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玉米籽粒收获是玉米生产全程机械化主要环节之一,如今在玉米籽粒机械化收获中广泛采用玉米籽粒联合收获机,清选装置作为籽粒联合收获机的“消化系统”直接影响联合收获机作业后籽粒损失率、清洁率等多项重要指标,提高清选装置性能对改善联合收获机作业质量具有一定意义。为提高清选装置对大喂入量玉米脱出物的清选能力,以满足高产玉米品种机收要求并保证玉米收获机高速作业质量,同时考虑到现有清选装置作业时存在籽粒损失率高、清洁率低等问题,本研究通过查阅清选装置内颗粒运动和振动筛体的国内外研究,为明确风筛清选过程中气流与筛体运动对颗粒运动的作用机理、考察风筛清选过程中颗粒的转动行为、探明颗粒与筛孔碰撞后透筛机理以及突破传统单一筛孔排布和平面筛体结构制约,结合理论分析、数值模拟、台架试验等多种方法和手段,对清选装置工作机理及结构优化设计进行了研究。主要内容及结论如下:(1)玉米脱出物物理力学特性参数测量与分析为探究玉米脱出物物理力学特性,选取农场广泛种植德美亚一号玉米品种为研究对象,基于玉米脱出物几何尺寸对其分类统计并测定了各成分比例;基于三维扫描仪器和计算机技术获得了玉米籽粒的三视面积和其质心至外轮廓距离;基于自转式圆盘静摩擦因数测量平台,获得了玉米籽粒与筛面间的静摩擦因数为0.43～0.51,标准差为0.030;基于玉米籽粒与筛面碰撞恢复系数测量平台,获得了玉米籽粒与筛面碰撞恢复系数为0.51～0.59,标准差为0.033;基于无束缚籽粒间碰撞恢复系数测量平台,获得了玉米籽粒间碰撞恢复系数为0.27～0.36,标准差为0.033,结果可为后续颗粒运动理论分析和数值模拟提供基础数据。(2)风筛清选中颗粒运动的理论分析以风筛式清选装置为研究载体,建立了筛上颗粒动力学模型,利用Matlab模拟了颗粒所受浮力和筛面运动对筛上颗粒运动的影响规律;定义了颗粒中心线,并基于颗粒中心线与筛面所呈角度对将被筛面抛起颗粒的初始姿态进行了分类,分别探究了不同姿态颗粒所受力矩对其转动的影响规律;建立了被抛起物料在气流场中运动模型,讨论了物料迎风面积对其竖直和水平位移的影响规律;发现大部分颗粒透筛前存在与筛孔碰撞现象,基于颗粒质心与颗粒—圆筛孔碰撞点相对位置以及碰撞后颗粒运动趋势,分类讨论了与圆筛孔碰撞后颗粒的透筛情况;对贝壳筛孔上部颗粒进行了受力分析,得到了贝壳筛孔特殊空间外形在筛分时会对颗粒产生分散效果,基于筛上颗粒受力分析,映射于贝壳筛孔斜面处颗粒运动,结合颗粒与贝壳筛孔斜面相对运动,建立了贝壳筛孔斜面处滑动颗粒透筛模型,通过数值模拟得到在筛面加速度分别为正、负时贝壳筛孔斜面处滑动颗粒的透筛区域。(3)清选装置内气-固两相运动数值模拟及分析探究了筛面运动对颗粒群运动的影响规律,在筛面依次经历向上减速、向下加速、向下减速、向上加速的过程中,大部分颗粒所对应运动形式为沿筛面滑动、被筛面抛起、下落至筛面、沿筛面滑动;针对于已界定的将被筛面抛起时颗粒两种初始姿态,探究了被抛起颗粒的转动行为;基于颗粒质心与筛孔碰撞点相对位置分析了与筛孔碰撞后颗粒运动,得到当颗粒质心位于颗粒—圆筛孔碰撞点左侧时,利于颗粒透筛,验证了理论模型的正确性,统计了颗粒与圆筛孔不同碰撞形式下颗粒的透筛概率;探究了清选装置内筛体不同区域筛孔和筛面气流速度的分布规律,得到筛孔气流速度沿筛体前部至筛体后部呈“阶梯式”下降趋势,筛面气流速度沿筛体前部至筛体后部的变化近似呈“拱形”;获得了清选过程中物料不同成分竖直和水平方向位移大小依次为:玉米秸秆、玉米芯、玉米籽粒;分析了筛体不同区域颗粒群的透筛概率,得出筛体前、中部为颗粒群主要透筛区域。(4)组合孔筛和阶梯筛设计与仿真试验鉴于贝壳筛孔特殊空间外形在筛分时可对籽粒产生分散效果,以及圆筛孔具有较高籽粒透筛性能,为实现筛分过程中颗粒的分散而后透筛,设计出贝壳—圆孔组合孔筛;通过单因素试验对比了组合孔筛与单一圆孔筛、贝壳筛的筛分效果,证明了组合孔筛同时具有对杂余较强的推送能力和对籽粒较强的透筛能力,在玉米脱出物喂入量为5 kg/s时,组合孔筛籽粒损失率相比于单一圆孔筛和贝壳筛分别减少了4.79%和7.95%,在玉米脱出物喂入量为6 kg/s时,组合孔筛籽粒损失率相比于单一圆孔筛和贝壳筛分别减少了5.79%、7.84%;基于传统平面式振动筛,鉴于已获得籽粒与杂余在气流场中的运动差异,结合颗粒与不同角度斜面碰撞后的运动规律,设计独特局部筛体结构实现了籽粒暂时“滞留”而杂余顺利通过,进而设计出带有阶梯缓冲带非平面筛体;通过单因素试验探究了气流速度和角度、阶梯高度和振动筛振动频率对阶梯筛筛分后籽粒损失率和清洁率的影响规律,通过多因素试验优化得出:当气流速度和角度、阶梯高度和振动筛振动频率分别为16 m/s、25°、8.36 mm和4.45 Hz时,阶梯筛筛分后籽粒损失率和清洁率分别为1.69%和98.8%,满足玉米籽粒联合收获机性能要求。(5)筛体性能台架试验利用高速摄像技术对平面圆孔筛不同筛分阶段筛上颗粒运动进行了追踪,定性和定量分析了筛面不同阶段运动(向上加速、向上减速、向下加速、向下减速)对筛上颗粒滑动、被抛起等运动的影响,验证了理论分析和数值模拟的正确性;利用高速摄像技术对筛分过程中阶梯缓冲带处物料运动进行了追踪,得到阶梯缓冲带可实现对玉米籽粒暂时“滞留”而杂余直接跃阶,证明了阶梯缓冲带设计方案的正确性;分别对组合孔筛和阶梯筛性能进行试验,组合孔筛性能试验得出:在玉米脱出物喂入量为5 kg/s条件下,组合孔筛籽粒损失率为0.77%,相比于圆孔筛和贝壳筛籽粒损失率分别减少了和4.68%和7.70%,随玉米脱出物喂入量增加三种筛体筛分后籽粒损失籽粒率和清洁率分别呈增加和降低趋势,在玉米脱出物喂入量为7kg/s的条件下,组合孔筛筛分后籽粒损失率为1.51%,满足玉米脱出物大喂入量下清选要求;阶梯筛性能试验得出:在阶梯高度、气流速度和角度、振动筛振动频率分别为8.4 mm、16 m/s、25°、4.45 Hz的条件下,筛分后籽粒清洁率和损失率分别为99.16%和2.12%,与仿真试验结果基本一致。