微型谷物联合收割机清选系统试验

师清翔，张晓博，耿令新，王升升，卢秀丽

（河南科技大学农业工程学院，河南洛阳 471003）

微型谷物联合收割机清选系统试验

师清翔，张晓博，耿令新，王升升，卢秀丽

（河南科技大学农业工程学院，河南洛阳 471003）

以微型谷物联合收割机清选系统为研究对象，以二级扬谷器转速、吸杂风机转速为试验因素，以籽粒清洁率、清选损失率、籽粒破碎率为试验指标进行了清选性能回归试验，建立了籽粒清洁率和清选损失率回归数学模型。利用加权优化法进行参数优化，得到较优运动参数组合为：二级扬谷器、吸杂风机转速分别为1 177 r／min、2 948 r／min。在优化参数下，进行了优化结果验证试验以及清选系统对喂入量和物料状态的适应性试验。试验结果可为微型谷物联合收割机清选系统的设计提供依据。

收割机；旋风分离；清选系统；回归分析；参数优化

0 引言

收获是谷物生产的重要环节。目前，在中国平原地区谷物收获已基本实现机械化。但是，中国具有大量的丘陵山区，种植小麦、水稻等谷物。丘陵山区地块小、道路通过性差，制约着大型谷物联合收割机作用的发挥。微型谷物联合收割机是应丘陵山区谷物收获需要而提出的一种新型谷物联合收割机，要求整机各工作部件结构尺寸小、质量轻、装拆方便、便于分部件运输［1－5］。

清选是谷物联合收获的重要内容。简化清选系统结构、减轻质量是对微型谷物联合收割机清选系统的基本要求。基于免割收获的微型谷物联合收割机采用双扬谷器旋风分离清选系统，结构简单、质量轻，可以完成待清选物料在相互垂直的两个平面内的输送和清选作业［6－12］。但田间收获试验表明：现有设计参数下的双扬谷器旋风分离清选系统清选能力有限，大喂入量时易出现系统堵塞，清选损失率偏高［13－16］。

本文以配置于微型谷物联合收割机的双扬谷器旋风分离系统为研究对象，以提高清选能力、降低清选损失率为主要目标，进行室内清选试验。优化确定了清选系统的运动参数，分析了清选系统的运动参数对清选性能的影响规律，为微型谷物联合收割机清选系统的参数设计提供了试验依据。

图1 室内清选试验台

1 试验装置和方法

清选试验台如图1所示，主要部件有：物料输送带、接料仓、一级扬谷器、二级扬谷器、旋风分离筒、吸杂风机。主要工作部件的结构尺寸与相对位置根据微型谷物联合收割机的整机配置要求确定。

室内试验的清选喂入量、清选物料组分由微型谷物联合收割机的机进速度、割幅、谷物生长状况等决定。

本试验以小麦为收获对象。考虑丘陵山区大面积小麦生长状况，设小麦产量为400 kg每666.67 m2，机进速度0.4 m／s，割幅0.4 m。据此计算清选系统籽粒喂入量为0.096 kg／s。根据洛阳市孟津地区微型谷物联合收割机田间作业情况，确定试验用小麦物料的含杂率为25%，颖糠和短茎秆质量比为10∶1，短茎秆长度为4～7 cm，试验物料中籽粒含水率为14%～15%，杂余含水率为13%～16%。

每次试验，输送带面上铺放可满足清选系统连续工作30 s的物料，则每次清选试验所需物料总质量为3.84 kg，其中籽粒为2.88 kg，杂余为0.96 kg。

试验时，首先将称量好的小麦籽粒与杂余混合，搅拌均匀后，再根据铺料的长度和宽度，均匀铺到输送带上。然后依次启动吸杂风机、二级扬谷器、一级扬谷器的电机，并通过变频器调节使其达到试验所需转速。待吸杂风机、二级扬谷器、一级扬谷器转速达到试验所需并稳定工作，最后启动输送带。物料从输送带顺着滑板落入接料室，由推运搅龙送入一级扬谷器，经一级扬谷器抛入二级扬谷器叶轮的中心，再由二级扬谷器沿切线方向抛入分离筒内。在重力、离心力以及上升气流的共同作用下，小麦籽粒沿分离筒内壁向下螺旋运动，自出粮口落到接粮筒中，杂余在吸杂风机吸力的作用下由吸杂口经风机排入接糠网中，完成一次清选系统的试验。

试验选取籽粒清洁率Yq、清选损失率Ys和籽粒破损率Yp这3个性能指标。设：接粮筒中物料总质量为G1，纯净籽粒质量为G2，接糠网中籽粒质量为G3，接粮桶中破碎籽粒质量为G4，代入下式可得清选系统性能指标。

2 回归试验与分析

回归试验与分析的目的是根据试验数据分析得到回归方程，利用回归方程通过参数的优化得出较优的参数组合及其指标值。为了减少试验次数，简化回归计算，并使回归方程实用、可靠，在回归试验前对试验因素的范围进行了确定，然后根据回归试验设计方法，编排试验方案并进行试验，最后进行回归分析。

2.1 试验参数范围的确定

设n1、n2、n3分别代表一级扬谷器、二级扬谷器、吸杂风机的转速。对试验参数的转速范围提出条件：一级扬谷器转速对清选系统性能指标影响为不显著，故在后续试验中，以清选系统无堵塞为条件确定一级扬谷器转速；二级扬谷器最低转速为扬谷器不堵塞的临界转速，最高转速为籽粒破碎率小于0.5%时的临界转速；吸杂风机的最低转速为扬谷器不堵塞时的临界转速，最高转速选损失率大于0.5%时的临界转速。

经多次预试验，在室内试验条件下，工作装置连续工作30 s无堵塞清选系统基本运动转速为n1＝600 r／min、n2＝900 r／m in、n3＝3 100 r／m in。根据条件，将一级扬谷器固定于600 r／min。固定一级扬谷器转速n1＝600 r／min、吸杂风机转速n3＝3 100 r／min，改变二级扬谷器转速n2进行清选系统性能试验，寻找临界转速；固定一级扬谷器转速n1＝600 r／min、二级扬谷器转速n2＝900 r／min，改变吸杂风机转速n3进行清选系统性能试验，寻找临界转速。

根据试验结果，确定了二级扬谷器转速n2与吸杂风机转速n3的取值范围为：900 r／min≤n2≤1 400 r／min、2 800 r／m in≤n3≤3 400 r／m in。在上述试验范围内，籽粒破碎率很小，故未将籽粒破碎率引入回归试验。

2.2 二次通用旋转组合试验与分析

本次试验选用的二次通用旋转组合试验方法的优点是获得的回归方程具有通用性，可以提高预报精度，是回归试验设计方案中的一种。

以二级扬谷器转速n2和吸杂风机转速n3为试验因素，以籽粒清洁率Yq与清选损失率Ys为试验指标，做二次通用旋转组合回归试验。试验方案按照二次通用旋转组合设计方法进行编排。因素的水平编码表、试验方案与结果表分别见表1和表2。

对表2中的数据做多元回归分析，就能获得关于籽粒清洁率Yq与清选损失率Ys的回归方程：

表1 回归试验因素水平编码表

表2 二次通用旋转组合试验方案及结果

对方程（4）和方程（5）分别检验其显著性，计算结果表明：两个方程都在α＝0.01的置信水平下，显著而且没有失拟。说明这两个回归方程与实际情况的拟合很好，可以用回归方程分析试验因素对试验指标的影响规律。

2.3 参数优化及验证试验

清选系统的两个试验指标籽粒清洁率Yq和清选损失率Ys依试验因素同向变化，故采用加权优化法进行参数优化。因清选损失是谷物收获中人们更关注的指标，所以取籽粒清洁率Yq的加权因数为0．3，清选损失率Ys的加权因数为0.7。消除两指标的量纲，使两指标处于同一数量级上，计算两指标观测值的评分值Y′q与Y′s。

计算加权综合指标值Yz＝0.3Y′q－0.7Y′s，指标值越大越好。以Yz为指标值按照单指标进行回归与优化计算，优化结果即最佳参数组合为：n2＝1 177 r／min、n3＝2 948 r／min。将最佳参数组合代入籽粒清洁率回归方程（4）和清选损失率回归方程（5）中，得到最佳参数组合下，试验指标预测值为：籽粒清洁率Yq＝98.030%，清选损失率Ys＝0.060%。

最佳参数下做验证试验，籽粒清洁率、清选损失率的结果分别是98.170%和0.051%，验证结果与指标预测值较为接近。

2.4 降维分析

为弄清试验因素分别对试验指标的影响规律，通过回归方程的系数检验，剔除不显著的相关系数，将两个最佳参数分别代入回归方程，得出二级扬谷器转速与吸杂风机转速分别对籽粒清洁率Yq与清选损失率Ys的影响规律，如图2和图3所示。

图2 二级扬谷器转速对指标的影响

图3 风机转速对指标的影响

由图2可以看出：当吸杂风机转速为优化值时，在试验区间［900 r／min，1 400 r／min］，籽粒清洁率在98.000%以上，清选损失率在0.170%以下。随着二级扬谷器转速的升高，籽粒清洁率呈缓慢下降趋势，清选损失率呈快速下降趋势。分析原因认为：随二级扬谷器的转速升高，籽粒和杂余进入分离筒时的速度变大，沿分离筒内壁旋转运动时的离心作用力变大，杂余与籽粒混合在一起，不易分离开，导致籽粒清洁率与清选损失率都呈现下降趋势。

由图3可看出：当二级扬谷器的转速为优化值时，在试验区间［2 900 r／m in，3 400 r／m in］，籽粒清洁率在98.000%以上，清选损失率在0.350%以下。随着吸杂风机转速的升高，籽粒清洁率与清选损失率均呈快速上升趋势，说明吸杂风机转速对指标的影响较大。

3 清选系统适应性试验

清选系统对物料状态、喂入量的适应性是衡量清选系统优劣的重要方面，本文在最优参数组合下，试验不同喂入量、含杂率、含水率对清选性能的影响，考察该清选装置的适应性。

表3 小麦喂入量适应性试验

表4 小麦含杂率适应性试验

表5 小麦含水率适应性试验

（Ⅰ）喂入量适应性试验：保持25%的含杂率，籽粒喂入量分别为0.072 kg／s、0.096 kg／s、0.120 kg／s、0.144 kg／s，共4次试验，结果如表3所示。

分析表3可得：随喂入量的增大，籽粒清洁率降低，清选损失率增大。当清选喂入量小于0.120 kg／s时，籽粒清洁率大于98.000%，清选损失率小于0.050%。

（Ⅱ）含杂率适应性试验：保持0.096 kg／s的喂入量不动，含杂率分别为15%、20%、25%、30%、35%，共5次试验，结果如表4所示。

分析表4可得：随小麦含杂率的升高，籽粒清洁率、清选损失率分别下降与上升。含杂率低于30%时，籽粒清洁率在98.000%以上。含杂率高于30%时，清选系统出现堵塞现象。

（Ⅲ）含水率适应性试验：保持物料喂入量0.096 kg／s和含杂率25%不变，通过理论计算，准备6份不同的水量，使用喷雾的方式对物料的含水率进行不同调整。物料需要用密封袋封存12 h左右，数据记录时，以物料试验时实际含水率为准，试验结果如表5所示。

分析表5可得：随籽粒与杂余含水率的增加，籽粒清洁率降低，清选损失率升高。当物料含水率过高时，清选系统出现堵塞现象。在清选系统正常工作条件下，籽粒清洁率较高，清选损失率小于0.100%。因此，可以用适当提高吸杂风机转速的方法来提高籽粒清洁率和清选系统畅通性，进而提高该清选系统对物料含水率的适应性。

4 结论

（1）本文所涉及的清选系统的最优参数组合是：二级扬谷器转速n2＝1 177 r／m in，吸杂风机转速n3＝2 948 r／min。该参数下籽粒清洁率、清选损失率分别为98.170%和0.051%。

（2）在最佳参数组合下，当清选喂入量不超过0.120 kg／s，含杂率不超过30%，籽粒含水率不超过13.6%，颖糠含水率不超过28.1%时，籽粒清洁率可达98.000%以上，清选损失率可控制在0.062%以内。

（3）双扬谷器旋风分离清选装置在优化参数下可用作微型谷物联合收割机的清选系统。

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1672－6871（2015）05－0082－05