袁華杰，周學建，馬 萌，李宇航，王升升

(河南科技大學農業(yè)工程學院，河南洛陽471003)

0 引言

清選作業(yè)是谷物聯(lián)合收獲機械上不可或缺的工作部分，對整機的清潔率和損失率有極大的影響。目前，市場上使用的清選裝置主要有純氣流清選和風篩聯(lián)合清選兩種形式[1-5］。旋風分離裝置作為一種比較典型的純氣流清選方式，因其結構簡單輕便，而在微型谷物聯(lián)合收獲機上得到廣泛應用[6-10］。

目前，在微型小麥聯(lián)合收獲機上使用的旋風分離裝置還存在一些問題，如吸雜風機轉速較高，一般都在2 600 r/min以上，震動比較嚴重，其工作穩(wěn)定性不能得到保證[11-15］。因此，通過對旋風分離裝置進行深入研究，以降低風機轉速和提高清選性能，這對微型谷物聯(lián)合收獲機的發(fā)展和山地、丘陵地區(qū)谷物收獲機的推廣應用有著重要作用。本次研究以小麥為研究對象，探索了偏置吸雜口的旋轉角度和吸雜口偏置距離兩個結構參數(shù)對旋風分離裝置性能的影響規(guī)律，并在此基礎上進行了正交試驗和回歸試驗。通過試驗研究，吸雜風機的轉速得到明顯地降低，同時提高了清選性能，為旋風分離裝置在微型小麥聯(lián)合收獲機上的配置提供了試驗依據(jù)。

1 試驗方法和過程

旋風分離清選試驗臺如圖1所示，主要由揚谷器、旋風分離筒和吸雜風機3個主要部件組成，另外，揚谷器管道和吸雜管道作為連接部件，輸送帶、推運攪龍和接料室為物料輸送部件，接糧箱和接糠網袋為接料容器。

本試驗模擬的工作狀況是機進速度0.5 m/s，割幅1 m，小麥產量為400 kg每0.066 7 hm2，據(jù)此可計算出清選系統(tǒng)籽粒喂入量為0.3 kg/s。試驗用物料的含雜率為30%，穎糠和短莖稈比例為10∶1，可得出清選物料的總喂入量為0.429 kg/s，其中穎糠為0.117 kg/s，短莖稈為0.012 kg/s。再根據(jù)輸送帶速度和物料的鋪料長度，可得出每次試驗所用的物料總量。試驗物料中籽粒含水率7% ～8%，雜余含水率6% ～7%。

圖1 旋風分離清選試驗臺

試驗時清選試驗臺的工作過程是:首先，將稱量好的籽粒和雜余混合均勻，按鋪料長度鋪到輸送帶上;然后，打開控制風機和揚谷器的電機變頻器，待風機和揚谷器轉速穩(wěn)定后打開輸送帶的電機變頻器;物料進入接料室，并被推運攪龍送入揚谷器，再由揚谷器沿切向拋入分離筒，在離心力作用下，籽粒繞筒壁作向下的螺旋運動，從出糧口排出，雜余在上升氣流作用下從吸雜口經風機排出，完成籽粒與雜余的分離。

本試驗選取籽粒清潔率Yq和清選損失率Ys兩個指標。經過處理和稱量，接糧箱中物料總質量為G1，純籽粒質量G2，損失籽粒質量G3。代入下式計算得出試驗指標值:

2 吸雜口偏移方位試驗

為降低吸雜風機轉速，提高清選性能，本試驗對旋風分離筒的吸雜口偏移方位進行了試驗研究，本研究分為兩部分，吸雜口偏置的旋轉角度試驗和吸雜口偏置距離試驗。

2.1 吸雜口偏置旋轉角度試驗

原有用于小麥清選的旋風分離筒直徑是400 mm，為降低風機轉速，現(xiàn)將分離筒直徑減小為300 mm。

分離筒取物料入口尺寸80 mm×100 mm，吸雜口直徑160 mm，出糧口直徑160 mm。

將吸雜口中心垂線與物料進口在分離筒筒體徑向上分置于筒體的中心軸線的相對兩側，為方便研究吸雜口偏置旋轉角度這一單因素，將吸雜口中心相對于分離筒中心的偏置距離定為20 mm。規(guī)定旋轉角度與物料進入方向一致時為0°，與物料進入方向相反為180°。在本次試驗中，吸雜口旋轉角度的范圍是 0°～180°，設定7 個水平，旋轉角度的試驗水平分別為 0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°。吸雜口偏置旋轉角度示意圖如圖2所示。

以清選過程通暢和基本滿足清選要求為原則進行預試驗，確定風機轉速為1 350 r/min，揚谷器轉速為700 r/min，輸送帶速度為0.3 m/s，鋪料長度3 m。每次試驗物料:籽粒3 kg，穎糠1.17 kg，短莖稈0.12 kg。

每個因素水平做兩次試驗，得到的試驗數(shù)據(jù)為接糧箱中的物料總質量G1、純凈籽粒質量G2，清選損失籽粒質量G3，通過式(1)和式(2)得到試驗指標值，為試驗結果。對試驗結果進行方差分析，結果表明旋轉角度對清潔率和損失率的影響都顯著。吸雜口偏置旋轉角度對清潔率和損失率的影響如圖3所示。

圖2 吸雜口偏置旋轉角度示意圖

圖3 旋轉角度對清選效果的影響規(guī)律

從圖3可以看出:清潔率都在97.5%以上，損失率都在1%以上，清潔率基本滿足要求，損失率偏高，在考慮低損失率同時兼顧清潔率的情況下，旋轉角度為30°時清選效果較好。

物料剛進入分離筒時，穎糠與籽粒還未完全分離，這時會有一部分穎糠被吸走，且會攜帶一些籽粒，吸雜口離物料入口越近，這一種損失越大，而清潔率會稍有提高，所以150°、180°損失較大，180°清潔率較高。物料進入分離筒后，籽粒與雜余逐漸分離，在完成籽粒和雜余分離之前，物料所走過的行程越長，其分離的就越徹底，因雜余被吸走所帶來的籽粒損失就越少，所以30°時清選效果比較好;而路線過長時，會有部分短莖稈和穎糠在分離筒中位置太靠下而不易被風機吸走，所以0°時清選損失小但清潔率偏低。

2.2 吸雜口偏置距離試驗

由吸雜口偏置旋轉角度試驗可知:當分離筒筒徑為300 mm時，旋轉角度為30°清選效果較好，但其損失率仍大于1%。要進一步降低損失率就要增大分離筒直徑，因此，將分離筒筒徑增加到350 mm。

吸雜口偏置距離示意圖見圖4。吸雜口偏置距離就是吸雜口中心與分離筒中心之間的距離。吸雜口中心位于遠離物料入口一側，偏置距離選取的原則是吸雜口邊緣線不能越過分離筒中心點，因此偏置距離的選取范圍是0～80 mm。單因素試驗水平數(shù)不能少于5個，取吸雜口偏置距離的試驗水平為20 mm、35 mm、50 mm、65 mm、80 mm，同時增加偏移距離為0 mm(即不偏移)的試驗為對比試驗。

經預試驗，定風機轉速為1 350 r/min，揚谷器轉速為1 000 r/min，其他試驗條件不變。

試驗結果方差分析表明，偏置距離對小麥清潔率影響不顯著，試驗結果為98.2% ～98.7%;而偏置距離對小麥清選損失率影響顯著。

吸雜口偏置距離試驗結果表明，偏置距離為35 mm時清選損失率最低。在吸雜口偏置距離變化時清選損失主要由兩部分構成:一是物料剛進入分離筒時部分雜余被吸走夾帶的籽粒損失;二是偏移距離較大時吸雜口離分離筒壁較近，有一部分繞筒壁旋轉的籽粒被吸走造成損失。因此，偏置距離不宜過大或過小，為35 mm時清選效果較好。

圖4 吸雜口偏置距離示意圖

3 清選裝置試驗研究

3.1 正交試驗

正交試驗是一種尋求參數(shù)水平較優(yōu)組合的高效率試驗設計方法，利用正交表可解決多因素的試驗問題。通過正交試驗，對試驗結果進行方差分析，判斷因素對指標影響的顯著性;進行極差分析，判斷因素影響主次和因素水平較優(yōu)組合，為回歸試驗挑選因子提供依據(jù)。

在吸雜口偏移方位的試驗研究基礎上，本試驗取分離筒直徑350 mm，吸雜口旋轉角度30°，偏移距離35 mm。選取吸雜風機轉速(z1)、揚谷器轉速(z2)、吸雜口直徑(z3)和出糧口直徑為試驗因素(分別為 A、B、C、D)，清潔率和損失率為試驗指標，各因素水平編碼見表1。

表1 正交試驗因素水平編碼表

本次正交試驗有4個因素，正交表采用L9(34)，則試驗無空列，無法計算誤差的均方，需要進行重復試驗才能進行方差分析，試驗安排及結果見表2。

對正交試驗結果進行方差分析，4個因素對清潔率和損失率的影響都顯著，說明4個因素都可以作為回歸試驗的因子。

本試驗有兩個試驗指標，其極差分析采用加權綜合評分法，由試驗結果可看出:清潔率大多數(shù)滿足要求，損失率普遍偏高，所以清潔率權重取0.4，損失率權重取0.6，影響綜合指標的因素主次為C＞A＞B＞D，較優(yōu)組合為A2B2C1D1。

表2 正交試驗安排及試驗結果

3.2 回歸試驗

根據(jù)正交試驗結果，4個因素中出糧口直徑對試驗指標影響最小，將其取最小值160 mm，有利于減小分離筒中心高速氣流區(qū)對周邊的影響，可以減小損失率。因此，在回歸試驗中取風機轉速、揚谷器轉速和吸雜口直徑作為試驗因素，進行三因素回歸試驗。

3.2.1 二次通用旋轉組合試驗

回歸試驗有多種設計方案，本試驗中選用二次通用旋轉組合試驗方法，其得到的回歸方程有通用性，且有較高的預測精度。

在正交試驗得出的試驗因素較優(yōu)水平附近安排二次通用旋轉組合試驗，試驗因素水平見表3，試驗安排及其結果見表4。

表3 回歸試驗因素水平編碼表

表4 二次通用旋轉組合試驗安排及試驗結果

對表4中試驗數(shù)據(jù)進行二次多項式逐步回歸，得到清潔率Yq和損失率Ys在因素空間內的標準二次回歸方程:

對清潔率回歸方程和損失率回歸方程分別進行顯著性檢驗，兩個方程都在α=0.01的置信水平下顯著且不失擬，說明可以用回歸方程表示因素對指標的影響規(guī)律。3.2.2 參數(shù)優(yōu)化及其驗證試驗

對回歸方程進行優(yōu)化得到較優(yōu)參數(shù)組合，本次試驗中采用主目標優(yōu)化法。這種優(yōu)化方法的優(yōu)點是化二次方程求解為簡單的線性規(guī)劃問題，在輔助目標滿足要求的情況下得到主目標的最優(yōu)值。

目標函數(shù):

性能約束函數(shù):

邊界約束函數(shù):

求目標函數(shù)的最小值，其中Ys為清潔率回歸方程，Yq為損失率回歸方程，最終優(yōu)化結果即最佳參數(shù)組合為:z1=1 348 r/min，z2=1 012 r/min，z3=147 mm，Yq=98%，Ys=0.86%。

在最佳參數(shù)下進行驗證試驗，試驗結果為清潔率98.17%、損失率0.89%，驗證結果與預測結果比較接近。

3.3 適應性試驗

通過適應性試驗可以判斷試驗結論的適用范圍，為該試驗裝置配置到微型谷物聯(lián)合收獲機提供依據(jù)。適應性一般從喂入量、含雜率和含水率等方面來考慮，本次試驗就從這3個方面來進行該清選裝置的適應性試驗。

(Ⅰ)變喂入量試驗:保持含雜率30%不變，小麥籽粒喂入量分別按0.15 kg/s、0.20 kg/s、0.25 kg/s、0.30 kg/s和0.35 kg/s進行試驗，試驗結果見圖5。

由圖5可以看出:隨喂入量降低，清潔率明顯升高，損失率也有所降低;如果是小喂入量收獲機可以考慮適當降低風機轉速，在滿足清潔率要求的情況下降低損失率。

(Ⅱ)變含雜率試驗:保持小麥籽粒喂入量0.3 kg/s的喂入量不變，含雜率取15%、20%、25%、30%和35%進行試驗，試驗結果見圖6。

由圖6可以看出:隨含雜率增加，清潔率下降，損失率升高;含雜率在25%以下時，清潔率在99%以上，可以考慮適當降低風機轉速，在滿足清潔率要求的情況下降低損失率。

圖5 喂入量適應性試驗結果

圖6 含雜率適應性試驗結果

(Ⅲ)變含水率試驗:保持含雜率30%和小麥籽粒喂入量0.3 kg/s不變，利用灑水的辦法調整室內試驗物料的含水率，試驗結果見表5。

由表5可以看出:隨著含水率的增加，清潔率下降，損失率升高。

表5 含水率適應性試驗結果

4 結論

(1)吸雜口偏置型旋風分離清選裝置能有效降低清選損失率，同時減小了分離筒中物料分離所需要的風力，從而達到了本次試驗降低吸雜風機轉速的目的。

(2)通過吸雜口偏移方位試驗，得到了清選效果較好的吸雜口偏移位置。旋風分離清選裝置在旋風分離筒直徑為350 mm、吸雜口偏置角度為30°，揚谷器轉速為1 000 r/min時，吸雜口偏置距離35 mm清選效果較好，此時籽粒清潔率在98%以上，損失率在1%以下。

(3)通過對吸雜口偏置型旋風分離清選裝置的試驗研究，得到了該清選裝置的較優(yōu)結構運動參數(shù):出糧口直徑160 mm，風機轉速1 348 r/min，揚谷器轉速1 012 r/min，吸雜口直徑147 mm。在該參數(shù)下，籽粒清潔率為98%，清選損失率為0.86%。

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