沈宇峰，吳明亮,c，官春云，謝　偉

(湖南農業(yè)大學 a.工學院；b.南方糧油作物協同創(chuàng)新中心；c.湖南省現代農業(yè)裝備工程技術研究中心；d. 油料作物研究所，長沙　410128)

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小型聯合收獲機清選裝置研究現狀及發(fā)展對策

沈宇峰a,b，吳明亮a,b,c，官春云b,d，謝偉a

(湖南農業(yè)大學 a.工學院；b.南方糧油作物協同創(chuàng)新中心；c.湖南省現代農業(yè)裝備工程技術研究中心；d. 油料作物研究所，長沙410128)

摘要：我國小型聯合收獲機普遍存在收獲質量不高的問題，如何提高其清選裝置的清選效果是現階段工作的難點和重點。為此，通過研究國內外小型聯合收獲機清選技術與裝備表明，我國現用的清選裝置存在結構復雜及清選效果不理想等問題。由于清選裝置應向簡單高效、低耗適用綜合發(fā)展，因而提出了以氣流清選為主加強氣力流場的研究、借助先進的設計軟件尋求合理的參數組合、利用帕累托最優(yōu)法則尋找清選含雜率和損失率的最優(yōu)點、智能測產系統在清選裝置上的應用及協同攻關開發(fā)適用的清選裝置的對策和建議。

關鍵詞：小型聯合收獲機；清選裝置；發(fā)展對策

0引言

我國的糧食作物、油料作物和特色經濟作物主要分布在南方丘陵地區(qū)，耕地面積占全國耕地總面積的31.5%[1-4]。但由于丘陵山區(qū)農村特殊的地形地貌，基礎設施落后，農業(yè)水平較低，適用的小型農機具較少，農機農藝不配套，加之政府扶持力度不夠等因素，制約了其農業(yè)機械化的發(fā)展[5-10]；而南方丘陵山區(qū)的農業(yè)機械化的重點和難點在于收獲機械化。近年來，雖然研制出了一批針對丘陵山地特殊地理環(huán)境下的小型聯合收割機[11-15]，但受結構尺寸和配套功率的限制，其清選效果并不理想，仍然存在含雜率和損失率很難達到國家標準的問題[16]。因此，如何運用清選裝置得到清潔的籽粒，解決清選裝置含雜率和損失率之間的矛盾是小型聯合收獲機研發(fā)過程中亟待解決的問題。

1小型聯合收獲機清選概況

清選是作物收獲時不可或缺的環(huán)節(jié)，經脫粒裝置脫下的和經分離裝置分出的籽粒中，混有斷、碎莖稈、穎殼和塵土等細小夾雜物，清選裝置的作用是將這些雜物排出機外，得到清潔的籽粒[17-19]。清選是利用籽粒和雜質的物理機械性質的不同將它們進行分離的，根據清選原理可以分為以下3種：①篩選，根據籽粒與雜物尺寸大小的不同用篩子進行分離；②氣流清選，根據兩者空氣動力學特性的不同用氣流進行清選；③氣流篩子清選，結合篩子和氣流進行分離清選。

小型聯合收獲機的清選是一項技術性強、結構運動參數精確的作業(yè)，其清選效果受各種因素影響顯著。在我國機械化水平較低的地區(qū)，小型聯合收獲機上一般沒有配置清選裝置，而是通過人力進行輔助清選。此種清選方式勞動強度大、生產效率低，不能滿足現代清選技術的發(fā)展要求。為簡化整機結構和降低成本，在我國機械收獲水平相對較高的地區(qū)，一般采用氣流式清選裝置。氣流式清選裝置結構簡單、功耗小，適合配置在小型聯合收獲機上；但研制氣流清選的技術要求高，實際應用的機型較少，清選效果不夠理想。因此，適用于我國實際生產情況的小型聯合收獲機的清選裝置還有待進一步研究和開發(fā)。

2國內外研究動態(tài)

日本的地形地貌與我國南方丘陵地帶的地形地貌特征相似。20世紀90年代后期[20-21]，日本研制了久保田PRO型和洋馬人民號Ce-2型立式割臺半喂入式小型聯合收割機[22]。久保田PRO型的清選系統圖如圖1所示。其工作過程為：經脫粒濾網落下的物料在鼓風機和谷殼振動篩的作用下進行一次清選，一次清選后的物料在谷粒振動篩面上進行二次清選得到干凈的籽粒。洋馬人民號Ce-2型清選系統如圖2所示[24]。其清選裝置采用雙風道雙層振動篩對物料進行清選，輔以風扇自動調節(jié)裝置，能夠根據物料的情況，自動調節(jié)風扇風量，使清選風扇處于較佳的工作狀態(tài)，進而保證其高效的工作過程。兩種機型均為半喂入式縱軸流脫粒，且配有特制的大功率清潔發(fā)動機，給風篩清選裝置保留了充足的結構空間和配套功率。

圖1　久保田PRO型聯合收割機清選系統

圖2　洋馬人民號Ce一2型聯合收割機清選系統

國外其他國家的一些小型聯合收獲機主要是以小區(qū)育種聯合收獲機為主，對收獲籽粒的要求較高，即不傷種、不漏種和不混種[23-25]。目前，由德國黑格公司(HEGE)和奧地利溫特斯泰格公司(wintersteiger)等設計生產的小區(qū)育種聯合收獲機可實現作物的高效和高純度的收割作業(yè)[26]。以溫特斯泰格公司生產的Classic型小區(qū)育種聯合收獲機為例，其清選系統由風機、清選篩、氣流輸送裝置、旋風分離器等組成，工作過程為：經凹板篩落下的物料在風機和清選篩的作用下經過一次清選，清選后的物料在氣流輸送裝置的作用下進入到旋風分離器中經過二次清選，以保證籽粒的高清潔率[27]。其清選風機上裝有特有的風量適配器和數字式轉速顯示器，清選篩上有風量導板，以保證清選篩面上的最佳風力分布。此種清選裝置適用于小區(qū)育種收獲機械，收獲作業(yè)的田塊要求小而規(guī)整，其生產效率、作業(yè)成本和制造成本等難以實現田間機械化作業(yè)，但其清選裝置的智能化程度對我國有一定的指導意義，目前在我國還處于研發(fā)和試驗階段[28-31]。

我國地域遼闊，地形地貌的復雜性決定了我國聯合收獲機發(fā)展的多樣性。其中，小型聯合收獲機因結構簡單、轉移靈活、造價低等特點，在聯合收獲機市場中具有不可取代的地位。我國對小型聯合收獲機的研究自20世紀90年代后期開始,而自走輪式小型聯合收獲機就是一種結構簡單、體積小、質量輕、操縱靈活和轉移方便的機具，但其沒有清選裝置[27],因而收獲的谷物存在含雜率高等問題，制約了我國小型聯合收獲機的進一步發(fā)展。

為提高小型聯合收獲機的收獲質量，一些科研單位和企業(yè)也研制出了一些清選裝置配備在小型聯合收獲機上。貴州大學的尹健等[32]設計了一種圓筒篩清選裝置，其結構如圖3所示。其工作過程為：待清選的物料從進料口進入內篩筒,在內篩筒的旋轉作用下,細小的籽粒和穎糠通過內篩孔而落下，在外篩面螺旋面的作用下被推向凈糧出口。此種清選裝置結構緊湊、構思巧妙，但當喂入量稍大或作物的濕度或草谷比相對較大時，其篩孔還是很容易堵塞，且穎糠無法清選。李耀剛等[33]研制出了一種利用負壓氣流進行清選玉米籽粒的清選裝置，結構簡如圖4所示。其工作過程為：經脫粒滾筒脫下的物料，在凹板篩的作用下清選分離較大的雜質，落下的物料在吸風機的作用下清選分離出較小的輕雜物，然后由風機口排出機外。此種清選裝置適用于雜質與籽粒的懸浮速度差異很大的物料，設計新穎、布局合理，結構緊湊。其對含水率較小的物料清選效果較好；對于含水率較大的物料，清選效果和單位功率生產率將會有所下降。晉城市農機推廣站的張巧蓮[34]研制出了一種離心式氣流清選裝置，結構大為簡化，但其清選效果不好，容易堵塞，不便于拆卸清理。山東工程大學設計的[35]4ZLS—5型小型聯合收割機，清選裝置只配備了清選風機,導致清選不干凈。陳錚等[36]將單風道風機加雙層振動篩的清選裝置改為雙風道風機加雙層振動篩的形式，在不附加雜余回收機構的條件下,可保證其清選損失率和含雜率在允許的范圍內；但其結構形式相對復雜，功耗相對較高，配置在小型聯合收獲機上稍顯牽強。近年來，農機科技工作者們逐步將重點放在氣流式清選裝置上，并進行了大量試驗，為氣流式清選裝置的研究提供了理論依據和技術支持。

1.固定支架　2.滾筒軸　3.軸承　4. 進料口　5.右端蓋

1.喂料斗橡膠板　2.喂料斗　3.脫粒滾筒　4.機蓋　5.凹板

3氣流清選的原理及發(fā)展趨勢

3.1　氣流清選的原理及分類

由于氣流式清選裝置具有結構簡單、功耗小、配置方便的特點，決定了氣流式清選裝置在我國小型聯合收獲機的運用上具有一定的前景。氣流清選裝置是風選裝置的深化，其原理是利用不同物質在氣流場中運動狀態(tài)和受力狀態(tài)不同，在氣流作用下產生不同的軌跡從而將它們分離。根據氣流運動狀態(tài)的不同，可將氣流清選裝置分為吹出型清選裝置、吸入型風扇式清選裝置和旋風分離式清選裝置。

吹出型清選裝置的清選風扇位于后方,混合物料沿滑板在出風口前落下,輕雜物沿風道被吹走,籽粒靠重力穿過氣流場進入集谷裝置,如圖5所示。其氣流風道的截面積一般比風扇出口的面積大很多,以便在出風口處把混合物料吹散,在風道中氣流擴散減速時被帶走的谷粒沉淀下來。

圖5　吹出型清選裝置

吸入型風扇式清選裝置是由風扇產生的氣流,從谷?；旌衔镂谷肟趆l和谷粒出口h2吸入,和輕雜物一起排除機外,如圖6所示。上風道入口H處的吸引風速為12～15m/s,在擴散段內,風速降低至4m/s以下。吸入型的作業(yè)條件比較干凈,但所需功率較大,清選質量受風扇轉速的影響較敏感[17]。

1.1. 調節(jié)板　2.滑板　3.吸引風扇

旋風分離器式清選裝置由吸雜風機、旋風分離系統及送料系統3大部分組成。其中，旋風分離系統由吸雜管道、旋風分離筒等組成，送料系統由揚谷器等組成。其工作原理是根據籽粒和雜質在旋風氣流中受力的差異性來進行清選作業(yè)的[37-41]。

3.2　氣流清選的發(fā)展趨勢

氣流清選的根本原理是利用籽粒與雜質的懸浮速度的差異性來進行清選物料的，因此清選裝置內部的氣力流場分布的合理與否是物料能否高效分離的關鍵所在，而氣力流場的分布狀況依賴于清選裝置的結構參數和運動參數的選取。由于經濟條件和技術條件的制約，現有的氣流清選裝置大部分只考慮了運動參數(如風機轉速等)對清選效果的影響，而忽略了結構參數的影響。因而，今后氣流清選的重點是結合物料的農藝特性，綜合考慮結構參數和運動參數對物料清選效果的影響，利用智能測產系統對物料的清選過程進行實時監(jiān)控并反饋調節(jié)，開發(fā)出廣適用、高效的氣流清選裝置。

4發(fā)展對策和建議

4.1　以氣流清選為主，加強氣力流場的研究

我國現行小型聯合收獲機的結構特點和技術要求決定了在今后的一段時間內其清選裝置大多以氣流清選為主。由于氣流清選裝置內部的氣力流場的分布狀況相對復雜且很難通過實驗的手段測得(主要是成本與精確度之間的矛盾)，使得我國現行的大多數氣流清選裝置缺乏對其內部氣力流場的研究,而氣力流場的研究對氣流清選裝置的優(yōu)化改進有一定的指導作用。

4.2　借助先進的設計軟件，尋求合理的參數組合

影響清選效果的因素很多，不僅要考慮清選裝置結構參數的影響，還要兼顧其運動參數的影響。若要科技人員進行試驗、計算和分析去完成的話，其經濟成本、時間成本、人力成本將大大增加，且試驗效果也不一定理想。這時可借助于先進的設計軟件進行虛擬試驗，尋求合理的參數組合，然后進行試驗驗證，不僅節(jié)約了成本，還保證了一定的試驗精度。如在對旋風分離器式清選裝置進行試驗設計時，可借助于CFD-EDEM的軟件耦合進行虛擬試驗，根據虛擬試驗結果進行臺架試驗驗證，以尋求合理的參數組合。

4.3　利用帕累托最優(yōu)法則，尋找清選含雜率和損失率的最優(yōu)點

清潔率和損失率本身是一對矛盾體，我國現有的小型聯合收獲機普遍存在這樣的問題。例如，我國江浙地區(qū)的小型聯合收獲機的清潔率較好，但損失嚴重；中原地區(qū)的小型聯合收獲機其損失率較小，但其清選效果不夠理想。這時可以利用帕累托最優(yōu)法則，尋找其清選含雜率和損失率的最優(yōu)點，即在不使含雜率和損失率變壞的狀態(tài)下，至少使得這兩者中一個的狀態(tài)變好。

為降低清選含雜率和損失率，本文結合實際，提出如下幾項改進措施：增設二次回收裝置，進行二次清選，降低損失率；加強清選裝置新型材料應用，如聚氨酯彈性體耐磨篩網的應用。

4.4　智能測產系統在清選裝置上的應用

智能測產系統是基于傳感器技術、微處理器技術、GPS技術和系統集成技術的現代農業(yè)裝備技術，可將其運用在清選裝置上，對清選裝置后方排出物中的物料進行實時測定，反饋調節(jié)其喂入量、喂入速度和風機轉速，以保證其清潔率和損失率在允許的范圍內。

4.5　協同攻關，開發(fā)適用的清選裝置

迄今為止，我國還沒有一種性能良好、通用性強的小型聯合收獲機清選裝置，大多停留在專利階段。因此，農機工作人員要密切與相關領域的專家交流合作，因地制宜地開發(fā)出適用性強的清選裝置。

5結論

1)我國的小型聯合收獲機普遍存在清選質量不高的問題，如何提高清選裝置的清選效果已成了小型聯合收獲機研發(fā)過程中亟待解決的關鍵問題之一。

2)與發(fā)達國家相比，我國小型聯合收獲機的清選裝備還很落后，對清選裝置的運用具有一定的盲目性和隨機性，應從理論研究和設備研發(fā)方面加強攻關。

3)提高小型聯合收獲機清選效果的主要途徑應從以氣流清選為主加強氣力流場的研究、借助先進的設計軟件尋求合理的參數組合、利用帕累托最優(yōu)法則尋找清選含雜率和損失率的最優(yōu)點、智能測產系統在清選裝置上的應用及協同攻關開發(fā)適用的清選裝置等幾方面考慮。

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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

中圖分類號：S233.4

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0263-06

作者簡介：沈宇峰(1991-),男，湖北隨州人，碩士研究生，(E-mail) 359736619@qq.com。通訊作者：吳明亮(1972-)，男，湖南常寧人，教授，博士生導師，(E-mail)mlwu@hunau.edu.cn。

基金項目：湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2015B277)；農業(yè)科技成果轉化資金項目(2014GB2D200230)；湖南省政府重大專項(湘府閱[2014]35號)

收稿日期：2015-09-15