双螺旋喂入式铺膜滚筒的设计与试验

双螺旋喂入式铺膜滚筒的设计与试验

0水稻割前收获工艺技术及设备收获前，直接脱粒和联合收获，消除田间自然分布的粮食直接脱粒，清除收获后所需的传输方式，然后脱粒后的茎对应于茎切割机构，并进行切割和积聚。采用这种收获工艺,可使联合收割机结构简化、功耗低、质量小、生产效率较高,成为目前谷物联合收割机领域的一个研究热点。文献提出了一种先摘穗后脱粒的收获工艺,并设计了以三角形摘穗板齿为摘穗元件的摘穗装置;文献研究了水稻的梳脱工艺和基于梳脱原理的水稻联合收割机;文献开发了一种基于气吸式摘穗装置的水稻割前脱收机器系统,较好地解决了水稻割前收获技术难题。其主要问题表现在入口处飞溅损失严重、气吸装置体积较大、功耗高、对制造技术要求严格。本文借鉴前人研究基础,研制了一种双螺旋纵向喂入梳脱滚筒,集喂入与脱粒于一体,采用双螺旋滚筒侧边喂入、轴流脱粒的工作方式,可一次完成水稻喂入、摘脱和复脱,省掉了庞大的梳脱割台和输送装置,有效减小了整机体积。田间试验表明,这种摘脱滚筒可有效降低入口处的飞溅损失。1双螺旋梳脱置界面设计双螺旋梳脱滚筒由双螺旋喂入装置、梳脱滚筒、防溅装置3部分组成,结构简图如图1所示。1)双螺旋喂入装置用来把田间站立的带穗茎秆引导至脱粒滚筒左侧,并将穗头喂入滚筒与凹板的间隙;其前端的两锥搅龙螺旋叶片对倒伏作物有一定的扶起作用。该装置主要由下锥搅龙、上锥搅龙、传动齿轮、皮带轮、上圆柱搅龙和下圆柱搅龙等组成。其中,上、下锥搅龙前端的水平距离可设计为400、500、600mm,分别对行距为400、2500、300mm的水稻进行双行收获。2)梳脱滚筒用于对小麦穗头进行梳刷脱粒,主要由壳体、滚筒、凹板、皮带轮、链轮及输送搅龙等组成。脱粒原件采用直径5mm的指状梳齿,在滚筒上按双头螺旋分布,滚筒转速、齿高与齿迹距通过试验来确定。3)防溅装置用于防止籽粒从前喂入口溅出,主要由接粒板及挡帘等组成。工作时,双螺旋梳脱滚筒安装于联合收割机上,代替传统联合收割机的割台和脱粒装置;随着联合收割机的前进,双螺旋喂入装置的上下两个圆柱搅龙在皮带轮的带动下相向旋转,并通过万向节分别带动上下锥形搅龙转动;位于两锥形搅龙前端部之间的两行小麦沿锥形搅龙表面相对滚筒向后运动,并逐渐向中间聚拢,搅龙叶片用于克服搅龙表面对秸秆的摩擦力,防止向前推到秸秆;当秸秆运动到圆锥搅龙后端时,被上下锥搅龙外表面向滚筒方向压倒,在搅龙叶片推动下穗头伸入滚筒中;随后在圆柱搅龙叶片推动下继续沿滚筒轴向向后运动,脱净后的籽粒及秸秆从脱粒滚筒后部排出,含少量颖糠等杂物的脱出物从凹板落下后由输送搅龙输送到扬谷器。2试验设备和原理2.1带穗水稻秸秆输送为测试双螺旋梳脱滚筒的性能,设计了室内试验台架,如图2所示。其主要由双螺旋梳脱滚筒、秸秆输送装置、接料装置及变频电机调速系统等组成。变频调速电机通过皮带轮带动秸秆输送装置的两条输送带运动,每条输送带上装有一对夹板,横向距离200mm,与田间水稻行距相同,每对夹板用于固定一行带穗水稻秸秆,秸秆稠密度模拟田间情况。夹板固定在输送带上,输送带由变频调速电机驱动;双螺旋梳脱滚筒通过支架固定在秸秆输送装置上方,由变频调速电机驱动。为了测量损失率和含杂率率,试验台去掉了图1中的输送搅龙,并在脱粒滚筒壳体下部沿纵向剖开一个长500mm、宽100mm的物料出口,喂入口及出口下方分别用接料盒接住脱出物。试验时,首先在夹板上均匀固定2行水稻,每行水稻长度为3m。为保证脱粒时喂入速度稳定,每行水稻右端距脱粒装置喂入口距离1m。首先启动脱粒装置,待转速稳定后再启动秸秆输送装置,脱粒完成后对接料盒中的脱出物进行测量。2.2转速传感器及仪器本试验所用到的测试仪器包括ZJ1A型转矩转速传感器、ZJYW1型数字转矩转速仪、微型计算机、AD-CRAS数据采集系统、电子秤及红外转速测量仪等。2.3试验材料试验所用物料为洛阳市会盟镇当年自然成熟的水稻。其统计特征为:带穗高度1.03m,行距200mm,平均产量7950kg/hm2。3试验结果与分析3.1试验因素本试验所研究的梳脱装置的性能指标为损失率和含杂率。损失率为落在接料箱外籽粒、从接粒板前边飞溅的籽粒、穗头上未脱下籽粒总质量与籽粒总质量的百分比;含杂率为脱出物中除籽粒外其他杂物质量与脱出物总质量的百分比。两项指标均由人工分拣后通过电子称测量计算得出。根据以往研究结论,试验选取可能对上述两项指标有较大影响作用的滚筒转速、齿迹距、梳齿高度和滚筒锥度作为试验因素。试验分为4因素混合水平的正交试验和单因素试验两部分进行。正交试验因素水平表如表1所示。单因素试验是在分析正交试验结果得到各因素的较优水平组合的基础上,对能够用数学变量描述的、对试验指标影响显著的因素进行重复试验;对试验结果进行回归分析,得出回归方程,建立该因素与试验指标关系的定量描述,最终找到最优参数。3.2复合因素对含杂率的影响,其产生以下指标影响的测量提出根据已有脱粒滚筒的理论分析和试验结果,因素A与因素B、C、D可能存在交互作用,故选用的正交表要能够安排4个3水平的因素和3种交互作用,且每种交互作用占2列。这样因素与交互作用在正交表中总共占有10列,故应选用L27(313)正交表。根据L27(313)的交互作用表进行表头设计(如表2所示,第11、12、13列为空列,未在表中列出),然后进行试验。试验安排及试验结果如表2所示。本试验研究各试验因素不同水平组合对损失率和含杂率两项指标的影响。损失率和含杂率指标值都是越低越好;但二者的测量数据相差近1个数量级,为便于比较,对正交试验所得的两项指标数据的处理采用综合指标来衡量。具体的计算方法是:首先对试验测得的损失率和含杂率两项指标分别进行无量纲化处理(即进行百分制评分),每项指标最小值为0,最大值为100,其他值按大小分别求得各自所对应的评分值。由于在之前的预试验中存在较大的入口飞溅损失,故在综合指标中取损失率指标的权重为0.6,含杂率指标的权重的为0.4。二者的评分值分别乘以各自的权重,对应相加后所得综合评分值即为综合指标值(越高越好),如表2所示。表2中,k1、k2、k3为各水平综合指标和。对正交试验结果进行方差分析,把试验误差引起的试验结果差异与试验条件改变引起的结果差异区别开来,找出对综合评分值影响不显著的因素,排除其对后续试验的影响。根据表2,计算得方差分析表如表3所示。查得临界值,F0.01(2,18)=6.01,F0.05(1,18)=3.55,所以对于给定显著性水平α=0.05,因素A、B、C、D都有非常显著的影响,交互作用A×B、A×C、A×D对试验结果没有显著的影响。又由于试验指标是越大越好,所以优选方案应取表2中各因素最大k值所对应的水平,即为A1B3C1D1。由于优选方案并不包含在正交表已做过的27个试验方案中,所以需对优选方案进行验证。为此,进行了3次重复试验,结果如表4所示。试验结果证明,由正交试验得到的优选方案试验指标比较理想。3.3梳齿高度和确定确定由对试验结果的方差分析可知,在4个试验因素中,梳齿高度和滚筒锥度对试验结果的影响最小,加之梳齿高度和滚筒锥度的连续改变比较困难,故此选定梳齿高度为8mm,滚筒锥度为5°;对其他两个因素(即滚筒转速和齿迹距)进行单因素试验,研究其对损失率和含杂率的影响规律,综合确定各自的最优值。3.3.1基于回归方程的确定确定正交试验表明,滚筒转速为900r/min时,综合评分指标明显优于500r/min和700r/min,故单因素试验不再考虑500~700r/min范围内转速,选取700~1100r/min作为转速试验范围,齿迹距和脱粒元件高度依据正交试验结果确定。试验结果如表5及图3(a)所示。对以上数据依据最小二乘法进行拟合,可得到各指标与滚筒转速的回归方程。综合评分值与滚筒转速的回归方程为其中,y为综合评分值,x为滚筒转速(100r/min)。由回归方程求得最佳滚筒转速为760r/min,综合评分值为82.24。由试验结果可见:随着滚筒转速的增加,含杂率增加(表现为评分值减小),而损失率在滚筒转速从700r/min增加到760r/min区段是明显增加的,随后减小。这是由于随着滚筒转速的增加,单位时间内脱粒元件打击穗头的次数相应增加,增加了脱出物中的杂物含量。另外,随着滚筒转速得增加,穗头未脱净损失减小,但入口飞溅损失会增加;而当脱粒元件打击穗头的次数超过一定次数时,穗头籽粒已基本脱净,脱净率不再增加。3.3.2齿轮转速参数的确定正交试验表明,齿迹距为10mm时,综合评分指标明显优于20mm和15mm,故单因素试验不再考虑15~20mm范围内转速;但由于拨齿直径为6mm,受此限制,齿迹距不宜过小,故选取8~15mm作为齿迹距试验范围,转速取回归试验最优转速760r/min。脱粒元件高度依据正交试验结果确定,试验结果如表6及图3(b)所示。对以上数据依据最小二乘法进行拟合,可得到各指标与滚筒转速的回归方程。综合评分值与滚筒转速的回归方程为其中,y为综合评分值,x为齿迹距mm。由回归方程求得最佳齿迹距为12.4mm,综合评分值为79.23。由试验结果可见,随着齿迹距的增加,含杂率先增加再减小,并且在11mm达到最大值。这是因为11mm的齿迹距时相邻两齿内侧间隙为5mm,略大于1根小麦秸秆的直径;但如果小于穗径,茎秆进入两齿之间后,穗头容易被挤掉,造成含杂率增加(表现为评分值减小)。损失率在齿迹距从8mm增加到10mm区段降低比较明显,但超过10mm后基本不再变化。这是由于在齿迹距由8mm增加到10mm的过程中,相邻两梳齿间空隙逐渐能容下1根水稻秸秆的直径,梳脱作用增强,穗头未脱净损失降低。3.4单因素试验参数根据上述正交试验和单因素试验结果,优化确定各试验因素参数如表7所示。在以上参数下进行3次重复试验,测得指标平均值为:损失率=0.48%,含杂率=8.75%,综合效果比较理想。4单因素试验和单次试验分析1)双螺旋梳脱滚筒能够较好地解决割前脱粒飞溅损失大的问题,脱出物中含杂率较低,可有效降低清选装置负荷。2)正交试验表明,滚筒转速与齿迹距是影响脱粒损失与脱出物中含杂率的主要因素。滚筒转速过高会增加飞溅损失和脱出物含杂率,而滚筒转速过低会增加未脱净损失,