联合收割机结构原理点滴谈7：麦收前夕话清选损失

如何防止作业中的清选损失，是国内外对联合收割机诸多部位监视的重中之重，也是设计过程中结构原理的难中之难。所以联合收割机新品投放市场成败与否，与设计过程中对清选系统原理确定和结构布置有重要关系。也正因为此难度，国内外机型清选系统的设计到目前为止也只停留在风筛式结构的层面上，而不像脱粒装置在结构原理上已有较大的突破。

联合收割机在使用过程中出现脱不净、含杂多和籽粒破碎等故障大多是是软故障。尤其是田间损失，它由多方面原因造成。作业中往往没有硬故障出现，可就是不能止损。而往往在这些故障出现时，更多时候是不用做任何调整，只需换一块地或换个时段作业，损失即刻消失。

清选损失主要原因是抖动板和筛面混合物堆积过厚。田间和室内实（试）验中通过研究清选筛面上气流分布、风向、风量和风压，混合物在筛面上各处层厚及运动状态，籽粒在筛面上运动和透筛机理，设计出风机进出风口形状和调整最优方案，建立起国内外相关资料中没有出现过的理论依据，制定了大喂入量作业条件下减薄混合物层厚和撒粮损失的有效措施。

联合收割机结构原理的新发现和新创造有许多是需要在实验室得出结论的。这是因为田间试验可变因素太多，而实验室内采用单因素法可以使故障重现，最终优选得出正确的结论。多年来，笔者在高校、企业和田间做过大量的产品结构原理实验和创新改造试验，有以下过程验证与结论性体会。由于篇幅有限，实（试）验情况与相关数据从略。

物料与输送

通常情况下进入清选的谷粒占脱出混合物质量的90-95%，干燥情况下只有50%。喂入量增加，进入清选杂余量相反会减少。进入清选的谷粒与非谷粒体积比，秸秆含水率15-20% 时为10-20%，干燥时会更低。

目前联合收割机清选室内混合物料采用输送搅龙或抖动板输送。这两种输送方式都应满足输送物料到上筛前的最大厚度不超过80毫米，才能保证清选筛对物料中籽粒的有效分离。而目前作业中在最大喂入量下输送物料厚度基本都在150-200毫米之间，对清选装置正常工作是极为不利的。

喂入量增加则混合物增多。目前国产横轴流8公斤机喂入量已经使抖动板铺层厚度严重超标。抖动板在输送过程中虽有分层作用，但在喂入量较大、混合物较多的情况下因铺层过厚分层效果不好。加之混合物从抖动板下落到上筛过程中，抖动板与上筛之间因落差过小，气流无法将混合物中的杂余完全托起并一次送出机外，为此给上筛籽粒分离造成较大难度。如果要将抖动板下落到上筛前的杂余一次送出机外，则需要减薄抖动板上混合物厚度，使风机有足够能力将杂余与籽粒分离，使杂余呈漂浮状态离开机体。 

国外筛箱振动频率普遍为250-325次/分钟。按国内现有机型清选筛抖动频率360次/分钟，抖动阶梯板间距和筛片之间间距30毫米计算，每秒钟混合物位移180毫米。按现有机型田间作业速度2米/秒即作业速度7-8公里/小时计算，筛面混合物层厚可达200毫米。这对目前配套的风筛式清选系统是很难确保籽粒分离的。

筛箱初始角和振幅的变化也影响清选效果： 一定的谷物在输送速度不变的情况下，空气阻力的变化与物料层厚度是成正比例的；而物料层的厚度又同谷物的喂入量成正比。轻杂余靠空气动力作用分离，秸秆则靠气流和机械推动沿筛面运动。混合物较薄时，谷粒容易穿过筛孔。但如果输送速度过高，由于时间的原因，谷粒反而不易分离出来。

2020年麦收期间各横轴流品牌机型撒粮都较多。其原因仍然是脱谷室下落到清选筛面混合物过多（超过常规80毫米极限厚度），厚度近200毫米，造成筛面负荷重，气流托不起杂余，籽粒不能分离，随杂余沿筛面移出机外。

根据国内外联合收割机相关设计要求， 抖动板和筛面上混合物标准厚度一般控制在60毫米左右，干燥时收割也不应超过100毫米。对于这个厚度的混合物，对目前机型配套的离心风机，在筛片和风机都按标准正确调整的情况下，完全可以托起全部混合物中的杂余实现籽粒分离。但如果筛片和风机调整不当，混合物就会在筛面上出现移动速度缓慢，形成滞留积堆，籽粒夹杂在堆积的混合物中移出筛面造成落地损失。目前8kg/s机喂入量继续增大，在小麦后期收获秸秆破碎更多，抖动板上混合物厚度达到200毫米左右，极易出现籽粒损失。

为了使谷粒快速穿透筛片，物料层的厚度不能过厚。同时过高的输送速度使物料匆忙通过筛面，影响籽粒透筛。特别是筛片过高的加速分量引起籽粒跳动，减少透筛机会。

所以说，要实现高效率清选，就要明确混合物的产生、位置、状态和排出，除与风机有关外，还与抖动板和清选筛的振幅、频率、位置、层数、宽度、长度、筛片分段开启片数、清选室内形状大小等因素有关，还与作业速度和喂入量有关。

清选筛

根据多年多次多种物料清选试验发现，清选筛面振动频率在4赫兹上下时筛面籽粒分离透筛快，且基本在筛片前段下落完毕。而在振动频率6赫兹上下时筛面不少籽粒则可以一直跳动到尾筛抛出机外。当然，抖动板上混合物则在目前高频振动时的后移速度明显高于低频振动。

上筛作用：具有中等悬浮的物料，可以通过部分轻杂余的浮动和部分重杂余沿筛面机械推送过程中除掉。随着喂入量的增加，浮动杂余会减少，机械式推进杂余会增加，到茎秆再次被积聚到一起时形成连续流动。如果较轻较小物料事先除掉，并且筛孔的开度合适，则谷粒就容易通过筛孔下落收集。其次，风力的需要量要使气流速度大到足以使物料层蓬松和部分浮动，但不得大到把谷粒吹出机外。当然，被吹掉的物料比例是随喂入量增加而增加的。

当混合物湿度较大时，上筛前段不易开度过大，以免影响物料在筛面上后移。因为湿物料的漂浮速度较大，不易被气流托起，会从抖动板上直接下落到上筛前端。此时的籽粒分离则需要筛子的机械运动实现。而对于湿度较小的混合物，则上筛前端需要全部打开，为利用筛下气流一次将混合物中的杂余托起并实现籽粒透筛。

下筛作用：下筛主要是用机械式移动来进行颖壳细杂的筛选，籽粒通过筛孔的能力受谷粒的尺寸和谷粒相对于孔眼方向的影响。

清选筛逆向运动为减少不平衡振动和秸秆插入筛片的机会。筛片往复振动与静止时相比，筛面气流速度普遍降低，而对筛面气流分布规律没有影响，与减小风机转速对筛面流场产生的作用相当。筛子振动频率愈高，筛面结构对气流的影响愈大，筛上风速愈低。

清选负荷较重时，筛面物料阻挡了气流，使其速度普遍低于无负荷情况下的筛面气流速度。喂入量愈大，脱粒产生混合物进入越多，筛面风速愈低。

鱼鳞筛开度在5～10毫米范围内对其筛面风速影响不大。开度小时，筛面前部风速略有下降。一般情况下，当筛片与水平面夹角与风机出口倾角相接近时，筛面前部风速较大。另外，鱼鳞筛开度还影响其风向。

良好的筛面气流分布状态应满足以下几点：

1. 正常工作时，筛面横向气流要求分布均匀，筛面气流分布状态基本不变。这些条件可通过清选装置的设计与加工、运动参数的调整来满足。

2. 在筛子前部，由于初进入清粮室的籽粒和杂质量多层厚，且混杂在一起，故需要较高的风速和较多的风量来吹散物料，吹出轻杂物。但风速不宜过高，否则籽粒吹送过远移出机外。 

3. 随着物料不断向筛面后段运动，混合物会逐渐疏散并减少，清除杂质所需的空气量也可相应地减少，所以筛面气流速度沿筛子纵向也应逐渐降低。同时，气流与筛子振动相配合，使籽粒与杂质分层离散。若筛子中部风速过高，会使混合物在筛面上的停留时间缩短，不利于很好地筛选。但风速不宜降低过快，特别是对于单位幅宽喂入量大，杂余含量高的情况，以免落入该区间的杂质轻易落入筛孔，使含杂率上升。

4. 在筛子尾部，筛面上物料绝大部分是大杂质，只有极小部分未分离的籽粒。为避免过多的大杂质进入杂余回收部分，筛尾风速应略有提高，将大杂质吹出机外。

当然，为了避免清选损失过多，对清洁度要求可以适当降低。

风机

风筛式清选装置中风机的主要作用是利用脱出物中不同成分(籽粒、颖糠、碎叶、断穗和部分短茎秆)的空气动力特性，完成籽粒与杂质的分离清选。根据对试验物料不同成分在群体条件下分离的气流速度测定，籽粒与颖糠、碎叶、部分短茎秆等轻杂质可以利用气流完全分离，同时气流要与筛子适当配合才能较好地完成对大杂质和少量落在筛面上的轻杂质的清除。

清粮装置是依靠气流把飘浮速度较小的夹杂物吹走，而漂浮速度较大的夹杂物则靠筛子清除。这就要求气流在抖动板向筛面移送入口处以较大的流速(8—9米/秒)将混合物吹散，把轻杂物往远吹出机外，使筛子前半部分混合物中的轻杂物尽量减少，让大量谷粒在此透筛，以此来提高筛选效果。为了使不太饱满的籽粒不被吹出机外，要求气流自筛前往后逐步降低到2—3米/秒。因为在筛面中后部谷层较薄，在筛子抖动作用下，谷粒全部穿过上筛。尾筛尾部由于筛框后挡板的设计，可将风速提高到4—5米/秒，托起浮在筛面上的大杂余送出机外。尾筛倾角和片距较大，可将少量断穗筛落下进入杂余螺旋推运器进行二次脱粒。

为了获得上述筛面要求的气流，通常对气流与筛子的配置提出下述要求：

1.气流吹送方向与筛面成25—30°角，风机出风口气流直吹筛面在长度方向的范围应为筛子全长的2/5—3/5。也有机型气流直吹方向较陡(如35—40°)，仅为筛子长度的1/5。喂入量大，含杂率高，直吹的高速风区要加长。

2.通常清选装置的容腔（上筛上方）是逐渐扩大的，这样才能保证筛面从前到后有一个逐渐下降的风速分布，这就可使夹杂物在出口处跌落下来的过程中把相当部分轻杂物吹走，从而减轻筛面负荷。也有实验室的不同结论：容腔在尾筛上方突减截面，使风速提升，叫漂浮中的杂余在此处不下降，继续后移离开机体。

3.气流速度横向均匀分布在宽幅的、离心式轴向进风的风机出口管道内。气流在宽度范围的分布是不均匀的，且随着宽度与叶轮直径比值的(一般不超过1.5)增大而严重。它使谷粒含杂率上升，同时使谷粒吹落损失增加。改进措施有以下几种：

（1）对半分开成两个以上风机，获得多个进风口：在整体式风机上，由于进风口过远，在出风口中段形成较大负压，两侧所进的风直冲筛面中央，从而中间风速特高，两侧有反吸气流。将风机对半分开后，风速均匀性大为改善。

（2）在出风管内加横向导风板和在外壳开孔放风：因为在加宽风扇后，通常出风口下层风是两侧高、中央低，而上层风则与此相反。为此利用加导风板和开放风孔可以使气流均匀起来。 

（3）采用径向进风的风机(横流风机)：其特点是气流在宽度方向分布均匀，并且改变进风口开度大小可使风量调节范围增大。与轴流风机相比，在含杂率相近的条件下，谷粒吹出损失差别较大。此外，径向风机在产生相同气流能量的前提下，其径向尺寸可比轴向进风风机缩小约2/5。

风机出口倾角减小时，筛面前部风速沿纵向降低速率变快，后部风速沿纵向降低速率减缓。故风机出口倾角的改变，引起气流吹向筛面上方与吹向筛面下方的比例发生变化，主要影响筛面高速风区的纵向位置，进而影响筛面气流分布规律。

加长出风口后，在距风机轴距离较远的位置也可以得到较高的风速，并且加长500毫米比加长300毫米效果更明显，但风机口加长后出风口初速度会降低。

根据风机理论，在离心风机出口管路发生的流动过程常常称为“静压回收”。离开风机流速较高的气流逐渐膨胀，充满了管路。动能（动压）减少，势能（静压）增大。出口管路越长，压力回收越多，静压越大，风被送得越远。在送风方向上风速变化平缓。 

风机转速变化也影响清选效果：进风口越小，风速和风压就越大。进风口挡风板安装位置对筛面混合物的堆积位置有极大的影响, 因为脱出物沿筛面横向均匀分布会受纵轴流脱粒原理和混合物与筛箱侧壁摩擦阻力的影响，气体流量与速度在筛面不同位置都会产生变化。当风机两侧进风口无调风板时，出风口风速中间小两侧大，上层小下层大。

结论: 

根椐试验分折，传统单风道风筛式清选装置要获得理想的筛面流场，其结构及运动参数设计应注意以下几点： 

1. 风机出风口与筛面的配置应兼顾筛面上、下，同时适当选取出风口倾角(与筛长有关)，使气流大部分吹筛下，小部分吹向从凹板落下的脱出物，可使筛面气流逐渐降低，有利于籽粒与杂质的分离。

2.筛下安装籽粒滑板，使筛下气流从逐渐收缩的出口吹出，较好地起导风作用，可使筛后风速略有提高，有利于降低二次处理率。没有在筛下安装滑板，不能形成筛下气流出口的收缩效果。

3. 一般筛面前部风速最好能使轻杂物一次吹出筛面，沿筛长风速逐渐降低，筛面中、后部风速的垂直分量应接近或高于茎秆等大杂质在群体条件下分离的气流速度，筛面后部出口处风速应略有提高。

4. 得到理想的气流分布规律后，具体的运动参数需根椐实际物料条件和喂入情况进行调整。

由于单出风道风机在高效联合收割机上已经发现有缺陷，固市场上出现多种型式的双出风道风机，其结构原理实（试）验结论待续。