玉米收获机清选装置内杂余抛送器设计与试验

发布时间：2020-07-29 08:07

【摘要】：作为我国第二大粮食作物的玉米,在我国种植范围广泛,其生产总值在国民经济中发挥着不可替代的作用。随着我国农业机械化水平的提高,玉米籽粒直接收获技术对我国农业机械化的发展起着重要的作用。随着玉米单产的逐年提高,为了达到清选装置籽粒高清洁率和低损失率的清选能力要求,目前多数学者依靠设计新型振动筛驱动机构或改进振动筛筛体结构。运用理论分析设计了一种能够在风筛式玉米清选装置清选筛上部空间实现籽粒与杂余在竖直方向上分层、水平方向上分散的杂余抛送器,通过CFD-DEM耦合方法研究玉米脱出物在杂余抛送器作用下的运动,通过仿真试验确定杂余抛送器优化结构,并用台架试验验证仿真结果的准确性,依靠国家自然科学基金(51475090)、黑龙江省科学基金(E2017004)、国家重点研发计划项目(2018YFD0300103)以及北方寒地现代农业装备黑龙江省重点实验室,主要研究内容和结论如下:(1)增设杂余抛送器的清选装置内玉米脱出物颗粒运动特性分析。建立玉米脱出物颗粒运动学模型,探究杂余抛送器对玉米脱出物颗粒在水平方向上被抛送位移的影响。通过对玉米脱出物颗粒整个抛送过程(脱出物颗粒离开抖动板到达杂余抛送器拨指前的运动、脱出物颗粒在杂余抛送器拨指上的运动、脱出物颗粒被抛后在风场中的运动)的运动学与动力学研究,确定了杂余抛送器安装位置及杂余抛送器拨指曲线形状。(2)采用CFD-DEM耦合方法对玉米脱出物在杂余抛送器下的运动进行仿真单因素试验。基于玉米脱出物颗粒在杂余抛送器拨指上的运动分析,选取杂余抛送器的周向拨指数量、拨指回转半径、轴向相邻指间距、拨辊旋转角速度为试验因素。基于水平方向上杂余被抛送越远,其在振动筛上透筛几率就越小,籽粒清洁率就越高;杂余与籽粒重叠位移越小,杂余对籽粒携带作用就越小,籽粒的损失率就越低,选取水平方向上杂余被抛送位移、籽粒与杂余被抛送重叠位移为性能指标,对玉米脱出物在杂余抛送器作用下的“竖直分层,水平分散”现象进行数值模拟。通过单因素仿真试验确定各试验因素参数的影响范围。(3)为获取杂余抛送器的优化参数组合,采用四因素五水平中心组合设计安排试验。通过响应曲面方法对试验结果进行分析,利用Design-Expert软件对回归数学模型进行多目标优化,各因素对杂余被抛送水平位移影响由强到弱的顺序为:周向拨指数量、拨辊旋转角速度、轴向相邻指间距、拨指回转半径;各因素对被抛籽粒与杂余水平重叠位移影响由强到弱的顺序为:周向拨指数量、轴向相邻指间距、拨辊旋转角速度、拨指回转半径,杂余抛送器优化参数为:周向拨指数量8个,拨指回转半径80.2 mm,轴向相邻指间距12.4 mm,拨辊旋转角速度15.4 rad/s。(4)基于杂余抛送器拨指曲线及仿真优化参数结果,加工周向拨指数量为8个、拨指回转半径取整为80.0 mm、轴向相邻指间距近似为12.5 mm的杂余抛送器,改进贯流式风筛清选装置试验台架,并将其安装在清选装置内对应位置,进行台架试验。台架试验结果表明:在清选装置入口风速为12.8 m/s,入口方向角为25°条件下,当清选装置入口的玉米脱出物为常规喂入量5 kg/s时,未加杂余抛送器的清选装置籽粒清洁率均值为97.08%,籽粒损失率均值为2.26%,增设杂余抛送器的清选装置籽粒清洁率均值为98.74%,籽粒损失率均值为1.65%;当清选装置入口的玉米脱出物为大喂入量6~7 kg/s时,增设杂余抛送器的清选装置籽粒清洁率均值可达到97.91%,籽粒损失率均值可降至1.74%,可满足当今全喂入式玉米籽粒联合收获机清选装置玉米清选国家标准要求。提出在风筛式清选装置振动筛上部空间安装杂余抛送器,分析了增设杂余抛送器的清选装置内玉米脱出物颗粒运动特性,并揭示了杂余抛送器的周向拨指数量、拨指回转半径、轴向相邻指间距、拨辊旋转角速度对水平方向上杂余被抛送位移、籽粒与杂余被抛送重叠位移的影响,为风筛式清选装置内辅助分离部件的设计提供参考依据。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S225.51
【图文】：

变化曲线,清选装置,内气,玉米

清洁率和低损失率的清选能力要求。运用理论分析设计了一种能够在清选筛上部空间实现籽粒与杂余在竖直方向上分层、水平方向上分散的杂余抛送器，以期满足不断提高的玉米产量对玉米收获机清选装置的要求，提高筛面利用率、籽粒清洁率、降低籽粒损失率。1.2 国内外研究现状1.2.1 清选装置的国内外研究现状（1）清选装置内气流场风筛式清选装置通过风机产生的气流场与振动筛的联合作用对玉米混合物进行清选，气流场对清选装置的清选性能有着重要的影响。E.A.streicher 等通过在清选室中分布 32 个热敏电阻来检验轴流式风机产生气流速度，研究分析了谷物喂入量对气流速度变化的影响，得到了不同喂入量对应气流速度变化曲线和物料的运动对清选效果的影响[4]。MekonnenGebreslasie Gebrehiwot 等将离心风机原有的 1 个出风口改装为 2 个出风口，对传统式外壳、开口式外壳及开口大小为风机宽度的 2/3 的外壳进行了试验对比，结果表明增加风机开口幅度对气流在出风口宽度方向的分布均匀性以及对物料分层起到了很大作用[5]。Uhl 和 Lamp研究出在小麦联合收获机清选室内，颖壳在实现完全分层分离时风速为 4 m/s，所有稻杆呈现悬浮状态时风速为 6.7 m/s，籽粒可在 5.8~9.1 m/s 的气流速度中自由沉降[6]。

变化曲线,气流场,筛面,微观

曲线,脱出物,运动状态,风速

（2）脱出物运动颗粒脱出物在振动筛筛面上运动状态影响着籽粒的透筛时间、透筛概率，影响着籽粒清洁率和籽粒损失率，进而影响着清选装置的性能。V.E.Saitov 等人分析了从抽风口流动风机区域中颗粒杂质分布的模拟过程，并推导了其数学模型，并提出了一种实现堆积粮食清选的技术方案。通过与实验数据的比较，验证了所建立的数学模型充分描述了在直径扇形窗内抽吸室沉积区轻杂余的分离过程[12]。E.M.Beunder 等人建立了圆柱形物料在筛面上的运动学模型，并利用 CCD 摄像机得到筛面上颗粒的运动速度[13]。J.Li 通过研究颗粒群体在清选筛上运动，来主要分析和寻求半径不同的颗粒在半径不同筛孔的运动形式，进而探究颗粒群体的运动规律[14]。王智华利用颗粒碰撞理论研究方法，建立基于脱出物颗粒在上筛面上的运动学模型[15]。李革基于数值计算方法进行清选装置内气流速度的单因素试验，得到了谷物颗粒速度与风速的关系曲线，确定了清选装置达到最佳性能时的工作参数[16]。赵杰文等研究了在水平气流中籽粒、茎秆和其它脱出物的运动形式，确定了谷粒下落沿气流方向的分布函数[17]。李洪昌基于 CFD-DEM 气固耦合方法仿真了清选装置内物料颗粒于清选筛筛面上的运动，风速为 10.0 m/s 时脱出物运动状态如图 1-3 所示，并进行试验验证了脱出物实现分层分离的最佳状态[18]。王立军研究了玉米脱出物群体在清选装置内运动情况，并对其运动规律进行了阐述，玉米脱出物颗粒在 XY 平面内的运动轨迹如图 1-4 所示，得到了玉米脱出物群体的群体运动规律[19]。

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