割前摘脱收获机立式离心分离复脱清选装置优化

孙 伟 那明君 冯 江 蒋亦元

(1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030； 2.东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030)

0 引言

割前摘脱是把生长在田间禾秆上的谷物籽粒直接摘脱下来，输送到复脱分离、清选装置进行后续作业[1-4]。割前摘脱收获工艺只针对作物的穗部进行摘脱，其脱出物组成成分中草谷比大大降低[5-6]，与传统的全喂入或半喂入式联合收获机进入脱粒装置的喂入物的组成有很大的差异[7]。因此开展割前摘脱收获工艺中的复脱、分离、清选装置等相关的理论与试验研究是非常必要的[8-11]。

刘大为等[12]探寻了旋风清选分离筒中气流和籽粒两相流动规律，以低损试验条件下谷粒清洁率为目标，进行了台架优化试验。刘正怀等[13]设计了一种气流式清选装置，并对其清选筒、吸风管、吸风机的结构参数和工作参数进行了优化和试验，降低了总损失率、破碎率和含杂率。唐忠等[14-15]针对影响联合收获机脱粒分离性能的参数进行了回归分析。李耀明等[7, 16-18]对脱出物复脱分离清选装置进行了深入的理论分析和试验研究，为相关领域的设计和试验提供了依据。PANASIEWICZ等[19]对谷物的清选分离过程进行了技术分析，并给出了气流清选过程中提高分离率和降低损失的建议。MONDOL等[20-21]对一种立式筛分装置进行了试验研究，获得了转速和喂入量的最佳匹配关系。衣淑娟等[22-24]对轴流脱粒分离装置的脱粒过程和脱出物性质进行了试验研究和高速摄像分析。

以上关于传统脱出物处理装置的相关研究已经较多，有的已经达到较高水平，但尚缺少针对割前摘脱脱出物的高效处理装置。东北农业大学蒋亦元团队针对割前摘脱脱出物的特点和收获机结构配置，设计了一种离心分离、复脱、清选复合装置，安装于4ZTL-2000型割前摘脱联合收获机上[2,25-27]。田间初步试验表明，该处理装置处理效率较高，处理后的谷粒清洁率符合国家标准，但在喂入量与输送器转速匹配不佳时，会出现工作性能下降的现象。本研究借助响应曲面分析法，分析工作参数和性能指标之间的关系，以期优化其工作参数，并为割前摘脱脱出物分离复脱清选装置在田间作业时的参数调整提供依据。

1 离心分离复脱清选装置原理

1.1 工作原理

图1所示为4ZTL-2000型割前摘脱稻(麦)联合收获机结构简图，所设计的离心分离复脱清选装置如图中点划线所示范围。由于该联合收获机采用了气流吸运[27]，机构较庞大；同时采用了板齿滚筒摘穗装置[28]，分离、清选的处理量也较大。在图1所示的离心分离复脱清选装置中，内部装有一个立式螺旋输送器，其外套为一个圆筒筛，圆筒筛下段无筛孔，上段有筛孔。在有筛孔段的外面套有一个中间筒，从而形成一个环形沉降室，在无筛孔段的顶部装有一个三角带轮，轮缘装有螺旋桨式叶片。在环形沉降室的外围还设有另一外筒，与环形沉降室的外壳构成环形气流清选室。清选室的上端与具有负压的气流吸运管道相通，底部设置有进气孔，外筒的下端连接一个截顶圆锥面，在截顶圆锥面的下方围绕着无筛孔的圆筒设置一个倾斜的溜槽，排粮叶片刮下经过分离和清选的谷粒，在集粮口收集。未能筛出的谷粒与未脱净的断穗在排草轮的带动下，通过排草口进入联合收获机后部的沉降分离箱进行再次分离复脱和清选。

图1 安装有离心分离复脱清选装置的4ZTL-2000型割前摘脱稻(麦)联合收获机结构简图Fig.1 4ZTL-2000 TPC stripper combine harvester of rice/wheat mounted with centrifugal separating-rethreshing-cleaning apparatus1.筒筛下段 2.集粮口 3.排粮叶片 4.三角带轮 5.进气孔 6.螺旋叶片 7.外筒 8.中间筒 9.筒筛上段 10.输送器 11.排草口 12.排草轮 13.吸运管道 14.沉降室 15.气流清选室 16.喂入叶片

1.2 结构特点

田间初步试验结果表明，离心分离复脱清选装置分离出来的谷粒清洁度高，破碎率低，暂时分离不出的谷粒和未脱净的断穗可以通过循环再次分离与复脱，这种再循环流程不会使排草口排出的短茎秆和断穗等夹杂的谷粒排出机外，也就不会造成因裹夹的谷粒从筛尾排出所引起的损失，并省去了杂余输送器。

同时该装置由下端喂入，方式简单，结构紧凑，整体质量轻，体积小，适合在联合收获机上安装，所需的动力易于获得和控制，且对地面坡角不敏感。由于筒筛下半段为无孔圆筒，该段就自然成为立置螺旋升运筒，升运高度又不受限制，因而清选后的谷粒可不经升运直接进入粮袋或粮箱，从而形成了分离、复脱、清选复合处理装置。离心分离复脱清选装置的工作流程如图2所示。

图2 离心分离复脱清选装置工作流程图Fig.2 Working flow chart of centrifugal separating-rethreshing-cleaning apparatus for threshed material

2 试验装置

试验装置主要由输送、处理和控制等部分组成，如图3所示。试验台的主要技术参数如表1所示。

图3 试验装置示意图Fig.3 Schematic drawing of experimental system1.被动带轮 2.传送带 3.输送装置机架 4.物料 5.电动机Ⅰ 6.蜗轮蜗杆减速器 7.主动带轮 8.料斗 9.喂入叶片 10.茎杂收集袋 11.排草口 12.排草叶片 13.处理装置机架 14.外筒 15.谷物隔板 16.排粮口挡板 17.谷物收集室 18.筒筛上部 19.排粮口 20.筒筛下部 21.立式输送器 22.电动机Ⅱ 23.电动机Ⅲ 24.控制柜

2.1 输送部分

输送部分主要由输送装置机架、主动带轮、被动带轮、传送带、电动机Ⅰ、蜗轮蜗杆减速器组成。

试验时，将割前摘脱脱出物物料(谷粒、少量漏脱的断穗和短秸秆的混合物)均匀铺放于传送带上，启动电动机Ⅰ，输出动力经过蜗轮蜗杆减速器减速，带动主动带轮旋转，传送带将物料喂入到处理部分。

表1 试验台主要技术参数Tab.1 Technical parameters of experimental system

2.2 处理部分

处理部分主要由处理装置机架、料斗、喂入叶片、立式输送器、下端壳、筒筛、外筒、谷物隔板以及电动机Ⅱ和电动机Ⅲ组成。

喂入叶片由电动机Ⅲ带动。立式输送器螺旋方向为右旋，与筒筛内壁的间隙为7 mm。筒筛上部为冲孔筛，筛孔为长孔，筛孔的长轴方向与水平方向的夹角为40°，筛孔倾斜方向和输送器旋转方向一致，尺寸为7 mm×23 mm，筒筛壁厚1.5 mm，筒筛的活筛面积大于40%。外筒用于防止谷物在分离的过程中崩落。谷物隔板把谷物收集室分为5段，以防止谷物在底部集中堆积。

进行试验时，由传送带将物料喂入料斗。启动电动机Ⅲ，带动喂入叶片旋转，将物料喂入无筛孔的筒筛下部。启动电动机Ⅱ，立式输送器旋转，物料在立式输送器的推运力下实现升运。在升运过程中，物料中含有的断穗实现复脱，物料升运至筒筛上部后，在离心力作用下，比重较大的谷粒夹杂部分轻杂穿透筛孔，进入由筒筛上部和在其外围设置的外筒所构成的谷物收集室。不同长度部分筛出的谷物降落到不同的谷物隔板上。一次试验完毕后，打开不同位置的排粮口挡板，将谷物从谷物收集室排粮口取出，并将其分别装入编好号码的不同口袋中，方便进行数据处理。未被筛出的少量未脱净断穗、短秸秆和谷粒被立式输送器推到顶部，由排草叶片排出排草口，进入茎杂收集袋，进行数据处理。

2.3 控制部分

控制柜是本试验装置的电器控制系统，包含控制电动机Ⅰ的空气开关，以及控制电动机Ⅱ和电动机Ⅲ转速的两个F1000-G系列变频器。为防止启动电动机时传送带打滑现象的出现，对传送装置中的主动带轮及被动带轮加装了防滑层。考虑传动过程中的各种影响因素，对传送带的传送速度进行标定。为了获得变频器频率与电动机转速的对应关系，试验前先对电动机Ⅱ和电动机Ⅲ进行标定。

3 台架试验

3.1 试验因素编码

试验影响因素分别为输送器转速n和喂入量q，对应的因素编码值以x1和x2表示。各因素的变化范围根据理论分析和前期预备性试验确定。根据二次正交旋转组合设计的试验要求[29-30]，确定因素编码如表2所示。

表2 试验因素编码Tab.2 Coding of factors

3.2 试验步骤

采用二次回归正交旋转试验设计方法安排试验，试验过程如图4所示。参考GB/T 8097—2008《收获机械 联合收割机 试验方法》中的相关规定，并结合割前摘脱收获工艺的特点，参照试验方案表进行试验，主要试验步骤如下：

图4 主要试验过程Fig.4 Main experimental process

(1)根据每个试验点所需要的喂入量和喂入时间确定物料质量。并根据所需要的输送器转速及标定结果计算变频器读数。

(2)试验所用物料由4ZTL-2000型割前摘脱联合收获机在田间试验过程中从脱出物喂入端采集获得，物料组成质量比为：谷粒∶长草∶轻杂约为9∶0.6∶0.4，其余性状如表3所示。每次试验加入预先染成红色并且已称量的5个稻穗，用于检验复脱率。

表3 脱出物物料性状Tab.3 Physical properties of experimental materials

(3)物料喂入时间为5 s，以预定长度将物料均匀铺放在喂入传送带上，传送带前方预留0.5 m的缓冲区，用以缓冲传送带加速过程。

(4)首先启动喂入叶片和输送器电动机，根据试验计划调节变频器读数。待转速稳定后，启动传送带，脱出物物料被喂入处理装置。第k个排粮口(k=1，2，…，5)的排出物及其对应的“排粮口卡片”分别用口袋k包装并标记。

(5)对试验结果进行数据处理，计算出试验指标，并对所获得的结果进行响应面分析和优化。

3.3 试验指标

评价指标包括分离率y1、复脱率y2和破碎率y3，其计算式分别为

(1)

(2)

(3)

式中msk——从第k个排粮口排出的全部谷粒质量，g

m′s——排草口所排出的全部谷粒质量，g

mrl——第l个染红稻穗的质量，g

m′r——从排草口所排出的所有未被复脱的染红断穗的总质量，g

md——从排粮口所收集的谷粒中随机称取的样品质量，g

m′d——样品中所挑出的破碎的或有损伤的谷粒质量，g

y03——试验前物料的自然破碎率，%

3.4 试验结果及数据处理

表4为试验安排及结果。根据所得的试验数据，通过式(1)～(3)分别计算得到分离率y1、复脱率y2和破碎率y3。应用Design-Expert软件进行分析，得出试验指标随各因素变化关系的二次回归方程模型[31-32]。

表4 二次旋转正交组合试验方案与结果Tab.4 Scheme and result of quadratic rotation-orthogonal combination design

3.4.1分离率回归分析

分离率y1随各因素变化关系的二次回归方程模型为

(4)

转化得到以试验因素实际量表示的回归方程

y1=132.5-14.3q-9.4×10-2n-1.8×10-2qn+3.1q2+1.1×10-4n2

(5)

剔除模型的不显著项，可得分离率y1随各因素变化关系的二次回归方程模型

(6)

转化得到以试验因素实际量表示的回归方程

y1=132.5-14.3q-9.4×10-2n+1.1×10-4n2

(7)

3.4.2复脱率回归分析

复脱率y2随各因素变化关系的二次回归方程模型为

(8)

转化得到以试验因素实际量表示的回归方程

y2=48.3-30.1q+0.1n+9.6×10-4qn+6.0q2-6.4×10-5n2

(9)

剔除模型的不显著项，可得复脱率y2随各因素变化关系的二次回归方程模型

y2=53.0-4.2x1+9.6x2

(10)

转化得到以试验因素实际量表示的回归方程

y2=48.3-30.1q+0.1n

(11)

3.4.3破碎率回归分析

破碎率y3随各因素变化关系的二次回归方程模型为

(12)

转化得到以试验因素实际量表示的回归方程

y3=-4.146+4.080q+0.010n+0.001qn-1.338q2-1.342×10-5n2

(13)

剔除模型的不显著项，可得破碎率y3随各因素变化关系的二次回归方程模型

(14)

转化得到以试验因素实际量表示的回归方程

y3=-4.146+0.010n-1.338q2-1.342×10-5n2

(15)

4 结果分析与参数优化

4.1 各因素重要性分析

为了判断各因素对响应函数作用的程度，对于二次回归方程，通过方差分析得到各回归系数的F值，定义贡献率

(16)

可求出方程各因素对指标的贡献率，对于第j个因素，其贡献率为[30]

(17)

式中δj——第j个因素一次项的贡献率

δjj——第j个因素二次项的贡献率

δij——第j个因素与其他因素交互作用的贡献率

依据式(16)和式(17)，分别计算喂入量和输送器转速对分离率、复脱率以及破碎率的贡献率。比较每个因素的贡献率Δj，从而判断各因素对各试验指标的影响。

求得各因素对分离率y1的贡献率分别为Δ1=0.10，Δ2=1.89。因此，两个因素对指标的作用影响程度是x2大于x1，即输送器转速对分离率的影响最大，喂入量次之。

求得各因素对复脱率y2的贡献率分别为Δ1=0.92，Δ2=1.08。因此，两个因素对指标的作用影响程度是x2大于x1，即输送器转速对复脱率的影响略大于喂入量。

求得各因素对破碎率y3的贡献率分别为Δ1=0.33，Δ2=2.21。因此，两个因素对指标的作用影响程度是x2大于x1，即输送器转速对破碎率的影响较大，喂入量则较小。

4.2 响应面分析

4.2.1分离率响应面分析

根据所得回归方程，绘制出喂入量和输送器转速对分离率影响的响应曲面图和等高线图，如图5a所示。

由图5a可见，喂入量和输送器转速对分离率的交互影响作用显著。响应变量的最大值在喂入量q=1.23 kg/s、输送器转速n=258.58 r/min时取得，而回归方程在图示定义区间内并未取得极大值点。响应变量的最小值在喂入量q=2.07 kg/s、输送器转速n=541.42 r/min时取得。这可能是因为，随着输送器转速的减小，物料在输送器内的升运能力下降，物料存积在筒筛底部的分离时间增长。随着喂入量的增大，分离率整体不断下降。当喂入量取值较小时，输送器转速可以在较大范围内调整，对分离率的影响范围较小。这可能是因为，当喂入量较小时，增大输送器转速虽然增大了物料的升运速度，但喂入量尚不能满足输送器的升运需求，单位质量的物料接触单位筛面的几率仍然很大，因此不会导致分离率较大程度的降低。当喂入量取值较大时，输送器转速的变化对分离率的影响较大。这可能是因为，当喂入量较大时，物料接触单位筛面的几率变小，但输送器转速决定了物料的升运速度，因此当输送器转速较小时，物料在筒筛底部分离时间变长，分离率较大。当输送器转速较大时，物料接触单位筛面的几率急剧变小，导致分离率迅速降低。

4.2.2复脱率响应面分析

根据所得回归方程，绘制出喂入量和输送器转速对复脱率影响的响应曲面图和等高线图，如图5b所示。

由图5b可见，喂入量和输送器转速对复脱率的交互影响作用较大。响应变量的最大值在喂入量q=1.23 kg/s、输送器转速n=541.42 r/min时取得，而回归方程在图示定义区间内并未取得极大值点。响应变量的最小值在喂入量q=2.07 kg/s、输送器转速n=258.58 r/min时取得，而回归方程在图示定义区间内并未取得极小值点。这可能是因为，当输送器转速较大时，断穗在输送器内所受到的复脱作用力较大，复脱的概率增加，特别是当喂入量较小时，每个稻穗接触输送器和筒筛的几率增大，因此复脱的几率增大。随着输送器转速的减小，断穗在输送器内所受到的复脱作用力比较缓和，增大喂入量使得每个稻穗在输送器和筒筛的作用力下被复脱的几率进一步降低。随着喂入量的增大，复脱率整体不断下降。这可能是因为，喂入量的增大引起稻穗在物料中所占的比重变小，接触输送器和筒筛的几率降低。当喂入量不变时，改变输送器转速对复脱率的影响较大。此时随着输送器转速的不断变大，复脱率显著增大。这可能是因为，当喂入量固定时，增大输送器转速的同时就增大了输送器和筒筛对断穗的作用力，从而提高了复脱能力。

4.2.3破碎率响应面分析

根据所得回归方程，绘制出喂入量和输送器转速对破碎率影响的响应曲面图和等高线图，如图5c所示。

图5 试验模型的响应曲面图和等高线图Fig.5 Response surface and contour maps of experiment

由图5c可见，喂入量和输送器转速对破碎率的交互影响作用较大。响应变量的最大值出现在喂入量和输送器转速的中心点附近，回归方程亦在图示定义区间内取得极大值。在二维变量定义区间内的4个端点处破碎率较小，响应变量的最小值在该4个端点之一处取得。这可能是因为，随着输送器转速的减小，物料在输送器内的升运能力下降，虽然物料存积在筒筛底部的分离时间增长，但此时输送器和筒筛下部无筛孔部分对谷粒的作用力较为缓和。喂入量越小，物料越稀薄，引起谷粒破碎的程度也就很小。而当喂入量很大时，筒筛内物料分布密度较大，谷粒破碎的程度同样很小。破碎率最大值出现在喂入量和输送器转速中心点附近的原因可能是，当喂入量处于零水平附近并且输送器转速不太大时，输送器的升运能力较大，但同时物料在筒筛内的分布密度居中，2个因素的相互作用下恰能使谷粒在筒筛内的破碎程度达到受力时间和受力大小的最大组合。

4.3 参数优化

根据上述结论，采用多目标优化方法，应用Design-Expert软件进行优化求解。分别以分离率、复脱率、破碎率的回归方程作为响应变量函数并限定其取值范围，确定因子变量及相应的约束条件，进行模型优化，寻找到满足响应变量范围的因子最佳组合。

4.3.1因素变量

研究的因素变量分别为喂入量x1和输送器转速x2，即设计因素变量为x=(x1,x2)。

4.3.2响应变量函数

研究的响应变量为分离率、复脱率和破碎率，即y=f(x)=(f1(x),f2(x),f3(x))。

根据响应面分析所得结论，及对响应变量和因素变量的要求，有

(18)

4.3.3结果与验证

应用Design-Expert软件进行优化求解，得到满足响应变量范围的因素优化参数组合方案为x*=(-1,1)，此时响应变量的期望值为y*=f(x*)=(90.4%,66.1%,0.77%)。根据上述分析所得最佳参数组合方案进行了验证性试验。在最佳参数组合方案条件下获得的响应值为(89.4%,65.2%,0.83%)。验证结果显示，得到的响应值接近理论值，表明回归方程与实际情况符合较好，模型可靠。

4.3.4应用建议

上述结果是针对装置的最佳工作参数所做的优化，用于田间以定速作业或作为单独的处理部件时参考选用。若需确定田间不同作业速度时的最优工作参数，可将喂入量固定在不同水平，进行降维分析，以确定不同喂入量与输送器转速之间的匹配关系。

由于暂时分离不出的谷粒和未脱净的断穗可以通过循环喂入进行再次分离与复脱，故分离率和复脱率将会在循环处理中得以不断提升。关于多次循环处理过程对物料破碎率的影响程度，以及谷物的流动模型，尚需进一步研究。

5 结论

(1)针对割前摘脱脱出物草谷比低和处理量大的特点，提出一种集分离复脱清选为一体的立式脱出物处理装置。该装置喂入方式简单，结构紧凑，整体质量轻，适合在割前摘脱联合收获机上安装，并可作为单独的脱出物处理部件进行推广。

(2)通过台架试验，以输送器转速和喂入量为影响因素，以分离率、复脱率、破碎率为试验指标，分析了各因素对试验指标值的影响规律，结果显示，输送器转速对分离率、复脱率和破碎率的影响贡献率均大于喂入量。

(3)根据试验所得数据，应用响应面法优化，得到最佳工作参数：输送器转速为541.4 r/min、喂入量为1.226 kg/s；在该参数组合下的期望结果：分离率为90.4%、复脱率为66.1%、破碎率为0.77%；在该参数组合下的验证性试验结果：分离率为89.4%、复脱率为65.2%、破碎率为0.83%。