1、引言
水稻收獲機(jī)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(lái)，我國(guó)主要糧食作物的機(jī)械化收獲一直依靠傳統(tǒng)的切流脫粒裝置來(lái)進(jìn)行。但用傳統(tǒng)切流型脫粒裝置來(lái)脫麥類較為適合，而對(duì)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(diǎn)，工作時(shí)，谷物流作螺旋運(yùn)動(dòng)，脫粒柔和且時(shí)間長(zhǎng)，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(xiàng)指標(biāo)方面都優(yōu)于切流裝置，因此，對(duì)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(jī)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(jī)的工作性能，從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定來(lái)看：清選的損失率及含雜率為國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)國(guó)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(jī)的清選質(zhì)量，將是解決我國(guó)水稻生產(chǎn)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。常用的清選方式有振動(dòng)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(jī)上被廣泛采用，其主要部件有風(fēng)機(jī)和振動(dòng)篩網(wǎng)。在風(fēng)篩式清選裝置中又有單風(fēng)道風(fēng)機(jī)單層振動(dòng)篩，單風(fēng)道風(fēng)機(jī)雙層振動(dòng)篩，雙風(fēng)道風(fēng)機(jī)雙層振動(dòng)篩和雙風(fēng)機(jī)雙層振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明，風(fēng)篩式清選裝置工作性能比較穩(wěn)定，對(duì)作物適應(yīng)性強(qiáng)，因而風(fēng)篩式清選裝置的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)進(jìn)一步提高我國(guó)水稻機(jī)械化的收獲水平具有重大意義。
2、清選裝置試驗(yàn)臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)
該試驗(yàn)臺(tái)由進(jìn)料模擬裝置、機(jī)架、離心風(fēng)機(jī)及調(diào)整機(jī)構(gòu)、貫流風(fēng)機(jī)及調(diào)整機(jī)構(gòu)、振動(dòng)篩架、篩片、階狀抖動(dòng)板、傳動(dòng)機(jī)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(jī)等組成。使其結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)可調(diào)：可通過(guò)調(diào)整振動(dòng)篩曲柄半徑、曲柄轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)出風(fēng)口傾角、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)的位置、振動(dòng)篩傾角、階狀抖動(dòng)板的長(zhǎng)度以及更換不同類型的篩片等來(lái)滿足軸流清選裝置試驗(yàn)要求。試驗(yàn)臺(tái)配有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)工作可靠、測(cè)試精度高。該試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作及調(diào)整方便。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
3、工作原理
工作時(shí)，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(zhǎng)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(dòng)板后再清選，這樣減輕了抖動(dòng)板的作業(yè)負(fù)擔(dān)，避免了物料過(guò)于集中而導(dǎo)致清選效果差的問(wèn)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(duì)機(jī)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(guò)風(fēng)機(jī)吹走部分輕雜質(zhì)如灰塵、糠秕等，再流人階狀抖動(dòng)板和篩體內(nèi)，階狀抖動(dòng)板和篩體在偏心軸驅(qū)動(dòng)下縱向擺動(dòng)，在篩片往復(fù)運(yùn)動(dòng)下達(dá)到分離的目的。
4、試驗(yàn)裝置、材料和方法
4.1試驗(yàn)裝置及相關(guān)儀器設(shè)備
試驗(yàn)采用自行研制的縱軸流風(fēng)篩式清選裝置試驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示。試驗(yàn)過(guò)程中各部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)由電控柜上的旋鈕進(jìn)行調(diào)整，清選時(shí)間、轉(zhuǎn)速、扭矩等可用計(jì)算機(jī)采集。試驗(yàn)中所用的相關(guān)儀器、工具有：電子天平、角度測(cè)量?jī)x、卡尺、鋼直尺、扳手、塑料布、塑料袋、簸箕、篩子等。
4.2試驗(yàn)材料
試驗(yàn)在2008年12月開(kāi)始，試驗(yàn)用水稻在某市的農(nóng)戶家中購(gòu)買(mǎi)，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(hào)；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(yàn)喂人量為2kg/s。
4.3試驗(yàn)方法
先用縱置式軸流脫粒與分離試驗(yàn)臺(tái)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(dòng)清選試驗(yàn)臺(tái)，物料由給料裝置按照縱置軸流實(shí)際落料情況撒落到階狀抖動(dòng)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(dòng)板上的由階狀抖動(dòng)板均勻地抖動(dòng)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(duì)接料箱和排雜箱的內(nèi)容物進(jìn)行處理得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，以離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機(jī)出口傾角、曲柄轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)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(yàn)，因素水平編碼，如表1所示。
5、結(jié)果與分析
5.1試驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)試驗(yàn)，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(guò)對(duì)清選性能指標(biāo)的回歸方程進(jìn)行優(yōu)化計(jì)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(duì)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(diǎn)，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(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速都在-0.3水平左右，即接近764r/min，風(fēng)機(jī)傾角都接近0水平，即接近28°。
6、驗(yàn)證試驗(yàn)
為了驗(yàn)證優(yōu)化參數(shù)的正確性，作了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)仍在原試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，取曲柄轉(zhuǎn)速為235r/min，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為764r/min，風(fēng)機(jī)傾角為280，所得到的性能指標(biāo)，如表4所示。
通過(guò)試驗(yàn)證明，由最佳參數(shù)組合方案所作的驗(yàn)證試驗(yàn)，得到的性能指標(biāo)接近理論值，所得到的各個(gè)性能指標(biāo)都能滿足要求。
7、結(jié)論
通過(guò)三因素五水平的正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，以曲柄轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機(jī)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(píng)定后得到優(yōu)化參數(shù)為：曲柄轉(zhuǎn)速235r/min，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速764r/min，離心風(fēng)機(jī)傾角28°，通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)所得到的性能指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。
