谷物聯合收獲機清選機構原理與清選質量提升思路

劉海龍

(密山市八五五農場第四管理區26作業站,黑龍江 密山 158327)

0 引言

谷物聯合收獲機能夠適應多種農作物的收獲作業，利用現代化的機械設計能夠實現一次性作業完成秸稈切割、谷物喂入、谷物脫粒、分離、清選、集中存放或輸出等眾多功能。清選裝置作為糧食收獲品質的重要保障，能夠在收獲作業的同時將糧食中混雜的穎殼、斷穗、短莖稈等雜余清除，隨著谷物聯合收獲機逐漸向大型化發展，糧食的收獲效率得到了顯著提升，與此同時對谷物清選結構的性能要求也更高。不斷增大的谷物喂入量是制約清選效率的主要因素，因此，從大型機械化生產的角度出發，分析提升清選質量的合理方式，是提升谷物聯合收獲機作業性能的有力保障，更有利于我國糧食的優質產出。

1 谷物聯合收獲機主體結構

谷物聯合收獲機是水稻、小麥等農作物收獲的主力機型，具有很好的實用性特征，其在我國的大面積推廣應用起始于20世紀70年代。經過多年的發展，現階段我國使用的谷物聯合收獲機種類和機型較多，根據機械結構的差異，可將谷物聯合收獲機大體分為牽引式聯合收獲機、懸掛式聯合收獲機、自走式聯合收獲機三種機型[1]。牽引式谷物聯合收獲機在我國的應用時間較早，這一時期的很多農業機械與拖拉機配套均采用牽引式結構，但其工作不夠靈活，機組過長且技術落后，逐漸被生產所淘汰。而現階段我國農業生產中使用較多的為懸掛式和自走式兩類谷物聯合收獲機，懸掛式機型與拖拉機的后懸掛連接后進行生產作業，結構相對簡單，機型體積較小；自走式機型為獨立的收獲機產品，具有專用的動力、底盤、控制、行駛系統，多為中大型機型。這兩類機械都能夠滿足農作物的收獲需求，但是從自動化程度來看，自走式機型的功能配備更為完善，如圖1所示，為自走式谷物聯合收獲機主體結構，與懸掛式機型相對比，自走式谷物聯合收獲機除能完成多種谷物的收割、收集功能外，還能在作業過程中一次性完成脫粒、分離及清選工作，能夠顯著降低收獲作業后的工作量，并提高谷物收獲質量[2]。

圖1 谷物聯合收獲機主體結構

2 清選機構的研究現狀

隨著農業機械化生產的快速發展，我國農業機械的研發能力得到了快速提升，谷物聯合收獲機在向大型化發展的同時，也更加重視性能的提升，對于清選裝置而言，如何在保證高效率和高除雜率的情況下盡可能降低清選過程的糧食損失，是現階段清選機構研究的重點內容。崔俊偉等[3]為有效解決軸流式谷物聯合收割機清選效率不足的問題，設計了雙離心風機振動篩式清選裝置，有效提升了清選質量；王立軍等[4]以貝殼篩清選機構作為主要研究對象，利用CFD-DME耦合法建立了貝殼篩結構與清選質量之間的關系模型，證實了篩孔高度是影響清選效果的重要因素，并得到了貝殼篩結構參數最佳分布關系；李耀明等[5]設計了新型振動篩結構，利用三塊不同角度且鍍有含氟丙烯酸樹脂的波紋板組合成的抖動板，有效解決了物料粘連問題，且提高了谷物進入清選篩的分布均勻程度，改善了清選質量；程亞民等[6]針對清選裝置的連桿機構進行三維建模，并將模型導入到ADMAS中進行數據仿真分析，生成了不同零件質心在各個時間段的加速度和速度變化曲線，為清選裝置連桿機構結構優化提供了數據支持。

3 清選機構的原理

清選裝置作為制約谷物聯合收獲機技術發展的重要因素，清選裝置的結構和功能近年來得到了快速優化，清選機構的結構設計成為了含雜率和損失率的主要影響因素。

3.1 清選裝置的分類

清選裝置根據機械結構和功能原理的不同大體可以分為氣流式和風篩式兩大類。氣流式清選裝置主要利用風機提供的氣流將谷物中混雜的穎殼、斷穗等雜物分離排出，氣流式清選裝置的結構簡單、體積小、制造成本低，工作相對可靠，清選效率較高但清選質量相對較低。風篩式清選裝置是將風機提供的清選風力與清選篩的往復篩選運動相配合，從而實現高效率的谷物篩選工作，風篩式清選裝置相對于氣流式清選裝置結構更為復雜。如圖2所示，為約翰迪爾R40聯合收割機的風篩式清選裝置，包括了多葉片卷翼式可調速清選風扇、雙層振動篩、抖動板、機架、傳動系統等組成。相對而言，風篩式清選裝置節能性和分離性能更好，且目前的大中型谷物聯合收獲機中風篩式清選裝置的使用比例達到93%以上，其適應性強、清選效率高、清選后的籽粒含雜率低等優點受到了生產廠家和農民的認可。

圖2 約翰迪爾R40聯合收割機風篩式清選裝置

3.2 風篩式清選裝置的結構功能

3.2.1 清選篩的形式

清選篩篩網的不同對清選質量的影響較大，根據篩網的不同，常用的清選篩包括魚鱗篩、沖孔篩、編織篩、貝殼篩、圓筒篩等多種類型[7]。不同清選篩的清選能力具有較大差異，例如魚鱗篩的單層清選能力較弱，多用作復合式多層篩網的上層使用；沖孔篩篩分物料精準，單獨使用時有效篩選面積小，通常用作多層篩網的下層使用；貝殼篩是單向篩選的篩網，能夠有效后推送輕雜物，但由于效率較低，不適合應用于大負荷工作場合。

根據清選篩運動形式的不同，可將清選篩分為往復式振動篩和多維振動篩兩大類。往復式振動篩多通過曲柄連桿機構或回轉機構作為振動源，往復式振動篩只能在空間范圍的固定線路上做往返運動，利用往返運動產生的振動配合風機的氣流吹力將雜余去除，同時糧食由篩孔落入收集裝置，現階段的往復式振動篩多選用多層篩網組合的形式，能夠顯著降低清選損失率，并提升作業效率。多維振動篩可實現三平移兩轉動的多種運動方式，相對于往復式振動篩，多維振動篩能進一步提高谷物分布的均勻性，有效利用篩網工作面積，從而提高清選質量和效率。據統計，設計合理的多維振動篩比普通往復式振動篩篩分效率提高59.3%，含雜率降低49.7%。

3.2.2 風機裝置

風機是清選裝置氣流產生的動力源，風機裝置通常包括風扇、風道、風門等零部件組成，風機的性能直接影響到風選分離與籽粒清潔的實際效果。如圖3所示，在谷物清選的過程中，通過風機風扇的高速轉動，風機中心處因為離心力作用形成真空度，風機外部的空氣在負壓力作用下被吸入風機內部，并形成高速運動的氣流，氣流隨著扇葉的離心運動軌跡進入風道并最終進入清選篩，形成清選的氣流作用力，在風機的持續運轉作用下，將谷物中混雜的雜質帶離，與清選篩配合完成清選任務[8]。

圖3 清選裝置軸流式風機示意

4 清選質量的提升思路

4.1 進一步提高清選效率

隨著農村地區土地合作經營模式的增多，糧食逐漸呈現大面積連片種植趨勢，為適應高效率、大面積連續作業的需求，清選裝置的工作效率必須要實現進一步提升。一方面利用現代化的仿真軟件模擬谷物清選的工作環境，優化風機風量、送風位置與清選篩的振幅之間的參數關系，確保各個機械部件之間形成科學的匹配關系，使清選機構進一步向精確化農機要求轉變，使現有技術應用更為合理；另一方面優化篩網的布局形式，應用多級篩網結構和不同密度篩網通過合理布局實現多級篩分下的質量提升，通過組合設計有效提升谷物通過率和清選速率。

4.2 進一步提高清選質量

在提高清選效率的同時，還必須重視清選質量的提升，通過提高清選篩的振動性能保證糧食和雜余的快速分離，利用計算機軟件對篩選過程進行模擬，選擇合適的風量與振動頻率，改善傳統機型清選過程含雜率高、糧食損失大問題，確保風機風量大小不會帶走過多的糧食，同時保證收獲的谷物具有合格的含雜率。重點考慮從多風道離心風機應用、改良篩片開度、增加篩分面積等方面進行優化。

4.3 提高清選裝置的智能化程度

由于谷物聯合收獲機所需要收獲的糧食種類多種多樣，不同的糧食對于清選裝置的參數調整各不相同，為提高清選裝置的使用便捷性，利用現代化的電控技術，在重要的工作位置增設傳感器、視頻監測設備，與液壓、電動、氣動技術有機結合，力爭實現針對特定作物自動調整清選篩振動頻率、風機轉速、魚鱗篩開度、風門開關板、分風板角度等參數，既減輕駕駛人員的工作量，同時提高清選裝置工作的合理性，確保清選質量和效率。

4.4 加強先進清選技術的成果轉化

現階段，我國很多針對清選技術的研究還處于試驗階段，很多科技成果轉化為生產力的速度不足，導致技術提升緩慢，因此，相關科研機構和農機廠商應積極提高先進技術的轉化速度，采取科研院所與企業相互合作的方式實現先進技術的應用與普及，并同時加強先進機型的農機推廣和政策支持，提供相應的購機補貼，確保先進機型得到快速推廣應用，并在應用過程中逐步改進，提升谷物聯合收獲機的清選裝置技術先進性[9]。

5 結語

綜上所述，清選裝置的工作能力對糧食收獲品質影響很大，要進一步保證糧食的有效收獲，必須要在結構、功能布局、電氣控制等多個方面進行優化，從而實現清選質量的進一步提升，確保清選裝置適應谷物聯合收獲機的高效率收獲要求。