脱出物喂入量对多风道清选装置内部气流场的影响

李 洋，徐立章，周 蓥，司增永，李耀明



脱出物喂入量对多风道清选装置内部气流场的影响

李 洋，徐立章※，周 蓥，司增永，李耀明

（江苏大学农业装备工程学院，镇江212013）

为研究联合收获机脱粒装置脱出物喂入量对清选装置内部气流场的影响，研制了多风道清选试验台，在清选室内振动筛上、下方分别布置25个气流速度测点，并在风机转速1 350 r/min、鱼鳞筛开度22 mm、分风板Ⅰ倾角24°、分风板Ⅱ倾角20°的额定工作参数下，采用VS110型热线式风速仪对清选装置内部无脱出物和1～4 kg/s脱出物喂入量工况分别进行气流场测量试验。试验结果表明：各测点的气流速度随脱出物喂入量的增大而有着不同程度的减小；无脱出物时各测点的气流速度最大，喂入量每增大1 kg/s，振动筛上方测点的气流速度下降1.2%～16.4%，振动筛下方测点的气流速度下降1.4%～9.3%；特别是在最大4 kg/s喂入量时，振动筛上方气流速度衰减较多，比无脱出物时气流速度下降12.6%～30.7%；相同喂入量条件下，振动筛横向1/3、2/3处的气流速度比1/2处大，振动筛纵向筛面上方前部气流速度较小、中后部气流速度较大、筛尾处气流有所回升。研究结果为多风道清选装置的设计和田间试验时参数调整提供依据。

气流场；试验；联合收获机；清选装置；喂入量

0 引 言

清选装置是决定联合收获机作业性能和效率的核心工作部件之一，按工作原理大致可以分为2类：一类是按照谷物的空气动力特性进行清选，如气吸式清选装置、气吹式清选装置等；另一类是利用气流和筛子配合进行清选，与此相对应的风机类型有单风道离心式风机、多风道离心式风机、贯流式风机等，筛子类型有鱼鳞筛、冲孔筛、编织筛、鱼眼筛等[1]。目前，在国内外联合收获机中，第二类清选原理即风筛式清选装置运用最为广泛，因为这种清选装置具有适应性较好、清选效率较高等优点[2]。本文的研究对象是多风道风筛式清选装置，采用多风道离心式风机加双层振动筛（上层鱼鳞筛、下层编织筛）[3]结构。

随着联合收获机的广泛应用，国内外专家学者对联合收获机清选装置的研究越来越系统和深入。Kenney[4]对联合收获机清选室内部气流场进行了2D数值模拟分析，并利用PIV（particle image velocimetry）系统对气流场的分布进行了测定；Mekonnen等[5]采用FLUENT流体分析软件对联合收获机中具有横流进风口的离心式风机进行了数值模拟仿真，并用热线风速仪对出口处的气流速度进行了测量，得到的结果与数值模拟结果误差在10%以内；Adewumi等[6]探讨了离心式风机作为风源的清选装置内谷物的分布情况；Yuko等[7]针对联合收获机清选装置中气流的湍流特性进行了描述，并通过气流速度仪对其内部气流场进行了测量；Craessaerts等[8]对联合收获机风筛清选过程中谷物损失检测方面进行了研究；CLAAS公司[9]和John Deere公司[10]研发了双风道涡轮式风机清选装置，采用双出风口离心风机、双层往复式振动筛，其清选性能较好。国内学者对联合收获机清选装置的研究也较为成熟[11-19]；杜小强等[20]对贯流式清选装置内部的气流场进行了气固两相流的数值模拟，并利用台架试验验证了数值模拟的可行性；张建宗等[21]研究了单风道离心式风机出风口长度和左右侧板倾斜角度对清选性能的影响；申德超[22]对一个由双出风道的离心风机和一层筛子组成的双风道清选装置进行台架试验研究，用优化设计的方法计算出清选损失率最小时的最优参数组合；徐立章等[23]研制出4LYB1-2.0型油菜联合收获机，其清选部件釆用单风机与双层振动筛组合式结构，通过田间试验可以得到该机收获油菜时总损失率为5.7%，破碎率为0.3%，含杂率为2.0%；唐忠等[24]采用数字风速仪测得清选室内多点气流速度，利用绘制等速线的方法得出气流流速为0的点（涡心），分析了不同的离心式风机转速和出风口倾角对涡心位置的影响。

虽然有关专家学者分析了风机转速、鱼鳞筛开度、分风板倾角等参数对风筛式清选装置内部气流场的影响，但没有开展脱粒装置脱出物喂入量对清选装置内部气流场影响的研究，而实际工作环境中脱出物喂入量不是恒定值，其对清选装置内部气流场可能产生一定的影响，进而影响清选效率、清选质量等。为研究脱出物喂入量的变化对多风道清选装置气流场的影响，设计了多风道清选试验台，根据试验台可变喂入量的调节范围，分别对无脱出物、脱出物喂入量1～4 kg/s等工况进行试验研究和分析，为多风道清选装置设计和田间作业时工作参数调整提供依据。

1 多风道清选试验台的研制

1.1 基本结构及参数

根据斜置切纵流联合收获机的实际结构，设计了多风道清选试验台[25]，如图1所示，主要包括给料装置、多风道清选装置、传动装置、机架和控制柜等部分。

给料装置位于试验台的前上方，是脱出物清选过程的开始端，采用可调开口料箱和三组电磁给料器组合结构，通过控制料箱出料口的开度和电磁给料器的频率满足脱出物喂入量（1～4 kg/s）的改变，其范围与斜置切纵流联合收获机田间试验测得数据相符；多风道清选装置是试验台的核心工作部件，主要包括多风道离心式风机（如图2所示）、分风板Ⅰ/Ⅱ调节机构、鱼鳞筛开度调节机构、籽粒垂直/水平搅龙、杂余垂直/水平搅龙、振动筛（由鱼鳞筛、编织筛和尾筛组成）、抖动板、回程板等；离心式风机叶轮直径为402 mm，进风口直径为370 mm，振动筛总长为1 311 mm，振动筛总宽度为930 mm，抖动板与振动筛垂直距离为100 mm，鱼鳞筛位于编织筛上方150 mm处。传动装置是试验台的动力传送部件，由四台西门子公司生产的变频电机（型号1LE0001-1BB2）和若干带轮组成，电机分别驱动多风道离心式风机、籽粒/杂余搅龙、振动筛、回程板等部件，各部件的调速范围分别是0～1 500 r/min、0～1 000 r/min、0～400 r/min、0～600 r/min；控制柜在试验台的最前方，其通过控制变频电机和伺服电动缸来调节试验台的主要工作参数（风机转速、搅龙转速、分风板I倾角、分风板Ⅱ倾角、鱼鳞筛开度等）。

1. 上出风口2. 下出风口 3. 左侧进风口4. 中间进风口5. 右侧进风口

1.2 试验原理与方法

多风道清选试验台工作时，驱动电机带动风机叶轮、籽粒搅龙、杂余搅龙、振动筛、抖动板、回程板运动。脱出物首先从给料装置落到抖动板上，经过抖动板的抖动均匀平铺落入到鱼鳞筛筛面上方[26]，其中一部分轻杂余和秸秆在落到鱼鳞筛筛面之前就被离心式风机上出风口吹出的风带离筛面，到达振动筛尾部，籽粒和质量较大的杂余、秸秆在振动筛的抖动下通过鱼鳞筛筛面，并到达编织筛上方；编织筛的网口孔径较小，大多数的杂余都不能通过，而籽粒则能通过编织筛进入到籽粒水平搅龙，在籽粒水平搅龙和籽粒垂直搅龙的输送下进入粮箱[27]，杂余则被离心式风机下出风口吹出的风带到筛尾，大部分被吹出机外，一小部分通过尾筛进入杂余水平搅龙，在杂余水平搅龙和杂余垂直搅龙的输送下到达回程板，在回程板的抖动下再一次落到鱼鳞筛上表面，完成二次清选。

按照4LZ-5.0T斜置切纵流联合收获机多风道清选装置工作参数可调节范围，随机取每个范围中的工作参数值，设定离心式风机转速1 350 r/min、分风板Ⅰ倾角24°、分风板Ⅱ倾角20°、鱼鳞筛开度22 mm为额定工况，在此工况下分别对无脱出物、脱出物喂入量为1、2、3、4 kg/s时试验台内部气流场进行测量试验。

1.3 试验材料

联合收获机水稻脱出物包括籽粒、长茎秆、短茎秆及轻杂余等[28]。试验采用经过脱粒过程后的水稻进行不同喂入量清选试验，水稻品种为“镇稻18号”，脱出物各成分质量比例为：籽粒约占75%、长茎秆约占6%、短茎秆约占15%、轻杂余约占4%。其中籽粒的含水率为24.98%，籽粒平均长度约为7.21 mm、平均宽度约为 3.22 mm，茎秆的含水率为50.4%，长茎秆长度在100～300 mm，而短茎秆的长度在20～100 mm。

2 气流速度测量方法及测点安排

2.1 气流速度测量方法

常用的气流速度测量仪器有风杯式风速仪、叶轮式风速仪、热线式风速仪、激光多普勒风速仪等，其中热线式风速仪因其测量准确度高、使用方便、测量范围宽、灵敏度高而被广泛应用[29]。本试验台采用南京能兆科技有限公司生产的VS110型热线式风速仪（图3）来测量清选装置内部测点处的气流速度，其输出信号为4～ 20 mA，气流速度测量范围为0.5～50 m/s，测量精度为±0.1 m/s，带RS485通讯接口，可直接读出测量结果，其头部探针为直径3 mm的特种不锈钢材料，。单次试验采用10根热线式风速仪同时对内部气流场进行测量，每根热线式风速仪的数据通过RS485通讯接口被控制台的计算机实时显示与保存，从而减少了人为读数和操作误差。

2.2 测点分布

为探寻多风道清选试验台内部的气流场分布规律，考虑试验台清选室的实际结构和测量空间，选取振动筛上方、下方布置2个测量面，其中第一个测量面位于振动筛上筛（鱼鳞筛）上方80 mm处，第二个测量面位于振动筛下筛（编织筛）下方50 mm处，两个测量平面的大小及测点分布相同，如图4a所示。

a. 测量面分布示意图

a. Distribution diagram of measuring surfaces

b. 测点分布示意图

b. Distribution diagram of measuring points

1. 抖动板2. 回程板3. 测点4. 尾筛 5. 鱼鳞筛6.编织筛

1. Oscillating board 2. Return board 3. Measuring points 4. Tail sieve 5. Louver sieve 6. Woven sieve

图4 测量面及测点分布示意图

Fig.4 Distribution diagram of measuring surfaces and points

以振动筛前方最左侧作为坐标原点，沿筛面左侧横向延长到筛面右侧为轴正方向，沿筛面纵向延长到筛尾为轴正方向，在两个测量平面内的向和向分别布置了25个测点，如图4b所示。单组试验时用热线式风速仪在筛面横向（向）移动5次即可全部测出50个测点的数据，各测点气流速度取试验台清选时间10～15 s之间计算机储存数据的平均值。为保证测量结果的准确性及消除偶然误差，一组测量试验重复3次。由于每组测量试验中的3次重复试验所得测量结果极为接近，误差在0.2%～1.5%之间，故对重复试验结果进行取平均值处理。

3 多风道清选装置气流场试验与分析

3.1 筛面上、下方总体气流场分布情况

根据多风道清选装置试验台内部测点所得数据，使用Matlab软件拟合出振动筛上方与下方的气流场分布曲面，如图5、6所示。

由图5、6可以看出：无脱出物和不同喂入量工况下，振动筛上方、下方测量面内气流场的分布基本一致；横向方向上，振动筛上方气流场呈现出较明显的“M”形分布，振动筛下方呈现出较平缓的“M”形分布；纵向方向上，振动筛上方前部气流速度较小、中后部气流速度较大，振动筛下方的气流速度呈现不断减小的特点。

相同喂入量时：振动筛上方横向1/3、2/3处的气流速度较大，而1/2处的气流速度最小。这一现象与多风道离心式风机的结构有关，由于试验台的多风道离心式风机采用两段式叶轮，除了左右两侧的进风口外，还增加了中间进风口（图2），由边界效应可知，理论上在出风道横向的1/3、2/3处的气流速度最大，1/2处的气流速度较小，这在试验结果中得到了验证；纵向方向上，振动筛上方的测点整体呈现出筛面前部气流速度较小，中部气流速度较大，而后部气流速度逐渐衰减，到筛面尾部时气流速度又有所回升的规律，这是由于振动筛上方前部位置只受到多风道离心式风机上风道吹出风的影响，逐渐衰减，而中部受到多风道离心式风机下风道吹出风的影响，故速度较大，筛面尾部接近机器出口，截面积突然变小造成气流速度有所回升。

相同喂入量时：振动筛下方气流场在横向方向上同样是受到多风道离心式风机结构的影响而呈现“M”形分布；振动筛下方各个测点的气流速度随着振动筛纵向距离的增大而减小，呈现出慢慢衰减的现象，这是由于离心风机下风道产生的气流完全覆盖到振动筛下方的测点，而上风道产生的气流对这些测点影响很小，故测点的气流速度会随着振动筛纵向距离的增大逐渐衰减。

根据以上现象，在设计与该多风道清选装置相匹配的脱粒装置凹板、抖动板和回程板的导流条布置[30]时，需要考虑气流场的分布特点，即通过合理布置抖动板和回程板上的导流条，使脱出物分布在横向方向上也呈现两侧多、中间少的特点，可充分利用筛面气流，提高清选质量和效率；在设计多风道离心式风机时可优化出风口的倾角或截面积，从而使气流在振动筛纵向方向上分布更加合理，例如当滚筒脱出物含杂率高时，可适当增大出风口的截面积，以增大振动筛上方气流的覆盖面积，使振动筛前部也能达到较大的气流速度，防止清选后的籽粒含杂率过高。

图5 振动筛上方气流场分布图

图6 振动筛下方气流场分布图

3.2 横截面气流场分布规律

使用Origin软件绘制出振动筛上方与下方纵向长度分别为310、630、950、1 270、1 590 mm的横截面内各测点的气流速度变化图，如图7所示。

图7 振动筛横向截面内测点气流速度图

由图7可知：振动筛上方各横截面内测点的气流速度在无脱出物的工况下最大，最大速度5.2 m/s位于=950 mm截面处。随着脱出物喂入量的不断增大，各测点气流速度有着不同程度的减小，尤其是在喂入量4 kg/s的工况下，气流速度下降的比较明显，各测点气流速度比无脱出物工况下的气流速度下降12.6%～30.7%，最小速度仅为1.65 m/s，位于=630 mm截面处。喂入量每增大1 kg/s，振动筛上方测点的气流速度就下降1.2%～16.4%，其中=310 mm截面处测点气流速度下降1.9%～8.8%，此截面处气流速度受脱出物喂入量变化影响相对较小。

振动筛下方各横截面内测点的气流速度同样是在无脱出物的工况下最大，最大速度11.0 m/s位于= 310 mm截面处。随着脱出物喂入量的不断增大，各个测点的气流速度也有着不同程度的减小，在4 kg/s喂入量的工况下，截面=1 590 mm处测点气流速度达到最小值5.5 m/s。喂入量每增大1 kg/s，振动筛下方测点的气流速度就下降1.4%～9.3%，且各截面测点气流速度下降幅度较相近。

因此，在实际收获作业中，当作物单产提高、作业速度增加等造成喂入量增大时，需适当增加风机的转速，提高筛面气流速度[28]，增强气流吹脱和分层能力，便于籽粒穿过筛面，保证清选质量和效率。

3.3 纵截面气流场分布规律

同样，用Origin软件绘制出振动筛上方与下方横向距离分别为160、330、500、670、840 mm的纵截面内各测点的气流速度变化图，如图8所示。

由图8可知：振动筛上方各纵向截面内测点的气流速度在无脱出物的工况下最大，最大气流速度5.2 m/s位于截面= 670 mm处。随着喂入量的不断增大，各个测点的气流速度有着不同程度的下降，最小气流速度位于=500 mm截面处，为1.5 m/s。喂入量每增大1 kg/s，振动筛上方测点的气流速度就下降1.2%～16.4%，其中=500 mm处气流速度下降1.2%～10.6%，此截面处气流速度受脱出物喂入量变化影响相对较小。

振动筛下方各纵向截面内测点的气流速度同样是随着喂入量的不断增大而有着一定程度的减小，最大气流速度11.0 m/s，位于=670 mm截面处，最小气流速度位于=500 mm截面处，约为5.5 m/s。喂入量每增大1 kg/s，振动筛下方测点的气流速度就下降1.4%～9.3%，且各截面测点气流速度下降幅度较相近。

因此，在实际收获作业中，当作物单产提高、作业速度增加等造成喂入量增大时，还需要适当减小上、下分风板的倾角，增强筛面中后段气流速度[28]，增强中后段气流吹脱和分层能力，解决由于喂入量增加造成中后段气流衰减较大导致含杂率显著增加的问题。

图8 振动筛纵向截面内测点气流速度图

4 结 论

1）研制了多风道清选试验台，包括可变喂入量给料装置、多风道清选装置、传动装置、机架和控制柜等，通过控制料箱出料口的开度和电磁给料器的频率满足脱出物喂入量（1～4 kg/s）的变化要求，可实现多种参数的无级调节和数据的自动保存和显示，为多种工况下清选室内气流场的研究提供参考。采用的VS110型热线式风速仪测量精度高（±0.1 m/s）、使用方便。

2）在离心式风机转速1 350 r/min、分风板Ⅰ倾角24°、分风板Ⅱ倾角20°、鱼鳞筛开度22 mm工作参数下，无脱出物和不同脱出物喂入量工况时，多风道清选装置内横向方向上，振动筛上方与下方的气流场分布均呈现出“M”形特点，即中间气流速度较小，1/3、2/3处气流速度较大；纵向方向上，振动筛上方的气流场分布特点为振动筛前段气流速度较小，中后部气流速度较大，筛尾处气流有所回升，而振动筛下方的气流场分布规律为气流速度随振动筛纵向距离增加而逐渐衰减变小。

3）振动筛上、下方各测点的气流速度随脱出物喂入量的增大而有着不同程度的减小，喂入量每增大1 kg/s，振动筛上方测点的气流速度下降1.2%～16.4%、下方测点的气流速度下降1.4%～9.3%，特别是在最大4 kg/s喂入量时，振动筛上方气流速度衰减较多，比无脱出物时气流速度下降12.6%～30.7%。因此，在实际收获作业中，当作物单产提高、作业速度增加等造成喂入量增大时，需适当增加风机的转速、适当减小上、下分风板的倾角，增强气流吹脱和分层能力，保证清选质量和效率。

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Effect of extractions feed-quantity on airflow field in multi-ducts cleaning device

Li Yang, Xu Lizhang※, Zhou Ying, Si Zengyong, Li Yaoming

(,,212013,)

To study the effect of threshed mixture feed quantity of combine harvester threshing device on the cleaning device’s airflow field, a multiple-duct cleaning test-bed was developed. This test-bed included variable feeding device, multiple-duct cleaning device, transmission device, frame and control cabinet. The test-bed could adjust threshed mixture’s feed quantity, fan rotation speed, vibration sieve opening, wind-board dip angle and other parameters. Also, through controlling discharge outlet opening and electromagnetic feeder frequency, the feed quantity could change (1-4 kg/s). Moreover, the test-bed could automatically save the data and display the data on the computer screen. The test-bed was used for further study on the internal airflow field under various working conditions. In this study, 25 airflow velocity measuring points were arranged above and below the vibration sieve in the cleaning room. The feed quantity of non-material and 1-4 kg/s was tested by VS110 type hot-wire anemometers under rated conditions in which the fan speed was 1350 r/min, the vibration sieve opening was 22 mm, the dip angle of Wind-board I was 24°, and the dip angle of Wind-board Ⅱ was 20°. The traditional hot-wire anemometer was easy to be damaged by material impact, but the anemometer in this study could avoid the problem, and furthermore, its measuring accuracy was higher. In single test, 10 hot-wire anemometers were used to measure the airflow velocity and save the data. Test experiment showed that the airflow velocity of each measuring point decreased with the increasing of feed quantity of threshed mixture; in the non-material case, the airflow speed arrived maximum. With every 1 kg/s feed quantity that was increased, the airflow velocity decreased by 1.2%-16.4% at the top of the vibration sieve. The airflow velocity decreased by 1.4%-9.3% at measuring point under the vibration sieve. Especially in 4 kg/s feed quantity that was the maximum quantity, the airflow velocity above the tail of the vibration sieve was more attenuated, which decreased by 12.6%-30.7% compared with non-material. Under the same feed quantity, the airflow velocity at the transverse 1/3 and 2/3 position of the vibration sieve was larger than that at the 1/2 position, which was caused by the multiple-duct centrifugal fan structure. The airflow velocity of the front above the vibration sieve at longitudinal direction was smaller and the airflow velocity in the middle and posterior was larger and the airflow velocity picked up in the end of vibration sieve; for the front position above the vibration sieve was only affected by the upper air-duct, while the middle part was influenced by the lower air-duct of multiple-duct centrifugal fan, and the sieve surface tail was close to the exit of the machine and the cut area suddenly changed small to cause the airflow velocity rising. The research provides the basis for the design of multiple cleaning devices and the adjustment of parameters in the field experiment. In the actual harvest operation, when the crop feeding quantity increases, appropriately increasing the fan speed or reducing wind-board dip angle is necessary in order to enhance the air stripping and stratification ability, and it also can guarantee the cleaning quality and efficiency.

airflow field; experiments; combines; cleaning device; feed-quantity

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.007

S225.4

A

1002-6819(2017)-12-0048-08

2016-11-09

2017-04-06

国家自然科学基金资助项目（51475217）；霍英东教育基金会青年教师基金资助项目（141051）

李 洋，男，河南信阳人，主要从事联合收获机清选装置试验与研究。镇江 江苏大学农业装备工程学院，212013。Email：28908823@qq.com

徐立章，男，江苏镇江人，研究员，博士生导师，主要从事收获机械基础理论与关键技术研究。镇江 江苏大学农业装备工程学院，212013。Email：justxlz@ujs.edu.cn

李 洋，徐立章，周 蓥，司增永，李耀明. 脱出物喂入量对多风道清选装置内部气流场的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(12)：48－55. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.007 http://www.tcsae.org

Li Yang, Xu Lizhang, Zhou Ying, Si Zengyong, Li Yaoming. Effect of extractions feed-quantity on airflow field in multi-ducts cleaning device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 48－55. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.007 http://www.tcsae.org