小型联合收获机清选装置研究现状及发展对策

沈宇峰，吴明亮,c，官春云，谢　伟

(湖南农业大学 a.工学院；b.南方粮油作物协同创新中心；c.湖南省现代农业装备工程技术研究中心；d. 油料作物研究所，长沙　410128)



小型联合收获机清选装置研究现状及发展对策

沈宇峰a,b，吴明亮a,b,c，官春云b,d，谢伟a

(湖南农业大学 a.工学院；b.南方粮油作物协同创新中心；c.湖南省现代农业装备工程技术研究中心；d. 油料作物研究所，长沙410128)

摘要：我国小型联合收获机普遍存在收获质量不高的问题，如何提高其清选装置的清选效果是现阶段工作的难点和重点。为此，通过研究国内外小型联合收获机清选技术与装备表明，我国现用的清选装置存在结构复杂及清选效果不理想等问题。由于清选装置应向简单高效、低耗适用综合发展，因而提出了以气流清选为主加强气力流场的研究、借助先进的设计软件寻求合理的参数组合、利用帕累托最优法则寻找清选含杂率和损失率的最优点、智能测产系统在清选装置上的应用及协同攻关开发适用的清选装置的对策和建议。

关键词：小型联合收获机；清选装置；发展对策

0引言

我国的粮食作物、油料作物和特色经济作物主要分布在南方丘陵地区，耕地面积占全国耕地总面积的31.5%[1-4]。但由于丘陵山区农村特殊的地形地貌，基础设施落后，农业水平较低，适用的小型农机具较少，农机农艺不配套，加之政府扶持力度不够等因素，制约了其农业机械化的发展[5-10]；而南方丘陵山区的农业机械化的重点和难点在于收获机械化。近年来，虽然研制出了一批针对丘陵山地特殊地理环境下的小型联合收割机[11-15]，但受结构尺寸和配套功率的限制，其清选效果并不理想，仍然存在含杂率和损失率很难达到国家标准的问题[16]。因此，如何运用清选装置得到清洁的籽粒，解决清选装置含杂率和损失率之间的矛盾是小型联合收获机研发过程中亟待解决的问题。

1小型联合收获机清选概况

清选是作物收获时不可或缺的环节，经脱粒装置脱下的和经分离装置分出的籽粒中，混有断、碎茎秆、颖壳和尘土等细小夹杂物，清选装置的作用是将这些杂物排出机外，得到清洁的籽粒[17-19]。清选是利用籽粒和杂质的物理机械性质的不同将它们进行分离的，根据清选原理可以分为以下3种：①筛选，根据籽粒与杂物尺寸大小的不同用筛子进行分离；②气流清选，根据两者空气动力学特性的不同用气流进行清选；③气流筛子清选，结合筛子和气流进行分离清选。

小型联合收获机的清选是一项技术性强、结构运动参数精确的作业，其清选效果受各种因素影响显著。在我国机械化水平较低的地区，小型联合收获机上一般没有配置清选装置，而是通过人力进行辅助清选。此种清选方式劳动强度大、生产效率低，不能满足现代清选技术的发展要求。为简化整机结构和降低成本，在我国机械收获水平相对较高的地区，一般采用气流式清选装置。气流式清选装置结构简单、功耗小，适合配置在小型联合收获机上；但研制气流清选的技术要求高，实际应用的机型较少，清选效果不够理想。因此，适用于我国实际生产情况的小型联合收获机的清选装置还有待进一步研究和开发。

2国内外研究动态

日本的地形地貌与我国南方丘陵地带的地形地貌特征相似。20世纪90年代后期[20-21]，日本研制了久保田PRO型和洋马人民号Ce-2型立式割台半喂入式小型联合收割机[22]。久保田PRO型的清选系统图如图1所示。其工作过程为：经脱粒滤网落下的物料在鼓风机和谷壳振动筛的作用下进行一次清选，一次清选后的物料在谷粒振动筛面上进行二次清选得到干净的籽粒。洋马人民号Ce-2型清选系统如图2所示[24]。其清选装置采用双风道双层振动筛对物料进行清选，辅以风扇自动调节装置，能够根据物料的情况，自动调节风扇风量，使清选风扇处于较佳的工作状态，进而保证其高效的工作过程。两种机型均为半喂入式纵轴流脱粒，且配有特制的大功率清洁发动机，给风筛清选装置保留了充足的结构空间和配套功率。

图1　久保田PRO型联合收割机清选系统

图2　洋马人民号Ce一2型联合收割机清选系统

国外其他国家的一些小型联合收获机主要是以小区育种联合收获机为主，对收获籽粒的要求较高，即不伤种、不漏种和不混种[23-25]。目前，由德国黑格公司(HEGE)和奥地利温特斯泰格公司(wintersteiger)等设计生产的小区育种联合收获机可实现作物的高效和高纯度的收割作业[26]。以温特斯泰格公司生产的Classic型小区育种联合收获机为例，其清选系统由风机、清选筛、气流输送装置、旋风分离器等组成，工作过程为：经凹板筛落下的物料在风机和清选筛的作用下经过一次清选，清选后的物料在气流输送装置的作用下进入到旋风分离器中经过二次清选，以保证籽粒的高清洁率[27]。其清选风机上装有特有的风量适配器和数字式转速显示器，清选筛上有风量导板，以保证清选筛面上的最佳风力分布。此种清选装置适用于小区育种收获机械，收获作业的田块要求小而规整，其生产效率、作业成本和制造成本等难以实现田间机械化作业，但其清选装置的智能化程度对我国有一定的指导意义，目前在我国还处于研发和试验阶段[28-31]。

我国地域辽阔，地形地貌的复杂性决定了我国联合收获机发展的多样性。其中，小型联合收获机因结构简单、转移灵活、造价低等特点，在联合收获机市场中具有不可取代的地位。我国对小型联合收获机的研究自20世纪90年代后期开始,而自走轮式小型联合收获机就是一种结构简单、体积小、质量轻、操纵灵活和转移方便的机具，但其没有清选装置[27],因而收获的谷物存在含杂率高等问题，制约了我国小型联合收获机的进一步发展。

为提高小型联合收获机的收获质量，一些科研单位和企业也研制出了一些清选装置配备在小型联合收获机上。贵州大学的尹健等[32]设计了一种圆筒筛清选装置，其结构如图3所示。其工作过程为：待清选的物料从进料口进入内筛筒,在内筛筒的旋转作用下,细小的籽粒和颖糠通过内筛孔而落下，在外筛面螺旋面的作用下被推向净粮出口。此种清选装置结构紧凑、构思巧妙，但当喂入量稍大或作物的湿度或草谷比相对较大时，其筛孔还是很容易堵塞，且颖糠无法清选。李耀刚等[33]研制出了一种利用负压气流进行清选玉米籽粒的清选装置，结构简如图4所示。其工作过程为：经脱粒滚筒脱下的物料，在凹板筛的作用下清选分离较大的杂质，落下的物料在吸风机的作用下清选分离出较小的轻杂物，然后由风机口排出机外。此种清选装置适用于杂质与籽粒的悬浮速度差异很大的物料，设计新颖、布局合理，结构紧凑。其对含水率较小的物料清选效果较好；对于含水率较大的物料，清选效果和单位功率生产率将会有所下降。晋城市农机推广站的张巧莲[34]研制出了一种离心式气流清选装置，结构大为简化，但其清选效果不好，容易堵塞，不便于拆卸清理。山东工程大学设计的[35]4ZLS—5型小型联合收割机，清选装置只配备了清选风机,导致清选不干净。陈铮等[36]将单风道风机加双层振动筛的清选装置改为双风道风机加双层振动筛的形式，在不附加杂余回收机构的条件下,可保证其清选损失率和含杂率在允许的范围内；但其结构形式相对复杂，功耗相对较高，配置在小型联合收获机上稍显牵强。近年来，农机科技工作者们逐步将重点放在气流式清选装置上，并进行了大量试验，为气流式清选装置的研究提供了理论依据和技术支持。

1.固定支架　2.滚筒轴　3.轴承　4. 进料口　5.右端盖

1.喂料斗橡胶板　2.喂料斗　3.脱粒滚筒　4.机盖　5.凹板

3气流清选的原理及发展趋势

3.1　气流清选的原理及分类

由于气流式清选装置具有结构简单、功耗小、配置方便的特点，决定了气流式清选装置在我国小型联合收获机的运用上具有一定的前景。气流清选装置是风选装置的深化，其原理是利用不同物质在气流场中运动状态和受力状态不同，在气流作用下产生不同的轨迹从而将它们分离。根据气流运动状态的不同，可将气流清选装置分为吹出型清选装置、吸入型风扇式清选装置和旋风分离式清选装置。

吹出型清选装置的清选风扇位于后方,混合物料沿滑板在出风口前落下,轻杂物沿风道被吹走,籽粒靠重力穿过气流场进入集谷装置,如图5所示。其气流风道的截面积一般比风扇出口的面积大很多,以便在出风口处把混合物料吹散,在风道中气流扩散减速时被带走的谷粒沉淀下来。

图5　吹出型清选装置

吸入型风扇式清选装置是由风扇产生的气流,从谷粒混合物喂入口hl和谷粒出口h2吸入,和轻杂物一起排除机外,如图6所示。上风道入口H处的吸引风速为12～15m/s,在扩散段内,风速降低至4m/s以下。吸入型的作业条件比较干净,但所需功率较大,清选质量受风扇转速的影响较敏感[17]。

1.1. 调节板　2.滑板　3.吸引风扇

旋风分离器式清选装置由吸杂风机、旋风分离系统及送料系统3大部分组成。其中，旋风分离系统由吸杂管道、旋风分离筒等组成，送料系统由扬谷器等组成。其工作原理是根据籽粒和杂质在旋风气流中受力的差异性来进行清选作业的[37-41]。

3.2　气流清选的发展趋势

气流清选的根本原理是利用籽粒与杂质的悬浮速度的差异性来进行清选物料的，因此清选装置内部的气力流场分布的合理与否是物料能否高效分离的关键所在，而气力流场的分布状况依赖于清选装置的结构参数和运动参数的选取。由于经济条件和技术条件的制约，现有的气流清选装置大部分只考虑了运动参数(如风机转速等)对清选效果的影响，而忽略了结构参数的影响。因而，今后气流清选的重点是结合物料的农艺特性，综合考虑结构参数和运动参数对物料清选效果的影响，利用智能测产系统对物料的清选过程进行实时监控并反馈调节，开发出广适用、高效的气流清选装置。

4发展对策和建议

4.1　以气流清选为主，加强气力流场的研究

我国现行小型联合收获机的结构特点和技术要求决定了在今后的一段时间内其清选装置大多以气流清选为主。由于气流清选装置内部的气力流场的分布状况相对复杂且很难通过实验的手段测得(主要是成本与精确度之间的矛盾)，使得我国现行的大多数气流清选装置缺乏对其内部气力流场的研究,而气力流场的研究对气流清选装置的优化改进有一定的指导作用。

4.2　借助先进的设计软件，寻求合理的参数组合

影响清选效果的因素很多，不仅要考虑清选装置结构参数的影响，还要兼顾其运动参数的影响。若要科技人员进行试验、计算和分析去完成的话，其经济成本、时间成本、人力成本将大大增加，且试验效果也不一定理想。这时可借助于先进的设计软件进行虚拟试验，寻求合理的参数组合，然后进行试验验证，不仅节约了成本，还保证了一定的试验精度。如在对旋风分离器式清选装置进行试验设计时，可借助于CFD-EDEM的软件耦合进行虚拟试验，根据虚拟试验结果进行台架试验验证，以寻求合理的参数组合。

4.3　利用帕累托最优法则，寻找清选含杂率和损失率的最优点

清洁率和损失率本身是一对矛盾体，我国现有的小型联合收获机普遍存在这样的问题。例如，我国江浙地区的小型联合收获机的清洁率较好，但损失严重；中原地区的小型联合收获机其损失率较小，但其清选效果不够理想。这时可以利用帕累托最优法则，寻找其清选含杂率和损失率的最优点，即在不使含杂率和损失率变坏的状态下，至少使得这两者中一个的状态变好。

为降低清选含杂率和损失率，本文结合实际，提出如下几项改进措施：增设二次回收装置，进行二次清选，降低损失率；加强清选装置新型材料应用，如聚氨酯弹性体耐磨筛网的应用。

4.4　智能测产系统在清选装置上的应用

智能测产系统是基于传感器技术、微处理器技术、GPS技术和系统集成技术的现代农业装备技术，可将其运用在清选装置上，对清选装置后方排出物中的物料进行实时测定，反馈调节其喂入量、喂入速度和风机转速，以保证其清洁率和损失率在允许的范围内。

4.5　协同攻关，开发适用的清选装置

迄今为止，我国还没有一种性能良好、通用性强的小型联合收获机清选装置，大多停留在专利阶段。因此，农机工作人员要密切与相关领域的专家交流合作，因地制宜地开发出适用性强的清选装置。

5结论

1)我国的小型联合收获机普遍存在清选质量不高的问题，如何提高清选装置的清选效果已成了小型联合收获机研发过程中亟待解决的关键问题之一。

2)与发达国家相比，我国小型联合收获机的清选装备还很落后，对清选装置的运用具有一定的盲目性和随机性，应从理论研究和设备研发方面加强攻关。

3)提高小型联合收获机清选效果的主要途径应从以气流清选为主加强气力流场的研究、借助先进的设计软件寻求合理的参数组合、利用帕累托最优法则寻找清选含杂率和损失率的最优点、智能测产系统在清选装置上的应用及协同攻关开发适用的清选装置等几方面考虑。

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Study Status and Developmental Strategies of Cleaning Device of Small Combine Harvester

Shen Yufenga,b, Wu Minglianga,b,c, Guan Chunyunb,d, Xie Weia

(Hunan Agricultural University, a.College of Engineering; b.Collaborative Innovation Center of Grain and Oil Crops in South China; c.Hunan Province Modern Agricultural Equipment Engineering Technology Research Center; d.Oilseeds Crops Institute,Changsha 410128, China)

Abstract：In view of the problem that the harvest quality is not high, how to improve the cleaning effect is difficult and important. This paper reviewed the study status quo of cleaning equipments and technologies at home and abroad .It showed that the cleaning device of our country is complex ,the cleaning effect is not good. The development should be toward simple and efficient ,low consumption applicable comprehensively. The strategies, probing air cleaning mainly to strengthen study the flow field ,with the advanced design software for a reasonable combination of parameters ,use Pareto law to look optimum point of cleaning impurity rate and loss rate, application of intelligent measuring system in cleaning device, collaborative research to develop suitable cleaning device, were put forward.

Key words：small combine harvester; cleaning device; development strategies

中图分类号：S233.4

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0263-06

作者简介：沈宇峰(1991-),男，湖北随州人，硕士研究生，(E-mail) 359736619@qq.com。通讯作者：吴明亮(1972-)，男，湖南常宁人，教授，博士生导师，(E-mail)mlwu@hunau.edu.cn。

基金项目：湖南省研究生科研创新项目(CX2015B277)；农业科技成果转化资金项目(2014GB2D200230)；湖南省政府重大专项(湘府阅[2014]35号)

收稿日期：2015-09-15