花生联合收获机清选装置试验研究

唐　蓓，卢泽民，贡　军，王业球

(江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室，江苏 镇江　212013)



花生联合收获机清选装置试验研究

唐蓓，卢泽民，贡军，王业球

(江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室，江苏 镇江212013)

摘要：进行了半喂入花生联合收获机花生脱出物组成成分的比例、组成成分尺寸和外形差异、悬浮速度，以及摘果辊下方分布等清选特性试验和检测。优化设计后的清选装置安装在半喂入花生联合收获机上，进行了田间正交试验，得到了影响清选性能的因素主次顺序为振动筛频率、风机转速、振动筛倾角、风机出风口角度；最优参数组合为振动筛频率7Hz,风机转速900r/min，振动筛倾角8°，风机出风口角度17°。优化设计后的清选装置能应用到国产某型号花生联合收获机上，经田间收获试验验证，达到设计要求。

关键词：花生联合收获机；清选；特性；正交试验

0引言

我国是世界花生种植第一大国，常年种植面积在400万hm2以上。近年来，花生种植面积出现下滑趋势，一个重要的原因在于花生生产劳动强度大、用工成本高，特别是收获作业，用工量占花生全部生产过程的1/3以上，作业成本占生产总成本的50%以上。花生联合收获机可以一次完成挖掘、清土、摘果、果杂分离、果实收集和秧蔓处理等收获作业的全部工序，生产率比人工高25倍以上，可降低作业成本、缩短花生收获时间，是目前集合度最高、也是促进花生机械化发展极为重要的花生收获机械技术[1-2]。

清选装置是花生联合收获机的重要组成部分，其工作性能直接影响到损失率及含杂率等指标[3]。根据作业要求和市场调查，自走式花生联合收获机含杂率以不大于3.0%为宜，但目前国产机型的含杂率普遍在5.0%左右[4]。清选性能影响花生联合收获机整体性能和推广使用，因此需对其清选机理作进一步研究，找出关键的影响因素，进行结构创新和优化设计。

1花生脱出物特性研究

花生脱出物特性包括形态特性、物理特性及空气动力学特性等，这些特性影响脱出物在筛面和气流场中的运动规律[5-6]。本文中花生脱出物是指花生植株经摘果辊摘下未经清选的混合物，具体特性包括脱出物组成成分的比例、组成成分尺寸和外形差异、悬浮速度和摘果辊下方分布。用国产4HBL-2型花生联合收获机进行试验。试验时，切断振动筛和风机的动力，在振动筛上铺上油布；随机选取一段长势均匀成熟的花生田地，机具以1.1m/s的行走速度收获作业10m，油布接取的物料即为花生脱出物。试验重复3次，试验后进行测量及称重实验仪器如表1所示。

表1　试验仪器

1.1花生脱出物组成

花生脱出物的组成包括花生荚果、茎秆、花生叶、泥土和轻杂物。轻杂物是地膜、草屑等，本次试验中轻杂物含量很少，可忽略不计。试验得到脱出物各组成质量比如表2所示，除花生荚果外，杂质中泥土与茎秆比例较大，作为主要清选对象考虑。

1.2脱出物中茎秆长度差异

试验得到脱出物中，长度在50～80mm的茎秆占据比例最大，其次在80～130mm，如图1所示。

表2　脱出物各成分质量比

图1　脱出物茎秆长度分布

1.3脱出物中花生大小差异

一株健康成熟的花生植株，大约有15～40个花生荚果。荚果形态有成熟双粒或多粒、成熟或未成熟单粒、未成熟双粒或多粒。

若将花生荚果看作一个长方体，则长、宽、高3个尺寸相乘，以乘积表示花生荚果的大小，根据测量可知，不成熟度的花生荚果均小于1 000mm3；成熟单粒、未成熟双粒、未成熟多粒大小介于1 000mm3～10 000mm3；成熟花生荚果大小均大于10 000mm3，花生体积分布如图2所示，花生体积分布比例如图3所示。

图2　花生体积分布

图3　花生体积分布比例

1.4脱出物悬浮速度

长度小于50mm视为短茎秆，大于50mm视为长茎秆，测量结果如表3所示。

1)成熟花生荚果悬浮速度最大，其次为未成熟花生荚果和长茎秆，轻杂物最小。

2)花生荚果与杂质悬浮速度相差较大，可以采用气流清选实现花生荚果与杂质分离。

表3　脱出物悬浮速度

1.5脱出物在摘果辊下方的分布

将摘果辊下方的油布按摘果辊水平长度平均分为3段，分别收取各部分的脱出物，对脱出物中花生荚果、泥土、花生叶、茎秆进行称重，得到如图4所示结果。花生荚果和泥土集中在前部，茎杆和花生叶集中在中后部。

图4　脱出物在摘果辊下方分布

2清选装置结构优化设计

2.1清选装置设计要求

该清选装置作为一个部件安装在国产某型号半喂入花生联合收获机上，需与其他部件结合合理，无干涉，能够实现所需运动。该装置应保证花生荚果和杂质顺利分离，并把杂质清出机外，满足含杂率不大于3%的要求；应满足清选过程中，少出现或不出现清选损失；应机构简单、效率高，满足种植户经济条件的要求。

2.2清选装置设计

国内花生收获机械的清选装置普遍采用风扇筛子式。风扇筛子式清选利用脱出物各组成部分的尺寸特性和空气动力学特性，采用振动筛和风机配合方式进行分离筛选[7-8]。根据对国产花生联合收获机清选装置的考察分析及花生联合收获机脱出物清选特性试验数据，提出花生联合收获机清选装置设计方案，如图5所示。

表4　清选装置结构参数

1.逐稿器　2.编织筛　3.吊杆　4.偏心机构

工作时，花生植株经过一对相向转动的摘果辊，摘果辊摘下花生荚果及杂质，落到振动筛上。根据花生外形差异试验数据，选择方孔编织筛，方孔尺寸为10mm。振动筛往复振动，向后抛送脱出物，泥土和外形乘积小于1 000mm3的未成熟花生荚果透过编织筛孔掉落。风机布置在编织筛尾部，当脱出物继续向后运动到逐稿器位置，在风机斜向上的风力作用下，成熟花生荚果以外的杂质吹出花生联合收获机机体外，成熟花生荚果透过风力落入输送装置。振动筛尾部的逐稿器能防止脱出物中的长茎秆落入输送装置，根据茎秆尺寸差异试验数据，长度在50～80mm区间内的茎秆最多，逐稿器间距选为40mm[9-11]。

3试验与结果分析

3.1正交试验试验方案

将清选装置安装到花生联合收获机上，进行清选试验，田间试验条件如表5所示。选择振动筛倾角和频率、 风机出风口角度和转速为清选装置正交试验因素。该正交试验中仅以含杂率作为考察指标，按正交试验表L9(34)进行正交试验，因素水平安排如表6所示。

表5　试验条件

表6清选装置正交试验因素水平

Table 6Factors and levels of orthogonal experiment in cleaning device

水平因素A振动筛频率/HzB风机转速/r·min-1C振动筛倾角/(°)D风机出风口角度/(°)157008252680062137900417

田间试验时，花生联合收获机按试验要求的因素水平作业，行走速度1.1m/s，作业长度10m，每次试验结束后在集果箱收集花生。每个试验重复3次，以接取的花生总质量、成熟花生荚果质量计算含杂率。

3.2正交试验结果分析

根据清选装置的正交试验安排，得出每个试验号下含杂率，如表7所示。经分析得清选装置最优工作参数组合为振动筛频率7Hz,风机转速900r/min，振动筛倾角8°，风机出风口角度17°。

正交试验方案中没有该优组合，故将优组合进行试验验证。调节清选装置参数到优组合后，重复试验3次，取平均值，得到优组合下含杂率为0.3%，小于表7中所有正交试验结果。因此，由正交试验得到的优组合是花生联合收获机清选装置的最优工作参数。

表7　正交试验结果

4结论和展望

1)由花生脱出物特性试验得：杂质中泥土和茎秆占据较大的比例；长度在50～80mm的茎秆最多；振动筛前段脱出物最多；成熟花生的悬浮速度最大且与其他成分的悬浮速度有较大差异。

2)该清选装置的正交试验得到：影响含杂率因素的主次顺序是振动筛频率、风机转速、振动筛倾角、风机出风口角度；最优工作参数组合是振动筛频率7Hz，风机转速900r/min，振动筛倾角8°，风机出风口角度17°。

3)经田间试验验证:该清选装置的含杂率符合NY/T502-2002《花生收获机作业质量》中含杂率不大于3.0%的标准，清选效果好，收获的花生洁净率高，为后续的晾晒储存提供了方便。

参考文献：

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[2]尚书旗,李国莹,杨然兵，等.4HQL-2型全喂入花生联合收获机的研制[J].农业工程学报，2009,6(25)：125.

[3]孙同珍,尚书旗,李国莹，等.4HQL-2型全喂入花生联合收获机摘果及清选部件的研制[J]. 农机化研究,2009,31(6)：54.

[4]NY/T502-2002，《花生收获机作业质量》[S].

[5]唐伦.油菜联合收获机清选装置的优化分析及试验研究[D].长沙：湖南农业大学，2010.

[6]陆林.基于ADAMS的油菜联合收获机清选装置仿真及试验研究[D].镇江：江苏大学.2005.

[7]刘兴博，叶彤，杨金砖.籽粒玉米收获机脱出物空气动力学特性分析及清选方法[J].农机使用与维修，2014(7)：17.

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[11]Hongchang L, Yaoming L,Fang G,et al.CFD-DEM simulation of material motion in air-and-screen cleaning device[J].Computers and Electronics in Agriculture，2012, 88: 111-119.

Experimental Investigation on Cleaning Device of Peanut Combine Harvester

Tang Bei， Lu Zemin， Guo Jun, Wang Yeqiu

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology，Ministry of Education & Jiangsu Province，Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：The cleaning characteristic tests of peanut combine harvester were done, such as the peanut mixture component ratio, component shape difference, suspension velocity and components distribution under picking rollers.This cleaning device after optimizing design installed in the peanut combine harvester and did experiments in the field. Based on the analysis of the experiment results ,the order affecting the performance of the cleaning device is frequency of vibrating sieve , speed of the fan, angle of vibrating sieve, outlet angle of fan .The optimal parameters is that frequency of vibrating sieve is 7Hz,speed of the fan is 900r/min, angle of vibrating sieve is 8° and outlet angle of fan is 17°.The optimized design of the cleaning device can be applied to a certain type of domestic peanut combine harvester and this device meets the design requirements after field experiments.

Key words：peanut combine harvester; cleaning; characteristic; orthogonal experiment

文章编号：1003-188X(2016)03-0191-05

中图分类号：S225.7+3

文献标识码：A

作者简介：唐蓓(1988-)，女，山东济宁人，硕士研究生，(E-mail)tangbei_2015@163.com。通讯作者：卢泽民(1967-)，男，江苏泰州人，副教授，博士，硕士生导师，(E-mail)luzm@mail.ujs.edu.cn。

基金项目：国家技术创新工程试点省和合芜蚌自主创新综合试验区专项(13Z03023)

收稿日期：2015-03-16