玉米聯(lián)合收獲機(jī)紋桿式脫粒元件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王鎮(zhèn)東 崔 濤 張東興 楊 麗 和賢桃 張澤鵬

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

目前，常用的玉米收獲方式有摘穗收獲及籽粒直收兩種[1-2]。相較于摘穗收獲，籽粒直收可以一次完成摘穗、脫粒、清選等工作，具有省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)外玉米收獲主流方式，也是我國(guó)玉米收獲技術(shù)的發(fā)展方向[3]。由于我國(guó)華北地區(qū)玉米收獲時(shí)籽粒含水率較高[4]，采用釘齒式或桿齒式脫粒滾筒進(jìn)行收獲存在籽粒破碎率較高的問(wèn)題，破碎籽粒易造成霉變，降低糧食品質(zhì)，影響農(nóng)民收益。因此，降低高含水率玉米籽粒直收時(shí)的破碎率成為提高籽粒直收機(jī)械水平的重要途徑。

為降低籽粒脫粒時(shí)的破碎率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)脫粒機(jī)構(gòu)及其工作參數(shù)進(jìn)行了大量的研究[5-20]。研究成果對(duì)降低籽粒直收時(shí)的破碎率具有重要意義，為低損籽粒直收最佳工作參數(shù)的確定提供了重要參考。但通過(guò)考察脫粒元件結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)降低脫粒過(guò)程中籽粒破碎率的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文對(duì)紋桿式脫粒元件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，采用靜力學(xué)分析與動(dòng)力學(xué)分析相結(jié)合的方式，明確果穗與紋桿式元件接觸時(shí)，其結(jié)構(gòu)屬性對(duì)果穗接觸力的影響，并得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)優(yōu)化工作參數(shù)，同時(shí)對(duì)比不同脫粒元件的脫粒效果，確定紋桿式脫粒元件有效降低籽粒破碎率的性能，為高含水率下玉米低損籽粒直收裝置的研制提供依據(jù)。

1 紋桿式脫粒元件結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 紋桿式脫粒元件結(jié)構(gòu)

以谷物脫粒中使用的D型紋桿為參考[21-22]，設(shè)計(jì)玉米紋桿式脫粒元件。D型紋桿為長(zhǎng)條形設(shè)計(jì)且兩端面平行，谷物脫粒時(shí)，莖稈與籽粒同時(shí)進(jìn)入脫粒系統(tǒng)，脫粒阻力較大，長(zhǎng)條形紋桿在揉搓谷物的同時(shí)使莖稈層產(chǎn)生徑向高頻振動(dòng)[23-24]，有利于谷物脫粒及籽粒分離。玉米脫粒時(shí)，只有果穗及少量雜質(zhì)進(jìn)入脫粒系統(tǒng)，脫粒阻力相對(duì)較小，且果穗直徑較大，紋桿過(guò)長(zhǎng)不利于果穗在滾筒內(nèi)的軸向移動(dòng)，因此設(shè)計(jì)為短紋桿。為防止堵塞，增強(qiáng)果穗沿滾筒軸向向后運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，紋桿元件遠(yuǎn)離喂入端采用斜面設(shè)計(jì)，當(dāng)果穗與紋桿塊斜面撞擊時(shí)，其受力分量使果穗向滾筒后方移動(dòng)。

紋桿式脫粒元件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其參數(shù)主要包括頂部參數(shù)及前傾斜面角度θ。頂部參數(shù)有頂部凸棱寬度W、頂部凸棱高點(diǎn)高度h、凸棱傾角β以及頂部弧面形狀。與果穗接觸時(shí)，前傾斜面可以“鏟起”玉米果穗，使果穗與脫粒元件的接觸更柔和。頂部凸棱所在面與凹板共同作用，對(duì)果穗“揉搓”實(shí)現(xiàn)脫粒，弧面形狀影響揉搓強(qiáng)度；凸棱高點(diǎn)高度及凸棱寬度決定果穗接觸面積，影響籽粒的壓強(qiáng)從而影響破碎率；凸棱傾角使果穗產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，影響果穗運(yùn)動(dòng)進(jìn)程，從而影響脫粒效果。

1.2 紋桿式脫粒元件工作原理

紋桿式脫粒元件工作過(guò)程主要包括前傾斜面對(duì)果穗的擊打和脫粒元件頂部與凹板共同作用對(duì)果穗的揉搓。如圖2所示，其中Ⅰ為紋桿元件前傾角撞擊果穗階段，Ⅱ?yàn)檫^(guò)渡狀態(tài)，Ⅲ為紋桿頂部與凹板共同作用揉搓果穗階段。

紋桿前傾角與果穗接觸時(shí)對(duì)果穗撞擊，同時(shí)果穗沿前傾斜面向紋桿頂部移動(dòng)，在此過(guò)程中，部分籽粒實(shí)現(xiàn)脫粒；當(dāng)果穗運(yùn)動(dòng)至圖中Ⅲ所示位置時(shí)，在脫粒元件與凹板共同作用下，果穗受到揉搓，籽粒與芯軸的連接變“松散”，實(shí)現(xiàn)部分脫粒；經(jīng)揉搓后的果穗與脫粒元件連續(xù)接觸，最終實(shí)現(xiàn)完全脫粒。

與釘齒式及桿齒式脫粒元件擊打脫粒相比，紋桿式脫粒元件與果穗接觸更柔和，且經(jīng)過(guò)揉搓后，籽粒變松散，更易于脫粒，有利于降低籽粒破碎率。

2 受力分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 果穗與紋桿前傾角接觸受力分析

紋桿式脫粒元件頂部與果穗接觸時(shí)，主要通過(guò)與凹板配合，對(duì)果穗進(jìn)行揉搓，使果穗中籽?！八缮ⅰ边_(dá)到脫粒的目的，采用靜力學(xué)分析不易于體現(xiàn)該過(guò)程，因此采用動(dòng)力學(xué)仿真的方式動(dòng)態(tài)分析該過(guò)程；紋桿式脫粒元件前傾角與果穗接觸時(shí)，主要通過(guò)對(duì)果穗撞擊使籽粒與芯軸分離，通過(guò)分析果穗所受合力以得到傾角對(duì)果穗擊打強(qiáng)度的影響。不考慮接觸過(guò)程中果穗彈塑性形變及脫粒對(duì)果穗中未脫籽粒受力的影響，對(duì)果穗與紋桿式元件前傾角碰撞時(shí)果穗受力情況進(jìn)行分析。果穗受力分析如圖3所示。

通過(guò)實(shí)際測(cè)量，單個(gè)果穗平均質(zhì)量為350 g左右，其所受重力為3.5 N。查閱資料[13]發(fā)現(xiàn)，果穗受到脫粒元件擊打力大于114.35 N，遠(yuǎn)大于果穗重力。果穗b對(duì)果穗a的支持力Fba為重力的分力，在量級(jí)上遠(yuǎn)小于脫粒元件對(duì)a的擊打力，因此受力分析時(shí)忽略果穗b對(duì)果穗a的支持力及摩擦力。建立圖3所示坐標(biāo)系，對(duì)果穗a受力進(jìn)行分析，在水平及豎直方向?qū)Ω髁M(jìn)行分解，分解式為

Fx=Fsinθ+Ffcosθ-fZ

(1)

Fy=-Fcosθ+Ffsinθ+FZ-G

(2)

式中F——脫粒元件對(duì)果穗a擊打力，N

Ff——果穗a所受脫粒元件摩擦力，N

FZ——凹板對(duì)果穗a支持力，N

fZ——果穗a受凹板摩擦力，N

G——果穗a所受重力，N

θ——脫粒元件前傾角，0°<θ≤90°

整理可得果穗a所受合力FT為

(3)

其中

fZ=μFZ

(4)

Ff=μF

(5)

式中μ——籽粒與鐵板摩擦因數(shù)

令

N=-fZ(Fsinθ+Ffcosθ)

(6)

M=(FZ-G)(-Fcosθ+Ffsinθ)

(7)

將式(4)、(5)代入式(6)、(7)，對(duì)N及M分別求二階導(dǎo)數(shù)及三階導(dǎo)數(shù)，得

N(θ)′=FfZ(-cosθ+μsinθ)

(8)

N(θ)″=FfZ(sinθ+μcosθ)

(9)

M(θ)′=F(FZ-G)(sinθ+μcosθ)

(10)

M(θ)″=F(FZ-G)(cosθ-μsinθ)

(11)

M(θ)?=F(FZ-G)(-sinθ-μcosθ)

(12)

由式(9)可知，式(8)為增函數(shù)，且N′(0)<0，N′(90)>0；由式(12)可知，式(11)為減函數(shù)，且M′(0)>0，M′(90)<0，同時(shí)由于FZ-G>0，因此式(10)在角度θ區(qū)間范圍內(nèi)為先增后減的大于0的函數(shù)。為確定N+M的增減性，求解N+M在端點(diǎn)處一階導(dǎo)數(shù)

N′(0)+M′(0)=-FfG

(13)

N′(90)+M′(90)=fZFf+F(FZ-G)

(14)

即N+M在角度取值范圍內(nèi)變化趨勢(shì)為先減后增，存在最優(yōu)角度使合力最小。

2.2 紋桿元件頂端弧面設(shè)計(jì)

紋桿元件頂端弧面與凹板共同作用對(duì)果穗進(jìn)行揉搓，假定該過(guò)程果穗為純滾動(dòng)，當(dāng)頂端弧長(zhǎng)過(guò)小時(shí)，在與果穗接觸的過(guò)程中，無(wú)法達(dá)到整圈籽粒揉搓松散的目標(biāo)，不利于果穗與紋桿元件下一次接觸時(shí)脫粒；頂端弧長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)，隨著揉搓時(shí)果穗的運(yùn)動(dòng)，凹板間隙逐漸減小，對(duì)果穗的擠壓增強(qiáng)，籽粒容易受擠壓造成頂端破碎。因此，為使紋桿元件與凹板共同作用對(duì)果穗充分揉搓，松散籽粒，同時(shí)又不致于過(guò)度揉搓，造成籽粒受擠壓后破碎，設(shè)計(jì)紋桿元件頂端與凹板對(duì)果穗均揉搓半圈，以此為依據(jù)確定紋桿元件頂端弧長(zhǎng)，計(jì)算式為

(15)

式中L——紋桿元件頂端弧長(zhǎng)，mm

d——果穗直徑，mm

查閱資料[25]可知，籽粒含水率為17.1%時(shí)，當(dāng)壓縮量大于1.7 mm籽粒發(fā)生破碎。隨籽粒含水率增高，發(fā)生破碎時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力降低，同時(shí)由于籽粒韌性增強(qiáng)，其應(yīng)變會(huì)增大[26]，即較高籽粒含水率下發(fā)生破碎時(shí)所能承受的最大壓縮量增大。為使紋桿元件頂端弧面形狀滿足不同含水率下脫粒需求，以籽粒含水率較小時(shí)所能承受的最大應(yīng)變量為依據(jù)，對(duì)紋桿元件弧面進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。以滾筒軸心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立圖4所示紋桿式元件頂端與果穗接觸時(shí)的關(guān)系圖。

通過(guò)幾何關(guān)系易知，凹板間隙δ與角度γ關(guān)系為

(16)

式中R1——凹板弧面半徑，mm

r——滾筒頂點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑，mm

D——凹板圓心與滾筒圓心偏心距，mm

γ——脫粒元件與果穗接觸點(diǎn)和坐標(biāo)原點(diǎn)連線與負(fù)X方向夾角，(°)

當(dāng)果穗不受壓縮沿凹板運(yùn)動(dòng)時(shí)，果穗最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為

(17)

其中

R2=R1-d

(18)

式中R2——果穗最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)弧面半徑，mm

凹板與紋桿對(duì)果穗共同作用時(shí)，假設(shè)凹板側(cè)籽粒及紋桿側(cè)籽粒壓縮量變化相同。果穗在凹板最低位置開(kāi)始與紋桿元件頂端接觸，在運(yùn)動(dòng)中果穗壓縮量均勻增大，紋桿頂端與果穗脫離接觸時(shí)，籽粒壓縮量達(dá)到最大值。果穗與紋桿弧面開(kāi)始接觸時(shí)，通過(guò)幾何關(guān)系可求得接觸點(diǎn)A坐標(biāo)值。

果穗沿凹板滾動(dòng)1/2圈時(shí)，即果穗頂點(diǎn)圓對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)為L(zhǎng)，繞果穗頂點(diǎn)圓旋轉(zhuǎn)角λ計(jì)算式為

(19)

通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算此時(shí)脫粒元件與果穗接觸點(diǎn)和坐標(biāo)原點(diǎn)連線與負(fù)X方向夾角γ′為

(20)

此時(shí)凹板間隙δ可由式(16)求得，果穗壓縮量達(dá)到破碎臨界值3.4 mm(凹板側(cè)及紋桿頂端各壓縮1.7 mm)。計(jì)算紋桿與果穗作用點(diǎn)B與果穗頂點(diǎn)圓圓心距離為

l=r+(d-δ-3.4)

(21)

點(diǎn)B在水平及豎直方向的坐標(biāo)為

x=lsinλ-D

(22)

y=lcosλ

(23)

同理可以計(jì)算出果穗滾動(dòng)1/4圈，果穗壓縮量為1.7 mm(凹板側(cè)及紋桿頂端各壓縮0.85 mm)時(shí)，紋桿與果穗接觸點(diǎn)C的坐標(biāo)。

設(shè)計(jì)凹板與滾筒軸向偏心距為25 mm，凹板半徑為345 mm。為使果穗充分揉搓，以果穗平均直徑為參考，求得接觸點(diǎn)A、B、C坐標(biāo)，得到脫粒元件弧面圓表達(dá)式為

(x+16.61)2+(y-0.15)2=305.262

(24)

以接觸點(diǎn)為起點(diǎn)，逆時(shí)針?lè)较蚪厝』￠L(zhǎng)為L(zhǎng)的弧線，即為紋桿元件截面的頂端弧線。

3 仿真試驗(yàn)

果穗在脫粒滾筒內(nèi)的受力情況較復(fù)雜，靜力學(xué)分析難以表示紋桿頂部凸棱傾角和凸棱寬度對(duì)果穗受力以及果穗運(yùn)動(dòng)情況的影響。因此，通過(guò)離散元仿真軟件EDEM，動(dòng)態(tài)分析果穗在滾筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)及受力過(guò)程；為確定紋桿塊最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)四因素四水平正交試驗(yàn)，探究紋桿塊參數(shù)對(duì)果穗脫粒性能的影響主次順序，并確定較優(yōu)參數(shù)組合。

3.1 玉米果穗建模

以華北地區(qū)種植面積較大的鄭單958玉米品種為研究對(duì)象，隨機(jī)選取100個(gè)果穗，使用游標(biāo)卡尺分別對(duì)果穗大端直徑、小端直徑及果穗長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，取其平均值如表1所示。以此為依據(jù)在仿真軟件EDEM中建立玉米果穗模型，如圖5所示。

表1 玉米果穗尺寸參數(shù)Tab.1 Ear size parameters mm

3.2 參數(shù)設(shè)置

在EDEM中選取Hertz-Mindlin (no-slip)無(wú)滑動(dòng)模型。根據(jù)華北地區(qū)玉米籽粒收獲機(jī)的實(shí)際作業(yè)工況，設(shè)定滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min，凹板間隙為50 mm。查閱相關(guān)資料[10]，設(shè)定材料物理屬性及材料之間接觸屬性參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

3.3 脫粒滾筒建模

使用三維制圖軟件SolidWorks對(duì)脫粒滾筒進(jìn)行建模，并對(duì)不影響脫粒性能的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，滾筒仿真模型如圖6所示。按表2所示仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，以8 kg/s的喂入量連續(xù)喂入果穗3 s。

3.4 紋桿元件頂端參數(shù)仿真試驗(yàn)

設(shè)計(jì)不同頂部參數(shù)紋桿元件，通過(guò)仿真分析，提取果穗在不同頂部參數(shù)紋桿元件與凹板共同作用時(shí)，果穗與紋桿元件頂端接觸前后能量變化，確定最優(yōu)頂端參數(shù)組合。由于仿真時(shí)變量?jī)H為紋桿元件頂端參數(shù)，因此造成果穗能量變化的原因即為紋桿元件頂端參數(shù)。仿真結(jié)果如表3～5所示。

表3 不同凸棱傾角時(shí)接觸前后果穗能量Tab.3 Effect of top rib inclination on ear energy change before and after contact J

表5 不同凸棱高度時(shí)接觸前后果穗能量Tab.5 Effect of top rib height on ear energy change before and after contact J

對(duì)果穗受到紋桿頂部與凹板共同作用時(shí)，果穗與紋桿頂端接觸前后能量變化進(jìn)行分析，隨凸棱傾角增大，與脫粒元件碰撞前果穗總能量先增大后減小，碰撞后果穗能量增加量相差不大；凸棱寬度及凸棱高度對(duì)碰撞前后果穗能量及增加量影響不大。紋桿元件頂部參數(shù)通過(guò)與凹板共同作用對(duì)果穗脫粒產(chǎn)生影響，紋桿頂部凸棱傾角對(duì)果穗產(chǎn)生影響時(shí)，其角度的變化會(huì)使果穗產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，造成果穗動(dòng)能及轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能出現(xiàn)較顯著的變化；頂部凸棱寬度及凸棱高度主要影響果穗的接觸面積，因此對(duì)能量變化影響不顯著。

3.5 正交試驗(yàn)

以影響果穗受力及運(yùn)動(dòng)的紋桿元件前傾角、凸棱傾角、凸棱高度及凸棱寬度為試驗(yàn)因素，以果穗受到的合力為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)四因素四水平正交試驗(yàn)，探究紋桿元件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)果穗受力的影響規(guī)律。

3.5.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

由于水平數(shù)量不相等，因此設(shè)計(jì)混合水平的正交試驗(yàn)。采用擬水平法設(shè)計(jì)四因素四水平正交試驗(yàn)，確定紋桿元件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)脫粒過(guò)程的影響。查閱資料[24]可知，釘齒式脫粒元件高度范圍為60～70 mm，設(shè)計(jì)紋桿式脫粒元件高度為65 mm，由此確定前傾斜面最小設(shè)計(jì)角度為45°，最大角度為90°；為使紋桿元件頂端與果穗作用時(shí)，果穗產(chǎn)生沿滾筒軸向向后運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，凸棱傾角設(shè)計(jì)角度小于90°；參考玉米籽粒平均尺寸，對(duì)凸棱寬度及高度進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)因素及結(jié)果如表6、7所示。表中A、B、C、D為因素水平值，C′為因素C補(bǔ)齊水平數(shù)量后的水平安排。

表6 試驗(yàn)因素與水平Tab.6 Experimental factors levels

表7 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.7 Test design scheme and results

3.5.2極差分析

為探究最佳參數(shù)組合，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表8所示?？梢钥闯黾y桿元件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)果穗受力影響由大到小依次為前傾角、凸棱傾角、凸棱寬度、凸棱高度。

表8 各指標(biāo)極差分析Tab.8 Analysis of range of each indicator

3.5.3方差分析

方差分析如表9所示，由方差分析結(jié)果可知，紋桿元件前傾角對(duì)果穗受力具有顯著影響，凸棱傾角、凸棱寬度及凸棱高度對(duì)果穗受力影響不顯著。

籽粒發(fā)生破碎時(shí)破壞力范圍為124.33～347 N，籽粒由果柄脫下受力范圍為1.97～11.93 N[18]。各因素對(duì)果穗受力的影響由大到小為A、B、C、D。最終確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為A3B1C2D2，即紋桿元件較優(yōu)參數(shù)組合為：前傾角75°、凸棱傾角25°、凸棱寬度6 mm、凸棱高度10 mm。

表9 方差分析Tab.9 Variance analysis result

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為確定滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙等工作參數(shù)對(duì)紋桿式脫粒元件脫粒效果的影響，以仿真分析得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)紋桿元件為試驗(yàn)對(duì)象，以籽粒破碎率及未脫凈率為指標(biāo)，設(shè)計(jì)雙因素試驗(yàn)，探究工作參數(shù)交互作用對(duì)脫粒效果的影響；以最優(yōu)工作參數(shù)分別對(duì)桿齒式、釘齒式及紋桿式脫粒元件進(jìn)行脫粒試驗(yàn)，對(duì)比不同脫粒元件脫粒性能。脫粒元件如圖7所示。

4.2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)裝置采用單縱軸流脫粒滾筒，滾筒中脫粒元件頂端所在圓直徑為600 mm。試驗(yàn)臺(tái)架如圖8所示。試驗(yàn)時(shí)間為2019年9月底，平均氣溫為29℃，在籽粒含水率為28.5%時(shí)，每組試驗(yàn)選取人工摘取的鄭單958玉米果穗200穗，平鋪于輸送鏈板上，參考華北地區(qū)籽粒直收機(jī)械工作參數(shù)，以喂入量8 kg/s將果穗送入試驗(yàn)臺(tái)架，經(jīng)脫粒滾筒脫粒后，脫出物落入接糧裝置，苞葉、芯軸等落入接雜裝置。

4.3 試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)GB/T 21961—2008《玉米收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》和GB/T 5982—2005《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到籽粒破碎率及未脫凈率。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)，滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙及兩者的交互作用對(duì)脫粒過(guò)程中籽粒破碎率及未脫凈率均有顯著影響。為確定其具體影響規(guī)律，以籽粒破碎率最低時(shí)滾筒轉(zhuǎn)速及凹板間隙為依據(jù)，設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，探究滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙對(duì)脫粒性能的影響規(guī)律。

4.4.1滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)脫粒質(zhì)量的影響

最優(yōu)凹板間隙下，籽粒破碎率及未脫凈率隨滾筒轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，籽粒未脫凈率隨滾筒轉(zhuǎn)速增加逐漸降低；在滾筒轉(zhuǎn)速為200～300 r/min時(shí)，籽粒破碎率相差不大，滾筒轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，籽粒破碎率逐漸增大。在轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，籽粒破碎率最低，為5.34%，且未脫凈率低于國(guó)標(biāo)要求。隨滾筒轉(zhuǎn)速增加，脫粒元件對(duì)果穗擊打力增大，籽粒更易于與芯軸分離，因此未脫凈率降低，同時(shí)，過(guò)大的擊打力會(huì)造成破碎率增大。

對(duì)滾筒下方接料裝置沿滾筒軸線均勻分為21個(gè)區(qū)間并逐一編號(hào)。由圖10可以發(fā)現(xiàn)，隨滾筒轉(zhuǎn)速變化，脫出物質(zhì)量分布及累加質(zhì)量分布趨勢(shì)基本相同，質(zhì)量分布峰值均出現(xiàn)在滾筒長(zhǎng)度的40%左右位置。

4.4.2凹板間隙對(duì)脫粒質(zhì)量的影響

由圖11可以發(fā)現(xiàn)，隨著凹板間隙增大，籽粒破碎率先減小后增大，在凹板間隙為50 mm時(shí)，籽粒破碎率最低。凹板間隙過(guò)小時(shí)，果穗受脫粒元件與凹板的擠壓，芯軸及籽粒易發(fā)生破碎，造成破碎率及未脫凈率較高；隨間隙增大，果穗受擠壓造成的破碎減少，籽粒及芯軸的破碎降低；當(dāng)間隙過(guò)大時(shí)，受脫粒元件擊打后果穗與凹板碰撞，造成籽粒破碎率增加，同時(shí)該過(guò)程不足以使芯軸破碎，因此未脫凈率降低。由圖12發(fā)現(xiàn)，凹板間隙對(duì)脫出物分布影響不大。

4.5 試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果與分析

在滾筒轉(zhuǎn)速300 r/min、凹板間隙50 mm時(shí)，對(duì)釘齒式、桿齒式及紋桿式脫粒元件分別進(jìn)行脫粒試驗(yàn)，籽粒破碎率及未脫凈率如圖13所示。

由不同脫粒元件對(duì)比試驗(yàn)可知，紋桿式脫粒元件籽粒未脫凈率高于釘齒式及桿齒式元件，但滿足國(guó)標(biāo)要求；桿齒式脫粒元件籽粒破碎率為9.91%，釘齒式元件籽粒破碎率為7.83%，紋桿式脫粒元件籽粒破碎率為5.34%，較釘齒式元件下降了31.8%，較桿齒式元件下降了46.12%。

對(duì)不同脫粒元件脫出物分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖14所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，紋桿式脫粒元件脫出物峰值出現(xiàn)位置較釘齒式及桿齒式更靠近滾筒中間位置，由脫出物質(zhì)量累加分布可以發(fā)現(xiàn)，紋桿式脫粒元件較其他兩種元件脫粒速率更平緩。

綜合脫粒元件脫粒質(zhì)量及脫出物分布規(guī)律，通過(guò)分析可知，釘齒式及桿齒式脫粒元件以擊打脫粒為主，脫粒能力強(qiáng)，因此籽粒未脫凈率較低，脫粒速率較高，同時(shí)由于脫粒元件對(duì)果穗直接擊打造成籽粒破碎率較高；紋桿式脫粒元件主要通過(guò)擊打及揉搓實(shí)現(xiàn)脫粒，紋桿元件與果穗接觸時(shí)通過(guò)前傾斜面實(shí)現(xiàn)較平緩的過(guò)渡，對(duì)果穗的擊打力相對(duì)較小，因此果穗脫粒相對(duì)較慢，但仍然能夠在滾筒長(zhǎng)度范圍內(nèi)完成脫粒作業(yè)。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種紋桿式脫粒元件，分析果穗與紋桿元件接觸時(shí)其受力隨傾角變化情況，基于籽粒壓縮破碎數(shù)據(jù)，確定紋桿元件頂端弧面形狀?；陔x散元仿真設(shè)計(jì)四因素四水平正交試驗(yàn)，明確了紋桿元件結(jié)構(gòu)參數(shù)影響果穗受力的主次因素依次為前傾角、凸棱傾角、凸棱寬度、凸棱高度，最終確定紋桿式脫粒元件較優(yōu)參數(shù)為：前傾角75°、凸棱傾角25°、凸棱寬度6 mm、凸棱高度10 mm。

(2)通過(guò)雙因素試驗(yàn)，分析凹板間隙及滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)紋桿式脫粒元件脫粒質(zhì)量的影響規(guī)律，確定滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min，凹板間隙為50 mm時(shí)，籽粒破碎率最低，為5.34%。以最優(yōu)工作參數(shù)對(duì)比不同脫粒元件脫粒效果，籽粒破碎率由釘齒式元件的7.83%及桿齒元件的9.91%下降至紋桿元件的5.34%，分別下降了31.8%和 46.12%，證明紋桿式脫粒元件明顯提高了脫粒質(zhì)量。