摘要：针对油菜联合收获机筛下物组分在不同质量比条件下，旋风分离清选系统性能差异较大的问题，开展了筛下物组分质量比对旋风分离清选系统性能影响的研究。基于自主研发的4LYZ-2.0型油菜联合收获机，开展了以切抛组合式纵轴流脱粒分离装置切碎滚筒和脱粒滚筒转速为因素的双因素试验，探究了油菜筛下物各组分质量比在不同运行参数下的变化区间;以筛下物组分质量比为因素开展了正交试验和二次旋转正交组合试验，明确了筛下物各组分对清选性能影响的显著性，并构建了荚壳、短茎秆质量比与清洁率、损失率之间的回归模型，基于多目标优化明确了荚壳、短茎秆质量比的较优变化区间。双因素试验表明：切碎滚筒转速为430r/min~550r/min、脱粒滚筒转速为450r/min~650r/min时，筛下物中荚壳、短茎秆、轻杂余、籽粒质量比变化区间分别为20.86%~31.68%、9.12%~16.47%、8.36%~11.27%、50.05%~51.93%;正交试验表明：短茎秆质量比对清洁率影响极显著，荚壳质量比对损失率和清洁率影响均极显著;多目标优化结果表明：当荚壳质量比在20.00%~27.67%、短茎秆质量比在9.00%~12.08%时，旋风分离清选系统损失率低于6%、清洁率大于94%;田间试验表明：4LYZ-2.0型油菜联合收获机满足工作要求，通过调节切抛组合式纵轴流脱粒分离装置运行参数可调节筛下物组分比例，当切碎滚筒转速为550r/min、脱粒滚筒转速450r/min时，脱粒装置夹带损失率为2.01%，旋风分离清选系统损失率为5.39%、清洁率为94.62%，为油菜联合收获机脱粒分离装置和清选系统的参数优化与匹配提供参考。
关键词：农业机械化工程;油菜;联合收获机;旋风分离;筛下物组分质量比
0引言
油菜联合收获机能够一次完成切割、脱粒、分离和清选等多重作业工序，高效省时[1-5]。清选作为其中关键环节，其性能优劣对整机作业质量至关重要。目前油菜联合收获机清选装置多为风机与振动筛配合使用的风筛式清选，但其结构复杂、尺寸庞大，振动大。旋风分离作为一种清选分离方式，其结构紧凑，被广泛应用[6-11]。
针对旋风分离清选技术在联合收获机上的应用问题，国内外学者在结构设计、参数设计、仿真及优化设计上进行了深入研究[12-14]。陈立、廖庆喜等测定了油菜筛下物不同组分物料的悬浮速度，并设计了一种油菜联合收获机筛下物旋风分离清选试验台，完成了油菜筛下物的分离清选[15-16];刘师多等将旋风分离用于小麦联合收获机中，并确定了相关结构参数和运行参数[17];高连兴等将旋风分离应用在大豆联合收获机上[18];戴飞等结合胡麻脱出物的物料特性，利用旋风清选系统完成胡麻脱出物的分离清选[19]，为旋风分离清选系统在油菜联合收获机上的应用提供了参考。此外倪长安等对微型小麦联合收获机旋风分离清选关键部件的运行参数和结构参数开展了试验研究[20];敬志臣等利用Fluent软件模拟了小麦颖壳、茎秆及籽粒的分离效率，进一步提升了收获机上旋风分离清选系统的工作性能[21]。
旋风分离清选系统的工作性能对筛下物组分质量比、喂入量以及物料特性变化较为敏感[22]。针对物料特性陈翠英等测定了油菜筛下物的空气动力学特性[23];侯华铭等测定了谷子筛下物含水率对其悬浮特性的影响，明确了谷子脱出物悬浮速度与其含水率的关系[24];Huang等通过双向耦合CFD模拟和试验，研究了颗粒喂入量对旋风分离器性能的影响，结果表明CFD模拟可用于合理预测不同颗粒喂入量下的分离效率[25]，为后续清选系统的优化设计提供了依据。油菜筛下物组分杂糅，包括籽粒、荚壳、短茎秆、轻杂余，但相关研究主要集中在单一组分物料的机械特性和空气动力学上，对混合组分关系鲜有研究[26]。
本文基于自主研发的4LYZ-2.0型油菜联合收获机，研究切抛组合式纵轴流脱粒分离装置运行参数对筛下物组分质量比的影响规律及筛下物组分质量比对旋风分离清选系统性能影响规律，为脱粒分离装置和清选装置参数优化与匹配提供了参考依据。
1油菜收获机结构与物料分流过程
1.1基本结构
自主研发的4LYZ-2.0型油菜联合收获机为液压驱动自走式油菜联合收获机，其核心部件包括割台、切抛组合式纵轴流脱粒分离装置、旋风分离清选系统、履带式行走底盘及液压动力控制系统等，其结构如图1所示，收获机主要技术参数如表1所示。
1.2物料分流过程
油菜在割刀及拨禾轮的共同作用下被切断，并由拨禾轮拨送至复切输送器，经由复切输送器输送至切碎装置;在辅助喂入辊的强制输送作用下，进一步被切碎滚筒切碎后形成100~300mm的物料流;物料流在切碎装置的抛送作用下，顶部径向喂入至纵轴流脱粒分离装置，并在纵轴流脱粒分离装置的作用下，籽粒、荚壳、短茎秆和轻杂余等物料透过筛网形成筛下物，筛下物组分如图2所示;筛下物在抛扬机的作用下，以一定的初速度被抛送至旋风分离筒内，籽粒在旋风分离筒内由于悬浮速度的差异完成清选过程并落入粮仓，至此完成油菜的切割、输送、脱粒、分离及清选等过程。脱粒分离装置内其它秸秆及旋风分离筒内荚壳、短茎秆等杂余则分别通过排草口和风机出风口排送至田间。油菜联合收获机物料分流过程如图3。
2切抛组合式纵轴流脱粒分离装置运行参数对筛下物组分影响
利用4LYZ-2.0型油菜联合收获机为试验台架，选择切抛组合式纵轴流脱粒分离装置切碎滚筒转速和脱粒滚筒转速为影响因素，进行两因素五水平的双因素试验，研究不同运行参数对筛下物组分质量比的影响规律及其变化区间。
2.1试验材料与方法
试验在华中农业大学现代农业科技试验基地进行，试验油菜为机直播华油杂62，人工收获后挂藏，试验对油菜进行复水处理，复水后测得油菜茎秆含水率为51.36%，果荚含水率为30.12%，籽粒含水率为22.84%。试验平台为自主研发的4LYZ-2.0型油菜联合收获机。核心装置切抛组合式纵轴流脱粒分离装置主要由辅助喂入辊、切碎装置和纵轴流脱粒分离装置等部件组成。装置主要结构参数如表2所示：
以4LYZ-2.0油菜联合收获机为试验台，控制喂入量为2~3kg/s。试验开始前在输送带上铺放油菜，根据联合收获机田间作业机组前进速度调节输送带带速，调节各部件转速至稳定后启动输送带，完成油菜的输送和脱粒分离。
2.2试验结果与分析
通过调节4LYZ-2.0型油菜联合收获机切抛组合式纵轴流脱粒分离装置运行参数，得到不同运行参数下的切抛组合式纵轴流脱粒分离装置筛下物各组分质量比，试验结果如图5所示。
由图5知：在切抛组合式纵轴流脱粒分离装置脱粒间隙为30mm、切碎滚筒转速为430r/min~550r/min、脱粒滚筒转速为450r/min~650r/min的条件下，筛下物中荚壳质量比为20.86%~31.68%、短茎秆质量比为9.12%~16.47%、轻杂余质量比为8.36%~11.27%、籽粒质量比为50.05%~51.93%。
随着切碎滚筒转速增加，对物料的作用次数增多，部分荚壳被切碎成轻杂余，筛下物中的荚壳质量比逐步下降。脱粒滚筒转速在450r/min~500r/min增加时，在荚壳过筛率增加、物料流动速度增加以及打击次数增多的共同作用下，筛下物中荚壳质量比小范围波动;随着转速继续增大，脱粒分离装置内物料快速轴向输送，部分荚壳从排草口排出，另一部分荚壳经多次打击后变成轻杂余，荚壳质量比逐渐降低。
筛下物中短茎秆所占质量比随切碎滚筒转速增大而增加，由于切碎滚筒转速增加，油菜茎秆以及分支被切碎后平均长度逐渐降低，增加了筛下物短茎秆质量比。随着脱粒滚筒转速增加，筛下物短茎秆质量比在450r/min~650r/min内先增后减再增加。脱粒滚筒转速在450r/min~500r/min内增加时，油菜茎秆以及分枝的断裂与破碎增加，导致筛下物中短茎秆增加;滚筒转速增在500r/min~550r/min内增加时，虽然茎秆破碎也继续增加，但滚筒内物料轴向流动速度加快，部分短茎秆未能及时经过筛网分离而从排草口排出，此时筛下物短茎秆质量比小幅度减小;随着滚筒转速的继续提高，茎秆的破碎率急剧增加，筛下物短茎秆质量比继续增加。
相关期刊推荐：《吉林大学学报(工学版)》1957年创刊，是综合性学术期刊。主要报道吉林大学工学门类的科学研究成果。包括：机械工程、材料科学与工程、动力工程及工程热物理、交通运输工程、农业工程、控制科学与工程、计算机科学与技术、电子科学与技术、信息与通信工程等方面的学术论文。也发表国内外在上述领域的最新研究成果。
轻杂余主要成分为两片荚壳中间的隔膜及经过切碎滚筒和脱粒滚筒多次打击与搓擦之后的细碎荚壳与茎秆。切碎滚筒转速提高，切碎滚筒对茎秆和荚壳的作用次数增加导致轻杂余所占质量比缓慢增加。脱粒滚筒转速在450r/min~500r/min内增加时，物料流动速度加快，筛下物轻杂余质量比逐渐减小;随着脱粒滚筒转速的继续增加，脱粒元件的打击次数增多，细碎果荚与茎秆增多，导致轻杂余质量比逐渐增大。
脱粒装置夹带损失整体较低，大部分籽粒可顺利透过筛网进入清选系统，筛下物中籽粒质量分数因切碎滚筒转速和脱粒滚筒转速变化在50.05%~51.93%内小范围波动，其波动是因为荚壳、短茎秆和轻杂余的过筛质量变化造成的。
由表4方差分析可知切碎滚筒转速对筛下物中荚壳、短茎秆及轻杂余的质量比的影响均极显著，对籽粒质量比影响不显著;脱粒滚筒转速对筛下物中荚壳、短茎秆和轻杂余质量比影响均极显著，对籽粒质量比影响不显著。
3筛下物组分质量比对清选系统影响
为探究筛下物各组分质量比对旋风分离清选系统工作性能的影响规律。拟通过正交试验明确筛下物中荚壳、短茎秆及轻杂余质量比对旋风分离清选系统性能影响的显著性;结合正交试验结果开展二次旋转正交组合试验构建清洁率、损失率与筛下物组分质量比之间的回归模型;通过建立清洁率与损失率的边界条件探索得到满足清选性能要求的筛下物质量比范围，获取切碎滚筒与脱粒滚筒转速的较优组合。
3.1正交试验
切抛组合式纵轴流脱粒分离装置运行参数对筛下物组分影响可知，筛下物中籽粒变化范围较小，因此以清洁率和损失率为评价指标，以筛下物中荚壳、短茎秆及轻杂余质量比为因素进行三因素五水平正交试验。
3.1.1试验材料与方法
基于4LYZ-2.0油菜联合收获机搭建旋风分离清选系统试验台，旋风分离清选系统主要部件包括抛扬机、旋风分离筒、离心风机及管道等。
基于切抛组合式纵轴流脱粒分离装置不同运行参数对筛下物组分质量比影响试验结果确定试验因素与水平范围。选取筛下物中荚壳质量比、短茎秆质量比与轻杂余质量比为试验因素进行三因素五水平正交试验。在因素水平范围选取时，基于试验结果适当扩大各因素试验水平范围。试验各因素水平范围为：短茎秆质量比为9%~17%、轻杂余质量比为8%~12%、荚壳质量比为20%~32%。根据以上参数变化区间确定试验因素水平，如表5所示。
3.1.2试验结果与分析
利用油菜联合收获机旋风分离清选系统进行清选试验，得到不同筛下物组分比例下的清洁率与损失率，试验结果与方差分析结果如表6和表7所示。试验结果采用综合评分法分析，根据实际生产过程中保证较低的损失率为主的原则，拟定清洁率权重为0.35，损失率权重为0.65，加权后综合评分越高效果越好[28]。综合分=清洁率隶属度×0.35-损失率隶属度×0.65
由表6正交试验结果可知：通过极差分析，影响旋风分离清选系统作业效果因素主次分别为：荚壳质量比、短茎秆质量比、轻杂余质量比。
由表7方差分析可知：筛下物中荚壳质量比对损失率和清洁率影响均极显著;筛下物中短茎秆质量比对清选系统的清洁率影响极显著、对损失率影响不显著;筛下物中轻杂余质量比对清选系统清洁率和损失率影响均不显著。故在后续试验研究中重点考察短茎秆、荚壳质量比对清选性能的影响。
3.2二次旋转正交组合试验
正交试验可知轻杂余质量比对清洁率和损失率均不显著，因此选取筛下物中荚壳质量比及短茎秆质量比为因素进行二次旋转正交组合试验，建立筛下物中荚壳质量比、短茎秆质量比与清洁率、损失率之间回归方程，确定满足旋风分离清选性能的筛下物中荚壳及短茎秆质量比范围区间。试验因素编码值如表8所示，试验结果如表9所示。
综合图5可知，满足条件的切碎滚筒转速与脱粒滚筒转速组合有：550r/min、450r/min;490r/min、550r/min，且两组合下的脱粒分离性能及筛下物中荚壳和短茎秆质量比相近，利用液压流量传感器及压力传感器测得切碎滚筒转550r/min、脱粒滚筒转速450r/min组合功耗相对较小，在此条件下测得切抛组合式纵轴流脱粒分离装置夹带损失为0.46%、功耗为4.45kW，清选装置清洁率94.29%、损失率为5.08%。
4田间试验
2019年5月于华中农业大学现代农业科技试验基地开展田间试验。试验材料为机直播华油杂62号油菜，种植密度为38株/m2，平均株高为1757mm，油菜主茎秆含水率为58.04%，果荚含水率为36.83%，籽粒含水率为24.55%。4LYZ-2.0型油菜联合收获机割幅2m，试验时控制割茬高度在250~350mm，机组前进速度2.1~3.6km/h，机组作业效率0.43~0.72hm2/h，喂入量为2~3kg/s。每次试验调节切碎滚筒转速、脱粒滚筒转速进行试验，试验后收集排草口、出粮口和风机出口处物料，称重并筛选出其中籽粒，计算得出切抛组合式纵轴流脱粒分离装置夹带损失率及旋风分离清选系统清洁率和损失率。当切碎滚筒转速为550r/min、脱粒滚筒转速450r/min、脱粒间隙30mm时，脱粒装置夹带损失率为2.01%，旋风分离清选系统损失率为5.39%、清洁率为94.62%。
4LYZ-2.0型油菜联合收获机田间作业时运行平稳、物料流动顺畅、田间试验效果如图7所示。试验表明：4LYZ-2.0型油菜联合收获机满足工作要求，通过调节关键部件运行参数可调节筛下物组分比例，从而实现较优的清选性能。——论文作者：袁佳诚1,2王昌1,2何坤1,2万星宇1,2廖庆喜1,2※
