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油葵聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置的設(shè)計(jì)

2021-07-19 10:37:22馬少騰張學(xué)軍朱興亮于蒙杰劉宇張?jiān)坪?/span>張海濤
關(guān)鍵詞:升角凹板油葵

馬少騰,張學(xué)軍,朱興亮,于蒙杰,劉宇,張?jiān)坪?,張海?/p>

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830052;3.新疆工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830091)

油葵(Helianthusannuus),菊科(Composite),向日葵屬(Helianthus),是我國(guó)重要的油料作物之一[1-3].油葵在我國(guó)種植面積達(dá)到80萬(wàn)hm2,占我國(guó)向日葵種植面積的60%,并且油葵的種植面積還在逐年遞增[4-6].因此,油葵機(jī)械化收獲將會(huì)成為油葵產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì).油葵的生產(chǎn)中,收獲是生產(chǎn)作業(yè)中的重要組成部分,而脫粒工序則是收獲的關(guān)鍵,不僅直接影響葵籽的脫凈率、破損率等,同時(shí)影響后續(xù)清選機(jī)械的效果[7-10].

目前,國(guó)內(nèi)外有許多企業(yè)和學(xué)者對(duì)油葵脫粒脫粒裝置開(kāi)展了系統(tǒng)的研究,包括脫粒裝置的結(jié)構(gòu)、能耗以及物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律等問(wèn)題.德國(guó)克拉斯公司研制的lexion700系列谷物聯(lián)合收割機(jī)可以收獲向日葵,其中脫粒系統(tǒng)可以針對(duì)物料的特性自動(dòng)調(diào)節(jié)脫粒間隙,降低裝備能耗和提高收獲率[11];美國(guó)約翰迪爾研制的S系列谷物收獲機(jī)通過(guò)液壓系統(tǒng)控制滾筒擋板實(shí)現(xiàn)脫粒間隙調(diào)節(jié),提高谷物收獲率[12];李耀明等[13]研制了一種聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒凹版間隙調(diào)節(jié)裝置,通過(guò)液壓缸調(diào)節(jié)脫粒間隙,提高谷物脫凈率;趙武云等[14]研制了一種變徑變間距螺旋板齒式脫粒裝置,通過(guò)改變脫粒滾筒上脫粒元件的高度進(jìn)而改變脫粒間隙,提高谷物脫凈率;韓長(zhǎng)杰等[2]研制了一種專(zhuān)用于油葵脫粒的橫軸流脫粒清選裝置,提高了油葵的機(jī)械化水平,但是上述大部分機(jī)型非直接針對(duì)油葵作物進(jìn)行設(shè)計(jì)使用,應(yīng)用于油葵作物還存在油葵脫凈不徹底、籽粒損傷嚴(yán)重等問(wèn)題,因此現(xiàn)在迫切需要設(shè)計(jì)一種針對(duì)油葵作物且基于油葵聯(lián)合收獲機(jī)的脫粒裝置,提高油葵的脫凈率、降低籽粒的破損率,提高油葵聯(lián)合收獲機(jī)的工作性能.

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

油葵聯(lián)合收獲機(jī)主要包括油葵割臺(tái)、脫粒系統(tǒng)、清選系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、糧倉(cāng)、操作臺(tái)以及履帶式自走系統(tǒng)等,整機(jī)圖如圖1所示,主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 油葵聯(lián)合收獲機(jī)主要參數(shù)

圖1 油葵聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)圖

作業(yè)時(shí),油葵植株通過(guò)撥禾輪撥向切割器,將油葵盤(pán)割下,然后通過(guò)絞龍與鏈耙輸送器送至脫粒系統(tǒng)進(jìn)行脫粒.在脫粒滾筒的作用下對(duì)油葵盤(pán)進(jìn)行搓擦打擊,籽粒從油葵盤(pán)上分離,脫落的籽粒與雜余從凹板篩的篩孔下落入清選系統(tǒng),脫落后的葵盤(pán)與短莖稈從桶里滾筒的尾部排除機(jī)外.在清選系統(tǒng)內(nèi),大部分油葵籽粒通過(guò)振動(dòng)篩前部送入糧倉(cāng),含有雜余與少量的籽粒在下層篩進(jìn)行二次分選,由于比重不同,籽粒在下,雜余在上,分選后的籽粒通過(guò)絞龍輸入至糧倉(cāng),雜余在振動(dòng)篩的作用下通過(guò)尾篩排除機(jī)外,完成油葵籽粒的聯(lián)合收獲作業(yè).

2 脫粒裝置的設(shè)計(jì)

2.1 脫粒滾筒的設(shè)計(jì)

2.1.1 喂入頭的設(shè)計(jì) 喂入頭作為聯(lián)合收獲機(jī)中將籽粒從鏈耙輸送器送入脫粒系統(tǒng)的第一步,根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)果,采用圓錐形滾筒作為喂入頭.螺旋葉片與圓錐滾筒焊接,且圓錐頭的錐角為33°,后端直徑與脫粒滾筒一致,即D2=450 mm.

螺旋葉片的升角是螺旋喂入頭的一個(gè)重要參數(shù).對(duì)于油葵盤(pán)的軸向運(yùn)輸有著重要影響.因此建立油葵盤(pán)與螺旋葉片之間的受力分析,如圖2所示.

1.錐形頭;2.螺旋葉片;3.脫粒滾筒.

圖2中O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),x、y為坐標(biāo)軸;Ff為油葵與脫粒螺旋葉片的摩擦力,N;T為法向推力,N;F為摩擦力與推力的合力,N;Dz為脫粒滾筒直徑,mm;α1為油葵盤(pán)與螺旋葉片的摩擦角,(°);β1為螺旋葉片的升角,(°);θ為圓錐頭的錐角,(°).

為了保證油葵的運(yùn)輸,需要滿(mǎn)足軸向輸送力大于軸向阻力的要求,即:

(1)

根據(jù)油葵前期試驗(yàn),測(cè)定油葵與金屬之間存在的摩擦角α1為28°.因此,根據(jù)式(1)油葵在螺旋葉片的輸送下最終需要滿(mǎn)足:

β1<90°-α1=62°

(2)

螺旋葉片的升角對(duì)油葵的輸送能力和功率消耗有重要影響.因此,在滿(mǎn)足油葵的輸送能力下,減小螺旋葉片的升角可以有效的降低裝置的功勞消耗.根據(jù)螺旋喂入頭的長(zhǎng)度L1和螺旋升角β1的轉(zhuǎn)換公式可以求解出螺旋升角,即:

2.3 過(guò)表達(dá)B7-H3對(duì)細(xì)胞周期的影響 在腫瘤細(xì)胞中分別瞬轉(zhuǎn)空載體和B7-H3真核表達(dá)載體,于轉(zhuǎn)染48 h及72 h后收集細(xì)胞,用流式細(xì)胞儀檢測(cè)細(xì)胞周期變化。結(jié)果如圖3所示,過(guò)表達(dá)B7-H3之后,與對(duì)照相比,處于G1期的細(xì)胞增多,S期細(xì)胞減少,提示細(xì)胞發(fā)生了G1/S期阻滯。

(3)

式中:S為螺旋導(dǎo)程,mm;K為螺旋頭數(shù).

根據(jù)油葵前期試驗(yàn),設(shè)計(jì)喂入頭的螺旋頭數(shù)為2頭,螺旋導(dǎo)程為700 mm.因此,得出螺旋喂入頭的長(zhǎng)度L1為350 mm,螺旋葉片的升角β1為13.9°.

2.1.2 滾筒的設(shè)計(jì) 聯(lián)合收獲機(jī)中脫粒滾筒的直徑能直接影響到脫粒裝置的脫粒效果.若滾筒直徑過(guò)小,油葵莖稈會(huì)發(fā)生纏繞;若滾筒過(guò)大,所需要的功率能耗也將增加[16].因此,滾筒的徑向周長(zhǎng)大于莖稈的長(zhǎng)度即可,根據(jù)割臺(tái)高度,進(jìn)入脫粒系統(tǒng)內(nèi)的莖稈長(zhǎng)度最大值為450 mm,設(shè)計(jì)脫粒滾筒幅盤(pán)直徑D2為450 mm,脫粒元件選擇紋桿,其高度h為95 mm,因此,脫粒滾筒直徑DZ為640 mm.設(shè)計(jì)時(shí)基于開(kāi)放縱軸流脫粒滾筒設(shè)計(jì),即主要結(jié)構(gòu)包括喂入頭、幅盤(pán)、齒桿、滾筒軸、脫粒元件(紋桿)、脫粒元件連接座 排雜釘齒等組成,總體結(jié)構(gòu)如圖3所示.

1.喂入頭;2.紋桿;3.脫粒元件連接座;4.幅盤(pán);5.排雜釘齒.

對(duì)于開(kāi)放軸流式脫粒滾筒,其長(zhǎng)度也與脫粒性能有著密切的關(guān)系.脫粒滾筒越長(zhǎng),脫粒效果越佳,但長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致功率消耗越大、油葵盤(pán)的破損程度越大,給后續(xù)清選作業(yè)帶來(lái)了一定負(fù)擔(dān).因此,選擇聯(lián)合收獲機(jī)的常用長(zhǎng)度2~3 m,根據(jù)喂入段長(zhǎng)度L1為350 mm;排雜段的長(zhǎng)度L3需要大于收獲時(shí)莖稈位置到葵盤(pán)的長(zhǎng)度,即L3=340 mm;根據(jù)紋桿脫粒滾筒的設(shè)計(jì)手冊(cè),脫粒滾筒的脫粒段L2以及脫粒滾用的總長(zhǎng)度L可由下式確定:

(4)

式中:L2為脫粒紋桿的長(zhǎng)度,mm;β為草谷比,取0.319;q為喂入量,取2.5 kg/s;qz為每根紋桿單位長(zhǎng)度承擔(dān)的喂入量,一般取值范圍為0.7~1.1 kg/(s·m),本試驗(yàn)取qz為0.7 kg/(s·m);n為紋桿根數(shù),取n為3.

由式(4)可知脫粒段長(zhǎng)度即脫粒紋桿的長(zhǎng)度L2=1 351 mm,取1 350 mm;脫粒滾筒總長(zhǎng)度L=2 041 mm.

由于前期試驗(yàn)測(cè)得油葵的脫粒速度vz為6.5~9.5 m/s,為了保證油葵籽粒全部脫出,取vz=9.5 m/s,根據(jù)式(5)得出脫粒滾筒轉(zhuǎn)速nZ為284 r/min.

(5)

凹板篩作為脫粒裝置的重要組成部分.安裝時(shí)與脫粒滾筒保持同軸度安裝.該裝置基于柵格式凹板篩進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖4所示.結(jié)構(gòu)上主要包括凹板安裝板、橫條篩條、縱格篩條以及側(cè)弧板.凹板篩的分離取決于凹板篩的包角,包角越大脫粒作業(yè)的空間越大,脫粒效果越佳,但包角過(guò)大也會(huì)增加安裝的困難,并根據(jù)前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)包角大于180°時(shí),脫粒效果增加的并不明顯,因此本研究設(shè)計(jì)凹板篩包角為180°.

1.凹板安裝板;2.橫格篩條;3.縱格篩條;4.側(cè)弧板.

在設(shè)計(jì)中考慮凹板篩安裝方便性,以及零部件替換方便、制造成本等方面,凹板篩采用分塊制造與設(shè)計(jì),每塊凹板篩的軸向長(zhǎng)度為450 mm,安裝在油葵聯(lián)合收獲機(jī)當(dāng)中為3塊,合計(jì)凹板篩總長(zhǎng)為1 350 mm.根據(jù)前期市場(chǎng)調(diào)研以及預(yù)試驗(yàn)[17],設(shè)計(jì)凹板篩縱格篩條的間隙為30 mm、橫格篩條每18°焊接一根.

在脫粒過(guò)程中,油葵籽粒在凹板篩與脫粒滾筒的作用下發(fā)生碰撞接觸,如圖5所示,此時(shí)油葵盤(pán)在豎直方向上受力平衡.

圖5 油葵與橫格篩條碰撞接觸示意圖

圖5中O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),x、y為坐標(biāo)軸;δ為脫粒滾筒與凹板篩產(chǎn)生的脫粒間隙,mm;F為橫格篩條對(duì)油葵的剪切力,N;T為脫粒元件對(duì)油葵籽粒的打擊作用力,N;G為油葵的重力,N;d為橫格篩條的直徑,mm;b為油葵盤(pán)的厚度,mm;δ為脫粒間隙,mm;θ為紋桿對(duì)油葵的打擊作用力T與豎直方向的夾角,(°);β為橫格篩條對(duì)油葵的剪切力F與豎直方向的夾角,(°).

根據(jù)受力分析可知,油葵受到脫粒元件的打擊作用力T、油葵自身的重力G、以及橫格板對(duì)油葵的剪切力F,其中不考慮油葵受到的摩擦力,由于油葵在是豎直方向上的受力平衡,其力學(xué)模型為:

(6)

化簡(jiǎn)式(6)油葵的受力模型:

(7)

根據(jù)公式(7)以及分析可知,當(dāng)橫格篩條的直徑d增大時(shí),橫格篩條對(duì)油葵的剪切力增加、油葵籽粒受到的作用力增大、籽粒破損率隨之增加;反之,當(dāng)橫格篩條的直徑d減小時(shí),橫格篩條對(duì)油葵的剪切力減小、油葵籽粒受到的作用力減小、籽粒破損率隨之降低.因此,在設(shè)計(jì)凹板篩的時(shí),適當(dāng)降低橫格篩條的直徑,有利于減小油葵受到的剪切力,達(dá)到適當(dāng)降低油葵籽粒的破損率的目的.本研究設(shè)計(jì)的橫格篩條的直徑d為3 mm,同時(shí)根據(jù)葵盤(pán)厚度設(shè)計(jì)脫粒間隙δ為24 mm,凹板篩直徑694 mm.

2.3 頂蓋的設(shè)計(jì)

在脫粒過(guò)程中,油葵籽粒在凹板篩與脫粒滾筒的作用下發(fā)生搓擦,脫粒裝置中頂蓋置于脫粒滾筒的上部,其作用是與脫粒滾筒、凹板篩形成一個(gè)脫粒室,防止油葵飛濺.其次,頂蓋上部裝有螺旋導(dǎo)流片,脫粒時(shí)引導(dǎo)油葵盤(pán)軸向運(yùn)動(dòng),脫粒后的葵盤(pán)從排雜段排除.頂蓋的結(jié)構(gòu)主要包括:頂板、螺旋葉片和頂蓋安裝板,如圖6所示.

1.頂板;2.螺旋葉片;3.頂蓋安裝板.

圖6中O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),x、y為坐標(biāo)軸;βd為螺旋葉片的升角,(°);Ld為頂蓋的長(zhǎng)度,mm;δd為螺旋葉片的間距,mm.

頂蓋中關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括導(dǎo)流板的螺旋升角βd、螺旋葉片的間距δd、螺旋葉片的高度hd以及螺旋葉片的個(gè)數(shù)Nd.螺旋升角越大,油葵脫粒的脫粒過(guò)程越長(zhǎng),脫凈率也會(huì)增加,但螺旋升角過(guò)大,導(dǎo)致油葵碎物和莖稈碎物增加,給后續(xù)清選帶來(lái)了一定的工作負(fù)荷,反之螺旋升角過(guò)小會(huì)導(dǎo)致油葵脫粒不充分,夾帶損失大;螺旋葉片的間距、高度和數(shù)量對(duì)脫粒間隙產(chǎn)生影響,主要影響為脫粒滾筒到頂蓋的間隙不一致,脫粒間隙過(guò)大,脫粒效果不佳,反之油葵碎物增加.因此參考市場(chǎng)上現(xiàn)有脫粒裝置中的頂蓋設(shè)計(jì)[18-20],以及上述中油葵沿著螺旋葉片的輸送條件:β1<62°,因此本試驗(yàn)設(shè)計(jì)螺旋葉片的升角βd為20°、螺旋葉片的高度hd為35 mm、螺旋葉片的間距δd為150 mm以及螺旋葉片的數(shù)量Nd為11個(gè).

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)對(duì)油葵聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置的分析與設(shè)計(jì),對(duì)該機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,如圖7所示.試驗(yàn)對(duì)象為新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州阜康市種植的油葵矮大頭 DW667,種植時(shí)間為2019年4月20日,2019年9月16日成熟,物料的相關(guān)特性如表2所示.

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

表2 物料基本參數(shù)

試驗(yàn)方法根據(jù)GB/T 5982-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》和GB/T 5982-2005《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行,試驗(yàn)前調(diào)整好機(jī)器工作參數(shù),即脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速為280 r/min,脫粒間隙為24 mm.試驗(yàn)重復(fù)3次,每次行走20 m,立標(biāo)桿作為標(biāo)記,脫凈率的測(cè)定方法是對(duì)葵盤(pán)上的未脫下的籽粒進(jìn)行收集、稱(chēng)質(zhì)量.對(duì)于油葵盤(pán)上存在干癟的籽粒,不計(jì)算在未脫凈的籽粒質(zhì)量當(dāng)中.破損率主要測(cè)定方法是破損的籽粒收集和稱(chēng)質(zhì)量,規(guī)定將所有籽粒中發(fā)生殘缺、橫斷、籽粒破裂(包括果皮破裂但是子葉或胚完整的籽粒)現(xiàn)象的籽粒定義為破損籽粒.試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

根據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果,油葵脫粒裝置的平均脫凈率為98.56%,籽粒平均破損率為2.12%,因此該油葵收獲機(jī)脫粒裝置的工作性能較佳,符合我國(guó)對(duì)油葵的脫粒要求.

表3 試驗(yàn)驗(yàn)證值

4 結(jié)論

1) 本研究介紹了油葵聯(lián)合收獲機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理以及重要參數(shù).根據(jù)油葵聯(lián)合收獲機(jī)以及油葵的物料學(xué)特性設(shè)計(jì)其脫粒裝置,確定脫粒裝置中脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為280 r/min、滾筒長(zhǎng)度為2 041 mm、以及滾筒直徑為640 mm;凹板篩工作長(zhǎng)度為1 350 mm,脫粒間隙為24 mm;以及頂蓋中螺旋葉片的升角為20°、葉片的高度為35 mm、葉片間距為150 mm.

2) 通過(guò)對(duì)油葵聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置的設(shè)計(jì),在確定工作參數(shù)的條件下進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證:即當(dāng)脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速為280 r/min,脫粒間隙為24 mm時(shí),該機(jī)的脫凈率為98.56%、籽粒破損率為2.12%,滿(mǎn)足我國(guó)對(duì)油葵的脫粒要求.

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