谷物聯合收獲機脫粒與清糧裝置功能驗證與適用性分析

任嘉宇

(黑龍江省農業機械工程科學研究院 佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154000)

0 引言

在現代化農業生產過程中，谷物聯合收獲機的普及率實現了快速提升，其對小麥、水稻、大豆、油菜等糧食作物和經濟作物具有良好的收獲效率，并能在作業過程中完成切割、收集、脫粒、分離、清糧、集糧等多道工序，有效優化農業生產流程。尤其在我國糧食產量明顯提高、農業生產規模持續擴大的前提下，糧食收獲質量成為社會關注的熱點和農業經濟發展的要點。谷物聯合收獲機脫粒與清糧裝置性能是關乎糧食收獲品質的關鍵，其能夠有效獲取糧食并清除收獲過程混雜的穎殼、碎葉等雜物，進而獲得潔凈的籽粒，脫粒與清糧質量已經成為評判谷物聯合收獲機的重要指標，提升脫粒與清糧品質是現階段農機產品研發的關鍵，對于谷物聯合收獲機技術發展具有重要意義。

1 脫粒與清糧技術現狀

隨著聯合收獲機技術的發展，近年來我國農業生產中推廣的谷物聯合收獲機以自走型設備為主，其集成了傳統收割機結構和脫粒清選機械，并利用中間輸送裝置進行連接，形成功能全面的復合型設備。在農業生產全程機械化理念的影響下和國家惠農購機補貼的政策支持下，我國農業生產中應用的谷物聯合收獲機產品種類多樣，普及較廣的設備包括約翰迪爾、紐荷蘭、阿格科等國際企業生產的中大型產品，以及中收集團、中聯集團、沃得農機、雷沃集團等國內企業生產的優質產品，有效保證了農業生產收獲工作的順利實施。脫粒與清糧裝置是谷物聯合收獲機的關鍵功能結構，用于糧食的籽粒脫離與獲取，該技術一直以來都是谷物聯合收獲機的研究重點。從國際范圍看，谷物脫粒與清糧裝置的機械結構已經日趨合理，研究與優化的重點集中于脫粒與清糧過程中谷粒脫出規律、破損情況優化、參數與節能、潔凈率與損失率關系等方面。目前，我國農業生產中應用的谷物聯合收獲機以軸流式聯合收獲機最為典型，橫軸流與縱軸流谷物聯合收獲均有較高普及率。我國農機企業和科研院所在針對脫粒與清糧技術的研究中重點集中于通過機械結構和性能優化匹配脫粒與清糧的效率和糧食損失、破損等問題。

李文斌等[2]為優化聯合收獲機脫粒裝置設計過程，研究開發了一款基于Server2012知識庫和Visual Studio 2012的設計平臺，能夠以脫粒滾筒實例結合CAE軟件進行虛擬仿真試驗，有效提升脫粒裝置設計質量，并縮短產品研發改進的周期。劉宏新等[3]研究了一種交互式脫粒裝置工程分析系統，能夠利用CATIA實現對脫粒裝置的二次開發接口，能實現對脫粒裝置的精準測試，有利于解決脫粒裝置現有典型技術問題。唐小涵等[4]設計了一臺風篩式清選裝置清選作業參數可調式清選損失物料分布規律檢測試驗臺，能實現對風機轉速、振動篩曲柄轉速、魚鱗篩篩片開度的調控優化調整清選參數，有效提高谷物聯合收獲機性能與自動化程度。

2 脫粒與清糧裝置功能驗證方法

2.1 工藝與特征

脫粒與清糧裝置的主要功能是獲得潔凈的谷粒，主體工作流程如圖1所示，作物進入脫粒結構后絕大部分籽粒被脫粒結構脫下后進入清糧裝置，全喂入式谷物聯合收獲機脫粒結構通常脫粒后僅有70%～75%的谷粒進入清糧結構，剩余的谷粒與秸稈一同進入分離結構進行分離，實現谷粒進一步脫粒獲取后將谷物送入清糧結構，清糧結構將谷物中的雜余去除，提取潔凈籽粒，分離出的雜余被排出機外，灑落田間。

圖1 脫粒與清糧工藝流程

根據技術類型的不同，脫粒與清糧裝置的種類也存在一定差異，脫粒裝置根據脫粒原理和機械結構形式的差異可分為紋桿滾筒式(切流式、軸流式)、釘齒滾筒式(切流式、軸流式)、弓齒滾筒式三大類型；分離裝置以鍵式逐稿器為最常用類型，分離輪式逐稿器、平臺式逐稿器相對應用較少；清糧裝置根據布置形式的不同可分為氣流式、篩子式、氣流篩子組合式三類。

2.2 脫粒性能

谷物進入脫粒結構后，會受到脫粒結構的反復沖擊和揉搓作用，以弓齒滾筒式脫粒技術為例(圖2)，谷物進入脫粒裝置的初期，主要受到有規律的間歇沖擊作用，并在滾筒的運轉下將谷物向后方輸送，后方的結構主要對谷物和秸稈進行揉搓，在沖擊和揉搓的共同作用下，約70%～80%的籽粒與秸稈實現分離，剩余籽粒夾雜在莖稈中，在向出口輸送過程中可能被高頻振動影響而脫落，其余籽粒與莖稈一同進入分離結構。

圖2 弓齒滾筒式脫粒結構

脫粒性能的主要驗證因素包括脫粒效率和脫粒損失率兩項，其計算公式如式(1)、式(2)所示

(1)

(2)

式中：η—脫粒結構脫粒效率；kg·h-1；

W喂—谷物喂入量；kg；

t—作業時間；h；

St—脫粒損失率；%；

Ws—脫粒損失量；kg；

W—理論谷物籽粒收獲量；kg。

脫粒性能的影響因素較多，常規性能驗證時主要驗證單位面積的糧食實際收獲情況，脫粒質量常受到脫粒技術、喂入均勻度、谷物濕度等影響，理論最佳脫粒質量在籽粒含水率22%～24%，莖稈含水率28%～31%時具有較好的收獲與脫粒性能。

2.3 分離性能

通常情況下，全喂入式谷物收獲機配備有分離結構，其主要功能是將脫粒后的長脫出物中夾帶的籽粒及斷穗頭分離出來，減少脫粒過程的糧食損失。分離結構主要包括兩種技術原理，一是拋揚原理，是利用機械結構對谷物莖稈層施加拋送力，使莖稈做拋物運動，利用谷物籽粒的密度大、莖稈碎葉等雜質密度小的特征實現籽粒與較大雜余的分離；二是離心原理，利用分離滾筒的高轉速，由于籽粒密度大，將籽粒從莖稈中分離并在分離筒周邊的小孔處落出。

分離性能的主要驗證因素為分離損失率，其計算公式如式(3)所示

(3)

式中：Sf—分離損失率；%；

Wf—分離損失量；kg。

分離性能的驗證結果受到多種因素的影響，主要包括：1)谷物外徑與分離孔徑或篩條間距的匹配程度，通常情況下，分離孔徑或篩條間距應為谷物平均外徑的1.1～1.3倍，當孔徑或篩條間距過小，會造成糧食損失率增加，當孔徑或篩條間距偏大，糧食中雜質增多，清糧工作難度增加；2)分離滾筒轉速越高，分離損失率越低，但糧食破損率隨之升高，反之則反。

2.4 清糧性能

清糧裝置的主要功能是將經脫粒裝置和分離裝置脫粒分離后的含雜谷物進行清選提純的過程，清糧過程的主要目的是去除谷粒中混雜的莖稈、穎殼和灰塵等細小夾雜物，以獲得清潔的谷物籽粒。

清糧性能的主要驗證因素為清糧損失率和含雜率，其計算公式如式(4)、式(5)所示

(4)

式中：Sq—清糧損失率；%；

Wq—清糧損失量；kg。

(5)

式中：N—含雜率；%；

Ws—谷物實際收獲量；kg；

Z—雜余重量；kg。

清糧性能主要受到以下幾方面影響，1)篩體布局，篩體布局包括單層篩、多層篩兩類，其中多層布局更有利于細化篩分，提高糧食清潔性，并降低糧食損失；2)風機技術，風機的匹配性對清糧質量影響較大，風力過小雜余去除不徹底，導致含雜率升高；風力過大糧食損失率相應增加。

3 適用性分析

3.1 脫粒裝置適用性

不同的脫粒裝置結構與技術對于不同谷物存在適用性差異，例如應用較多的紋桿滾筒式脫粒技術，脫粒過程以搓擦脫粒方式為主，對于小粒種子脫粒能力強，較適合含水率較低的小麥、水稻等作物脫粒，當谷物含水率偏高或喂入不均勻時，脫粒質量會明顯下降；相對而言，釘齒滾筒式脫粒技術采用沖擊與搓擦相配合的形式，對于喂入不均勻、含水率偏高的谷物適用性更好，但因斷稈率較高，對分離技術的要求更高。

3.2 清糧裝置適用性

清糧裝置的適用性選擇主要從兩方面著手，一是篩子技術選擇，通常情況下編織篩適合初步篩分，布置于多層篩的上層；沖孔篩篩分精度更高，但效率相應降低，適合應用于下篩；魚眼篩具有良好的推送能力，但篩分效率偏低，適用于雜余輸出性能強的下篩使用。二是風機技術，離心風機的結構簡單，但送風存在定向特征，均勻性不良，為提升性能，通常需在上下篩面分別配置離心風機，應用較為廣泛；軸流風機雖然氣流分布均勻但送風面積小，適合清糧難度較低的場合；橫流風機氣流分布均勻且風力較大，但結構復雜，制造成本高，適合先進的大型收獲機。

4 結語

綜上所述，谷物聯合收獲機的脫粒與清糧性能對糧食收獲質量影響很大，從我國自主農機技術角度出發，未來脫粒與清糧技術應進一步加強性能研究，優化結構參數、運動參數，提高技術適用性和合理性，同時，從研發與應用角度加強谷物聯合收獲機的技術驗證，確保優勢機型得到普及與應用。

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