谷物联合收获机清选机构原理与清选质量提升思路

2022-02-21刘海龙

农机使用与维修 2022年2期

刘海龙

(密山市八五五农场第四管理区26作业站,黑龙江密山 158327)

0 引言

谷物联合收获机能够适应多种农作物的收获作业，利用现代化的机械设计能够实现一次性作业完成秸秆切割、谷物喂入、谷物脱粒、分离、清选、集中存放或输出等众多功能。清选装置作为粮食收获品质的重要保障，能够在收获作业的同时将粮食中混杂的颖壳、断穗、短茎秆等杂余清除，随着谷物联合收获机逐渐向大型化发展，粮食的收获效率得到了显著提升，与此同时对谷物清选结构的性能要求也更高。不断增大的谷物喂入量是制约清选效率的主要因素，因此，从大型机械化生产的角度出发，分析提升清选质量的合理方式，是提升谷物联合收获机作业性能的有力保障，更有利于我国粮食的优质产出。

1 谷物联合收获机主体结构

谷物联合收获机是水稻、小麦等农作物收获的主力机型，具有很好的实用性特征，其在我国的大面积推广应用起始于20世纪70年代。经过多年的发展，现阶段我国使用的谷物联合收获机种类和机型较多，根据机械结构的差异，可将谷物联合收获机大体分为牵引式联合收获机、悬挂式联合收获机、自走式联合收获机三种机型[1]。牵引式谷物联合收获机在我国的应用时间较早，这一时期的很多农业机械与拖拉机配套均采用牵引式结构，但其工作不够灵活，机组过长且技术落后，逐渐被生产所淘汰。而现阶段我国农业生产中使用较多的为悬挂式和自走式两类谷物联合收获机，悬挂式机型与拖拉机的后悬挂连接后进行生产作业，结构相对简单，机型体积较小；自走式机型为独立的收获机产品，具有专用的动力、底盘、控制、行驶系统，多为中大型机型。这两类机械都能够满足农作物的收获需求，但是从自动化程度来看，自走式机型的功能配备更为完善，如图1所示，为自走式谷物联合收获机主体结构，与悬挂式机型相对比，自走式谷物联合收获机除能完成多种谷物的收割、收集功能外，还能在作业过程中一次性完成脱粒、分离及清选工作，能够显著降低收获作业后的工作量，并提高谷物收获质量[2]。

图1 谷物联合收获机主体结构

2 清选机构的研究现状

随着农业机械化生产的快速发展，我国农业机械的研发能力得到了快速提升，谷物联合收获机在向大型化发展的同时，也更加重视性能的提升，对于清选装置而言，如何在保证高效率和高除杂率的情况下尽可能降低清选过程的粮食损失，是现阶段清选机构研究的重点内容。崔俊伟等[3]为有效解决轴流式谷物联合收割机清选效率不足的问题，设计了双离心风机振动筛式清选装置，有效提升了清选质量；王立军等[4]以贝壳筛清选机构作为主要研究对象，利用CFD-DME耦合法建立了贝壳筛结构与清选质量之间的关系模型，证实了筛孔高度是影响清选效果的重要因素，并得到了贝壳筛结构参数最佳分布关系；李耀明等[5]设计了新型振动筛结构，利用三块不同角度且镀有含氟丙烯酸树脂的波纹板组合成的抖动板，有效解决了物料粘连问题，且提高了谷物进入清选筛的分布均匀程度，改善了清选质量；程亚民等[6]针对清选装置的连杆机构进行三维建模，并将模型导入到ADMAS中进行数据仿真分析，生成了不同零件质心在各个时间段的加速度和速度变化曲线，为清选装置连杆机构结构优化提供了数据支持。

3 清选机构的原理

清选装置作为制约谷物联合收获机技术发展的重要因素，清选装置的结构和功能近年来得到了快速优化，清选机构的结构设计成为了含杂率和损失率的主要影响因素。

3.1 清选装置的分类

清选装置根据机械结构和功能原理的不同大体可以分为气流式和风筛式两大类。气流式清选装置主要利用风机提供的气流将谷物中混杂的颖壳、断穗等杂物分离排出，气流式清选装置的结构简单、体积小、制造成本低，工作相对可靠，清选效率较高但清选质量相对较低。风筛式清选装置是将风机提供的清选风力与清选筛的往复筛选运动相配合，从而实现高效率的谷物筛选工作，风筛式清选装置相对于气流式清选装置结构更为复杂。如图2所示，为约翰迪尔R40联合收割机的风筛式清选装置，包括了多叶片卷翼式可调速清选风扇、双层振动筛、抖动板、机架、传动系统等组成。相对而言，风筛式清选装置节能性和分离性能更好，且目前的大中型谷物联合收获机中风筛式清选装置的使用比例达到93%以上，其适应性强、清选效率高、清选后的籽粒含杂率低等优点受到了生产厂家和农民的认可。

图2 约翰迪尔R40联合收割机风筛式清选装置

3.2 风筛式清选装置的结构功能

3.2.1 清选筛的形式

清选筛筛网的不同对清选质量的影响较大，根据筛网的不同，常用的清选筛包括鱼鳞筛、冲孔筛、编织筛、贝壳筛、圆筒筛等多种类型[7]。不同清选筛的清选能力具有较大差异，例如鱼鳞筛的单层清选能力较弱，多用作复合式多层筛网的上层使用；冲孔筛筛分物料精准，单独使用时有效筛选面积小，通常用作多层筛网的下层使用；贝壳筛是单向筛选的筛网，能够有效后推送轻杂物，但由于效率较低，不适合应用于大负荷工作场合。

根据清选筛运动形式的不同，可将清选筛分为往复式振动筛和多维振动筛两大类。往复式振动筛多通过曲柄连杆机构或回转机构作为振动源，往复式振动筛只能在空间范围的固定线路上做往返运动，利用往返运动产生的振动配合风机的气流吹力将杂余去除，同时粮食由筛孔落入收集装置，现阶段的往复式振动筛多选用多层筛网组合的形式，能够显著降低清选损失率，并提升作业效率。多维振动筛可实现三平移两转动的多种运动方式，相对于往复式振动筛，多维振动筛能进一步提高谷物分布的均匀性，有效利用筛网工作面积，从而提高清选质量和效率。据统计，设计合理的多维振动筛比普通往复式振动筛筛分效率提高59.3%，含杂率降低49.7%。

3.2.2 风机装置

风机是清选装置气流产生的动力源，风机装置通常包括风扇、风道、风门等零部件组成，风机的性能直接影响到风选分离与籽粒清洁的实际效果。如图3所示，在谷物清选的过程中，通过风机风扇的高速转动，风机中心处因为离心力作用形成真空度，风机外部的空气在负压力作用下被吸入风机内部，并形成高速运动的气流，气流随着扇叶的离心运动轨迹进入风道并最终进入清选筛，形成清选的气流作用力，在风机的持续运转作用下，将谷物中混杂的杂质带离，与清选筛配合完成清选任务[8]。

图3 清选装置轴流式风机示意

4 清选质量的提升思路

4.1 进一步提高清选效率

随着农村地区土地合作经营模式的增多，粮食逐渐呈现大面积连片种植趋势，为适应高效率、大面积连续作业的需求，清选装置的工作效率必须要实现进一步提升。一方面利用现代化的仿真软件模拟谷物清选的工作环境，优化风机风量、送风位置与清选筛的振幅之间的参数关系，确保各个机械部件之间形成科学的匹配关系，使清选机构进一步向精确化农机要求转变，使现有技术应用更为合理；另一方面优化筛网的布局形式，应用多级筛网结构和不同密度筛网通过合理布局实现多级筛分下的质量提升，通过组合设计有效提升谷物通过率和清选速率。

4.2 进一步提高清选质量

在提高清选效率的同时，还必须重视清选质量的提升，通过提高清选筛的振动性能保证粮食和杂余的快速分离，利用计算机软件对筛选过程进行模拟，选择合适的风量与振动频率，改善传统机型清选过程含杂率高、粮食损失大问题，确保风机风量大小不会带走过多的粮食，同时保证收获的谷物具有合格的含杂率。重点考虑从多风道离心风机应用、改良筛片开度、增加筛分面积等方面进行优化。

4.3 提高清选装置的智能化程度

由于谷物联合收获机所需要收获的粮食种类多种多样，不同的粮食对于清选装置的参数调整各不相同，为提高清选装置的使用便捷性，利用现代化的电控技术，在重要的工作位置增设传感器、视频监测设备，与液压、电动、气动技术有机结合，力争实现针对特定作物自动调整清选筛振动频率、风机转速、鱼鳞筛开度、风门开关板、分风板角度等参数，既减轻驾驶人员的工作量，同时提高清选装置工作的合理性，确保清选质量和效率。

4.4 加强先进清选技术的成果转化

现阶段，我国很多针对清选技术的研究还处于试验阶段，很多科技成果转化为生产力的速度不足，导致技术提升缓慢，因此，相关科研机构和农机厂商应积极提高先进技术的转化速度，采取科研院所与企业相互合作的方式实现先进技术的应用与普及，并同时加强先进机型的农机推广和政策支持，提供相应的购机补贴，确保先进机型得到快速推广应用，并在应用过程中逐步改进，提升谷物联合收获机的清选装置技术先进性[9]。