縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置設計與試驗

戴飛，韓正晟，趙武云，張鋒偉，高愛民，魏麗娟

（甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院，甘肅 蘭州 730070）

縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置設計與試驗

戴飛，韓正晟*，趙武云，張鋒偉，高愛民，魏麗娟

（甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院，甘肅 蘭州 730070）

田間試驗機械化是提高作物育種工作效率的關鍵環(huán)節(jié)，是獲得正確育種試驗結果的重要措施。根據(jù)小區(qū)育種小麥收獲試驗要求，設計了一種由釘齒式圓柱滾筒與短紋桿—板齒錐型滾筒組成的縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置，通過論述該裝置總體配置方案，完成其關鍵部件（脫粒滾筒、分離滾筒）結構與運動參數(shù)設計計算，確定脫粒滾筒的平均直徑為450 mm、分離滾筒的直徑為430 mm，兩者的轉速分別在764-892 RPM和888-1 022 RPM，計算得出分離滾筒的脫粒元件數(shù)為36個，且裝置適宜的喂入量需小于2.7 kg/s。利用該裝置進行了育種小麥脫粒分離試驗結果表明，當喂入量由1.8 kg/s向2.6 kg/s變化，脫粒滾筒轉速為760 RPM、分離滾筒轉速為1 020 RPM時，裝置脫粒損失率為0.32%-0.36%、種子破碎率為0.51%-0.62%、籽粒含雜率為2.48%-2.92%。研究表明，縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置針對物料脫粒難易程度能夠實現(xiàn)有序脫粒作業(yè)，其脫出物料分布均勻，有較強的適應性，各項技術指標均達到國家標準要求。

雙滾筒；縱軸流；脫粒分離；小區(qū)育種；試驗

戴飛， 韓正晟， 趙武云， 張鋒偉， 高愛民， 魏麗娟. 縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置設計與試驗［J］. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2016， 37（5）: 1015-1020.

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糧食問題是人類最關心也是最嚴峻的問題之一，育種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對于提高糧食產(chǎn)量、保證糧食安全起著非常重要的作用。為提高作物育種的效率和質(zhì)量，就必須發(fā)展育種機械化，提高機械化育種作業(yè)水平［1］。目前，我國小區(qū)育種小麥種子收獲仍以人工收割、普通脫粒機脫粒、清選機清選的分段收獲方式為主，收獲期較長、間接損失大［2］。國內(nèi)育種小麥脫粒裝置大多采用單一軸流式釘齒滾筒，其功耗大、打擊能力強，當育種小麥穗頭被喂入后大部分籽粒容易迅速脫下時，僅有少部分穗頭籽粒隨著軸流滾筒轉動前移陸續(xù)完成脫粒，致使籽粒的破損率與滯種率較高，脫出的莖稈較碎，脫出混合物不均勻，使得后續(xù)的清選負荷增加，易造成種子損失與混雜，導致育種試驗數(shù)據(jù)失真［3-4］。

國外對小區(qū)育種收獲機械的研究和生產(chǎn)比較早，目前德國黑格公司、奧地利溫特斯泰格公司、丹麥霍爾公司等設計生產(chǎn)的小區(qū)育種小麥收獲機械都已達到了國際先進水平，但國外育種試驗小區(qū)面積大、隔離帶寬，所用種子收獲機械體積大、脫粒分離裝置結構復雜、價格昂貴，難以適應我國小區(qū)育種收獲試驗要求［5-7］。

滾筒組合式脫粒分離技術是近年來谷物收獲理論中興起的創(chuàng)新關鍵技術之一，其具有脫粒行程長、對潮濕、難脫作物適應性好等優(yōu)點［8-9］，但同時易在不同類型滾筒組合接口處出現(xiàn)脫粒物料的輸送堵塞與滯留，小區(qū)收獲滯種損失現(xiàn)象嚴重，影響裝置總體的作業(yè)效率與試驗統(tǒng)計結果。為此，結合田間小區(qū)育種收獲要求，設計一種具有良好脫粒、輸送、分離性能，脫出混合物均勻、無堵塞且能兼顧實現(xiàn)高脫凈、低破碎、無滯種的縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置［10］。

1　裝置結構與工作原理

1.1結構組成

縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置由左、右兩個結構及運動參數(shù)不同的釘齒式圓柱滾筒、短紋桿—板齒錐型滾筒組成，包括喂入導板、揚谷器、分離滾筒凹板、機架、排草口、脫粒滾筒下罩殼、裝置上罩殼等部件（圖1）。裝置右側短紋桿—板齒錐型滾筒稱為脫粒滾筒，主要采用滾筒短紋桿—板齒元件與上罩殼紋桿共同作用，將育種小麥穗頭上成熟、飽滿、且與穗軸及穎殼連接力小的大量籽?？焖倜撓拢摿L筒采用光滑下罩殼便于脫粒物料快速向后輸送。裝置左側釘齒式圓柱滾筒稱為分離滾筒，主要使已脫下的小麥籽粒盡快從凹板中分離出去，確保育種小麥穗頭上剩余、較難脫的少量籽粒順利脫下。

圖1　縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置結構示意圖Fig. 1　Structure diagram of threshing and separating unit of plot breeding wheat with double longitudinal axial cylinder

1.2工作原理

當縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置工作時，育種小麥穗頭由喂入導板進入脫粒滾筒裝置內(nèi)部，通過短紋桿—板齒脫粒元件與上罩殼脫粒紋桿的共同作用，將大部分育種小麥穗頭擊打、揉搓雙重脫粒，脫出物料在錐型滾筒的作用下向后螺旋軸向輸送，并在后置揚谷器旋轉葉片及產(chǎn)生的高速氣流作用下拋入分離滾筒，脫粒物料在分離滾筒內(nèi)通過釘齒元件的二次打擊及凹板篩的隔離進一步脫粒分離。

2　關鍵部件設計與參數(shù)確定

2.1脫粒滾筒設計

設計的縱軸流錐型滾筒脫粒裝置，其滾筒采用錐型短紋桿—板齒結構（圖2）。相關試驗結果表明，該縱軸流錐型滾筒脫粒裝置在作業(yè)時育種小麥脫粒混合物料軸向輸送快、功耗低，罩殼內(nèi)部種子殘留量?。?，11］。錐型脫粒滾筒在一定范圍內(nèi)對喂入量和轉速不很敏感，也就是說這種滾筒適應性較強，物料喂入的不均勻及滾筒轉速的波動對其脫粒和功耗影響不大；后置揚谷器能夠減輕清選裝置負荷，便于將脫粒混合物料快速拋輸至分離滾筒，避免兩個滾筒過渡處因物料流通不暢、易堆積而出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象；滾筒所采用的短紋桿—板齒式脫粒元件對育種小麥籽粒打擊較弱，有利于種子破碎率的降低。

圖2　縱軸流錐型滾筒脫粒裝置示意圖Fig. 2　Schematic diagram of longitudinal axial conical cylinder threshing unit

考慮研制的小區(qū)育種收獲機整機尺寸與其脫粒分離裝置安裝空間限制［12］，錐型滾筒脫粒裝置長度設計為800 mm，其中錐型滾筒長度為580 mm，錐角為13°，短紋桿—板齒脫粒元件，共8組，板齒高45 mm，厚2 mm；短紋桿寬30 mm，厚6 mm，表面螺紋向后傾斜，在錐型脫粒滾筒上均勻排列。錐型滾筒前端部設置喂入導板，后端部同軸連接揚谷器。

相關研究表明，攜有脫粒元件的滾筒直徑及其轉速是影響縱軸流錐型滾筒脫粒裝置作業(yè)性能的關鍵參數(shù)［3，11］。脫粒、分離滾筒的直徑計算［13］為：

式中：Dq為脫粒、分離滾筒的直徑（mm）；Dqg為滾筒筒體表面直徑（mm），一般不小于300 mm（錐型脫粒滾筒取大、小端面平均直徑）；hq為脫粒、分離滾筒脫粒元件高度（mm）。根據(jù)式（1）可得脫粒滾筒平均直徑Dq=450 mm。

脫粒、分離滾筒的轉速計算［9］為：

式中：ng為脫粒、分離滾筒轉速（RPM）；Dq為脫粒、分離滾筒直徑（mm）；vg為滾筒線速度（m/s），為防止打擊破碎，育種小麥易脫粒的線速度應控制為vg=（18-21） m/s。根據(jù)式（2）可得錐型脫粒滾筒轉速ng=（764-892） RPM。

2.2分離滾筒設計

分離滾筒采用釘齒式圓柱滾筒（圖1），為便于與脫粒裝置在育種收獲機上等長配合安裝，滾筒長度仍取800 mm，釘齒脫粒元件直徑為12 mm，齒高65 mm按螺旋線排列，螺旋頭數(shù)取3，同一桿齒齒間距為100 mm，為防止掛草、纏結，釘齒頂部與齒桿垂直夾角為15°且向后傾斜安裝。

分離滾筒脫粒元件個數(shù)對其物料分離作業(yè)效果至關重要，當釘齒數(shù)量較少時，難以對脫粒物料進行進一步的脫粒分離，作業(yè)效果差；但數(shù)量較多時，脫粒物料與脫粒元件作用次數(shù)增加，種子破碎率偏大，分離裝置功耗過大。因此，需要對分離滾筒的脫粒元件個數(shù)計算確定。

分離滾筒釘齒數(shù)計算［13］為：

式中：Zq為分離滾筒釘齒數(shù)（個）；kq為分離滾筒釘齒螺旋頭數(shù)（個），取2；Lq為分離滾筒長度（mm），取800 mm；Δlq為分離滾筒邊齒距齒桿端部的距離（mm），取15 mm；aq為分離滾筒釘齒齒跡距（mm），取45 mm。根據(jù)式（3）可得分離滾筒釘齒脫粒元件個數(shù)（取整）為36。

由式（1）求得分離滾筒直徑Dq=430 mm；育種小麥難脫粒的線速度應控制為vg=（20-23） m/s［14］，由式（2）可得分離滾筒轉速ng=（888-1 022） RPM。

由于揚谷器從脫粒裝置中輸出的混合物料籽粒含量很大，為便于后續(xù)難脫籽粒有效脫粒，避免已脫籽粒因重復受到分離滾筒脫粒元件打擊作用引起的損傷率增大，分離滾筒的凹板必須與滾筒配合增加對脫下育種籽粒的分離能力，采用大間距鋼絲柵格凹板結構，鋼絲直徑為2 mm，鋼絲中心距為16 mm，格板高出鋼絲6 mm，凹板包角為220°［15］。

3　試驗設計與分析

3.1試驗材料

試驗材料選用甘肅省農(nóng)科院小區(qū)育種小麥，品種為西旱2號，籽粒千粒質(zhì)量為43.8 g，籽粒含水率22.6%。由于該縱軸流雙滾筒脫粒分離裝置適合于半喂入式小區(qū)育種小麥收獲機，因此，試驗時喂入脫粒滾筒的物料均為育種小麥麥穗，穗頭長度在11.7-14.6 cm。

3.2試驗方法

試驗參照《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》（GB/T 5262—2008）和《脫粒機試驗方法》（GB/T 5982—2005）的要求進行。試驗過程中，通過改變試驗臺輸送帶的不同運動速度來改變裝置喂入量的大??；應用變頻電機實現(xiàn)脫粒、分離雙滾筒不同轉速的調(diào)整。

分離滾筒喂入量計算［13］為：

式中：q為分離滾筒喂入量（kg/s）；Zq為釘齒脫粒元件個數(shù)（個），取36；qd為分離滾筒每個釘齒脫粒能力，取0.025 kg/s；βc為揚谷器拋出脫?；旌衔锪现凶蚜Ｋ贾亓勘嚷?，取0.8。根據(jù)式（3）和式（4）得出分離滾筒喂入量q≤2.7 kg/s。

為保證縱軸流雙滾筒脫粒分離裝置左、右兩個滾筒具有良好作業(yè)性能，且均無堵塞現(xiàn)象發(fā)生，裝置中分離滾筒的生產(chǎn)能力必須大于脫粒滾筒才能保證較高的作業(yè)效率與作業(yè)質(zhì)量，因此，脫粒滾筒喂入量必須控制在小于2.7 kg/s的范圍內(nèi)。

通過式（4）計算結果分析，試驗遵循裝置喂入量不應大于2.7 kg/s的要求，按照由少到多將育種小麥喂入量選取3個水平，分別為1.8 kg/s、2.2 kg/s和2.6 kg/s，將小麥穗頭均勻鋪放在喂入輸送帶上，經(jīng)輸送槽輸送進入錐型脫粒滾筒，完成脫粒作業(yè)；脫出混合物隨著錐型滾筒向后輸送并在揚谷器旋轉葉片及其產(chǎn)生的高速氣流作用下拋入分離滾筒，實現(xiàn)物料進一步脫粒分離，短莖稈及穗軸從分離滾筒排草口排出，其余脫出物經(jīng)分離滾筒凹板篩落入接料盒；分離滾筒鋼絲柵格凹板下每100 mm布置接料盒1個，共8個。依據(jù)式（2）計算結果分析，試驗選取錐型脫粒滾筒轉速為760 RPM和900 RPM、釘齒式圓柱分離滾筒的轉速為880 RPM和1 020 RPM，在裝置同一喂入量下，脫粒、分離滾筒進行不同轉速下的4類組合，試驗重復3次［16］，每次試驗結束后均對各接料盒內(nèi)的脫粒分離物料進行稱重統(tǒng)計，對能反映縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置作業(yè)性能的脫粒損失率、種子破碎率及籽粒含雜率進行測定計算。

3.3試驗結果分析

對應用旋風分離器為氣流清選裝置的縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置而言，要盡可能兼顧育種小麥脫粒損失率（包括夾帶損失和未脫凈損失）和破碎率，且脫出混合物分布均勻、籽粒含雜率低，無堵塞與滯留，便于后續(xù)分離清選，確保育種試驗數(shù)據(jù)不失真，裝置不同參數(shù)作業(yè)下的試驗結果見表1和圖3。

表1　不同喂入量、不同轉速下縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置性能檢測結果Table 1　Performance test results of threshing and separating unit of plot breeding wheat with double longitudinal axial cylinder in different feed rates and threshing rotation speeds

由表1試驗結果可以看出，在裝置脫粒、分離滾筒不同轉速的4類組合條件下，當脫粒滾筒喂入量由1.8 kg/s向2.6 kg/s增加時，縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置脫粒損失率為0.32%-1.73%、種子破碎率為0.38%-0.75%、籽粒含雜率為2.48%-5.31%，各項試驗指標基本隨試驗喂入量的增加呈上升趨勢，但變化不很顯著。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，除了裝置喂入量在2.6 kg/s、脫粒滾筒轉速為900 RPM、分離滾筒轉速為880 RPM的情況下分離滾筒進料口處有少量脫粒物料滯留外，其余組合均未發(fā)現(xiàn)滾筒堵塞現(xiàn)象，表明縱軸流雙滾筒小區(qū)育種小麥脫粒分離裝置對物料適應性較強。

試驗過程表明，當脫粒滾筒轉速為760 RPM、分離滾筒轉速為1 020 RPM時，該裝置作業(yè)性能良好，隨著喂入量由1.8 kg/s向2.6 kg/s的不斷變化，各項試驗指標與裝置雙滾筒其余三種轉速組合相比呈現(xiàn)最優(yōu)，裝置脫粒損失率為0.32%-0.36%、種子破碎率為0.51%-0.62%、籽粒含雜率為2.48%-2.92%，均符合試驗標準要求，該參數(shù)下脫粒、分離雙滾筒的組合有效緩解了小區(qū)育種脫粒分離裝置脫凈率與破碎率不能兼顧的問題。當喂入量為2.6 kg/s，脫粒滾筒轉速為900 RPM、分離滾筒轉速為880 RPM時，脫粒損失率（1.73%）、籽粒含雜率（5.31%）最高，這主要是當錐型脫粒滾筒轉速提高時，由于短紋桿—板齒式脫粒元件較大，脫粒物料不宜膨脹，且滾筒縱軸向長度較短，軸向輸送時停留時間短，物料流出速度加快，使得育種小麥穗頭來不及充分脫粒就被拋入分離滾筒，分離滾筒轉速較脫粒滾筒轉速低，生產(chǎn)能力略有下降，進料口及滾筒內(nèi)出現(xiàn)物料堵塞現(xiàn)象皆是造成脫粒損失率高與含雜率大的主要原因。

在不同喂入量，脫粒、分離滾筒不同轉速的4類組合下，裝置脫出物在分離滾筒凹板篩下對應的8個接料盒中的質(zhì)量軸向分布規(guī)律（圖3）。

圖3　不同喂入量下裝置脫出物質(zhì)量軸向分布圖Fig. 3　Quality distribution of the mixture along the axial of threshing in different feed rates

由圖3可以看出，在不同喂入量下裝置脫出物的軸向分布趨勢基本相似，說明該裝置對物料有較強的適應性；接料盒軸向分布區(qū)域1-4區(qū)脫粒分離物料較多（占喂入總量的65%-75%）、5區(qū)呈突降狀態(tài)（占喂入總量的15%-20%），6-8區(qū)較少（占喂入總量的10%-15%），這主要是由于揚谷器從脫粒滾筒中拋出的混合物料大部分籽粒已被脫下，物料在隨著分離滾筒初始轉動時便直接通過凹板篩落下，分離滾筒后續(xù)作業(yè)僅針對育種穗頭上少數(shù)較難脫籽粒。在喂入量相同的情況下，脫粒、分離滾筒轉速分別為760 RPM和1 020 RPM、900 RPM和1 020 RPM兩種組合的脫出混合物軸向分布程度相對均勻；而脫粒、分離滾筒轉速分別為760 RPM和880 RPM時，脫粒、分離裝置下方籽粒、雜余質(zhì)量沿滾筒軸向分布不均勻，將對后續(xù)清選作業(yè)產(chǎn)生一定影響，不利于育種試驗數(shù)據(jù)的測定統(tǒng)計。

試驗結果分析表明，脫粒分離物料在軸向分布上基本呈現(xiàn)出“先多后少”的分布狀態(tài)，反應了縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置具有“先易后難、有序脫粒、分布均勻”的動態(tài)作業(yè)特性；自主創(chuàng)新設計的錐型脫粒滾筒后置揚谷器能夠借助氣流快速將脫粒物料輸送至分離滾筒，提高了縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置作業(yè)效率，避免傳統(tǒng)多滾筒裝置相互接口處容易產(chǎn)生脫粒物料輸送堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。

4　結論

根據(jù)小區(qū)育種小麥收獲試驗要求，設計了一種能夠實現(xiàn)由脫粒滾筒向分離滾筒脫粒物料快速輸送的縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置，其脫粒滾筒采用錐型短紋桿—板齒滾筒與后置揚谷器配合結構，分離滾筒采用釘齒式圓柱滾筒；計算確定了脫粒、分離裝置關鍵結構與運動參數(shù)。

相關試驗結果表明：縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置隨喂入量增大，其脫粒損失率、種子破碎率及籽粒含雜率均呈上升趨勢但變化不顯著，對物料具有較強的適應性。當裝置喂入量由1.8 kg/s向2.6 kg/s變化，脫粒滾筒轉速為760 RPM、分離滾筒轉速為1 020 RPM時，裝置脫粒損失率為0.32%-0.36%、種子破碎率為0.51%-0.62%、籽粒含雜率為2.48%-2.92%，均符合試驗標準要求，有效緩解了小區(qū)育種脫粒裝置脫凈率與破碎率不能兼顧的問題。

裝置脫出混合物料在軸向分布上基本呈現(xiàn)出“先多后少”的總體變化趨勢，直觀反應了縱軸流雙滾筒小區(qū)育種脫粒分離裝置具有“先易后難、有序脫粒、分布均勻”的動態(tài)作業(yè)特性，能夠有效減輕清選裝置的負荷，有利于后續(xù)清選，且脫粒、分離兩滾筒接口過渡處無脫粒物料堵塞，便于育種試驗數(shù)據(jù)的測定統(tǒng)計。

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（責任編輯：童成立）

Design and experiment on threshing and separating unit of plot breeding wheat with double longitudinal axial cylinder

DAI Fei， HAN Zheng-sheng， ZHAO Wu-yun， ZHANG Feng-wei， GAO Ai-min， WEI Li-juan
（College of Engineering， Gansu Agricultural University， Lanzhou， Gansu 730070， China）

Mechanization of field experiments is the key point to increase crop breeding efficiency， which is also an important measure to obtain correct breeding test results. In order to meet the demand of plot wheat seed harvest test， a threshing and separating unit of plot breeding wheat with double longitudinal axial cylinder was designed， which were composed by longitudinal axial conical cylinder and spike tooth cylindrical roller， the overall structure of the unit was proposed， the key structure and motion parameters of threshing cylinder and separating cylinder were designed and choiced， and obtained the average diameter of threshing cylinder and separating cylinder were 450 mm and 430 mm，the rotating speed of the two cylinder respectively in the range of 764-892 RPM and 888-1 022 RPM. Meanwhile， we determined the spike tooth number of separating cylinder was 36， and the unit was suitable for feeding quantity should be less than 2.7 kg/s， and the plot wheat threshing and separation test was studied by using the unit. The experimental results showed that when the feed rate was changed from 1.8 kg/s to 2.6 kg/s， the rotate speed of threshing cylinder was 760 RPM and rotate speed of separating cylinder was 1 020 RPM， the threshing loss rate was 0.32%-0.36%， the broken rate was 0.51%-0.62% and the rate of trash content was 2.48%-2.92%. The research indicated that the threshing and separating unit of plot wheat with double longitudinal axial cylinder with the dynamic operation characteristics of easy and sequential threshing， the well-proportioned distribution and the well-adapted with the crop. The various technical indexes of this unit had reached to the testing requirements of standard.

double cylinder； longitudinal axial； threshing and separating； plot breeding wheat； experiment

National Natural Science Foundation of China （51365003）.

HAN Zheng-sheng， E-mail: hanzhengsheng@gsau.edu.cn.

29 March， 2016；Accepted 28 May， 2016

S225.4

A

1000-0275（2016）05-1015-06

10.13872/j.1000-0275.2016.0060

國家自然科學基金項目（51365003）。

戴飛（1987-），男，甘肅榆中人，講師，主要從事田間小區(qū)育種收獲技術與裝備研究，E-mail: daifei@gsau.edu.cn；通信作者：韓正晟（1956-），男，甘肅慶陽人，教授，博導，主要從事旱區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術與裝備研究，E-mail: hanzhengsheng@gsau.edu.cn。

2016-03-29，接受日期：2016-05-28