谷物联合收割机清选装置研究现状及发展趋势

苏天生，韩增德，崔俊伟，王国新，郝新明，郝付平，韩科立

(中国农业机械化科学研究院，北京　100083)



谷物联合收割机清选装置研究现状及发展趋势

苏天生，韩增德，崔俊伟，王国新，郝新明，郝付平，韩科立

(中国农业机械化科学研究院，北京100083)

摘要：谷物联合收割机的清选性能是影响整机作业性能的重要因素之一，对清选装置的研究有助于提高清选效率，降低清选损失率和含杂率。为此，通过从清选装置的结构、气流场、脱出物运动状态和清选试验等方面综述国内外谷物联合收割机清选装置的研究现状，提出了谷物联合收割机清选装置的发展趋势。

关键词：谷物联合收割机；清选装置；研究现状；发展趋势

0引言

对于谷物联合收割机，清选性能是衡量整机作业性能的一个重要指标[1]。提高清选性能是提高整机作业性能的必要条件，亦是谷物联合收割机向大型化发展过程中必须解决的关键问题之一。衡量清选性能的指标有谷物的含杂率和清选损失率。根据国家机械行业标准中的谷物联合收割机通用技术条件[2]，整机总损失率和含杂率要求为：小麦不得高于1.2%，水稻不得高于3.0%；小麦和水稻的含杂率均不得高于2%。从当前国内谷物联合收割机的收获效果看，清选性能仍不尽人意，存在损失率和含杂率偏高等问题。为此，以清选装置结构、气流场和脱出物的运动状态等方面为切入点，对清选装置进行深入的研究，获得较低的损失率和含杂率，对提高联合收割机性能有着重要意义。

1清选装置的研究现状

目前，国内外的科研工作者对清选装置的研究大概分为清选装置结构的研究、清选室内气流场的研究、脱出物在清选室内的运动状态的研究和通过试验优化清选装置参数等4个方面。

1.1清选装置结构

目前，谷物联合收割机的清选装置普遍使用的是风筛式清选装置，主要由清选风机及振动筛等组成，清选风机由叶轮和外壳组成[1]。风机工作时，空气从进风口进入处于高速旋转的叶轮里并在叶片的推力作用下做圆周运动，在离心力的作用下又将被从出风口排出。此时，叶轮中心处产生一定的真空度，周围空气将不断从进风口被吸入到叶轮中，风机从而连续工作。目前国内外对清选风机的研究大概包括以下方面[3]：①通过改变离心风机外壳的形式来满足清选装置的需要，如图1所示[4]；②通过改变离心风机叶轮的形式来满足清选装置的需要，如图2和图3所示；③对双风道离心风机的研究，如图4所示[5]；④使用多个或多段离心风机配合来改善清选性能，如图5所示。

振动筛是谷物联合收割机的主要工作部件之一[1]，脱出物经过振动筛的振动作用，籽粒将透过筛面小孔被分离出来，而短茎秆等无法穿透筛面小孔被从筛尾排出。迪尔公司瑞安·P·麦金等[6]使用至少一组曲柄连杆组件驱动其清选装置的上筛和下筛交错往返运动，提高清选能力，减轻振动筛的振动，如图6所示。

1.风扇叶轮　2.风扇壳

1.风机叶片　2.风机支架　3.风机轴

图3　叶片形式示意图

1.蜗壳　2.叶轮　3.上风道　4.下风道

图5　4段式离心风机

1.抖动板　2.上筛　3.下筛　4.筛箱

中机南方机械股份有限公司李颖聪等[7]研究的谷物清选装置，筛箱里安装了具向上倾斜角度的筛子。研究表明：筛选效率高且筛选彻底，适用于小型联合收割机提高喂入量使用。星光农机股份有限公司冯云云等[8]针对目前联合收割机因在侧面安装用于调节清选筛片开度的机构而造成结构复杂、成本高且可靠性和精确性难以保证的问题，研究了一种联合收割机的清选筛。其不要外设的调节机构便可以精确调节清选筛板的开度，且结构简单、操作方便，同时简化了设备的制造工序和降低了制造成本。江苏沃得农业机械有限公司胡必友等[9]根据现有多种型号的联合收割机存在粮食籽粒从尾部侧面被吹出、直接抛洒到田间而造成损失的问题，在清选筛箱侧板外端向上延伸出防侧漏小挡板，有效地减少了粮食籽粒从筛箱尾部侧面漏出造成的损失，提高了收获粮食的产出率。无锡联合收割机有限公司范建中等[10]针对现有全喂入联合收割机的清选装置普遍采用的曲柄滑块机构在极限位置时会对滑道产生较大的冲击力而出现了振动大、噪音大、可靠性差的问题，以及筛片调节板安装在筛体两侧造成调整和维修不方便的问题，研究了一种摆动式振动筛清选装置，将筛体的曲柄滑块机构改成曲柄摇杆机构，有效地减小冲击和摩擦，提高了运转平稳性；同时，将筛片开度调节机构的调整装置设置在筛体的后部，方便筛片开度的调整。中国农机院李杰等[11]研究了振动筛的工作机理并分析了振动筛的运动力学, 在此基础上利用ADAMS软件建立模型,且对振动筛进行了动态仿真分析与参数的优化，获得较优的振动筛结构参数[9]。中国农机院吴鸿欣[12]通过对振动筛结构的虚拟设计，找出振动筛筛面的运动变化规律，经分析得到脱出物在筛面的运动状态判别式，且对振动筛进行虚拟样机试验优化，取得了振动筛的最优结构参数组合。

抖动板是谷物联合收割机振动筛的重要组成部分之一[1]，其工作性能的好坏直接影响到收割机对不同品种作物的适应性、收割机的喂入量及对潮湿作物的输送能力。江苏大学李耀明等[13]针对某型号收割机的脱出物在凹板下沿轴向分布不均和清选筛面上纵向分布不均的情况，研究了一种带特殊抖动板的振动筛，其抖动板是由3块不同波纹角度的波纹板组合而成的。经试验表明：该振动筛解决了脱出物在清选室内分布不均匀的问题，同时亦提高了清选效率。中国一拖集团有限公司张建宗等[14]针对联合收割机在超标喂入量或者谷物含水率较高时清选筛面上自前向后会产生堆积而造成谷粒无法从混合物中分离而产生损失的问题，将上抖动板与下抖动板前后错位；上抖动板末端的正投影在清选筛的中段，下抖动板末端的正投影在清选筛的前段位置，实现分段清选，充分发挥了联合收割机脱粒装置的潜能，提高了作业效率，有效地降低了损失率。

此外，为了能清选含水量较高的脱出物，有学者尝试将一些疏水性好的材料或者仿生技术应用到清选装置上，取得了一定的效果。江苏大学李耀明等[13]研究了将疏水性较好的含氟丙烯酸树脂镀到抖动板和冲孔筛面上，避免了收获含水率高的作物时因籽粒与筛面粘连而出现振动筛被堵死的问题，提高了作业的适应性和清选效率。江苏大学马征等[15]为了降低筛分物料和筛面的粘附性，增加筛分时间，研究了一种农业机械用仿生非光滑清选筛面，结构如图7所示。

1.筛面基体　2.筛孔　3.凸起或凹陷单元体

该清选筛面的特点是非光滑的，具有与筛分物料几何尺寸相对应的凸起或凹陷单元。其中，单元高度为0.5～2mm，在筛面基体上的几何投影面积之和与筛面基体面积之比为30%～70%。该仿生非光滑清选筛面与普通光滑清选筛相比，筛分物料与筛面粘附性降低40%～80%，有效筛分时间增加6～20倍，具有抗粘防堵作用。

1.2清选室内气流场

目前，对清选气流场的研究大致可分为4类：利用CFD软件、测量分析法、建立神经网络模型和二次响应曲面分析法。

Mekonnen Gebreslasie Gebrehiwot等[16]对谷物清选的贯流风机进行二维CFD建模，并研究其中影响风机性能的因素。分析表明：出风口与风机壳体连接处的舌状部分的位置对风机性能影响最大，尤其是对有两个出风口的气流场效果更明显，且证明用CFD二维模型分析风机气流场的可行性。

Mekonnen Gebreslasie Gebrehiwot等[17]对清选风机进行三维CFD建模，研究了不同大小的横流进风开口对风机性能的影响，并将模拟结果与试验结果进行比较。研究结果表明：较大的横流进风开口对联合收割机的清选效果更有利，且模拟结果与试验结果在数值上的误差小于10%。李洪昌、李耀明等[18]为了研究风筛式清选室内气流场的分布情况(见图8)，基于Reynolds时均化的连续方程、Navier-Stokes方程和标准的k-ε湍流模型构成封闭方程组，运用CFD软件Fluent，对风机、振动筛和气流场进行建模，分析了出风口角度、出风口风速和振动筛筛面中部到顶部之间的距离等3个工作参数对清选室内气流分布的影响，并将模拟结果与试验结果进行对比验证，结果表明了利用Fluent进行数值模拟的正确性和可行性。周全[19]等运用CFD软件对风筛式清选装置和清选室进行建模，数值模拟了改变风机的位置、风速、出风口角度，更换不同形式的筛子，是否使用贯流风机等各种不同的清选装置结构参数对清选室内气流场的影响，分析了改变不同结构参数对清选气流场影响的变化规律，并对风筛式清选装置的结构参数设计和改进提供了合理的参考。

李耀明、唐忠等[20]为了研究清选筛面的气流速度分布规律和气流速度变化规律，在DFQX-3型物料清选仿真试验台上，使用风速仪测量了3个平面上的各25个有规律分布的点处的风速，利用MatLab绘制了清选筛面的左中右位置的横纵断面和水平面的等风速线和风速变化曲线，并分析了各个位置风速分布和变化的特点。结果表明：清选室内左右两侧的风速分布规律较为相似，中间的风速变化规律较为复杂。

李耀明、林恒善等[21]对清选装置的3个工作参数(即离心风机的转速、出风角度和贯流风机的转速)与清选室内气流场的关系建立神经网络模型，同时对清选室内气流场和清选效果的关系建立神经网络模型，并分析这两个神经网络模型的预测误差。结果表明：其预测误差较小，模型具有较高的预测精度，同时证明了神经网络技术应用到清选室内气流场的研究是具有可行性的。李洪昌等[22]对清选装置的风机转速、出风口角度与清选室内气流场分布规律的关系建立神经网络模型，对清选室内气流场的分布规律与清选效果之间的关系建立神经网络模型，再对清选装置的风机转速、出风口角度与清选效果之间的关系建立神经网络模型。经过神经网络的训练，最终这3个模型均得到了很小的预测效果误差，模型的预测精度高，说明了神经网络技术在研究风筛式清选装置方面的有效性。

夏利利[23]等运用DPS统计软件对联合收割机的清选室内气流场的分布情况与离心风机转速及其出风口的角度建立了二次响应曲面模型，测试了清选室内的5个不同点的气流速度，并将实际试验数据与模型预测值进行了对比。分析结果表明：其平均相对误差较小，证明了二次响应曲面模型在清选气流场的研究方面是可行的，同时得到了离心风机转速和出风口角度分别对清选室内的气流速度的影响的变化关系。

图8　清选室内气流场图

1.3脱出物的运动

脱出物经过脱粒装置掉落到振动筛筛面，其在筛面的运动情况(特别是籽粒的运动)直接影响到机器的清选效率，所以有必要对脱出物的运动状态进行分析研究，以便更好地对清选装置进行设计或优化。J. T. Macaulay[24]对脱出物进入清选装置时的不同运动状态对清选效果的影响进行研究，为研究脱出物的运动状态提供了合理的参考。K. Maertens等[25]将物料守恒定律与概率密度分布函数应用到谷物清选分离的研究中，把清选分离建立一个整体模型，分析不同组分情况下的流动情况，取得了良好的效果。Tbatabaifar A等[26]研究了将振动筛筛面的脱出物吹散所需要的风量、风速和风压的问题，同时分析了连续喂入时脱出物在振动筛上的运动情况。李洪昌[27]采用计算流体力学和颗粒离散元耦合的方法模拟风筛式清选装置中脱出物在振动筛筛面上的运动状况，并进行试验验证。结果表明：利用CFD—DEM耦合对风筛式清选装置进行数值模拟是可行的。李耀明等[28]根据联合收割机风筛式清选装置的工作情况，建立了物料和简谐振动筛面的碰撞运动模型，经分析获得了碰撞运动通过典型的倍周期分岔通向混沌的过程和清选筛面上物料的非线性运动规律。陆林[29]在对油菜及其脱出物各种特性充分研究的基础上，分析了油菜脱出物在气流和筛面复合作用下的运动情况，利用ADAMS软件对整个清选装置进行建模，并进行仿真试验，经过试验研究优化得到最适合该机型清选装置的结构参数和工作参数。王智华[30]建立了脱出物籽粒在振动筛筛面上的运动学模型，并用籽粒碰撞理论分析影响脱出物在振动筛筛面上运动情况的主要因素，同时对籽粒的运动状况进行稳定性分析，得到了籽粒在不同抛射强度下的不同运动规律。李革[31]对在充满气流的清选室内的脱出物籽粒建立动力学模型，研究其在倾斜气流中的运动状况，得到了籽粒的运动轨迹及籽粒速度与气流速度的关系曲线，为籽粒的运动情况研究提供了参考，同时也为清选装置的设计优化提供了参考。张文斌[32]等建立了联合收割机风筛式清选装置中物料与简谐振动筛面的碰撞运动模型，分析了物料周期运动的稳定性，得知脱出物在振动筛筛面上的运动状态遵循定常运动和非线性运动这两大规律，并且搭建高速摄像系统结合数字图像处理验证物料的运动轨迹。

图9　脱出物运动状态图

1.4试验优化

田伟利等[33]用纵轴流风筛式清选装置对水稻进行清选试验研究，分析贯流风机转速、筛面倾角和鱼鳞筛开度对清选性能的影响，并找出最佳工作参数。张义峰、衣淑娟[34]为了改善纵轴流水稻收获机清选装置的清选性能，在自行研制的纵轴流风筛式清选装置试验台上进行正交旋转试验研究，运用回归方程和主目标函数法分析了清选装置的振动筛的振动频率、风机转速和出风口角度等3个工作因素对清选装置的纵功耗和清选效果的影响，并用MatLab进行优化求解，最终得到该清选装置的最佳工作参数。孙志刚[35]等为了研究含杂率对清选环节的影响规律，以风机转速、风机倾角和曲柄转速为试验因素，以含杂率作为评价指标，在清选试验台上进行水稻清选试验，得到回归模型及影响含杂率的主因素。

2研究现状总结

目前，随着对谷物联合收割机清选装置研究的不断进行，对清选风机、气流场、脱出物的运动状态等均有了较为深入的研究，对其原理规律也有了进一步的认识，从而为以后更深入的研究奠定了基础。除了试验研究以外，还运用了CFD、ADAMS等分析软件对清选装置进行研究，大大地提高了研究效率和经济性。另外，随着对清选性能的要求越来越高，科研工作者对谷物联合收割机清选装置的研究力度也将会越来越大。

3发展趋势

1)为了使清选室内气流强度满足振动筛的清选要求，使用多个风机将成为一种发展趋势。多风机的清选装置中，每个风机负责给振动筛的抖动板、筛片前中后部提供气流，使得整个气流场的强度分布更合理、调整更方便。

2)为了使离心风机出风口处获得更均匀的风速，采用多段式离心风机将是今后的一种发展趋势。离心风机采用多段式，不但增加了进风口数量，而且又可以更好地避免涡流的产生，将使得出风口处的风速更均匀。

3)智能化的清选装置。为了适应不同农作物、不同含水率的脱出物的清选要求，在振动筛尾部安装清选损失传感器，实时感知清选损失大小，自动调节振动筛筛片开度、振动频率、风机转速、进风口大小、调风板位置等，以获得更好的清选效率和清选效果。

4)将一些交叉学科的科研成果应用到清选装置(如仿生非光滑清选筛面的研究)，是一个较有潜力的发展方向。

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Research Status and Development Trend of Cleaning Unit of Cereal Combine Harvesters

Su Tiansheng， Han Zengde， Cui Junwei， Wang Guoxin， Hao Xinming， Hao Fuping， Han Keli

(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences，Beijing 100083，China)

Abstract：Cleaning performance is one of the most important factors that affect the overall performance in cereal combine harvesters. The study on cleaning technology helps to improve cleaning efficiency and reduce cleaning loss and trash content.To this end,summing up the present research status of cleaning unit of cereal combine harvesters at home and abroad from aspects of the structure of cleaning device, the airflow field, the State motion of threshed materials and physical exercises, and proposing the development trend of cleaning unit of cereal combine harvesters.

Key words：cereal combine harvesters； cleaning unit； research status； development trend

文章编号：1003-188X(2016)02-0006-06

中图分类号：S233.4

文献标识码：A

作者简介：苏天生(1986-)，男，广西玉林人，硕士研究生，(E-mail)stswldgk@163.com。通讯作者：韩增德(1954-)，男，北京人，研究员，硕士生导师，(E-mail)jszx000@sina.com。

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA10A502)

收稿日期：2015-01-29