張紫恒 陶桂香 衣淑娟 王幃 岳晴 李睿

摘要：針對(duì)谷子清選機(jī)械清選小籽粒效率困難、清選率低，現(xiàn)有的谷子清選裝置采用手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格、不同作物的不同篩分速度、操作復(fù)雜，不易調(diào)整到理想的速度和長(zhǎng)度等問題，設(shè)計(jì)一種谷子風(fēng)篩式清選裝置及風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)清選裝置關(guān)鍵部件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，建立清選機(jī)三維模型。對(duì)風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)篩式清選裝置的風(fēng)量風(fēng)速的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以通過參數(shù)精確調(diào)整使風(fēng)機(jī)的風(fēng)速達(dá)到裝置清選的最優(yōu)效果。為獲得最佳的清選裝置性能參數(shù)，以曲柄轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，以籽粒含雜率、清選損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行二因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。確定最佳參數(shù)組合：當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速為225r/min、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為915r/min時(shí)，籽粒含雜率為2.42%，清選損失率為2.77%。對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞：谷子；風(fēng)篩式清選裝置；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S226.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 06-0119-09

收稿日期：2022年10月25日

修回日期：2022年12月21日

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52275246）；黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202110223031）

第一作者：張紫恒，男，1999年生，哈爾濱人，碩士研究生；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化收獲裝備。E-mail： 597409715@qq.com

通訊作者：陶桂香，女，1976年生，山東單縣人，博士，教授；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化收獲裝備。E-mail： tgx1996@163.com

Design and experimental of a wind sieve type cleaning device for cereals

Zhang Ziheng¹， Tao Guixiang¹， Yi Shujuan¹， Wang Wei¹， Yue Qing¹， Li Rui²

（1. College of Engineering， Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， 163319， China；

2. College of Mechanical and Vehicle Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan， 030002， China）

Abstract： Aiming at the problems such as difficult efficiency and low cleaning rate of small grain cleaning， manual operation of the existing grain cleaning device to achieve different sizes， different crops of different screening speed， complicated operation， not easy to adjust to the ideal speed and length， a grain air sieve cleaning device and air volume and wind speed monitoring system were designed. The parameters of the key components of the cleaning device were designed and calculated， and the three-dimensional model of the cleaning machine was established. The air volume and wind speed monitoring system was designed to realize the remote monitoring of the air volume and wind speed of the air screen cleaning device， and the optimal effect of the wind speed of the fan could be achieved through the accurate adjustment of parameters. In order to obtain the best performance parameters of the cleaning device， with the cranking speed and fan speed as test factors， and grain impurity content and cleaning loss rate as evaluation indicators， a two-factor， five-level quadratic orthogonal rotational combination test was carried out to determine the best parameter combination. When the crank speed was 225 r/min and the fan speed was 915 r/min， the grain impurity content was just 2.42% and the cleaning loss rate was 2.77%. The verification experiment was carried out on the optimization results， and the verification results were basically consistent with the optimization results.

Keywords： millet； wind sieve type cleaning device； monitoring system； structural design

0 引言

谷子是中國(guó)特有的雜糧作物，在中國(guó)分布極其廣泛，種植區(qū)域遍及全國(guó)。近年來，谷子種植面積不斷增加，谷子產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)了良好的發(fā)展勢(shì)頭，但谷子機(jī)械化收獲程度較低，一直是制約谷子生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸。清選是谷子收獲的重要環(huán)節(jié)，清選系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及谷子初脫后的物料特性均對(duì)清選損失率、含雜率有重要影響，已有文獻(xiàn)對(duì)谷子的機(jī)械物理性能和空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究^[1-3]。其中谷子清選是小籽粒清選的難題之一，谷子籽粒的清選因其直徑小、籽粒含雜率及損失率偏高、凈度低、清選困難等問題一直困擾著谷子收獲行業(yè)。

近年來，科研人員針對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置開展了大量研究^[4]。這些研究主要包括清選裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化^[5]、清選機(jī)理分析^[6]及清選裝置工作參數(shù)優(yōu)化^[7]等方面。目前，在歐洲和美國(guó)的發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)谷物等小規(guī)模谷物處理設(shè)施的研究早就開始了，比如阿里斯·查莫斯在傳統(tǒng)清選裝置上采取高速?gòu)?qiáng)制喂入清選混合物的手段并加大了清選裝置的風(fēng)量^[8]，F(xiàn)arran等^[9]研究了空氣速度、進(jìn)料率以及進(jìn)料方向?qū)任锴暹x的影響。然而，由于小谷物的種植面積低于人口對(duì)谷物、風(fēng)扇和篩的需求，發(fā)展速度放慢了，缺少對(duì)谷子清選更多相關(guān)的報(bào)道。國(guó)內(nèi)關(guān)于谷子清選裝置的研究極少，但也有寥寥研究成果，如李心平^[10]、孟亞娟^[11]等發(fā)明并驗(yàn)證了一種新的谷子清選裝置，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種通過人為調(diào)節(jié)其主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速以及壓緊位置先分離谷碼后清選的新型谷子清選裝置（輥搓風(fēng)機(jī)圓筒篩式谷子清選裝置），調(diào)節(jié)對(duì)谷碼的擠壓力達(dá)到最佳分離谷碼效果，但該清選裝置清選過程中需要人為操作跟進(jìn)，對(duì)操作者要求高，沒有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能夠精確把控清選效果，不能夠達(dá)到全自動(dòng)清選的效果。在同為小籽粒的清選機(jī)器研究中，馬宗雨等^[12]設(shè)計(jì)優(yōu)化了一種羊草種子脫出物料風(fēng)篩清選裝置，在谷子清選機(jī)的基礎(chǔ)上，根據(jù)羊草種子的特性對(duì)整臺(tái)機(jī)器的參數(shù)重新設(shè)計(jì)優(yōu)化，但優(yōu)化后的裝置不再適合谷子清選；張學(xué)軍等^[13]設(shè)計(jì)優(yōu)化了一種油葵聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置脫出物料風(fēng)篩清選裝置，在谷子清選機(jī)的基礎(chǔ)上根據(jù)油葵脫出物物料特性對(duì)整臺(tái)機(jī)器的參數(shù)重新設(shè)計(jì)優(yōu)化，優(yōu)化后的裝置也不再適合谷子清選。

針對(duì)以上問題，本研究設(shè)計(jì)一種谷子風(fēng)篩式清選裝置及風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過風(fēng)機(jī)與振動(dòng)篩的配合分離籽粒與雜余，通過二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，確定組合谷子清選裝置最優(yōu)參數(shù)組合，解決清選谷子效率低的問題。風(fēng)量風(fēng)速系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄風(fēng)機(jī)的風(fēng)量風(fēng)速，便于在清選過程中進(jìn)行調(diào)整以及記錄數(shù)據(jù)，為谷子清選裝置的優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 清選裝置的構(gòu)成

谷子風(fēng)篩式清選裝置主要包括橫流風(fēng)機(jī)、抖動(dòng)版、上分風(fēng)板、下分風(fēng)板、籽粒絞龍、振動(dòng)上篩、振動(dòng)下篩、雜余絞龍、復(fù)脫絞龍以及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。振動(dòng)篩傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要依靠振動(dòng)篩鏈輪與鏈條外嚙合實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，鏈條另一端是與電機(jī)相連的同心輪，通過電機(jī)傳動(dòng)提供動(dòng)力，與鏈輪相連的另一端是偏心裝置，在鏈傳動(dòng)以及偏心輪共同作用下實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且振動(dòng)篩電機(jī)通過變頻器控制可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中風(fēng)機(jī)部分使用橫流風(fēng)機(jī)，將分風(fēng)板安置在出風(fēng)口處，將風(fēng)流一分為三，構(gòu)成了三個(gè)風(fēng)道。振動(dòng)篩是雙層篩結(jié)構(gòu)形式，上下篩均為編織篩。橫流風(fēng)機(jī)與振動(dòng)篩在工作過程中共同搭配運(yùn)作，橫流風(fēng)機(jī)上出風(fēng)口的氣流在振動(dòng)篩前端導(dǎo)風(fēng)板的作用下被吹到振動(dòng)篩抖動(dòng)版和篩網(wǎng)之間，中、下出風(fēng)口的氣流分別被吹到振動(dòng)篩的中部和尾部^[14]。

1.2 清選裝置工作原理

橫流風(fēng)機(jī)與振動(dòng)篩彼此配合，風(fēng)機(jī)上出風(fēng)口較大的風(fēng)力在篩面入口處將物料吹散，將其中的輕雜余吹向后方或機(jī)外。而中出風(fēng)口的氣流吹向篩子中部，編織篩能夠確保中部篩面上方保留穩(wěn)定氣流。下出風(fēng)口的氣流吹向清選裝置尾部的雜余絞龍，該部分風(fēng)速會(huì)有一定程度的突然增大并最終在出口處衰減到較低的風(fēng)速。

脫下物料先落入振動(dòng)篩抖動(dòng)板與編織篩面之間，從脫出物物料分布特征來看，絕大部分物料落入抖動(dòng)板，更小部分直接落入篩面。抖動(dòng)板使物料勻速鋪平，同時(shí)把物料往后推，物料下落至上篩面前，通過風(fēng)機(jī)上風(fēng)道的氣流作用，漂浮性能強(qiáng)的雜余被吹散，起到預(yù)清選的作用。其余的物料下落到振動(dòng)上篩篩面上，靠振動(dòng)的篩片不斷向后推送并分散分層。這部分物料在振動(dòng)篩的中后段會(huì)受到橫流風(fēng)機(jī)中下兩個(gè)出風(fēng)口氣流的作用，一方面物料會(huì)進(jìn)一步分層以提高清選效率。直接從脫粒裝置落在篩面上的脫出物也經(jīng)歷同樣過程。物料落在上篩篩面之后，顆粒落入篩片間隙內(nèi)并通過編織篩掉入籽粒水平絞龍內(nèi)，籽粒水平絞龍與籽粒豎直絞龍的配合將直接把籽粒送入糧箱。少部分未吹離機(jī)外之雜余及連帶籽粒之莖稈落于雜余水平絞龍內(nèi)，雜余水平絞龍及雜余豎直絞龍輸送此部分材料返回清選裝置二次脫粒清選以降低籽粒含雜率。

2 關(guān)鍵部件

2.1 篩網(wǎng)設(shè)計(jì)

谷子清選試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，谷子第一次清選時(shí)物料處在進(jìn)料口的位置上，在摩擦力以及重力的作用下，均勻滑落到篩網(wǎng)裝置中，首先被壓緊輥搓的作用搓擦，搓擦力和擠壓力以及其本身重力使剩余谷碼分離成籽粒與穎殼兩個(gè)部分；將輥搓過的料分層次均勻地拋揚(yáng)到篩面上；上層篩面呈12mm×12mm；下層篩面呈6mm×6mm，谷子輥搓過料經(jīng)過不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)拋揚(yáng)而分離；根據(jù)谷子的空氣動(dòng)力學(xué)特性，因?yàn)楣茸幼蚜：推渌s余相比質(zhì)量不同，所以可以進(jìn)行清選，振動(dòng)上篩結(jié)構(gòu)如圖2所示，振動(dòng)下篩如圖3所示。

該系統(tǒng)采用皮托管風(fēng)速傳感器測(cè)量風(fēng)機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)^[15]。采用試驗(yàn)辦法直接測(cè)量氣流速度不容易獲得確切數(shù)字，而氣流中的壓力可用測(cè)壓計(jì)測(cè)得，先用于測(cè)量飛機(jī)速度，但也兼有其他許多功用。因此，壓力可通過皮托管測(cè)得，再用伯努利定理公式推算氣流速度。內(nèi)套管內(nèi)裝有一個(gè)與外管同軸安裝在一起的測(cè)流裝置，其內(nèi)部裝一根空心直管，管中設(shè)有壓力傳感器，通過導(dǎo)線接到計(jì)算機(jī)上。皮托管是圓頭雙層套管，外套管的口徑為18mm^[16]，圓頭中心有與內(nèi)套管及測(cè)壓計(jì)相連的總壓孔，其孔徑為6～12mm。外套管一側(cè)在距圓頭中心約100mm的位置上沿周向均勻地開設(shè)靜壓孔，靜壓孔與測(cè)壓計(jì)相連通，將皮托管放置在待測(cè)氣流中，使管軸與氣流的走向一致，管子前端正對(duì)氣流。流在圓頭中心附近時(shí)，速度逐漸降低，流到圓頭中心時(shí)滯止等于零。因此，在圓頭中心測(cè)得總壓p_φ。因?yàn)楣茏虞^細(xì)，C點(diǎn)完全遠(yuǎn)離圓頭中心，所以C點(diǎn)的速度與壓力已基本回到氣流速度V等于壓力的值，所以C點(diǎn)所測(cè)靜壓p_∞較大。根據(jù)伯努利定理得到流速的計(jì)算如式（1）所示。

V_∞=2（p_φ－p_∞）ρ（1）

式中： p_φ——測(cè)得的總壓，Pa；

p_∞——測(cè)得的靜壓，Pa。

壓力監(jiān)測(cè)裝置所測(cè)總壓與靜壓之差p_φ-p_∞以及流體之密度ρ均可根據(jù)式（1）求得氣流流速?？梢酝ㄟ^風(fēng)速V算出風(fēng)量L的大小，計(jì)算如式（2）所示。

L=F×V×60（2）

式中： F——風(fēng)口的橫截面積，m²。

在試驗(yàn)中需要對(duì)氣體的靜壓、動(dòng)壓、全壓等進(jìn)行測(cè)量。用標(biāo)準(zhǔn)管代替標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行測(cè)試是最經(jīng)濟(jì)可行的方法。測(cè)量氣體的全壓，孔口應(yīng)與風(fēng)道中氣流的流向相反，測(cè)靜壓的孔口應(yīng)豎直。

因此必須采用合適的測(cè)試設(shè)備及正確的測(cè)試方法。在測(cè)量全壓和靜壓的過程中，另一頭要和大氣連通。因?yàn)槿珘菏莿?dòng)壓和靜壓之和，所以可只測(cè)其中2個(gè)數(shù)值，而另外1個(gè)數(shù)值可由公式求得。測(cè)量風(fēng)壓采用的是法蘭式探頭，其特征在于：兩相似金屬管平行排列，所測(cè)的兩開口方向相背，在測(cè)定中，朝向氣流開口測(cè)得的數(shù)值為全壓，而背向氣流開口則等于靜壓。由于測(cè)量有誤差，所以法蘭式皮托管需要經(jīng)過修正后才能投入使用，法蘭式皮托管動(dòng)壓修正系數(shù)通常介于0.82～0.85之間。

2.2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

篩分過程：在清選試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行的過程中，谷子的大量顆粒大小和形狀存在差異，粗、細(xì)料經(jīng)混合破碎后由篩面入篩，僅有部分籽粒接觸篩面，與篩面相接觸的其他顆粒，并不都比篩孔小，但比篩孔小的顆粒占很大比例，分散于篩層各處^[17]，上下有兩個(gè)軸體，各軸具有偏心重量并反向轉(zhuǎn)動(dòng)。這種特殊結(jié)構(gòu)可以用來篩分不同顆粒大小和形狀的物料。目前在國(guó)外已有許多廠家生產(chǎn)這類機(jī)器。這種設(shè)備可分為單軸及多軸兩種型式。雙軸振動(dòng)篩是由齒輪嚙合保證同步的，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 橫流風(fēng)機(jī)

橫流風(fēng)機(jī)亦稱貫流風(fēng)機(jī)，其葉輪呈現(xiàn)為多葉式，長(zhǎng)圓形并帶有前部多翼形的葉片。參數(shù)如表1所示。其優(yōu)點(diǎn)如下：阻力小，噪聲低；風(fēng)量大，揚(yáng)程高；效率高；重量輕，體積小。葉輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中氣流由葉輪開放部流入葉片欄、通過葉輪的內(nèi)部，從反側(cè)的葉片欄排出到蝸殼，形成工作氣流^[18]。

3 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與參數(shù)監(jiān)測(cè)

3.1 風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

參數(shù)監(jiān)測(cè)首先是對(duì)風(fēng)機(jī)各種參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。利用各種傳感技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)是非常必要的。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行中，通過檢測(cè)風(fēng)速風(fēng)量判斷其工作狀況，進(jìn)而達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)控的目的。風(fēng)機(jī)振動(dòng)速度，流量及負(fù)壓通過傳感器監(jiān)測(cè)獲得，傳感器參數(shù)信息持續(xù)傳遞給上位機(jī)。系統(tǒng)的主要功能有：（1）完成風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上傳^[19]。（2）對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)參數(shù)：負(fù)壓，流量，全（靜）壓，全（靜）壓效率，溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。（3）所有監(jiān)測(cè)參數(shù)均通過通信線路傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)上位機(jī)^[20]。

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為集中管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由上位機(jī)軟件，下位機(jī)硬件組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制。介紹了該監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理及軟硬件設(shè)計(jì)方法。通過性能試驗(yàn)表明：系統(tǒng)穩(wěn)定、監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)便。實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)各變量參數(shù)，風(fēng)機(jī)各氣動(dòng)參數(shù)：負(fù)壓，流量，完全（靜態(tài)）壓力，全（靜）壓和溫度等進(jìn)行測(cè)量^[21]。

3.3 風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

環(huán)境溫度：0～50℃；工作電壓：220V；風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)精度：壓力0.5級(jí)、流量2.5級(jí)、其他1.5級(jí)監(jiān)測(cè)。參數(shù)范圍：按具體情況確定。

3.4 風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓的監(jiān)測(cè)和計(jì)算

風(fēng)機(jī)的氣體流量是分析風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的最主要參數(shù)之一，是繪制橫流風(fēng)機(jī)三種特性曲線的前提，所以對(duì)橫流風(fēng)機(jī)的氣體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是非常必要的，在風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，氣體流量的監(jiān)測(cè)是根據(jù)氣體流經(jīng)微壓力傳感器時(shí)所構(gòu)成的壓力計(jì)算取得。皮托管原理如圖5所示。

4 風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)組成和特點(diǎn)

該系統(tǒng)由信號(hào)測(cè)取裝置與傳感（變送）器，上位機(jī)等裝置組成。圖6為風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件組成。

風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要特點(diǎn)：（1）采用先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化程度高、功能完善：用圖形界面展示工風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況、圖片豐富真實(shí)、直觀形象。（2）流量監(jiān)測(cè)措施具有穩(wěn)定性、實(shí)用性、新穎性、準(zhǔn)確性、可靠性等特點(diǎn)。（3）選用可靠性高、精度要求高的傳感（變送）器。（4）軟件設(shè)計(jì)安全性高。（5）操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便^[22]。

4.2 風(fēng)機(jī)參數(shù)監(jiān)測(cè)硬件

該系統(tǒng)以PLC傳感器配以各種外圍設(shè)備組成，在組態(tài)王軟件的控制下，完成數(shù)據(jù)的采集、分析等任務(wù)，以圖表等多種樣式顯示在顯示屏上，并傳輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)^[22]，如圖7所示。

4.3 風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

本裝置是由10個(gè)法蘭式探頭由皮托管連接至傳感器，再由傳感器將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)從而達(dá)到監(jiān)測(cè)顯示數(shù)據(jù)目的。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖8所示。

5 風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的是組態(tài)王（KingView）軟件，應(yīng)用組態(tài)王構(gòu)建風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)外圍硬件，進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓等指標(biāo)數(shù)據(jù)的收集、分析與統(tǒng)計(jì)，完成風(fēng)機(jī)工作過程監(jiān)測(cè)，將風(fēng)機(jī)清選流程實(shí)現(xiàn)圖形化操作。實(shí)時(shí)顯示流量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。

風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過法蘭式探頭及傳感器采集風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)量等參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢與監(jiān)控。系統(tǒng)通過RS485、RJ45通信方式把監(jiān)測(cè)站、上位機(jī)、其他測(cè)控裝置連接，把現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制連接起來，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)－遠(yuǎn)程雙控。系統(tǒng)應(yīng)用組態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布控件進(jìn)行Web發(fā)布，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的子菜單有趨勢(shì)曲線、棒圖和數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)以三種不同形式表達(dá)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，管理者可以直觀地進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，輕松獲得統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果，風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)風(fēng)的參數(shù)進(jìn)行分析完成風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)速等指標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線和追溯性查詢、分析、統(tǒng)計(jì)操作。事件日志的子菜單有日志、月日志、年日志，方便查尋和統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)。

6 風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

將所設(shè)計(jì)的風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)收獲實(shí)驗(yàn)室谷子清選試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，將風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在谷子清選試驗(yàn)臺(tái)上，同時(shí)準(zhǔn)備一臺(tái)手持風(fēng)速測(cè)量?jī)xGM8908，用兩臺(tái)測(cè)量設(shè)備同時(shí)在同一部位對(duì)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比二者數(shù)據(jù)進(jìn)行比較監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。試驗(yàn)設(shè)備如圖9所示。

6.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本試驗(yàn)以橫流風(fēng)機(jī)風(fēng)速作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究。采用風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及手持風(fēng)速測(cè)量?jī)xGM8908測(cè)量數(shù)據(jù)。

6.3 對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精確，同時(shí)準(zhǔn)備一臺(tái)手持風(fēng)速測(cè)量?jī)xGM8908，用兩臺(tái)測(cè)量設(shè)備同時(shí)在同一部位對(duì)風(fēng)量進(jìn)行測(cè)量，在風(fēng)機(jī)風(fēng)量為10m³/h、50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h、400m³/h、500m³/h、600m³/h時(shí)，進(jìn)行對(duì)比測(cè)量試驗(yàn)。結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，風(fēng)速設(shè)置較小時(shí)，風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)精度不同于手持風(fēng)速測(cè)量?jī)xGM8908，而在風(fēng)機(jī)風(fēng)量達(dá)500m³/h時(shí)，風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量值與GM8908相比無明顯差異。表明風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)可以精確完成風(fēng)篩式谷子清選裝置數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)的儀器設(shè)備。

7 谷子風(fēng)篩式清選裝置性能試驗(yàn)

7.1 試驗(yàn)方法

通過樣機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)的谷子風(fēng)篩式分選裝置進(jìn)行臺(tái)架性能試驗(yàn)，選用龍谷27號(hào)谷穗作為試驗(yàn)對(duì)象，在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)收獲實(shí)驗(yàn)室谷子風(fēng)篩式清選試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)。 裝置主要由振動(dòng)篩、橫流風(fēng)機(jī)、復(fù)脫絞龍、風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成。設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在700～1100r/min作為試驗(yàn)區(qū)間。在試驗(yàn)中測(cè)量風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及曲柄轉(zhuǎn)速，盡量使喂入量均等；收集試驗(yàn)區(qū)內(nèi)籽粒及未脫凈的谷碼；計(jì)算籽粒含雜率和清選損失率。

7.2 試驗(yàn)依據(jù)

參照TNJ 1213—2020 《谷子聯(lián)合收獲機(jī)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)》^[24]，將籽粒含雜率、清選損失率作為試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

籽粒含雜率

y₁=v₁V₀×100%（3）

清選損失率

y₂=v₂－（V₀－v₁）v₂×100%（4）

式中： v₁——清選作業(yè)完成后籽粒輸出絞龍內(nèi)所含雜余質(zhì)量，kg；

V₀——清選作業(yè)完成后籽粒輸出絞龍內(nèi)所接樣品總質(zhì)量，kg；

v₂——臺(tái)架作業(yè)開始喂料斗喂入籽?？傎|(zhì)量，kg。

7.3 多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲柄轉(zhuǎn)速作為正交試驗(yàn)的影響因素，取籽粒含雜率，清選損失率作為考察指標(biāo)。正交試驗(yàn)的因素水平如表2所示，根據(jù)正交表Ｌ^１3（2⁵）進(jìn)行試驗(yàn)，如表3所示。A、B分別表示曲柄轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的編碼值。

8 試驗(yàn)結(jié)果分析

8.1 各因素對(duì)籽粒含雜率的影響分析

1） 方差分析。通過數(shù)據(jù)處理軟件Design-Expert 11對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，結(jié)果如表4所示。

2） 回歸方程。模型的P＜0.05，說明籽粒含雜率的回歸模型是顯著的，然而失擬項(xiàng)P>0.05，檢驗(yàn)結(jié)果不顯著，說明方程的擬合情況相對(duì)較好，回歸方程具有意義。A、B、AB、A²對(duì)方程的影響顯著，其他各項(xiàng)影響不顯著，去掉不顯著因素（P＞0.05）項(xiàng)得到的籽粒含雜率因素編碼回歸方程

Y_m=2.84－0.4A－0.46B+0.6AB+0.71A²

式中： Y_m——籽粒含雜率。

對(duì)因素編碼值進(jìn)行計(jì)算得到籽粒含雜率的回歸方程

Y_m=47.4－0.26a－0.03b+0.000 107ab+

0.000 352a²

式中： a——曲柄轉(zhuǎn)速；

b——風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

3） 各因素交互作用對(duì)籽粒含雜率的影響。曲柄轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)籽粒含雜率的影響規(guī)律如圖11所示。

由圖11可以看出，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的各個(gè)水平中，伴著曲柄轉(zhuǎn)速的上升，其含雜率曲線稍顯降低，到達(dá)0水平（250r/min）左右時(shí)達(dá)到最低值，超過250r/min后又明顯上升；在曲柄轉(zhuǎn)速不變時(shí)，伴著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的逐步提高，含雜率也在不斷降低。曲柄轉(zhuǎn)速為250r/min左右，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1水平（300r/min）及以上時(shí)，含雜率比較低。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相互作用時(shí)，影響含雜率的主要因素為曲柄轉(zhuǎn)速。

通常，可以使用貢獻(xiàn)率法評(píng)價(jià)不同因子對(duì)各指標(biāo)Y主要影響關(guān)系，根據(jù)二次回歸式求出回歸系數(shù)的方差比F（j）、F（ij）、F（jj），令

δ=0F<1

1－1FF>1（5）

第j個(gè)要因?qū)的貢獻(xiàn)率的計(jì)算如式（5）所示。

Δ_j=δ_j+12∑mi=1，i≠jδ_ij+δ_jj（6）

其中δ_j和δ_jj分別表達(dá)了第j項(xiàng)因素對(duì)一次項(xiàng)與二次項(xiàng)的貢獻(xiàn)，δ_ij表示在交互項(xiàng)中的貢獻(xiàn)，這是表示第j因素和其他因素兩兩影響的結(jié)果。因此，其貢獻(xiàn)應(yīng)該單獨(dú)加諸各要素中，可以采用平分。對(duì)比各因子貢獻(xiàn)率大小，就可以清楚各因素對(duì)指標(biāo)影響的大小^[25]。

F（1）=12.80；δ₁=0.921 9

F（2）=17.17；δ₂=0.941 8

F（11）=35.16；δ₁₁=0.971 6

F（12）=14.37；δ₁₂=0.930 4

F（22）=0.008 2；δ₂₂=0

由式（6）可得，貢獻(xiàn)率Δ₁=2.358 7，Δ₂=1.427 6，試驗(yàn)因素A、B對(duì)籽粒含雜率作用的順序?yàn)椋害?sub>1>Δ₂，即曲柄轉(zhuǎn)速>風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

8.2 各因素對(duì)清選損失率的影響分析

1） 方差分析。根據(jù)曲柄轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速兩個(gè)因素對(duì)清選損失率進(jìn)行方差分析，方差分析結(jié)果如表5所示。

2） 回歸方程。根據(jù)回歸方程計(jì)算方法并剔除不顯著項(xiàng)，可得到清選損失率的因素編碼回歸方程

Y_n=1.61+0.3A+0.79B+0.32AB+0.21A²+0.64B²

式中： Y_n——清選損失率。

對(duì)因素編碼值進(jìn)行計(jì)算得到清選損失率的回歸方程

Y_n=37.61－0.09a－0.07b+0.000 06ab+0.000 1a²+0.000 04b²

3） 各因素交互作用對(duì)清選損失率的影響。曲柄轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)清選損失率的影響規(guī)律如圖12所示。

由圖12可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在低水平時(shí)，隨曲柄轉(zhuǎn)速升高，損失率減小直至平坦，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)一定程度后，隨曲柄轉(zhuǎn)速升高，損失率增加；在曲柄轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的交互作用下，其中曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)損失率影響最大。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速在低水平時(shí)，隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高而提高，損失率呈先降后升的趨勢(shì)，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速到達(dá)很高的時(shí)候，隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高而提高，損失率先是比較平坦，然后又逐漸增大。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相互作用時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)損失率影響最大。

4） 各因素對(duì)清選損失率影響的關(guān)系分析。同樣采用貢獻(xiàn)率的方法，根據(jù)式（6）得到不同回歸系數(shù)檢驗(yàn)方差比和貢獻(xiàn)

F（1）=16.48；δ₁=0.939 3

F（2）=113.27；δ₂=0.991 2

F（11）=6.99；δ₁₁=0.856 9

F（12）=9.48；δ₁₂=0.894 5

F（22）=64.45；δ₂₂=0.984 5

由式（6）可得，貢獻(xiàn)率為：Δ₁=2.243 5，Δ₂=2.404 2，可得試驗(yàn)因素A、B對(duì)清選損失率作用的順序?yàn)椋害?sub>2>Δ₁，即風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速>曲柄轉(zhuǎn)速。

8.3 參數(shù)優(yōu)化

通過對(duì)谷子風(fēng)篩式清選裝置的多因素試驗(yàn)研究，得到了各試驗(yàn)因素對(duì)不同試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律以及兩種因素對(duì)不同性能指標(biāo)的相互作用效應(yīng)，分別對(duì)籽粒含雜率和清選損失率建立了回歸方程。采用Design-Expert 11軟件分析籽粒含雜率和清選損失率的優(yōu)化問題，將優(yōu)化條件設(shè)置為含雜率與清選損失率達(dá)到最小值^[26]，建立一個(gè)非線性的數(shù)學(xué)模型，在此模型中約束

350 r/min≥A≥150 r/min

1 100 r/min≥B≥700 r/min

根據(jù)表6綜合優(yōu)化組合參數(shù)可得谷子風(fēng)篩式清選裝置最佳性能參數(shù)組合為：曲柄轉(zhuǎn)速225 r/min、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速915 r/min。

8.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)最佳參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，綜合考慮實(shí)際作業(yè)情況后將曲柄轉(zhuǎn)速設(shè)定為225r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為915r/min。進(jìn)行三組試驗(yàn)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由表7可以看出，各性能指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果分別為2.42%、2.77%，依據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械收獲行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)^[27]各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足收獲要求。

9 結(jié)論

1） 開發(fā)一款谷子風(fēng)篩式清選試驗(yàn)臺(tái)，包括谷子清選以及數(shù)據(jù)收集功能?？稍谠囼?yàn)地點(diǎn)調(diào)整的參數(shù)包括風(fēng)速和曲柄轉(zhuǎn)速，可根據(jù)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整橫流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這有助于有效減少清選作業(yè)的負(fù)擔(dān)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2） 分別對(duì)風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、PLC采集數(shù)據(jù)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)谷子清選過程的風(fēng)機(jī)參數(shù)顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以及時(shí)排除故障，快速精確調(diào)節(jié)工作最優(yōu)參數(shù)。

3） 通過對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證該風(fēng)量風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足測(cè)量需求并達(dá)到測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)，通過多因素試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在清選過程中影響谷子籽粒含雜率主要為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，影響谷子清選損失率主要為曲柄轉(zhuǎn)速。曲柄轉(zhuǎn)速為225r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為915r/min，是谷子清選最優(yōu)參數(shù)結(jié)果，該條件下籽粒含雜率2.42%和清選損失率2.77%。實(shí)際結(jié)果和優(yōu)化值相差不大，優(yōu)化值精度可靠。

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