基于内外筛筒反向旋转的双层滚筒筛油莎豆收获机块茎—杂质分离装置设计与试验评价

《Agriculture》：Design and Experimental Evaluation of a Counter-Rotating Double-Layer Roller Screen for Tuber–Impurity Separation in Tiger Nut Harvesters

　　

摘要专业翻译 为解决油莎豆收获过程中高含土量块茎—杂质混合物筛分效率低下的问题，提出了基于内、外滚筒筛反向旋转的耦合扰动筛分原理，并研制了配套分离螺旋输送器的双层滚筒筛分离装置。建立了表征筛面间等效相对线速度的运动学模型，结果表明在相同转速条件下，反向旋转产生的等效相对线速度大于同向旋转。对比离散元法（Discrete Element Method, DEM）仿真显示，在相同转速下，反向旋转缓解了局部堆积，分离率提高了3.34个百分点，含杂率降低了4.07个百分点。采用三因素三水平Box–Behnken设计对外筛筒、内筛筒及螺旋输送器转速进行优化，得到最优转速分别为20、53和122 r/min，预测分离率和含杂率分别为97.87%和24.43%。在最优参数组合下进行的田间试验获得平均分离率为91.71%、含杂率为22.51%，与预测值的绝对相对偏差分别为6.29%和7.86%。所提出的方法和装置为提高油莎豆收获机块茎—杂质分离性能提供了实践依据。

论文主体内容解读

一、研究背景与问题提出

油莎豆（Cyperus esculentus L.）是一种新兴的高产油料作物，其块茎含油量超过20%，单位面积产油量约为大豆的4倍、油菜的2倍。近年来，随着中国油料作物产业结构优化，油莎豆在东北、西北及华中地区实现了规模化种植。然而，机械化收获仍受制于低效的块茎—杂质分离技术。油莎豆收获物料主要由块茎、根系和土壤组成，具有含土量高、粒度分布宽、流动性差等物理特性，这些特性导致物料在分离部件内滞留和局部堆积，影响收获效率并加重后续清选负荷。目前中国大多数油莎豆收获机是对马铃薯或花生等作物设备的改装，其清选筛和分离系统难以适应油莎豆收获物料的独特特性。传统单层筛和同向旋转双层滚筒筛在作业中常出现物料局部堆积及物料与筛面同步运动现象，显著降低了土壤通过筛孔的几率，导致块茎—杂质分离不彻底、含杂率高。因此，亟需开发针对油莎豆收获物料理化与流动特性的高效块茎—杂质分离装置。

二、研究内容与核心结论

研究人员提出了一种适用于高含土量油莎豆块茎—杂质混合物的耦合扰动筛分原理，即内、外滚筒筛以不同转速反向旋转，并据此研制了专用块茎—杂质分离装置。该装置集成了分级筛分与反向旋转耦合扰动功能：内滚筒筛对根系杂质与块茎及土壤进行初级分离，外滚筒筛对块茎与细土粒及小粒径杂质进行次级分离，分离螺旋输送器在内滚筒筛内疏松物料并促进轴向输送。建立了双层筛面运动学模型，表征了同向与反向旋转条件下的等效相对线速度，理论分析表明反向旋转产生更大的筛面间等效相对线速度。通过EDEM 2024离散元仿真对比了同向与反向旋转的物料分布、堆积质量及分离性能，并采用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）优化了作业参数。田间试验验证了优化参数组合的实际作业性能。研究结果表明，反向旋转配置显著改善了物料在内外筛筒间环形区域内的周向分布，缓解了局部堆积，提高了分离率并降低了含杂率，为油莎豆收获机块茎—杂质分离装置的设计与参数优化提供了实践依据。

三、关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：其一，建立了单颗粒临界滑移与脱离的力学模型，据此推导了内、外滚筒筛的许用转速范围；其二，建立了表征筛面间等效相对线速度的运动学模型，从理论上阐明了反向旋转的扰动增强机理；其三，基于EDEM 2024构建了油莎豆块茎、土壤颗粒及根系杂质的离散元法仿真模型，仿真物料配比为6%块茎、4%杂质和90%土壤，进料速率为43 kg/s，物料样本采集自中国河南省郑州市中牟县油莎豆种植区；其四，采用三因素三水平Box–Behnken响应面试验设计，以分离率和含杂率为响应指标建立二次回归模型并进行多目标优化；其五，在优化参数组合下开展了田间验证试验，田间试验于2025年11月19日在河南省郑州市中牟县油莎豆产区进行，土壤为砂质土，含水率11.7%–18.0%，配套动力为东方红LX1504拖拉机。

四、研究结果

模拟块茎—杂质分离过程。 通过提取不同仿真时刻的物料分布，研究人员观察到混合物在重力、筛筒旋转及螺旋输送器扰动联合作用下持续翻滚、分散并沿轴向输送，块茎逐步穿过内筛孔进入外滚筒筛，土壤颗粒在重力与离心作用下穿过外筛孔排出，根系杂质在内滚筒筛内轴向输送并被排出，完整呈现了连续进料、分级筛分和定向排料的全过程。

同向与反向旋转条件下筛分性能对比。 在t=6 s时刻，同向旋转条件下物料周向分布角θ_d=109°，反向旋转条件下增大至θ_d=194°，增幅约78.0%，表明反向旋转显著促进了物料的周向再分布。环形统计区域内物料总质量随时间先增后减，反向旋转方案的峰值质量较同向旋转低6.8 kg（约9.3%），且后续时刻质量持续偏低。五次重复仿真均值显示，反向旋转较同向旋转将分离率从92.94%提高至96.28%（绝对增加3.34个百分点），含杂率从27.97%降低至23.90%（绝对降低4.07个百分点）。

作业参数响应面优化。 以筛筒外转速（因子A）、内筛筒转速（因子B）和螺旋输送器转速（因子C）为试验因素，采用Box–Behnken设计进行了17次仿真试验。方差分析表明，分离率回归模型高度显著（F=137.12，p<0.0001），失拟项不显著；含杂率回归模型同样高度显著（F=68.94，p<0.0001），失拟项不显著。各因素对两项指标的影响顺序均为C>A>B。交互作用分析显示，AB和BC交互对分离率有高度显著影响，AC交互对含杂率有显著影响。以分离率最大化和含杂率最小化为双目标进行多目标优化，获得最优参数组合为外筛筒转速20 r/min、内筛筒转速53 r/min、螺旋输送器转速122 r/min，预测分离率97.87%、含杂率24.43%。

田间试验结果与分析。 在最优参数组合下进行三次田间重复试验，平均分离率为91.71%，平均含杂率为22.51%。分离率范围为89.91%–93.26%，标准差1.69个百分点，变异系数1.84%；含杂率范围为19.97%–24.11%，标准差2.22个百分点，变异系数9.86%。与模型预测值相比，分离率和含杂率的相对误差分别为6.29%和7.86%，表明仿真优化结果较好地反映了装置的实际田间性能。

五、讨论总结与结论翻译

讨论部分指出，本研究所获得的最优参数组合是在特定数值模拟与田间条件下得到的条件依赖结果，而非普适参数组合。土壤含水率、混合物组成、粒径分布及进料速率的变化可能改变颗粒间相互作用、物料流动性、滞留时间及筛孔堵塞状况，从而影响最优参数取值。单颗粒力学分析忽略了颗粒间相互作用，不能完全代表块茎—土壤—根系混合物的群体运动行为；DEM模型对土壤、根系及块茎模型进行了简化处理，这些简化可能影响颗粒相互作用和筛分通过性，是仿真与田间性能差异的潜在来源。与已有研究相比，本装置在田间试验中分离率较Zhang等[32]报道的双层滚筒筛分离装置低1.48个百分点，但含杂率低4.14个百分点。由于装置配置、作业条件、物料特性及评价指标存在差异，直接性能比较的结论需谨慎解读。田间试验仅评估了优化的反向旋转配置，反向旋转相对同向旋转的分离优势尚未通过对比田间试验直接验证；块茎损伤也未在本次田间试验中评估，未来将通过受控台架试验进行损伤量化评估。

研究结论可翻译如下：（1）为缓解机械化油莎豆收获中高含土量块茎—杂质混合物的物料堆积与分离不充分问题，提出了基于内、外滚筒筛反向旋转的耦合扰动筛分原理，研制了配套分离螺旋输送器的双层滚筒筛分离装置，确定了关键结构参数并推导了许用转速范围，为高含土量收获物料的分离提供了设计依据。（2）建立了表征同向与反向旋转条件下内外滚筒筛间等效相对线速度的运动学模型，在相同转速对下反向旋转产生更大的等效相对线速度。对比DEM仿真表明，反向旋转改善了物料分布并降低了内外筛筒间环形区域内的堆积质量，较传统同向旋转配置将分离率提高3.34个百分点、含杂率降低4.07个百分点，表明在所研究的作业条件下反向旋转具有更优的模拟筛分性能。（3）基于EDEM 2024仿真采用Box–Behnken设计建立了分离率与含杂率对主要作业参数的双响应二次回归模型，量化了各因素的影响程度。多目标优化确定了所研究仿真条件下的优选作业参数组合：外滚筒筛转速20 r/min、内滚筒筛转速53 r/min、分离螺旋输送器转速122 r/min。在该参数组合下田间试验获得平均分离率91.71%、平均含杂率22.51%，与数值预测的绝对相对偏差分别为6.29%和7.86%，验证了所选作业点在所测试砂质土壤条件下的实际可行性。这些结果为油莎豆收获机块茎—杂质分离装置的设计与作业参数优化提供了实践依据。