谷物联合收获机筛分装置研究现状与发展分析

王立军 宋良来 冯 鑫 王后升 李懿航

(东北农业大学工程学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

粮食是实现经济可持续发展的重要物质基础，优质高效的机械化收获是提高谷物经济价值的有效手段。筛分装置是谷物机械化收获的重要部件之一[1]，筛分装置通过一定方式的筛体运动实现谷物与杂余的分离，其性能直接影响收获后籽粒的损失率和清洁率[2]。2020年我国谷物(稻谷、小麦、玉米等)平均单位面积产量约为6 296 kg/hm2。通过农场调研发现，在玉米常规含水率(22%～23%)和喂入量(机具前进速度1.2～1.5 m/s)条件下，现有的先进联合收获机收获后籽粒损失率为0.25%～1.20%。若以玉米单位面积产量6 317 kg/hm2来计算，籽粒损失率每降低0.1个百分点，可提高玉米籽粒产量约6.317 kg/hm2，以全年玉米种植面积为4.126×107hm2计算，每年可减少粮食损失26万t。因此提高筛分装置性能对保障粮食安全、减少粮食损失具有重要意义。

筛体及其驱动机构是筛分装置的核心部件，受筛体外形、筛孔配置、筛体材料等因素影响，物料会产生滑移、抛起、静止等复杂运动，进而影响颗粒的透筛性[3-5]。筛体驱动机构驱动筛面进行多维运动，适宜的筛面运动可实现物料的快速分散、分层、透筛，从而提高装置筛分效率[6]。筛分技术主要解决筛分效率、籽粒损失率、清洁率之间的矛盾[7]，即研究籽粒快速透筛、杂余不透筛并顺利从装置中排出、对籽粒进行全价值回收以保证其经济效益等问题。

由于农作物单产的提高以及筛分环境的多变、不可控性，筛分时会产生潮湿物料粘附筛面、物料大喂入量下筛分效率低、分选效果差等问题[8-12]。因此大喂入量和高含水率的物料分离已成为制约筛分技术发展的主要因素[13-15]，同时也是筛分技术亟需突破的难点问题。本研究以筛体结构和筛体驱动机构为切入点，概括并分析谷物筛分装置的研究现状，从对不同领域筛分技术的融合与互补以及筛分技术的高效化、智能化、信息化的发展角度，指出谷物筛分装置的发展趋势，为我国谷物筛分技术研究和筛分装置的创新设计提供参考。

1 谷物筛分装置研究现状

1.1 筛体

筛体是筛分装置的核心部件之一，在谷物筛分中筛体通常与风机配合使用[16]，对混合物料进行抛掷、分散、分层[17-18]，在此过程中籽粒透筛，杂余不透筛从装置尾部排出。在筛分过程中物料直接与筛体接触，其中筛孔的类型、筛体的形状及其材料会影响物料的运动，进而影响筛分效果。农业物料具有种类多、含水率不可控等特点，在一定程度上增加了农业物料筛分的难度，为满足高质、高效谷物收获技术要求，许多专家从筛孔形状及其排布、筛片形状、筛体材料及辅助部件等方面对筛体进行了创新设计研究。

1.1.1筛片和筛孔

谷物筛分中常规的筛片类型和筛孔形状与排布如表1所示[19]。

表1 谷物筛分常规筛片类型和筛孔形状与排布

为降低潮湿物料与筛面间粘附作用、减少大喂入量下物料的堵塞和堆积、提高装置对大喂入量物料的筛分性能，许多专家学者对筛孔形状与排列方式进行了创新设计与研究，典型成果如表2所示。

表2 新型筛孔形状与排列方式

基于目标颗粒快速透筛和筛面防粘附的思想，仿生筛、浅坑筛和组合孔筛等被提出，现阶段通常采用筛面上同径筛孔等距排布的方式，而物料在装置前端喂入的形式，导致连续筛分过程中，沿筛体纵向物料层产生差异，为进一步提高筛分的精准性，可以创新筛孔排列方式，即沿筛体纵向非同径筛孔差距排列，解决筛上不同区域待筛分物料的差异，提高籽粒的透筛效率，从而提高装置的筛分性能。

1.1.2筛体形状

现有振动筛多为平面一体式结构，一定程度上限制了颗粒透筛，为提高筛分装置的性能，专家对筛体形状进行了创新研究，其特点与性能如表3所示。

表3 非平面一体筛

在一定空间内非平面筛体结构可增大物料与筛面的接触面积，提高颗粒的透筛概率；分段式筛体的研究证明了分段式结构可满足筛体不同区域的筛分要求；现阶段仿生技术已被广泛应用于农业机械研究中[30-32]，为振动筛体的设计提供了新思路，例如通过仿生技术模仿鸟类、昆虫、爬行动物等表皮特征。可尝试将这3种设计思想(非平面、分段式、仿生技术)融合并应用于振动筛体形状设计中，例如可借鉴蚯蚓的蠕动特征，通过多筛段的不同运动，使整体筛面表现出蚯蚓的运动特征，实现筛上物料的快速推移，进而提高装置的筛分效率[33]。

1.1.3多层筛体配置

筛分装置通常配置多层筛体，实现不同精度的筛分。刘鹏等[34]以常规鱼鳞筛、加长鱼鳞筛、错位鱼眼筛、线性鱼眼筛和贝壳筛为上筛，网筛、圆孔筛和六棱孔筛为下筛，鱼鳞尾筛和栅格尾筛为尾筛，应用模糊综合评价法分析了不同组合的清选筛对大豆的清选损失率和含杂率的影响规律。梁苏宁等[35]针对谷子筛分时鱼鳞筛堵塞问题，将不同孔径编织筛布置为上、下筛体，实现谷子混合物由粗至精的筛分，大幅度减少了谷子的筛分损失。张敏等[36]探究了鱼鳞上筛-圆孔下筛风选装置工作参数对籽粒损失率和含杂率的影响，利用多因素试验获得了此装置较优的工作参数组合。筛分时上筛中物料由抖动板喂入，而下筛的物料可间接视为由上筛喂入，因此多层筛体配置方式会使不同筛层的筛分条件产生差异，从而导致不同筛层混合物料的比例、入筛时初始条件、透筛要求的不同，因此为实现更精准的筛分，多层筛体配置仍有一定的设计空间。通过大型农场(黑龙江省八五二农场、赵光农场)玉米收获调研发现，在常规收获机前进速度下，鉴于单层筛体可以满足筛分要求，农户通常将下筛拆除，以减小收获机的功率消耗，节省收获成本，并通过调节清选装置工作参数，如振动频率、气流速度等保证一个良好清选状态，因此在多层筛体的研究中，也需从实际应用的角度出发，结合功率消耗、材料损耗等综合考量筛体性能。

1.1.4辅助部件

在谷物联合收获机上增加辅助分离部件可以提高装置对物料的分离能力，传统部件主要以回转式横向拌动式和茎秆挑松式拨指为主，通常布置于装置上方对杂余进行拨动，主要为防止物料喂入不均匀产生堆积。基于此为降低筛上物料粘附、提高筛分时物料的分散程度，专家对辅助部件进行了创新研究。常荣等[37]针对荞麦筛分时普遍出现筛孔堵塞的问题，设计了一种弹球清选筛，即在筛面下方安置内部含有弹球的带筛孔方盒，如图1a所示，筛分时弹球产生弹跳敲击筛面，从而防止筛孔堵塞，通过试验证明了弹球在荞麦分级过程中清筛效果显著。王立军等[38]为提高筛面利用率设计了一种杂余抛送器，如图1b所示，其由若干个曲线拨指间隙排列组成，通过回转运动可实现清选筛上部空间籽粒与杂余在竖直方向上分层、水平方向上分散，试验证明了此辅助部件的使用可提高筛分装置对大喂入量玉米脱出物的筛分能力。混合物料通常在筛体前端喂入，使筛体前端承担着较大工作量，尤其当物料喂入量增加时，由于筛体前端处理物料的能力不足，在连续筛分中可能会产生物料的堆积，且筛孔堵塞已成为谷物筛分中常见问题，辅助筛分装置的设计为解决此问题提供了参考，但辅助装置通常较为复杂，为满足实际生产需求，其结构、可靠性和装配问题仍需系统化研究。

1.1.5筛体材料

筛分时物料直接与筛面接触，筛面材料影响颗粒与筛面的接触参数，进而影响筛上颗粒的运动，因此许多专家对筛面材料进行了研究。程超等[39]、穆培良[40]设计了聚四氟乙烯和聚脲弹性振动筛，通过试验证明了聚四氟乙烯涂层筛面(如图2a所示)，可降低水稻脱出物的粘附和堵塞，且具有一定的耐久性，而聚脲弹性筛可降低筛分后籽粒的损失率和含杂率。王立军等[41]根据聚氨酯材料具有弹性模量大、强度高、耐磨性强等特点，设计出聚氨酯橡胶筛，如图2b所示，通过与金属筛的性能对比，证明了此筛体对筛上玉米脱出物具有较高的分散、分层能力。物料在振动筛的运动激励下与筛面发生接触碰撞行为，且该行为贯穿于整个筛分过程中[42]，籽粒和杂余的物理特性差异和筛体材料会影响物料与筛体碰撞后的运动，筛体材料的研究为籽粒和杂余产生合理的差异运动提供了一种可行的方法。

1.2 筛体驱动机构

利用筛体驱动机构使筛体产生不同的筛分动作，从而实现物料的运移、分散、分层和透筛。筛体常规的运动为平面往复式，可实现物料的基本分离，但当物料量增多且连续筛分时会出现筛上物料堆积的现象，大幅降低了振动筛的筛分效率。为推进筛分技术发展，谷物筛分装置应具备对大喂入量物料的处理能力，许多专家学者从筛体多维运动的角度出发，对筛体驱动机构进行了创新研究。

典型的谷物筛分机构由曲柄-摇杆构成，可使筛体沿振动方向往复运动，通常定义此筛体的运动为二维运动，即沿筛体水平和竖直方向的运动。现阶段一些筛体驱动机构可实现其多维运动，如筛体可实现沿纵向、横向和竖直方向转动和移动的不同组合的运动形式，因此将筛体运动分为二维和多维两种形式，分别对其驱动机构进行概述。

1.2.1二维运动筛体驱动机构

筛体的常规运动为平面往复式运动，即筛体水平和竖直方向的移动，鲁云松等[43]基于曲柄-摇杆和曲柄-滑块组合机构设计了二移动振动筛驱动机构，如图3a所示，通过筛分试验探究了曲柄转速、杆件长度对清选效果的影响规律，通过多因素试验优化获得了该机构较优的参数组合。

谷物筛分目的是实现籽粒透筛而杂余排出，为提高筛体对物料的运移能力，王成军等[44]对传统回转式滚筒筛布置并联机构，如图3b所示，实现滚筒筛自身转动的同时产生平面往复运动，通过仿真证明了该机构可实现筛体转动和移动，验证了机构设计的合理性，并通过性能试验得出该机构可提高物料的筛分效率。

1.2.2多维运动筛体驱动机构

为提高筛分时物料的分散、分层速率，许多专家设计出多维运动振动筛驱动机构，基于筛体转动和移动不同的组合形式对振动筛驱动机构进行总结，如表4所示。

表4 多维运动筛体驱动机构

多维振动筛驱动机构存在着机构复杂、稳定性不高等问题，机构的实用性和可靠性还应进一步完善，而谷物收获中振动筛通常与风机配合使用，在研究中还需考虑到多维运动筛面对筛上气流扰动的影响，并且在驱动机构设计中应考虑到筛面运动的可调节性和地形的自适应性，以使筛分装置具备对坡地谷物收获的功能。

1.3 联合收获机上典型的清选系统

谷物筛分装置主要用于水稻、玉米、小麦等收获机械中，谷物筛分主要以振动筛为主，通常配置风机以提高筛分性能，随着筛分技术的发展，一些已成型的清选系统被广泛应用于谷物联合收获机中，这些清选系统及其特点见表5。

表5 联合收获机上应用的典型清选系统

在清选能力方面，国内以增大清选装置中振动筛的清选面积，来达到大喂入量筛分的目的，国外在此基础上使用多层抖动板和多层振动筛进行筛分，进而实现大喂入量下的清选；在装置可靠性方面，由于国产机器大多为仿制与引进，且在关键部件精密制造方面与国外企业仍有一定差距，可靠性仍有待提高；在智能化应用方面，国外的机器较为先进，主要表现为损失监测、自调平和自动调节等方面，其中约翰迪尔、凯斯等公司可以通过清选损失监测传感器实时地观测谷物清选损失来监测实际作业情况[62]，芬特与科乐收等公司自调平系统可以使联合收获机进行坡度作业时具有良好的清选效果[63]，纽荷兰公司CR系列联合收获机配备自动调整系统，可以根据实际作业的需要，实时调节清选装置内风机转速和上、下筛的振动频率[64]。而国内大部分研究仅仅停留在籽粒损失检测方面[65-66]，且处于产业化前期阶段。

2 谷物清选装置研究方法

2.1 筛体

2.1.1基于仿生技术的筛体设计

仿生技术是工程技术与生物科学相结合的交叉学科，在技术上仿照植物或动物的功能解决工程领域问题[67-68]。仿生技术的逐渐成熟，使其成为筛分领域筛体设计的一种方法[20]。针对动物表面的减粘降阻特性，例如蜣螂头部、蝼蛄背板、蚯蚓体表、穿山甲鳞片等，可为仿生筛体的创新设计提供参考，为防止潮湿物料粘附筛面、提高物料在筛上的流动性，通常仿生技术基于逆向工程对生物结构进行提取[69]，通过一些可提取体表特征的3D激光扫描仪或利用Matlab软件处理图像(去干扰和噪声)[70]，完成样品的体表曲面提取，获得样品体表曲线的点坐标数据，通过Matlab软件进行曲线拟合，具体流程如图4所示，获得的拟合方程可为筛体设计提供参考。

2.1.2筛型控制方程

筛上颗粒动力学分析可以建立筛体结构和运动参数与颗粒运动之间的数学模型，从而预测筛上颗粒的运动形式，在筛形设计的研究中可以此建立颗粒运动与筛形间的函数关系，指导筛型设计。例如鉴于物料沿筛体纵向的运动差异，基于筛上颗粒静力学分析，筛型控制方程被提出[71]，由此提出了凸面、平面、凹面3种筛型的控制方程，如图5所示，此方法为筛体的设计提供了参考。

2.2 筛体驱动机构

2.2.1驱动机构动力学和运动学理论分析

筛体驱动机构控制筛面运动，在驱动机构的研究中通常需先了解筛面运动形式，通过分析驱动机构的动力学模型可明确筛面运动规律，为驱动机构的优化提供基础，同时也为后续气固两相流数值模拟中筛体运动设定提供参考，现有机构的动力学数学模型研究方法如表6所示。

表6 驱动机构动力学模型研究方法

2.2.2驱动机构运动仿真分析

在筛体驱动机构的研究中，通常建立驱动机构动力学模型后，需借助计算机技术探究机构的运动特征，计算机技术具有高效处理能力、更直观的表现能力，机构运动仿真现已成为筛体运动研究的主要方法，常用软件类型及特点如表7所示。

表7 筛体动力学分析软件类型及特点

2.3 筛分装置性能研究方法

2.3.1模拟仿真研究

筛分装置的性能需基于一些指标衡量，如：损失率、清洁率、筛分效率等，且筛上颗粒运动特征可反映出筛体设计思想的合理性，如筛体倾角改变实现物料快速推移、空间筛孔结构加强物料沿筛体横向运动、具有弹性材料筛面提高筛上颗粒分散等，由于颗粒运动的复杂，通常借助计算机模拟筛分过程，处理数据获取相应的指标，进而探究筛分装置的性能，软件类型及特点如表8所示。

表8 软件类型及特点

2.3.2高速摄像技术

试验中通常采用高速摄像技术，基于筛上区域可视化的筛分装置，客观地对颗粒群真实的运动进行追踪[99-100]，如图6所示。

通过分析颗粒位移、速度、轨迹探究颗粒群的运动特性[101]，验证筛体设计的合理性和适用性。此技术局限于颗粒平面运动的提取，针对颗粒三维空间运动的研究，此技术还有待进一步开发与优化。

2.3.3筛分装置性能监测与控制研究方法

复杂多变的收获环境会影响筛分装置性能，在联合收获时需通过监测系统实时监测筛分装置性能[102]，并通过控制系统对筛分装置进行实时调节，以保证在变化的筛分环境下，使筛分装置性能保持合理的范围。降低筛分时籽粒损失是保障收获时籽粒经济价值的重要措施，其始终为农户关注重点，筛分装置性能监测和控制更注重于籽粒损失方面，许多专家学者对此进行了研究，主要成果见表9。

表9 籽粒损失监测与控制系统研究成果

联合收获机通常具备对多种谷物(玉米、小麦、水稻等)的收获能力，为适应联合收获机此功能，监测系统也需具备多种谷物损失的监测能力，且筛分时监测部件通常配置于装置尾部，由于出口物料运动随机，致使物料接触监测元件时姿态复杂，影响监测精度，并且物料含水率的变化，导致冲击信号的改变，增加了精准信号的提取难度。监测时由于存在杂余干扰，并且随着高效收获机具的研发，使出口物料输出量更大，杂余对监测精度的影响更严重，适应于复杂收获环境精确的监测系统还有待进一步开发与完善。控制系统的延时反馈对筛分装置调节存在滞后现象，通常在联合收获机高速作业时此现象更为明显，以理论模型的创新加快系统的响应是一种解决途径，适应多种谷物和复杂收获环境的控制模型有待开发与完善。

3 研究成果讨论

现有应用于谷物的筛分装置在常规的筛分条件下已基本实现物料的有效分离，但由于物料种类的多样、筛分环境的复杂，筛分时会出现物料堵塞筛孔、潮湿物料流动性差、大喂入量下筛分效率低等问题，针对这些问题，一些非平面筛体、分段式筛体、新筛体材料、带有辅助结构的振动筛、多维筛体驱动机构得以研究，相关学者已通过大量的仿真和试验验证了新型筛体的筛分性能。筛体控制方程的提出、仿生技术在筛分领域的应用、驱动机构动力学理论模型的完善、计算机技术的更新与发展以及台架和田间试验方法和手段的成熟，为筛分装置的研究构建了系统性研究方法。

现阶段筛分装置的性能应满足更精准、更高效的技术要求[113-114]。新思想和技术的提出与应用为实现更优质、高效的筛分提供了一些可行的方式，如图7所示，筛分理论和计算机技术的完善与发展，为筛分装置的研究提供了充足的技术支撑。根据实际生产需求，筛分装置的制造成本、可靠性和稳定性仍需进一步考量与验证[115]，农业物料筛分技术仍有很大的进步空间。

4 展望

4.1 交叉融合与取长补短

筛分技术在农业、矿冶工业、建筑材料工业及化学工业中得到广泛的应用。不同领域的筛分技术研究方法和思路可相互借鉴与补充，例如矿业筛分中，为解决潮湿细粒煤炭流动性差等问题，研究出一些如弹性杆筛[116]、梯流棒条筛[117]、多段阶梯筛[118]、多倾角曲面筛[119]等新筛体，这些新思路和结构的提出可为高含水率谷物的筛分以及降低物料在筛上粘附提供参考；广泛应用于煤炭筛分的香蕉筛[120]和弛张筛[121]的设计理念，也可用于谷物筛分研究中，为防止物料堵塞筛孔、大喂入量谷物高效筛分等研究提供新思路；煤炭筛分中筛体驱动机构可使筛面具有不同的运动形式，通过结构改进与优化可开发应用于谷物筛分机构中。煤炭筛分中已创新设计出3移动3转动筛体驱动机构[122]，这为谷物筛分装置的研究提供了更多的思路，同时也为谷物筛分系统研究的完善和发展，提供了一定的借鉴与参考。

4.2 高质高效与稳定筛分

随着技术的发展，要求筛分装置向大喂入量、高效率、高质量方向发展，防止大喂入量物料筛上堆积是提高筛分效率的关键和难点，提高筛分时物料分散、分层速率是关键，筛体结构和筛体运动融合研究是一种解决途径，现阶段多维运动的筛体通常配置平面筛体，在谷物和煤炭筛分研究中可通过一定的研究方法，将具有空间透筛性能的筛体与筛体多维运动组合，以期实现更高的筛分效率。随着仿生技术的发展，其已被应用于农业中流体机械、水田机械、耕作机械和收获机械等多个领域，因此，在振动筛体的研究中可应用一些鸟类、家畜、昆虫和爬行动物等具有流动特性的表面特征，以期提高筛上物料的流动性，也为大喂入量谷物筛分装置创新设计提出新的途径。筛分装置工作时通常会出现振动较大和噪声污染问题，影响装置的可靠性和使用寿命，动力吸振与周期结构设计降噪方法[123-124]可应用于筛分装置的设计，优化筛体结构和驱动机构，避免共振现象发生，提高筛分装置可靠性。

4.3 实时控制与精准筛分

随着信息化技术的发展，物料筛分指标在线监测、显示系统、实时反馈等系统需融合与完善，物料喂入量、筛分效率、筛孔堵塞、筛体疲劳强度等由于复杂工作环境产生变化，可通过筛分装置监测和显示系统的反馈，与自动调节系统实现实时筛分参数调节，在变化筛分环境下保证筛分质量。待收获谷物的种类、谷物与杂余的比例、谷物含水率等也是影响筛分的主要因素，为提高筛分装置的适应性，可应用机器视觉和图像处理等技术与筛分系统融合，例如可利用无人机高光谱遥感系统对待收获物料的特性进行捕捉和预测[125]，通过数学模型量化物料特征，实现物料信息的快速获取，并开发先进的算法建立物料特性-筛分参数-装置性能融合模型，优先控制风机转速、振动筛频率、风机出口方向角等实时可调参数，以提高反馈控制的灵敏度。收获时对谷物产量和清选参数进行实时监测和记录，建立物料特性-装置工作参数-产量大数据平台，将田间参数和物料信息进行整合，为后续谷物收获提供精确的参考，实现物料的精准和智能筛分。