軸流螺旋滾筒式食用向日葵脫粒裝置設計與試驗

連國黨，魏鑫鑫，馬麗娜,2，周國輝，宗望遠,2

軸流螺旋滾筒式食用向日葵脫粒裝置設計與試驗

連國黨1，魏鑫鑫1，馬麗娜1,2，周國輝3，宗望遠1,2※

（1. 華中農業大學工學院，武漢 430070；2. 農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430070；3. 石家莊金箭機械設備制造有限公司，石家莊 052160）

針對食葵脫粒過程中籽粒表皮劃傷嚴重及未脫凈率高等問題，該研究設計了一種軸流螺旋滾筒式食葵脫粒裝置。脫粒元件為外徑32 mm的螺旋管，對物料在脫?？臻g的運移過程進行運動學與動力學分析，確定脫粒元件螺旋管螺旋升角為63°，螺距為2 800 mm。以葵花3638為對象進行臺架試驗，通過單因素試驗探索喂入量、滾筒轉速及脫粒間隙對籽粒未脫凈率和破損率的影響，根據單因素試驗結果，以喂入量、滾筒轉速、脫粒間隙為影響因素，未脫凈率和破損率為響應指標，進行二次回歸正交旋轉組合試驗，利用Design-Expert軟件建立響應指標與影響因素之間的數學模型，基于響應面法進行參數優化，獲得脫粒裝置在喂入量1.4 kg/s、滾筒轉速300 r/min、脫粒間隙35 mm的參數組合下脫粒效果較好，此時未脫凈率為0.55%，破損率1.76%。以優化參數組合進行驗證試驗，結果表明，未脫凈率為0.59%、破損率為1.77%，與模型預測值的相對誤差均小于5%。該裝置未脫凈率與破損率均低于現有向日葵脫粒機，滿足向日葵機械化收獲標準。該研究可為食葵機械化收獲裝備的研制提供理論參考。

農業機械；參數優化；食用向日葵；螺旋滾筒；脫粒裝置

0 引 言

向日葵是全球四大油料作物之一，其籽粒營養物質豐富，不僅是葵花油的優質油源，也是加工休閑食品的重要原材料[1]。全球大約有40個國家及地區種植向日葵，總種植面積約0.27億hm2左右，主要分布在俄羅斯、烏克蘭、阿根廷、中國、美國等國家，但是國外以油葵（油用向日葵）種植為主，食葵（食用向日葵）種植面積不到10%[2-3]；國內向日葵種植主要集中在內蒙古、新疆、河北及東北地區，常年種植面積穩定在106.67多萬hm2，其中食葵面積占70%左右[4-5]。目前食葵的收獲主要是人工與機械相結合，無法滿足食葵規?；a需求，機械化收獲是解決食葵產業化發展和提高農民收益的關鍵問題，在食葵機械化收獲過程中，脫粒是不可缺少的一道工序。

由于食葵籽粒上有短毛，較為細嫰，使用傳統脫粒元件表皮易被劃傷造成花皮籽粒，大大降低其經濟價值，且葵盤破碎嚴重，不易清選。脫粒元件結構形式及脫粒系統關鍵工作參數匹配問題是影響食葵脫粒效果的主要因素[6]。近年來，國內外學者也進行了一系列的相關探索。Azharuddin等[7]使用不同形態的釘齒滾筒探究脫粒元件結構對向日葵脫粒性能的影響；Morsy等[8]使用“釘齒-紋桿”組合式滾筒探究脫粒速度、含水率及脫粒間隙等因素對向日葵脫粒性能的影響；Abdollahpour等[9-10]采用攪拌的原理探究脫粒速度、含水率及喂入量對脫粒效果的影響；Sudajan等[11]探究了不同滾筒類型、滾筒轉速及喂料速度等對脫粒性能的影響；黃曉鵬等[12]設計了一種搓齒釘式葵花脫籽機，探究食葵脫粒效果；王云德[13]使用不同結構形式的脫粒滾筒探究食葵脫粒效果；韓長杰等[14]使用弓齒與釘齒相結合脫粒方式探究油葵脫粒效果；于亞飛[15]依據仿生原理雞喙離散食葵籽粒過程，設計了食葵仿生脫粒機；張學軍等[16]設計了一種正多桿變隙式油葵脫粒裝置，使用紋桿式脫粒元件，探究不同工作參數下對油葵的脫粒效果；郝建軍等[17]設計了一種切流式油葵脫粒篩分機，探究喂入量、滾筒轉速及脫粒間隙對脫粒效果的影響。綜上所述，目前對向日葵脫粒裝置的研究主要針對釘齒、紋桿、弓齒組合等脫粒元件，此類脫粒元件對食葵籽粒表皮損傷嚴重，脫粒效果不理想。

本文針對食葵脫粒裝置易導致食葵籽粒表皮被劃傷、未脫凈率高等問題，設計了一種軸流螺旋滾筒式食葵脫粒裝置，對物料在脫?？臻g運移的運動學與動力學分析，明確脫粒元件的結構參數，基于單因素與多因素試驗，探究脫粒裝置工作參數對脫粒效果的影響，尋求最佳參數組合，以期為食葵機械化收獲提供參考。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

食葵脫粒裝置整體結構見圖1，主要由脫粒滾筒、頂蓋、動力傳動系統、電機、機架、籽粒收集裝置、凹板篩、脫粒間隙調節機構及物料輸送裝置等組成。

1.物料喂入口 2.脫粒滾筒 3.頂蓋 4.動力傳動系統 5.電機 6.機架 7.籽粒收集裝置 8.凹板篩 9.脫粒間隙調節機構 10.物料輸送裝置

1.2 工作原理

工作時，輸送裝置將物料輸送至脫粒裝置喂入口，物料從喂入口進入脫粒裝置，在螺旋管式脫粒元件與凹板篩共同作用下，葵盤受到擠壓而變形，導致籽粒與葵盤的連接變松散，實現部分籽粒分離，隨著螺旋管與凹板篩連續多次擠壓葵盤，達到籽粒與葵盤完全脫粒?？P在螺旋管作用下邊脫粒邊運移，籽粒通過凹板篩落入收集裝置，雜物被運移至脫粒裝置排雜口流出，脫粒裝置結構及性能參數如表1所示。

表1 脫粒裝置結構及性能參數

2 關鍵部件設計

2.1 脫粒滾筒

脫粒滾筒是脫粒裝置的關鍵工作部件，關系到脫粒裝置的整體性能。軸流脫粒滾筒有圓柱形和圓錐形2種，現有收獲機多采用圓柱形脫粒滾筒[18]，故選用圓柱形脫粒滾筒。

2.1.1 結構尺寸確定

脫粒滾筒直徑關系到脫粒裝置的工作效率，在相同轉速下，直徑過小脫粒元件線速度低，與物料接觸力度小，脫粒不干凈，直徑過大脫粒元件線速度高，與物料接觸力度大，但物料破損嚴重。結合國內紋桿脫粒滾筒標準（NJ105-75），確定滾筒直徑為400 mm。滾筒長度直接決定脫粒裝置的脫粒性能及分離能力，過短物料在脫?？臻g滯留時間短，脫粒不充分，過長物料在脫?？臻g滯留時間長易出現過脫現象，籽粒含雜較多，不利于清選，滾筒長度（mm）主要由喂入量及滾筒結構形式確定，按公式（1）計算[19]。

式中為喂入量，kg/s；0為滾筒單位長度的脫粒能力，kg/(s·m)。

依據農業機械設計手冊[19]，不同的作物和脫粒結構形式，滾筒單位長度的脫粒能力不同，對螺旋脫粒滾筒，經試驗測定0取0.7～1.0 kg/(s·m)，取1.4kg/s,由公式（1）計算出脫粒滾筒長度范圍為1 400～2 000 mm,結合縱軸流脫粒滾筒長度[19]，確定其長度為1 800 mm。

2.1.2 脫粒元件選擇與布置

完熟期食葵莖稈、葵盤背面變黃、葉片干枯，其籽粒為瘦果，表皮多為黑底白紋且附有短毛，較為細嫰，易脫粒但表皮極易被劃傷。由于螺旋管結構為圓狀無棱角，與物料碰撞強度低，摩擦力小，對食葵籽粒損傷小且能確?？P完整性，因此脫粒元件使用螺旋管，螺旋管在滾筒上按4頭布置，如圖2所示。

1.左軸頭 2.滾筒體 3.螺旋管 4.撥盤板 5.排雜筒體 6.右軸頭

根據課題組測量，河北地區廣泛種植的優質品種葵花3638葵盤直徑180～330 mm，葵盤厚度45～70 mm，籽粒長度16～26 mm。本文脫粒工藝為切向喂入、軸向脫粒、切向排出方式，脫粒滾筒工作區分為脫粒段和排雜段，脫粒段尺寸過小會導致脫粒不充分，未脫凈率高，排雜段尺寸過小會導致雜物不能及時排除，出現堵塞現象，根據葵盤直徑尺寸實測最大值,確定脫粒段長度1 400 mm，排雜段長度400 mm。

為避免滾筒體與凹板篩間距過小造成籽粒破裂，螺旋管直徑應大于食葵籽粒長度。前期試驗對比了相同滾筒轉速及喂入量條件下直徑28、32、36 mm螺旋管的脫粒效果，結果表明螺旋管直徑越大，與葵盤的接觸面積越大，脫粒間隙越小，脫凈率越高，但對葵盤的破損越大，螺旋管直徑越小，與葵盤的接觸面積越小，脫粒間隙越大，脫凈率越低，葵盤破損越小，綜合考慮選擇外徑為32 mm的螺旋管作為脫粒元件。

與釘齒、紋桿、弓齒等常用脫粒元件擊打、揉搓脫粒原理相比，螺旋管式脫粒元件與葵盤接觸更加柔和，葵盤經過擠壓后整體變松散，更易脫粒，且對葵盤及籽粒的損傷較小，降低籽粒破損率。

2.2 凹板篩

凹板篩在脫粒過程中配合脫粒滾筒完成籽粒的脫粒及分離，其長度由脫粒滾筒的有效工作長度決定，結合上文脫粒滾筒脫粒段尺寸，凹板篩長度取1 400 mm。常用凹板篩有沖孔與柵格兩種，本文根據食葵籽粒形態，選擇柵格式（見圖3），柵格采用直徑為10 mm的圓鋼按半圓弧焊接而成，柵格寬度為28 mm，包角180°，由于圓鋼無棱角，與葵盤碰撞強度低，且對葵盤的摩擦阻力小，籽粒通過性好，可降低籽粒的破損率，有利于實現籽粒與雜質分離。

1.凹板篩桿 2.凹板篩連接板 3.凹板篩掛座

為了使物料順暢進入脫?？臻g，凹板篩與脫粒滾筒圓心錯位布置[20]，通常入口間隙1＞出口間隙2。

2.3 脫粒過程分析

螺旋管式脫粒元件工作過程不僅與凹板篩共同擠壓物料使籽粒分離，而且實現物料沿軸向運移，為探究螺旋管的螺旋升角及螺距等關鍵參數，開展物料在脫粒過程中沿軸向運移的運動學與動力學分析。

2.3.1 物料沿軸向動力學分析

脫粒過程物料與螺旋管在任一處接觸，并與其產生相對滑動，受力分析如圖4所示。

螺旋管對物料的作用力合力F與螺旋管的法向力F偏離了一定角度，此角度為摩擦角，將合力分解為軸向力F和圓周力F。

式中為物料與螺旋管之間的摩擦系數；為螺距，m；為脫粒滾筒直徑，m。

若使物料軸向運動，必須保證軸向動力大于軸向阻力，即滿足：

式中1為物料與螺旋管之間的滑動摩擦系數。

由公式（3）可得：

故螺旋升角與摩擦角應滿足：

1.滾筒體 2.螺旋管

1.Drum body 2.Spiral tube

注：為滾筒旋轉角速度，rad·s-1；F為螺旋管對物料的作用力合力，N；F為螺旋管的法向力，N；F為滾筒與物料的摩擦力，N;為摩擦角，(°)；為螺旋升角，(°)；F為F的軸向分力，N；F為F的圓周分力，N。

Note:is the angular speed of drum rotation, rad·s-1;Fis the combined force of the spiral tube on the materials, N;Fis the normal force of the spiral tube, N;Fis the frictional force between the spiral drum and the materials, N;is the friction angle, (°);is the spiral lift angle, (°);Fis the axial component force ofF, N;Fis the circumferential component force ofF, N.

圖4 物料沿螺旋滾筒軸向運移的受力分析

Fig 4 Force analysis of material transported along the axis of spiral drum

2.3.2 物料沿軸向運動學分析

脫粒過程物料在螺旋管作用下邊旋轉邊沿軸向運移，任一點處物料運動速度圖解如圖5所示。

由于物料與螺旋管之間存在摩擦力，因此點物料的絕對速度方向偏離法線一定角度，其合速度v可分解為沿軸向的速度v和沿圓周的速度v。

若使物料沿軸向運移，必須保證軸向分速度大于0，即滿足：

由公式（5）可得出：

聯立公式（7）和（8）得出螺旋管螺距應滿足：

根據公式（5）和（9）確定螺距為2 800 mm，螺旋升角為63°。

1.滾筒體 2.螺旋管

1.Drum body 2.Spiral tube

注：為物料與螺旋管接觸點；v為物料的運動合速度，m·s-1；'為物料的絕對運動速度，m·s-1；v為物料的牽連速度，m·s-1；v為在摩擦力條件下物料相對螺旋管的滑動速度，m·s-1；v為無摩擦力條件下物料相對螺旋管的滑動速度，m·s-1；v為v的軸向分速度m·s-1；v為v的圓周分速度，m·s-1。

Note:is the point of contact between material and spiral tube;vis the combined speed of motion of the materials, m·s-1;'is the absolute speed of motion of the materials, m·s-1;vis the implication speed of the materials, m·s-1;vis the sliding speed of the materials relative to the spiral tube under frictional conditions, m·s-1;vis the sliding speed of the materials relative to the spiral tube under frictionless conditions, m·s-1;vis the axial partial speed ofv, m·s-1;vis the circumferential partial speed ofv, m·s-1.

圖5 物料在滾筒上的運動速度分析

Fig.5 Speed analysis of material movement on the drum

2.3.3 物料擠壓過程分析

為探究擠壓力對脫粒效果的影響，對物料在擠壓過程進行受力分析，選取凹板篩側任一截面，在任一位置葵盤重心處建立坐標系進行受力分析，如圖6所示，在水平及豎直方向對各力進行分解。

整理得葵盤所受擠壓合力合為

綜上分析，葵盤所受擠壓合力合與有關，隨著脫粒間隙變化而變化，所以擠壓力隨著脫粒間隙的變化而變化，擠壓力過大，籽粒破損率高，擠壓力過小，未脫凈率高，因此脫粒間隙對脫粒效果影響較大。

2.4 物料軸向運動仿真分析

為驗證脫粒裝置設計的合理性，分析脫粒過程中物料的運動情況，基于EDEM軟件對螺旋滾筒中葵盤運動過程進行仿真分析[21]。根據食葵脫粒裝置實際工況要求，設定喂入量為1.4 kg/s、轉速為300 r/min、脫粒間隙為35 mm。參考相關文獻[22-23]，結合實際測量結果設定仿真參數，見表2。

1.凹板篩 2.葵盤 3.滾筒體 4.螺旋管

1.Concave sieve 2.Sunflower disc 3.Drum body 4.Spiral tube

注：1為入口間隙，mm；為脫粒間隙，mm；2為出口間隙，mm；為葵盤重心；F為凹板篩對葵盤的支持力，N；F為螺旋管對葵盤的作用力，N；f為凹板篩對葵盤的摩擦力，N；F為滾筒體對葵盤的作用力，N；為葵盤重力，N；為凹板篩支持力與水平線的夾角，(°)。

Note:1is the inlet clearance, mm;is the threshing clearance, mm;2is the outlet clearance, mm;is the center of gravity of the sunflower disc;Fis the support force of the concave sieve on the sunflower disc, N;Fis the force of the spiral tube on the sunflower disc, N;fis the friction force of the concave sieve on the sunflower disc, N;Fis the force of the drum body on the sunflower disc, N;is the gravity of sunflower disc, N.is the angle between the concave screen support force and the horizontal line, (°).

圖6 脫粒裝置對物料的擠壓原理

Fig.6 The principle of extrusion of material by threshing device

表2 仿真參數

利用Solidworks軟件建立脫粒裝置模型（圖7a）并導入EDEM 軟件，然后建立葵盤仿真模型（圖7b），設定葵盤直徑、厚度和帶莖稈長度為202、53、30 mm。

將模型導入EDEM 軟件后，對相關參數進行設定，利用EDEM求解器提取物料在脫?？臻g運動中的軸向力及軸向速度，見圖8。

圖7 仿真模型

圖8 脫粒過程仿真結果

由于物料在脫?？臻g邊脫粒邊沿軸向運移，因此軸向速度和軸向力應大于0，即：

由圖8b仿真結果可知，在脫粒滾筒高速旋轉下，葵盤初始進入脫?？臻g時，脫粒元件對葵盤產生作用力，出現反彈現象，導致葵盤在脫?？臻g喂入口位置出現不規則跳動，因此葵盤初始進入脫?？臻g一段時間內軸向力及軸向速度出現負值，隨著時間的增大，葵盤軸向速度和軸向力均為正值，葵盤在脫?？臻g沿軸向運移，說明整機結構設計合理。

3 臺架試驗

3.1 試驗材料

試驗選用石家莊金箭機械設備制造有限公司試驗田種植的葵花3638，葵盤直徑為180～330 mm，厚度45～70 mm，含水率28%～36%，籽粒含水率13.5%～15%，籽粒長度16～26 mm，單個葵盤質量265～785 g，共采集600個葵盤，大約420 kg。試驗于2021年10月10日至10月15日在河北石家莊金箭機械設備制造有限公司進行。

3.2 試驗儀器及設備

軸流螺旋滾筒式食葵脫粒裝置試驗臺（課題組自制，圖9），水分測定儀MB45（量程0～45 g，精度0.001）、三相異步電機（YE3-100L2-4），電子天平LP-C100001（量程0～10 000 g，精度0.1 g）、勝利VICTOR DM6234P+轉速表（轉速范圍2.5～99 999 r/min，精度：±0.5%）、HOLIP變頻器（HLP-A型），食品袋若干；掃把、簸箕、標簽紙若干。

a. 試驗現場a. Test siteb. 脫粒滾筒b. Threshing drum

3.3 試驗方法

為探究脫粒裝置工作參數對脫粒效果的影響，尋找較優工作參數組合，選取喂入量、滾筒轉速、脫粒間隙為試驗因素，未脫凈率和破損率為響應指標，進行二次回歸正交旋轉組合試驗。試驗設計為三因素三水平二次回歸正交旋轉組合試驗[24]，共17組，每組試驗重復3次取平均值。試驗參照GB/T 5982-2017《脫粒機試驗方法》[25]開展，在正交試驗前先開展單因素試驗，確定各因素水平范圍，隨機將葵盤分為17組。物料輸送裝置皮帶上設有隔板，按照試驗設計對每組試驗喂入的葵盤按質量依次放至皮帶隔板內，保證每組試驗喂入量恒定，按試驗要求調整好脫粒間隙，啟動電源開關先使脫粒裝置運轉，通過變頻器轉速按鈕調試滾筒轉速，后運行物料輸送裝置將葵盤依次喂入，收集脫粒裝置脫出物并稱量，按公式（13）～（14）計算未脫凈率和破損率。

未脫凈率為每份樣品中葵盤未脫下籽粒的質量1(g)與該樣品籽?？傎|量(g)的比值：

破損率為每份樣品中被機器損傷、表皮劃傷及有裂紋的籽粒2(g)與該樣品籽?？傎|量(g)的比值：

3.4 單因素試驗

為確定正交組合試驗各因素水平合理的范圍，先對喂入量、滾筒轉速、脫粒間隙進行單因素試驗，找出各因素對脫粒效果的影響規律。

3.4.1 喂入量對脫粒效果的影響

脫粒裝置連續工作情況下，喂入量大容易堵塞，喂入量小能耗較大。在滾筒轉速300 r/min，脫粒間隙35 mm的條件下，改變喂入量進行單因素試驗，具體結果見圖10。

從圖10中可以看出，隨著喂入量的增大，未脫凈率遞增，喂入量在1.4～1.6 kg/s之間未脫凈率變化較平緩，超過1.6 kg/s后遞增明顯。隨著喂入量增大，籽粒破損率先降低后升高，喂入量1.4 kg/s時破損率最低，為1.75%。

圖10 喂入量對脫粒性能的影響

3.4.2 滾筒轉速對脫粒效果的影響

在脫粒過程中，脫粒元件線速度的大小直接影響葵盤在脫?？臻g的運動狀態，葵盤運動狀態的改變將導致葵盤與脫粒元件之間的作用力變化，直接影響脫粒效果[26]，借鑒油葵脫粒裝置，初步確定滾筒轉速為：200 r/min≤≤400 r/min[27]。在喂入量為1.4 kg/s，脫粒間隙35 mm條件下，改變滾筒轉速進行單因素試驗，具體結果見圖11。

圖11 滾筒轉速對脫粒性能的影響

從圖11可知，隨著滾筒轉速的增大，未脫凈率先降低后升高，滾筒轉速在300 r/min時最低，為 0.51%，超過300 r/min后遞增。隨著滾筒轉速增大，籽粒破損率先降低后平緩升高，在300 r/min時破損率最低，為1.71%。

3.4.3 脫粒間隙對脫粒效果的影響

食葵脫粒過程中，未脫粒的葵盤從滾筒與凹板篩的間隙經過，脫粒間隙的大小對脫粒性能影響較大，在喂入量為1.4 kg/s，滾筒轉速在300 r/min的條件下，改變脫粒間隙進行單因素試驗，具體如圖12所示。從圖12可知，隨著脫粒間隙的增大，未脫凈率遞增，在35～40 mm之間未脫凈率變化較平緩，超過40 mm遞增明顯。隨著脫粒間隙增大，破損率先遞減后平緩，破損率在35 mm時達到最低，為1.74%。

圖12 脫粒間隙對脫粒性能的影響

3.5 正交試驗

以喂入量1、滾筒轉速2、脫粒間隙3為試驗因素，以未脫凈率1和破損率2為評價指標，根據Box-Behnken試驗原理設計三因素三水平二次回歸正交旋轉組合試驗[28]。前期單因素試驗結果表明，喂入量為1.2～1.6 kg/s，滾筒轉速為250～350 r/min，脫粒間隙30～40 mm范圍內，未脫凈率和破損率較低，試驗因素水平編碼如表3所示。

表3 試驗因素水平編碼表

3.6 試驗結果與分析

3.6.1 試驗方案與結果

二次回歸正交旋轉組合試驗設計方案及結果如表4所示。

表4 試驗方案及結果

3.6.2 回歸模型建立與方差分析

借助 Design-Expert軟件對表4數據進行方差分析及顯著性檢驗，結果見表5。通過回歸模型方差分析表明：未脫凈率、破損率的回歸方程模型<0.000 1，說明2個回歸方程模型顯著，失擬項>0.05，無失擬因素存在，說明預測模型合理。

分別建立喂入量、滾筒轉速、脫粒間隙與未脫凈率1、破損率2之間的二次多項式數學回歸模型，剔除不顯著因素回歸方程為

喂入量、滾筒轉速、脫粒間隙對未脫凈率1和破損率2的響應曲面如圖13所示。

表5 食葵籽粒未脫凈率和破損率回歸模型方差分析

注：<0.01（極顯著），0.01≤0.05（顯著），≥0.05（不顯著）；X為x的水平值，=1,2,3。

Note:<0.01 (highly significant), 0.01≤<0.05 (significant),≥0.05 (not significant);Xis level value ofx,=1,2,3.

圖13 試驗因素對食葵未脫凈率及破損率的響應曲面

由圖13a可知，當滾筒轉速300 r/min時，未脫凈率隨著脫粒間隙的增大而遞增，隨著喂入量的增大而變化不夠明顯。

由圖13b可知，當滾筒轉速300 r/min時，破損率隨著脫粒間隙的增大呈平緩下降趨勢，隨著喂入量的增大，脫粒間隙物料厚度增大，導致脫粒元件與物料之間作用力增強，因此破損率呈現平緩的遞增趨勢。

由圖13c可知，當脫粒間隙3=35 mm時，破損率隨著滾筒轉速的增大先減小后增大，隨著喂入量的增大先減小后增大。

3.7 參數優化

由于各因素交互作用對未脫凈率和破損率的影響不盡相同，以未脫凈率最低、破損率最低為優化目標，尋求最佳工作參數組合，目標函數如公式（17）所示。

借助Design-Expert軟件得出較優參數組合為：喂入量為1.36 kg/s，滾筒轉速為302.52 r/min，脫粒間隙為35.35 mm，圓整優化結果，喂入量1.4 kg/s，滾筒轉速300 r/min，脫粒間隙35 mm，此時未脫凈率為0.55%，破損率1.76%，滿足向日葵機械化收獲標準，作業性能優于現有向日葵脫粒機，見表6。

表6 作業性能對比

3.8 試驗驗證

為操作方便，將優化參數圓整，以喂入量為1.4 kg/s，滾筒轉速為300 r/min，脫粒間隙為35 mm，在食葵脫粒試驗臺上進行驗證試驗，為消除隨機誤差，進行5次試驗取平均值，結果如表7所示。

表7 驗證試驗結果

試驗結果表明，各評價指標均值與模型預測值的相對誤差均小于5%，與優化結果基本吻合，參數優化結果可靠。

4 結 論

1）針對食葵在脫粒過程籽粒表皮易劃傷，脫粒不干凈等問題，設計了一種軸流螺旋滾筒式食葵脫粒裝置。脫粒元件為直徑32 mm的螺旋管，凹板篩為柵格式，包角180°，通過對物料在脫?？臻g運移的運動學與動力學分析，確定螺旋管的螺旋升角為63°，螺距為2 800 mm。

2）以喂入量、滾筒轉速、脫粒間隙為試驗因素，以食葵盤未脫凈率、籽粒破損率為響應指標，開展了正交試驗，結果表明，在喂入量為1.4 kg/s、滾筒轉速為300 r/min、脫粒間隙為35 mm時，脫粒效果較理想，此時未脫凈率為0.55%，破損率1.76%，滿足向日葵機械化收獲標準。在該組合參數下進行臺架驗證試驗，結果與模型預測值相對誤差小于5%，證明預測模型具有實際意義。

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Design and experiments of the axial-flow spiral drum threshing device for the edible sunflower

Lian Guodang1, Wei Xinxin1, Ma Lina1,2, Zhou Guohui3, Zong Wangyuan1,2※

(1.,,430070,; 2.,,430070,; 3.,,052160,)

Sunflower is one of the four major oil crops in the world. There are oil and edible sunflower at present. Among them, there is a large planting area of edible sunflowers in China. The seeds of edible sunflowers are thin and delicate easy to thresh, and the skin is mostly black with white lines and short hairs. Particularly, the skin of seeds is easily scratched, as the full ripe stage stalks and back of sunflower disc turn yellow and leaves dry up. The traditional threshing elements are also easily scratched during threshing. The resulting flowery-skinned seeds can greatly reduce the economic value, where the sunflower discs are seriously broken and hard to clean. It is very necessary to balance the structure of the threshing element and the key operating parameters of the system for the better threshing performance of sunflowers. In this study, an axial, spiral, and cylindrical threshing devicewas designed for the low breaking and un-threshing rate of edible sunflowers during harvesting and threshing. A theoretical and experimental investigation was carried out, according to the current status of sunflower threshing. The sunflower threshing device was mainly composed of a threshing drum, top cover, power transmission system, frame, grain collection, concave screen, threshing gap adjustment mechanism, and material conveying component. The threshing element was a spiral tube with an external diameter of 32 mm, in order to reduce the scratching of grain skin during threshing. The concave screen used the grid with the wrap angle of 180° for the larger separation area. The kinematics and dynamics of material transport were then analyzed in the threshing space. The spiral lift angle was 63° for the spiral tube of the threshing element, where the pitch was 2 800 mm. Taking the sunflower 3638 as the object, the field test was performed on the self-developed sunflower threshing bench. A single-factor experiment was carried out to determine the influence of working parameters on the threshing performance. The results show that an optimal combination was achieved, with the range of feeding rate of 1.2-1.6 kg/s, drum speed of 250-350 r/min, and threshing clearance of 30-40 mm. There were generally low un-threshing rate and damage rates in this case. A multi-objective optimization test was conducted to evaluate the threshing performance under the optimal combination of the parameters in the threshing device. A secondary rotation orthogonal test was carried out, with the feeding rate, drum speed, and threshing clearance as the influencing factors, while the un-threshing rate and breaking rate as the response indices. Design-Expert software was then selected to establish the mathematical model between the response index and the influencing factors. The optimal combination of parameters was optimized using the response surface method. The optimized parameter set was determined as the feeding rate of 1.4 kg/s, and the drum speed of 300 r/min with a threshing clearance of 35 mm. At the same time, the un-threshing rate and the breaking rate were 0.55%, and 1.76%, respectively. A verification test was carried out on the test bench. After that, the un-threshing rate was 0.59%, and the breaking rate was 1.77%. Among them, the relative error was less than 5% in the predicted value of the model, indicating the suitability of the prediction model. This finding can provide a theoretical reference for the mechanized harvesting equipment of edible sunflowers.

agricultural mechinery; parameter optimization; edible sunflower; spiral drum; threshing device

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.005

S225.1

A

1002-6819(2022)-17-0042-10

連國黨，魏鑫鑫，馬麗娜，等. 軸流螺旋滾筒式食用向日葵脫粒裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，2022，38(17)：42-51.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.005 http://www.tcsae.org

Lian Guodang, Wei Xinxin, Ma Lina, et al. Design and experiments of the axial-flow spiral drum threshing device for the edible sunflower[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(17): 42-51. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.005 http://www.tcsae.org

2022-05-03

2022-08-30

國家重點研發計劃項目（2016YFD0702104）

連國黨，博士生，研究方向為農業機械裝備設計與理論。Email：lgd929@126.com

宗望遠，教授，博士生導師，博士，研究方向為現代農業裝備設計與測控。Email：zwy@ mail.hzau.edu.cn