李心平 趙高源 姬江濤 王文哲

(河南科技大學農業(yè)裝備工程學院，洛陽471003)

0 引言

燕麥收獲是燕麥生產過程最重要的一環(huán)。我國的農業(yè)機械化發(fā)展主要集中在小麥、玉米和水稻三大糧食作物上，燕麥收獲機械研究起步較晚，收獲技術很不成熟，這嚴重影響了燕麥的發(fā)展［1-3］。目前，市面上沒有專門針對燕麥收獲的聯合收獲機，一些農民采用已有的谷物聯合收獲機收獲燕麥，其清選含雜率和損失率均較高。

清選裝置是燕麥機械化收獲的重要部件［4-6］?，F有的谷物清選裝置多采用風篩式清選，風篩式清選一般采用離心風機、振動篩式清選裝置［7-9］，但振動篩具有噪聲大、結構復雜，成本高等缺點。此外，燕麥是高草谷比作物，平面振動篩容易堵塞，不適合燕麥的清選。圓筒篩具有轉動平穩(wěn)、噪聲小、結構簡單、濕分性能好等優(yōu)點，因此又出現了風機、圓筒篩式清選裝置［10-12］。尹健等［13］設計了一種由內篩筒和外圓筒組成、適合微型水稻聯合收獲機的新型圓筒篩，采用傳動鏈實現物料的分離及流動，其結構緊湊，可以根據用戶要求配置純篩選或風篩式清選的圓筒篩，并給出了實現篩選最大最小轉速的推導公式，但文中僅對新型圓筒篩進行了理論分析。BELLOCQ 等［14］分析了傾斜旋轉篩筒對濕軟結塊物料的篩選效率，并對建模相關的工藝參數進行研究。薛然［15］對分級圓筒篩篩孔的大小及排列進行了設計，并通過DEM 仿真試驗確定最佳參數范圍，優(yōu)化了分級篩筒的結構及作業(yè)參數，提高了花生莢果的分級質量。劉師多等［16］分析了雙風機圓筒篩清選機構的清選原理，測試了雙風機圓筒篩清選機構在清選損失率為0.19%、清潔率為98.5%和清選損失率為4.9%兩種條件下的流場，指出流場的理想狀態(tài)及提高清選性能的途徑。但所建立的流場模型基于圓筒篩不影響雙風機產生流場的假設，而清選室內流場的實際情況應是雙風機及圓筒篩旋轉產生的氣流場的組合。萬星宇等［17］研究設計了一種與旋風分離清選裝置配合使用、可對油菜脫出物進行初步篩分的差速圓筒篩，此差速圓筒篩清選系統功耗低，但仍然存在含雜率及損失率較高的問題。

根據傳統的單風機圓筒篩式燕麥清選裝置的工作原理，物料先通過落料板落到大圓筒篩正上方，然后依次經過中、小圓筒篩，其落料面積較小，清選性能較差。物料在經過小圓筒篩時，因圓筒篩旋轉運動產生的圓周慣性力，使本應被吹出的穎糠雜物由圓筒篩下方進入籽粒收集箱，大大增加了燕麥籽粒的含雜率;小圓筒篩末端未設置阻擋籽粒隨雜物被吹走的部件或裝置，大大增加了夾帶損失。

為此，本文將圓筒篩與柵格篩相結合，設計一種燕麥弧形柵格篩復清選式圓筒篩清選裝置，該裝置在傳統單風機三圓筒篩清選裝置基礎上對大圓筒篩進行改進，提高篩分效率，又在其尾端增加弧形柵格式擋板篩以及復清選部件，以降低燕麥清選含雜率和損失率。

1 燕麥清選裝置設計

1.1 工作原理與總體設計

燕麥弧形柵格篩復清選式圓筒篩清選裝置主要由脫粒滾筒、喂料口、離心風機、接料板、籽粒輸送器、雜余水平輸送器、弧形柵格式擋板篩、大中小圓筒篩、清選室上擋板、雜余升運輸送器組成，如圖1所示。工作時，物料從喂料口喂入，經脫粒滾筒脫粒后，長莖稈從出料口被排出機外，脫出物經落料板依次落在3 個圓筒篩上進行清選，落在籽粒輸送器中的干凈籽粒被直接輸送進糧箱，而從小圓筒篩篩尾落下的含雜較高的籽粒同被弧形柵格式擋板篩攔截篩選后的籽粒一起落在雜余水平輸送器上，由其輸送至雜余升運輸送器，最終被輸送到落料板，隨脫出物一起進入清選室進行復清選。

圖1 燕麥弧形柵格篩復清選式圓筒篩清選裝置簡圖Fig.1 Diagram of three cylinder screen oat cleaning device with arc grid sieves and re-cleaning

1.2 關鍵部件設計

1.2.1 三圓筒篩

傳統單風機三圓筒篩清選裝置工作時，由于物料濕度大，脫出物各組分間的粘結度大，篩分效率較低。另一方面，圓筒篩面與物料接觸面為一條沿軸向的直線，接觸面較小，脫出物分層效應不顯著，導致脫出物緊貼大圓筒篩，在大圓筒篩的轉動下直接向后移動到中圓筒篩，以致于大圓筒篩對清選起到的作用(使脫出物充分散開)較小，導致中圓筒篩、小圓筒篩清選性能下降，不僅含雜率極高，還造成較大的夾帶損失。因此，設計了一種帶跳躍板的圓筒篩結構，改進的大圓筒篩及跳躍板尺寸參數如圖2所示。在大圓筒篩篩面安裝直角三棱柱形跳躍板，三角形斜邊朝向脫出物運動方向。工作時，脫出物落在大圓筒篩跳躍板上，受到的斜向上力將物料打散，在離心風機作用下，各組分由于懸浮速度的不同而分開。

圖2 大圓筒篩及跳躍板結構簡圖Fig.2 Structure diagram of large cylinder sieve and jump plate

跳躍板的設計增大了大圓筒篩與脫出物的接觸面積，將線接觸變?yōu)槊娼佑|，增大了圓筒篩將脫出物向上拋擲角度，增加了脫出物在垂直及水平方向上的位移，改善分層效應，提高清選性能。跳躍板拋料角即跳躍板角應小于脫出物在大圓筒篩上的落料角，否則會起反作用。故設計跳躍板角為45°。兩跳躍板沿橫向分布，要保證全部脫出物都充分散開的同時又不能阻礙風機氣流對脫出物的作用。因為燕麥脫出物主要由籽粒、穎糠輕雜、莖稈組成，其中穎糠輕雜長度在15 ～30 mm 范圍內，莖稈長度在20 ～130 mm 范圍內，考慮燕麥脫出物同一組分及不同組分間的粘連，設計跳躍板寬度為30 mm，同一軸面上設18 個跳躍板均布排列，兩跳躍板橫向間距為110 mm，并且交錯放置。較短的籽粒和穎糠輕雜由單個跳躍板即可被拋起，較長的莖稈則需兩個跳躍板的配合將其拋起，以利于后續(xù)的篩分。

1.2.2 弧形柵格式擋板篩

對于傳統單風機三圓筒篩清選裝置，第3 個圓筒篩末端不存在任何阻擋夾帶損失的部件或裝置，故清選損失率較高。此外，由于小圓筒篩旋轉時產生圓周慣性力，導致本應該被吹出的穎糠雜物由小圓筒篩下方經籽粒輸送器進入糧箱，增大了燕麥籽粒的含雜率。

故在小圓筒篩尾端設計了弧形柵格式擋板篩，如圖3 所示。根據本裝置尺寸，設計弧形柵格式擋板篩的整體尺寸(長×寬×高)為806 mm ×220 mm×220 mm。在弧形柵格式擋板篩上，氣流方向始終相切于弧形表面，為使穎糠雜物沿弧面順利排出機外，以及考慮到試驗臺整體尺寸，設計圓弧半徑為510 mm。根據燕麥物理特性，燕麥清選篩篩孔尺寸為15 mm，篩絲直徑為2 mm，清選性能較好，又因弧形柵格式擋板篩在本清選裝置尾端，清選負荷小，故設計弧形柵格式擋板篩兩柵格間距為12 mm，柵格厚度為2 mm。為保證弧形柵格板攔截全部夾帶損失，正對三圓筒篩方向應為一平面，故設計弧形柵格式擋板篩寬度為20 mm。

圖3 弧形柵格式擋板篩結構簡圖Fig.3 Brief diagram of grille screen structure

1.2.3 復清選部件

考慮到從小圓筒篩尾端落下的籽粒以及經過弧形柵格式擋板篩被回收的籽粒含雜率較高，需在小圓筒篩及弧形柵格式擋板篩下方設置復清選部件，將這兩部分收集起來輸送回落料板進行復清選。復清選部件主要由雜余水平輸送器和雜余升運輸送器兩部分組成。工作時雜余水平輸送器將雜余輸送至雜余升運輸送器，由其輸送至落料板與脫出物一起進行清選。試驗臺喂入量為1.5 kg/s，參考幾種中小型聯合收獲機輸送部件的結構參數［18］，設計水平雜余輸送器和雜余升運輸送器主要尺寸相同，如圖4 所示，即可對雜余順利進行復清選。

圖4 復清選部件尺寸圖Fig.4 Machining dimension drawing of re-cleaning components

圖4 涉及的計算公式為

式中 d——軸直徑，mm

D——葉外徑，mm

P——導程，mm

h——葉寬，mm

l——內螺旋線實長，mm

L——外螺旋線實長，mm

r——內圓半徑，mm

R——外圓半徑，mm

δ——切缺角，(°)

c——切口弦長，mm

1.2.4 其余相關參數

燕麥清選裝置其余關鍵部件相關參數［12］如表1 所示。

表1 燕麥清選裝置各部件參數Tab.1 Parameters of oat cleaning device

2 物料運動及受力分析

2.1 跳躍板作用理論分析

對大圓筒篩及其跳躍板的可行性進行理論分析［19］，如圖5、6 所示，對燕麥脫出物在大圓筒篩面拋出后的狀態(tài)進行受力分析，得

圖5 三圓筒篩清選部件分布圖Fig.5 Three-cylinder screen cleaning parts distribution diagram

圖6 燕麥脫出物拋擲狀態(tài)位移示意圖Fig.6 State displacement of oat ejector thrown

式中 m——脫出物質量，kg

g——重力加速度，m/s2

p——物料所受風力，N

β——風力方向與水平面的夾角，(°)

ay——垂直方向加速度，m/s2

ax——水平方向加速度，m/s2

G——重力，N

kp——物料漂浮系數，m-1

ξ——氣流相對于質點的相對速度，m/s

vp——物料漂浮速度，m/s

燕麥脫出物在水平與垂直方向的距離分別為

式中 y——從被拋起到同一水平面時脫出物的豎直位移，m

v

0——脫出物拋起時初速度，m/s

α——脫出物速度與水平方向夾角，(°)

Δy——脫出物與大圓筒篩中心平面間的距離，m

R1——大圓筒篩半徑，m

θ——物料在大圓筒篩上的落料角，(°)

x——從被篩面拋起到落在中心平面時脫出物的水平位移，m

整理得

式中 γ——大圓筒篩跳躍板角，(°)

同理可得傳統單風機三圓筒篩清選裝置脫出物通過大圓筒篩時在垂直方向位移yct和水平方向位移xct為

對于大部分燕麥籽粒、穎糠、莖稈，由于穎糠、莖稈、燕麥籽粒懸浮速度vp由小到大依次為穎糠、莖稈、籽粒，故三者在垂直方向位移由大到小為穎糠、莖稈、籽粒，水平方向位移由大到小為穎糠、莖稈、籽粒。對于同一組分脫出物，因為0°＜α=90°-θ+γ ＜90°，0° ＜γ ＜θ，故sin(90° -θ +γ)＞sin(90° -θ)，有y ＞yct。與傳統單風機三圓筒篩清選裝置相比，弧形柵格篩復清選式清選裝置脫出物在垂直方向上的位移更大，能更好地將脫出物各成分分散開，便于清選。

2.2 大圓筒篩臨界轉速的計算

根據三圓筒篩清選裝置的清選原理，脫出物是通過在三圓筒篩上的多次跳躍、分層，最終完成清選。當脫出物對圓筒篩的正壓力N 為0 時，脫出物從圓筒篩上跳起，本文以大圓筒篩為例，研究脫出物在大圓筒篩上跳躍的臨界條件，以確定大圓筒篩的轉速范圍，作為試驗依據。對燕麥籽粒與大圓筒篩接觸的瞬間受力分析如圖7 所示。

燕麥籽粒與大圓筒篩接觸瞬間受力公式為

其中

圖7 燕麥籽粒與大圓筒篩接觸的瞬間受力分析Fig.7 Instantaneous stress analysis diagram of oat grain in contact with large cylinder sieve

式中 G*——系統慣性力，N

v1——大圓筒篩線速度，m/s

聯立各式可得

3 室內臺架試驗

3.1 試驗條件

選取有代表性的壩莜1 號燕麥品種，統計了與清選性能相關的主要物理特性參數［22］，見表2。試驗所用燕麥及弧形柵格篩復清選式圓筒篩燕麥清選裝置如圖8、9 所示。根據燕麥的物理特性參數，將待試驗物料灑上適量水，放置1 ～2 d，用物料水分測量儀測得其莖稈含水率為32%，籽粒含水率為24%。在室內做了弧形柵格篩清選式圓筒篩清選裝置性能試驗，并進行了回歸正交旋轉組合試驗，得出最優(yōu)試驗參數組合［23-26］。

表2 裸燕麥物理參數Tab.2 Physical parameters of bare oats

3.2 試驗結果

圖8 我國廣泛種植的裸燕麥Fig.8 Naked oats widely grown in China

圖9 弧形柵格篩復清選式圓筒篩清選裝置實物圖Fig.9 Physical image of cylinder screen cleaning device with arc grid sieves and re-cleaning

本裝置主要工作部件有離心風機、三圓筒篩、弧形柵格式擋板篩及復清選部件4 部分，其中復清選部件工作參數對本裝置清選性能的影響較小，離心風機轉速、三圓筒篩轉速、弧形柵格式擋板篩傾斜角對本裝置清選性能的影響較大。故選取離心風機轉速x1、大圓筒篩轉速x2以及弧形柵格式擋板篩傾角x3進行室內試驗。室內試驗喂入量為1.5 kg/s。根據單因素試驗結果確定因素編碼如表3 所示。每個水平重復3 次，收集從籽粒輸送器出來的籽粒，以及篩尾的所有穎糠輕雜，測算籽粒含雜率和損失率，取平均值。試驗結果見表4，z1、z2、z3為因素編碼值。

表3 試驗因素編碼Tab.3 Factor coding of regression orthogonal test

建立試驗指標含雜率y1、損失率y2與離心風機轉速、大圓筒篩轉速、擋板篩傾角之間的函數關系。

3.3 試驗因素對試驗指標影響的回歸分析

3.3.1 試驗因素對含雜率影響的回歸分析

根據表5 知F1=0.522 7 ＜F0.05(7，6)=4.21，失擬項不顯著，說明方程擬合顯著。F2= 443.552 ＞F0.05(9，13)=2.71，說明回歸方程顯著。

表4 試驗方案與結果Tab.4 Test design and results

各試驗因素與含雜率回歸方程為

3.3.2 試驗因素對損失率影響的回歸分析

根據表6 知F1=1.117 5 ＜F0.05(7，6)=4.21，失擬項不顯著，說明方程擬合顯著。F2=128.961 ＞F0.05(9，13)=2.71，說明回歸方程顯著。

各試驗因素與損失率回歸方程為

表6 損失率方差分析Tab.6 Loss rate variance analysis

3.4 雙因素影響指標的效應分析

3.4.1 離心風機轉速和大圓筒篩轉速對燕麥清選性能的影響效應分析

令z3=0，得

圖10 離心風機轉速和大圓筒篩轉速對清選性能的影響Fig.10 Effects of centrifugal fan speed and large cylinder screen speed on cleaning performance

由圖10 可知，當大圓筒篩轉速的編碼值在-1.682 ～-1，即轉速在85 ～95 r/min 時，燕麥清選含雜率和損失率隨著離心風機轉速的增大而減小。因為大圓筒篩轉速低，圓筒篩產生的系統慣性力小，燕麥脫出物不能充分分散開，篩分效率低。隨著離心風機轉速越來越大，在一定程度上促進了脫出物各成分的分離，提高清選裝置的清選性能，因此含雜率、損失率隨離心風機轉速的增加而降低。當大圓筒篩轉速的編碼值在- 1 ～1，即轉速在95 ～125 r/min 時，燕麥清選含雜率和損失率隨著離心風機轉速的增大呈先減小后增大的趨勢，但變化幅度不大。這是因為，當大圓筒篩轉速在95 ～125 r/min內時，篩分效率有所提高，含雜率、損失率整體較低。離心風機轉速過低時，脫出物分散不充分，部分穎糠輕雜不能被排出機外，而被排出機外的穎糠輕雜夾帶較多籽粒，故含雜率、損失率都有所增大。離心風機轉速過高時，被吹出機外的籽粒增多，使損失率增大。此外，脫出物在清選室的清選時間變短，從而含雜率升高。因此，燕麥清選含雜率和損失率隨著離心風機轉速的增大呈先減小后增大的趨勢。當大圓筒篩轉速的編碼值在1 ～1.682，即轉速在125 ～135 r/min 時，燕麥清選含雜率和損失率隨著離心風機轉速的增大而增大。這是因為，當大圓筒篩轉速在125 ～135 r/min 時，隨著大圓筒篩轉速的增大，會在圓筒篩表面形成較大負壓，使得穎糠輕雜附著在圓筒篩表面，隨著圓筒篩的轉動跟籽粒一起落入輸糧輸送器，造成含雜率的增大，而吸附在圓筒篩表面的穎糠輕雜阻礙了籽粒的透篩，故極大地增加了損失率。隨著離心風機轉速越來越大，清選室內所產生的氣流速度越來越大，脫出物受到的氣流場力不斷增加，脫出物在清選室的時間減少，含雜率增大，夾帶損失也越來越多。

3.4.2 離心風機轉速和弧形柵格式擋板篩傾角對燕麥清選性能的影響效應分析

令z2取0 水平，得

由圖11 可知，當擋板篩傾角編碼值在-1.682 ～1.682，即傾角在20° ～70°內時，燕麥清選含雜率和損失率隨著離心風機轉速增大呈現先減小后增大的趨勢。這是因為，當離心風機編碼值從-1.682 增到0，即轉速從1 332 r/min 增大到1 500 r/min 時，清選室內氣流場越來越強，脫出物各組分分層效率越來越高，處于上層的穎糠雜物被有效地吹出機外，含雜率越來越低。雖然大圓筒篩上安裝了促進物料分層的跳躍板，但僅靠其使物料徹底分層還不夠，當離心風機轉速較低時，產生的氣流速度低，分層不徹底，穎糠雜物中夾帶的籽粒隨著離心風機轉速的降低而增加，即隨著離心風機轉速從1 332 r/min 增大到1 500 r/min，籽粒損失率越來越低。當離心風機編碼值從0 增到1.682，即轉速從1 500 r/min 增大到1 668 r/min 時，大圓筒篩附近氣流場的速度越來越大，燕麥籽粒所受風力隨風速的增大而增大，最終直接越過大圓筒篩跟穎糠雜物一起向篩尾運動，降低大圓筒篩作用效果，同時也增加了中圓筒篩、小圓筒篩的清選負擔，最終使得清選含雜率、損失率越來越高。

圖11 離心風機轉速和擋板篩傾角對清選性能的影響Fig.11 Effects of centrifugal fan speed and baffle sieve inclination on cleaning performance

4 參數優(yōu)化選取

將含雜率和損失率的回歸方程按綜合評價法進行擬合，含雜率和損失率以權重0.5∶0.5 的比例相加，公式為

4.1 離心風機最佳轉速和大圓筒篩最佳轉速

聯立式(26)、(27)、(30)，另由表4 知y1min=1.74%、y1max= 9.82%、y2min= 2.36%、y2max=13.67%，得

由圖12 可知，當離心風機轉速編碼值為0(轉速為1 500 r/min)，大圓筒篩轉速編碼值為0(轉速為110 r/min)時，評價值w1有最小值，故選取離心風機轉速為1 500 r/min，大圓筒篩轉速為110 r/min。

4.2 弧形柵格式擋板篩最佳傾角

同理，將z1=0，z2=0 代入權重擬合公式，得

圖12 清選性能評價值w1Fig.12 Value of cleaning performance w1

由圖13 可知，當弧形柵格式擋板篩傾角的編碼值在-0.3 ～-0.2，即傾角在40.5° ～42°范圍內，評價值w2有最小值，故選取擋板篩傾角41°。

圖13 清選性能評價值w2Fig.13 Value of cleaning performance w2

在清選試驗臺各工作參數、結構參數一定的條件下，選取離心風機轉速為1 500 r/min、大圓筒轉速為110 r/min、弧形柵格式擋板篩傾角為41°進行室內試驗，得到含雜率為1.96%，損失率為2.64%，清選性能得到提高。

5 田間試驗驗證

2018 年8 月在山西省朔州市右玉縣進行了田間驗證試驗，如圖14 所示，將所設計的燕麥清選裝置裝配在聯合收獲機上進行田間驗證試驗。燕麥品種為壩莜1 號，種植方式為機直播，行間距為250 mm，籽粒含水率為25%，莖稈含水率為34%。聯合收獲機割幅2 m，割茬高200 mm，機組前進速度為360 m/h，喂入量為1.5 kg/s。離心風機轉速、大圓筒篩轉速、弧形柵格式擋板篩傾角分別為1 500 r/min、110 r/min、41°，中、小圓筒篩轉速確定為58 r/min。選取燕麥植株性狀較好的區(qū)域進行田間試驗，每次試驗前先清理清選室以確保前一次的試驗不對下一次試驗造成影響。試驗時，收集從篩尾排出的穎糠雜物，以及從籽粒輸送器輸出的籽粒，將兩者進行篩分稱量，計算籽粒的含雜率及損失率。25 m 設置一標桿，聯合收獲機每前進25 m 收集一次，總共收集3 次，計算出平均含雜率為1.97%，平均損失率為2.68%。

圖14 田間試驗驗證Fig.14 Field test validation

6 結論

(1)設計了一種燕麥弧形柵格篩復清選式三圓筒篩清選裝置，在大圓筒篩上安裝了能使物料跳起、充分分離的跳躍板結構，提高篩分效率，降低含雜率、損失率。

(2)在圓筒篩清選裝置上加裝了復清選部件及弧形柵格式擋板篩，增加雜余輸送器，將小圓筒篩及其后落下的籽粒輸送回落料板進行再次清選。擋板篩能有效攔截夾帶籽粒，對其進行回收篩選，提高了清選性能。

(3)建立了離心風機轉速、大圓筒篩轉速、弧形柵格式擋板篩傾角與本裝置清選性能間的三元二次回歸數學模型，擬合度較高。

(4)燕麥弧形柵格篩復清選式圓筒篩清選裝置融合了振動篩清選裝置的優(yōu)點，室內試驗表明燕麥清選含雜率降低到1.96%，損失率降低到2.64%。說明弧形柵格式擋板篩和復清選部件的設計對燕麥清選裝置清選性能的提高起到了積極作用。

(5)田間驗證試驗表明，當離心風機轉速為1 500 r/min、大圓筒篩轉速為110 r/min、弧形柵格式擋板篩傾角為41°時，燕麥籽粒含雜率為1.97%，損失率為2.68%。