聯(lián)合收獲機(jī)中清選風(fēng)機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

李鴻信,李耀明,馬 征

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

清選裝置作為聯(lián)合收獲機(jī)的重要工作部件,其性能直接影響清選質(zhì)量及整機(jī)的作業(yè)性能,且氣流場(chǎng)的分布狀況對(duì)清選質(zhì)量有著密切的聯(lián)系[1-5]。隨著水稻連片種植面積的不斷增加,聯(lián)合收獲機(jī)也向大型、高效的方向發(fā)展,從而提高作業(yè)效率。為適應(yīng)水稻含水率高、脫出物特性復(fù)雜的特點(diǎn),清選裝置也必須進(jìn)行不斷研究改進(jìn)以提高適應(yīng)性。

聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的作用是將脫粒后從分離凹板篩落下的含有長(zhǎng)莖稈、短莖稈、籽粒及雜余等不同成分的混合物進(jìn)行分層,將籽粒回收,其余排出機(jī)外[6]。目前,大部分聯(lián)合收獲機(jī)采用風(fēng)篩式清選裝置,使風(fēng)機(jī)與清選篩共同作用于由滾筒脫下的混合物。隨著市場(chǎng)對(duì)高效清選裝置的需求,雙出風(fēng)口多風(fēng)道、雙風(fēng)機(jī)、多風(fēng)機(jī)及貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)篩式清選裝置得到了普遍應(yīng)用。

聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的改進(jìn)主要有對(duì)風(fēng)機(jī)形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)、振動(dòng)篩參數(shù)及增加輔助機(jī)構(gòu)等方法[7-8],而改進(jìn)風(fēng)機(jī)能有效改變清選氣流場(chǎng),對(duì)清選效率起到事半功倍的作用。為此,針對(duì)現(xiàn)有聯(lián)合收獲機(jī)的清選風(fēng)機(jī),根據(jù)風(fēng)機(jī)與振動(dòng)篩的不同組合,將清選裝置主要分為雙出風(fēng)口多風(fēng)道風(fēng)篩式清選裝置、多風(fēng)機(jī)風(fēng)篩式清選裝置及貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)篩式清選裝置,并進(jìn)行歸類綜述及闡述各機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),提出了風(fēng)篩式清選裝置的發(fā)展趨勢(shì)。

1 雙出風(fēng)口多風(fēng)道風(fēng)篩式清選裝置

傳統(tǒng)單出風(fēng)口風(fēng)機(jī)存在吹脫力低、風(fēng)量小等缺點(diǎn),脫出混合物經(jīng)過(guò)一次氣流清選難以達(dá)到快速分層及透篩的目的。相關(guān)專家學(xué)者研制了雙出風(fēng)機(jī)多風(fēng)道離心風(fēng)機(jī),發(fā)現(xiàn)其清選性能較傳統(tǒng)離心風(fēng)機(jī)有顯著提高。雙出風(fēng)口多風(fēng)道風(fēng)機(jī)是指在傳統(tǒng)的離心風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加了出風(fēng)口及多個(gè)分風(fēng)板,形成合理的篩面氣流分布,達(dá)到高效低損的清選目的。

徐立章等[9-10]提出了一種雙出風(fēng)口多風(fēng)道離心風(fēng)機(jī),如圖1所示。

1.上出風(fēng)口 2.下出風(fēng)口 3.蝸殼 4.葉輪

其通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、CFD仿真軟件數(shù)值模擬分析及試驗(yàn)研究進(jìn)行了風(fēng)機(jī)的優(yōu)化,確定了上出風(fēng)口的最佳位置,并得到了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、魚鱗篩開度、分風(fēng)板Ⅰ及分風(fēng)板Ⅱ傾角的最佳組合,且綜合考慮了清選損失率和含雜率的最優(yōu)。雙出風(fēng)口多風(fēng)道風(fēng)機(jī)的上出風(fēng)口的氣流對(duì)由回程板落下物料進(jìn)行預(yù)清選,將輕質(zhì)雜余吹向篩面后側(cè),減小了清選裝置的清選負(fù)荷。

梁振偉等[11-12]設(shè)計(jì)了雙出風(fēng)口多風(fēng)道清選裝置試驗(yàn)臺(tái),能單獨(dú)對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、分風(fēng)板傾角、進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量、魚鱗篩開度、振動(dòng)篩及回程板頻率等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整;研制了籽粒損失監(jiān)測(cè)傳感器,并通過(guò)大量試驗(yàn)研究增強(qiáng)了其魯棒性;建立了自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng),通過(guò)損失監(jiān)測(cè)傳感器反饋信號(hào),實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、分風(fēng)板角度和進(jìn)風(fēng)口開度等參數(shù),能有效減少清選損失。童水光等[13]在原有單風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),設(shè)計(jì)了具有3個(gè)出風(fēng)口的上風(fēng)道和3個(gè)出風(fēng)口的下風(fēng)道的雙風(fēng)道六出風(fēng)口離心風(fēng)機(jī),通過(guò)仿真分析確定了風(fēng)機(jī)入射傾角、魚鱗篩夾角及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的最優(yōu)組合,使得清選室內(nèi)氣流更均勻,提高了縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)的清選性能。

李洋等[14]為研究脫出混合物喂入量對(duì)清選裝置內(nèi)部氣流場(chǎng)的影響,在雙出風(fēng)口多風(fēng)道風(fēng)篩式清選試驗(yàn)裝置(見圖2)上,通過(guò)布置測(cè)點(diǎn),分別對(duì)1～4kg/s喂入量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:隨著脫出物喂入量的增大,上篩和下篩上方的氣流均有不同程度的衰減,相同喂入量時(shí),振動(dòng)篩橫向1/3、2/3處的氣流速度高于1/2處。

1.風(fēng)機(jī) 2.抖動(dòng)板 3.下篩 4.上篩 5.回程板 6.尾篩

Mekonnen等[15]介紹了橫流開口對(duì)雙風(fēng)道離心風(fēng)扇寬度的流動(dòng)分布的影響,并通過(guò)熱線風(fēng)速儀進(jìn)行了氣流速度測(cè)量與分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):在風(fēng)機(jī)寬度上增加橫流開口對(duì)沿著風(fēng)扇出口寬度的均勻氣流起著至關(guān)重要的作用。美國(guó)John Deer公司研制的S660型聯(lián)合收獲機(jī)[16]采用雙風(fēng)道清選裝置,具有清選室內(nèi)氣流速度穩(wěn)定、抗衰能力強(qiáng)和能效比高等優(yōu)點(diǎn),清選性能較好。德國(guó)CLAAS公司[17]生產(chǎn)的新型LEXION 700系列配備了4D清選系統(tǒng),風(fēng)機(jī)采用雙風(fēng)道多出風(fēng)口風(fēng)機(jī),如圖3所示。該風(fēng)機(jī)采用多個(gè)渦輪風(fēng)機(jī)并聯(lián),葉輪采用單側(cè)16個(gè)后彎葉片組成,進(jìn)風(fēng)口為6個(gè),具有風(fēng)量大、風(fēng)速均勻等特點(diǎn)。

1.上出風(fēng)口 2.下出風(fēng)口 3.蝸殼 4.葉輪

王長(zhǎng)寧等[18]設(shè)計(jì)了一種雙風(fēng)道人字變斜式葉輪橫流風(fēng)扇,設(shè)有變速帶輪、分風(fēng)比調(diào)節(jié)等調(diào)控機(jī)構(gòu),風(fēng)速在篩面縱向呈現(xiàn)出前高中間低尾部略有回升的合理分布狀況,并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)其合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。寧小波[19]等針對(duì)現(xiàn)有聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置中氣流場(chǎng)難以滿足滾筒脫出物對(duì)氣流速度大小及方向的要求,設(shè)計(jì)了多風(fēng)道清選風(fēng)機(jī),并以風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)、出風(fēng)口角度等3個(gè)參數(shù)為試驗(yàn)因素進(jìn)行了氣流場(chǎng)仿真計(jì)算,試驗(yàn)結(jié)果表明:風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1 080r/min、葉片數(shù)為4、出風(fēng)口角度為25°時(shí),以更有利于滾筒脫出物的清選分離。

在雙風(fēng)道風(fēng)機(jī)的研究中,主要是通過(guò)改變風(fēng)機(jī)風(fēng)道位置、分風(fēng)板的安裝位置及風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式來(lái)改善風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的氣流合理性,使其在清選室內(nèi)部形成良好的氣流場(chǎng),提高清選效率及清選性能。

2 多風(fēng)機(jī)清選裝置

洋馬公司YH880(4LZ-3.5A)全喂入聯(lián)合收獲機(jī)的清選裝置[20](見圖4),主要由雙風(fēng)扇、振動(dòng)篩等組成,具有寬幅、多層分段、二次清選等特點(diǎn)。其在振動(dòng)篩前部設(shè)計(jì)導(dǎo)流條,能有效解決由于脫粒滾筒前部脫出物較多且不均勻的問題;在主風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部增加導(dǎo)風(fēng)板,能有效解決氣流分布不均勻的問題;在尾部配置的二次風(fēng)機(jī),增加了篩面尾部雜余吹托能力,提高了清選質(zhì)量。

1.主風(fēng)機(jī) 2.振動(dòng)篩 3.籽粒攪龍 4.二次風(fēng)機(jī) 5.雜余攪龍

洋馬AW85G(4LZ-3.0A)聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置[21](見圖5)的前風(fēng)機(jī)采用雙風(fēng)道離心風(fēng)機(jī),具有多層清選、逐段分區(qū)及效率高等特點(diǎn)。

1.主風(fēng)機(jī) 2.振動(dòng)篩 3.籽粒攪龍 4.二次風(fēng)機(jī)

洋馬YH1180(4LZ-4.5A)系列聯(lián)合收獲機(jī)[22]也采用了三風(fēng)機(jī)(前置貫流風(fēng)機(jī)加雙離心風(fēng)機(jī))清選裝置(見圖6)用來(lái)改善傳統(tǒng)單風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)的清選效果,并設(shè)置了雙風(fēng)路氣流進(jìn)入。

1.前風(fēng)機(jī) 2.上出風(fēng)口 3.尾篩 4.二次風(fēng)機(jī) 5.主風(fēng)機(jī)

日本久保田公司[23]的PRO488(4LBZ-145)型聯(lián)合收獲機(jī)采用雙風(fēng)機(jī)(前部離心風(fēng)機(jī)加尾部貫流風(fēng)機(jī))清選裝置(見圖7),提高了清選效率和性能。

1.離心風(fēng)機(jī) 2.上篩 3.下篩 4.籽粒攪龍 5.雜余攪龍 6.貫流風(fēng)機(jī) 7.尾篩

劉師多等[24]設(shè)計(jì)了一種雙風(fēng)機(jī)圓筒篩清選裝置,如圖8所示。該機(jī)構(gòu)前部為離心風(fēng)機(jī),后部為貫流風(fēng)機(jī),并對(duì)清選室內(nèi)的風(fēng)速大小、方向和氣流場(chǎng)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:此方法對(duì)改善清選性能有明顯作用。

1.后圓筒篩 2.前圓筒篩 3.籽粒攪龍 4.導(dǎo)風(fēng)板 5.離心風(fēng)機(jī) 6.物料喂入口 7.貫流風(fēng)機(jī) 8.擋谷板

崔俊偉等[25]設(shè)計(jì)了雙風(fēng)機(jī)風(fēng)篩式清選裝置,前風(fēng)機(jī)采用三出風(fēng)口結(jié)構(gòu),后風(fēng)機(jī)置于雜余攪龍前側(cè),產(chǎn)生的氣流用于輔助篩尾部短莖稈的排出。試驗(yàn)表明:該清選裝置前風(fēng)機(jī)的3個(gè)出風(fēng)口與后風(fēng)機(jī)的配合形成了良好的清選氣流,具有較好的清選效果。

姬江濤等[26]對(duì)一種由前部離心風(fēng)機(jī)與后部貫流風(fēng)機(jī)組成的雙風(fēng)機(jī)風(fēng)篩式清選裝置進(jìn)行了參數(shù)試驗(yàn)與優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的清選裝置可提高籽粒清潔率,同時(shí)能有效地控制清選損失。

雙風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)清選裝置氣流分布合理,有效解決了清選裝置尾部氣流小而造成的脫出物清選不徹底造成二次雜余過(guò)多及增加清選負(fù)荷等問題。

3 貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)篩式清選裝置

田偉等[27]研究了貫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與損失率、含雜率及風(fēng)機(jī)功耗的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高,損失率逐漸降低,但轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)導(dǎo)致?lián)p失率增加,風(fēng)機(jī)功耗與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。王成芝等[28]針對(duì)傳統(tǒng)離心風(fēng)機(jī)及軸流風(fēng)機(jī)受清選室寬度影響造成的氣流分布不均勻、動(dòng)力消耗大等問題,對(duì)風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行了研究,研究結(jié)果對(duì)提高谷物的清選質(zhì)量及整機(jī)的作業(yè)效率具有重要意義。邱先鈞等[29]為了探討貫流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)其性能的影響,設(shè)計(jì)了聯(lián)合收獲機(jī)貫流風(fēng)機(jī)(見圖9),并把風(fēng)機(jī)安裝在4LT-1.45型前脫聯(lián)合收獲機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究,田間作業(yè)效果良好。

1.下壁板 2.葉輪 3.蝸舌 4.上壁板 5.出風(fēng)口

杜小強(qiáng)等[30]通過(guò)對(duì)貫流式清選裝置進(jìn)行氣固兩相流數(shù)值模擬分析,發(fā)現(xiàn)滾筒脫出物中的飽滿谷粒、癟谷和短莖稈等成分在清選室中能夠有效的分離,并采用高速攝像進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。李吉成等[31]利用CFD有限元分析軟件對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)的貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真,對(duì)流場(chǎng)的靜壓、全壓、速度等進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:該風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處氣流橫向分布均勻,但有少量回流現(xiàn)象。田明杰等[32]針對(duì)傳統(tǒng)離心風(fēng)機(jī)不能適應(yīng)大型聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置寬度大、動(dòng)力消耗大等問題,對(duì)貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對(duì)風(fēng)機(jī)的機(jī)構(gòu)參數(shù)包括葉輪、蝸殼等參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響進(jìn)行了研究。

在貫流風(fēng)機(jī)的清選裝置研究中,相關(guān)學(xué)者主要通過(guò)改變?cè)袇?shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)氣流場(chǎng)的優(yōu)化,達(dá)到更好的清選效率。

4 總結(jié)

通過(guò)上述對(duì)國(guó)內(nèi)外清選裝置中風(fēng)機(jī)的分析發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的單風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)清選裝置很難改善出風(fēng)口氣流不均勻、風(fēng)速衰減快及對(duì)物料吹脫效果差等問題,因而多風(fēng)道風(fēng)機(jī)風(fēng)篩式清選裝置、貫流風(fēng)機(jī)清選裝置與多個(gè)風(fēng)機(jī)組成的風(fēng)篩式清選裝置已成為研究熱點(diǎn),相關(guān)研究主要集中在風(fēng)機(jī)及清選裝置的優(yōu)化等方面。清選裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要依據(jù)是無(wú)清選負(fù)荷及CFD仿真時(shí)得出的數(shù)據(jù),清選載荷對(duì)清選室內(nèi)部氣流場(chǎng)的影響及對(duì)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法方面研究較少,仍有許多內(nèi)容值得深入研究。

5 發(fā)展趨勢(shì)

1)向高適應(yīng)性發(fā)展。對(duì)于不同的谷物具有不同的特性,其含水率、草谷比和飄浮系數(shù)等參數(shù)不盡相同。因此,對(duì)于不同收獲物的清選裝置應(yīng)具有特定的參數(shù)配置,其風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、分風(fēng)板角度及進(jìn)風(fēng)口開度等參數(shù)應(yīng)與不同谷物的特性相適應(yīng),以保證篩面氣流場(chǎng)的合理性,提高聯(lián)合收獲機(jī)的清選效率及清選質(zhì)量。

2)向高質(zhì)量發(fā)展。隨著谷物聯(lián)合收獲機(jī)向大型、高效等方向發(fā)展,對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)風(fēng)機(jī)的制造裝配質(zhì)量提出了更高的要求。目前,大多數(shù)農(nóng)機(jī)企業(yè)缺少出廠前對(duì)清選室內(nèi)氣流場(chǎng)的檢測(cè)設(shè)備,仍是通過(guò)手工測(cè)量外形尺寸的方式來(lái)保證風(fēng)機(jī)質(zhì)量的合格,造成人為誤差較大。因此,為了保障風(fēng)篩式清選裝置的清選性能及可靠性,聯(lián)合收獲機(jī)風(fēng)機(jī)制造裝配質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)有待深入研究。

3)向智能化發(fā)展。隨著智能設(shè)備的不斷發(fā)展,各種檢測(cè)設(shè)備已在聯(lián)合收獲機(jī)上得以應(yīng)用,工作部件轉(zhuǎn)速、清選及夾帶損失等工作參數(shù)與性能參數(shù)都已實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),下一步應(yīng)根據(jù)這些指標(biāo)進(jìn)行智能化控制,從而提高聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)性能、適應(yīng)性和可靠性。