谷物聯(lián)合收獲機(jī)脫粒與清糧裝置功能驗(yàn)證與適用性分析

任嘉宇

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154000)

0 引言

在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，谷物聯(lián)合收獲機(jī)的普及率實(shí)現(xiàn)了快速提升，其對(duì)小麥、水稻、大豆、油菜等糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物具有良好的收獲效率，并能在作業(yè)過程中完成切割、收集、脫粒、分離、清糧、集糧等多道工序，有效優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)流程。尤其在我國(guó)糧食產(chǎn)量明顯提高、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的前提下，糧食收獲質(zhì)量成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要點(diǎn)。谷物聯(lián)合收獲機(jī)脫粒與清糧裝置性能是關(guān)乎糧食收獲品質(zhì)的關(guān)鍵，其能夠有效獲取糧食并清除收獲過程混雜的穎殼、碎葉等雜物，進(jìn)而獲得潔凈的籽粒，脫粒與清糧質(zhì)量已經(jīng)成為評(píng)判谷物聯(lián)合收獲機(jī)的重要指標(biāo)，提升脫粒與清糧品質(zhì)是現(xiàn)階段農(nóng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵，對(duì)于谷物聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

1 脫粒與清糧技術(shù)現(xiàn)狀

隨著聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣的谷物聯(lián)合收獲機(jī)以自走型設(shè)備為主，其集成了傳統(tǒng)收割機(jī)結(jié)構(gòu)和脫粒清選機(jī)械，并利用中間輸送裝置進(jìn)行連接，形成功能全面的復(fù)合型設(shè)備。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程機(jī)械化理念的影響下和國(guó)家惠農(nóng)購(gòu)機(jī)補(bǔ)貼的政策支持下，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的谷物聯(lián)合收獲機(jī)產(chǎn)品種類多樣，普及較廣的設(shè)備包括約翰迪爾、紐荷蘭、阿格科等國(guó)際企業(yè)生產(chǎn)的中大型產(chǎn)品，以及中收集團(tuán)、中聯(lián)集團(tuán)、沃得農(nóng)機(jī)、雷沃集團(tuán)等國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，有效保證了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收獲工作的順利實(shí)施。脫粒與清糧裝置是谷物聯(lián)合收獲機(jī)的關(guān)鍵功能結(jié)構(gòu)，用于糧食的籽粒脫離與獲取，該技術(shù)一直以來(lái)都是谷物聯(lián)合收獲機(jī)的研究重點(diǎn)。從國(guó)際范圍看，谷物脫粒與清糧裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)日趨合理，研究與優(yōu)化的重點(diǎn)集中于脫粒與清糧過程中谷粒脫出規(guī)律、破損情況優(yōu)化、參數(shù)與節(jié)能、潔凈率與損失率關(guān)系等方面。目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的谷物聯(lián)合收獲機(jī)以軸流式聯(lián)合收獲機(jī)最為典型，橫軸流與縱軸流谷物聯(lián)合收獲均有較高普及率。我國(guó)農(nóng)機(jī)企業(yè)和科研院所在針對(duì)脫粒與清糧技術(shù)的研究中重點(diǎn)集中于通過機(jī)械結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化匹配脫粒與清糧的效率和糧食損失、破損等問題。

李文斌等[2]為優(yōu)化聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置設(shè)計(jì)過程，研究開發(fā)了一款基于Server2012知識(shí)庫(kù)和Visual Studio 2012的設(shè)計(jì)平臺(tái)，能夠以脫粒滾筒實(shí)例結(jié)合CAE軟件進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)，有效提升脫粒裝置設(shè)計(jì)質(zhì)量，并縮短產(chǎn)品研發(fā)改進(jìn)的周期。劉宏新等[3]研究了一種交互式脫粒裝置工程分析系統(tǒng)，能夠利用CATIA實(shí)現(xiàn)對(duì)脫粒裝置的二次開發(fā)接口，能實(shí)現(xiàn)對(duì)脫粒裝置的精準(zhǔn)測(cè)試，有利于解決脫粒裝置現(xiàn)有典型技術(shù)問題。唐小涵等[4]設(shè)計(jì)了一臺(tái)風(fēng)篩式清選裝置清選作業(yè)參數(shù)可調(diào)式清選損失物料分布規(guī)律檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩曲柄轉(zhuǎn)速、魚鱗篩篩片開度的調(diào)控優(yōu)化調(diào)整清選參數(shù)，有效提高谷物聯(lián)合收獲機(jī)性能與自動(dòng)化程度。

2 脫粒與清糧裝置功能驗(yàn)證方法

2.1 工藝與特征

脫粒與清糧裝置的主要功能是獲得潔凈的谷粒，主體工作流程如圖1所示，作物進(jìn)入脫粒結(jié)構(gòu)后絕大部分籽粒被脫粒結(jié)構(gòu)脫下后進(jìn)入清糧裝置，全喂入式谷物聯(lián)合收獲機(jī)脫粒結(jié)構(gòu)通常脫粒后僅有70%～75%的谷粒進(jìn)入清糧結(jié)構(gòu)，剩余的谷粒與秸稈一同進(jìn)入分離結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)谷粒進(jìn)一步脫粒獲取后將谷物送入清糧結(jié)構(gòu)，清糧結(jié)構(gòu)將谷物中的雜余去除，提取潔凈籽粒，分離出的雜余被排出機(jī)外，灑落田間。

圖1 脫粒與清糧工藝流程

根據(jù)技術(shù)類型的不同，脫粒與清糧裝置的種類也存在一定差異，脫粒裝置根據(jù)脫粒原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的差異可分為紋桿滾筒式(切流式、軸流式)、釘齒滾筒式(切流式、軸流式)、弓齒滾筒式三大類型；分離裝置以鍵式逐稿器為最常用類型，分離輪式逐稿器、平臺(tái)式逐稿器相對(duì)應(yīng)用較少；清糧裝置根據(jù)布置形式的不同可分為氣流式、篩子式、氣流篩子組合式三類。

2.2 脫粒性能

谷物進(jìn)入脫粒結(jié)構(gòu)后，會(huì)受到脫粒結(jié)構(gòu)的反復(fù)沖擊和揉搓作用，以弓齒滾筒式脫粒技術(shù)為例(圖2)，谷物進(jìn)入脫粒裝置的初期，主要受到有規(guī)律的間歇沖擊作用，并在滾筒的運(yùn)轉(zhuǎn)下將谷物向后方輸送，后方的結(jié)構(gòu)主要對(duì)谷物和秸稈進(jìn)行揉搓，在沖擊和揉搓的共同作用下，約70%～80%的籽粒與秸稈實(shí)現(xiàn)分離，剩余籽粒夾雜在莖稈中，在向出口輸送過程中可能被高頻振動(dòng)影響而脫落，其余籽粒與莖稈一同進(jìn)入分離結(jié)構(gòu)。

圖2 弓齒滾筒式脫粒結(jié)構(gòu)

脫粒性能的主要驗(yàn)證因素包括脫粒效率和脫粒損失率兩項(xiàng)，其計(jì)算公式如式(1)、式(2)所示

(1)

(2)

式中：η—脫粒結(jié)構(gòu)脫粒效率；kg·h-1；

W喂—谷物喂入量；kg；

t—作業(yè)時(shí)間；h；

St—脫粒損失率；%；

Ws—脫粒損失量；kg；

W—理論谷物籽粒收獲量；kg。

脫粒性能的影響因素較多，常規(guī)性能驗(yàn)證時(shí)主要驗(yàn)證單位面積的糧食實(shí)際收獲情況，脫粒質(zhì)量常受到脫粒技術(shù)、喂入均勻度、谷物濕度等影響，理論最佳脫粒質(zhì)量在籽粒含水率22%～24%，莖稈含水率28%～31%時(shí)具有較好的收獲與脫粒性能。

2.3 分離性能

通常情況下，全喂入式谷物收獲機(jī)配備有分離結(jié)構(gòu)，其主要功能是將脫粒后的長(zhǎng)脫出物中夾帶的籽粒及斷穗頭分離出來(lái)，減少脫粒過程的糧食損失。分離結(jié)構(gòu)主要包括兩種技術(shù)原理，一是拋揚(yáng)原理，是利用機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)谷物莖稈層施加拋送力，使莖稈做拋物運(yùn)動(dòng)，利用谷物籽粒的密度大、莖稈碎葉等雜質(zhì)密度小的特征實(shí)現(xiàn)籽粒與較大雜余的分離；二是離心原理，利用分離滾筒的高轉(zhuǎn)速，由于籽粒密度大，將籽粒從莖稈中分離并在分離筒周邊的小孔處落出。

分離性能的主要驗(yàn)證因素為分離損失率，其計(jì)算公式如式(3)所示

(3)

式中：Sf—分離損失率；%；

Wf—分離損失量；kg。

分離性能的驗(yàn)證結(jié)果受到多種因素的影響，主要包括：1)谷物外徑與分離孔徑或篩條間距的匹配程度，通常情況下，分離孔徑或篩條間距應(yīng)為谷物平均外徑的1.1～1.3倍，當(dāng)孔徑或篩條間距過小，會(huì)造成糧食損失率增加，當(dāng)孔徑或篩條間距偏大，糧食中雜質(zhì)增多，清糧工作難度增加；2)分離滾筒轉(zhuǎn)速越高，分離損失率越低，但糧食破損率隨之升高，反之則反。

2.4 清糧性能

清糧裝置的主要功能是將經(jīng)脫粒裝置和分離裝置脫粒分離后的含雜谷物進(jìn)行清選提純的過程，清糧過程的主要目的是去除谷粒中混雜的莖稈、穎殼和灰塵等細(xì)小夾雜物，以獲得清潔的谷物籽粒。

清糧性能的主要驗(yàn)證因素為清糧損失率和含雜率，其計(jì)算公式如式(4)、式(5)所示

(4)

式中：Sq—清糧損失率；%；

Wq—清糧損失量；kg。

(5)

式中：N—含雜率；%；

Ws—谷物實(shí)際收獲量；kg；

Z—雜余重量；kg。

清糧性能主要受到以下幾方面影響，1)篩體布局，篩體布局包括單層篩、多層篩兩類，其中多層布局更有利于細(xì)化篩分，提高糧食清潔性，并降低糧食損失；2)風(fēng)機(jī)技術(shù)，風(fēng)機(jī)的匹配性對(duì)清糧質(zhì)量影響較大，風(fēng)力過小雜余去除不徹底，導(dǎo)致含雜率升高；風(fēng)力過大糧食損失率相應(yīng)增加。

3 適用性分析

3.1 脫粒裝置適用性

不同的脫粒裝置結(jié)構(gòu)與技術(shù)對(duì)于不同谷物存在適用性差異，例如應(yīng)用較多的紋桿滾筒式脫粒技術(shù)，脫粒過程以搓擦脫粒方式為主，對(duì)于小粒種子脫粒能力強(qiáng)，較適合含水率較低的小麥、水稻等作物脫粒，當(dāng)谷物含水率偏高或喂入不均勻時(shí)，脫粒質(zhì)量會(huì)明顯下降；相對(duì)而言，釘齒滾筒式脫粒技術(shù)采用沖擊與搓擦相配合的形式，對(duì)于喂入不均勻、含水率偏高的谷物適用性更好，但因斷稈率較高，對(duì)分離技術(shù)的要求更高。

3.2 清糧裝置適用性

清糧裝置的適用性選擇主要從兩方面著手，一是篩子技術(shù)選擇，通常情況下編織篩適合初步篩分，布置于多層篩的上層；沖孔篩篩分精度更高，但效率相應(yīng)降低，適合應(yīng)用于下篩；魚眼篩具有良好的推送能力，但篩分效率偏低，適用于雜余輸出性能強(qiáng)的下篩使用。二是風(fēng)機(jī)技術(shù)，離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但送風(fēng)存在定向特征，均勻性不良，為提升性能，通常需在上下篩面分別配置離心風(fēng)機(jī)，應(yīng)用較為廣泛；軸流風(fēng)機(jī)雖然氣流分布均勻但送風(fēng)面積小，適合清糧難度較低的場(chǎng)合；橫流風(fēng)機(jī)氣流分布均勻且風(fēng)力較大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，適合先進(jìn)的大型收獲機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，谷物聯(lián)合收獲機(jī)的脫粒與清糧性能對(duì)糧食收獲質(zhì)量影響很大，從我國(guó)自主農(nóng)機(jī)技術(shù)角度出發(fā)，未來(lái)脫粒與清糧技術(shù)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)性能研究，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)，提高技術(shù)適用性和合理性，同時(shí)，從研發(fā)與應(yīng)用角度加強(qiáng)谷物聯(lián)合收獲機(jī)的技術(shù)驗(yàn)證，確保優(yōu)勢(shì)機(jī)型得到普及與應(yīng)用。

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