切流-橫軸流玉米脫粒系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計及臺架試驗(yàn)

楊立權(quán)，王萬章※，張紅梅，李連豪，王美美,3，侯明濤

（1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002；2. 河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450002；3. 安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安陽 455000）

0 引 言

在玉米機(jī)械化籽粒收獲過程中，較高含水率果穗籽粒直收的高破碎率問題一直是玉米全程機(jī)械化發(fā)展中的制約因素，尤其是在小麥-玉米周年輪作的黃淮海地區(qū)顯得更為突出[1]，破損的籽粒不僅商品品相降低，而且導(dǎo)致呼吸作用加強(qiáng)加速了霉變，嚴(yán)重影響商品玉米的質(zhì)量和糧食安全[2]。國內(nèi)外眾多學(xué)者從籽粒自身力學(xué)特性[3-5]上研究玉米籽粒破碎的機(jī)理[6-8]，并開展了不同品種玉米籽粒收獲的機(jī)械適應(yīng)性量化評價[9]；建立接觸力學(xué)數(shù)學(xué)模型，研究籽粒與脫粒元件的相互作用[10-11]；通過改造小型脫粒機(jī)，探索含水率、滾筒轉(zhuǎn)速等主要因素對籽粒破碎率的影響[12]；通過建立玉米切流脫粒試驗(yàn)臺，重點(diǎn)研究了喂入量、滾筒速度和脫粒間隙等對不同品種不同含水率玉米脫粒破碎率的影響[13-14]。種子玉米的脫粒損傷有更為嚴(yán)格的要求，相應(yīng)建立了特定的脫粒試驗(yàn)裝置研究其脫粒破碎[15-16]。

玉米果穗脫粒過程中物料與脫粒系統(tǒng)的相互作用是一個極為復(fù)雜的動力學(xué)過程，各種理論分析與數(shù)學(xué)建模被不斷提出[17-21]，從理論上闡述了一定條件下玉米脫粒的破碎機(jī)理。流體動力學(xué)與顆粒物料力學(xué)[22-25]的發(fā)展成果借助于計算機(jī)技術(shù)被應(yīng)用到玉米脫粒研究中，基于離散單元法開展了玉米脫粒過程的計算機(jī)仿真研究[26-28]，豐富了玉米脫粒技術(shù)的研究方法。

黃淮海地區(qū)玉米機(jī)械化籽粒收獲尚處于初期階段，沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，適宜籽粒收獲的早熟及快速脫水玉米種質(zhì)資源及雜優(yōu)模式也待深入研究[29]。鑒于玉米果穗作為生物復(fù)合材料及其脫粒過程的復(fù)雜性，各種脫粒理論研究與數(shù)學(xué)模型均存在不同程度的局限性，整機(jī)田間試驗(yàn)研究受制于天氣、場地、品種差異性和脫粒系統(tǒng)的復(fù)雜性，給試驗(yàn)測試帶來了諸多困難。4YL-4/5 型收獲機(jī)針對黃淮海地區(qū)的小麥玉米輪作特點(diǎn)，脫粒系統(tǒng)采用切流-橫軸流的布置形式，結(jié)構(gòu)緊湊，通過更換割臺、脫粒滾筒和鏈輪等零部件，實(shí)現(xiàn)夏收小麥、秋收玉米，一機(jī)兩用，提高了使用率，在黃淮海地區(qū)具有很大的保有量，但籽粒破碎率一直是該機(jī)型玉米籽粒收獲的最大問題，2015-2016年該機(jī)型連續(xù)2 a對黃淮海地區(qū)36個籽粒收獲對照品種進(jìn)行機(jī)收測試，在籽粒含水率大于 28%的條件下，僅有2個品種破碎率小于5%，分別為3.2%和3.55%，其余品種破碎率均大于5%，最大24.1%，總體平均 11.44%，暴露了該機(jī)型適應(yīng)性不足的問題。大型縱軸流收獲機(jī)效果雖好，但在黃淮海地區(qū)的中小地塊又難以施展。故立足黃淮海地區(qū)籽粒收品種的育種情況、農(nóng)業(yè)耕作特點(diǎn)和農(nóng)機(jī)適用現(xiàn)狀，以 4YL-4/5 型收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立了切流-橫軸流玉米脫粒試驗(yàn)臺架，研究以降低破碎率為首要目標(biāo)的脫粒技術(shù)參數(shù)和脫粒試驗(yàn)方案，同時深入發(fā)掘該機(jī)型玉米籽粒收獲的技術(shù)潛力，探索解決制約本區(qū)域玉米產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

1 脫粒試驗(yàn)臺設(shè)計

麥-玉兩用4YL-4/5型收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在玉米籽粒收獲作業(yè)過程中摘穗裝置將果穗輸送至喂入攪龍，在經(jīng)鏈耙過橋的梳理作用后，果穗以平行于滾筒的姿態(tài)送至切流滾筒實(shí)現(xiàn)脫粒。作為脫粒試驗(yàn)臺，圖 1中的摘穗裝置、喂入攪龍和鏈耙過橋等機(jī)構(gòu)完全沒有必要，采用可調(diào)速傳送帶擺放果穗即可模擬田間作業(yè)的喂入姿態(tài)與喂入量。

圖1 4YL-4/5型收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)簡圖Fig.1 4YL-4/5 harvester threshing system diagram

脫粒試驗(yàn)系統(tǒng)主要由動力系統(tǒng)、輸送上料系統(tǒng)、脫粒系統(tǒng)和輔助機(jī)構(gòu)等組成，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可根據(jù)需要調(diào)整凹板篩脫粒間隙、更換不同形式的脫粒滾筒或凹板篩組件，以便于兼顧開展多種谷物脫粒試驗(yàn)研究和架設(shè)測試設(shè)備。為保證脫粒試驗(yàn)系統(tǒng)與原機(jī)的吻合性，不改變原機(jī)脫粒室的基本結(jié)構(gòu)與尺寸，仍采用柵格式凹板篩，切流滾筒與橫軸流滾筒的基本尺寸保持不變。

1.1 傳動系統(tǒng)

1.1.1 傳動系統(tǒng)總體設(shè)計

脫粒試驗(yàn)系統(tǒng)采用電機(jī)拖動，參照 4YL-4/5 型收獲機(jī)的動力配置為110 kW左右，脫粒系統(tǒng)功耗約占整機(jī)功率的30%～40%[30]，考慮到試驗(yàn)臺架不存在田間作業(yè)的惡劣工況而引起的載荷沖擊等不利因素，選定功率為37 kW的三相異步電機(jī)（型號KP-225S-41，額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min），配套相應(yīng)功率的高性能電流矢量變頻器調(diào)速（型號G6004T37GB，變頻范圍0～50 Hz，靈敏度0.01 Hz）。電機(jī)輸出端與橫軸流滾筒的動力傳遞采用雙槽C型V帶，帶輪直徑分別為150、220 mm，傳動比為22∶15，橫軸流通過帶傳動將動力分流至切流滾筒，切流滾筒帶輪直徑180 mm，傳動比為9∶11。在電機(jī)輸出端與橫軸流滾筒之間設(shè)置型號為 JN338M-A型智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測試驗(yàn)過程中脫粒系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與功率的變化情況。基本傳動路線如圖 2所示，各級傳動比與原機(jī)保持一致。

圖2 動力傳動系統(tǒng)圖Fig.2 Power transmission system diagram

1.1.2 傳動系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定

脫粒試驗(yàn)過程中，橫軸流滾筒的轉(zhuǎn)速（線速度）調(diào)節(jié)是通過變頻器調(diào)節(jié)電流頻率實(shí)現(xiàn)的，因此要對脫粒試驗(yàn)系統(tǒng)的電流頻率、電機(jī)和滾筒轉(zhuǎn)速（線速度）之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，便于開展試驗(yàn)。橫軸流滾筒筒體直徑400 mm，表面釘齒、板齒等脫粒元件的高度為75 mm；切流滾筒筒體直徑350 mm，表面的釘齒高度為60 mm。均按照最大徑向尺寸作為橫軸流滾筒和切流滾筒的線速度計算直徑

式中vz、vq分別為橫軸流滾筒和切流滾筒的線速度，m/s；dzj、dqj分別為橫軸流滾筒和切流滾筒的線速度計算直徑，mm；dzj=550 mm、dqj=470 mm；nz、nq分別為橫軸流滾筒和切流滾筒的轉(zhuǎn)速，r/min。

由以上計算，電流頻率、電機(jī)、橫軸流滾筒和切流滾筒的轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系標(biāo)定如表1所示。

表1 傳動系統(tǒng)速比標(biāo)定Table 1 Transmission system calibration

1.2 物料輸送系統(tǒng)

物料輸送系統(tǒng)寬度900 mm，與4YL-4/5型收獲機(jī)過橋?qū)挾纫恢?。輸送帶設(shè)置隔條，高度30 mm，間隔為230 mm，與黃淮海地區(qū)玉米株距一致，可以通過改變輸送帶調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速或改變每個間隔放置果穗的數(shù)量來改變喂入量。輸送帶線速度范圍為0～0.726 m/s。若每間隔單排4個果穗，則單排最大喂入量為

式中w為喂入量，kg/s；c為單個帶苞葉果穗平均質(zhì)量，kg；n為輸送帶每間隔果穗個數(shù)，對應(yīng)籽粒收獲機(jī)作業(yè)行數(shù)；Vd為輸送帶線速度，m/s；d為輸送帶間隔距離，m。

黃淮海種植模式，行距a = 600 mm，株距b=230 mm，橋玉8號果穗平均質(zhì)量c = 0.32 kg，則單排擺放的最大喂入量w = 4.04 kg/s；若果穗擺放成2排，則最大喂入量8.08 kg/s，最多可以擺放3排果穗。

按照單位小時折算輸送帶效率對應(yīng)的收獲機(jī)作業(yè)面積

式中V面積為輸送帶效率對應(yīng)的收獲機(jī)作業(yè)效率，m2/h。計算可得，單排擺放最大輸送效率對應(yīng)的作業(yè)面積為6 203.1 m2/h，則2排擺放為12 406.1 m2/h。

1.3 脫粒系統(tǒng)

黃淮海地區(qū) 4YL-4/5型收獲機(jī)的切流滾筒多采用收小麥時的短板齒或斜面刀齒的結(jié)構(gòu)形式，橫軸流滾筒均采用全柱齒的結(jié)構(gòu)形式。保持原機(jī)脫粒室柵格凹板篩結(jié)構(gòu)，參照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[31]對切流滾筒和橫軸流滾筒進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。切流滾筒采用柱齒形式，齒高 60 mm，直徑20 mm。6排柱齒呈螺旋交錯狀布置，便于對玉米果穗進(jìn)行梳理喂入推進(jìn)到橫軸流滾筒脫粒室的起始端，以便保證果穗的脫粒行程，其結(jié)構(gòu)形式及柱齒展開圖如圖 3所示。

圖3 切流滾筒結(jié)構(gòu)及柱齒排布展開圖Fig.3 Tangential flow drum structure and column tooth arranged expanded view

橫軸流滾筒采用柱齒-板齒混合結(jié)構(gòu)，柱齒有較強(qiáng)的物料抓取能力、打擊和梳理作用，板齒對不均勻喂入的作物層適應(yīng)性好、揉搓效果強(qiáng)，二者結(jié)合可以增強(qiáng)脫粒分離效果，提高脫粒作業(yè)的適應(yīng)性。橫軸流滾筒在結(jié)構(gòu)上有脫粒、篩分和排雜 3個功能區(qū)段，各區(qū)段之間有環(huán)形擋板，以遲滯物料的快速流動，增加果穗擠搓脫粒的時間，其結(jié)構(gòu)形式及柱齒板齒排布展開圖如圖4所示。

圖4 橫軸流滾筒及柱齒板齒排布展開圖Fig.4 Transverse axial flow drum structure and column tooth-plate tooth arranged expanded view

1.4 輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計

機(jī)架采用50 mm×50 mm方管材結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，橫軸流滾筒所組成的整個腔室都有脫粒篩分籽粒的作用，由于各區(qū)段的主要功能側(cè)重不同，因而所產(chǎn)生的脫粒物質(zhì)量也存在差異[32-34]，為精準(zhǔn)分析脫粒系統(tǒng)各功能區(qū)段的脫粒性能，在滾筒不同功能區(qū)段所對應(yīng)凹板篩下面設(shè)置隔離板，防止?jié)L筒不同區(qū)段脫下的籽粒相互交叉，將全部脫粒區(qū)域分成 3大部分，放置相應(yīng)尺寸的集糧盒。把 3個集糧盒沿滾筒軸向分割成若干小格子，方便進(jìn)一步細(xì)化研究脫粒系統(tǒng)的作業(yè)性能。

試驗(yàn)臺架外圍適宜部位采用透明 PVC有機(jī)玻璃封裝，便于觀察脫粒室、架設(shè)高速攝影系統(tǒng)或布置相關(guān)測試裝備。變頻器、空氣開關(guān)、操控面板等電氣元件布置在電氣控制柜中，便于安全操作。

最終制造成形的脫粒試驗(yàn)臺實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖 5所示。玉米果穗經(jīng)上料輸送裝置傳送到喂入口，在切流滾筒的作用下強(qiáng)制喂入到橫軸流滾筒的脫粒室內(nèi)，切流滾筒在喂入作業(yè)的過程中，也對果穗進(jìn)行初步擠搓，起到脫粒作用。果穗在脫粒室內(nèi)脫粒后，籽粒經(jīng)凹板篩落入下部集糧盒內(nèi)，苞葉及軸芯等較輕、較大的物料經(jīng)脫粒室上蓋導(dǎo)向板的疏導(dǎo)推送至秸草分離區(qū)，經(jīng)排雜口拋出臺架外。

圖5 脫粒試驗(yàn)臺實(shí)物整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Threshing test bench physical structure

1.5 脫粒試驗(yàn)臺穩(wěn)定性分析

脫粒滾筒筒體上多個脫粒元件幾何結(jié)構(gòu)和空間布置的不均勻性以及零件制造、焊接裝配誤差等原因造成重心偏移，使其在高速工作運(yùn)轉(zhuǎn)時會周期性在某個方向上出現(xiàn)較大的不平衡慣性離心力，在軸承支撐處引起附加動壓力，引起軸承及滾筒振動、噪聲，加速軸承磨損，甚至導(dǎo)致試驗(yàn)臺架不穩(wěn)定產(chǎn)生安全隱患，必須進(jìn)行動平衡校核加以改善[35]。

動平衡模擬可以求得脫粒滾筒兩端支反力合力的變化規(guī)律和不平衡量，通過理論計算來消除不平衡從而達(dá)到脫粒滾筒動平衡條件。以橫軸流滾筒為例闡述動平衡分析過程，將橫軸流滾筒三維模型導(dǎo)入 ADAMS軟件，定義前處理邊界條件和仿真控制條件，建立動平衡有限元分析模型。以600 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真模擬，得到滾筒E端、F端（定義脫粒端軸承為E端，排雜端軸承為F端）的支反力合力分別為52.9、183.1 N，經(jīng)過計算，已經(jīng)超出國家標(biāo)準(zhǔn)[36-37]的規(guī)定。通過在滾筒兩端加載模擬配重，再次進(jìn)行動平衡模擬，得到E、F兩端的支反力合力分別為FE=33 N、FF=119.9 N。如圖6a所示。E、F兩端在所受的支反力合力在加速階段波動較大，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后的支反力合力值則為最終計算依據(jù)。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[36-37]的規(guī)定：不平衡值（剩余不平衡量 U）不宜大于許用值 Uper，即：U≤Uper。許用剩余不平衡量

式中Uper為許用剩余不平衡量數(shù)值，g/mm；(eper×?)為平衡品質(zhì)級別量值，mm/s；m為滾筒質(zhì)量，kg；?為滾筒角速度，rad/s。農(nóng)業(yè)機(jī)械對應(yīng)的平衡品質(zhì)級別量值(eper×?)為16 mm/s，橫軸流滾筒質(zhì)量m為166.5 kg，?為62.8 rad/s，則許用剩余不平衡量

式中U為不平衡量數(shù)值，g/mm；F為支反力合力，N。

則總不平衡量為 UE+ UF= 3 8 7 69.3 g/mm＜ Uper。滿足規(guī)定要求。

基于動平衡數(shù)值模擬與理論計算，采用YYW-300型硬支撐動平衡機(jī)按照國家標(biāo)準(zhǔn)[36-37]對橫軸流滾筒進(jìn)行動平衡校核，分別在E端和F端內(nèi)沿處非工作表面焊接配重鐵塊，配重復(fù)檢后最終達(dá)到國標(biāo)規(guī)定要求，配重結(jié)果如圖6b所示。

圖6 橫軸流滾筒動平衡校驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Transverse axial flow drum dynamic balance verify results

2 脫粒試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)因素的確定

玉米脫粒的原理主要是依靠脫粒元件對玉米果穗的沖擊作用以及玉米果穗相互之間、果穗與滾筒和凹板篩之間的擠搓作用而使籽粒剝離[30]。脫粒過程中影響玉米籽粒破碎的因素有籽粒含水率、滾筒線速度、脫粒間隙和喂入量等因素，為簡化試驗(yàn)，研究脫粒過程中影響籽粒破碎的主要因素，將喂入量、脫粒間隙按照脫粒作業(yè)的實(shí)際情況簡化。根據(jù)黃淮海地區(qū)玉米種植地塊以及4YL-4/5型玉米籽粒收獲機(jī)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)作業(yè)效率4 002 m2/h，試驗(yàn)系統(tǒng)喂入量相應(yīng)折算為2.6 kg/s。脫粒間隙是指脫粒滾筒釘齒頂端與凹板篩橫格板之間的最小距離，根據(jù)物料的運(yùn)動方向，脫粒間隙分為入口間隙和出口間隙，脫粒間隙的大小與玉米軸芯直徑有關(guān)，一般入口間隙小于果穗的平均直徑，出口間隙與軸芯直徑的一半相當(dāng)[13]。根據(jù)對橋玉8號果穗生物性狀的統(tǒng)計結(jié)果[13,30]，入口間隙包含切流滾筒的脫粒間隙和橫軸流滾筒活動凹板篩入口處的間隙，調(diào)整為36 mm，出口間隙12 mm，脫粒間隙比為3。

脫粒試驗(yàn)針對籽粒含水率、橫軸流滾筒線速度的影響作用進(jìn)行研究。不同果穗部位的籽粒生長狀態(tài)、脫水速率、含水率均不相同，玉米籽粒角質(zhì)胚乳、粉質(zhì)胚乳和胚的各成分間的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能差異較大，并且受含水狀態(tài)影響較大，屬于不穩(wěn)定的復(fù)合生物材料，籽粒干燥脫水時呈內(nèi)壓外拉應(yīng)力狀態(tài)，受潮吸濕時呈內(nèi)拉外壓應(yīng)力狀態(tài)，在脫粒試驗(yàn)研究中，無法將含水率精確定義到太精細(xì)的數(shù)值，只能按照含水率區(qū)間進(jìn)行模糊測試、評判。對試驗(yàn)田玉米果穗的含水率進(jìn)行監(jiān)測，在其自然脫水的過程中，選定含水率在32%～30%、30%～28%、28%～26%、26%～24%、24%～22%五個水平區(qū)間進(jìn)行脫粒試驗(yàn)。根據(jù)傳統(tǒng)脫粒經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)玉米脫粒研究[13-14,30]，高含水率玉米果穗脫粒時，脫粒滾筒的線速度一般在15～22 m/s，速度太高，打擊力太大，籽粒破碎率會急劇增加，碎秸草也會增多，給清選增加負(fù)擔(dān)，功率也會增加很多；速度過低，打擊力不足，籽粒不能脫下，物料長時間滯留在脫粒室內(nèi)反復(fù)揉搓將導(dǎo)致破碎率增加。橫軸流滾筒的線速度選擇為 15.84、17.28、18.72、20.16、21.6 m/s，則相應(yīng)的切流滾筒線速度為16.53、18.03、19.53、21.06、22.56 m/s。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)設(shè)計為單因素試驗(yàn)，以玉米籽粒破碎率為目標(biāo)，試驗(yàn)因素為籽粒含水率、橫軸流滾筒線速度。監(jiān)測利奇種業(yè)公司試驗(yàn)田玉米果穗含水率并及時人工采收適合試驗(yàn)要求含水率的帶苞葉果穗。在輸送帶上每排擺放 4個玉米果穗，按照2.6 kg/s的喂入量設(shè)定上料輸送機(jī)皮帶線速度為0.47 m/s。每次試驗(yàn)前都要檢查入口和出口的脫粒間隙值。在預(yù)設(shè)的 5個含水率區(qū)間內(nèi)，每個區(qū)間均按照橫軸流滾筒15.84、17.28、18.72、20.16和21.6 m/s的線速度依次開展脫粒試驗(yàn)，每次試驗(yàn)2個重復(fù)，每次喂入量50 kg，按照圖7a所示的脫粒物收集鐵盒，分別稱量每個小格子內(nèi)的脫粒物質(zhì)量、采樣統(tǒng)計每個小格子內(nèi)籽粒破碎率，取平均值。參照表 1調(diào)節(jié)變頻器頻率即可準(zhǔn)確調(diào)控橫軸流滾筒線速度。

2.3 切流、橫軸流滾筒脫粒質(zhì)量對比

玉米脫粒試驗(yàn)籽粒收集的分布情況如圖7a所示，破碎籽粒識別統(tǒng)計[38-39]，從集糧盒內(nèi)取脫粒籽粒適量，清潔后采樣200 g，揀出機(jī)器損傷、有明顯裂紋及破皮的籽粒，稱出破碎籽粒質(zhì)量和樣品籽粒總質(zhì)量，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?？傎|(zhì)量，g。

為了對比切流脫粒區(qū) A（A1、A2、A3）、橫軸流脫粒區(qū)B（B1、B2、B3）和分離排雜區(qū)C（C1、C2、C3）3個分區(qū)的脫粒量，分別統(tǒng)計3個分區(qū)每次試驗(yàn)的脫粒物質(zhì)量占比，得到A、B和C 3個分區(qū)的脫粒物平均質(zhì)量占比分別為41.9%、44.5%和13.6%。

不同含水率區(qū)間內(nèi)，脫粒系統(tǒng)各區(qū)段脫粒量與含水率存在一定的關(guān)系，如圖7b所示，當(dāng)含水率低于28%，切流脫粒量與橫軸流脫粒量比較接近，平均差值在 1個百分點(diǎn)以內(nèi)，在平均含水率 25%時，切流脫粒量與橫軸流脫粒量占比僅相差0.4個百分點(diǎn)；隨著物料含水率的增加切流脫粒物比重下降，橫軸流脫粒物比重上升，同時分離排雜區(qū)C的脫粒物也呈同步增加趨勢。試驗(yàn)表明，在 28%的含水率以下，切流滾筒與橫軸流滾筒的脫粒能力幾乎相當(dāng)，在含水率高于 28%后，切流滾筒脫粒能力明顯弱于橫軸流滾筒。結(jié)合果穗的物料特性研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率低于 28%時，果穗籽粒行間隙與環(huán)間隙隨著含水率的降低明顯增大，表明籽粒脫水導(dǎo)致籽粒體積收縮[40]，籽粒間“相互抱團(tuán)”作用減弱，降低了脫粒難度。研究表明[30]，在橫軸流滾筒脫粒過程中，物料在脫粒系統(tǒng)中的作用時間約為2～3 s，物料在橫軸流滾筒脫粒室內(nèi)，經(jīng)多次打擊、翻轉(zhuǎn)、擠搓，作用時間較長，脫粒相對充分；在切流滾筒脫粒時，物料從A區(qū)喂入口接觸切流滾筒到高速離開 A區(qū)，經(jīng)理論計算作用時長僅為0.021～0.029 s，果穗在瞬間經(jīng)高速打擊、與凹板篩的沖擊擠搓實(shí)現(xiàn)切流脫粒，作用時間短，對于較高含水率的果穗，顯然不能有效脫粒，高含水率脫粒時，切流滾筒將更多的物料拋推至橫軸流脫粒室內(nèi)，造成大量物料的遲滯，增加了堵塞的風(fēng)險。

圖7 各區(qū)段脫粒分布情況以及脫粒質(zhì)量占比變化與含水率的關(guān)系Fig.7 Threshing distribution situation, relationship between grain weight percentage change and moisture content in each threshing region

對于切流-橫軸流脫粒系統(tǒng)，大多數(shù)籽粒收獲研究更多強(qiáng)調(diào)橫軸流滾筒的結(jié)構(gòu)、脫粒功能和切流滾筒的喂入功能，而忽略了切流滾筒的脫粒功能，認(rèn)為在果穗喂入的一瞬間，切流滾筒并不能起到多大的脫粒作用，通過試驗(yàn)測試，切流滾筒不僅僅是喂入功能，其脫粒物的質(zhì)量占比達(dá)到了40%以上。因此，在優(yōu)化切流-橫軸流機(jī)型脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要切流、橫軸流并重，才能有效降低破碎率，提高收獲作業(yè)質(zhì)量。

2.4 含水率對籽粒破碎率的影響

合適的含水率是玉米機(jī)械化籽粒收獲的先決條件[1,41]，含水率過高，籽粒強(qiáng)度硬度太低，脫粒時容易破損，含水率過低，雖然籽粒硬度提高，但韌性較差，在脫粒沖擊時容易脆裂。

切流-橫軸流試驗(yàn)系統(tǒng)中，橫軸流滾筒的籽粒破碎率與含水率的關(guān)系如圖8a所示，整體上看，籽粒破碎率隨著含水率的增加呈快速增大的趨勢。橫軸流滾筒線速度在15.84～18.72 m/s時，含水率在22%～26%的脫粒試驗(yàn)，籽粒破碎率均小于5%，符合國標(biāo)規(guī)定的機(jī)械化籽粒收獲標(biāo)準(zhǔn)[38]，其中含水率在 24%～26%范圍內(nèi)的脫粒破碎率最低，呈現(xiàn)出明顯的拐點(diǎn)，并且在17.28 m/s的速度下破碎率1.5%，是脫粒試驗(yàn)的最低值；當(dāng)含水率在26%～28%時，籽粒破碎率在5%左右，基本接近國標(biāo)規(guī)定；當(dāng)含水率高于28%時，籽粒破碎率隨含水率的上升而較快增大，突破國標(biāo)規(guī)定，籽粒收獲適應(yīng)性降低。當(dāng)含水率低于24%～26%，籽粒破碎率有升高的趨勢，經(jīng)分析在此階段籽粒最外面的角質(zhì)胚乳脫水速度大于里面的粉質(zhì)胚乳和胚，造成濕度梯度過大，籽粒整體上呈現(xiàn)出內(nèi)壓外拉的應(yīng)力分布，不同成份分界線之間呈現(xiàn)出應(yīng)力裂紋[42]，在脫粒打擊作用下，內(nèi)外應(yīng)力集中，很容易引起破裂[43]。軸流滾筒在20.16～21.60 m/s的速度下，在脫粒試驗(yàn)測試的全部含水率區(qū)間內(nèi)，籽粒破碎率基本都在6%以上，隨著含水率的增加而急劇增大，完全不滿足籽粒收獲的國標(biāo)規(guī)定。

切流滾筒在脫粒試驗(yàn)中破碎率與含水率的關(guān)系趨勢與橫軸流滾筒的較為相似，在 24%～26%的含水率區(qū)間下，滾筒線速度16.53～19.53 m/s下，籽粒破碎率不超過5%。18.03 m/s的滾筒線速度下籽粒破碎率最小為1.9%，如圖8b所示。整個試驗(yàn)系統(tǒng)在24%～26%的含水率區(qū)間內(nèi)的籽粒破碎率為橫軸流、切流滾筒破碎率的平均值1.7%。

2.5 脫粒滾筒速度分析

脫粒滾筒線速度是影響籽粒破碎的首要技術(shù)條件[2,10]，橫軸流滾筒在不同線速度脫粒時，各含水率區(qū)間均在17.28 m/s的轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)破碎率極小值，其中24%～26%含水率區(qū)間的破碎率極小值最小，當(dāng)線速度降低到15.84 m/s，破碎率反而增大，這是因?yàn)?，滾筒轉(zhuǎn)速降低，導(dǎo)致滾筒脫粒效率降低，混合物料滯留在脫粒室的時間增加，雖然物料的擠搓、揉搓作用增強(qiáng)，但長時間的擠搓作用反而會使破碎率增高，因此，適時控制物料的脫粒作用時間也是提高脫粒質(zhì)量、降低破碎率的有效途徑之一。切流滾筒脫粒速度的影響規(guī)律與橫軸流的基本一致，在24%～26%的含水率區(qū)間破碎率最低，在18.03 m/s的轉(zhuǎn)速下，切流脫粒破碎率最低，如圖9所示。

圖8 籽粒含水率與破碎率關(guān)系Fig.8 Relationship between moisture content and grain broken rate

圖9 滾筒線速度與破碎率關(guān)系Fig.9 Relationship between drum peripheral velocity and grain broken rate

綜合試驗(yàn)結(jié)果，含水率是實(shí)現(xiàn)玉米籽粒收獲的先決條件，加快玉米籽粒成熟期的脫水速率是當(dāng)前機(jī)收玉米育種努力的重要方向之一，在目前的玉米收獲生產(chǎn)中，適時晚收延長脫水時間、適合的機(jī)具作業(yè)參數(shù)是降低機(jī)收籽粒破碎率的有效措施。

3 結(jié) 論

為研究切流-橫軸流機(jī)型在黃淮海地區(qū)玉米籽粒收獲的適應(yīng)性，以4YL-4/5型收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過改進(jìn)脫粒元件結(jié)構(gòu)及其排布形式，建立了玉米脫粒試驗(yàn)系統(tǒng)。根據(jù)試驗(yàn)用玉米果穗的生物性狀，將切流-橫軸流脫粒系統(tǒng)的入口間隙設(shè)置為36 mm，出口間隙設(shè)置為12 mm，喂入量按照收獲機(jī)經(jīng)濟(jì)作業(yè)效率設(shè)置為2.6 kg/s。在不同的滾筒轉(zhuǎn)速下對含水率在 22%～32%的玉米果穗進(jìn)行脫粒試驗(yàn)，得到如下結(jié)論；

1）切流-橫軸流脫粒系統(tǒng)的柱齒型切流滾筒滿足國標(biāo)籽粒破碎率小于5%的工作參數(shù)為：線速度16.53～19.53 m/s，含水率為 24%～26%。柱齒-板齒結(jié)構(gòu)的橫軸流滾筒滿足國標(biāo)籽粒破碎率小于 5%的工作參數(shù)為：線速度 15.84～18.72 m/s，含水率為22%～26%。

2）切流滾筒的脫粒物質(zhì)量占比隨著含水率的增加而有所減弱，含水率在 28%以下，切流滾筒與橫軸流滾筒脫粒篩分段的脫粒物質(zhì)量占比幾乎相當(dāng)；當(dāng)含水率高于28%，切流滾筒的脫粒物質(zhì)量占比下降明顯。

3）切流-橫軸流脫粒系統(tǒng)對含水率在24%～26%的玉米果穗適應(yīng)能力較強(qiáng)，在平均含水率 25%時，切流脫粒質(zhì)量占比僅比橫軸流脫粒的小0.4個百分點(diǎn)，切流和橫軸流的脫粒能力發(fā)揮充分；當(dāng)橫軸流滾筒線速度為 17.28 m/s時，整個脫粒系統(tǒng)的籽粒破碎率最低，平均值為1.7%。

4）試驗(yàn)表明，4YL-4/5型收獲機(jī)通過改進(jìn)脫粒元件等關(guān)鍵零部件，在 26%以下的含水率和合適的機(jī)器參數(shù)下進(jìn)行玉米籽粒收獲，可以達(dá)到國家機(jī)收標(biāo)準(zhǔn)，具備一定的玉米籽粒收獲技術(shù)潛力。

[1] 李淑芳，張春宵，路明，等. 玉米籽粒自然脫水速率研究進(jìn)展[J]. 分子植物育種，2014，12(4)：825－829.Li Shufang, Zhang Chunxiao, Lu Ming, et al. Research development of kernel dehydration rate in maize[J]. Molecular Plant Breeding, 2014, 12(4): 825－829. (in Chinese with English abstract)

[2] 李少昆，王克如，謝瑞芝，等. 玉米子粒機(jī)械收獲破碎率研究[J]. 作物雜志，2017(2)：76－80.Li Shaokun, Wang Keru, Xie Ruizhi, et al. Grain breakage rate of maize by mechanical harvesting in China[J]. Crops,2017(2): 76－80. (in Chinese with English abstract)

[3] Babi? L J, Radojèin M, Pavkov I, et al. Physical properties and compression loading behaviour of corn seed[J]. International Agrophysics, 2013, 27(2): 119－126.

[4] Mohamed A F, Abdel M. Mechanical properties of corn kernels[J]. Misr J. Ag. Eng., 2009, 26(4): 1901－1922.

[5] 李心平，李玉柱，馬福麗，等. 玉米種子抗壓特性及裂紋生成規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42(8)：94－98.Li Xinping, Li Yuzhu, Ma Fuli, et al. Anti-pressing properties and crack formation law of corn seed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011,42(8): 94－98. (in Chinese with English abstract)

[6] 牛海華，趙武云，史增錄. 玉米籽粒力學(xué)特性的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J]. 中國農(nóng)機(jī)化，2011(2)：101－104.Niu Haihua, Zhao Wuyun, Shi Zenglu. Progress of research and application in mechanical properties of corn kernel[J].Chinese Agricultural Mechanization, 2011(2): 101－104. (in Chinese with English abstract)

[7] 徐立章，李耀明，王顯仁. 谷物脫粒損傷的研究進(jìn)展分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(1)：303－307.Xu Lizhang, Li Yaoming, Wang Xianren. Research development of grain damage during threshing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(1): 303－307. (in Chinese with English abstract)

[8] Volkovas V, Petkevi?ius S, ?pokas L. Establishment of maize grain elasticity on the basis of impact load[J]. Mechanika,2006, 6(62): 64－67.

[9] 侯明濤，張紅梅，王萬章，等. 玉米籽粒物理機(jī)械特性及機(jī)械化收獲適應(yīng)性[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，77(7)：354－357.Hou Mingtao, Zhang Hongmei, Wang Wanzhang, et al.Physical and mechanical properties of maize kernels and adaptability of mechanized harvest[J]. Journal of Jiangsu Agricultural Sciences, 2016, 77(7): 354－357. (in Chinese with English abstract)

[10] 張新偉，易克傳，高連興. 玉米種子與脫粒部件碰撞過程中的接觸力學(xué)分析[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2015，31(14)：285－290.Zhang Xinwei, Yi Kechuan, Gao Lianxing. Contacting mechanics analysis during impact process between corn seeds and threshing component[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2015, 31(14): 285－290. (in Chinese with English abstract)

[11] 張克平，賈娟娟，吳勁鋒. 谷物力學(xué)特性研究進(jìn)展[J]. 食品工業(yè)科技，2014，35(2)：369－374.Zhang Keping, Jia Juanjuan, Wu Jinfeng. Research progress in the mechanical properties of cereal[J]. Science and Technology of Food Industry, 2014, 35(2): 369－374. (in Chinese with English abstract)

[12] 相茂國，張道林，李春寧，等. 影響玉米脫粒性能的因素分析與研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015(1)：188－191.Xiang Maoguo, Zhang Daolin, Li Chunning, et al. Analysis of influence factor on corn threshing performance[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015(1): 188－191.(in Chinese with English abstract)

[13] Petkevi?ius S, ?pokas L, Steponavi?ius D. Substantiation of technological parameters of wet maize ear threshing[J].Agronomy Research, 2008, 6(Supp.): 271－280.

[14] ?pokas L, Steponavi?ius D, Petkevi?ius S. Impact of technological parameters of threshing apparatus on grain damage[J]. Agronomy Research, 2008, 6(Supp.): 367－376.

[15] 蔡超杰. 玉米種穗脫粒裝置的研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，2016.Cai Chaojie. Research on Seed Corn Threshing Device[D].Beijing: Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, 2016. (in Chinese with English abstract)

[16] 趙武云. 組合式螺旋板齒種子玉米脫粒裝置研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.Zhao Wuyun. Research on Combined Type of Spiral Bar Tooth Threshing Mechanism for Seed Corn[D]. Yangling:North West Agriculture and Forestry University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[17] Petre I M. Combine Harvesters Theory, Modeling and Design[M]. Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2016.

[18] Petre I M, Heinz-Dieter K. Modeling and simulation of grain threshing and separation in threshing units-Part I[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2008, 60(1): 96－104.

[19] Petre I M, Heinz-Dieter K. Modeling and simulation of grain threshing and separation in axial threshing units-Part II[J].Computers and Electronics in Agriculture, 2008, 60(1):105－109.

[20] Petre I M, Heinz-Dieter K. Mathematical model of material kinematics in an axial threshing unit[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2007, 58(2): 93－99.

[21] Petre I M. Mathematical model of threshing process in an axial unit with tangential feeding[C]//AIC 2002 Meeting CSAE/SCGR Program, Saskatoon, 2002: 1－8.

[22] Tijskens E, Ramon H, Baerdemaeker J D. Discrete element modelling for process simulation in agriculture[J]. Journal of Sound and Vibration, 2003, 266(3): 493－514.

[23] 姜瑞涉，王俊. 農(nóng)業(yè)物料物理特性及其應(yīng)用[J]. 糧油加工與食品機(jī)械，2002(1)：35－37.Jiang Ruishe, Wang Jun. Physical properties of agricultural materials and their application[J]. Grain and Oil Processing and Food Machinery, 2002(1): 35－37. (in Chinese with English abstract)

[24] Zhong Wenqi, Yu Aibing, Liu Xuejiao, et al. DEM/CFDDEM modelling of non-spherical particulate systems: Theoretical developments and applications[J]. Powder Technology,2016, 302: 108－152.

[25] 馬征，李耀明，徐立章. 農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域顆粒運(yùn)動研究綜述[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2013，44(2)：22－29.Ma Zheng, Li Yaoming, Xu Lizhang. Summarize of particle movements research in agricultural engineering realm[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(2): 22－29. (in Chinese with English abstract)

[26] Yu Yajun, Fu Hong, Yu Jianqun. DEM-based simulation of the corn threshing process[J]. Advanced Powder Technology,2015, 26(5): 1400－1409.

[27] 于建群，付宏，周海玲，等. 基于離散元法的玉米脫粒過程分析方法：中國專利，ZL201110293826.8[P]. 2012-04-18.

[28] 于亞軍. 基于三維離散元法的玉米脫粒過程分析方法研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2013.Yu Yajun. Research on Analysis Method of Corn Threshing Based on 3D DEM[D]. Changchun: Jilin University, 2013.(in Chinese with English abstract)

[29] 郭慶辰，康浩冉，王麗娥，等. 黃淮區(qū)籽粒機(jī)收玉米標(biāo)準(zhǔn)及育種模式探討[J]. 農(nóng)業(yè)科技通訊，2016(1)：159－162.Guo Qingchen, Kang Haoran, Wang Li'e, et al. Corn mechanized grain harvest standard and breeding mode investigation in Huanghuaihai district[J]. Bulletin of Agricultural Science and Technology, 2016(1): 159－162. (in Chinese with English abstract)

[30] 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院. 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007：1022.

[31] 全國農(nóng)業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. 紋桿式脫粒滾筒型式尺寸和技術(shù)要求：JB/T9778.2-1999[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[32] 蔣恩臣，孫占峰，潘志洋，等. 基于CFD-DEM的收獲機(jī)分離室內(nèi)谷物運(yùn)動模擬與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2014，45(4)：117－122.Jiang Enchen, Sun Zhanfeng, Pan Zhiyang, et al. Numerical simulation based on CFD-DEM and experiment of grain moving laws in inertia separation chamber[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(4):117－122. (in Chinese with English abstract)

[33] 王立軍，李洋，梁昌，等. 貫流風(fēng)篩清選裝置內(nèi)玉米脫出物運(yùn)動規(guī)律研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2015，46(9)：122－127.Wang Lijun, Li Yang, Liang Chang, et al. Motion law of maize mixture in cross air-and-screen cleaning device[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(9): 122－127. (in Chinese with English abstract)

[34] 郭炎，李耀明，李洪昌，等. 縱軸流脫粒分離裝置脫出物的徑向分布規(guī)律[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011(12)：110－112.Guo Yan, Li Yaoming, Li Hongchang, et al. The radial distribution regularities of emerging object with longitudinal axial flow threshing and separating device[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011(12): 110－112.(in Chinese with English abstract)

[35] 朱金光，冷峻，張榮玲，等. ADAMS虛擬實(shí)驗(yàn)在收獲機(jī)滾筒動平衡中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，51(9)：56－58.Zhu Jinguang, Leng Jun, Zhang Rongling, et al. Application of ADAMS virtual experiments for dynamic balance of the harvester roller[J]. Agricultural Equipment & Vehicle Engineering, 2013, 51(9): 56－58. (in Chinese with English abstract)

[36] 中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會. 機(jī)械振動恒態(tài)(剛性)轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求第 1部分：規(guī)范與平衡允差的檢驗(yàn)：GB/T 9239.1-2006[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[37] 中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會. 機(jī)械振動恒態(tài)(剛性)轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求第2部分：平衡誤差：GB/T 9239.2-2006[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[38] 中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會. 玉米收獲機(jī)械技術(shù)條件：GB/T 21962-2008[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[39] 中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會. 玉米收獲機(jī)械試驗(yàn)方法：GB/T 21961-2008[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[40] 高連興，李飛，張新偉，等. 含水率對種子玉米脫粒性能的影響機(jī)理[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42(12)：92－96.Gao Lianxing, Li Fei, Zhang Xinwei, et al. Mechanism of moisture content affect on corn seed threshing[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011, 42(12): 92－96. (in Chinese with English abstract)

[41] Ferrero R, Lima M, Gonzalezandujar J L. Spatio-temporal dynamics of maize yield water constraints under climate change in Spain[J]. PLoS ONE, 2014, 9(5): 1－10.

[42] Ekstrom G A, Liljedahl J B, Peart R M. Thermal expansion and tensile properties of corn rernels and their relationship to cracking during drying[J]. Trans of ASAE, 1966, 9(4): 556－561.

[43] 高連興，李心平. 玉米種子脫粒損傷機(jī)理與脫粒設(shè)備研究[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.