1、引言
水稻收獲機的脫粒裝置根據(jù)作物沿脫粒滾筒的流向可分為切流式和軸流式兩種。一直以來，我國主要糧食作物的機械化收獲一直依靠傳統(tǒng)的切流脫粒裝置來進(jìn)行。但用傳統(tǒng)切流型脫粒裝置來脫麥類較為適合，而對其它谷物就不太適合。而軸流脫粒裝置具有大喂入量的特點，工作時，谷物流作螺旋運動，脫粒柔和且時間長，所以脫粒和分離比較充分，因而在脫凈率、破碎率、分離率等項指標(biāo)方面都優(yōu)于切流裝置，因此，對軸流脫粒與分離裝置和配套清選裝置進(jìn)行深入研究十分必要。
水稻收獲機械的清選裝置直接影響清選的質(zhì)量（清潔率和、損失率），它直接影響到整機的工作性能，從國家標(biāo)準(zhǔn)的制定來看：清選的損失率及含雜率為國家強制性標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)jB/T 5117-2006要求：清選損失率≤0.5%，含雜率≤2.0%，因此，盡快提高聯(lián)合收割機的清選質(zhì)量，將是解決我國水稻生產(chǎn)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸問題。常用的清選方式有振動篩清選、圓筒篩清選、圓錐篩清選、風(fēng)力清選和風(fēng)篩式清選等。由于風(fēng)篩式清選的適應(yīng)性和效果較好，在聯(lián)合收割機上被廣泛采用，其主要部件有風(fēng)機和振動篩網(wǎng)。在風(fēng)篩式清選裝置中又有單風(fēng)道風(fēng)機單層振動篩，單風(fēng)道風(fēng)機雙層振動篩，雙風(fēng)道風(fēng)機雙層振動篩和雙風(fēng)機雙層振動篩結(jié)構(gòu)。實踐證明，風(fēng)篩式清選裝置工作性能比較穩(wěn)定，對作物適應(yīng)性強，因而風(fēng)篩式清選裝置的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計，對進(jìn)一步提高我國水稻機械化的收獲水平具有重大意義。
2、清選裝置試驗臺的總體結(jié)構(gòu)
該試驗臺由進(jìn)料模擬裝置、機架、離心風(fēng)機及調(diào)整機構(gòu)、貫流風(fēng)機及調(diào)整機構(gòu)、振動篩架、篩片、階狀抖動板、傳動機構(gòu)、接料箱、風(fēng)速傳感器、綜合操作柜、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、扭距傳感變送器、電機等組成。使其結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)可調(diào)：可通過調(diào)整振動篩曲柄半徑、曲柄轉(zhuǎn)速、風(fēng)機出風(fēng)口傾角、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、風(fēng)機的位置、振動篩傾角、階狀抖動板的長度以及更換不同類型的篩片等來滿足軸流清選裝置試驗要求。試驗臺配有計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)工作可靠、測試精度高。該試驗臺結(jié)構(gòu)簡單，操作及調(diào)整方便。試驗臺結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
3、工作原理
工作時，將脫出物裝入給料模擬裝置，被清選的脫出物首先在排料輥的控制下，與篩面同寬度、同長度非均勻分布落下，改變了傳統(tǒng)清選的落料方式，物料直接落向篩面而不必集中在抖動板后再清選，這樣減輕了抖動板的作業(yè)負(fù)擔(dān)，避免了物料過于集中而導(dǎo)致清選效果差的問題，提高了清選性能，尤其在大喂入量的情況下體現(xiàn)得更明顯，滿足了當(dāng)前對機器大喂入量的要求。落向篩面的物料再利用種子與夾雜物的幾何尺寸和懸浮速度差異進(jìn)行清選和風(fēng)選。通過風(fēng)機吹走部分輕雜質(zhì)如灰塵、糠秕等，再流人階狀抖動板和篩體內(nèi)，階狀抖動板和篩體在偏心軸驅(qū)動下縱向擺動，在篩片往復(fù)運動下達(dá)到分離的目的。
4、試驗裝置、材料和方法
4.1試驗裝置及相關(guān)儀器設(shè)備
試驗采用自行研制的縱軸流風(fēng)篩式清選裝置試驗臺，如圖1所示。試驗過程中各部件的運動參數(shù)由電控柜上的旋鈕進(jìn)行調(diào)整，清選時間、轉(zhuǎn)速、扭矩等可用計算機采集。試驗中所用的相關(guān)儀器、工具有：電子天平、角度測量儀、卡尺、鋼直尺、扳手、塑料布、塑料袋、簸箕、篩子等。
4.2試驗材料
試驗在2008年12月開始，試驗用水稻在某市的農(nóng)戶家中購買，水稻經(jīng)縱軸流脫粒與分離裝置脫粒后得到清選用物料。水稻的物理特性如下：品種：松津9號；谷草比：1：1.22；千粒重：22.341克；籽粒水分：14.03%；莖稈水分：28.15%脫粒后得到清選用物料成分：籽粒、碎莖稈、斷穗、穎糠等；清選試驗喂人量為2kg/s。
4.3試驗方法
先用縱置式軸流脫粒與分離試驗臺將水稻脫粒，得到脫出物（籽粒、碎莖稈、穎糠等），將脫出物裝入給料模擬裝置，啟動清選試驗臺，物料由給料裝置按照縱置軸流實際落料情況撒落到階狀抖動板和清選篩上，落到清選篩上的物料直接清選，落到階狀抖動板上的由階狀抖動板均勻地抖動到清選篩上進(jìn)行風(fēng)選和篩選，篩選后的谷物（含微量雜質(zhì)）落到接料箱里，碎莖稈、穎糠等落人排雜箱，最后對接料箱和排雜箱的內(nèi)容物進(jìn)行處理得到試驗數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計的試驗方法，以離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機出口傾角、曲柄轉(zhuǎn)速為試驗因素，以清潔率、損失率、功耗作為性能指標(biāo)。按三因素五水平安排試驗，因素水平編碼，如表1所示。
5、結(jié)果與分析
5.1試驗結(jié)果
通過試驗，得到的性能指標(biāo)，如表2所示。
5.2性能指標(biāo)的優(yōu)化
通過對清選性能指標(biāo)的回歸方程進(jìn)行優(yōu)化計算，可以獲得最佳的清選參數(shù)組合方案，并得到清選參數(shù)對清選性能的影響。清選裝置要求具有良好的綜合清選性能，因此要獲得最佳的清選參數(shù)組合方案，就必須采用多指標(biāo)優(yōu)化的方法。根據(jù)清選裝置清選性能要求的特點，采用主目標(biāo)函數(shù)法，利用MATIAB進(jìn)行優(yōu)化求解。得到優(yōu)化參數(shù)，如表3所示。以功耗、含雜率、損失率作為目標(biāo)函數(shù)，分別得到優(yōu)化模型如下：
從表3可以看出，不同性能指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)時的最佳參數(shù)組合方案中，曲柄轉(zhuǎn)速都接近0水平左右，即在235r/min左右，離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速都在-0.3水平左右，即接近764r/min，風(fēng)機傾角都接近0水平，即接近28°。
6、驗證試驗
為了驗證優(yōu)化參數(shù)的正確性，作了驗證試驗，試驗仍在原試驗臺上進(jìn)行，取曲柄轉(zhuǎn)速為235r/min，離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速為764r/min，風(fēng)機傾角為280，所得到的性能指標(biāo)，如表4所示。
通過試驗證明，由最佳參數(shù)組合方案所作的驗證試驗，得到的性能指標(biāo)接近理論值，所得到的各個性能指標(biāo)都能滿足要求。
7、結(jié)論
通過三因素五水平的正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，以曲柄轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機傾角為因素，功耗、含雜率、損失率為性能指標(biāo)，建立了各性能指標(biāo)與因素的回歸方程，采用主目標(biāo)函數(shù)法，利用各性能指標(biāo)的回歸方程，用MATLAB進(jìn)行優(yōu)化求解，綜合評定后得到優(yōu)化參數(shù)為：曲柄轉(zhuǎn)速235r/min，離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速764r/min，離心風(fēng)機傾角28°，通過驗證試驗所得到的性能指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。
