脫粒分離裝置的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

李孟威，陳秀生，段崇琛，唐懷壯，薛志原，呂國棟，張同帥

（1.濟(jì)南大學(xué)，山東 濟(jì)南 250022；2.山東金寶誠管業(yè)有限公司，山東 臨沂 276700）

脫粒是作物整個收獲過程幾個重要環(huán)節(jié)之一，脫粒分離裝置的作業(yè)效率往往決定著整個收獲機(jī)的效率。脫粒裝置是谷物聯(lián)合收獲機(jī)最核心的裝置之一，主要作用是將谷物顆粒從其連接的部分脫離，并將谷物顆粒、秸稈等混合物分離出來。隨著近幾年來對脫粒裝置的大量研究，一些科研單位和生產(chǎn)企業(yè)也對現(xiàn)有的脫粒分離裝置進(jìn)行了研究和改進(jìn),比如采用加大配套動力、增加二次復(fù)脫強(qiáng)化能力或采用雙縱置式軸流滾筒等方法，提升脫粒效益。脫粒裝置主要有紋桿式、釘齒式、軸流式等多種形式。雖然現(xiàn)在收獲機(jī)的形式多種多樣，但是脫粒裝置的許多核心技術(shù)問題還是沒得到解決，比如：脫粒的籽粒破損率高、脫粒時機(jī)械裝置損耗大、谷穗秸稈易破碎、對濕作物脫粒效率低等[1-3]。需要總結(jié)整理現(xiàn)有的研究資料，對不足之處進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。

1 脫粒分離裝置原理及種類

1.1 脫粒分離裝置的原理

脫粒分離裝置的工作原理可以分為以下幾種：沖擊脫粒、搓擦脫粒、梳刷脫粒、碾壓脫粒、振動脫粒等。

1.1.1 沖擊脫粒

主要是靠工作部件與谷物之間的碰撞產(chǎn)生沖擊將谷物脫粒。工件運(yùn)行速度越快，兩者之間的相互作用越強(qiáng)，脫粒效果越好，而產(chǎn)生的副作用是導(dǎo)致谷物的破碎率就越高。

1.1.2 搓擦脫粒

主要靠工作部件與谷物之間，以及谷物與谷物之間的相互摩擦產(chǎn)生的力達(dá)到谷物脫粒的效果。脫粒間隙的大小對脫粒裝置有非常大的影響。

1.1.3 梳刷脫粒

主要是靠工作部件對谷物產(chǎn)生拉力而達(dá)到脫粒的效果。

1.1.4 碾壓脫粒

主要是靠裝置的工作部件對谷物產(chǎn)生壓力而達(dá)到脫粒的效果。

1.1.5 振動脫粒

主要是靠裝置的工作部件對谷物施加高頻振動而達(dá)到脫粒的效果。

1.2 脫粒分離裝置的種類

（1）根據(jù)谷物進(jìn)入脫粒裝置的情況可以分為：半喂入式脫粒裝置和全喂入式脫粒裝置。

（2）根據(jù)脫粒滾筒的形式可以分為：開式和閉式脫粒裝置、單滾筒和雙滾筒脫粒裝置、切流式和軸流式脫粒裝置。

（3）根據(jù)脫粒的齒形脫粒裝置可以分為：紋桿式脫粒裝置、釘齒式脫粒裝置、弓齒式脫粒裝置、齒板式脫粒裝置和板齒式脫粒裝置。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

為了提高脫粒分離裝置的性能，國內(nèi)外的學(xué)者為之付出了不懈努力和大量精力，對脫粒裝置的改進(jìn)提出自己的見解和看法。

第一臺脫粒裝置是由英國的科學(xué)家溫勞（Willan Winlaw）[4]發(fā)明的，以水流為驅(qū)動動力的立式錐形軸流脫粒裝置。在他發(fā)明之后的一段時間，人們用的脫粒機(jī)大多是以全喂入的旋轉(zhuǎn)型裝置，谷物的脫粒形式是在脫粒裝置內(nèi)做螺旋運(yùn)動。而這些裝置的缺點(diǎn)主要是：在脫粒過程結(jié)束之后，谷粒和秸稈等廢棄物混合在一起，脫粒質(zhì)量差。而且這些裝置耗費(fèi)人力、造價高、對秸稈的破碎性強(qiáng)、工作效率低。在這之后，蘇格蘭科學(xué)家麥克勒（Meikle）[5]在這個機(jī)器的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了裝置。他設(shè)計(jì)的裝置體積小，脫粒質(zhì)量高，得到廣大農(nóng)民的一致好評。而隨著科技的不斷進(jìn)步，農(nóng)業(yè)科學(xué)家Kolganov[6]通過他的大量的研究試驗(yàn)，得出一個結(jié)論：谷粒從秸稈脫下來的時間與脫粒滾筒的圓周速度有關(guān)。Kolganov 認(rèn)為脫粒滾筒的圓周速度與谷粒從谷穗脫離過程所做的功的平方根有關(guān)。他通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，飽滿的籽粒千粒質(zhì)量40 g，而不成熟干癟的谷粒千粒質(zhì)量大約只有20 g，相應(yīng)的脫粒功為60～120 g/cm，脫粒速度為17.34 m/s，這個速度必須低于籽粒破碎臨界速度，以免破碎。

我國對脫粒裝置的研究時間相比于外國還是有些短的，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展也落后于外國。最早有王成芝團(tuán)隊(duì)[7]研制出一臺大型軸流滾筒試驗(yàn)臺，這個試驗(yàn)臺擁有可以更換的滾筒、凹板和上蓋，可以組合成7 種不同結(jié)構(gòu)的軸流滾筒方案進(jìn)行試驗(yàn)。王成芝團(tuán)隊(duì)用該試驗(yàn)臺對幾種常見作物進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出：釘齒葉片滾筒與三柵條凹板組成的試驗(yàn)裝置脫粒、分離性能最強(qiáng)，對作物濕度的適應(yīng)性最大,但是功率消耗比較大；紋桿葉片滾筒與三柵條凹板組成方案的綜合指標(biāo)最好，但對作物濕度的適應(yīng)性較差。為探究脫粒滾筒的合理機(jī)構(gòu)和參數(shù)提供了很大幫助。

李耀明[8]等人進(jìn)行脫粒分離試驗(yàn)來獲取適合聯(lián)合收獲機(jī)分離裝置的結(jié)構(gòu)方式和工作參數(shù)。通過試驗(yàn)結(jié)果分析得出喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速和凹板間隙是影響脫粒分離裝置性能的主要因素。研究結(jié)果可以為研制多滾筒聯(lián)合收獲機(jī)提供參考。

3 研究趨勢

通過以上國內(nèi)外學(xué)者對脫粒分離裝置的研究分析，大多數(shù)學(xué)者是比較傾向于對脫粒裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，來減少脫粒損失率以及提高對潮濕作物脫粒的效率。目前還是有許多關(guān)鍵性技術(shù)難題沒有解決，比如籽粒破損率較高、秸稈容易破碎、功耗大等。需要進(jìn)一步來解決的問題，也是以后繼續(xù)開展研究的方向。

3.1 將原有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新

將已經(jīng)通過試驗(yàn)找到的脫粒間隙、凹板型式、頂蓋中的導(dǎo)向板、排列及其螺旋角的最佳參數(shù)值進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，建立一種新型脫粒分離裝置來保證其良好性能。

3.2 采用新材料和先進(jìn)的制造技術(shù)

機(jī)械化收獲中的脫粒損傷是谷物機(jī)械損傷重要源頭之一[9]。應(yīng)尋找到一種材料可以滿足谷粒撞擊材料受損小又滿足制造要求，使用這種材料來制造脫粒裝置；采用先進(jìn)的制造技術(shù)來制造裝置的配件，裝配誤差降到最小，使谷物在脫粒過程中盡可能降低損傷程度，進(jìn)一步保證谷粒的完整性。

3.3 向智能化方向發(fā)展

將脫粒分離裝置與信息技術(shù)、傳感器技術(shù)相結(jié)合，一方面可以檢測脫粒裝置的工作狀態(tài)，一旦出現(xiàn)問題及時進(jìn)行預(yù)警處理，防止對機(jī)械的過度使用造成損壞；另一方面可以根據(jù)喂入量的變化來調(diào)節(jié)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、導(dǎo)流板角度、清選風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)收獲效率、損失率和含雜率的最優(yōu)組合，減少收獲的損失率，使裝置發(fā)揮出最佳性能[10-18]。

4 結(jié)語

我國農(nóng)村市場廣闊，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｈ绻斋@機(jī)的脫粒裝置改進(jìn)合理，脫粒性能高效，那么它將在我國擁有很大市場，也能很大程度解放我國的農(nóng)村勞動力并進(jìn)一步推動我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但是直到現(xiàn)在，關(guān)于脫粒分離裝置的研究依然沒有停止，關(guān)于脫粒分離裝置的技術(shù)難題還是沒有解決。人們還是需要一直努力改進(jìn)、完善和提高，甚至發(fā)明全新的脫粒分離裝置，滿足聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離裝置的性能要求。