扬谷机

定义

扬谷机指利用气流与谷粒、杂质在质量或密度上的差异,把混合物吹散并分离的清选装置^[1]。在传统农具语境里,它与扇车、风扇车、飏车、风谷机等名称所指大体相同,是一种靠手摇或脚踏驱动扇轮产生风的手动鼓风机械。在近现代农业机械语境里,扬谷机多指脱粒机或联合收割机清选系统中的扬谷器,承担向上抛送和初步风分谷物的功能^[2]。

传统扬谷装置由车架、外壳、风扇、喂料斗和调节门等部件组成,外形多为木制箱体。其作业对象是经过碾压或脱粒的谷物,目的是清除颖壳、灰糠、瘪粒与短茎秆,使粮食洁净^[3]。在没有电力和机械动力普及的年代,这类装置被视为农村中机械化程度最高的清粮工具。

原理

扬谷机的核心是利用空气阻力对不同物料的作用差异。饱满谷粒质量大、沉降末速度高,瘪粒和糠秕质量小、受风面积大,在同一气流中前者下落较快,后者被吹得较远,从而在落点或出口上形成分层^[1]。设谷粒与杂质的质量分别为 $m_1$、$m_2$,在同速气流中所受阻力相近时,分离效果取决于两者的质量比与气流速度的选取。

操作时把谷物倒入顶部喂料斗,摇动侧面的曲柄带动扇轮在风腔内旋转,开启调节门后谷物在重力作用下匀速落入风道,轻杂物沿风道被吹出机外,重谷粒直接落入下方出粮口^[3]。明代《天工开物》所绘闭合式风扇车已采用圆形风腔、中央进风口与长方形风道,这一结构减少了涡流和死角,使气流更顺畅。

flowchart LR

A[喂料斗] --> B[调节门]

B --> C[风道]

D[扇轮/风机] --> C

C --> E[出粮口 重谷粒]

C --> F[出风口 糠秕轻杂]

现代清选系统中的扬谷器由壳体和旋转叶片构成,叶片把混合物沿管道高速抛入旋风分离筒,籽粒因离心力大沿筒壁下沉,轻杂物随上行气流从顶部排出^[4]。风筛式清选则把风机气流与振动筛配合,先由筛面把物料层松散,再由横向气流带走轻杂物,清选能力明显高于单纯风选^[5]。

发展历程

在扇轮发明之前,人们趁有风时把谷物抛向空中,让风带走糠秕,这种做法受天气制约^[1]。公元前2世纪左右,中国出现了旋转式风扇车,最早的文字记载见于西汉的《急就篇》,汉墓中也出土过陶制风车模型^[1]。西汉末年,长安机械师丁缓制成「七轮扇」,在一个轮轴上装7个扇轮,转动轮轴即可同时鼓风。

20世纪70年代以来,河南、山东、山西等中原地区出土了多件西汉末至东汉的陶扇车与陶米碓组合明器,这些陶扇车已装卧轴式扇轮,可连续转动并借助转动惯量省力,但轴部尚无进风口,属于尚不成熟的类型。宋代梅尧臣写有咏「扬扇」的诗作,元代王祯《农书》记录了扇车的形制与「其功多倍」的效力^[6]。元代还把箱体由方形改为圆形,以消除气流涡流与箱内死角^[7]。

明清时期这类装置的结构基本定型,并沿用到近代农村^[1]。关于技术西传的时间,不同来源说法不一:一种说法称约在1700年至1720年间经多种途径传入欧洲,欧洲工程师在此基础上作了改进^[1];另一种说法称荷兰在17世纪已开始使用,但中国技术传入欧洲被认为可能性不大^[8]。欧洲的扬谷装置在19世纪后半叶至20世纪初逐渐被脱粒机取代,20世纪又让位于联合收割机^[8]。

20世纪后期以来,电力与碾米机普及,手摇扬谷风车在农村逐步退出日常使用^[9]。与此同时,扬谷器以新的形态进入联合收割机、脱粒机和清选试验台,成为小型收获机械清选系统的关键部件^[2]。近年国内研究多集中于旋风分离清选系统的参数优化,通过调整扬谷器与吸杂风机转速来提高清洁率、降低损失率^[10]。

应用

传统应用场景是稻麦收获后的场上作业。谷物经打谷机脱粒后倒入漏斗,摇动风鼓箱吹去茎叶、虫体和尘土,得到干净饱满的谷粒,此后仍要经砻谷工序去除谷壳^[1]。这类装置的另一种用途是按轻重分离其他物料,例如把干燥后的薄荷叶与茎秆分开^[8]。

在谷物联合收割机上,扬谷器属于清选系统的输送与抛掷环节。以丘陵山区使用的小型机为例,脱出物由搅龙送入扬谷器壳体,再由叶片经输送管道沿切线方向抛入旋风分离筒,筒顶的吸杂风机抽走颖糠与短茎秆,筒底排出籽粒^[2]。部分机型采用两级扬谷器垂直配置,以兼顾输送距离与清选质量^[10]。

清选装置的性能通常以清洁率和清选损失率衡量。台架试验中,当吸杂风机转速为2399转每分、扬谷器转速为1097转每分时,籽粒清洁率可达99.15%,损失率为0.295%^[11]。另有双扬谷器试验表明,一级、二级扬谷器与风机转速分别为300、764、3255转每分时,籽粒清洁率在99%以上^[10]。

局限

单纯依靠风选的清选质量有限,难以应对含杂率高或湿度大的物料。当待清选物料含杂率偏高时,扬谷器产生的风力不足,输送管道容易堵塞,输送距离越大问题越明显^[2]。旋风分离清选装置还存在损失率偏高、湿物料清选效果不佳的不足,物料含水率高时容易在下锥部堆积堵塞^[12]。

为解决堵塞问题而提高扬谷器与风机转速,会带来新的代价:籽粒破碎率上升、振动加大、可靠性下降^[5]。传统风筛式清选系统虽然清选能力强,但体积大、结构复杂、振动剧烈且能耗高,不适合直接配置到小型收获机上^[5]。此外,手摇扬谷机依赖人力,处理量受操作者体力与摇动均匀程度影响,古代因造价较高,常由数户轮流借用^[6]。

在适用标准上,国家行业标准对水稻联合收割机作业性能要求含杂率不高于2%,而多数小型机型的实际表现尚未达到该指标^[12]。这也说明扬谷与清选环节仍是小型收获机械性能提升的薄弱处。

参见

• 扇车 —— 扬谷机在传统农具中的主要称谓,中国汉代发明的旋转式风分装置。

• 谷物联合收割机 —— 扬谷器作为清选部件的主要现代装机对象。

• 脱粒机 —— 脱粒后物料需经扬谷与清选才能得到洁净籽粒。

• 风选 —— 扬谷机所依据的按空气动力学特性分离物料的方法。

• 旋风分离器 —— 小型收获机械中与扬谷器配合的离心式分离设备。

• 簸箕 —— 人力簸扬谷物的传统器具,与扬谷机功能相近。