于昭洋,胡志超,曹明珠,王申瑩,張 鵬,彭寶良
(1. 農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所,南京 210014; 2. 農業(yè)農村部現(xiàn)代農業(yè)裝備重點實驗室,南京 210014)
花生是中國重要的油料作物和蛋白資源,其常年種植面積、總產量均穩(wěn)居世界前兩位,是中國的優(yōu)勢農產品之一[1-2]。中國花生品種多樣、各主產區(qū)土壤條件及種植農藝差異顯著[3]。由于花生收獲機械結構復雜、品種和農藝適應差等綜合因素影響,目前中國花生機械化收獲水平僅為30.2%,并以小型收獲機械為主,制約了中國花生生產和國際競爭力[4-7]。近幾年,隨著傳統(tǒng)主產區(qū)及新疆、東北等地區(qū)規(guī)?;a發(fā)展,高效花生收獲設備需求迫切,國內相關研發(fā)團隊重點開展了大中型高效花生聯(lián)合收獲裝備研發(fā),相繼研發(fā)出四行/六行軸流式、八行切流式全喂入聯(lián)合收獲設備[8-9]。發(fā)達國家花生收獲設備主要以大中型全喂入聯(lián)合收獲設備為主,美國ADAMS、KMC、COLOMBO等公司生產的牽引式和自走式花生收獲機,涵蓋了2~8行系列產品,技術成熟度高,但其生產模式、花生品種與中國存在差異且價格昂貴,難以適應中國花生生產實際需求[10-12]。
清選技術是花生收獲設備的核心技術,也是技術難度最大的作業(yè)環(huán)節(jié),其性能直接影響整機的莢果含雜率和清選損失率[13-14]。與日趨成熟的花生半喂入聯(lián)合收獲相比,全喂入聯(lián)合收獲以干摘為主,清選物料混合物含水率較低,物料量較大,長雜、短雜、輕雜相對較多,土雜相對較少。由于清選物料含水率的差異、總量的差異、雜物成分的不同,花生半喂入作業(yè)模式的清選機構風篩組配的結構形式、結構參數(shù)并不能完全適用于全喂入聯(lián)合收獲。當前,國內涉及全喂入聯(lián)合收獲清選技術的研究文獻較少,已研發(fā)的樣機普遍存在纏膜掛秧、篩面堵塞等作業(yè)順暢性問題,果雜分離不清、風篩損失高等作業(yè)質量問題,批次清選處理量小的清選效率問題。由于上述問題的存在,多數(shù)設備增加了復選裝置進行二次清選,增加了整機成本。因此,如何提高清選作業(yè)順暢性和清選效率,降低含雜率和損失率等技術性能指標,是全喂入聯(lián)合收獲清選作業(yè)亟需重點攻克的技術難題。
本文以自行研制的切流式花生全喂入聯(lián)合收獲機為研究基礎,針對清選環(huán)節(jié)纏膜掛秧、篩面堵塞、果雜分離不清、損失率高等問題,運用理論分析與臺架試驗相結合的方法,確定清選機構的關鍵結構參數(shù)和作業(yè)參數(shù),并開展清選作業(yè)質量試驗研究,以期為花生全喂入聯(lián)合收獲設備清選機構的設計提供參考。
全喂入撿拾聯(lián)合收獲為當前國內外“大型高效花生收獲”的主流技術。本文針對切流式全喂入花生聯(lián)合收獲設備的作業(yè)原理及結構特點,結合清選物料的基本物理特征及組成成分,設計風篩選式清選機構(圖 1a),并將其配置于自行研制的切流式全喂入聯(lián)合收獲樣機上,構建移動式田間收獲試驗平臺(圖 1b)[15-18]。如圖1a所示,清選機構主要由上層篩(桿篩)、下層篩(多階彈性篩和后篩)、抖草輪、偏心套、風機等組成。如圖1b所示,移動式試驗臺主要由撿拾臺、多級摘果滾筒、清選機構、氣力輸送機構、底盤系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、工作參數(shù)采集系統(tǒng)等組成,試驗臺可為清選機構結構參數(shù)、作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化提供試驗平臺。
圖1 清選機構及清選試驗臺結構簡圖Fig.1 Structure diagram of cleaning device and test platform
作業(yè)時,滾筒脫出物以料簾狀由桿篩前部1/3段進入清選機構,篩體在偏心套和擺臂作用下構成曲柄擺桿機構往復振動。長雜沿桿篩向后輸送,莢果、短雜、土雜穿過桿篩沿多階彈性篩向后輸送,輸送過程中,部分短雜、輕雜在風場作用下直接吹出機外,部分短雜、土雜透過多階彈性篩篩出機外;隨后,桿篩輸送長雜落至后篩中段,抖草輪旋轉并在風場作用下將大部分長雜拋至后篩末端;由多階彈性篩輸送來混合物料沿后篩面向后輸送,在抖草輪和風場作用下分散充滿后篩清選倉(上層為輕雜、短雜,底層為長雜、短雜、莢果);最后,輕雜和部分短雜被主風機的氣流帶出機外,長雜和剩余短雜由后篩推送至機外,莢果在抖動過程中由后篩篩面漏下。
振動篩篩體由桿篩、多階彈性篩、后篩組成,3種篩體固連于同一篩框,篩框與各擺桿鉸接構成曲柄擺桿機構,從而實現(xiàn)果雜抖動分離。如圖2所示,振動篩通過鉸接點C、D與擺桿串聯(lián),偏心套圓心B繞驅動軸軸心O轉動,帶動連桿AC,從而推動搖桿O1A繞點O1轉動,并通過連桿CD帶動搖桿O2D,實現(xiàn)連桿CD即振動篩往復振動。
圖2 清選機構運動及物料受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of peanut force and cleaning device motion
曲柄擺桿機構設計時,為提高振動篩篩分效率、減小功率浪費,應使清選篩篩體做近似直線擺動,避免平面轉動[18]。因此,構件設計應滿足:O2D∥AC、O2D=BC、OBBC。前期樣機設計表明:O1A=140 mm,AB=80 mm,AC=200 mm,CD=970 mm,O2D=115 mm,曲柄半徑rOB=3~7 mm。
清選過程中桿篩、多階彈性篩主要作用為長雜分層、短雜及土雜初步分離,而莢果的透篩分離主要在后篩篩面完成,因此,首先從后篩篩面物料運動入手進行篩體運動參數(shù)分析。運用動態(tài)靜力學方法分析物料相對運動,為便于分析,取后篩篩面質心處的單顆莢果M進行受力分析,并近似認為篩體作直線擺動[18-19]。物料在篩面上運動有3種狀態(tài),沿篩面下滑、上滑和由篩面躍起。圖2為莢果M沿篩面下行時受力情況[20-21]。在前期試驗基礎上設計篩面傾角α為8°,由于篩體做近似直線擺動,振動方向垂直于連桿O2D,β取值30°,氣流風向角θ為30°。
為使物料相對篩面下滑,必須滿足
僅考慮物料沿篩面下滑而無篩面跳動,則有
篩面對物料的摩擦力
式中P為莢果所受振動慣性力,N;F為篩面對莢果摩擦力,N;Q為莢果受到風機氣流作用力,N;N0為篩面對莢果支撐反力,N;m為莢果質量,kg;g為重力加速度,m/s2;α為篩面傾角,(°);β為振動方向角,(°);θ為氣流風向角,(°);φ為篩面與莢果的靜摩擦角,試驗測得摩擦角φ為35°。聯(lián)立式(1)-(3)得
物料振動慣性力
物料氣力作用力[22]
式中λ為篩面振幅,m;ω為篩面角頻率,rad/s;t為時間,s;kp為花生莢果漂浮系數(shù),0.085 m-1[22];v為氣流相對速度,取值應小于莢果的最小懸浮速度,即8 m/s[22]。式(5)-式(6)帶入式(4),并取sinωt最大值1,求得篩面莢果M相對篩面下滑的條件
同理,可求得篩面莢果M相對篩面上滑的條件(上滑時F、P方向與圖2反向)
物料若能由篩面躍起,則必須滿足N0<0,在圖2所示的受力狀態(tài)下,各運動參數(shù)帶入后,得Psin β+m g cosα即則該受力情況下物料不會跳離篩面。當F、P方向與圖2反向時,可求得將式(5)-式(6)帶入式(9),并取 sinωt最大值1,求得篩面莢果M躍起跳離篩面的條件
為充分利用篩子面積進行分離,并使莢果有較多機會透篩,應保證莢果相對篩面能上滑、下滑且下滑距離大于上滑距離(KX>KS);同時,篩面物料的躍起有利于疏松、分層,可使莢果有更多機會順利透篩[18-19]。因此,λω2應同時滿足物料相對篩面下滑、上滑和躍起的條件:λω2>KX>KS且 λω2>KT,由此求得后篩篩面質心處的振動加速度aM=λω2>17.52 m/s2。振動加速度越大,生產率越高,但過大時,莢果沿篩面速度過高,會產生越篩現(xiàn)象,降低分離能力,文獻檢索篩體的振動加速度一般小于2.5 g[18],則振動加速度aM范圍
由于篩體做近似直線擺動,篩體任何部位的振幅與鉸接點 C的振幅相同,由圖 2可知,篩面振幅為λ≈rOB?AC/AB=7.5~17.5 mm,代入式(11)得 31.6 rad/s<ω<57.1 rad/s。曲柄OB轉動以帶動篩體振動,篩面振動角頻率ω與曲柄OB的角速度ωOB大小相同,可求得曲柄OB的轉速nOB為302 r/min<nOB<546 r/min,則篩體振動頻率f范圍
2.3.1 桿篩受力分析及結構參數(shù)的確定
清選物料主要包含長雜(長度>50 mm)、短雜、輕雜、土雜、破碎果。試驗測得長雜占清選物料總質量50%以上,大量長雜的存在增加了清選物料層厚度及物料抖散、吹散、分層的難度。該清選機構在篩體上部配置鋸齒形桿篩,分離出部分長雜、推送長雜排向篩尾,減輕了下層篩體清選物料量,提高了清選機構風篩選能力。
桿篩由鋸齒板、篩管、支撐座組成,如圖3所示,篩管之間無橫檔連接,解決了篩面掛膜掛秧問題。圖3為篩體向右上方振動時受力情況,此時振動慣性力垂直分力與桿篩自身重力、物料壓力的方向一致,故該階段易出現(xiàn)疲勞失效。為保證桿篩在交變應力作用下不發(fā)生疲勞失效,本文運用達朗伯原理分析桿篩在交變載荷下彎曲應力[23],確定在持久極限條件下桿篩的許用結構參數(shù)。以單個篩管為研究對象,篩體近似直線擺動,按照剛體慣性力力系的簡化原則,其慣性力力系可簡化為通過質心的合力P1,圖3受力分析可知篩管最大彎矩在支撐座固定端,此處彎矩Mo最大值為
圖3 桿篩結構及受力示意圖Fig.3 Schematic of pole sieve structure and force
最大彎曲正應力及持久極限條件為
式中W為抗彎截面系數(shù),m3;ρ1為鋁合金質篩管密度,2.81×103kg/m3;λ為篩面振幅,按上文結果取最大值為17.5 mm;ω為篩面角頻率,取最大值為57.1 rad/s;σ-1為材料持久極限,223 MPa[24];n為安全因素,取值3.8;β1為振動慣性力與篩面夾角,38°;r1為篩管的外圓半徑,6 mm;r2為篩管的內圓半徑,4 mm;試驗測得鋸齒板和長雜分布在每個篩桿的均布載荷q為6 N/m。
由式(13)-(17)求得支撐座固定端最大彎曲正應力為5×107L12、篩管往復振動而不發(fā)生疲勞破壞需滿足:L1≤1.1 m,綜合考慮桿篩、后篩位置配置關系,取L1=0.9 m;L2應小于最短長雜長度,取值35 mm。
2.3.2 多階彈性篩受力分析及結構參數(shù)的確定
多階彈性篩結構如圖4a所示,采用自激振、無橫檔設計,清選物料可順暢通過,破解了傳統(tǒng)桿篩掛膜掛秧、糊篩堵篩的難題。作業(yè)時,多階彈性篩隨篩框往復振動,彈指在振動載荷激勵下發(fā)生自身彈性振動,促使物料彈起、打散。
圖4 多階彈性篩結構示意圖Fig.4 Structure diagram of multi-stage elastic sieve
彈指在篩體往復振動下發(fā)生自激振(即彎曲變形),彈指振幅越大越利于物料打散,但振幅過大彈指末端會產生漏果。如圖4b所示,以單個彈指為研究對象,為簡化問題,忽略彈指下折彎部分彎曲變形及自重,將彈指所受慣性力力系簡化為通過上折彎部分質心的合力 P2,則彈指末端向上最大振幅w為[23]
式中 E為彈指彈性模量,206 GPa;I為彈指慣性矩,3.97 mm4;m2為彈指上折彎部分的質量,kg;r為彈指半徑,1.5 mm;ρ2為60Si2Mn彈簧鋼密度,7.85×103kg/m3;依據(jù)上文參數(shù)得δ值為48°,λ取最大值為17.5 mm,ω取最大值57.1 rad/s;代入式(18)-(19)得彈指末端向上最大振幅w=0.3l14。由于前后階篩面搭接處高度差為6 mm,為保證莢果不在搭接處掉落,應使搭接處最大間隙小于 8 mm,則彈指末端最大振幅 w≤2 mm,求得l1≤285 mm,綜合考慮多階篩面總長,本文取l1=210 mm。
2.3.3 后篩篩面結構參數(shù)的確定
后篩篩面選用推送、抖散作用較強的鋸齒篩,鋸齒篩具有單向輸送性,能夠較快的將清選雜物推送至機外。如圖5所示,物料在篩面上依靠篩體擺幅H的水平分量Hx和垂直分量Hy向后輸送,為使鋸齒篩可以逐齒推送物料,保證在篩面下行時前一級齒槽的物料能夠落入后一級齒槽內,則應滿足Hx>W(wǎng)x,Hy>W(wǎng)y;篩面下行時,齒正面對物料施加向前的推送力,造成物料反向回帶,為減輕齒正面對物料的反向推送作用,應使β2>θ1;篩面上行時,物料依靠齒背面施加的推力向后拋送,為增強齒背推力作用,應使齒背垂直于篩體振動方向,同時,齒背高度應大于莖稈直徑。如圖 5所示,振動篩篩體最小擺幅H(振幅λ的2倍)為15 mm,后篩振動方向與水平面夾角 β2為 38°,為保證后篩有效逐級輸送,則Wx=11 mm,Wy=9 mm,θ1=36°,θ2=92°。
圖5 后篩篩面結構及物料運動軌跡示意圖Fig.5 Schematic of behind sieve structure and material motion trail
試驗于2018年9月在江蘇省宿遷市八集鎮(zhèn)試驗基地進行。試驗花生品種為“天府 9號”,單壟雙行種植,壟距800 mm,行距300 mm,產量4 500 kg/hm2。試驗在樣機實車上進行,將清選機構配置于全喂入聯(lián)合收獲機上,試驗員駕駛整機在田間進行收獲試驗。選取地勢平坦地塊,前期由挖掘機收獲后鋪放于田間,待莢果平均含水率降至 30%時進行試驗,割臺每次收獲八行花生;前進速度為0.6 m/s,由中間變速輪式無級變速器控制。
在前期單因素試驗觀察和理論分析基礎上,選取對清選性能影響較大的振動篩振幅A、振動頻率B、主風機轉速C等作為試驗因素。其他試驗參數(shù)為篩面寬度1.2 m、后篩長度 650 mm及篩片間距 35 mm、副風機轉速1 600 r/min及其氣流風向角36°。試驗以清選損失率T1、莢果含雜率T2作為清選作業(yè)指標,開展3因素3水平正交試驗,試驗因素與水平見表1,振幅、振動頻率的取值范圍由文中理論分析值選定,主風機轉速取值范圍依據(jù)前期單因素試驗分析結果選定。試驗過程保持發(fā)動機輸出轉速不變,通過更換偏心套調節(jié)振幅,通過更換不同直徑的振動篩帶輪調節(jié)振動頻率,通過更換不同直徑的風機帶輪調節(jié)風機轉速。
表1 試驗因素與水平Table 1 Factors and levels
清選損失率和莢果含雜率參考中華人民共和國農業(yè)行業(yè)標準-花生收獲機質量評價技術規(guī)范(NY/T502-2016)進行測試。
每個因素組合方案進行 3次重復試驗,分別測試每次試驗清選損失率、莢果含雜率,取平均值。試驗前清空料倉及機內雜物,清除測試區(qū)地面的翻曬自然落果,每行走35 m為一次試驗。清選損失率測定用接料板和編織網(wǎng)袋分別接取篩下和篩尾排出物,挑選排出物中莢果為清選損失;莢果含雜率測定由料倉內莢果取樣計算,每次取樣不少于料倉莢果總量的三分之一。
各指標具體計算方法如下
1)清選損失率T1
式中T1為清選損失率,%;Q1為篩下、篩尾排出物中莢果的質量,g;Q2為測試區(qū)地面上莢果的質量,g;Q3為摘果滾筒排出秧蔓中夾帶的莢果質量,g;Q4為花生秧蔓上未摘莢果的質量,g;Q5為料倉內莢果的質量,g。
2)莢果含雜率T2
式中T2為莢果含雜率,%;W1為取樣中仁果和果殼破損及果殼開裂莢果質量,g;W2為取樣中完好莢果質量,g;W3為取樣中雜質質量,g。
正交試驗方案[25-27]及試驗結果如表2所示。運用IBM SPSS Statistics 22 軟件對試驗結果進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析[28-29]。
3.3.1 各因素對清選性能指標的影響
正交試驗極差分析結果見表2。分析結果表明:各因素對清選損失率影響的主次順序為振幅、主風機轉速、振動頻率,較優(yōu)參數(shù)組合方案為 A1C2B2;各因素對籽粒含雜率影響的主次順序為主風機轉速、振動頻率、振幅,較優(yōu)參數(shù)組合方案為C3B3A2。
正交試驗方差分析結果見表3。分析結果表明:各因素對 2個指標的影響程度不同,對于清選損失率指標,在 95%的置信度下,振幅、主風機轉速影響非常顯著(P<0.01),振動頻率影響較為顯著(P<0.05);對于莢果含雜率指標,在 95%的置信度下,主風機轉速影響非常顯著(P<0.05),振動頻率影響較為顯著(P<0.01),振幅影響不顯著。
表2 試驗方案與結果Table 2 Experimental layout and results
表3 正交試驗方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal experiment
3.3.2 各因素的綜合優(yōu)化
為了得到理想的清選效果,需同時滿足清選損失率、莢果含雜率盡可能達到最小,通過上述試驗分析可知,振幅、振動頻率、主風機轉速等因素對 2個清選作業(yè)指標影響的主次作用順序和顯著性不同、較優(yōu)參數(shù)組合也不同。為進一步分析 3個因素對清選作業(yè)質量的綜合影響,采用模糊綜合評價方法進行綜合優(yōu)化分析[30-32],選出使2個清選作業(yè)指標都盡可能較優(yōu)的參數(shù)組合。
由于 2個指標的數(shù)量級和量綱各不相同,應用模糊綜合評價方法建立 2個指標隸屬度模型,求得其同數(shù)量級、無量綱的隸屬度值。清選損失率、莢果含雜率均為偏小型指標,即越小越好,其隸屬度模型見式(22)。
式中tin分別為第n次試驗測得指標Ti的隸屬度值;Timax為指標Ti的最大值;Timin為指標 Ti的最小值;Tin為第n次試驗指標 Ti的值。由式(22)求得清選損失率、莢果含雜率的隸屬度值t1n、t2n,見表4。由2個指標隸屬度值構成的模糊關系矩陣Tt為
由正交試驗結果可知,清選損失率滿足作業(yè)標準要求,而莢果含雜率超出了作業(yè)標準要求,為盡可能多的降低莢果含雜率指標,本文設定莢果含雜率權重偏大為0.6、清選損失率權重偏小為0.4,由此構成的權重分配集為:W=[0.4 0.6]。由模糊矩陣Tt與權重分配集W經(jīng)模糊變換得到模糊綜合評價值集 U,其中 U=W·Tt,由此求得各試驗方案的綜合評分值見表4。
表4 綜合評分值Table 4 Values of comprehensive evaluation
將綜合評分結果進行極差分析(見表5),分析結果表明,各因素綜合影響清選作業(yè)質量的主次順序為主風機轉速、振幅、振動頻率,較優(yōu)參數(shù)組合方案為C3A2B3,即主風機轉速為2 100 r/min、振幅為12.5 mm、振動頻率為9 Hz;將綜合評分結果進行方差分析(見表6),分析結果表明,在 95%的置信度下,主風機轉速對清選作業(yè)質量的影響非常顯著(P<0.01),振幅、振動頻率對清選作業(yè)質量的影響較為顯著(P<0.05)。
表5 綜合評分極差分析Table 5 Range analysis of comprehensive scores
表6 綜合評分方差分析Table 6 Variance analysis of comprehensive scores
由于正交試驗方案中并未包含綜合優(yōu)化后的較優(yōu)參數(shù)組合,為保證優(yōu)選結果的準確性,選取該較優(yōu)參數(shù)組合即主風機轉速為2 100 r/min、振幅為12.5 mm、振動頻率為9 Hz時開展驗證試驗。為消除隨機誤差,試驗重復3次,取其平均值作為試驗驗證值,測得試驗結果為清選損失率5.03%,莢果含雜率5.39%。通過與其他正交試驗方案結果對比分析可知,優(yōu)選后的清選機構的綜合作業(yè)質量優(yōu)于其他參數(shù)組合下的作業(yè)性能。
本文以全干花生在切流式摘果作用下形成的物料混合物為清選對象,設計風篩選式清選機構,并將其配置在自走式聯(lián)合收獲機上,開展田間試驗。本文在前期單因素試驗和理論分析基礎上,選取了對清選性能影響較大的主風機轉速、振動篩振幅、振動頻率等進行試驗研究。由于收獲期和基地條件限制,尚未進一步考察花生品種、花生干濕狀態(tài)、喂入量、前進速度對清選效果的影響。
該清選機構的桿篩、多階彈性篩、后篩均為無橫檔設計,且彈性篩能夠較快打散物料,增加雜余穿透篩體能力,此結構形式和結構參數(shù)下,較少出現(xiàn)纏膜掛秧、篩面堵塞現(xiàn)象,作業(yè)順暢性較好。另外,該清選機構還存在一些問題,試驗發(fā)現(xiàn)由地勢起伏而引起的清選機構橫向側傾對清選效果有一定影響,分析由于清選機構橫向側傾導致物料向篩面一側匯集,增加了此側篩面的清選負荷,從而降低了清選作業(yè)質量,后續(xù)研發(fā)中擬在多階彈性篩面增加導流板解決該問題;多階彈性篩的彈指末端高低起伏易導致篩面漏果,擬優(yōu)化加工工藝,將彈指與支撐管裝配并折彎后再進行熱處理,更易保證彈簧鋼質彈指末端高度的一致性。
1)本文研制了一種適用于切流式花生全喂入聯(lián)合收獲作業(yè)的風篩選式清選機構,其主要由桿篩、多階彈性篩、后篩、抖動輪、偏心套、風機等組成,有效解決了在大喂入量高效收獲工況下清選環(huán)節(jié)存在的果雜分離不清、損失率高、纏膜掛秧、篩面堵塞等問題。
2)提出了物料相對篩面向上滑動、向下滑動、從篩面躍起的極限條件,為保證莢果順利穿透后篩,振動篩主要運動參數(shù)的選取范圍為振動加速度17.5~24.5 m/s2,曲柄轉速302~546 r/min,篩面振幅7.5~17.5 mm。分析了桿篩、多階彈性篩在交變載荷下彎曲應力、彎曲變形,求得桿篩長度0.9 m,篩管間距35 mm,多階彈性篩的單階篩面長度為210 mm。后篩篩面選用推送、抖散作用較強的單向輸送鋸齒篩。
3)影響清選機構的綜合作業(yè)質量的主次作用因素為主風機轉速、振動篩振幅、振動頻率,較優(yōu)參數(shù)組合為主風機轉速為2 100 r/min、振動篩振幅為12.5 mm、振動頻率為9 Hz;此時清選損失率5.03%,莢果含雜率5.39%。