谷物聯合收割機清選裝置研究現狀及發展趨勢

蘇天生，韓增德，崔俊偉，王國新，郝新明，郝付平，韓科立

(中國農業機械化科學研究院，北京　100083)

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谷物聯合收割機清選裝置研究現狀及發展趨勢

蘇天生，韓增德，崔俊偉，王國新，郝新明，郝付平，韓科立

(中國農業機械化科學研究院，北京100083)

摘要：谷物聯合收割機的清選性能是影響整機作業性能的重要因素之一，對清選裝置的研究有助于提高清選效率，降低清選損失率和含雜率。為此，通過從清選裝置的結構、氣流場、脫出物運動狀態和清選試驗等方面綜述國內外谷物聯合收割機清選裝置的研究現狀，提出了谷物聯合收割機清選裝置的發展趨勢。

關鍵詞：谷物聯合收割機；清選裝置；研究現狀；發展趨勢

0引言

對于谷物聯合收割機，清選性能是衡量整機作業性能的一個重要指標[1]。提高清選性能是提高整機作業性能的必要條件，亦是谷物聯合收割機向大型化發展過程中必須解決的關鍵問題之一。衡量清選性能的指標有谷物的含雜率和清選損失率。根據國家機械行業標準中的谷物聯合收割機通用技術條件[2]，整機總損失率和含雜率要求為：小麥不得高于1.2%，水稻不得高于3.0%；小麥和水稻的含雜率均不得高于2%。從當前國內谷物聯合收割機的收獲效果看，清選性能仍不盡人意，存在損失率和含雜率偏高等問題。為此，以清選裝置結構、氣流場和脫出物的運動狀態等方面為切入點，對清選裝置進行深入的研究，獲得較低的損失率和含雜率，對提高聯合收割機性能有著重要意義。

1清選裝置的研究現狀

目前，國內外的科研工作者對清選裝置的研究大概分為清選裝置結構的研究、清選室內氣流場的研究、脫出物在清選室內的運動狀態的研究和通過試驗優化清選裝置參數等4個方面。

1.1清選裝置結構

目前，谷物聯合收割機的清選裝置普遍使用的是風篩式清選裝置，主要由清選風機及振動篩等組成，清選風機由葉輪和外殼組成[1]。風機工作時，空氣從進風口進入處于高速旋轉的葉輪里并在葉片的推力作用下做圓周運動，在離心力的作用下又將被從出風口排出。此時，葉輪中心處產生一定的真空度，周圍空氣將不斷從進風口被吸入到葉輪中，風機從而連續工作。目前國內外對清選風機的研究大概包括以下方面[3]：①通過改變離心風機外殼的形式來滿足清選裝置的需要，如圖1所示[4]；②通過改變離心風機葉輪的形式來滿足清選裝置的需要，如圖2和圖3所示；③對雙風道離心風機的研究，如圖4所示[5]；④使用多個或多段離心風機配合來改善清選性能，如圖5所示。

振動篩是谷物聯合收割機的主要工作部件之一[1]，脫出物經過振動篩的振動作用，籽粒將透過篩面小孔被分離出來，而短莖稈等無法穿透篩面小孔被從篩尾排出。迪爾公司瑞安·P·麥金等[6]使用至少一組曲柄連桿組件驅動其清選裝置的上篩和下篩交錯往返運動，提高清選能力，減輕振動篩的振動，如圖6所示。

1.風扇葉輪　2.風扇殼

1.風機葉片　2.風機支架　3.風機軸

圖3　葉片形式示意圖

1.蝸殼　2.葉輪　3.上風道　4.下風道

圖5　4段式離心風機

1.抖動板　2.上篩　3.下篩　4.篩箱

中機南方機械股份有限公司李穎聰等[7]研究的谷物清選裝置，篩箱里安裝了具向上傾斜角度的篩子。研究表明：篩選效率高且篩選徹底，適用于小型聯合收割機提高喂入量使用。星光農機股份有限公司馮云云等[8]針對目前聯合收割機因在側面安裝用于調節清選篩片開度的機構而造成結構復雜、成本高且可靠性和精確性難以保證的問題，研究了一種聯合收割機的清選篩。其不要外設的調節機構便可以精確調節清選篩板的開度，且結構簡單、操作方便，同時簡化了設備的制造工序和降低了制造成本。江蘇沃得農業機械有限公司胡必友等[9]根據現有多種型號的聯合收割機存在糧食籽粒從尾部側面被吹出、直接拋灑到田間而造成損失的問題，在清選篩箱側板外端向上延伸出防側漏小擋板，有效地減少了糧食籽粒從篩箱尾部側面漏出造成的損失，提高了收獲糧食的產出率。無錫聯合收割機有限公司范建中等[10]針對現有全喂入聯合收割機的清選裝置普遍采用的曲柄滑塊機構在極限位置時會對滑道產生較大的沖擊力而出現了振動大、噪音大、可靠性差的問題，以及篩片調節板安裝在篩體兩側造成調整和維修不方便的問題，研究了一種擺動式振動篩清選裝置，將篩體的曲柄滑塊機構改成曲柄搖桿機構，有效地減小沖擊和摩擦，提高了運轉平穩性；同時，將篩片開度調節機構的調整裝置設置在篩體的后部，方便篩片開度的調整。中國農機院李杰等[11]研究了振動篩的工作機理并分析了振動篩的運動力學, 在此基礎上利用ADAMS軟件建立模型,且對振動篩進行了動態仿真分析與參數的優化，獲得較優的振動篩結構參數[9]。中國農機院吳鴻欣[12]通過對振動篩結構的虛擬設計，找出振動篩篩面的運動變化規律，經分析得到脫出物在篩面的運動狀態判別式，且對振動篩進行虛擬樣機試驗優化，取得了振動篩的最優結構參數組合。

抖動板是谷物聯合收割機振動篩的重要組成部分之一[1]，其工作性能的好壞直接影響到收割機對不同品種作物的適應性、收割機的喂入量及對潮濕作物的輸送能力。江蘇大學李耀明等[13]針對某型號收割機的脫出物在凹板下沿軸向分布不均和清選篩面上縱向分布不均的情況，研究了一種帶特殊抖動板的振動篩，其抖動板是由3塊不同波紋角度的波紋板組合而成的。經試驗表明：該振動篩解決了脫出物在清選室內分布不均勻的問題，同時亦提高了清選效率。中國一拖集團有限公司張建宗等[14]針對聯合收割機在超標喂入量或者谷物含水率較高時清選篩面上自前向后會產生堆積而造成谷粒無法從混合物中分離而產生損失的問題，將上抖動板與下抖動板前后錯位；上抖動板末端的正投影在清選篩的中段，下抖動板末端的正投影在清選篩的前段位置，實現分段清選，充分發揮了聯合收割機脫粒裝置的潛能，提高了作業效率，有效地降低了損失率。

此外，為了能清選含水量較高的脫出物，有學者嘗試將一些疏水性好的材料或者仿生技術應用到清選裝置上，取得了一定的效果。江蘇大學李耀明等[13]研究了將疏水性較好的含氟丙烯酸樹脂鍍到抖動板和沖孔篩面上，避免了收獲含水率高的作物時因籽粒與篩面粘連而出現振動篩被堵死的問題，提高了作業的適應性和清選效率。江蘇大學馬征等[15]為了降低篩分物料和篩面的粘附性，增加篩分時間，研究了一種農業機械用仿生非光滑清選篩面，結構如圖7所示。

1.篩面基體　2.篩孔　3.凸起或凹陷單元體

該清選篩面的特點是非光滑的，具有與篩分物料幾何尺寸相對應的凸起或凹陷單元。其中，單元高度為0.5～2mm，在篩面基體上的幾何投影面積之和與篩面基體面積之比為30%～70%。該仿生非光滑清選篩面與普通光滑清選篩相比，篩分物料與篩面粘附性降低40%～80%，有效篩分時間增加6～20倍，具有抗粘防堵作用。

1.2清選室內氣流場

目前，對清選氣流場的研究大致可分為4類：利用CFD軟件、測量分析法、建立神經網絡模型和二次響應曲面分析法。

Mekonnen Gebreslasie Gebrehiwot等[16]對谷物清選的貫流風機進行二維CFD建模，并研究其中影響風機性能的因素。分析表明：出風口與風機殼體連接處的舌狀部分的位置對風機性能影響最大，尤其是對有兩個出風口的氣流場效果更明顯，且證明用CFD二維模型分析風機氣流場的可行性。

Mekonnen Gebreslasie Gebrehiwot等[17]對清選風機進行三維CFD建模，研究了不同大小的橫流進風開口對風機性能的影響，并將模擬結果與試驗結果進行比較。研究結果表明：較大的橫流進風開口對聯合收割機的清選效果更有利，且模擬結果與試驗結果在數值上的誤差小于10%。李洪昌、李耀明等[18]為了研究風篩式清選室內氣流場的分布情況(見圖8)，基于Reynolds時均化的連續方程、Navier-Stokes方程和標準的k-ε湍流模型構成封閉方程組，運用CFD軟件Fluent，對風機、振動篩和氣流場進行建模，分析了出風口角度、出風口風速和振動篩篩面中部到頂部之間的距離等3個工作參數對清選室內氣流分布的影響，并將模擬結果與試驗結果進行對比驗證，結果表明了利用Fluent進行數值模擬的正確性和可行性。周全[19]等運用CFD軟件對風篩式清選裝置和清選室進行建模，數值模擬了改變風機的位置、風速、出風口角度，更換不同形式的篩子，是否使用貫流風機等各種不同的清選裝置結構參數對清選室內氣流場的影響，分析了改變不同結構參數對清選氣流場影響的變化規律，并對風篩式清選裝置的結構參數設計和改進提供了合理的參考。

李耀明、唐忠等[20]為了研究清選篩面的氣流速度分布規律和氣流速度變化規律，在DFQX-3型物料清選仿真試驗臺上，使用風速儀測量了3個平面上的各25個有規律分布的點處的風速，利用MatLab繪制了清選篩面的左中右位置的橫縱斷面和水平面的等風速線和風速變化曲線，并分析了各個位置風速分布和變化的特點。結果表明：清選室內左右兩側的風速分布規律較為相似，中間的風速變化規律較為復雜。

李耀明、林恒善等[21]對清選裝置的3個工作參數(即離心風機的轉速、出風角度和貫流風機的轉速)與清選室內氣流場的關系建立神經網絡模型，同時對清選室內氣流場和清選效果的關系建立神經網絡模型，并分析這兩個神經網絡模型的預測誤差。結果表明：其預測誤差較小，模型具有較高的預測精度，同時證明了神經網絡技術應用到清選室內氣流場的研究是具有可行性的。李洪昌等[22]對清選裝置的風機轉速、出風口角度與清選室內氣流場分布規律的關系建立神經網絡模型，對清選室內氣流場的分布規律與清選效果之間的關系建立神經網絡模型，再對清選裝置的風機轉速、出風口角度與清選效果之間的關系建立神經網絡模型。經過神經網絡的訓練，最終這3個模型均得到了很小的預測效果誤差，模型的預測精度高，說明了神經網絡技術在研究風篩式清選裝置方面的有效性。

夏利利[23]等運用DPS統計軟件對聯合收割機的清選室內氣流場的分布情況與離心風機轉速及其出風口的角度建立了二次響應曲面模型，測試了清選室內的5個不同點的氣流速度，并將實際試驗數據與模型預測值進行了對比。分析結果表明：其平均相對誤差較小，證明了二次響應曲面模型在清選氣流場的研究方面是可行的，同時得到了離心風機轉速和出風口角度分別對清選室內的氣流速度的影響的變化關系。

圖8　清選室內氣流場圖

1.3脫出物的運動

脫出物經過脫粒裝置掉落到振動篩篩面，其在篩面的運動情況(特別是籽粒的運動)直接影響到機器的清選效率，所以有必要對脫出物的運動狀態進行分析研究，以便更好地對清選裝置進行設計或優化。J. T. Macaulay[24]對脫出物進入清選裝置時的不同運動狀態對清選效果的影響進行研究，為研究脫出物的運動狀態提供了合理的參考。K. Maertens等[25]將物料守恒定律與概率密度分布函數應用到谷物清選分離的研究中，把清選分離建立一個整體模型，分析不同組分情況下的流動情況，取得了良好的效果。Tbatabaifar A等[26]研究了將振動篩篩面的脫出物吹散所需要的風量、風速和風壓的問題，同時分析了連續喂入時脫出物在振動篩上的運動情況。李洪昌[27]采用計算流體力學和顆粒離散元耦合的方法模擬風篩式清選裝置中脫出物在振動篩篩面上的運動狀況，并進行試驗驗證。結果表明：利用CFD—DEM耦合對風篩式清選裝置進行數值模擬是可行的。李耀明等[28]根據聯合收割機風篩式清選裝置的工作情況，建立了物料和簡諧振動篩面的碰撞運動模型，經分析獲得了碰撞運動通過典型的倍周期分岔通向混沌的過程和清選篩面上物料的非線性運動規律。陸林[29]在對油菜及其脫出物各種特性充分研究的基礎上，分析了油菜脫出物在氣流和篩面復合作用下的運動情況，利用ADAMS軟件對整個清選裝置進行建模，并進行仿真試驗，經過試驗研究優化得到最適合該機型清選裝置的結構參數和工作參數。王智華[30]建立了脫出物籽粒在振動篩篩面上的運動學模型，并用籽粒碰撞理論分析影響脫出物在振動篩篩面上運動情況的主要因素，同時對籽粒的運動狀況進行穩定性分析，得到了籽粒在不同拋射強度下的不同運動規律。李革[31]對在充滿氣流的清選室內的脫出物籽粒建立動力學模型，研究其在傾斜氣流中的運動狀況，得到了籽粒的運動軌跡及籽粒速度與氣流速度的關系曲線，為籽粒的運動情況研究提供了參考，同時也為清選裝置的設計優化提供了參考。張文斌[32]等建立了聯合收割機風篩式清選裝置中物料與簡諧振動篩面的碰撞運動模型，分析了物料周期運動的穩定性，得知脫出物在振動篩篩面上的運動狀態遵循定常運動和非線性運動這兩大規律，并且搭建高速攝像系統結合數字圖像處理驗證物料的運動軌跡。

圖9　脫出物運動狀態圖

1.4試驗優化

田偉利等[33]用縱軸流風篩式清選裝置對水稻進行清選試驗研究，分析貫流風機轉速、篩面傾角和魚鱗篩開度對清選性能的影響，并找出最佳工作參數。張義峰、衣淑娟[34]為了改善縱軸流水稻收獲機清選裝置的清選性能，在自行研制的縱軸流風篩式清選裝置試驗臺上進行正交旋轉試驗研究，運用回歸方程和主目標函數法分析了清選裝置的振動篩的振動頻率、風機轉速和出風口角度等3個工作因素對清選裝置的縱功耗和清選效果的影響，并用MatLab進行優化求解，最終得到該清選裝置的最佳工作參數。孫志剛[35]等為了研究含雜率對清選環節的影響規律，以風機轉速、風機傾角和曲柄轉速為試驗因素，以含雜率作為評價指標，在清選試驗臺上進行水稻清選試驗，得到回歸模型及影響含雜率的主因素。

2研究現狀總結

目前，隨著對谷物聯合收割機清選裝置研究的不斷進行，對清選風機、氣流場、脫出物的運動狀態等均有了較為深入的研究，對其原理規律也有了進一步的認識，從而為以后更深入的研究奠定了基礎。除了試驗研究以外，還運用了CFD、ADAMS等分析軟件對清選裝置進行研究，大大地提高了研究效率和經濟性。另外，隨著對清選性能的要求越來越高，科研工作者對谷物聯合收割機清選裝置的研究力度也將會越來越大。

3發展趨勢

1)為了使清選室內氣流強度滿足振動篩的清選要求，使用多個風機將成為一種發展趨勢。多風機的清選裝置中，每個風機負責給振動篩的抖動板、篩片前中后部提供氣流，使得整個氣流場的強度分布更合理、調整更方便。

2)為了使離心風機出風口處獲得更均勻的風速，采用多段式離心風機將是今后的一種發展趨勢。離心風機采用多段式，不但增加了進風口數量，而且又可以更好地避免渦流的產生，將使得出風口處的風速更均勻。

3)智能化的清選裝置。為了適應不同農作物、不同含水率的脫出物的清選要求，在振動篩尾部安裝清選損失傳感器，實時感知清選損失大小，自動調節振動篩篩片開度、振動頻率、風機轉速、進風口大小、調風板位置等，以獲得更好的清選效率和清選效果。

4)將一些交叉學科的科研成果應用到清選裝置(如仿生非光滑清選篩面的研究)，是一個較有潛力的發展方向。

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Research Status and Development Trend of Cleaning Unit of Cereal Combine Harvesters

Su Tiansheng， Han Zengde， Cui Junwei， Wang Guoxin， Hao Xinming， Hao Fuping， Han Keli

(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences，Beijing 100083，China)

Abstract：Cleaning performance is one of the most important factors that affect the overall performance in cereal combine harvesters. The study on cleaning technology helps to improve cleaning efficiency and reduce cleaning loss and trash content.To this end,summing up the present research status of cleaning unit of cereal combine harvesters at home and abroad from aspects of the structure of cleaning device, the airflow field, the State motion of threshed materials and physical exercises, and proposing the development trend of cleaning unit of cereal combine harvesters.

Key words：cereal combine harvesters； cleaning unit； research status； development trend

文章編號：1003-188X(2016)02-0006-06

中圖分類號：S233.4

文獻標識碼：A

作者簡介：蘇天生(1986-)，男，廣西玉林人，碩士研究生，(E-mail)stswldgk@163.com。通訊作者：韓增德(1954-)，男，北京人，研究員，碩士生導師，(E-mail)jszx000@sina.com。

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2012AA10A502)

收稿日期：2015-01-29