籽粒玉米收獲機脫出物空氣動力學特性分析及清選方法

劉興博+葉彤+楊金磚

摘要目前，籽粒玉米機械收獲方法大致分為兩種，其中用谷物聯合收割機換裝玉米摘穗臺直接收獲玉米籽粒，或者用專門的自走式籽粒玉米收獲機直接收獲籽粒的方法已逐漸占據主導地位，本文主要對籽粒玉米收獲機脫出物空氣動力學特性進行了分析研究，為優化籽粒收獲機脫粒裝置設計參數提供了依據參考，并簡要介紹了幾種清選方法及裝置。

關鍵詞玉米收獲空氣動力學清選

0引言

目前，黑龍江省玉米種植面積已超億畝，全省玉米機械化收獲水平達64%。機械收獲方法大致分為兩種，即一種是果穗收獲，采用摘穗剝皮機摘下果穗并剝去苞葉（或摘穗機只完成摘穗作業，然后用剝皮機剝去苞葉），并將莖稈切碎拋撒在田間，或將莖稈堆放于田間，果穗經晾曬后由玉米脫粒機脫粒；另一種是用谷物聯合收割機換裝玉米摘穗臺直接收獲玉米籽粒，或者用專門的自走式籽粒玉米收獲機直接收獲籽粒。后者直接收獲玉米籽粒，效率高，可提高谷物聯合收割機的利用率，適合收獲成熟期一致、籽粒濕度較低的玉米，并具有相應的干燥措施，其摘穗裝置采用摘穗板組合式，莖稈不進入脫粒裝置，摘下的玉米穗不經剝苞葉直接進入脫粒裝置。籽粒玉米直接收獲的方式目前已占據主導地位，特別是省內大型農場和農機合作社幾乎全部采用此種方式。通過對籽粒收獲機脫出物空氣動力學特性分析的研究，可以優化籽粒收獲機脫粒裝置及清選裝置設計參數，提高清選后的籽粒清潔率，減少清選損失。

1脫粒裝置及脫出物清選原理

籽粒玉米收獲機的關鍵部件之一：脫粒裝置的主要工藝流程：玉米穗通過中間喂入器進入滾筒，在高速回轉滾筒的沖擊和玉米穗、滾筒、凹板的相互作用下被脫粒。脫粒的籽粒及細小混雜物大部分通過凹板孔，由風扇進行氣流清選(清選方法及裝置下文將闡述)，輕混雜物從排雜口吹出，籽粒由籽粒滑板滑出機外。

氣流清選利用脫出物中谷粒和混合物空氣動力特性的差異進行清選，而其空氣動力學特性以不同脫出物臨界速度來衡量。當脫出混合物落進清選裝置的氣流場中，進入清選室內清選時，由于受到不同的氣流作用力而被分開，通常采用風篩式或氣流清選，實現籽粒和雜余的分離。

2籽粒玉米收獲機脫出物空氣動力學特性

2.1脫出物成分

玉米經脫粒分離出脫出物，包含玉米籽粒、苞葉、莖稈（主要是中短莖稈和碎莖稈）以及輕雜物4種基本成分。各脫出物臨界速度不同，幾何形態也存在差異，一般都不規則，通常有2種或3種幾何外形尺寸。

2.2脫出物空氣動力學特性分析

空氣動力學，是流體力學的一個分支,主要研究物體在空氣或其他氣體中運動時而產生的各種力。脫出物的空氣動力學特性包括各脫出物單位體積的質量、臨界速度、漂浮系數及阻力系數等等。清選室氣流速度、氣流方向角等氣流清選參數直接影響清選效果，需根據不同脫出物空氣動力學特性差異來確定。

臨界速度的確定：假設將物料置于速度為v的垂直向上運動的空氣氣流中，當物料受垂直向上的氣流作用力P小于自身重力G時，物料將在浮重（重力G與氣流作用力P之差）作用下自由下落；當P大于G時，則物料將被氣流帶走；當P和G相等時，物料處于某水平位置附近呈懸浮靜止狀態，此時氣流流速稱為該物料臨界速度vP。臨界速度vP是影響物料在氣流中運動狀態的重要參數之一，通常用平均值表達，或給出vP范圍，其計算公式為：

vP=gkp

式中g—重力加速度/m·s-2；

kp—物體的漂浮系數/m-1，漂浮系數kp=ρkFm，m為谷粒質量，ρ為空氣密度/kg·m-3，k為物體在空氣中的阻力系數，F為物體在垂直于氣流平面上的投影面積（迎風面積）/m2。

根據上式g取9.8 m/s2，可以計算得出不同作物的空氣動力學特性，其中籽粒玉米單位容積的質量為1238 kg/m3，漂浮系數為0.049~0.063 m-1，臨界速度為1248~1403m/s；苞葉臨界速度為112~223 m/s，長度小于100 mm短莖稈的臨界速度為6~7 m/s，長度100~150 mm短莖稈的臨界速度為7~9 m/s。根據得到的脫出物臨界速度可以確定氣流速度，設計風扇風量大小。

3脫出物清選方法及裝置

籽粒玉米脫出物中輕混雜物、長短秸稈等較多，清選難度較大，目前常用的清選方法有風扇式氣流清選裝置、清糧篩式清選裝置、氣流清糧篩子組合式清選裝置。

3.1風扇式氣流清選裝置

此裝置是利用氣流清選原理清除混在籽粒中的雜質，機構簡單，只能清除苞葉、碎草等輕雜質。由風扇和構成氣流通過的風道組成，分為吸入型、吹出型和吹出兼吸入型三種。吹出型清選裝置的風扇大多為農用型即雙面進風，常采用兩個風扇并聯結構，吸入型清選裝置的風扇則為通用型，多為螺旋線蝸殼形殼體，單面進風。

3.2清糧篩式清選裝置

此裝置主要利用脫出物中組成各成分的尺寸特性的差異進行分離和選別。具體方法是：根據脫出物的大小、形狀，設計適當的篩孔，以達到篩選的目的。清糧篩一般由篩架、1~3層篩子和支、吊桿等組成。篩子有可調魚鱗篩、編織篩、平面沖孔篩和魚眼篩等幾種。此種方法清糧效果不好，清選損失較高。

3.3氣流清糧篩子組合式清選裝置

此裝置主要是利用脫出物各組成成分的尺寸特性和空氣動力學特性將清糧篩和風扇氣流配合進行分離選別，主要由清選篩、輸送籽粒脫出物的抖動板、風扇和傳動機構等組成。工作時，清選篩和抖動板作往復運動，籽粒脫出物不斷地被抖動板送往篩面，清選篩下設有風扇，吹出的氣流將脫出物吹散，苞葉、短秸桿、雜草、輕雜物等被帶出機外，剩余的脫出物比如籽粒、長秸稈等留在篩面向后移動，籽粒自篩孔漏下，長秸稈排出。這種清選方法清糧效果好，清糧損失較低，在多數脫粒機和聯合收獲機上均有應用。

參考文獻：

[1]中國農業機械化科學研究院．農業機械手冊（上冊）[M]．北京：機械工業出版社，1988.

[2]李保謙，王威立，栗文雁，等．物料懸浮速度測試方法研究［J］．農機化研究，2009（1）：123-125.

[3]馬征，李耀明，徐立章．油菜脫出物漂浮速度及摩擦與浸潤特性的測定與分析［J］．農業工程學報，2011，27（9）：13-17.

[4]陳霓，黃東明，陳德俊，等．風篩式清選裝置非均布氣流清選原理與試驗［J］．農業機械學報，2009，40（4）：73-77.（03）

endprint

摘要目前，籽粒玉米機械收獲方法大致分為兩種，其中用谷物聯合收割機換裝玉米摘穗臺直接收獲玉米籽粒，或者用專門的自走式籽粒玉米收獲機直接收獲籽粒的方法已逐漸占據主導地位，本文主要對籽粒玉米收獲機脫出物空氣動力學特性進行了分析研究，為優化籽粒收獲機脫粒裝置設計參數提供了依據參考，并簡要介紹了幾種清選方法及裝置。

關鍵詞玉米收獲空氣動力學清選

0引言

目前，黑龍江省玉米種植面積已超億畝，全省玉米機械化收獲水平達64%。機械收獲方法大致分為兩種，即一種是果穗收獲，采用摘穗剝皮機摘下果穗并剝去苞葉（或摘穗機只完成摘穗作業，然后用剝皮機剝去苞葉），并將莖稈切碎拋撒在田間，或將莖稈堆放于田間，果穗經晾曬后由玉米脫粒機脫粒；另一種是用谷物聯合收割機換裝玉米摘穗臺直接收獲玉米籽粒，或者用專門的自走式籽粒玉米收獲機直接收獲籽粒。后者直接收獲玉米籽粒，效率高，可提高谷物聯合收割機的利用率，適合收獲成熟期一致、籽粒濕度較低的玉米，并具有相應的干燥措施，其摘穗裝置采用摘穗板組合式，莖稈不進入脫粒裝置，摘下的玉米穗不經剝苞葉直接進入脫粒裝置。籽粒玉米直接收獲的方式目前已占據主導地位，特別是省內大型農場和農機合作社幾乎全部采用此種方式。通過對籽粒收獲機脫出物空氣動力學特性分析的研究，可以優化籽粒收獲機脫粒裝置及清選裝置設計參數，提高清選后的籽粒清潔率，減少清選損失。

1脫粒裝置及脫出物清選原理

籽粒玉米收獲機的關鍵部件之一：脫粒裝置的主要工藝流程：玉米穗通過中間喂入器進入滾筒，在高速回轉滾筒的沖擊和玉米穗、滾筒、凹板的相互作用下被脫粒。脫粒的籽粒及細小混雜物大部分通過凹板孔，由風扇進行氣流清選(清選方法及裝置下文將闡述)，輕混雜物從排雜口吹出，籽粒由籽粒滑板滑出機外。

氣流清選利用脫出物中谷粒和混合物空氣動力特性的差異進行清選，而其空氣動力學特性以不同脫出物臨界速度來衡量。當脫出混合物落進清選裝置的氣流場中，進入清選室內清選時，由于受到不同的氣流作用力而被分開，通常采用風篩式或氣流清選，實現籽粒和雜余的分離。

2籽粒玉米收獲機脫出物空氣動力學特性

2.1脫出物成分

玉米經脫粒分離出脫出物，包含玉米籽粒、苞葉、莖稈（主要是中短莖稈和碎莖稈）以及輕雜物4種基本成分。各脫出物臨界速度不同，幾何形態也存在差異，一般都不規則，通常有2種或3種幾何外形尺寸。

2.2脫出物空氣動力學特性分析

空氣動力學，是流體力學的一個分支,主要研究物體在空氣或其他氣體中運動時而產生的各種力。脫出物的空氣動力學特性包括各脫出物單位體積的質量、臨界速度、漂浮系數及阻力系數等等。清選室氣流速度、氣流方向角等氣流清選參數直接影響清選效果，需根據不同脫出物空氣動力學特性差異來確定。

臨界速度的確定：假設將物料置于速度為v的垂直向上運動的空氣氣流中，當物料受垂直向上的氣流作用力P小于自身重力G時，物料將在浮重（重力G與氣流作用力P之差）作用下自由下落；當P大于G時，則物料將被氣流帶走；當P和G相等時，物料處于某水平位置附近呈懸浮靜止狀態，此時氣流流速稱為該物料臨界速度vP。臨界速度vP是影響物料在氣流中運動狀態的重要參數之一，通常用平均值表達，或給出vP范圍，其計算公式為：

vP=gkp

式中g—重力加速度/m·s-2；

kp—物體的漂浮系數/m-1，漂浮系數kp=ρkFm，m為谷粒質量，ρ為空氣密度/kg·m-3，k為物體在空氣中的阻力系數，F為物體在垂直于氣流平面上的投影面積（迎風面積）/m2。

根據上式g取9.8 m/s2，可以計算得出不同作物的空氣動力學特性，其中籽粒玉米單位容積的質量為1238 kg/m3，漂浮系數為0.049~0.063 m-1，臨界速度為1248~1403m/s；苞葉臨界速度為112~223 m/s，長度小于100 mm短莖稈的臨界速度為6~7 m/s，長度100~150 mm短莖稈的臨界速度為7~9 m/s。根據得到的脫出物臨界速度可以確定氣流速度，設計風扇風量大小。

3脫出物清選方法及裝置

籽粒玉米脫出物中輕混雜物、長短秸稈等較多，清選難度較大，目前常用的清選方法有風扇式氣流清選裝置、清糧篩式清選裝置、氣流清糧篩子組合式清選裝置。

3.1風扇式氣流清選裝置

此裝置是利用氣流清選原理清除混在籽粒中的雜質，機構簡單，只能清除苞葉、碎草等輕雜質。由風扇和構成氣流通過的風道組成，分為吸入型、吹出型和吹出兼吸入型三種。吹出型清選裝置的風扇大多為農用型即雙面進風，常采用兩個風扇并聯結構，吸入型清選裝置的風扇則為通用型，多為螺旋線蝸殼形殼體，單面進風。

3.2清糧篩式清選裝置

此裝置主要利用脫出物中組成各成分的尺寸特性的差異進行分離和選別。具體方法是：根據脫出物的大小、形狀，設計適當的篩孔，以達到篩選的目的。清糧篩一般由篩架、1~3層篩子和支、吊桿等組成。篩子有可調魚鱗篩、編織篩、平面沖孔篩和魚眼篩等幾種。此種方法清糧效果不好，清選損失較高。

3.3氣流清糧篩子組合式清選裝置

此裝置主要是利用脫出物各組成成分的尺寸特性和空氣動力學特性將清糧篩和風扇氣流配合進行分離選別，主要由清選篩、輸送籽粒脫出物的抖動板、風扇和傳動機構等組成。工作時，清選篩和抖動板作往復運動，籽粒脫出物不斷地被抖動板送往篩面，清選篩下設有風扇，吹出的氣流將脫出物吹散，苞葉、短秸桿、雜草、輕雜物等被帶出機外，剩余的脫出物比如籽粒、長秸稈等留在篩面向后移動，籽粒自篩孔漏下，長秸稈排出。這種清選方法清糧效果好，清糧損失較低，在多數脫粒機和聯合收獲機上均有應用。

參考文獻：

[1]中國農業機械化科學研究院．農業機械手冊（上冊）[M]．北京：機械工業出版社，1988.

[2]李保謙，王威立，栗文雁，等．物料懸浮速度測試方法研究［J］．農機化研究，2009（1）：123-125.

[3]馬征，李耀明，徐立章．油菜脫出物漂浮速度及摩擦與浸潤特性的測定與分析［J］．農業工程學報，2011，27（9）：13-17.

[4]陳霓，黃東明，陳德俊，等．風篩式清選裝置非均布氣流清選原理與試驗［J］．農業機械學報，2009，40（4）：73-77.（03）

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摘要目前，籽粒玉米機械收獲方法大致分為兩種，其中用谷物聯合收割機換裝玉米摘穗臺直接收獲玉米籽粒，或者用專門的自走式籽粒玉米收獲機直接收獲籽粒的方法已逐漸占據主導地位，本文主要對籽粒玉米收獲機脫出物空氣動力學特性進行了分析研究，為優化籽粒收獲機脫粒裝置設計參數提供了依據參考，并簡要介紹了幾種清選方法及裝置。

關鍵詞玉米收獲空氣動力學清選

0引言

目前，黑龍江省玉米種植面積已超億畝，全省玉米機械化收獲水平達64%。機械收獲方法大致分為兩種，即一種是果穗收獲，采用摘穗剝皮機摘下果穗并剝去苞葉（或摘穗機只完成摘穗作業，然后用剝皮機剝去苞葉），并將莖稈切碎拋撒在田間，或將莖稈堆放于田間，果穗經晾曬后由玉米脫粒機脫粒；另一種是用谷物聯合收割機換裝玉米摘穗臺直接收獲玉米籽粒，或者用專門的自走式籽粒玉米收獲機直接收獲籽粒。后者直接收獲玉米籽粒，效率高，可提高谷物聯合收割機的利用率，適合收獲成熟期一致、籽粒濕度較低的玉米，并具有相應的干燥措施，其摘穗裝置采用摘穗板組合式，莖稈不進入脫粒裝置，摘下的玉米穗不經剝苞葉直接進入脫粒裝置。籽粒玉米直接收獲的方式目前已占據主導地位，特別是省內大型農場和農機合作社幾乎全部采用此種方式。通過對籽粒收獲機脫出物空氣動力學特性分析的研究，可以優化籽粒收獲機脫粒裝置及清選裝置設計參數，提高清選后的籽粒清潔率，減少清選損失。

1脫粒裝置及脫出物清選原理

籽粒玉米收獲機的關鍵部件之一：脫粒裝置的主要工藝流程：玉米穗通過中間喂入器進入滾筒，在高速回轉滾筒的沖擊和玉米穗、滾筒、凹板的相互作用下被脫粒。脫粒的籽粒及細小混雜物大部分通過凹板孔，由風扇進行氣流清選(清選方法及裝置下文將闡述)，輕混雜物從排雜口吹出，籽粒由籽粒滑板滑出機外。

氣流清選利用脫出物中谷粒和混合物空氣動力特性的差異進行清選，而其空氣動力學特性以不同脫出物臨界速度來衡量。當脫出混合物落進清選裝置的氣流場中，進入清選室內清選時，由于受到不同的氣流作用力而被分開，通常采用風篩式或氣流清選，實現籽粒和雜余的分離。

2籽粒玉米收獲機脫出物空氣動力學特性

2.1脫出物成分

玉米經脫粒分離出脫出物，包含玉米籽粒、苞葉、莖稈（主要是中短莖稈和碎莖稈）以及輕雜物4種基本成分。各脫出物臨界速度不同，幾何形態也存在差異，一般都不規則，通常有2種或3種幾何外形尺寸。

2.2脫出物空氣動力學特性分析

空氣動力學，是流體力學的一個分支,主要研究物體在空氣或其他氣體中運動時而產生的各種力。脫出物的空氣動力學特性包括各脫出物單位體積的質量、臨界速度、漂浮系數及阻力系數等等。清選室氣流速度、氣流方向角等氣流清選參數直接影響清選效果，需根據不同脫出物空氣動力學特性差異來確定。

臨界速度的確定：假設將物料置于速度為v的垂直向上運動的空氣氣流中，當物料受垂直向上的氣流作用力P小于自身重力G時，物料將在浮重（重力G與氣流作用力P之差）作用下自由下落；當P大于G時，則物料將被氣流帶走；當P和G相等時，物料處于某水平位置附近呈懸浮靜止狀態，此時氣流流速稱為該物料臨界速度vP。臨界速度vP是影響物料在氣流中運動狀態的重要參數之一，通常用平均值表達，或給出vP范圍，其計算公式為：

vP=gkp

式中g—重力加速度/m·s-2；

kp—物體的漂浮系數/m-1，漂浮系數kp=ρkFm，m為谷粒質量，ρ為空氣密度/kg·m-3，k為物體在空氣中的阻力系數，F為物體在垂直于氣流平面上的投影面積（迎風面積）/m2。

根據上式g取9.8 m/s2，可以計算得出不同作物的空氣動力學特性，其中籽粒玉米單位容積的質量為1238 kg/m3，漂浮系數為0.049~0.063 m-1，臨界速度為1248~1403m/s；苞葉臨界速度為112~223 m/s，長度小于100 mm短莖稈的臨界速度為6~7 m/s，長度100~150 mm短莖稈的臨界速度為7~9 m/s。根據得到的脫出物臨界速度可以確定氣流速度，設計風扇風量大小。

3脫出物清選方法及裝置

籽粒玉米脫出物中輕混雜物、長短秸稈等較多，清選難度較大，目前常用的清選方法有風扇式氣流清選裝置、清糧篩式清選裝置、氣流清糧篩子組合式清選裝置。

3.1風扇式氣流清選裝置

此裝置是利用氣流清選原理清除混在籽粒中的雜質，機構簡單，只能清除苞葉、碎草等輕雜質。由風扇和構成氣流通過的風道組成，分為吸入型、吹出型和吹出兼吸入型三種。吹出型清選裝置的風扇大多為農用型即雙面進風，常采用兩個風扇并聯結構，吸入型清選裝置的風扇則為通用型，多為螺旋線蝸殼形殼體，單面進風。

3.2清糧篩式清選裝置

此裝置主要利用脫出物中組成各成分的尺寸特性的差異進行分離和選別。具體方法是：根據脫出物的大小、形狀，設計適當的篩孔，以達到篩選的目的。清糧篩一般由篩架、1~3層篩子和支、吊桿等組成。篩子有可調魚鱗篩、編織篩、平面沖孔篩和魚眼篩等幾種。此種方法清糧效果不好，清選損失較高。

3.3氣流清糧篩子組合式清選裝置

此裝置主要是利用脫出物各組成成分的尺寸特性和空氣動力學特性將清糧篩和風扇氣流配合進行分離選別，主要由清選篩、輸送籽粒脫出物的抖動板、風扇和傳動機構等組成。工作時，清選篩和抖動板作往復運動，籽粒脫出物不斷地被抖動板送往篩面，清選篩下設有風扇，吹出的氣流將脫出物吹散，苞葉、短秸桿、雜草、輕雜物等被帶出機外，剩余的脫出物比如籽粒、長秸稈等留在篩面向后移動，籽粒自篩孔漏下，長秸稈排出。這種清選方法清糧效果好，清糧損失較低，在多數脫粒機和聯合收獲機上均有應用。

參考文獻：

[1]中國農業機械化科學研究院．農業機械手冊（上冊）[M]．北京：機械工業出版社，1988.

[2]李保謙，王威立，栗文雁，等．物料懸浮速度測試方法研究［J］．農機化研究，2009（1）：123-125.

[3]馬征，李耀明，徐立章．油菜脫出物漂浮速度及摩擦與浸潤特性的測定與分析［J］．農業工程學報，2011，27（9）：13-17.

[4]陳霓，黃東明，陳德俊，等．風篩式清選裝置非均布氣流清選原理與試驗［J］．農業機械學報，2009，40（4）：73-77.（03）

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