梳刷气吸式亚麻蒴果收获试验台设计与试验

徐福龙，贺俊林，王月华，李姣姣

(山西农业大学农业工程学院，山西 晋中 030801)

0 引言

国外目前亚麻(胡麻)机械化收获模式主要以两段收获和联合收获为主，国外的胡麻收获装备智能化水平高、操作控制系统复杂、价格昂贵，不适宜我国亚麻(胡麻)机械化生产装备的广泛应用[1]。国内目前在亚麻(胡麻)收获方面的研究主要是以全喂入式和半喂入式收获为主，在喂入植株时存在植株缠绕脱粒滚筒问题，以及在物料清选时杂质成分复杂导致堵塞筛板问题[2-4]。本课题组前期设计的梳齿式亚麻(胡麻)蒴果梳刷试验台具有较好的防植株缠绕效果，但也存在蒴果不易收集问题[5]。

针对亚麻(胡麻)机械化收获中存在的植株缠绕脱粒滚筒问题和蒴果收集问题，本研究旨在基于先独立收获蒴果、再对蒴果破壳脱粒的收获方式，设计了一种梳刷气吸式亚麻(胡麻)蒴果收获试验台[6]。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

梳刷气吸式亚麻(胡麻)蒴果收获试验台的工作部件主要包括梳刷系统、收集系统、动力系统、植株输送系统和控制系统，主要由机架、梳刷滚筒、梳刷滚筒防护罩、V带、胶带轮、植株输送导轨、植株夹持装置、离心风机、电磁调速电动机、三相异步电动机和步进电机等结构组成(图1)。

1.离心风机 2.离心风机机架 3.风机接口 4.控制器 5.夹持装置 6.导轨 7.轴承座 8.机架 9.变速胶带轮 10.大带轮 11.滚筒轴 12.V带 13.小带轮 14.电动机 15.从动轴16.从动六角圆盘 17.主动六角圆盘 18.连接件 19.梳齿架20.梳齿 21.梳刷滚筒防护罩图1 梳刷气吸式亚麻(胡麻)蒴果收获试验台结构Fig.1 Structure of comb-brushing and air-absorbing flax capsule harvest testbed

1.2 工作原理及主要技术参数

试验台工作时，电动机输出的动力通过胶带传动经变速胶带轮到达梳刷滚筒轴端大带轮，带动滚筒旋转。滚筒上的梳齿在由主动六角圆盘OL(原动件)、从动六角圆盘NQ、连接件LQ、机架ON、梳齿架、从动轴、滚筒轴等结构组成的平行四杆机构(图2a)的作用下作平动，主动六角圆盘OL、从动六角圆盘NQ、梳齿尖的运动轨迹分别为S1、S2、S3(图2b)[7-8]。

图2 梳刷滚筒工作原理Fig.2 Working principle of comb brush roller

植株在离心式通风机的吸附作用下与梳齿保持紧密的接触，利于梳齿梳刷植株与梳脱蒴果，梳脱的蒴果在滚筒一侧的离心式通风机特定风压的作用下被收集到指定位置，蒴果与风机叶片及集料箱之间存在较大的撞击力，因此收集到的蒴果物料属于半脱粒物料，利于后续的蒴果破壳脱粒环节。试验台主要技术参数如表1所示。

表1 试验台主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of testbed

2 试验台性能试验

2.1 试验材料、试验条件及设备

试验材料选取成熟期蓝亚麻植株，含水率为15.33%，蓝亚麻别名宿根亚麻(LinumperenneL.var.sibiricumPlanch.)，为亚麻科亚麻属多年生草本植物，其植株及蒴果特性与胡麻的相似。试验地点在山西农业大学农业工程学院机械设计实验室。试验设备有梳刷气吸式亚麻(胡麻)蒴果收获试验台(图3)，电热鼓风干燥箱、电子天平(精度0.01 g)。试验数据处理软件有Excel(Microsoft Office Excel 2019)、SAS9.1(Statistical Analysis System)。

图3 梳刷气吸式亚麻(胡麻)蒴果收获试验台样机Fig.3 Comb-brushing and air-absorbing flax capsule harvest testbed

2.2 试验因素的确定及控制方法

根据前期梳齿式亚麻(胡麻)蒴果梳刷试验台的台架试验结果，结合梳刷气吸式亚麻(胡麻)蒴果收获试验台的结构布置及工作原理，选取以下4个试验因素(表2)：梳齿截面形状A、梳刷滚筒转速B、机具行进相对速度C、离心式通风机风量D[5]。梳齿截面形状通过安装不同截面形状的梳齿来控制，梳刷滚筒转速通过调节电动机的转速来控制，机具行进相对速度通过调节导轨步进电机的转速来控制，离心式通风机的风量通过调节风机进风口的大小来控制。

表2 试验因素和水平Tab.2 Test factors and levels

2.3 试验指标及计算方法

根据前期梳齿式亚麻(胡麻)蒴果梳刷试验台的台架试验结果，结合梳刷气吸式亚麻(胡麻)蒴果收获试验台的结构布置及工作原理，选取以下2个试验指标：蒴果收集率Y1，植株缠绕率Y2[5]。试验台要求蒴果收集率越大越好，植株缠绕率越小越好，各试验指标的计算公式分别如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中M——梳刷前植株总质量，g

M1——梳刷后植株质量，g

M2——风机出风口收集的蒴果质量，g

M3——滚筒上缠绕的植株质量，g

2.4 试验方案、结果与分析

按照L9(34)正交表设计4因素3水平的正交试验，研究各个试验因素对试验指标影响的显著性，共进行9组试验，每组试验重复3次取平均值。每次试验根据式(1)和式(2)计算各试验指标，正交试验方案及结果如表3所示。

表3 试验方案及结果Tab.3 Test scheme and results

由极差分析结果(表4)可得：蒴果收集率和植株缠绕率的较优参数组合分别为A-1B-1C-1D1、A0B-1C-1D-1；各因素对蒴果收集率和植株缠绕率的影响顺序由大到小分别为D>C>A>B、A>D>B>C。

表4 正交试验极差分析结果Tab.4 Range analysis results of orthogonal experiment

由方差分析结果(表5)可得：离心式通风机风量和其他因素对蒴果收集率的影响分别为极显著和不显著，这是由于梳脱的蒴果依靠风机来收集，因此风机的风量越大，蒴果的收集效果越好；梳齿截面形状和其他因素对植株缠绕率的影响分别为显著和不显著，这是由于植株与梳齿直接接触，不同截面的梳齿对植株的损伤程度不同，植株有不同程度的断裂，导致了缠绕率的不同。结合极差分析结果可得较优参数组合为A0B-1C-1D1。

表5 正交试验方差分析结果Tab.5 Variance analysis results of orthogonal experimental

2.5 试验验证

在较优参数组合条件下，经试验台梳脱收集到的蒴果物料如图4所示，验证试验结果如表6所示[9-10]。蒴果收集率为96.67%，植株缠绕率为0.32%，试验台的梳脱、收集、避免植株缠绕等效果较好。

表6 试验台验证试验结果Tab.6 Test results of test bench verification test

图4 集料箱收集到的蒴果物料Fig.4 Capsule material collected in aggregate box

3 结论

(1)在较优工作参数组合的梳齿截面形状为圆形、梳刷滚筒转速44 r/min、机具行进相对速度80 mm/s、离心式通风机风量6 000 m3/h条件下，蒴果收集率为96.67%、植株缠绕率为0.32%，试验台梳脱、收集、避免植株缠绕等效果较好。经过试验台收集得到的蒴果物料为半脱粒物料，物料中植株秸秆成分极少，利于后续的破壳脱粒环节。

(2)基于先得到亚麻(胡麻)蒴果、再对蒴果破壳脱粒的收获方式，设计的梳刷气吸式亚麻(胡麻)蒴果收获试验台，提供了解决亚麻(胡麻)机械化收获过程中植株缠绕滚筒问题和蒴果收集问题的可行性方案。