聯(lián)合收獲機風篩式清選裝置研究進展

侯　杰，謝方平,2,3，劉大為,2,3，王修善,2，陳志剛

聯(lián)合收獲機風篩式清選裝置研究進展

侯杰1，謝方平1,2,3，劉大為1,2,3，王修善1,2，陳志剛1

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；2.智能農(nóng)機裝備湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128；3.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128）

清選裝置作為聯(lián)合收獲機核心部件之一，其清選性能的優(yōu)劣直接影響著收獲機整機的作業(yè)質(zhì)量。針對常用的風篩式清選機構，研究其結構組成與參數(shù)優(yōu)化將有助于提高清選性能。通過對現(xiàn)有文獻的研究，簡述了國內(nèi)外近十年來聯(lián)合收獲機風篩式清選裝置在結構組成和參數(shù)優(yōu)化方面的研究現(xiàn)狀，對存在的問題進行分析并對未來的發(fā)展方向提出設想，以期為我國聯(lián)合收獲機清選裝置后續(xù)的機構設計提供參考。

風篩式清選裝置；結構組成；參數(shù)優(yōu)化；發(fā)展方向

1　引言

隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化水平不斷提高，谷物機械化收獲也逐漸普及。隨著農(nóng)作物單產(chǎn)不斷提高、機器割幅不斷增大、脫粒能力不斷增強以及整機向高速、高效、高性能不斷發(fā)展，作為谷物聯(lián)合收獲機“消化系統(tǒng)”的清選裝置，其性能優(yōu)劣已成為大喂入量作業(yè)環(huán)境下影響收獲機整機發(fā)展的一個重要因素，將直接影響著整機的作業(yè)質(zhì)量[1]。開展谷物聯(lián)合收獲機清選裝置的研究，對降低清選損失率和含雜率、提高清選作業(yè)效率具有十分重要的意義[2]。

風篩式清選裝置（如圖1所示）是大中型谷物聯(lián)合收獲機常用的清選裝置，主要由風機、傳動系統(tǒng)、輸送裝置和振動篩組成。這類清選裝置主要是利用氣流與篩板的配合作用將籽粒脫出混合物中的不同成分進行清選分離[3]。

1　尾篩；2　吊桿；3　下篩；4　上篩；5　指桿篩；6　雙臂搖桿；7　風機；8　連桿；9　曲柄；10　支桿；11　凹板篩。

目前，風篩式清選裝置中的風機一般為低中速風機（全壓小于12 kPa，出口氣流速度不超過20 m/s）[4]，常用的風機有橫流式風機和離心式風機。風篩式清選裝置工作時，可利用待清選物在空中的漂浮特性不同完成籽粒與穎殼、莖稈等雜余的分離清選。采用上述兩種風機的差別在于：采用橫流式風機時，氣流以垂直于運轉軸方向進入葉輪，最后以垂直于運轉軸的方向離開風機；采用離心式風機時，氣流以平行于運轉軸的方向從軸心處進入葉輪，最后同樣以垂直于運轉軸的方向離開風機。采用橫流式風機具有橫向出風均勻、軸向長度不受限制的特點，采用離心式風機具有風量集中、風壓大、送風距離遠等特點[1]。清選篩是風篩式清選裝置的主要工作部件之一[5]，常采用往復式、回轉式和多維振動等運動形式。工作時，在清選篩的反復振動作用下，籽粒脫出混合物中的籽粒從篩面小孔穿過被分離出來，穎殼、莖稈等雜余因無法穿過篩面小孔而從篩尾被排出。清選篩的作業(yè)效率與其篩面形狀、結構材料以及運動方式有關，常用清選篩結構如圖2所示[1]。

圖2　常用清選篩結構示意圖

2　研究現(xiàn)狀

為改善風篩式清選裝置的清選性能，提高聯(lián)合收獲機的作業(yè)效率，近年來國內(nèi)外的科研工作者已對風篩式清選裝置開展了大量的研究。在國外，用于大型谷物聯(lián)合收獲機的風篩式清選裝置已經(jīng)開始市場化；在國內(nèi)，部分農(nóng)機企業(yè)、農(nóng)機研究所和高校已經(jīng)開展信息化、智能化風篩式清選裝置的研究并取得了大量成果，為我國聯(lián)合收獲機清選裝置的發(fā)展奠定了堅實的基礎[1]。

2.1　清選裝置結構研究

（1）風機結構研究。為了改善聯(lián)合收獲機清選裝置的清選性能，國內(nèi)外一些相關學者對風機結構進行了研究。STEPHN等[6]設計了一種可通過調(diào)節(jié)控制器改變離心風機轉速與進風口大小的新型清選裝置，有效提高了清選效率；Kenney K.L等[7]在風機出風口的蝸殼前端設置若干進風口，能增大進風量，使出風道風壓均勻，對解決籽粒脫出混合物在篩面上的堆積問題具有一定效果；New Holland公司[8]為TC5060型聯(lián)合收獲機設計了一種6葉片加寬型葉輪，該風機產(chǎn)生的風量更加強勁且均勻，能有效降低篩面負載、提高清選效率；唐忠等[9]設計了一種前向圓弧片橫流式風機；高連興等[10]設計的一種雙出風口多風道離心式風機（如圖3所示），可有效對花生脫出混合物進行分層；王長寧等[11]設計了一種葉輪為人字變斜式的雙風道橫流風機（如圖4所示），試驗表明該風機滿足清選流場分布要求；鄭宇虎等[12]設計了以雙風道橫流式風機為風源的谷物聯(lián)合收獲機，能增大氣流吹出覆蓋面積，可適用于高速收獲作業(yè)；崔俊偉等[13]研制了一種雙離心風機清選裝置，能有效解決軸流式收獲機脫粒清選效率不高的問題；章沈強等[14]設計了一種在風機軸的軸向表面分布多片扇葉且扇葉長度與風機軸成夾角的清選風機，可使風機氣流沿軸向分布均勻。

圖3　雙出風口多風道離心式風機示意圖

1　人字變斜式葉輪；2　穩(wěn)壓板；3　雙風道蝸殼；4　密封條；5　封閉板；6　吊耳（左、右）；7　變速帶輪；8　分風比調(diào)節(jié)蓋。

（2）清選篩結構研究。對于清選結構的研究，LEE等[15]提出“三平移兩轉動”的清選篩機構組合并推導出數(shù)學運動模型，為多維振動篩的設計奠定了理論基礎。李菊等[16]為提高清選篩的篩分效率研制了一種基于凸柱篩面的單軸三維輸出運動并聯(lián)振動篩，實驗表明該設計有利于提高谷物透篩率。章偉華等[17]設計了一種圓孔波浪型水稻清選篩裝置，該裝置結構緊湊且具有不易堵塞、清選效果好等特點。王立軍團隊[18]對清選篩結構進行了大量研究，主要成果有：通過對比平面、凸面、凹面編織篩的氣流場及不同區(qū)域篩分特點，設計了一種正弦曲線編織篩，可實現(xiàn)對雜余的快速推移；為減輕雜余對籽粒的夾帶作用，基于貝殼篩設計了階梯式篩體[19]；為增大籽粒透篩概率, 根據(jù)貝殼篩和圓孔篩的篩分特性, 設計了貝殼—圓孔組合孔篩體[20]；設計了分段式振動圓孔篩（如圖5所示），使玉米脫出物在前篩尾部下落到后篩之前可以被前篩上下混合氣流繼續(xù)分散、分層[21]；設計了能夠實現(xiàn)分流功能的開合篩清選機構，以滿足玉米收獲機的大喂入量要求，提高下篩利用率[22]。王成軍等[23]以全解耦型多維主體激振機構為核心，設計了基于并聯(lián)機構的多維振動篩分試驗臺，為后續(xù)設計提供了支撐。付君等[24]設計了一種適用于高濕玉米籽粒低損高效收獲的耦合仿生自調(diào)平式振動清選篩，可降低篩孔堵塞、打破篩面粘附力。韓鑫等[25]為了達到更好的清選篩導向效果，研究了一種仿鯊魚鱗片可調(diào)角度式魚鱗篩，可減小篩面阻力，提高清選篩的單向推送能力。

1　風機；2　抖動板；3　前篩；4　前置吊桿；5　后置吊桿；6　后尾篩；7　尾篩；8　下篩；9　后置雙向搖桿；10　支撐搖桿；11　后篩驅動軸；12　傳動帶；13　前置雙向搖桿；14　帶輪；15　機架。

2.2　清選仿真與優(yōu)化研究

為了不斷提高清選裝置的工作性能和收獲效率，許多國內(nèi)外學者通過軟件模擬仿真，為風篩式清選裝置結構參數(shù)優(yōu)化提供了有效參考[26]。MEKONNEN等[27]使用CFD研究谷物清選裝置橫流式風機渦管不同管壁位置對氣流分布特性的影響，通過模擬實驗對風機參數(shù)進行了優(yōu)化。BART等[28]通過DEM模擬仿真谷物聯(lián)合收獲機莖稈彎曲分離過程，進行了物理模型參數(shù)優(yōu)化。FREDERIK等[29]通過DEM模擬研究谷物篩分過程，根據(jù)研究結果對篩板上的物料質(zhì)量進行了參數(shù)優(yōu)化。王立軍等[21]針對玉米聯(lián)合收獲機清選清潔率和損失率達不到國家標準的問題，設計了一種由離心風機和分段式振動圓孔篩組成的清選裝置，利用Design- Export8.06軟件的多目標優(yōu)化算法得到了最佳參數(shù)組合：后篩頻率為 4. 44 Hz、后篩振幅為15. 65 mm、前后篩垂直間距為114 mm、前后篩水平間距為18. 53 mm。張洪軍等[30]以清選裝置清選篩的拉桿橫坐標作為優(yōu)化變量，選用清選機構平動性和穩(wěn)定性為優(yōu)化目標，運用Matlab軟件對玉米清選運料機構進行了參數(shù)優(yōu)化，收到了較好的機構傳遞效果。童水光等[31]運用SolidWorks軟件建立了聯(lián)合收獲機脫粒清選裝置模型（如圖6所示），通過3因素數(shù)值模擬與田間試驗得到了該機型清選時的最佳參數(shù)組合：當風機入射傾角為30°、魚鱗篩夾角為40°、風機轉速為1900 r/min時，更有利于高負荷高效率清選。

1　縱軸流滾筒；2　滾筒凹板篩；3　魚鱗篩；4　風機；5　上導風板；6　下導風板；7　輸糧器；8　編織篩；9　雜余升運器；10　清選室外殼。

2.3　清選試驗與優(yōu)化研究

RYSZARD等[32]通過模擬實驗和田間試驗分析了清選過程脫出物成分之間的流變特性，研究了各主要參數(shù)對清選質(zhì)量的影響。程超等[33]針對玉米芯堵塞魚鱗篩的問題進行玉米收獲機清選作業(yè)參數(shù)優(yōu)化設計，通過單因素試驗和正交試驗、臺架對比試驗和田間對比試驗，得到魚鱗篩運動參數(shù)的最優(yōu)組合：風機轉速為900 r/min、振動頻率為7 Hz、上清選篩篩孔開度為20 mm。杜洪勇等[34]對玉米收獲機清選裝置（如圖7所示）進行了臺架試驗，利用極差分析法進行單因素和正交試驗，得出結論：當風機轉速為1150 r/min、魚鱗篩開度為16 mm、調(diào)風板傾角為54°、曲軸轉速為325 r/min時，清選效果最好。樊晨龍等[35]針對傳統(tǒng)聯(lián)合收獲機清選裝置在大喂入量工況下?lián)p失率和含雜率高等問題，設計了一種雙層異向風篩式玉米清選裝置（如圖8所示），以玉米籽粒含雜率和損失率為性能評價指標，優(yōu)化風機的結構參數(shù)、清選篩的結構參數(shù)、傳動機構的運動參數(shù)，通過臺架試驗得到最佳工作參數(shù)組合，結果表明：采用最佳工作參數(shù)組合后，籽粒損失率約為0.45%、籽粒含雜率約為0.76%、籽粒分布比例約為1.92%，清選效果較好，滿足清選性能要求。王立軍等[36]運用CFD-DEM耦合技術，對玉米清選裝置貝殼篩的篩體進行了結構參數(shù)優(yōu)化，模擬仿真與田間試驗結果表明：當篩孔高度為10.86 mm、篩孔長度為21.68 mm、篩孔縱向間距為55.04 mm時，清選效果最佳。李耀明等[37]對具有不同初始相位的三維并聯(lián)水稻振動篩進行了多因素正交臺架試驗優(yōu)化，試驗結果表明：采用最佳組合參數(shù)后，篩分效率提高約62.02%、含雜率降低約53.85%。高連興等[38]對大豆清選裝置進行了清選性能臺架試驗，對清選結構進行了結構參數(shù)優(yōu)化設計，試驗結果表明：當大豆脫粒機最佳風機轉速為526~611 r/min、振動篩頻率為276~320 Hz時，大豆清選后的含雜率、損失率分別為0.7%、0.30%~0.32%。廖慶喜等[39]在清選試驗臺上通過單因素試驗和正交試驗對影響油菜聯(lián)合收獲機清選性能的參數(shù)進行了試驗分析，結果表明：當離心風機轉速為2200 r/min、清選篩轉速為60 r/min、菱形孔網(wǎng)眼篩的篩面體長對角線為6.7 mm和短對角線為4 mm、螺旋輸送器轉速為1150 r/min時，清選性能達到最優(yōu)。侯華銘等[40]對谷子聯(lián)合收獲機清選裝置的結構參數(shù)進行了改進與優(yōu)化，通過田間試驗確定谷子脫出物的適宜清選風速范圍為4.29~5.48 m/s、最佳清選風速為4.47 m/s，為谷子適時收獲期和最優(yōu)清選工作參數(shù)的確定提供了參考。李心平等[41]對輥搓圓筒篩式清選裝置進行了正交臺架試驗，通過方差分析確定的影響因素主次順序和清選裝置最優(yōu)參數(shù)組合為：谷碼輥搓裝置主動輥轉速為250 r/min、離心風機角度為3°、小圓筒篩轉速為60 r/min、離心風機轉速為700 r/min、中圓筒篩轉速為70 r/min，橫流風機轉速為600 r/min。

1　階梯狀抖動板；2　離心風機；3　風機調(diào)風板；4　下魚鱗篩；5　籽粒攪龍；6　雜余攪龍；7　尾篩；8　上魚鱗篩；9　曲柄搖桿機構。

1　上清選篩總成；2　階梯抖動板；3　下清選篩曲柄傳動結構；4　上清選篩曲柄傳動結構；5　上清選篩驅動電機；6　電機支架；7　下清選篩驅動電機；8　離心風機電機；9　離心風機；10　清選接料室；11　清選主體機架；12　下清選篩總成。

3　發(fā)展方向

通過分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，雖然業(yè)內(nèi)專家學者已開展了大量研究并取得一定的成果，但是隨著對聯(lián)合收獲機清選性能要求的提高，仍然還有許多問題值得進一步思考與研究。筆者綜合分析了影響風篩式清選裝置清選性能的諸多因素，提出了聯(lián)合收獲機風篩式清選裝置未來的發(fā)展方向。

（1）向多風機方向發(fā)展。為了使清選室內(nèi)氣流強度滿足振動篩的清選要求，采用多風機可以給每個清選篩的振動板、篩片提供足夠的氣流，使氣流場強度分布均勻，減輕清選篩上的清選負荷，提高機具的作業(yè)效率。

（2）向高性能、高效率方向發(fā)展。隨著農(nóng)作物產(chǎn)量的逐年提高，聯(lián)合收獲機的喂入量也在逐年增加，這就對現(xiàn)有的風篩式清選裝置的清選效率、作業(yè)效率、工作性能以及工作可靠性提出更高的要求。在保證良好清選質(zhì)量的前提下，應加大研究力度，推動聯(lián)合收獲機風篩式清選裝置向大喂入量、高性能、高效率和高可靠性方向發(fā)展。

（3）向通用型方向發(fā)展。用戶只需購買某一種聯(lián)合收獲機，通過配套購買其他種類的清選裝置零部件并根據(jù)作業(yè)要求變更、拆裝清選部件，可組裝成小麥、水稻、玉米和油菜等多種聯(lián)合收獲機，既能降低成本又能提高產(chǎn)品的適應性與通用性。

（4）向智能化方向發(fā)展。對于某一特定作物，智能化的收獲機能使風機轉速、分風板傾角、振動篩振頻、魚鱗篩開度等參數(shù)之間形成良好的適配關系，能實時監(jiān)測清選裝置的清潔率、損失率等，能及時反饋并調(diào)整清選工作參數(shù)，能始終保障良好的清選質(zhì)量。

（5）向多學科交叉融合方向發(fā)展。將一些交叉學科的研究成果應用到清選裝置上是一個較有潛力的發(fā)展趨勢，如：仿生學應用中的仿生非光滑清選篩面研究、仿生鯊魚鱗片魚眼篩的研究等；新材料學應用中的聚四氯乙烯材料、聚氨酯彈性材料在振動篩上的使用等。

4　結語

通過綜述國內(nèi)外近十年來聯(lián)合收獲機風篩式清選裝置的研究現(xiàn)狀，主要總結了相關專家學者在風篩式清選裝置的結構設計和參數(shù)優(yōu)化方面的研究。

（1）在清選裝置風機結構方面，相關學者針對離心式結構的研究較多，通過優(yōu)化設計風機葉輪、葉片以及蝸殼的結構，使風機性能和清選效率均有了很大的提升。由于橫流式風機所產(chǎn)生的風壓比離心式風機相對低一些，較難對潮濕混合物進行有效分層，因此目前對橫流式風機的研究相對較少。在今后的研究中，可結合風機發(fā)展趨勢，綜合離心式風機與橫流式風機的優(yōu)點進行結構設計。

（2）在清選裝置清選篩結構方面，相關學者對圓筒篩的研究較少，主要是因為圓筒篩易堵塞、清選效率低；對振動篩結構的研究大多都停留在理論上，實際應用并不是很成熟；對多維篩的研究顯示普遍存在驅動機構復雜、穩(wěn)定性不高等問題。在今后的研究中，可優(yōu)化多維振動篩的機構組成以增強穩(wěn)定性，結合仿生學和材料學研究，提高清選效率。

（3）在仿真及試驗參數(shù)優(yōu)化方面，相關學者主要是針對花生、油菜、玉米和大豆等農(nóng)作物清選裝置結構進行數(shù)值模擬和參數(shù)優(yōu)化，對水稻、小麥等農(nóng)作物的清選裝置研究相對較少。

（4）清選裝置應朝著多風機、高性能、高效率、通用型以及智能化等方向發(fā)展，可將一些交叉學科的研究成果應用到聯(lián)合收獲機清選裝置上，以提高整機清選效率。

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[33]程超，付君，陳志，等.玉米籽粒收獲機清選裝置參數(shù)優(yōu)化試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2019，50(7)：151-158.

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Research progress on air-and-screen cleaning device for combinedharvester

HOU Jie1，XIE Fangping1,2,3，LIU Dawei1,2,3，WANG Xiushan1,2

(1.College of mechanical and electrical engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2.Hunan Key Laboratory of Intelligent Agricultural Machinery and Equipment, Changsha, Hunan 410128, China; 3.Collaborative Innovation Center of Southern Grain and Oil Crops, Changsha, Hunan 410128, China)

As one of the core components of the combined harvester, the cleaning performance directly affects the operation quality of the harvester. As a common cleaning mechanism, the study of its structure composition and parameter optimization will help to improve the cleaning performance. Based on the research of existing literature, this paper briefly describes the research status for air-and-screen cleaning devices of the combined harvester in recent ten years from two aspects of structure composition and parameter optimization. It finds out the existing problems and puts forward assumptions for the future development direction, so as to provide an effective reference for the follow-up mechanism design of combined harvester cleaning device in China.

air-and-screen cleaning device; structural composition; parameter optimization; development direction

S225

A

2096–8736(2020)03–0012–06

湖南省重點研發(fā)計劃項目——南方稻油機械化收獲智能化技術集成研發(fā)及裝備研發(fā)（2016NK2120）；湖南省高新技術產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新引領計劃項目（2020NK2002）。

侯杰（1996—），碩士研究生，主要從事水稻清選裝置設計研究。

謝方平，教授，博士生導師，主要從事農(nóng)業(yè)機械性能創(chuàng)新設計研究。