雙螺旋喂入式鋪膜滾筒的設(shè)計與試驗

雙螺旋喂入式鋪膜滾筒的設(shè)計與試驗

0水稻割前收獲工藝技術(shù)及設(shè)備收獲前，直接脫粒和聯(lián)合收獲，消除田間自然分布的糧食直接脫粒，清除收獲后所需的傳輸方式，然后脫粒后的莖對應(yīng)于莖切割機構(gòu)，并進行切割和積聚。采用這種收獲工藝,可使聯(lián)合收割機結(jié)構(gòu)簡化、功耗低、質(zhì)量小、生產(chǎn)效率較高,成為目前谷物聯(lián)合收割機領(lǐng)域的一個研究熱點。文獻提出了一種先摘穗后脫粒的收獲工藝,并設(shè)計了以三角形摘穗板齒為摘穗元件的摘穗裝置;文獻研究了水稻的梳脫工藝和基于梳脫原理的水稻聯(lián)合收割機;文獻開發(fā)了一種基于氣吸式摘穗裝置的水稻割前脫收機器系統(tǒng),較好地解決了水稻割前收獲技術(shù)難題。其主要問題表現(xiàn)在入口處飛濺損失嚴(yán)重、氣吸裝置體積較大、功耗高、對制造技術(shù)要求嚴(yán)格。本文借鑒前人研究基礎(chǔ),研制了一種雙螺旋縱向喂入梳脫滾筒,集喂入與脫粒于一體,采用雙螺旋滾筒側(cè)邊喂入、軸流脫粒的工作方式,可一次完成水稻喂入、摘脫和復(fù)脫,省掉了龐大的梳脫割臺和輸送裝置,有效減小了整機體積。田間試驗表明,這種摘脫滾筒可有效降低入口處的飛濺損失。1雙螺旋梳脫置界面設(shè)計雙螺旋梳脫滾筒由雙螺旋喂入裝置、梳脫滾筒、防濺裝置3部分組成,結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。1)雙螺旋喂入裝置用來把田間站立的帶穗莖稈引導(dǎo)至脫粒滾筒左側(cè),并將穗頭喂入滾筒與凹板的間隙;其前端的兩錐攪龍螺旋葉片對倒伏作物有一定的扶起作用。該裝置主要由下錐攪龍、上錐攪龍、傳動齒輪、皮帶輪、上圓柱攪龍和下圓柱攪龍等組成。其中,上、下錐攪龍前端的水平距離可設(shè)計為400、500、600mm,分別對行距為400、2500、300mm的水稻進行雙行收獲。2)梳脫滾筒用于對小麥穗頭進行梳刷脫粒,主要由殼體、滾筒、凹板、皮帶輪、鏈輪及輸送攪龍等組成。脫粒原件采用直徑5mm的指狀梳齒,在滾筒上按雙頭螺旋分布,滾筒轉(zhuǎn)速、齒高與齒跡距通過試驗來確定。3)防濺裝置用于防止籽粒從前喂入口濺出,主要由接粒板及擋簾等組成。工作時,雙螺旋梳脫滾筒安裝于聯(lián)合收割機上,代替?zhèn)鹘y(tǒng)聯(lián)合收割機的割臺和脫粒裝置;隨著聯(lián)合收割機的前進,雙螺旋喂入裝置的上下兩個圓柱攪龍在皮帶輪的帶動下相向旋轉(zhuǎn),并通過萬向節(jié)分別帶動上下錐形攪龍轉(zhuǎn)動;位于兩錐形攪龍前端部之間的兩行小麥沿錐形攪龍表面相對滾筒向后運動,并逐漸向中間聚攏,攪龍葉片用于克服攪龍表面對秸稈的摩擦力,防止向前推到秸稈;當(dāng)秸稈運動到圓錐攪龍后端時,被上下錐攪龍外表面向滾筒方向壓倒,在攪龍葉片推動下穗頭伸入滾筒中;隨后在圓柱攪龍葉片推動下繼續(xù)沿滾筒軸向向后運動,脫凈后的籽粒及秸稈從脫粒滾筒后部排出,含少量穎糠等雜物的脫出物從凹板落下后由輸送攪龍輸送到揚谷器。2試驗設(shè)備和原理2.1帶穗水稻秸稈輸送為測試雙螺旋梳脫滾筒的性能,設(shè)計了室內(nèi)試驗臺架,如圖2所示。其主要由雙螺旋梳脫滾筒、秸稈輸送裝置、接料裝置及變頻電機調(diào)速系統(tǒng)等組成。變頻調(diào)速電機通過皮帶輪帶動秸稈輸送裝置的兩條輸送帶運動,每條輸送帶上裝有一對夾板,橫向距離200mm,與田間水稻行距相同,每對夾板用于固定一行帶穗水稻秸稈,秸稈稠密度模擬田間情況。夾板固定在輸送帶上,輸送帶由變頻調(diào)速電機驅(qū)動;雙螺旋梳脫滾筒通過支架固定在秸稈輸送裝置上方,由變頻調(diào)速電機驅(qū)動。為了測量損失率和含雜率率,試驗臺去掉了圖1中的輸送攪龍,并在脫粒滾筒殼體下部沿縱向剖開一個長500mm、寬100mm的物料出口,喂入口及出口下方分別用接料盒接住脫出物。試驗時,首先在夾板上均勻固定2行水稻,每行水稻長度為3m。為保證脫粒時喂入速度穩(wěn)定,每行水稻右端距脫粒裝置喂入口距離1m。首先啟動脫粒裝置,待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后再啟動秸稈輸送裝置,脫粒完成后對接料盒中的脫出物進行測量。2.2轉(zhuǎn)速傳感器及儀器本試驗所用到的測試儀器包括ZJ1A型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、ZJYW1型數(shù)字轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀、微型計算機、AD-CRAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電子秤及紅外轉(zhuǎn)速測量儀等。2.3試驗材料試驗所用物料為洛陽市會盟鎮(zhèn)當(dāng)年自然成熟的水稻。其統(tǒng)計特征為:帶穗高度1.03m,行距200mm,平均產(chǎn)量7950kg/hm2。3試驗結(jié)果與分析3.1試驗因素本試驗所研究的梳脫裝置的性能指標(biāo)為損失率和含雜率。損失率為落在接料箱外籽粒、從接粒板前邊飛濺的籽粒、穗頭上未脫下籽?？傎|(zhì)量與籽?？傎|(zhì)量的百分比;含雜率為脫出物中除籽粒外其他雜物質(zhì)量與脫出物總質(zhì)量的百分比。兩項指標(biāo)均由人工分揀后通過電子稱測量計算得出。根據(jù)以往研究結(jié)論,試驗選取可能對上述兩項指標(biāo)有較大影響作用的滾筒轉(zhuǎn)速、齒跡距、梳齒高度和滾筒錐度作為試驗因素。試驗分為4因素混合水平的正交試驗和單因素試驗兩部分進行。正交試驗因素水平表如表1所示。單因素試驗是在分析正交試驗結(jié)果得到各因素的較優(yōu)水平組合的基礎(chǔ)上,對能夠用數(shù)學(xué)變量描述的、對試驗指標(biāo)影響顯著的因素進行重復(fù)試驗;對試驗結(jié)果進行回歸分析,得出回歸方程,建立該因素與試驗指標(biāo)關(guān)系的定量描述,最終找到最優(yōu)參數(shù)。3.2復(fù)合因素對含雜率的影響,其產(chǎn)生以下指標(biāo)影響的測量提出根據(jù)已有脫粒滾筒的理論分析和試驗結(jié)果,因素A與因素B、C、D可能存在交互作用,故選用的正交表要能夠安排4個3水平的因素和3種交互作用,且每種交互作用占2列。這樣因素與交互作用在正交表中總共占有10列,故應(yīng)選用L27(313)正交表。根據(jù)L27(313)的交互作用表進行表頭設(shè)計(如表2所示,第11、12、13列為空列,未在表中列出),然后進行試驗。試驗安排及試驗結(jié)果如表2所示。本試驗研究各試驗因素不同水平組合對損失率和含雜率兩項指標(biāo)的影響。損失率和含雜率指標(biāo)值都是越低越好;但二者的測量數(shù)據(jù)相差近1個數(shù)量級,為便于比較,對正交試驗所得的兩項指標(biāo)數(shù)據(jù)的處理采用綜合指標(biāo)來衡量。具體的計算方法是:首先對試驗測得的損失率和含雜率兩項指標(biāo)分別進行無量綱化處理(即進行百分制評分),每項指標(biāo)最小值為0,最大值為100,其他值按大小分別求得各自所對應(yīng)的評分值。由于在之前的預(yù)試驗中存在較大的入口飛濺損失,故在綜合指標(biāo)中取損失率指標(biāo)的權(quán)重為0.6,含雜率指標(biāo)的權(quán)重的為0.4。二者的評分值分別乘以各自的權(quán)重,對應(yīng)相加后所得綜合評分值即為綜合指標(biāo)值(越高越好),如表2所示。表2中,k1、k2、k3為各水平綜合指標(biāo)和。對正交試驗結(jié)果進行方差分析,把試驗誤差引起的試驗結(jié)果差異與試驗條件改變引起的結(jié)果差異區(qū)別開來,找出對綜合評分值影響不顯著的因素,排除其對后續(xù)試驗的影響。根據(jù)表2,計算得方差分析表如表3所示。查得臨界值,F0.01(2,18)=6.01,F0.05(1,18)=3.55,所以對于給定顯著性水平α=0.05,因素A、B、C、D都有非常顯著的影響,交互作用A×B、A×C、A×D對試驗結(jié)果沒有顯著的影響。又由于試驗指標(biāo)是越大越好,所以優(yōu)選方案應(yīng)取表2中各因素最大k值所對應(yīng)的水平,即為A1B3C1D1。由于優(yōu)選方案并不包含在正交表已做過的27個試驗方案中,所以需對優(yōu)選方案進行驗證。為此,進行了3次重復(fù)試驗,結(jié)果如表4所示。試驗結(jié)果證明,由正交試驗得到的優(yōu)選方案試驗指標(biāo)比較理想。3.3梳齒高度和確定確定由對試驗結(jié)果的方差分析可知,在4個試驗因素中,梳齒高度和滾筒錐度對試驗結(jié)果的影響最小,加之梳齒高度和滾筒錐度的連續(xù)改變比較困難,故此選定梳齒高度為8mm,滾筒錐度為5°;對其他兩個因素(即滾筒轉(zhuǎn)速和齒跡距)進行單因素試驗,研究其對損失率和含雜率的影響規(guī)律,綜合確定各自的最優(yōu)值。3.3.1基于回歸方程的確定確定正交試驗表明,滾筒轉(zhuǎn)速為900r/min時,綜合評分指標(biāo)明顯優(yōu)于500r/min和700r/min,故單因素試驗不再考慮500~700r/min范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速,選取700~1100r/min作為轉(zhuǎn)速試驗范圍,齒跡距和脫粒元件高度依據(jù)正交試驗結(jié)果確定。試驗結(jié)果如表5及圖3(a)所示。對以上數(shù)據(jù)依據(jù)最小二乘法進行擬合,可得到各指標(biāo)與滾筒轉(zhuǎn)速的回歸方程。綜合評分值與滾筒轉(zhuǎn)速的回歸方程為其中,y為綜合評分值,x為滾筒轉(zhuǎn)速(100r/min)。由回歸方程求得最佳滾筒轉(zhuǎn)速為760r/min,綜合評分值為82.24。由試驗結(jié)果可見:隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加,含雜率增加(表現(xiàn)為評分值減小),而損失率在滾筒轉(zhuǎn)速從700r/min增加到760r/min區(qū)段是明顯增加的,隨后減小。這是由于隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加,單位時間內(nèi)脫粒元件打擊穗頭的次數(shù)相應(yīng)增加,增加了脫出物中的雜物含量。另外,隨著滾筒轉(zhuǎn)速得增加,穗頭未脫凈損失減小,但入口飛濺損失會增加;而當(dāng)脫粒元件打擊穗頭的次數(shù)超過一定次數(shù)時,穗頭籽粒已基本脫凈,脫凈率不再增加。3.3.2齒輪轉(zhuǎn)速參數(shù)的確定正交試驗表明,齒跡距為10mm時,綜合評分指標(biāo)明顯優(yōu)于20mm和15mm,故單因素試驗不再考慮15~20mm范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速;但由于撥齒直徑為6mm,受此限制,齒跡距不宜過小,故選取8~15mm作為齒跡距試驗范圍,轉(zhuǎn)速取回歸試驗最優(yōu)轉(zhuǎn)速760r/min。脫粒元件高度依據(jù)正交試驗結(jié)果確定,試驗結(jié)果如表6及圖3(b)所示。對以上數(shù)據(jù)依據(jù)最小二乘法進行擬合,可得到各指標(biāo)與滾筒轉(zhuǎn)速的回歸方程。綜合評分值與滾筒轉(zhuǎn)速的回歸方程為其中,y為綜合評分值,x為齒跡距mm。由回歸方程求得最佳齒跡距為12.4mm,綜合評分值為79.23。由試驗結(jié)果可見,隨著齒跡距的增加,含雜率先增加再減小,并且在11mm達到最大值。這是因為11mm的齒跡距時相鄰兩齒內(nèi)側(cè)間隙為5mm,略大于1根小麥秸稈的直徑;但如果小于穗徑,莖稈進入兩齒之間后,穗頭容易被擠掉,造成含雜率增加(表現(xiàn)為評分值減小)。損失率在齒跡距從8mm增加到10mm區(qū)段降低比較明顯,但超過10mm后基本不再變化。這是由于在齒跡距由8mm增加到10mm的過程中,相鄰兩梳齒間空隙逐漸能容下1根水稻秸稈的直徑,梳脫作用增強,穗頭未脫凈損失降低。3.4單因素試驗參數(shù)根據(jù)上述正交試驗和單因素試驗結(jié)果,優(yōu)化確定各試驗因素參數(shù)如表7所示。在以上參數(shù)下進行3次重復(fù)試驗,測得指標(biāo)平均值為:損失率=0.48%,含雜率=8.75%,綜合效果比較理想。4單因素試驗和單次試驗分析1)雙螺旋梳脫滾筒能夠較好地解決割前脫粒飛濺損失大的問題,脫出物中含雜率較低,可有效降低清選裝置負荷。2)正交試驗表明,滾筒轉(zhuǎn)速與齒跡距是影響脫粒損失與脫出物中含雜率的主要因素。滾筒轉(zhuǎn)速過高會增加飛濺損失和脫出物含雜率,而滾筒轉(zhuǎn)速過低會增加未脫凈損失,