第一章 绪 论
1.1 研究背景与意义
水稻是全球人口的主要粮食来源，随着我国水稻产量的增加，以及高产水稻的普及，对联合收获机收获效率的要求逐渐提高。近年来，随着农业机械化的普及，谷物联合收获机得到了快速发展[1,2]。清选装置是谷物联合收获机最重要的部件之一，国家对清选效率有明确要求，国家行业标准 JB/T5117-2006 要求：清选损失率不大于 0.5%，含杂率不大于 2.0%[3]。而清选性能的好坏直接关系到整机的工作性能，清选损失率与含杂率是衡量清选性能好坏的重要指标[4]。清选装置与脱粒分离结构的匹配性对清选性能有着直接的影响，目前市面上脱粒分离结构主要是纵轴流滚筒或横轴流滚筒联合收获机，切横横三滚筒联合收获机在市场占有份额还较低，由于切横横多滚筒联合收获机具有三个脱粒滚筒，其中切流滚筒主要起初脱作用，第一横轴流起主脱作用，第二横轴流滚筒主要起复脱和分离作用，其具有脱粒时间长的优点，而与其相配合的仍是传统的单出风口离心风机加双层振动筛的形式，在作业于含水率高、喂入量较大的水稻物料时，存在出风口速度小，风速衰减快、水稻脱出混合物容易在清选室内堆积的问题，从而造成整机清选性能和效率较低，严重制约了机器的作业效率，造成了脱粒性能与清选性能之间的矛盾越来越突出[5]。因此传统的单风道离心风机加双层振动筛的清选装置在结构及清选性能等方面以无法适应多滚筒联合收获机。因此需要探究与多滚筒联合收获机相匹配的清选装置。近年来，许多专家学者及国际著名的 CASE、CLASS、New Holland 等农机跨国公司对谷物联合收获机清选装置进行了大量的研究与试验。如清选装置采用了多风道离心风机加预清选加双层振动筛或者采用不同形式与规格的鱼鳞筛等多种清选结构形式来提高清选装置与脱粒分离装置的匹配性，进而提高联合收获机的清选性能。但上述装置主要是针对小麦、玉米等旱作物。而国外的种植方式与国内又存在较大的区别，故上述清选装置不能直接适用于国内水稻的收获作业。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 脱出混合物分布规律研究
脱出混合物在清选室内的分布与联合收获机的清选效果有着密不可分的联系，而脱粒分离装置结构和工作参数的不同均会影响清选室内脱出混合物的分布，进而影响清选性能，近年来，国内外专家学者对不同脱粒分离结构和工作参数下脱出混合物的分布规律进行了研究。【国外】美国学者 P.L.Miu 等[6]介绍了在轴流联合收获机的脱粒分离为杆齿形式下的清选室内脱出混合物的分布情况，并对脱出混合物及籽粒的累积分离率进行了理论研究，得到了累积分离曲线，并通过试验进行了验证。加拿大学者 V.M.Hunynh 等[7]在传统研究的基础上建立脱粒分离过程的数学模型，同时研究了脱出混合物沿周向分布的规律，得到了脱出混合物在周向分布规律曲线。【国内】2002 年，衣淑娟[8]为了研究钉齿脱粒分离装置脱出混合物的分布规律，在自行研制的脱粒分离装置试验台上进行了试验研究，得出了脱出混合物、籽粒与茎秆沿滚筒轴向的分布规律。2005 年，李渤海等[9]为了得到联合收获机脱出混合物在清选室内的分布规律，在轴流脱粒分离装置试验台上进行了试验研究，通过试验得出水稻脱出混合物沿切向的分布规律呈现多项式曲线的数学模型，沿滚筒轴向方向，水稻脱出混合物分布不均。
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第二章 多滚筒联合收获机清选装置结构设计
国内外相关研究表明联合收获机清选室内脱出混合物的分布规律对清选性能有直接影响，而清选结构与脱出混合物在清选室内的分布有很大的关系。因此，要提高多滚筒联合收获机的清选性能，首先要对其脱出混合物在清选室内的分布特点进行研究，在此基础上，设计适合其脱出混合物分布特点的新型清选装置。
2.1 多滚筒联合收获机脱出混合物分布规律与特点
为研究多滚筒联合收获机脱出混合物在清选室内的分布情况，在江苏大学自行研制的多滚筒脱粒分离试验台上进行试验，如图 2.1、2.2 所示。物料输送装置位于试验台的最前方，由输送带和输送槽组成，是物料脱粒过程的开始端，通过控制输送带的前进速度、输送槽的转速可以满足喂入量0kg/s~8kg/s 的改变；喂入装置由螺旋搅龙、齿杆组成；脱粒装置是多滚筒脱粒分离试验台的核心工作部件，主要包括切流滚筒、第Ⅰ和第Ⅱ横轴流滚筒，切流、横轴流凹板和切流、横轴流导向盖板。切流滚筒直径为 400mm，宽度为 480mm，第Ⅰ和第Ⅱ横轴流滚筒直径为 400mm，宽度为 1100mm，切流、横轴流凹板分别位于切流、横轴流滚筒下方，切流、横轴流导向盖板分别位于切流、横轴流滚筒上方，固定在切流、横轴流滚筒盖上。接料装置是由接料小车和接料盒组成，根据试验需要，在接料小车内放置了沿滚筒轴向排列的 10 个接料小盒，沿滚筒径向排列 15 个接料小盒，每个接料盒长（140mm）×宽（140mm）小料盒紧紧相邻，接料小车位于切流、横轴流滚筒正下方，接料小车具体分布如图 2.3 所示。由转速传感器、扭矩传感器变频器驱动电动机和工控机等组成，驱动调速电动机独立驱动试验台各个工作部件，通过控制旋转按钮可以对输送带的速度，输送槽，切流滚筒，第Ⅰ和第Ⅱ横轴流滚筒的转速进行无级调整[54,55]。
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2.2 多滚筒联合收获机清选装置的结构设计
与多滚筒联合收获机配套的传统清选装置主要结构包括单出风口离心风机、抖动板、双层振动筛等组成，如图 2.6 所示。传统联合收获机清选装置由单出风口离心风机加振动筛组成，在进行田间收获时，经切流滚筒凹板筛落下的脱出混合物，落到振动筛上抖动板上，经过上抖动板的抖动、均拨作用落入清选室内，经横轴流滚筒凹板筛落下的脱出混合物直接落入到上层鱼鳞筛上进行清选，清选室内的脱出混合物在风机气流的清选以及振动筛筛分的共同作用下，干净的籽粒经过籽粒搅龙输送到粮箱，部分籽粒与轻质杂余经过尾筛的作用落入到二次杂余搅龙，经二次杂余搅龙输送到振动筛上再次进行清选。由于单风道离心风机具有结构简单的特点，得到了广泛的应用，但随着水稻亩产量的增加，对联合收获机的收获效率提出了更高的要求。随着联合收获机收获效率的提高，从而要求喂入量不断增大，导致在清选室内的脱出混合物层厚也不断增加，单出风口离心风机的气流方向与速度难以满足清选过程中对气流方向与速度的不同需求。因此，需要针对多滚筒联合收获机的结构特点，选择与之匹配的高效清选装置。经横轴流滚筒凹板筛落下的脱出混合物直接落入到上层鱼鳞筛上，脱出混合物在清选室内分布不均，容易造成在清选室内单边堆积，从而带来清选损失率以及含杂率较高等问题，因此，需要针对多滚筒联合收获机脱出物分布的特点，设计与之相匹配的清选结构。本文采用在原有清选装置的基础上，在横轴流滚筒下方，增加回程输送板的装置，使经过横轴流滚筒凹板筛落下的脱出物进入到回程输送板上，经过回程输送板的抖动、输送、均拨的作用，在落入到清选室内。
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第三章 多滚筒联合收获机脱出混合物均布装置........27
3.1 回程板上均布装置（导流条）的布置方案..........27
3.2 运动仿真分析..........29
3.3 仿真结果分析..........33
3.4 脱出混合物均布装置田间试验......35
3.4.1 试验方案.......35
3.4.2 试验材料.......36
3.4.3 试验结果与分析...........36
3.5 清选性能验证田间试验..........37
3.6 本章小结..........38
第四章 多风道离心式风机参数优化及仿真........40
4.1 农业物料特性参数测量..........40
4.2 双出风口多风道清选装置工作原理简介......42
4.3 CFD 数值模拟计算..........44
4.4 数值模拟结果分析..........47
4.4.1 出风口速度云图分析...........47
4.4.2 风机速度云图分析.......49
4.5 风速测量试验..........51
4.6 本章小结..........53
第五章 清选装置田间性能试验..........54
5.1 清选装置田间性能测试..........54
5.2 试验结果及分析......57
5.3 本章小结..........61
第五章 清选装置田间性能试验
联合收获机清选性能的指标包括清选损失率、清选含杂率等指标，清选性能是衡量联合收获机性能的主要指标。本章主要对多滚筒联合收获机进行田间试验，主要以清选损失率、清选含杂率作为性能指标，研究风机转速、分风板Ⅰ倾角、分风板Ⅱ倾角、鱼鳞筛高度等参数对清选性能的影响，并对田间试验结果进行分析。
5.1 清选装置田间性能测试
根据前期试验，本试验选取风机的转速、鱼鳞筛的高度、风机分风板Ⅰ的倾角、风机分风板Ⅱ的倾角四个因素为试验参数，试验分为单因素试验和正交试验进行，以清选损失率、含杂率作为清选性能的衡量指标，研究上述参数对联合收获机清选性能指标的影响，并利用极差分析法对试验测得的数据进行分析处理，从而选出上述工作参数的最优组合。其中，清选损失率、清选含杂率的计算如公式 5-2，5-3 所示。单因素试验风机的转速选取 900r/min,、1100r/min、1300r/min、1500r/min、1700r/min,鱼鳞筛的高度选取 12mm、16mm、20mm、24mm、28mm,分风板Ⅰ的倾角选取 18°、22°、26°、30°、34°，分风板Ⅱ的倾角选取 18°、22°、26°、30°、34°。根据单因素试验结果，安排正交试验。
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总结
本文以多滚筒联合收获机为试验机型，以提高整机清选性能为目的，同时设计出与多滚筒联合收获机相匹配的清选装置，结合仿真与试验，对整机清选装置进行优化设计。完成的工作具体如下：
（1）以多滚筒联合收获机为研究对象，通过多滚筒脱粒分离装置台架试验，得出清选室内脱出混合物分布规律，根据脱出混合物分布特点，确定了多滚筒联合收获机清选装置结构主要由双层振动筛（上层鱼鳞筛、下层编织筛）、尾筛、前抖动板、四风道离心风机、回程输送板等组成，并设计了各个部件的具体结构及尺寸。
（2）首先对脱出混合物各成分进行了悬浮速度测定。其次主要根据多滚筒联合收获机脱出混合物分布规律，切横横脱粒分离装置脱出混合物中的籽粒与茎秆在轴向和径向分布很不均匀，容易造成在清选室内单边堆积，不利于后续清选工作，降低清选性能。故提出一种在回程板上安装均布装置（导流条），并采用颗粒离散元方法，建立了均布装置仿真模型，确定仿真参数，仿真分析导流条的高度、导流条与回程板侧边的角度、导流条的数量对脱出混合物轴向分布的影响，根据仿真结果，选取最优导流条布置方案进行了田间试验，对比改进前后脱出物分布规律的变化。并进行清选性能对比试验，在回程板上布置导流条之后，清选含杂率由1.26%降低到0.67%，降低了46.8%，清选损失率由1.11%降低到0.52%，降低了 53.2%，清选性能有了明显提高。
（3）通过 pro-e 软件建立五个离心风机模型，通过 Fluent 软件对五个双出风口多风道离心风机进行了数值模拟，并对上出风口的风速大小进行了分析，通过五个模型仿真结果的对比分析，并结合水稻脱出混合物物料的漂浮系数的大小，可以得到风机模型Ⅱ能够适应多滚筒联合收获机的清选装置。根据第二章设计的双出口多风道离心风机，并结合数值模拟仿真结果确定的上出风口高度的大小，并以此为基础，选择离心风机Ⅱ作为多滚筒联合收获机清选装置的风机，并与数值模拟结果进行对比，验证了分布趋势的一致性。
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参考文献（略）