燕麦脱粒机清选装置设计与试验

裴二鹏，程 飞，王 显，杨旭辉，王嘉伟，郑德聪

（山西农业大学 农业工程学院，山西 太谷 030801）

燕麦脱粒清选装置是收获机械的关键环节，长期以来，燕麦机械化收获都是借用现有的稻麦脱粒装置，不同于小麦，燕麦颖壳宽大，外稃坚硬被有茸毛，颖果的腹面有纵沟，外稃内稃和外稃紧抱籽粒，不容易分离，使用现有机具工作性能差，作业质量不理想。目前关于燕麦收获及其脱粒清选机械的研究较少[1]。中国农业大学樊晨龙等[2]研制的纵轴流联合收获机双层异向清选装置采用蜗型双风道、双层筛板独立振动的方式实现籽粒与脱出物的分离清选，扩大清选面积，提高清选能力，可满足生产量较大时的籽粒清选要求。但该机型结构复杂，体积庞大，不利于后期移植到联合收获机上。山东理工大学的金诚谦等[3]针对小麦双出风口多风道离心风机清选装置主要参数进行优化，寻找各因素对收获清选质量的影响。江苏大学李青林等[4]构建了一套稻麦联合收获机清选装置智能设计与优化系统。利用模块化系统方法，可以实现清选装置的智能设计与优化。现有的谷物联合收获机吹风式风机加振动筛的分离清选装置进行燕麦脱出物的清选工作，存在震动大、噪声严重、工作扬尘和飞絮严重等问题[5]。

基于目前燕麦联合收获中清选工作的迫切需求，一种低污染、低功耗且适用于燕麦植株的高效清选装置必不可少。为此结合现有机型，利用农业机械设计理论和机构学原理对传统风筛清选系统深入研究，并结合计算机软件仿真模拟，设计了一种与伸缩杆齿—纹杆混合式脱离装置配套的气吸式筛分清选装置。

1 清选装置结构设计

1.1 组成结构与工作原理

燕麦脱粒机清选装置结构如图1所示，主要由机架1、支撑杆2、筛箱3、驱动连杆4、曲柄5、气吸式离心风机6、杂余斗7、编织筛8、排料斗9、电机10等组成。

工作时，电机10及其传动系统带动曲柄5转动，通过连杆4驱动筛箱3做往复运动，落入筛箱3内的燕麦脱出物，在往复振动作用下不断向排料斗9方向输送。当物料到达气吸式离心风机6进风口处时，脱出物中的短茎秆和颖壳被吸入风机经出风口排出，其余脱出物继续运动到编织筛8上。籽粒经过筛面落入排料斗9，其余短茎秆等脱出物继续向后输送落入杂余斗7中排出机外，完成脱出物的分离和清选。

1.2 振动式分离筛设计

振动式分离筛结构如图2所示，主要由落料筛板1、细筛网2、粗筛网3、杂余斗4、排料斗5等组成。

落料筛板尺寸根据脱粒机整体尺寸确定，落料筛板设计尺寸为长1 033.5 mm、宽520 mm。细筛网为网眼尺寸0.425 mm×0.425 mm的编织筛，布置在落料筛板后端。粗筛网为网眼尺寸4 mm×4 mm的编织筛，宽度为520 mm。筛网的最小有效长度（Lmin）参考《LS/T 3519—1988 粮食初清筛试验方法》[6]。

式中，Q为单位时间处理量（kg/s），设计喂入量为Q1=0.8 kg/s，故单位时间最大处理量Q=0.8 kg/s；q为振动筛筛网单位筛长处理量（kg/（mm·s）），参考《LS/T 3519—1988 粮食初清筛试验方法》可得，小麦的振动筛筛网单位筛长处理量q=0.006 94 kg/（mm·s）[6]。

计算得筛网的最小有效长度L min=115 mm。筛网长度越长分离效果越好，同时考虑机体尺寸紧凑性。筛网设计长度L=2.5×L min=287.5 mm。

排料斗布置在振动筛正下方，其结构如图3所示，燕麦籽粒自然休止角为31.42°，与Q235钢摩擦角为25.1°，设计排料斗背板倾斜角度为40°[7]，以保证出料顺畅，降低残留率。同理，杂余斗位于振动筛后方，未脱籽粒和短茎秆经由杂余斗排出机外。

1.3 气吸式风机设计

1.3.1 吸风口断面参数设计 气吸式离心风机结构如图4所示，考虑吸风口断面与细筛网宽度配合，宽度尺寸为b1=500 mm。吸风口长度受支撑杆运动摆动角度限制。振动幅度l设计如公式（2）。

式中，R为支撑杆长度（m），R=0.181 m；θ为支撑杆摆动角度范围，受机架结构限制，θ=18°。计算得振动幅度长度l=0.054 3 m。考虑吸风口长度应大于振动筛幅度，l1=1.1×l=0.06 m。

1.3.2 风机风量（V）和压力（P）计算

式中，V为风机风量（m3/s）；S0为最小进风口面 积（m2），S0=b1×l1=0.03 m2；v1为 吸 风 口 风 速（m/s），燕麦脱出物籽粒、碎茎秆、颖壳的悬浮速度分 别 为4.67～9.76、2.18～5.28、0.31～3.56 m/s[8]。在保证清洁度的前提下，为减少风机损失，获得饱满籽粒，选择吸风口风速v1=5.76 m/s。计算得风机风量V=0.172 m3/s。

式中，P为风机压力（k Pa）；ρ为空气密度（kg/m3），ρ=1.29 kg/m3。计 算 得 风 机 压 力P=21.4k Pa。

1.3.3 叶轮外径计算

式中，D2为叶轮外径（m），P=21.4 kPa；n为风机 转 速（r/min），n=1 200 r/min；W为 风 机 功 率（kW），参考现有清选风机，选择风机功率W=2 kW。计算得叶轮外径D2=0.298 3 m，取整叶轮外径D2=0.3 m。

1.3.4 蜗壳外形尺寸设计 气吸式风机采用离心式蜗壳结构，如图5所示，图中正方形的边长为A/4，R1、R2、R3、R4是正方形的4个顶角为圆心画出的圆弧半径[9]。

式中，D2=0.3 m；A为叶轮外径与蜗壳底部距离（m）,A=0.088 m。计算可以得出：R1=0.161 m；R2=0.183 m；R3=0.205 m；R4=0.227 m。

式中，D1为机叶轮内径（m）；D2=0.3 m。计算系数取0.6，求得D1=0.18 m。

气吸式离心风机的基本参数如表1所示。

表1 气吸式离心风机的基本参数Tab.1 Basic parameter for air-suction centrifugal fan

2 振动筛驱动机构计算机仿真

2.1 数学模型

振动筛通过平行布置的支撑杆AD和BC安装在机架上构成平行四杆机构，曲柄OE绕O点转动输入动力，连杆EF分别与曲柄和筛板体铰接，并将曲柄动力传递到筛体。构成曲柄连杆如图6所示，G点为筛面上的任意点，由于平行四杆机构的特性，该点与筛面上其他点运动轨迹相同，具有代表性[10]。

振动筛驱动机构矢量如图7所示，以曲柄回转中心O点为坐标原点，出料方向为x轴正方向，建立右手系直角坐标系。

建立闭环矢量方程，如公式（11）、（12）。

将公式（11）分解到直角坐标系中，整理得到四杆机构位移方程和公式（13）。解方程可得θ3和θ6。

对公式（13）求一阶导，得到四杆机构矩阵形式速度方程如公式（14）。解方程可得w3和w6。

对公式（14）求导可得四杆机构矩阵形式加速度方程如公式（15）。解方程可得α3和α6。

由于r6与r 9平行，可知θ6=θ9，w 6=w 9，α6=α9。振动筛上任意一点G的矩阵形式位移方程如公式（16）。

对公式（16）进行一次求导可得到G点矩阵形式速度方程，如公式（17）。

对公式（17）求导可得G点矩阵形式加速度方程，如公式（18）。

2.2 Simulink仿真模型

应用2.1的数学模型编制程序，利用Simulink模块建立仿真模型[11]，如图8所示。

2.3 仿真结果及分析

振动筛仿真初始参数如表2所示。

表2 振动筛机构参数Tab.2 Parameters of vibrating screen mechanism

从图9可以看出，运动轨迹为一段曲率极小的圆弧，可视为在做倾斜向上的抛掷运动；振动筛运动过程中水平方向的位移变化量约为60 mm，竖直方向的位移变化量约为23 mm，变化周期为0.2 s。

由图10、11可知，水平速度在-0.8～0.7 m/s范围周期变化，竖直速度在-0.37～0.34 m/s范围周期变化。

从图12、13可以看出，水平加速度在-22.47～25.10 m/s2范围周期变化，竖直加速度在-7.50～15.76 m/s2范围周期变化。

根据仿真结果，在0.185 s，G点坐标（-330.76，75.66），竖直速度达到最大值0.34 m/s，物料在筛面被抛起，离开筛面做斜抛运动。运动轨迹如图14所示，0.036 9 s后落回筛面，此时G点坐标（-304.94，87.24），物料绝对坐标（-293，87.24），竖直最大抛送高度为29.31 mm，水平方向向后位移11 mm，输送速度为0.298 1 m/s。结果表明，物料在筛板上跳动着向出料口方向移动，能够达到输送物料和筛分籽粒的要求。

3 清选装置性能试验

3.1 试验方法

3.1.1 试验装置与设备 2021年8月在山西省晋中市太谷区山西农业大学进行了5TG-1.0型燕麦脱粒机（图15）性能试验。

试验相关器材包括SW6016型风速计，型转速表，工具箱，簸箕，筛子，自封袋，标签，记号笔等。

试验燕麦品种为北燕1号，燕麦秸秆含水率为14.7%，籽粒含水率为13.5%，千粒质量为21.04 g。

3.1.2 性能参数测试方法 参照《GB/T 8097—2008 联合收割机试验方法》标准[12]，选取与清选系统相关性较大的吸风风机风口风速，筛板振动筛频率为试验变量。选择含杂率、风机损失、筛板损失3个响应作为评价指标。

3.1.2.1 含杂率 每组试验结束，出料口排出籽粒用簸箕收集，称质量。人工用簸箕清选籽粒后再次称质量，后一次质量占脱出第一次收集质量百分比为含杂率。

式中，Zy为含杂率（%）；m1为排料口排除籽粒质量（g）；m2为人工清选后籽粒质量（g）。

3.1.2.2 风机损失 风机出口中籽粒的质量占籽粒总质量的百分比为风机损失。式中，Sf为风机损失（%）；m3为风机出口损失籽粒质量（g）；m4为筛板末端损失籽粒质量（g）。

3.1.2.3 筛板损失 筛板出口中籽粒的质量占籽粒总质量的百分比为筛板损失。

式中，Ss为筛板损失（%）。

因目前国内关于燕麦收获相关研究较少，参考中华人民共和国农业行业标准《NY/T 995—2006 谷物（小麦）联合收获机械作业质量》[13]，本试验3个响应评价标准如表3所示。

表3 清选性能评价标准Tab.3 Evaluation criteria of cleaning performance

3.2 风机风速单因素试验

在脱粒滚筒转速361.26 r/min，脱粒间隙11.923 mm，清选筛为网眼尺寸4 mm×4 mm编织筛，振动筛频率为4.16 Hz的条件下，风机风速在0.5～2.5 m/s范围内调整，获取含杂率、风机损失和筛板损失的变化情况如图16所示。

由图16可知，含杂率随着风机风速增大而减小，风机损失随风机风速增加而增加，筛板损失随风机风速增加变化不大。含杂率在风速1.0 m/s后低于5%，达到预定要求；风机损失在0.5～1.0 m/s内低于5%，达到预期；筛板损失在2 m/s以下整体符合要求。综合考虑，风机风速在0.5～1.0 m/s时，符合清选要求。利用GLM法回归[14]，得到含杂率(Y1)、风机损失(Y2)、筛板损失（Y3)和风机风速（x）之间函数关系分别为：Y1=0.047 7-0.016 46x（P＜0.05，R2=0.816 3），Y2=-0.025 01+0.056 06x（P＜0.01，R2=0.985 7），Y3=-0.013 62+0.077 2x-0.052 5x2（P＜0.05，R2=0.999 0）。

3.3 振动筛频率单因素试验

本试验在脱粒滚筒转速361.26 r/min，脱粒间隙11.923 mm，清选筛为网眼尺寸4 mm×4 mm编织筛，风机吸风口风速1 m/s的条件下，振动筛频率在3.08～5.83 Hz范围内调整，获取含杂率、风机损失和筛板损失的变化情况，结果如图17所示。

由图17可知，含杂率随着振动筛频率增加而减小，风机损失随振动筛频率增加而减小，筛板损失随振动筛频率增大而增大。含杂率在振动筛频率达到13.5 Hz后低于5%，达到预期；风机损失整体低于5%，随振动筛频率增大而下降；筛板损失受影响最大，3.08～4.16 Hz内符合要求，4.16 Hz后损失急剧增大。综合考虑，振动筛频率在3.08～4.16 Hz内符合清选性能要求。利用GLM法回归，得到含杂率(Y4)、风机损失（Y5）、筛板损失（Y6）和振动频率（x）之间函数关系分别为：Y4=0.380 5－0.002 23x+0.000 03x2（P＜0.05，R2=0.951 2），Y5=0.064 6+0.000 101x（P＜0.05，R2=0.951 6），Y6=-0.206 4+0.001 045x（P＜0.05，R2=0.918 4）。

3.4 正交试验

本试验通过Design-Expert 8.0软件设计，所有试验因素采用-1（低）、0（中）、1（高）3个水平表示[15]，试验结果如表4所示。

表4 试验设计及结果Tab.4 Experimental design and results

由表5可知，风机风速（A）的P值＜0.001，对回归模型影响极显著，振动筛频率（B）的P值＜0.001，对回归模型影响极显著，互作效应AB的P值＜0.001，说明风机风速和振动筛频率对含杂率影响较大，互作效应极显著。

表5 含杂率方差分析Tab.5 Analysis of variance of impurity r ate

从表6可以看出，风机风速（A）的P值＜0.001，对回归模型影响极显著，振动筛频率（B）的P值＞0.05，对回归模型影响不显著，互作效应AB的P值＜0.001，说明风机风速对风机损失影响最大，振动筛频率不显著，二者的互作效应极显著。

表6 风机损失方差分析Tab.6 Analysis of variance of fan loss

由表7可知，风机风速（A）的P值＜0.001，对回归模型影响极显著，振动筛频率（B）的P值＜0.001，对回归模型影响极显著，互作效应AB的P值＜0.05，说明互作效应AB显著，且振动筛频率对筛板损失影响最大，同时受到风机风速的影响。

表7 筛板损失方差分析Tab.7 Analysis of variance of screen loss

对影响清选性能的风机风速（A）、振动筛频率（B）2个试验因素的交互作用进行3D响应曲面分析。从图18可以看出，风机风速逐渐变大时，含杂率随振动筛频率增大而减小。

从图19可以看出，当风机风速为0.5～1.0 m/s时，风机损失随振动筛频率增大而增大，当风机风速为1.0～1.5 m/s时，风机损失随振动筛频率增大而减小，交互作用明显。从图20可以看出，振动筛频率对筛板损失影响较大，风机风速影响不大，交互作用显著。

3.5 参数优化与验证试验

为得到最佳的试验台作业性能，利用Design-Expert 8.0软件分析试验结果，设定含杂率低于5%，风机损失低于5%，筛板损失低于5%。求解回归模型得到最优参数为：风机风速1.14 m/s，振动筛频率4.16 Hz，对应预测结果含杂率为4.651%，风机损失为1.685%，筛板损失为2.785%。

进行验证试验，试验结果及预测对比如表8所示，误差率不超过2%，表明预测模型可靠，试验最优解有效[16]，可用于后期机器田间试验。

表8 最优参数情况的试验结果与仿真对比Tab.8 Comparison of experimental results and simulations for optimal par ameter conditions

4 结论与讨论

根据燕麦脱出物分离要求，完成了气吸式筛分清选装置的结构设计和计算，完成了Simulink仿真模拟筛板运动规律，并对物料在筛板上的运动进行分析，结果表明，物料在筛板上做连续斜抛运动，最大抛送高度为29.31 mm，水平方向位移为11 mm，输送速度为0.298 1 m/s，可以持续输送和筛分物料。

单因素试验结果表明，含杂率随风机风速和振动筛频率增大而减小；清选损失随风机风速和振动筛频率增大而增大。在风机风速0.5～1.0 m/s，振动筛频率在3.08～4.16 Hz时，含杂率低于5%，风机损失和筛板损失均低于5%，达到预定要求。

利用Design-Expert 8.0软件设计响应面正交试验，通过响应曲面分析可知，风机风速和振动筛频率的交互效应对含杂率和风机损失影响较显著，对筛板损失不显著。同时获得了最优参数组合：风机风速1.14 m/s，振动筛频率4.16 Hz时，预测含杂率为4.651%，风机损失为1.865%，筛板损失为2.785%，清选装置清选性能最佳。验证试验结果表明，含杂率4.576%，风机损失1.707%，筛板损失2.700%，误差低于2%，模型可用。参数组合符合性能指标要求，可用于后期田间试验。

结合田间试验结果，虽然该清选装置可快速高效地筛分出脱粒物料中的籽粒与杂质，清选性能达到相关国家标准。但对比现有机型还存在一定不足，如相较于朱现学等[17]分析了不同谷物联合收获机清选风道的特点，并进行了验证试验，效果优良；刘师多等[18]的微型小麦联合收获机旋风分离清选系统，提出了新的清选思路。本研究对于清选系统气流系统研究不足，仅仅是对于风筛系统的叠加，后续改进空间还很大。同时本机智能化水平较低，对比蒋庆等[19]研究的稻麦联合收获机清选智能调控模型和周贤龙等[20]的基于传感器技术的谷物联合收获机清选损失监测系统，差距明显。因此，后续的工作开展要致力于理论化模型和智能系统共重。