玉米籽粒收获机分段式振动筛清选装置设计与试验

王立军 马 杨 冯 鑫 宋良来 柴 进

(东北农业大学工程学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

清选装置是玉米籽粒联合收获机的关键部件，其结构和性能直接影响玉米籽粒的清选效果，其中风筛式清选装置应用最为广泛。风筛式清选装置利用风机产生的气流场使玉米混合物分散，并带走部分轻杂余，其余混合物在筛面振动作用下分散、分层，使玉米籽粒透筛而杂余排出。

在清选装置设计方面，学者们进行了诸多研究，取得了大量成果,通过设计多种清选装置提高了联合收获机的清选性能[1-15]。在这些清选装置中，多层筛面运动参数相同，但是对于物料在筛分过程中被具有不同运动参数的筛面连续筛分的研究却鲜有报道。

本课题组前期对国产玉米籽粒收获机进行了田间试验，结果表明，收获机清选装置的籽粒损失率为3.71%，籽粒清洁率为95.34%。针对玉米籽粒联合收获机籽粒清洁率较低、损失率高的问题，本文基于CFD-DEM耦合技术对传统双层往复振动筛清选装置内气固两相运动进行仿真，设计一种分段式振动筛清选装置，通过改变上筛结构来改变其后部气流场的分布、籽粒分布及透筛性，由仿真试验确定分段式振动筛最佳的结构参数和工作参数组合，并进行台架试验，验证分段式振动筛清选装置的性能。

1 结构与工作原理

1.1 整体结构

分段式振动筛清选装置主要由风机、抖动板、前筛、后筛、尾筛、下筛、驱动轴、双向摇杆、机架等组成，如图1所示。

图1 分段式振动筛清选装置结构图Fig.1 Cleaning device with segmented vibrating screens1.风机 2.抖动板 3.前筛 4.前置吊杆 5.后置吊杆 6.后筛 7.尾筛 8.下筛 9.后置双向摇杆 10.支撑摇杆 11.后筛驱动轴 12.传动带 13.前置双向摇杆 14.带轮 15.机架

图2 单风道贯流风机示意图Fig.2 Schematic of single duct cross flow fan1.风机外壳 2.风筛叶片

抖动板安装在清选装置前部。分段式振动筛清选系统中的风机为单风道贯流风机，风机安装在抖动板的下部，清选装置的前部，如图2所示。上筛是由前、后两个长度不同的筛体组成，前、后筛平行安装。前筛由前置吊杆铰接悬挂在机架的上部，通过由前筛驱动轴上的偏心轮、摇臂、双向摇杆组成的曲柄摇杆机构，实现前筛的往复摆动，完成对玉米脱出物的初次筛选；后筛由后置吊杆悬挂在机架的后部，与前筛运动形式相同，通过后筛驱动轴驱动的曲柄摇杆机构实现后筛的往复摆动，完成对玉米脱出物中籽粒的持续筛选；前、后筛驱动轴之间由传动带进行动力传递，通过设计带轮之间的传动比实现后筛频率的改变，设计的后筛摇杆长度可以实现后筛振幅的改变。下筛前端与前置双向摇杆铰接，后端由支撑摇杆支撑，随着前置双向摇杆往复摆动，对前、后筛下落的物料进行再次筛选。

1.2 工作原理

玉米脱出物是指玉米经玉米籽粒收获机摘穗、脱粒后最终落入清选装置内的混合物，其中包括玉米籽粒、茎秆、芯和轻质杂余。风机产生的气流可使玉米脱出物在抖动板下落过程中初步分层、分散，部分轻质杂余被直接吹出清选装置外；落到前筛的玉米脱出物通过筛面的振动和风机产生气流的协同作用，使大部分玉米籽粒在前筛完成透筛，部分籽粒受玉米茎秆、玉米芯等夹带落到后筛。在前筛尾部与后筛前端之间存在一定的垂直间距，前筛清选后的玉米脱出物在此处受到气流的影响使未透筛的籽粒和杂余再次分层、分散，经后筛筛分使玉米脱出物完成持续清选，玉米脱出物筛分如图3所示。此装置相对于传统双层往复振动筛清选装置，提高了清选装置对气流的利用率，继而提高了整个装置的工作性能。

图3 分段式振动筛清选装置筛分玉米脱出物示意图Fig.3 Screening of maize mixture in cleaning device with segmented vibrating screens1.抖动板 2.玉米茎秆 3.玉米芯 4.前筛 5.后筛 6.尾筛 7.下筛 8.玉米籽粒

2 颗粒在前筛下落后运动分析

当玉米脱出物从前筛尾部落到后筛时具有一定的速度v，如图4所示。

图4 颗粒在前筛下落后的受力分析Fig.4 Force on particles after falling from front screen

颗粒在前筛下落时会受到气流的作用，在水平方向和竖直方向运动方程式为

(1)

式中v——颗粒离开前筛时速度，m/s

vx——颗粒沿水平方向分速度，m/s

vy——颗粒沿垂直方向分速度，m/s

γ——颗粒速度与水平方向夹角，(°)

Lx——颗粒运动水平位移，mm

Lt——前后筛垂直距离，mm

ax——颗粒在水平方向上加速度，m2/s

ay——颗粒在垂直方向上加速度，m2/s

t——颗粒从前筛落到后筛的时间，s

颗粒在水平及垂直方向上的加速度为

(2)

其中

G=mg

(3)

式中R——风力，N

θ——气流方向角，(°)

G——颗粒重力，N

m——颗粒质量，kg

g——重力加速度，m/s2

联立式(1)～(3)可得

(4)

式中Kp——风力系数，mm-1

u——气流平均速度，m/s

Q——气流流量，m3/s

A——管道截面面积，m2

当前后筛垂直间距一定，前后筛的水平间距Lc(水平重合量为前后筛之间重合的距离，记水平间距为负值)增大(或水平重合量减少)，即后筛长度减小时，原后筛下部被阻挡的气流进入前后筛中间部位，使得此处进风量Q随着前后筛水平间距的增大而增大，而与气流垂直的管道截面A面积不变，如图5所示。

图5 气流随前后筛水平间距的变化Fig.5 Changes of air flow with horizontal distance between front and rear screens

由公式(4)可知，气流的平均速度u变大，进而风力R会增大。由此，设定风力与前后筛水平间距Lc的关系式为R=f(Lc)，可得

(5)

由公式(5)可知，当前后筛面的垂直间距Lt增大时，颗粒的下落时间t会随之增加，由此设定颗粒的下落时间t和垂直间距Lt的关系式为t=f(Lt)，颗粒从前筛落到后筛过程中的水平位移Lx为

(6)

颗粒落到后筛的位置会影响颗粒的筛分，由此可知前后筛的垂直间距Lt和前后筛面的水平间距Lc对后筛的清选性能有一定的影响。

3 前筛长度仿真试验

3.1 仿真模型及参数设定

3.1.1清选装置模型

6行玉米籽粒联合收获机中的传统双层往复振动筛清选装置结构是分段式振动筛清选装置设计的基础。鉴于尾筛为贝壳筛，其主要作用是将杂余排出，将上筛等距划分[16]，通过仿真分析上筛纵向区域的籽粒透筛规律，从而设计分段式振动筛清选装置前后筛的长度及后筛与前筛的相对位置。仿真时选定模型宽度为100 mm[17]，运用SolidWorks建立清选装置简化三维模型，如图6所示，模型参数如表1所示。将清选装置模型保存为STEP 格式并导入到Gambit中进行网格划分，局部网格重构法作为动网格(Moving mesh)的更新计算方法。

图6 传统双层往复振动筛清选装置模型Fig.6 Model of cleaning device with traditional reciprocating vibrating double screens1.气流入口 2.抖动板 3.上筛 4.杂余出口 5.尾筛 6.下筛

3.1.2玉米脱出物模型

试验玉米品种选用德美亚1号，通过田间试验确定玉米脱出物组成成分及各成分质量百分比，并通过东北农业大学激光扫描试验台对玉米脱出物进行扫描。利用SolidWorks软件将颗粒模型云点图转换为 STEP格式文件，导入到EDEM中进行小球填充。玉米籽粒联合收获机清选装置的喂入量逐年增大，国产玉米籽粒收获机的喂入量一般为5 kg/s，

表1 模型参数Tab.1 Parameters of model

因此本次仿真试验中设定玉米脱出物喂入量为5 kg/s，在上筛前端以0 m/s初速度喂入，各成分模型、质量百分比及仿真颗粒数目如表2所示。

表2 玉米脱出物各成分模型、质量百分比及仿真颗粒数目Tab.2 Models, quality percentage and number of simulated components in maize mixture

3.1.3仿真参数设定

分段式振动筛清选装置涉及气体-颗粒两相流动，使用CFD-DEM耦合计算，其中气相由Fluent 12.0求解，颗粒相由EDEM 2.2求解[18]。

在Fluent中选定标准k-ε模型，求解器类型选定为压力基非稳态。作业时，风机的入口气流速度为9.6～16 m/s，单因素试验是在此气流速度范围内进行，气流速度选取范围中间值u=12.8 m/s。依据风机下壳体的角度，确定气流方向角为25°。设定湍流强度为3.15%，速度入口水力直径为158.68 mm。

玉米脱出物在清选装置内运动，脱出物颗粒之间、脱出物与筛面和壁面会发生接触碰撞，在EDEM中选用Hertz-Mindlin(no-slip)模型，各材料的力学特性和各材料间的接触属性如表3、4所示[19-21]。设定上、下筛振幅为19 mm，频率为5.15 Hz，上筛的振动方向角为136.6°，下筛的振动方向角为43.4°。EDEM中时间步长是Rayleigh步长的20%，Fluent时间步长为EDEM时间步长的100倍。

表3 材料的力学特性参数Tab.3 Mechanical properties of materials

3.2 仿真结果

3.2.1前筛长度的确定

为保证分段式振动筛前筛的清选性能，使前后筛面的作业性能达到最佳，需确定合适的分段式振动筛前筛长度。为此，采用统计颗粒ID的方法对传统双层往复振动筛上筛筛面纵向区域内的玉米籽粒透筛率进行统计并分析，试验结果如图7所示。

表4 材料间接触属性参数Tab.4 Interaction properties of materials

玉米籽粒的透筛主要集中在上筛的前中部。由于玉米脱出物从抖动板落到筛面的主要区域为80～640 mm，玉米脱出物堆积，并受到筛面的振动作用分散。从抖动板下落的过程中，气流会对玉米脱出物进行初次清选，杂余与籽粒分离且向上筛后部运动，仅有部分籽粒落到0～80 mm区域内，使得此区域内的籽粒透筛比例较低；在80～960 mm区域内，经由气流清选后的脱出物不断落下，筛面上部的气流速度变小，脱出物被推送到筛尾的能力变弱，使得筛面上籽粒与杂余的碰撞减少。脱出物在筛面的作用下，籽粒向下运动，杂余向上运动，使得籽粒在此区域内透筛比例较高，在上筛筛面0～960 mm内透筛籽粒占总籽粒的95.06%；在上筛960～1 360 mm的区域内，脱出物中的籽粒明显减少，杂余对籽粒的影响更为明显，部分玉米芯透过筛面，而籽粒透筛受到影响，导致此区域内的籽粒透筛比例减少，同时导致籽粒清洁率降低。由此确定分段式振动筛清选装置前筛的长度为960 mm。

3.2.2气固两相运动规律分析

在《农业机械设计手册》[22]中清选装置设计指出，清选装置的双层筛面间距为100～150 mm，抖动板尾部高出筛面约100 mm。前筛可以对籽粒进行筛选，又可以像抖动板一样将未清选的玉米脱出物向后推送落到后筛，且沿清选装置纵向方向前筛与后筛又是上下两层筛面，因此选取前后筛垂直间距为100 mm。为了初次探究前后筛之间气流对玉米脱出物持续清选的作用，应保证分段式振动筛前后筛面的总长与传统双层往复振动筛上筛的长度相同，筛面的运动参数与传统双层往复振动筛的运动参数相同。因此确定分段式振动筛前后筛水平间距为0 mm，根据玉米籽粒的透筛比例确定前筛长度为960 mm，后筛的长度即为400 mm，模型如图8所示。对分段式振动筛清选装置内物料运动进行耦合仿真，材料及参数设定如表1～4，并与传统双层往复振动筛清选装置对比。

图8 分段式振动筛清选装置仿真模型Fig.8 Model of cleaning device with segmented vibrating screens1.气流入口 2.抖动板 3.前筛 4.杂余出口 5.后筛 6.尾筛 7.下筛

(1)气流场分布

鉴于筛上的气流对于玉米脱出物的清选起着至关重要的作用，因此对清选装置中各区域内的气流速度进行提取。如图9b所示，在传统双层往复振动筛上，气流速度从前到后先减小后增大，沿上筛垂直方向从上至下逐渐减小。在上筛前部的气流速度最大为12.1 m/s，可以将抖动板上下落的玉米脱出物中的籽粒与杂余分散并向后吹送；筛面的中部气流速度最小为6.6 m/s。

图9 不同清选装置的气流场分布Fig.9 Distribution of air flow field in different cleaning devices

通过对比气流场可知，传统双层往复振动筛与分段式振动筛清选装置的气流场在前部和中部区域无明显区别。在后部区域，传统式振动筛上筛面的气流速度沿筛面明显减小，此处气流对脱出物的推送作用减弱；分段式振动筛中，后筛前部与前筛后部之间会产生较大速度的气流，气流速度最大为12.5 m/s，其竖直方向的分速度为9.6 m/s。在实验室测得收获时的玉米籽粒悬浮速度最高为12.2 m/s；玉米芯的悬浮速度最高为4.97 m/s；玉米茎秆的悬浮速度最高为3.22 m/s。气流在垂直方向上的分速度大于玉米芯和茎秆的悬浮速度，小于籽粒的悬浮速度，可以使玉米籽粒与杂余更好地分离，更有利于杂余的排出和玉米籽粒的透筛。后筛上部气流速度为传统双层往复振动筛相同位置筛上气流速度的1～3倍(在传统双层往复振动筛上筛后部区域筛面上部气流速度为4.9～6.6 m/s，分段式振动筛中后筛上部气流速度为5.0～12.5 m/s)。

(2)颗粒运动轨迹

由于传统双层往复振动筛清选装置和分段式振动筛清选装置的结构前中部相同，玉米脱出物的运动轨迹基本一致，如图10所示。通过对比可知，在清选装置后部，传统双层往复振动筛上筛筛面上的玉米脱出物无明显分离，籽粒被杂余夹带。籽粒不能有效地筛分而部分杂余透过筛面，导致了籽粒损失率过高，清洁率低；在分段式振动筛清选装置中，经由前筛清选后的玉米脱出物在落入后筛的过程中受气流的影响，籽粒与杂余再次分离，杂余向后部吹送，籽粒落到后筛的前部可以更有效地筛分。

图10 不同清选装置内的玉米脱出物运动轨迹Fig.10 Movement of maize mixture in different cleaning devices

为获得分段式振动筛清选装置的最佳结构和运动参数，对清选装置进行仿真试验。

4 仿真试验结果与分析

4.1 单因素试验

以后筛频率、后筛振幅、前后筛的垂直间距和水平间距为因素，以玉米籽粒的清洁率和损失率为清选性能指标进行单因素试验，寻求各因素对分段式振动筛清选装置清选性能的影响规律。单因素试验是只对一个因素进行试验，其他因素保持固定不变。当对清选装置的结构参数进行试验时，对分段式振动筛清选装置进行重新建模和仿真，完成清选装置结构参数的单因素试验；当对清选装置的运动参数进行试验时，在EDEM中设置不同的运动参数，完成清选装置运动参数的单因素试验。以预试验结果为依据，各因素水平如表5所示。

表5 单因素试验因素水平Tab.5 Experimental factors and levels in single-factor tests

(1)后筛频率对清选性能的影响

当后筛频率在3.05～7.25 Hz范围内，清洁率呈现先增加后减少的趋势，籽粒的损失率呈现先减少后增加的趋势，试验结果如图11所示。当后筛频率为3.05 Hz时，玉米脱出物贴附于筛面上，籽粒与筛面接触受到一定的影响，部分杂余透过筛面导致此时籽粒的高损失率、低清洁率[23]。当筛面频率为3.75 Hz时，玉米籽粒的损失率最低，玉米籽粒清洁率继续增加；当后筛频率增大到一定程度时，玉米脱出物在筛面的跳动过于显著。由于经前筛筛分后的玉米脱出物中含有的籽粒较少，杂余对籽粒的碰撞也随之增加，籽粒与后筛的接触受到一定的影响，透筛减少，造成了玉米籽粒损失率的增加。杂余碰撞后再次落到后筛，造成了籽粒清洁率的降低。当后筛频率过高时，籽粒的清洁率下降，损失率过高，因此，选取后筛频率3.05～6.25 Hz作为多因素试验范围。

图11 不同后筛频率时的清选性能曲线Fig.11 Effect of frequency of rear screen on cleaning performance

(2)后筛振幅对清选性能的影响

筛面振幅是筛面运动的一个重要参数，其直接影响筛面上颗粒的抛起高度，试验结果如图12所示。当后筛振幅在11～27 mm范围内，籽粒的损失率呈现先减小后增加的趋势，籽粒的清洁率呈现先增加后减小的趋势。当后筛振幅较低时，籽粒的损失率较高，此时的振幅不能使玉米脱出物中籽粒与杂余均匀散开，籽粒混杂在杂余之中，减少了脱出物中籽粒与筛面的接触；随着筛面振幅的增大，玉米籽粒与杂余的跳动越明显，其抛起高度也随之增加。颗粒抛起的高度越高，到达筛面的时间越长，导致颗粒沿水平方向向杂余出口的位移增加，后筛的有效筛分面积减小。同时弹起的高度越高，籽粒与杂余的碰撞次数越多，使得玉米籽粒的透筛率减小，损失率增加。当后筛振幅为19 mm时，籽粒的清洁率最高。当后筛振幅继续增大时，杂余对籽粒的影响效果更明显，造成籽粒的损失率过高，杂余透过筛面，籽粒的清洁率降低。因此，选取后筛振幅11～19 mm作为多因素试验范围。

图12 不同后筛振幅时的清选性能曲线Fig.12 Effect of amplitude of rear screen on cleaning performance

图13 不同前后筛垂直间距时的清选性能曲线Fig.13 Effect of vertical interval of screens on cleaning performance

(3)前后筛垂直间距对清选性能的影响

前后筛平行安装时会存在一个垂直间距，前后筛垂直间距是影响玉米脱出物从前筛落到后筛位置的直接因素，试验结果如图13所示。当前后筛垂直间距在50～150 mm范围内,籽粒的清洁率随着前后筛垂直间距的增加逐渐增加，籽粒的损失率呈现先减少后增加的趋势。当前后筛垂直间距为50 mm时，由于垂直间距最短，玉米脱出物在从前筛落到后筛时间最短，气流对籽粒与杂余分离的作用最小，导致籽粒与杂余未能很好地分离，造成了此时的籽粒损失率偏高，清洁率过低；随着前后筛垂直间距的增大，玉米脱出物从前筛落到后筛的时间逐渐增加，气流对籽粒与杂余分离的作用逐渐增强，籽粒与杂余的分离效果也更加明显，籽粒的清洁率提高，损失率降低；当前后筛垂直间距继续增大时，玉米脱出物落到后筛筛面的时间更长，杂余和籽粒落到后筛的位置靠近筛尾，后筛筛面的有效筛分面积变小，这是导致籽粒损失率增加的一个原因。另一个原因是当前后筛面的垂直间距过大时，经前筛筛孔落下的籽粒沿着气流方向向后运动到后筛继续筛分，使得籽粒损失率偏高。由于前后筛垂直间距过小时会使籽粒的损失率过高，清洁率过低；前后筛垂直间距过大时籽粒的损失率偏高，因此，确定前后筛的垂直间距为60～132 mm。

(4)前后筛水平间距(水平重合量)对清选性能的影响

前后筛水平间距也是影响前后筛之间气流大小的一个重要因素。由图14可知，当前后筛水平间距在-160～160 mm范围内，籽粒的清洁率呈现先增加后减少的趋势，损失率逐渐降低。当前后筛的水平间距在-160～0 mm时，即前后筛之间存在水平重合量时，前筛筛选后的玉米籽粒会再次落到后筛筛面，并且籽粒的数目会随着水平重合量增大而增多，造成了此时籽粒损失率的较高，且水平重合量的存在使得前后筛之间气流速度的减小，使得气流对籽粒和杂余的分离作用减弱，清洁率随着水平重合量的减小而增高；当前后筛水平间距在0～160 mm时，玉米脱出物在由前筛下落时，会有部分玉米芯等杂余在前筛后部与后筛前部之间的空隙落到清选装置中，造成籽粒的清洁率低；由于前后筛之间存有空隙，会有较多的气流对玉米脱出物进行清选，籽粒与杂余的分散效果较好。当前后筛水平间距较小时，籽粒的清洁率较高；当前后筛水平间距较大时，籽粒的损失率较低。由此确定前后筛的水平间距为-160～160 mm。

图14 不同前后筛水平间距时的清选性能曲线Fig.14 Effect of horizontal distance of screens on cleaning performance

4.2 多因素试验

4.2.1二次正交旋转中心组合试验设计

依据单因素试验结果确定分段式振动筛后筛频率x1、后筛振幅x2、前后筛垂直间距x3、前后筛水平间距x4的范围；参照玉米收获机质量评价技术规范和国家标准GB/T 21962—2008，选定玉米籽粒清洁率y1、玉米籽粒损失率y2为清选性能评价指标。采用四因素五水平二次正交旋转中心组合安排试验，利用Design-Expert 8.0.6软件生成试验表，其中参数的调整、喂入量及气流场参数设置参照单因素试验方法，每组试验重复3次。试验因素编码如表6所示。

表6 试验因素编码Tab.6 Experimental factors and codes

4.2.2结果分析

使用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行分析，得到籽粒清洁率y1与籽粒损失率y2的回归方程，并进行显著性检验。

(1)籽粒清洁率

经分析可知：模型显著性检验F为33.57，P小于0.000 1，该模型极显著；失拟项P=0.276 9>0.05，残差项不显著，该回归模型成立。交互项x1x3、x2x3、x3x4对指标影响均显著，其余交互项不显著。各因素对籽粒清洁率影响的主次顺序为x1、x2、x3、x4。各因素对籽粒清洁率的回归数学模型为

(7)

各因素对籽粒清洁率的响应曲面如图15所示。由图15a可知，当后筛振幅为15 mm，前后筛水平间距为0 mm时，在后筛频率一定的条件下，籽粒的清洁率随着前后筛垂直间距的增大而增大。这是因为当前后筛垂直间距较小时，清选后的玉米脱出物由前筛落到后筛的时间短，气流对籽粒与杂余分离的作用较弱，杂余和籽粒分离效果较差，杂余所占比例偏高且部分杂余沿筛面透筛，导致了此时籽粒的清洁率较低；随着前后筛垂直间距的增加，脱出物由前筛落到后筛的时间增长，气流对籽粒与杂余分离的作用增强，脱出物落到后筛的位置逐渐向筛后靠近，籽粒与杂余的分离效果逐渐改善，因此籽粒的清洁率随着前后筛垂直间距的增大而增加。

由图15b可知，当后筛频率为4.65 Hz，前后筛水平间距为0 mm时，在前后筛垂直间距一定的条件下，籽粒的清洁率随着后筛振幅的增加而增加。当后筛振幅较小时，杂余夹带籽粒在筛面跳动不明显，使得籽粒与杂余未能很好的分离且部分杂余透筛，导致了此时籽粒的清洁率较低。随着后筛振幅的增加，杂余和籽粒在后筛的跳动越明显，在气流的作用下，杂余和籽粒分离效果越明显，使得籽粒的清洁率随着后筛振幅的增加而增加。

图15 各因素对籽粒清洁率影响的响应曲面Fig.15 Response surfaces of different factors to cleaning rate of maize grains

由图15c可知，当后筛频率为4.65 Hz，后筛振幅为15 mm时，在前后筛垂直间距一定的条件下，籽粒的清洁率随着前后筛水平间距的增大呈现先增加后减小的趋势。当前后筛面之间存在水平间距时，玉米脱出物由前筛落到后筛的过程中，部分杂余在前后筛空隙处落入清选装置下部，导致了籽粒的清洁率较低；随着前后筛水平间距的减小，从空隙处落入清选装置底部的杂余减小，前后筛之间的风速相对减少，此时籽粒与杂余的分离效果较好，籽粒的清洁率逐渐增加；当前后筛水平间距逐渐减小变为水平重合量时，气流对于玉米脱出物的分离作用减弱，籽粒与杂余不能很好地分离，部分杂余和籽粒在后筛进行透筛，导致了籽粒的清洁率降低。

(2)籽粒损失率

经分析可知：模型显著性检验F为15.26，P小于0.000 1，该模型极显著；失拟项P=0.069 8>0.05，残差项不显著，该回归模型成立。交互项x1x2、x1x3、x2x4对指标影响均显著，其余交互项不显著。各因素对籽粒清洁率影响的主次顺序为：x3、x1、x4、x2。各因素对籽粒损失率的回归数学模型为

(8)

各因素对籽粒损失率的响应曲面如图16所示。如图16a所示，当前后筛垂直距离为96 mm，前后筛水平间距为0 mm时，在后筛频率一定的条件下，籽粒的损失率随着后筛振幅的增大而增大。随着后筛振幅的增加，籽粒与杂余在筛面的跳动越明显，弹起的高度也随之增加。在气流的作用下，杂余和籽粒向后筛的位移也随之增大，使得杂余和籽粒与筛面的接触减少，使得籽粒的损失率升高。当后筛的振幅过大时，杂余与籽粒之间的碰撞更明显，使得籽粒的损失率进一步增大。

图16 各因素对籽粒损失率影响的响应曲面Fig.16 Response surfaces of different factors to loss rate of maize grains

如图16b所示，当后筛振幅为15 mm，前后筛水平间距为0 mm时，在前后筛垂直间距一定的条件下，籽粒的损失率随着后筛频率的增大而增大。在一定的后筛频率范围内，杂余和籽粒的跳动明显，籽粒与杂余的分离效果好，籽粒的透筛率提高，损失率减少。当后筛频率增大时，籽粒与杂余之间的碰撞越明显，从而影响籽粒透筛，造成籽粒损失率的升高。

如图16c所示，当后筛频率为4.65 Hz，前后筛垂直间距为96 mm时，在后筛振幅一定的条件下，籽粒的损失率随着前后筛水平间距的增大而降低。当前后筛水平重合量逐渐增大变为水平间距时，前筛清选后再次落到后筛的籽粒减少，与后筛上的脱出物继续筛分时，籽粒与杂余互相干扰减弱使得损失率降低；当前后筛水平间距从零开始逐渐增加时，在前后筛之间气流速度增加，籽粒与杂余的分离效果增强，造成了此时的籽粒损失率降低。

4.2.3参数优化

为获得振动筛最佳清选性能，根据清选装置实际工作条件及筛分性能要求选定参数优化的约束条件。利用Design-Expert 8.0.6软件的多目标优化算法进行参数优化。目标及约束函数为

(9)

优化结果为：当后筛频率为4.44 Hz、后筛振幅为15.65 mm、前后筛垂直间距为114 mm、前后筛水平间距为18.53 mm时，振动筛籽粒清洁率为98.53%，籽粒损失率为1.16%。

5 台架验证试验

为验证仿真试验优化结果准确性，依据优化结果加工分段式振动筛清选装置。通过设计偏心轮、连杆、摇杆、前后带轮的传动比，调节振动筛、贯流风机的变频器、风机角度调节板，使其后筛频率为4.44 Hz、后筛振幅为15.65 mm、前后筛垂直间距为114 mm、前后筛水平间距为18.53 mm，与优化结果保持一致。玉米脱出物喂入量为5 kg/s，玉米混合物的喂入量各成分及比例如表2所示，玉米籽粒、玉米芯、玉米茎秆的质量百分比分别约为73%、9%、18%。依据玉米脱出物各成分比例，称量玉米脱出物各成分然后均匀混合，前期预试验将20 kg玉米脱出物均匀铺放在抖动板上不同区域内，通过计时器计时4 s，重复多次试验确定20 kg玉米脱出物4 s时从抖动板完全下落的铺放区域。试验时将20 kg玉米脱出物均匀放置在抖动板的确定区域内，4 s全部落下，以保证清选装置入口脱出物量为5 kg/s。每次试验将玉米混合物重新按比例混合进行试验。分段式振动筛清选装置如图17所示。

图17 分段式振动筛清选装置试验台Fig.17 Test bed of cleaning device with segmented vibrating screens1.照明灯 2.后筛 3.前筛 4.抖动板 5.风机 6.变频器 7.下筛 8.计算机 9.高速摄像机

5.1 工作机理验证

在清选装置入口气流速度为12.8 m/s、气流方向角为25°、清选装置入口玉米脱出物喂入量为5 kg/s条件下，按照优化结果对分段式振动筛清选装置进行仿真试验，提取玉米籽粒在前筛下落后的轨迹。同时通过高速摄像机对前筛落到后筛的混合物中的籽粒进行跟踪[24]，结果如图18所示。

图18 玉米籽粒运动轨迹Fig.18 Motion tracks of maize grains

在传统双层往复振动筛清选装置上筛后部的籽粒受到杂余的夹带作用而影响透筛。分段式振动筛中，玉米籽粒由前筛落到后筛的过程中受到风力的作用与杂余分离。由玉米籽粒的仿真轨迹可知，部分籽粒会在后筛的前部透筛。后筛籽粒的实际透筛规律与仿真透筛规律基本一致，如图18a、18c所示。由于后筛的频率和振幅均小于前筛的频率和振幅，经分离后落到后筛的籽粒跳动减弱，使得籽粒的透筛率提高。

5.2 筛分性能验证

试验参照GB/T 8097—2008《收获机械 联合收割机试验方法》进行试验，每组试验重复5次，并与传统双层往复振动筛清选装置试验结果进行对比[25]，试验结果见表7。

由试验结果可知，传统双层往复振动筛清选装置的籽粒清洁率均值为97.08%，籽粒的损失率均值为2.26%；分段式振动筛清选装置的籽粒清洁率均值为98.34%，籽粒损失率的均值为1.45%。与传统双层往复振动筛清选装置相比，分段式振动筛清选装置的籽粒清洁率提高1.26个百分点，损失率降低0.81个百分点，分段式振动筛清选装置的清选性能得到提升。

表7 台架试验结果Tab.7 Results of tests %

6 结论

(1)基于传统双层往复振动筛上筛籽粒的透筛情况，确定上筛960～1 360 mm的纵向区域是导致籽粒损失率高、清洁率低的主要区域。设计一种分段式振动筛清选装置，在分段式振动筛清选装置后部的气流可以使玉米脱出物进行再次分离。后筛上部气流速度为传统双层往复振动筛相同位置筛上气流速度的1～3倍，使籽粒的清洁率得到提高。

(2)基于CFD-DEM耦合仿真试验，建立清选装置不同因素与指标间的回归数学模型，通过参数优化确定分段式清选装置最佳参数组合：后筛频率为4.44 Hz、后筛振幅为15.65 mm、前后筛垂直间距为114 mm、前后筛水平间距为18.53 mm。

(3)在清选装置入口气流速度为12.8 m/s、气流方向角为25°、清选装置入口玉米脱出物喂入量为5 kg/s时，分段式振动筛清选装置使籽粒清洁率提高到98.34%，籽粒的损失率降至1.45%。