便携机分离筒吸杂口偏置型清选装置的设计与试验

李灵敏，徐　瑞，石坤鹏，许庆峰，王晓兰，王升升

(1.中国一拖集团有限公司 技术中心，河南 洛阳　471039；2.河南科技大学 农业工程学院, 河南 洛阳　471003)



便携机分离筒吸杂口偏置型清选装置的设计与试验

李灵敏1，徐瑞1，石坤鹏1，许庆峰1，王晓兰1，王升升2

(1.中国一拖集团有限公司 技术中心，河南 洛阳471039；2.河南科技大学 农业工程学院, 河南 洛阳471003)

摘要：清选系统是便携式谷物联合收获机的重要部分。为此，针对丘陵山区用的双行便携式谷物联合收获机，清选作业时吸杂风机转速过高的问题，对吸杂口偏置型分离筒进行了结构设计。通过自制的分离筒吸杂口偏置型清选装置试验台，对吸杂口的旋转角度与偏置距离进行试验研究，得到了小麦清选性能较好的旋转角度与偏置距离分别为30°和30mm，为便携式谷物联合收割机清选系统的设计提供了依据。

关键词：联合收割机；清选装置；分离筒；吸杂口；清选性能

0引言

目前，我国平原地区的谷物收获已基本实现机械化。但是，我国具有大量的丘陵山区，这里广泛种植小麦、水稻等谷物。随着我国丘陵山区农业机械化水平落后与农机需求增多问题的日益凸显，解决丘陵山区农业机械小型化具有重要意义。便携式谷物联合收割机是应丘陵山区谷物收获需要而提出的一种新型谷物联合收割机，要求整机各工作部件结构尺寸小、质量轻、装拆方便、便于分部件运输[1-4]。

现有的便携式谷物联合收割机上使用的清选系统存在一些问题，如在田间试验时，风机转速在3 500r/min左右，导致整机振动比较大，难以保证清选系统的稳定性。所以，需要对吸杂口偏置分离筒在便携机清选系统的应用进一步研究，以达到满足清选标准及使风机转速降低的目的，这对丘陵山区用的便携式谷物联合收割机的清选系统的设计很有意义[5-10]。

此次研究的对象是小麦，试验因素为分离筒吸杂口的旋转角度和偏置距离；试验研究了这两个试验因素对清选性能的影响规律，得到了最优的分离筒吸杂口旋转角度和偏置距离；与以往的清选系统对比，在吸杂风机转速下降的同时，清选性能有所提高，为该清选系统在便携式谷物联合收割机上的配置提供了依据。

1旋风分离装置工作原理

旋风分离装置主要包含扬谷器、旋风分离筒和吸杂风机3个工作部件。旋风分离装置对谷物清选物料的分离是利用空气动力学特性和物体的漂浮特性实现的。

在旋风分离装置中，旋风分离筒为物料的分离部件，吸杂风机提供分离筒内的气流场，扬谷器提供物料进入分离筒时的初始速度。分离筒内部的气流场有中间高速上升气流和外围低速下行气流，根据物体的漂浮特性，上升气流的速度要小于籽粒的漂浮速度而大于杂余的漂浮速度，由此决定吸杂风机的工作能力；物料进入分离筒时的初始速度要足够提供籽粒绕筒壁旋转的离心力，而杂余的密度小，一般不会形成绕筒壁的环流，由此决定扬谷器的最小输送速度。

在谷物清选中的待清选物料需要分离的是籽粒和杂余，其在分离筒中的分离原理是：物料沿切向进入分离筒时有初始速度，在离心力作用下，密度较大的籽粒绕筒壁旋转，在下行气流的作用下形成下行物料流，密度较小的杂余受到上升气流的作用形成上升物料流，上升物料从上口离开分离器，下行物料从下口离开分离器，这样物料中的籽粒和杂余就完成了分离。但是，在气流分界线附近会出现籽粒杂余混杂的状况，部分籽粒进入高速上行气流区，这时物体的漂浮特性会起作用，上行气流速度小于籽粒的漂浮速度，籽粒仍然会下落从下口离开分离筒；但由于籽粒和杂余之间会有较为复杂的相互作用，会有少数籽粒在杂余的托浮下从上口离开分离筒，即为清选的籽粒损失；而部分杂余进入下行气流区，但其在落入下口前会在上升气流的作用下再次进入上升气流区，被上升气流从上口带离分离筒，同样会有少数杂余在与籽粒之间的相互作用下从下口离开，影响到清选后籽粒的清洁率。改善旋风分离装置清选性能，就是通过改变其各项参数，尽量减少从上口排出的籽粒和从下口落下的杂余，减少损失率，提高清洁率。旋风分离装置的分离原理如图1所示。

图1　旋风分离器分离原理

旋风分离装置的工作过程是：由脱粒滚筒排出的混合物料经扬谷器抛扔沿切向进入旋风分离筒内，在离心力和重力的作用下，籽粒绕筒壁做向下的螺旋运动，从出粮口排出；杂余在上升气流作用下向上运动，从吸杂口经吸杂风机排出，完成籽粒与杂余的分离。

2吸杂口偏置分离筒的结构

2.1　分离筒结构

吸杂口偏置型分离筒的结构示意图，如图2所示。

1.吸杂口　2.分离筒中段　3.物料入口　4.出粮口

2.2　吸杂口旋转角度

吸杂口旋转角度的定义如下：由上往下看，吸杂口的圆中心相对于分离筒中段的圆中心的变化角度即为旋转角度。为了进一步说明，先将吸杂口圆中心相对于分离筒中段的圆中心的偏置距离定为15mm，其次规定如下：物料进入分离筒的方向为起始位置0°，顺时针旋转180°即为结束位置。试验中，将这180°的旋转角度，平均6等分，每30°是一个试验水平，共6个：0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，如图3所示。

图3　吸杂口的旋转角度

2.3　吸杂口偏置距离

吸杂口偏置距离的定义如下(见图4)：由上往下看，吸杂口的圆中心相对于分离筒圆筒体圆中心的距离。吸杂口中心由旋转角度与偏置距离确定，由分离筒的清选原理决定试验时偏置距离选取时，分离筒的中心点必须在吸杂口的圆圈内。所以，此次偏置距离试验的取值范围为0~60mm。将其4等分，每15mm为一个试验水平，即偏置距离的试验水平为15、30、45、60mm，再加上偏移距离为0mm(即不偏移)的试验为对比试验，一共5个试验水平。

图4　吸杂口的偏置距离

3分离筒的影响因素与尺寸

3.1　分离筒顶部

此次研究选用的旋风分离筒为切向旋风分离筒，顶部为锥顶，其锥度的大小影响杂余及短茎秆的排出。锥度大不易分离，影响整机清洁率；锥度小，籽粒容易被吸走，损失严重。

3.2　分离筒体高度

筒体高度过小，则分离时间不足，籽粒与杂余来不及充分分离，清洁率降低，且损失会增加；筒体高度过大，则不利于颖糠的排出，导致清选不干净。

3.3　分离筒锥底角

小麦的摩擦角为27°～38°，锥底角过大，谷物不能及时滑出，造成堵塞；锥底角太小，谷粒和杂余下落过快，影响清洁率。

3.4　切向入料口位置

该因素和筒体高度的影响一样，主要影响物料在筒体内的运动时间，进而影响其籽粒清洁率和清选损失率。

3.5　下锥体进风口尺寸

进风口太小，阻碍谷物掉落，还会在下锥段和主圆体连接处产生涡流，聚集杂物，影响整机清洁度；尺寸过大则使吸力降低，清洁率降低。

3.6　吸杂口直径

直径过大吸力会降低，直径过小阻碍杂余特别是短茎秆的排出，导致清洁率下降。

3.7　分离筒尺寸

此次分离筒结构尺寸，主要参照现有便携式谷物联合收割机清选系统中旋风分离筒的模型，根据以往经验，综合试验所研究的清选系统喂入量和清选能力两大因素，对分离筒进行结构相似性设计。在此特别强调的是本试验研究主要是吸杂口旋转角度与偏置距离对清选系统性能的影响，并不做清选系统结构参数的优化。

此研究所用分离筒顶部锥角为38°，出杂口直径为110mm；分离筒中段直径为280mm，高度为195mm；谷物进口尺寸为长87mm×宽55mm；分离筒下锥体锥角为115°，下出粮口直径取150mm。

4室内试验

4.1　室内试验台和试验方法

分离筒吸杂口偏置型清选装置试验台主要由物料输送带、接料仓、一级扬谷器、二级扬谷器、分离筒和吸杂风机等组成，如图5所示。主要工作部件的结构尺寸与相对位置根据双行便携式谷物联合收割机的整机配置要求确定。

室内试验的清选喂入量、清选物料组分由双行便携机的机进速度、割幅、谷物生长状况等决定。

本试验以小麦为收获对象。考虑丘陵山区大面积小麦生长状况，设小麦产量6 000kg/hm2，机进速度0.4m/s，割幅0.4m。据此计算清选系统籽粒喂入量为0.096kg/s。参考双行便携式谷物联合收割机田间作业情况，确定试验用小麦物料的含杂率为25%，颖糠和短茎秆比例为10∶1，短茎秆长度为4～7cm，试验物料中籽粒含水率14%～15%，杂余含水率13%～16%。

1.变频电机Ⅰ　2. 变频电机Ⅱ　3.一级扬谷器　4.接料仓

每次试验，输送带面上铺放可满足清选系统连续工作30s的物料，则每次清选试验所需物料总量为3.84kg，其中籽粒为2.88kg，杂余为0.96kg。

试验时，首先将称重好的小麦籽粒和杂余混合、搅拌均匀后，再根据铺料的长度和宽度，均匀铺到输送带上；然后依次启动吸杂风机、二级扬谷器、一级扬谷器的电机，并通过变频器调节的使其达到试验所需转速，待吸杂风机、二级扬谷器、一级扬谷器转速达到试验所需并稳定工作，最后启动输送带；物料从输送带顺着滑板落入接料室，由推运搅龙送入一级扬谷器，经一级扬谷器抛入二级扬谷器叶轮的中心，再由二级扬谷器沿切线方向抛入分离筒内，在重力、离心力以及上升气流的共同作用下，小麦籽粒沿分离筒内壁向下螺旋运动，自出粮口落到接粮筒中，杂余在吸杂风机吸力的作用下由吸杂口经风机排入接糠网中，完成一次清选系统的试验。

试验选取籽粒清洁率Yq、清选损失率Ys和籽粒破损率Yp3个性能指标。设接粮筒中物料总重为G1、纯净籽粒重G2、接糠网中籽粒重G3，可得清选系统性能指标为

(1)

(2)

4.2　吸杂口旋转角度试验

首先，以清选工作的顺畅和基本满足清选指标为原则，进行预试验。经多次试验后初定：一级扬谷器转速为600r/min、二级扬谷器转速为900r/min、吸杂风机转速为3 100r/min。

以籽粒清洁率与清选损失率为试验指标，吸风口偏置距离初定15mm，旋转角度的试验水平为：0°,30°,60°,90°,120°,150°,180°,保持其余参数不变。试验结果如表1所示。

表1　 吸杂口的旋转角度试验结果表

整理数据得到吸杂口旋转角度对籽粒清洁率与清选损失率的影响规律，如图6所示。

图6　旋转角度对试验指标的影响规律

由图6可看出：旋转角度为30°时，清选损失率低并且籽粒清洁率高，此时的旋转角度最优。

对试验结果进行分析，小麦物料在刚进入分离筒时，一部分杂余与籽粒还未分离彻底，此时杂余被吸走，会夹带一些籽粒，导致吸杂口距物料进口处越近，清选损失率就会越大，而籽粒清洁率也会有所提高。所以，在旋转角度为150°与180°时，清选损失率较大，而180°时籽粒清洁率更高。物料进入分离筒后，籽粒与杂余逐渐分离，在完成籽粒与杂余分离之前，物料沿筒壁运动的时间越长，最终清选分离的就越彻底，因杂余被吸走所导致的籽粒损失就越少。而走的时间过长时，会有部分杂余在接近出粮口的位置而不易被风机吸走，所以在0°时，清选损失率低但清洁率也偏低。所以综合考虑，30°时清选结果比较好。

4.3　吸杂口的偏置距离试验

以籽粒清洁率与清选损失率为试验指标，吸风口偏置旋转角度为30°，偏置距离试验水平分为：0、15、30、45、60mm，其他参数保持不变。试验结果如表2所示。

表2　吸杂口的偏距试验结果表

整理数据得到偏置距离的变化对籽粒清洁率与清选损失率的影响，如图7所示。

图7　置距离对试验指标的影响规律

由图7可以看出：当偏置距离为30mm时，清选损失率较低且籽粒清洁率较高。对试验结果进行分析，在吸杂口的偏置距离不同时，籽粒损失主要由两个原因所造成：一是物料在刚进入分离筒时，一部分杂余从分离筒被吸走而夹带的籽粒损失；二是在偏移距离增大时，吸杂口距分离筒壁的距离变小，沿内壁旋转的一部分籽粒被吸走而造成的籽粒损失。所以，综合考虑，吸杂口的偏置距离为30mm时，清选结果较好。

5结论

1)试验结果表明：吸杂口偏置型的分离筒能减小物料清选时所需的风力，从而降低了吸杂风机的转速，同时有较好的清选效果，达到了本次试验研究的目的。

2)通过吸杂口旋转角度与吸杂口偏置距离的试验，得到了小麦清选效果较好的吸杂口旋转角度与偏置距离分别为30°和30mm。

3)吸杂口偏置分离筒清选装置可用作双行便携式谷物联合收割机清选系统。

参考文献：

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[3]胡志超,张会娟.推进南方丘陵山区农业机械化发展思考[J].中国农机化,2011(5):16-18.

[4]宋建武,刘恒新.加快突破丘陵山区农业机械化的发展瓶颈.中国农机化,2010(2):16-19.

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Design and Experiment of Cyclone Separating Device Based on Off-centered Inlet Scoop

Li Lingmin1, Xu Rui1, Shi Kunpeng1, Xu Qingfeng1, Wang Xiaolan1, Wang Shengsheng2

(1.Research & Design Center, YTO Group Corporation, Luoyang 471039, China；2.College of Agriculture & Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

Abstract：Cleaning is an important part of the portable grain combine.For hilly combine harvest machine, with the double line of portable grain cleaning operations, suction fan the problem of high speed, the suction off-centered inlet scoop type structure design was carried out on the inlet scoop.By homemade inlet scoop mouth offset type cleaning device test bench, to suck the rotation of the inlet scoop rotating angle and offset distance, experimental study of wheat cleaning performance is proved by rotating angle and offset distance of respectively 30 °, 30 mm.For portable grain combine harvester provides the reference for the design of cleaning system.

Key words：combine harvest machine;cleaning device;cyclone separating device; inlet scoop; cleaning performance

中图分类号：S225.3;S220.3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0204-05

作者简介：李灵敏(1986- ),女，河南新乡人，工程师，(E-mail)lilingmin5288@sina.com。通讯作者：王升升(1986- )，男，河南洛阳人，讲师，硕士，(E-mail)13703491181@126.com。

基金项目：河南省重点科技攻关计划项目(152102210276)

收稿日期：2015-10-19