長江流域大豆聯合收割機清選技術研究現狀與分析展望

李 奇，謝方平,2,3*，劉大為,2,3，王修善,2，康家鑫

(1.湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；2.智能農機裝備湖南省重點實驗室，湖南 長沙410128；3.南方糧油作物協同創新中心，湖南 長沙 410128)

近年來，我國大豆優勢產區呈現“區域性集中變化”的趨勢[1]。長江流域作為全國大豆三大產區之一，大豆生產地位逐步提高，但與東北和黃淮海兩大產區相比在收獲環節還存在著以下不足：小塊田地與丘陵多，機械化程度低，機收率一直維持在30%左右；機收效率不佳，損失率或含雜率過高[2-3]；收獲時，由于高溫和多雨導致炸莢率高或青豆莢較多（圖1、2所示）[4-6]。目前，國內針對大豆清選裝置的研發較少，長江流域大豆聯合收割機一般通過經驗法或工作觀察法粗略改進谷類收獲機割臺高度、割刀間隙、滾筒參數、清選篩種類和凹板篩間隙等后進行作業，損失率和含雜率較高[7-10]。

圖1 常見的收獲期豆莢炸莢與晚熟現象

圖2 收獲后青豆莢情況

1 國外先進清選裝置

近年來，日本聯合收割機發展迅速，日本洋馬農機有限公司研制出的YH880聯合收割機，機收破碎率與損失率低，適用性強。由于日本的地貌和氣候與我國長江流域相似，約75%地形屬于丘陵地帶，因此，該機型對于我國長江流域適用于小塊田地的收割機研發很有參考價值。洋馬YH880的清選裝置部分如圖3和圖4所示[11]。

圖3 洋馬YH880收割機脫粒清選系統

圖4 洋馬YH880收割機清選篩

洋馬YH880聯合收割機利用三滾筒結構和雙風扇多風道相互配合，加上大面積多段篩面對物料進行層層篩選，并將與大豆物理特性相似的雜質進行精確二次分離。風機包括主風機和二次風扇；分離篩包括擴展板、搖動篩線、魚鱗篩片與燕尾篩片。該清選裝置設計靈活，能夠通過手柄操作來調節振動篩開度大小[12]。

此外，美國、俄羅斯和德國等國在清選裝置設計方面也有相關成果可供參考。STEPHEN等設計的一種清選分離裝置，可自由調節篩片的開度和風機轉速，初步實現對魚鱗篩開度和風機風速的智能調控[13]。John Deere公司設計的C系列聯合收割機，采用雙軸流分離滾筒，配備相應部件，能同時對小麥、水稻、玉米、大豆等作物實現高效收獲作業[14]。俄羅斯Rostselmash公司研制的VECTOR 450 Track谷物聯合收割機，將凹板篩更換為釘齒滾筒，并配備了該公司的標準化尺寸脫粒滾筒（圖5），使其能夠收割各類不易收割的物料殘茬。該機型機電一體化程度高，機體上配備GPS自動駕駛室、物料排出情況監控器和產量濕度檢測顯示屏等，有利于減少駕駛員的疲勞并提高清選操作精確性[15]。

圖5 VECTOR型號收割機—釘齒滾筒自組裝套件

2 國內研究動態

2.1 清選分離原理

大豆脫出物在收割機清選分離的過程中主要經過振動分離和風選分離。在振動分離過程中大豆脫出物經過多種碰撞，包括物料間擠壓碰撞、物料與篩板的瞬間撞擊、物料和機械壁的沖擊碰撞等。在風選分離過程中大豆脫出物經過了一定風速中短時間的懸浮分散篩選。研究物料與物料間、物料與機械間碰撞作用規律以及脫出物懸浮效果是保證清選裝置結構設計優化和減少大豆破損率的前提。

頓國強等使用Solidworks Simulation FEM code對大豆種子進行撞擊模擬仿真，分析了大豆體積的改變對最大應力和最大位移的影響，得到大豆體積大小隨所受應力強度影響的變化規律：撞擊的最大應力隨著大豆種子體積的增大先逐漸變大后逐漸變小，且大豆不同基準方向撞擊的最大位移隨著其體積的增大并呈現線性增長，為分析大豆在清選過程中具體形變方向提供了參考[16]。張帥軍等通過Ansys軟件模擬了大豆種子的脫粒過程，對大豆種子撞擊損傷進行了全因子分析，得到大豆種子受力情況與釘齒形狀、碰撞速度和撞擊截面面積之間的關系，當脫粒齒為弓齒形、碰撞速度越慢且撞擊截面面積越大時，大豆種子的受力越小，為分析大豆在清選分離中運動軌跡以及設計合理的大豆脫粒齒結構提供了理論基礎[17]（圖6）。

圖6 大豆碰撞時受力情況

2.2 大豆及其脫出混合物的物理特性研究

大豆脫出物主要包括完好大豆籽粒、破損大豆籽粒、癟豆粒、豆瓣、葉片、豆莢殼、未脫凈豆莢、短莖稈與碎秸稈。探索大豆脫出物的物理特性，可為清選技術理論研究提供基礎依據，有學者或專家運用相關方法對脫出物的各組成成分進行了單獨或整體的物理特性測量與試驗。

寧新杰等運用自制恢復系數測量儀、靜摩擦因數測量儀、游標卡尺等工具測量出黃淮海產區兩種大豆脫出物的物理特性，得到兩類品種脫出物的摩擦系數、恢復系數、密度、長度與直徑等各種物理參數，為研究大豆脫出物的篩分機理和完善大豆收獲機清選數值模擬參數提供了依據[18]。張豐堯對大豆顆粒物理力學特性及個體機理進行了研究，對大豆進行室內直剪試驗，繪制了大豆在不同剪切條件下的形變圖，得出抗剪切強度隨著大豆含水率升高逐漸變強的結論，對優化清選裝置工作效果以及清選室結構創新研發有重要意義[19]。陳海濤與張開飛分別應用計算機力學模型和電子萬能材料試驗機對大豆莖稈的力學位移與彎曲力學特性進行探究，獲得了大豆秸稈各部位的力學特性參數曲線，對于研究方式的多樣化以及清選裝置結構虛擬研發具有深遠意義[20-21]。吉林大學的王揚基于大豆籽粒物理力學屬性提出了一種大豆籽粒多球模型，并通過對多種大豆的堆積休止角進行離散元設計仿真，驗證了大豆籽粒多球模型的正確度，為清選裝置虛擬仿真提供了一種準確的大豆籽粒建模方法[22]。

2.3 清選性能試驗研究

收割機清選性能在一定程度上會受到清選裝置動力參數（行進速度、篩板振幅、風機轉速等）和結構參數（篩板角度、篩孔尺寸、風機葉片尺寸等）的影響。金誠謙、劉鵬等對非長江流域大豆收獲機進行了參數優化，分別針對整機系數設計了包含行進速度、脫粒滾筒轉速、脫粒段脫粒間隙、分離段脫粒間隙、導流板角度、分風板角度、風機轉速、上篩前部開度、上篩后部開度在內的九因素三水平曲面響應試驗。同時，也針對清選裝置系數設計了包含作業速度、魚鱗篩篩片開度、風門開度、風機轉速和振動篩曲柄轉速在內的五因素三水平曲面響應試驗，得到了在該損失率和含雜率最小數值時的整機參數與清選系數組合，改進了原機械的參數并優化了試驗結果，降低了損失率和含雜率[23-24]。沈陽農業大學高連興根據大豆及脫出物的懸浮速度效果研制了氣力式清選裝置和旋風式雜余分離、循環裝置，以秸稈含雜率和損失率作為試驗衡量依據，通過多因素試驗對該裝置的風機轉速和振動頻率參數進行了改進，并降低了大豆氣力清選裝置的含雜率和損失率[25]。

3 長江流域大豆聯合收獲機清選性能改善分析

3.1 存在的問題

相比其他地區，長江流域大豆聯合收獲機的清選性能還達不到現實生產要求。長江流域種植大豆的主要目的是將大豆作為安全儲備糧來應對各種緊急情況，一般為充分利用土地空間，種植在不適宜種植其他作物的小型坑洼農田地區，故需要應用中小型聯合收割機進行田間收獲。而通常中小型聯合收割機動力較小，遇到泥濘地段難以進行作業，這導致其清選裝置動力功率與田間實際情況的匹配性不高，收獲含雜率和損失率較高，行進速度、篩板振動頻率、風機轉速等動力參數和篩板孔尺寸、篩板傾斜角度、風機出風口傾角等結構參數有待優化。目前，國內有關長江流域中小型大豆收割機清選裝置的理論分析較少，關于長江流域大豆聯合收割機清選裝置機構動力分析以及分離運動分析等方面的研究成果不多，還有待發展。

3.2 關于清選裝置性能的改善

總結參數優化方法，可利用曲面響應試驗方法尋求現有聯合收割機清選裝置的動力參數與結構參數的最佳組合方案，用來解決長江流域地區中小型大豆聯合收割機清選裝置與田間實際情況不匹配的問題。即通過實際工作反饋或經驗觀察找出對長江流域收割機清選裝置清選效果影響較大的動力或結構參數，運用Design Expert等實驗設計軟件針對影響因子較大的參數進行田間或者臺架試驗設計，再將試驗得到的最佳參數組合應用到待優化的機械當中，并在田間進行驗證，最終選擇合適參數組合運用到實際的收獲作業中，達到提高長江流域地區中小型大豆聯合收割機收獲質量目的；另一方面，基于曲面響應試驗參數優化結果，通過數學函數擬合方法來運用Matlab等軟件對各參數影響清選效果所占權重進行分析得到各參數關于清選效果的擬合函數，并由擬合函數可找出參數對于清選效果的影響規律，運用這些規律能為簡化機械結構設計提供數據參考與理論支撐。