宗望遠，魏鑫鑫，馬麗娜，連國黨，周國輝

食葵聯(lián)合收獲機圓筒清選篩結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗

宗望遠1,2，魏鑫鑫1，馬麗娜1,2，連國黨1，周國輝3

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學工學院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070； 3. 石家莊金箭機械設備制造有限公司，石家莊 052160）

為提高食葵聯(lián)合收獲機清選系統(tǒng)適應性和作業(yè)性能，該研究基于食葵脫出物物料特性，分析了圓筒清選篩篩孔尺寸、篩體安裝傾角范圍、助流螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)和圓筒篩轉(zhuǎn)速范圍，借助EDEM探究了篩體內(nèi)物料運動特性及籽粒透篩特性。以“葵花363”為對象進行臺架試驗，通過單因素試驗探究了篩體安裝傾角、圓筒篩轉(zhuǎn)速及喂入量對清選效果的影響，確定了各因素優(yōu)選區(qū)間。根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以清潔率和損失率為評價指標開展正交試驗，通過綜合評分法分析得出影響圓筒篩清選效果的主次因素順序為篩體安裝傾角、圓筒篩轉(zhuǎn)速、喂入量；清選裝置較優(yōu)參數(shù)組合為喂入量0.6 kg/s，篩網(wǎng)安裝傾角3°，轉(zhuǎn)速25 r/min，清潔率為98.92%，損失率為1.97%。以優(yōu)化參數(shù)進行田間試驗，清潔率為96.53%，損失率為2.08%，較風扇振動篩的清潔率提升3.32個百分點，損失率減少4.11個百分點。研究結(jié)果可為食葵機械化收獲清選裝置的結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)化改進提供理論參考。

農(nóng)業(yè)機械；試驗；清選；食葵；圓筒篩；EDEM

0 引 言

向日葵分為油葵（油用向日葵）和食葵（食用向日葵），聯(lián)合國糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)庫顯示，自2012年始，國內(nèi)向日葵收獲面積常年穩(wěn)定在92萬hm2以上，向日葵產(chǎn)量由2012年的232.2萬t增長到2022年的265萬t。國內(nèi)向日葵種植多集中在華北、東北及西北地區(qū)，其中食葵面積約占70%[1-3]。隨著食葵種植面積的增加，機械化聯(lián)合收獲需求迫切，目前使用的食葵收獲機械中，籽粒清選損失率高、清潔率低、復雜地形工況作業(yè)適應性差是食葵機械化聯(lián)合收獲田間作業(yè)的關鍵問題。

早期向日葵收獲方式為人工采摘、脫籽后由清選機進行清選，近年來，國內(nèi)外學者在向日葵清選機械方面做了相關研究，F(xiàn)ATTAHI[4]等基于靜電分離原理設計的一種高壓輥式靜電分選機，葵花籽分選可達到較好的清雜效果。PRIPOROV[5]改進設計的MVU-1500型葵花籽風力谷物清選機，在保證低損的同時工作效率提高了20%，河北合力達谷物精選機械科技有限公司研制的5XFZ-50S型復式精選機[6]，采用風篩、比重篩、振動篩相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，可實現(xiàn)葵花籽、玉米、大豆等作物的大喂入量高精度清選。在聯(lián)合收獲方面，韓長杰等[7]設計了一種橫軸流油葵脫粒清選裝置，脫粒清選性能較好；張學軍等[8]從油葵脫出物物料特性研究出發(fā)，優(yōu)化了油葵聯(lián)合收獲機清選裝置結(jié)構(gòu)。國外向日葵種植中油葵占90%以上，多在平原地區(qū)，由大型智能系列谷物聯(lián)合收割機兼收[9-10]，其中Class Lexion 750型聯(lián)合收獲機采用4D雙層仿形篩板清選模式，配合高效率風機和自動監(jiān)測系統(tǒng)能達到較高的收獲質(zhì)量[11]；John Deere S系列配套的Dyna-Flo Plus清選系統(tǒng)附帶四排深螺旋輸送槽和兩級高效預篩板，可實現(xiàn)大濕度、高黏性物料斜坡工況作業(yè)[12]；CASE 9250采用大篩面Cross-Flow自動調(diào)平清選系統(tǒng)，可滿足12.1%斜坡度工況下油葵聯(lián)合收獲清選工序[13]。北屯金璞機械設計制造有限公司研制的牽引式食葵清選收獲機[14]，可滿足小田塊食葵簡單收獲作業(yè)需求；新疆農(nóng)墾科學院研制的一種貫流風篩式食葵清選裝置，能達到良好的清雜作業(yè)效果，但損失率較高[15]；石家莊金箭機械設備制造有限公司在玉米聯(lián)合收獲機基礎上研制的4ZK-6型食葵聯(lián)合收割機[16]采用風扇振動篩式清選裝置，田間作業(yè)側(cè)面堆積溢出較嚴重，損失率高。

綜上所述，國內(nèi)外現(xiàn)有向日葵聯(lián)合收獲機多采用風扇振動篩式清選結(jié)構(gòu)[17]，對圓筒篩式結(jié)構(gòu)向日葵清選裝置鮮有報道。國內(nèi)向日葵主要種植在新疆、內(nèi)蒙古、河北等地的鹽堿地和干旱地[10]，田間地勢多起伏不平，整機作業(yè)時由于車身傾斜易導致篩面物料堆積和測漏，清選不徹底，損失較大，該問題是制約食葵聯(lián)合收獲清選作業(yè)性能的關鍵因素。針對上述問題，本文基于食葵脫出物物料特性，在現(xiàn)有4ZK-6型葵花收割機基礎上，設計了一種適用于食葵聯(lián)合收獲的圓筒篩式清選裝置，旨在提高該機型食葵聯(lián)合收獲機的清選性能，增強整機復雜地形作業(yè)適應性，為食葵低損高效機械化聯(lián)合收獲裝備清選裝置的設計提供理論參考。

1 4ZK-6型葵花收割機結(jié)構(gòu)與工作原理

4ZK-6型葵花收獲機主要由割臺、脫粒分離裝置、傳動系統(tǒng)、籽粒清選及輸送系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。整機作業(yè)時，收割后的食葵托盤在鏈耙作用下進入脫粒分離系統(tǒng)進行脫粒，脫出物由喂入螺旋葉片喂入清選裝置，清選后的籽粒經(jīng)氣力輸送系統(tǒng)進入籽粒糧倉。整機主要技術參數(shù)見表1。

1.駕駛室 2.氣力輸送裝置 3.糧倉 4.脫粒分離裝置 5.雜余升運裝置 6.葵盤收集倉 7.籽粒輸送裝置 8.圓筒式清選裝置 9.脫出物收集室 10.鏈耙輸送裝置 11.割臺

表1 4ZK-6型食葵收獲機主要技術參數(shù)

2 圓筒清選篩結(jié)構(gòu)設計

2.1 清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2，4ZK-6型葵花收獲機清選系統(tǒng)主要由脫出物收集室、篩網(wǎng)、助流螺旋葉片、籽粒輸送裝置、籽粒儲存裝置等組成。與傳統(tǒng)風扇振動篩式清選結(jié)構(gòu)相比，圓筒式清選結(jié)構(gòu)噪聲振動小，具有較高的穩(wěn)定性與復雜工況作業(yè)適應性[18]；編織篩網(wǎng)替換原有沖孔篩網(wǎng)使篩體內(nèi)物料與篩面充分接觸，保證透篩率；底部增設籽粒輸送裝置確保篩后籽粒平穩(wěn)高效輸送。

1.篩網(wǎng) 2.助流螺旋葉片 3.脫出物收集室 4.喂入螺旋葉片 5.籽粒儲存裝置 6.籽粒輸送裝置

2.2 脫出物尺寸及粒度分析

為研究脫出物透篩特性，對其各成分進行尺寸與粒度分析。食葵脫出物主要包括食葵籽粒、破損葉柄和破損葵盤，各成分外形不規(guī)則，如圖3所示，便于分析計算，取其等體積球當量徑d表示粒度[19]：

式中dv為等體積球當量徑，mm；V為物料體積，mm3。

以在內(nèi)蒙古、河北地區(qū)廣泛種植的“葵花363”食葵品種為對象，測得脫出物各成分的平均三軸徑及等體積球當量徑如表2所示。

表2 食葵聯(lián)合收獲脫出物尺寸及粒度參數(shù)

2.3 清選篩網(wǎng)選型及尺寸參數(shù)確定

谷物清選裝置常用的清選篩主要有魚鱗篩、沖孔篩、編織篩和組合篩等[20]，食葵籽粒為矩卵形瘦果，果皮硬而厚，圓筒篩面過于光滑易導致籽粒運動幅度降低，進而影響清選效果，為保證籽粒在圓筒篩內(nèi)充分篩分運動，增大食葵籽粒與篩面接觸概率，本文選取結(jié)構(gòu)簡單、篩漏能力強的編織篩網(wǎng)。根據(jù)脫出物尺寸及粒度分析，參考JB/T 9032-2018《礦用金屬編織篩網(wǎng)》、GB/T 5330-2003《工業(yè)用金屬絲編織方孔篩網(wǎng)》，選取編織篩孔尺寸=16 mm。

1.脫出物等體積球 2.篩網(wǎng)

1.Equal volume ball of threshing mixture 2.Sieve

注：為篩孔邊長，mm；0為金屬絲直徑，mm；為篩網(wǎng)安裝傾角，（°）。

Note:is edge length of the sieve, mm;0is wire diameter, mm;is installation inclination angle of sieve, (°).

圖4 物料透篩過程分析

Fig.4 Analysis of material sieving process

物料透篩概率主要取決于顆粒橫截面與篩孔在水平面上的投影之比，通過物料粒度與篩孔尺寸之比可將物料分為“易篩粒”（比值小于3/4）“難篩?！保ū戎荡笥?/4）[21]，為減少清選損失率，圓筒篩采用前低后高的安裝形式[18]。根據(jù)圖4，篩體傾斜角度需滿足式（2）。

式中d1、d2分別為食葵籽粒、破損葉柄等體積球當量徑，mm，根據(jù)JB/T 9032-2018和GB/T 5330-2003，=5～8 mm時0=2 mm，9～11 mm時0=3 mm，=18～22 mm時0=4 mm；下標min、max分別表示對應量的最小、最大值。通過計算確定篩體安裝傾斜角為1°～11°。

2.4 圓筒篩結(jié)構(gòu)及參數(shù)確定

圓筒篩轉(zhuǎn)速直接影響物料運動，隨著轉(zhuǎn)速增加，篩內(nèi)物料存在滑落、拋落、緊貼篩面3種運動狀態(tài)，轉(zhuǎn)速過小時，物料運動幅度小，轉(zhuǎn)速過大時，物料因離心力緊貼篩面，兩種情況篩分效果均不理想。圓筒篩轉(zhuǎn)動時，與篩面緊鄰的物料先隨篩面上升至一定位置，后沿篩面下滑，在下滑過程中部分食葵籽粒會被“甩出”實現(xiàn)透篩，因此，需分析籽粒下滑與“甩出”運動來確定最低轉(zhuǎn)速。如圖5所示，建立食葵籽粒臨界位置平衡運動模型，忽略物料之間相互摩擦及螺旋葉片作用力，對籽粒兩種平衡運動狀態(tài)進行受力分析。

由“達朗伯”原理得出籽粒在滑動平衡點時有如下受力關系：

式中為編織篩對物料的摩擦系數(shù)。由式（3）可得：

籽粒在甩出平衡點的受力平衡關系為

可得：

1.篩網(wǎng) 2.食葵籽粒

1.Sieve 2.Edible sunflower seed

注：為籽粒重力，N；F為離心力，N；F為篩網(wǎng)對籽粒摩擦力，N；為篩網(wǎng)對籽粒正反力，N；為籽粒重力與離心力夾角，(°)；為圓筒篩轉(zhuǎn)速，rad·s-1。 Note:is the grain gravity, N;Fis centrifugal force, N;Fis the friction of sieve on the seed, N;is the positive and negative force of sieve against seed, N;is the angle between seed gravity and centrifugal force, (°);is the cylindrical sieve speed, rad·s-1.

圖5 籽粒運動過程中的受力平衡關系

Fig.5 Relationship of force balance in seed movement

相同轉(zhuǎn)速下物料甩出平衡角大于滑動平衡角[22]，因此可根據(jù)食葵籽?；瑒訔l件來確定圓筒篩最低臨界轉(zhuǎn)速。試驗測得適收期食葵籽?；瑒幽Σ两菫?7°，物料重力與離心力夾角通常比滑動摩擦角大5°～10°[23]，本文取min=37°，根據(jù)整機結(jié)構(gòu)尺寸并參考農(nóng)業(yè)機械設計手冊，取圓筒篩半徑=335 mm，帶入式（4）得min=1.45 rad/s，換算圓整后得圓筒篩最小轉(zhuǎn)速min= 15 r/min。

為避免食葵籽粒在圓筒篩內(nèi)因轉(zhuǎn)速過快而緊貼篩面，圓筒篩轉(zhuǎn)速需小于最大臨界速度以滿足籽粒的拋落運動，籽?？呻S篩面經(jīng)過最高點時的篩體轉(zhuǎn)速即為最大臨界轉(zhuǎn)速，在最高點時max=90°，帶入式（4）得max= 4.40 rad/s，換算圓整后得圓筒篩最大轉(zhuǎn)速max=42 r/min。

有效篩分面積與圓筒篩半徑、長度及滑動平衡角的關系可由式（1）表示[24]。

式中1為有效篩分弧長，為圓筒篩長度，為避免篩網(wǎng)堵塞，篩網(wǎng)的篩分量Q需不小于脫出物喂入量Q，即：

式中q為篩網(wǎng)單位面積篩分量，結(jié)合食葵籽粒粒度尺寸，取1.5 kg/(s·m2)[25]，根據(jù)食葵種植模式及脫粒裝置喂入量[26-27]，取Q=0.8 kg/s，計算得圓筒篩長度≥1.57 m，本文取=1.6 m。

2.5 助流螺旋葉片設計

如圖6所示，忽略顆粒間相互作用產(chǎn)生的徑向相對運動，建立傾角圓筒篩內(nèi)籽粒運動模型，將籽?？醋髋c助流螺旋葉片和篩面同時接觸的質(zhì)點，分析圖6幾何關系可得：

1.助流螺旋葉片 2.篩網(wǎng)

1.Flow-aiding spiral blades 2.Sieve

注：v為籽粒的絕對速度，m·s-1；v為籽粒的相對速度，m·s-1；v為籽粒的牽連速度，m·s-1；v為籽粒絕對速度沿軸向分速度，m·s-1；v為籽粒絕對速度沿螺旋圓周方向分速度，m·s-1；為籽粒牽連速度與絕對速度的夾角，等于摩擦角，(°)；為螺旋葉片螺旋角，(°)；為助流螺旋葉片螺距，mm；r為助流螺旋葉片曲率半徑，mm。

Note:vis the absolute velocity of seed, m·s-1; vis the relative velocity of seed, m·s-1; vis the implication speed of seed, m·s-1; vis the absolute velocity of seedalong the axial velocity, m·s-1; vis the absolute velocity of the seedis divided into velocities in the circumferential direction of the spiral, m·s-1;is the angle between seedimplication velocity and absolute velocity,which equal to friction angle(°);is helix angle of the spiral blade, (°);is the screw pitch offlow-aiding spiral blades, mm;ris radius of curvature for flow-aiding spiral blades, mm.

圖6 籽粒在助流螺旋葉片上的運動過程分析

Fig.6 Analysis of seed movement process on flow-aiding spiral blades

整理得：

由式（10）可知，籽粒在圓筒篩內(nèi)的軸向速度與助流螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)速度、螺距及物料當量摩擦角有關。為避免物料在篩面堆積，助流螺旋葉片輸送效率應不小于喂入量，取籽粒推運量為1.0 kg/s[25]，籽粒推運量與助流螺旋葉片外直徑的關系由式（11）確定。

式中=1.0 kg/s；與圓筒篩直徑相等，670 mm；為助流螺旋葉片內(nèi)直徑，mm；參考農(nóng)業(yè)機械設計手冊并結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，取=400 mm；為圓筒篩轉(zhuǎn)速，r/min；為輸送谷粒充滿系數(shù)，一般取0.3～0.4；為谷粒單位容積質(zhì)量，取346 kg/m3；為輸送器傾斜輸送系數(shù)，取0.76。

帶入數(shù)值計算并圓整后得=500 mm。為避免籽粒受過大切向力而被拋起導致無法向前輸送，助流螺旋葉片的轉(zhuǎn)速在滿足輸送能力的條件下不宜過高，助流螺旋葉片轉(zhuǎn)速0不能超過某一極限轉(zhuǎn)速1[28]。

式中為物料綜合系數(shù)，取50。

帶入數(shù)值計算得0≤65 r/min，因助流螺旋葉片固定在圓筒篩內(nèi)側(cè)隨篩體同步轉(zhuǎn)動，即0=，而圓筒篩最大轉(zhuǎn)速max=42 r/min，小于轉(zhuǎn)速極限值，故轉(zhuǎn)速符合設計要求。

2.6 仿真分析

為探究食葵脫出物在圓筒清選篩內(nèi)運動特性，采用離散單元法進行仿真分析，食葵脫出物各成分模型如圖7所示，力學特性參數(shù)及其他接觸系數(shù)[28]見表3和表4。

圖7 脫出物顆粒模型

表3 脫出物力學參數(shù)

根據(jù)上文分析，以圓筒篩轉(zhuǎn)速25 r/min、喂入量0.4 kg/s，圓筒篩安裝傾角3°為條件進行仿真分析。經(jīng)測定食葵脫出物中的主要成分質(zhì)量占比分別為籽粒68.51%、破損葉柄17.37%、破損葵盤10.69%、輕薄雜余3.43%，輕薄雜余含量少，細小且輕，可忽略不計。設置相關仿真參數(shù)，仿真模型如圖8所示。

表4 接觸系數(shù)

1.助流螺旋葉片 2.篩出雜余統(tǒng)計區(qū) 3.篩出籽粒統(tǒng)計區(qū) 4.篩網(wǎng) 5.物料

脫出物各成分軸向平均速度如圖9所示，物料在喂入口處有短暫加速，與篩面接觸后，在圓筒篩和助流螺旋葉片的作用下，物料軸向平均速度穩(wěn)定在0.1 m/s左右，滿足物料軸向流動需求[29]，助流螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)設計合理。

圖9 脫出物在圓筒篩內(nèi)的軸向平均速度

EDEM仿真試驗的籽粒透篩率由式（13）計算。

式中為籽粒透篩率，%；m為單位時間內(nèi)透篩籽粒質(zhì)量，g；m為單位時間內(nèi)生成籽粒質(zhì)量，g。

如圖10所示，1～2 s時籽粒透篩率隨圓筒篩的轉(zhuǎn)動而增加，2 s后物料在篩面和助流螺旋葉片的作用下運動狀態(tài)逐漸平穩(wěn)，籽粒單位時間透篩率在100%處上下波動，表明在單位時間內(nèi)篩面上籽粒呈減少狀態(tài)，避免了物料堆積，故16 mm×16 mm篩孔尺寸清選篩適用于“葵花363”清選。

圖10 籽粒透篩性

仿真過程中，物料軸向運動平穩(wěn)，篩面無物料堆積，仿真結(jié)束統(tǒng)計清潔率為97.81%，損失率為0.46%，表明圓筒篩式清選結(jié)構(gòu)及尺寸設計合理。

3 臺架與田間性能試驗

3.1 試驗臺整體結(jié)構(gòu)

食葵圓筒式清選裝置試驗臺主要由物料輸送裝置、助流螺旋葉片、篩網(wǎng)、三相異步電機（Y112M-4）及角度調(diào)節(jié)裝置等組成，見圖11，試驗時用到SYNTEK數(shù)字量角器（量程4×90°，分辨力0.1°，精度±0.2°）、奧豪斯MB45水分測試儀（精度0.001）、利平高精度電子天平秤（最大量程3 000 g，精度0.01 g）、HLP-A型HOLIP變頻器、TASI TA8146A轉(zhuǎn)速表（測試范圍2.5～99 999 r/min，精度±0.05%）等儀器設備。食葵脫出物由輸送裝置經(jīng)過物料為入口喂入圓筒篩內(nèi)，在助流螺旋葉片和篩網(wǎng)的作用下實現(xiàn)籽粒與雜余的分離和輸送。

1.物料輸送裝置 2.物料喂入口 3.數(shù)字量角器 4.電機 5.變頻器 6.角度調(diào)節(jié)裝置 7.雜余收集裝置 8.助流螺旋葉片 9.篩網(wǎng) 10.籽粒收集裝置 11.機架 12.試驗物料

3.2 試驗材料與方法

試驗材料為“葵花363”食葵脫出物，經(jīng)食葵聯(lián)合收獲機脫粒裝置脫粒分離后收集，脫粒裝置脫出物輸出量約1 kg/s，試驗前測得適收期脫出物中的食葵籽粒、破損葉柄、破損葵盤質(zhì)量占比分別為68%、17%、15%，含水率分別為13.59%、15.01%、16.73%。試驗開始前將指定量脫出物均勻鋪放在輸送皮帶上，調(diào)整輸送皮帶輸送、圓筒篩轉(zhuǎn)速至試驗要求，調(diào)整好圓筒篩傾斜角度，在圓筒篩下布置籽粒和雜余收集裝置，啟動控制開關完成食葵脫出物的輸送、清選、收集。

試驗結(jié)束后統(tǒng)計籽粒收集區(qū)篩下物總質(zhì)量1(g)、食葵籽粒總質(zhì)量2(g)、雜余收集區(qū)食葵籽?？傎|(zhì)量3(g)，分別計算食葵清潔率Y和損失率Y，計算式為

3.3 單因素試驗

3.3.1 圓筒篩轉(zhuǎn)速對清選效果的影響

根據(jù)上文分析，在篩網(wǎng)安裝傾角為5°，喂入量0.6 kg/s的條件下，取圓筒篩轉(zhuǎn)速15～40 r/min范圍內(nèi)6個水平進行單因素試驗，如圖12。損失率呈先降低后升高趨勢，清潔率則先上升后下降。隨著轉(zhuǎn)速增大，篩內(nèi)物料運動幅度增大，清選效果逐漸明顯，損失率減小清潔率增大，在轉(zhuǎn)速30 r/min時清潔率達到最高，為97.95%，此時損失率最低，為1.1%。在35～40 r/min范圍內(nèi)，部分籽粒未經(jīng)透篩便在助流螺旋葉片作用下推運至篩體尾端，損失率增加，轉(zhuǎn)速較大時，助流螺旋葉片對雜余推運作用時間減少，部分雜余滯留在篩體內(nèi)做連續(xù)拋落運動，導致其透篩概率增大，清潔率降低。

圖12 圓筒篩轉(zhuǎn)速對清選性能的影響

3.3.2 圓筒篩安裝傾角對清選效果的影響

固定圓筒篩轉(zhuǎn)速30 r/min，喂入量為0.6 kg/s，圓筒篩安裝傾角范圍為1°～11°進行單因素試驗，結(jié)果如圖 13所示。隨著清選篩安裝傾角的增大，清潔率與損失率皆呈現(xiàn)降低趨勢。清潔率在1°～5°之間遞減，超過5°時部分雜余與篩面接觸時間增加，透篩概率增大，清潔率下降趨勢明顯。在1°～3°時損失率變化平緩，隨著傾角增大損失率下降趨勢逐漸明顯。傾角越小清潔率越高，但相應損失率也越大，為保證清選質(zhì)量，確定損失率和清潔率變化較平緩的1°～5°為優(yōu)選區(qū)間。

圖13 圓筒篩安裝傾角對清選性能的影響

3.3.3 喂入量對清選效果的影響

固定圓筒篩轉(zhuǎn)速30 r/min，圓筒篩安裝傾角3°，取喂入量0.2～1.2 kg/s進行單因素試驗，結(jié)果如圖14所示。隨著喂入量的增加，清潔率呈現(xiàn)升高趨勢，在0.8～1.0 kg/s之間趨于平穩(wěn)，后緩慢遞增。當喂入量小于0.8 kg/s時，損失率平穩(wěn)遞增，超過0.8 kg/s時，圓筒篩面出現(xiàn)籽粒堆積，損失率明顯增大，于1.0 kg/s達到最大值5.51%。經(jīng)上述分析，喂入量優(yōu)選區(qū)間為0.4～0.8 kg/s。

圖14 喂入量對清選性能的影響

3.4 正交試驗

以圓筒篩轉(zhuǎn)速、篩體安裝傾角、喂入量為試驗因素，以清潔率Y和損失率Y為評價指標，開展三因素三水平正交試驗，根據(jù)單因素試驗結(jié)果，圓筒篩轉(zhuǎn)速25～35 r/min、篩體安裝傾角1°～5°、物料喂入量0.4～0.8 kg/s為較優(yōu)區(qū)間，因素水平見表5。

表5 因素水平表

試驗方案及結(jié)果見表6，試驗結(jié)果表明，不同參數(shù)條件下，食葵圓筒式清選裝置的清潔率均在95%以上，損失率均在4%以內(nèi)。

表6 正交試驗方案及結(jié)果

注：、、為、、的水平值。

Note:,,is the level value of,,.

經(jīng)極差分析（表7），各試驗因素對清潔率影響主次順序依次是圓筒篩轉(zhuǎn)速、篩體安裝傾角、喂入量，較優(yōu)參數(shù)值組合為圓筒篩轉(zhuǎn)速30 r/min、安裝傾角3°、喂入量0.4 kg/s；各試驗因素對損失率的影響主次順序依次是喂入量、篩體安裝傾角、圓筒篩轉(zhuǎn)速，較優(yōu)參數(shù)值組合為圓筒篩轉(zhuǎn)速35 r/min、安裝傾角5°、喂入量0.6 kg/s。

表7 試驗結(jié)果極差分析

經(jīng)方差分析（表8），食葵圓筒篩式清選裝置轉(zhuǎn)速對裝置清潔率和損失率影響均極顯著（<0.01）；圓筒篩安裝傾角對裝置清潔率影響極顯著，對裝置損失率影響顯著（<0.05）；喂入量對裝置清潔率和損失率影響均顯著。

表8 試驗結(jié)果方差分析

為得出各試驗因素對裝置清潔率和損失率的綜合影響，根據(jù)各指標的重要程度，采用綜合評分法對試驗結(jié)果進行加權分析，指標隸屬度計算式為

式中為指標隸屬度，為指標值，min為指標最小值，max為指標最大值。

實際生產(chǎn)中需優(yōu)先保證食葵籽粒低損失率，其次保證其高清潔率，擬定清潔率加權因子為0.4，損失率加權因子為0.6，以加權后的綜合分數(shù)作為評價指標，綜合分數(shù)計算式為

=0.41–0.62（17）

式中為綜合評分，1為清潔率隸屬度，2為損失率隸屬度。

表9 綜合分數(shù)分析結(jié)果

綜合分數(shù)極差分析（表10）表明：最優(yōu)參數(shù)組合為圓筒篩轉(zhuǎn)速25 r/min，篩體安裝傾角3°，喂入量0.6 kg/s，影響食葵圓筒篩式清選裝置清選效果的因素主次順序為篩體安裝傾角、圓筒篩轉(zhuǎn)速、喂入量。以優(yōu)選參數(shù)組進行臺架驗證試驗，試驗3次取平均值，得出食葵圓筒篩式清選裝置的清潔率為98.92%，損失率為1.97%。

表10 綜合分數(shù)極差分析

3.5 田間試驗

根據(jù)上述分析試制圓筒式清選裝置樣機，將其配套在4ZK-6型葵花收獲機上。2022年10月底于內(nèi)蒙古自治區(qū)武川縣開展田間試驗，試驗對象為適收期“葵花363”品種，種植模式為800 mm+400 mm寬窄行，株距500 mm，測試區(qū)食葵長勢均勻，地面無障礙物，葵盤平均直徑260 mm，食葵籽粒、莖稈、葵盤含水率分別為22.76%、21.83%、30.6%，食葵籽粒千粒質(zhì)量為155.8 g。

為驗證圓筒篩式清選裝置在復雜工況下的作業(yè)性能及適應能力，根據(jù)GB /T 8097-2008《收獲機械聯(lián)合收割機試驗方法》、DG/T 182-2019《自走式葵花籽收獲機》，選定寬20 m滿割幅陡坡地勢作業(yè)區(qū)，地面坡度10%～18%，在每個作業(yè)區(qū)各往返1個行程，共6個行程，每個行程測試1次，取平均值。4ZK-6型葵花收獲機作業(yè)幅寬3 100 mm，前進速度為3.2～3.8 km/h，試驗現(xiàn)場如圖15所示。

圖15 田間試驗

每個行程結(jié)束后收集、稱量籽粒糧倉內(nèi)食葵籽粒和撥板式輸送裝置及氣力輸送裝置管道內(nèi)殘留籽粒，并在割后測試區(qū)域內(nèi)收集、稱量散落的食葵籽粒，按照式（18）計算損失率。

式中S為籽粒損失率，%；W為測試區(qū)落地籽粒質(zhì)量，g；W（g）為籽?？傎|(zhì)量，W=W+W+W+W，其中W為糧倉內(nèi)籽粒質(zhì)量，g；W為撥板輸送裝置殘留籽粒質(zhì)量，g；W為氣力輸送管道內(nèi)殘留籽粒質(zhì)量，g。

每個行程結(jié)束后從籽粒糧倉中取籽粒樣品3份，每份樣品質(zhì)量不少于1 000 g，用四分法將每份樣品分成4份小樣，每份樣品取1份小樣分別稱出樣品質(zhì)量和雜余（包括破損葉柄，破損葵盤）質(zhì)量，按式（19）計算清潔率。

式中Z為籽粒清潔率，%；W為小樣中雜余質(zhì)量，g；W為小樣總質(zhì)量，g。

收獲效果見圖16，試驗結(jié)果見表11和表12，測得圓筒式清選裝置作業(yè)清潔率平均值為96.53%，損失率平均值為2.08%，較風扇振動篩的清潔率提升3.32個百分點，損失率減少4.11個百分點。圓筒篩式清選裝置作業(yè)性能穩(wěn)定，適用于復雜地形工況作業(yè)。

圖16 收獲效果圖

表11 田間試驗結(jié)果

表12 清選結(jié)果對比

4 結(jié) 論

1）設計了一種圓筒篩式清選裝置，通過理論分析得出，適用于“葵花363”清選篩孔尺寸為16 mm×16 mm，內(nèi)置助流螺旋葉片結(jié)構(gòu)尺寸為外徑670 mm，內(nèi)徑500 mm，螺距400 mm；基于EDEM仿真驗證了裝置可行性。

2）臺架試驗綜合評分結(jié)果表明：影響圓筒篩式清選裝置清選效果的主次因素順序為篩網(wǎng)安裝傾角、圓筒篩轉(zhuǎn)速、喂入量；最佳工作參數(shù)組合為喂入量0.6 kg/s，篩網(wǎng)安裝傾角3°，轉(zhuǎn)速25 r/min，最優(yōu)工作參數(shù)下清潔率為98.92%，損失率為1.97%。田間試驗表明圓筒篩式清選裝置整機作業(yè)清潔率為96.53%，損失率為2.08%，作業(yè)性能滿足相關行業(yè)標準要求，具有一定實用價值。

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Structural optimization and experiments of cylinder cleaning sieve for the edible sunflower combine harvester

ZONG Wangyuan1,2, WEI Xinxin1, MA Lina1,2, LIAN Guodang1, ZHOU Guohui3

(1.,,430070,; 2.,,430070,; 3..,.,052160,)

A sunflower seed is one of the most important cash crops in oil, food, and feeding. The area of edible sunflower cultivation has steadily increased in China in recent years. It is an urgent need for mechanized and combined harvesting. However, the conventional machinery of edible sunflower harvesting cannot fully meet the large-scale production, due to the low seed selection and adaptability in fields. Among them, the fan-shaker structure is adopted for the current cleaning device in the 4ZK-6 type combined harvester of edible sunflower. It is a high demand to develop a new device suitable for steep slope, where edible sunflower is widely grown. In this study, a cylinder sieve device was designed for the combined harvesting operation under the complex terrain, according to the threshing mixture characteristics of edible sunflower. The size of the sieve aperture was set as 16 mm using the average three-axis diameter and particle size of the edible sunflower seed, broken petiole, and broken sunflower plate in the threshing mixture. The range of the inclination angle was obtained to clarify the effect of the inclination angle of the sieve on the performance of the seed sieve using the size of the stripped material particle. The kinematics analysis of edible sunflower seed was combined with the actual production needs. The structure size of built-in flow-aided spiral blades was determined as follows: the outer and inner diameters were 670, and 500 mm, respectively, while the pitch was 400 mm. A dynamic analysis was performed on the sliding and throwing out of edible sunflower seed on the cylinder sieve surface. The range of velocity was then determined in the cylinder sieve. Software EDEM was selected to determine the axial motion velocity of materials in the cylindrical sieve with the sifting time, and the sifting characteristics of edible sunflower seeds with the size of the selected sifting hole. The single-factor test was carried out to clarify the influence of the inclination angle, the rotational velocity of the cylinder sieve, and the feeding amount on the seed clean rate and loss rate. The threshing mixture of "Sunflower 363" was selected as the research object in Hebei Province and Inner Mongolia Autonomous Regions, China. The optimal intervals of working parameters were determined for each factor. The orthogonal test was carried out using cleaning rate and loss rate as evaluation indexes under SPSS software. Variance analysis showed that the rotational speed and feeding amount of the cylinder sieve posed a significant effect on the clean ratio and loss ratio, whereas, the inclination angle of cylinder sieve installation had a significant effect on the clean ratio, but some effect on the loss ratio. The comprehensive scoring demonstrated that the order of the primary and secondary factors on the cylinder sieve selection was ranked as inclination, the speed of the cylinder sieve, and feeding amount. The optimal working parameters of the cleaning device were achieved in the feeding amount of 0.6 kg/s, the sieve installation inclination of 3°, and the speed of 25 r/min. The bench test indicated that the clean and loss ratios were 98.92% and 1.97%, respectively under the optimal combination. A field test was carried out in Wuchuan County, Inner Mongolia Autonomous Region, China. The test subject was chosen as the "sunflower 363" with the 800 mm+400 mm wide and narrow planting mode, where the plant spacing was 500 mm. Three 20-metre slopes were selected in the steeply sloping areas, in order to verify the performance and adaptability of the cylindrical sieve cleaning device in complex working conditions. Specifically, the clean and loss rates were 96.53%, and 2.08%, respectively, indicating the stable operating performance of the cylinder sieve device. The clean rate of the whole machine was 3.32 percentage points higher than the original fan-shaker cleaning structure, while the loss rate was reduced by 4.11 percentage points. The cylinder sieve device can be expected to effectively improve the performance of edible sunflower combine harvester in complex terrain. This finding can provide the theoretical reference for the structural optimization of edible sunflower harvesting equipment.

agricultural machinery; experiment; cleaning; edible sunflower; cylinder sieve; EDEM

10.11975/j.issn.1002-6819.202301080

S225.1

A

1002-6819(2023)-06-0044-10

宗望遠，魏鑫鑫，馬麗娜，等. 食葵聯(lián)合收獲機圓筒清選篩結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2023，39(6)：44-53.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202301080 http://www.tcsae.org

ZONG Wangyuan, WEI Xinxin, MA Lina, et al. Structural optimization and experiments of cylinder cleaning sieve for the edible sunflower combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 44-53. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202301080 http://www.tcsae.org

2023-01-16

2023-03-05

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0702104）

宗望遠，博士，教授，博士生導師，研究方向為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設計與測控。Email：zwy@mail.hzau.edu,cn