在农作物生产中,农业物料的清选是一项重要内容。现代联合收割机中常用风筛式平面振动筛进行清选,而风筛式平面振动筛筛分过程是一个极为复杂的随机过程,随着物理实验技术的发展及计算机技术的进步,运用现代设计理论与方法对风筛式清选装置进行系统地分析与研究的成为一个研究热点,因此,本文以稻谷清选为研究对象,开展风筛式清选装置设计理论与方法的研究,主要内容如下。1、测量了4LZ-1.0型联合收割机排出物的组成,测量结果表明,该机型清选损失率小于1%,但排出物中,谷粒与瘪谷没能有效地分离。对排出物中谷粒、瘪谷及茎秆的三维尺寸、密度、刚度及剪切强度等物性参数进行了测量,同时对三者之间相互作用的物性参数,如恢复系数、摩擦系数等进行了测量。2、对风筛式清装置进行了总体设计,对其振动筛总成进行了三维设计,运用三维分析软件,对筛面进行了运动学分析,并对筛面上点的运动进行了曲线拟合,分析表明,筛面上的点作周期性运动,运动曲线可用正弦函数表达。同时,运用ADAMS,分析了清选装置主要参数变化对筛面加速度的影响,并对主要参数进行了优化,优化结果表明,曲柄转速及半径对筛面的加速度影响敏感,其中曲柄转速n=360r/min、曲柄半径r=2.5cm时,有利于筛面上谷物的筛分。3、基于气固两相流体力学理论,分析了谷粒在筛面气流场的受力情况；运用Pro/E软件建立了风筛式清选装置三维几何模型,将其划分为结构化四面体网格,在恒压力边界下,利用CFD软件中的标准k-ε流模型和壁面函数法对清选装置内气流场进行了数值模拟。分析结果表明：风扇的外端风速最大,在风道与风扇滚筒的交界处,气流做离心运动,气流沿风扇叶片的切线方向吹出,形成比较流畅的气流场,在鱼鳞筛网处气流的大小方向发生改变,鱼鳞开口处速度聚集,气流从筛孔吹出,向着宜于将杂物吹出的方向流出。由于鱼鳞开口的影响,在筛面上方,离筛面较近处气流速度较大,分析表明,在保证清选效率的情况下,可以缩短清选装置的竖向距离。数值模拟同时表明,气流速度在壁面发生一定的冲击现象,压强存在明显梯度。通过正交实验对筛面气流场进行了优化,优化结果表明,离心风机转速为700r/min,离心风机倾角为25°,鱼鳞筛夹角20°时,有利于降低含杂率及损失率。4、利用逆向工程理论,对稻谷谷粒、瘪谷、短茎秆进行了三维模型重构。运用三维离散元形状模型理论,采用粘接法,构造了稻谷谷粒、瘪谷及短茎秆的三维离散元模型。该模型与实际模型形状尺寸及密度值误差在5%以内,可成为稻谷收获清选动力学及运动学分析运动的力学基础。5、对稻谷的脱出混合物在平面振动筛上的清选行为进行了系统的三维离散元数值模拟研究。通过数值模拟,再现了颗粒流在筛面激励下的分层及透筛过程,并分析了颗粒流的运动规律。研究了各振动参数对谷粒及瘪谷在筛面运动的影响,并通过曲线拟合得到其回归方程,探索了颗粒流在筛面上的分层及透筛机理。6、运用三维离散元分析模拟理论,对平面振动筛的筛分效率进行了系统的研究。引入动态筛分效率的概念,分析了在筛分过程中,筛面的振动频率、振幅及筛面倾角对筛分效率的影响。在此基础上,进行了正交仿真实验,得到了最佳筛分效率时的振动参数,即振动频率5Hz、振幅25mm、倾角为4°。同时建立了筛分效率的多元非线性模型,该模型丰富了颗粒物料的振动筛分理论,为传统筛分机的优化设计和新型筛分装置的研制提供了理论依据。7、运用实验的方法,对数值模拟进行了验证。运用高速图像处理系统,在实验台上进行了筛分过程的运动示踪,将离散元仿真结果与实验结果进行对比,分析表明,两种情况下,颗粒运动趋势相近；通过对实验时筛下物的统计,得到了筛分效率沿筛面分布规律,筛分效率在筛面上呈正态分布,筛面中前部筛分效率最高,该规律与离散元模拟结果规律基本一致；运用风速仪,对不同风机转速及不同风机倾角下筛面中点及出风口速度进行了测量,并与CFD模拟结果进行对比分析,分析表明,模拟结果与实验结果变化趋势相似,运用CFD进行气流场分析完全可行。
