任述光，陳賽，吳明亮，羅海峰，朱宇帥

小型油菜聯(lián)合收獲機雙風(fēng)道氣流清選裝置的設(shè)計與試驗

任述光1,2，陳賽1，吳明亮1,2，羅海峰1,2，朱宇帥1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

針對油菜收獲脫粒清選中損失率與含雜率較高的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種配套小型油菜聯(lián)合收獲機的雙風(fēng)道氣流清選裝置，主要由圓盤分選篩、斜面集料器、清選筒、離心風(fēng)機等組成。利用圓盤篩旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用對油菜脫出物進(jìn)行初次篩分，分選得到的籽粒與小雜余的混合物，由斜面集料器收集滑入清選筒內(nèi)，離心風(fēng)機的運轉(zhuǎn)使清選筒內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓氣流，形成雙向風(fēng)道氣流，對籽粒進(jìn)行二次清選?；诹黧w動力學(xué)基本方程進(jìn)行了雙風(fēng)道氣流清選參數(shù)設(shè)計，利用ANSYS進(jìn)行清選流場數(shù)值仿真分析，在自制試驗臺架進(jìn)行了多因素正交試驗。將油菜脫出物含雜率、清選篩轉(zhuǎn)速和離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速作為主要因素，通過單因素試驗與正交試驗，用清潔率與損失率對選定因素進(jìn)行分析，得到最優(yōu)清選方案。理論分析、數(shù)值模擬與試驗結(jié)果基本吻合。結(jié)果表明：在喂入量為0.1 kg/s時，對于含雜率為15%的油菜脫出物，清選篩轉(zhuǎn)速為50~80 r/min、離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 700~1 900 r/min時，清潔率為95.0%~98.5%，清選性能較好；含雜率為5%、清選篩轉(zhuǎn)速為60 r/min、離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時，清選性能最優(yōu)，清潔率達(dá)98.2%，含雜率小于4.2%。

油菜聯(lián)合收獲機；雙風(fēng)道清選裝置；流場；數(shù)值模擬

油菜機械化聯(lián)合收獲工序少，勞動強度與生產(chǎn)成本低，收獲效率高，但損失率較大，含雜率也較高[1]，提高清選裝置的性能是油菜聯(lián)合收獲機需要解決的重點和難點[2]。油菜脫粒后經(jīng)凹板分離，脫出物主要含有籽粒、短莖稈、果莢殼和小雜余。對與脫粒清選密切相關(guān)的脫出物的物理特性與空氣動力學(xué)性能的研究取得了一定的成果。李耀明等[3–4]、馬征等[5]研究了油菜脫出粘附物與篩面的摩擦特性，對脫出物在篩面的運動進(jìn)行的動力學(xué)分析表明，油菜脫出物在篩面運動，由有規(guī)律的跳動轉(zhuǎn)變?yōu)榛煦邕\動狀態(tài)，顆粒之間發(fā)生相互碰撞現(xiàn)象，在總體向前運動的狀態(tài)下，籽粒出現(xiàn)停退，增加了籽粒透篩的機會，這為設(shè)計高效的篩分機構(gòu)提供了依據(jù)；劉師多等[6]研究了脫出物狀態(tài)對圓筒式短莖稈清理裝置性能的影響，認(rèn)為圓筒式短莖稈清理裝置的分離作用主要在前部完成，過于增加篩筒長度會造成籽粒清潔率降低，長度不能超過1 600 mm；孫志強等[7]通過脫粒分離試驗認(rèn)為，對于小型聯(lián)合收獲機，莖稈夾帶損失最小的喂入量為1.6 kg/s。

氣流清選裝置主要有風(fēng)扇式、風(fēng)篩組合與旋風(fēng)式3種。傳統(tǒng)油菜聯(lián)合收獲機多使用風(fēng)篩式清選裝置，分為風(fēng)機與圓筒篩、風(fēng)機與振動篩2種，機構(gòu)較為復(fù)雜，外型較為龐大，清選損失較小，清潔度高。廖慶喜等[8]研制了一種油菜聯(lián)合收獲旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)，研究旋風(fēng)分離筒吸雜口風(fēng)速、風(fēng)量對清潔率與損失率的影響，試驗表明吸雜口風(fēng)速為12~16 m/s、風(fēng)量為0.375~0.501 m/s、輸送帶線速度為1.570~1.884 m/s時，清選性能較好。盧偉等[9]、謝超等[10]、任述光等[11]將旋風(fēng)清選裝置用于小型水稻收獲機，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)喂入量低于0.25 kg/s、含雜率低于7%時，清潔率可達(dá)到99%以上，清選損失率低于0.1%。沈宇峰等[12]研究旋風(fēng)分離進(jìn)料口高度對氣流場的影響，獲得旋風(fēng)分離油菜脫出物時的分離筒的合理結(jié)構(gòu)參數(shù)，模擬仿真分析表明，進(jìn)料高度越小，其物料的圓周旋轉(zhuǎn)分離運動越顯著，且物料的有效分離空間也越大，因而對特定的旋風(fēng)分離筒，其進(jìn)料高度應(yīng)取最低值。申德超等[13–14]進(jìn)行稻麥?zhǔn)斋@的雙風(fēng)道清選裝置臺架試驗和田間試驗，結(jié)果表明，同等條件下，雙風(fēng)道裝置比單風(fēng)道裝置效果優(yōu)越，清選能力提高24.5%，同時機構(gòu)較簡單，制造成本較低。施新新等[15]研究了2個油菜品種收獲脫出物的物理特性和空氣動力學(xué)特性，脫出物的三軸尺寸差異較大，籽粒含水率、千粒質(zhì)量和密度基本一致，脫出物的懸浮速度基本相近。杜文勇等[16]利用ANSYS軟件分析油菜聯(lián)合收獲脫出物中的氣流場，趙磊[17]研究旋流分離器中顆粒運動軌跡，認(rèn)為小粒徑顆粒更易受到入口速度影響?；贏NSYS的Fluet模塊，鞠易甫等[18]進(jìn)行了聯(lián)合收割機旋風(fēng)分離筒氣固兩相流模擬。鑒于油菜脫出物與稻麥脫出物的力學(xué)性能差異較大，為提高小型聯(lián)合收獲機油菜脫粒清選效果，筆者對稻麥雙風(fēng)道清選裝置加以改進(jìn)，設(shè)計了一種圓盤分選篩與雙風(fēng)道氣流組合的小型雙風(fēng)道油菜脫粒清選裝置，對雙風(fēng)道清選速度與壓力場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并進(jìn)行了臺架試驗，以脫出物含雜率、清選篩轉(zhuǎn)速和離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速為主要因素，對清選裝置性能進(jìn)行試驗，通過單因素與正交試驗，得到該清選裝置較優(yōu)的結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)。

1　清選裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

清選裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由圓盤分選篩、斜面集料器、刮板式輸送器、喂料斗、清選筒、離心風(fēng)機、吸雜管道等組成。脫出物從喂料斗被刮板輸送器提升，落入圓盤分選篩，隨分選篩回轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，其中短莖稈和較大果莢殼沿篩面向外運動，從分選篩邊緣的排雜口甩離，而籽粒和小雜余在篩面運動的過程中會透過篩孔落入清選筒。清選筒中部為吸雜口，與離心風(fēng)機吸雜口通過吸雜管道連接，上、下端分別為入料口與落料口。電機驅(qū)動離心風(fēng)機從吸雜管道吸氣，在清選筒內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，清選筒兩端開口，形成從入料口至吸雜口的風(fēng)道和從落料口至吸雜口的風(fēng)道，入料口與落料口氣流向中部吸雜口方向流動。由于清選筒直徑大于吸雜口直徑，吸雜口管道截面積縮小，流線彎曲，流束收縮，形成加速的傾斜氣流。籽粒和小雜余在下落過程中經(jīng)過自上而下的氣流場時，大部分順氣流被吸走排出，籽粒和密度較大的小雜余進(jìn)入自下而上的氣流場，受到向上氣流的作用力，進(jìn)行二次清選，小雜余被傾斜氣流吸走排出機外，實現(xiàn)雙風(fēng)道氣流清選。

1　皮帶；2、3　錐齒輪；4　過渡軸；5　分選篩；6　斜面集料器；7　掛板式輸送器；8　喂料斗；9　軸承；10　清選筒；11　吸雜管道；12　離心風(fēng)機；13　電機；14　機架。

2　關(guān)鍵部件的設(shè)計和主要參數(shù)的確定

2.1　旋轉(zhuǎn)篩轉(zhuǎn)速的確定

油菜短莖稈與果莢殼在離心力作用下向外運動，為了排雜順暢，圓盤必須具有一定的角速度。因短莖稈較果莢殼質(zhì)量大，難于分離，為使問題簡單化，可以只考慮短莖稈的受力。視短莖稈為質(zhì)點，其在篩面上的受力如圖2所示。

圖2　短莖稈受力分析

相對非慣性參考系運動的動力學(xué)方程

Nd=ma(1)

式中：N為法向約束力；為重力；為離心力；d為滑動摩擦力；為短莖稈質(zhì)量；a為相對加速度。

將上式向圖2所示自然坐標(biāo)軸投影，得到：

式中：為重力加速度；為旋轉(zhuǎn)篩角速度；為短莖稈所在位置的半徑；d為篩面的動摩擦系數(shù)，為篩面傾角。

由力學(xué)分析可知，使短莖稈在篩面具有良好流動性能，保證其從排草口甩出的必要條件為：篩面上的短莖稈相對斜面作勻速運動，即(3)式右邊為零；因此，推導(dǎo)出圓盤篩最小角速度min。

雜余順利排出所需要最低轉(zhuǎn)速，主要取決于圓盤篩半徑和篩面傾角，越大，所需最低轉(zhuǎn)速min越大，籽粒透過篩面概率減小，且易使短莖稈堆積于篩面。一般為5°~15°，設(shè)計中取為10°；max越小，篩面積越小，籽粒過篩率也越小，結(jié)合設(shè)計需要，取圓盤篩半徑為200 mm。將以上參數(shù)代入(4)式，得min≈7.002 rad/s，短莖稈順利排出的斜面篩轉(zhuǎn)速為66.9 r/min。

2.2　清選筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為測定脫出物的物理性質(zhì)，將自然成熟、人工收割后室內(nèi)鋪放5 d的湘雜6號油在自制脫粒試驗臺上脫粒。將完熟油菜連續(xù)均勻喂入，收集脫粒后的油菜脫出物，通過人工篩選，得到油菜籽粒、短莖稈、果莢殼和小雜余4種組成，如圖3所示。

a　籽粒；b　小雜余；c　果莢殼；d　短莖稈。

隨機選取籽粒、小雜余、果莢殼、短莖稈，每種脫出物分別選取10組，放入WGLL–230BE型電熱鼓風(fēng)干燥箱，溫度設(shè)定為60 ℃，烘烤12 h，結(jié)果含水率均值分別為8.83%，19.49%，41.14%，49.98%；籽粒千粒質(zhì)量均值3.52 g，測得果莢殼和短莖稈與旋轉(zhuǎn)篩材料的摩擦角平均值約為34°與24°(表1)。

表1　脫出物組成及物理性質(zhì)

清選筒吸雜口直徑影響清選筒內(nèi)氣流場分布，是清選筒的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。清選筒所需最小風(fēng)量與雜余含量有關(guān)[19]。

/(5)

式中：為清選筒所需最小風(fēng)量(m3/s)；為喂入量，按0.1 kg/s設(shè)計；為進(jìn)入清選筒的雜余與籽粒的質(zhì)量比，雜余質(zhì)量占比約為75%；為空氣密度，取1.2 kg/m3；為氣流中雜余的混合濃度比，約0.2~0.3。計算可得=0.208~0.313 m3/s。

在落料口風(fēng)速滿足要求的前提下，落料口直徑較小，將會導(dǎo)致筒內(nèi)的風(fēng)量不足，雜余不能及時有效地排出；而落料口直徑較大，風(fēng)量變大，吸雜口風(fēng)速增加，則籽粒損失率將變大。如需籽粒順利從落料口下落，落料口的風(fēng)速應(yīng)小于籽粒懸浮速度，因此，按落料口與入料口風(fēng)量相等確定落料口直徑。

式中：2為清選裝置的落料口直徑(m)；2為落料口風(fēng)速。

為保證油菜脫出物雜余從吸雜口排出，吸雜口最小風(fēng)速不能低于果莢殼和小雜余最大懸浮速度。油菜脫出物經(jīng)過篩選后，籽粒、果莢殼和小雜余進(jìn)入清選筒，以果莢殼和小雜余最大懸浮速度為設(shè)計依據(jù)，仍可按(6)式吸雜口最小直徑，只是此時風(fēng)量應(yīng)為入料與落料口風(fēng)量之和，風(fēng)速為吸雜口風(fēng)速。小雜余最大懸浮速度約為3.2 m/s，籽粒懸浮速度為7.4 m/s，吸雜口風(fēng)速要高于小雜余最大懸浮速度，低于籽粒最小懸浮速度。為了達(dá)到清選效果，吸雜口風(fēng)速取高于輕雜物懸浮速度的60%，取5 m/s。

吸雜口位于清選筒中間位置，圓筒段高度及吸雜口直徑與清選筒圓筒段直徑之比按文獻(xiàn)[20]方法選取，約為700 mm。計算得各參數(shù)列于表2。

表2　清選筒結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)

3　清選仿真

3.1　清選壓力損失

取清選筒進(jìn)風(fēng)口、落料口及吸雜口后稍遠(yuǎn)處漸變流動斷面為控制體，對于不可壓縮流體的穩(wěn)定流動，在流動過程中質(zhì)量將保持不變，可得如下連續(xù)性方程。

11+22=00(7)

式中：1、2、0分別為進(jìn)風(fēng)口、落料口、吸雜口截面積；1、2、0分別為進(jìn)風(fēng)口、落料口、吸雜口氣流速度。

分別取進(jìn)風(fēng)口至吸雜口以及落料口至吸雜口的2條流線，由于清選筒高度尺寸較小，位能與沿程損失可忽略不計，采用相對壓強，沿兩流線的伯努利方程為

式中：0為吸雜口截面壓力；w為局部能量損失。

式中：無量綱系數(shù)=0/(1+2)。

將設(shè)計參數(shù)代入，則可根據(jù)吸雜口風(fēng)速計算吸雜口靜壓力，根據(jù)全壓、風(fēng)量選擇風(fēng)機型號及配套功率。

3.2　流場仿真

流動狀態(tài)判斷的臨界雷諾數(shù)為e0。

式中：為流速(m/s)；為直徑(m)；為空氣的運動粘度(m2/s)。通常狀況下，其數(shù)值為1.48×10–5。通過計算得出清選筒與吸雜管道流場雷諾數(shù)(表2)。清選筒與吸雜管道的流動均為湍流。

利用ANSYS WORKBENCH的Fluent模塊進(jìn)行數(shù)值模擬，在幾何模型中抽取計算域，采用多區(qū)域網(wǎng)格劃分并設(shè)置膨脹層，形成網(wǎng)格模型。選擇Realizable–模型，其他選項和控制參數(shù)設(shè)置為系統(tǒng)默認(rèn)。設(shè)置入料口、落料口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，氣流速度為1.5 m/s。

計算得到的壓力、速度云圖及矢量圖如圖4所示。從圖4中能夠發(fā)現(xiàn)，沿吸雜口壓力明顯下降，流速顯著增加，達(dá)到5.45~7.01 m/s。從速度云圖可以看出明顯的邊界層，且清選筒上、下中心處速度較低，速度沿徑向呈現(xiàn)明顯梯度。從氣流速度矢量圖能夠清楚看到，氣流由進(jìn)料口與落料口進(jìn)入，由吸雜口排出，清選筒內(nèi)形成雙向風(fēng)流流場。綜合分析表明，模型的幾何參數(shù)符合設(shè)計要求。

圖4　流場速度、壓力云圖及速度矢量云圖

4　試驗驗證

清選裝置試驗臺如圖5所示。吸雜口與吸雜管道通過粘連的方式連接，對管道起密封作用，同時保證管道與清選筒連接處內(nèi)壁的光滑。

清選試驗?zāi)M田間清選作業(yè)狀況，對油菜脫出物進(jìn)行加濕還原處理，將含水率調(diào)節(jié)為15%~ 20%[22]。

圖5　清選試驗臺

4.1　單因素試驗

油菜脫出物混合后，通過改變分選篩轉(zhuǎn)速(50、60、70、80、90、100、110 r/min)進(jìn)行清選試驗，結(jié)果(圖6)表明，隨著轉(zhuǎn)速的提高，損失率上升，清潔率變化較小，分選篩轉(zhuǎn)速在60~80 r/min時，篩分的性能較好。

圖6　不同清選篩轉(zhuǎn)速下的清潔率和損失率

改變籽粒與雜余的比例，選取籽粒含量85%、90%、95%，將轉(zhuǎn)速50~110 r/min分7段，進(jìn)行清選性能試驗。結(jié)果(圖7)表明，不同籽粒含量的混合物，隨著圓盤篩轉(zhuǎn)速增大，清潔率提高，清潔率隨轉(zhuǎn)速增加，緩慢趨近99%。

圖7　不同轉(zhuǎn)速下混合物料的清潔率

設(shè)置離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速(1 500、1 600、1 700、1 800、1 900、2 000、2 100、2 200 r/min)，篩選脫出物含雜率為10%，清選篩轉(zhuǎn)速為80 r/min，每個水平重復(fù)3次，清潔率和損失率如圖8所示。

圖8　不同風(fēng)機轉(zhuǎn)速下混合物的清潔率和損失率

由圖8可知，隨風(fēng)機轉(zhuǎn)速的提高，清潔率逐漸升高，損失率也在增大，轉(zhuǎn)速超過1 800 r/min后，損失率大幅增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于1 900 r/min時，隨轉(zhuǎn)速增大，清潔率上升幅度不大，但損失率會顯著升高。轉(zhuǎn)速在1 700~1 900 r/min時，清選性能較好。

4.2　正交試驗

單因素試驗結(jié)果表明，脫出物含雜率、清選篩轉(zhuǎn)速和風(fēng)機轉(zhuǎn)速3因素對清選性能均有影響，脫出物含雜率為5%~15%、清選篩的轉(zhuǎn)速為60~80 r/min、離心風(fēng)機的轉(zhuǎn)速為1 700~1 900 r/min時，清選損失率較低，清選性能較好。在單因素試驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)行3因素3水平正交試驗(表3)，確定影響因素的主次和工作參數(shù)的合理組合。

表3　正交試驗因素和水平

應(yīng)用綜合評分法對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，確定較好試驗方案，得到合理的工作參數(shù)組合。在實際生產(chǎn)中，清潔率與損失率的重要程度存在差別，擬定損失率權(quán)重為0.65，清潔率權(quán)重為0.35，以加權(quán)的總和為試驗的綜合分。

表4　清選性能正交試驗的清潔率和損失率

根據(jù)綜合分(表4)，使用單指標(biāo)試驗結(jié)果的極差分析法作進(jìn)一步分析，計算各因素水平的1、2、3和每一列的極差。正交試驗的極差表明，各因素主次順序為、、，即對清潔率和損失率影響的大小依次為含雜率、清選篩轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速?？瞻琢械臉O差相比于其他所有因素的極差都小，說明因素間不存在交互作用。優(yōu)化方案為312。

在正交試驗中不包含最佳試驗組合，則按照優(yōu)化方案312作驗證性試驗，按照優(yōu)化方案組合得到的清潔率為98.2%，損失率為4.2%。

[1] 羅海峰，湯楚宙，官春云，等．適應(yīng)機械化收獲的田間油菜植株特性研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(S1)：61–66． LUO H F，TANG C Z，GUAN C Y，et al．Study on plant characteristics of field rape adapted to mechanized harvest[J]．Journal of Agricultural Engineering，2010，26(S1)：61–66．

[2] 吳崇友，金誠謙，肖體瓊，等．我國油菜全程機械化現(xiàn)狀與技術(shù)影響因素分析[J]．農(nóng)機化研究，2007(12)：207–210． WU C Y，JIN C Q，XIAO T Q，et al．Analysis on the status quo and influencing factors of whole-process mechanization of rapeseed in China[J]．Agricultural Mechanization Research，2007(12)：207–210．

[3] 李耀明，馬征，徐立章．油菜聯(lián)合收獲機篩面粘附物摩擦特性[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41(12)：54–57． LI Y M，MA Z，XU L Z．Friction characteristics of adhesive substances on screen surface of rape combine harvester[J]．Journal of Agricultural Machinery，2010，41(12)：54–57．

[4] 李耀明，鄧玲黎，丁為民．小型聯(lián)合收割機清選裝置的技術(shù)分析[J]．農(nóng)機化研究，2004(3)：55–56． LI Y M，DENG L L，DING W M．Technical analysis of cleaning device of small combine harvester[J]. Agricultural Mechanization Research，2004(3)：55–56．

[5] 馬征，李耀明，徐立章．收獲期油菜莖稈表面浸潤特性研究[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45(6)：98–103． MA Z，LI Y M，XU L Z．Study on surface infiltration characteristics of canola stem at harvest[J]. Chinese Journal of Agricultural Machinery，2014，45(6)：98–103．

[6] 劉師多，毛鵬軍，師清翔，等．微型小麥聯(lián)合收割機的研制[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2006(18)：66． LIU S D，MAO P J，SHI Q X，et al. Development of micro wheat combine harvester[J]. Agricultural Machinery，2006(18)：66．

[7] 孫志強，佘小明，李平，等．油菜脫粒和清選裝置的設(shè)計原理[J]．吉林農(nóng)業(yè)，2011(7)：174–175． SUN Z Q，SHE X M，LI P，et al．Design principle of rapeseed threshing and cleaning device[J]. Jilin Agriculture，2011(7)：174–175．

[8] 廖慶喜，萬星宇，李海同，等．油菜聯(lián)合收獲機旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(14)：24–31． LIAO Q X，WAN X Y，LI H T，et al．Design and test of cyclone separation cleaning system for rape combine harvester[J]．Journal of Agricultural Engineering，2015，31(14)：24–31．

[9] 盧偉，劉大為，李旭，等．小型水稻聯(lián)合收割機旋風(fēng)分離清選試驗[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，42(1)：97–101． LU W，LIU D W，LI X，et al．Whirlwind separation and cleaning experiment of small rice combine harvester[J]. Journal of Hunan Agricultural University (Natural Sciences)，2016，42(1)：97–101．

[10] 謝超，劉大為，李旭，等．小型水稻聯(lián)合收割機旋風(fēng)分離清選裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗[J]．中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報，2018，20(5)：54–63． XIE C，LIU D W，LI X，et al．Structural optimization and experiment of cyclone separation and sorting device for small rice combine harvester[J]．China Agricultural Science and Technology Guide，2018，20(5)：54–63

[11] 任述光，謝方平，王修善，等．4LZ–0.8型水稻聯(lián)合收割機清選裝置氣固兩相分離作業(yè)機理[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(12)：16–22．REN S G，XIE F P，WANG X S，et al. Operation mechanism of gas-solid two-phase separation in the cleaning unit of 4LZ-0.8 combine rice harvester[J]. Journal of Agricultural Engineering，2015，31(12)：16–22．

[12] 沈宇峰，吳明亮，官春云．旋風(fēng)分離筒進(jìn)料高度對筒內(nèi)氣相流場分布的影響[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，42(3)：339–343． SHEN Y F，WU M L，GUAN C Y．Influence of feeding height of cyclone separator cylinder on gas phase flow field distribution in the cylinder[J]. Journal of Hunan Agricultural University (Natural Sciences)，2016，42(3)：339–343．

[13] 申德超．雙風(fēng)道清選裝置試驗研究[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，1991(4)：38–45． SHEN D C．Test research of the cleaning apparatus with a centrifugal fan and double channel[J]．Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery，1991(4)：38–45．

[14] 申德超，李秉仁，孫來思，等．雙風(fēng)道清選裝置在谷物聯(lián)合收獲機上應(yīng)用[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，1995(4)：151–155． SHEN D C，LI B R，SUN L S，et al．Appliction of double-air duct cleaning device in grain combine harvester[J]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，1995(4)：151–155．

[15] 施新新，吳崇友，李驊，等．兩種油菜收獲脫出物的物理機械特性及空氣動力學(xué)特性測定與分析[J]．江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2018，30(6)：104–108． SHI X X，WU C Y，LI H，et al．Determination and Analysis of physico-mechanical and aerodynamic characteristics of two kinds of rapeseed crops[J]．Acta Agriculturae Jiangxi，2018，30(6)：104–108．

[16] 杜文勇，黃海東，樊啟洲．ANSYS在油菜聯(lián)合收割機清選機構(gòu)氣流場中的應(yīng)用[J]．農(nóng)機化研究，2007(10)：174–175． DU W Y，HUANG H D，F(xiàn)AN Q Z．Application of ANSYS in air flow field of cleaning mechanism of rape combine harvester[J]．Agricultural Mechanization Research，2007(10)：174–175．

[17] 趙磊．基于Fluent的旋流分離器內(nèi)氣液兩相流數(shù)值模擬[C]//航空工業(yè)測控技術(shù)發(fā)展中心，中國航空學(xué)會測試技術(shù)專業(yè)委員會，《測控技術(shù)》雜志社．面向航空試驗測試技術(shù)——2013年航空試驗測試技術(shù)峰會暨學(xué)術(shù)交流會論文集．北京：中國航空學(xué)會，2013：468–472． ZHAO L．Based on fluent gas liquid two phase flow in cyclone separator are numerical simulation[C]// Aerospace Industry Measurement and Control Technology Develop- ment Center，Professional Committee of China Aviation Institute and Testing Techniques，The Measurement and Control Technology Magazine. Aviation Experiment Testing Technology–2013 Air Testing Technology Summit Meeting and Academic Seminar of Proceedings. Beijing：China Aviation Institute，2013：468–472．

[18] 鞠易甫，施偉辰．基于Fluent的聯(lián)合收割機旋風(fēng)分離筒氣固兩相流模擬[J]．裝備制造技術(shù)，2017(6)：155–157． JU Y F，SHI W C．Simulation of gas-solid two- phase flow in whirlwind separation cylinder of combine harvester based on fluent[J]．Equipment Manufacturing Technology，2017(6)：155–157．

[19] 中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院．農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊[K]．北京：機械工業(yè)出版社，1974． Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences．Manual of Agricultural Machinery design[K]. Beijing：Machinery Industry Press，1974．

[20] 朱永寧，李王華．雙風(fēng)道圓筒篩清選機構(gòu)麥稻性能試驗與參數(shù)優(yōu)化[J]．洛陽工學(xué)院學(xué)報，1991(1)：11–17． ZHU Y N，LI W H．Performance test for wheat rice and parameter optimum of the two-inletpassage cylinder screen cleaning unit[J]．Journal of Luoyang Institute of Technology，1991(1)：11–17．

[21] 孔瓏．工程流體力學(xué)[M]．北京：中國電力出版社，2014． KONG L．Engineering Fluid Mechanics[M]．Beijing：China Electric Power Press，2014．

[22] 劉德軍，趙秀榮，高連興，等．不同收獲方式含水率對油菜收獲物流損失的影響[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(10)：339–342． LIU D J，ZHAO X R，GAO L X，et al．Effects of moisture content in different harvesting methods on the logistics loss of rapeseed[J]．Journal of Agricultural Engineering，2011，27(10)：339–342．

Design and experimental study of the air cleaning device with double air duct for small rapeseed combined harvest

REN Shuguang1, 2, CHEN Sai1, WU Mingliang1, 2, LUO Haifeng1, 2, ZHU Yushuai1

(1.College of Electrical and Mechanical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128,China; 2.Hunan Province Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha, Hunan 410128, China)

In view of the high loss rate and impurity rate of rapeseed threshing selection, a double air duct air cleaning device was designed to matching the small rapeseed combined harvester, which mainly consists of the disc sorting screen, the inclined surface collector, the cleaning cylinder and the centrifugal fan. Driving by the centrifugal force produced by the rotation of the disc screen, the first screening of rapeseed is carried out to obtain the mixture of grain and small miscellaneous. When the mixtures are collected through collector and slid into the cleaning barre, the mixtures are secondly screened by the two-way air duct airflow produced by the centrifugal fan. Based on the basic equation of fluid dynamics, the air cleaning parameters of the double duct were designed. The numerical simulation analysis of the air cleaning flow field was carried out with ANSYS, and the multi-factor orthogonal test was carried out on the self-made test bench. Combined with the designed test bench, the impurity rate, the cleaning screen speed and the centrifugal fan speed were taken as the main factors to obtain the best screening parameters through single factor test and orthogonal test, taking the cleaning rate, the loss rate, and the optimal cleaning scheme as the test parameters. Theoretical analysis and numerical simulation are basically consistent with the experimental results. The experimental results show that the cleaning rate is in the range of 95.0%-98.5% for the rapeseed with impurity rate of 15%, when the feeding amount is 0.1 kg /s and under the sieve cleaning speed of 50-80 r/min and the centrifugal fan speed of 1 700-1 900 r/min. When the impurity rate was 5%, the best performance with the cleaning rate of 98.2% was achieved under the cleaning screen speed of 60 r/min and the centrifugal fan speed of 1 800 r/min.

rape combined harvest; double air duct cleaning; the flow field; the numerical simulation

S225.5

A

1007-1032(2020)04-0472-08

10.13331/j.cnki.jhau.2020.04.015

任述光，陳賽，吳明亮，羅海峰，朱宇帥．小型油菜聯(lián)合收獲機雙風(fēng)道氣流清選裝置的設(shè)計與試驗[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2020，46(4)：472–479．

REN S G, CHEN S, WU M L, LUO H F, ZHU Y S. Design and experimental study of the air cleaning device with double air duct for small rapeseed combined harvest[J]. Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences), 2020, 46(4): 472–479.

http://xb.hunau.edu.cn

2019–08–21

2020–04–08

國家科技支撐計劃項目(2014BAD11)；湖南省科學(xué)技術(shù)廳重點項目(2017NK2131)

任述光(1970—)，男，湖南岳陽人，博士，副教授，主要從事油菜收獲機械創(chuàng)新設(shè)計研究，shgren2005@aliyun.com

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立