摘要：為滿足玉米籽粒收獲機對大喂入量玉米脫出物的清選要求，設(shè)計了一種使玉米脫出物在進入清選裝置時分流的雙層篩孔式抖動板。對玉米脫出物離開抖動板到達振動篩前的運動進行了分析，確定了上、下抖動板相對于振動篩的位置，并參考圓孔篩確定了上抖動板篩孔的分布和尺寸。以抖動板的安裝傾角、振幅和頻率作為試驗因素，以振動篩篩分玉米脫出物時間、清選系統(tǒng)收集籽粒的清潔率和損失率為性能評價指標，基于 CFD-DEM 耦合仿真方法確定各試驗因素對性能指標的影響，并設(shè)計了二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗，建立了各因素與指標之間的回歸數(shù)學(xué)模型。在清選系統(tǒng)入口氣流速度、氣流方向角和玉米脫出物喂入量分別為 12.8m/s、25°和 7 kg/s 的條件下，獲得最優(yōu)參數(shù)組合：抖動板安裝傾角、抖動板頻率、抖動板振幅分別為-3.85°、5.62 Hz、44.77mm，此時清選系統(tǒng)收集的籽粒的清潔率為 98.36%，籽粒損失率為 1.45%，振動篩篩分玉米脫出物時間為 6.74s，并通過臺架試驗驗證了仿真結(jié)果的準確性，相比于帶有單層抖動板的清選系統(tǒng)籽粒清潔率提高 1.72 個百分點，損失率降低 0.84 個百分點，振動篩篩分玉米脫出物時間縮短了 0.57 s。本文為大喂入量玉米脫出物清選技術(shù)的研究提供參考。

　　關(guān)鍵詞：玉米籽粒收獲機;清選系統(tǒng);大喂入量;雙層抖動板;參數(shù)優(yōu)化

　　引言

　　風(fēng)篩式清選裝置具有高清選效率、高籽粒清潔率的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于玉米籽粒聯(lián)合收獲機中。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展玉米籽粒聯(lián)合收獲也朝著高效率、大喂入量的方向發(fā)展。課題組對黑龍江省北安市趙光鎮(zhèn)北勝合作社進行農(nóng)場調(diào)研，確定了德美亞 1 號玉米品種的平均產(chǎn)量 6146kg/hm2，常發(fā)佳聯(lián) CF808 型 6 行玉米籽粒收獲機作業(yè)幅寬為 4 m，以常規(guī)速度 1.5 m /s 作業(yè)時清選裝置中玉米脫出物的喂入量約為 5.05 kg/s[1]，收獲時為“爭搶農(nóng)時”，需提高玉米聯(lián)合收獲機作業(yè)效率。

　　隨著玉米單產(chǎn)的增加以及玉米聯(lián)合收獲機作業(yè)速度的提高，導(dǎo)致清選裝置內(nèi)的玉米脫出物的喂入量逐年增加[2~3]，已經(jīng)高達 7 kg/s。然而現(xiàn)有的清選裝置在處理 7 kg/s 大喂入量的玉米脫出物時，物料會在振動篩前端堆積，影響玉米脫出物清選效果。為提高清選裝置在大喂入量條件下的性能，許多專家學(xué)者對清選裝置內(nèi)風(fēng)機、輔助裝置、篩體結(jié)構(gòu)、篩體驅(qū)動機構(gòu)等進行了研究[4~9];在抖動板的研究方面，湯慶等[10]利用離散元法對抖動板的性能進行了研究，結(jié)果表明物料在安裝雙隔板抖動板的作用下較安裝單隔板抖動板更加均勻，更加有利于篩分。

　　付威等[11]為了解決聯(lián)合收獲機中物料在抖動板上的堆積，通過分析曲柄理論轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，確定了物料被拋離抖動板時曲柄的實際轉(zhuǎn)速，為抖動板的改進提供理論依據(jù);John Deere 公司[12]生產(chǎn)的 C440 聯(lián)合收獲機，采用了 4 層振動篩與 2 個無篩孔抖動板的結(jié)構(gòu)，2 個抖動板前后布置，分別承接橫、縱軸流滾筒落下的玉米脫出物，并將玉米脫出物連續(xù)均勻的輸送到清選室，4 層振動篩可顯著增加篩分面積，能夠?qū)Υ笪谷肓课锪线M行清選。程超等[13]為解決水稻收獲機械抖動板表面極細小濕黏物料粘附的問題，利用界面加熱實現(xiàn)金屬抖動板減粘脫附，揭示了金屬抖動板表面加熱對粘附界面的脫附作用機理。

　　李耀明等[14]為解決脫出物在凹板下沿軸向分布不均、清選篩上縱向分布不均的情況，將抖動板由 3 塊不同角度的波紋板構(gòu)成，實現(xiàn)物料能夠沿篩面縱向和橫向運動，有利于篩上物料均勻分布;何康陵等[15]設(shè)計了一種抖動板分層預(yù)清選裝置，能夠?qū)τ衩酌摮鑫镞M行分段清選，降低了清選負荷，提高了清選效率。張建宗等[16]針對大喂入量谷物聯(lián)合收獲時清選篩面上谷物堆積的問題，將上抖動板與下抖動板前后錯位布置，上抖動板末端落下的物料可落到清選篩中段，下抖動板末端落下的物料可落到清選篩前段，實現(xiàn)了玉米脫出物在雙層抖動板上的分段輸送。

　　為滿足大喂入量玉米脫出物清選的要求，專家學(xué)者多從抖動板結(jié)構(gòu)以及多層抖動板配置進行研究，而關(guān)于雙層篩孔式抖動板的研究尚未見報道。課題組通過農(nóng)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有聯(lián)合收獲機多采用雙層篩體配置，并且多層抖動板將玉米脫出物只喂入至上篩，然而在常規(guī)喂入量條件下，上篩通常可滿足農(nóng)戶對收獲后玉米籽粒的質(zhì)量要求，為了降低機具的功率消耗，減少收獲成本，農(nóng)戶通常將下篩拆除，致使實際生產(chǎn)收獲中清選系統(tǒng)內(nèi)下篩使用率不高。當(dāng)玉米脫出物的喂入量增加，會使上篩的篩分壓力增加，影響清選裝置性能。

　　本文基于常發(fā)佳聯(lián) CF808 型 6 行玉米聯(lián)合收獲機清選裝置，設(shè)計一種雙層篩孔式抖動板，擬通過雙層篩孔式抖動板實現(xiàn)玉米脫出物進入清選裝置前的分流和初步清選。利用 CFD-DEM 耦合方法研究雙層篩孔式抖動板參數(shù)，通過臺架試驗驗證優(yōu)化結(jié)果正確性，并與帶有單層抖動板的清選系統(tǒng)的清選性能進行對比，以期提高清選系統(tǒng)對大喂入量玉米脫出物的處理能力。

　　1 清選系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及工作原理

　　1.1 清選系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　帶有雙層篩孔式抖動板的清選系統(tǒng)主要由上抖動板、下抖動板、上篩、下篩、吊桿、雙向搖桿、機架等組成。上層抖動板尾端通過吊桿鉸接懸掛在機架的上部，下層抖動板尾端通過支撐桿鉸接在機架下部，驅(qū)動軸上的偏心輪、搖臂、雙向搖桿組成抖動板曲柄搖桿機構(gòu)，上、下抖動板前端通過連接軸與曲柄連桿機構(gòu)連接，抖動板處帶輪經(jīng)傳動帶將動力傳遞到振動篩帶輪，通過偏心輪、搖臂、雙向搖桿組成的振動篩曲柄搖桿機構(gòu)帶動上、下篩往復(fù)擺動。

　　1.2 工作原理

　　經(jīng)過脫粒裝置脫粒分離后的脫出物落到帶有篩孔的上層抖動板，運動時一部分由上抖動板的篩孔落到下抖動板，通過下抖動板的連續(xù)運移落到下篩;剩余的玉米脫出物經(jīng)上抖動板輸送至上篩，玉米脫出物在抖動板上實現(xiàn)了初步篩分。

　　2 雙層篩孔式抖動板位置的確定與設(shè)計

　　2.1 雙層篩孔式抖動板位置的確定

　　通過測量佳聯(lián) CF808 型 6 行玉米聯(lián)合收獲機清選裝置尺寸，確定抖動板與風(fēng)機垂直距離為 130mm，現(xiàn)有的雙層抖動板多為上抖動板與下抖動板前后錯位布置，上抖動板末端落下的物料可落到上篩中段，下抖動板末端落下的物料可落到上篩前段，實現(xiàn)了玉米脫出物在雙層抖動板上的分段輸送，參考其尺寸，確定上、下抖動板的垂直距離為88 mm[16]，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》[17]確定上抖動板與上篩的垂直距離為 100 mm，根據(jù)課題組前期研究，確定上、下篩的垂直距離為 340 mm[5]，因此可以確定下抖動板與下篩的垂直距離為352 mm。

　　玉米脫出物離開抖動板到達振動篩前的水平位移與其初始速度有關(guān)，根據(jù)文獻[1]可知，玉米脫出物離開抖動板時豎直方向速度小于 0.1 m/s，水平速度為 0.1~0.7 m/s，并且在氣流速度、氣流方向角、抖動板振幅分別為 12.8 m /s、25°、38 mm 時，基于公式(6)確定玉米脫出物離開上抖動板到達上篩前在水平最大和最小位移分別為 171 mm 和 145mm，為了保證玉米脫出物能夠落到上篩，因此確定上抖動板與上篩的水平距離為145 mm;同理分析可得玉米脫出物離開下抖動板到達下篩前最大和最小水平位移分別為 557 mm 和503 mm，在保證玉米脫出物能夠落到下篩，同時考慮清選系統(tǒng)中抖動板處的安裝空間及上抖動板與上篩間的水平距離，確定下抖動板與下篩的水平距離 145 mm。

　　2.2 雙層篩孔式抖動板結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　雙層篩孔式抖動板與振動篩相對位置。為保證清選過程中雜余能夠順利排出清選室，需縮短下抖動板以減弱其對氣流的阻擋，其長度需結(jié)合后文清選系統(tǒng)內(nèi)氣流分布確定。抖動板主要由踏板和階兩部分組成，踏板長度為 36.7 mm，階長度為 7.7 mm，踏板與水平面夾角為 15°，階與垂直面夾角 12°，抖動板是由 42組踏板-階構(gòu)成。

　　3 仿真試驗

　　3.1 清選系統(tǒng)模型以佳聯(lián) CF808 型 6 行玉米聯(lián)合收獲機清選裝置為參考進行三維建模。為了保證由脫粒滾筒落下的玉米脫出物能夠被抖動板承接，根據(jù)脫粒滾筒長度確定上、下抖動板長度、厚度和安裝傾角均分別為1350mm、2mm、和 3°。上、下篩長度、厚度和安裝傾角均分別為 1360 mm、2 mm 和 3.5°。考慮到計算機運算能力，設(shè)定篩面寬度為 100 mm，運用NX.10.0 軟件對清選系統(tǒng)進行三維建模，將三維模型導(dǎo)入到 Gambit 軟件中進行網(wǎng)格劃分。

　　隨著抖動板安裝傾角的增大，抖動板上的籽粒和雜余透篩概率增加，落到上篩的籽粒相對較少，雜余對籽粒的夾帶作用增強，籽粒清潔率、損失率升高;抖動板安裝傾角繼續(xù)增大，抖動板上籽粒和雜余碰撞次數(shù)增加，導(dǎo)致莖稈落到下篩，籽粒清潔率減小，同時雜余對籽粒夾帶作用減弱，籽粒損失率降低;抖動板安裝傾角過大時，籽粒清潔率、損失率變化不明顯。

　　隨著抖動板頻率的增大，抖動板上雜余和玉米籽粒在氣流作用下分離效果明顯，籽粒清潔率增大;抖動板頻率為 4.38 Hz 時，抖動板上籽粒和雜余透篩概率減小，落到上篩的玉米脫出物增加，上篩籽粒的透篩率減小，籽粒損失率增大;抖動板頻率為 5.38 Hz 時，抖動板上籽粒透篩概率增大，落到上篩的籽粒數(shù)量減小，雜余順利排出，籽粒損失率降低;但當(dāng)抖動板振動頻率過大時，篩上籽粒跳動次數(shù)減少，籽粒透篩幾率降低，導(dǎo)致籽粒損失率增大。

　　4 臺架試驗

　　將從田間收集的玉米脫出物分類為玉米籽粒、玉米莖稈、玉米芯、輕質(zhì)雜余并稱量，利用電熱鼓風(fēng)干燥箱測量玉米脫出物中各成分的含水率，每組試驗重復(fù) 5 次，得到玉米籽粒、玉米芯、玉米莖稈和輕質(zhì)雜余的含水率分別為 24.7%、47.5%、63.5%。

　　將收集的玉米脫出物攪拌均勻，從中隨機選取 7 kg，對玉米籽粒、莖稈、玉米芯進行分類并稱量，重復(fù)5 次確定玉米脫出物中各成分平均質(zhì)量分數(shù)依次為：玉米籽粒 73.3%、玉米莖稈 17.6%、玉米芯 8.7%、輕質(zhì)雜余 0.4%，據(jù)此稱量出玉米脫出物各成分的質(zhì)量然后均勻混合，物料均勻鋪放于抖動板前端的喂料板上，試驗用玉米脫出物通過振動電機驅(qū)動喂料板，通過改變振動電機的激振力可以調(diào)節(jié)喂料板的喂入量。

　　試驗前對喂料板上玉米脫出物的喂入量進行標定。當(dāng)振動電機的激振力分別為 2.3 kN 和 3 kN時，抖動板的喂入量分別為和 7 kg/s 和 8 kg/s。每組試驗在5 s內(nèi)分別喂入35 kg和40 kg玉米脫出物，以保證喂入量為 7 kg/s 和 8 kg/s[21]。

　　根據(jù)課題組前期研究[3]，確定清選裝置風(fēng)速和變頻器頻率的關(guān)系，以及振動篩、抖動板頻率和變頻器頻率的關(guān)系，分別調(diào)整變頻器的頻率控制清選裝置風(fēng)速、振動篩和抖動板的頻率，以振動篩篩分玉米脫出物時間、籽粒清潔率、籽粒損失率為試驗指標進行臺架試驗，同時考慮到實際試驗條件，對多因素試驗取得的最優(yōu)解，保留小數(shù)點后一位進行試驗。參照 GB/T 8097-2008《收獲機械 聯(lián)合收割機試驗方法》，進行篩分性能驗證試驗，并與帶有單層抖動板的清選系統(tǒng)的試驗結(jié)果進行對比，對數(shù)據(jù)進行均值化處理。

　　5 結(jié)論

　　(1)通過理論分析設(shè)計了具有分流功能的雙層篩孔式抖動板，玉米脫出物在上抖動板實現(xiàn)初步篩分，能夠?qū)崿F(xiàn)玉米脫出物進入清選裝置前的分流，一部分籽粒和少部分輕雜余由下抖動板落到下篩，能夠減輕上篩的篩分壓力，提高了雙層篩的利用率。

　　(2)基于 CFD-DEM 耦合仿真試驗，探究了抖動板安裝傾角、振幅、頻率對振動篩篩分玉米脫出物時間、清選系統(tǒng)收集的籽粒清潔率和損失率的影響規(guī)律，通過參數(shù)優(yōu)化確定雙層篩孔式抖動板的最優(yōu)參數(shù)組合為：抖動板安裝傾角為-3.85°、頻率為 5.62Hz、振幅為 44.77 mm。

　　(3)由臺架試驗結(jié)果可知，當(dāng)入口氣流速度為 12.8 m/s、氣流方向角為 25°，玉米喂入量為 7 kg/s時，帶有雙層篩孔式抖動板的清選系統(tǒng)籽粒清潔率為 98.25%，籽粒損失率為 1.56%，振動篩篩分玉米脫出物時間為 6.95 s，相比于帶有單層抖動板的清選系統(tǒng)籽粒清潔率提高了 1.72 個百分點，損失率降低了 0.84 個百分點，振動篩篩分玉米脫出物時間縮短了 0.57 s，滿足玉米清選的國家標準要求。

　　參 考 文 獻

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　　作者：王立軍1 劉偉騰 李懿航 于錕蒙