水稻收獲機涂層改性清選篩面設計與試驗

程 超 付 君 陳 志 任露泉

(1.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室， 長春 130022； 2.吉林大學生物與農業工程學院， 長春 130022)

0 引言

水稻等高含水率谷物清選作業時，脫出物在清選篩面上的粘附、堵塞和堆積等問題是制約清選作業效率和質量的主要原因[1]。水稻脫出物與清選篩面之間的粘篩堵孔問題本質上屬于黏彈性生物材料與金屬部件表面之間的粘附摩擦問題，根據界面科學理論，清選篩的表面特性對脫出物-篩面界面粘附系統的形成具有重要影響[2-4]。針對油菜脫出物在清選篩面上的粘附、堵塞問題，李耀明團隊[5-9]對油菜脫出物與清選篩面的粘附機理進行了深入研究，并采用表面改形的方式設計了仿生非光滑清選篩面，試驗表明，非光滑微結構能夠提高篩面的減粘脫附特性。然而，表面改形只是眾多功能表面構建技術之一[10-11]，目前，在農業工程領域針對高濕脫出物在清選篩面上的粘附、堵塞和堆積等問題的研究缺乏其他相關表面技術的探索應用。

涂層改性技術是近年來被廣泛應用的表面技術，涂層能夠優化部件的表面特性，使其具備特定的功能屬性[12-13]。水稻等谷物清選裝置中常用清選篩的材質多為不銹鋼、鍍鋅板等金屬材料，金屬材料具有強度高、沖擊韌性好、不易疲勞斷裂等優點，但是金屬材料的表面能普遍較高，潤濕性好，與水膜的相互作用較強，在清選作業時，濕黏水稻物料在金屬篩面的粘附和摩擦作用較強。聚四氟乙烯是一種典型的低表面能高分子材料，相比于金屬材料，雖然機械強度較差，但是其摩擦因數小、憎水性強，具有優異的疏水疏油、防污、自清潔等性能，在各領域減粘降阻研究中應用廣泛[14-18]。

本文利用特氟龍聚四氟乙烯涂層材料，在保持原有篩面結構及金屬材質的基礎上，設計具有減粘降阻性能的改性涂層篩面，從摩擦、粘附等方面探究改性涂層篩面的抗粘減阻特性，并通過水稻收獲機田間清選作業試驗測試涂層改性篩面的實際作業效果，以期為解決高濕脫出物在清選篩面上的粘附、堵塞和堆積等問題提供新思路。

1 涂層改性篩面設計

聚四氟乙烯涂層制備包括利用改性聚四氟乙烯濃縮分散液[19]、火焰噴涂聚四氟乙烯粉末[20]等方法，但上述制備方法工藝流程復雜，涂層可靠性較差，近年來隨著涂料技術的快速發展，美國杜邦、日本大金等公司研發生產的聚四氟乙烯商品涂料被廣泛應用。為保證篩面涂層的可靠性，簡化涂層制備流程，本文篩面改性設計噴涂材料選用美國杜邦科慕聚四氟乙烯涂料。涂料由面漆和底漆組成，面漆型號為PTFE 851G，顏色為綠色，底漆型號為PTFE 850G，顏色為黑色，涂料價格合理。涂層具有摩擦因數低、疏水性強、耐磨性好等特點，能夠滿足長時間摩擦作業的要求，使用近千小時不會失效。根據水稻收獲機實際作業常用清選篩面，選用304不銹鋼沖孔篩面及其基體作為涂層基材，篩面基體是制作沖孔篩面的304不銹鋼板，主要用于涂層改性篩面特性試驗研究，聚四氟乙烯涂層篩面結構原理如圖1所示。

圖1 聚四氟乙烯涂層改性篩面結構原理

聚四氟乙烯涂層改性篩面制備流程主要包括以下步驟：

(1)為提高涂料與基材的結合強度，防止涂層脫落，噴涂前需要對基材進行預處理。首先使用脫脂溶劑對篩面進行脫脂處理，徹底清除篩面油污；然后使用80目左右金剛砂對篩面進行表面噴砂處理，使篩面粗糙度達到3.0～3.5 μm；最后用空氣噴槍將篩面粉塵顆粒吹凈，放入烤箱中保持40℃預熱。

(2)對完成預處理的篩面進行底漆噴裝處理。首先將底漆攪拌30 min，使底漆均勻分散，用150目不銹鋼網進行過濾處理；然后為確保涂層表面均勻，噴涂底漆前，調整噴槍霧化壓力為0.2 MPa，選取噴嘴尺寸為1.5 mm，保持噴槍與篩面25 cm距離，將底漆噴涂到篩面上；繼而將噴完底漆的篩面放入烤箱中進行干燥處理，烤箱由40℃緩慢加熱至150℃后，保溫10 min；最后將篩面移出烤箱，篩面自然冷卻至40℃，再放入40℃烤箱進行保溫，篩面完成底漆噴裝后表面如圖2a所示。

(3)對完成底漆噴裝的篩面進行面漆噴裝處理。首先將面漆攪拌30 min，使其均勻分散，用150目不銹鋼網進行過濾處理；然后調整噴槍霧化壓力為0.3 MPa，選取噴嘴尺寸為1.5 mm，將面漆噴涂到噴有底漆的篩面上；最后將完成噴裝的篩面放入烤箱，烤箱由40℃緩慢加熱至350℃進行干燥燒結，保溫35 min后，將篩面移除烤箱，在室內無塵環境下自然冷卻至常溫，篩面完成面漆噴裝后表面如圖2b所示。

圖2 聚四氟乙烯涂層噴裝

由圖2b可以看出，基于上述噴涂工藝制備的聚四氟乙烯涂層表面溫潤光滑，無灰塵、氣泡、桔皮等噴裝問題，涂層表面形貌穩定。在實際作業過程中，涂層發揮作用的前提是漆膜能牢固地附著在篩面上，良好的附著力是保證涂層作業性能的一項重要指標[21]，因此聚四氟乙烯涂層制備完成后需測試其在篩面的附著效果，本文采用常用的劃格法測定聚四氟乙烯涂層的附著力，測試方法參照GB/T 9286—1998測試標準[22]，利用百格刀在聚四氟乙烯涂層上劃出格陣圖形，將測試膠帶粘貼到涂層上并緩慢剝離，根據被割劃過涂層被膠帶粘起面積比例，可以判斷涂層的附著力等級，為保證測試結果準確性，根據要求測試重復3次，測試結果如圖3所示，3次測試中涂層切口邊緣均未破裂，無涂層碎屑脫落，根據測試標準可以確定本文制備的聚四氟乙烯涂層附著力等級為0級，達到工業應用等級，滿足實際生產要求。

圖3 涂層附著力測試結果

2 涂層改性篩面特性試驗

2.1 摩擦降阻特性試驗

在實際清選作業過程中清選篩往復振動，水稻脫出物與篩面往復摩擦運動，摩擦因數是反映篩面與水稻脫出物摩擦特性的重要指標，在一定條件下，兩者間摩擦因數越小，說明摩擦阻力越小，水稻脫出物流動越順暢。水稻脫出物中主要包括秸稈、籽粒和稻葉等成分[23]，水稻秸稈、稻葉是典型的黏彈性生物材料，由于含水率較高，被脫粒裝置擊打后，其表面會附著黏性液體，增大流動阻力，脫落下的細小雜質的粘附特性更強，如圖4所示，秸稈、稻葉是篩面粘附物的主要成分，流動阻力過大是造成篩面粘附、堵塞問題的主要原因。

圖4 清選篩面粘附堵塞

根據上述分析，利用UMT型往復摩擦試驗機[24]，開展涂層改性篩面與水稻秸稈、稻葉的往復摩擦減阻特性試驗，試驗以無涂層篩面為對照。試驗用水稻品種為三江一號，取自收獲季節佳木斯市友誼農場，參照《農業機械試驗條件、測定方法的一般規定》中物料含水率測定方法，通過田間取樣實際測得水稻秸稈含水率為71.7%～72.4%，稻葉含水率為48.5%～49.3%。往復摩擦試驗裝置如圖5所示，下摩件為聚四氟乙烯涂層篩面基體，其尺寸為60 mm×70 mm，試驗前利用金屬膠將其粘貼固定在下摩件夾具上，上摩件分別為秸稈和稻葉，由于農業物料沒有專用夾具，秸稈和稻葉的固定方式分別如圖5b、5c所示，利用喉箍將長條狀樣件固定在夾具底部。

圖5 往復摩擦試驗裝置

試驗時，參照文獻[6]油菜脫出物摩擦測試方法，同時結合水稻清選作業參數工況，往復摩擦試驗機設定為連續往復滑動模式，參數設定如下：溫度為20℃，法向載荷為2 N，往復行程為20 mm，額定頻率分別選取4、5、6 Hz，測試時間為10 s，試驗開始后，計算機自動記錄摩擦因數變化曲線，每組試驗重復5次。不同摩擦頻率下涂層改性篩面與水稻秸稈摩擦因數曲線如圖6所示，平均摩擦因數測試結果如圖7所示。

圖6 涂層改性篩面與水稻秸稈的摩擦因數曲線

圖7 涂層改性篩面與水稻秸稈平均摩擦因數

由圖6可知，篩面與水稻秸稈往復摩擦時，摩擦因數呈現出周期性變化，在往復摩擦運動正、負行程轉換瞬間，摩擦因數發生驟降，這是由于水稻秸稈作為黏彈性材料，摩擦因數在動、靜條件下會發生一定變化。隨著摩擦頻率增加，摩擦因數曲線變化周期縮短，但是不同摩擦頻率下篩面與水稻秸稈的摩擦因數變化范圍基本吻合，未改性篩面與水稻秸稈的最大摩擦因數約為1.2，最小摩擦因數約為0.4，涂層改性篩面與水稻秸稈的最大摩擦因數約為0.8，最小摩擦因數約為0.2，相比于未改性篩面，涂層改性篩面的最大摩擦因數約降低33.3%，最小摩擦因數約降低50%。

圖8 涂層改性篩面與稻葉的摩擦因數曲線

由圖7可知，隨著摩擦頻率增大，篩面與水稻秸稈的平均摩擦因數略有降低，涂層改性篩面的平均摩擦因數遠低于未改性篩面。相比未改性篩面，頻率為4 Hz時，涂層改性篩面與水稻秸稈的平均摩擦因數約降低32.2%；頻率為5 Hz時，涂層改性篩面與水稻秸稈的平均摩擦因數約降低32.7%；頻率為6 Hz時，涂層改性篩面與水稻秸稈的平均摩擦因數約降低32.7%。試驗結果表明，涂層改性篩面與水稻秸稈往復摩擦時，平均摩擦因數降幅達32.2%～32.7%，水稻秸稈在篩面摩擦阻力降低，有利于其快速流動，可以有效地減小堵塞、堆積等問題，有助于提高篩分效率。

不同摩擦頻率下涂層改性篩面與稻葉的摩擦因數曲線如圖8所示，平均摩擦因數測試結果如圖9所示。

由圖8可知，篩面與稻葉往復摩擦時，摩擦因數同樣呈現出周期性變化，與秸稈相比，篩面與稻葉的摩擦因數更小。隨著摩擦頻率增加，摩擦因數曲線變化周期縮短，不同摩擦頻率下篩面與稻葉的摩擦因數的上、下幅值變化范圍基本吻合，未改性篩面與稻葉的最大摩擦因數約為0.9，最小摩擦因數約為0.2，涂層改性篩面與稻葉的最大摩擦因數約為0.6，最小摩擦因數約為0.1，與未改性篩面相比，涂層改性篩面與稻葉的最大摩擦因數約降低33.3%，最小摩擦因數約降低50%。

由圖9可知，隨著摩擦頻率增大，篩面與水稻稻葉的平均摩擦因數略有降低，利用聚四氟乙烯改性后，篩面的平均摩擦因數明顯降低。相比未改性篩面，頻率為4 Hz時，涂層改性篩面與稻葉的平均摩擦因數約降低40.2%；頻率為5 Hz時，涂層改性篩面與稻葉的平均摩擦因數約降低39.1%；頻率為6 Hz時，涂層改性篩面與稻葉的平均摩擦因數約降低39.7%。上述試驗結果分析表明，涂層改性篩面與稻葉往復摩擦時，平均摩擦因數降幅達39.1%～40.2%，相比于水稻秸稈，涂層改性篩面對稻葉表現出更好的降阻性能。

圖9 涂層改性篩面與稻葉平均摩擦因數

2.2 潤濕減粘特性試驗

水稻脫出物表面液膜的毛細作用是導致其粘附在清選篩面的主要原因[3]，液膜的主要成分是來自于水稻器官植物細胞的水分，因此，通過提高篩面的疏水特性，可以阻止液膜粘附在篩面上，從而破壞粘附界面的形成。接觸角是固、液、氣三相的交界點上固-液界面與液-氣界面切線之間的夾角，液體在固體材料表面上的接觸角是衡量該液體對材料表面潤濕性能的重要參數[25]，如圖10所示，利用KRUSS DSA25型視頻光學接觸角測定儀測定蒸餾水在涂層改性前后篩面上的接觸角，并對其潤濕性進行比較。

圖10 接觸角測定

為減少試驗誤差，測試重復10次，未改性篩面的接觸角測試結果如下：87.1°、87.3°、87.4°、87.0°、86.8°、86.7°、87.4°、87.2°、87.3°、87.3°，平均值為87.2°；聚四氟乙烯涂層改性篩面的接觸角測試結果如下：110.3°、110.4°、110.6°、110.5°、110.5°、110.4°、110.7°、110.8°、110.6°、110.8°，平均值為110.6°。根據界面科學理論[26]，若接觸角小于90°，說明蒸餾水能夠潤濕篩面，篩面具有親水性，接觸角越小，表示潤濕性越好；當接觸角大于90°時，則篩面是疏水性的，即蒸餾水不容易潤濕篩面，容易在篩面上移動，并且接觸角越大，疏水性越強。由分析可知，未改性篩面表現為親水性，聚四氟乙烯涂層改性篩面表現為疏水性，接觸角增幅為26.8%，涂層改性篩面疏水特性顯著增強，有利于抑制界面粘附。

為進一步測試涂層改性篩面的減粘特性，在上文試驗的基礎上，對涂層改性篩面的界面粘附力進行測試?？紤]到界面粘附力非常小，且無專用的農業物料粘附力測試設備，采用圖11a所示的界面粘附力測試方案。首先選取水稻秸稈和稻葉作為試樣，為盡可能保證秸稈、稻葉與篩面充分接觸，減小試驗誤差，圓柱狀秸稈要求粗細均勻、形狀規則，片狀水稻葉片要求表面平整、無較大凸凹，秸稈長為10 mm，直徑約為5 mm，稻葉尺寸為15 mm×12 mm，由于水稻秸稈、稻葉含水率的變化幅度很小，各試樣的材質屬性、表面結構非常相似，不會對試驗結果產生較大影響；然后利用微量滴定管在涂層改性篩面表面定量滴入蒸餾水，選用微量滴定管量程為1 mL，均分為100刻度，即精度為0.01 mL，微量滴定管安裝有控制閥門，為保證滴入量的準確性，需要對水膜液滴的質量進行稱量測試，為測試試樣和涂層改性篩面的不同粘附狀態，選取3組水膜滴入量，分別為0.01、0.02、0.03 mL，將制備的試樣放在水滴上形成粘附界面；最后選取吸水紙作為砝碼盤，并通過絲線將其懸掛在試樣的下方，試驗時保持室內環境穩定，利用微量滴定管緩慢地給吸水紙加重。

圖11 界面粘附力測試原理圖

試樣受力如圖11b所示，根據受力平衡原理，起初試樣受到的粘附力大于試樣、絲線和吸水紙的重力，試樣粘附在篩面上，但隨著吸水紙的重力不斷增大，當試樣重力G1、絲線重力G2和吸水紙重力G3之和大于界面粘附力F時，試樣發生脫落，為減少試驗誤差，每組試驗重復30次，結果取平均值，秸稈和稻葉界面粘附力測試實物如圖12所示。

圖12 界面粘附力測試實物圖

圖13 界面粘附力測試結果

涂層改性篩面界面粘附力測試結果如圖13所示，不同粘附狀態下，涂層改性篩面與秸稈、稻葉的界面粘附力均明顯低于未改性篩面。分析可知，水膜滴入量為1 mL時，涂層改性篩面與秸稈的界面粘附力約降低67%，與稻葉的界面粘附力約降低65%；水膜滴入量為2 mL時，涂層改性篩面與秸稈的界面粘附力約降低65%，與稻葉的界面粘附力約降低64%；水膜滴入量為3 mL時，涂層改性篩面與秸稈的界面粘附力約降低62%，與稻葉的界面粘附力約降低63%。上述分析表明，聚四氟乙烯涂層使得改性篩面的抗粘脫附性能大幅提升，與秸稈的界面粘附力降幅為62%～67%，與稻葉的界面粘附力降幅為63%～65%，減粘效果顯著。

3 清選作業試驗

根據涂層改性篩面的減粘降阻特性試驗結果，進一步對田間清選作業工況下涂層改性篩面的減粘防堵性能開展測試試驗，如圖14a所示，試驗地點選取黑龍江省佳木斯市友誼農場兩段式水稻收獲現場，水稻秸稈含水率為69.6%～70.7%，稻葉含水率為47.6%～48.1%。試驗用常發佳聯CF806型水稻收獲機喂入量為6 kg/s，水稻收獲機行進速度約為5 km/h，采用雙縱軸流脫粒分離技術，清選作業機構為風篩式清選裝置，采用貫流式風機，振動篩運動形式為常見的雙層異向振動，風機出風口風速約為15 m/s，清選篩振幅約為30 mm，振頻約為7 Hz，清選面積約為3.4 m2，未改性篩面和涂層改性篩面2種試驗部件分別如圖14b、14c所示，試驗時安裝在清選裝置中作為上清選篩。

圖14 清選作業試驗裝備及部件

水稻收獲機田間清選作業過程中，通常清選篩的粘附堵塞現象是個漸變的過程，在作業初期清選篩面較為清潔，粘附、堵塞物較少，清選篩作業性能良好，但是隨著作業時間延長，作業量達到1 hm2時，篩面粘附物逐漸積累水稻，脫出物在篩面的流動阻力增大，秸稈掛篩、堵塞問題加劇，直接導致清選篩作業效率降低；同時考慮到本文所用水稻收獲機的作業特點，約每完成0.2 hm2作業量需要進行一次卸糧操作，為節約試驗成本、保障試驗進度，試驗過程中需合理地利用卸糧間隙，進行清選篩拆裝、統計數據等流程。因此根據上述分析，涂層改性篩面田間清選作業試驗以水稻收獲機不同作業量工況下篩面粘附物的質量為試驗指標，試驗選取0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 hm2共5組作業量，每組重復5次。試驗指標測定過程如圖15所示，每次試驗結束后利用毛刷清理篩面上的秸稈、稻葉等粘附物，然后將收集的粘附物進行稱量。

圖15 粘附物收集稱量

隨著水稻收獲機作業量增加，未改性篩面和涂層改性篩面清選作業粘附物質量測定結果如表1、2所示，未改性篩面和涂層改性篩面上粘附物分布變化情況如圖16、17所示。

由表1、2可知，隨著水稻收獲機作業量增大，未改性篩面和涂層改性篩面上粘附物不斷增多，粘附物質量均逐漸增大，但未改性篩面上粘附物質量增速明顯更快；相同作業量工況下，涂層改性篩面粘附物質量明顯低于未改性篩面。與未改性篩面相比，作業量為0.4 hm2時，涂層改性篩面上粘附物質量降低72.8%，作業量為1.2 hm2時，涂層改性篩面上粘附物質量降低71.8%，作業量為2.0 hm2時，涂層改性篩面上粘附物質量降低67.8%，在實際清選作業過程中，涂層改性篩面表現出良好的減粘脫附特性。

表1 未改性篩面粘附物質量測定結果

表2 涂層改性篩面粘附物質量測定結果

圖16 未改性篩面粘附物分布情況

圖17 涂層改性篩面粘附物分布情況

由圖16、17可看出，隨著收獲機作業時間延長，未改性篩面和涂層改性篩面上粘附物均逐漸積累，粘附物覆蓋面積逐漸增大；通過對比發現，相同作業量工況下，涂層改性篩面的粘附程度更低，表面更為清潔、光滑，篩面上的粘附物主要是細小的碎屑，且分布零散，而未改性篩面表面雜亂，粘附物包括細小碎屑和秸稈等成分，作業后期細小碎屑積累較多，并形成一定厚度，秸稈等粘附物尺寸較大，導致附近篩孔堵塞，對清選篩作業質量產生一定影響。

上述分析表明，聚四氟乙烯涂層能夠增強清選篩面的減粘降阻特性，在水稻收獲機較長時間作業過程中，涂層改性篩面可以有效地減少篩面粘附、堵塞問題，保持篩面清潔、光滑，田間試驗結果表明，水稻收獲機總損失率約為1.21%，含雜率約為0.89%，涂層改性篩面具有良好的篩分性能，清選含雜率、損失率能夠滿足實際生產作業要求，試驗中涂層改性篩面累計作業面積約30 hm2，累計有效作業時長超過50 h，篩面涂層無脫落現象，試驗后期也能保持良好的減粘降阻性能，涂層改性篩面表現出良好的耐久特性。

4 結論

(1)利用聚四氟乙烯涂層對水稻清選篩面進行改性設計，進行了涂層改性篩面與水稻秸稈、稻葉的往復摩擦特性試驗，涂層改性篩面與水稻秸稈的平均摩擦因數降幅達32.2%～32.7%，與稻葉的平均摩擦因數降幅達39.1%～40.2%，涂層改性篩面表現出良好的減阻特性。

(2)涂層改性篩面的潤濕減粘特性試驗結果表明，涂層改性篩面的接觸角為110.6°，接觸角增幅為26.8%，與水稻秸稈的界面粘附力降幅為62%～67%，與稻葉的界面粘附力降幅為63%～65%，涂層改性篩面減粘脫附特性顯著增強。

(3)利用水稻收獲機進行了涂層改性篩面田間清選作業性能試驗，作業量為2.0 hm2時，與未改性篩面相比，涂層改性篩面上粘附物質量降低67.8%，涂層改性篩面能夠有效地解決水稻脫出物粘附、堵塞問題，并且具有良好的耐久性。