徐立章 李 洋 李耀明 柴曉玉 仇 解

(江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

谷物聯(lián)合收獲機主要用于收獲水稻、小麥、玉米、谷子等糧食作物以及油菜、大豆等部分經(jīng)濟作物，在田間一次作業(yè)可完成切割、脫粒、分離、清選、裝袋或隨車卸糧等若干項工序。聯(lián)合收獲機技術(shù)發(fā)展水平是體現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的一個重要標志。清選裝置作為聯(lián)合收獲機的“消化系統(tǒng)”，其性能直接影響整機的工作性能與效率，其功用是將經(jīng)脫粒裝置脫粒分離出的脫出混合物中的穎殼、斷穗、短莖稈等雜余清出機外，以獲得干凈的籽粒，清選后的籽粒含雜率和損失率也是衡量聯(lián)合收獲機產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標[1]。近年來，國外大型聯(lián)合收獲機的清選裝置已基本實現(xiàn)信息化，國內(nèi)大部分產(chǎn)品還處于對傳統(tǒng)清選裝置進行升級改裝的階段。目前，部分科研機構(gòu)、高校、農(nóng)機企業(yè)等開始研究信息化、智能化清選裝置，并取得了諸多成果，為我國聯(lián)合收獲機清選裝置的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

然而，隨著聯(lián)合收獲機的割幅不斷增大、農(nóng)作物單產(chǎn)不斷提高，清選裝置性能已成為大喂入量工作環(huán)境下制約聯(lián)合收獲機工作效率提高的主要因素，因此有必要對現(xiàn)有清選技術(shù)與裝置進行深入的分析和探討。本文從清選裝置結(jié)構(gòu)、清選裝置內(nèi)部氣流場和物料運動、清選裝置智能化等方面，對國內(nèi)外清選裝置的研究現(xiàn)狀進行總結(jié)，并對未來發(fā)展方向加以展望，以促進聯(lián)合收獲機清選裝置不斷改進與升級，滿足現(xiàn)代化收獲作業(yè)的要求。

1 清選裝置結(jié)構(gòu)研究進展

1.1 典型清選裝置結(jié)構(gòu)

清選裝置的總體結(jié)構(gòu)按其工作原理分為氣流式和風(fēng)篩式兩大類(如圖1所示)。氣流式清選裝置是根據(jù)待清選脫出混合物(簡稱脫出物)的空氣動力特性進行清選，如氣吸式、氣吹式、旋風(fēng)分離式[2]等純氣流式清選裝置；風(fēng)篩式清選裝置是利用氣流和篩子配合進行清選，即風(fēng)篩式清選裝置，相對應(yīng)的風(fēng)機類型有離心式風(fēng)機、橫流式(貫流式)風(fēng)機等，篩子類型有魚鱗篩、沖孔篩、編織篩、圓筒篩等[3]。對市場上112臺不同品牌、不同型號的聯(lián)合收獲機采用的清選裝置進行調(diào)研與統(tǒng)計后，得出清選裝置不同總體結(jié)構(gòu)所占比例，其中風(fēng)篩式清選裝置最為廣泛，占比約93%，因為這種清選裝置具有適應(yīng)性強、清選效率高、清選后的籽粒含雜率低等優(yōu)點。而采用單純氣流清選原理的清選裝置較少，僅占7%左右，且均為小型(約占總量2.7%)或微型(約占總量4.3%)聯(lián)合收獲機，額定喂入量均在2 kg/s以下，常用于山區(qū)、丘陵或微小田塊的收獲作業(yè)。雖然純氣流清選裝置有結(jié)構(gòu)簡單、清選室體積小、振動與噪聲小等優(yōu)點，但其受結(jié)構(gòu)和功率的限制，只依靠氣流難以將長莖稈或濕度較大的雜余清除干凈，含雜率較高，籽粒輸送器易發(fā)生堵塞，清選效果并不理想[4-5]，僅適用于作物喂入量較小的工況或中大型聯(lián)合收獲機難以到達的環(huán)境使用。對上述聯(lián)合收獲機采用的典型清選裝置結(jié)構(gòu)進行總結(jié)，如表1所示。

圖1 清選裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Overall structure diagrams of cleaning device1.清選筒 2.倒錐擋筒 3.風(fēng)門 4.吸風(fēng)管 5.吸風(fēng)機 6.抖動板 7.魚鱗篩 8.編織篩 9.離心式風(fēng)機 10.籽粒輸送器

1.2 風(fēng)機結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有聯(lián)合收獲機清選裝置中使用的風(fēng)機一般屬于低壓中速風(fēng)機(全壓小于1 kPa，出口氣流速度小于等于20 m/s)[12]，其主要原理是利用脫出混合物中各成分的漂浮特性不同，使氣流的作用力大于莖稈等雜余而小于籽粒的重力、摩擦力，以便把脫出混合物吹散、分層。目前，國內(nèi)外聯(lián)合收獲機采用的風(fēng)機結(jié)構(gòu)主要分為離心式、橫流式(貫流式)兩種，二者的區(qū)別在于：離心式風(fēng)機的氣流按照平行于運轉(zhuǎn)軸的方向，從軸心處注入葉輪，經(jīng)過加速后以垂直于運轉(zhuǎn)軸的方向離開風(fēng)機，具有風(fēng)壓大、送風(fēng)距離遠、風(fēng)量集中等特點；橫流式風(fēng)機的氣流從垂直于運轉(zhuǎn)軸的方向注入葉輪，其葉輪軸向?qū)挾冗h大于葉輪直徑，經(jīng)過加速后同樣以垂直于運轉(zhuǎn)軸方向離開風(fēng)機，具有軸向長度不受限制、橫向出風(fēng)較均勻、壓頭損失較大等特點。

表1 典型清選裝置結(jié)構(gòu)Tab.1 Typical cleaning device structure

通過對112臺聯(lián)合收獲機樣本進行統(tǒng)計，得出目前聯(lián)合收獲機大多采用離心式風(fēng)機的結(jié)構(gòu)，占比約為77%，少部分采用橫流式風(fēng)機的結(jié)構(gòu)或離心式加橫流式組合式結(jié)構(gòu)。采用橫流式風(fēng)機結(jié)構(gòu)的聯(lián)合收獲機中僅有極小一部分能收獲水稻，約占總量的3.6%，其余用來收獲小麥、玉米等旱作物，主要是因為橫流式風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)壓相對于離心式風(fēng)機較低、氣流衰減較快，對潮濕的水稻莖稈、籽粒、雜余等混合物進行有效分層與吹散的效果較差。采用離心式加橫流式組合式結(jié)構(gòu)的聯(lián)合收獲機市場占比約為8%，僅應(yīng)用在一些半喂入式水稻聯(lián)合收獲機上，且離心式均作為主吹出風(fēng)機、橫流式均作為輔助吸風(fēng)機，如久保田公司生產(chǎn)的PRO488型半喂入式水稻聯(lián)合收獲機。為提高清選裝置中風(fēng)機的效率、橫向氣流分布均勻性，減少氣流衰減等，相關(guān)學(xué)者對風(fēng)機結(jié)構(gòu)方面做了一系列的研究。

1.2.1離心式風(fēng)機結(jié)構(gòu)

(1)蝸殼

在遠離風(fēng)機出風(fēng)口的蝸殼前部設(shè)置若干個進風(fēng)孔，可通過進風(fēng)孔增大進風(fēng)量，在整個出風(fēng)道范圍內(nèi)使風(fēng)量和風(fēng)壓分布均勻，緩解物料在篩面的堆積問題[13]；研究聯(lián)合收獲機風(fēng)機的蝸殼擴張角、蝸舌距離，發(fā)現(xiàn)擴張角和蝸舌距離對效率及噪聲影響很大，通過試驗確定合理的擴張角應(yīng)與氣流出口角相等，最適宜的蝸舌距離與葉輪直徑的比值應(yīng)為0.077～0.094[14]；提出一種聯(lián)合收獲機所用的具有橫流進風(fēng)口的離心式風(fēng)機，利用熱線式風(fēng)速儀對出風(fēng)口風(fēng)速進行了測量，通過研究風(fēng)機出風(fēng)口處的速度分布等參數(shù)得出此風(fēng)機能夠有效解決物料堆積問題[15]；陳德俊團隊設(shè)計了一種蝸殼為圓錐形的離心式清選風(fēng)機，該風(fēng)機的葉輪大端與小端的壓力差可產(chǎn)生一定的橫向風(fēng)速，在橫向方向上形成了非均布氣流，可解決橫置軸流式脫粒分離裝置的脫出物在縱置的振動篩面上初始分布不均勻的問題[16-18]。

(2)葉輪

John Deere公司設(shè)計了一種卷翼型清選風(fēng)機，其葉輪由12片獨立相同的卷翼型葉片組成，葉片通過幅盤連接為“前向后傾”的結(jié)構(gòu)形式，此種風(fēng)機的工作噪聲小、進氣損失小、出風(fēng)口橫向氣流分布均勻，能使聯(lián)合收獲機的喂入量在原來基礎(chǔ)上提高0.5 kg/s左右[19]；New Holland公司TC5060型聯(lián)合收獲機的風(fēng)機采用了一種由6片加寬型葉片組成的葉輪，該離心式風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)量更為強勁且均勻，覆蓋范圍較大，能夠有效減輕上篩與下篩負荷，非常適合在工作負荷大的環(huán)境下使用[20]；提出一種離心-軸流組合式風(fēng)機，在傳統(tǒng)離心式風(fēng)機葉輪兩端葉片切角的位置上安裝了軸流葉片，試驗表明采用此風(fēng)機的聯(lián)合收獲機損失率相較以前減少0.2%、含雜率減少0.4%[21]；通過研究不同葉輪的風(fēng)機模型，包括四葉片有傾角、四葉片無傾角、六葉片有傾角和六葉片無傾角模型，得出風(fēng)機葉片數(shù)為6片且無傾角時，橫向氣流分布相對比較均勻[22]。

(3)多出風(fēng)口/風(fēng)道

研究上下風(fēng)道風(fēng)速及其方向角對稻、麥混合物清選損失的影響規(guī)律，用最優(yōu)化方法計算出最佳工作參數(shù)值[23-26]；設(shè)計一種與斜置切縱流聯(lián)合收獲機清選裝置相匹配的雙出風(fēng)口多風(fēng)道離心式風(fēng)機，該風(fēng)機的多道吹出氣流可有效對脫出混合物進行分層，如圖2所示[27-28]；對采用雙出風(fēng)口四風(fēng)道和單出風(fēng)口三風(fēng)道離心風(fēng)機的清選裝置進行對比分析，得出雙出風(fēng)口四風(fēng)道離心風(fēng)機產(chǎn)生的氣流對收獲大喂入量工況具有更好的適應(yīng)性[29]；提出一種雙風(fēng)道六出風(fēng)口離心式風(fēng)機，分析了風(fēng)機轉(zhuǎn)速、風(fēng)機入射傾角等參數(shù)的最優(yōu)組合[30]。

圖2 雙出風(fēng)口多風(fēng)道離心式風(fēng)機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of multi-duct centrifugal fan with double outlets

1.2.2橫流式風(fēng)機結(jié)構(gòu)

(1)蝸殼

對兩種不同蝸殼的橫流風(fēng)機(圖3)內(nèi)部流場進行了非侵入式高分辨率測量，得出蝸殼內(nèi)部空間充裕、進風(fēng)口處蝸殼和葉輪間距較小的橫流風(fēng)機內(nèi)部的風(fēng)速和風(fēng)壓更高，此種蝸殼結(jié)構(gòu)有利于提高清選裝置的效率[31]。

圖3 兩種不同蝸殼的橫流式風(fēng)機Fig.3 Cross-flow fans with two different volutes

(2)葉輪

對橫流式風(fēng)機的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)葉片外切角取15.33°時性能較好，能滿足聯(lián)合收獲機1.5 kg/s的清選負荷[32]；設(shè)計一種采用前向圓弧葉片的橫流式風(fēng)機，并通過試驗證明此風(fēng)機的葉輪產(chǎn)生的氣流速度更均勻[33]；設(shè)計一種橫流風(fēng)機所用的人字變斜式葉輪，并根據(jù)人字變斜式葉輪優(yōu)化蝸殼幾何形狀，通過試驗表明該風(fēng)機滿足預(yù)清選和風(fēng)篩清選流場分布要求[34]。

(3)多出風(fēng)口/風(fēng)道

采用雙風(fēng)道橫流式風(fēng)機作為谷物聯(lián)合收獲機的風(fēng)源，增大了氣流吹出面積，更適應(yīng)高速收獲作業(yè)[35]。在清選裝置風(fēng)機結(jié)構(gòu)方面，相關(guān)學(xué)者針對離心式的研究較多，通過優(yōu)化風(fēng)機蝸殼、葉輪，采用多出風(fēng)口或多風(fēng)道結(jié)構(gòu)等方法，使清選裝置的風(fēng)機性能、效率、出風(fēng)口氣流均勻性有了較大的提升，更加適合聯(lián)合收獲機復(fù)雜的收獲環(huán)境和大喂入量工況。但目前橫流式風(fēng)機研究和應(yīng)用都較少，這是因為其產(chǎn)生的風(fēng)壓相對于離心式風(fēng)機較低，較難對潮濕混合物進行有效分層和吹散。在今后的研究中，可以綜合離心式和橫流式風(fēng)機優(yōu)點進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，或研發(fā)參數(shù)可調(diào)的通用型風(fēng)機，以適應(yīng)不同的收獲作物或不同喂入量環(huán)境。

1.3 清選篩及其驅(qū)動機構(gòu)

清選篩是風(fēng)篩式清選裝置核心部件之一[36]，籽粒將透過篩面小孔被分離出來，而莖稈、雜余等無法穿透篩面小孔被排出。如圖4所示，聯(lián)合收獲機常用的清選篩有：①魚鱗篩，單篩的清選效果不理想，一般作為多層振動篩中的上篩使用，主要用于清除脫出混合物中的長莖稈等大雜余。②沖孔篩，在鍍鋅薄鋼板上沖孔而成，孔的形狀一般為圓形或長方形，篩分物料精準，篩孔不易變形，一般作為下篩使用，但有效面積小，不適宜于負荷大的清選工作。③編織篩，用鍍鋅鐵絲編織而成，結(jié)構(gòu)簡單，有效面積大，但篩分物料不精準，篩孔容易變形，一般作為下篩使用。④魚眼篩(貝殼篩)，只能單向篩選，向后推送輕雜物能力強，但效率較低，不適宜于負荷大的清選工作。⑤圓筒篩，工作部分為圓筒形，整個篩子繞筒體軸線回轉(zhuǎn)，工作平穩(wěn)、振動小、噪聲低，但是其篩孔易堵塞、篩分效率低。

圖4 清選裝置各類型篩子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematics of various types of screen for cleaning device

清選篩的性能及效率與其篩面結(jié)構(gòu)、形狀、材料等相關(guān)，此外清選篩的運動形式(往復(fù)式、回轉(zhuǎn)式、多維振動篩)也是顯著影響清選性能的因素，為進一步提高清選篩對大喂入量收獲環(huán)境的適應(yīng)性，防止發(fā)生堆積、堵塞、黏附現(xiàn)象，相關(guān)學(xué)者對其做了大量的研究。

1.3.1往復(fù)式振動篩

(1) 篩面結(jié)構(gòu)

進行基于平面篩面和凸柱篩面的谷物篩分實驗，結(jié)果表明凸柱篩面有利于提高谷物的篩分效率和透篩率，但凸柱率不宜過大[37]；針對仿生非光滑油菜沖孔篩篩面進行研究，并和普通清選篩進行了田間對比試驗，發(fā)現(xiàn)細小油菜物料不易與仿生非光滑篩面充分接觸，起到減粘作用，仿生凸包的減粘作用較仿生凹坑明顯(圖5)[38]；王立軍團隊[39-40]對玉米振動篩的篩面結(jié)構(gòu)及參數(shù)進行研究與試驗，以貝殼篩篩體結(jié)構(gòu)為主要研究對象，得出各因素對篩分效率的影響由強到弱順序為篩孔高度、篩孔縱向間距、篩孔長度；設(shè)計了貝殼圓孔組合孔篩體，組合孔篩的籽粒損失率比圓孔篩和貝殼篩分別減少了5.79%和7.84%。

圖5 油菜篩面仿生凸包和凹包示意圖 Fig.5 Schematic of bionic convex and concave packs on rapeseed sieve surface

(2)形狀

設(shè)計了一種聯(lián)合收獲機圓孔波浪型水稻清選篩裝置，其上篩板為波浪型的篩板，上面均布有圓形篩孔，此清選篩不易堵塞，故障少，收集的籽粒干凈[41]；提出一種正弦曲線玉米編織篩，試驗表明正弦曲線篩可實現(xiàn)對雜余的快速推移，并提高籽粒透篩概率，籽粒清潔率可達98.07%[42]。

(3)材料

采用新型聚氨酯橡膠篩代替金屬篩，仿真表明聚氨酯橡膠篩更有利于玉米混合物的分散，進而提高篩面的使用效率，但尚未得到實際應(yīng)用[43]。

1.3.2多維振動篩

提出可實現(xiàn)三平移兩轉(zhuǎn)動運動的各種機構(gòu)組合方式，此外推導(dǎo)出三平移兩轉(zhuǎn)動機構(gòu)的運動數(shù)學(xué)模型，為多維振動篩的設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)[44]；利用LS-DYNA研究兩種新型多維運動篩面上籽粒的運動情況，通過物料分散性試驗表明兩種新型多維篩面運動形式有利于提高篩分效率[45]；設(shè)計基于并聯(lián)機構(gòu)的多維振動篩分裝置，獲得了多個工況下物料顆粒的篩分性能指標以及物料在篩面上的運動規(guī)律[46]；提出具有不同初始相位的三維并聯(lián)水稻振動篩模型并進行了運動學(xué)分析，并開展了多因素正交試驗分析，采用最佳組合參數(shù)后篩分效率提高62.02%，含雜率降低53.85%[47]；研究基于并聯(lián)機構(gòu)振動篩的8種組合運動形式對谷物篩分的影響規(guī)律，提出篩分效果的評定方法，為多維振動篩面運動形式的選擇提供了參考[48]；對三移動兩轉(zhuǎn)動玉米振動篩(圖6)的驅(qū)動機構(gòu)進行優(yōu)化，試驗表明，玉米籽粒在該機構(gòu)篩面上的透篩率比其在平面往復(fù)振動篩上的透篩率提高了5.75%[49]。

圖6 三移動兩轉(zhuǎn)動玉米振動篩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic of corn vibrating screen with three translations and two rotations1.上篩 2.機架 3.上導(dǎo)桿 4.限位桿 5.V型桿 6.側(cè)板 7.下篩 8.主軸 9.T型桿 10.偏心輪 11.連桿 12.搖桿 13.支撐桿 14.下導(dǎo)桿 15.吊桿 16.球鉸 17.活動連桿

在清選篩研究方面，相關(guān)學(xué)者多針對振動篩進行研究，針對圓筒篩研究較少，這是由于圓筒篩易堵塞、篩分效率低，難以適應(yīng)大喂入量和潮濕作物等作業(yè)環(huán)境，采用圓筒篩的聯(lián)合收獲機較少也說明了它的局限性。目前，振動篩篩面結(jié)構(gòu)方面的研究大都在宏觀上，從微觀上對篩面的材料或結(jié)構(gòu)進行的研究不多，運用也不成熟。在多維振動篩方面，其普遍存在著驅(qū)動機構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性不高等問題，還未開始實際運用。在今后研究中，可重點針對篩面進行仿生學(xué)研究，使其具有減粘作用，更適用于潮濕作物的收獲；優(yōu)化多維振動篩的驅(qū)動機構(gòu)，減少安裝復(fù)雜度，降低成本；開發(fā)自適應(yīng)地形、可自動偏轉(zhuǎn)角度的振動篩等。

1.4 清選裝置結(jié)構(gòu)配置

為在有限的清選室空間內(nèi)不斷提高清選裝置的性能和效率，增強清選裝置對大喂入量、高含水率、高草谷比等收獲環(huán)境的適應(yīng)性，相關(guān)學(xué)者對清選裝置結(jié)構(gòu)配置做了大量的研究。

(1)氣流式清選裝置結(jié)構(gòu)配置

師清翔團隊對適用于微型、小型聯(lián)合收獲機的清選裝置研究較為深入，設(shè)計的一系列氣流式清選裝置具有體積小、振動低、功耗低的特點，而且清選性能滿足收獲要求[50-53]。

(2)風(fēng)機振動篩結(jié)構(gòu)配置

通過研究上層振動篩和抖動板之間上風(fēng)道的合適高度，得出合適的上風(fēng)道高度可使上層振動篩的物料移動速度增加，籽粒損失減少[54]；將兩個離心式風(fēng)機分別安裝于振動篩的上方和下方，通過理論和試驗研究了上風(fēng)機出風(fēng)口平均風(fēng)速和出風(fēng)口高度對清選效果影響，得出風(fēng)機最優(yōu)的參數(shù)組合[55]；采用兩個斜向放置的橫流式風(fēng)機作為清選裝置的風(fēng)源，并且驗證了這種新型結(jié)構(gòu)的有效性，其產(chǎn)生的橫向氣流比較穩(wěn)定、均勻[56]；在振動篩后部下方安裝一個小型離心式風(fēng)機，如圖7所示，主要吹向尾篩篩面，以提高尾篩篩面的風(fēng)速，可有效輔助清選篩排出短莖稈，提高清選效果[57]；對清選裝置中具有流線型結(jié)構(gòu)的弧板作為下抖動板進行分析，通過田間對比試驗得出此流線型弧板對篩前段氣流速度的提高具有明顯效果[58]；在抖動板上安裝隔板導(dǎo)流條，發(fā)現(xiàn)雙隔板抖動板物料分布較單隔板抖動板均勻，更加有利于篩分作業(yè)[59]。

圖7 雙風(fēng)機清選裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structural diagram of double-fan cleaning device1.前風(fēng)機 2.波紋板 3.上風(fēng)口 4.中風(fēng)口 5.下風(fēng)口 6.上篩 7.下篩 8.后風(fēng)機 9.后風(fēng)口 10.尾篩

(3)風(fēng)機圓筒篩結(jié)構(gòu)配置

廖慶喜團隊設(shè)計了一種由差速圓筒篩與旋風(fēng)分離清選裝置組成的清選系統(tǒng)，振動小且可有效提高清選性能，田間試驗表明清選系統(tǒng)籽?？倱p失率平均值為5.9%，滿足油菜聯(lián)合收獲清選需要[60-61]；設(shè)計圓筒篩式谷子清選裝置，該裝置主要由圓筒篩裝置、橫流風(fēng)機和離心風(fēng)機等組成，經(jīng)過試驗表明該裝置籽粒含雜率與總損失率均低于傳統(tǒng)風(fēng)機圓筒篩式清選裝置[62]。

對聯(lián)合收獲機清選裝置結(jié)構(gòu)配置的研究大都集中在多風(fēng)機、多層振動篩、抖動板等，大部分是針對風(fēng)篩式清選裝置進行研究，相關(guān)學(xué)者在傳統(tǒng)單風(fēng)機、單層振動篩清選裝置基礎(chǔ)上，通過研究增加風(fēng)機數(shù)量，如在橫向方向上兩個或兩個以上的風(fēng)機串聯(lián)，在篩尾增加吸、吹風(fēng)機等；通過研究多層振動篩，如兩層或兩層以上的不同篩面篩子、階梯振動篩等；通過研究布置抖動板及導(dǎo)流條等方案來提高清選裝置的性能和效率。純氣流式清選裝置的局限性和缺點較明顯，故研究與應(yīng)用較少。此外，風(fēng)機加圓筒篩的結(jié)構(gòu)由于清選后的含雜率較高、易堵塞等，應(yīng)用范圍受到限制。雖然風(fēng)機加振動篩作為應(yīng)用最廣泛的清選裝置結(jié)構(gòu)發(fā)展已較為成熟，但是仍然普遍存在振動大、噪聲大的缺點，這是由于其驅(qū)動機構(gòu)為偏心輪機構(gòu)或曲柄搖桿機構(gòu)等、運動形式為往復(fù)式等造成，在后續(xù)的研究中可根據(jù)此問題進行改進，如優(yōu)化振動篩的導(dǎo)輪和滑軌、減輕振動篩的重量、采用新型驅(qū)動機構(gòu)等。

2 清選裝置內(nèi)部氣流場和物料運動研究進展

2.1 氣流場研究

氣流場和清選性能有著密不可分的關(guān)系，優(yōu)化清選裝置內(nèi)部氣流場的分布對提高清選裝置的性能有著重要的意義。隨著計算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展和完善，相關(guān)學(xué)者開始利用其研究清選裝置內(nèi)部氣流場，再結(jié)合試驗測量，得出氣流場分布模擬數(shù)據(jù)，主要有速度云圖、壓力云圖、氣流場速度矢量圖等，旨在為研發(fā)與改進聯(lián)合收獲機清選裝置提供依據(jù)。對相關(guān)文獻進行整理、分類后，得出清選裝置內(nèi)部氣流場研究成果如表2所示。

國內(nèi)外學(xué)者對清選裝置內(nèi)部氣流場開展了大量的試驗與研究，主要采用CFD仿真和試驗測量方法，但現(xiàn)有研究沒有考慮脫粒裝置中脫粒滾筒等部件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣體流動情況，然而脫粒裝置與清選裝置處于同一個密閉空間內(nèi)，田間作業(yè)時脫粒裝置可能對清選裝置內(nèi)部氣流場產(chǎn)生一定的影響。而且現(xiàn)有研究中所建立的清選裝置流道模型不完善，與實際內(nèi)部結(jié)構(gòu)或尺寸差距較大，可能造成數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果有較大的差距。此外現(xiàn)有研究中采用的氣流場測量試驗方法也存在著不足，被測氣流場易受到干擾，產(chǎn)生人為誤差。在后續(xù)清選裝置氣流場研究中，建立更加完善的仿真模型、采用更為精準的氣流場測量儀器，使仿真和試驗的清選裝置內(nèi)部氣流場分布更接近于真實情況，可減少研發(fā)周期與成本。

表2 清選裝置內(nèi)部氣流場研究成果Tab.2 Research findings of airflow field in cleaning device

2.2 物料運動研究

振動篩不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運動參數(shù)將對篩分效率、籽粒含雜率和籽粒損失率構(gòu)成影響。因此有必要針對清選裝置振動篩部分的分離清選情況作進一步研究與優(yōu)化。不論是借助人為經(jīng)驗還是根據(jù)各種設(shè)計指導(dǎo)手冊設(shè)計出來的振動篩，都無法直觀明了地觀察到振動篩的篩分情況與設(shè)計效果，必須通過設(shè)計與搭建試驗臺進行試驗驗證，這對于要求設(shè)計與開發(fā)周期較短的項目是一個比較大的影響。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，可以借助更快捷、有效的數(shù)值模擬技術(shù)來分析物料在振動篩上的運動過程，對于縮短設(shè)計周期與費用方面都有積極意義。對相關(guān)文獻進行整理、分類后，得出清選裝置內(nèi)部物料運動研究成果如表3所示。

在物料運動研究上，學(xué)者多采用高速攝影或EDEM軟件對物料顆粒在振動上的運動進行試驗和數(shù)值模擬。高速攝影能直觀反映出真實的物料運動，但無法獲取受力等運動參數(shù)，而且后續(xù)的圖像處理方法也不完善，較難獲得整個清選裝置三維空間內(nèi)的物料運動規(guī)律，可作為研究中的輔助分析或觀察手段。而EDEM數(shù)值模擬可在一定程度上反映出物料的運動規(guī)律，但目前仍存在著仿真精度不高、無法反映出真實的清選裝置內(nèi)部物料運動情況等問題，這是由于振動篩建模經(jīng)過大量簡化、物料顆粒大幅縮減、內(nèi)部無氣流作用等原因造成的。為準確得到物料真實運動規(guī)律和受力情況，可采用氣固兩相流研究方法，并進一步完善清選裝置和物料顆粒模型。

表3 清選裝置內(nèi)部物料運動研究成果Tab.3 Research findings of material movement in cleaning device

2.3 氣固兩相流研究

在清選裝置中，既有氣流對物料顆粒運動的影響，也有顆粒對氣流的影響，同時還有顆粒與顆粒之間的碰撞，它是一種復(fù)雜的氣固兩相流動，在氣流和顆粒間存在著復(fù)雜的動量交換。采用計算流體力學(xué)(Computational fluid dynamics, CFD)和顆粒離散元(Discrete element method, DEM)耦合的方法可模擬出清選裝置中物料的運動狀態(tài)，為深入研究物料在清選裝置中的運動規(guī)律奠定了基礎(chǔ)，有利于進一步改進與提高清選裝置的性能。

圖8 風(fēng)篩式清選裝置氣固兩相流仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of gas-solid two-phase flow in air-screen cleaning device

近年來，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對清選裝置氣固兩相流方面的研究逐漸增多，例如：采用Fluent軟件對旋風(fēng)分離式清選裝置進行氣固兩相流耦合仿真，模擬出分離器中雜質(zhì)在氣流作用下的運動軌跡，證明此方法運用在清選裝置分析上是可行的[86]；對風(fēng)篩式清選裝置進行Fluent與EDEM軟件耦合仿真，得到脫出物在清選室內(nèi)的運動規(guī)律，如圖8所示[87-88]；利用Fluent與EDEM軟件耦合的方法對聯(lián)合收獲機清選分離室進行數(shù)值模擬，得到脫出物顆粒運動軌跡，此外在搭建的臺架上進行試驗，仿真與試驗結(jié)果均表明谷物清潔率隨著分離室入口氣流速度的增大而不斷提高[89]；利用Fluent與EDEM軟件耦合方法對旋風(fēng)分離筒進行數(shù)值模擬與研究，分析結(jié)果為麥粒停留在分離筒錐體部分的時間過長，影響工作效率，需要對其進行重新設(shè)計[90]；以貫流式風(fēng)機風(fēng)速、貫流式風(fēng)機傾角、振動篩頻率和振動篩振幅4個因素設(shè)計正交試驗表，用Fluent與EDEM軟件耦合方法對建立的正交試驗表進行數(shù)值模擬，得出4個因素對清潔率都有極顯著的影響，影響主次順序為風(fēng)機風(fēng)速、風(fēng)機傾角、篩子頻率、篩子振幅[91]；采用Fluent與EDEM軟件耦合方法對玉米聯(lián)合收獲機清選裝置進行單因素與多因素仿真試驗，發(fā)現(xiàn)籽粒透篩概率隨著清選裝置入口風(fēng)速和篩面傾角的增大而降低，籽粒平均透篩時間隨著風(fēng)速的增大呈現(xiàn)減小的趨勢，隨著振動頻率的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，隨著篩面傾角的增大呈現(xiàn)增大的趨勢[92]。

目前，清選裝置內(nèi)部氣固兩相流的研究絕大部分采用Fluent和EDEM軟件耦合方法，少部分研究采用單Fluent軟件進行氣固兩相流耦合，此種方法無法建立真實的物料形狀，無法準確建立物料與物料、物料與氣流之間的相互作用力，有一定的局限性。Fluent和EDEM軟件耦合方法可較準確反映出清選裝置中氣固兩相流運動，并且可較直觀得到清選裝置氣流場分布與物料運動軌跡，為分析及設(shè)計改進清選裝置提供較大便利，但現(xiàn)有研究仍存在不足之處，比如將清選室模型簡化、脫出物建模簡化、脫出物模型數(shù)量呈比縮減等，這些都可能造成數(shù)值模擬結(jié)果與實際試驗結(jié)果有一定的差異，此外，關(guān)于清選裝置內(nèi)部脫出物顆粒群的運動規(guī)律理論研究還較不成熟，對氣固兩相流數(shù)值模擬結(jié)果的分析還不夠透徹，今后可對這些問題進行更加深入的研究。

3 清選裝置智能化技術(shù)研究進展

3.1 清選損失監(jiān)測傳感器

早在20世紀60年代，許多發(fā)達國家便開始研究聯(lián)合收獲機的清選損失監(jiān)測傳感器[93]。MOSTOFI[94]將谷物損失監(jiān)測儀(KEE)安裝在John Deere 955聯(lián)合收獲機的振動篩后面，測定了清選損失等參數(shù)，對配備谷物損失監(jiān)測儀的聯(lián)合收獲機進行了小麥收獲評價。目前，國外先進的聯(lián)合收獲機如美國John Deere公司生產(chǎn)的JD9660STS型聯(lián)合收獲機，Case公司生產(chǎn)的Case2366IH型聯(lián)合收獲機，英國Ferguson公司生產(chǎn)的Ferguson860型聯(lián)合收獲機均已配備了清選損失監(jiān)測傳感器，用來監(jiān)測聯(lián)合收獲機收獲中籽粒損失實況，幫助駕駛員及時了解、掌握脫粒分離后籽粒損失的情況[95-96]。自20世紀90年代起我國科研工作者對清選損失監(jiān)測技術(shù)進行了研究，祁廣云、王新忠等[97-98]相繼提出監(jiān)測方案。近10年研究逐漸深入，傳感器的監(jiān)測準確率、穩(wěn)定性也逐步提升。本文對相關(guān)文獻進行整理、分類后，得出清選損失監(jiān)測傳感器研究成果如表4所示。

關(guān)于清選損失監(jiān)測傳感器的研究大部分采用壓電式的原理，具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨精度較高、適合復(fù)雜工作環(huán)境的特點。目前，國外的清選損失監(jiān)測傳感器已實現(xiàn)了商品化，大規(guī)模運用在市場聯(lián)合收獲機上，我國的清選損失監(jiān)測傳感器還停留在研發(fā)階段，沒有大面積推廣應(yīng)用，但相關(guān)研究已較為成熟，研制的傳感器已達到市場需求，逐步開始了市場推廣。在后續(xù)的研究中，可以突破通用型清選損失監(jiān)測傳感器，建立典型作物品種屬性數(shù)據(jù)庫和信號處理分析庫，使得同一個傳感器能滿足水稻、小麥、油菜、玉米等不同作物的損失監(jiān)測要求。

表4 清選損失監(jiān)測傳感器研究成果Tab.4 Research findings of cleaning loss monitoring sensor

3.2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)

聯(lián)合收獲機清選裝置受不同作物收獲作業(yè)工況影響差異顯著，難以保證實際作業(yè)性能的穩(wěn)定性，損失率高，易發(fā)生堵塞，通過實時監(jiān)測清選裝置作業(yè)狀態(tài)，自動調(diào)控清選裝置作業(yè)參數(shù)，既可以保證作業(yè)性能、提高作業(yè)效率，提高對不同作物的收獲適應(yīng)性，又可以提高整機的作業(yè)可靠性和無故障作業(yè)時間。與歐美跨國公司先進的聯(lián)合收獲機相比，我國聯(lián)合收獲機大都僅安裝有堵塞、糧箱滿等少量報警裝置，普遍缺乏清選裝置工作參數(shù)與作業(yè)性能監(jiān)測裝置，使得機器作業(yè)效率依賴駕駛員的熟練程度，且操縱強度大，無法滿足我國農(nóng)作物規(guī)?；a(chǎn)及稻油(麥)輪作區(qū)搶收搶種等作業(yè)要求[109]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在聯(lián)合收獲機智能化控制技術(shù)方面的研究成果如表5所示。

表5 清選裝置自適應(yīng)控制研究成果Tab.5 Research findings of self-adaptive control for cleaning device

目前，關(guān)于聯(lián)合收獲機自動控制的研究相對較少，現(xiàn)有的研究主要以清選損失率、籽粒含雜率為監(jiān)測對象，以風(fēng)機轉(zhuǎn)速、振動篩振動頻率、魚鱗篩篩片開度等清選裝置參數(shù)作為被控對象。部分研究者將預(yù)測控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制新技術(shù)應(yīng)用到聯(lián)合收獲機自動控制中，為研究聯(lián)合收獲機作業(yè)狀態(tài)的自動控制提供了新思路。清選過程工況復(fù)雜、作業(yè)性能影響因素眾多，因此，采用現(xiàn)代控制理論與方法，使清選損失能自動適應(yīng)作業(yè)對象和環(huán)境的變化，是提高機器收獲適應(yīng)性的新途徑，也是清選裝置未來發(fā)展的必經(jīng)之路。

4 發(fā)展趨勢分析

(1)向高性能、高效率和高可靠性方向發(fā)展

隨著農(nóng)作物單位產(chǎn)量的不斷提高，需要進一步深入研究清選裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運動參數(shù)、脫出物與清選裝置耦合過程，以理論指導(dǎo)設(shè)計，在有限的清選空間內(nèi)不斷提高聯(lián)合收獲機清選裝置的性能及效率；風(fēng)篩式清選裝置由于既包含旋轉(zhuǎn)又包含往復(fù)工作部件，加之存在控制加工成本等因素，普遍存在工作時會產(chǎn)生較大的振動和噪聲問題，不僅影響清選裝置的可靠性和使用壽命，還影響駕駛員工作的舒適性，可采用先進的減振、隔振、隔音裝置或低振動機構(gòu)，優(yōu)化清選裝置框架和運動部件，使其固有頻率避開激振頻率，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，提高清選裝置的可靠性和駕駛員的舒適性。

(2)向通用性方向發(fā)展

實現(xiàn)清選裝置結(jié)構(gòu)的通用化，乃至聯(lián)合收獲機整機的通用化。 用戶在購買通用機型的基礎(chǔ)上，另外再選購少許幾個清選裝置部件或其他總成，可根據(jù)作業(yè)需要任意變更、拆裝，組合成水稻、小麥、油菜、玉米等各類型聯(lián)合收獲機，提高適應(yīng)性，降低生產(chǎn)和使用成本；實現(xiàn)清選裝置損失監(jiān)測傳感器的通用化，現(xiàn)有籽粒損失監(jiān)測裝置用于不同作物時，需要多次標定、使用不便，研制通用型籽粒損失監(jiān)測傳感器，建立典型作物品種屬性數(shù)據(jù)庫和信號處理分析庫，使得同一個傳感器能滿足水稻、小麥、油菜、玉米等各類型聯(lián)合收獲機監(jiān)測需求。

(3)向智能化方向發(fā)展

要求清選裝置中風(fēng)機轉(zhuǎn)速、振動篩振動頻率、清選損失率等參數(shù)能夠?qū)崟r在線監(jiān)測與顯示，生成實時的損失分布圖，進一步實現(xiàn)遠程監(jiān)測，為相關(guān)部門提供各地區(qū)糧食損失等準確信息，為企業(yè)、駕駛員、農(nóng)戶等提供清選裝置實時工作狀態(tài)以及維修保養(yǎng)提示；要求清選裝置能夠根據(jù)收獲過程中的作業(yè)環(huán)境與質(zhì)量(喂入量、清選損失率、籽粒含雜率等)自動實時調(diào)整主要清選工作參數(shù)(風(fēng)機轉(zhuǎn)速、魚鱗篩開度、分風(fēng)板傾角等)，以使作業(yè)質(zhì)量始終維持在良好的范圍內(nèi)。