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　　聯(lián)合收割機結(jié)構(gòu)原理點滴談7：麥收前夕話清選損失

如何防止作業(yè)中的清選損失，是國內(nèi)外對聯(lián)合收割機諸多部位監(jiān)視的重中之重，也是設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)原理的難中之難。所以聯(lián)合收割機新品投放市場成敗與否，與設(shè)計過程中對清選系統(tǒng)原理確定和結(jié)構(gòu)布置有重要關(guān)系。也正因為此難度，國內(nèi)外機型清選系統(tǒng)的設(shè)計到目前為止也只停留在風(fēng)篩式結(jié)構(gòu)的層面上，而不像脫粒裝置在結(jié)構(gòu)原理上已有較大的突破。

聯(lián)合收割機在使用過程中出現(xiàn)脫不凈、含雜多和籽粒破碎等故障大多是是軟故障。尤其是田間損失，它由多方面原因造成。作業(yè)中往往沒有硬故障出現(xiàn)，可就是不能止損。而往往在這些故障出現(xiàn)時，更多時候是不用做任何調(diào)整，只需換一塊地或換個時段作業(yè)，損失即刻消失。

清選損失主要原因是抖動板和篩面混合物堆積過厚。田間和室內(nèi)實（試）驗中通過研究清選篩面上氣流分布、風(fēng)向、風(fēng)量和風(fēng)壓，混合物在篩面上各處層厚及運動狀態(tài)，籽粒在篩面上運動和透篩機理，設(shè)計出風(fēng)機進出風(fēng)口形狀和調(diào)整最優(yōu)方案，建立起國內(nèi)外相關(guān)資料中沒有出現(xiàn)過的理論依據(jù)，制定了大喂入量作業(yè)條件下減薄混合物層厚和撒糧損失的有效措施。

聯(lián)合收割機結(jié)構(gòu)原理的新發(fā)現(xiàn)和新創(chuàng)造有許多是需要在實驗室得出結(jié)論的。這是因為田間試驗可變因素太多，而實驗室內(nèi)采用單因素法可以使故障重現(xiàn)，最終優(yōu)選得出正確的結(jié)論。多年來，筆者在高校、企業(yè)和田間做過大量的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理實驗和創(chuàng)新改造試驗，有以下過程驗證與結(jié)論性體會。由于篇幅有限，實（試）驗情況與相關(guān)數(shù)據(jù)從略。

物料與輸送

通常情況下進入清選的谷粒占脫出混合物質(zhì)量的90-95%，干燥情況下只有50%。喂入量增加，進入清選雜余量相反會減少。進入清選的谷粒與非谷粒體積比，秸稈含水率15-20% 時為10-20%，干燥時會更低。

目前聯(lián)合收割機清選室內(nèi)混合物料采用輸送攪龍或抖動板輸送。這兩種輸送方式都應(yīng)滿足輸送物料到上篩前的最大厚度不超過80毫米，才能保證清選篩對物料中籽粒的有效分離。而目前作業(yè)中在最大喂入量下輸送物料厚度基本都在150-200毫米之間，對清選裝置正常工作是極為不利的。

喂入量增加則混合物增多。目前國產(chǎn)橫軸流8公斤機喂入量已經(jīng)使抖動板鋪層厚度嚴重超標。抖動板在輸送過程中雖有分層作用，但在喂入量較大、混合物較多的情況下因鋪層過厚分層效果不好。加之混合物從抖動板下落到上篩過程中，抖動板與上篩之間因落差過小，氣流無法將混合物中的雜余完全托起并一次送出機外，為此給上篩籽粒分離造成較大難度。如果要將抖動板下落到上篩前的雜余一次送出機外，則需要減薄抖動板上混合物厚度，使風(fēng)機有足夠能力將雜余與籽粒分離，使雜余呈漂浮狀態(tài)離開機體。 

國外篩箱振動頻率普遍為250-325次/分鐘。按國內(nèi)現(xiàn)有機型清選篩抖動頻率360次/分鐘，抖動階梯板間距和篩片之間間距30毫米計算，每秒鐘混合物位移180毫米。按現(xiàn)有機型田間作業(yè)速度2米/秒即作業(yè)速度7-8公里/小時計算，篩面混合物層厚可達200毫米。這對目前配套的風(fēng)篩式清選系統(tǒng)是很難確保籽粒分離的。

篩箱初始角和振幅的變化也影響清選效果： 一定的谷物在輸送速度不變的情況下，空氣阻力的變化與物料層厚度是成正比例的；而物料層的厚度又同谷物的喂入量成正比。輕雜余靠空氣動力作用分離，秸稈則靠氣流和機械推動沿篩面運動?；旌衔镙^薄時，谷粒容易穿過篩孔。但如果輸送速度過高，由于時間的原因，谷粒反而不易分離出來。

2020年麥收期間各橫軸流品牌機型撒糧都較多。其原因仍然是脫谷室下落到清選篩面混合物過多（超過常規(guī)80毫米極限厚度），厚度近200毫米，造成篩面負荷重，氣流托不起雜余，籽粒不能分離，隨雜余沿篩面移出機外。

根據(jù)國內(nèi)外聯(lián)合收割機相關(guān)設(shè)計要求， 抖動板和篩面上混合物標準厚度一般控制在60毫米左右，干燥時收割也不應(yīng)超過100毫米。對于這個厚度的混合物，對目前機型配套的離心風(fēng)機，在篩片和風(fēng)機都按標準正確調(diào)整的情況下，完全可以托起全部混合物中的雜余實現(xiàn)籽粒分離。但如果篩片和風(fēng)機調(diào)整不當(dāng)，混合物就會在篩面上出現(xiàn)移動速度緩慢，形成滯留積堆，籽粒夾雜在堆積的混合物中移出篩面造成落地損失。目前8kg/s機喂入量繼續(xù)增大，在小麥后期收獲秸稈破碎更多，抖動板上混合物厚度達到200毫米左右，極易出現(xiàn)籽粒損失。

為了使谷粒快速穿透篩片，物料層的厚度不能過厚。同時過高的輸送速度使物料匆忙通過篩面，影響籽粒透篩。特別是篩片過高的加速分量引起籽粒跳動，減少透篩機會。

所以說，要實現(xiàn)高效率清選，就要明確混合物的產(chǎn)生、位置、狀態(tài)和排出，除與風(fēng)機有關(guān)外，還與抖動板和清選篩的振幅、頻率、位置、層數(shù)、寬度、長度、篩片分段開啟片數(shù)、清選室內(nèi)形狀大小等因素有關(guān)，還與作業(yè)速度和喂入量有關(guān)。

清選篩

根據(jù)多年多次多種物料清選試驗發(fā)現(xiàn)，清選篩面振動頻率在4赫茲上下時篩面籽粒分離透篩快，且基本在篩片前段下落完畢。而在振動頻率6赫茲上下時篩面不少籽粒則可以一直跳動到尾篩拋出機外。當(dāng)然，抖動板上混合物則在目前高頻振動時的后移速度明顯高于低頻振動。

上篩作用：具有中等懸浮的物料，可以通過部分輕雜余的浮動和部分重雜余沿篩面機械推送過程中除掉。隨著喂入量的增加，浮動雜余會減少，機械式推進雜余會增加，到莖稈再次被積聚到一起時形成連續(xù)流動。如果較輕較小物料事先除掉，并且篩孔的開度合適，則谷粒就容易通過篩孔下落收集。其次，風(fēng)力的需要量要使氣流速度大到足以使物料層蓬松和部分浮動，但不得大到把谷粒吹出機外。當(dāng)然，被吹掉的物料比例是隨喂入量增加而增加的。

當(dāng)混合物濕度較大時，上篩前段不易開度過大，以免影響物料在篩面上后移。因為濕物料的漂浮速度較大，不易被氣流托起，會從抖動板上直接下落到上篩前端。此時的籽粒分離則需要篩子的機械運動實現(xiàn)。而對于濕度較小的混合物，則上篩前端需要全部打開，為利用篩下氣流一次將混合物中的雜余托起并實現(xiàn)籽粒透篩。

下篩作用：下篩主要是用機械式移動來進行穎殼細雜的篩選，籽粒通過篩孔的能力受谷粒的尺寸和谷粒相對于孔眼方向的影響。

清選篩逆向運動為減少不平衡振動和秸稈插入篩片的機會。篩片往復(fù)振動與靜止時相比，篩面氣流速度普遍降低，而對篩面氣流分布規(guī)律沒有影響，與減小風(fēng)機轉(zhuǎn)速對篩面流場產(chǎn)生的作用相當(dāng)。篩子振動頻率愈高，篩面結(jié)構(gòu)對氣流的影響愈大，篩上風(fēng)速愈低。

清選負荷較重時，篩面物料阻擋了氣流，使其速度普遍低于無負荷情況下的篩面氣流速度。喂入量愈大，脫粒產(chǎn)生混合物進入越多，篩面風(fēng)速愈低。

魚鱗篩開度在5～10毫米范圍內(nèi)對其篩面風(fēng)速影響不大。開度小時，篩面前部風(fēng)速略有下降。一般情況下，當(dāng)篩片與水平面夾角與風(fēng)機出口傾角相接近時，篩面前部風(fēng)速較大。另外，魚鱗篩開度還影響其風(fēng)向。

良好的篩面氣流分布狀態(tài)應(yīng)滿足以下幾點：

1. 正常工作時，篩面橫向氣流要求分布均勻，篩面氣流分布狀態(tài)基本不變。這些條件可通過清選裝置的設(shè)計與加工、運動參數(shù)的調(diào)整來滿足。

2. 在篩子前部，由于初進入清糧室的籽粒和雜質(zhì)量多層厚，且混雜在一起，故需要較高的風(fēng)速和較多的風(fēng)量來吹散物料，吹出輕雜物。但風(fēng)速不宜過高，否則籽粒吹送過遠移出機外。 

3. 隨著物料不斷向篩面后段運動，混合物會逐漸疏散并減少，清除雜質(zhì)所需的空氣量也可相應(yīng)地減少，所以篩面氣流速度沿篩子縱向也應(yīng)逐漸降低。同時，氣流與篩子振動相配合，使籽粒與雜質(zhì)分層離散。若篩子中部風(fēng)速過高，會使混合物在篩面上的停留時間縮短，不利于很好地篩選。但風(fēng)速不宜降低過快，特別是對于單位幅寬喂入量大，雜余含量高的情況，以免落入該區(qū)間的雜質(zhì)輕易落入篩孔，使含雜率上升。

4. 在篩子尾部，篩面上物料絕大部分是大雜質(zhì)，只有極小部分未分離的籽粒。為避免過多的大雜質(zhì)進入雜余回收部分，篩尾風(fēng)速應(yīng)略有提高，將大雜質(zhì)吹出機外。

當(dāng)然，為了避免清選損失過多，對清潔度要求可以適當(dāng)降低。

風(fēng)機

風(fēng)篩式清選裝置中風(fēng)機的主要作用是利用脫出物中不同成分(籽粒、穎糠、碎葉、斷穗和部分短莖稈)的空氣動力特性，完成籽粒與雜質(zhì)的分離清選。根據(jù)對試驗物料不同成分在群體條件下分離的氣流速度測定，籽粒與穎糠、碎葉、部分短莖稈等輕雜質(zhì)可以利用氣流完全分離，同時氣流要與篩子適當(dāng)配合才能較好地完成對大雜質(zhì)和少量落在篩面上的輕雜質(zhì)的清除。

清糧裝置是依靠氣流把飄浮速度較小的夾雜物吹走，而漂浮速度較大的夾雜物則靠篩子清除。這就要求氣流在抖動板向篩面移送入口處以較大的流速(8—9米/秒)將混合物吹散，把輕雜物往遠吹出機外，使篩子前半部分混合物中的輕雜物盡量減少，讓大量谷粒在此透篩，以此來提高篩選效果。為了使不太飽滿的籽粒不被吹出機外，要求氣流自篩前往后逐步降低到2—3米/秒。因為在篩面中后部谷層較薄，在篩子抖動作用下，谷粒全部穿過上篩。尾篩尾部由于篩框后擋板的設(shè)計，可將風(fēng)速提高到4—5米/秒，托起浮在篩面上的大雜余送出機外。尾篩傾角和片距較大，可將少量斷穗篩落下進入雜余螺旋推運器進行二次脫粒。

為了獲得上述篩面要求的氣流，通常對氣流與篩子的配置提出下述要求：

1.氣流吹送方向與篩面成25—30°角，風(fēng)機出風(fēng)口氣流直吹篩面在長度方向的范圍應(yīng)為篩子全長的2/5—3/5。也有機型氣流直吹方向較陡(如35—40°)，僅為篩子長度的1/5。喂入量大，含雜率高，直吹的高速風(fēng)區(qū)要加長。

2.通常清選裝置的容腔（上篩上方）是逐漸擴大的，這樣才能保證篩面從前到后有一個逐漸下降的風(fēng)速分布，這就可使夾雜物在出口處跌落下來的過程中把相當(dāng)部分輕雜物吹走，從而減輕篩面負荷。也有實驗室的不同結(jié)論：容腔在尾篩上方突減截面，使風(fēng)速提升，叫漂浮中的雜余在此處不下降，繼續(xù)后移離開機體。

3.氣流速度橫向均勻分布在寬幅的、離心式軸向進風(fēng)的風(fēng)機出口管道內(nèi)。氣流在寬度范圍的分布是不均勻的，且隨著寬度與葉輪直徑比值的(一般不超過1.5)增大而嚴重。它使谷粒含雜率上升，同時使谷粒吹落損失增加。改進措施有以下幾種：

（1）對半分開成兩個以上風(fēng)機，獲得多個進風(fēng)口：在整體式風(fēng)機上，由于進風(fēng)口過遠，在出風(fēng)口中段形成較大負壓，兩側(cè)所進的風(fēng)直沖篩面中央，從而中間風(fēng)速特高，兩側(cè)有反吸氣流。將風(fēng)機對半分開后，風(fēng)速均勻性大為改善。

（2）在出風(fēng)管內(nèi)加橫向?qū)эL(fēng)板和在外殼開孔放風(fēng)：因為在加寬風(fēng)扇后，通常出風(fēng)口下層風(fēng)是兩側(cè)高、中央低，而上層風(fēng)則與此相反。為此利用加導(dǎo)風(fēng)板和開放風(fēng)孔可以使氣流均勻起來。 

（3）采用徑向進風(fēng)的風(fēng)機(橫流風(fēng)機)：其特點是氣流在寬度方向分布均勻，并且改變進風(fēng)口開度大小可使風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍增大。與軸流風(fēng)機相比，在含雜率相近的條件下，谷粒吹出損失差別較大。此外，徑向風(fēng)機在產(chǎn)生相同氣流能量的前提下，其徑向尺寸可比軸向進風(fēng)風(fēng)機縮小約2/5。

風(fēng)機出口傾角減小時，篩面前部風(fēng)速沿縱向降低速率變快，后部風(fēng)速沿縱向降低速率減緩。故風(fēng)機出口傾角的改變，引起氣流吹向篩面上方與吹向篩面下方的比例發(fā)生變化，主要影響篩面高速風(fēng)區(qū)的縱向位置，進而影響篩面氣流分布規(guī)律。

加長出風(fēng)口后，在距風(fēng)機軸距離較遠的位置也可以得到較高的風(fēng)速，并且加長500毫米比加長300毫米效果更明顯，但風(fēng)機口加長后出風(fēng)口初速度會降低。

根據(jù)風(fēng)機理論，在離心風(fēng)機出口管路發(fā)生的流動過程常常稱為“靜壓回收”。離開風(fēng)機流速較高的氣流逐漸膨脹，充滿了管路。動能（動壓）減少，勢能（靜壓）增大。出口管路越長，壓力回收越多，靜壓越大，風(fēng)被送得越遠。在送風(fēng)方向上風(fēng)速變化平緩。 

風(fēng)機轉(zhuǎn)速變化也影響清選效果：進風(fēng)口越小，風(fēng)速和風(fēng)壓就越大。進風(fēng)口擋風(fēng)板安裝位置對篩面混合物的堆積位置有極大的影響, 因為脫出物沿篩面橫向均勻分布會受縱軸流脫粒原理和混合物與篩箱側(cè)壁摩擦阻力的影響，氣體流量與速度在篩面不同位置都會產(chǎn)生變化。當(dāng)風(fēng)機兩側(cè)進風(fēng)口無調(diào)風(fēng)板時，出風(fēng)口風(fēng)速中間小兩側(cè)大，上層小下層大。

結(jié)論: 

根椐試驗分折，傳統(tǒng)單風(fēng)道風(fēng)篩式清選裝置要獲得理想的篩面流場，其結(jié)構(gòu)及運動參數(shù)設(shè)計應(yīng)注意以下幾點： 

1. 風(fēng)機出風(fēng)口與篩面的配置應(yīng)兼顧篩面上、下，同時適當(dāng)選取出風(fēng)口傾角(與篩長有關(guān))，使氣流大部分吹篩下，小部分吹向從凹板落下的脫出物，可使篩面氣流逐漸降低，有利于籽粒與雜質(zhì)的分離。

2.篩下安裝籽?；?，使篩下氣流從逐漸收縮的出口吹出，較好地起導(dǎo)風(fēng)作用，可使篩后風(fēng)速略有提高，有利于降低二次處理率。沒有在篩下安裝滑板，不能形成篩下氣流出口的收縮效果。

3. 一般篩面前部風(fēng)速最好能使輕雜物一次吹出篩面，沿篩長風(fēng)速逐漸降低，篩面中、后部風(fēng)速的垂直分量應(yīng)接近或高于莖稈等大雜質(zhì)在群體條件下分離的氣流速度，篩面后部出口處風(fēng)速應(yīng)略有提高。

4. 得到理想的氣流分布規(guī)律后，具體的運動參數(shù)需根椐實際物料條件和喂入情況進行調(diào)整。

由于單出風(fēng)道風(fēng)機在高效聯(lián)合收割機上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有缺陷，固市場上出現(xiàn)多種型式的雙出風(fēng)道風(fēng)機，其結(jié)構(gòu)原理實（試）驗結(jié)論待續(xù)。