玉米脫粒機清選裝置的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

郝俊發(fā)　韓增德　劉貴明　李曉棟　喬曉東

摘要 玉米脫粒機清選裝置的性能是影響整機工作性能和玉米籽粒凈度的重要因素。為此，綜述了國內(nèi)外玉米脫粒機清選裝置的發(fā)展情況及研究現(xiàn)狀，并從清選風機和振動篩的組合形式對清選性能的影響進行了剖析，提出了玉米脫粒機清選裝置的發(fā)展趨勢，為清選裝置后續(xù)的研究提供參考。

關鍵詞 玉米脫粒機；清選裝置；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

中圖分類號 S226.1 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）05-322-03

Abstract Cleaning performance of the cleaning device is an important factor that affects the overall performance in corn thresher and the purity of the corn kernel. Based on this， we summed up the present application and research status of cleaning device of corn thresher at home and abroad， and analyzed the effect of cleaning performance from aspects of the combination forms between cleaning fan and vibrating screen. Development trend of cleaning device of corn thresher was put forward， which provides reference for the followup study.

Key words Corn thresher； Cleaning device； Research status； Development trend

玉米是我國重要的糧食作物、工業(yè)原料和飼料來源，也是世界總產(chǎn)量最高的糧食作物。2012年我國玉米總產(chǎn)量超越水稻，成為第一大糧食作物，達到20 561.4萬t；2013年，我國的玉米總產(chǎn)量達到21 848.9萬t，占糧食總產(chǎn)量的36.3%[1]。由此可見，玉米在我國糧食安全中占有十分重要的地位。

隨著我國玉米生產(chǎn)的快速發(fā)展，玉米總產(chǎn)量的穩(wěn)步增長，玉米脫粒機成為影響玉米產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)[2]。清選裝置作為玉米脫粒機的重要工作部件，其清選效果直接影響玉米脫粒機的整機工作性能和玉米籽粒的凈度。提高清選裝置的清選性能是改善玉米脫粒機整機工作性能的必要條件，也是玉米脫粒機，尤其是種子玉米脫粒機未來發(fā)展過程中亟需解決的關鍵問題。近些年，國內(nèi)市場上已經(jīng)出現(xiàn)多種結構新穎的中、小型玉米脫粒機，但從清選效果來看，仍存在含雜率和損失率偏高的問題。因此，對市場上現(xiàn)有的玉米脫粒機的清選裝置進行技術分析，以獲得較低含雜率和損失率的清選方案，對提高玉米脫粒機的工作性能和玉米籽粒的質量具有重要的現(xiàn)實意義，可為清選裝置后續(xù)的研究提供參考。

1 清選裝置的類型

清選裝置的作用是將脫粒裝置脫下的脫出物中的短碎玉米芯、輕雜物以及破碎的、不飽滿的籽粒清除掉，使清選后的玉米籽粒清潔度達到國家相關標準（JB/T 10749-2000 《玉米脫粒機》）。目前玉米脫粒機上常用的清選裝置按清選原理與結構可分為清糧篩式清選裝置、風扇氣流式清選裝置和氣流清選篩式清選裝置[3]。

風扇氣流式清選裝置按風扇形式的不同又可分為：吹出型氣流清選裝置和吸入型氣流清選裝置。氣流清選篩式清選裝置按風扇形式的不同也可分為吹出型氣流清選篩式清選裝置、吸入型氣流清選篩式清選裝置和兼用型氣流清選篩式清選裝置[4]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1815年，美國開發(fā)出世界上第1臺專門用于玉米脫粒的脫粒機械[5]；此后，國外學者對玉米脫粒機進行了大量的研究[6-9]。我國對玉米脫粒機械的研究及生產(chǎn)起步較晚，于20世紀50～60年代開始研制；70～80年代，以自行研制的沖擊式玉米脫粒機為主；90年代，研制了搓擦式玉米脫粒機[10]；進入21世紀，我國又自主研發(fā)了新型擠搓式玉米脫粒機[11]。隨著我國玉米脫粒機的發(fā)展，越來越多的學者與工程技術人員對清選裝置進行了大量的研究與實驗。

2.1 清糧篩式清選裝置

這種清選裝置主要利用脫出物中各成分的幾何尺寸特性差異進行分離和篩選。篩子的形式有平面沖孔篩、可調(diào)魚鱗篩、魚眼篩（貝殼篩、燕窩篩）和編織篩等[12]。平面沖孔篩篩孔多為長孔或圓孔，分選性能好，但易被輕雜物等堵塞；可調(diào)魚鱗篩開度可調(diào)節(jié)，引導氣流吹走輕雜物的性能較好，生產(chǎn)率較高；魚眼篩只能單向篩選，向后推送輕雜物能力強，但生產(chǎn)率低；編織篩篩孔有效面積大，生產(chǎn)能力強，但分選性能較差。

由于玉米果穗中不含有玉米莖稈、苞葉等其他雜物，脫粒時的清選裝置不需要采用有較強分離能力的魚鱗篩、魚眼篩、編織篩，因此玉米脫粒機清選裝置普遍采用沖孔篩式清選裝置。

美國農(nóng)機專家RobbertH.Spry發(fā)明的玉米種子多輥差速脫粒機的清選裝置只有1層篩網(wǎng)組成，脫粒后的玉米種子中混有的大尺寸的雜物被篩網(wǎng)過濾掉，尺寸小的雜物則和玉米種子一起排出。這種機型脫粒性能較差，玉米種子的含雜率較高。丹麥興百利公司設計的玉米脫粒機D191的清選機構有3層篩片，上兩層篩片用于清除大雜，在設備前設有雜質出料盤，最下層篩用于清除小砂石等雜質，篩箱由一定速電機驅動。這種機型脫粒過程柔和，清選效果較好，可以用于種子加工。

河北科技師范學院鄧春巖等對圓弧振動式甜玉米籽粒篩分機進行了設計和分析[13]，結果表明，玉米籽粒在與篩面發(fā)生相對運動時，可通過篩面篩孔落入集料裝置；并可以通過控制篩孔大小，實現(xiàn)玉米籽粒與雜物的篩分分離。本溪農(nóng)機質量監(jiān)督管理站遲富萍等研制的5TYJ40155型玉米脫粒機的篩選裝置主要由篩片和柵格凹板組成[14]，經(jīng)脫粒裝置出來的脫出物通過柵格凹板落到篩片上，經(jīng)過2次清選后排出機外。這種裝置結構簡單，實用輕便，損失率低，但清選后的玉米籽粒中含有較多的雜物，清選效果不理想。

2.2 風扇氣流式清選裝置

這種清選裝置主要利用脫出物中各成分的幾何特性和空氣動力學特性除去混雜在脫出物中的漂浮性能較強的輕雜物（玉米須等），而漂浮性能較弱或尺寸較大的雜質（破碎的玉米籽粒、短碎穗軸、小石子等）很難被清除，常用于簡易的脫粒機[15]。風扇氣流式清選裝置由風扇和風道組成，按其工作特點可分為吹出型、吸入型和兼用型（吸入型兼吹出型）3種。吸入型的風道配置在進風口前面，風扇多為螺旋線蝸殼形的通用型風扇，這種形式的風扇能量損失較小，氣流較均勻，采用單面進風。吹出型的風道位于出風口前面，風扇多為農(nóng)用型風扇，采用雙面進風。兼用型為兩者的結合，風道中既有吸風口的吸引氣流，又有吹風口的吹出氣流，輕雜物經(jīng)吸引風扇送出機外。

2.2.1 吹出型氣流式清選裝置。

郴州職業(yè)技術學院鄧小紅設計的YT1.5型小型玉米脫粒機采用離心式風機進行清選[16]，工作時，脫下來的玉米籽粒通過柵格凹板，落到前、后溜板，再經(jīng)風機清選后排出機外。遼寧朝陽市農(nóng)機推廣站王曉東等設計的5T4型玉米脫粒清選機采用農(nóng)用型離心風機進行清選[17]，在工作過程中，脫出的玉米籽粒通過柵格凹板落入集糧裝置內(nèi)，在風機風力作用下，穎糠等輕雜物被吹出機外。這種裝置玉米籽粒夾帶損失少，但碎玉米芯等雜物較多，籽粒凈度不高。

2.2.2 吸入型氣流式清選裝置。

黑龍江農(nóng)副產(chǎn)品加工機械化研究所何樹國等研制的5TY10A型玉米種子脫粒機采用吸氣式風機進行清選[18]。該裝置在脫粒的同時能對玉米籽粒進行初步清選，可一次完成玉米種芯分離，含雜率和夾帶損失率均低于國家標準。山西省運城市農(nóng)機鑒定站李耀剛等研制的5TYQ100型擠搓式負壓氣流清選玉米脫粒機采用負壓清選原理進行清選[19]。負壓氣流裝置主要由風機殼、風機轉盤、吸風道等組成，對從柵格凹板下落的玉米籽粒及細小雜物進行負壓氣流除雜，提高玉米清潔率。山東理工大學李修春等研制的擠搓式負壓清選玉米脫粒機采用負壓氣流吸附原理進行清選[20]，工作時，玉米籽粒及細小輕雜物在下落過程中，細小輕雜物在經(jīng)過風道時，被風道處形成的負壓氣流吸附進入沉降室，最后排出機外。這種裝置清選損失率較低，對漂浮系數(shù)大的混雜物的清除能力較強，對漂浮系數(shù)較小或尺寸較大的混雜物清除能力不夠。

2.3 氣流清選篩式清選裝置

這種裝置主要利用氣流的清選原理并輔以篩子的抖動作用將脫出物中的雜物清除，主要由風扇、清選篩和傳動機構等組成。根據(jù)篩子和風扇形式的不同，氣流清選篩子組合式清選裝置可分為多種形式（吹出型、吸入型和兼用型等）。這種清選裝置的清選效果較好，清選后玉米籽粒的損失率和含雜率相對較低，被廣泛應用于大多數(shù)玉米脫粒機上。

2.3.1 吸入型氣流清選篩式清選裝置。

美國AEC Group公司生產(chǎn)的HS48型種子玉米脫粒機[21]的清選裝置由篩選部分和風選部分組成。其中篩選部分由上篩和下篩組成，上篩的作用是除去籽粒中的大雜物；下篩除去籽粒中的小雜物；下篩末端裝有尾篩，目的是使吸風口處的籽粒振動拋起，便于有效除去輕雜質。風選部分由前后吸風道、沉降室和風量調(diào)節(jié)板組成，前吸風道位于上篩和導料板過渡處，除去脫出物中的輕雜物；后吸風道位于出糧口末端，吸除籽粒中的輕雜物。加拿大的Agriculex公司研制的單穗種子玉米脫粒的SCS2型種子玉米脫粒機也是采用風篩式清選裝置，具有脫凈率高、破碎率和損失率低等特點。

內(nèi)蒙古寧城縣農(nóng)機推廣站田金榜等研制的5TYX8型可移動式玉米精選脫粒機的清選裝置由負壓風機、振動篩和振動尾篩等組成[22]。清選風機的殼體設計成螺線形殼體，并設有風門，作業(yè)時可通過控制風門開度調(diào)節(jié)風選效果；振動篩采用網(wǎng)眼式篩片結構。工作時玉米籽粒通過篩孔落入攪龍輸送裝置，破碎的玉米芯等雜物由上篩排出機外。酒泉奧凱種子機械有限公司研發(fā)的5XYT10玉米脫粒初清機和5XYT50大型揉搓式玉米種子脫粒清選機[23-24]的清選裝置由吸風機、3層薄板篩和雙滾筒篩等組成。工作時，脫下的籽粒經(jīng)過第1層篩，分離出大雜物；剩下的籽粒和小雜物經(jīng)過剩下2層篩片和風機的作用完成分離。在玉米脫粒后經(jīng)過3次風選和3次篩選，提高了玉米籽粒凈度。河南科技大學車輛與動力工程學院李心平等設計的低損傷玉米種子脫粒機的清選裝置由網(wǎng)孔振動篩、2個風機和傳動機構等組成，風機與機殼連接處有調(diào)節(jié)板，可調(diào)節(jié)風量大小[25]。第1風機依靠氣流產(chǎn)生的負壓把漂浮性能強的夾雜物吸入風機，由風機口排出機外，而漂浮性能較弱或尺寸較大的夾雜物由篩子清除，經(jīng)第1個風機除不凈的剩余細小雜物進入種子集料箱，由第2個負壓風機吸出。沈陽農(nóng)業(yè)大學的趙學觀等研制的復式雙滾筒種子玉米脫粒機的清選裝置由雙層振動篩和負壓式清選風機組成。該裝置工作時，經(jīng)脫粒裝置脫下的混合物經(jīng)柵格凹板落到上層振動篩，下落過程中輕雜物被負壓風機吸走，大雜物由上層振動篩排出，小雜物穿過下層振動篩落入集雜裝置，干凈的玉米種子由下層振動篩輸送到集料裝置。長春市農(nóng)機研究院王淑蘭等開發(fā)的柔性玉米脫粒機的清選裝置由去雜篩、雙層振動篩和清選風機等組成。該裝置工作時，脫粒后的玉米穗芯經(jīng)去雜篩被排出機外，脫下來的玉米籽粒經(jīng)柵格凹板落到振動篩。脫出物中的短碎玉米穗芯由上層振動篩排出，干凈的玉米籽粒由下層振動篩的端口進入集料裝置。黑龍江省勃農(nóng)興達機械有限公司生產(chǎn)的5TD200Ⅱ型玉米脫粒機[26]的清選裝置采用負壓式風機和振動篩，除對玉米籽粒進行清選外，在風機口增設芯葉分離裝置，利用風機產(chǎn)生的負壓風力將玉米芯與苞葉進行吸附分離。黑龍江省蘿北縣農(nóng)業(yè)機械管理總站的劉軍等研制的5TYS135型玉米脫粒機的清選裝置由清選篩、分離篩和清選風機等組成。該裝置工作時，脫粒后的玉米籽粒經(jīng)主、副凹板和分離篩進入到清選篩，邊篩邊移動，當移動到清選風機吸風口時，輕雜物被吸走，上層篩上尺寸較大的雜物被排到機外。這2種機型還能對未剝皮的玉米穗軸進行脫粒作業(yè)和二次復脫裝置，相比于其他的機型，省去對玉米穗進行剝皮的工作，可節(jié)省人力，降低勞動強度和生產(chǎn)成本。

2.3.2 吹出型氣流清選篩式清選裝置。

昌吉市農(nóng)機服務站劉冬等研制的5TY750型玉米脫粒清選機的清選裝置由離心式風機和振動篩組成[27]。在作業(yè)時，脫粒后的玉米籽粒經(jīng)柵格凹板進入篩體，進行高頻率篩選，在此下落過程中風機吹風配合二次篩選，得到干凈籽粒。農(nóng)墾總局牡丹江分局農(nóng)機處王鑒明等設計的5XF3復式清選機的清選裝置由振動篩和離心式風機組成，振動篩由3層篩片組成[28]。工作時，尺寸小于上篩孔的脫出物下落到中篩篩面，在脫出物下落的過程中受到離心風機產(chǎn)生的風力作用，輕雜物、破碎籽粒以及不飽滿的籽粒被吹到機器的尾部排出；而上篩面的重大雜物在自身重力和篩面往復運動的作用下移動到篩面較低端，排出機外。

2.3.3 吹出兼吸入型氣流清選篩式清選裝置。

沈陽市農(nóng)業(yè)機械化研究所錫永仁等設計的5TYX855型新式玉米脫粒清選機的清選裝置由離心風機、負壓清選風機和振動篩等組成[29]。工作時，脫下來的玉米籽粒、輕雜物和短碎玉米芯通過柵格凹板落下，在下落過程中，側吹風扇把輕雜物吹向一側排出；剩下的雜物及灰塵，經(jīng)過負壓風機吸風口時，被吸入風機從排風口排出機外。黑龍江省紅興隆機械廠研制的5TYF5000型玉米脫粒清選機的清選裝置由主風機、側風機和振動篩等組成[30]。工作時，玉米脫粒分離后，從凹板圓孔落下，由于側風機的作用，下落物中的糠皮等輕雜被吹出，實現(xiàn)一次清選；從上層篩孔落下的籽粒及小雜物，借助篩面的顛簸力沿篩面向前移動，當移至主風機口時，小雜物被主風機吸走。這種機型由2種風機和雙層平面振動篩完成3次清雜，清選效果較好。

3 結論與發(fā)展趨勢

3.1 結論

通過上述研究分析可以看出，玉米脫粒機清選裝置主要用于大田糧食玉米果穗的脫粒和種穗玉米的脫粒；大田玉米果穗脫粒一般采用吹出型氣流清選篩式清選裝置，擁有結構緊湊、清潔率高、損失率小、便于移動等優(yōu)點；種穗玉米脫粒的清選裝置一般采用吸入型氣流清選篩式清選裝置，擁有清潔率高、損失率小、塵土便于集中排放等優(yōu)點，但機體較大、不便移動，一般用于種子加工廠?？傊?，單一清選篩式和風扇氣流式清選裝置近年來已較少使用，而生產(chǎn)率較高的玉米脫粒機一般采用氣流清選篩式清選裝置。

目前對玉米脫粒機清選裝置的研究大多集中在風機、振動篩以及風道和沉降室等主要工作部件的結構參數(shù)和運動參數(shù)對清選效果的影響等方面，而對清選裝置的自動化、智能化控制研究較少。

3.2 發(fā)展趨勢

隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展和農(nóng)業(yè)裝備水平的提高，玉米脫粒機清選裝置將朝以下幾個方面發(fā)展：

①隨著農(nóng)機購買力的提高和適宜機械化直收的玉米種子的推廣普及，糧食玉米收獲會由田間收獲玉米果穗、干燥后再由玉米脫粒機脫粒的分段式收獲逐步向田間直收玉米籽粒的方向發(fā)展；種子玉米的脫粒清選裝置將向高效、低損失、低含雜率方向發(fā)展。

②向自走式玉米脫粒機方向發(fā)展。目前，我國廣大農(nóng)村地區(qū)普遍采用田間收獲玉米果穗、經(jīng)自然晾曬后脫粒的分段收獲方式。為便于服務農(nóng)戶、節(jié)省資源，研制生產(chǎn)推廣自走式玉米脫粒機及與此配套的高效、低損失、低含雜率的清選裝置是一個發(fā)展趨勢。

③玉米脫粒機清選裝置將向高效、低損失、低含雜率、智能化方向發(fā)展。為適應不同品種、不同形態(tài)、不同含水率玉米籽粒的清選要求，采用清選損失傳感器，在線監(jiān)測清選損失大小，自動調(diào)節(jié)相關參數(shù)，獲得最佳的清選效果。

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