Optymalizacja i analiza eksperymentalna urządzenia czyszczącego do superryżu o wysokim stopniu zanieczyszczeń w oparciu o wzmocnienie pola przepływu powietrza

Dlaczego czystsze zbiory ryżu mają znaczenie

Gdy nowoczesny kombajn ścina pole wysoko plonującego „superryżu”, zbiera nie tylko ziarna, lecz także mokre łodygi, plewy i kawałki liści. Jeśli system czyszczący maszyny nie radzi sobie, rolnicy otrzymują ryż z nadmierną ilością zanieczyszczeń lub tracą wartościowe ziarno wyrzucane na tył maszyny. W tym badaniu rozwiązano ten problem, przeprojektowując sposób przepływu powietrza przez sekcję czyszczącą kombajnu ryżowego, aby uzyskać czystszy ryż przy mniejszych stratach, jednocześnie ograniczając potrzebę kosztownych prób i błędów w polu.

Jak ryż jest czyszczony wewnątrz kombajnu

W środku kombajnu wiechy ryżu są najpierw uderzane i trącone w wirujących bębnach, aby ziarna oddzieliły się od łodyg. Ta mieszana masa ziaren i resztek roślin trafia następnie do komory czyszczącej. Tam wibracyjne sito potrząsa materiałem, a wentylator dmucha powietrzem ku górze. W idealnej sytuacji ciężkie ziarna opadają przez sito do ślimaka zbierającego, podczas gdy lżejsze łodygi i plewy są usuwane przez przepływ powietrza. W praktyce, szczególnie w przypadku wysoko plonującego, wilgotnego superryżu, duża objętość mieszanki gromadzi się z przodu sita i tradycyjne konstrukcje przesiewu z użyciem powietrza mają trudności z oddzieleniem ziaren bez ich wydmuchania na zewnątrz maszyny.

Pomiary niewidocznych prądów powietrza

Aby usprawnić ten proces, zespół badawczy potraktował przepływ powietrza jako zjawisko, które można zmierzyć i zoptymalizować. Używając pełnowymiarowego stanowiska testowego odwzorowującego pracujący kombajn, przepuszczali świeżo ścięty ryż przez bębny młócące i do komory czyszczącej. Siatka skrzynek zbierających pod sitam ujawniła, gdzie rzeczywiście lądowały ziarna i zanieczyszczenia, a czułe przyrządy do pomiaru prędkości powietrza odwzorowały trójwymiarowe pole przepływu tuż nad sitam. Na podstawie tych danych zespół zdefiniował trzy proste wskaźniki „dobrego” przepływu powietrza: wysoką średnią prędkość powietrza w ruchliwej przedniej części sita, wyraźny wzrost prędkości powietrza w tylnej strefie, gdzie gromadzą się długie łodygi, oraz równomierny przepływ powietrza z boku na bok, tak aby wszystkie części sita pracowały podobnie.

Dostrajanie wentylatora i kierownic jak instrumentu dętego

Następnie zespół systematycznie regulował kluczowe ustawienia mechaniczne kształtujące wewnętrzny wiatr: prędkość wentylatora, kąty dwóch metalowych płyt kierujących, które sterują powietrzem opuszczającym wentylator, oraz wielkość otworów w górnym sicie. Używając uporządkowanego zestawu kombinacji testowych, określili, które ustawienia miały największe znaczenie dla każdego wskaźnika przepływu powietrza oraz dla rzeczywistej wydajności w polu. Najlepszą równowagę osiągnięto przy stosunkowo szybkim wentylatorze (1250 obrotów na minutę), stromszej pierwszej płycie kierującej, umiarkowanym kącie drugiej płyty kierującej oraz określonej wielkości otworów w sitowym wzorze przypominającym łuski ryby. W próbach polowych ta kombinacja już zmniejszyła zarówno straty ziarna, jak i zawartość zanieczyszczeń w porównaniu z mniej zoptymalizowanymi ustawieniami, potwierdzając, że te wskaźniki przepływu powietrza wiarygodnie przewidują jakość czyszczenia.

Formowanie wiatru za pomocą zakrzywionych płyt

Wykorzystując te spostrzeżenia, badacze poszli dalej niż samo dostrajanie i faktycznie przeprojektowali tor przepływu powietrza. Przeprojektowali dolną płytę wstrząsającą pod sitam, dodając opływowe, zakrzywione łukowe płyty działające jak małe skrzydła. Te krzywizny zmniejszają zator przy wylocie wentylatora i kierują większą część przepływu powietrza ku górze w przedniej części sita, gdzie najgęściej osadza się czyste ziarno, a także wzmacniają przepływ powietrza z powrotem ku tyłowi, gdzie duże kawałki słomy muszą zostać wydmuchane. Po zainstalowaniu nowej konstrukcji pomiary wykazały niemal dwukrotny wzrost prędkości powietrza w przedniej sekcji, zauważalny wzrost przepływu na tylnej części sita oraz zmniejszenie wahań prędkości bocznych około dwukrotnie, co wskazuje na gładsze, lepiej kontrolowane pole wiatru.

Czystsze ziarno i mniejsze straty na polu

Gdy ulepszony projekt przetestowano w rzeczywistych polach ryżowych, korzyści praktyczne były wyraźne. W wymagających warunkach o wysokim udziale zanieczyszczeń i dużych dopływach do maszyny odsetek niechcianych materiałów w zebranym ryżu spadł z około 4,8% do 1,8%, a udział ziarna straconego przez tył urządzenia zmniejszył się z około 2,5% do 0,8%. Mówiąc prościej, więcej tego, co rolnik wyprodukował, trafia jako użyteczne ziarno, a mniej czasu trzeba poświęcać na czyszczenie po zbiorach. Łącząc precyzyjne pomiary przepływu powietrza, przemyślany projekt testów i prostą modyfikację konstrukcyjną, praca ta pokazuje, jak „kształtowanie wiatru” wewnątrz kombajnu może uczynić zbiór ryżu bardziej wydajnym i niezawodnym; podobne podejście można by również dostosować do innych zbóż.

Cytowanie: Wang, G., Wang, F., Liang, Y. et al. Optimization and experimental analysis of a cleaning device for super rice with high impurity rates based on airflow field enhancement. Sci Rep 16, 10709 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40829-4

Słowa kluczowe: zbiór ryżu, kombajn zbożowy, optymalizacja przepływu powietrza, czyszczenie ziarna, maszyny rolnicze