低損傷組合式玉米脫粒分離裝置設(shè)計與試驗

樊晨龍 崔 濤 張東興 楊 麗 屈 哲 李玉環(huán)

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083)

0 引言

玉米機械化收獲包括果穗收獲和籽粒收獲兩種方式。其中，果穗收獲存在晾曬、脫粒和再晾曬等繁瑣工序，屬于玉米機械化收獲的初級階段[1]。隨著“土地流轉(zhuǎn)”和規(guī)模化經(jīng)營主體的發(fā)展，土地的集約化管理，種植習慣和模式的統(tǒng)一，適宜玉米籽粒直收的優(yōu)良品種改良[2]，籽粒直收將成為我國玉米機械化收獲的發(fā)展趨勢[3]。

機械脫粒損傷是籽粒直收過程中最為重要的損傷[4]。在黃淮海地區(qū)，收獲時玉米籽粒含水率一般在30%～35%之間，玉米果穗在脫粒過程中會受到脫粒部件的擠壓、撞擊等外力作用，籽粒破損與這些因素密切相關(guān)。遭受破損的玉米籽粒，易生霉菌和受蟲害，影響玉米種子儲藏，市場價值降低[5-6]。國內(nèi)外學者針對玉米收獲過程中玉米籽粒的機械損傷做了大量研究，取得了一定進展[7-13]。然而，上述研究大多只針對低含水率玉米凹板間隙或脫粒元件等單一因素對機械損傷和脫粒效果的影響加以研究，缺乏對凹板和脫粒元件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合的研究和高含水率玉米脫粒裝置的研究。高含水率低損傷脫粒技術(shù)已成為制約黃淮海地區(qū)玉米機械化收獲發(fā)展的瓶頸[14-17]。

為解決高含水率玉米籽粒直收過程中籽粒破損率高、脫凈率低等問題，本文設(shè)計一種低損傷圓頭釘齒與分段組合式圓管型脫粒凹板相匹配的脫粒分離裝置，探索影響脫粒性能的內(nèi)在關(guān)系，為解決高含水率籽粒直收提供新方法。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

圖1 低損傷組合式玉米脫粒分離裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of low damage combined corn threshing separation device 1.脫粒滾筒 2.頂蓋 3.排雜導流板 4.分離凹板 5.組合式脫粒凹板 6.圓頭釘齒 7.支撐架

低損傷玉米脫粒分離裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由脫粒滾筒、頂蓋、排雜導流板、分離凹板、組合式脫粒凹板、圓頭釘齒、支撐架等組成。其中脫粒滾筒位于由頂蓋和組合式凹板組成的脫粒室內(nèi)，且其圓周表面設(shè)有螺旋分布的圓頭釘齒；為促進果穗軸向運輸，頂蓋下表面設(shè)有螺旋導流板；頂蓋和組合式凹板通過螺栓連接分別固定在支撐架上；為了便于收集脫粒雜余，脫粒滾筒尾部設(shè)有排雜導流板。

1.2 工作原理

低損傷組合式脫粒分離裝置的工作過程主要由4個階段組成，分別為果穗喂入、脫粒、分離和排雜。工作時，動力通過脫粒滾筒軸帶動脫粒滾筒旋轉(zhuǎn)，玉米果穗在螺旋喂入裝置的強制作用下進入脫粒室，完成喂入過程；果穗在滾筒脫粒元件、頂蓋導流板的共同作用下螺旋向后運動；在此過程中，果穗在脫粒元件、組合式凹板的擊打、碰撞、揉搓等作用下完成脫粒過程；在此區(qū)域，脫粒元件為圓頭釘齒，凹板為組合式圓管凹板，有效減少果穗的剛性沖擊，降低玉米籽粒的機械損傷；已脫下的玉米籽粒透過分離凹板與芯軸、苞葉等分離，完成分離過程；在此過程中，分離凹板間隙大于組合式脫粒凹板間隙，利于籽粒及時分離，減小夾帶損失；芯軸、苞葉等從滾筒尾部排雜口排出，在排雜導流板作用下，進入雜余收集裝置，完成排雜過程。

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

2.1 縱軸流脫粒滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

為防止果穗進入脫粒滾筒軸心處，造成果穗漏脫，本文脫粒滾筒設(shè)計為閉式圓柱形脫粒滾筒，按脫粒進程分為喂入段、脫粒段、分離段和排雜段4部分，如圖2所示。

圖2 閉式縱軸流脫粒滾筒結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of closed vertical axial flow threshing drum 1.螺旋喂入裝置 2.滾筒體 3.脫粒元件連接座 4.脫粒元件5.排雜板

縱軸流脫粒滾筒的長度與脫粒、分離能力有密切關(guān)系，脫粒滾筒越長，所允許喂入玉米果穗量就越大，但脫粒能耗和籽粒破碎率增大，玉米芯軸、玉米苞葉的破碎量增多。縱軸流脫粒滾筒長度為

L≥q/q0

(1)

式中L——脫粒滾筒長度，m

q——脫粒裝置喂入量，kg/s

q0——脫粒滾筒單位長度允許承擔的喂入量，經(jīng)試驗測定為3～4 kg/(s·m)

脫粒裝置喂入量按10 kg/s計算，由式(1)計算可得，縱軸流脫粒滾筒的長度L取值范圍在2.50～3.33 m之間[18]，考慮地塊及對收獲機尺寸限制，本文取2.7 m, 略大于長度最小值。

脫粒滾筒直徑太小容易纏繞作物，同時會減少凹板分離面積，但滾筒直徑過大，脫粒功率消耗會增大。綜合考慮，脫粒滾筒的齒根圓直徑(滾筒體的外圓直徑)一般大于300 mm[19]，本文選取380 mm。

脫粒滾筒直徑D(齒頂圓直徑)為

D=D1+2ht

(2)

式中D1——滾筒齒根圓直徑，mm

ht——脫粒元件高度，即圓頭釘齒高度，取100 mm

由式(2)可得，脫粒滾筒直徑為580 mm。

2.2 脫粒元件結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

為了比較常規(guī)梯形桿齒和圓頭釘齒對玉米果穗的機械損傷情況，本文基于Hertz理論[20]建立籽粒與脫粒元件在碰撞過程中碰撞截面積與壓縮量方程(壓力與碰撞截面積成正比)，確定圓頭釘齒球頭半徑范圍。

2.2.1常規(guī)梯形桿齒碰撞分析

在脫粒過程中，常規(guī)梯形桿齒對玉米損傷大，籽粒破碎率高，尤其在籽粒含水率為30%左右條件下，破碎率高達14%，脫粒效果差。其中，梯形桿齒上齒頂處棱角對果穗的擊打是造成籽粒損傷的主要原因。基于對籽粒與脫粒元件碰撞的分析，本文設(shè)計了一種低損傷脫粒元件——圓頭釘齒。為驗證設(shè)計合理性且確定圓頭釘齒半徑，對玉米籽粒與脫粒元件的碰撞進行理論分析。

常規(guī)梯形桿齒上齒頂處棱角與果穗碰撞如圖3所示。

圖3 玉米果穗與梯形桿齒碰撞示意圖Fig.3 Schematics of collision between corn ear and trapezoidal rod teeth 1.梯形桿齒 2.玉米果穗

假設(shè)果穗與梯形桿齒以45°的夾角發(fā)生碰撞，二者碰撞的截面積近似為以AB長度為寬，以梯形桿齒厚度為長的矩形面積。由圖3c可得出AB的長度為2h1，二者碰撞的截面積s1可表示為

s1=2h1b

(3)

式中b——梯形桿齒厚度，取12 mm

h1——果穗與梯形桿齒碰撞時的壓縮量，mm

2.2.2圓頭釘齒碰撞分析

為保證圓頭釘齒與果穗碰撞均為球面接觸，減小對果穗的剛性沖擊力度，降低籽粒破碎率和提高脫粒質(zhì)量，將圓頭釘齒頂端設(shè)計為球頭。圓頭釘齒與果穗碰撞如圖4所示。

圖4 玉米果穗與圓頭釘齒碰撞示意圖Fig.4 Schematics of collision between corn ear and round head nail 1.圓頭釘齒 2.玉米果穗

假設(shè)玉米果穗與圓頭釘齒以45°的夾角發(fā)生碰撞，二者碰撞的截面積近似為以AB長為直徑的圓面積，得AB長度lAB和碰撞截面積s2為

(4)

s2=π[R2-(R-h2)2]

(5)

式中R——圓頭釘齒球頭半徑，mm

h2——果穗與圓頭釘齒碰撞時的壓縮量，mm

2.2.3圓頭釘齒結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

常規(guī)梯形桿齒的棱角也存在一定的圓角，但圓角很小，撞擊截面積小，對籽粒撞擊強度大，同時產(chǎn)生一定的滑切作用，籽粒破損率高?？赏ㄟ^增大撞擊截面積降低籽粒機械損傷，圓頭釘齒與籽粒為球面接觸，籽粒受力較均勻，撞擊截面積大，籽粒破損率低。在相同試驗條件下，圓頭釘齒與果穗撞擊截面積s2大于常規(guī)梯形桿齒與果穗撞擊截面積s1。由式(3)、(5)得

(6)

通過壓縮試驗得出含水率為30%的“鄭單958”玉米籽粒被壓縮發(fā)生破裂時，其壓縮變形量在0.97～1.53 mm之間。為使籽粒不發(fā)生破裂，本文取玉米壓縮破裂時的最小壓縮變形量hmin=0.97 mm。由于玉米壓縮量h≤0.97 mm，當s2-s1≥0時可得

(7)

其中b=12 mm，h1、h2看作近似相等，都取最大值為0.97 mm計算，得R≥4.30 mm，取整為R≥5 mm。 由以上分析可知，當圓頭釘齒球頭半徑R≥5 mm時，圓頭釘齒對玉米果穗的擊打強度小于梯形桿齒對果穗擊打強度。滾筒上脫粒元件的齒頂與頂蓋上螺旋導流板之間有一定間隙，二者間隙大多為10～15 mm。間隙過大，玉米果穗軸向流動不暢，甚至會發(fā)生堵塞。間隙過小，導致碎苞葉、碎芯軸增多。圓頭釘齒球頭半徑R不宜過大。圓頭釘齒球頭半徑的變化范圍不能超過其最大間隙，即ΔR≤15 mm。本文初設(shè)球頭半徑R的范圍為5～20 mm，將借助EDEM對圓頭釘齒的球頭半徑進行仿真優(yōu)化，最終確定最優(yōu)球頭半徑。

2.3 分段組合式圓管型凹板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

凹板作為脫粒分離裝置中重要組成部分，與滾筒配合進行玉米脫粒，起到脫粒與分離的作用。通過前期大量試驗發(fā)現(xiàn)(圖5、6)，在脫粒過程中，果穗與橫格板頂端棱角的碰撞是籽粒破碎率較高的主要原因之一，阻滯作物周向移動并出現(xiàn)玉米苞葉堵塞凹板等問題；且柵格式凹板的分離篩孔尺寸較小，喂入量大時不利于脫出混合物的下落。

圖5 柵格式凹板結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Schematic of grid type concave plate 1.凹板安裝板 2.橫格板 3.側(cè)弧板 4.篩條

圖6 果穗與橫格板碰撞接觸的受力分析Fig.6 Stress analysis of collision contact between ear and cross panel 1.柵格凹板 2.脫粒元件 3.玉米果穗 4.橫格板

果穗與橫格板的碰撞在豎直方向上的受力模型為

Fcosβ=Tacosθ+G

(8)

(9)

式中F——橫格板對玉米果穗的剪切力，N

Ta——脫粒元件對玉米果穗擊打作用力，N

G——玉米果穗的重力，N

R1——玉米果穗半徑，m

hs——橫格板高出篩條的高度，m

β——橫格板對玉米果穗的剪切力F與豎直方向的夾角，(°)

θ——脫粒元件對玉米果穗的擊打作用力Ta與豎直方向的夾角，(°)

由式(8)、(9)可知

(10)

假設(shè)在脫粒元件與果穗擊打過程中，脫粒元件對果穗的擊打作用力Ta過果穗軸心且與脫粒元件垂直，θ、R1以及Ta均為定值。由式(10)可知，當橫格板高出篩條的高度hs增大時，橫格板對玉米果穗的剪切力F也增大，籽粒受到的作用力增大，籽粒破碎率增大；當其高度hs減小時，果穗受到橫格板的剪切力F減小，籽粒受到的作用力也減小，籽粒破碎率降低。為減小橫格板對玉米果穗的剪切力，降低籽粒破碎率，提高脫粒質(zhì)量，在進行凹板的設(shè)計時要降低橫格板高出篩條的高度hs。

針對常規(guī)柵格式凹板的橫格板存在的問題，設(shè)計了一種分段組合式圓管型脫粒凹板，如圖7所示。該圓管型脫粒凹板采用外徑為18 mm、厚度為3 mm的圓鋼管代替柵格式凹板中的篩條和橫格板，分離凹板的圓鋼管和篩條分別上、下交叉布置，即避免橫格板高出篩條的問題，降低對玉米果穗碰撞強度，降低籽粒破碎率。

圖7 圓管型玉米脫粒凹板結(jié)構(gòu)簡圖Fig.7 Schematics of structure of round tube type corn threshing concave plate 1.凹板安裝板 2.側(cè)弧板 3.圓管 4.柵格板

圓管型凹板增大了相鄰2根細圓管之間的距離，減少了細圓管數(shù)量，降低了對玉米果穗碰撞次數(shù)。分離凹板柵格尺寸的增大，有助于脫下籽粒及時分離，減小脫下籽粒在凹板上的流動時間，降低籽粒破碎率。細圓管表面為光滑的圓弧面，沒有棱角，降低了對果穗碰撞強度和沖擊力度。圓管型凹板不僅能夠保證玉米芯軸、苞葉等順利從排雜口排出，解決玉米苞葉纏繞、堵塞凹板的問題，且脫下的玉米籽粒與苞葉、芯軸可有效分離，降低夾帶損失。

分段組合式圓管型脫粒凹板設(shè)計分為直圓管型和圓管右向型。直圓管型脫粒凹板中圓管安裝方向與凹板軸線方向平行；圓管右向型脫粒凹板中圓管安裝方向與凹板軸線方向向右偏離一定的角度，與脫粒滾筒逆時針旋轉(zhuǎn)方向一致，在脫粒過程中有助于玉米果穗螺旋向后移動。

為了分析直圓管型脫粒凹板和圓管右向型脫粒凹板對脫粒效果的影響，對果穗與不同類型圓管的碰撞進行受力分析，如圖8所示。

圖8 果穗與不同類型圓管的碰撞分析Fig.8 Collision analysis of ear and different types of round tubes 1.玉米果穗 2.圓管

由圖8可知，玉米果穗分別受到直圓管的碰撞反力和圓管右向型圓管的碰撞反力，可分別表示為

F1=G+Tb

(11)

F2=(G+Tb)cosα

(12)

圖9 不同類型的玉米脫粒凹板及其組合形式Fig.9 Different types of corn threshing concave plates and combinations

式中F1——果穗受到直圓管的碰撞反力，N

F2——果穗受到圓管右向型圓管的碰撞反力，N

Tb——果穗對直圓管和圓管右向型圓管的碰撞力，N

α——圓管右向型圓管與脫粒凹板軸線方向的夾角，0°<α<90°

由式(11)、(12)得

F1-F2=(G+Tb)(1-cosα)

(13)

由式(13)可知，F(xiàn)1-F2>0，即F1>F2。在相同條件下，直圓管型脫粒凹板對玉米果穗的碰撞反力要大于圓管右向型脫粒凹板對果穗的碰撞反力，即圓管右向型脫粒凹板有助于降低對玉米的碰撞反力，降低籽粒破碎率；果穗與右向型圓管存在摩擦力f，摩擦力f對果穗上的籽粒起到一定的揉搓作用，保證脫凈率，提高脫粒質(zhì)量。

為對脫粒凹板下的籽粒破碎率、含雜率、脫出混合物分布情況等試驗指標進行分段研究，驗證圓管右向型脫粒凹板脫粒性能優(yōu)于直圓管型脫粒凹板和常規(guī)柵格式凹板，本文將圓管型脫粒凹板(沿滾筒軸向方向)設(shè)計為3小段和6小段2種分段組合式，對不同類型的凹板進行仿真和臺架試驗，如圖9所示。

其中，設(shè)計的3小段分段組合式圓管型脫粒凹板，每小段脫粒凹板中相鄰2根圓管間的距離相等，即脫粒凹板中圓管的疏密程度和分離柵格的大小一致。

設(shè)計的6小段分段組合式圓管型脫粒凹板，不同小段凹板中相鄰2根圓管間的距離不相等，即脫粒凹板中圓管疏密程度和分離柵格尺寸不一致，設(shè)計為前疏后密。脫粒裝置前段玉米果穗密度相對較大，凹板與果穗、果穗與果穗間的相互作用增強，脫粒凹板前段不需要提供過多的碰撞、揉搓次數(shù)和作用力，且細圓管相對稀疏、數(shù)量少、分離柵格尺寸大，有利于減少果穗碰撞次數(shù)，降低籽粒破碎率，改善籽粒分離效果。脫粒裝置后段果穗密度減小，凹板與果穗、果穗與果穗間的相互作用減弱，需要脫粒凹板后段提供更多的碰撞、揉搓次數(shù)和作用力。細圓管相對密集、數(shù)量多、分離柵格尺寸小，有利于提高對未脫凈果穗的碰撞次數(shù)，盡可能降低未脫凈率，同時減少碎芯軸的下落，降低后續(xù)清選負擔。

3 基于EDEM的關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

3.1 果穗模型參數(shù)

鑒于玉米果穗外形結(jié)構(gòu)及形態(tài)特征的不規(guī)則性，擬采用球面組合的方法建立玉米果穗幾何分析模型。在保證果穗外形特征吻合度的前提下，簡化計算，選擇34個填充球面，通過球形顆粒疊加建立果穗的分析模型。根據(jù)文獻[21-22]與前期的試驗測定，離散元建模中含水率為30%左右玉米果穗、脫粒裝置的材料力學特性、物料屬性參數(shù)等如表1、2所示。

表1 模型材料參數(shù)Tab.1 Parameters of model material

表2 模型材料接觸參數(shù)Tab.2 Contact parameters of model material

3.2 低損傷圓頭釘齒仿真優(yōu)化

3.2.1圓頭釘齒仿真影響因素的確定

對設(shè)計的低損傷圓頭釘齒進行仿真與優(yōu)化，如圖10所示，以圓頭釘齒球頭半徑為影響因素進行仿真分析。由2.2.3節(jié)脫粒元件結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計中初步確定球頭半徑范圍為5 mm≤R≤20 mm，選取球頭半徑分別為7.5、12.5、17.5 mm，并與常規(guī)梯形桿齒進行對比。在脫粒凹板采用組合式直圓管型，滾筒轉(zhuǎn)速為200、350、500 r/min條件下進行玉米果穗脫粒分離的運動與力學仿真分析。

圖10 不同脫粒元件仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of different threshing elements

3.2.2圓頭釘齒仿真結(jié)果分析

仿真完成后，對不同脫粒元件與玉米果穗的碰撞力進行分析，計算得出碰撞力T、碰撞截面積S和擊打強度P，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，在相同滾筒轉(zhuǎn)速下，圓頭釘齒對玉米果穗的碰撞力和擊打強度均小于梯形桿齒，說明圓頭釘齒有利于減小對果穗碰撞力和擊打強度，降低籽粒破碎率。隨著圓頭釘齒上球頭半徑的增大，對果穗碰撞力和擊打強度減小。圓頭釘齒的球頭半徑過大，對果穗的擊打強度小，導致脫凈率降低，圓頭釘齒質(zhì)量增加，增大脫粒功耗。在3種滾筒轉(zhuǎn)速下，球頭半徑從7.5 mm增大到12.5 mm時，擊打強度減小幅度顯著；球頭半徑從12.5 mm增大到17.5 mm時，擊打強度減小幅度不顯著；為降低功

表3 不同脫粒元件仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of different threshing elements

耗，保證脫凈率，綜合分析可知，球頭半徑不宜過大，最終確定圓頭釘齒最優(yōu)球頭半徑為12.5 mm。

3.3 組合式凹板仿真優(yōu)化

3.3.1凹板仿真影響因素的確定

對分段組合式圓管型玉米脫粒凹板進行仿真與優(yōu)化，如圖11所示。以脫粒凹板上圓管安裝角度為影響因素進行仿真分析，選取脫粒凹板類型為直圓管和圓管右向型，并與常規(guī)柵格式脫粒凹板進行對比。在脫粒元件采用圓頭釘齒(球頭半徑為12.5 mm)，滾筒轉(zhuǎn)速為200、350、500 r/min的條件下進行玉米果穗脫粒分離的運動與力學仿真分析。

圖11 不同脫粒凹板仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of different threshing concave plates

3.3.2凹板仿真結(jié)果分析

仿真完成后，對不同脫粒凹板與玉米果穗的碰撞接觸力進行分析，計算得出碰撞力T，結(jié)果如表4所示。

表4 不同脫粒凹板仿真結(jié)果(碰撞力)Tab.4 Simulation results of different threshing concave plates N

由表4可知，在相同滾筒轉(zhuǎn)速下，直圓管、圓管右向型脫粒凹板對玉米果穗的碰撞力均小于常規(guī)柵格式凹板，說明圓管型脫粒凹板有利于減小與果穗間的碰撞力，且圓管右向型脫粒凹板對果穗碰撞力小于直圓管。

一般，玉米籽粒破碎時破壞力范圍為124.33～347 N[23-24]；玉米籽粒從芯軸上脫下時，籽粒果柄斷裂力范圍為1.97～11.93 N[25]。當脫粒滾筒高轉(zhuǎn)速時，柵格式凹板對果穗碰撞力大于籽粒破碎時的破壞力，直圓管型脫粒凹板和圓管右向型脫粒凹板對果穗碰撞力都在籽粒破碎時的破壞力范圍內(nèi)；在滾筒低轉(zhuǎn)速時，柵格式凹板對果穗碰撞力在籽粒破碎時的破壞力范圍內(nèi)，直圓管型脫粒凹板對果穗碰撞力與籽粒破碎時的破壞力基本相等，圓管右向型脫粒凹板對果穗碰撞力小于籽粒發(fā)生破碎時的破壞力。同時，脫粒時間的持續(xù)，果穗受到擊打的次數(shù)增多，籽粒破碎率增大，碎苞葉和碎芯軸增多，不利于后續(xù)的清選工作。

從籽粒破碎率角度考慮，圓管右向型脫粒凹板對果穗碰撞力相對較小，有利于降低籽粒破碎率；分離段間隙(出口間隙)大于脫粒段間隙(入口間隙)，使籽粒和芯軸等及時分離，提高脫粒質(zhì)量。

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 試驗材料

2017年10月末在河北省廊坊市文安縣選用自主研制的縱軸流玉米脫粒分離試驗臺，對設(shè)計的低損傷組合式玉米脫粒分離裝置進行臺架試驗，如圖12所示。以籽粒含雜率和未脫凈率作為評價指標，尋求不同類型脫粒凹板和脫粒元件排布的最優(yōu)組合。最后，進行田間驗證與對比試驗。試驗玉米為“鄭單958”，用PM-8188型谷物水分測量儀測得玉米籽粒含水率平均值為30.2%，其果穗(不帶苞葉)部分特性如表5所示。

4.2 試驗方法

試驗參照GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》和GB/T 5982—2005《脫粒機試驗方法》的要求進行。試驗開始前用電子臺秤稱取80 kg的玉米果穗(帶苞葉)，把果穗均勻有序地鋪放在輸送裝置試驗測定區(qū)，果穗鋪放長度為8 m，留出5 m長的加速區(qū)，啟動輸送裝置，進行果穗的輸送。果穗喂入到縱軸流脫粒分離裝置中進行玉米的脫粒與分離。

圖12 清選裝置試驗臺Fig.12 Test bench of cleaning device 1.輸送裝置 2.喂入裝置 3.脫粒裝置 4.清選裝置 5.接料裝置

參數(shù)最小值最大值平均值長度/mm165205185大端直徑/mm475451小端直徑/mm384843單穗質(zhì)量/g256334295

試驗結(jié)束后，把接料裝置中的玉米籽粒按照四分法進行人工取樣，計算籽粒破碎率和未脫凈率。籽粒破碎率和未脫凈率分別為

圖13 脫粒凹板及試驗部分現(xiàn)場Fig.13 Threshing concave plate and test part scene

(14)

式中Zs——籽粒破碎率，%

Ws——樣品中破碎籽粒質(zhì)量，g

Wi——樣品中籽?？傎|(zhì)量，g

(15)

式中Sw——未脫凈率，%

Ww——未脫凈籽粒質(zhì)量，g

Wz——取樣籽?？傎|(zhì)量，g

4.3 室內(nèi)試驗結(jié)果與分析

(1)不同脫粒元件排布對脫粒性能影響試驗

在喂入量為10 kg/s，脫粒凹板為圓管右向型，滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min條件下，進行不同脫粒元件排布的脫粒試驗。試驗結(jié)果如表6所示。

表6 脫粒元件不同排布試驗結(jié)果Tab.6 Test results of different threshing elements and combinations %

注：在p<0.05的條件下，同列不同字母表示差異顯著，下同。

由表6可知，設(shè)計的低損傷圓頭釘齒前低后高排布不滿足高含水率條件下未脫凈率小于1%的設(shè)計要求。從籽粒破碎率來說，設(shè)計的低損傷圓頭釘齒要優(yōu)于常規(guī)的梯形桿齒。圓頭釘齒前低后高排布的破碎率小于圓頭釘齒等高排布，但二者之間沒有顯著性差異，圓頭釘齒與常規(guī)的梯形桿齒之間存在顯著性差異。從未脫凈率來說，圓頭釘齒等高排布為最低，梯形桿齒次之，而圓頭釘齒前低后高排布則為最高。圓頭釘齒等高排布、圓頭釘齒前低后高排布和常規(guī)梯形桿齒之間均存在顯著性差異，圓頭釘齒前低后高排布未脫凈率最大。

綜合考慮籽粒破碎率、未脫凈率試驗指標，得出最優(yōu)脫粒元件為圓頭釘齒等高排布。

(2)分段組合式圓管型脫粒凹板試驗

在喂入量為10 kg/s，脫粒元件為圓頭釘齒等高排布，滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min，入口間隙為55 mm的條件下，進行分段組合式圓管型脫粒凹板脫粒試驗。為選出最優(yōu)的脫粒凹板組合，對每段脫粒凹板下的玉米籽粒進行取樣、計算、對比與分析。按照設(shè)計的3小段式脫粒凹板，對脫下的玉米籽粒沿滾筒軸向分3段進行取樣， 6小段式脫粒凹板每2小段合為1大段，也分為3段進行取樣。人工把完整籽粒和破碎籽粒分開，分別稱量后計算得出每段脫粒凹板下的籽粒破碎率。部分試驗現(xiàn)場如圖13所示。

由圖13可知，常規(guī)柵格式凹板脫粒后有大量玉米苞葉堵塞凹板，分段組合式圓管型脫粒凹板有助于玉米芯軸、苞葉順利從排雜口排出，沒有玉米苞葉堵塞凹板的現(xiàn)象，解決了玉米苞葉纏繞、堵塞凹板的問題。不同凹板類型及其組合形式下試驗結(jié)果如表7所示。

表7 不同凹板類型及其組合形式下試驗結(jié)果Tab.7 Test results under different types of concave plates and their combinations %

如表7所示，對籽粒破碎率來說，分段組合式圓管型脫粒凹板與柵格式凹板之間存在顯著性差異，圓管型脫粒凹板之間沒有顯著性差異。圓管型脫粒凹板籽粒破碎率均小于常規(guī)柵格式凹板，說明設(shè)計的分段組合式圓管型脫粒凹板能夠有效降低籽粒破碎率。從沿滾筒軸向分布各區(qū)段來看，區(qū)段1中籽粒破碎率最小的脫粒凹板為圓管右向+直圓管(前疏后密型)，相對柵格式凹板的破碎率降低了29%；區(qū)段2中籽粒破碎率最小的脫粒凹板為圓管右向(前疏后密型)，相對柵格式凹板的破碎率降低了34%；區(qū)段3中籽粒破碎率最小的脫粒凹板為圓管右向(前疏后密型)，相對柵格式凹板的破碎率降低了42%。對未脫凈率來說，圓管右向(疏密一致型)、直圓管(前疏后密型)之間沒有顯著性差異；直圓管(前疏后密型)、直圓管(疏密一致型)之間沒有顯著性差異；直圓管(疏密一致型)、圓管右向+直圓管(前疏后密型)、圓管右向+直圓管(疏密一致型)之間沒有顯著性差異；其他各脫粒凹板間均存在著顯著性差異，尤其是圓管右向(前疏后密型)對未脫凈率的影響最大，不滿足高含水率條件下未脫凈率小于1%的設(shè)計要求，未脫凈率最小的為圓管右向+直圓管(疏密一致型)，滿足設(shè)計要求。

在常規(guī)柵格式凹板下，玉米脫粒凹板有棱角，對果穗的碰撞頻率、碰撞力度比較大，導致籽粒破碎率增大。隨著脫粒的進行，柵格式凹板被大量玉米苞葉纏繞、堵塞，當橫格板和篩條被玉米苞葉完全覆蓋后，降低了柵格凹板對果穗的碰撞頻率和碰撞力度，未脫凈率增大。同時，柵格凹板被玉米苞葉堵塞后，脫下的玉米籽粒不能有效分離，夾帶損失增大。

分段組合式圓管型脫粒凹板結(jié)構(gòu)上增大了相鄰2根圓管間的距離，增大了分離柵格的尺寸，有利于籽粒的分離。也相對減少了細圓管的數(shù)量，降低了對玉米果穗的碰撞頻率。沒有棱角，降低了對果穗的剛性沖擊強度。驗證了設(shè)計過程中的理論分析和仿真結(jié)果的正確性。

綜合考慮籽粒破碎率、未脫凈率試驗指標，最終得出脫粒裝置最優(yōu)凹板組合形式為圓管右向+直圓管(前疏后密型)。

4.4 田間試驗驗證與對比

田間試驗與臺架試驗存在一定的差異性，玉米田間種植情況復雜及玉米籽粒收獲機田間作業(yè)過程中受諸多因素影響等，需要對設(shè)計的低損傷組合式縱軸流玉米脫粒分離裝置進行田間試驗，并與常規(guī)的縱軸流脫粒裝置進行對比試驗，驗證低損傷組合式縱軸流玉米脫粒分離裝置的優(yōu)越性。

4.4.1試驗材料

試驗玉米為蠡玉86，其部分特性如表8所示。

表8 玉米植株及果穗相關(guān)參數(shù)Tab.8 Corn plants and ear related parameters

4.4.2試驗方法

試驗參照GB/T 21961—2008 《玉米收獲機械試驗方法》的要求進行。試驗小區(qū)主要劃分為20 m穩(wěn)定區(qū)、20 m測定區(qū)和10 m停車區(qū)。為避免倒伏的玉米植株對收獲機田間籽粒收獲試驗的影響，試驗開始前把試驗小區(qū)中倒伏的玉米植株進行人工摘穗。試驗結(jié)束后，對收獲后的玉米籽粒人工取樣，計算未脫凈率和籽粒破碎率。

4.4.3試驗結(jié)果及分析

田間試驗如圖14所示，按照前述試驗方法，對設(shè)計的低損傷組合式縱軸流玉米脫粒分離裝置在滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min、入口間隙為55 mm、喂入量為10 kg/s的條件下，對圓頭釘齒(等高)、圓管右向+直圓管(前疏后密型)脫粒凹板相配合的脫粒裝置進行田間驗證對比試驗。試驗結(jié)果如表9和圖15所示。

圖14 田間試驗現(xiàn)場Fig.14 Photos of field test site

表9 田間驗證試驗結(jié)果Tab.9 Field validation results of test %

圖15 組合式圓管型凹板與柵格式凹板堵塞情況Fig.15 Blockage of combined round tube concave plate and grid concave plate

田間試驗結(jié)果表明：對于蠡玉86玉米品種，低損傷脫粒裝置籽粒破碎率和未脫凈率分別降低了37%和67%。

通過田間驗證與對比試驗，表明低損傷組合式縱軸流玉米脫粒分離裝置在籽粒破碎率和未脫凈率方面都明顯低于常規(guī)的脫粒裝置，且未出現(xiàn)凹板堵塞的問題，驗證了設(shè)計的合理性。

5 結(jié)論

(1)針對縱軸流玉米籽粒收獲機脫粒分離裝置存在的問題，設(shè)計了等高排布的圓頭釘齒結(jié)合圓管右向+直圓管(前疏后密型)組合式凹板方式進行玉米果穗脫粒，滿足高含水率玉米脫粒要求。

(2)在EDEM中建模，對脫粒元件和組合式凹板進行仿真試驗，從籽粒破碎率角度考慮，圓頭釘齒優(yōu)于梯形桿齒；圓管右向型脫粒凹板優(yōu)于直圓管型脫粒凹板。

(3)通過縱軸流脫粒試驗臺臺架試驗和田間驗證對比試驗，進行了單因素方差分析，探討了不同脫粒凹板類型和脫粒元件不同排布對玉米果穗脫粒的影響規(guī)律，得到了較優(yōu)組合：圓頭釘齒等高排布，最優(yōu)球頭半徑為12.5 mm；凹板最優(yōu)組合形式為圓管右向+直圓管(前疏后密型)。在最優(yōu)組合下進行了田間驗證試驗，結(jié)果表明，與常規(guī)脫粒裝置相比，籽粒破碎率由13.73%降低至8.64%，未脫凈率由0.6%降低至0.2%，滿足設(shè)計要求。