水稻联合收获机短纹杆-板齿脱粒分离装置的研究

水稻联合收获机短纹杆-板齿脱粒分离装置的研究

轴流式钉齿螺钉脱粒装置脱粒分离系统是一种联合收割机的核心，其工作状态决定了其他部分的工作性能。目前,全喂入式水稻联合收获机上,脱粒分离装置大都是轴流式钉齿滚筒。全喂入式轴流滚筒型联合收获机由于轴流滚筒采用大间隙、较低转速,脱粒作用柔和、脱粒时间长,兼顾了脱净率和破碎率的要求。同时,由于利用离心力分离谷粒,因而可由一个轴流滚筒与凹板实现脱粒与分离两个功能,使结构简化。虽然轴流式钉齿滚筒脱粒装置在脱净率、破碎率、分离率等项指标方面都优于切流装置,但是轴流式钉齿滚筒脱粒装置功耗较大,籽粒的破碎率较高,脱出的茎秆较碎,因而造成脱出混合物中杂余较多,分布不均匀,给后续的清选装置增加了负荷。本文在试验台上采用短纹杆-板齿脱粒滚筒,对水稻进行脱粒分离试验,建立脱粒功耗、损失率与滚筒线速度、脱粒间隙以及喂入量之间的数学模型,以确定水稻联合收获机脱粒分离装置的结构及工作参数。1联合收获机田间的工作原理脱粒分离试验台如图1所示,主要由物料输送带、脱粒分离系统以及测控系统等组成。输送系统采用1台变频调速电动机驱动,脱粒分离系统采用2台变频调速电动机分别驱动输送槽和脱粒滚筒,可以方便地进行运动参数的选择。用1个扭矩传感器测定滚筒扭矩,3个转速传感器分别测定物料输送带、输送槽主轴和脱粒滚筒的转速,所有传感器的信号都被计算机记录储存和分析。试验台可以模拟联合收获机田间的工作情况。试验前将一定质量的作物均匀铺放在输送带上,输送带以不同的速度运动,以改变喂入量的大小。通过调整脱粒分离装置的参数、更换不同的脱粒分离部件可以模拟各种收获机械中脱粒分离装置的工作状况,检验其脱粒分离性能。2试验设备及流式试验用的水稻为镇10超级杂交稻,其籽粒含水率28%,茎秆含水率52.6%,在江苏大学农业机械实验室内进行试验研究。选取喂入量、滚筒线速度和脱粒间隙3个参数作为试验因素。其他参数为固定值,如表1所示。短纹杆-板齿组合脱粒元件结构示意图如图2所示,其排列方式见图3。接料小车沿脱粒滚筒轴线方向平均分成7个测试区,每个测试区长度为227mm,籽粒、杂余直接落入接料小车中,用于测定凹板分离物轴向分布情况。采用正交设计方法安排试验。试验指标为脱粒功耗、脱粒总损失率(未脱损失率和夹带损失率)、脱出物含杂率。试验参照《农业机械试验条件测定方法的一般规定》(GB/T5262—2008)和《脱粒机试验方法》(GB/T5982—2005)的要求进行。根据喂入量的要求,将谷物均匀铺放在输送带上,经喂入装置和输送槽输送进入脱粒滚筒,脱粒分离后,茎秆从排草口排出,其余脱出物经凹板筛落入接料小车。脱粒滚筒所消耗的功率为物料进入脱粒滚筒开始,至物料全部排出脱粒滚筒时间内消耗功率的平均值。3试验结果的分析3.1短纹杆-板齿螺钉含杂率低,脱粒载荷小多因素正交试验安排与结果如表2所示。由表2可得出,短纹杆-板齿滚筒各性能指标的平均值为:单位喂入量功耗4.6kW·s/kg,脱粒损失0.46%,含杂率8.83%;钉齿滚筒为:单位喂入量功耗6.0kW·s/kg,脱粒损失0.34%,含杂率21.39%。在相同工况下,短纹杆-板齿滚筒的脱出物含杂率要比钉齿滚筒的脱出物含杂率低8.1%~15.2%。当喂入量为3.0kg/s,转速为800r/min时短纹杆-板齿滚筒含杂率最低为6.6%。在相同工况下,短纹杆-板齿滚筒的脱粒功耗要比钉齿滚筒减小2.1~5.4kW;脱粒损失增加0.08%~0.19%。通过比较可以得出,短纹杆-板齿滚筒脱粒装置脱粒功耗低、脱出混合物含杂率低,其脱粒损失较钉齿滚筒虽有所增加,但短纹杆-板齿滚筒脱粒装置的损失率为0.5%左右,完全符合国家标准。3.2脱粒间隙和喂入量对短纹杆-板齿脱粒滚刷的影响利用DPS(dataprocessingsystem)数据处理系统对短纹杆-板齿脱粒滚筒的脱粒功耗、脱粒损失和脱出物含杂率进行方差分析,结果如表3~5所示。从中可以看出:该试验范围内,脱粒间隙和喂入量对短纹杆-板齿脱粒滚筒的功耗有显著影响。影响短纹杆-板齿脱粒滚筒脱粒功耗的因素主次顺序是:脱粒间隙、喂入量、滚筒转速。脱粒间隙对短纹杆-板齿脱粒滚筒的脱粒损失有显著影响。影响脱粒损失的因素主次顺序是:脱粒间隙、喂入量、滚筒转速。喂入量对短纹杆-板齿脱粒滚筒的脱出物含杂率有显著影响,喂入量过大会使脱出物含杂率增加,给清选增加负担。影响脱出物含杂率的因素主次顺序是:喂入量、脱粒间隙、滚筒转速。3.3脱粒分离装置长期稳定性分析脱粒分离装置的累计脱粒分离率用Q表示,定义为一定量的混合物在长度L上脱分出的所有籽粒的质量BL占籽粒总质量A的百分数,即Q=BLA×100%(1)Q=BLA×100%(1)脱粒分离装置累计脱粒分离率(简称累计脱分率)与滚筒长度L的关系曲线,如图4所示(以第5组试验为例)。从图4可知,当L=1.135m时,短纹杆-板齿脱粒滚筒的累计脱分率达到93.42%,在1.589m处达到99.56%,即在滚筒的末端未脱分率为0.44%,这正是未脱净损失率与夹带损失率之和。脱分率特性曲线越接近于直线说明其分布越均匀,从图4可以看出该脱粒分离装置的脱出混合物分布较钉齿滚筒均匀,这也有利于后续的清选作业。4回归数学模型有意义利用DPS数据处理系统进行分析,根据试验数据分别建立脱粒功耗Yg、脱粒损失率Ys、脱出物含杂率Yz与脱粒间隙x1、滚筒线速度x2、喂入量x3之间的回归方程。脱粒功耗的回归方程为Yg=-44.33876+703.013x1+3.1558x2+5.008x3-5770.2623x2112-0.0538x22229.7608x1x2-172.55256x1x3(2)经检验,回归方程的F值为3567.9958,显著水平P=0.0129<0.05,故拒绝H0假设,表明回归数学模型有意义且显著。决定系数R2=0.99994,说明模型拟合程度很高。脱粒损失率的回归方程为Ys=1.66345-0.07325x2-0.17479x3+923.62573x2112+0.00117x2222-0.01515x23321.1754x1x2+0.01016x2x3(3)经检验,回归方程的F值为278.9819,显著水平P=0.0461<0.05,故拒绝H0假设。表明回归数学模型有意义且显著。决定系数R2=0.9959,说明模型拟合程度很高。脱出物含杂率的回归方程为Yz=424.14968-2955.6033x1-32.09303x2+53669.51386x2112+0.63707x2222-1.87085x2332+26.24628x1x2+0.3743x2x3(4)经检验,回归方程的F值为623.6758,显著水平P=0.0308<0.05,故拒绝H0假设。表明回归数学模型有意义且显著。决定系数R2=0.9977,说明模型拟合程度很高。5目标优化和验证试验对联合收获机的脱粒分离系统来说,要使其既具有较低的损失率,同时功耗要小、脱出物含杂率要低,这是一个多目标的优化问题。利用Matlab优化工具箱中的fgoalattain函数进行多目标优化。目标函数:minYs,Yg,Yz约束条件:0.015≤x1≤0.02523.194≤x2≤27.0352≤x3≤3优化结果为:脱粒间隙为19.2mm、滚筒线速度为24.225m/s(滚筒转速为818r/min)、喂入量为2.0kg/s时其工作状况最佳,此时的脱粒损失率为0.45%、功耗为10.75kW、脱出物含杂率为6.45%。在优化的最佳工况下作验证试验,试验重复3次取平均值。试验结果为:脱粒损失率0.44%,脱粒功耗10.6kW,脱出物含杂率6.6%,与优化结果非常接近,误差很小,说明优化的结果是可靠的。6脱粒间隙、脱粒脱粒干吸量对脱粒性能的回归分析(1)采用短纹杆-板齿脱粒滚筒对水稻进行脱粒分离试验,得出各性能指标为:单位喂入量功耗4.6kW·s/kg,脱粒损失率0.46%,含杂率8.83%。(2)短纹杆-板齿脱粒滚筒脱出物含杂率低,脱出物分布较均匀,有利于后续的清选作业和提高整机的工作性能。(3)在试验区间内,脱粒间隙对脱粒功耗和脱粒损失影响最显著,其次是喂入量,最后是滚筒转速;对脱出物含杂率影响最显著的是喂入量,其次是脱粒间隙,最后是滚筒转速。(4)根据试验数据分别建立脱粒功耗、脱粒损失