基于气流场增强的高杂率超级稻清选装置的优化与试验分析

为何更干净的稻谷收获很重要

当现代联合收割机割收高产“超级稻”时，它不仅拾起稻粒，还会带入湿秆、稻壳和叶片碎屑。如果机器的清选系统无法应对，农民就会得到含杂质过多的稻谷，或从后部流失宝贵的籽粒。该研究通过重新设计稻谷联合收割机清选段的气流路径来解决这一问题，目标是在减少浪费的同时提高籽粒洁净度，并减少在田间昂贵的反复试验需求。

收割机内部如何清选稻谷

在联合收割机内部，稻穗首先在旋转滚筒中被拍打和摩擦，使籽粒从秆上脱落。随后，这种籽粒与植株碎屑混合的物料进入清选室。在那里，振动筛震动物料，同时风扇向上吹风。理想情况下，较重的籽粒会落过筛子进入集粮螺旋装置，而较轻的秆和糠壳则被气流带走。但在实际情况中，尤其是高产且含水量高的超级稻，筛前端会堆积大量混合物料，传统的风筛设计在不将籽粒吹出机器的情况下难以实现干净分离。

测量看不见的气流

为改进这一过程，研究人员首先将气流本身视为可测量且可优化的对象。利用一套模拟实作业收割机的全尺寸试验台，他们将新割下的稻谷通过脱粒滚筒送入清选室。筛下方的收集箱格栅显示了籽粒和杂质实际落点，而灵敏的风速测量仪则绘制了筛面上方三维气流分布。基于这些数据，团队定义了三个“良好”气流的简单指标：筛面前部的平均风速较大、靠后部（长秆堆积处）风速有明显提升，以及侧向气流均匀，使筛面各处工作状态相似。

像吹奏管乐器一样调校风机和导板

接着，团队系统地调整了决定内部气流的关键机械参数：风机转速、两块引导空气离开风机的金属导板角度以及上筛的开口尺寸。通过一组结构化的试验组合，他们识别出对各气流指标及田间实际表现最重要的设置。最佳平衡是在较高风机转速（1250转/分钟）、第一导板较陡、第二导板角度适中以及鱼鳞式上筛特定开口尺寸的组合下实现的。在田间试验中，这一组合相比较少优化的设置已降低了籽粒损失和杂质含量，证实这些气流指标能可靠地预测清选质量。

用弧形板塑造气流

在这些洞见的基础上，研究人员不仅进行了调参，还重塑了气流路径。他们重新设计了筛下的下振板，加入了流线型的弧形板，类似小翼的结构。这些弧形板减少了风机出口的阻塞，将更多气流引导至筛面前部（清洁籽粒最密集处）向上吹送，同时在后部再次增强气流，以便吹散较大的秸秆件。安装新结构后，测量显示前部风速几乎翻倍，筛后部气流明显上升，侧向风速差异约减半，表明风场更平稳、更可控。

田间更洁净的籽粒与更少的浪费

在真实稻田中测试改进设计时，实际效益十分显著。在高杂率且进料量大的苛刻条件下，收集稻谷中不需要物料的比例从约4.8%降至1.8%，而从清选器后部流失的籽粒比例也从约2.5%降至0.8%。通俗地说，农民种出的更多谷物能成为可用籽粒，收获后清理工作也减少。通过将精确的气流测量、合理的试验设计和简单的结构改进结合起来，这项工作展示了在收割机内部“塑造风场”如何提升稻谷收获的效率和可靠性，同样的方法也可推广到其他粮食作物。

引用: 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

关键词: 水稻收割, 联合收割机, 气流优化, 谷物清选, 农业机械