潮湿水稻脱粒混合物双风道\三自由度混联振动筛分机理与控制方法

To solve the universal problems of low efficiency, poor adaptability and high grain loss of combine harvester when harvesting wet rice crops, this project proposes to carry out the research on a new cleaning method which is mainly composed of a 2-outlet centrifugal fan and a 3-DOF vibrating sieve. According to the mechanical properties of threshing mixture material of wet rice crops, viscoelastic contact models between mixture material and vibrating sieve is established. Transport law of mixture material along the sieve surface under the three degree of freedom vibration excitation is analyzed. Dynamic sieving processes of seeds under the excitation of staggered air flow field and vibrating sieve are simulated using DEM\CFD method. By analyzing the reasons lead to wet material sticking together each other, air flow speed and angles of two outlets, vibration form and parameter of sieve are optimized to promote uniform transport of mixture material on the sieve surface and improving sieving performance. Considering the interference factors and the time-varying working status, information fusion method for distribution of penetrated grain, distribution of loss grain and grain loss rate is studied. Taking higher cleaning efficiency and purity, lower grain loss rate as optimization goals, a feedback control strategy for working parameters of cleaning system is presented to promote working stability and adaptability. The research achievements are beneficial to provide a theoretical basis for the development of efficient agricultural cleaning system, and also have important academic value and broad application prospect.

针对联合收割机现有的风筛式清选装置在进行潮湿水稻作物收获作业时暴露出的效率低、适应性差、损失率高的问题，本项目提出研究新型双风道\三自由度混联振动筛分方法；根据潮湿水稻脱粒混合物的力学特性，采用粘弹性模型计算籽粒、杂余、振动筛之间的碰撞接触力，分析混合物在三自由度振动作用下沿筛面的输运规律，DEM\CFD耦合研究混合物在交错气流场和振动作用下的透筛过程，揭示混合物双风道\三自由度振动筛分机理；分析高含水率混合物粘聚成团、透筛性能降低的原因，通过优化双风道风速、倾角和筛面振形、振动参数，促进非均匀混合物在筛面均匀输送、提高筛分性能；针对工况的时变特性，研究籽粒透筛分布、清选损失率和损失籽粒分布的信息融合方法，以提高清选效率和清洁率、降低损失率为目标，提出清选参数反馈控制策略，提高作业稳定性、适应性。研究成果可为联合收割机高效清选系统设计提供理论基础，具有重要的学术价值和应用前景。

水稻、小麦等农作物收获普遍采用风筛式清选装置，物料喂入振动筛时的径向分布通常是不均匀的，由往复振动筛和单风道风机构成的清选装置在进行非均匀喂入物料清选时的适应性差、损失率高，针对这一问题，项目从新型清选装置设计、物料喂入状态监测、筛分动力学分析以及作业反馈控制等方面开展双风道\三自由度振动筛分机理与控制方法研究。. 采用并联机构调节筛面倾角、水平姿态角，曲柄连杆串联机构驱动筛面作往复运动，实现了筛面三自由度混联振动；在清选风机出风口增加角度可调节的导风板，将气流场分为上、下两个流道，以改善筛面气流场分布；完成了振动筛分装置的解耦计算、运动学仿真和控制系统开发。. 构建了水稻籽粒和短茎秆力学模型，采用离散元法模拟了混合物在多自由度振动激励下,沿筛面的轴向输运、径向扩散和透筛过程，分析了物料喂入的非均匀分布状态对筛分性能的影响，建立了筛面水平姿态角的优化控制模型；分析了物料的喂入分布、在筛面的分布以及透筛籽粒分布之间的关联性，并采用神经网络建立了物料喂入分布状态的预测模型；采用压电效应和ANFIS信号融合方法设计了高速籽粒计数传感器，量程为1000粒/s时的测量误差小于8%；将传感器安装于筛面下方，根据预测模型进行物料喂入分布状态实时监测，试验结果表明，平均测量误差小于10%；采用EDEM-CFD耦合计算了混合物双风道\三自由度振动筛分动力学过程，根据理想的气流场分布状态确定了导风板倾角的合理范围，分析了清选室内气流场分布及其对透筛性能的影响。. 以降低损失率为目标、物料喂入分布不均匀度作为测量参数，提出了筛面水平姿态角的反馈控制方法，在不均匀度0–1.2范围内进行试验，结果表明：通过筛面水平姿态角的自动控制，可以有效地促使非均匀喂入的物料在筛面均匀分布，提高筛面利用效率和筛分性能.在不均匀度1.2时，损失率可降低约35%，在不同的物料喂入状态下，控制系统具有很好的稳定性和适应性。研究成果在谷物联合收获机械高效清选系统中具有应用前景。

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