籽粒玉米收获机脱出物空气动力学特性分析及清选方法
2014-09-23刘兴博叶彤杨金砖
刘兴博+叶彤+杨金砖
摘要目前，籽粒玉米机械收获方法大致分为两种，其中用谷物联合收割机换装玉米摘穗台直接收获玉米籽粒，或者用专门的自走式籽粒玉米收获机直接收获籽粒的方法已逐渐占据主导地位，本文主要对籽粒玉米收获机脱出物空气动力学特性进行了分析研究，为优化籽粒收获机脱粒装置设计参数提供了依据参考，并简要介绍了几种清选方法及装置。
关键词玉米收获空气动力学清选
0引言
目前，黑龙江省玉米种植面积已超亿亩，全省玉米机械化收获水平达64%。机械收获方法大致分为两种，即一种是果穗收获，采用摘穗剥皮机摘下果穗并剥去苞叶（或摘穗机只完成摘穗作业，然后用剥皮机剥去苞叶），并将茎秆切碎抛撒在田间，或将茎秆堆放于田间，果穗经晾晒后由玉米脱粒机脱粒；另一种是用谷物联合收割机换装玉米摘穗台直接收获玉米籽粒，或者用专门的自走式籽粒玉米收获机直接收获籽粒。后者直接收获玉米籽粒，效率高，可提高谷物联合收割机的利用率，适合收获成熟期一致、籽粒湿度较低的玉米，并具有相应的干燥措施，其摘穗装置采用摘穗板组合式，茎秆不进入脱粒装置，摘下的玉米穗不经剥苞叶直接进入脱粒装置。籽粒玉米直接收获的方式目前已占据主导地位，特别是省内大型农场和农机合作社几乎全部采用此种方式。通过对籽粒收获机脱出物空气动力学特性分析的研究，可以优化籽粒收获机脱粒装置及清选装置设计参数，提高清选后的籽粒清洁率，减少清选损失。
1脱粒装置及脱出物清选原理
籽粒玉米收获机的关键部件之一：脱粒装置的主要工艺流程：玉米穗通过中间喂入器进入滚筒，在高速回转滚筒的冲击和玉米穗、滚筒、凹板的相互作用下被脱粒。脱粒的籽粒及细小混杂物大部分通过凹板孔，由风扇进行气流清选(清选方法及装置下文将阐述)，轻混杂物从排杂口吹出，籽粒由籽粒滑板滑出机外。
气流清选利用脱出物中谷粒和混合物空气动力特性的差异进行清选，而其空气动力学特性以不同脱出物临界速度来衡量。当脱出混合物落进清选装置的气流场中，进入清选室内清选时，由于受到不同的气流作用力而被分开，通常采用风筛式或气流清选，实现籽粒和杂余的分离。
2籽粒玉米收获机脱出物空气动力学特性
2.1脱出物成分
玉米经脱粒分离出脱出物，包含玉米籽粒、苞叶、茎秆（主要是中短茎秆和碎茎秆）以及轻杂物4种基本成分。各脱出物临界速度不同，几何形态也存在差异，一般都不规则，通常有2种或3种几何外形尺寸。
2.2脱出物空气动力学特性分析
空气动力学，是流体力学的一个分支,主要研究物体在空气或其他气体中运动时而产生的各种力。脱出物的空气动力学特性包括各脱出物单位体积的质量、临界速度、漂浮系数及阻力系数等等。清选室气流速度、气流方向角等气流清选参数直接影响清选效果，需根据不同脱出物空气动力学特性差异来确定。
临界速度的确定：假设将物料置于速度为v的垂直向上运动的空气气流中，当物料受垂直向上的气流作用力P小于自身重力G时，物料将在浮重（重力G与气流作用力P之差）作用下自由下落；当P大于G时，则物料将被气流带走；当P和G相等时，物料处于某水平位置附近呈悬浮静止状态，此时气流流速称为该物料临界速度vP。临界速度vP是影响物料在气流中运动状态的重要参数之一，通常用平均值表达，或给出vP范围，其计算公式为：
vP=gkp
式中g—重力加速度/m·s-2；
kp—物体的漂浮系数/m-1，漂浮系数kp=ρkFm，m为谷粒质量，ρ为空气密度/kg·m-3，k为物体在空气中的阻力系数，F为物体在垂直于气流平面上的投影面积（迎风面积）/m2。
根据上式g取9.8 m/s2，可以计算得出不同作物的空气动力学特性，其中籽粒玉米单位容积的质量为1238 kg/m3，漂浮系数为0.049~0.063 m-1，临界速度为1248~1403m/s；苞叶临界速度为112~223 m/s，长度小于100 mm短茎秆的临界速度为6~7 m/s，长度100~150 mm短茎秆的临界速度为7~9 m/s。根据得到的脱出物临界速度可以确定气流速度，设计风扇风量大小。
3脱出物清选方法及装置
籽粒玉米脱出物中轻混杂物、长短秸秆等较多，清选难度较大，目前常用的清选方法有风扇式气流清选装置、清粮筛式清选装置、气流清粮筛子组合式清选装置。
3.1风扇式气流清选装置
此装置是利用气流清选原理清除混在籽粒中的杂质，机构简单，只能清除苞叶、碎草等轻杂质。由风扇和构成气流通过的风道组成，分为吸入型、吹出型和吹出兼吸入型三种。吹出型清选装置的风扇大多为农用型即双面进风，常采用两个风扇并联结构，吸入型清选装置的风扇则为通用型，多为螺旋线蜗壳形壳体，单面进风。
3.2清粮筛式清选装置
此装置主要利用脱出物中组成各成分的尺寸特性的差异进行分离和选别。具体方法是：根据脱出物的大小、形状，设计适当的筛孔，以达到筛选的目的。清粮筛一般由筛架、1~3层筛子和支、吊杆等组成。筛子有可调鱼鳞筛、编织筛、平面冲孔筛和鱼眼筛等几种。此种方法清粮效果不好，清选损失较高。
3.3气流清粮筛子组合式清选装置
此装置主要是利用脱出物各组成成分的尺寸特性和空气动力学特性将清粮筛和风扇气流配合进行分离选别，主要由清选筛、输送籽粒脱出物的抖动板、风扇和传动机构等组成。工作时，清选筛和抖动板作往复运动，籽粒脱出物不断地被抖动板送往筛面，清选筛下设有风扇，吹出的气流将脱出物吹散，苞叶、短秸杆、杂草、轻杂物等被带出机外，剩余的脱出物比如籽粒、长秸秆等留在筛面向后移动，籽粒自筛孔漏下，长秸秆排出。这种清选方法清粮效果好，清粮损失较低，在多数脱粒机和联合收获机上均有应用。
参考文献：
[1]中国农业机械化科学研究院．农业机械手册（上册）[M]．北京：机械工业出版社，1988.
[2]李保谦，王威立，栗文雁，等．物料悬浮速度测试方法研究［J］．农机化研究，2009（1）：123-125.
[3]马征，李耀明，徐立章．油菜脱出物漂浮速度及摩擦与浸润特性的测定与分析［J］．农业工程学报，2011，27（9）：13-17.
[4]陈霓，黄东明，陈德俊，等．风筛式清选装置非均布气流清选原理与试验［J］．农业机械学报，2009，40（4）：73-77.（03）
endprint
摘要目前，籽粒玉米机械收获方法大致分为两种，其中用谷物联合收割机换装玉米摘穗台直接收获玉米籽粒，或者用专门的自走式籽粒玉米收获机直接收获籽粒的方法已逐渐占据主导地位，本文主要对籽粒玉米收获机脱出物空气动力学特性进行了分析研究，为优化籽粒收获机脱粒装置设计参数提供了依据参考，并简要介绍了几种清选方法及装置。
关键词玉米收获空气动力学清选
0引言
目前，黑龙江省玉米种植面积已超亿亩，全省玉米机械化收获水平达64%。机械收获方法大致分为两种，即一种是果穗收获，采用摘穗剥皮机摘下果穗并剥去苞叶（或摘穗机只完成摘穗作业，然后用剥皮机剥去苞叶），并将茎秆切碎抛撒在田间，或将茎秆堆放于田间，果穗经晾晒后由玉米脱粒机脱粒；另一种是用谷物联合收割机换装玉米摘穗台直接收获玉米籽粒，或者用专门的自走式籽粒玉米收获机直接收获籽粒。后者直接收获玉米籽粒，效率高，可提高谷物联合收割机的利用率，适合收获成熟期一致、籽粒湿度较低的玉米，并具有相应的干燥措施，其摘穗装置采用摘穗板组合式，茎秆不进入脱粒装置，摘下的玉米穗不经剥苞叶直接进入脱粒装置。籽粒玉米直接收获的方式目前已占据主导地位，特别是省内大型农场和农机合作社几乎全部采用此种方式。通过对籽粒收获机脱出物空气动力学特性分析的研究，可以优化籽粒收获机脱粒装置及清选装置设计参数，提高清选后的籽粒清洁率，减少清选损失。
1脱粒装置及脱出物清选原理
籽粒玉米收获机的关键部件之一：脱粒装置的主要工艺流程：玉米穗通过中间喂入器进入滚筒，在高速回转滚筒的冲击和玉米穗、滚筒、凹板的相互作用下被脱粒。脱粒的籽粒及细小混杂物大部分通过凹板孔，由风扇进行气流清选(清选方法及装置下文将阐述)，轻混杂物从排杂口吹出，籽粒由籽粒滑板滑出机外。
气流清选利用脱出物中谷粒和混合物空气动力特性的差异进行清选，而其空气动力学特性以不同脱出物临界速度来衡量。当脱出混合物落进清选装置的气流场中，进入清选室内清选时，由于受到不同的气流作用力而被分开，通常采用风筛式或气流清选，实现籽粒和杂余的分离。
2籽粒玉米收获机脱出物空气动力学特性
2.1脱出物成分
玉米经脱粒分离出脱出物，包含玉米籽粒、苞叶、茎秆（主要是中短茎秆和碎茎秆）以及轻杂物4种基本成分。各脱出物临界速度不同，几何形态也存在差异，一般都不规则，通常有2种或3种几何外形尺寸。
2.2脱出物空气动力学特性分析
空气动力学，是流体力学的一个分支,主要研究物体在空气或其他气体中运动时而产生的各种力。脱出物的空气动力学特性包括各脱出物单位体积的质量、临界速度、漂浮系数及阻力系数等等。清选室气流速度、气流方向角等气流清选参数直接影响清选效果，需根据不同脱出物空气动力学特性差异来确定。
临界速度的确定：假设将物料置于速度为v的垂直向上运动的空气气流中，当物料受垂直向上的气流作用力P小于自身重力G时，物料将在浮重（重力G与气流作用力P之差）作用下自由下落；当P大于G时，则物料将被气流带走；当P和G相等时，物料处于某水平位置附近呈悬浮静止状态，此时气流流速称为该物料临界速度vP。临界速度vP是影响物料在气流中运动状态的重要参数之一，通常用平均值表达，或给出vP范围，其计算公式为：
vP=gkp
式中g—重力加速度/m·s-2；
kp—物体的漂浮系数/m-1，漂浮系数kp=ρkFm，m为谷粒质量，ρ为空气密度/kg·m-3，k为物体在空气中的阻力系数，F为物体在垂直于气流平面上的投影面积（迎风面积）/m2。
根据上式g取9.8 m/s2，可以计算得出不同作物的空气动力学特性，其中籽粒玉米单位容积的质量为1238 kg/m3，漂浮系数为0.049~0.063 m-1，临界速度为1248~1403m/s；苞叶临界速度为112~223 m/s，长度小于100 mm短茎秆的临界速度为6~7 m/s，长度100~150 mm短茎秆的临界速度为7~9 m/s。根据得到的脱出物临界速度可以确定气流速度，设计风扇风量大小。
3脱出物清选方法及装置
籽粒玉米脱出物中轻混杂物、长短秸秆等较多，清选难度较大，目前常用的清选方法有风扇式气流清选装置、清粮筛式清选装置、气流清粮筛子组合式清选装置。
3.1风扇式气流清选装置
此装置是利用气流清选原理清除混在籽粒中的杂质，机构简单，只能清除苞叶、碎草等轻杂质。由风扇和构成气流通过的风道组成，分为吸入型、吹出型和吹出兼吸入型三种。吹出型清选装置的风扇大多为农用型即双面进风，常采用两个风扇并联结构，吸入型清选装置的风扇则为通用型，多为螺旋线蜗壳形壳体，单面进风。
3.2清粮筛式清选装置
此装置主要利用脱出物中组成各成分的尺寸特性的差异进行分离和选别。具体方法是：根据脱出物的大小、形状，设计适当的筛孔，以达到筛选的目的。清粮筛一般由筛架、1~3层筛子和支、吊杆等组成。筛子有可调鱼鳞筛、编织筛、平面冲孔筛和鱼眼筛等几种。此种方法清粮效果不好，清选损失较高。
3.3气流清粮筛子组合式清选装置
此装置主要是利用脱出物各组成成分的尺寸特性和空气动力学特性将清粮筛和风扇气流配合进行分离选别，主要由清选筛、输送籽粒脱出物的抖动板、风扇和传动机构等组成。工作时，清选筛和抖动板作往复运动，籽粒脱出物不断地被抖动板送往筛面，清选筛下设有风扇，吹出的气流将脱出物吹散，苞叶、短秸杆、杂草、轻杂物等被带出机外，剩余的脱出物比如籽粒、长秸秆等留在筛面向后移动，籽粒自筛孔漏下，长秸秆排出。这种清选方法清粮效果好，清粮损失较低，在多数脱粒机和联合收获机上均有应用。
参考文献：
[1]中国农业机械化科学研究院．农业机械手册（上册）[M]．北京：机械工业出版社，1988.
[2]李保谦，王威立，栗文雁，等．物料悬浮速度测试方法研究［J］．农机化研究，2009（1）：123-125.
[3]马征，李耀明，徐立章．油菜脱出物漂浮速度及摩擦与浸润特性的测定与分析［J］．农业工程学报，2011，27（9）：13-17.
[4]陈霓，黄东明，陈德俊，等．风筛式清选装置非均布气流清选原理与试验［J］．农业机械学报，2009，40（4）：73-77.（03）
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摘要目前，籽粒玉米机械收获方法大致分为两种，其中用谷物联合收割机换装玉米摘穗台直接收获玉米籽粒，或者用专门的自走式籽粒玉米收获机直接收获籽粒的方法已逐渐占据主导地位，本文主要对籽粒玉米收获机脱出物空气动力学特性进行了分析研究，为优化籽粒收获机脱粒装置设计参数提供了依据参考，并简要介绍了几种清选方法及装置。
关键词玉米收获空气动力学清选
0引言
目前，黑龙江省玉米种植面积已超亿亩，全省玉米机械化收获水平达64%。机械收获方法大致分为两种，即一种是果穗收获，采用摘穗剥皮机摘下果穗并剥去苞叶（或摘穗机只完成摘穗作业，然后用剥皮机剥去苞叶），并将茎秆切碎抛撒在田间，或将茎秆堆放于田间，果穗经晾晒后由玉米脱粒机脱粒；另一种是用谷物联合收割机换装玉米摘穗台直接收获玉米籽粒，或者用专门的自走式籽粒玉米收获机直接收获籽粒。后者直接收获玉米籽粒，效率高，可提高谷物联合收割机的利用率，适合收获成熟期一致、籽粒湿度较低的玉米，并具有相应的干燥措施，其摘穗装置采用摘穗板组合式，茎秆不进入脱粒装置，摘下的玉米穗不经剥苞叶直接进入脱粒装置。籽粒玉米直接收获的方式目前已占据主导地位，特别是省内大型农场和农机合作社几乎全部采用此种方式。通过对籽粒收获机脱出物空气动力学特性分析的研究，可以优化籽粒收获机脱粒装置及清选装置设计参数，提高清选后的籽粒清洁率，减少清选损失。
1脱粒装置及脱出物清选原理
籽粒玉米收获机的关键部件之一：脱粒装置的主要工艺流程：玉米穗通过中间喂入器进入滚筒，在高速回转滚筒的冲击和玉米穗、滚筒、凹板的相互作用下被脱粒。脱粒的籽粒及细小混杂物大部分通过凹板孔，由风扇进行气流清选(清选方法及装置下文将阐述)，轻混杂物从排杂口吹出，籽粒由籽粒滑板滑出机外。
气流清选利用脱出物中谷粒和混合物空气动力特性的差异进行清选，而其空气动力学特性以不同脱出物临界速度来衡量。当脱出混合物落进清选装置的气流场中，进入清选室内清选时，由于受到不同的气流作用力而被分开，通常采用风筛式或气流清选，实现籽粒和杂余的分离。
2籽粒玉米收获机脱出物空气动力学特性
2.1脱出物成分
玉米经脱粒分离出脱出物，包含玉米籽粒、苞叶、茎秆（主要是中短茎秆和碎茎秆）以及轻杂物4种基本成分。各脱出物临界速度不同，几何形态也存在差异，一般都不规则，通常有2种或3种几何外形尺寸。
2.2脱出物空气动力学特性分析
空气动力学，是流体力学的一个分支,主要研究物体在空气或其他气体中运动时而产生的各种力。脱出物的空气动力学特性包括各脱出物单位体积的质量、临界速度、漂浮系数及阻力系数等等。清选室气流速度、气流方向角等气流清选参数直接影响清选效果，需根据不同脱出物空气动力学特性差异来确定。
临界速度的确定：假设将物料置于速度为v的垂直向上运动的空气气流中，当物料受垂直向上的气流作用力P小于自身重力G时，物料将在浮重（重力G与气流作用力P之差）作用下自由下落；当P大于G时，则物料将被气流带走；当P和G相等时，物料处于某水平位置附近呈悬浮静止状态，此时气流流速称为该物料临界速度vP。临界速度vP是影响物料在气流中运动状态的重要参数之一，通常用平均值表达，或给出vP范围，其计算公式为：
vP=gkp
式中g—重力加速度/m·s-2；
kp—物体的漂浮系数/m-1，漂浮系数kp=ρkFm，m为谷粒质量，ρ为空气密度/kg·m-3，k为物体在空气中的阻力系数，F为物体在垂直于气流平面上的投影面积（迎风面积）/m2。
根据上式g取9.8 m/s2，可以计算得出不同作物的空气动力学特性，其中籽粒玉米单位容积的质量为1238 kg/m3，漂浮系数为0.049~0.063 m-1，临界速度为1248~1403m/s；苞叶临界速度为112~223 m/s，长度小于100 mm短茎秆的临界速度为6~7 m/s，长度100~150 mm短茎秆的临界速度为7~9 m/s。根据得到的脱出物临界速度可以确定气流速度，设计风扇风量大小。
3脱出物清选方法及装置
籽粒玉米脱出物中轻混杂物、长短秸秆等较多，清选难度较大，目前常用的清选方法有风扇式气流清选装置、清粮筛式清选装置、气流清粮筛子组合式清选装置。
3.1风扇式气流清选装置
此装置是利用气流清选原理清除混在籽粒中的杂质，机构简单，只能清除苞叶、碎草等轻杂质。由风扇和构成气流通过的风道组成，分为吸入型、吹出型和吹出兼吸入型三种。吹出型清选装置的风扇大多为农用型即双面进风，常采用两个风扇并联结构，吸入型清选装置的风扇则为通用型，多为螺旋线蜗壳形壳体，单面进风。
3.2清粮筛式清选装置
此装置主要利用脱出物中组成各成分的尺寸特性的差异进行分离和选别。具体方法是：根据脱出物的大小、形状，设计适当的筛孔，以达到筛选的目的。清粮筛一般由筛架、1~3层筛子和支、吊杆等组成。筛子有可调鱼鳞筛、编织筛、平面冲孔筛和鱼眼筛等几种。此种方法清粮效果不好，清选损失较高。
3.3气流清粮筛子组合式清选装置
此装置主要是利用脱出物各组成成分的尺寸特性和空气动力学特性将清粮筛和风扇气流配合进行分离选别，主要由清选筛、输送籽粒脱出物的抖动板、风扇和传动机构等组成。工作时，清选筛和抖动板作往复运动，籽粒脱出物不断地被抖动板送往筛面，清选筛下设有风扇，吹出的气流将脱出物吹散，苞叶、短秸杆、杂草、轻杂物等被带出机外，剩余的脱出物比如籽粒、长秸秆等留在筛面向后移动，籽粒自筛孔漏下，长秸秆排出。这种清选方法清粮效果好，清粮损失较低，在多数脱粒机和联合收获机上均有应用。
参考文献：
[1]中国农业机械化科学研究院．农业机械手册（上册）[M]．北京：机械工业出版社，1988.
[2]李保谦，王威立，栗文雁，等．物料悬浮速度测试方法研究［J］．农机化研究，2009（1）：123-125.
[3]马征，李耀明，徐立章．油菜脱出物漂浮速度及摩擦与浸润特性的测定与分析［J］．农业工程学报，2011，27（9）：13-17.
[4]陈霓，黄东明，陈德俊，等．风筛式清选装置非均布气流清选原理与试验［J］．农业机械学报，2009，40（4）：73-77.（03）
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