基于柔性輪胎橡膠元件的控速柔性脫粒裝置的設(shè)計與試驗

基于柔性輪胎橡膠元件的控速柔性脫粒裝置的設(shè)計與試驗

1脫粒機和聯(lián)合長谷物脫粒裝置分為兩種類型：分段流式和軸流式。其中，分段流式脫粒裝置具有生產(chǎn)能力高、工作可靠、分離物含量低、能耗小等優(yōu)點。因此，它廣泛應(yīng)用于脫粒機和聯(lián)合收割機上。但是,該脫粒裝置的鋼制脫粒元件對作物的沖擊和揉搓強度過大,使得籽粒破碎常超過國家標準規(guī)定值(0.7%)。本研究采用柔性(輪胎橡膠)元件,降低了脫粒元件對作物的作用強度。并在脫粒裝置的喂入口增加了作物控速裝置,從而增加了脫粒元件對作物的作用次數(shù)。這種裝置有效地控制了破碎率,提高了脫凈率。2電機驅(qū)動,脫粒潤滑試驗裝置(圖1)的喂入口寬度為450mm,脫粒滾筒和控速輪以及傳動帶均由調(diào)速電機驅(qū)動,實現(xiàn)速度的無級調(diào)節(jié);傳動帶被動端為彈性支承,與控速輪一起實現(xiàn)作物的夾持控速;脫粒滾筒的脫粒元件為六個均勻分布的橡膠滾;采用組合式柵格凹板,包角可調(diào);接料車和接草車均由時間繼電器控制的電機驅(qū)動,實現(xiàn)接料和接草的同步與定時。3控速柔性脫粒裝置試驗均勻鋪放在傳動帶上的物料(為簡化分析,圖中只畫一株縱向喂入的物料),在剛進入脫粒間隙的瞬間,其后半部仍由傳動帶和控速輪夾持輸送,高速轉(zhuǎn)動著的脫粒滾筒的柔性橡膠不能立即將作物完全抓入滾筒和凹板之間,實現(xiàn)了作物在入口處的多次柔性沖擊及梳刷。隨著控速喂入柔性脫粒的進行,作物逐漸脫離控速裝置,此后,作物便以較高的速度通過脫粒間隙,實現(xiàn)傳統(tǒng)的脫粒過程。本研究采用二次通用旋轉(zhuǎn)回歸試驗方法,對小麥進行了回歸試驗,建立了性能指標的回歸數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化確定了控速柔性脫粒裝置的最佳結(jié)構(gòu)和運動參數(shù),并進行了試驗驗證以及與傳統(tǒng)脫粒裝置的對比試驗。整個試驗參照《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》(GB5262—85)和《稻麥脫粒機試驗方法》(GB5982—86)的要求進行,試驗選擇的性能指標為:①凹板分離率y1,②未脫凈率y2,③夾帶率y3,④單位喂入量功耗y4,⑤含雜率y5,⑥籽粒破碎率y6,⑦斷穗率y7,⑧包殼率y8,⑨雜質(zhì)中含莖稈率y9。其中凹板分離率越高越好,其余指標越低越好。4二次通用旋轉(zhuǎn)回歸試驗和參數(shù)優(yōu)化本次試驗用小麥的莖桿含水率為26.4%,籽粒含水率為15%。谷草比1:1.3。4.1控速輪線速度與確定前人對傳統(tǒng)切流式脫粒裝置的研究結(jié)果表明,喂入量、脫粒間隙、滾筒線速度和凹板長度四個主要參數(shù)的對脫粒性能有比較大的影響。本研究單因素試驗表明,控速輪線速度和滾筒線速度之間應(yīng)有一定的比例關(guān)系。控速輪轉(zhuǎn)速過低,脫出物含雜率和斷穗率增加;控速輪轉(zhuǎn)過高,則失去了對作物的控速作用,且夾帶率增加,當控速輪線速度是脫粒滾筒線速度的1/4時,具有較好的綜合脫粒性能,因此,本試驗取此值。回歸試驗因素為喂入量、入口脫粒間隙、滾筒線速度和凹板長度,出口脫粒間隙取入口脫粒間隙的1/4。4.2入口脫粒間隙及凹板長度的編碼試驗因子水平編碼見表1,試驗方案及試驗結(jié)果見表2。表2中x1、x2、x3、x4分別是喂入量、入口脫粒間隙、滾筒線速度和凹板長度的因子水平編碼。試驗結(jié)果表明:在整個試驗范圍內(nèi),籽粒破碎率為0%～0.03%。4.3返回程序與參數(shù)優(yōu)化4.3.1性能指標的回歸處理二次通用旋轉(zhuǎn)回歸試驗設(shè)計的回歸方程模型如下:由于籽粒破碎率很小,可以忽略不計,故沒有對該項性能指標進行回歸處理。在回歸方程的建立過程中,分別對方程的顯著性和各回歸系數(shù)的顯著性進行了檢驗,結(jié)果見表3。表3中各項是因子編碼空間內(nèi)回歸方程的各項系數(shù)。4.3.2復(fù)合脫粒間隙和控速輪線速度參數(shù)對于脫粒裝置而言,最重要的性能指標是未脫凈率,因此本研究以未脫凈率為主目標,優(yōu)化獲得因子編碼空間內(nèi)最優(yōu)參數(shù)組合為:x1=0.36,x2=-0.49,x3=0.22,x4=1.20,即喂入量Q=1.036kg/s,入口脫粒間隙Z=18.04mm,滾筒線速度V=27.6m/s,凹板長度L=0.51m,此時,出口脫粒間隙為4.5mm,控速輪線速度為6.9m/s。預(yù)測性能指標為:凹板分離率93.15%,未脫凈率0.14%,夾帶率4.51%,單位喂入;量功耗2.6kW/kg·s,含雜率25%,斷穗率2.39%,包殼率0.42%,雜質(zhì)中含莖稈率3.0%。由于優(yōu)化提供的最佳參數(shù)并未在回歸試驗中出現(xiàn),因此有必要進行優(yōu)化結(jié)果驗證試驗,以判定在最佳參數(shù)組合時,脫粒裝置的性能指標是否達到回歸方程預(yù)測值。驗證試驗值和方程預(yù)測值(見表4)比較接近,說明回歸方程是可靠的,可以用于性能分析和預(yù)測。5對主要性能指標的影響圖2是將回歸方程四個自變量中的三個固定在優(yōu)化點,使脫粒性能指標依某一參數(shù)變化繪制的參數(shù)對五個主要性能指標的影響規(guī)律曲線。由曲線可看出,減小脫粒間隙、增加凹板長度和滾筒線速度有利于提高分離率、降低未脫凈率和減小夾帶率,但會使含雜率和功耗增加;由圖2a可知,當喂入量增加時,脫粒性能變化不大,說明控速柔性脫粒裝置具有比較強的喂入量適應(yīng)能力。6控速柔性脫粒裝置本研究的對比試驗是在控速柔性脫粒裝置和常用的切流式紋桿脫粒裝置之間進行的,對比試驗包括性能對比試驗和喂入能力對比試驗。性能對比試驗結(jié)果見表5?？厮偃嵝悦摿５姆蛛x率、未脫凈率、夾帶率、破碎率均明顯優(yōu)于切流式紋桿脫粒裝置,分離率、夾帶率和破碎率尤其明顯,這是因為控速裝置的存在使得作物在脫粒裝置的入口處受到多次柔性沖擊和梳刷,不僅沒有引起籽粒的破碎,而且延長了籽粒的分離時間。但是控速柔性脫粒裝置的功耗大,脫出物含雜率高。如果把紋桿式脫粒裝置的滾筒線速度提高到30m/s左右,脫粒性能會有所改善,但籽粒破碎率常常超過1%。喂入量對比試驗表明,控速柔性脫粒裝置對大喂入量的適應(yīng)能力要比紋桿滾筒強得多。對于紋桿滾筒,喂入寬度為450mm,當喂入量達到1.2kg/s時,便出現(xiàn)了嚴重的負荷不均現(xiàn)象,這是由于滾筒對作物成堆抓取造成的,脫粒性能指標明顯下降。而控速柔性脫粒裝置的控速裝置可實現(xiàn)作物的強制均勻喂入,在喂入量高達1.5kg/s時,仍具有良好的脫粒性能,凹板分離率88.4%,未脫凈率0.42%,夾帶率8.8%,單位喂入量功耗2.82kW/kg·s,籽粒破碎率0,含雜率23.3%,斷穗率2.6%,包殼率0.4%,雜質(zhì)中含莖稈率1.6%。7控速柔性脫粒裝置1)采用柔性脫粒元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制脫粒元件可以有效地防止脫粒過程中的籽粒破碎。2)脫粒裝置入口控速裝置不僅可以增加脫粒元件在入口