柔性脫粒滾筒的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

柔性脫粒滾筒的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

0水稻谷粒脫粒技術(shù)研究水稻是世界上最重要的糧食之一。全世界有一百多個(gè)國(guó)家種植水稻,我國(guó)有60%以上的人口以稻米為主食,水稻的產(chǎn)量占全國(guó)糧食作物的40%以上。目前水稻產(chǎn)量高,勞動(dòng)強(qiáng)度大,及時(shí)收獲成了關(guān)鍵問(wèn)題,而解決這關(guān)鍵問(wèn)題必須依靠聯(lián)合收割機(jī)。脫粒系統(tǒng)是水稻聯(lián)合收獲機(jī)的“心臟”,其核心是滾筒,傳統(tǒng)脫粒滾筒有釘齒式、紋桿式和弓齒式等,大都靠沖擊、梳刷、碾搓等方式實(shí)現(xiàn)谷物脫粒。由于對(duì)水稻打擊作用力大,現(xiàn)有各種脫粒系統(tǒng)脫下來(lái)的水稻谷粒大都存在脫殼、破碎和內(nèi)部裂紋等損傷現(xiàn)象,這些損傷嚴(yán)重地影響了種子發(fā)芽率、稻谷加工的成米率,大大削弱了稻谷的市場(chǎng)價(jià)值,也增加了處理、加工和存儲(chǔ)中的問(wèn)題。因此,研究新的脫粒方式,降低水稻籽粒的脫粒破損,對(duì)解決糧食生產(chǎn)安全也有著不可忽視的現(xiàn)實(shí)意義。河南科技大學(xué)師清翔等提出了采用裝有柔性梳刷齒的橡膠滾筒代替鋼制脫粒元件,以延長(zhǎng)脫粒時(shí)間和次數(shù),初步證明了該脫粒系統(tǒng)的可行性和脫粒水稻的適應(yīng)性。此外,李耀明等人對(duì)谷粒損傷的檢測(cè)、谷粒損傷原理等進(jìn)行了研究,但沒(méi)有相關(guān)降低水稻破損的脫粒機(jī)械研究報(bào)道。國(guó)外尚無(wú)水稻柔性脫粒系統(tǒng)的有關(guān)研究。本文通過(guò)分析,設(shè)計(jì)了一種柔性桿齒脫粒滾筒,該系統(tǒng)在繼承剛性脫粒方式優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,以彈性的柔性齒代替剛性脫粒桿齒,它既起到?jīng)_擊與梳刷作用,達(dá)到水稻脫粒的效果,又由于其本身的柔性而降低了對(duì)稻谷的瞬時(shí)打擊力,減少了水稻谷粒內(nèi)部的損傷,降低了谷粒破碎率。本文通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn),以進(jìn)一步考察柔性脫粒滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)脫粒效果的影響,為其參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。1試驗(yàn)條件1.1小穗含水率及秸稈含水率材料為脫粒當(dāng)天收割的晚稻桂小粘,試驗(yàn)前測(cè)得自然收割株高平均為84.30cm,籽粒含水率22.20%,小穗含水率35.87%,稻草含水率32.93%,莖稈含水率50.29%,千粒質(zhì)量23.57g,草谷比1.34∶1。1.2試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)單粒水分測(cè)試儀(型號(hào):CTR-800ET,日本Shizuokaseiki公司生產(chǎn))、PME型光電自動(dòng)數(shù)粒儀(上海珊科儀器廠)、電子精密天平(型號(hào):PB602-N,精度為0.001g)、自制半喂入平喂上脫試驗(yàn)臺(tái),脫粒滾筒直徑300mm,長(zhǎng)度600mm。試驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)收獲機(jī)械實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,脫粒效果測(cè)試指標(biāo)為破碎率、含雜率、斷穗率、未脫凈率、脫粒率。破碎率按GB5262-85,在自制1kW燈箱上用放大鏡觀測(cè)。含雜率、斷穗率、未脫凈率按照GB5982-86測(cè)定,取樣按照GB/T8097-1996執(zhí)行。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1單因素試驗(yàn)2.1.1脫粒齒的尺寸檢測(cè)由于剛性齒脫粒時(shí)直徑越大,脫粒率越高,但破碎率越大。因此,為考察柔性齒直徑大小對(duì)脫粒的影響,在脫粒滾筒轉(zhuǎn)速690min,喂入速度為0.35m/s,喂入量為1.2kg/s時(shí)測(cè)得的不同直徑脫粒齒的脫粒效果如表1所示。從表1中可以看出,直徑越大,斷穗率、破碎率和脫粒率增大,未脫凈率減小,含雜率顯著增加。其原因是不同直徑的柔性脫粒齒,打擊力各不同。直徑越大,打擊力越大,因此對(duì)稻谷的拉曳、沖擊力大,梳刷作用強(qiáng)烈,脫凈率高,但同時(shí)也由于打擊力大,而增加了稻草等雜余的擊落量和籽粒的損傷。因此,直徑6mm的柔性脫粒齒脫粒率高,斷穗率、未脫凈率、含雜率和破碎率比較低,應(yīng)對(duì)其脫粒性能進(jìn)一步研究。2.1.2脫粒齒的柔性在脫粒滾筒轉(zhuǎn)速690r/min,喂入量1.2kg/s,喂入速度0.3m/s,脫粒齒直徑6mm前提下得到齒長(zhǎng)變化對(duì)脫粒效果各指標(biāo)的影響關(guān)系如圖1所示。從圖1中可以看出,齒長(zhǎng)增加,含雜率、脫粒率和斷穗率都會(huì)增加,而未脫凈率和破碎率會(huì)減小。這是由于齒越長(zhǎng),越能發(fā)揮其柔性的作用。假定在脫粒時(shí),柔性脫粒齒可以看成是其質(zhì)量集中在受打擊點(diǎn)(即稻谷與脫粒齒打擊接觸點(diǎn))的彈性懸臂梁,由材料力學(xué)可求得靜撓度δ1=mgl33EIδ1=mgl33EΙ。其中,E為脫粒齒材料彈性模量,I為其橫截面對(duì)中性軸的慣性矩。單位力作用下的靜撓度δ1=l33EIδ1=l33EΙ即為脫粒齒的柔度系數(shù),可見(jiàn)在EI一定的條件下,脫粒齒長(zhǎng)度越大,靜撓度越大,變形也越大,就越柔軟,沖擊力相對(duì)就小,因而破碎率減小。齒越短,越接近齒板,脫粒齒所反應(yīng)的性狀是撓性越差,表現(xiàn)為剛性,但由于打擊力變小,使脫粒效果變差,脫粒率小,未脫凈率增加,脫下的物料越少,所以含雜率、斷穗率相對(duì)較小。從圖1擬合的結(jié)果方差分析來(lái)看,齒長(zhǎng)對(duì)各指標(biāo)影響極顯著,線性相關(guān)性接近100%。2.1.3脫粒效果試驗(yàn)結(jié)果對(duì)齒跡距為45mm的等跡距滾筒與齒跡距在近喂入端前半段為40mm,后半段為30mm的不等跡距滾筒進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出,脫粒率有較大差異,其它脫粒效果指標(biāo)含雜率、斷穗率、未脫凈率和破碎率等都是等跡距滾筒的稍大;但兩者差異并不大,可能是在柔性脫粒過(guò)程中,柔性脫粒齒變形,跡距發(fā)生變化,等跡距與不等跡距的差異性變小。而脫粒率增加表明不等跡距滾筒隨跡距減少,對(duì)稻谷打擊次數(shù)增加,從而使被脫下的物料增多導(dǎo)致脫粒率增加。2.1.4齒輪齒長(zhǎng)對(duì)含雜率、脫粒率和斷穗率的影響滾筒開(kāi)、閉型式是指滾筒齒板間有沒(méi)有封閉。若全封閉稱為封閉式,反之稱為開(kāi)放式。圖3為齒長(zhǎng)變化,滾筒型式對(duì)脫粒效果各指標(biāo)的影響。從圖3可知,各指標(biāo)隨齒長(zhǎng)的變化規(guī)律與前述齒長(zhǎng)變化對(duì)結(jié)果的影響大致相同,但不同滾筒型式有所差別。開(kāi)放式滾筒含雜率隨齒長(zhǎng)變化近乎呈線性,而封閉式滾筒齒長(zhǎng)從65~70mm時(shí)變化較慢,而從70~75mm時(shí)變化幅度大。滾筒型式對(duì)脫粒率影響差異不大。開(kāi)放式滾筒未脫凈率從齒長(zhǎng)65~70mm變化時(shí),減小的幅度大,齒長(zhǎng)70mm與75mm之間差異就不顯著。封閉式滾筒未脫凈率隨齒長(zhǎng)變化呈近線性減小。封閉式滾筒的斷穗率變化幅度從齒長(zhǎng)65~70mm變化時(shí)比開(kāi)放式大,兩者變化趨勢(shì)基本相同。破碎率則隨滾筒型式變化略有差異。在齒長(zhǎng)為65mm時(shí)開(kāi)放式滾筒的含雜率、脫粒率、未脫凈率和斷穗率等指標(biāo)均比封閉式的高。此外,開(kāi)放式滾筒齒長(zhǎng)從70~75mm時(shí)破碎率和脫粒率高于封閉式滾筒,未脫凈率和斷穗率則低于封閉式滾筒。齒長(zhǎng)從65~70mm變化時(shí)開(kāi)放式滾筒的含雜率要高于封閉式滾筒,而75mm時(shí)恰好相反。2.2正交試驗(yàn)的結(jié)果和分析2.2.1單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)只能在其它試驗(yàn)參數(shù)固定不變的情況下孤立地反映所試驗(yàn)的因素對(duì)結(jié)果的影響,不能反映所有參數(shù)的綜合影響規(guī)律,特別是彼此之間的交互作用,尤其是齒跡距,從單因素試驗(yàn)來(lái)看,柔性脫粒齒不等跡距與等跡距之間沒(méi)有很大差異。因此,有必要進(jìn)行各因素綜合影響規(guī)律的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)方案如表2所示。齒跡距中有兩種類型跡距:一是前疏后密的不等跡距滾筒;二是等跡距滾筒。后一種滾筒有兩種規(guī)格。試驗(yàn)時(shí),滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)定690r/min,喂入量1.2kg/s,喂入速度為0.35m/s,滾筒型式為開(kāi)放式。2.2.2未脫凈率試驗(yàn)脫粒與否是考察脫粒滾筒工作可行性的主要指標(biāo),降低脫粒損傷是本研究的主要任務(wù),所以這里以未脫凈率和破碎率作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn),采用正交表L27(313),因素之間分別考察交互作用,第8列空列用來(lái)評(píng)估試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。通過(guò)極差計(jì)算可知,各因素主次關(guān)系未脫凈率為A,B,C,AB,AC,ABC,BC;破碎率為B、A、AB、C、AC、BC、ABC。未脫凈率最小的組合為A3B3C3,破碎率最小組合A1B3C2,但在正交試驗(yàn)表結(jié)果中均沒(méi)有這兩個(gè)組合,未脫凈率最小的組合為A3B2C3,破碎率最小組合A1B3C3,這與直觀分析結(jié)果不相符合。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)兩組合進(jìn)行等重復(fù)試驗(yàn)3次,取平均值結(jié)果如表4所示。從結(jié)果來(lái)看,未脫凈率最小組合A3B3C3的結(jié)果比正交試驗(yàn)結(jié)果中的最小組合小,因正交試驗(yàn)結(jié)果可能有誤差影響的原因。而破碎率的正交試驗(yàn)結(jié)果所反應(yīng)的最小組合和直觀分析結(jié)果的最小組合差異不大,這也證明了前面論述的C因素跡距對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大。3脫粒齒跡距和等重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果1)不同直徑柔性脫粒齒脫粒效果不同,直徑越大,脫粒率、斷穗率、破碎率、含雜率越高,而未脫凈率越小。2)不同柔性脫粒齒齒長(zhǎng)對(duì)脫粒效果各指標(biāo)的影響均極顯著。齒越長(zhǎng),脫下物含雜率、脫粒率、斷穗率越高,未脫凈率和破碎率降低。3)柔性脫粒齒跡距對(duì)含雜率、脫粒率、斷穗率、未脫凈率和破碎率沒(méi)有顯著影響。4)滾筒的開(kāi)閉型式對(duì)脫粒效果各指標(biāo)有一定的影響。柔性脫粒齒長(zhǎng)度不同,滾筒的開(kāi)閉型式對(duì)脫粒效果影響也不同。柔性脫粒齒齒長(zhǎng)為65mm時(shí),開(kāi)放式滾筒脫粒的含雜率、未脫凈率、斷穗率比封閉式的高,破碎率比封閉式的低,但脫粒率差異不大。齒長(zhǎng)從7