Оптимизация и экспериментальный анализ очистительного устройства для супер-рисa с высоким уровнем примесей на основе усиления воздушного поля

Почему важна более чистая уборка риса

Когда современный комбайн скашивает поле высокоурожайного «супер-риса», он собирает не только зерно, но и влажные стебли, оболочки и кусочки листьев. Если система очистки машины не справляется, у фермеров получается рис с чрезмерным количеством примесей или теряется ценное зерно. В этом исследовании решается эта проблема путём переработки направления и характеристик воздушного потока в секции очистки рисового комбайна — цель состоит в том, чтобы получать более чистое зерно с меньшими потерями и при этом сократить дорогостоящие полевые испытания методом проб и ошибок.

Как внутри комбайна происходит очистка риса

Внутри комбайна рисовые метёлки сначала сбиваются и трутся в вращающихся барабанах, чтобы зерно отделялось от стеблей. Получившаяся смесь зерна и растительных остатков затем попадает в камеру очистки. Там вибрирующее сито встряхивает материал, а вентилятор нагнетает воздух снизу вверх. В идеале тяжёлые зерна проходят через сито в шнек сбора, а лёгкие стебли и лузга уносятся воздушным потоком. На практике, особенно при уборке высокоурожайного, влажного супер-риса, у передней части сита скапливается большой объём смеси, и традиционные схемы «ветровое сито» затрудняют чистое разделение без выдувания зерна из машины.

Измерение невидимых воздушных потоков

Чтобы улучшить этот процесс, исследователи сначала отнеслись к самому воздушному потоку как к параметру, который можно измерить и оптимизировать. На полномасштабном испытательном стенде, имитирующем работу комбайна, они пропускали свежескошенный рис через молотильные барабаны и в камеру очистки. Сетка приёмных коробок под ситом показала, где фактически оседают зерно и примеси, а точные приборы для измерения скорости воздуха картировали трёхмерное поле воздуха прямо над ситом. Из этих данных команда выделила три простых показателя «хорошего» воздушного потока: высокая средняя скорость воздуха в загруженной передней зоне сита, заметный прирост скорости воздуха в задней части, где скапливаются длинные стебли, и равномерный поперечный профиль потока, чтобы все участки сита работали одинаково.

Настройка вентилятора и направляющих как музыкального инструмента

Далее команда систематически регулировала ключевые механические параметры, формирующие внутренний ветер: скорость вентилятора, углы двух металлических направляющих пластин, направляющих воздух из вентилятора, и размеры отверстий в верхнем сите. Используя структурированную матрицу тестовых комбинаций, они определили, какие настройки важны для каждого показателя воздушного потока и для реальной производительности в полевых условиях. Лучший баланс был достигнут при относительно высокой частоте вращения вентилятора (1250 об/мин), более крутом угле первой направляющей пластины, умеренном угле второй пластины и определённом размере отверстий в секции сита «под рыбий чешуйчатый» профиль. В полевых испытаниях эта комбинация уже снизила как потери зерна, так и уровень примесей по сравнению с менее оптимизированными настройками, подтвердив, что выбранные показатели воздушного потока надёжно предсказывают качество очистки.

Формирование потока с помощью изогнутых пластин

Опираясь на эти выводы, исследователи пошли дальше простой настройки и фактически изменили путь воздуха. Они переработали нижнюю встряхивающую пластину под ситом, добавив обтекаемые изогнутые дугообразные пластины, действующие как небольшие крылья. Эти кривые уменьшают засорение в районе выхода вентилятора и направляют больший объём воздуха вверх в передней части сита, где плотнее всего откладывается чистое зерно, одновременно усиливая поток в задней части, где необходимо выдуть крупные куски соломы. После установки этой новой конструкции измерения показали практически двукратное увеличение скорости воздуха в передней зоне, заметный рост потока у задней части сита, а также примерно двукратное сокращение поперечных вариаций скорости, что указывает на более гладкое и управляемое воздушное поле.

Более чистое зерно и меньше потерь в поле

Когда улучшенная конструкция была испытана в реальных рисовых полях, практические преимущества стали очевидны. В сложных условиях с высоким уровнем примесей и значительной подачей в машину доля нежелательных включений в собранном рисе снизилась примерно с 4,8% до 1,8%, а доля зерна, теряемого через заднюю часть очистителя, упала примерно с 2,5% до 0,8%. Иными словами, больше вырастаемого фермерами превращается в пригодное к использованию зерно, и требуется меньше времени на послеполевую очистку. Связав тщательные измерения воздушного потока, продуманное проектирование испытаний и простое конструктивное изменение, эта работа показывает, как «формирование ветра» внутри комбайна может сделать уборку риса более эффективной и надёжной; аналогичный подход можно адаптировать и для других зерновых культур.

Цитирование: 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

Ключевые слова: сбор риса, комбайн, оптимизация воздушного потока, очистка зерна, сельскохозяйственная техника