丘陵山地胡麻聯合收獲機復式清選系統仿真優化與試驗

史瑞杰 戴 飛 趙武云 劉小龍 王天福 趙一鳴

(甘肅農業大學機電工程學院， 蘭州 730070)

0 引言

胡麻(LinumusitatissimumL.)是我國重要的油料作物和經濟作物，多種植在西北和華北黃土高原土壤瘠薄、陰涼旱寒的丘陵山地[1-3]。目前，國內胡麻機械化種植程度有所提升，機械化收獲主要以分段收獲為主，聯合收獲為輔，人工收獲并存[4]。國內學者針對胡麻聯合收獲過程中各時段脫出物表現形式研究較少，各組分運動形態與分離軌跡暫不明晰，對胡麻機械化聯合收獲裝備研發進程和胡麻產業的可持續發展造成一定困擾[5-6]。

近年來，趙武云團隊[7-10]根據胡麻種植特點，設計出胡麻割曬機、全喂入式胡麻脫粒機、胡麻脫粒物料清選機等分段收獲裝備；同時國內首臺大型胡麻聯合收獲機已研發成功[11]。史瑞杰等[12-13]針對丘陵山地設計了履帶式胡麻聯合收獲機，并進行了參數優化試驗；戴飛等[14-16]對小型胡麻脫粒機作業后脫粒物料分離機理進行了研究，并研制出風篩選胡麻脫出物清選機；王伯凱等[17]采用CFD-DEM聯合仿真技術對花生撿拾收獲機風選系統流場進行了數值模擬與試驗優化；栗曉宇等[18]應用CFD技術對玉米清選裝置進行了結構優化設計與試驗；張克平等[19]采用CFD-DEM聯合仿真技術對間作模式下小麥聯合收獲機清選裝置進行了仿真與試驗驗證；萬星宇等[20]基于EDEM開展了油菜聯合收獲機分離清選篩網的性能指標試驗，并設計了差速圓筒篩；宋學鋒等[21]采用CFD-DEM聯合仿真技術對揉絲機排料裝置內物料的運動進行了模擬與試驗。隨著CFD-DEM聯合仿真技術在農業機械中的廣泛應用，使用該方法對清選系統的研究逐漸成熟，而對于丘陵山地胡麻聯合收獲機作業后脫出物的分離清選機理研究鮮見報道[22-24]。

針對丘陵山地胡麻聯合收獲機空間布局和動力有限，胡麻聯合收獲后脫出物懸浮速度、流動性等性狀差異小、短莖稈和穎殼混雜程度大、清選困難等現象，為提高丘陵山地胡麻聯合收獲機分離清選效率，探究丘陵山地胡麻聯合收獲機復式清選系統工作機理，本文擬以丘陵山地胡麻聯合收獲機復式清選系統初選+精選工作模式為研究對象，分別建立復式清選系統CFD模型和胡麻脫出物DEM模型，采用CFD-DEM聯合仿真技術，通過研究丘陵山地胡麻聯合收獲機復式清選系統最佳工作參數和脫出物各組分運動軌跡、空間形態變化，得出丘陵山地胡麻聯合收獲機脫出物分離規律，以提高清選效率，并進行驗證試驗，校驗仿真模型可靠性。以期為丘陵山地胡麻聯合收獲機復式清選系統設計和工作機理研究提供參考。

1 丘陵山地胡麻種植農藝與機具結構

1.1 種植農藝與植株特性

目前，丘陵山地胡麻種植方式普遍采用穴播，受種植環境、土壤肥力和病蟲害等因素影響，胡麻出苗率只有60%左右，丘陵山地胡麻播種時要求每公頃保苗至少450萬株才能保證胡麻的出苗率和產出效益，因此丘陵山地胡麻種植采用旱地密植技術，行距與株距比大田種植模式均有所減小[25]。以旱地密植模式種植的隴亞9號胡麻為例，測得平均株高為472.33 mm，平均單株胡麻蒴果數為8～13個，種植密度714株/m2[12-13]。丘陵山地地塊面積小，道路狹窄，大型聯合收獲機難以作業，小型聯合收獲機空間布局和動力有限，且胡麻莖稈含有大量纖維素，成熟期胡麻莖稈由根部到頸部物理性狀差異較大，同時胡麻蒴果相互交織，聯合收獲時極易造成根部、中部莖稈團狀化，頸部莖稈斷碎化，與胡麻籽粒、穎殼形成小差異混雜脫出物，加劇了丘陵山地胡麻聯合收獲機清選系統工作負荷和難度。

1.2 機具結構

1.2.1整機結構

丘陵山地胡麻聯合收獲機采用全喂入方式，整機包括防纏繞切割喂入系統、脫粒系統、復式清選系統、履帶行走系統和液壓控制系統。其中復式清選系統由初選系統和精選系統組成，初選系統位于整機下方，精選系統位于整機后方，可實現對胡麻脫出物的2次清選作業(圖1)。

圖1 丘陵山地胡麻聯合收獲機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of hilly area flax combine harvester1.撥禾輪 2.割臺 3.螺旋輸送器 4.輸送鏈耙 5.驅動輪 6.履帶 7.腳踏板 8.座椅 9.初選系統 10.操作臺 11.精選系統 12.照明燈 13.脫粒滾筒 14.發動機

1.2.2初選系統

初選系統由風機葉片、風道、風道導流板和螺旋輸送器等組成(圖2)。胡麻脫出物包括短莖稈、籽粒、穎殼、輕雜等，初選系統完成脫出物初次分離，部分短莖稈、輕雜、穎殼被吹出機外，其余脫出物由螺旋輸送器輸送至精選系統。

圖2 初選系統結構示意圖Fig.2 Structure diagram of primary cleaning system1.外殼 2.出雜口 3.主動帶輪 4.螺旋輸送器 5.螺旋輸送器殼體 6.齒輪 7.葉片固定板 8.軸承座 9.從動帶輪 10.脫粒滾筒 11.風道導流板 12.風機葉片 13.風機軸

1.2.3精選系統

精選系統由離心風機、螺旋輸送器、旋風分離器、軟管等組成(圖3)。螺旋輸送器將初選后的脫出物輸送至旋風分離器內，在離心風機的作用下實現二次清選，達到胡麻籽粒和雜余的精確分離。

圖3 精選系統結構示意圖Fig.3 Schematic of precise cleaning system1.軟管 2.離心風機 3.固定板 4.螺旋輸送器Ⅰ 5.螺旋輸送器Ⅱ 6.編織袋接口 7.旋風分離器

1.3 工作原理

丘陵山地胡麻聯合收獲機工作時胡麻莖稈和蒴果在脫粒滾筒的作用下實現莖稈團狀化、籽粒與穎殼分離，莖稈被排出機外，籽粒和其他混合物由凹板落入復式清選系統。胡麻脫出物包括胡麻籽粒、短莖稈、穎殼和輕雜等，其中質量較輕的短莖稈、穎殼和輕雜被初選系統吹出機外，質量較大的胡麻籽粒和其余物料被螺旋輸送器輸送至精選系統，在離心風機作用下由旋風分離器進行精選。最終含雜較低的胡麻籽粒由接糧口進入編織袋，其余雜物由離心風機氣流排出機外，完成胡麻脫出物的分離清選工作(圖4)。

圖4 丘陵山地胡麻聯合收獲機復式清洗系統工作原理圖Fig.4 Working principle diagram of compound cleaning system of hilly area flax combine harvester1.精選系統 2.精選系統出糧口 3.精選系統離心風機 4.初選系統氣流入口 5.初選系統排雜口 6.初選系統排出物路徑 7.初選系統 8.脫出物 9.精選系統排出物路徑

2 CFD單因素仿真

2.1 模型建立

丘陵山地胡麻聯合收獲機工作時復式清選系統由螺旋輸送器進行物料輸送，為減少仿真計算負荷，在保證仿真模型真實可靠的前提下，省略中間輸送環節，去除初選系統風機葉片，保留精選系統離心風扇，將復式清選系統獨立仿真計算。復式清選系統單因素試驗采用計算流體動力學(Computational fluid dynamics，CFD) RNGk-ε湍流模型進行。仿真前建立復式清選系統CFD模型，在SolidWorks中采用反向畫法繪制出復式清選系統簡化三維模型，其中初選系統脫出物進口尺寸為800 mm×620 mm，氣流入口尺寸為800 mm×40 mm，為保證排雜順暢，排雜口尺寸為260 mm×190 mm；精選系統旋風分離器上端出口直徑為85 mm，下端出口直徑140 mm，高350 mm，離心風扇葉片直徑300 mm，軟管長度1 000 mm。將簡化三維模型另存為.igs格式后導入ANSYS Workbench Mesh模塊中，采用適應性較強的非結構四面體網格進行幾何模型網格劃分，同時對網格進行膨脹層設置和加密，網格劃分完成后檢查網格質量滿足仿真要求即可。同時將氣流入口壁面命名為interlet，氣流出口壁面命名為outlet，其余壁面命名為wall，劃分好網格后以.msh格式導入Fluent進行仿真計算(圖5)。其中初選系統共產生1 136 522個網格、精選系統共產生513 234個網格，平均質量較好。

圖5 復式清選系統CFD模型建立與網格劃分Fig.5 CFD model establishment and meshing of compound cleaning system

2.2 受力分析

脫出物在清選系統中受氣流作用而分層分離，氣流作用的大小和物料物理特性的差異程度決定了物料分層分離的效果。胡麻脫出物在初選系統不同位置時受到不同性質的作用力，在下落階段受氣流作用與重力共同作用，接觸壁面后受重力與壁面摩擦力、氣流的共同作用，在氣流出口附近受重力與氣流的共同作用(圖6a)，在精選系統中主要受氣流與旋風分離器壁面摩擦的共同作用(圖6b)。圖中G為胡麻籽粒重力，N；F為胡麻籽粒所受氣流作用力，N；Ft為胡麻籽粒所受氣流作用力豎直方向分力，N；Fs為胡麻籽粒所受氣流作用力水平方向分力，N；Gy為胡麻籽粒重力沿初選系統壁面垂直方向分力，N；Gx為胡麻籽粒重力沿初選系統壁面平行方向分力，N；f為胡麻籽粒所受摩擦阻力，N；Fz為胡麻籽粒所受精選系統壁面支持力，N；α為胡麻籽粒所受氣流作用力與水平方向夾角，(°)。

圖6 復式清選系統中胡麻籽粒受力示意圖Fig.6 Schematics of force on flax seeds in compound cleaning system

胡麻籽粒在復式清選系統中需要完成豎直與水平方向的移動才能完成清選工作，該過程需要氣流作用力提供胡麻移動所需動力。初選系統氣流入口速度方向與水平方向夾角α為29°～32°，胡麻籽粒漂浮速度為4.55～8.64 m/s[14-16]，要使胡麻籽粒豎直向上運動，氣流作用力豎直方向分力必須大于胡麻籽粒重力，精選系統中氣流作用力豎直方向分力必須小于胡麻籽粒重力，同理，胡麻籽粒運動速度各分速度也適用。由速度分解理論和課題組前期試驗結果可得初選系統氣流入口速度為9.38～17.82 m/s，精選系統壁面氣流低速區速度為4.55～7.75 m/s。

2.3 參數設置

在CFD仿真軟件Fluent中將復式清選系統氣流入口壁面類型設置為速度入口，氣流出口壁面類型設置為壓力出口，出口壓力為標準大氣壓。經過多次試驗和仿真優選，設置初選系統氣流入口速度分別為10、12.5、15 m/s；精選系統氣流由旋風分離器底部進入，由離心風扇出口排出，設置入口風速為6.5 m/s，離心風扇壁面網格設置為動網格，并為離心風扇網格加載編輯成功的Prof文件，通過該文件控制離心風扇轉速分別為800、1 100、1 400 r/min等不同轉速發生周期性旋轉。Fluent仿真中流體介質為氣體，密度為1.2 kg/m3，粘度1.8×10-5Pa·s；最后設置殘差精度為10-3，計算1 000個時間步長，每個時間步長0.001 s，共計算1 s。

2.4 結果分析

在Fluent中由殘差曲線可知，仿真過程中各項參數均收斂，說明該復式清選系統具有良好的收斂性[9]，在后處理軟件Tecplot中分別在初選系統X軸、精選系統Y軸0、60 mm處建立平行于X-Y面的平面，可得到復式清選系統吸雜風機不同轉速下速度等值線云圖(圖7、8)。

圖7 初選系統不同進口風速下X-Y截面速度等值線云圖Fig.7 Contour cloud image of velocity isoline of X-Y section of primary cleaning system at different centrifugal fan speeds

由仿真結果可知，復式清選系統內氣流運動方向與形態直接影響脫出物分離效果。當初選系統氣流入口速度為10 m/s時，下部氣流速度最大為10 m/s，在排出通道內氣流速度逐漸由10 m/s減小至4 m/s，并在氣流轉向處形成渦流，中心風速達到了10 m/s，氣流出口處氣流速度由中心向壁面遞減，中心氣流速度為5.62 m/s，壁面氣流速度為0.76 m/s(圖7a)；當氣流入口速度為12.5 m/s時，下部氣流速度最大為12.5 m/s，在排出通道內氣流速度逐漸由12.5 m/s減小至10 m/s，同樣在氣流轉向處形成渦流，中心風速達到了12 m/s，氣流出口處氣流速度由中心向壁面遞減，中心氣流速度為8 m/s，壁面氣流速度為0 m/s(圖7b)；當氣流入口速度為15 m/s時，下部氣流速度最大為15 m/s，在排出通道內氣流速度逐漸由15 m/s減小至10 m/s，同樣在氣流轉向處形成渦流，中心風速達到了15 m/s，在氣流出口處氣流速度由中心向壁面遞減，中心氣流速度為5 m/s，壁面氣流速度為0 m/s(圖7c)。

在精選系統中旋風分離器內部流場存在高速區和低速區。當離心風扇轉速為800 r/min時，旋風分離器入口速度達到了6.12 m/s，高速區速度為5.55～6.14 m/s，低速區速度2.91 m/s，出口速度20 m/s，內部流場縱向、橫向變化較大(圖8a)；當離心風扇轉速為1 100 r/min時，旋風分離器入口速度達到了10 m/s，高速區速度為5～10 m/s，低速區速度5 m/s，出口處速度25 m/s，內部流場縱向變化較大，橫向變化較小(圖8b)；當離心風扇轉速為1 400 r/min時，旋風分離器入口速度達到了10 m/s，高速區速度為5.42～20 m/s，低速區速度5.42 m/s，出口處速度30 m/s，內部流場縱向變化較大，橫向變化較小(圖8c)。

圖8 精選系統不同轉速下旋風分離器X-Y截面速度等值線云圖Fig.8 Contour cloud image of X-Y section velocity of cyclone separator at different speeds of precise cleaning system

初選系統要求氣流入口速度能夠提供脫出物橫向和縱向運動所需的動力；精選系統旋風分離器內部縱向氣流速度變化明顯，高速區快速排雜，低速區精確分離。根據復式清選系統CFD分析結果，初選系統入口最佳氣流速度為12.5 m/s，精選系統離心風扇最佳轉速為1 100 r/min，以此為基礎，對復式清選系統再次進行CFD參數優化仿真，得出最佳參數為初選系統入口風速12.4 m/s，精選系統離心風扇轉速1 154 r/min[13-14]。

3 CFD-DEM聯合仿真

3.1 CFD與DEM模型建立

丘陵山地胡麻聯合收獲機復式清選系統CFD模型采用2.1節模型，DEM模型自行構建。離散元物料屬性包括泊松比、剪切模量、密度等，接觸參數包括靜摩擦因數、動摩擦因數、恢復系數等。依照丘陵山地胡麻機械脫出物組分構成，離散元仿真分析中包含有胡麻籽粒、穎殼、短莖稈及輕質雜物共4種組分物料，每種物料形狀各不相同。經測量，丘陵山地胡麻聯合收獲機進入初選系統的脫出物中胡麻籽粒質量占脫出物總質量比例為26.78%，短莖稈質量所占比例43.44%，穎殼質量所占比例27.09%，其余輕雜質量所占比例2.69%；進入精選系統的脫出物中胡麻籽粒質量占脫出物總質量比例為32.06%，短莖稈質量所占比例為41.2%，穎殼質量所占比例為24.78%，其余輕雜質量所占比例為2.34%。仿真計算時在離散元軟件EDEM中使用直徑1 mm的顆粒通過堆積得到胡麻籽粒離散元模型，其尺寸為5.13 mm×2.47 mm×1.02 mm；穎殼模型尺寸為5.21 mm×3.0 mm×5.5 mm；短莖稈模型尺寸為15.4 mm×1.0 mm×1.0 mm；輕質雜物模型設置為半徑0.8 mm的球形顆粒[14](圖9)。同時為復式清選系統新建金屬材料并添加材料屬性，其中顆粒與顆粒、顆粒與幾何體間的接觸參數按照文獻[14-15,23,26]設置(表1)。在復式清選系統脫出物入口處新建顆粒工廠，設置初選系統生成胡麻籽粒顆粒1.07 kg，短莖稈顆粒1.74 kg，穎殼顆粒1.08 kg，輕雜顆粒0.11 kg，并在Y軸方向添加顆粒初始速度為0.5 m/s；設置精選系統生成胡麻籽粒顆粒0.31 kg，短莖稈顆粒0.4 kg，穎殼顆粒0.24 kg，輕雜顆粒0.023 kg，并在Z軸方向添加顆粒初始速度為0.5 m/s。

表1 DEM模型物料屬性參數Tab.1 DEM model material attribute parameters

圖9 丘陵山地胡麻聯合收獲機脫出物DEM模型Fig.9 Flax explants DEM models of hilly area flax combine harvester

3.2 CFD-DEM參數設置

CFD-DEM聯合仿真時Fluent參數設置采用Fluent與EDEM聯合仿真時需要進行雙向數據交換，二者仿真時間步長和數據保存間隔必須呈整數倍才能完成數據傳遞[27-28]，因此計算時EDEM采用Rayleigh時間的25.81%，時間步長為1×10-6s，數據保存間隔為0.01 s；Fluent中仿真時間步長為1×10-6s，每100個時間步長保存數據1次，計算10 000個時間步長，仿真時間為1 s。Fluent與EDEM仿真參數設置完成后開啟EDEM耦合接口，在Fluent中加載udf耦合接口文件，連接成功后由Fluent控制聯合仿真，并完成仿真計算。

2.3節計算模型參數設置，設置初選系統氣流入口風速為12.4 m/s，精選系統離心風扇轉速為1 154 r/min；EDEM中particles-particles接觸模型采用Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型；particles-geometry接觸模型采用Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型，并添加removeparticles.dll文件。

3.3 仿真結果分析

3.3.1胡麻脫出物與氣流互作過程

仿真結束后在CFD后處理軟件CFD-Post中按照2.4節建立平面，可得到復式清選系統工作過程中胡麻脫出物與氣流互作影響流線云圖(圖10)。由圖10a可知，初選系統工作時容易形成渦流，主要分布在物料進口、籽粒集糧、物料出口等位置，但脫出物料流隨氣流運動方向開始分層，分離效果未受影響，可以正常集糧排雜；脫出物運動過程中在初選系統入口壁面會受到氣流強烈的阻力，使物料流產生滑移現象，質量較輕的物料被氣流帶至初選系統清選室腔內，跟隨氣流運動；質量較重的物料在入口壁面經過滑移分層后滑入氣流支路進行重點分離，顆粒對氣流初始進入時影響較大，氣流在渦流處對顆粒運動表現形式影響較大。由圖10b可知，精選系統工作時氣流運動相對簡單，在旋風分離器內部存在高速區和低速區，與軟管入口垂直區域屬于高速區，接近壁面環形區域為低速區，質量較輕的脫出物在高速區被直接吸出，質量較重的脫出物經過壁面阻力、氣流作用力與離心力共同作用后達到分層分離效果，整個過程脫出物料流伴隨旋風分離器內氣流運動，相對運動軌跡較為統一，脫出物對氣流影響較小，氣流對脫出物影響較大。

圖10 復式清選系統胡麻脫出物與氣流互作流線云圖Fig.10 Flow line cloud diagram of flax explants interacting with air flow in compound cleaning system

3.3.2胡麻脫出物運動規律

在EDEM后處理模塊中可得到復式清選系統工作時脫出物速度變化過程(圖11、12)，隨機選取復式清選系統中胡麻籽粒、短莖稈、穎殼、輕雜顆粒作為數據提取對象，可得到單顆粒運動軌跡圖(圖13)。在初選系統Y軸40 mm處分別設置平行于X-Z平面的2個傳感器，分別監測進入氣流場和吹出氣流場的脫出物顆粒數量，在精選系統Z軸0、350 mm處分別設置平行于X-Y平面的2個傳感器，分別監測旋風分離器內部氣流場中吸出和落下的脫出物顆粒數量。

圖11 初選系統內脫出物速度變化過程Fig.11 Process of velocity change in primary cleaning system

圖12 精選系統內脫出物速度變化過程Fig.12 Process of velocity change in precise cleaning system

圖13 復式清選系統內胡麻脫出物顆粒運動軌跡Fig.13 Movement tracks of flax extruded particles in compound cleaning system

由圖11～13可知，初選系統脫出物初始進入時受氣流渦流影響，各組分顆粒下落速度由清選室中心位置向兩側遞增，兩側壁面上脫出物顆粒產生滑移，下落速度明顯減緩，脫出物進入氣流場初始瞬時被氣流導流顆粒順序依次為輕雜、穎殼、短莖稈、胡麻籽粒，并遵循同樣的順序隨氣流向出口方向運動，大部分輕雜、穎殼、短莖稈被氣流排出，小部分進入精選系統。精選系統中沒有渦流現象產生，高速區脫出物顆粒運動表現形式單一，低速區脫出物顆粒運動表現形式較為復雜，脫出物進入氣流場初始瞬時被氣流導流顆粒順序依次為輕雜、穎殼、短莖稈、胡麻籽粒，其中輕雜、穎殼和部分短莖稈在旋風分離器內隨氣流向出口方向做螺旋上升運動并排出，胡麻籽粒和部分短莖稈在旋風分離器內隨氣流向進口方向做螺旋下降運動并進入集糧袋，螺旋上升運動中由于脫出物顆粒與旋風分離器壁面間的相互作用，使得脫出物產生分層現象，輕雜、穎殼、短莖稈依次被有序排出。由初選系統2個傳感器數據可得該系統胡麻籽粒損失率為0.3%，短莖稈排出率為71.43%，穎殼排出率69.34%，輕雜排出率65.34%，含雜率39.01%；由精選系統2個傳感器數據可得該系統胡麻籽粒損失率為0，短莖稈排出率為40%，穎殼排出率75%，輕雜排出率100%，含雜率2.56%。經過復式清選系統后機具清選總損失率為0.3%，含雜率2.56%，可知整個系統清選效果較好。

3.3.3胡麻脫出物運動分離機理

在EDEM后處理模塊中提取出3.3.2節復式清選系統隨機單顆粒運動速度與位移數據，使用Excel軟件將數據處理后得到復式清選系統脫出物顆粒運動速度與位移變化曲線(圖14、15)。

圖14 初選系統內胡麻脫出物顆粒運動速度與Y軸位移變化曲線Fig.14 Movement velocity and Y axis displacement of flax explants in primary cleaning system

由圖14可得，初選系統在0.72 s時脫出物速度開始發生大幅度變化，其中胡麻籽粒顆粒最大速度與最小速度速差為2.64 m/s，短莖稈顆粒速差4.49 m/s，輕雜顆粒速差8.11 m/s，穎殼顆粒速差3.89 m/s；初選系統在X-Y平面內胡麻籽粒顆粒位移變化量為392.82 mm，短莖稈顆粒位移變化量為359.28 mm，輕雜顆粒位移變化量為325.13 mm，穎殼顆粒位移變化量為362.35 mm。由圖15可得，精選系統在0.4 s時脫出物速度開始發生大幅度變化，其中胡麻籽粒顆粒最大速度與最小速度速差為1.32 m/s，短莖稈顆粒速差10.21 m/s，輕雜顆粒速差24.73 m/s，穎殼顆粒速差30.08 m/s；精選系統在X-Z平面內胡麻籽粒顆粒位移變化量為318.56 mm，短莖稈顆粒位移變化量為526.78 mm，輕雜顆粒位移變化量為344.17 mm，穎殼顆粒位移變化量為413.32 mm。

圖15 精選系統內胡麻脫出物顆粒運動速度與Z軸位移變化曲線Fig.15 Movement velocity and Z axis displacement of flax explants in precise cleaning system

綜上所述，丘陵山地胡麻聯合收獲機復式清選系統工作時先由初選系統進行粗清選，再由精選系統進行精清選。初選系統中顆粒進入流場初始瞬時發生速度、位移變化依次為輕雜、穎殼、胡麻籽粒、短莖稈；精選系統中顆粒進入流場初始瞬時發生速度、位移變化依次為穎殼、輕雜、短莖稈、胡麻籽粒。由仿真分析結果中各組分的平均速度可得復式清選系統脫出物顆粒速度變化程度(表2)，通過對比發現初選系統中脫出物運動形式單一，不同顆粒間速度、位移變化不顯著，導致分離不徹底；精選系統中低速區脫出物運動復雜，導致質量較輕的穎殼和輕雜運動表現形式存在差異(穎殼在旋風分離器內做螺旋上升運動，輕雜直接被吸出清選室)，使得二者可以更好的分離，達到精選的效果。

表2 復式清選系統中胡麻籽粒與脫出物速差Tab.2 Velocity difference between flax seed and protuberant in compound cleaning system m/s

4 試驗驗證

4.1 試驗材料

丘陵山地胡麻聯合收獲機復式清選系統田間驗證試驗于2021年8月13—15日在甘肅省白銀市會寧縣老君鎮文岔村進行。試驗材料為成熟期胡麻植株，胡麻種植密度比較均勻，無倒伏現象，試驗地面積為0.17 hm2，所種胡麻品種為隴亞14號，平均株高437.21 mm，平均單株含胡麻蒴果數為6～11個，種植密度689株/m2，籽粒含水率5.34%，屬于典型旱地密植胡麻種植模式，因2021年當地遭遇干旱天氣，胡麻長勢及產量不及往年。試驗按照丘陵山地胡麻聯合收獲機復式清選系統最佳設計參數進行，對機具復式清選系統作業效果進行驗證。

4.2 試驗方法

試驗按照T/CAMA 30—2020《全喂入胡麻聯合收獲機》、GB/T 8097—2008《收獲機械 聯合收割機 試驗方法》、GB/T 6562—2008《農業機械試驗條件》、NY 2610—2014《谷物聯合收割機 安全操作規程》相關標準并參考GB/T 5982—2017《脫粒機 試驗方法》、GB/T 2828.1—2012《計數抽樣檢測程序》進行。將試驗場地按照機具割幅劃分為5個長×寬為25 m×1 m的等分試驗區，試驗區兩端預留不少于500 mm的區域作為調整區，試驗時以機具滿幅作業、前進速度為0.7 m/s、完全收獲試驗區為結束單次試驗信號。單次試驗結束后接取試驗行程內出糧口排出物不少于1 000 g的小樣，并按照五點取樣法測定作業后試驗區每平方米掉落胡麻籽粒質量，使用清潔樣品袋進行裝袋編號。試驗期間觀察機具作業情況，并測定作業機含雜率、損失率。試驗機具工作參數按照仿真設計最佳工作狀態設置，但實際作業中機具很難實現精確參數調整，故試驗過程中采用最接近最佳工作狀態時的參數作為試驗機工作參數。多次作業完成后使用精度0.001 g電子秤進行測量，結果取平均值，現場試驗見圖16。

圖16 田間試驗Fig.16 Field tests

含雜率、損失率計算公式為

(1)

式中m——小樣總質量，g

Z——含雜率，%

S——損失率，%

mz——小樣中雜質質量，g

ms——每平方米胡麻籽粒質量，g

4.3 試驗結果

依據試驗標準，結合甘肅省胡麻種植特點及西北旱區丘陵山地胡麻機械化收獲要求(丘陵山地胡麻聯合收獲機含雜率、總損失率不超過5%[12-13])。按照試驗標準，機具作業后割茬高度為150～200 mm，試驗現場雜草較少，無堵塞、停頓、功率不足等現象。由式(1)計算得出各指標值，結果見表3。試驗過程中，機具運行平穩，故障率為零，割茬高度滿足試驗指標，工作順暢，含雜率和總損失率較小，試驗指標均達到相關標準要求。通過試驗結果對比分析各脫出物運動軌跡與表現形式，可知各脫出物運動軌跡與仿真分析結果高度吻合，相互驗證了模型的可靠性。可見丘陵山地胡麻聯合收獲機復式清選系統可實現胡麻聯合收獲脫出物小差異混雜清選作業，滿足胡麻聯合收獲清選要求，整機作業效果符合胡麻聯合收獲標準要求。

表3 丘陵山地胡麻聯合收獲機清選系統作業性能試驗結果Tab.3 Test results of hilly area flax combine harvester %

5 結論

(1)以丘陵山地胡麻聯合收獲機初選+精選復式清選系統工作模式為研究對象，分別建立初選、精選系統CFD模型和胡麻脫出物DEM模型，采用CFD-DEM聯合仿真技術，探究丘陵山地胡麻聯合收獲機脫出物各組分運動軌跡和空間形態變化，得出丘陵山地胡麻聯合收獲機脫出物分離規律，并進行驗證試驗，校驗仿真模型可靠性。

(2)CFD分析結果表明，初選系統入口氣流最佳速度為12.4 m/s，精選系統離心風扇最佳轉速為1 154 r/min。CFD-DEM聯合仿真結果表明，當初選系統入口風速為12.4 m/s時，初選系統胡麻籽粒損失率為0.3%，短莖稈排出率為71.43%，穎殼排出率為69.34%，輕雜排出率為65.34%，含雜率為39.01%；當精選系統離心風扇轉速為1 154 r/min時，精選系統胡麻籽粒損失率為0，短莖稈排出率為40%，穎殼排出率75%，輕雜排出率100%，含雜率2.56%；初選系統中脫出物進入氣流場初始瞬時發生速度、位移變化依次為輕雜、穎殼、胡麻籽粒、短莖稈；精選系統中脫出物進入氣流場初始瞬時發生速度、位移變化依次為穎殼、輕雜、短莖稈、胡麻籽粒。

(3)田間試驗結果表明，當胡麻籽粒含水率為5.34%時，作業機具含雜率為3.61%、總損失率1.98%。作業期間整機運行平穩，作業指標符合胡麻機械化收獲標準。通過試驗結果對比分析，發現各脫出物運動軌跡與仿真分析結果相互吻合，驗證了模型的可靠性。