冷 峻，栗曉宇，杜岳峰※，何 松，丁雄飛，牛興成

（1. 雷沃重工股份有限公司，濰坊 261206；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引 言

清選裝置是聯(lián)合收獲機(jī)械的核心部件，裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接影響整機(jī)的工作性能[1-3]，國(guó)內(nèi)外對(duì)影響清選裝置工作性能的研究取得了一系列成果，徐立章等[4-7]對(duì)單縱軸流、小喂入量谷物聯(lián)合收割機(jī)清選裝置進(jìn)行了較為全面研究，分析了篩面氣流場(chǎng)分布與清選性能的關(guān)系，Cantin 等[8-12]對(duì)清選裝置的風(fēng)機(jī)、分風(fēng)板、振動(dòng)篩板等部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究，Ren 等[13-17]分析了谷物清選過(guò)程，通過(guò)試驗(yàn)研究了滿(mǎn)足谷物-雜質(zhì)分離的最優(yōu)工作參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)對(duì)谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置內(nèi)部氣流場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬已成為主流，Gebrehiwot 等[18]研究了橫流式開(kāi)口對(duì)聯(lián)合收割機(jī)離心式風(fēng)機(jī)的性能影響；Xu 等[19-20]利用CFD 仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了一種四風(fēng)道清選風(fēng)機(jī)，具有良好的氣流分布效果，提高了水稻聯(lián)合收割機(jī)的清選質(zhì)量和效率，為了預(yù)測(cè)水稻聯(lián)合收割機(jī)的清選性能，利用計(jì)算流體力學(xué)和離散元法的耦合技術(shù)，對(duì)清選裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬，建立了籽粒、莖稈和輕雜質(zhì)分散程度模型，該模型具有良好的精確度，可以彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試季節(jié)性帶來(lái)的不足；Badretdinov 等[21]對(duì)谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，并通過(guò)物料與氣流的數(shù)學(xué)模型確定了清選裝置參數(shù)組合；王立軍等[22]基于CFD/DEM 軟件對(duì)玉米果穗脫出混合物在貫流式風(fēng)篩清選裝置中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)仿真試驗(yàn)優(yōu)化了清選裝置的工作參數(shù)，降低了玉米清選損失率；童水光等[23]對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的單風(fēng)道風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出了雙風(fēng)道六出風(fēng)口風(fēng)機(jī)的改進(jìn)方案，更能適應(yīng)大功率高負(fù)荷的工作要求；路修強(qiáng)[24]利用離散元-計(jì)算流體力學(xué)耦合仿真軟件探明了清選裝置中氣流速度與氣壓大小的變化規(guī)律，通過(guò)仿真試驗(yàn)得到了影響籽粒清潔率的關(guān)鍵因素；李驊等[25]運(yùn)用正交仿真試驗(yàn)，對(duì)玉米清選時(shí)氣流場(chǎng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳參數(shù)。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)清選性能的研究集中在風(fēng)機(jī)、振動(dòng)篩等內(nèi)部結(jié)構(gòu)[26-27]，清選裝置外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化還有很大研究空間，本文以雷沃重工自主研發(fā)的RG-60 型單縱軸流谷物聯(lián)合收獲機(jī)為對(duì)象，以該機(jī)型清選裝置田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)為支撐，利用Star-CCM+軟件的多面體網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)清選裝置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)比分析，通過(guò)分析試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)，在考慮清選離心風(fēng)機(jī)兩側(cè)裝配部件影響下對(duì)清選裝置外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期為單縱軸流收獲機(jī)械清選裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

1 清選裝置田間作業(yè)試驗(yàn)及分析

1.1 谷物聯(lián)合收獲機(jī)田間試驗(yàn)

單縱軸流谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置為風(fēng)篩式，主要由離心風(fēng)機(jī)、擋風(fēng)板、抖動(dòng)板、上分風(fēng)板、下分風(fēng)板、脫粒凹板、上篩、下篩、尾篩、谷物滑板等部件組成，如圖l 所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

清選裝置作業(yè)時(shí)，振動(dòng)篩在曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，同時(shí)離心風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在裝置內(nèi)部產(chǎn)生風(fēng)場(chǎng)。經(jīng)脫粒滾筒脫出的籽粒、雜余、碎莖稈等脫出混合物落在振動(dòng)篩的上篩，上篩篩孔僅容谷物、雜余和較小的碎莖稈落到下篩，其余碎莖稈則在上篩振動(dòng)作用和風(fēng)場(chǎng)吹送下拋出機(jī)體；下篩篩孔尺寸較小，僅容谷物落入下方滑板進(jìn)入回收箱，雜余和碎秸稈被吹送至機(jī)體外，從而獲得清選干凈的谷物。

圖1 清選裝置結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Structure of cleaning device

表1 清選裝置主要技術(shù)參數(shù) Table 1 Main technical parameters of cleaning mechanism

為了測(cè)試聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)清選裝置內(nèi)部流場(chǎng)風(fēng)速分布情況，2018 年5 月6 日在四川西昌裕隆鄉(xiāng)花樹(shù)村進(jìn)行田間小麥?zhǔn)斋@試驗(yàn)，小麥品種為川農(nóng)11 號(hào)，早熟無(wú)倒伏，植株自然平均高度79.8 cm，千粒質(zhì)量64.2 g，割茬高度1.8 m，收獲時(shí)小麥籽粒含水率約18.0%，莖稈含水率約51.0%。

試驗(yàn)儀器包括testo 416 型數(shù)字風(fēng)速儀（測(cè)量范圍0.6～40.0 m/s，誤差0.2 m/s，分辨率0.1 m/s）。

參照GB/T 1236—2000《通風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》[28]測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以上篩俯視圖左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)O，地面水平線(xiàn)方向?yàn)閄 軸（X 軸負(fù)向?yàn)槭斋@機(jī)行進(jìn)方向），篩面寬度方向?yàn)閆 軸建立坐標(biāo)系，選取前出風(fēng)口，3、4行篩片，6、7 行篩片，8、9 行篩片，11、12 行篩片，14、15 行篩片，上篩尾篩連接處，尾篩中部，尾篩后部的Z=-90 mm（左一列）、Z=-270 mm（左二列）、Z=-450 mm（左三列）、Z=-630 mm（左四列）、Z=-810 mm（左五列）共計(jì)45 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，清選裝置篩板后方混合物分布取樣點(diǎn)如圖2 所示。

圖2 上篩面風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)位置 Fig.2 Measurement point position of wind speed on upper sieve surface

聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)幅寬2 m，作業(yè)速度1.8 m/s，根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 400 r/min，魚(yú)鱗篩開(kāi)度18 mm，上分風(fēng)板和下分風(fēng)板固定于中間位置，上分風(fēng)板傾角30°，下分風(fēng)板傾角15°。收獲機(jī)行進(jìn)過(guò)程中對(duì)各測(cè)量點(diǎn)重復(fù)3 次進(jìn)行風(fēng)速測(cè)定，每組試驗(yàn)行進(jìn)距離1 000 m，試驗(yàn)面積3 600 m2，結(jié)果取平均值。風(fēng)速測(cè)量結(jié)果如圖3 所示，清選后脫出混合物在篩板后方的堆積情況如圖4 所示。

圖3 上篩面風(fēng)速測(cè)量結(jié)果 Fig.3 Measurement results of wind speed on upper sieve surface

由圖3 可知，清選裝置上篩面風(fēng)速分布不均勻，風(fēng)機(jī)安裝處的前出風(fēng)口和尾篩中部的左四列、左五列的測(cè)量點(diǎn)風(fēng)速大于其他位置，風(fēng)速最大值為8.6 m/s，小于谷物懸浮速度[29]；3、4 行篩片和6、7 行篩片的左五列的風(fēng)速較大，分別為5.8 和5.9 m/s；篩面中部8、9 行篩片和11、12 行篩片的風(fēng)速最小，平均值為3.0 m/s；尾篩的左三列和左四列風(fēng)速值最大，平均值為5.2 m/s；篩面整體右側(cè)的風(fēng)速大于左側(cè)，平均差值為2.6 m/s。由圖4 可知，在振動(dòng)篩后方的中間、右側(cè)區(qū)域脫出混合物堆積較少，左側(cè)區(qū)域堆積較多，脫出混合物分布不均勻，與風(fēng)速分布趨勢(shì)一致。

圖4 振動(dòng)篩后方脫出混合物堆積情況 Fig.4 Grain mixtures accumulation situation on rear of vibrating sieve

1.2 脫出混合物在上篩面的受力分析

脫出混合物主要由谷物、碎莖稈和雜余等組成，為分析導(dǎo)致脫出混合物分布不均的關(guān)鍵因素，在有風(fēng)條件下對(duì)清選裝置內(nèi)部的脫出混合物進(jìn)行受力和速度分析，以清選裝置側(cè)視面建立XOY 直角坐標(biāo)系（X 軸為機(jī)器前進(jìn)的負(fù)方向，Y 軸為地面垂線(xiàn)方向），離心風(fēng)機(jī)安裝在清選裝置物料喂入口下方，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)向從左下向右上貫穿篩面，如圖5a 所示。以谷物為分析對(duì)象，谷物在篩板上主要存在3 種狀態(tài)：靜止、跳動(dòng)和起拋，發(fā)生跳動(dòng)或起拋的初始條件為

振動(dòng)篩在曲柄帶動(dòng)下作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程如式（2）所示。

谷物在篩板振動(dòng)作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)初始的線(xiàn)速度v 為

則

式中FN為篩面對(duì)谷物的支撐力，N；G 為谷物所受重力，N；A 為篩子振幅，m；ω 為振動(dòng)篩曲柄轉(zhuǎn)速，r/min；t為時(shí)間，s；x˙為振動(dòng)篩的振動(dòng)速度，m/s；vx為速度v 沿篩面方向分速度，m/s；vy為速度v 垂直于篩面分速度，m/s；α 為v 與vy夾角，(°)；x˙˙為振動(dòng)篩給予谷物的加速度，m/s2；m 為谷物質(zhì)量，g。

假設(shè)風(fēng)機(jī)風(fēng)速vw與篩面夾角為γ，則谷物所受風(fēng)場(chǎng)作用力FW由式（6）求得[6]，谷物在風(fēng)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)速度vr由式（7）求得。

式中vWx為風(fēng)機(jī)出口處風(fēng)速沿水平方向上的分速度，m/s；vWy為風(fēng)機(jī)出口處風(fēng)速沿垂直于篩面方向上的分速度，m/s；vp為谷物漂浮速度，m/s；g 為重力加速度，9.8 m/s2；vrx為谷物沿篩面方向的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；vry為谷物沿垂直于篩面方向的運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

由式（7）可知，谷物受風(fēng)場(chǎng)作用力大小與谷物漂浮系數(shù)及其在風(fēng)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，由于谷物、雜余和碎莖稈等漂浮系數(shù)、受力不同，因此清選過(guò)程可描述為在脫出混合物發(fā)生振動(dòng)的基礎(chǔ)上施加流體作用力，使谷物、碎莖稈及雜余等混合物根據(jù)受到的作用力大小產(chǎn)生不同運(yùn)動(dòng)速度并按照不同軌跡分離的過(guò)程。

谷物在風(fēng)場(chǎng)中受到的作用力沿篩面均勻分布，且滿(mǎn)足氣相連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，如式（8）所示。

其中

式中ε 為氣體體積分?jǐn)?shù)；ρ 為氣體密度，kg/m3；u 為流體速度，m/s；p 為大氣壓強(qiáng)，1.01×105Pa；η 為氣體黏度，Pa·s；S 為阻力動(dòng)量匯；CD為曳力系數(shù)；up為顆粒速度，m/s；V 為網(wǎng)格單元面積，m3；B 為物料投影面積，m2；Re 為雷諾數(shù)。

脫出混合物受力大小在ZOY 平面上的投影如圖5b所示，根據(jù)田間試驗(yàn)結(jié)果，上篩面右側(cè)的風(fēng)速大于左側(cè)，此時(shí)風(fēng)機(jī)作用力FW與Y 軸存在偏差角β，將篩面和裝置殼體圍成的區(qū)域看作“管道”，有風(fēng)條件下篩面上風(fēng)速Wv′可由式（11）求得[29]。

式中Q 為風(fēng)機(jī)在區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的風(fēng)量，m3·h；M 為清選區(qū)域橫截面積，m2。

清選區(qū)域橫截面積M、風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量Q 均為定值，區(qū)域內(nèi)篩面風(fēng)速Wv′ 僅與偏差角β 有關(guān)，偏差角β 增大時(shí)，區(qū)域內(nèi)篩面風(fēng)速Wv′ 增大，根據(jù)上述分析，造成清選裝置內(nèi)部風(fēng)速分布不均的原因可能是清選裝置右側(cè)存在使夾角β 增大的結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析清選裝置結(jié)構(gòu)可知，離心風(fēng)機(jī)的右側(cè)裝有動(dòng)力輸入皮帶輪，使得離心風(fēng)機(jī)右側(cè)進(jìn)風(fēng)阻力偏大、進(jìn)風(fēng)動(dòng)壓偏小，同時(shí)振動(dòng)篩橫向?qū)挾容^大，導(dǎo)致上篩面右側(cè)的風(fēng)速大于左側(cè)，從而造成振動(dòng)篩后方左側(cè)的脫出混合物多于右側(cè)。

圖5 清選裝置內(nèi)部脫出混合物受力和速度分析 Fig.5 Force and speed analysis of grain mixtures in internal of cleaning device

2 清選裝置結(jié)構(gòu)的仿真優(yōu)化

2.1 清選裝置有限元模型的建立

為進(jìn)一步分析清選裝置內(nèi)部風(fēng)速分布情況，驗(yàn)證田間試驗(yàn)和理論分析結(jié)果，優(yōu)化清選裝置結(jié)構(gòu)，對(duì)清選裝置的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真。利用NX 軟件建立清選裝置三維模型，將模型導(dǎo)入Hyper Mesh 進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，將面網(wǎng)格導(dǎo)入Star-CCM+軟件中生成體網(wǎng)格，并創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域。在Hyper Works 前處理界面將入口（inlet）定義為速度入口，出口（outlet）定義為壓力出口[15]，滑移網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)區(qū)域設(shè)定為繞風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與試驗(yàn)條件一致，為1 400 r/min。考慮到清選室內(nèi)氣流場(chǎng)特性，劃分面網(wǎng)格時(shí)設(shè)置壁面邊界，以保證模擬計(jì)算精度，并對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，在保證計(jì)算精度的同時(shí)降低對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求，以提高求解速度[30]。

為了減小風(fēng)洞中產(chǎn)生的阻塞效應(yīng)，模擬風(fēng)洞的尺寸為：清選裝置前部空間取整機(jī)長(zhǎng)度的1.5 倍，后部空間取2.5 倍；上部空間取風(fēng)機(jī)高度的2.5 倍，側(cè)向空間的2 倍[31]。計(jì)算域采用適應(yīng)性強(qiáng)、計(jì)算精度較高的多面體網(wǎng)格，靠近葉片、篩面等加密網(wǎng)格大小為2 mm，旋轉(zhuǎn)流體區(qū)的網(wǎng)格大小為8 mm。模型共有15 849 118 個(gè)節(jié)點(diǎn)，18 729 634個(gè)網(wǎng)格面和3 025 658 個(gè)多面體單元，清選裝置和離心風(fēng)機(jī)網(wǎng)格如圖6 所示。

圖6 清選裝置的計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分結(jié)果 Fig.6 Calculation regions of cleaning device and results of meshing generation

2.2 仿真結(jié)果分析

上篩面風(fēng)速分布如圖7a 所示，上篩前部風(fēng)機(jī)安裝處風(fēng)速最大，為10.024 m/s，篩面橫向左側(cè)的風(fēng)速遠(yuǎn)小于右側(cè)；篩面后部風(fēng)速最大值約8.02 m/s；篩面中后部的風(fēng)速呈從右向左先增大后減小的趨勢(shì)，左側(cè)風(fēng)速值最小，約2.0 m/s，尾篩前中部風(fēng)速較大，不利于脫出混合物的分離。上篩面各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速分布仿真結(jié)果如圖7b 所示，前出風(fēng)口的左四列風(fēng)速值最大，為8.184 m/s，其次為尾篩中部左三列的風(fēng)速值，為8.411 m/s，6、7 行篩片和8、9 行篩片的風(fēng)速最小，與田間試驗(yàn)風(fēng)速（圖3）對(duì)比可知，各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果變化趨勢(shì)一致，平均誤差為0.293 m/s，造成誤差的原因可能是風(fēng)速儀誤差（誤差0.2 m/s）和試驗(yàn)環(huán)境的干擾，仿真結(jié)果可以反映試驗(yàn)時(shí)清選裝置內(nèi)部風(fēng)速分布情況。

按照?qǐng)D2 中測(cè)點(diǎn)位置，在風(fēng)場(chǎng)仿真模擬的風(fēng)速矢量分布圖中選取典型截面[32]：上篩面X=650 mm（6、7 行篩片）縱剖面、Z=-450 mm（左三列）橫剖面2 個(gè)截面，風(fēng)速矢量圖如圖8 所示。

由圖8a 可知，在上篩面縱剖面X=650 mm（6、7行篩片）縱剖面，由于擋風(fēng)板開(kāi)度較大，前出風(fēng)口風(fēng)速最大值為15.555 m/s，風(fēng)向在吹向篩面的過(guò)程中方向偏右，篩面風(fēng)速最小約3 m/s，清選裝置內(nèi)部的右側(cè)出現(xiàn)小范圍湍流現(xiàn)象。由圖8b 可知，在上篩面Z=-450 mm（左三列）橫剖面截面，中前部風(fēng)速在6.5～10 m/s 范圍內(nèi)，篩面中部風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)湍流現(xiàn)象，可能造成脫出混合物無(wú)法得到有效分離，清選能力較差，不利于降低籽粒含雜率。

圖7 上篩面風(fēng)速分布仿真結(jié)果 Fig.7 Simulation result of wind speed distribution on upper sieve surface

圖8 上篩面典型截面的風(fēng)速分布矢量圖 Fig.8 Vector diagram of wind speed distribution in typical section of upper sieve surface

2.3 清選裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為解決清選裝置內(nèi)部右側(cè)風(fēng)速偏大的問(wèn)題，利用Hyper Works 軟件對(duì)風(fēng)機(jī)擋風(fēng)板位置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。以右側(cè)擋風(fēng)板安裝孔為中心，以改進(jìn)前擋風(fēng)板角度為基準(zhǔn)，其余參數(shù)不變，擋風(fēng)板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方式如圖9 所示。根據(jù)2.1 節(jié)清選裝置篩體類(lèi)型及尺寸，在UG 軟件中依次調(diào)整擋風(fēng)板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度10°、20°、30°、40°和50°，分別對(duì)清選裝置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖 10 所示。

圖9 清選裝置擋風(fēng)板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方式示意圖 Fig.9 Diagram of counter clockwise rotation mode of wind shield of cleaning device

選取上篩面X=650 mm（6、7 行篩片）縱剖面，上篩面風(fēng)速分布變化規(guī)律如圖10a 所示，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為10°時(shí)右側(cè)風(fēng)速遠(yuǎn)高于左側(cè)，差值約5 m/s，隨著擋風(fēng)板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度增大，上篩面左側(cè)風(fēng)速逐漸增大，變化范圍[1.8，9.0] m/s，而右側(cè)風(fēng)速逐漸減小，變化范圍[8.1，2.3] m/s，轉(zhuǎn)動(dòng)角度30°時(shí)篩面左右兩側(cè)的風(fēng)速分布最均勻，中部風(fēng)速最大值約9.4 m/s，此時(shí)上篩面風(fēng)速分布如圖10b 所示，尾篩中部的風(fēng)速值最大，在[8.231, 10.289] m/s 范圍內(nèi)，較改進(jìn)前提高約2 m/s，改善了篩面風(fēng)速分布不均和左右兩側(cè)風(fēng)速差值偏大的現(xiàn)象。

選取上篩面X=650 mm（6、7 行篩片）縱剖面和Z=-450 mm（左3 列）橫剖面2 個(gè)截面進(jìn)行風(fēng)速數(shù)值分析，不同截面的風(fēng)速矢量圖如圖10c、圖10d 所示，可知右側(cè)擋風(fēng)板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°時(shí)的篩面風(fēng)速橫向分布最均勻，清選室內(nèi)風(fēng)速最大值為17.077 m/s，較改進(jìn)前增大 1.522 m/s，左右兩側(cè)風(fēng)速值約 6.8 m/s；在Z=-450 mm 截面處，上篩中前部風(fēng)速數(shù)值分量較大，清選室內(nèi)風(fēng)速最大值約36.0 m/s，篩面中上部風(fēng)速約21.6 m/s，脫出混合物達(dá)到懸浮速度，篩面無(wú)湍流現(xiàn)象，清選效果得到改善。

圖10 改進(jìn)后上篩面各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速和不同截面的風(fēng)速分布矢量圖 Fig.10 Wind speed at measurement points on upper sieve surface and vector diagram of wind speed distribution in different sections after improvement

3 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證優(yōu)化后聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置作業(yè)效果，2018年5 月和11 月在四川西昌裕隆鄉(xiāng)花樹(shù)村和浙江寧波奉化區(qū)錦屏街道河頭村分別進(jìn)行小麥和水稻收獲試驗(yàn)。2018年5 月收獲的小麥品種為川農(nóng)11 號(hào)，收獲期植株自然高度80.5 cm，千粒質(zhì)量65.7 g，籽粒含水率約18.7%，莖稈含水率約52.0%。2018 年11 月收獲的水稻品種為甬優(yōu)18，水層深0，泥腳深0～200 mm，土壤類(lèi)型為黏土，種植方式為插秧，作物無(wú)倒伏，自然高度950～1 200 mm，千粒質(zhì)量40 g，收獲時(shí)籽粒含水率約為22.5%，莖稈含水率約62%，谷物聯(lián)合收獲機(jī)試驗(yàn)條件和方法與1.1 節(jié)一致，試驗(yàn)時(shí)人工調(diào)整擋風(fēng)板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度。

試驗(yàn)以清選損失率、籽粒含雜率為作業(yè)指標(biāo)，參照NY/T 995—2006《谷物（小麥）聯(lián)合收獲機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》[33]進(jìn)行測(cè)試，每一水平進(jìn)行3 組重復(fù)試驗(yàn)，每組試驗(yàn)行進(jìn)距離1 000 m，試驗(yàn)面積3 600 m2，收獲機(jī)行進(jìn)過(guò)程中獲取各測(cè)量點(diǎn)風(fēng)速，同時(shí)從糧倉(cāng)中隨機(jī)取樣5 次，每次不少于2 000 g，充分混合后抽取含雜樣品5 份，每份1 000 g，將莖稈、穎殼和雜余清除后進(jìn)行稱(chēng)量，分別計(jì)算小麥和水稻的籽粒含雜率Z，如式（12）所示；試驗(yàn)后沿收獲機(jī)前進(jìn)方向隨機(jī)選取3 個(gè)1 m2的地塊，收集全部籽粒和穗頭，脫凈后進(jìn)行稱(chēng)量，分別計(jì)算小麥和水稻的清選損失率Qi（i=1, 2, 3），如式（13）所示，取平均值為最終結(jié)果。

式中Wz1、Wz2、Wz3、Wz4和Wz5為5 次取樣后樣品中雜質(zhì)的質(zhì)量，g；Wsh為每平方米籽粒損失質(zhì)量，g/m2；Wch為每平方米籽粒的質(zhì)量，g/m2；Wz為每平方米自然落粒質(zhì)量，g/m2。

為有效評(píng)價(jià)收獲機(jī)清選性能，采用加權(quán)均值對(duì)清選效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，由于該機(jī)型為多功能聯(lián)合收獲機(jī)，收獲小麥和水稻對(duì)機(jī)具性能的要求相同，本文設(shè)定小麥和水稻權(quán)重各0.5，含雜率、損失率權(quán)重各占50%，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，離心風(fēng)機(jī)右側(cè)的擋風(fēng)板未旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)角度為0°）時(shí)小麥和水稻的損失率分別為1.05%、1.98%，含雜率分別為1.85%、1.92%，加權(quán)均值為1.70；旋轉(zhuǎn)為30°時(shí)小麥和水稻的損失率分別為0.89%、1.85%，含雜率為0.37%、0.51%，加權(quán)均值為0.91，為試驗(yàn)方案中的最優(yōu)方案。

表2 優(yōu)化后田間試驗(yàn)結(jié)果 Table 2 Results of field experiment after improvement

優(yōu)化后清選裝置內(nèi)部篩面上各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速如表3 所示，選取上篩前出風(fēng)口、11、12 行篩片和尾篩后部橫向風(fēng)速試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。擋風(fēng)板旋轉(zhuǎn)角度的優(yōu)化提高了清選裝置內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速，前出風(fēng)口和11、12 行篩片的左三列測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速分別提高了1.9 和2.8 m/s，尾篩后部左右兩側(cè)風(fēng)速分布均勻，篩面各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速比優(yōu)化前平均提高了2 m/s，改善了聯(lián)合收獲機(jī)的清選能力。優(yōu)化后上篩面左三列的風(fēng)速最大，前出風(fēng)口處為8.7 m/s，中部（11、12 行篩片）其次，為6.3 m/s，尾篩處最小，為5.0 m/s，沿篩面向左右兩側(cè)的風(fēng)速逐漸減小，篩面整體風(fēng)速分布均勻，改善了清選裝置上篩面風(fēng)速分布不均的問(wèn)題。

表3 擋風(fēng)板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)30°前后上篩面風(fēng)速對(duì)比Table 3 Comparision of wind s peed on upper sieve surface before and after wind shield turned 30° counter clockwise (m·s-1)

4 結(jié) 論

1）針對(duì)RG60 型單縱軸流谷物聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置篩面風(fēng)速分布不均的問(wèn)題，通過(guò)分析脫出混合物在清選裝置內(nèi)部流場(chǎng)的受力和運(yùn)動(dòng)速度，結(jié)合CFD 仿真軟件對(duì)清選裝置外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改善了清選效果。

2）基于單縱軸流谷物聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，獲得了上篩面各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速，結(jié)果表明風(fēng)機(jī)安裝處的前出風(fēng)口和尾篩中部的左四列、左五列風(fēng)速較大，最大值為8.6 m/s；3、4 行篩片和6、7 行篩片的左五列的風(fēng)速較大，分別為5.8 m/s 和5.9 m/s；篩面中部8、9 行篩片和 11、12 行篩片的風(fēng)速最小，平均值為3.0 m/s；尾篩后部右側(cè)的風(fēng)速大于左側(cè)；篩面中部的風(fēng)速最小。利用Hyper Works 軟件對(duì)清選裝置進(jìn)行仿真，篩面風(fēng)速最大值為10.024 m/s，橫向右側(cè)風(fēng)速大于左側(cè)；中前部風(fēng)速在6.5～10 m/s 范圍內(nèi)，篩面中部風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)湍流現(xiàn)象，不利于脫出混合物分離，與試驗(yàn)結(jié)果相比各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速變化趨勢(shì)一致，平均誤差為0.293 m/s。

3）為解決篩板后部風(fēng)速分布不均的問(wèn)題，改善篩板上左側(cè)脫出混合物堆積較多的現(xiàn)象，利用利用Hyper Works 軟件對(duì)清選裝置擋風(fēng)板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明當(dāng)右側(cè)擋風(fēng)板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°時(shí)，篩面中部風(fēng)速最大值約9.4 m/s；上篩面6、7 行篩片縱剖面X=650 mm 處的風(fēng)速最大值為17.077 m/s，較改進(jìn)前增大1.522 m/s，左右兩側(cè)流場(chǎng)均勻分布，風(fēng)速約6.8 m/s，改善了清選裝置內(nèi)部風(fēng)速分布不均的問(wèn)題。

4）進(jìn)行優(yōu)化后單縱軸流谷物聯(lián)合收獲機(jī)田間試驗(yàn)，結(jié)果表明上篩面前出風(fēng)口中部（左三列）風(fēng)速最大，為8.7 m/s，中部（11、12 行篩片）其次，為6.3 m/s，尾篩處最小，為5.0 m/s；前出風(fēng)口和11、12 行篩片的左三列測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速分別提高了1.9 和2.8 m/s，各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速比優(yōu)化前平均提高了2 m/s，篩面整體左右兩側(cè)風(fēng)速分布均勻；收獲后小麥籽粒損失率為0.89%、含雜率為0.37%，水稻籽粒損失率為1.85%、含雜率為0.51%。該研究為單縱軸流收獲機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。