谷物聯合收獲機篩分裝置研究現狀與發展分析

王立軍 宋良來 馮 鑫 王后升 李懿航

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

糧食是實現經濟可持續發展的重要物質基礎，優質高效的機械化收獲是提高谷物經濟價值的有效手段。篩分裝置是谷物機械化收獲的重要部件之一[1]，篩分裝置通過一定方式的篩體運動實現谷物與雜余的分離，其性能直接影響收獲后籽粒的損失率和清潔率[2]。2020年我國谷物(稻谷、小麥、玉米等)平均單位面積產量約為6 296 kg/hm2。通過農場調研發現，在玉米常規含水率(22%～23%)和喂入量(機具前進速度1.2～1.5 m/s)條件下，現有的先進聯合收獲機收獲后籽粒損失率為0.25%～1.20%。若以玉米單位面積產量6 317 kg/hm2來計算，籽粒損失率每降低0.1個百分點，可提高玉米籽粒產量約6.317 kg/hm2，以全年玉米種植面積為4.126×107hm2計算，每年可減少糧食損失26萬t。因此提高篩分裝置性能對保障糧食安全、減少糧食損失具有重要意義。

篩體及其驅動機構是篩分裝置的核心部件，受篩體外形、篩孔配置、篩體材料等因素影響，物料會產生滑移、拋起、靜止等復雜運動，進而影響顆粒的透篩性[3-5]。篩體驅動機構驅動篩面進行多維運動，適宜的篩面運動可實現物料的快速分散、分層、透篩，從而提高裝置篩分效率[6]。篩分技術主要解決篩分效率、籽粒損失率、清潔率之間的矛盾[7]，即研究籽粒快速透篩、雜余不透篩并順利從裝置中排出、對籽粒進行全價值回收以保證其經濟效益等問題。

由于農作物單產的提高以及篩分環境的多變、不可控性，篩分時會產生潮濕物料粘附篩面、物料大喂入量下篩分效率低、分選效果差等問題[8-12]。因此大喂入量和高含水率的物料分離已成為制約篩分技術發展的主要因素[13-15]，同時也是篩分技術亟需突破的難點問題。本研究以篩體結構和篩體驅動機構為切入點，概括并分析谷物篩分裝置的研究現狀，從對不同領域篩分技術的融合與互補以及篩分技術的高效化、智能化、信息化的發展角度，指出谷物篩分裝置的發展趨勢，為我國谷物篩分技術研究和篩分裝置的創新設計提供參考。

1 谷物篩分裝置研究現狀

1.1 篩體

篩體是篩分裝置的核心部件之一，在谷物篩分中篩體通常與風機配合使用[16]，對混合物料進行拋擲、分散、分層[17-18]，在此過程中籽粒透篩，雜余不透篩從裝置尾部排出。在篩分過程中物料直接與篩體接觸，其中篩孔的類型、篩體的形狀及其材料會影響物料的運動，進而影響篩分效果。農業物料具有種類多、含水率不可控等特點，在一定程度上增加了農業物料篩分的難度，為滿足高質、高效谷物收獲技術要求，許多專家從篩孔形狀及其排布、篩片形狀、篩體材料及輔助部件等方面對篩體進行了創新設計研究。

1.1.1篩片和篩孔

谷物篩分中常規的篩片類型和篩孔形狀與排布如表1所示[19]。

表1 谷物篩分常規篩片類型和篩孔形狀與排布

為降低潮濕物料與篩面間粘附作用、減少大喂入量下物料的堵塞和堆積、提高裝置對大喂入量物料的篩分性能，許多專家學者對篩孔形狀與排列方式進行了創新設計與研究，典型成果如表2所示。

表2 新型篩孔形狀與排列方式

基于目標顆粒快速透篩和篩面防粘附的思想，仿生篩、淺坑篩和組合孔篩等被提出，現階段通常采用篩面上同徑篩孔等距排布的方式，而物料在裝置前端喂入的形式，導致連續篩分過程中，沿篩體縱向物料層產生差異，為進一步提高篩分的精準性，可以創新篩孔排列方式，即沿篩體縱向非同徑篩孔差距排列，解決篩上不同區域待篩分物料的差異，提高籽粒的透篩效率，從而提高裝置的篩分性能。

1.1.2篩體形狀

現有振動篩多為平面一體式結構，一定程度上限制了顆粒透篩，為提高篩分裝置的性能，專家對篩體形狀進行了創新研究，其特點與性能如表3所示。

表3 非平面一體篩

在一定空間內非平面篩體結構可增大物料與篩面的接觸面積，提高顆粒的透篩概率；分段式篩體的研究證明了分段式結構可滿足篩體不同區域的篩分要求；現階段仿生技術已被廣泛應用于農業機械研究中[30-32]，為振動篩體的設計提供了新思路，例如通過仿生技術模仿鳥類、昆蟲、爬行動物等表皮特征。可嘗試將這3種設計思想(非平面、分段式、仿生技術)融合并應用于振動篩體形狀設計中，例如可借鑒蚯蚓的蠕動特征，通過多篩段的不同運動，使整體篩面表現出蚯蚓的運動特征，實現篩上物料的快速推移，進而提高裝置的篩分效率[33]。

1.1.3多層篩體配置

篩分裝置通常配置多層篩體，實現不同精度的篩分。劉鵬等[34]以常規魚鱗篩、加長魚鱗篩、錯位魚眼篩、線性魚眼篩和貝殼篩為上篩，網篩、圓孔篩和六棱孔篩為下篩，魚鱗尾篩和柵格尾篩為尾篩，應用模糊綜合評價法分析了不同組合的清選篩對大豆的清選損失率和含雜率的影響規律。梁蘇寧等[35]針對谷子篩分時魚鱗篩堵塞問題，將不同孔徑編織篩布置為上、下篩體，實現谷子混合物由粗至精的篩分，大幅度減少了谷子的篩分損失。張敏等[36]探究了魚鱗上篩-圓孔下篩風選裝置工作參數對籽粒損失率和含雜率的影響，利用多因素試驗獲得了此裝置較優的工作參數組合。篩分時上篩中物料由抖動板喂入，而下篩的物料可間接視為由上篩喂入，因此多層篩體配置方式會使不同篩層的篩分條件產生差異，從而導致不同篩層混合物料的比例、入篩時初始條件、透篩要求的不同，因此為實現更精準的篩分，多層篩體配置仍有一定的設計空間。通過大型農場(黑龍江省八五二農場、趙光農場)玉米收獲調研發現，在常規收獲機前進速度下，鑒于單層篩體可以滿足篩分要求，農戶通常將下篩拆除，以減小收獲機的功率消耗，節省收獲成本，并通過調節清選裝置工作參數，如振動頻率、氣流速度等保證一個良好清選狀態，因此在多層篩體的研究中，也需從實際應用的角度出發，結合功率消耗、材料損耗等綜合考量篩體性能。

1.1.4輔助部件

在谷物聯合收獲機上增加輔助分離部件可以提高裝置對物料的分離能力，傳統部件主要以回轉式橫向拌動式和莖稈挑松式撥指為主，通常布置于裝置上方對雜余進行撥動，主要為防止物料喂入不均勻產生堆積。基于此為降低篩上物料粘附、提高篩分時物料的分散程度，專家對輔助部件進行了創新研究。常榮等[37]針對蕎麥篩分時普遍出現篩孔堵塞的問題，設計了一種彈球清選篩，即在篩面下方安置內部含有彈球的帶篩孔方盒，如圖1a所示，篩分時彈球產生彈跳敲擊篩面，從而防止篩孔堵塞，通過試驗證明了彈球在蕎麥分級過程中清篩效果顯著。王立軍等[38]為提高篩面利用率設計了一種雜余拋送器，如圖1b所示，其由若干個曲線撥指間隙排列組成，通過回轉運動可實現清選篩上部空間籽粒與雜余在豎直方向上分層、水平方向上分散，試驗證明了此輔助部件的使用可提高篩分裝置對大喂入量玉米脫出物的篩分能力。混合物料通常在篩體前端喂入，使篩體前端承擔著較大工作量，尤其當物料喂入量增加時，由于篩體前端處理物料的能力不足，在連續篩分中可能會產生物料的堆積，且篩孔堵塞已成為谷物篩分中常見問題，輔助篩分裝置的設計為解決此問題提供了參考，但輔助裝置通常較為復雜，為滿足實際生產需求，其結構、可靠性和裝配問題仍需系統化研究。

1.1.5篩體材料

篩分時物料直接與篩面接觸，篩面材料影響顆粒與篩面的接觸參數，進而影響篩上顆粒的運動，因此許多專家對篩面材料進行了研究。程超等[39]、穆培良[40]設計了聚四氟乙烯和聚脲彈性振動篩，通過試驗證明了聚四氟乙烯涂層篩面(如圖2a所示)，可降低水稻脫出物的粘附和堵塞，且具有一定的耐久性，而聚脲彈性篩可降低篩分后籽粒的損失率和含雜率。王立軍等[41]根據聚氨酯材料具有彈性模量大、強度高、耐磨性強等特點，設計出聚氨酯橡膠篩，如圖2b所示，通過與金屬篩的性能對比，證明了此篩體對篩上玉米脫出物具有較高的分散、分層能力。物料在振動篩的運動激勵下與篩面發生接觸碰撞行為，且該行為貫穿于整個篩分過程中[42]，籽粒和雜余的物理特性差異和篩體材料會影響物料與篩體碰撞后的運動，篩體材料的研究為籽粒和雜余產生合理的差異運動提供了一種可行的方法。

1.2 篩體驅動機構

利用篩體驅動機構使篩體產生不同的篩分動作，從而實現物料的運移、分散、分層和透篩。篩體常規的運動為平面往復式，可實現物料的基本分離，但當物料量增多且連續篩分時會出現篩上物料堆積的現象，大幅降低了振動篩的篩分效率。為推進篩分技術發展，谷物篩分裝置應具備對大喂入量物料的處理能力，許多專家學者從篩體多維運動的角度出發，對篩體驅動機構進行了創新研究。

典型的谷物篩分機構由曲柄-搖桿構成，可使篩體沿振動方向往復運動，通常定義此篩體的運動為二維運動，即沿篩體水平和豎直方向的運動。現階段一些篩體驅動機構可實現其多維運動，如篩體可實現沿縱向、橫向和豎直方向轉動和移動的不同組合的運動形式，因此將篩體運動分為二維和多維兩種形式，分別對其驅動機構進行概述。

1.2.1二維運動篩體驅動機構

篩體的常規運動為平面往復式運動，即篩體水平和豎直方向的移動，魯云松等[43]基于曲柄-搖桿和曲柄-滑塊組合機構設計了二移動振動篩驅動機構，如圖3a所示，通過篩分試驗探究了曲柄轉速、桿件長度對清選效果的影響規律，通過多因素試驗優化獲得了該機構較優的參數組合。

谷物篩分目的是實現籽粒透篩而雜余排出，為提高篩體對物料的運移能力，王成軍等[44]對傳統回轉式滾筒篩布置并聯機構，如圖3b所示，實現滾筒篩自身轉動的同時產生平面往復運動，通過仿真證明了該機構可實現篩體轉動和移動，驗證了機構設計的合理性，并通過性能試驗得出該機構可提高物料的篩分效率。

1.2.2多維運動篩體驅動機構

為提高篩分時物料的分散、分層速率，許多專家設計出多維運動振動篩驅動機構，基于篩體轉動和移動不同的組合形式對振動篩驅動機構進行總結，如表4所示。

表4 多維運動篩體驅動機構

多維振動篩驅動機構存在著機構復雜、穩定性不高等問題，機構的實用性和可靠性還應進一步完善，而谷物收獲中振動篩通常與風機配合使用，在研究中還需考慮到多維運動篩面對篩上氣流擾動的影響，并且在驅動機構設計中應考慮到篩面運動的可調節性和地形的自適應性，以使篩分裝置具備對坡地谷物收獲的功能。

1.3 聯合收獲機上典型的清選系統

谷物篩分裝置主要用于水稻、玉米、小麥等收獲機械中，谷物篩分主要以振動篩為主，通常配置風機以提高篩分性能，隨著篩分技術的發展，一些已成型的清選系統被廣泛應用于谷物聯合收獲機中，這些清選系統及其特點見表5。

表5 聯合收獲機上應用的典型清選系統

在清選能力方面，國內以增大清選裝置中振動篩的清選面積，來達到大喂入量篩分的目的，國外在此基礎上使用多層抖動板和多層振動篩進行篩分，進而實現大喂入量下的清選；在裝置可靠性方面，由于國產機器大多為仿制與引進，且在關鍵部件精密制造方面與國外企業仍有一定差距，可靠性仍有待提高；在智能化應用方面，國外的機器較為先進，主要表現為損失監測、自調平和自動調節等方面，其中約翰迪爾、凱斯等公司可以通過清選損失監測傳感器實時地觀測谷物清選損失來監測實際作業情況[62]，芬特與科樂收等公司自調平系統可以使聯合收獲機進行坡度作業時具有良好的清選效果[63]，紐荷蘭公司CR系列聯合收獲機配備自動調整系統，可以根據實際作業的需要，實時調節清選裝置內風機轉速和上、下篩的振動頻率[64]。而國內大部分研究僅僅停留在籽粒損失檢測方面[65-66]，且處于產業化前期階段。

2 谷物清選裝置研究方法

2.1 篩體

2.1.1基于仿生技術的篩體設計

仿生技術是工程技術與生物科學相結合的交叉學科，在技術上仿照植物或動物的功能解決工程領域問題[67-68]。仿生技術的逐漸成熟，使其成為篩分領域篩體設計的一種方法[20]。針對動物表面的減粘降阻特性，例如蜣螂頭部、螻蛄背板、蚯蚓體表、穿山甲鱗片等，可為仿生篩體的創新設計提供參考，為防止潮濕物料粘附篩面、提高物料在篩上的流動性，通常仿生技術基于逆向工程對生物結構進行提取[69]，通過一些可提取體表特征的3D激光掃描儀或利用Matlab軟件處理圖像(去干擾和噪聲)[70]，完成樣品的體表曲面提取，獲得樣品體表曲線的點坐標數據，通過Matlab軟件進行曲線擬合，具體流程如圖4所示，獲得的擬合方程可為篩體設計提供參考。

2.1.2篩型控制方程

篩上顆粒動力學分析可以建立篩體結構和運動參數與顆粒運動之間的數學模型，從而預測篩上顆粒的運動形式，在篩形設計的研究中可以此建立顆粒運動與篩形間的函數關系，指導篩型設計。例如鑒于物料沿篩體縱向的運動差異，基于篩上顆粒靜力學分析，篩型控制方程被提出[71]，由此提出了凸面、平面、凹面3種篩型的控制方程，如圖5所示，此方法為篩體的設計提供了參考。

2.2 篩體驅動機構

2.2.1驅動機構動力學和運動學理論分析

篩體驅動機構控制篩面運動，在驅動機構的研究中通常需先了解篩面運動形式，通過分析驅動機構的動力學模型可明確篩面運動規律，為驅動機構的優化提供基礎，同時也為后續氣固兩相流數值模擬中篩體運動設定提供參考，現有機構的動力學數學模型研究方法如表6所示。

表6 驅動機構動力學模型研究方法

2.2.2驅動機構運動仿真分析

在篩體驅動機構的研究中，通常建立驅動機構動力學模型后，需借助計算機技術探究機構的運動特征，計算機技術具有高效處理能力、更直觀的表現能力，機構運動仿真現已成為篩體運動研究的主要方法，常用軟件類型及特點如表7所示。

表7 篩體動力學分析軟件類型及特點

2.3 篩分裝置性能研究方法

2.3.1模擬仿真研究

篩分裝置的性能需基于一些指標衡量，如：損失率、清潔率、篩分效率等，且篩上顆粒運動特征可反映出篩體設計思想的合理性，如篩體傾角改變實現物料快速推移、空間篩孔結構加強物料沿篩體橫向運動、具有彈性材料篩面提高篩上顆粒分散等，由于顆粒運動的復雜，通常借助計算機模擬篩分過程，處理數據獲取相應的指標，進而探究篩分裝置的性能，軟件類型及特點如表8所示。

表8 軟件類型及特點

2.3.2高速攝像技術

試驗中通常采用高速攝像技術，基于篩上區域可視化的篩分裝置，客觀地對顆粒群真實的運動進行追蹤[99-100]，如圖6所示。

通過分析顆粒位移、速度、軌跡探究顆粒群的運動特性[101]，驗證篩體設計的合理性和適用性。此技術局限于顆粒平面運動的提取，針對顆粒三維空間運動的研究，此技術還有待進一步開發與優化。

2.3.3篩分裝置性能監測與控制研究方法

復雜多變的收獲環境會影響篩分裝置性能，在聯合收獲時需通過監測系統實時監測篩分裝置性能[102]，并通過控制系統對篩分裝置進行實時調節，以保證在變化的篩分環境下，使篩分裝置性能保持合理的范圍。降低篩分時籽粒損失是保障收獲時籽粒經濟價值的重要措施，其始終為農戶關注重點，篩分裝置性能監測和控制更注重于籽粒損失方面，許多專家學者對此進行了研究，主要成果見表9。

表9 籽粒損失監測與控制系統研究成果

聯合收獲機通常具備對多種谷物(玉米、小麥、水稻等)的收獲能力，為適應聯合收獲機此功能，監測系統也需具備多種谷物損失的監測能力，且篩分時監測部件通常配置于裝置尾部，由于出口物料運動隨機，致使物料接觸監測元件時姿態復雜，影響監測精度，并且物料含水率的變化，導致沖擊信號的改變，增加了精準信號的提取難度。監測時由于存在雜余干擾，并且隨著高效收獲機具的研發，使出口物料輸出量更大，雜余對監測精度的影響更嚴重，適應于復雜收獲環境精確的監測系統還有待進一步開發與完善。控制系統的延時反饋對篩分裝置調節存在滯后現象，通常在聯合收獲機高速作業時此現象更為明顯，以理論模型的創新加快系統的響應是一種解決途徑，適應多種谷物和復雜收獲環境的控制模型有待開發與完善。

3 研究成果討論

現有應用于谷物的篩分裝置在常規的篩分條件下已基本實現物料的有效分離，但由于物料種類的多樣、篩分環境的復雜，篩分時會出現物料堵塞篩孔、潮濕物料流動性差、大喂入量下篩分效率低等問題，針對這些問題，一些非平面篩體、分段式篩體、新篩體材料、帶有輔助結構的振動篩、多維篩體驅動機構得以研究，相關學者已通過大量的仿真和試驗驗證了新型篩體的篩分性能。篩體控制方程的提出、仿生技術在篩分領域的應用、驅動機構動力學理論模型的完善、計算機技術的更新與發展以及臺架和田間試驗方法和手段的成熟，為篩分裝置的研究構建了系統性研究方法。

現階段篩分裝置的性能應滿足更精準、更高效的技術要求[113-114]。新思想和技術的提出與應用為實現更優質、高效的篩分提供了一些可行的方式，如圖7所示，篩分理論和計算機技術的完善與發展，為篩分裝置的研究提供了充足的技術支撐。根據實際生產需求，篩分裝置的制造成本、可靠性和穩定性仍需進一步考量與驗證[115]，農業物料篩分技術仍有很大的進步空間。

4 展望

4.1 交叉融合與取長補短

篩分技術在農業、礦冶工業、建筑材料工業及化學工業中得到廣泛的應用。不同領域的篩分技術研究方法和思路可相互借鑒與補充，例如礦業篩分中，為解決潮濕細粒煤炭流動性差等問題，研究出一些如彈性桿篩[116]、梯流棒條篩[117]、多段階梯篩[118]、多傾角曲面篩[119]等新篩體，這些新思路和結構的提出可為高含水率谷物的篩分以及降低物料在篩上粘附提供參考；廣泛應用于煤炭篩分的香蕉篩[120]和弛張篩[121]的設計理念，也可用于谷物篩分研究中，為防止物料堵塞篩孔、大喂入量谷物高效篩分等研究提供新思路；煤炭篩分中篩體驅動機構可使篩面具有不同的運動形式，通過結構改進與優化可開發應用于谷物篩分機構中。煤炭篩分中已創新設計出3移動3轉動篩體驅動機構[122]，這為谷物篩分裝置的研究提供了更多的思路，同時也為谷物篩分系統研究的完善和發展，提供了一定的借鑒與參考。

4.2 高質高效與穩定篩分

隨著技術的發展，要求篩分裝置向大喂入量、高效率、高質量方向發展，防止大喂入量物料篩上堆積是提高篩分效率的關鍵和難點，提高篩分時物料分散、分層速率是關鍵，篩體結構和篩體運動融合研究是一種解決途徑，現階段多維運動的篩體通常配置平面篩體，在谷物和煤炭篩分研究中可通過一定的研究方法，將具有空間透篩性能的篩體與篩體多維運動組合，以期實現更高的篩分效率。隨著仿生技術的發展，其已被應用于農業中流體機械、水田機械、耕作機械和收獲機械等多個領域，因此，在振動篩體的研究中可應用一些鳥類、家畜、昆蟲和爬行動物等具有流動特性的表面特征，以期提高篩上物料的流動性，也為大喂入量谷物篩分裝置創新設計提出新的途徑。篩分裝置工作時通常會出現振動較大和噪聲污染問題，影響裝置的可靠性和使用壽命，動力吸振與周期結構設計降噪方法[123-124]可應用于篩分裝置的設計，優化篩體結構和驅動機構，避免共振現象發生，提高篩分裝置可靠性。

4.3 實時控制與精準篩分

隨著信息化技術的發展，物料篩分指標在線監測、顯示系統、實時反饋等系統需融合與完善，物料喂入量、篩分效率、篩孔堵塞、篩體疲勞強度等由于復雜工作環境產生變化，可通過篩分裝置監測和顯示系統的反饋，與自動調節系統實現實時篩分參數調節，在變化篩分環境下保證篩分質量。待收獲谷物的種類、谷物與雜余的比例、谷物含水率等也是影響篩分的主要因素，為提高篩分裝置的適應性，可應用機器視覺和圖像處理等技術與篩分系統融合，例如可利用無人機高光譜遙感系統對待收獲物料的特性進行捕捉和預測[125]，通過數學模型量化物料特征，實現物料信息的快速獲取，并開發先進的算法建立物料特性-篩分參數-裝置性能融合模型，優先控制風機轉速、振動篩頻率、風機出口方向角等實時可調參數，以提高反饋控制的靈敏度。收獲時對谷物產量和清選參數進行實時監測和記錄，建立物料特性-裝置工作參數-產量大數據平臺，將田間參數和物料信息進行整合，為后續谷物收獲提供精確的參考，實現物料的精準和智能篩分。