大豆联合收获机清选装置与关键技术研究进展

刘 鹏，金诚谦，3，*，印 祥，宁新杰，李庆伦

(1.山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000； 2.山东省旱作农业机械化与信息化重点实验室，山东 淄博 255000； 3.农业农村部南京农业机械化研究所，江苏 南京 210000)

清选是大豆机收过程的关键环节。清选装置是大豆联合收获机完成大豆籽粒与脱粒杂质分离，以及大豆籽粒清洁的主要部装，具体作业任务是从复杂的脱粒混合杂余(大豆籽粒、短茎秆、碎颖壳和混杂物)中清选分离出大豆籽粒，直接决定大豆机收清选作业的脱粒混合物清选效率，以及大豆籽粒清洁度、含杂率和清选损失率[1]。目前，我国针对大豆适收性的清选装置研发还比较少，大多是将谷物联合收获机的清选装置改变作业参数后直接应用，但由于清选装置与大豆收获特性的匹配性低，现阶段大豆机收过程中清选损失率和含杂率较高。同时，针对基于大豆适收性的脱粒混合物运动规律、清选室气流场分布和清选机构动力学分析等关键技术的研究工作也较少。根据大豆的物料特性和收获特点研发新型清选装置并进行大豆机收清选关键技术的针对性研究，对于减少大豆机收清选损失、降低含杂率、提高清选效率、提升联合收获机整机性能是极为必要的。为此，特对我国现阶段大豆联合收获机清选装置与关键技术的研究现状进行综述，并结合当今世界联合收获机清选装置的研究进展，探讨大豆联合收获机清选装置的发展趋势。

1 清选原理

大豆脱粒不同于其他谷物，必须让大豆籽粒从破裂的豆荚中脱离出来，所以大豆的脱净率、清选的含杂率，以及清选的损失率等清选作业性能容易受到大豆品种的物料特性、大豆含水率、联合收获机作业喂入量，以及清选装置作业参数等因素的影响[2]。目前，筛子-气流式清选装置是我国大豆联合收获机最主要的清选装置，其清选原理是根据脱粒混合杂物中各成分的空气动力学特性和物料特性差异，凭借气流产生的气场力与清选筛往复运动的相互作用来完成大豆籽粒和杂质的分离清选作业。筛子-气流式清选装置的整体结构如图1所示[3]。

1，抖动板；2，上筛；3，下筛；4，茎秆；5，大豆籽粒；6，螺旋输送装置；7，鼓风机。1， Jitter plate; 2， Upper sieve; 3， Lower sieve; 4， Stem; 5， Soybean grain; 6， Screw conveyor; 7， Blower.

2 清选装置研究现状

筛子-气流式清选装置主要由清选筛、风机和清选室组成，不同机械结构与功能的筛子-气流式清选装置适用的大豆品种和工作环境各不相同[4]。目前，国内针对大豆适收性的筛子-气流式清选装置研究工作还较少，大多是研究谷物联合收获机的筛子-气流式清选装置，研究内容主要集中在清选筛和风机的结构与功能创新，以及参数优化试验等方面。

2.1 清选筛

清选筛由抖动板、导流条、指杆筛、上筛、下筛和尾筛等部件组成。清选筛在进行大豆机收清选作业时由曲柄连杆机构驱动整体做往复运动，大豆脱粒混合物连续不断地由抖动板和导流条进行均摊，并通过指杆筛送往上筛筛面，通过清选筛前端下方的风机产生的风将大豆脱粒混合物吹散，细碎秸草和颖壳等轻杂质会被风吹出清选室外，大豆籽粒在清选筛的往复运动作用下透过上筛和下筛落入集粮搅龙进行籽粒输送。与大豆籽粒物料特性相近的杂质在清选筛的往复运动和风场力的双重作用下经过尾筛的筛分后，长的碎秸秆被排出机外，而未脱净的豆荚透过尾筛落入复脱搅龙进行二次脱粒清选。由此可以看出，清选筛的结构与参数决定了筛子-气流式清选装置的筛分效率和清选性能。

朱金光等[5]利用传统鱼鳞筛后部的穿条孔把穿条与各筛板穿在一起，可以有效地防止鱼鳞筛高度调节过程中混合杂余的下落，从而提高联合收获机清选装置的清选性能。邓嘉鸣等[6]研制一种具有单自由度两回路运动机构的并联清选筛，通过由并联机构的驱动形成清选筛筛面多维运动的方式来达成非平面清选筛筛面的多维透筛性，以此提升清选筛的透筛性能和筛分能力。刘忠良[7]创新一款清选装置，在筛子的尾部添加一个二次清选系统，可对尾部排出的混合杂余再进行一次清选，并由设计的集粮系统复选筛后落下的谷物籽粒，解决了联合收获机在高速收获时清选筛容易将混合杂余抛出机外的问题，降低了清选损失率。李洪昌[8]在传统清选装置的基础上去掉传统清选筛，在喂料装置下方设置一对相向旋转的喂料辊，使脱粒混合杂余以比较均匀的薄层状态进入清选室，提高了清选装置的清选效率。李耀明等[9]创新了一种具有双层清选筛和双贯流风机的新型清选装置结构，很好地解决了不同喂入量下联合收获机高效筛分的问题，降低了清选含杂率和清选损失率。

Stephen等[10]创新了一款清选分离装置，通过控制器调控筛片开度和风机转速，初步实现了对清选装置鱼鳞筛开度和风速的智能调控。AGCO公司研发的5257C1型联合收获机采用了双层清选筛加离心风机的清选装置和双切流脱粒滚筒的脱粒分离装置，该脱粒清选装置的整体结构在进行实际收获作业时，清选室内的风量、风速和风场分布均可以达到最佳作业状态，降低了清选损失率与含杂率[11]。田中祐二等[12]在现有联合收获机清选装置的清选筛上进行创新并安装颖壳筛结构，进行脱粒混合杂物的二次清选，提高了联合收获机清选装置的清选性能。

抖动板是清选筛的重要组成部分。抖动板对脱粒混合物的分摊均匀度、输送速度和承载能力直接影响大豆联合收获机对大豆品种的适收范围、收获作业的最大喂入量和清选筛的清选作业难度。付威等[13]通过分析抖动板传动曲柄的理论转速与实际转速的具体关系，探讨了抖动板作业过程中脱粒混合物发生堆积的问题，得出物料被抛离时传动曲柄的真实转速，阐明了对抖动板进行合理结构参数设计的可行性。汤庆等[14]利用EDEM软件分别对单隔板抖动板和双隔板抖动板的清选作业模式进行离散元仿真，获得了2种抖动板在进行清选作业时对脱粒混合物作用力的分析云图，通过对仿真结果划分虚拟网格，获得了X轴向网格中籽粒数量的分析曲线图，明确了双隔板抖动板对脱粒混合物的分摊、输送和筛分能力要强于单隔板抖动板。唐静[15]针对现有抖动板的不足，创新了一种抖动板限位组件，对全喂入式联合收割机的抖动板添加抖动限制板，并将限位槽限制抖动板的振动点从弯折处转移到平直处，进一步增强了抖动板的可靠性。

2.2 风机

风机包括风扇、风门、分风板和风道，是筛子-气流式清选装置实现大豆脱粒混合物风选分离与籽粒清洁的必要条件。风机在大豆机收清选作业过程中，通过风扇的高速转动，将空气从风门外吸入风机内部，形成高速旋转的气流，在离心力的作用下气流经过风道进入清选室形成气流场，在气场力与清选筛运动的共同作用下对大豆脱粒混合物进行清选分离作业。此时，风机中心处因为离心力作用形成真空度，风门外的空气会连续地从风门处被吸进风机中，从而使风机持续作业。因此，风机各部件的结构、形状与参数直接影响清选室内的气流场分布与筛子-气流式清选装置的风选性能[16]。

胡小钦[17]创新了一种贯流式谷物清选装置，并通过大量的测量试验完成了清选装置的工作参数优化。与传统清选装置相比，选择贯流风机作为风源很好地解决了轴向气流不稳定和宽度受限的问题。沈宇峰等[18]创新设计了一款单风机双层清选筛式清选装置，该清选装置的结构较为简单，可以达到纵轴流式联合收获机清选装置清选作业性能的要求。崔俊伟等[19]创新设计了前后双风机清选筛式清选装置，前风机可以改进清选装置气流分布的均匀程度，后风机则改进了清选装置对短茎秆的清选功能，提高了清选装置的清选效率。刘师多等[20]对双风机圆箱清选装置进行了研究，分析并建立数学模型进行参数优化的仿真试验，得到了影响因素的最佳参数。

CASE公司研制的新型清选装置应用了输送搅龙、贯流离心式风机、多层清选筛与预清选板等部件，其中，贯流离心式风机的上端被设计成开放结构，相对于传统风机的优点是，可以将风罩上方的空气转化为连续不断的气流，并由此提高联合收获机清选装置的性能[21]。New Holland公司研制的轴流式TC5060型联合收获机的清选装置采用大功率六叶轮离心式风机，此离心式风机的风速更强劲，并且风量分布均匀，风场分布范围也较大，可以有效地减轻上、下筛的负荷，适用于负荷较大的工作环境[22]。CLASS和John Deere公司研制了一种新型联合收获机清选装置，该清选装置的风机采用双风道涡轮式风机加上双层清选筛和预清选的形式，其最大特点是在同等风速和风量条件下，收获机整机的结构非常紧凑，而且双风道离心风机能够连续不断地产生稳定、高速的气流[23]。哈维斯特公司在轴流式联合收获机上安装了在清选室内可以监控清选风扇转速的电子装置，并且将风扇的转速以连续数字的形式在显示器上进行显示，可以方便地读出风扇的转速，提高了收获机清选装置的作业质量与性能[24]。

2.3 小结

国内研究人员主要对联合收获机的清选分离装置进行机械结构的改进，研究重点在于清选筛与风机的功能创新与参数优化、风扇的数量与结构、风道的数量，以及导料过渡装置的结构创新和清选装置的智能控制创新设计等方面。除此之外，研究人员还对清选装置的功耗进行了一定研究。李原福等[25]利用黑龙江八一农垦大学研制的清选试验台，选取曲柄转速、风机出口倾角和风机转速作为试验因素，以清选装置功耗作为评价指标，完成清选试验并分析数据，得出影响风筛式清选装置功耗的主要成因和规律模型，为筛子-气流式清选装置的创新与优化提供了理论依据。

在国外先进联合收获机上，现已实现了清选作业精准监测、驾驶室清选作业显示与操控、3D清选和自适应清选等功能，并且研发出专门应用于大豆收获清选的机具，提高了大豆机收清选作业的效率和性能。但是，国外机具大都价格昂贵，普遍存在水土不服的情况，而且国外研制的自适应清选系统的相关技术高度保密，文献报道较少。总之，现阶段国内对专门应用于大豆收获的联合收获机清选装置研究还比较少，还未能实现针对大豆适收性的联合收获机清选装置的全方位结构创新、参数优化，以及清选系统自适应调控，由清选装置与大豆特性的匹配性较低而造成的较高的清选损失与含杂问题是当前亟须解决的问题。

3 清选关键技术研究现状

清选关键技术主要包括脱粒混合物运动规律、清选室气流场分布和清选机构动力学分析。近年来，随着离散单元法(DEM)、计算流体力学和多体动力学等先进理论的发展，以及EDEM、FLUENT和ADAMS等现代计算机辅助工程软件的逐步应用，研究人员可以模拟仿真大豆机收的清选作业过程，收集清选作业仿真中的内部微观数据并计算分析，这对大豆机收清选关键技术的创新、筛子-气流式清选装置参数优化，以及清选作业状态的内部规律分析等研究起到了极大的推动作用。

3.1 脱粒混合物运动规律研究

脱粒混合物运动规律研究是对大豆植株经过脱粒后的混合物在清选筛上筛分时豆粒与杂余的运动状态进行分析。现阶段，我国科研人员主要在大豆籽粒外形参数、力学特性分析、豆粒与清选装置接触作用和筛面上豆粒的运动轨迹与受力等方面进行了研究。对大豆脱粒混合物运动状态内部微观数据的研究分析，为研发专用于大豆机收的筛子-气流式装置提供了可靠的理论依据。

张开飞等[26]通过材料特性试验得出大豆秸秆的剪切与弯曲力学特性参数，为大豆脱粒混合物中杂余的离散元建模与仿真参数设定提供了参考。刘基等[27]采用万能材料试验机完成大豆茎秆的三点剪切和弯曲试验，得出大豆茎秆不同高度处的弹性模量、惯性矩、抗弯刚度、最大切应力、最大弯曲力与最大剪切力，以及大豆籽粒与茎秆之间的相互作用力，并分析了大豆茎秆不同高度承受剪切力与弯曲力的规律，为研究大豆茎秆和籽粒的筛分规律提供了理论依据。贺礼英等[28]对沿淮地区41个菜用大豆品种的倒伏性、单株有效荚数、单株荚数、结荚高度、生育期、单荚粒数、荚长、荚宽、株高、茎粗和百粒重等主要农艺性状进行了测量与相关性分析。该方法可应用到大豆特性的相关研究中，以提升大豆特性参数的精准度，从而提高清选装置参数与大豆特性的匹配性，降低清选损失率。王扬等[29-30]对大豆籽粒的外形进行了测量试验与分析，发现大豆籽粒的三维参数服从正态分布，创新了一种基于EDEM软件球充填的大豆籽粒建模方法，对大豆籽粒与其他材料的相互作用参数进行了测量，提出一种基于平面多刚体运动学与离散元法的耦合模型，并应用AgriDEM-MBK软件仿真大豆籽粒在摆杆筛上的筛分过程，分析了摆杆筛筛分过程中大豆籽粒流的运动规律。

Dong等[31]利用EDEM软件仿真由矩形孔的形状变化引起的颗粒在清选筛筛面上运动和分离的变化情况，结果表明，平行于颗粒流动方向的矩形孔透筛效果强于垂直方向。Jafari等[32]利用离散单元法研究了振动频率、振动方向角和网格斜率等参数对清选筛筛分性能和筛网磨损情况的影响，得出清选筛振动频率和网格斜率对清选筛筛面的磨损规律。Elskamp等[33]完成了不同操作条件下清选筛筛选过程的离散元仿真与分析研究，在完成的EDEM仿真研究分析中，通过排除操作参数瞬态变化问题，得出在不同振动参数与时间持续改变的条件下清选筛对球形颗粒和非球形颗粒的筛分规律。Delaney等[34]选取0.6～5 mm直径的球形DEM模型，利用EDEM软件进行实际筛分过程的仿真分析，发现在较小喂入量下，颗粒仿真筛分结果与样机试验结果保持一致；在大喂入量下，球形颗粒经过筛面的筛分运动后更容易接近筛网表面并穿透筛子，导致对直径较大颗粒的分离速率会产生过度预测。这说明在清选筛EDEM仿真中，球形颗粒不能用于仿真真实颗粒流动和非球形物料颗粒的分离。

3.2 清选室气流场分布

清选室气流场分布是影响筛子-气流式清选装置对大豆脱粒混合物清选效果的决定因素之一，也是评价风机清选作业效果的一项重要指标。目前，我国科研人员关于大豆机收清选室内气流场分布的研究还较少。大豆脱粒混合物的漂浮特性与其他谷物不同，通过物料漂浮速度试验确定大豆脱粒混合物各成分的漂浮特性，运用FLUENT软件、计算流体力学(CFD)-DEM耦合技术，以及风场监测装置对大豆机收清选室内的气流场分布进行专门研究与创新，是优化风机结构与参数、完成风机作业效果监测与智能调控，以及提高大豆联合收获机清选装置作业性能与精准度的有效方法。

高连兴等[2]通过物料漂浮速度试验得出大豆脱粒混合物各成分的漂浮速度：完好大豆籽粒9.18～11.61 m·s-1，颖壳和碎秸秆1.95～3.75 m·s-1，豆瓣和瘪粒6.14～7.74 m·s-1，短硬茎秆2.53～4.04 m·s-1，未脱净豆荚3.81～5.48 m·s-1，为筛子-气流式清选装置的优化改进提供了依据。江涛等[35]设计了不同结构的清选室，应用FLUENT软件，仿真不同清选室的气流场分布和气流运动规律，发现双进风口加导风板结构的清选室清选性能最好。李骅等[36]设计了风机倾角、风机转速和鱼鳞筛夹角的正交仿真试验，利用FLUENT软件完成不同参数条件下清选室内气流场的模拟仿真与分析，得到平面振动筛结构下清选室内气流场的分布规律。李洋[37]采用FLUENT软件对不同作业参数下多风道试验台的清选室内气流场分布进行模拟仿真，并利用多风道清选试验台完成清选室内气流场的测量试验，通过分析数据得到清选室内气流场受每个参数影响的相关规律。余波等[38]通过正交试验研究了小区小型半喂入式联合收获机的清选室气流场分布规律，选取离心风机的风速、吸引风机的风速、离心风机的倾角、百叶窗筛的夹角为优化参数，对不同参数下的清选室气流场分布进行了FLUENT仿真，得到上述4个参数的最佳值，进一步提高了收获机的清选效率。

Ueka等[39]为了解清选风及其通过籽粒的湍流流动特性，采用粒子图像测速法和激光多普勒测速法对风速进行了测量与分析研究，发现颗粒会阻挡风的流动并引起风场的分布变化，且风量损失并不是湍流造成的，在分析计算清选室内风量损失时，应主要考虑壁面的摩擦和颗粒形状引起的压力变化，以及颗粒摩擦损失。Gebrehiwot等[40]采用FLUENT软件和风速仪测量方法，研究了用于谷物清选的交叉流风机的流动结构和性能，并研究了4种涡壁位置、不同转子和相同壳体的交叉流风机，重点研究了涡壁位置对风机性能的影响，以及在2个出口之间实现平衡的气流分配。结果表明：(1)二维CFD模型可以较好地预测风机的性能；(2)涡壁的位置对交叉流风机的性能起着至关重要的作用，尤其是2个出口之间的气流划分；(3)通过改变涡壁的位置，可以得到更均匀的气流场分布；(4)转子出口开度对两出口的质量流量分配有较大影响。Farran等[41]对垂直气流中脱粒混合物的分离进行了理论和试验研究，以与联合收获机清选作业速率相当的速率注入谷物和模拟谷壳的聚苯乙烯球或实际筛分材料，结果表明，气流速度和进料速率在提升清选分离效果和降低清选颗粒损失率方面都很重要。

3.3 清选机构动力学分析

清选机构动力学是研究大豆联合收获机清选装置曲柄连杆机构与清选筛运动规律的先进技术。现阶段，我国对谷物联合收获机清选机构运动规律的研究较多，但还没有专门研究大豆机收清选机构动力学的内容。大豆脱粒混合物的特性区别于其他谷物，所需清选机构的动力学模型也不一样；因此，需要根据大豆脱粒混合物特性利用ADAMS软件专门对大豆机收清选机构的运动状态进行机械系统动力学仿真与分析研究，研究内容包括曲柄连杆机构运动规律分析、清选筛运动轨迹及其动力学分析，以及清选机构动力系统参数优化等方面。针对大豆适收性进行筛子-气流式清选装置的清选机构动力学分析研究，对提高大豆联合收获机清选装置的清选效率和整机性能具有很强的实际作用。

李杰等[42]利用ADAMS软件建立清选筛模型，对清选筛进行了动态仿真分析与参数优化，解决了清选筛后端垂直振幅过大的问题，降低了清选损失率和清选含杂率，获得了较优的清选筛结构参数。程亚民等[43]应用ADAMS软件完成联合收获机清选装置平面连杆机构几何体的仿真分析，获得清选连杆机构每个构件的质心在不同时间段的加速度、速度和位移等运动曲线，验证了清选连杆机构设计结构的合理性与可行性。肖迎春等[44]创新一款3层多杆机构清选装置，用CREO软件完成3层多杆机构清选装置的三维建模，然后用ADAMS软件按照清选作业要求完成逐稿筛和清选筛的动力学仿真分析，获得筛面加速度的运动规律和多杆机构的作业原理。李骅等[45]创新一种小型单风机单筛式平面振动清选装置，利用ADAMS软件完成清选装置几何体的动力学仿真和参数优化，获得了清选筛参数影响整体清选装置运动的变化规律，发现决定清选筛加速度的主要因素是曲柄的转速和长度，为清选机构动力系统的优化改进提供了理论依据。

3.4 小结

应用FLUENT、EDEM和ADAMS等现代计算机辅助工程(CAE)软件，能比较真实地仿真出大豆机收清选作业过程的颗粒风选筛分运动。总体来看，国内的研究工作少有针对筛子-气流式清选装置不同作业参数下大豆脱粒混合物颗粒群运动规律的仿真分析，CFD-DEM耦合技术在大豆联合收获机清选装置研究中的应用还比较少，大多研究只是应用EDEM或FLUENT或ADAMS等单一软件进行仿真分析，无法完整地模拟出大豆脱粒混合物在筛子-气流式清选装置作业时的风选筛分运动。在已经完成或正在进行的关于清选装置内部气固两相流的耦合仿真研究中，大多采用简化模型，存在清选室三维模型的尺寸较小、脱粒混合杂物的模型数量较少等问题，这会使得大豆联合收获机清选作业的虚拟样机仿真分析结果与真实样机性能试验的结果形成一定的差异[46]。另外，现阶段研究的对象大都是谷物作物，专用于大豆籽粒的离散单元法建模和大豆作物清选分离过程仿真研究还比较少，与此相关的理论知识也非常缺乏，非常不利于我国大豆联合收获机清选装置的研究进步。

4 大豆联合收获机清选装置发展趋势

4.1 针对不同大豆特性与参数的优化研究

研发适用于大豆收获的联合收获机清选装置。收集大豆的适收和清选特性信息，根据其特性信息进行清选装置的创新研发和参数优化，从根本上解决清选装置与大豆品种的适收性问题，使大豆机收时清选装置与大豆的收获特性相匹配，降低大豆机收清选作业的清选损失率和含杂率。

4.2 大豆机收清选装置的清选分离机理研究

为了研究大豆联合收获机清选装置清选作业时的内部微观数据，精准分析大豆脱粒混合物运动规律、清选室气流场分布和清选机构动力学规律，需要加快对适用于大豆机收清选关键技术的CAE软件的精确学习与广泛应用，提高对仿真技术的认知，积极引进和推广适用于大豆机收清选关键技术的高端CAE软件与先进研究方法，不断推进大豆机收清选装置的现代化研究。

4.3 联合收获机清选系统自适应技术研究

大豆联合收获机清选装置的发展越发趋于全面智能化，应积极收集所有大豆品种的最佳清选作业参数，进行清选装置的电动智能调控创新设计。实现清选装置作业时清选损失量与清选室气流场分布的驾驶室实时监测显示[47]，以及风机转速、分风板角度、立导向板角度、上筛角度、风门开度、清选筛振动频率和鱼鳞筛开度等清选作业参数的自适应智能调控和远程终端无线实时显示[48-49]。大豆联合收获机清选系统自适应技术研究的目的是根据实际作业状况实时调节清选作业参数，以便维持清选装置处于最佳作业状态，使联合收获机清选作业更精准，清选效率更高，节约人力和成本，因此清选作业操作应尽可能自动化和简单化。此外，还应从提高大豆机收清选作业质量的角度出发，研发适用于所有大豆品种的自适应智能清选系统。