【摘要】：作為我國第二大糧食作物的玉米,在我國種植范圍廣泛,其生產(chǎn)總值在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高,玉米籽粒直接收獲技術(shù)對(duì)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展起著重要的作用。隨著玉米單產(chǎn)的逐年提高,為了達(dá)到清選裝置籽粒高清潔率和低損失率的清選能力要求,目前多數(shù)學(xué)者依靠設(shè)計(jì)新型振動(dòng)篩驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)或改進(jìn)振動(dòng)篩篩體結(jié)構(gòu)。運(yùn)用理論分析設(shè)計(jì)了一種能夠在風(fēng)篩式玉米清選裝置清選篩上部空間實(shí)現(xiàn)籽粒與雜余在豎直方向上分層、水平方向上分散的雜余拋送器,通過CFD-DEM耦合方法研究玉米脫出物在雜余拋送器作用下的運(yùn)動(dòng),通過仿真試驗(yàn)確定雜余拋送器優(yōu)化結(jié)構(gòu),并用臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,依靠國家自然科學(xué)基金(51475090)、黑龍江省科學(xué)基金(E2017004)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFD0300103)以及北方寒地現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)增設(shè)雜余拋送器的清選裝置內(nèi)玉米脫出物顆粒運(yùn)動(dòng)特性分析。建立玉米脫出物顆粒運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,探究雜余拋送器對(duì)玉米脫出物顆粒在水平方向上被拋送位移的影響。通過對(duì)玉米脫出物顆粒整個(gè)拋送過程(脫出物顆粒離開抖動(dòng)板到達(dá)雜余拋送器撥指前的運(yùn)動(dòng)、脫出物顆粒在雜余拋送器撥指上的運(yùn)動(dòng)、脫出物顆粒被拋后在風(fēng)場中的運(yùn)動(dòng))的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究,確定了雜余拋送器安裝位置及雜余拋送器撥指曲線形狀。(2)采用CFD-DEM耦合方法對(duì)玉米脫出物在雜余拋送器下的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真單因素試驗(yàn)。基于玉米脫出物顆粒在雜余拋送器撥指上的運(yùn)動(dòng)分析,選取雜余拋送器的周向撥指數(shù)量、撥指回轉(zhuǎn)半徑、軸向相鄰指間距、撥輥旋轉(zhuǎn)角速度為試驗(yàn)因素。基于水平方向上雜余被拋送越遠(yuǎn),其在振動(dòng)篩上透篩幾率就越小,籽粒清潔率就越高;雜余與籽粒重疊位移越小,雜余對(duì)籽粒攜帶作用就越小,籽粒的損失率就越低,選取水平方向上雜余被拋送位移、籽粒與雜余被拋送重疊位移為性能指標(biāo),對(duì)玉米脫出物在雜余拋送器作用下的“豎直分層,水平分散”現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬。通過單因素仿真試驗(yàn)確定各試驗(yàn)因素參數(shù)的影響范圍。(3)為獲取雜余拋送器的優(yōu)化參數(shù)組合,采用四因素五水平中心組合設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)。通過響應(yīng)曲面方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,利用Design-Expert軟件對(duì)回歸數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,各因素對(duì)雜余被拋送水平位移影響由強(qiáng)到弱的順序?yàn)?周向撥指數(shù)量、撥輥旋轉(zhuǎn)角速度、軸向相鄰指間距、撥指回轉(zhuǎn)半徑;各因素對(duì)被拋?zhàn)蚜Ｅc雜余水平重疊位移影響由強(qiáng)到弱的順序?yàn)?周向撥指數(shù)量、軸向相鄰指間距、撥輥旋轉(zhuǎn)角速度、撥指回轉(zhuǎn)半徑,雜余拋送器優(yōu)化參數(shù)為:周向撥指數(shù)量8個(gè),撥指回轉(zhuǎn)半徑80.2 mm,軸向相鄰指間距12.4 mm,撥輥旋轉(zhuǎn)角速度15.4 rad/s。(4)基于雜余拋送器撥指曲線及仿真優(yōu)化參數(shù)結(jié)果,加工周向撥指數(shù)量為8個(gè)、撥指回轉(zhuǎn)半徑取整為80.0 mm、軸向相鄰指間距近似為12.5 mm的雜余拋送器,改進(jìn)貫流式風(fēng)篩清選裝置試驗(yàn)臺(tái)架,并將其安裝在清選裝置內(nèi)對(duì)應(yīng)位置,進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明:在清選裝置入口風(fēng)速為12.8 m/s,入口方向角為25°條件下,當(dāng)清選裝置入口的玉米脫出物為常規(guī)喂入量5 kg/s時(shí),未加雜余拋送器的清選裝置籽粒清潔率均值為97.08%,籽粒損失率均值為2.26%,增設(shè)雜余拋送器的清選裝置籽粒清潔率均值為98.74%,籽粒損失率均值為1.65%;當(dāng)清選裝置入口的玉米脫出物為大喂入量6~7 kg/s時(shí),增設(shè)雜余拋送器的清選裝置籽粒清潔率均值可達(dá)到97.91%,籽粒損失率均值可降至1.74%,可滿足當(dāng)今全喂入式玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置玉米清選國家標(biāo)準(zhǔn)要求。提出在風(fēng)篩式清選裝置振動(dòng)篩上部空間安裝雜余拋送器,分析了增設(shè)雜余拋送器的清選裝置內(nèi)玉米脫出物顆粒運(yùn)動(dòng)特性,并揭示了雜余拋送器的周向撥指數(shù)量、撥指回轉(zhuǎn)半徑、軸向相鄰指間距、撥輥旋轉(zhuǎn)角速度對(duì)水平方向上雜余被拋送位移、籽粒與雜余被拋送重疊位移的影響,為風(fēng)篩式清選裝置內(nèi)輔助分離部件的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S225.51
【圖文】：

清潔率和低損失率的清選能力要求。運(yùn)用理論分析設(shè)計(jì)了一種能夠在清選篩上部空間實(shí)現(xiàn)籽粒與雜余在豎直方向上分層、水平方向上分散的雜余拋送器，以期滿足不斷提高的玉米產(chǎn)量對(duì)玉米收獲機(jī)清選裝置的要求，提高篩面利用率、籽粒清潔率、降低籽粒損失率。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 清選裝置的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（1）清選裝置內(nèi)氣流場風(fēng)篩式清選裝置通過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流場與振動(dòng)篩的聯(lián)合作用對(duì)玉米混合物進(jìn)行清選，氣流場對(duì)清選裝置的清選性能有著重要的影響。E.A.streicher 等通過在清選室中分布 32 個(gè)熱敏電阻來檢驗(yàn)軸流式風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流速度，研究分析了谷物喂入量對(duì)氣流速度變化的影響，得到了不同喂入量對(duì)應(yīng)氣流速度變化曲線和物料的運(yùn)動(dòng)對(duì)清選效果的影響[4]。MekonnenGebreslasie Gebrehiwot 等將離心風(fēng)機(jī)原有的 1 個(gè)出風(fēng)口改裝為 2 個(gè)出風(fēng)口，對(duì)傳統(tǒng)式外殼、開口式外殼及開口大小為風(fēng)機(jī)寬度的 2/3 的外殼進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明增加風(fēng)機(jī)開口幅度對(duì)氣流在出風(fēng)口寬度方向的分布均勻性以及對(duì)物料分層起到了很大作用[5]。Uhl 和 Lamp研究出在小麥聯(lián)合收獲機(jī)清選室內(nèi)，穎殼在實(shí)現(xiàn)完全分層分離時(shí)風(fēng)速為 4 m/s，所有稻桿呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)時(shí)風(fēng)速為 6.7 m/s，籽�？稍� 5.8~9.1 m/s 的氣流速度中自由沉降[6]。

清潔率和低損失率的清選能力要求。運(yùn)用理論分析設(shè)計(jì)了一種能夠在清選篩上部空間實(shí)現(xiàn)籽粒與雜余在豎直方向上分層、水平方向上分散的雜余拋送器，以期滿足不斷提高的玉米產(chǎn)量對(duì)玉米收獲機(jī)清選裝置的要求，提高篩面利用率、籽粒清潔率、降低籽粒損失率。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 清選裝置的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（1）清選裝置內(nèi)氣流場風(fēng)篩式清選裝置通過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流場與振動(dòng)篩的聯(lián)合作用對(duì)玉米混合物進(jìn)行清選，氣流場對(duì)清選裝置的清選性能有著重要的影響。E.A.streicher 等通過在清選室中分布 32 個(gè)熱敏電阻來檢驗(yàn)軸流式風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流速度，研究分析了谷物喂入量對(duì)氣流速度變化的影響，得到了不同喂入量對(duì)應(yīng)氣流速度變化曲線和物料的運(yùn)動(dòng)對(duì)清選效果的影響[4]。MekonnenGebreslasie Gebrehiwot 等將離心風(fēng)機(jī)原有的 1 個(gè)出風(fēng)口改裝為 2 個(gè)出風(fēng)口，對(duì)傳統(tǒng)式外殼、開口式外殼及開口大小為風(fēng)機(jī)寬度的 2/3 的外殼進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明增加風(fēng)機(jī)開口幅度對(duì)氣流在出風(fēng)口寬度方向的分布均勻性以及對(duì)物料分層起到了很大作用[5]。Uhl 和 Lamp研究出在小麥聯(lián)合收獲機(jī)清選室內(nèi)，穎殼在實(shí)現(xiàn)完全分層分離時(shí)風(fēng)速為 4 m/s，所有稻桿呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)時(shí)風(fēng)速為 6.7 m/s，籽�？稍� 5.8~9.1 m/s 的氣流速度中自由沉降[6]。

（2）脫出物運(yùn)動(dòng)顆粒脫出物在振動(dòng)篩篩面上運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響著籽粒的透篩時(shí)間、透篩概率，影響著籽粒清潔率和籽粒損失率，進(jìn)而影響著清選裝置的性能。V.E.Saitov 等人分析了從抽風(fēng)口流動(dòng)風(fēng)機(jī)區(qū)域中顆粒雜質(zhì)分布的模擬過程，并推導(dǎo)了其數(shù)學(xué)模型，并提出了一種實(shí)現(xiàn)堆積糧食清選的技術(shù)方案。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，驗(yàn)證了所建立的數(shù)學(xué)模型充分描述了在直徑扇形窗內(nèi)抽吸室沉積區(qū)輕雜余的分離過程[12]。E.M.Beunder 等人建立了圓柱形物料在篩面上的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并利用 CCD 攝像機(jī)得到篩面上顆粒的運(yùn)動(dòng)速度[13]。J.Li 通過研究顆粒群體在清選篩上運(yùn)動(dòng)，來主要分析和尋求半徑不同的顆粒在半徑不同篩孔的運(yùn)動(dòng)形式，進(jìn)而探究顆粒群體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[14]。王智華利用顆粒碰撞理論研究方法，建立基于脫出物顆粒在上篩面上的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[15]。李革基于數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行清選裝置內(nèi)氣流速度的單因素試驗(yàn)，得到了谷物顆粒速度與風(fēng)速的關(guān)系曲線，確定了清選裝置達(dá)到最佳性能時(shí)的工作參數(shù)[16]。趙杰文等研究了在水平氣流中籽粒、莖稈和其它脫出物的運(yùn)動(dòng)形式，確定了谷粒下落沿氣流方向的分布函數(shù)[17]。李洪昌基于 CFD-DEM 氣固耦合方法仿真了清選裝置內(nèi)物料顆粒于清選篩篩面上的運(yùn)動(dòng)，風(fēng)速為 10.0 m/s 時(shí)脫出物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖 1-3 所示，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證了脫出物實(shí)現(xiàn)分層分離的最佳狀態(tài)[18]。王立軍研究了玉米脫出物群體在清選裝置內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了闡述，玉米脫出物顆粒在 XY 平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖 1-4 所示，得到了玉米脫出物群體的群體運(yùn)動(dòng)規(guī)律[19]。

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本文編號(hào)：2773672