基于空氣動力學谷物清選技術的研究進展

何強龍 ，程麗娟 ，伍永福 ，官 鑫 ，劉建明

（1.新疆工業(yè)職業(yè)技術學院，新疆 烏魯木齊 830022；2.內蒙古科技大學 能源與環(huán)境學院，內蒙古 包頭 014010；3.新疆工程學院 控制工程學院，新疆 烏魯木齊 830022；4.酒泉奧凱種子機械股份有限公司，甘肅 酒泉 735000）

20世紀六七十年代，我國谷物清選設備的發(fā)展正處于起步階段[1-2]，在學習轉化國外成果后，許云飛等[3]結合我國農業(yè)生產規(guī)模和體制，設計了一種依據(jù)物料特性和空氣動力學特性的復式清選機，同時，空氣動力學谷物清選技術廣泛應用于農作物收割、谷物篩選等工作中[4]?；诳諝鈩恿W谷物清選技術，王木君等[5]、BRǎCǎCESCU等[6]、王正等[7]研究了種子的比重式清選，廖慶喜等[8]、王昌[9]、KRZYSIAK等[10]、GENG等[11]對聯(lián)合收割機以及聯(lián)合收割機之后的谷物清選設備進行了大量研究，得到了氣動特性相關的調整控制量。谷物清選精選工作大部分都是基于空氣動力學氣固兩相流動實現(xiàn)，氣流特性、谷物脫?；旌衔镂锢硖匦耘c清選性能有密不可分的關系[12]，研究空氣動力場中氣流穩(wěn)定性、均勻性的分布規(guī)律及對谷物分級質量的作用機理是非常必要的。針對空氣動力場在谷物清選中的應用，很多學者又對不同谷物的物理、氣動力和固體流動特性進行了一系列研究[13-16]，研究發(fā)現(xiàn)，氣流速度場決定裝置分離效率[17]，而且種子的含水量對其物理特性影響很大[18]，為了達到更好的分離效果，BAKHTIARI等[19]、EISSA等[20]、ALI等[21]對不同含水量的種子在同一表面上的靜摩擦系數(shù)以及同一種子在不同表面上的靜摩擦系數(shù)進行了相關研究。DUDAREV等[22]通過試驗提出了一種重力級聯(lián)分離器，單純的重力場決定了清選性能的局限性。BRACACESCU等[23]結合空氣動力學原理及種子的比重受力設計了一種新型SCA5曝氣清潔分離器，對氣流特性及不同谷物的顆粒特性進行研究，提供了一些谷物混合物分離的理論參考。PANASIEWICZ等[24]在谷物顆粒氣流分選過程中確定了影響分離過程的基本因素。WóJCIK等[25-27]利用改進的阿蒙頓-庫侖摩擦模型來描述谷物顆粒材料的靜摩擦和動摩擦，對不同條件下的大豆、玉米、黑小麥的摩擦力進行測量，并對影響因素進行評價。對于基于空氣動力特性的谷物顆粒清選裝置，谷物顆?；旌衔锏目諝鈩恿W特性尤為重要，王學農等[28]在巴旦木物料殼仁清選時，通過試驗和理論計算得到了物料各組分懸浮速度的變化范圍；DAI等[29]通過試驗研究和CFD-DEM仿真，得到了胡麻脫?；旌衔镏胁煌M分的懸浮速度分布及其分離特性；KUMAR等[30]從理論上計算了流動顆粒介質中不同大小的入侵顆粒的浮力，研究發(fā)現(xiàn)，各組分的懸浮速度決定了分離氣流速度，進而可以判斷不同組分在氣流中的運動。YUAN等[31]采用DEM-CFD氣固耦合法對筒篩運動和篩選特性進行了模擬分析；JIANG等[32]基于CFD-DEM氣固耦合理論模擬和測試聯(lián)合收割機分離室中谷物顆粒的運動；DAI等[33]基于CFD-DEM氣固耦合理論模擬和測試了胡麻脫粒物料的分離清洗過程，并且在胡麻脫粒材料雙通道氣篩分離及清潔設備上進行了驗證，分離和清洗效果良好，說明應用空氣動力進行谷物清洗是可行的。后來有學者在控制算法上對分離效果進行了優(yōu)化[34-36]。隨著計算流體力學的發(fā)展，回顧近年來基于空氣動力學谷物清選技術的研究進展，很多學者開發(fā)并使用了一些數(shù)學模型，便于分析優(yōu)化顆粒復雜流動[36-37]，然而有關空氣動力場分布對谷物顆粒分選質量影響規(guī)律的研究少見報道，采用CFD-DEM耦合數(shù)值方法探究谷物顆粒分離過程及優(yōu)化谷物顆粒分選效果成為熱點。CFD-DEM耦合數(shù)值方法也是一種分析谷物顆粒清選過程有效而可行的數(shù)值方法[38-39]，同時給谷物顆粒運動的研究帶來極大的方便[40-41]。

本研究通過查閱國內外相關文獻資料，收集與空氣動力學谷物清選技術相關的前沿研究報道，對谷物分選設備流場進行研究，旨在對基于空氣動力學谷物清選技術的應用與發(fā)展提供幫助。

1 谷物流化—比重式分選

利用重力差異分離原理，設計了比重式種子分選機。針對比重式種子分選機在農業(yè)生產中的運行工況，孔德遠[42]在分析其工作原理的基礎上，提出了6個可變調節(jié)參數(shù)。趙正楠等[43]、王艷豐等[44]依據(jù)不同可調參數(shù)下比重式種子分選機的運行情況，對種子物料分離、種子凈度以及發(fā)芽率的影響進行研究，得到了一組設備運行適宜參數(shù)，在千粒質量、純度、凈度以及發(fā)芽率等方面都有顯著提高。

BRACACESCU等[45]在小麥種子分離中采用SP-00型負壓式重力分離器，研究了供料流量、抽吸氣流流量、篩面傾角、篩面振幅等對分離過程質量指標的影響，而種子的清選是在負壓環(huán)境中進行的，有利于尺寸均勻顆粒的分層，但是對于尺寸均勻度小的種子分選效果不是很好，而且設備的嚴密性直接影響到生產功耗。王旭等[46]在分選苜蓿種子時，設計了正壓臺式重力分選機，分選機分選性能指標符合設計要求，但是設備生產率以及工作篩面鋪層厚度對性能指標影響較大。為了更好地控制分選性能指標，王旭等[47]利用5TZX-50型重力分選機在其上增設了預分層喂料系統(tǒng)，在種子物料進入工作篩面之前，對種子物料進行分層處理，避免種子物料在分選時擠占分選工作面面積，輕、重雜質去除率分別提高到了95.12%和96.37%，實現(xiàn)了工作篩面高效利用。

重力分選機精選大多工作于風選之后，通常應用于種子精選。種子從收割到成品經歷了多次設備，清選周期較長，合理穩(wěn)定的氣流分布是提高比重分選效果的重要因素，比重分選設備應采用多聯(lián)離心風機[48-49]。比重分選設備的研究大部分集中在試驗研究上，試驗成本較高，試驗過程中設備結構不易變化，改造成本高，谷物顆粒在篩面上空氣動力場中的運動軌跡和分層現(xiàn)象不易獲取分析，為了便于觀察分析谷物顆粒運動，應豐富研究方法。

2 旋風分離器中谷物顆粒清選

旋風分離器在工業(yè)氣—固兩相流的研究頗為廣泛，包括內部氣流的分布以及同一軸向位置顆粒濃度的徑向分布等，其主要用于顆粒物的分離，并且在顆粒物的分離中取得了極佳的分離效率，但在農業(yè)生產中目前應用較為少見[50-53]。目前，大部分谷物清選采用風篩清選裝置，裝置部件多、結構復雜、噪聲大、振動大，而旋風分離裝置結構簡單、應用廣泛[54-56]。師清翔等[57]在便攜式谷物聯(lián)合收獲機試驗中，對雙揚谷器旋風分離清選系統(tǒng)運行參數(shù)進行設定優(yōu)化。趙學觀等[58]利用Fluent軟件對比有、無吊桶旋風分離器在大豆收割機上脫粒物料循環(huán)中的分離效率，結果表明，有吊桶旋風分離器有更高的分離效果。廖慶喜等[59]在油菜聯(lián)合收割機上設計了旋風分離器，萬星宇等[60-61]結合組合式旋風分離清選系統(tǒng)工作流程（圖1），搭建組合式旋風分離清選系統(tǒng)試驗臺對油菜聯(lián)合收割機上影響旋風分離清選系統(tǒng)清選性能的主次因素進行了理論分析和試驗研究。結果表明，在幾何尺寸一定的條件下，吸雜口風量為0.566～0.692m3s，拋揚裝置主軸轉速為500～700 r/min時，系統(tǒng)清潔率與損失率分別為91.50%和6.02%。

圖1 組合式旋風分離清選系統(tǒng)工作流程Fig.1 Working process of cyclone separation cleaning system with replaceable parts

GENG等[62]在小麥聯(lián)合收割機上設計使用了旋風分離清洗系統(tǒng)，通過正交試驗分析旋風分離清洗系統(tǒng)參數(shù)對清洗率和損耗率的影響，得到了一組最優(yōu)參數(shù)：頂錐角為30°，分離筒高度為430 mm，捕獲雜質風機轉速為1900 r/min，揚谷機轉速為800 r/min。除此之外，旋風分離器經常也用于谷物混合物一次分離后雜余混合物的再分離，ASTANAKULOV等[63]利用旋風分離器設備對紅花籽中輕雜質的分離進行研究，結果表明，風機的結構尺寸及轉速、管路結構尺寸及布置是影響雜質分離效率和種子損失的重要因素。通過試驗測定了風機和抽吸管路的參數(shù)和工況，在風機結構尺寸和管路結構尺寸確定的情況下，物料清選設備中風機的轉速為2200 r/min（空氣流量5.1 m/s），吸管高度為70～130 mm，坡度在20°～40°，紅花籽粒的輕雜質分離達到了85%左右。

上述研究發(fā)現(xiàn)，雖然旋風分離器單純依靠氣流清選，結構簡單、振動小、操作控制變量少，但是旋風分離器幾何參數(shù)對谷物清選性能影響很大。因此，需要結合氣流參數(shù)、顆粒特性對旋風分離器幾何參數(shù)進行優(yōu)化。此類分離裝置一般應用于微型聯(lián)合收割機或小型谷物清選設備的輕雜質分離以及谷物混合物一次分離后雜余混合物中的顆粒沉降回收?；旌衔镱w粒通過氣流送入旋風分離器，在其內部有復雜的氣固兩相流動，顆粒分布與氣流分布之間有較強的相關性。農業(yè)生產中，旋風分離器內氣流分布研究僅局限于CFD模擬得到氣流參數(shù)分布云圖，通過云圖對流場進行分析，對谷物顆粒運動與氣流分布的耦合研究較少。

3 氣流—平面篩的谷物顆粒清選

篩分是谷物聯(lián)合收獲作業(yè)的關鍵工序[64]，冷峻等[65]對雷沃重工RG-60型聯(lián)合收獲機清選裝置上篩面風速分布情況進行了實測和仿真，上篩面整體風速分布不均導致了物料在篩面上的堆積，表明上篩面整體風速分布的均勻性影響物料清選的效果。在清選裝置上篩面風速分布研究中，將擋風板角度調整30°對風速分布進行仿真優(yōu)化（表1），并得到了一致的結果。

表1 擋風板逆時針轉動30°前后上篩面風速對比Tab.1 Comparison of wind speed on upper sieve surface before and after turning of wind shield counterclockwise by 30°ms

ALDOSHIN等[66]考慮了聯(lián)合收割機清理過程中氣流的均勻性，為了隔離小雜質，在下篩與斜底之間的清洗系統(tǒng)中加裝一個細網篩。LI等[67]對傳統(tǒng)平面線性篩做了改進，在傳統(tǒng)平面線性篩上增設了滑指和梯板，采用CFD-DEM對新型清潔篩顆粒分散特性進行了參數(shù)設計和數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)，單個雜質和谷粒滑過滑指和梯板時，分別產生位移差和清選高度差。在風機轉速不變的情況下，梯板的階梯長度有效地增加了氣流速度（圖2），提高了篩網上顆粒分散度，進而提高了設備清選效率。與傳統(tǒng)平面線性篩相比，新型篩垂直篩面方向截面的顆粒綜合分散度比傳統(tǒng)篩高8.14%，顆粒在新型篩面的綜合分散度提高了6.87%。但是，以上研究都是針對水平地形開展清選作業(yè)的。BIENIEK等[68]針對特殊地形以谷物純度和谷物損失為指標，利用蒙特卡羅數(shù)值方法對坡地植物收割機的氣動谷物篩分系統(tǒng)的橫向傾斜角、坡地縱向傾斜角、主風機的控制角、主側風機的輸風量等參數(shù)進行了研究，并確定了優(yōu)化參數(shù)。

圖2 不同篩面清洗裝置的區(qū)域劃分和風速分布Fig.2 Area division and airflow velocity distribution in cleaning unit with different screen surfaces

對聯(lián)合收割機氣流—平面篩清選工作的研究，都是集中在理想化的平坦地面進行的，而氣流—平面篩隨收割機械一直在向前行進，地面的非平坦性對清選工作帶來了挑戰(zhàn)。試驗研究設備處于靜態(tài)未考慮機械行進中產生的抖動，CFD-DEM模擬研究模型也未考慮此因素，設備的抖動對顆粒的運動和氣流場的分布都會產生影響，而且不嚴密處漏入空氣在設備行進中會產生附加氣流，附加氣流會對顆粒運動和氣流場產生影響，導致谷物顆粒的清洗效率下降、谷物損失增加，研究中需要在綜合考慮各個附加因素的前提下，對研究結果進行完善。

4 氣流—圓筒篩谷物顆粒清選

OROBINSKY等[69]對OZF-80型分級篩分機利用分段清洗技術獲得優(yōu)質顆粒進行研究，谷物顆粒不僅可以通過篩子的大小來區(qū)分，還可以通過吸入或吹入系統(tǒng)中的空氣動力學特性來區(qū)分，應用氣動和慣性分離器進行小顆粒堆清洗的設計具有更高的經濟性[70]。多級旋轉錐形篩在風機轉速一定時，KRZYSIAK等[71-73]通過試驗與數(shù)值模擬方法分別研究了5RPM、75RPM這2種篩筒轉速下錐形篩傾角對分離清洗過程的影響。首先對采集的試驗數(shù)據(jù)計算、整理，得出了各組分分離系數(shù)和清潔效率，其次通過單因素方差分析檢驗篩筒傾角的影響，然后進行Tukey′s真實顯著性差異檢驗，篩筒傾角為0°±2.5°清選效果和效率較好。

YUAN等[74]采用CFD-DEM耦合的方法研究了含雜水稻混合物在水平布置圓柱篩中的分離規(guī)律及篩選特性，確定了圓柱篩入口氣流速度、尺寸和轉速對篩分成分運動規(guī)律和篩選特性的影響。在此基礎上，YUAN等[74]又在篩筒上周向螺旋布置了偏轉部件，通過CFD-DEM研究了氣流速度、篩孔尺寸、偏轉部件對篩筒分離效率的影響，谷物混合物在偏轉部件的碰撞作用下發(fā)生了飛濺，避免了物料在篩筒壁上的局部堆積，這樣更有利于谷物混合物的二次分離，確定了清洗最優(yōu)參數(shù)：氣流速度為11 m/s，篩孔尺寸為11 mm，篩筒偏轉部件為2圈，圓筒篩在不斷的優(yōu)化下，清潔比、清洗效率分別提高到了98.88%和87.72%。但是，落入圓柱篩的顆粒以及篩筒上的偏轉部件對軸向氣流分布的均勻性產生了干擾，由于氣流在風道橫截面的不均勻分布，清潔比會發(fā)生反復的波動。

針對軸向氣流的不均勻性，SHEPELEV等[75]設計了水平吸入通道空氣螺旋分離器，降低了顆粒堆顆粒相互碰撞的可能性，并且進行綜合因子2k型試驗，確定清選質量隨主要參數(shù)變化的規(guī)律。通過試驗結果建立了回歸方程，確定各因素對雜質分離質量的影響，利用Maple 2016軟件構建了響應面分析結果模型，弄清了清潔質量對空氣螺旋分離器設計參數(shù)和運行方式的依賴關系。此外，SHEPELEV等[76]在試驗研究的基礎上應用ANSYS做了進一步的數(shù)值模擬，通過氣流路徑、設備中的壓力梯度、空氣流速及湍流分布狀況發(fā)現(xiàn)分離中的氣流扭曲提高了谷物清潔的質量，論證了空氣螺旋分離器工作元件的主要設計和技術參數(shù)：工作件直徑0.3 m，空氣供應段長度0.75 m，清粒工作段長度0.7 m，吸入通道截面積0.33 m2，谷物進料處吸入通道流量7.5～8.0 m/s，氣流壓力127 Pa，螺桿轉速60 r/min。

在圓筒篩清選裝置中涉及物料運動和篩筒的旋轉，在分析時二者的運動對清洗部件內部氣流場的影響考慮不足。因此，在研究時所用的仿真模型還不夠完善，后續(xù)的研究中需要更精確的仿真模型方可得到更精確的分析結果。

5 氣流—無篩網谷物顆粒清選

谷物清選時，在垂直氣流分離通道中分離谷物混合物是較為常見的技術[77]。李騰等[78]以FLX-150A型風力篩選機為研究對象，對篩選機氣流通道及分離室進行了仿真研究，得到氣流場的分布規(guī)律和氣流場下顆粒分布規(guī)律，并且采用綜合平衡法得出最佳工況。CHERNYAKOV等[79-80]突破傳統(tǒng)篩網，基于空氣動力場在錐型分流器下方設置風機葉輪，提出離心式錐形氣動顆粒分離器，并且增設了負壓式輕雜質強制去除系統(tǒng)，與此類傳統(tǒng)分離器相比分離器的性能提高1.6倍。ADAMCHUK等[81]對無篩氣動離心清種機進行了理論研究，研究得到分離工作體的合理參數(shù)，顆粒處于“流態(tài)化”時，偏心軸旋轉驅動分離面振蕩，轉子旋轉從較大的半徑到較小半徑方向，分離面的下層顆粒與分離面周期性分離，實現(xiàn)顆粒的分離清選。

NESTERENKO等[82]提出利用旋轉運動的慣性離心力來強化顆粒物料密度分離過程的想法。BULGAKOV等[83-84]在研究葵花籽的分選時，根據(jù)谷物顆粒密度的不同提出了無篩網吸振分離器（圖3），氣流作用于中心管道上的螺旋翼板件產生自激振蕩，由供料口落到中心管頂部的種子受到離心慣性力的作用，導致種子混合物各組分的運動路徑不同完成了分離。在分離過程的研究中，將吸振分離器簡化為等效原理模型進行了理論分析計算，通過計算機分析和實驗室試驗對比發(fā)現(xiàn)結果一致，并建立了顆粒離開中心管錐形頂部后的運動數(shù)學模型，從理論上驗證分離器運行的一些設計和運動學參數(shù)：中等組分管直徑50～70 mm，重組分90～110 mm，分離器中心管直徑200 mm，氣流速度4.5～5.5 m/s。當中心管旋轉角位移為270°時，分離效果最明顯。

圖3 振動抽吸分離器結構Fig.3 Structure of vibration and aspiration separator

在強制空氣流動下，中心管及螺旋翼板件產生自振蕩，自振蕩的操作模式加強了分離過程，并且無需特殊機制來推動自振蕩運動，減少了設備運行的控制量，結構設計簡單，現(xiàn)代化和維護的成本低。在垂直吸入通道中顆粒的重力方向和氣動力方向同線，但是中心管的可移動性、不同尺寸的螺旋翼板件、顆粒—顆粒相互作用、顆粒設備碰撞等都會使流場更為復雜，流場的分布會影響谷物顆粒的分選效果。中心管與螺旋翼板件的自振蕩對分選通道的空氣流動影響很大，目前大多學者通過試驗研究，對無篩清選設備中核心部件的尺寸以及谷物顆粒中不同組分對應的空氣流速進行匹配，并且對設備運行參數(shù)進行理論計算和試驗驗證。在無篩清選中，中心管與螺旋翼板件對流場影響的研究少見，有待進行更多研究工作。

6 展望

基于空氣動力學原理的谷物種子分選是設備機械參數(shù)、谷物顆粒特性與空氣動力特性共同作用的結果，而利用分選設備對三者的匹配關系進行試驗研究受到一定的局限性，如設備結構不易改變、試驗成本高等。在現(xiàn)有的谷物分選設備上，采用氣固耦合方法是凸顯優(yōu)勢的，進而還可以通過模擬結果對設備機械參數(shù)進行優(yōu)化，最終得到較高的谷物分選效率。但在谷物顆粒氣動分離過程中，值得注意的是，氣流速度與谷物顆粒懸浮速度具有非線性的依賴關系，而這種關系找不到精確解，因此，實際解決這一問題需要精確模型才能完成。

清選裝置中，有很多學者對谷物混合物分離進行了試驗研究和數(shù)值模擬研究，雖然試驗研究結果與數(shù)值模擬結果反映了比較理想的一致性，但是對分離過程中的物料運動還缺少真實的反映。試驗研究時，不少學者采用高速攝像機來研究物料運動，這樣做僅僅在試驗中獲取顆粒的運動軌跡，而不能獲取到顆粒的運動參數(shù)，應加強氣流—谷物顆粒分選模型的基礎研究、輸入輸出參數(shù)協(xié)調控制算法的研究以及快速響應調節(jié)控制系統(tǒng)的研究等，這樣才有利于實現(xiàn)清選設備的自動化、智能化、設備單位時間生產容量的最大化。

在收獲后的谷物處理和個別機器配置的改進上關注較多，而對整個谷物清洗過程的節(jié)能問題關注較少[85]，谷物清選實際操作中，應加快建立谷物的各種物理和機械性能、谷物清洗設備能耗率及生產率與清選設備的運行模式之間的相關性，推進谷物清選設備的節(jié)能標準發(fā)展[86-88]。