纵轴流风筛式清选装置性能优化研究

纵轴流风筛式清选装置性能优化研究

1轴流脱粒与分离装置的清选工艺研究根据水稻收获装置的旋转类型，水稻收获装置可分为两种类型：旋转式和旋转式。一直以来,我国主要粮食作物的机械化收获一直依靠传统的切流脱粒装置来进行。但用传统切流型脱粒装置来脱麦类较为适合,而对其它谷物就不太适合。而轴流脱粒装置具有大喂入量的特点,工作时,谷物流作螺旋运动,脱粒柔和且时间长,所以脱粒和分离比较充分,因而在脱净率、破碎率、分离率等项指标方面都优于切流装置,因此,对轴流脱粒与分离装置和配套清选装置进行深入研究十分必要。水稻收获机械的清选装置直接影响清选的质量(清洁率和损失率),它直接影响到整机的工作性能,从国家标准的制定来看:清选的损失率及含杂率为国家强制性标准,根据国家行业标准JB/T5117—2006要求:清选损失率≤0.5%,含杂率≤2.0%,因此,尽快提高联合收割机的清选质量,将是解决我国水稻生产进一步发展的瓶颈问题。常用的清选方式有振动筛清选、圆筒筛清选、圆锥筛清选、风力清选和风筛式清选等。由于风筛式清选的适应性和效果较好,在联合收割机上被广泛采用,其主要部件有风机和振动筛。在风筛式清选装置中又有单风道风机单层振动筛,单风道风机双层振动筛,双风道风机双层振动筛和双风机双层振动筛结构。实践证明,风筛式清选装置工作性能比较稳定,对作物适应性强,因而风筛式清选装置的改进和优化设计,对进一步提高我国水稻机械化的收获水平具有重大意义。2试验试验台的结构该试验台由进料模拟装置、机架、离心风机及调整机构、贯流风机及调整机构、振动筛架、筛片、阶状抖动板、传动机构、接料箱、风速传感器、综合操作柜、数据采集系统、扭距传感变送器、电机等组成。使其结构和工作参数可调:可通过调整振动筛曲柄半径、曲柄转速、风机出风口倾角、风机转速、风机的位置、振动筛倾角、阶状抖动板的长度以及更换不同类型的筛片等来满足轴流清选装置试验要求。试验台配有计算机数据采集系统,系统工作可靠、测试精度高。该试验台结构简单,操作及调整方便。试验台结构,如图1所示。3物料清选的必要性工作时,将脱出物装入给料模拟装置,被清选的脱出物首先在排料辊的控制下,与筛面同宽度、同长度非均匀分布落下,改变了传统清选的落料方式,物料直接落向筛面而不必集中在抖动板后再清选,这样减轻了抖动板的作业负担,避免了物料过于集中而导致清选效果差的问题,提高了清选性能,尤其在大喂入量的情况下体现得更明显,满足了当前对机器大喂入量的要求。落向筛面的物料再利用种子与夹杂物的几何尺寸和悬浮速度差异进行清选和风选。通过风机吹走部分轻杂质如灰尘、糠秕等,再流入阶状抖动板和筛体内,阶状抖动板和筛体在偏心轴驱动下纵向摆动,在筛片往复运动下达到分离的目的。4试验设备、材料和方法4.1部件运动参数的采集试验采用自行研制的纵轴流风筛式清选装置试验台,如图1所示。试验过程中各部件的运动参数由电控柜上的旋钮进行调整,清选时间、转速、扭矩等可用计算机采集。试验中所用的相关仪器、工具有:电子天平、角度测量仪、卡尺、钢直尺、扳手、塑料布、塑料袋、簸箕、筛子等。4.2水稻的特性特性试验在2008年12月开始,试验用水稻在某市的农户家中购买,水稻经纵轴流脱粒与分离装置脱粒后得到清选用物料。水稻的物理特性如下:品种:松津9号;谷草比:1:1.22;千粒重:22.341克;籽粒水分:14.03%;茎秆水分:28.15%脱粒后得到清选用物料成分:籽粒、碎茎秆、断穗、颖糠等;清选试验喂入量为2kg/s。4.3试验数据的获取先用纵置式轴流脱粒与分离试验台将水稻脱粒,得到脱出物(籽粒、碎茎秆、颖糠等),将脱出物装入给料模拟装置,启动清选试验台,物料由给料装置按照纵置轴流实际落料情况撒落到阶状抖动板和清选筛上,落到清选筛上的物料直接清选,落到阶状抖动板上的由阶状抖动板均匀地抖动到清选筛上进行风选和筛选,筛选后的谷物(含微量杂质)落到接料箱里,碎茎秆、颖糠等落入排杂箱,最后对接料箱和排杂箱的内容物进行处理得到试验数据,并对数据进行分析。采用正交旋转组合设计的试验方法,以离心风机转速、离心风机出口倾角、曲柄转速为试验因素,以清洁率、损失率、功耗作为性能指标。按三因素五水平安排试验,因素水平编码,如表1所示。5结果与分析5.1试验结果通过试验,得到的性能指标,如表2所示。5.2清选参数组合优化通过对清选性能指标的回归方程进行优化计算,可以获得最佳的清选参数组合方案,并得到清选参数对清选性能的影响。清选装置要求具有良好的综合清选性能,因此要获得最佳的清选参数组合方案,就必须采用多指标优化的方法。根据清选装置清选性能要求的特点,采用主目标函数法,利用MATLAB进行优化求解。得到优化参数,如表3所示。以功耗、含杂率、损失率作为目标函数,分别得到优化模型如下:从表3可以看出,不同性能指标作为目标函数时的最佳参数组合方案中,曲柄转速都接近0水平左右,即在235r/min左右,离心风机转速都在-0.3水平左右,即接近764r/min,风机倾角都接近0水平,即接近28°。6离心风机转速及倾角为了验证优化参数的正确性,作了验证试验,试验仍在原试验台上进行,取曲柄转速为235r/min,离心风机转速为764r/min,风机倾角为28°,所得到的性能指标,如表4所示。通过试验证明,由最佳参数组合方案所作的验证试验,得到的性能指标接近理论值,所得到的各个性能指标都能满足要求。7主目标函数法优化求解通过三因素五水平的正交旋转组合试验,以曲柄转速、离心风机转速、离心风机倾角为因素,功耗、含杂率、损失率为性能指标,建立了各