單縱軸流谷物聯合收獲機清選裝置內部流場分析與優化

冷 峻，栗曉宇，杜岳峰※，何 松，丁雄飛，牛興成

（1. 雷沃重工股份有限公司，濰坊 261206；2. 中國農業大學現代農業裝備優化設計北京市重點實驗室，北京 100083）

0 引 言

清選裝置是聯合收獲機械的核心部件，裝置結構設計的合理性直接影響整機的工作性能[1-3]，國內外對影響清選裝置工作性能的研究取得了一系列成果，徐立章等[4-7]對單縱軸流、小喂入量谷物聯合收割機清選裝置進行了較為全面研究，分析了篩面氣流場分布與清選性能的關系，Cantin 等[8-12]對清選裝置的風機、分風板、振動篩板等部件的結構進行了相關研究，Ren 等[13-17]分析了谷物清選過程，通過試驗研究了滿足谷物-雜質分離的最優工作參數。隨著計算機技術的發展，利用CFD（Computational Fluid Dynamics）技術對谷物聯合收獲機清選裝置內部氣流場分布規律進行數值模擬已成為主流，Gebrehiwot 等[18]研究了橫流式開口對聯合收割機離心式風機的性能影響；Xu 等[19-20]利用CFD 仿真技術設計了一種四風道清選風機，具有良好的氣流分布效果，提高了水稻聯合收割機的清選質量和效率，為了預測水稻聯合收割機的清選性能，利用計算流體力學和離散元法的耦合技術，對清選裝置進行了數值模擬，建立了籽粒、莖稈和輕雜質分散程度模型，該模型具有良好的精確度，可以彌補現場測試季節性帶來的不足；Badretdinov 等[21]對谷物聯合收獲機清選過程進行了仿真分析，并通過物料與氣流的數學模型確定了清選裝置參數組合；王立軍等[22]基于CFD/DEM 軟件對玉米果穗脫出混合物在貫流式風篩清選裝置中的運動過程進行模擬，通過仿真試驗優化了清選裝置的工作參數，降低了玉米清選損失率；童水光等[23]對聯合收獲機清選裝置的單風道風機進行了數值模擬，提出了雙風道六出風口風機的改進方案，更能適應大功率高負荷的工作要求；路修強[24]利用離散元-計算流體力學耦合仿真軟件探明了清選裝置中氣流速度與氣壓大小的變化規律，通過仿真試驗得到了影響籽粒清潔率的關鍵因素；李驊等[25]運用正交仿真試驗，對玉米清選時氣流場的參數進行優化，獲得最佳參數。

目前國內外針對聯合收獲機清選性能的研究集中在風機、振動篩等內部結構[26-27]，清選裝置外部結構的設計與優化還有很大研究空間，本文以雷沃重工自主研發的RG-60 型單縱軸流谷物聯合收獲機為對象，以該機型清選裝置田間試驗數據為支撐，利用Star-CCM+軟件的多面體網格技術，對清選裝置內部流場進行試驗及數值模擬對比分析，通過分析試驗與仿真數據，在考慮清選離心風機兩側裝配部件影響下對清選裝置外部結構進行優化設計，以期為單縱軸流收獲機械清選裝置的設計提供參考。

1 清選裝置田間作業試驗及分析

1.1 谷物聯合收獲機田間試驗

單縱軸流谷物聯合收獲機清選裝置為風篩式，主要由離心風機、擋風板、抖動板、上分風板、下分風板、脫粒凹板、上篩、下篩、尾篩、谷物滑板等部件組成，如圖l 所示，主要技術參數如表1 所示。

清選裝置作業時，振動篩在曲柄連桿機構驅動下做簡諧運動，同時離心風機高速運轉，在裝置內部產生風場。經脫粒滾筒脫出的籽粒、雜余、碎莖稈等脫出混合物落在振動篩的上篩，上篩篩孔僅容谷物、雜余和較小的碎莖稈落到下篩，其余碎莖稈則在上篩振動作用和風場吹送下拋出機體；下篩篩孔尺寸較小，僅容谷物落入下方滑板進入回收箱，雜余和碎秸稈被吹送至機體外，從而獲得清選干凈的谷物。

圖1 清選裝置結構圖 Fig.1 Structure of cleaning device

表1 清選裝置主要技術參數 Table 1 Main technical parameters of cleaning mechanism

為了測試聯合收獲機作業時清選裝置內部流場風速分布情況，2018 年5 月6 日在四川西昌裕隆鄉花樹村進行田間小麥收獲試驗，小麥品種為川農11 號，早熟無倒伏，植株自然平均高度79.8 cm，千粒質量64.2 g，割茬高度1.8 m，收獲時小麥籽粒含水率約18.0%，莖稈含水率約51.0%。

試驗儀器包括testo 416 型數字風速儀（測量范圍0.6～40.0 m/s，誤差0.2 m/s，分辨率0.1 m/s）。

參照GB/T 1236—2000《通風機空氣動力性能試驗方法》[28]測試標準，以上篩俯視圖左下角為坐標原點O，地面水平線方向為X 軸（X 軸負向為收獲機行進方向），篩面寬度方向為Z 軸建立坐標系，選取前出風口，3、4行篩片，6、7 行篩片，8、9 行篩片，11、12 行篩片，14、15 行篩片，上篩尾篩連接處，尾篩中部，尾篩后部的Z=-90 mm（左一列）、Z=-270 mm（左二列）、Z=-450 mm（左三列）、Z=-630 mm（左四列）、Z=-810 mm（左五列）共計45 個測試點，清選裝置篩板后方混合物分布取樣點如圖2 所示。

圖2 上篩面風速測量點位置 Fig.2 Measurement point position of wind speed on upper sieve surface

聯合收獲機作業幅寬2 m，作業速度1.8 m/s，根據前期試驗結果，離心風機轉速設置為1 400 r/min，魚鱗篩開度18 mm，上分風板和下分風板固定于中間位置，上分風板傾角30°，下分風板傾角15°。收獲機行進過程中對各測量點重復3 次進行風速測定，每組試驗行進距離1 000 m，試驗面積3 600 m2，結果取平均值。風速測量結果如圖3 所示，清選后脫出混合物在篩板后方的堆積情況如圖4 所示。

圖3 上篩面風速測量結果 Fig.3 Measurement results of wind speed on upper sieve surface

由圖3 可知，清選裝置上篩面風速分布不均勻，風機安裝處的前出風口和尾篩中部的左四列、左五列的測量點風速大于其他位置，風速最大值為8.6 m/s，小于谷物懸浮速度[29]；3、4 行篩片和6、7 行篩片的左五列的風速較大，分別為5.8 和5.9 m/s；篩面中部8、9 行篩片和11、12 行篩片的風速最小，平均值為3.0 m/s；尾篩的左三列和左四列風速值最大，平均值為5.2 m/s；篩面整體右側的風速大于左側，平均差值為2.6 m/s。由圖4 可知，在振動篩后方的中間、右側區域脫出混合物堆積較少，左側區域堆積較多，脫出混合物分布不均勻，與風速分布趨勢一致。

圖4 振動篩后方脫出混合物堆積情況 Fig.4 Grain mixtures accumulation situation on rear of vibrating sieve

1.2 脫出混合物在上篩面的受力分析

脫出混合物主要由谷物、碎莖稈和雜余等組成，為分析導致脫出混合物分布不均的關鍵因素，在有風條件下對清選裝置內部的脫出混合物進行受力和速度分析，以清選裝置側視面建立XOY 直角坐標系（X 軸為機器前進的負方向，Y 軸為地面垂線方向），離心風機安裝在清選裝置物料喂入口下方，風機出風口風向從左下向右上貫穿篩面，如圖5a 所示。以谷物為分析對象，谷物在篩板上主要存在3 種狀態：靜止、跳動和起拋，發生跳動或起拋的初始條件為

振動篩在曲柄帶動下作簡諧運動，運動方程如式（2）所示。

谷物在篩板振動作用下產生運動初始的線速度v 為

則

式中FN為篩面對谷物的支撐力，N；G 為谷物所受重力，N；A 為篩子振幅，m；ω 為振動篩曲柄轉速，r/min；t為時間，s；x˙為振動篩的振動速度，m/s；vx為速度v 沿篩面方向分速度，m/s；vy為速度v 垂直于篩面分速度，m/s；α 為v 與vy夾角，(°)；x˙˙為振動篩給予谷物的加速度，m/s2；m 為谷物質量，g。

假設風機風速vw與篩面夾角為γ，則谷物所受風場作用力FW由式（6）求得[6]，谷物在風場中運動速度vr由式（7）求得。

式中vWx為風機出口處風速沿水平方向上的分速度，m/s；vWy為風機出口處風速沿垂直于篩面方向上的分速度，m/s；vp為谷物漂浮速度，m/s；g 為重力加速度，9.8 m/s2；vrx為谷物沿篩面方向的運動速度，m/s；vry為谷物沿垂直于篩面方向的運動速度，m/s。

由式（7）可知，谷物受風場作用力大小與谷物漂浮系數及其在風場中的運動速度有關，由于谷物、雜余和碎莖稈等漂浮系數、受力不同，因此清選過程可描述為在脫出混合物發生振動的基礎上施加流體作用力，使谷物、碎莖稈及雜余等混合物根據受到的作用力大小產生不同運動速度并按照不同軌跡分離的過程。

谷物在風場中受到的作用力沿篩面均勻分布，且滿足氣相連續性方程和動量方程，如式（8）所示。

其中

式中ε 為氣體體積分數；ρ 為氣體密度，kg/m3；u 為流體速度，m/s；p 為大氣壓強，1.01×105Pa；η 為氣體黏度，Pa·s；S 為阻力動量匯；CD為曳力系數；up為顆粒速度，m/s；V 為網格單元面積，m3；B 為物料投影面積，m2；Re 為雷諾數。

脫出混合物受力大小在ZOY 平面上的投影如圖5b所示，根據田間試驗結果，上篩面右側的風速大于左側，此時風機作用力FW與Y 軸存在偏差角β，將篩面和裝置殼體圍成的區域看作“管道”，有風條件下篩面上風速Wv′可由式（11）求得[29]。

式中Q 為風機在區域內產生的風量，m3·h；M 為清選區域橫截面積，m2。

清選區域橫截面積M、風機產生的風量Q 均為定值，區域內篩面風速Wv′ 僅與偏差角β 有關，偏差角β 增大時，區域內篩面風速Wv′ 增大，根據上述分析，造成清選裝置內部風速分布不均的原因可能是清選裝置右側存在使夾角β 增大的結構。通過分析清選裝置結構可知，離心風機的右側裝有動力輸入皮帶輪，使得離心風機右側進風阻力偏大、進風動壓偏小，同時振動篩橫向寬度較大，導致上篩面右側的風速大于左側，從而造成振動篩后方左側的脫出混合物多于右側。

圖5 清選裝置內部脫出混合物受力和速度分析 Fig.5 Force and speed analysis of grain mixtures in internal of cleaning device

2 清選裝置結構的仿真優化

2.1 清選裝置有限元模型的建立

為進一步分析清選裝置內部風速分布情況，驗證田間試驗和理論分析結果，優化清選裝置結構，對清選裝置的內部流場進行仿真。利用NX 軟件建立清選裝置三維模型，將模型導入Hyper Mesh 進行面網格劃分，將面網格導入Star-CCM+軟件中生成體網格，并創建計算區域。在Hyper Works 前處理界面將入口（inlet）定義為速度入口，出口（outlet）定義為壓力出口[15]，滑移網格旋轉區域設定為繞風機轉軸旋轉，轉速與試驗條件一致，為1 400 r/min。考慮到清選室內氣流場特性，劃分面網格時設置壁面邊界，以保證模擬計算精度，并對局部網格進行加密處理，在保證計算精度的同時降低對計算機的硬件要求，以提高求解速度[30]。

為了減小風洞中產生的阻塞效應，模擬風洞的尺寸為：清選裝置前部空間取整機長度的1.5 倍，后部空間取2.5 倍；上部空間取風機高度的2.5 倍，側向空間的2 倍[31]。計算域采用適應性強、計算精度較高的多面體網格，靠近葉片、篩面等加密網格大小為2 mm，旋轉流體區的網格大小為8 mm。模型共有15 849 118 個節點，18 729 634個網格面和3 025 658 個多面體單元，清選裝置和離心風機網格如圖6 所示。

圖6 清選裝置的計算區域及網格劃分結果 Fig.6 Calculation regions of cleaning device and results of meshing generation

2.2 仿真結果分析

上篩面風速分布如圖7a 所示，上篩前部風機安裝處風速最大，為10.024 m/s，篩面橫向左側的風速遠小于右側；篩面后部風速最大值約8.02 m/s；篩面中后部的風速呈從右向左先增大后減小的趨勢，左側風速值最小，約2.0 m/s，尾篩前中部風速較大，不利于脫出混合物的分離。上篩面各測點風速分布仿真結果如圖7b 所示，前出風口的左四列風速值最大，為8.184 m/s，其次為尾篩中部左三列的風速值，為8.411 m/s，6、7 行篩片和8、9 行篩片的風速最小，與田間試驗風速（圖3）對比可知，各測點風速的試驗結果和仿真結果變化趨勢一致，平均誤差為0.293 m/s，造成誤差的原因可能是風速儀誤差（誤差0.2 m/s）和試驗環境的干擾，仿真結果可以反映試驗時清選裝置內部風速分布情況。

按照圖2 中測點位置，在風場仿真模擬的風速矢量分布圖中選取典型截面[32]：上篩面X=650 mm（6、7 行篩片）縱剖面、Z=-450 mm（左三列）橫剖面2 個截面，風速矢量圖如圖8 所示。

由圖8a 可知，在上篩面縱剖面X=650 mm（6、7行篩片）縱剖面，由于擋風板開度較大，前出風口風速最大值為15.555 m/s，風向在吹向篩面的過程中方向偏右，篩面風速最小約3 m/s，清選裝置內部的右側出現小范圍湍流現象。由圖8b 可知，在上篩面Z=-450 mm（左三列）橫剖面截面，中前部風速在6.5～10 m/s 范圍內，篩面中部風場出現湍流現象，可能造成脫出混合物無法得到有效分離，清選能力較差，不利于降低籽粒含雜率。

圖7 上篩面風速分布仿真結果 Fig.7 Simulation result of wind speed distribution on upper sieve surface

圖8 上篩面典型截面的風速分布矢量圖 Fig.8 Vector diagram of wind speed distribution in typical section of upper sieve surface

2.3 清選裝置結構優化

為解決清選裝置內部右側風速偏大的問題，利用Hyper Works 軟件對風機擋風板位置進行優化改進。以右側擋風板安裝孔為中心，以改進前擋風板角度為基準，其余參數不變，擋風板逆時針旋轉方式如圖9 所示。根據2.1 節清選裝置篩體類型及尺寸，在UG 軟件中依次調整擋風板逆時針轉動角度10°、20°、30°、40°和50°，分別對清選裝置內部流場進行仿真，仿真結果如圖 10 所示。

圖9 清選裝置擋風板逆時針旋轉方式示意圖 Fig.9 Diagram of counter clockwise rotation mode of wind shield of cleaning device

選取上篩面X=650 mm（6、7 行篩片）縱剖面，上篩面風速分布變化規律如圖10a 所示，轉動角度為10°時右側風速遠高于左側，差值約5 m/s，隨著擋風板逆時針轉動角度增大，上篩面左側風速逐漸增大，變化范圍[1.8，9.0] m/s，而右側風速逐漸減小，變化范圍[8.1，2.3] m/s，轉動角度30°時篩面左右兩側的風速分布最均勻，中部風速最大值約9.4 m/s，此時上篩面風速分布如圖10b 所示，尾篩中部的風速值最大，在[8.231, 10.289] m/s 范圍內，較改進前提高約2 m/s，改善了篩面風速分布不均和左右兩側風速差值偏大的現象。

選取上篩面X=650 mm（6、7 行篩片）縱剖面和Z=-450 mm（左3 列）橫剖面2 個截面進行風速數值分析，不同截面的風速矢量圖如圖10c、圖10d 所示，可知右側擋風板逆時針旋轉30°時的篩面風速橫向分布最均勻，清選室內風速最大值為17.077 m/s，較改進前增大 1.522 m/s，左右兩側風速值約 6.8 m/s；在Z=-450 mm 截面處，上篩中前部風速數值分量較大，清選室內風速最大值約36.0 m/s，篩面中上部風速約21.6 m/s，脫出混合物達到懸浮速度，篩面無湍流現象，清選效果得到改善。

圖10 改進后上篩面各測點風速和不同截面的風速分布矢量圖 Fig.10 Wind speed at measurement points on upper sieve surface and vector diagram of wind speed distribution in different sections after improvement

3 田間試驗

為驗證優化后聯合收獲機清選裝置作業效果，2018年5 月和11 月在四川西昌裕隆鄉花樹村和浙江寧波奉化區錦屏街道河頭村分別進行小麥和水稻收獲試驗。2018年5 月收獲的小麥品種為川農11 號，收獲期植株自然高度80.5 cm，千粒質量65.7 g，籽粒含水率約18.7%，莖稈含水率約52.0%。2018 年11 月收獲的水稻品種為甬優18，水層深0，泥腳深0～200 mm，土壤類型為黏土，種植方式為插秧，作物無倒伏，自然高度950～1 200 mm，千粒質量40 g，收獲時籽粒含水率約為22.5%，莖稈含水率約62%，谷物聯合收獲機試驗條件和方法與1.1 節一致，試驗時人工調整擋風板逆時針旋轉角度。

試驗以清選損失率、籽粒含雜率為作業指標，參照NY/T 995—2006《谷物（小麥）聯合收獲機械作業質量》[33]進行測試，每一水平進行3 組重復試驗，每組試驗行進距離1 000 m，試驗面積3 600 m2，收獲機行進過程中獲取各測量點風速，同時從糧倉中隨機取樣5 次，每次不少于2 000 g，充分混合后抽取含雜樣品5 份，每份1 000 g，將莖稈、穎殼和雜余清除后進行稱量，分別計算小麥和水稻的籽粒含雜率Z，如式（12）所示；試驗后沿收獲機前進方向隨機選取3 個1 m2的地塊，收集全部籽粒和穗頭，脫凈后進行稱量，分別計算小麥和水稻的清選損失率Qi（i=1, 2, 3），如式（13）所示，取平均值為最終結果。

式中Wz1、Wz2、Wz3、Wz4和Wz5為5 次取樣后樣品中雜質的質量，g；Wsh為每平方米籽粒損失質量，g/m2；Wch為每平方米籽粒的質量，g/m2；Wz為每平方米自然落粒質量，g/m2。

為有效評價收獲機清選性能，采用加權均值對清選效果進行評價，由于該機型為多功能聯合收獲機，收獲小麥和水稻對機具性能的要求相同，本文設定小麥和水稻權重各0.5，含雜率、損失率權重各占50%，試驗結果如表2 所示。由表2 可知，離心風機右側的擋風板未旋轉（旋轉角度為0°）時小麥和水稻的損失率分別為1.05%、1.98%，含雜率分別為1.85%、1.92%，加權均值為1.70；旋轉為30°時小麥和水稻的損失率分別為0.89%、1.85%，含雜率為0.37%、0.51%，加權均值為0.91，為試驗方案中的最優方案。

表2 優化后田間試驗結果 Table 2 Results of field experiment after improvement

優化后清選裝置內部篩面上各測點風速如表3 所示，選取上篩前出風口、11、12 行篩片和尾篩后部橫向風速試驗結果進行對比。擋風板旋轉角度的優化提高了清選裝置內部各測點風速，前出風口和11、12 行篩片的左三列測點的風速分別提高了1.9 和2.8 m/s，尾篩后部左右兩側風速分布均勻，篩面各測點的風速比優化前平均提高了2 m/s，改善了聯合收獲機的清選能力。優化后上篩面左三列的風速最大，前出風口處為8.7 m/s，中部（11、12 行篩片）其次，為6.3 m/s，尾篩處最小，為5.0 m/s，沿篩面向左右兩側的風速逐漸減小，篩面整體風速分布均勻，改善了清選裝置上篩面風速分布不均的問題。

表3 擋風板逆時針轉動30°前后上篩面風速對比Table 3 Comparision of wind s peed on upper sieve surface before and after wind shield turned 30° counter clockwise (m·s-1)

4 結 論

1）針對RG60 型單縱軸流谷物聯合收獲機清選裝置篩面風速分布不均的問題，通過分析脫出混合物在清選裝置內部流場的受力和運動速度，結合CFD 仿真軟件對清選裝置外部結構進行優化，改善了清選效果。

2）基于單縱軸流谷物聯合收獲機進行了田間試驗，獲得了上篩面各測點風速，結果表明風機安裝處的前出風口和尾篩中部的左四列、左五列風速較大，最大值為8.6 m/s；3、4 行篩片和6、7 行篩片的左五列的風速較大，分別為5.8 m/s 和5.9 m/s；篩面中部8、9 行篩片和 11、12 行篩片的風速最小，平均值為3.0 m/s；尾篩后部右側的風速大于左側；篩面中部的風速最小。利用Hyper Works 軟件對清選裝置進行仿真，篩面風速最大值為10.024 m/s，橫向右側風速大于左側；中前部風速在6.5～10 m/s 范圍內，篩面中部風場出現湍流現象，不利于脫出混合物分離，與試驗結果相比各測點風速變化趨勢一致，平均誤差為0.293 m/s。

3）為解決篩板后部風速分布不均的問題，改善篩板上左側脫出混合物堆積較多的現象，利用利用Hyper Works 軟件對清選裝置擋風板的轉動角度進行了仿真，結果表明當右側擋風板逆時針旋轉30°時，篩面中部風速最大值約9.4 m/s；上篩面6、7 行篩片縱剖面X=650 mm 處的風速最大值為17.077 m/s，較改進前增大1.522 m/s，左右兩側流場均勻分布，風速約6.8 m/s，改善了清選裝置內部風速分布不均的問題。

4）進行優化后單縱軸流谷物聯合收獲機田間試驗，結果表明上篩面前出風口中部（左三列）風速最大，為8.7 m/s，中部（11、12 行篩片）其次，為6.3 m/s，尾篩處最小，為5.0 m/s；前出風口和11、12 行篩片的左三列測點的風速分別提高了1.9 和2.8 m/s，各測點的風速比優化前平均提高了2 m/s，篩面整體左右兩側風速分布均勻；收獲后小麥籽粒損失率為0.89%、含雜率為0.37%，水稻籽粒損失率為1.85%、含雜率為0.51%。該研究為單縱軸流收獲機的設計提供了參考。