基于柔性轮胎橡胶元件的控速柔性脱粒装置的设计与试验

基于柔性轮胎橡胶元件的控速柔性脱粒装置的设计与试验

1脱粒机和联合长谷物脱粒装置分为两种类型：分段流式和轴流式。其中，分段流式脱粒装置具有生产能力高、工作可靠、分离物含量低、能耗小等优点。因此，它广泛应用于脱粒机和联合收割机上。但是,该脱粒装置的钢制脱粒元件对作物的冲击和揉搓强度过大,使得籽粒破碎常超过国家标准规定值(0.7%)。本研究采用柔性(轮胎橡胶)元件,降低了脱粒元件对作物的作用强度。并在脱粒装置的喂入口增加了作物控速装置,从而增加了脱粒元件对作物的作用次数。这种装置有效地控制了破碎率,提高了脱净率。2电机驱动,脱粒润滑试验装置(图1)的喂入口宽度为450mm,脱粒滚筒和控速轮以及传动带均由调速电机驱动,实现速度的无级调节;传动带被动端为弹性支承,与控速轮一起实现作物的夹持控速;脱粒滚筒的脱粒元件为六个均匀分布的橡胶滚;采用组合式栅格凹板,包角可调;接料车和接草车均由时间继电器控制的电机驱动,实现接料和接草的同步与定时。3控速柔性脱粒装置试验均匀铺放在传动带上的物料(为简化分析,图中只画一株纵向喂入的物料),在刚进入脱粒间隙的瞬间,其后半部仍由传动带和控速轮夹持输送,高速转动着的脱粒滚筒的柔性橡胶不能立即将作物完全抓入滚筒和凹板之间,实现了作物在入口处的多次柔性冲击及梳刷。随着控速喂入柔性脱粒的进行,作物逐渐脱离控速装置,此后,作物便以较高的速度通过脱粒间隙,实现传统的脱粒过程。本研究采用二次通用旋转回归试验方法,对小麦进行了回归试验,建立了性能指标的回归数学模型,优化确定了控速柔性脱粒装置的最佳结构和运动参数,并进行了试验验证以及与传统脱粒装置的对比试验。整个试验参照《农业机械试验条件测定方法的一般规定》(GB5262—85)和《稻麦脱粒机试验方法》(GB5982—86)的要求进行,试验选择的性能指标为:①凹板分离率y1,②未脱净率y2,③夹带率y3,④单位喂入量功耗y4,⑤含杂率y5,⑥籽粒破碎率y6,⑦断穗率y7,⑧包壳率y8,⑨杂质中含茎秆率y9。其中凹板分离率越高越好,其余指标越低越好。4二次通用旋转回归试验和参数优化本次试验用小麦的茎杆含水率为26.4%,籽粒含水率为15%。谷草比1:1.3。4.1控速轮线速度与确定前人对传统切流式脱粒装置的研究结果表明,喂入量、脱粒间隙、滚筒线速度和凹板长度四个主要参数的对脱粒性能有比较大的影响。本研究单因素试验表明,控速轮线速度和滚筒线速度之间应有一定的比例关系。控速轮转速过低,脱出物含杂率和断穗率增加;控速轮转过高,则失去了对作物的控速作用,且夹带率增加,当控速轮线速度是脱粒滚筒线速度的1/4时,具有较好的综合脱粒性能,因此,本试验取此值。回归试验因素为喂入量、入口脱粒间隙、滚筒线速度和凹板长度,出口脱粒间隙取入口脱粒间隙的1/4。4.2入口脱粒间隙及凹板长度的编码试验因子水平编码见表1,试验方案及试验结果见表2。表2中x1、x2、x3、x4分别是喂入量、入口脱粒间隙、滚筒线速度和凹板长度的因子水平编码。试验结果表明:在整个试验范围内,籽粒破碎率为0%～0.03%。4.3返回程序与参数优化4.3.1性能指标的回归处理二次通用旋转回归试验设计的回归方程模型如下:由于籽粒破碎率很小,可以忽略不计,故没有对该项性能指标进行回归处理。在回归方程的建立过程中,分别对方程的显著性和各回归系数的显著性进行了检验,结果见表3。表3中各项是因子编码空间内回归方程的各项系数。4.3.2复合脱粒间隙和控速轮线速度参数对于脱粒装置而言,最重要的性能指标是未脱净率,因此本研究以未脱净率为主目标,优化获得因子编码空间内最优参数组合为:x1=0.36,x2=-0.49,x3=0.22,x4=1.20,即喂入量Q=1.036kg/s,入口脱粒间隙Z=18.04mm,滚筒线速度V=27.6m/s,凹板长度L=0.51m,此时,出口脱粒间隙为4.5mm,控速轮线速度为6.9m/s。预测性能指标为:凹板分离率93.15%,未脱净率0.14%,夹带率4.51%,单位喂入;量功耗2.6kW/kg·s,含杂率25%,断穗率2.39%,包壳率0.42%,杂质中含茎秆率3.0%。由于优化提供的最佳参数并未在回归试验中出现,因此有必要进行优化结果验证试验,以判定在最佳参数组合时,脱粒装置的性能指标是否达到回归方程预测值。验证试验值和方程预测值(见表4)比较接近,说明回归方程是可靠的,可以用于性能分析和预测。5对主要性能指标的影响图2是将回归方程四个自变量中的三个固定在优化点,使脱粒性能指标依某一参数变化绘制的参数对五个主要性能指标的影响规律曲线。由曲线可看出,减小脱粒间隙、增加凹板长度和滚筒线速度有利于提高分离率、降低未脱净率和减小夹带率,但会使含杂率和功耗增加;由图2a可知,当喂入量增加时,脱粒性能变化不大,说明控速柔性脱粒装置具有比较强的喂入量适应能力。6控速柔性脱粒装置本研究的对比试验是在控速柔性脱粒装置和常用的切流式纹杆脱粒装置之间进行的,对比试验包括性能对比试验和喂入能力对比试验。性能对比试验结果见表5。控速柔性脱粒的分离率、未脱净率、夹带率、破碎率均明显优于切流式纹杆脱粒装置,分离率、夹带率和破碎率尤其明显,这是因为控速装置的存在使得作物在脱粒装置的入口处受到多次柔性冲击和梳刷,不仅没有引起籽粒的破碎,而且延长了籽粒的分离时间。但是控速柔性脱粒装置的功耗大,脱出物含杂率高。如果把纹杆式脱粒装置的滚筒线速度提高到30m/s左右,脱粒性能会有所改善,但籽粒破碎率常常超过1%。喂入量对比试验表明,控速柔性脱粒装置对大喂入量的适应能力要比纹杆滚筒强得多。对于纹杆滚筒,喂入宽度为450mm,当喂入量达到1.2kg/s时,便出现了严重的负荷不均现象,这是由于滚筒对作物成堆抓取造成的,脱粒性能指标明显下降。而控速柔性脱粒装置的控速装置可实现作物的强制均匀喂入,在喂入量高达1.5kg/s时,仍具有良好的脱粒性能,凹板分离率88.4%,未脱净率0.42%,夹带率8.8%,单位喂入量功耗2.82kW/kg·s,籽粒破碎率0,含杂率23.3%,断穗率2.6%,包壳率0.4%,杂质中含茎秆率1.6%。7控速柔性脱粒装置1)采用柔性脱粒元件代替传统的钢制脱粒元件可以有效地防止脱粒过程中的籽粒破碎。2)脱粒装置入口控速装置不仅可以增加脱粒元件在入口