農業物料清選裝置的研究現狀與展望*

范開欣，劉 英，李小燕，許迎春

(甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅 武威 733006)

0 引 言

我國的糧食作物、油料作物和特色經濟作物種類豐富，在其收獲作業中經常涉及清選技術，清選裝置作為清選技術的核心，清選性能直接決定后期農業機械作業質量的水平[1-2]。隨著我國農業機械發展進程的加快，清選裝置的種類越來越多，但均不能將物料中的雜質有效分離出來，從而阻礙了清選裝置的推廣應用[3]。近年來，雖然研制出一部分清選機械，由于結構尺寸和物料特性的限制，其含雜率和損失率仍不能滿足農戶的要求。因此，研制出含雜率低、損失率小的清選機械是農業物料小型收獲機發展過程中亟待解決的問題。

筆者針對我國清選存在的問題，對清選裝置的發展現狀進行綜述，同時總結了現階段清選機理的研究進程和對清選裝置進行試驗時所取得的結論，以期為后續清選裝置的優化推廣奠定基礎。

1 清選裝置研究現狀

根據農業物料的特點，可將物料的清選裝置分為吹出型、吸入型和吸入兼吹出型三種，主要有風篩式、氣流式、垂直式和旋風循環分離型清選裝置[4]。目前，國內學者針對不同的物料進行了物料清選裝置的研究，通過確定相關的工作參數，對其進行樣機試驗驗證，從而對試驗裝置進行優化設計，并為相關機械的研制提供技術指導。

廖慶喜等[5]設計了一種離心氣流清選和回轉篩選組合式的風篩式清選試驗臺，分析了其主要結構和相關的運行參數，并對其進行了試驗研究，發現影響清選性能因素的主次順序為清選篩轉速、離心風機轉速、篩面型式。耿令新等[6]針對燕麥籽粒其韌性強和不易破碎的特點，設計了一種揉搓式除雜裝置，并以清潔率和損失率為試驗指標，采用試驗分析法確定了各因素較優的取值范圍，同時通過多元回歸試驗確定了較優的參數組合，為后期燕麥加工機械的研制提供技術指導。于昭洋等[7]針對切流式花生全喂入式聯合收獲機清選環節存在果雜分離不清和損失率高等問題，設計了一種風篩組合、大小雜并除的清選機構，利用動態靜力學方法研究了篩面物料的相對運動，確定了物料從篩面躍起的極限條件和相對運動參數的理論值域，為聯合收獲機清選機構的設計提供了理論參考。戴飛等[8]結合胡麻脫粒流動特性和分離清選作業工藝流程，設計了胡麻脫粒清選機，并通過對關鍵部件選型，確定了關鍵工作參數，并分析了該裝置自動排料的必要條件，同時通過樣機作業性能試驗驗證了相關的設計要求。孫偉等[9]針對水稻割前摘脫脫出物草谷比低和處理量大的特點，設計了一種可循環立式離心分離復脫清選裝置，并且以分離率、復脫率和破碎率等為試驗指標，通過二次正交旋轉中心組合試驗進行驗證，結果表明立式離心分離復脫清選裝置的處理效率高，基本能夠適應脫出物的處理要求。劉春亞等[10]在得到花生摘果脫出物清選性能的基礎上，設計了一種由輕雜物分離系統和短桿分離系統組成的清選系統，并對相關的斷桿分離裝置進行受力分析，計算出分離輥的結構參數。張延國[11]針對現有糧食清選機自動化程度不高和清除率低等問題，研發出一種新型高效的清選機，提高了農業資源的綜合利用水平，并且滿足了現代農業的發展需求。

2 物料清選機理研究現狀

研究發現，由于物料顆粒具有復雜的尺寸分布，因此篩分運動是在各個操作參數下顆粒組成的粒子運動的綜合效應，先進的分析技術和試驗方法一直是該領域發展的關鍵，但是以前對于篩分性能的研究僅僅依靠經驗。近年來，隨著計算機行業的發展，越來越多的模擬軟件被應用到清選機理的研究上，主要有ANSYS、CFD和EDEM等軟件，其現在已經成為研究流場的主要工具，并且會被廣泛應用于未來實驗裝置設計和優化的過程中。

李耀明[12]針對單個油菜籽的透篩過程建立了單風道風機單層振動篩清選裝置的虛擬樣機模型，并對清選裝置的運動規律進行了仿真試驗，結果表明振動篩振幅、頻率和風機的轉速對其物料的清選有顯著的影響。付剛等[13]針對油菜收獲機清選裝置設計和改進過程中存在的問題，建立了風篩選清選裝置的虛擬樣機模型，并在不同工作參數下進行了仿真試驗研究。劉師多等[14]分析了雙風機篩選機構的清選原理，測量了該機構兩種條件下的流場，指出了流場的理想狀態和相關的改善途徑。黃震宇等[15]利用Fluent軟件的湍流模型和DPM離散相模型仿真了物料在分離室中的運動過程，利用多項擬合法分析了仿真結果，并進行了實機驗證試驗，發現擬合度較好，證明了氣固兩相流模型的可靠性。李方等[16]為了提高切縱流聯合收割機的清選效率，對其振動篩結構進行了優化改造，通過CFD數值模擬對其下抖板進行了分析，并利用田間試驗驗證了改正結構的準確性，發現籽粒的損失率和含雜率明顯降低。李洪昌等[17]為了尋找振動篩最佳的運動學參數，利用EDEM對振動篩的篩分過程進行了數值模擬，并且將其與實際的實驗結果進行對比，發現其總體趨勢總體吻合，體現出了數值模擬的正確性和可行性。湯慶等[18]采用離散元的方法對中小型聯合收割機抖動板的性能進行了研究，利用離散元仿真得到抖動板往復運動對物料的作用云圖，從而發現雙抖動板能夠較均勻的篩分物料。杜小強等[19]為了解決流場不均勻和寬度受限等問題，設計了一種以貫流風機作為風源的慣流式谷物清選裝置，并對其清選室內氣固兩相流特征進行了數值模擬計算，同時利用拉格朗日法追蹤顆粒，得到顆粒的運動軌跡，通過計算發現清選室內的氣流場存在一定的水平分層現象。高春艷等[20]利用CFD軟件對旋風分離型谷物清選器內的流場進行數值模擬，發現清選器內部氣流會產生強旋流動的現象，并且壓力和速度的分布對谷物清選的影響是有利的。任述光等[21]利用兩相流力學理論分析了水稻聯合收獲機脫粒清選分流筒中氣流和雜志的流動規律，建立了顆粒流的相關運動微分方程，從而為清選部件參數的優化設計和風機的選擇提供了理論依據。

3 農業物料清選試驗研究現狀

由于農業物料大部分具有很強的季節性，因此在部分季節不能進行相關作物的試驗研究，現在部分學者通過利用其相關物料參數進行仿真試驗，為機具的研發提供一定的參考依據。但是由于仿真試驗研究的環境是理想的，故應該對其進行實機田間試驗對照，能夠盡可能增加后期設備優化過程的可信度。

王立軍等[22]為了提高玉米籽粒收獲機風篩選裝置的清選效果，以振動篩篩分效率和籽粒清潔率為性能指標，進行了二次正交旋轉組合試驗，對其篩體結構參數進行了優化，并且發現其篩分效率由81.79%提高到89.91%，清潔率提高到97.28%，大大提高了清選裝置的性能。倪長安等[23]為了簡化微型小麥聯合收割機旋風分離清選系統的結構，運用正交試驗和旋轉試驗進行優化設計，研究了各部分結構參數和運動參數的最優組合，并分析了各個試驗因素對試驗指標的顯著性。李耀明等[24]為了分析振動篩拋射角度對篩面運動狀態的影響，建立了單個物料的運動模型，并且通過穩定性分析，得到不同拋射強度下物料的運動規律，研究了不同工作參數對篩面拋射角度的影響，為清選裝置運動參數的選擇提供了參考依據。劉師多等[25]利用自制的清選系統試驗臺，將影響清選性能指標的主要參數作為設計變量，通過試驗優化設計得出了各個參數的最優參數組合，為清選系統的設計提供了依據。馬秋成等[26]為了獲得合適的蓮子分選工藝參數，對混合物料各組分的空氣動力學特性進行了理論分析和試驗，得到蓮仁、蓮殼、碎仁懸浮速度的變化范圍，修正了蓮子物料的形狀系數，從而實現裝置的優化設計，為分離設備的研發提供了理論依據。高連興等[27]為了提高大豆脫粒機的清選效果，利用自制的農業物料漂浮速度試驗臺測得大豆脫出物的漂浮速度，對其清選循環裝置進行了性能試驗，得到改進后清選裝置的最優參數，為清選系統的設計提供參考。劉曉飛等[28]為了提高振動篩的篩分性能，以氣流因素為試驗指標在多維振動篩分試驗臺進行了試驗研究，分析了各因素對篩分性能指標的主次影響因素，結果表明振幅對篩分速度的影響最大，風速對含雜率的影響最大。

4 總結與展望

4.1 研究現狀總結

目前，隨著對農業物料清選裝置研究的不斷進行，對清選機理、氣流場分析和脫出物運動狀態分析的研究也逐漸深入，以相關數值模擬軟件為基礎，對其規律也有了進一步的認識，也為后期清選裝置的參數優化與機具設計奠定了基礎。利用相關的清選裝置進行試驗研究時，應充分利用CFD、DEM和ANSYS等分析軟件，不僅能增加研究進度還能減少經濟損失?？傊?，隨著農戶對清選性能的要求越來越高，科研工作者對其研究興趣也將大大增加，對其研究力度也將大大提升。

4.2 發展趨勢

(1) 繼續深入探索清選機理，使清選裝置的適應性更廣。雖然物料的種類較多，但是其清選機理大致相同。在后期的研究過程中，應該增加對清選機理的探索，針對各個清選參數進行進一步研究，以提高設備的作業效率，使其達到最佳的清選狀態，使清選效果朝高效、低損和低含雜的方向發展。

(2) 加強各個分析軟件的應用?，F階段比較常見的分析軟件有ADAMS、ANSYS、CFD和EDEM，各個軟件均有自身的優勢，并且農業物料的氣流場比較復雜，用數學模型很難準確分析各個物料的運動特性。因此，應該增加氣流場變化規律的研究，努力突破技術上的困難，為機具的參數優化提供理論依據。

(3) 增大智能化清選裝置的研究。由于作物的種類多，不同含水率的脫出物具有不同的清選要求，應在清選裝置上增加實時監測點，使物料的含水率、風機轉速、風口高度和振動效率可視化，以便于能夠更好的調節作業參數，保證作業性能。