荞麦营养丰富,是改善膳食结构、促进营养健康的重要口粮品种。我国是荞麦主产国之一,荞麦的种植面积与产量均位居世界第二。由于荞麦为无限花序作物,其籽粒的成熟度极不一致,成熟籽粒极易脱落,收获时籽粒易受损破碎,茎秆含水率较高等特点使得荞麦机械化收获难度较大。尤其在联合收获的清选环节,含水率较高的茎秆成为机械收获脱出混合物的主要组分之一,其空气动力学特性、尺寸特性与籽粒的差异不明显,故而导致荞麦机械收获清选含杂率高,损失率大的问题普遍存在。本课题从荞麦机械化清选入手,对国内外谷物清选原理方法,清选装置设计、试验以及脱出混合物物料特性的研究动态进行了分析,采用理论分析、结构设计与优化、模拟仿真、台架试验相结合的研究方式,开展了荞麦作物机械收获脱出混合物清选理论与试验研究,以期为现有荞麦清选装置及联合收获机的数字化设计、优化提供理论依据,为新型荞麦清选装置的研制提供参考与启示。本课题的主要研究工作如下:1、荞麦作物机械收获脱出混合物特性研究收集了XG788S型联合收割机收获‘黑丰1号’、‘红山’荞麦时脱出混合物,对2种脱出混合物的组成进行了分析,研制了农业物料动态休止角测量装置、碰撞恢复系数测量装置,采用直接测量法,应用不同的仪器和装置对各脱出混合物中各组分的特性参数进行了测量并分析。得到了荞麦机械脱出混合物中各组分的三维尺寸范围、主要组分的千粒重、密度、含水率、悬浮系数、动态休止角、弹性模量、剪切模量的数据区间;获得了荞麦籽粒、茎秆之间及它们与钢板相互作用的接触参数,如恢复系数、摩擦系数等。结果表明:荞麦机械脱出混合物的主要组分为荞麦籽粒和茎秆,杂余量占比高达32%左右;仅依靠风选难以实现脱出混合物中籽粒与茎秆的有效分离;旋转鼓转速、荞麦籽粒的填充率和含水率均对2种荞麦籽粒的流动性和摩擦性有一定影响,荞麦籽粒的上、下休止角及动态休止角均与含水率呈显著的线性关系,籽粒动态休止角约等于其上、下休止角的平均值。所得特性参数数据及结论可为后续建立相对精确的荞麦籽粒、茎秆的离散元模型,进行脱出混合物分离、清选过程的数值模拟,设计适应性较强的清选装置提供数据支持与依据。2、荞麦作物机械收获脱出混合物主要组分离散元模型的构建及模拟参数虚拟标定研究采用三维模型重构法建立了‘黑丰1号’荞麦籽粒、茎秆的离散元模型,设计并试制了基于堆积试验的农业物料静态休止角测量装置,通过现代试验设计方法完成了对荞麦籽粒、茎秆离散元模拟参数的标定,并分别采用圆筒提升、旋转鼓模拟试验对标定结果进行了验证。研究结果表明荞麦籽粒-籽粒静摩擦系数、荞麦籽粒-钢板静摩擦系数对荞麦籽粒的静态休止角影响显著;而荞麦茎秆-茎秆间动摩擦系数、碰撞恢复系数对荞麦茎秆的静态休止角影响显著。标定得到的籽粒离散元模拟参数为:荞麦籽粒泊松比0.29,剪切模量34.325MPa,荞麦-荞麦静摩擦系数0.482、滚动摩擦系数0.290、恢复系数0.260;荞麦-钢板恢复系数0.500、静摩擦系数0.446、滚动摩擦系数0.235;标定得到的茎秆离散元模拟参数为:荞麦茎秆-茎秆静摩擦系数0.600、滚动摩擦系数0.460、恢复系数0.160;荞麦-钢板恢复系数0.360、静摩擦系数0.500、滚动摩擦系数0.300。模拟验证试验与实体试验得到的荞麦籽粒、茎秆休止角无显著差异,表明采用响应面法标定荞麦籽粒、茎秆离散元仿真参数是可行的,结果是可靠的。所得荞麦籽粒、茎秆离散元模型及模拟参数可为后续荞麦作物机械收获脱出混合物的清选仿真试验奠定基础,为荞麦相关装备的数字化设计提供依据。3、荞麦作物机械收获脱出混合物清选试验研究以‘红山’荞麦机械收获脱出混合物为试验材料,在风筛式谷物清选试验台上进行了曲柄长度、曲柄转速、上筛面倾角、下筛面倾角、振动方向角、风机风向角、风机转速的单因素试验,根据单因素试验结果对这7个因素分别取3水平进行了正交试验,对试验结果进行了极差、方差及回归分析,建立了清选含杂率、籽粒损失率、清选时间的回归模型,并应用多目标遗传算法对荞麦清选环节的工作参数进行了优化。试验结果显示各因素对清选损失率、籽粒含杂率及清选时间的影响程度不尽相同,荞麦清选作业参数最佳解集为:曲柄长度30 mm,曲柄转速和风机转速分别为231 r/min,600 r/min,风机风向角,上、下筛面倾角,筛面振动方向角依次为30°,-3.8°,-1°,5°。此时清选损失率、含杂率和清选时间分别为2.80%,3.09%,7.98s。经试验验证,在最优工作参数下,各评价指标的试验值依次为2.89%,3.11%,8.09s,与理论值相对误差均小于4%,且优化所得结果与极差、方差分析结果高度一致,说明采用遗传算法对清选回归模型进行优化是可行的,优化结果是可靠的。所得结论可为荞麦清选作业工作参数的选用,传统荞麦清选装置的设计及优化提供理论依据。4、谷物清选试验台的改进及清选性能优化试验研究根据上述清选试验情况,对谷物清选试验台的喂料系统等进行了改进设计。在喂入量0.5 kg/s、上筛面倾角-3.8°、下筛面倾角-1°条件下,以‘红山’荞麦机械脱出混合物为试验材料进行了不同风机转速、风机风向角、曲柄转速、曲柄长度条件下的筛下物料分布试验,得出了筛下籽粒、杂余重量、物料总重量及籽粒含杂率随各参数沿筛面横向、纵向的分布规律。根据试验结果,在该谷物清选试验台上增设了第三层筛面及贯流风机,并在清选试验所得最优参数条件下,进行了验证试验。结果表明:采用双喂料辊及带有强制平铺作用的阶梯状抖动板组成的喂料系统,能使荞麦脱出混合物料沿全筛宽喂入,提高了清选筛面的利用率,改善了清选作业环境;增设第三层筛面及贯流风机可有效提高筛下物料分布的均匀程度及筛下籽粒的清洁率。所得结论可为风筛式荞麦清选装置的改进设计提供参考。5、非平面筛面的设计及清选试验研究针对清选环节中脱出混合物易在筛面堆积、堵塞的特点,基于筛上物料松散、分层理论,创新设计了非平面凸柱筛、凹坑筛、波浪筛。以‘黑丰1号’荞麦机械脱出混合物为试验材料,采用离散元法和Box-Behnken试验设计原理进行了筛分模拟试验及台架清选试验。结合试验现象及结果,对非平面凸柱筛面的作业机理进行了阐释;建立了凸柱率、凸柱高度、振动筛振幅、频率与清选质量指标间的数学模型并对各因素及其交互作用进行了分析,对性能指标回归方程进行了多目标优化,得到凸柱筛面清选效果最佳的工作参数组合并试验验证。结果表明:在运动参数相同的情况下,非平面筛面（波浪筛除外）的筛分效果明显优于平面筛面的,且凸柱筛的筛分效果优于凹坑筛;凸柱筛的凸柱率、凸柱高度对筛分性能影响显著;当凸柱高度为13～33 mm、凸柱率为1.0%～2.5%时,筛面对筛上物料的松散、分层作用明显,筛分效果较好。响应面试验结果表明,各因素对清选损失率、籽粒含杂率、清选时间影响程度不尽相同。经优化得非平面凸柱筛面最优工作参数组合:凸柱率1.616%,凸柱高度21.199 mm,曲柄长度23.980 mm,曲柄转速210.581 r/min,此时清选损失率1.974%、籽粒含杂率3.099%、清选时间7.262 s。验证试验结果表明采用非平面凸柱筛面可以有效缓解荞麦机械脱出混合物在清选过程中的堆积、糊筛现象,改善籽粒透筛环境,提高清选作业质量。所得结论可为传统荞麦清选装置的优化和新型荞麦清选装置的研制提供依据。