紋桿塊與釘齒組合式軸流玉米脫粒滾筒的設(shè)計與試驗

邸志峰，崔中凱※，張 華，周 進，張明源，卜令昕

（1. 山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院，濟南 250100；2. 雷沃重工股份有限公司，濰坊 261206）

0 引 言

玉米機械化收獲有摘穗收獲和籽粒收獲 2種。摘穗收獲即用玉米收獲機摘穗和剝皮，經(jīng)晾曬后再用脫粒機進行脫粒，具有適應(yīng)范圍廣，損失率低等優(yōu)點。籽粒收獲是用玉米籽粒聯(lián)合收獲機一次性完成摘穗、脫粒、清選等工序，可減少作業(yè)工序、提高作業(yè)效率，是國外玉米收獲的主要方式，也是中國玉米收獲技術(shù)的發(fā)展趨勢[1-2]。籽粒收獲脫粒過程中，玉米受到脫粒元件的擠壓、撞擊和揉搓等外力作用，籽粒易產(chǎn)生破碎、破皮或裂紋(統(tǒng)稱破碎籽粒)，破碎籽粒不僅降低了產(chǎn)量，而且易生霉菌和蟲子，降低了玉米的交易價值[3-4]。

黃淮海地區(qū)是中國冬小麥夏玉米主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)種植一般是一年兩熟制。2015年玉米種植面積約1 757.7萬hm2，占全國的46.1%，總產(chǎn)量8 690萬t，占全國的38.7%[5]。該地區(qū)玉米生育期短，一般在 9月中下旬成熟，收獲時玉米籽粒含水率一般在30%～35%之間，直接脫粒易產(chǎn)生大量破碎籽粒，籽粒收獲機械很難直接推廣應(yīng)用。高含水率脫粒技術(shù)已成為制約黃淮海地區(qū)玉米籽粒收獲發(fā)展的瓶頸[6-9]。

國外對玉米收獲脫粒過程中遭受機械損傷與破碎的研究較多，美國 Duane等分析了脫粒速度、含水率等因素對籽粒損傷的影響[10]，美國Mahmoud和Buchele對玉米穗在凹板上的受力與喂入方向?qū)C械損傷的影響進行了研究[11]，Petkevichius等對玉米果穗喂入方向、含水率、凹板間隙等因素對脫粒損失的影響做了研究[12]。國內(nèi)周旭等對圓柱和圓錐 2種脫粒滾筒進行了對比試驗，分析了影響玉米損傷的因素[13]；李心平等依據(jù)雞喙離散玉米籽粒過程和裸手脫粒玉米籽粒過程的先離散后脫粒原理設(shè)計玉米種子仿生脫粒機，針對玉米籽粒的含水率、沖擊部位和沖擊方向?qū)ζ湓跊_擊過程所遭受的損傷進行了試驗，設(shè)計了玉米種子仿生脫粒機[14-16]，相茂國等對玉米脫粒性能影響因素進行了分析[17]，柳建安等設(shè)計了螺旋擠搓式玉米脫粒機[18]，趙武云等設(shè)計了變徑變間距螺旋板齒式玉米脫粒機[19]，何曉鵬等設(shè)計了一種寬板齒、低轉(zhuǎn)速的擠搓式玉米脫粒機[20]。然而，目前的研究大多為針對小型玉米脫粒機或種子玉米脫粒機理試驗研究，缺乏對玉米籽粒收獲機大型脫粒滾筒的研究。

為解決上述問題，本文在分析現(xiàn)有脫粒滾筒特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合黃淮海地區(qū)玉米收獲時籽粒含水率高的特點，設(shè)計了組合軸流玉米脫粒滾筒，并在室內(nèi)建成了玉米脫粒試驗臺。通過單因素試驗和多因素正交試驗，分析了影響籽粒破碎率和未脫凈率的因素，為籽粒收獲機的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 軸流脫粒滾筒的設(shè)計

1.1 脫粒工藝確定

軸流式脫粒滾筒工藝流程根據(jù)喂入與排出方式主要有4種形式，如圖1所示。本文研究過程中，主要研究軸流滾筒脫粒過程中影響玉米籽粒破碎率和未脫凈率的因素，物料喂入和排出方式對研究結(jié)果的影響可忽略不計。在綜合分析4種脫粒工藝流程的特點基礎(chǔ)上，結(jié)合本單位現(xiàn)有的脫粒試驗臺，選取了物料徑向喂入、徑向排出的滾筒結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計比較簡便，生產(chǎn)制造成本低[21-22]。

圖1 軸流滾筒脫粒工藝流程Fig.1 Threshing technological process of axial flow cylinder

1.2 脫粒滾筒設(shè)計

由于脫粒工藝采用了物料徑向喂入徑向排出形式，脫粒滾筒參數(shù)的設(shè)計可以參考切流脫粒裝置的設(shè)計方法進行。軸流脫粒滾筒有圓柱形和圓錐形 2種，圓柱形脫粒滾筒是現(xiàn)有收獲機普遍采用的結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計簡便、加工工藝簡單，故選用圓柱形脫粒滾筒。

1.2.1 外形尺寸確定

脫粒滾筒直徑太小容易發(fā)生纏繞現(xiàn)象，也直接降低了凹板的分離面積，大直徑脫粒滾筒可以增加果穗脫粒、分離時間，提高脫粒、分離能力和生產(chǎn)效率。目前常用直徑為550～650 mm，大直徑更能適應(yīng)較大的喂入量和喂入速度，因此脫粒滾筒設(shè)計直徑為650 mm。

脫粒滾筒的長度 L依據(jù)生產(chǎn)率決定，按下式計算確定[17]：

式中q為脫粒裝置的喂入量，kg/s；q0為脫粒滾筒單位長度允許承擔(dān)的喂入量，kg/(s·m)，一般軸流脫粒機 q0取1.5～2.0 kg/(s·m)，聯(lián)合收獲機 q0取 3～4 kg/(s·m)。

軸流滾筒的長度取決于分離能力，要使物料能充分分離，滾筒長度要足夠長，滾筒的后半段主要起分離作用，也兼有脫粒作用。現(xiàn)有軸流脫粒滾筒工作長度一般為1～3 m，本文的研究是為了給縱軸流滾筒設(shè)計提供參考依據(jù)，因此結(jié)合現(xiàn)有脫粒試驗臺結(jié)構(gòu)尺寸，確定脫粒滾筒長度為2.8 m。

1.2.2 脫粒元件選擇和布置

脫粒元件目前主要有釘齒式和紋桿塊式 2種，黃淮海地區(qū)現(xiàn)有玉米籽粒收獲機大都是在谷物收獲機上改裝，滾筒為橫軸流滾筒，脫粒元件多為釘齒，主要靠沖擊脫粒，籽粒破碎率較高，但釘齒具有較強的攪動能力，有利于脫粒后籽粒和雜質(zhì)的分離。紋桿塊脫粒作用相對柔和，打擊作用較弱，揉搓作用強，果穗通過性能強，生產(chǎn)效率高，但分離能力弱，未脫凈籽粒多。因此，本文設(shè)計了“紋桿塊+釘齒”組合式脫粒滾筒。滾筒的前段設(shè)置紋桿塊，主要起脫粒作用，后段設(shè)置釘齒，主要起攪動分離作用，兼具脫粒功能。為了使物料在滾筒內(nèi)有一定的向后輸送能力，紋桿塊和釘齒按 4頭螺旋布置，螺距4 800 mm，脫粒滾筒結(jié)構(gòu)如圖2所示，紋桿塊和釘齒如圖3所示。

圖2 脫粒滾筒結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of threshing cylinder

圖3 紋桿塊和釘齒模型Fig.3 Module of rasp bar and nail tooth

1.3 脫粒凹板的設(shè)計

凹板長度一般由滾筒長度決定，包角選擇 180°。凹板分離形式主要有柵格和沖孔 2種，柵格凹板強度大，剛性好，篩孔大，脫粒分離效果好；沖孔凹板結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，而且能降低物料與凹板間的摩擦，減少脫粒過程較大雜余下落到清選系統(tǒng)。玉米脫粒過程主要在滾筒前段完成，后段主要起分離作用兼具脫粒功能，故采用“柵格式+沖孔式”組合脫粒凹板，柵格孔寬20 mm，孔長200 mm，沖孔直徑18 mm，模型如圖4所示。

圖4 脫粒凹板模型Fig.4 Module of threshing concave

1.4 頂蓋的設(shè)計

軸流滾筒的頂蓋與脫粒凹板連接組成圓筒形脫粒室。頂蓋內(nèi)壁末端設(shè)置有兩條螺旋線導(dǎo)向筋，用來控制物料運動速度，導(dǎo)向筋螺旋升角35°，采用直徑8 mm圓鋼彎制，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 頂蓋結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of cover

2 試驗與分析

2.1 試驗條件

2016年10月借助自制的脫粒試驗臺[23-24]，在位于濟南市章丘區(qū)棗園鎮(zhèn)的山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院試驗基地完成脫粒試驗。本試驗選用山東地區(qū)處于成熟期的夏玉米，含水率在32%～34%，采用人工摘穗的方式收集果穗，并去除2～3層外苞葉，以模擬收獲過程中割臺對果穗的影響。試驗臺結(jié)構(gòu)及主要零部件實物如圖 6所示，試驗臺主要參數(shù)如表 1所示，試驗玉米基本特性參數(shù)值如表2所示。

圖6 脫粒試驗臺結(jié)構(gòu)及主要零部件實物圖Fig.6 Structure and picture of threshing test bed and main parts

2.2 試驗方法

試驗依據(jù)GB/T 21961-2008《玉米收獲機 試驗方法》[25]及GB/T 21962-2008《玉米收獲機械 技術(shù)條件》[26]，選取滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角、凹板間隙為試驗因素，每次試驗喂入150個果穗，每組試驗重復(fù)3次。籽粒破碎率及未脫凈率是高含水率玉米脫粒主要測試指標(biāo)。

表1 脫粒試驗臺主要參數(shù)Table 1 Main parameters of threshing test bed

表2 試驗玉米基本特性參數(shù)值Table 2 Corn parameters in experiment

2.2.1 籽粒破碎率

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，每次脫粒后選取不少于2 000 g籽粒，從中撿出機器損傷、有明顯裂紋及破皮的籽粒，按式（2）計算籽粒破碎率。

式中Zs為籽粒破碎率，%；Ws為破碎籽粒質(zhì)量，g；Wi為樣品籽粒總質(zhì)量，g。

2.2.2 未脫凈率

每次試驗后收集出糧口的糧食以及飛濺的糧食稱質(zhì)量，收集脫粒滾筒中、排芯口及糧食出口未脫凈穗軸全部籽粒稱質(zhì)量為未脫凈籽粒質(zhì)量，二者之和為脫出籽?？傎|(zhì)量，按式（3）計算未脫凈率。

式中Sw為未脫凈率，%；Ww為未脫凈籽粒質(zhì)量，g；Wz為脫出籽?？傎|(zhì)量，g。

2.3 單因素試驗

為確定正交試驗的各因素水平范圍，首先對滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角、凹板間隙 3個因素進行了不同水平的單因素試驗。

2.3.1 滾筒轉(zhuǎn)速對籽粒破碎率的影響

在玉米脫粒過程中，脫粒元件線速度的大小決定玉米籽粒所受到擠壓、撞擊和揉搓力的大小，而籽粒的受力情況直接影響籽粒破碎率和未脫凈率[27]。由于脫粒元件線速度難以直接測量，選取脫粒滾筒轉(zhuǎn)速作為試驗因素，其與脫粒元件線速度關(guān)系如式（4）所示。

式中v為脫粒元件線速度，m/s；n為脫粒滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；D為脫粒滾筒直徑，本式中為650 mm。

取脫粒滾筒傾角4°，凹板間隙35 mm，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速200～600 r/min。

滾筒轉(zhuǎn)速對籽粒破碎率和未脫凈率的影響曲線如圖7所示。從圖中可以看出，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大，籽粒破碎率先降低后升高，轉(zhuǎn)速在450～500 r/min，即脫粒元件線速度為15.5～17.3 m/s時籽粒破碎率最低，最低籽粒破碎率為5.52%。隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大，未脫凈率急劇減小，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速超過350 r/min后，未脫凈率趨于穩(wěn)定，最低為0.2%。

圖7 滾筒轉(zhuǎn)速對脫粒性能的影響Fig.7 Effect of cylinder speed on threshing performance

2.3.2 凹板間隙對籽粒破碎率的影響

脫粒時，玉米果穗從滾筒與凹板之間的間隙通過，果穗上的籽粒在脫粒元件和凹板的共同作用下與穗軸分離，凹板間隙對滾筒的脫粒性能有直接影響。取脫粒滾筒傾角4°，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速500 r/min，凹板間隙35～60 mm。

圖8 凹板間隙對脫粒性能的影響Fig.8 Effect of concave clearance on threshing performance

凹板間隙對籽粒破碎率和未脫凈率的影響曲線如圖8所示。從圖中可以看出，隨著凹板間隙的增大，籽粒破碎率也隨之減小，但減小的趨勢有所放緩，最低為3.35%。未脫凈率則隨凹板間隙的增大增加顯著，當(dāng)凹板間隙大于50 mm后，未脫凈率趨于穩(wěn)定，最低為0.12%。

2.3.3 滾筒傾角對籽粒破碎率的影響

滾筒傾角直接影響脫粒元件與玉米果穗的作用次數(shù)以及玉米果穗在脫粒脫粒滾筒中的滯留時間，也是影響玉米脫粒性能的關(guān)鍵因素之一。取脫粒滾筒轉(zhuǎn)速500 r/min，凹板間隙55 mm，脫粒滾筒傾角3°～7°。

滾筒傾角對籽粒破碎率和未脫凈率影響曲線如圖 9所示。從圖中可以看出，隨著滾筒傾角的增大，籽粒破碎率逐漸變小，但趨勢比較平緩，最低為2.88%。未脫凈率則隨滾筒傾角的增大減小顯著，最低為0.06%。

圖9 滾筒傾角對脫粒性能的影響Fig.9 Effect of cylinder angle on threshing performance

2.4 正交試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇滾筒轉(zhuǎn)速 A、滾筒傾角B、凹板間隙C為考察因素，按L9(34)正交表安排因素的 3個不同水平進行正交試驗，評價指標(biāo)為籽粒破碎率和未脫凈率[28-30]。每組試驗重復(fù) 3次，試驗因素水平安排如表3所示，試驗結(jié)果與分析如表4所示。

表3 試驗因素與水平Table 3 Factors and levels

表4 試驗結(jié)果與分析Table 4 Test results and analysis

為分析滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角、凹板間隙 3個因素對各評價指標(biāo)的顯著性，找出影響評價指標(biāo)的主次因素，以及評價指標(biāo)最優(yōu)的因素水平組合方案，運用SAS統(tǒng)計分析軟件對正交試驗結(jié)果進行方差分析。籽粒破碎率和未脫凈率方差分析結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明：在95%的置信度下，滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角、凹板間隙對籽粒破碎率影響顯著；滾筒傾角、凹板間隙對未脫凈率影響顯著，滾筒轉(zhuǎn)速對未脫凈率影響不顯著。

表5 破碎率和未脫凈率方差分析顯著性檢驗結(jié)果Table 5 Variance analysis significance test results of breaking rate and un-threshing rate

用Duncan’s法檢驗各因素不同水平對破碎率的影響，結(jié)果如表6所示。分析結(jié)果表明，A1與A2水平對破碎率影響差異顯著，A1與A3水平對破碎率影響沒有明顯差異；B2與B3水平對破碎率影響差異顯著，B1與B2水平對破碎率無顯著差異；C1與C2水平對破碎率影響差異顯著，C1與C3水平對破碎率影響無顯著差異。結(jié)合破碎方差分析顯著性檢驗結(jié)果，影響破碎率的主次因素為：A＞B＞C，破碎率最低的因素水平組合為A1B2C2。

表6 Duncan’s均值多重比較Table 6 Duncan’s mean value multiple comparison

用Duncan’s法檢驗各因素不同水平對未脫凈率的影響，結(jié)果如表6所示。分析結(jié)果表明，A1與A2水平對未脫凈率影響差異顯著，A2與A3水平對未脫凈率影響沒有明顯差異；B1與B2水平對破碎率影響差異顯著，B2與B3水平對未脫凈率無顯著差異；C2與C3水平對未脫凈率影響差異顯著，C1與C3水平對破碎率影響無顯著差異。結(jié)合未脫凈方差分析顯著性檢驗結(jié)果，影響未脫凈率的主次因素為：A＞B＞C，未脫凈率最低的因素水平組合為A1B2C2。

3 結(jié) 論

1）單因素試驗表明滾筒轉(zhuǎn)速在450～500 r/min時籽粒破碎率最低為 5.52%，未脫凈率隨著滾筒的增加而減小，轉(zhuǎn)速超過350 r/min后，未脫凈率最低為0.2%；隨著凹板間隙的增大籽粒破碎率逐漸減小，未脫凈率逐漸增大，籽粒破碎率最低為3.35%，未脫凈率最低為0.12%；隨著滾筒傾角的增大，籽粒破碎率和未脫凈率逐漸變小，籽粒破碎率最低為2.88%，未脫凈率最低為0.06%。

2）正交試驗表明影響破碎率和未脫凈率的主次因素均為：脫粒滾筒轉(zhuǎn)速＞滾筒傾角＞凹板間隙；破碎率最低的和未脫凈率最低的最優(yōu)參數(shù)組合均為：滾筒轉(zhuǎn)速430 r/min，滾筒傾角6°，凹板間隙55 mm；此時籽粒破碎率為2.96%，未脫凈率為0.19%。

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