多风道清选装置设计方法及清选损失监测与控制技术研究

多风道清选装置设计方法及清选损失监测与控制技术研究

我国水稻种植面积约3000多万公顷,产量在2亿吨左右,联合收获机在水稻收获环节中发挥着重要作用。清选装置是联合收获机的“消化系统”,是影响整机作业质量、效率的核心工作部件。传统单出风口风筛式清选装置在清选含水率高、杂余多、喂入量大的脱出混合物时,清选性能显著下降。另外,现有清选装置的工作参数只能停机、依照经验手工调节,工作参数无法根据清选性能的变化自动调整,清选损失高、适应性差。

清选装置已成为制约大喂入量（≥8 kg/s）水稻联合收获机发展的最主要瓶颈。为研制出与大喂入量脱粒分离装置相匹配的高性能清选装置,在国家自然科学基金和“863计划”重点项目资助下,着重开展双出风口多风道清选装置设计

方法及清选损失监测与控制技术的研究,主要工作包括:1、从单出风口清选室内脱出混合物和气流场的分布规律和脱出混合物各成分的空气动力学特性入手,试验分析了限制单出风口清选装置性能提高的主要原因,提出了由双出风口多风道离心风机、双层振动筛和回程输送装置组成的双出风口多风道清选装置配置方案。根据脱出混合物在清选室内经多次振动-风选耦合作用后各组分的分布变化规律,推导了双出风口多风道清选装置不同部位气流阻力模型,根据清选装置不同部位理想气流速度分布,估算了清选装置不同部位处的气流阻力值,设计了不同开孔

率的多孔板模拟风机在不同工况下所需承受的清选负荷,提出了一种基于多孔介质模型的双出风口多风道清选装置设计方法。2、采用多孔介质模型定义清选负荷对气流的流动阻力,采用数值模拟并结合气流速度测量,研究了不同结构风机

内部及各出风口流场分布随清选负荷的变化规律,绘制了不同结构风机的压降-

流量ΔP_tot-Q特性曲线,根据“ΔP_tot-Q特性曲线的斜率在工作区域时应尽可能的大”的原则,设计了新型双出风口多风道离心风机。

在对多风道清选装置三维虚拟设计及数值模拟证明清选室内气流场分布合

理的基础上,以电动推杆为基础,研制出了主要工作参数可无级调节的双出风口

多风道清选试验台,并以VS110型风速传感器为主体构建了清选室气流速度测量系统,获取了不同工作参数下清选室内不同部位的气流速度。根据不同工况下清选性能和气流场分布规律,阐明了双出风口多风道清选室内理想气流场分布模型。研究了工作参数对清选装置内部不同部位处气流速度变化的影响规律。将设计的

多风道联合收获机移植到水稻联合收获机上进行田间试验,以检测其清选性能。

3、针对水稻脱出混合物各成分生物力学特性的差异,采用颗粒聚合体法建立了水稻籽粒、短茎秆颗粒模型。利用离散单元法研究了籽粒、短茎秆与敏感板间的碰撞力学特性,分析了籽粒径粒比、茎秆长度和碰撞角度对峰值接触力和接触力变化周期的影响,确定了信号处理电路参数范围。为提高籽粒损失监测传感器的分辨能力,从振动力学角度出发,研究了敏感板振动特性与检测性能之间的关系,分析了系统阻尼比对籽粒碰撞敏感板输出信号特征的影响,提出了对敏感板进行局部约束阻尼处理的方案,从而缩短了信号衰减时间。在ANSYS软件对敏感板模态分析的基础上,优选了约束阻尼层在敏感板上的敷设位置,试验结果表明,对敏感板进行局部约束阻尼处理后,传感器分辨能力显著上升。

以风机转速、分风板倾角、筛片开度等参数为变量,试验研究风筛式清选装置尾部损失籽粒分布规律,建立了清选损失籽粒量监测数学模型,实现了对清选损失籽粒的实时监测。4、以S7-1200 PLC作为主控单元构建下位机硬件系统,并运用梯形图语言完成系统编译,利用Lab VIEW14.0软件开发上位机人机交互界面,采用MODBUS-TCP以太网通讯协议通过交换机完成上位机与下位机之间的信息传递,研制出了具有参数设定、显示、故障报警、数据存储与回放、自动控制、通讯和急停等功能的多风道清选装置作业状态监测与控制系统。以风机分风板倾角、风机转速、鱼鳞筛片开度和籽粒清选损失率、粮箱籽粒含杂率来表征清选装置作业状态,通过台架试验,获取了风机分风板倾角、鱼鳞筛片开度、风机转速等参数与清选损失率、籽粒含杂率性能之间系统试验数据,分析了影响籽粒清选损失的主要因素及其关联性。以籽粒清选损失监测传感器的监测量为输入,开发了清选损失多变量模糊控制器,实现了对风机转速和风机分风板倾角的自动调节,降低了籽粒清选损失。