耿令新,盧富運(yùn),孫成龍,左杰文,李 洋,王恒一

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

燕麥?zhǔn)且环N禾谷類雜糧作物，其產(chǎn)量較低，經(jīng)濟(jì)價(jià)值及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高[1-5]。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專用于收獲燕麥的聯(lián)合收獲機(jī)，使用改裝后的谷物聯(lián)合收獲機(jī)收獲燕麥存在籽粒損失率大、含雜率高等問(wèn)題[6-7]。

眾多學(xué)者對(duì)脫粒分離裝置做了大量研究。李耀明等[8-12]探究了不同形式的多滾筒組合方式對(duì)收獲水稻時(shí)脫粒分離裝置作業(yè)性能的影響規(guī)律，對(duì)每種組合滾筒進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，得到了較好的試驗(yàn)結(jié)果。師清翔等[13-15]對(duì)柔性脫粒裝置進(jìn)行了深入研究，證明了以柔性材料作為柔性齒進(jìn)行脫粒可以有效減少脫粒過(guò)程籽粒的損傷。陳美舟等[16]設(shè)計(jì)了一種玉米柔性脫粒分離裝置，使用“柔性釘齒+雙扭簧壓力短紋桿”組合式脫粒元件，配合特制的輥式組合脫粒凹板對(duì)玉米進(jìn)行脫粒，在最優(yōu)的參數(shù)組合下，試驗(yàn)臺(tái)脫粒性能較好。衣淑娟等[17]采用高速攝影技術(shù)對(duì)稻谷的脫粒過(guò)程進(jìn)行觀察分析，探究了脫粒后的籽粒在滾筒中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

目前，將柔性脫粒機(jī)理應(yīng)用到燕麥脫粒的研究鮮有報(bào)道。本文根據(jù)上述研究成果，針對(duì)燕麥脫粒過(guò)程中存在的問(wèn)題，擬設(shè)計(jì)一種橫軸流柔性脫粒分離裝置，并搭建脫粒試驗(yàn)臺(tái)；通過(guò)正交試驗(yàn)和回歸試驗(yàn)探究柔性桿齒長(zhǎng)、柔性桿齒直徑、柔性桿齒間距、滾筒轉(zhuǎn)速等因素對(duì)脫粒性能的影響規(guī)律，以期得到最優(yōu)參數(shù)組合，為燕麥脫粒分離裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)臺(tái)組成及工作原理

橫軸流燕麥柔性脫粒分離裝置試驗(yàn)臺(tái)主要由輸送裝置和脫粒裝置兩部分組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。輸送裝置主要包括輸送帶、支架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部分；脫粒裝置主要包括橫軸流滾筒、剛性喂入桿齒、柔性脫粒桿齒、排草齒、凹板篩、滾筒蓋、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部分。

1.輸送帶；2.喂料斗；3.滾筒蓋；4.脫粒元件；5.幅盤(pán)；6.凹板篩；7.排草斗；AT.輸送裝置；BT.脫粒裝置

工作時(shí)，輸送帶將物料均勻地從喂料斗送入橫軸流滾筒中，為增加滾筒的喂入效率，其喂入段的脫粒元件選擇剛性桿齒，經(jīng)過(guò)脫粒段柔性桿齒的脫粒后，長(zhǎng)莖稈在排草齒的作用下通過(guò)排草斗排出機(jī)外，脫出物透過(guò)凹板篩被收集。在一定條件下，柔性桿齒相對(duì)于剛性桿齒降低了對(duì)物料的打擊力度，極大地降低了莖稈的破碎程度，為脫出物后續(xù)清選處理減輕負(fù)擔(dān)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 橫軸流滾筒

橫軸流滾筒是本裝置的核心部件，其作業(yè)效果直接決定本裝置脫粒性能的好壞。

滾筒喂入段長(zhǎng)度l1可按式(1)進(jìn)行計(jì)算[18]：

l1=(z-1)d

(1)

式中，z為單條螺旋線上脫粒段的齒數(shù)(個(gè))，d為喂入段齒間距(取d=77 mm)。

滾筒總長(zhǎng)度L為：

L=l1+l2+l3

(2)

式中，l2為脫粒段長(zhǎng)度(mm)，l3為排草段長(zhǎng)度(mm)。

滾筒直徑D1為：

D1=D2+2h

(3)

式中，D2為滾筒齒根圓直徑(mm)，h為脫粒桿齒高度(mm)。

設(shè)計(jì)滾筒喂入段單條螺旋線上的齒數(shù)為6個(gè)，脫粒段長(zhǎng)度是喂入段長(zhǎng)度的2倍，排草段長(zhǎng)度為145 mm。由式(1)、(2)可得滾筒長(zhǎng)度為1 300 mm。滾筒的齒根圓直徑和脫粒桿齒高度均可調(diào)，其關(guān)系滿足式(3)，設(shè)計(jì)滾筒直徑為540 mm。

2.2 脫粒元件與凹板篩

在燕麥?zhǔn)斋@時(shí)，燕麥植株具有含水率大、韌性強(qiáng)、外形細(xì)長(zhǎng)的物理特性，使得喂入比較困難。為增加橫軸流滾筒的喂入效率，喂入段的脫粒元件選用喂入能力強(qiáng)的剛性桿齒，剛性桿齒直徑設(shè)計(jì)為12 mm；為減小脫粒元件對(duì)燕麥秸稈的打擊力度，脫粒段的脫粒元件選用柔性桿齒，柔性桿齒用聚氨酯橡膠材料制造；排草齒選用剛性桿齒。其安裝方式如圖2所示。為防止脫粒元件對(duì)莖稈的回帶作用，將脫粒元件均向后傾斜10°安裝，如圖1所示。

1.喂入段剛性桿齒；2.脫粒段柔性桿齒；3.排草段剛性桿齒

考慮到燕麥植株的物理特性，凹板篩類型選用柵格式，凹板篩篩長(zhǎng)為1 155 mm、篩孔規(guī)格為35 mm×15 mm、包角為240°，如圖3所示。

圖3 凹板篩三維圖

2.3 柔性桿齒與剛性桿齒的打擊力比較

在脫粒過(guò)程中，將柔性桿齒看作一端固定的懸臂梁，并且假設(shè)質(zhì)量為mz的物料集中一點(diǎn)撞擊質(zhì)量為mr的柔性桿齒。以柔性桿齒根部為原點(diǎn)O，建立坐標(biāo)系如圖4所示，其中F為打擊反作用力，l為齒長(zhǎng)，δ為CT點(diǎn)的撓度。

圖4 柔性桿齒脫粒受力簡(jiǎn)圖

因?yàn)槊摿＿^(guò)程遵循能量守恒，則

(4)

式中，Kd為沖擊動(dòng)荷系數(shù)，h0為對(duì)應(yīng)于獲得動(dòng)能0.5mv02時(shí)重物下落的高度(mm)，v0為懸臂梁CT端的撞擊速度(mm·s-1)，δ為在質(zhì)量G=mzg的靜載作用下無(wú)質(zhì)量懸臂梁CT端的靜變形(mm)。

脫粒過(guò)程中，物料受到的最大打擊力為

(5)

依據(jù)參考文獻(xiàn)[19]，當(dāng)脫粒齒確定后，mr可以用脫粒齒總質(zhì)量mT的33/140代替，故

(6)

由式(6)可知，物料受到的最大打擊力與柔性桿齒的撓度δ呈負(fù)相關(guān)，即隨著撓度的減小，打擊力增大，當(dāng)撓度趨于0時(shí)，脫粒齒表現(xiàn)為剛性。所以在脫粒過(guò)程中，使用柔性桿齒相比于剛性桿齒有效地降低了對(duì)物料的打擊力。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)條件

燕麥品種選擇山西省右玉縣具有代表性的壩莜1號(hào)，測(cè)量統(tǒng)計(jì)了其與脫粒性能相關(guān)的主要物理特性參數(shù)，如表1所示。

表1 燕麥物理參數(shù)

設(shè)計(jì)制造了橫軸流燕麥柔性脫粒分離裝置試驗(yàn)臺(tái)，如圖5所示。在室內(nèi)對(duì)該裝置進(jìn)行了正交試驗(yàn)，得到了各因素的較優(yōu)組合及對(duì)脫粒性能指標(biāo)的影響程度。對(duì)影響脫粒性能指標(biāo)較強(qiáng)的兩個(gè)因素進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，得到其對(duì)脫粒性能指標(biāo)的影響規(guī)律，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[20-21]。

1.輸送裝置；2.喂料斗；3.脫粒裝置

3.2 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

本裝置主要脫粒部件是安裝有柔性脫粒元件的橫軸流滾筒，故選取與滾筒相關(guān)的柔性桿齒長(zhǎng)A、柔性桿齒直徑B、柔性桿齒間距C和滾筒轉(zhuǎn)速D為試驗(yàn)因素，選取脫出物含雜率(簡(jiǎn)稱含雜率)和夾帶損失率(簡(jiǎn)稱損失率)為試驗(yàn)指標(biāo)。在正交試驗(yàn)時(shí)，為綜合評(píng)定各指標(biāo)的優(yōu)劣，增加綜合評(píng)分指標(biāo)，運(yùn)用綜合評(píng)定法進(jìn)行處理，參考已有文獻(xiàn)[22-23]，認(rèn)為含雜率和損失率同等重要，確定二者的加權(quán)系數(shù)均取0.5。各指標(biāo)計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

(9)

式中，y1為含雜率(%)，y2為損失率(%)，m1為脫出物總質(zhì)量(g)，m2為脫出物中雜質(zhì)質(zhì)量(g)，m3為排草口排出籽粒質(zhì)量(g)，Y為綜合評(píng)分。

3.3 正交試驗(yàn)與分析

參考目前常用的剛性桿齒脫粒元件參數(shù)，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果列出因素水平表，如表2所示。試驗(yàn)選用L9(34)正交表，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

表2 因素水平表

表3 正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，得到各因素對(duì)含雜率和損失率指標(biāo)影響的主次程度均表現(xiàn)為D>B>A>C。

由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程籽粒破碎率基本為0，故不再考慮籽粒破碎率。按照式(9)計(jì)算每組的綜合評(píng)分，結(jié)果如表3所示。

兩個(gè)指標(biāo)都是越低越好，所以綜合評(píng)分越低表明試驗(yàn)結(jié)果越好。對(duì)每組綜合評(píng)分再次進(jìn)行極差分析，得到較優(yōu)組合為A3B2C2D2，即柔性桿齒長(zhǎng)為70 mm、柔性桿齒直徑為10 mm、柔性桿齒間距為77 mm、滾筒轉(zhuǎn)速為900 r·min-1。較優(yōu)組合中柔性桿齒長(zhǎng)度為參數(shù)選擇的最大值70 mm，雖然繼續(xù)增加其長(zhǎng)度有可能出現(xiàn)更優(yōu)的參數(shù)組合，但滾筒直徑也會(huì)隨之減小，因燕麥莖稈較長(zhǎng)，存在纏繞滾筒的風(fēng)險(xiǎn)，故不再考慮繼續(xù)增加柔性桿齒長(zhǎng)度。

由于較優(yōu)組合沒(méi)有在正交表中出現(xiàn)，故需要對(duì)此組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，重復(fù)3次取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。將該試驗(yàn)結(jié)果與正交試驗(yàn)結(jié)果相比較，在試驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)此種組合是較優(yōu)組合。

表4 正交試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

3.4 回歸試驗(yàn)與分析

3.4.1 回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì) 從正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，滾筒轉(zhuǎn)速和柔性桿齒直徑對(duì)該裝置脫粒性能指標(biāo)影響最大。為進(jìn)一步探索這兩個(gè)因素對(duì)脫粒性能指標(biāo)的影響規(guī)律，以滾筒轉(zhuǎn)速D和柔性桿齒直徑B為試驗(yàn)因素，含雜率和損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。將正交試驗(yàn)得出的較優(yōu)組合設(shè)置為回歸試驗(yàn)的零水平，其因素編碼如表5所示。其試驗(yàn)方案與結(jié)果如表6所示。X1和X2為滾筒轉(zhuǎn)速和柔性桿齒直徑的編碼值。

表5 回歸試驗(yàn)因素編碼

對(duì)表6中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到滾筒轉(zhuǎn)速和柔性桿齒直徑與試驗(yàn)指標(biāo)含雜率y1和損失率y2的函數(shù)關(guān)系：

表6 回歸試驗(yàn)方案與結(jié)果

y1=29.71+0.83X1+1.12X2+0.53X1X2+

0.51X12-0.29X22

(10)

y2=1.37-0.4X1-0.23X2-0.11X1X2+

4.126×10-3X12-0.29X22

(11)

由表7可知，兩因素對(duì)兩個(gè)指標(biāo)的回歸模型均顯著、失擬均不顯著，即回歸方程能夠比較準(zhǔn)確地對(duì)該裝置的脫粒性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表7 回歸試驗(yàn)方差分析

3.4.2 試驗(yàn)因素對(duì)指標(biāo)的影響 從圖6a的含雜率響應(yīng)曲面可知，隨著滾筒轉(zhuǎn)速和柔性桿齒直徑的增加，含雜率逐漸升高，這是因?yàn)殡S著兩個(gè)因素水平的提高，增大了脫粒元件對(duì)物料的打擊頻率和打擊力，使燕麥莖稈破碎更嚴(yán)重，含雜率更高。在兩個(gè)因素的零水平(滾筒轉(zhuǎn)速為900 r·min-1和柔性桿齒直徑為10 mm)之前，隨著兩個(gè)因素水平的增加，含雜率上升緩慢，這是因?yàn)楫?dāng)對(duì)物料的打擊頻率較小時(shí)，柔性桿齒發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，使對(duì)物料打擊力緩慢升高；在兩個(gè)因素的零水平之后，隨著兩個(gè)因素水平的增加，含雜率急劇上升，這是因?yàn)楫?dāng)對(duì)物料的打擊頻率較大時(shí)，柔性桿齒的優(yōu)勢(shì)逐漸降低，使對(duì)物料的打擊力急劇升高。

從圖6b的損失率響應(yīng)曲面可知，隨著滾筒轉(zhuǎn)速和柔性桿齒直徑的增加，損失率逐漸降低，這是因?yàn)殡S著兩個(gè)因素水平的提高，一方面增大了脫粒元件對(duì)物料的打擊頻率和打擊力，使裝置脫粒性能增強(qiáng)，脫凈率增加；另一方面柔性桿齒的振動(dòng)加大了分離效率，使得排草口夾帶損失減小。

圖6 滾筒轉(zhuǎn)速和柔性桿直徑對(duì)含雜率和損失率影響的響應(yīng)曲面

3.4.3 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證 為了得到最佳的因素水平組合，應(yīng)用Design-Expert 8.0軟件對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化[24-25]。

(1)目標(biāo)函數(shù)。含雜率y1和損失率y2分別在約束條件下達(dá)到最小值，根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立目標(biāo)函數(shù)y1min和y2min。

(2)約束條件。各試驗(yàn)因素編碼值在試驗(yàn)的范圍內(nèi)取值，其約束條件為

(12)

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束條件得到該裝置的最優(yōu)參數(shù)組合：滾筒轉(zhuǎn)速1 048 r·min-1、柔性桿齒直徑7.5 mm，此時(shí)的含雜率為29.41%、損失率為1.31%。

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可行性，對(duì)最優(yōu)組合參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，重復(fù)3次取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。結(jié)果表明：驗(yàn)證試驗(yàn)的含雜率和損失率平均值分別為29.50%和1.12%，與最優(yōu)參數(shù)組合預(yù)測(cè)值比較接近。

表8 回歸試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

在相同參數(shù)條件下，對(duì)脫粒元件全為剛性桿齒的橫軸流滾筒進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為含雜率為32.21%、損失率為1.64%。與脫粒元件全為剛性桿齒的橫軸流滾筒進(jìn)行對(duì)比，回歸試驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果含雜率和損失率分別降低了2.71%和0.52%。

4 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)了一種橫軸流燕麥柔性脫粒分離裝置，選用聚氨酯橡膠材質(zhì)的柔性桿齒脫粒，在一定條件下，能有效地減少夾帶損失率和脫出物含雜率。通過(guò)理論分析，證明了在脫粒過(guò)程中，柔性桿齒相對(duì)于剛性桿齒能有效地降低對(duì)物料的打擊力。

2)試驗(yàn)得到影響該裝置脫粒性能指標(biāo)的因素主次為滾筒轉(zhuǎn)速、柔性桿齒直徑、柔性桿齒長(zhǎng)和柔性桿齒間距。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為1 048 r·min-1、柔性桿齒直徑為7.5 mm時(shí)，本裝置的脫粒性能最佳，此時(shí)的含雜率為29.41%，損失率為1.31%。

3)通過(guò)對(duì)回歸試驗(yàn)得出的最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證，含雜率和損失率的平均值分別為29.50%和1.12%；在相同參數(shù)條件下，與脫粒元件全為剛性桿齒的橫軸流滾筒進(jìn)行對(duì)比，含雜率和損失率分別降低了2.71%、0.52%，脫粒性能明顯提高。