谷物聯(lián)合收獲機(jī)篩分裝置研究現(xiàn)狀與發(fā)展分析

王立軍 宋良來 馮 鑫 王后升 李懿航

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

糧食是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，優(yōu)質(zhì)高效的機(jī)械化收獲是提高谷物經(jīng)濟(jì)價值的有效手段。篩分裝置是谷物機(jī)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(yùn)動實(shí)現(xiàn)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(chǎn)量約為6 296 kg/hm2。通過農(nóng)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在玉米常規(guī)含水率(22%～23%)和喂入量(機(jī)具前進(jìn)速度1.2～1.5 m/s)條件下，現(xiàn)有的先進(jìn)聯(lián)合收獲機(jī)收獲后籽粒損失率為0.25%～1.20%。若以玉米單位面積產(chǎn)量6 317 kg/hm2來計算，籽粒損失率每降低0.1個百分點(diǎn)，可提高玉米籽粒產(chǎn)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(qū)動機(jī)構(gòu)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(chǎn)生滑移、拋起、靜止等復(fù)雜運(yùn)動，進(jìn)而影響顆粒的透篩性[3-5]。篩體驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動篩面進(jìn)行多維運(yùn)動，適宜的篩面運(yùn)動可實(shí)現(xiàn)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(shù)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?？焖偻负Y、雜余不透篩并順利從裝置中排出、對籽粒進(jìn)行全價值回收以保證其經(jīng)濟(jì)效益等問題。

由于農(nóng)作物單產(chǎn)的提高以及篩分環(huán)境的多變、不可控性，篩分時會產(chǎn)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(shù)發(fā)展的主要因素[13-15]，同時也是篩分技術(shù)亟需突破的難點(diǎn)問題。本研究以篩體結(jié)構(gòu)和篩體驅(qū)動機(jī)構(gòu)為切入點(diǎn)，概括并分析谷物篩分裝置的研究現(xiàn)狀，從對不同領(lǐng)域篩分技術(shù)的融合與互補(bǔ)以及篩分技術(shù)的高效化、智能化、信息化的發(fā)展角度，指出谷物篩分裝置的發(fā)展趨勢，為我國谷物篩分技術(shù)研究和篩分裝置的創(chuàng)新設(shè)計提供參考。

1 谷物篩分裝置研究現(xiàn)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(fēng)機(jī)配合使用[16]，對混合物料進(jìn)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(yùn)動，進(jìn)而影響篩分效果。農(nóng)業(yè)物料具有種類多、含水率不可控等特點(diǎn)，在一定程度上增加了農(nóng)業(yè)物料篩分的難度，為滿足高質(zhì)、高效谷物收獲技術(shù)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(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計研究。

1.1.1篩片和篩孔

谷物篩分中常規(guī)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(guī)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(xué)者對篩孔形狀與排列方式進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)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(biāo)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(xiàn)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(dǎo)致連續(xù)篩分過程中，沿篩體縱向物料層產(chǎn)生差異，為進(jìn)一步提高篩分的精準(zhǔn)性，可以創(chuàng)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(qū)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(xiàn)有振動篩多為平面一體式結(jié)構(gòu)，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(jìn)行了創(chuàng)新研究，其特點(diǎn)與性能如表3所示。

表3 非平面一體篩

在一定空間內(nèi)非平面篩體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可滿足篩體不同區(qū)域的篩分要求；現(xiàn)階段仿生技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械研究中[30-32]，為振動篩體的設(shè)計提供了新思路，例如通過仿生技術(shù)模仿鳥類、昆蟲、爬行動物等表皮特征。可嘗試將這3種設(shè)計思想(非平面、分段式、仿生技術(shù))融合并應(yīng)用于振動篩體形狀設(shè)計中，例如可借鑒蚯蚓的蠕動特征，通過多篩段的不同運(yùn)動，使整體篩面表現(xiàn)出蚯蚓的運(yùn)動特征，實(shí)現(xiàn)篩上物料的快速推移，進(jìn)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(shí)現(xiàn)不同精度的篩分。劉鵬等[34]以常規(guī)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(wǎng)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(yīng)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(guī)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(shí)現(xiàn)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(fēng)選裝置工作參數(shù)對籽粒損失率和含雜率的影響，利用多因素試驗(yàn)獲得了此裝置較優(yōu)的工作參數(shù)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(chǎn)生差異，從而導(dǎo)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(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的篩分，多層篩體配置仍有一定的設(shè)計空間。通過大型農(nóng)場(黑龍江省八五二農(nóng)場、趙光農(nóng)場)玉米收獲調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)收獲機(jī)前進(jìn)速度下，鑒于單層篩體可以滿足篩分要求，農(nóng)戶通常將下篩拆除，以減小收獲機(jī)的功率消耗，節(jié)省收獲成本，并通過調(diào)節(jié)清選裝置工作參數(shù)，如振動頻率、氣流速度等保證一個良好清選狀態(tài)，因此在多層篩體的研究中，也需從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)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(lián)合收獲機(jī)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(tǒng)部件主要以回轉(zhuǎn)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(jìn)行撥動，主要為防止物料喂入不均勻產(chǎn)生堆積?；诖藶榻档秃Y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(jìn)行了創(chuàng)新研究。常榮等[37]針對蕎麥篩分時普遍出現(xiàn)篩孔堵塞的問題，設(shè)計了一種彈球清選篩，即在篩面下方安置內(nèi)部含有彈球的帶篩孔方盒，如圖1a所示，篩分時彈球產(chǎn)生彈跳敲擊篩面，從而防止篩孔堵塞，通過試驗(yàn)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(shè)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(zhuǎn)運(yùn)動可實(shí)現(xiàn)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(yàn)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?；旌衔锪贤ǔＴ诤Y體前端喂入，使篩體前端承擔(dān)著較大工作量，尤其當(dāng)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(xù)篩分中可能會產(chǎn)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(shè)計為解決此問題提供了參考，但輔助裝置通常較為復(fù)雜，為滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，其結(jié)構(gòu)、可靠性和裝配問題仍需系統(tǒng)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(shù)，進(jìn)而影響篩上顆粒的運(yùn)動，因此許多專家對篩面材料進(jìn)行了研究。程超等[39]、穆培良[40]設(shè)計了聚四氟乙烯和聚脲彈性振動篩，通過試驗(yàn)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(jù)聚氨酯材料具有彈性模量大、強(qiáng)度高、耐磨性強(qiáng)等特點(diǎn)，設(shè)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(yùn)動激勵下與篩面發(fā)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(yùn)動，篩體材料的研究為籽粒和雜余產(chǎn)生合理的差異運(yùn)動提供了一種可行的方法。

1.2 篩體驅(qū)動機(jī)構(gòu)

利用篩體驅(qū)動機(jī)構(gòu)使篩體產(chǎn)生不同的篩分動作，從而實(shí)現(xiàn)物料的運(yùn)移、分散、分層和透篩。篩體常規(guī)的運(yùn)動為平面往復(fù)式，可實(shí)現(xiàn)物料的基本分離，但當(dāng)物料量增多且連續(xù)篩分時會出現(xiàn)篩上物料堆積的現(xiàn)象，大幅降低了振動篩的篩分效率。為推進(jìn)篩分技術(shù)發(fā)展，谷物篩分裝置應(yīng)具備對大喂入量物料的處理能力，許多專家學(xué)者從篩體多維運(yùn)動的角度出發(fā)，對篩體驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新研究。

典型的谷物篩分機(jī)構(gòu)由曲柄-搖桿構(gòu)成，可使篩體沿振動方向往復(fù)運(yùn)動，通常定義此篩體的運(yùn)動為二維運(yùn)動，即沿篩體水平和豎直方向的運(yùn)動。現(xiàn)階段一些篩體驅(qū)動機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)其多維運(yùn)動，如篩體可實(shí)現(xiàn)沿縱向、橫向和豎直方向轉(zhuǎn)動和移動的不同組合的運(yùn)動形式，因此將篩體運(yùn)動分為二維和多維兩種形式，分別對其驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行概述。

1.2.1二維運(yùn)動篩體驅(qū)動機(jī)構(gòu)

篩體的常規(guī)運(yùn)動為平面往復(fù)式運(yùn)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(jī)構(gòu)設(shè)計了二移動振動篩驅(qū)動機(jī)構(gòu)，如圖3a所示，通過篩分試驗(yàn)探究了曲柄轉(zhuǎn)速、桿件長度對清選效果的影響規(guī)律，通過多因素試驗(yàn)優(yōu)化獲得了該機(jī)構(gòu)較優(yōu)的參數(shù)組合。

谷物篩分目的是實(shí)現(xiàn)籽粒透篩而雜余排出，為提高篩體對物料的運(yùn)移能力，王成軍等[44]對傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)式滾筒篩布置并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖3b所示，實(shí)現(xiàn)滾筒篩自身轉(zhuǎn)動的同時產(chǎn)生平面往復(fù)運(yùn)動，通過仿真證明了該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)篩體轉(zhuǎn)動和移動，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性，并通過性能試驗(yàn)得出該機(jī)構(gòu)可提高物料的篩分效率。

1.2.2多維運(yùn)動篩體驅(qū)動機(jī)構(gòu)

為提高篩分時物料的分散、分層速率，許多專家設(shè)計出多維運(yùn)動振動篩驅(qū)動機(jī)構(gòu)，基于篩體轉(zhuǎn)動和移動不同的組合形式對振動篩驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)，如表4所示。

表4 多維運(yùn)動篩體驅(qū)動機(jī)構(gòu)

多維振動篩驅(qū)動機(jī)構(gòu)存在著機(jī)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性不高等問題，機(jī)構(gòu)的實(shí)用性和可靠性還應(yīng)進(jìn)一步完善，而谷物收獲中振動篩通常與風(fēng)機(jī)配合使用，在研究中還需考慮到多維運(yùn)動篩面對篩上氣流擾動的影響，并且在驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮到篩面運(yùn)動的可調(diào)節(jié)性和地形的自適應(yīng)性，以使篩分裝置具備對坡地谷物收獲的功能。

1.3 聯(lián)合收獲機(jī)上典型的清選系統(tǒng)

谷物篩分裝置主要用于水稻、玉米、小麥等收獲機(jī)械中，谷物篩分主要以振動篩為主，通常配置風(fēng)機(jī)以提高篩分性能，隨著篩分技術(shù)的發(fā)展，一些已成型的清選系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于谷物聯(lián)合收獲機(jī)中，這些清選系統(tǒng)及其特點(diǎn)見表5。

表5 聯(lián)合收獲機(jī)上應(yīng)用的典型清選系統(tǒng)

在清選能力方面，國內(nèi)以增大清選裝置中振動篩的清選面積，來達(dá)到大喂入量篩分的目的，國外在此基礎(chǔ)上使用多層抖動板和多層振動篩進(jìn)行篩分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大喂入量下的清選；在裝置可靠性方面，由于國產(chǎn)機(jī)器大多為仿制與引進(jìn)，且在關(guān)鍵部件精密制造方面與國外企業(yè)仍有一定差距，可靠性仍有待提高；在智能化應(yīng)用方面，國外的機(jī)器較為先進(jìn)，主要表現(xiàn)為損失監(jiān)測、自調(diào)平和自動調(diào)節(jié)等方面，其中約翰迪爾、凱斯等公司可以通過清選損失監(jiān)測傳感器實(shí)時地觀測谷物清選損失來監(jiān)測實(shí)際作業(yè)情況[62]，芬特與科樂收等公司自調(diào)平系統(tǒng)可以使聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行坡度作業(yè)時具有良好的清選效果[63]，紐荷蘭公司CR系列聯(lián)合收獲機(jī)配備自動調(diào)整系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際作業(yè)的需要，實(shí)時調(diào)節(jié)清選裝置內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和上、下篩的振動頻率[64]。而國內(nèi)大部分研究僅僅停留在籽粒損失檢測方面[65-66]，且處于產(chǎn)業(yè)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(shù)的篩體設(shè)計

仿生技術(shù)是工程技術(shù)與生物科學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科，在技術(shù)上仿照植物或動物的功能解決工程領(lǐng)域問題[67-68]。仿生技術(shù)的逐漸成熟，使其成為篩分領(lǐng)域篩體設(shè)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(chuàng)新設(shè)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(shù)基于逆向工程對生物結(jié)構(gòu)進(jìn)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(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過Matlab軟件進(jìn)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(shè)計提供參考。

2.1.2篩型控制方程

篩上顆粒動力學(xué)分析可以建立篩體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動參數(shù)與顆粒運(yùn)動之間的數(shù)學(xué)模型，從而預(yù)測篩上顆粒的運(yùn)動形式，在篩形設(shè)計的研究中可以此建立顆粒運(yùn)動與篩形間的函數(shù)關(guān)系，指導(dǎo)篩型設(shè)計。例如鑒于物料沿篩體縱向的運(yùn)動差異，基于篩上顆粒靜力學(xué)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(shè)計提供了參考。

2.2 篩體驅(qū)動機(jī)構(gòu)

2.2.1驅(qū)動機(jī)構(gòu)動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)理論分析

篩體驅(qū)動機(jī)構(gòu)控制篩面運(yùn)動，在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的研究中通常需先了解篩面運(yùn)動形式，通過分析驅(qū)動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型可明確篩面運(yùn)動規(guī)律，為驅(qū)動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供基礎(chǔ)，同時也為后續(xù)氣固兩相流數(shù)值模擬中篩體運(yùn)動設(shè)定提供參考，現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型研究方法如表6所示。

表6 驅(qū)動機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型研究方法

2.2.2驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真分析

在篩體驅(qū)動機(jī)構(gòu)的研究中，通常建立驅(qū)動機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型后，需借助計算機(jī)技術(shù)探究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特征，計算機(jī)技術(shù)具有高效處理能力、更直觀的表現(xiàn)能力，機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真現(xiàn)已成為篩體運(yùn)動研究的主要方法，常用軟件類型及特點(diǎn)如表7所示。

表7 篩體動力學(xué)分析軟件類型及特點(diǎn)

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(biāo)衡量，如：損失率、清潔率、篩分效率等，且篩上顆粒運(yùn)動特征可反映出篩體設(shè)計思想的合理性，如篩體傾角改變實(shí)現(xiàn)物料快速推移、空間篩孔結(jié)構(gòu)加強(qiáng)物料沿篩體橫向運(yùn)動、具有彈性材料篩面提高篩上顆粒分散等，由于顆粒運(yùn)動的復(fù)雜，通常借助計算機(jī)模擬篩分過程，處理數(shù)據(jù)獲取相應(yīng)的指標(biāo)，進(jìn)而探究篩分裝置的性能，軟件類型及特點(diǎn)如表8所示。

表8 軟件類型及特點(diǎn)

2.3.2高速攝像技術(shù)

試驗(yàn)中通常采用高速攝像技術(shù)，基于篩上區(qū)域可視化的篩分裝置，客觀地對顆粒群真實(shí)的運(yùn)動進(jìn)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(yùn)動特性[101]，驗(yàn)證篩體設(shè)計的合理性和適用性。此技術(shù)局限于顆粒平面運(yùn)動的提取，針對顆粒三維空間運(yùn)動的研究，此技術(shù)還有待進(jìn)一步開發(fā)與優(yōu)化。

2.3.3篩分裝置性能監(jiān)測與控制研究方法

復(fù)雜多變的收獲環(huán)境會影響篩分裝置性能，在聯(lián)合收獲時需通過監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測篩分裝置性能[102]，并通過控制系統(tǒng)對篩分裝置進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，以保證在變化的篩分環(huán)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(jīng)濟(jì)價值的重要措施，其始終為農(nóng)戶關(guān)注重點(diǎn)，篩分裝置性能監(jiān)測和控制更注重于籽粒損失方面，許多專家學(xué)者對此進(jìn)行了研究，主要成果見表9。

表9 籽粒損失監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究成果

聯(lián)合收獲機(jī)通常具備對多種谷物(玉米、小麥、水稻等)的收獲能力，為適應(yīng)聯(lián)合收獲機(jī)此功能，監(jiān)測系統(tǒng)也需具備多種谷物損失的監(jiān)測能力，且篩分時監(jiān)測部件通常配置于裝置尾部，由于出口物料運(yùn)動隨機(jī)，致使物料接觸監(jiān)測元件時姿態(tài)復(fù)雜，影響監(jiān)測精度，并且物料含水率的變化，導(dǎo)致沖擊信號的改變，增加了精準(zhǔn)信號的提取難度。監(jiān)測時由于存在雜余干擾，并且隨著高效收獲機(jī)具的研發(fā)，使出口物料輸出量更大，雜余對監(jiān)測精度的影響更嚴(yán)重，適應(yīng)于復(fù)雜收獲環(huán)境精確的監(jiān)測系統(tǒng)還有待進(jìn)一步開發(fā)與完善?？刂葡到y(tǒng)的延時反饋對篩分裝置調(diào)節(jié)存在滯后現(xiàn)象，通常在聯(lián)合收獲機(jī)高速作業(yè)時此現(xiàn)象更為明顯，以理論模型的創(chuàng)新加快系統(tǒng)的響應(yīng)是一種解決途徑，適應(yīng)多種谷物和復(fù)雜收獲環(huán)境的控制模型有待開發(fā)與完善。

3 研究成果討論

現(xiàn)有應(yīng)用于谷物的篩分裝置在常規(guī)的篩分條件下已基本實(shí)現(xiàn)物料的有效分離，但由于物料種類的多樣、篩分環(huán)境的復(fù)雜，篩分時會出現(xiàn)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(jié)構(gòu)的振動篩、多維篩體驅(qū)動機(jī)構(gòu)得以研究，相關(guān)學(xué)者已通過大量的仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了新型篩體的篩分性能。篩體控制方程的提出、仿生技術(shù)在篩分領(lǐng)域的應(yīng)用、驅(qū)動機(jī)構(gòu)動力學(xué)理論模型的完善、計算機(jī)技術(shù)的更新與發(fā)展以及臺架和田間試驗(yàn)方法和手段的成熟，為篩分裝置的研究構(gòu)建了系統(tǒng)性研究方法。

現(xiàn)階段篩分裝置的性能應(yīng)滿足更精準(zhǔn)、更高效的技術(shù)要求[113-114]。新思想和技術(shù)的提出與應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)、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(jī)技術(shù)的完善與發(fā)展，為篩分裝置的研究提供了充足的技術(shù)支撐。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，篩分裝置的制造成本、可靠性和穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步考量與驗(yàn)證[115]，農(nóng)業(yè)物料篩分技術(shù)仍有很大的進(jìn)步空間。

4 展望

4.1 交叉融合與取長補(bǔ)短

篩分技術(shù)在農(nóng)業(yè)、礦冶工業(yè)、建筑材料工業(yè)及化學(xué)工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。不同領(lǐng)域的篩分技術(shù)研究方法和思路可相互借鑒與補(bǔ)充，例如礦業(yè)篩分中，為解決潮濕細(xì)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(jié)構(gòu)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(yīng)用于煤炭篩分的香蕉篩[120]和弛張篩[121]的設(shè)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(qū)動機(jī)構(gòu)可使篩面具有不同的運(yùn)動形式，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化可開發(fā)應(yīng)用于谷物篩分機(jī)構(gòu)中。煤炭篩分中已創(chuàng)新設(shè)計出3移動3轉(zhuǎn)動篩體驅(qū)動機(jī)構(gòu)[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(tǒng)研究的完善和發(fā)展，提供了一定的借鑒與參考。

4.2 高質(zhì)高效與穩(wěn)定篩分

隨著技術(shù)的發(fā)展，要求篩分裝置向大喂入量、高效率、高質(zhì)量方向發(fā)展，防止大喂入量物料篩上堆積是提高篩分效率的關(guān)鍵和難點(diǎn)，提高篩分時物料分散、分層速率是關(guān)鍵，篩體結(jié)構(gòu)和篩體運(yùn)動融合研究是一種解決途徑，現(xiàn)階段多維運(yùn)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(yùn)動組合，以期實(shí)現(xiàn)更高的篩分效率。隨著仿生技術(shù)的發(fā)展，其已被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中流體機(jī)械、水田機(jī)械、耕作機(jī)械和收獲機(jī)械等多個領(lǐng)域，因此，在振動篩體的研究中可應(yīng)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(chuàng)新設(shè)計提出新的途徑。篩分裝置工作時通常會出現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計降噪方法[123-124]可應(yīng)用于篩分裝置的設(shè)計，優(yōu)化篩體結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)，避免共振現(xiàn)象發(fā)生，提高篩分裝置可靠性。

4.3 實(shí)時控制與精準(zhǔn)篩分

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，物料篩分指標(biāo)在線監(jiān)測、顯示系統(tǒng)、實(shí)時反饋等系統(tǒng)需融合與完善，物料喂入量、篩分效率、篩孔堵塞、篩體疲勞強(qiáng)度等由于復(fù)雜工作環(huán)境產(chǎn)生變化，可通過篩分裝置監(jiān)測和顯示系統(tǒng)的反饋，與自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時篩分參數(shù)調(diào)節(jié)，在變化篩分環(huán)境下保證篩分質(zhì)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(yīng)性，可應(yīng)用機(jī)器視覺和圖像處理等技術(shù)與篩分系統(tǒng)融合，例如可利用無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)對待收獲物料的特性進(jìn)行捕捉和預(yù)測[125]，通過數(shù)學(xué)模型量化物料特征，實(shí)現(xiàn)物料信息的快速獲取，并開發(fā)先進(jìn)的算法建立物料特性-篩分參數(shù)-裝置性能融合模型，優(yōu)先控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動篩頻率、風(fēng)機(jī)出口方向角等實(shí)時可調(diào)參數(shù)，以提高反饋控制的靈敏度。收獲時對谷物產(chǎn)量和清選參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和記錄，建立物料特性-裝置工作參數(shù)-產(chǎn)量大數(shù)據(jù)平臺，將田間參數(shù)和物料信息進(jìn)行整合，為后續(xù)谷物收獲提供精確的參考，實(shí)現(xiàn)物料的精準(zhǔn)和智能篩分。