胡麻,即油用亚麻的俗称,是中国西北地区和华北地区重要的油料作物之一。甘肃省是我国胡麻主产区之一,2019年胡麻种植面积约占全国种植总面积的30%。目前,我国胡麻机械化收获主要以分段收获为主,胡麻联合收获仍处在试验研究阶段,胡麻脱粒物料分离清选是其收获过程的关键环节之一。胡麻脱粒物料具有组分构成复杂及其小差异混杂特性,使其在分离清选过程中存在高含杂、难分离、多损失的共性问题,是直接影响其配套农机装备分离含杂率与清选损失率高低的关键核心因素,严重制约了我国胡麻机械化分段收获作业水平与质量,亟需研究并阐明胡麻脱粒物料分离清选机理,创制配套高性能机械化分离清选作业装备。为此,对胡麻及其脱粒物料物理机械特性展开研究,测定了胡麻脱粒物料各组分清选悬浮速度,针对不同类型胡麻脱粒物料分别研制了气流式胡麻脱粒物料分离清选机和双风道风筛式胡麻脱粒物料分离清选机,开展了创制样机作业性能试验与参数优化,应用气固耦合理论对胡麻脱粒物料不同分离清选方式作业过程进行数值模拟,揭示了胡麻脱粒物料气流式分离清选机理与风筛式分离清选机理,探知更加适宜于胡麻机械化分离清选的核心技术,为胡麻机械化分段收获分离清选环节作业性能的提升奠定理论基础。主要在以下几个方面进行了较为深入的研究:(1)掌握了胡麻及其脱粒物料物理机械特性。重点对胡麻成熟期脱粒物料各组分性状进行分析认知。对胡麻成熟期茎秆不同部位(根部、中部和颈部)拉伸、弯曲、剪切力学特性进行试验测定,探知在不同类型外力作用下胡麻蒴果的力学参数变化规律。探讨了不同作业模式下胡麻脱粒物料形态及其各组分特征,定义了胡麻脱粒物料包含未充分脱粒与充分脱粒两种物料类型。测定了胡麻籽粒三轴尺寸及表征胡麻脱粒物料流动摩擦特性的堆积角和滑动角参数,应用球形颗粒聚合方式建立了胡麻脱粒物料不同组分的离散元模型,结合其堆积角和滑动角参数数值模拟,验证了构建胡麻脱粒物料不同组分离散元模型的准确性与可靠性。(2)测定获得了胡麻脱粒物料各组分不同悬浮阶段的清选悬浮速度。结合农业物料悬浮速度测定装置分别对胡麻脱粒物料中籽粒、蒴果、短茎秆和蒴果壳四种组分在三个悬浮阶段不同的悬浮状态、分布区间及相对应的悬浮速度进行了试验测定与分析计算。其中,胡麻籽粒总体悬浮速度在4.55 m/s~8.64 m/s之间,胡麻蒴果总体悬浮速度在6.46 m/s~10.90m/s之间,胡麻短茎秆总体悬浮速度在3.23 m/s~7.75 m/s之间,胡麻蒴果壳总体悬浮速度在1.06 m/s~4.21 m/s之间。明确了胡麻脱粒物料各组分在物料悬浮速度测定装置垂直气流流场作用下的迁移规律和运动状态,为后续胡麻脱粒物料气流式、风筛式分离清选理论的研究与关键装备研发提供基础特性参数。(3)阐明了气流式胡麻脱粒物料分离清选机理,研制了气流式胡麻脱粒物料分离清选机。通过对样机关键作业部件进行设计选型,确定了振动喂料系统、籽粒分离装置、吸杂风机及旋风分离器的重要工作参数;分析了杂余自动排料装置作业过程,得出确保该装置实现自动排料的必要条件,并完成了样机作业性能试验。采用数值模拟仿真试验方法对分析获得的单因素参数进行确定,以喂料振幅、物料层调节厚度和吸杂风机转速为自变量,籽粒含杂率和清选损失率为响应值,分别建立了各因素与籽粒含杂率和清选损失率之间的数学模型,并对各因素及其交互作用进行分析,获得了气流式胡麻脱粒物料分离清选机最优工作参数:喂料振幅为16.5 mm、物料层调节厚度为7.0 mm、吸杂风机转速为1775 r/min(即对应的吸杂风机转速变频频率为59.2 Hz)。(4)掌握了胡麻脱粒物料各组分在气流式分离清选过程中的迁移规律及其运动特性,采用CFD-DEM耦合方法对作业装置内胡麻脱粒物料的分离清选过程进行了数值模拟,获得了胡麻籽粒在分离清选系统整体区域内数量、平均速度的变化曲线;结合气固耦合物料流线分布,探明了胡麻脱粒物料各组分不同区域内随时间的数量变化规律,探知了胡麻脱粒物料各组分不同区域内随时间的运动轨迹与平均速度变化趋势。(5)揭示了双风道风筛式胡麻脱粒物料分离清选机理,研制了双风道风筛式胡麻脱粒物料分离清选机。对三级振动筛分装置、双风道杂余集料装置及吸杂除尘装置相关的重要作业部件进行设计选型与计算,获得胡麻脱粒物料不同组分在三级筛面上不同运动状态下振动筛分装置曲柄连杆机构参数必须满足的工作条件,并完成了样机作业性能试验。对样机主要工作参数进行单因素试验,以选取的筛箱振动频率、前风道风量调节档位和后风道风量调节档位为自变量,籽粒含杂率和清选损失率为响应值,采用响应面分析方法,分别建立了各因素与籽粒含杂率和清选损失率之间的数学模型,并对各因素及其交互作用进行分析,获得了双风道风筛式胡麻脱粒物料分离清选机最佳工作参数为:筛箱振动频率2Hz、前风道风量调节2档位、后风道风量调节4.5档位。(6)明确了胡麻脱粒物料各组分在风选-筛选过程中的迁移规律及运动特性,通过采用CFD与EDEM单向耦合原理,对双风道风筛式胡麻脱粒物料分离清选机气固耦合仿真模型进行建立,对其分离清选过程进行了数值模拟。获得了胡麻脱粒物料在风筛系统、振动筛分装置、双风道杂余收集装置和吸杂除尘装置中的分布形态与迁移轨迹,探明了胡麻脱粒物料各组分在不同区域内随时间的数量变化规律,探知了胡麻脱粒物料各组分在不同区域内随时间的运动速度变化趋势。综上所述,针对不同脱粒程度胡麻脱粒物料分别提出了气流式分离清选模式与双风道风筛式分离清选模式,通过对两种模式作业机理进行深入研究与揭示,研制了配套关键作业装备。研究结果表明,胡麻脱粒物料气流式分离清选模式及其装备更适宜于充分脱粒后基本无完整蒴果粒及较长茎秆的胡麻脱粒物料进行分离清选作业;胡麻脱粒物料双风道风筛式分离清选模式及其装备对胡麻脱粒物料具有很好的自适应性,可应用于不同脱粒效果下的胡麻脱粒物料进行分离清选作业。