王立軍 馮 鑫 鄭招輝 于泳濤 劉天華 馬 楊

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

0 引言

現(xiàn)有谷物聯(lián)合收獲機(jī)應(yīng)在常規(guī)喂入量下使用，超過此范圍，單位谷物體積占有空間減小，影響各部件功能的正常發(fā)揮，清選損失將迅速增加[1]，無法滿足農(nóng)業(yè)作物種植面積不斷擴(kuò)大的需求[2]。清選裝置作為聯(lián)合收獲機(jī)關(guān)鍵部件之一，是處理谷物的最后一道工序，其性能直接影響籽粒損失率和清潔率等多項(xiàng)指標(biāo)[3]。

研究者針對(duì)篩孔的尺寸、類型、排布和優(yōu)化配置等方面進(jìn)行了大量研究。焦紅光等[4]對(duì)篩孔孔徑與篩面傾角的優(yōu)化配置進(jìn)行研究，揭示篩孔孔徑與篩面傾角對(duì)篩分分離粒度的交互效應(yīng)；鐘挺等[5]針對(duì)稻麥聯(lián)合收獲進(jìn)行脫粒清選部件試驗(yàn)，探究了凹板篩篩孔大小與其他清選作業(yè)參數(shù)對(duì)脫粒與篩分效果的影響；王立軍等[6]通過仿真試驗(yàn)探究貝殼篩篩孔排布與形狀對(duì)風(fēng)篩式清選裝置的篩分效果影響，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)貝殼篩篩孔尺寸與排布最佳參數(shù)組合；江海深等[7]通過DEM仿真研究在不同篩面長度下，圓孔篩與方孔篩對(duì)煤炭直線振動(dòng)篩篩分效率的影響；LI等[8]基于DEM離散元軟件對(duì)大豆和芥末種子混合物振動(dòng)篩分過程，進(jìn)行了二維仿真試驗(yàn)，探究在不同喂入量下，物料的透篩效率和篩面長度與篩面物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)系，以及篩面物料層的厚度對(duì)篩分效率的影響；焦紅光等[9]通過試驗(yàn)探究了概率篩篩孔直徑對(duì)煤用篩分機(jī)篩分效率的影響；CLEARY等[10]采用離散元法模擬了工業(yè)雙層香蕉篩作業(yè)過程，探索粒子間能量傳遞與吸收對(duì)篩面篩分效率的影響。FERNANDEZ等[11]利用SPH單向耦合DEM模擬高速、高分散的顆粒流通過雙層香蕉的流動(dòng)特性。目前，國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中于單一的篩孔類型對(duì)篩分效果的影響，對(duì)于不同篩孔組合孔篩體結(jié)構(gòu)鮮有報(bào)道。

本文基于傳統(tǒng)平面往復(fù)振動(dòng)篩，通過理論分析判定籽粒在貝殼篩上運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建立籽粒在貝殼篩孔斜面透篩模型，得到籽粒透篩概率。設(shè)計(jì)等距圓孔均布于貝殼篩孔四周，得到貝殼-圓孔組合孔篩體。為探究組合孔篩體對(duì)高喂入量脫出物的篩分能力，利用CFD-DEM耦合方法[12-14]，在玉米脫出物不同喂入量下對(duì)組合孔篩、圓孔篩和貝殼篩清選效果進(jìn)行對(duì)比。通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證組合孔篩篩分性能，并與課題組前期研究的階梯篩清選效果進(jìn)行對(duì)比。

1 理論分析

1.1 籽粒在貝殼篩上部受力分析

振動(dòng)篩以簡(jiǎn)諧方式進(jìn)行篩分作業(yè)，籽粒加速度方向角隨著篩面加速度改變而改變，將籽粒所受慣性力分為4個(gè)象限進(jìn)行分析[15]。以籽粒慣性力在第3象限時(shí)為例，籽粒與篩體接觸點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿籽粒所受支持力和摩擦力反方向建立坐標(biāo)軸x、y，垂直于平面Oxy建立坐標(biāo)軸z，并對(duì)籽粒進(jìn)行受力分析，如圖1所示。

圖1 籽粒在貝殼篩上部受力分析Fig.1 Stress analysis of maize in upper part of shellfish sieve

由力平衡方程得

(1)

其中

G=mg

(2)

G0=ma0

(3)

P=kmu2

(4)

Ff=Ntanδ

(5)

式中N——籽粒所受篩面支持力，N

P——籽粒所受風(fēng)力，N

G——籽粒所受重力，N

G0——籽粒所受慣性力，N

a0——籽粒加速度，m/s2

Ff——籽粒所受摩擦力，N

Fy——籽粒沿y軸正方向的合力，N

m——籽粒質(zhì)量，kg

θ——重力在xy平面上投影夾角，(°)

β——重力在yz平面上投影夾角，(°)

α——風(fēng)力在xy平面上投影夾角，(°)

τ——風(fēng)力在yz平面上投影夾角，(°)

ζ——慣性力在xy平面上投影夾角，(°)

ε——慣性力在yz平面上投影夾角，(°)

δ——籽粒與篩面摩擦角，取24.4°

u——風(fēng)速，m/s

k——籽粒漂浮系數(shù)，m-1

整理公式(1)～(5)得

(6)

式中η——籽粒拋起系數(shù)

當(dāng)η<0時(shí)籽粒被篩面拋起，η>0則沿篩面滑動(dòng)。當(dāng)η>0時(shí)，F(xiàn)y>0籽粒沿篩面向后滑動(dòng)；Fy<0時(shí)，籽粒沿篩面向前滑動(dòng)。在篩分過程中由于氣流場(chǎng)速度與篩面加速度的不斷變化導(dǎo)致η的正負(fù)變化，因此在篩面加速度為第3象限時(shí)，籽粒具有被貝殼篩上部拋出或滑動(dòng)兩種狀態(tài)。同理由其余3個(gè)象限內(nèi)籽粒所受慣性力的情況可得，由于其貝殼篩孔上部特殊的外形，在貝殼篩上不同位置會(huì)使籽粒呈不同角度滑動(dòng)或拋起狀態(tài)，表明貝殼篩外形會(huì)使籽粒向其四周發(fā)散。

1.2 籽粒在貝殼篩孔斜面處受力分析

由于篩面加速度方向不同，籽粒慣性力分為4個(gè)象限進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

圖2 篩面加速度在不同象限時(shí)籽粒在篩孔斜面處受力分析Fig.2 Stress situation of maize on slope of sieve hole under different quadrants of acceleration of screen surface

以篩面加速度在第1象限為例，對(duì)籽粒的受力情況進(jìn)行分析。以籽粒與篩面接觸位置為坐標(biāo)原點(diǎn)o，沿貝殼篩孔斜面方向?yàn)樽鴺?biāo)x軸，垂直于貝殼篩孔處斜面方向?yàn)樽鴺?biāo)y軸，根據(jù)籽粒受力平衡得出

(7)

式中A——篩面振幅，m

ψ1——風(fēng)力與篩孔斜面夾角，(°)

ψ2——篩孔斜面與水平方向夾角，(°)

ψ3——篩子加速度方向角，(°)

t——篩面運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

ω——篩面振動(dòng)角速度，rad/s

F——籽粒沿篩孔斜面所受合力，N

整理公式(7)得

(8)

式中a1——籽粒沿篩孔斜面加速度，m/s2

a2——篩孔斜面加速度，m/s2

當(dāng)N≤0時(shí)籽粒被篩面拋起；當(dāng)N>0時(shí)籽粒沿篩孔斜面滑動(dòng)，其中F>0籽粒向篩后滑動(dòng)，F(xiàn)<0籽粒向篩前滑動(dòng)，F(xiàn)=0時(shí)籽粒相對(duì)篩面靜止。在入口氣流速度為12.8 m/s、氣流方向角為30°時(shí)，通過CFD-DEM耦合仿真提取貝殼篩孔斜面處氣流速度為5.51～14.17 m/s，氣流傾角為14.8°～20.2°，本文取17.5°進(jìn)行研究。以6行玉米聯(lián)合收獲機(jī)田間作業(yè)狀態(tài)為參考，篩體振動(dòng)頻率范圍為4.45～5.85 Hz，選取其中心值5.15 Hz為基準(zhǔn)值進(jìn)行研究，計(jì)算得到篩子振動(dòng)角速度為32.36 rad/s，實(shí)測(cè)貝殼篩孔斜面與水平方向夾角為14.5°，搖桿擺動(dòng)極限位置連線與水平方向夾角為43.5°，曲柄(即篩面振幅)半徑為0.019 1 m；確定玉米籽粒漂浮系數(shù)為0.063 m-1[16]，選取德美亞一號(hào)玉米籽粒為研究對(duì)象，隨機(jī)稱取1 000粒，重復(fù)5次取平均值，得到單玉米籽粒質(zhì)量為0.49 g，各參數(shù)如表1所示。

表1 篩面運(yùn)動(dòng)和籽粒物理特性參數(shù)Tab.1 Parameters of motion of screen and physical characteristics of grains

將各個(gè)參數(shù)代入公式(8)中，篩上籽粒被篩分時(shí)依次經(jīng)過篩面加速度的第4、1、2、3象限，考察篩面運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)籽粒在貝殼篩孔中受力情況，運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到篩面運(yùn)動(dòng)時(shí)間t、氣流速度u和籽粒所受支持力之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 篩面加速度在不同象限時(shí)籽粒所受支持力Fig.3 Support of maize under different quadrants of acceleration of screen surface

由圖3分析可知，氣流速度對(duì)籽粒所受支持力影響不明顯，籽粒在篩孔斜面處是否拋起主要受篩面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響。提取篩面加速度不同象限中籽粒未被篩面拋起(即N>0)時(shí)篩面運(yùn)動(dòng)時(shí)間，將其代入公式(8)中，得到篩面運(yùn)動(dòng)時(shí)間t、氣流速度u和籽粒沿篩孔斜面所受合力之間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 篩面加速度在不同象限時(shí)籽粒沿篩孔斜面受力分析Fig.4 Stress analysis of maize along slope of sieve hole under different quadrants of screen surface acceleration

如圖4可知，篩面加速度在4個(gè)不同象限時(shí)，籽粒沿斜面合力F>0或F<0，籽粒具有沿篩孔斜面上滑和下滑兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

結(jié)合篩面運(yùn)動(dòng)確定籽?；瑒?dòng)透篩條件，以篩面加速度在第1象限為例，篩面沿第1象限方向加速運(yùn)動(dòng)，篩孔斜面處籽粒上滑時(shí)，將籽粒與篩面加速度對(duì)比，若籽粒加速度小于篩面加速度，單位時(shí)間內(nèi)籽粒相對(duì)于篩面向篩孔處運(yùn)動(dòng)即為透篩，反之則未透篩，同理得到篩面加速度不同象限滑動(dòng)籽粒透篩判定條件，如表2所示。

將氣流速度范圍、篩面加速度不同象限籽?；瑒?dòng)時(shí)的篩分時(shí)間和表1中參數(shù)代入公式(8)中，運(yùn)用Matlab軟件處理得到篩面運(yùn)動(dòng)時(shí)間t和氣流速度u分別與籽粒沿篩孔斜面方向加速度a1和篩孔斜面加速度a2的關(guān)系，如圖5所示。

表2 滑動(dòng)籽粒透篩概率Tab.2 Probability of maize sieving

依據(jù)滑動(dòng)籽粒判定條件，運(yùn)用Matlab軟件獲得籽?；瑒?dòng)透篩的曲面面積，并計(jì)算籽?；瑒?dòng)透篩時(shí)曲面面積占籽?；瑒?dòng)總曲面面積百分比，得到篩面加速度在不同象限時(shí)籽?；瑒?dòng)透篩概率，如表2所示。

1.3 篩孔排布設(shè)計(jì)

根據(jù)上述理論分析，雖然貝殼篩對(duì)脫出物具有較高運(yùn)移能力[17]，但籽粒透篩率較低，尤其當(dāng)玉米脫出物喂入量較高時(shí)，單一的貝殼篩會(huì)造成籽粒損失增加。鑒于圓孔篩對(duì)籽粒具有較高透篩性能，為使籽粒低損失、篩分高效率，同時(shí)保證籽粒一定的清潔率，在貝殼篩孔四周設(shè)置圓孔，構(gòu)成貝殼-圓孔組合孔篩體。

圖5 篩面加速度不同象限時(shí)籽粒和篩孔斜面的加速度分析Fig.5 Analysis of accelerations of maize and screen hole under different quadrants of acceleration of screen surface

進(jìn)行篩孔間距對(duì)玉米脫出物水平方向平均速度影響的單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示，保證貝殼篩對(duì)篩上脫出物一定的運(yùn)移速度，以使貝殼篩孔橫、縱間距最大化，確定組合孔篩中貝殼篩篩孔橫、縱向距離分別為54 mm和96 mm。

設(shè)相鄰貝殼篩孔間面積為S1，圓孔面積為S2，相鄰貝殼篩孔間可容納圓孔數(shù)目為n，其關(guān)系為n=5，并沿貝殼篩四周均布，根據(jù)現(xiàn)有6行玉米聯(lián)合收獲機(jī)內(nèi)清選裝置尺寸要求，設(shè)定組合孔篩長度和寬度分別為1 360 mm和1 100 mm，組合孔篩具體尺寸參數(shù)如圖7所示。

(9)

整理式(9)得

(10)

設(shè)計(jì)圓孔半徑為7.5 mm，通過二維軟件測(cè)得貝殼篩孔間面積為S1=1 840 mm2，為使籽粒達(dá)到最大透篩幾率，相鄰貝殼篩孔之間設(shè)計(jì)最多圓孔，并考慮篩孔間尺寸不干涉，綜合分析得到每組圓孔數(shù)量

圖6 篩孔間距對(duì)玉米脫出物水平方向平均速度的影響Fig.6 Effect of sieve pitch on horizontal average velocity of maize mixture

圖7 組合篩篩孔尺寸參數(shù)Fig.7 Parameters of sieve size distribution

2 仿真

2.1 清選裝置仿真模型

以6行玉米聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置為參考進(jìn)行三維建模，其入風(fēng)口高度和出風(fēng)口高度分別為350 mm和412 mm；清選裝置長度為1 634 mm，高度為918 mm；篩面長度為1 360 mm，篩面安裝傾角為3.5°，篩面前后端與入風(fēng)口和出風(fēng)口距離分別為176 mm和96 mm，考慮到計(jì)算機(jī)處理能力，篩面寬度選取180 mm。選取貝殼篩篩孔長度、高度、橫縱間距分別為21.68、10.86、30、55.04 mm，圓孔篩直徑和橫、縱間距分別為15、17.5、30 mm[7]，如圖8所示。

圖8 清選裝置三維模型Fig.8 Geometric model of cleaning device1.進(jìn)風(fēng)口 2.抖動(dòng)板 3.篩體 4.尾篩 5.出風(fēng)口 6.圓孔篩 7.貝殼篩 8.組合孔篩

2.2 玉米脫出物顆粒模型

以德美亞一號(hào)玉米為參考，通過Pro/E三維軟件對(duì)玉米脫出物中各成分進(jìn)行三維建模，將模型導(dǎo)入EDEM軟件中，以各脫出物三維模型輪廓為填充邊界，確定每個(gè)小球直徑和坐標(biāo)，完成小球填充，其模型如圖9所示。

圖9 脫出物各成分三維模型圖Fig.9 Models of each component of maize

將各個(gè)成分按照比例進(jìn)行設(shè)定，如表3所示[18]。

表3 玉米脫出物各成分百分比Tab.3 Percentage parameters of maize mixture

2.3 參數(shù)設(shè)置

2.3.1顆粒相參數(shù)

對(duì)各個(gè)材料力學(xué)特性和物料間接觸屬性進(jìn)行設(shè)定，參數(shù)分別如表4和表5所示[19]。

表4 材料力學(xué)特性參數(shù)Tab.4 Parameters of mechanical properties of materials

EDEM軟件中接觸模型設(shè)置Hertz-Mindlin無滑動(dòng)模型。設(shè)定清選裝置振動(dòng)頻率為5.15 Hz，振幅為19.1 mm。為保證選取參數(shù)與玉米聯(lián)合收獲機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)的一致性，設(shè)定清選裝置入口氣流速度為12.8 m/s，氣流傾角為30°。EDEM軟件中時(shí)間步長為Rayleigh時(shí)間步長的20%，F(xiàn)luent時(shí)間步長為EDEM軟件設(shè)置的時(shí)間步長100倍。

2.3.2顆粒工廠設(shè)置

在仿真模型中抖動(dòng)板處設(shè)置顆粒工廠，依據(jù)玉米脫出物類型所占百分比，設(shè)定喂入量為5 kg/s，設(shè)置顆粒工廠中錐形、球形、矩形玉米顆粒數(shù)分別為1 376、199、239；28、36、44、52 mm圓柱莖稈數(shù)分別為246、283、340、134；根據(jù)玉米芯破碎程度分為四分之一圓柱、二分之一圓柱、整體圓柱體，顆粒數(shù)分別為326、230、236，喂入量2～6 kg/s時(shí)依據(jù)喂入量為5 kg/s時(shí)各類脫出物顆粒按比例進(jìn)行設(shè)定。設(shè)定各類脫出物1 s內(nèi)均勻生成，通過仿真試驗(yàn)確定玉米籽粒從抖動(dòng)板下落時(shí)豎直方向速度很小(小于0.1 m/s)，可忽略，水平速度為0.1～0.7 m/s，因此設(shè)定喂入時(shí)物料初速度為0.1～0.7 m/s內(nèi)的隨機(jī)值。

表5 材料間接觸屬性參數(shù)Tab.5 Parameters of interaction properties of materials

2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在玉米脫出物喂入量為2～6 kg/s、氣流速度為12.8 m/s、氣流方向角30°、振動(dòng)頻率為5.15 Hz的條件下，探究3種類型篩孔篩分后籽粒清潔率、損失率和篩分效率并進(jìn)行比較分析。

3 結(jié)果分析

3.1 玉米脫出物篩分過程

在玉米脫出物喂入量為5 kg/s、篩分時(shí)間為2 s時(shí)，不同篩型的篩分狀態(tài)如圖10所示，圖中玉米秸稈為紅色，玉米芯為藍(lán)色，玉米籽粒為綠色。

由圖10可見，在仿真時(shí)間為2 s時(shí)，圓孔篩上剩余籽粒較少，篩上和篩下雜余較多，圓孔利于玉米脫出物透篩，但推送雜余能力較弱；貝殼篩上剩余籽粒較多，篩分籽粒能力較弱，清選裝置內(nèi)剩余雜余較少，貝殼篩孔推送雜余能力較強(qiáng)致使雜余透篩幾率變小；組合孔篩上剩余籽粒和篩分后雜余均較少，證明組合孔篩既保留了圓孔篩對(duì)籽粒較高透篩率，同時(shí)也具有貝殼篩對(duì)雜余較強(qiáng)的推送能力，相比于單一圓孔篩和貝殼篩的篩分性能有所提高。

圖10 不同篩型脫出物篩分狀態(tài)Fig.10 Sieving status of maize mixture for different sieve types

3.2 不同篩型對(duì)脫出物速度的影響

在篩分過程中設(shè)置1 s時(shí)顆粒生成結(jié)束，根據(jù)仿真情況確定在1.2 s時(shí)，玉米脫出物在篩上開始穩(wěn)定篩分，在1.7 s后大部分雜余從清選裝置排出，因此提取篩分過程1.2～1.7 s內(nèi)，在玉米脫出物喂入量為5 kg/s下，篩上玉米脫出物水平方向平均速度，如圖11所示。

圖11 脫出物水平方向平均速度隨時(shí)間變化曲線Fig.11 Regular pattern of horizontal velocity of maize mixture change with time

在1.2～1.57 s內(nèi)，玉米脫出物在貝殼篩上水平速度大于其在圓孔篩上的水平速度，這是因?yàn)樵诖藭r(shí)間內(nèi)，玉米脫出物剛開始篩分堆積較多，貝殼篩對(duì)其推移能力較強(qiáng)，脫出物在水平方向平均速度較大；在1.57～1.7 s內(nèi)，玉米脫出在圓孔篩上水平速度大于其在貝殼篩上的水平速度，這是因?yàn)樵诖藭r(shí)間內(nèi)，由于脫出物物料特性不同，大部分雜余與籽粒沿水平方向分層，雜余堆積程度減弱，相比于貝殼篩，圓孔篩對(duì)氣流場(chǎng)的阻擋作用較弱，氣流場(chǎng)對(duì)脫出物運(yùn)移能力變強(qiáng)，因此玉米脫出物在圓孔篩上水平速度逐漸大于其在貝殼篩上的水平速度。在1.2～1.7 s內(nèi)，玉米脫出物在組合孔篩上水平方向速度均大于其在圓孔篩和貝殼篩篩上水平速度，組合孔篩體既具有貝殼篩的推送能力，并保證了篩上氣流場(chǎng)的流暢度，表明其對(duì)脫出物運(yùn)移能力強(qiáng)，利于脫出物在篩上水平分層，從而縮短了篩分時(shí)間，提高了篩分性能。

3.3 不同篩型對(duì)篩下脫出物分布的影響

在玉米脫出物喂入量為5 kg/s的條件下，對(duì)不同類型篩孔篩分后篩下籽粒分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將篩下入風(fēng)口至出風(fēng)口水平方向依次等距離分為前、中和后3部分，分別比對(duì)應(yīng)編號(hào)1、2、3，統(tǒng)計(jì)篩分后籽粒在3部分所占篩下總籽粒百分比，其結(jié)果如圖12所示。

圖12 篩下籽粒分布百分比Fig.12 Distribution of maize under sieve

分析圖12可知，3組篩型的主要透篩區(qū)域集中于前、中兩部分。組合孔篩在篩下前、中兩部分籽粒總分布相比于圓孔篩和貝殼篩籽粒分布多出4.98個(gè)百分點(diǎn)和44.94個(gè)百分點(diǎn)，說明組合孔篩籽粒透篩能力高于單一圓孔篩和貝殼篩；組合孔篩后部篩下籽粒分布較少，表明組合孔篩具有對(duì)較高喂入量的篩分能力。

3.4 不同篩型對(duì)篩分時(shí)間的影響

不同喂入量下3種不同篩型的篩分時(shí)間如圖13所示。3種不同篩型的篩分時(shí)間隨著喂入量增加而增加，在不同喂入量的工況下，組合孔篩篩分時(shí)間均小于圓孔篩和貝殼篩，在喂入量為5 kg/s和6 kg/s情況下，組合孔篩篩分時(shí)間分別為5.34、5.50 s，相比圓孔篩和貝殼篩分別縮短1.82、0.59 s和1.94、0.61 s，由此可知組合孔篩對(duì)喂入量的篩分能力較強(qiáng)，對(duì)于喂入量較高(現(xiàn)6行玉米聯(lián)合收獲機(jī)正常作業(yè)狀態(tài)下玉米脫出物喂入量為5 kg/s)的情況下能夠穩(wěn)定作業(yè)。

圖13 不同篩型的篩分時(shí)間Fig.13 Sieving time for different sieve types

圖14 不同篩型籽粒清潔率和損失率Fig.14 Cleaning rate and loss rate of maize for different sieve types

3.5 不同篩型對(duì)清潔率和損失率的影響

對(duì)仿真結(jié)果處理，得到3種不同篩孔類型篩分后籽粒清潔率和損失率隨不同喂入量影響規(guī)律，如圖14所示。3種篩型作業(yè)后籽粒清潔率和損失率隨著喂入量的增加分別呈下降和上升趨勢(shì)，其中組合孔篩在不同喂入量的工況下籽粒損失率均低于2%，清潔率均高于97%，在喂入量為5、6 kg/s情況下，其籽粒損失率分別為0.97%、1.15%，相比于圓孔篩和貝殼篩分別減少了4.79個(gè)百分點(diǎn)、7.85個(gè)百分點(diǎn)和5.79個(gè)百分點(diǎn)、7.84個(gè)百分點(diǎn)，在喂入量為6 kg/s時(shí)，組合孔篩籽粒清潔率為97.53%。

4 性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證組合孔篩篩分性能，對(duì)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)原有貫流式風(fēng)篩清選裝置試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行改裝，分別通過風(fēng)機(jī)變頻器、氣流方向角調(diào)節(jié)板和振動(dòng)篩驅(qū)動(dòng)變頻器，將氣流速度、氣流方向角、篩面振動(dòng)頻率和篩面傾角分別設(shè)定為12.8 m/s、30°、5.15 Hz和3.5°。為盡量減小試驗(yàn)誤差，每次試驗(yàn)在5 s內(nèi)喂入25 kg和30 kg玉米脫出物，以保證喂入量為5 kg/s和6 kg/s，如圖15所示。

圖15 試驗(yàn)裝置Fig.15 Experiment device1.試驗(yàn)臺(tái)架 2.組合孔篩 3.尾篩

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》，為探究喂入量為5 kg/s和6 kg/s時(shí)，組合孔篩和階梯篩篩分后籽粒清潔率、損失率和篩分時(shí)間，每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值，其結(jié)果如表6所示[20]。試驗(yàn)與仿真結(jié)果相對(duì)誤差為1.96%～17.82%，證明了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在喂入量為6 kg/s時(shí)，得到組合孔篩篩分后籽粒損失率、清潔率和篩分時(shí)間分別為1.09%、95.94%和6.48 s。相比于階梯篩，組合孔篩籽粒損失率降低5.60個(gè)百分點(diǎn)，篩分時(shí)間縮短0.93 s，清選裝置性能獲得進(jìn)一步提高。

表6 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of experimental data

5 結(jié)論

(1)通過籽粒受力分析，證明篩分作業(yè)中貝殼篩會(huì)對(duì)籽粒產(chǎn)生分散效果，建立籽粒在貝殼篩孔處的透篩模型，確定篩分時(shí)篩孔處籽粒透篩概率。

(2)通過貝殼篩孔對(duì)脫出物推送速度單因素試驗(yàn)確定了貝殼篩孔分布，鑒于圓孔具有較高籽粒透篩概率，故沿貝殼篩四周均布，設(shè)計(jì)出貝殼-圓孔組合式篩體。

(3)通過CFD-DEM耦合方法，對(duì)不同喂入量下3種篩型的篩分性能進(jìn)行對(duì)比仿真試驗(yàn)，通過對(duì)比分析得出，組合孔篩可增加籽粒透篩概率，并保證較高的運(yùn)移脫出物能力，相比于單一的圓孔篩和貝殼篩，其篩分性能得到增強(qiáng)。

(4)通過臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。在喂入量為6 kg/s下進(jìn)行組合孔篩臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明，組合孔篩篩分后籽粒損失率、清潔率和篩分時(shí)間分別為1.09%、95.94%和6.48 s。