大喂入量玉米籽粒收获机清选系统双层筛孔抖动板研究

　　摘要：为满足玉米籽粒收获机对大喂入量玉米脱出物的清选要求，设计了一种使玉米脱出物在进入清选装置时分流的双层筛孔式抖动板。对玉米脱出物离开抖动板到达振动筛前的运动进行了分析，确定了上、下抖动板相对于振动筛的位置，并参考圆孔筛确定了上抖动板筛孔的分布和尺寸。以抖动板的安装倾角、振幅和频率作为试验因素，以振动筛筛分玉米脱出物时间、清选系统收集籽粒的清洁率和损失率为性能评价指标，基于 CFD-DEM 耦合仿真方法确定各试验因素对性能指标的影响，并设计了二次正交旋转中心组合试验，建立了各因素与指标之间的回归数学模型。在清选系统入口气流速度、气流方向角和玉米脱出物喂入量分别为 12.8m/s、25°和 7 kg/s 的条件下，获得最优参数组合：抖动板安装倾角、抖动板频率、抖动板振幅分别为-3.85°、5.62 Hz、44.77mm，此时清选系统收集的籽粒的清洁率为 98.36%，籽粒损失率为 1.45%，振动筛筛分玉米脱出物时间为 6.74s，并通过台架试验验证了仿真结果的准确性，相比于带有单层抖动板的清选系统籽粒清洁率提高 1.72 个百分点，损失率降低 0.84 个百分点，振动筛筛分玉米脱出物时间缩短了 0.57 s。本文为大喂入量玉米脱出物清选技术的研究提供参考。

　　关键词：玉米籽粒收获机;清选系统;大喂入量;双层抖动板;参数优化

　　引言

　　风筛式清选装置具有高清选效率、高籽粒清洁率的优点被广泛应用于玉米籽粒联合收获机中。随着现代农业机械的发展玉米籽粒联合收获也朝着高效率、大喂入量的方向发展。课题组对黑龙江省北安市赵光镇北胜合作社进行农场调研，确定了德美亚 1 号玉米品种的平均产量 6146kg/hm2，常发佳联 CF808 型 6 行玉米籽粒收获机作业幅宽为 4 m，以常规速度 1.5 m /s 作业时清选装置中玉米脱出物的喂入量约为 5.05 kg/s[1]，收获时为“争抢农时”，需提高玉米联合收获机作业效率。

　　随着玉米单产的增加以及玉米联合收获机作业速度的提高，导致清选装置内的玉米脱出物的喂入量逐年增加[2~3]，已经高达 7 kg/s。然而现有的清选装置在处理 7 kg/s 大喂入量的玉米脱出物时，物料会在振动筛前端堆积，影响玉米脱出物清选效果。为提高清选装置在大喂入量条件下的性能，许多专家学者对清选装置内风机、辅助装置、筛体结构、筛体驱动机构等进行了研究[4~9];在抖动板的研究方面，汤庆等[10]利用离散元法对抖动板的性能进行了研究，结果表明物料在安装双隔板抖动板的作用下较安装单隔板抖动板更加均匀，更加有利于筛分。

　　付威等[11]为了解决联合收获机中物料在抖动板上的堆积，通过分析曲柄理论转速和实际转速之间的关系，确定了物料被抛离抖动板时曲柄的实际转速，为抖动板的改进提供理论依据;John Deere 公司[12]生产的 C440 联合收获机，采用了 4 层振动筛与 2 个无筛孔抖动板的结构，2 个抖动板前后布置，分别承接横、纵轴流滚筒落下的玉米脱出物，并将玉米脱出物连续均匀的输送到清选室，4 层振动筛可显著增加筛分面积，能够对大喂入量物料进行清选。程超等[13]为解决水稻收获机械抖动板表面极细小湿黏物料粘附的问题，利用界面加热实现金属抖动板减粘脱附，揭示了金属抖动板表面加热对粘附界面的脱附作用机理。

　　李耀明等[14]为解决脱出物在凹板下沿轴向分布不均、清选筛上纵向分布不均的情况，将抖动板由 3 块不同角度的波纹板构成，实现物料能够沿筛面纵向和横向运动，有利于筛上物料均匀分布;何康陵等[15]设计了一种抖动板分层预清选装置，能够对玉米脱出物进行分段清选，降低了清选负荷，提高了清选效率。张建宗等[16]针对大喂入量谷物联合收获时清选筛面上谷物堆积的问题，将上抖动板与下抖动板前后错位布置，上抖动板末端落下的物料可落到清选筛中段，下抖动板末端落下的物料可落到清选筛前段，实现了玉米脱出物在双层抖动板上的分段输送。

　　为满足大喂入量玉米脱出物清选的要求，专家学者多从抖动板结构以及多层抖动板配置进行研究，而关于双层筛孔式抖动板的研究尚未见报道。课题组通过农场调研发现，现有联合收获机多采用双层筛体配置，并且多层抖动板将玉米脱出物只喂入至上筛，然而在常规喂入量条件下，上筛通常可满足农户对收获后玉米籽粒的质量要求，为了降低机具的功率消耗，减少收获成本，农户通常将下筛拆除，致使实际生产收获中清选系统内下筛使用率不高。当玉米脱出物的喂入量增加，会使上筛的筛分压力增加，影响清选装置性能。

　　本文基于常发佳联 CF808 型 6 行玉米联合收获机清选装置，设计一种双层筛孔式抖动板，拟通过双层筛孔式抖动板实现玉米脱出物进入清选装置前的分流和初步清选。利用 CFD-DEM 耦合方法研究双层筛孔式抖动板参数，通过台架试验验证优化结果正确性，并与带有单层抖动板的清选系统的清选性能进行对比，以期提高清选系统对大喂入量玉米脱出物的处理能力。

　　1 清选系统整体结构及工作原理

　　1.1 清选系统整体结构

　　带有双层筛孔式抖动板的清选系统主要由上抖动板、下抖动板、上筛、下筛、吊杆、双向摇杆、机架等组成。上层抖动板尾端通过吊杆铰接悬挂在机架的上部，下层抖动板尾端通过支撑杆铰接在机架下部，驱动轴上的偏心轮、摇臂、双向摇杆组成抖动板曲柄摇杆机构，上、下抖动板前端通过连接轴与曲柄连杆机构连接，抖动板处带轮经传动带将动力传递到振动筛带轮，通过偏心轮、摇臂、双向摇杆组成的振动筛曲柄摇杆机构带动上、下筛往复摆动。

　　1.2 工作原理

　　经过脱粒装置脱粒分离后的脱出物落到带有筛孔的上层抖动板，运动时一部分由上抖动板的筛孔落到下抖动板，通过下抖动板的连续运移落到下筛;剩余的玉米脱出物经上抖动板输送至上筛，玉米脱出物在抖动板上实现了初步筛分。

　　2 双层筛孔式抖动板位置的确定与设计

　　2.1 双层筛孔式抖动板位置的确定

　　通过测量佳联 CF808 型 6 行玉米联合收获机清选装置尺寸，确定抖动板与风机垂直距离为 130mm，现有的双层抖动板多为上抖动板与下抖动板前后错位布置，上抖动板末端落下的物料可落到上筛中段，下抖动板末端落下的物料可落到上筛前段，实现了玉米脱出物在双层抖动板上的分段输送，参考其尺寸，确定上、下抖动板的垂直距离为88 mm[16]，根据《农业机械设计手册》[17]确定上抖动板与上筛的垂直距离为 100 mm，根据课题组前期研究，确定上、下筛的垂直距离为 340 mm[5]，因此可以确定下抖动板与下筛的垂直距离为352 mm。

　　玉米脱出物离开抖动板到达振动筛前的水平位移与其初始速度有关，根据文献[1]可知，玉米脱出物离开抖动板时竖直方向速度小于 0.1 m/s，水平速度为 0.1~0.7 m/s，并且在气流速度、气流方向角、抖动板振幅分别为 12.8 m /s、25°、38 mm 时，基于公式(6)确定玉米脱出物离开上抖动板到达上筛前在水平最大和最小位移分别为 171 mm 和 145mm，为了保证玉米脱出物能够落到上筛，因此确定上抖动板与上筛的水平距离为145 mm;同理分析可得玉米脱出物离开下抖动板到达下筛前最大和最小水平位移分别为 557 mm 和503 mm，在保证玉米脱出物能够落到下筛，同时考虑清选系统中抖动板处的安装空间及上抖动板与上筛间的水平距离，确定下抖动板与下筛的水平距离 145 mm。

　　2.2 双层筛孔式抖动板结构设计

　　双层筛孔式抖动板与振动筛相对位置。为保证清选过程中杂余能够顺利排出清选室，需缩短下抖动板以减弱其对气流的阻挡，其长度需结合后文清选系统内气流分布确定。抖动板主要由踏板和阶两部分组成，踏板长度为 36.7 mm，阶长度为 7.7 mm，踏板与水平面夹角为 15°，阶与垂直面夹角 12°，抖动板是由 42组踏板-阶构成。

　　3 仿真试验

　　3.1 清选系统模型以佳联 CF808 型 6 行玉米联合收获机清选装置为参考进行三维建模。为了保证由脱粒滚筒落下的玉米脱出物能够被抖动板承接，根据脱粒滚筒长度确定上、下抖动板长度、厚度和安装倾角均分别为1350mm、2mm、和 3°。上、下筛长度、厚度和安装倾角均分别为 1360 mm、2 mm 和 3.5°。考虑到计算机运算能力，设定筛面宽度为 100 mm，运用NX.10.0 软件对清选系统进行三维建模，将三维模型导入到 Gambit 软件中进行网格划分。

　　随着抖动板安装倾角的增大，抖动板上的籽粒和杂余透筛概率增加，落到上筛的籽粒相对较少，杂余对籽粒的夹带作用增强，籽粒清洁率、损失率升高;抖动板安装倾角继续增大，抖动板上籽粒和杂余碰撞次数增加，导致茎秆落到下筛，籽粒清洁率减小，同时杂余对籽粒夹带作用减弱，籽粒损失率降低;抖动板安装倾角过大时，籽粒清洁率、损失率变化不明显。

　　随着抖动板频率的增大，抖动板上杂余和玉米籽粒在气流作用下分离效果明显，籽粒清洁率增大;抖动板频率为 4.38 Hz 时，抖动板上籽粒和杂余透筛概率减小，落到上筛的玉米脱出物增加，上筛籽粒的透筛率减小，籽粒损失率增大;抖动板频率为 5.38 Hz 时，抖动板上籽粒透筛概率增大，落到上筛的籽粒数量减小，杂余顺利排出，籽粒损失率降低;但当抖动板振动频率过大时，筛上籽粒跳动次数减少，籽粒透筛几率降低，导致籽粒损失率增大。

　　4 台架试验

　　将从田间收集的玉米脱出物分类为玉米籽粒、玉米茎秆、玉米芯、轻质杂余并称量，利用电热鼓风干燥箱测量玉米脱出物中各成分的含水率，每组试验重复 5 次，得到玉米籽粒、玉米芯、玉米茎秆和轻质杂余的含水率分别为 24.7%、47.5%、63.5%。

　　将收集的玉米脱出物搅拌均匀，从中随机选取 7 kg，对玉米籽粒、茎秆、玉米芯进行分类并称量，重复5 次确定玉米脱出物中各成分平均质量分数依次为：玉米籽粒 73.3%、玉米茎秆 17.6%、玉米芯 8.7%、轻质杂余 0.4%，据此称量出玉米脱出物各成分的质量然后均匀混合，物料均匀铺放于抖动板前端的喂料板上，试验用玉米脱出物通过振动电机驱动喂料板，通过改变振动电机的激振力可以调节喂料板的喂入量。

　　试验前对喂料板上玉米脱出物的喂入量进行标定。当振动电机的激振力分别为 2.3 kN 和 3 kN时，抖动板的喂入量分别为和 7 kg/s 和 8 kg/s。每组试验在5 s内分别喂入35 kg和40 kg玉米脱出物，以保证喂入量为 7 kg/s 和 8 kg/s[21]。

　　根据课题组前期研究[3]，确定清选装置风速和变频器频率的关系，以及振动筛、抖动板频率和变频器频率的关系，分别调整变频器的频率控制清选装置风速、振动筛和抖动板的频率，以振动筛筛分玉米脱出物时间、籽粒清洁率、籽粒损失率为试验指标进行台架试验，同时考虑到实际试验条件，对多因素试验取得的最优解，保留小数点后一位进行试验。参照 GB/T 8097-2008《收获机械 联合收割机试验方法》，进行筛分性能验证试验，并与带有单层抖动板的清选系统的试验结果进行对比，对数据进行均值化处理。

　　5 结论

　　(1)通过理论分析设计了具有分流功能的双层筛孔式抖动板，玉米脱出物在上抖动板实现初步筛分，能够实现玉米脱出物进入清选装置前的分流，一部分籽粒和少部分轻杂余由下抖动板落到下筛，能够减轻上筛的筛分压力，提高了双层筛的利用率。

　　(2)基于 CFD-DEM 耦合仿真试验，探究了抖动板安装倾角、振幅、频率对振动筛筛分玉米脱出物时间、清选系统收集的籽粒清洁率和损失率的影响规律，通过参数优化确定双层筛孔式抖动板的最优参数组合为：抖动板安装倾角为-3.85°、频率为 5.62Hz、振幅为 44.77 mm。

　　(3)由台架试验结果可知，当入口气流速度为 12.8 m/s、气流方向角为 25°，玉米喂入量为 7 kg/s时，带有双层筛孔式抖动板的清选系统籽粒清洁率为 98.25%，籽粒损失率为 1.56%，振动筛筛分玉米脱出物时间为 6.95 s，相比于带有单层抖动板的清选系统籽粒清洁率提高了 1.72 个百分点，损失率降低了 0.84 个百分点，振动筛筛分玉米脱出物时间缩短了 0.57 s，满足玉米清选的国家标准要求。

　　参 考 文 献

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　　作者：王立军1 刘伟腾 李懿航 于锟蒙