陳艷普 康 艷 王廷恩 寧新杰 金誠謙,2* 印 祥

(1.山東理工大學 農業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255000； 2.農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所，南京 210014)

大豆收獲機收獲大豆時，作物通過脫粒滾筒脫粒，脫出混合物(籽粒、細小雜余、莖稈)經過凹板篩分離到清選篩上。針對軸向和徑向脫出物分布規(guī)律的研究，對確定清選篩結構和尺寸，從而改善籽粒和雜余在篩面上分布狀況，減小清選系統(tǒng)負擔及提高清選性能具有重要意義[1-4]。因此對于脫粒裝置脫出物分布研究尤為重要。

目前針對不同脫粒裝置脫出物分布規(guī)律的研究較多：P.L.Miu[5]對桿齒式軸流脫粒裝置脫粒分離過程進行研究，推導出籽粒和雜質的分離率理論，以及隨滾筒長度變化的分離模型，并通過試驗進行了驗證；V.M.Hunynh等[6]利用傳統(tǒng)脫粒裝置建立了脫粒分離模型，并對脫粒裝置徑向分布規(guī)律進行研究，得出了徑向分布回歸方程；邵維民等[7]對小型板齒式軸流脫粒分離裝置進行軸向脫出物分布研究，闡明了軸向脫出物分布與滾筒長度的關系；李保國[8]對安裝有軸流式組合脫粒滾筒的脫粒裝置進行了脫出物分布規(guī)律的研究，主要針對籽粒在軸向分布規(guī)律進行探討，并通過擬合曲線的方式得到了籽粒在軸向的脫出物分布模型，但是模型過于簡單；李渤海等[9]、衣淑娟等[10-13]和陶桂香等[14]利用水稻脫粒試驗，對螺旋葉片板齒組合式和釘齒式軸流2種不同的脫粒分離裝置進行了脫出物分布規(guī)律研究，對試驗數(shù)據擬合分布曲線發(fā)現(xiàn)，2種脫粒裝置的脫出物分布規(guī)律曲線沿軸向呈 Peal-Reed 模型；郭炎等[15]利用水稻試驗對縱軸流脫分裝置的脫出物進行徑向分布規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)脫粒元件采用釘齒時脫出物徑向分布較為均勻。目前未見針對縱軸流柔性脫粒分離裝置的脫出物分布規(guī)律的研究。

本研究擬以縱軸流柔性脫粒裝置為試驗對象，以滾筒轉速、喂入量、脫粒間隙、導流板角度為試驗因素，進行單因素試驗，對比不同因素變化下脫出物在軸向和徑向的分布規(guī)律的變化；獲取縱軸流柔性脫粒裝置的脫出物分布規(guī)律，以期為研制清選裝置提供參考。

1 縱軸流柔性脫粒裝置結構及工作原理

1.1 脫粒裝置的結構

縱軸流柔性脫粒裝置整體結構見圖1。主要由柔性脫粒滾筒、頂蓋、導流板、機架、間隙可調式凹板篩等機構組成。脫粒滾筒主體框架由輔盤、主軸和輻條組成，外側焊有兩根螺旋筋，為減小脫粒元件對作物的打擊力，柔性脫粒桿齒外側包有聚氨酯橡膠套，按雙螺旋排布形式焊接在外置螺旋筋上；螺旋喂入裝置通過螺栓與滾筒主體框架連接。

θ為導流板角度。θ is the deflector angle. 1.柔性脫粒滾筒；2.可調式凹板篩；3.凹板篩電液推桿；4.機架；5.頂蓋電液推桿；6.頂蓋；7.導流板 1.Flexible threshing drum; 2. Adjustable concave plate screen； 3.Concave sieve electro-hydraulic push rod; 4.Frame; 5.Top cover electro-hydraulic putter; 6. Top cover; 7.Deflector圖1 柔性脫粒裝置(a)和頂蓋(b)Fig.1 Flexible thresher (a) and top cover (b)

1.2 工作原理

縱軸流柔性脫粒裝置的工作過程主要分為4個階段，分別為大豆植株喂入、脫粒、分離、排出莖稈。工作過程中，大豆植株在螺旋喂入裝置的強制作用下進入脫粒室內；作物在脫粒桿齒和導流板的共同作用下沿軸向向后做螺旋運動；在此過程中，大豆籽粒在桿齒和凹板篩的打擊、碰撞等作用下，從豆莢中脫出，完成脫粒過程；在脫粒過程中，脫粒桿齒與聚氨酯橡膠組成的柔性桿齒，有效降低了脫粒元件對籽粒的打擊力，降低了大豆籽粒在脫粒過程中產生的機械損傷；脫下的大豆籽粒通過凹板篩進入到清選裝置，完成分離過程；剩余的長莖稈等雜質被推送到滾筒尾端，排出脫粒室，完成整個脫粒過程。

2 試驗裝置及條件

2.1 試驗裝置

縱軸流柔性脫粒分離試驗臺由本研究團隊自主設計研制，主要包括縱軸流柔性脫粒分離裝置、輸送帶、信號采集器等(圖2)，試驗時根據不同要求的喂入量，將大豆植株物料均與鋪放在在輸送帶上；大豆植株經輸送帶進入喂入攪龍，由過橋強制輸送到脫粒裝置內，在脫粒室內進行脫粒分離；莖稈等雜余從脫粒裝置尾部排出，脫出混合物通過凹板篩進入到接料盒內，試驗后對接料盒內的混合物進行人工處理；根據試驗需求，在凹板篩下放置6×6個接料盒，每個接料盒標準尺寸為210 mm×145 mm，接料盒分布見圖3。每次試驗過后對每一個接料盒內的脫出物進行人工分類計數(shù)。對接料盒內的脫出物分類發(fā)現(xiàn)，脫出物主要分為：籽粒、豆莢和輕質雜余(細小顆粒和短莖稈)，對各物料進行稱重記錄。

1.輸送帶；2.喂入電機；3.過橋電機；4.過橋；5.縱軸流柔性脫粒分離裝置；6.密閉室；7.接料盤；8.滾筒驅動電機；9.控制柜；10.信號采集器 1.Conveyor； 2.Feed motor; 3.Bridge motor; 4.Cross the bridge; 5.Vertical axial flow flexible threshing and separating device; 6.Confined room; 7.Receiving tray; 8.Drum drive motor; 9.Control cabinet; 10.Signal collector圖2 縱軸流柔性脫粒分離試驗臺Fig.2 Vertical axial flow threshing and separating test bench

①柔性脫粒滾筒； ②可調式凹板篩； ③接料盒 ① Flexible threshing drum; ② Adjustable concave plate screen； ③ Material receiving box圖3 接料盒軸向(a)和徑向(b)分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of the axial (a) and radial (b) distributions of the receiving box

2.2 試驗條件

試驗使用的大豆為臨豆11號，其植株特性見表1。以滾筒轉速n、喂入量Q、脫粒間隙e和導流板角度θ為因素，進行單因素試驗，分析各個工作參數(shù)對縱軸流柔性脫粒裝置的脫出物軸向和徑向分布規(guī)律的影響。

對縱軸流柔性脫粒裝置進行單因素試驗，試驗因素水平見表2。試驗過程中，某一試驗因素參數(shù)變化時，其余因素參數(shù)選取中間值。每組試驗過后，人工將脫出物分為籽粒、豆莢、莖稈和輕質雜余，并稱重記錄，為保證試驗的準確性，每組試驗做3次，取平均值。

表1 試驗大豆植株特性Table 1 Test soybean plant characteristics

表2 脫出物分布試驗單因素水平表Table 2 Single factor levelTable for extruder distribution test

3 試驗結果及分析

3.1 滾筒轉速對脫出物分布規(guī)律影響

選取滾筒轉速n分別為500、600和700 r/min，不同滾筒轉速下軸向和徑向脫出物分布見圖4。

不同滾筒轉速時軸向脫出物分布規(guī)律相似，隨著作物脫粒分離的進行，脫出物質量沿滾筒軸向不斷降低；1號接料盒中脫出物質量最高，隨后迅速降低，3和4號接料盒中的脫出物質量相差較??；脫出物沿軸向分布不均勻。隨著滾筒轉速提升，脫出物質量峰值不斷減少，而對應其他接料盒的質量不斷增加(圖4(a))。不同滾筒轉速下徑向脫出物分布規(guī)律相似，徑向脫出物分布不均勻，但是整體脫出總物質量不斷減少(圖4(b))。表明：當滾筒轉速增加時，柔性脫粒元件對物料的作用力沒有明顯的增大；滾筒轉速增加，加快植株運動速度，減少了脫粒室內植株的脫粒時間，莖稈受到的打擊次數(shù)減少，能分離出的莖稈雜質質量減少。因此滾筒轉速增大時脫出物質量減少。通過對軸向和徑向曲線光滑程度的對比，當滾筒轉速為700 r/min時曲線的光滑程度較好。

圖4 不同滾筒轉速n下脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.4 Distribution of axial (a) and radial (b) of the effluent at different drum speeds n

3.2 喂入量對脫出物分布規(guī)律影響

選取喂入量Q分別為2.5、5.0和7.5 kg/s進行試驗。不同喂入量情況下，軸向脫出物分布規(guī)律相似，脫出物分布不均勻。1號接料盒中脫出物質量最高，隨后迅速降低，隨著喂入量不斷增加，每個接料盒的脫出物質量增大(圖5(a))；徑向脫出物分布不均勻，脫出物質量變化為先增后減再增，隨著喂入量增加，脫出物質量曲線變化更加明顯(圖5(b))。表明：當喂入量增大時，脫粒室內的大豆植株增多，物料之間、物料與脫粒元件之間的擠壓力增大，大豆植株受到的作用力增大，脫下物料量增加，分離出的脫出物質量增加；喂入量對軸向和徑向脫出物分布規(guī)律沒有影響。

圖5 不同喂入量Q下脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.5 Distribution of axial (a) and radial (b) of the effluent under different feeding quantities Q

3.3 脫粒間隙對脫出物分布規(guī)律影響

選取脫粒間隙e分別為20、25和30 mm進行試驗。不同脫出物間隙的脫出物分布規(guī)律相似且分布不均勻。隨著脫粒間隙增大，1號接料盒中脫出物質量不斷減少，3、4號接料盒呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(圖6(a))。徑向脫出物分布呈現(xiàn)出先增后減載增再減的趨勢；隨著脫粒間隙增加，脫出物質量整體不斷減少(圖6(b))。這表明：隨著脫粒間隙增大，脫粒室內的大豆植株形成的物料流變松散，脫出物越容易穿過物料流分離出來，并且由于脫粒間隙增大，脫粒室內空間增大，植株受到脫粒元件打擊次數(shù)相應減少，所有當脫粒間隙增大時脫出物質量減少；脫粒間隙對軸向和徑向脫出物分布規(guī)律沒有影響。

圖6 不同脫粒間隙e下脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.6 Distribution of axial (a) and radial (b) of effluents under different threshing gaps e

3.4 導流板角度對脫出物分布規(guī)律影響

選取導流板角度θ分別為60°、70°和80°，不同導流板角度下，軸向脫出物分布規(guī)律相似且分布不均勻，隨著導流板角度增加，脫出物質量峰值不斷增大，但2號接料盒以后脫出物質量呈現(xiàn)出先減少后增大的趨勢(圖7(a))；導流板角度對徑向脫出物分布基本沒有影響且分布不均勻，整體還是呈現(xiàn)出先增后減再增再減的趨勢(圖7(a))。表明：由于導流板角度對大豆物料的脫粒時間有關，當導流板角度越大，大豆物料再脫粒室內的停留時間越長，受到脫粒元件打擊次數(shù)和與凹板篩搓擦時間越多，使大豆莖稈破碎嚴重，導致能夠分離出的物料質量增加，所以隨著導流板角度增大，脫出物總質量不斷增加。

圖7 不同導流板角度θ下脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.7 Distribution of axial (a) and radial (b) of the effluent under different guide plate angles θ

4 脫出物分布規(guī)律

對試驗數(shù)據進行分析發(fā)現(xiàn)，柔性脫粒裝置的各個工作參數(shù)對軸向和徑向的脫出物分布變化趨勢沒有影響。為得出柔性脫粒裝置的脫出物分布規(guī)律，選取各個參數(shù)為中間值，即滾筒轉速為600 r/min，喂入量5 kg/s，脫粒間隙25 mm，導流板角度為70°進行脫出物分布試驗，將脫出物總質量、脫出籽粒質量、大豆豆莢質量和輕質雜余質量在軸向和徑向的分布數(shù)據導入到SPSS中進行擬合，試驗結果見圖8。

圖8 當n=600 r/min、Q=5 kg/s、e=25 mm、θ=70°時脫出物軸向(a)和徑向(b)分布Fig.8 Distribution of prolapse on axial (a) and radial (b) when n=600 r/min, Q=5 kg/s, e=25 mm, θ=70°

由圖8(a)可知：軸向脫出物分布規(guī)律與籽粒分布規(guī)律相同，在脫粒滾筒最前端分離出的物料質量最高，隨后迅速下降，4、5、6號接料盒變化速度減緩，6號接料盒的物料質量最??；由籽粒分布曲線可以看出，脫出大豆籽粒都集中在脫粒端被分離出來，較為難脫的籽粒在分離段分離出脫粒室；由于脫粒元件外包有聚氨酯橡膠套，可以有效降低脫粒元件對大豆植株的打擊力，減少由莖稈破碎帶來的雜質，從輕質雜余的曲線可以看出，輕質雜余主要集中在滾筒前端，隨著滾筒長度變化被分離出的輕質雜余質量不斷減少，與文獻[12]中輕質雜余的分布曲線不斷增加相比，柔性脫粒滾筒對莖稈的損傷較少，可有效減輕清選工作量。對軸向脫出物的數(shù)據進行擬合得到關于脫出物、籽粒、豆莢和輕質雜余在軸向脫出分布規(guī)律的回歸方程(表3)。

脫出物、籽粒、豆莢、輕質雜物的徑向分布規(guī)律相似，其中籽粒與脫出物的徑向分布狀況更為相似；物料質量在2號接料盒出現(xiàn)第一個峰值，在4號接料盒出現(xiàn)第一個波谷，5號接料盒的脫出物量達到第二峰值，兩個峰值差值較大，第一峰值約是第二峰值的2倍左右；豆莢、輕質雜物的曲線變化較平緩。表明脫出物落入清選裝置上分布不均勻(圖8(b))。利用SPSS 對處理后的數(shù)據進行回歸擬合得出脫出物等徑向分布曲線為系數(shù)不同的多項式形式，y=a+bx+cx2+dx3+ex4。

表3 軸向脫出物分布回歸方程Table 3 Regression equation of axial extractives distribution

5 結 論

本研究通過單因素對比試驗，探究滾筒轉速、喂入量、脫粒間隙和導流板工作參數(shù)對縱軸流柔性脫粒裝置軸向和徑向脫出物分布規(guī)律的影響，研究結果如下：

1)脫出物在軸向上變化趨勢是不斷減??；徑向分布按“馬鞍型”分布；隨著縱軸流柔性脫粒裝置工作參數(shù)變化，軸向和徑向的脫出物分布規(guī)律趨勢沒變。

2)縱軸流柔性脫粒裝置軸向脫出物和籽粒分布規(guī)律符合y=aexp(bx)，軸向豆莢和輕質雜余分布規(guī)律符合三次函數(shù)；脫出物等徑向分布曲線為系數(shù)不同的多項式形式,y=a+bx+cx2+dx3+ex4。