玉米籽粒收獲機分段式振動篩清選裝置設計與試驗

王立軍 馬 楊 馮 鑫 宋良來 柴 進

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

清選裝置是玉米籽粒聯合收獲機的關鍵部件，其結構和性能直接影響玉米籽粒的清選效果，其中風篩式清選裝置應用最為廣泛。風篩式清選裝置利用風機產生的氣流場使玉米混合物分散，并帶走部分輕雜余，其余混合物在篩面振動作用下分散、分層，使玉米籽粒透篩而雜余排出。

在清選裝置設計方面，學者們進行了諸多研究，取得了大量成果,通過設計多種清選裝置提高了聯合收獲機的清選性能[1-15]。在這些清選裝置中，多層篩面運動參數相同，但是對于物料在篩分過程中被具有不同運動參數的篩面連續篩分的研究卻鮮有報道。

本課題組前期對國產玉米籽粒收獲機進行了田間試驗，結果表明，收獲機清選裝置的籽粒損失率為3.71%，籽粒清潔率為95.34%。針對玉米籽粒聯合收獲機籽粒清潔率較低、損失率高的問題，本文基于CFD-DEM耦合技術對傳統雙層往復振動篩清選裝置內氣固兩相運動進行仿真，設計一種分段式振動篩清選裝置，通過改變上篩結構來改變其后部氣流場的分布、籽粒分布及透篩性，由仿真試驗確定分段式振動篩最佳的結構參數和工作參數組合，并進行臺架試驗，驗證分段式振動篩清選裝置的性能。

1 結構與工作原理

1.1 整體結構

分段式振動篩清選裝置主要由風機、抖動板、前篩、后篩、尾篩、下篩、驅動軸、雙向搖桿、機架等組成，如圖1所示。

圖1 分段式振動篩清選裝置結構圖Fig.1 Cleaning device with segmented vibrating screens1.風機 2.抖動板 3.前篩 4.前置吊桿 5.后置吊桿 6.后篩 7.尾篩 8.下篩 9.后置雙向搖桿 10.支撐搖桿 11.后篩驅動軸 12.傳動帶 13.前置雙向搖桿 14.帶輪 15.機架

圖2 單風道貫流風機示意圖Fig.2 Schematic of single duct cross flow fan1.風機外殼 2.風篩葉片

抖動板安裝在清選裝置前部。分段式振動篩清選系統中的風機為單風道貫流風機，風機安裝在抖動板的下部，清選裝置的前部，如圖2所示。上篩是由前、后兩個長度不同的篩體組成，前、后篩平行安裝。前篩由前置吊桿鉸接懸掛在機架的上部，通過由前篩驅動軸上的偏心輪、搖臂、雙向搖桿組成的曲柄搖桿機構，實現前篩的往復擺動，完成對玉米脫出物的初次篩選；后篩由后置吊桿懸掛在機架的后部，與前篩運動形式相同，通過后篩驅動軸驅動的曲柄搖桿機構實現后篩的往復擺動，完成對玉米脫出物中籽粒的持續篩選；前、后篩驅動軸之間由傳動帶進行動力傳遞，通過設計帶輪之間的傳動比實現后篩頻率的改變，設計的后篩搖桿長度可以實現后篩振幅的改變。下篩前端與前置雙向搖桿鉸接，后端由支撐搖桿支撐，隨著前置雙向搖桿往復擺動，對前、后篩下落的物料進行再次篩選。

1.2 工作原理

玉米脫出物是指玉米經玉米籽粒收獲機摘穗、脫粒后最終落入清選裝置內的混合物，其中包括玉米籽粒、莖稈、芯和輕質雜余。風機產生的氣流可使玉米脫出物在抖動板下落過程中初步分層、分散，部分輕質雜余被直接吹出清選裝置外；落到前篩的玉米脫出物通過篩面的振動和風機產生氣流的協同作用，使大部分玉米籽粒在前篩完成透篩，部分籽粒受玉米莖稈、玉米芯等夾帶落到后篩。在前篩尾部與后篩前端之間存在一定的垂直間距，前篩清選后的玉米脫出物在此處受到氣流的影響使未透篩的籽粒和雜余再次分層、分散，經后篩篩分使玉米脫出物完成持續清選，玉米脫出物篩分如圖3所示。此裝置相對于傳統雙層往復振動篩清選裝置，提高了清選裝置對氣流的利用率，繼而提高了整個裝置的工作性能。

圖3 分段式振動篩清選裝置篩分玉米脫出物示意圖Fig.3 Screening of maize mixture in cleaning device with segmented vibrating screens1.抖動板 2.玉米莖稈 3.玉米芯 4.前篩 5.后篩 6.尾篩 7.下篩 8.玉米籽粒

2 顆粒在前篩下落后運動分析

當玉米脫出物從前篩尾部落到后篩時具有一定的速度v，如圖4所示。

圖4 顆粒在前篩下落后的受力分析Fig.4 Force on particles after falling from front screen

顆粒在前篩下落時會受到氣流的作用，在水平方向和豎直方向運動方程式為

(1)

式中v——顆粒離開前篩時速度，m/s

vx——顆粒沿水平方向分速度，m/s

vy——顆粒沿垂直方向分速度，m/s

γ——顆粒速度與水平方向夾角，(°)

Lx——顆粒運動水平位移，mm

Lt——前后篩垂直距離，mm

ax——顆粒在水平方向上加速度，m2/s

ay——顆粒在垂直方向上加速度，m2/s

t——顆粒從前篩落到后篩的時間，s

顆粒在水平及垂直方向上的加速度為

(2)

其中

G=mg

(3)

式中R——風力，N

θ——氣流方向角，(°)

G——顆粒重力，N

m——顆粒質量，kg

g——重力加速度，m/s2

聯立式(1)～(3)可得

(4)

式中Kp——風力系數，mm-1

u——氣流平均速度，m/s

Q——氣流流量，m3/s

A——管道截面面積，m2

當前后篩垂直間距一定，前后篩的水平間距Lc(水平重合量為前后篩之間重合的距離，記水平間距為負值)增大(或水平重合量減少)，即后篩長度減小時，原后篩下部被阻擋的氣流進入前后篩中間部位，使得此處進風量Q隨著前后篩水平間距的增大而增大，而與氣流垂直的管道截面A面積不變，如圖5所示。

圖5 氣流隨前后篩水平間距的變化Fig.5 Changes of air flow with horizontal distance between front and rear screens

由公式(4)可知，氣流的平均速度u變大，進而風力R會增大。由此，設定風力與前后篩水平間距Lc的關系式為R=f(Lc)，可得

(5)

由公式(5)可知，當前后篩面的垂直間距Lt增大時，顆粒的下落時間t會隨之增加，由此設定顆粒的下落時間t和垂直間距Lt的關系式為t=f(Lt)，顆粒從前篩落到后篩過程中的水平位移Lx為

(6)

顆粒落到后篩的位置會影響顆粒的篩分，由此可知前后篩的垂直間距Lt和前后篩面的水平間距Lc對后篩的清選性能有一定的影響。

3 前篩長度仿真試驗

3.1 仿真模型及參數設定

3.1.1清選裝置模型

6行玉米籽粒聯合收獲機中的傳統雙層往復振動篩清選裝置結構是分段式振動篩清選裝置設計的基礎。鑒于尾篩為貝殼篩，其主要作用是將雜余排出，將上篩等距劃分[16]，通過仿真分析上篩縱向區域的籽粒透篩規律，從而設計分段式振動篩清選裝置前后篩的長度及后篩與前篩的相對位置。仿真時選定模型寬度為100 mm[17]，運用SolidWorks建立清選裝置簡化三維模型，如圖6所示，模型參數如表1所示。將清選裝置模型保存為STEP 格式并導入到Gambit中進行網格劃分，局部網格重構法作為動網格(Moving mesh)的更新計算方法。

圖6 傳統雙層往復振動篩清選裝置模型Fig.6 Model of cleaning device with traditional reciprocating vibrating double screens1.氣流入口 2.抖動板 3.上篩 4.雜余出口 5.尾篩 6.下篩

3.1.2玉米脫出物模型

試驗玉米品種選用德美亞1號，通過田間試驗確定玉米脫出物組成成分及各成分質量百分比，并通過東北農業大學激光掃描試驗臺對玉米脫出物進行掃描。利用SolidWorks軟件將顆粒模型云點圖轉換為 STEP格式文件，導入到EDEM中進行小球填充。玉米籽粒聯合收獲機清選裝置的喂入量逐年增大，國產玉米籽粒收獲機的喂入量一般為5 kg/s，

表1 模型參數Tab.1 Parameters of model

因此本次仿真試驗中設定玉米脫出物喂入量為5 kg/s，在上篩前端以0 m/s初速度喂入，各成分模型、質量百分比及仿真顆粒數目如表2所示。

表2 玉米脫出物各成分模型、質量百分比及仿真顆粒數目Tab.2 Models, quality percentage and number of simulated components in maize mixture

3.1.3仿真參數設定

分段式振動篩清選裝置涉及氣體-顆粒兩相流動，使用CFD-DEM耦合計算，其中氣相由Fluent 12.0求解，顆粒相由EDEM 2.2求解[18]。

在Fluent中選定標準k-ε模型，求解器類型選定為壓力基非穩態。作業時，風機的入口氣流速度為9.6～16 m/s，單因素試驗是在此氣流速度范圍內進行，氣流速度選取范圍中間值u=12.8 m/s。依據風機下殼體的角度，確定氣流方向角為25°。設定湍流強度為3.15%，速度入口水力直徑為158.68 mm。

玉米脫出物在清選裝置內運動，脫出物顆粒之間、脫出物與篩面和壁面會發生接觸碰撞，在EDEM中選用Hertz-Mindlin(no-slip)模型，各材料的力學特性和各材料間的接觸屬性如表3、4所示[19-21]。設定上、下篩振幅為19 mm，頻率為5.15 Hz，上篩的振動方向角為136.6°，下篩的振動方向角為43.4°。EDEM中時間步長是Rayleigh步長的20%，Fluent時間步長為EDEM時間步長的100倍。

表3 材料的力學特性參數Tab.3 Mechanical properties of materials

3.2 仿真結果

3.2.1前篩長度的確定

為保證分段式振動篩前篩的清選性能，使前后篩面的作業性能達到最佳，需確定合適的分段式振動篩前篩長度。為此，采用統計顆粒ID的方法對傳統雙層往復振動篩上篩篩面縱向區域內的玉米籽粒透篩率進行統計并分析，試驗結果如圖7所示。

表4 材料間接觸屬性參數Tab.4 Interaction properties of materials

玉米籽粒的透篩主要集中在上篩的前中部。由于玉米脫出物從抖動板落到篩面的主要區域為80～640 mm，玉米脫出物堆積，并受到篩面的振動作用分散。從抖動板下落的過程中，氣流會對玉米脫出物進行初次清選，雜余與籽粒分離且向上篩后部運動，僅有部分籽粒落到0～80 mm區域內，使得此區域內的籽粒透篩比例較低；在80～960 mm區域內，經由氣流清選后的脫出物不斷落下，篩面上部的氣流速度變小，脫出物被推送到篩尾的能力變弱，使得篩面上籽粒與雜余的碰撞減少。脫出物在篩面的作用下，籽粒向下運動，雜余向上運動，使得籽粒在此區域內透篩比例較高，在上篩篩面0～960 mm內透篩籽粒占總籽粒的95.06%；在上篩960～1 360 mm的區域內，脫出物中的籽粒明顯減少，雜余對籽粒的影響更為明顯，部分玉米芯透過篩面，而籽粒透篩受到影響，導致此區域內的籽粒透篩比例減少，同時導致籽粒清潔率降低。由此確定分段式振動篩清選裝置前篩的長度為960 mm。

3.2.2氣固兩相運動規律分析

在《農業機械設計手冊》[22]中清選裝置設計指出，清選裝置的雙層篩面間距為100～150 mm，抖動板尾部高出篩面約100 mm。前篩可以對籽粒進行篩選，又可以像抖動板一樣將未清選的玉米脫出物向后推送落到后篩，且沿清選裝置縱向方向前篩與后篩又是上下兩層篩面，因此選取前后篩垂直間距為100 mm。為了初次探究前后篩之間氣流對玉米脫出物持續清選的作用，應保證分段式振動篩前后篩面的總長與傳統雙層往復振動篩上篩的長度相同，篩面的運動參數與傳統雙層往復振動篩的運動參數相同。因此確定分段式振動篩前后篩水平間距為0 mm，根據玉米籽粒的透篩比例確定前篩長度為960 mm，后篩的長度即為400 mm，模型如圖8所示。對分段式振動篩清選裝置內物料運動進行耦合仿真，材料及參數設定如表1～4，并與傳統雙層往復振動篩清選裝置對比。

圖8 分段式振動篩清選裝置仿真模型Fig.8 Model of cleaning device with segmented vibrating screens1.氣流入口 2.抖動板 3.前篩 4.雜余出口 5.后篩 6.尾篩 7.下篩

(1)氣流場分布

鑒于篩上的氣流對于玉米脫出物的清選起著至關重要的作用，因此對清選裝置中各區域內的氣流速度進行提取。如圖9b所示，在傳統雙層往復振動篩上，氣流速度從前到后先減小后增大，沿上篩垂直方向從上至下逐漸減小。在上篩前部的氣流速度最大為12.1 m/s，可以將抖動板上下落的玉米脫出物中的籽粒與雜余分散并向后吹送；篩面的中部氣流速度最小為6.6 m/s。

圖9 不同清選裝置的氣流場分布Fig.9 Distribution of air flow field in different cleaning devices

通過對比氣流場可知，傳統雙層往復振動篩與分段式振動篩清選裝置的氣流場在前部和中部區域無明顯區別。在后部區域，傳統式振動篩上篩面的氣流速度沿篩面明顯減小，此處氣流對脫出物的推送作用減弱；分段式振動篩中，后篩前部與前篩后部之間會產生較大速度的氣流，氣流速度最大為12.5 m/s，其豎直方向的分速度為9.6 m/s。在實驗室測得收獲時的玉米籽粒懸浮速度最高為12.2 m/s；玉米芯的懸浮速度最高為4.97 m/s；玉米莖稈的懸浮速度最高為3.22 m/s。氣流在垂直方向上的分速度大于玉米芯和莖稈的懸浮速度，小于籽粒的懸浮速度，可以使玉米籽粒與雜余更好地分離，更有利于雜余的排出和玉米籽粒的透篩。后篩上部氣流速度為傳統雙層往復振動篩相同位置篩上氣流速度的1～3倍(在傳統雙層往復振動篩上篩后部區域篩面上部氣流速度為4.9～6.6 m/s，分段式振動篩中后篩上部氣流速度為5.0～12.5 m/s)。

(2)顆粒運動軌跡

由于傳統雙層往復振動篩清選裝置和分段式振動篩清選裝置的結構前中部相同，玉米脫出物的運動軌跡基本一致，如圖10所示。通過對比可知，在清選裝置后部，傳統雙層往復振動篩上篩篩面上的玉米脫出物無明顯分離，籽粒被雜余夾帶。籽粒不能有效地篩分而部分雜余透過篩面，導致了籽粒損失率過高，清潔率低；在分段式振動篩清選裝置中，經由前篩清選后的玉米脫出物在落入后篩的過程中受氣流的影響，籽粒與雜余再次分離，雜余向后部吹送，籽粒落到后篩的前部可以更有效地篩分。

圖10 不同清選裝置內的玉米脫出物運動軌跡Fig.10 Movement of maize mixture in different cleaning devices

為獲得分段式振動篩清選裝置的最佳結構和運動參數，對清選裝置進行仿真試驗。

4 仿真試驗結果與分析

4.1 單因素試驗

以后篩頻率、后篩振幅、前后篩的垂直間距和水平間距為因素，以玉米籽粒的清潔率和損失率為清選性能指標進行單因素試驗，尋求各因素對分段式振動篩清選裝置清選性能的影響規律。單因素試驗是只對一個因素進行試驗，其他因素保持固定不變。當對清選裝置的結構參數進行試驗時，對分段式振動篩清選裝置進行重新建模和仿真，完成清選裝置結構參數的單因素試驗；當對清選裝置的運動參數進行試驗時，在EDEM中設置不同的運動參數，完成清選裝置運動參數的單因素試驗。以預試驗結果為依據，各因素水平如表5所示。

表5 單因素試驗因素水平Tab.5 Experimental factors and levels in single-factor tests

(1)后篩頻率對清選性能的影響

當后篩頻率在3.05～7.25 Hz范圍內，清潔率呈現先增加后減少的趨勢，籽粒的損失率呈現先減少后增加的趨勢，試驗結果如圖11所示。當后篩頻率為3.05 Hz時，玉米脫出物貼附于篩面上，籽粒與篩面接觸受到一定的影響，部分雜余透過篩面導致此時籽粒的高損失率、低清潔率[23]。當篩面頻率為3.75 Hz時，玉米籽粒的損失率最低，玉米籽粒清潔率繼續增加；當后篩頻率增大到一定程度時，玉米脫出物在篩面的跳動過于顯著。由于經前篩篩分后的玉米脫出物中含有的籽粒較少，雜余對籽粒的碰撞也隨之增加，籽粒與后篩的接觸受到一定的影響，透篩減少，造成了玉米籽粒損失率的增加。雜余碰撞后再次落到后篩，造成了籽粒清潔率的降低。當后篩頻率過高時，籽粒的清潔率下降，損失率過高，因此，選取后篩頻率3.05～6.25 Hz作為多因素試驗范圍。

圖11 不同后篩頻率時的清選性能曲線Fig.11 Effect of frequency of rear screen on cleaning performance

(2)后篩振幅對清選性能的影響

篩面振幅是篩面運動的一個重要參數，其直接影響篩面上顆粒的拋起高度，試驗結果如圖12所示。當后篩振幅在11～27 mm范圍內，籽粒的損失率呈現先減小后增加的趨勢，籽粒的清潔率呈現先增加后減小的趨勢。當后篩振幅較低時，籽粒的損失率較高，此時的振幅不能使玉米脫出物中籽粒與雜余均勻散開，籽粒混雜在雜余之中，減少了脫出物中籽粒與篩面的接觸；隨著篩面振幅的增大，玉米籽粒與雜余的跳動越明顯，其拋起高度也隨之增加。顆粒拋起的高度越高，到達篩面的時間越長，導致顆粒沿水平方向向雜余出口的位移增加，后篩的有效篩分面積減小。同時彈起的高度越高，籽粒與雜余的碰撞次數越多，使得玉米籽粒的透篩率減小，損失率增加。當后篩振幅為19 mm時，籽粒的清潔率最高。當后篩振幅繼續增大時，雜余對籽粒的影響效果更明顯，造成籽粒的損失率過高，雜余透過篩面，籽粒的清潔率降低。因此，選取后篩振幅11～19 mm作為多因素試驗范圍。

圖12 不同后篩振幅時的清選性能曲線Fig.12 Effect of amplitude of rear screen on cleaning performance

圖13 不同前后篩垂直間距時的清選性能曲線Fig.13 Effect of vertical interval of screens on cleaning performance

(3)前后篩垂直間距對清選性能的影響

前后篩平行安裝時會存在一個垂直間距，前后篩垂直間距是影響玉米脫出物從前篩落到后篩位置的直接因素，試驗結果如圖13所示。當前后篩垂直間距在50～150 mm范圍內,籽粒的清潔率隨著前后篩垂直間距的增加逐漸增加，籽粒的損失率呈現先減少后增加的趨勢。當前后篩垂直間距為50 mm時，由于垂直間距最短，玉米脫出物在從前篩落到后篩時間最短，氣流對籽粒與雜余分離的作用最小，導致籽粒與雜余未能很好地分離，造成了此時的籽粒損失率偏高，清潔率過低；隨著前后篩垂直間距的增大，玉米脫出物從前篩落到后篩的時間逐漸增加，氣流對籽粒與雜余分離的作用逐漸增強，籽粒與雜余的分離效果也更加明顯，籽粒的清潔率提高，損失率降低；當前后篩垂直間距繼續增大時，玉米脫出物落到后篩篩面的時間更長，雜余和籽粒落到后篩的位置靠近篩尾，后篩篩面的有效篩分面積變小，這是導致籽粒損失率增加的一個原因。另一個原因是當前后篩面的垂直間距過大時，經前篩篩孔落下的籽粒沿著氣流方向向后運動到后篩繼續篩分，使得籽粒損失率偏高。由于前后篩垂直間距過小時會使籽粒的損失率過高，清潔率過低；前后篩垂直間距過大時籽粒的損失率偏高，因此，確定前后篩的垂直間距為60～132 mm。

(4)前后篩水平間距(水平重合量)對清選性能的影響

前后篩水平間距也是影響前后篩之間氣流大小的一個重要因素。由圖14可知，當前后篩水平間距在-160～160 mm范圍內，籽粒的清潔率呈現先增加后減少的趨勢，損失率逐漸降低。當前后篩的水平間距在-160～0 mm時，即前后篩之間存在水平重合量時，前篩篩選后的玉米籽粒會再次落到后篩篩面，并且籽粒的數目會隨著水平重合量增大而增多，造成了此時籽粒損失率的較高，且水平重合量的存在使得前后篩之間氣流速度的減小，使得氣流對籽粒和雜余的分離作用減弱，清潔率隨著水平重合量的減小而增高；當前后篩水平間距在0～160 mm時，玉米脫出物在由前篩下落時，會有部分玉米芯等雜余在前篩后部與后篩前部之間的空隙落到清選裝置中，造成籽粒的清潔率低；由于前后篩之間存有空隙，會有較多的氣流對玉米脫出物進行清選，籽粒與雜余的分散效果較好。當前后篩水平間距較小時，籽粒的清潔率較高；當前后篩水平間距較大時，籽粒的損失率較低。由此確定前后篩的水平間距為-160～160 mm。

圖14 不同前后篩水平間距時的清選性能曲線Fig.14 Effect of horizontal distance of screens on cleaning performance

4.2 多因素試驗

4.2.1二次正交旋轉中心組合試驗設計

依據單因素試驗結果確定分段式振動篩后篩頻率x1、后篩振幅x2、前后篩垂直間距x3、前后篩水平間距x4的范圍；參照玉米收獲機質量評價技術規范和國家標準GB/T 21962—2008，選定玉米籽粒清潔率y1、玉米籽粒損失率y2為清選性能評價指標。采用四因素五水平二次正交旋轉中心組合安排試驗，利用Design-Expert 8.0.6軟件生成試驗表，其中參數的調整、喂入量及氣流場參數設置參照單因素試驗方法，每組試驗重復3次。試驗因素編碼如表6所示。

表6 試驗因素編碼Tab.6 Experimental factors and codes

4.2.2結果分析

使用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行分析，得到籽粒清潔率y1與籽粒損失率y2的回歸方程，并進行顯著性檢驗。

(1)籽粒清潔率

經分析可知：模型顯著性檢驗F為33.57，P小于0.000 1，該模型極顯著；失擬項P=0.276 9>0.05，殘差項不顯著，該回歸模型成立。交互項x1x3、x2x3、x3x4對指標影響均顯著，其余交互項不顯著。各因素對籽粒清潔率影響的主次順序為x1、x2、x3、x4。各因素對籽粒清潔率的回歸數學模型為

(7)

各因素對籽粒清潔率的響應曲面如圖15所示。由圖15a可知，當后篩振幅為15 mm，前后篩水平間距為0 mm時，在后篩頻率一定的條件下，籽粒的清潔率隨著前后篩垂直間距的增大而增大。這是因為當前后篩垂直間距較小時，清選后的玉米脫出物由前篩落到后篩的時間短，氣流對籽粒與雜余分離的作用較弱，雜余和籽粒分離效果較差，雜余所占比例偏高且部分雜余沿篩面透篩，導致了此時籽粒的清潔率較低；隨著前后篩垂直間距的增加，脫出物由前篩落到后篩的時間增長，氣流對籽粒與雜余分離的作用增強，脫出物落到后篩的位置逐漸向篩后靠近，籽粒與雜余的分離效果逐漸改善，因此籽粒的清潔率隨著前后篩垂直間距的增大而增加。

由圖15b可知，當后篩頻率為4.65 Hz，前后篩水平間距為0 mm時，在前后篩垂直間距一定的條件下，籽粒的清潔率隨著后篩振幅的增加而增加。當后篩振幅較小時，雜余夾帶籽粒在篩面跳動不明顯，使得籽粒與雜余未能很好的分離且部分雜余透篩，導致了此時籽粒的清潔率較低。隨著后篩振幅的增加，雜余和籽粒在后篩的跳動越明顯，在氣流的作用下，雜余和籽粒分離效果越明顯，使得籽粒的清潔率隨著后篩振幅的增加而增加。

圖15 各因素對籽粒清潔率影響的響應曲面Fig.15 Response surfaces of different factors to cleaning rate of maize grains

由圖15c可知，當后篩頻率為4.65 Hz，后篩振幅為15 mm時，在前后篩垂直間距一定的條件下，籽粒的清潔率隨著前后篩水平間距的增大呈現先增加后減小的趨勢。當前后篩面之間存在水平間距時，玉米脫出物由前篩落到后篩的過程中，部分雜余在前后篩空隙處落入清選裝置下部，導致了籽粒的清潔率較低；隨著前后篩水平間距的減小，從空隙處落入清選裝置底部的雜余減小，前后篩之間的風速相對減少，此時籽粒與雜余的分離效果較好，籽粒的清潔率逐漸增加；當前后篩水平間距逐漸減小變為水平重合量時，氣流對于玉米脫出物的分離作用減弱，籽粒與雜余不能很好地分離，部分雜余和籽粒在后篩進行透篩，導致了籽粒的清潔率降低。

(2)籽粒損失率

經分析可知：模型顯著性檢驗F為15.26，P小于0.000 1，該模型極顯著；失擬項P=0.069 8>0.05，殘差項不顯著，該回歸模型成立。交互項x1x2、x1x3、x2x4對指標影響均顯著，其余交互項不顯著。各因素對籽粒清潔率影響的主次順序為：x3、x1、x4、x2。各因素對籽粒損失率的回歸數學模型為

(8)

各因素對籽粒損失率的響應曲面如圖16所示。如圖16a所示，當前后篩垂直距離為96 mm，前后篩水平間距為0 mm時，在后篩頻率一定的條件下，籽粒的損失率隨著后篩振幅的增大而增大。隨著后篩振幅的增加，籽粒與雜余在篩面的跳動越明顯，彈起的高度也隨之增加。在氣流的作用下，雜余和籽粒向后篩的位移也隨之增大，使得雜余和籽粒與篩面的接觸減少，使得籽粒的損失率升高。當后篩的振幅過大時，雜余與籽粒之間的碰撞更明顯，使得籽粒的損失率進一步增大。

圖16 各因素對籽粒損失率影響的響應曲面Fig.16 Response surfaces of different factors to loss rate of maize grains

如圖16b所示，當后篩振幅為15 mm，前后篩水平間距為0 mm時，在前后篩垂直間距一定的條件下，籽粒的損失率隨著后篩頻率的增大而增大。在一定的后篩頻率范圍內，雜余和籽粒的跳動明顯，籽粒與雜余的分離效果好，籽粒的透篩率提高，損失率減少。當后篩頻率增大時，籽粒與雜余之間的碰撞越明顯，從而影響籽粒透篩，造成籽粒損失率的升高。

如圖16c所示，當后篩頻率為4.65 Hz，前后篩垂直間距為96 mm時，在后篩振幅一定的條件下，籽粒的損失率隨著前后篩水平間距的增大而降低。當前后篩水平重合量逐漸增大變為水平間距時，前篩清選后再次落到后篩的籽粒減少，與后篩上的脫出物繼續篩分時，籽粒與雜余互相干擾減弱使得損失率降低；當前后篩水平間距從零開始逐漸增加時，在前后篩之間氣流速度增加，籽粒與雜余的分離效果增強，造成了此時的籽粒損失率降低。

4.2.3參數優化

為獲得振動篩最佳清選性能，根據清選裝置實際工作條件及篩分性能要求選定參數優化的約束條件。利用Design-Expert 8.0.6軟件的多目標優化算法進行參數優化。目標及約束函數為

(9)

優化結果為：當后篩頻率為4.44 Hz、后篩振幅為15.65 mm、前后篩垂直間距為114 mm、前后篩水平間距為18.53 mm時，振動篩籽粒清潔率為98.53%，籽粒損失率為1.16%。

5 臺架驗證試驗

為驗證仿真試驗優化結果準確性，依據優化結果加工分段式振動篩清選裝置。通過設計偏心輪、連桿、搖桿、前后帶輪的傳動比，調節振動篩、貫流風機的變頻器、風機角度調節板，使其后篩頻率為4.44 Hz、后篩振幅為15.65 mm、前后篩垂直間距為114 mm、前后篩水平間距為18.53 mm，與優化結果保持一致。玉米脫出物喂入量為5 kg/s，玉米混合物的喂入量各成分及比例如表2所示，玉米籽粒、玉米芯、玉米莖稈的質量百分比分別約為73%、9%、18%。依據玉米脫出物各成分比例，稱量玉米脫出物各成分然后均勻混合，前期預試驗將20 kg玉米脫出物均勻鋪放在抖動板上不同區域內，通過計時器計時4 s，重復多次試驗確定20 kg玉米脫出物4 s時從抖動板完全下落的鋪放區域。試驗時將20 kg玉米脫出物均勻放置在抖動板的確定區域內，4 s全部落下，以保證清選裝置入口脫出物量為5 kg/s。每次試驗將玉米混合物重新按比例混合進行試驗。分段式振動篩清選裝置如圖17所示。

圖17 分段式振動篩清選裝置試驗臺Fig.17 Test bed of cleaning device with segmented vibrating screens1.照明燈 2.后篩 3.前篩 4.抖動板 5.風機 6.變頻器 7.下篩 8.計算機 9.高速攝像機

5.1 工作機理驗證

在清選裝置入口氣流速度為12.8 m/s、氣流方向角為25°、清選裝置入口玉米脫出物喂入量為5 kg/s條件下，按照優化結果對分段式振動篩清選裝置進行仿真試驗，提取玉米籽粒在前篩下落后的軌跡。同時通過高速攝像機對前篩落到后篩的混合物中的籽粒進行跟蹤[24]，結果如圖18所示。

圖18 玉米籽粒運動軌跡Fig.18 Motion tracks of maize grains

在傳統雙層往復振動篩清選裝置上篩后部的籽粒受到雜余的夾帶作用而影響透篩。分段式振動篩中，玉米籽粒由前篩落到后篩的過程中受到風力的作用與雜余分離。由玉米籽粒的仿真軌跡可知，部分籽粒會在后篩的前部透篩。后篩籽粒的實際透篩規律與仿真透篩規律基本一致，如圖18a、18c所示。由于后篩的頻率和振幅均小于前篩的頻率和振幅，經分離后落到后篩的籽粒跳動減弱，使得籽粒的透篩率提高。

5.2 篩分性能驗證

試驗參照GB/T 8097—2008《收獲機械 聯合收割機試驗方法》進行試驗，每組試驗重復5次，并與傳統雙層往復振動篩清選裝置試驗結果進行對比[25]，試驗結果見表7。

由試驗結果可知，傳統雙層往復振動篩清選裝置的籽粒清潔率均值為97.08%，籽粒的損失率均值為2.26%；分段式振動篩清選裝置的籽粒清潔率均值為98.34%，籽粒損失率的均值為1.45%。與傳統雙層往復振動篩清選裝置相比，分段式振動篩清選裝置的籽粒清潔率提高1.26個百分點，損失率降低0.81個百分點，分段式振動篩清選裝置的清選性能得到提升。

表7 臺架試驗結果Tab.7 Results of tests %

6 結論

(1)基于傳統雙層往復振動篩上篩籽粒的透篩情況，確定上篩960～1 360 mm的縱向區域是導致籽粒損失率高、清潔率低的主要區域。設計一種分段式振動篩清選裝置，在分段式振動篩清選裝置后部的氣流可以使玉米脫出物進行再次分離。后篩上部氣流速度為傳統雙層往復振動篩相同位置篩上氣流速度的1～3倍，使籽粒的清潔率得到提高。

(2)基于CFD-DEM耦合仿真試驗，建立清選裝置不同因素與指標間的回歸數學模型，通過參數優化確定分段式清選裝置最佳參數組合：后篩頻率為4.44 Hz、后篩振幅為15.65 mm、前后篩垂直間距為114 mm、前后篩水平間距為18.53 mm。

(3)在清選裝置入口氣流速度為12.8 m/s、氣流方向角為25°、清選裝置入口玉米脫出物喂入量為5 kg/s時，分段式振動篩清選裝置使籽粒清潔率提高到98.34%，籽粒的損失率降至1.45%。