農(nóng)業(yè)物料清選裝置的研究現(xiàn)狀與展望*

范開(kāi)欣，劉 英，李小燕，許迎春

(甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006)

0 引 言

我國(guó)的糧食作物、油料作物和特色經(jīng)濟(jì)作物種類(lèi)豐富，在其收獲作業(yè)中經(jīng)常涉及清選技術(shù)，清選裝置作為清選技術(shù)的核心，清選性能直接決定后期農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)質(zhì)量的水平[1-2]。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展進(jìn)程的加快，清選裝置的種類(lèi)越來(lái)越多，但均不能將物料中的雜質(zhì)有效分離出來(lái)，從而阻礙了清選裝置的推廣應(yīng)用[3]。近年來(lái)，雖然研制出一部分清選機(jī)械，由于結(jié)構(gòu)尺寸和物料特性的限制，其含雜率和損失率仍不能滿(mǎn)足農(nóng)戶(hù)的要求。因此，研制出含雜率低、損失率小的清選機(jī)械是農(nóng)業(yè)物料小型收獲機(jī)發(fā)展過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。

筆者針對(duì)我國(guó)清選存在的問(wèn)題，對(duì)清選裝置的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，同時(shí)總結(jié)了現(xiàn)階段清選機(jī)理的研究進(jìn)程和對(duì)清選裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)所取得的結(jié)論，以期為后續(xù)清選裝置的優(yōu)化推廣奠定基礎(chǔ)。

1 清選裝置研究現(xiàn)狀

根據(jù)農(nóng)業(yè)物料的特點(diǎn)，可將物料的清選裝置分為吹出型、吸入型和吸入兼吹出型三種，主要有風(fēng)篩式、氣流式、垂直式和旋風(fēng)循環(huán)分離型清選裝置[4]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同的物料進(jìn)行了物料清選裝置的研究，通過(guò)確定相關(guān)的工作參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，從而對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并為相關(guān)機(jī)械的研制提供技術(shù)指導(dǎo)。

廖慶喜等[5]設(shè)計(jì)了一種離心氣流清選和回轉(zhuǎn)篩選組合式的風(fēng)篩式清選試驗(yàn)臺(tái)，分析了其主要結(jié)構(gòu)和相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)影響清選性能因素的主次順序?yàn)榍暹x篩轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、篩面型式。耿令新等[6]針對(duì)燕麥籽粒其韌性強(qiáng)和不易破碎的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種揉搓式除雜裝置，并以清潔率和損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，采用試驗(yàn)分析法確定了各因素較優(yōu)的取值范圍，同時(shí)通過(guò)多元回歸試驗(yàn)確定了較優(yōu)的參數(shù)組合，為后期燕麥加工機(jī)械的研制提供技術(shù)指導(dǎo)。于昭洋等[7]針對(duì)切流式花生全喂入式聯(lián)合收獲機(jī)清選環(huán)節(jié)存在果雜分離不清和損失率高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)篩組合、大小雜并除的清選機(jī)構(gòu)，利用動(dòng)態(tài)靜力學(xué)方法研究了篩面物料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，確定了物料從篩面躍起的極限條件和相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的理論值域，為聯(lián)合收獲機(jī)清選機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論參考。戴飛等[8]結(jié)合胡麻脫粒流動(dòng)特性和分離清選作業(yè)工藝流程，設(shè)計(jì)了胡麻脫粒清選機(jī)，并通過(guò)對(duì)關(guān)鍵部件選型，確定了關(guān)鍵工作參數(shù)，并分析了該裝置自動(dòng)排料的必要條件，同時(shí)通過(guò)樣機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)驗(yàn)證了相關(guān)的設(shè)計(jì)要求。孫偉等[9]針對(duì)水稻割前摘脫脫出物草谷比低和處理量大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可循環(huán)立式離心分離復(fù)脫清選裝置，并且以分離率、復(fù)脫率和破碎率等為試驗(yàn)指標(biāo)，通過(guò)二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明立式離心分離復(fù)脫清選裝置的處理效率高，基本能夠適應(yīng)脫出物的處理要求。劉春亞等[10]在得到花生摘果脫出物清選性能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種由輕雜物分離系統(tǒng)和短桿分離系統(tǒng)組成的清選系統(tǒng)，并對(duì)相關(guān)的斷桿分離裝置進(jìn)行受力分析，計(jì)算出分離輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)。張延國(guó)[11]針對(duì)現(xiàn)有糧食清選機(jī)自動(dòng)化程度不高和清除率低等問(wèn)題，研發(fā)出一種新型高效的清選機(jī)，提高了農(nóng)業(yè)資源的綜合利用水平，并且滿(mǎn)足了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。

2 物料清選機(jī)理研究現(xiàn)狀

研究發(fā)現(xiàn)，由于物料顆粒具有復(fù)雜的尺寸分布，因此篩分運(yùn)動(dòng)是在各個(gè)操作參數(shù)下顆粒組成的粒子運(yùn)動(dòng)的綜合效應(yīng)，先進(jìn)的分析技術(shù)和試驗(yàn)方法一直是該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵，但是以前對(duì)于篩分性能的研究?jī)H僅依靠經(jīng)驗(yàn)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的模擬軟件被應(yīng)用到清選機(jī)理的研究上，主要有ANSYS、CFD和EDEM等軟件，其現(xiàn)在已經(jīng)成為研究流場(chǎng)的主要工具，并且會(huì)被廣泛應(yīng)用于未來(lái)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過(guò)程中。

李耀明[12]針對(duì)單個(gè)油菜籽的透篩過(guò)程建立了單風(fēng)道風(fēng)機(jī)單層振動(dòng)篩清選裝置的虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)清選裝置的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明振動(dòng)篩振幅、頻率和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)其物料的清選有顯著的影響。付剛等[13]針對(duì)油菜收獲機(jī)清選裝置設(shè)計(jì)和改進(jìn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，建立了風(fēng)篩選清選裝置的虛擬樣機(jī)模型，并在不同工作參數(shù)下進(jìn)行了仿真試驗(yàn)研究。劉師多等[14]分析了雙風(fēng)機(jī)篩選機(jī)構(gòu)的清選原理，測(cè)量了該機(jī)構(gòu)兩種條件下的流場(chǎng)，指出了流場(chǎng)的理想狀態(tài)和相關(guān)的改善途徑。黃震宇等[15]利用Fluent軟件的湍流模型和DPM離散相模型仿真了物料在分離室中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，利用多項(xiàng)擬合法分析了仿真結(jié)果，并進(jìn)行了實(shí)機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)擬合度較好，證明了氣固兩相流模型的可靠性。李方等[16]為了提高切縱流聯(lián)合收割機(jī)的清選效率，對(duì)其振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改造，通過(guò)CFD數(shù)值模擬對(duì)其下抖板進(jìn)行了分析，并利用田間試驗(yàn)驗(yàn)證了改正結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)籽粒的損失率和含雜率明顯降低。李洪昌等[17]為了尋找振動(dòng)篩最佳的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，利用EDEM對(duì)振動(dòng)篩的篩分過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并且將其與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其總體趨勢(shì)總體吻合，體現(xiàn)出了數(shù)值模擬的正確性和可行性。湯慶等[18]采用離散元的方法對(duì)中小型聯(lián)合收割機(jī)抖動(dòng)板的性能進(jìn)行了研究，利用離散元仿真得到抖動(dòng)板往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)物料的作用云圖，從而發(fā)現(xiàn)雙抖動(dòng)板能夠較均勻的篩分物料。杜小強(qiáng)等[19]為了解決流場(chǎng)不均勻和寬度受限等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種以貫流風(fēng)機(jī)作為風(fēng)源的慣流式谷物清選裝置，并對(duì)其清選室內(nèi)氣固兩相流特征進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，同時(shí)利用拉格朗日法追蹤顆粒，得到顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)清選室內(nèi)的氣流場(chǎng)存在一定的水平分層現(xiàn)象。高春艷等[20]利用CFD軟件對(duì)旋風(fēng)分離型谷物清選器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)清選器內(nèi)部氣流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)旋流動(dòng)的現(xiàn)象，并且壓力和速度的分布對(duì)谷物清選的影響是有利的。任述光等[21]利用兩相流力學(xué)理論分析了水稻聯(lián)合收獲機(jī)脫粒清選分流筒中氣流和雜志的流動(dòng)規(guī)律，建立了顆粒流的相關(guān)運(yùn)動(dòng)微分方程，從而為清選部件參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)的選擇提供了理論依據(jù)。

3 農(nóng)業(yè)物料清選試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

由于農(nóng)業(yè)物料大部分具有很強(qiáng)的季節(jié)性，因此在部分季節(jié)不能進(jìn)行相關(guān)作物的試驗(yàn)研究，現(xiàn)在部分學(xué)者通過(guò)利用其相關(guān)物料參數(shù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，為機(jī)具的研發(fā)提供一定的參考依據(jù)。但是由于仿真試驗(yàn)研究的環(huán)境是理想的，故應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行實(shí)機(jī)田間試驗(yàn)對(duì)照，能夠盡可能增加后期設(shè)備優(yōu)化過(guò)程的可信度。

王立軍等[22]為了提高玉米籽粒收獲機(jī)風(fēng)篩選裝置的清選效果，以振動(dòng)篩篩分效率和籽粒清潔率為性能指標(biāo)，進(jìn)行了二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，對(duì)其篩體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并且發(fā)現(xiàn)其篩分效率由81.79%提高到89.91%，清潔率提高到97.28%，大大提高了清選裝置的性能。倪長(zhǎng)安等[23]為了簡(jiǎn)化微型小麥聯(lián)合收割機(jī)旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，運(yùn)用正交試驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的最優(yōu)組合，并分析了各個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的顯著性。李耀明等[24]為了分析振動(dòng)篩拋射角度對(duì)篩面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，建立了單個(gè)物料的運(yùn)動(dòng)模型，并且通過(guò)穩(wěn)定性分析，得到不同拋射強(qiáng)度下物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究了不同工作參數(shù)對(duì)篩面拋射角度的影響，為清選裝置運(yùn)動(dòng)參數(shù)的選擇提供了參考依據(jù)。劉師多等[25]利用自制的清選系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，將影響清選性能指標(biāo)的主要參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)得出了各個(gè)參數(shù)的最優(yōu)參數(shù)組合，為清選系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。馬秋成等[26]為了獲得合適的蓮子分選工藝參數(shù)，對(duì)混合物料各組分的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)，得到蓮仁、蓮殼、碎仁懸浮速度的變化范圍，修正了蓮子物料的形狀系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為分離設(shè)備的研發(fā)提供了理論依據(jù)。高連興等[27]為了提高大豆脫粒機(jī)的清選效果，利用自制的農(nóng)業(yè)物料漂浮速度試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得大豆脫出物的漂浮速度，對(duì)其清選循環(huán)裝置進(jìn)行了性能試驗(yàn)，得到改進(jìn)后清選裝置的最優(yōu)參數(shù)，為清選系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。劉曉飛等[28]為了提高振動(dòng)篩的篩分性能，以氣流因素為試驗(yàn)指標(biāo)在多維振動(dòng)篩分試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了各因素對(duì)篩分性能指標(biāo)的主次影響因素，結(jié)果表明振幅對(duì)篩分速度的影響最大，風(fēng)速對(duì)含雜率的影響最大。

4 總結(jié)與展望

4.1 研究現(xiàn)狀總結(jié)

目前，隨著對(duì)農(nóng)業(yè)物料清選裝置研究的不斷進(jìn)行，對(duì)清選機(jī)理、氣流場(chǎng)分析和脫出物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析的研究也逐漸深入，以相關(guān)數(shù)值模擬軟件為基礎(chǔ)，對(duì)其規(guī)律也有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，也為后期清選裝置的參數(shù)優(yōu)化與機(jī)具設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。利用相關(guān)的清選裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)，應(yīng)充分利用CFD、DEM和ANSYS等分析軟件，不僅能增加研究進(jìn)度還能減少經(jīng)濟(jì)損失?？傊S著農(nóng)戶(hù)對(duì)清選性能的要求越來(lái)越高，科研工作者對(duì)其研究興趣也將大大增加，對(duì)其研究力度也將大大提升。

4.2 發(fā)展趨勢(shì)

(1) 繼續(xù)深入探索清選機(jī)理，使清選裝置的適應(yīng)性更廣。雖然物料的種類(lèi)較多，但是其清選機(jī)理大致相同。在后期的研究過(guò)程中，應(yīng)該增加對(duì)清選機(jī)理的探索，針對(duì)各個(gè)清選參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究，以提高設(shè)備的作業(yè)效率，使其達(dá)到最佳的清選狀態(tài)，使清選效果朝高效、低損和低含雜的方向發(fā)展。

(2) 加強(qiáng)各個(gè)分析軟件的應(yīng)用?，F(xiàn)階段比較常見(jiàn)的分析軟件有ADAMS、ANSYS、CFD和EDEM，各個(gè)軟件均有自身的優(yōu)勢(shì)，并且農(nóng)業(yè)物料的氣流場(chǎng)比較復(fù)雜，用數(shù)學(xué)模型很難準(zhǔn)確分析各個(gè)物料的運(yùn)動(dòng)特性。因此，應(yīng)該增加氣流場(chǎng)變化規(guī)律的研究，努力突破技術(shù)上的困難，為機(jī)具的參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

(3) 增大智能化清選裝置的研究。由于作物的種類(lèi)多，不同含水率的脫出物具有不同的清選要求，應(yīng)在清選裝置上增加實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使物料的含水率、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)口高度和振動(dòng)效率可視化，以便于能夠更好的調(diào)節(jié)作業(yè)參數(shù)，保證作業(yè)性能。