多籽粒與雜余水平重疊位移呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)周向撥指數(shù)量較少時(shí)，雜余拋送器撥指不能全部接住從抖動(dòng)板上抖落的玉米脫出物，使部分脫出物不能受到雜余拋送器撥指拋送作用而直接運(yùn)動(dòng)到振動(dòng)篩篩面上，籽粒和雜余未能完成雜余拋送器初步清選，兩者水平運(yùn)動(dòng)位移存在較大重疊；當(dāng)周向撥指數(shù)量較多時(shí)，雜余拋送器撥指對(duì)雜余拋揚(yáng)作用加強(qiáng)，但是部分籽粒會(huì)在雜余拋送器撥指拋揚(yáng)或碰撞作用下運(yùn)動(dòng)到振動(dòng)篩后部，致使與被撥指拋送的雜余產(chǎn)生“匯合”，雜余對(duì)籽粒攜帶作用增強(qiáng)，兩者水平重疊位移變大。

如圖17b所示，在撥輥旋轉(zhuǎn)角速度為16 rad/s，撥指回轉(zhuǎn)半徑為80 mm，周向撥指數(shù)量一定的條件下，籽粒與雜余水平重疊位移隨軸向相鄰指間距的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)軸向相鄰指間距較小時(shí)，撥指對(duì)雜余和籽粒的拋揚(yáng)作用均加強(qiáng)，玉米籽粒未能通過(guò)軸向相鄰指間隙漏至振動(dòng)篩上，而是在撥指的拋揚(yáng)作用下同雜余一起拋擲到振動(dòng)篩后部，雜余對(duì)籽粒的攜帶作用變強(qiáng)，因此，兩者的水平方向重疊位移變大；當(dāng)軸向相鄰指間距較大時(shí)，撥指對(duì)雜余和籽粒的拋揚(yáng)作用減弱，部分雜余未能到達(dá)撥指指尖位置就從軸向相鄰指間隙中漏出或者被拋出，其不能作完整的類似斜拋運(yùn)動(dòng)，水平位移減小，雜余和籽粒的水平位移重疊量將增大，雜余對(duì)籽粒攜帶作用變強(qiáng)，籽粒損失率增大。

如圖17c所示，在軸向相鄰指間距為13 mm，撥指回轉(zhuǎn)半徑為80 mm，周向撥指數(shù)量一定的條件下，籽粒與雜余水平重疊位移均隨撥輥旋轉(zhuǎn)角速度的增大先減小后增大。這是因?yàn)楫?dāng)撥輥旋轉(zhuǎn)角速度較小時(shí)，雜余在水平方向上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的初速度變小，雜余向篩后運(yùn)動(dòng)的能力減弱，水平位移將減小，同時(shí)，從軸向相鄰指間隙中漏出的籽粒在振動(dòng)篩振動(dòng)作用下向篩后移動(dòng)，兩者匯聚相互作用，雜余攜帶籽粒向后移動(dòng)，因此重疊位移較大；當(dāng)撥輥旋轉(zhuǎn)角速度較大時(shí)，雜余在豎直方向做勻減速的初速度變大，雜余向上的拋送位移也將增大，風(fēng)篩式清選裝置的內(nèi)部空間限制了雜余向上運(yùn)動(dòng)，使其碰撞至頂板上被反彈至振動(dòng)篩上，阻擋籽粒向篩后運(yùn)動(dòng)，使籽粒透篩幾率減小，雜余被拋送的能力減弱。

3.7 參數(shù)優(yōu)化

為使雜余拋送器拋揚(yáng)性能達(dá)到最優(yōu)，利Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在各因素滿足試驗(yàn)范圍條件下，限定玉米籽粒清潔率和損失率均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，建立其約束數(shù)學(xué)模型為

(30)

通過(guò)仿真優(yōu)化得雜余拋送器拋揚(yáng)性能最優(yōu)參數(shù)組合：周向撥指數(shù)量8個(gè)，撥指回轉(zhuǎn)半徑80.18 mm，軸向相鄰指間距12.44 mm，撥輥旋轉(zhuǎn)角速度15.41 rad/s，此條件下，籽粒損失率為1.4%，清潔率為99.21%，均滿足玉米清選國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

基于雜余拋送器撥指曲線及仿真優(yōu)化參數(shù)結(jié)果，加工周向撥指數(shù)量為8個(gè)、撥指回轉(zhuǎn)半徑取整為80.0 mm、軸向相鄰指間距近似為12.5 mm的雜余拋送器。改進(jìn)貫流式風(fēng)篩清選裝置試驗(yàn)臺(tái)架，使其與6行玉米收獲機(jī)清選裝置保持一致，如圖18所示。通過(guò)調(diào)節(jié)控制雜余拋送器、振動(dòng)篩和貫流風(fēng)機(jī)的變頻器、風(fēng)機(jī)角度調(diào)節(jié)板，使雜余拋送器旋轉(zhuǎn)角速度、振動(dòng)篩振動(dòng)頻率、入口氣流速度和入口氣流方向角與所優(yōu)化參數(shù)保持一致。

圖18 試驗(yàn)裝置Fig.18 Experiment device 1.貝殼尾篩 2.圓孔上篩 3.雜余拋送器 4.抖動(dòng)板 5.雜余拋送器電機(jī) 6.雜余拋送器變頻器 7.貫流風(fēng)機(jī) 8.貫流風(fēng)機(jī)電機(jī) 9.貫流風(fēng)機(jī)變頻器 10.振動(dòng)篩變頻器 11.振動(dòng)篩電機(jī)12.圓孔下篩

依據(jù)玉米脫出物各成分比例，稱量玉米脫出物各成分然后均勻混合，試驗(yàn)前將脫出物均勻鋪在抖動(dòng)板上，每組試驗(yàn)在5 s內(nèi)連續(xù)喂入25、30、35 kg玉米脫出物，以保證清選裝置入口脫出物量為5、6、7 kg/s。試驗(yàn)參照GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理。

當(dāng)清選裝置入口脫出物量為5 kg/s時(shí)，增設(shè)雜余拋送器的清選裝置與未加雜余拋送器清選裝置進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。未加雜余拋送器的清選裝置籽粒清潔率均值為97.08%，籽粒損失率均值為2.26%；增設(shè)雜余拋送器的清選裝置籽粒清潔率均值為98.74%，籽粒損失率均值為1.65%。籽粒清潔率增加了1.66個(gè)百分點(diǎn)，籽粒損失率降低了0.61個(gè)百分點(diǎn)。

表5 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of tests %

在相同試驗(yàn)條件下，當(dāng)清選裝置入口脫出物量為6 kg/s時(shí)，未加雜余拋送器的清選裝置籽粒清潔率均值為96.52%，籽粒損失率均值為2.40%，增設(shè)雜余拋送器的清選裝置籽粒清潔率均值為97.91%，籽粒損失率均值為1.74%；當(dāng)清選裝置入口脫出物量為7 kg/s時(shí)，未加雜余拋送器的清選裝置籽粒清潔率均值為96.23%，籽粒損失率均值為2.52%，增設(shè)雜余拋送器的清選裝置籽粒清潔率均值為97.20%，籽粒損失率均值為1.82%，其滿足清選裝置在大喂入量下玉米清選國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

(1)雜余拋送器使尺寸較小的籽粒和玉米芯從軸向相鄰指間隙中漏至振動(dòng)篩篩面上，莖稈和尺寸較大的玉米芯被拋到振動(dòng)篩的后部，實(shí)現(xiàn)籽粒與雜余在水平方向上分散；玉米脫出物在雜余拋送器作用下的 “雜余在上，籽粒在下”規(guī)律十分明顯，實(shí)現(xiàn)豎直方向上分層。

(2)通過(guò)CFD-DEM耦合仿真試驗(yàn)，獲得雜余拋送器參數(shù)分別與雜余被拋送水平位移、雜余與籽粒被拋送水平位移重疊量的回歸數(shù)學(xué)模型，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化確定雜余拋送器拋揚(yáng)最優(yōu)性能參數(shù)組合為：周向撥指數(shù)量8個(gè)，撥指回轉(zhuǎn)半徑80.18 mm，軸向相鄰指間距12.44 mm，撥輥旋轉(zhuǎn)角速度15.41 rad/s。

(3)在清選裝置入口風(fēng)速為12.8 m/s、入口方向角為25°條件下，當(dāng)清選裝置入口玉米脫出物量為5～7 kg/s時(shí)，未加雜余拋送器清選裝置籽粒清潔率均值為96.23%～97.08%，籽粒損失率均值為2.26%～2.52%，增設(shè)雜余拋送器的清選裝置籽粒清潔率均值為97.20%～98.74%，籽粒損失率均值為1.65%～1.82%。