大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置與關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

劉 鵬，金誠謙，3，*，印 祥，寧新杰，李慶倫

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000； 2.山東省旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械化與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 淄博 255000； 3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210000)

清選是大豆機(jī)收過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。清選裝置是大豆聯(lián)合收獲機(jī)完成大豆籽粒與脫粒雜質(zhì)分離，以及大豆籽粒清潔的主要部裝，具體作業(yè)任務(wù)是從復(fù)雜的脫粒混合雜余(大豆籽粒、短莖稈、碎穎殼和混雜物)中清選分離出大豆籽粒，直接決定大豆機(jī)收清選作業(yè)的脫?；旌衔锴暹x效率，以及大豆籽粒清潔度、含雜率和清選損失率[1]。目前，我國針對(duì)大豆適收性的清選裝置研發(fā)還比較少，大多是將谷物聯(lián)合收獲機(jī)的清選裝置改變作業(yè)參數(shù)后直接應(yīng)用，但由于清選裝置與大豆收獲特性的匹配性低，現(xiàn)階段大豆機(jī)收過程中清選損失率和含雜率較高。同時(shí)，針對(duì)基于大豆適收性的脫?；旌衔镞\(yùn)動(dòng)規(guī)律、清選室氣流場分布和清選機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析等關(guān)鍵技術(shù)的研究工作也較少。根據(jù)大豆的物料特性和收獲特點(diǎn)研發(fā)新型清選裝置并進(jìn)行大豆機(jī)收清選關(guān)鍵技術(shù)的針對(duì)性研究，對(duì)于減少大豆機(jī)收清選損失、降低含雜率、提高清選效率、提升聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)性能是極為必要的。為此，特對(duì)我國現(xiàn)階段大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置與關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并結(jié)合當(dāng)今世界聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的研究進(jìn)展，探討大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的發(fā)展趨勢。

1 清選原理

大豆脫粒不同于其他谷物，必須讓大豆籽粒從破裂的豆莢中脫離出來，所以大豆的脫凈率、清選的含雜率，以及清選的損失率等清選作業(yè)性能容易受到大豆品種的物料特性、大豆含水率、聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)喂入量，以及清選裝置作業(yè)參數(shù)等因素的影響[2]。目前，篩子-氣流式清選裝置是我國大豆聯(lián)合收獲機(jī)最主要的清選裝置，其清選原理是根據(jù)脫粒混合雜物中各成分的空氣動(dòng)力學(xué)特性和物料特性差異，憑借氣流產(chǎn)生的氣場力與清選篩往復(fù)運(yùn)動(dòng)的相互作用來完成大豆籽粒和雜質(zhì)的分離清選作業(yè)。篩子-氣流式清選裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

1，抖動(dòng)板；2，上篩；3，下篩；4，莖稈；5，大豆籽粒；6，螺旋輸送裝置；7，鼓風(fēng)機(jī)。1， Jitter plate; 2， Upper sieve; 3， Lower sieve; 4， Stem; 5， Soybean grain; 6， Screw conveyor; 7， Blower.

2 清選裝置研究現(xiàn)狀

篩子-氣流式清選裝置主要由清選篩、風(fēng)機(jī)和清選室組成，不同機(jī)械結(jié)構(gòu)與功能的篩子-氣流式清選裝置適用的大豆品種和工作環(huán)境各不相同[4]。目前，國內(nèi)針對(duì)大豆適收性的篩子-氣流式清選裝置研究工作還較少，大多是研究谷物聯(lián)合收獲機(jī)的篩子-氣流式清選裝置，研究內(nèi)容主要集中在清選篩和風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與功能創(chuàng)新，以及參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)等方面。

2.1 清選篩

清選篩由抖動(dòng)板、導(dǎo)流條、指桿篩、上篩、下篩和尾篩等部件組成。清選篩在進(jìn)行大豆機(jī)收清選作業(yè)時(shí)由曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)整體做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大豆脫?；旌衔镞B續(xù)不斷地由抖動(dòng)板和導(dǎo)流條進(jìn)行均攤，并通過指桿篩送往上篩篩面，通過清選篩前端下方的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)將大豆脫粒混合物吹散，細(xì)碎秸草和穎殼等輕雜質(zhì)會(huì)被風(fēng)吹出清選室外，大豆籽粒在清選篩的往復(fù)運(yùn)動(dòng)作用下透過上篩和下篩落入集糧攪龍進(jìn)行籽粒輸送。與大豆籽粒物料特性相近的雜質(zhì)在清選篩的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和風(fēng)場力的雙重作用下經(jīng)過尾篩的篩分后，長的碎秸稈被排出機(jī)外，而未脫凈的豆莢透過尾篩落入復(fù)脫攪龍進(jìn)行二次脫粒清選。由此可以看出，清選篩的結(jié)構(gòu)與參數(shù)決定了篩子-氣流式清選裝置的篩分效率和清選性能。

朱金光等[5]利用傳統(tǒng)魚鱗篩后部的穿條孔把穿條與各篩板穿在一起，可以有效地防止魚鱗篩高度調(diào)節(jié)過程中混合雜余的下落，從而提高聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的清選性能。鄧嘉鳴等[6]研制一種具有單自由度兩回路運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)清選篩，通過由并聯(lián)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)形成清選篩篩面多維運(yùn)動(dòng)的方式來達(dá)成非平面清選篩篩面的多維透篩性，以此提升清選篩的透篩性能和篩分能力。劉忠良[7]創(chuàng)新一款清選裝置，在篩子的尾部添加一個(gè)二次清選系統(tǒng)，可對(duì)尾部排出的混合雜余再進(jìn)行一次清選，并由設(shè)計(jì)的集糧系統(tǒng)復(fù)選篩后落下的谷物籽粒，解決了聯(lián)合收獲機(jī)在高速收獲時(shí)清選篩容易將混合雜余拋出機(jī)外的問題，降低了清選損失率。李洪昌[8]在傳統(tǒng)清選裝置的基礎(chǔ)上去掉傳統(tǒng)清選篩，在喂料裝置下方設(shè)置一對(duì)相向旋轉(zhuǎn)的喂料輥，使脫?；旌想s余以比較均勻的薄層狀態(tài)進(jìn)入清選室，提高了清選裝置的清選效率。李耀明等[9]創(chuàng)新了一種具有雙層清選篩和雙貫流風(fēng)機(jī)的新型清選裝置結(jié)構(gòu)，很好地解決了不同喂入量下聯(lián)合收獲機(jī)高效篩分的問題，降低了清選含雜率和清選損失率。

Stephen等[10]創(chuàng)新了一款清選分離裝置，通過控制器調(diào)控篩片開度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)清選裝置魚鱗篩開度和風(fēng)速的智能調(diào)控。AGCO公司研發(fā)的5257C1型聯(lián)合收獲機(jī)采用了雙層清選篩加離心風(fēng)機(jī)的清選裝置和雙切流脫粒滾筒的脫粒分離裝置，該脫粒清選裝置的整體結(jié)構(gòu)在進(jìn)行實(shí)際收獲作業(yè)時(shí)，清選室內(nèi)的風(fēng)量、風(fēng)速和風(fēng)場分布均可以達(dá)到最佳作業(yè)狀態(tài)，降低了清選損失率與含雜率[11]。田中祐二等[12]在現(xiàn)有聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的清選篩上進(jìn)行創(chuàng)新并安裝穎殼篩結(jié)構(gòu)，進(jìn)行脫?；旌想s物的二次清選，提高了聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的清選性能。

抖動(dòng)板是清選篩的重要組成部分。抖動(dòng)板對(duì)脫?；旌衔锏姆?jǐn)偩鶆蚨?、輸送速度和承載能力直接影響大豆聯(lián)合收獲機(jī)對(duì)大豆品種的適收范圍、收獲作業(yè)的最大喂入量和清選篩的清選作業(yè)難度。付威等[13]通過分析抖動(dòng)板傳動(dòng)曲柄的理論轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的具體關(guān)系，探討了抖動(dòng)板作業(yè)過程中脫?；旌衔锇l(fā)生堆積的問題，得出物料被拋離時(shí)傳動(dòng)曲柄的真實(shí)轉(zhuǎn)速，闡明了對(duì)抖動(dòng)板進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的可行性。湯慶等[14]利用EDEM軟件分別對(duì)單隔板抖動(dòng)板和雙隔板抖動(dòng)板的清選作業(yè)模式進(jìn)行離散元仿真，獲得了2種抖動(dòng)板在進(jìn)行清選作業(yè)時(shí)對(duì)脫?；旌衔镒饔昧Φ姆治鲈茍D，通過對(duì)仿真結(jié)果劃分虛擬網(wǎng)格，獲得了X軸向網(wǎng)格中籽粒數(shù)量的分析曲線圖，明確了雙隔板抖動(dòng)板對(duì)脫?；旌衔锏姆?jǐn)?、輸送和篩分能力要強(qiáng)于單隔板抖動(dòng)板。唐靜[15]針對(duì)現(xiàn)有抖動(dòng)板的不足，創(chuàng)新了一種抖動(dòng)板限位組件，對(duì)全喂入式聯(lián)合收割機(jī)的抖動(dòng)板添加抖動(dòng)限制板，并將限位槽限制抖動(dòng)板的振動(dòng)點(diǎn)從彎折處轉(zhuǎn)移到平直處，進(jìn)一步增強(qiáng)了抖動(dòng)板的可靠性。

2.2 風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)包括風(fēng)扇、風(fēng)門、分風(fēng)板和風(fēng)道，是篩子-氣流式清選裝置實(shí)現(xiàn)大豆脫?；旌衔镲L(fēng)選分離與籽粒清潔的必要條件。風(fēng)機(jī)在大豆機(jī)收清選作業(yè)過程中，通過風(fēng)扇的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，將空氣從風(fēng)門外吸入風(fēng)機(jī)內(nèi)部，形成高速旋轉(zhuǎn)的氣流，在離心力的作用下氣流經(jīng)過風(fēng)道進(jìn)入清選室形成氣流場，在氣場力與清選篩運(yùn)動(dòng)的共同作用下對(duì)大豆脫?；旌衔镞M(jìn)行清選分離作業(yè)。此時(shí)，風(fēng)機(jī)中心處因?yàn)殡x心力作用形成真空度，風(fēng)門外的空氣會(huì)連續(xù)地從風(fēng)門處被吸進(jìn)風(fēng)機(jī)中，從而使風(fēng)機(jī)持續(xù)作業(yè)。因此，風(fēng)機(jī)各部件的結(jié)構(gòu)、形狀與參數(shù)直接影響清選室內(nèi)的氣流場分布與篩子-氣流式清選裝置的風(fēng)選性能[16]。

胡小欽[17]創(chuàng)新了一種貫流式谷物清選裝置，并通過大量的測量試驗(yàn)完成了清選裝置的工作參數(shù)優(yōu)化。與傳統(tǒng)清選裝置相比，選擇貫流風(fēng)機(jī)作為風(fēng)源很好地解決了軸向氣流不穩(wěn)定和寬度受限的問題。沈宇峰等[18]創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款單風(fēng)機(jī)雙層清選篩式清選裝置，該清選裝置的結(jié)構(gòu)較為簡單，可以達(dá)到縱軸流式聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置清選作業(yè)性能的要求。崔俊偉等[19]創(chuàng)新設(shè)計(jì)了前后雙風(fēng)機(jī)清選篩式清選裝置，前風(fēng)機(jī)可以改進(jìn)清選裝置氣流分布的均勻程度，后風(fēng)機(jī)則改進(jìn)了清選裝置對(duì)短莖稈的清選功能，提高了清選裝置的清選效率。劉師多等[20]對(duì)雙風(fēng)機(jī)圓箱清選裝置進(jìn)行了研究，分析并建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的仿真試驗(yàn)，得到了影響因素的最佳參數(shù)。

CASE公司研制的新型清選裝置應(yīng)用了輸送攪龍、貫流離心式風(fēng)機(jī)、多層清選篩與預(yù)清選板等部件，其中，貫流離心式風(fēng)機(jī)的上端被設(shè)計(jì)成開放結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是，可以將風(fēng)罩上方的空氣轉(zhuǎn)化為連續(xù)不斷的氣流，并由此提高聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的性能[21]。New Holland公司研制的軸流式TC5060型聯(lián)合收獲機(jī)的清選裝置采用大功率六葉輪離心式風(fēng)機(jī)，此離心式風(fēng)機(jī)的風(fēng)速更強(qiáng)勁，并且風(fēng)量分布均勻，風(fēng)場分布范圍也較大，可以有效地減輕上、下篩的負(fù)荷，適用于負(fù)荷較大的工作環(huán)境[22]。CLASS和John Deere公司研制了一種新型聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置，該清選裝置的風(fēng)機(jī)采用雙風(fēng)道渦輪式風(fēng)機(jī)加上雙層清選篩和預(yù)清選的形式，其最大特點(diǎn)是在同等風(fēng)速和風(fēng)量條件下，收獲機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)非常緊湊，而且雙風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)能夠連續(xù)不斷地產(chǎn)生穩(wěn)定、高速的氣流[23]。哈維斯特公司在軸流式聯(lián)合收獲機(jī)上安裝了在清選室內(nèi)可以監(jiān)控清選風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的電子裝置，并且將風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速以連續(xù)數(shù)字的形式在顯示器上進(jìn)行顯示，可以方便地讀出風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，提高了收獲機(jī)清選裝置的作業(yè)質(zhì)量與性能[24]。

2.3 小結(jié)

國內(nèi)研究人員主要對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)的清選分離裝置進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，研究重點(diǎn)在于清選篩與風(fēng)機(jī)的功能創(chuàng)新與參數(shù)優(yōu)化、風(fēng)扇的數(shù)量與結(jié)構(gòu)、風(fēng)道的數(shù)量，以及導(dǎo)料過渡裝置的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和清選裝置的智能控制創(chuàng)新設(shè)計(jì)等方面。除此之外，研究人員還對(duì)清選裝置的功耗進(jìn)行了一定研究。李原福等[25]利用黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研制的清選試驗(yàn)臺(tái)，選取曲柄轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)出口傾角和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素，以清選裝置功耗作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，完成清選試驗(yàn)并分析數(shù)據(jù)，得出影響風(fēng)篩式清選裝置功耗的主要成因和規(guī)律模型，為篩子-氣流式清選裝置的創(chuàng)新與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

在國外先進(jìn)聯(lián)合收獲機(jī)上，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了清選作業(yè)精準(zhǔn)監(jiān)測、駕駛室清選作業(yè)顯示與操控、3D清選和自適應(yīng)清選等功能，并且研發(fā)出專門應(yīng)用于大豆收獲清選的機(jī)具，提高了大豆機(jī)收清選作業(yè)的效率和性能。但是，國外機(jī)具大都價(jià)格昂貴，普遍存在水土不服的情況，而且國外研制的自適應(yīng)清選系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)高度保密，文獻(xiàn)報(bào)道較少。總之，現(xiàn)階段國內(nèi)對(duì)專門應(yīng)用于大豆收獲的聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置研究還比較少，還未能實(shí)現(xiàn)針對(duì)大豆適收性的聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的全方位結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、參數(shù)優(yōu)化，以及清選系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控，由清選裝置與大豆特性的匹配性較低而造成的較高的清選損失與含雜問題是當(dāng)前亟須解決的問題。

3 清選關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

清選關(guān)鍵技術(shù)主要包括脫?；旌衔镞\(yùn)動(dòng)規(guī)律、清選室氣流場分布和清選機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。近年來，隨著離散單元法(DEM)、計(jì)算流體力學(xué)和多體動(dòng)力學(xué)等先進(jìn)理論的發(fā)展，以及EDEM、FLUENT和ADAMS等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助工程軟件的逐步應(yīng)用，研究人員可以模擬仿真大豆機(jī)收的清選作業(yè)過程，收集清選作業(yè)仿真中的內(nèi)部微觀數(shù)據(jù)并計(jì)算分析，這對(duì)大豆機(jī)收清選關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新、篩子-氣流式清選裝置參數(shù)優(yōu)化，以及清選作業(yè)狀態(tài)的內(nèi)部規(guī)律分析等研究起到了極大的推動(dòng)作用。

3.1 脫粒混合物運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

脫?；旌衔镞\(yùn)動(dòng)規(guī)律研究是對(duì)大豆植株經(jīng)過脫粒后的混合物在清選篩上篩分時(shí)豆粒與雜余的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析?，F(xiàn)階段，我國科研人員主要在大豆籽粒外形參數(shù)、力學(xué)特性分析、豆粒與清選裝置接觸作用和篩面上豆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡與受力等方面進(jìn)行了研究。對(duì)大豆脫?；旌衔镞\(yùn)動(dòng)狀態(tài)內(nèi)部微觀數(shù)據(jù)的研究分析，為研發(fā)專用于大豆機(jī)收的篩子-氣流式裝置提供了可靠的理論依據(jù)。

張開飛等[26]通過材料特性試驗(yàn)得出大豆秸稈的剪切與彎曲力學(xué)特性參數(shù)，為大豆脫?；旌衔镏须s余的離散元建模與仿真參數(shù)設(shè)定提供了參考。劉基等[27]采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)完成大豆莖稈的三點(diǎn)剪切和彎曲試驗(yàn)，得出大豆莖稈不同高度處的彈性模量、慣性矩、抗彎剛度、最大切應(yīng)力、最大彎曲力與最大剪切力，以及大豆籽粒與莖稈之間的相互作用力，并分析了大豆莖稈不同高度承受剪切力與彎曲力的規(guī)律，為研究大豆莖稈和籽粒的篩分規(guī)律提供了理論依據(jù)。賀禮英等[28]對(duì)沿淮地區(qū)41個(gè)菜用大豆品種的倒伏性、單株有效莢數(shù)、單株莢數(shù)、結(jié)莢高度、生育期、單莢粒數(shù)、莢長、莢寬、株高、莖粗和百粒重等主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行了測量與相關(guān)性分析。該方法可應(yīng)用到大豆特性的相關(guān)研究中，以提升大豆特性參數(shù)的精準(zhǔn)度，從而提高清選裝置參數(shù)與大豆特性的匹配性，降低清選損失率。王揚(yáng)等[29-30]對(duì)大豆籽粒的外形進(jìn)行了測量試驗(yàn)與分析，發(fā)現(xiàn)大豆籽粒的三維參數(shù)服從正態(tài)分布，創(chuàng)新了一種基于EDEM軟件球充填的大豆籽粒建模方法，對(duì)大豆籽粒與其他材料的相互作用參數(shù)進(jìn)行了測量，提出一種基于平面多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)與離散元法的耦合模型，并應(yīng)用AgriDEM-MBK軟件仿真大豆籽粒在擺桿篩上的篩分過程，分析了擺桿篩篩分過程中大豆籽粒流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

Dong等[31]利用EDEM軟件仿真由矩形孔的形狀變化引起的顆粒在清選篩篩面上運(yùn)動(dòng)和分離的變化情況，結(jié)果表明，平行于顆粒流動(dòng)方向的矩形孔透篩效果強(qiáng)于垂直方向。Jafari等[32]利用離散單元法研究了振動(dòng)頻率、振動(dòng)方向角和網(wǎng)格斜率等參數(shù)對(duì)清選篩篩分性能和篩網(wǎng)磨損情況的影響，得出清選篩振動(dòng)頻率和網(wǎng)格斜率對(duì)清選篩篩面的磨損規(guī)律。Elskamp等[33]完成了不同操作條件下清選篩篩選過程的離散元仿真與分析研究，在完成的EDEM仿真研究分析中，通過排除操作參數(shù)瞬態(tài)變化問題，得出在不同振動(dòng)參數(shù)與時(shí)間持續(xù)改變的條件下清選篩對(duì)球形顆粒和非球形顆粒的篩分規(guī)律。Delaney等[34]選取0.6～5 mm直徑的球形DEM模型，利用EDEM軟件進(jìn)行實(shí)際篩分過程的仿真分析，發(fā)現(xiàn)在較小喂入量下，顆粒仿真篩分結(jié)果與樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果保持一致；在大喂入量下，球形顆粒經(jīng)過篩面的篩分運(yùn)動(dòng)后更容易接近篩網(wǎng)表面并穿透篩子，導(dǎo)致對(duì)直徑較大顆粒的分離速率會(huì)產(chǎn)生過度預(yù)測。這說明在清選篩EDEM仿真中，球形顆粒不能用于仿真真實(shí)顆粒流動(dòng)和非球形物料顆粒的分離。

3.2 清選室氣流場分布

清選室氣流場分布是影響篩子-氣流式清選裝置對(duì)大豆脫?；旌衔锴暹x效果的決定因素之一，也是評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)清選作業(yè)效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前，我國科研人員關(guān)于大豆機(jī)收清選室內(nèi)氣流場分布的研究還較少。大豆脫?；旌衔锏钠√匦耘c其他谷物不同，通過物料漂浮速度試驗(yàn)確定大豆脫?；旌衔锔鞒煞值钠√匦裕\(yùn)用FLUENT軟件、計(jì)算流體力學(xué)(CFD)-DEM耦合技術(shù)，以及風(fēng)場監(jiān)測裝置對(duì)大豆機(jī)收清選室內(nèi)的氣流場分布進(jìn)行專門研究與創(chuàng)新，是優(yōu)化風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)與參數(shù)、完成風(fēng)機(jī)作業(yè)效果監(jiān)測與智能調(diào)控，以及提高大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置作業(yè)性能與精準(zhǔn)度的有效方法。

高連興等[2]通過物料漂浮速度試驗(yàn)得出大豆脫?；旌衔锔鞒煞值钠∷俣龋和旰么蠖棺蚜?.18～11.61 m·s-1，穎殼和碎秸稈1.95～3.75 m·s-1，豆瓣和癟粒6.14～7.74 m·s-1，短硬莖稈2.53～4.04 m·s-1，未脫凈豆莢3.81～5.48 m·s-1，為篩子-氣流式清選裝置的優(yōu)化改進(jìn)提供了依據(jù)。江濤等[35]設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的清選室，應(yīng)用FLUENT軟件，仿真不同清選室的氣流場分布和氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)雙進(jìn)風(fēng)口加導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)的清選室清選性能最好。李驊等[36]設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)傾角、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和魚鱗篩夾角的正交仿真試驗(yàn)，利用FLUENT軟件完成不同參數(shù)條件下清選室內(nèi)氣流場的模擬仿真與分析，得到平面振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)下清選室內(nèi)氣流場的分布規(guī)律。李洋[37]采用FLUENT軟件對(duì)不同作業(yè)參數(shù)下多風(fēng)道試驗(yàn)臺(tái)的清選室內(nèi)氣流場分布進(jìn)行模擬仿真，并利用多風(fēng)道清選試驗(yàn)臺(tái)完成清選室內(nèi)氣流場的測量試驗(yàn)，通過分析數(shù)據(jù)得到清選室內(nèi)氣流場受每個(gè)參數(shù)影響的相關(guān)規(guī)律。余波等[38]通過正交試驗(yàn)研究了小區(qū)小型半喂入式聯(lián)合收獲機(jī)的清選室氣流場分布規(guī)律，選取離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、吸引風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、離心風(fēng)機(jī)的傾角、百葉窗篩的夾角為優(yōu)化參數(shù)，對(duì)不同參數(shù)下的清選室氣流場分布進(jìn)行了FLUENT仿真，得到上述4個(gè)參數(shù)的最佳值，進(jìn)一步提高了收獲機(jī)的清選效率。

Ueka等[39]為了解清選風(fēng)及其通過籽粒的湍流流動(dòng)特性，采用粒子圖像測速法和激光多普勒測速法對(duì)風(fēng)速進(jìn)行了測量與分析研究，發(fā)現(xiàn)顆粒會(huì)阻擋風(fēng)的流動(dòng)并引起風(fēng)場的分布變化，且風(fēng)量損失并不是湍流造成的，在分析計(jì)算清選室內(nèi)風(fēng)量損失時(shí)，應(yīng)主要考慮壁面的摩擦和顆粒形狀引起的壓力變化，以及顆粒摩擦損失。Gebrehiwot等[40]采用FLUENT軟件和風(fēng)速儀測量方法，研究了用于谷物清選的交叉流風(fēng)機(jī)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和性能，并研究了4種渦壁位置、不同轉(zhuǎn)子和相同殼體的交叉流風(fēng)機(jī)，重點(diǎn)研究了渦壁位置對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，以及在2個(gè)出口之間實(shí)現(xiàn)平衡的氣流分配。結(jié)果表明：(1)二維CFD模型可以較好地預(yù)測風(fēng)機(jī)的性能；(2)渦壁的位置對(duì)交叉流風(fēng)機(jī)的性能起著至關(guān)重要的作用，尤其是2個(gè)出口之間的氣流劃分；(3)通過改變渦壁的位置，可以得到更均勻的氣流場分布；(4)轉(zhuǎn)子出口開度對(duì)兩出口的質(zhì)量流量分配有較大影響。Farran等[41]對(duì)垂直氣流中脫?；旌衔锏姆蛛x進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，以與聯(lián)合收獲機(jī)清選作業(yè)速率相當(dāng)?shù)乃俾首⑷牍任锖湍M谷殼的聚苯乙烯球或?qū)嶋H篩分材料，結(jié)果表明，氣流速度和進(jìn)料速率在提升清選分離效果和降低清選顆粒損失率方面都很重要。

3.3 清選機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

清選機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是研究大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置曲柄連桿機(jī)構(gòu)與清選篩運(yùn)動(dòng)規(guī)律的先進(jìn)技術(shù)?，F(xiàn)階段，我國對(duì)谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究較多，但還沒有專門研究大豆機(jī)收清選機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的內(nèi)容。大豆脫?；旌衔锏奶匦詤^(qū)別于其他谷物，所需清選機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型也不一樣；因此，需要根據(jù)大豆脫?；旌衔锾匦岳肁DAMS軟件專門對(duì)大豆機(jī)收清選機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真與分析研究，研究內(nèi)容包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析、清選篩運(yùn)動(dòng)軌跡及其動(dòng)力學(xué)分析，以及清選機(jī)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化等方面。針對(duì)大豆適收性進(jìn)行篩子-氣流式清選裝置的清選機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析研究，對(duì)提高大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的清選效率和整機(jī)性能具有很強(qiáng)的實(shí)際作用。

李杰等[42]利用ADAMS軟件建立清選篩模型，對(duì)清選篩進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析與參數(shù)優(yōu)化，解決了清選篩后端垂直振幅過大的問題，降低了清選損失率和清選含雜率，獲得了較優(yōu)的清選篩結(jié)構(gòu)參數(shù)。程亞民等[43]應(yīng)用ADAMS軟件完成聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置平面連桿機(jī)構(gòu)幾何體的仿真分析，獲得清選連桿機(jī)構(gòu)每個(gè)構(gòu)件的質(zhì)心在不同時(shí)間段的加速度、速度和位移等運(yùn)動(dòng)曲線，驗(yàn)證了清選連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性與可行性。肖迎春等[44]創(chuàng)新一款3層多桿機(jī)構(gòu)清選裝置，用CREO軟件完成3層多桿機(jī)構(gòu)清選裝置的三維建模，然后用ADAMS軟件按照清選作業(yè)要求完成逐稿篩和清選篩的動(dòng)力學(xué)仿真分析，獲得篩面加速度的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和多桿機(jī)構(gòu)的作業(yè)原理。李驊等[45]創(chuàng)新一種小型單風(fēng)機(jī)單篩式平面振動(dòng)清選裝置，利用ADAMS軟件完成清選裝置幾何體的動(dòng)力學(xué)仿真和參數(shù)優(yōu)化，獲得了清選篩參數(shù)影響整體清選裝置運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)決定清選篩加速度的主要因素是曲柄的轉(zhuǎn)速和長度，為清選機(jī)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

3.4 小結(jié)

應(yīng)用FLUENT、EDEM和ADAMS等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件，能比較真實(shí)地仿真出大豆機(jī)收清選作業(yè)過程的顆粒風(fēng)選篩分運(yùn)動(dòng)?？傮w來看，國內(nèi)的研究工作少有針對(duì)篩子-氣流式清選裝置不同作業(yè)參數(shù)下大豆脫?；旌衔镱w粒群運(yùn)動(dòng)規(guī)律的仿真分析，CFD-DEM耦合技術(shù)在大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置研究中的應(yīng)用還比較少，大多研究只是應(yīng)用EDEM或FLUENT或ADAMS等單一軟件進(jìn)行仿真分析，無法完整地模擬出大豆脫?；旌衔镌诤Y子-氣流式清選裝置作業(yè)時(shí)的風(fēng)選篩分運(yùn)動(dòng)。在已經(jīng)完成或正在進(jìn)行的關(guān)于清選裝置內(nèi)部氣固兩相流的耦合仿真研究中，大多采用簡化模型，存在清選室三維模型的尺寸較小、脫?；旌想s物的模型數(shù)量較少等問題，這會(huì)使得大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選作業(yè)的虛擬樣機(jī)仿真分析結(jié)果與真實(shí)樣機(jī)性能試驗(yàn)的結(jié)果形成一定的差異[46]。另外，現(xiàn)階段研究的對(duì)象大都是谷物作物，專用于大豆籽粒的離散單元法建模和大豆作物清選分離過程仿真研究還比較少，與此相關(guān)的理論知識(shí)也非常缺乏，非常不利于我國大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的研究進(jìn)步。

4 大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置發(fā)展趨勢

4.1 針對(duì)不同大豆特性與參數(shù)的優(yōu)化研究

研發(fā)適用于大豆收獲的聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置。收集大豆的適收和清選特性信息，根據(jù)其特性信息進(jìn)行清選裝置的創(chuàng)新研發(fā)和參數(shù)優(yōu)化，從根本上解決清選裝置與大豆品種的適收性問題，使大豆機(jī)收時(shí)清選裝置與大豆的收獲特性相匹配，降低大豆機(jī)收清選作業(yè)的清選損失率和含雜率。

4.2 大豆機(jī)收清選裝置的清選分離機(jī)理研究

為了研究大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置清選作業(yè)時(shí)的內(nèi)部微觀數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)分析大豆脫粒混合物運(yùn)動(dòng)規(guī)律、清選室氣流場分布和清選機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，需要加快對(duì)適用于大豆機(jī)收清選關(guān)鍵技術(shù)的CAE軟件的精確學(xué)習(xí)與廣泛應(yīng)用，提高對(duì)仿真技術(shù)的認(rèn)知，積極引進(jìn)和推廣適用于大豆機(jī)收清選關(guān)鍵技術(shù)的高端CAE軟件與先進(jìn)研究方法，不斷推進(jìn)大豆機(jī)收清選裝置的現(xiàn)代化研究。

4.3 聯(lián)合收獲機(jī)清選系統(tǒng)自適應(yīng)技術(shù)研究

大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的發(fā)展越發(fā)趨于全面智能化，應(yīng)積極收集所有大豆品種的最佳清選作業(yè)參數(shù)，進(jìn)行清選裝置的電動(dòng)智能調(diào)控創(chuàng)新設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)清選裝置作業(yè)時(shí)清選損失量與清選室氣流場分布的駕駛室實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示[47]，以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、分風(fēng)板角度、立導(dǎo)向板角度、上篩角度、風(fēng)門開度、清選篩振動(dòng)頻率和魚鱗篩開度等清選作業(yè)參數(shù)的自適應(yīng)智能調(diào)控和遠(yuǎn)程終端無線實(shí)時(shí)顯示[48-49]。大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選系統(tǒng)自適應(yīng)技術(shù)研究的目的是根據(jù)實(shí)際作業(yè)狀況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)清選作業(yè)參數(shù)，以便維持清選裝置處于最佳作業(yè)狀態(tài)，使聯(lián)合收獲機(jī)清選作業(yè)更精準(zhǔn)，清選效率更高，節(jié)約人力和成本，因此清選作業(yè)操作應(yīng)盡可能自動(dòng)化和簡單化。此外，還應(yīng)從提高大豆機(jī)收清選作業(yè)質(zhì)量的角度出發(fā)，研發(fā)適用于所有大豆品種的自適應(yīng)智能清選系統(tǒng)。