彈性短紋桿-板齒組合式大白菜種子脫粒裝置研究

王升升 盧夢晴 胡金鵬 陳 盼 姬江濤 王福民

(1.河南科技大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院， 洛陽 471003； 2.江蘇大學農(nóng)業(yè)工程學院， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

大白菜食用價值高，其種植面積、產(chǎn)量及消費量在中國居各類蔬菜之首[1]。隨著大白菜育種產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，種用大白菜的種植面積迅速增加，大白菜種子的收獲難題日益凸顯。采用人工收獲效率較低，無法滿足育種基地的大面積收獲需求；采用市場上現(xiàn)有的稻麥收獲機進行作業(yè)時，因結構或工作參數(shù)配置不佳，易造成種子損失率與破碎率高等問題[2-3]。脫粒裝置作為聯(lián)合收獲機的核心工作部件，降低脫粒過程中的種子損失及損傷已成為大白菜種子聯(lián)合收獲裝備發(fā)展的關鍵問題。

當前，國內外學者對脫粒分離裝置的研究較多。PETKEVICHIUS等[4]設計了紋桿式脫粒裝置，研究了籽粒含水率、滾筒轉速和凹板間隙對脫粒損失的影響；師清翔等[5]引入柔性脫粒的概念，通過耐磨橡膠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制脫粒元件，降低了對小麥、水稻等作物的作用強度；謝方平等[6-7]設計了一種柔性釘齒脫粒滾筒，有效降低了水稻籽粒的破碎率；文獻[8-11]設計了柔性釘齒和短紋桿組合式脫粒滾筒，解決了黃淮海地區(qū)高含水率玉米收獲破碎率和未脫凈率高的問題；李耀明等[12-13]設計了一種短紋桿與板齒組合式脫粒滾筒，可顯著降低脫出物含雜率。

上述研究大多通過結合不同作物物料特性，在傳統(tǒng)脫粒形式的基礎上，對脫粒元件的材料、結構等方面進行改良并開展脫粒性能研究。雖然取得了一些階段性成果，但主要研究對象為小麥、水稻、玉米等糧食作物，并不適用于大白菜種子這種小籽粒蔬菜種子的脫粒分離。目前國內外尚未有專門的大白菜種子收獲裝置，對于大白菜種子低破碎率脫粒的研究更是屬于空白領域。因此，為解決大白菜種子脫粒難題，本文基于組合式脫粒及柔性脫粒原理，設計彈性短紋桿-板齒、柔性圓頭釘齒與圓管凹板組合的脫粒裝置，以期實現(xiàn)對適收期大白菜種子的機械化收獲作業(yè)。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

彈性短紋桿-板齒組合式大白菜種子脫粒裝置整體結構如圖1所示，主要由機架、頂蓋、組合式脫粒滾筒、圓管凹板、集料箱等組成。其中組合式脫粒滾筒圓周表面設有螺旋分布的彈性短紋桿-板齒和柔性圓頭釘齒，尾部設有剛性長釘齒；頂蓋下表面設有螺旋導流板，方便物料軸向運輸；為了便于收集脫出物，在脫粒裝置下部設置集料箱。

1.2 工作原理

大白菜種子脫粒裝置采用徑向喂入、徑向排出的脫粒工藝。裝置的工作過程分為喂入、脫分和排雜3個階段。工作時，電機帶動脫粒滾筒旋轉。大白菜植株在喂入口連續(xù)均勻地進入脫分空間內，隨后受到物料不斷喂入的推送、脫粒元件和頂蓋上導流板的共同作用，沿滾筒軸向螺旋運動，完成喂入過程；大白菜種子植株在脫粒元件與圓管凹板的循環(huán)沖擊、揉搓作用及物料層內部之間的相互作用下實現(xiàn)脫粒；在此過程中，脫粒元件不斷旋轉攪動，并與圓管凹板相配合，實現(xiàn)種子與莖稈雜余的分離；脫粒后的莖稈雜余在滾筒尾部剛性長釘齒的作用下經(jīng)排草口排出，完成排雜過程。在脫分過程中，彈性短紋桿-板齒和柔性圓頭釘齒均具有變形能力，有效減弱了脫粒元件對種子的剛性沖擊；圓管凹板表面沒有棱角，減少了物料與凹板間的碰撞摩擦，可有效降低種子的機械損傷。

2 組合式脫粒滾筒設計與分析

2.1 脫粒方案

大白菜植株的生物學特性與油菜相似，根據(jù)已有研究[14-19]，開展大白菜植株各組分生物力學特性研究，得到不同破壞形式下各組分破壞載荷，如表1所示。由表1可知，大白菜種子的破壞峰值較低，且各部分破壞峰值差異較大。因此，為提高大白菜種子脫凈程度，實現(xiàn)脫粒過程中種子低破碎率的需求，采用組合式、柔性脫粒方案開展研究。

表1 大白菜植株各組分力學特性Tab.1 Mechanical properties of each component of Chinese cabbage plant

2.2 脫粒滾筒設計

彈性短紋桿-板齒組合式脫粒滾筒結構如圖2所示。前部采用彈性短紋桿-板齒組合式，通過扭簧的變形降低對物料的作用力，以降低該階段的脫粒損傷；中部圓頭釘齒采用柔性聚氨酯材料替代鋼材，以減小脫粒過程中對大白菜種子的剛性沖擊，達到降低種子損傷的目的；尾部采用剛性長釘齒，有利于將運動至滾筒末端的莖稈及時排出。

脫粒滾筒的長度與其自身的脫分能力密切相關，脫粒滾筒越長，物料的脫分時間越久，種子和莖稈的破碎率會隨之增大。莖稈破碎會導致雜余率增大，大白菜種子小而輕，與雜余不易分離，雜余率的增大更會使清選負荷增大。脫粒滾筒長度計算式[20]為

L≥q/q0

(1)

式中L——脫粒滾筒長度，m

q——脫粒裝置喂入量，取2 kg/s

q0——脫粒滾筒單位長度允許承擔的喂入量，取1.5～2.0 kg/(s·m)

計算得，脫粒滾筒長度L為1～1.3 m，本設計取L=1.15 m。

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，脫粒功耗會增大。為避免上述問題，取滾筒周長大于大白菜植株長度，則脫粒滾筒直徑[21]為

(2)

式中DZ——脫粒滾筒直徑，mm

L1——大白菜植株長度，取880～1 200 mm

計算得，脫粒滾筒直徑DZ為 420～573 mm，本設計取DZ=460 mm。

為進一步實現(xiàn)脫粒過程中物料的翻轉和軸向運動，脫粒元件均采用螺旋排布方式，取螺旋頭數(shù)K=3；為避免莖稈破碎嚴重及脫粒功耗的增加，取齒排數(shù)為6，齒距l(xiāng)=84 mm[21]。

2.2.1彈性短紋桿-板齒設計

彈性短紋桿-板齒由紋桿座、壓板、板齒、螺栓、短紋桿和扭簧組成，如圖3所示。短紋桿一側增加板齒，且安裝方向與紋桿筋方向平行，一是為了實現(xiàn)成熟度較低、相對難脫角果的脫粒，同時有利于物料的喂入和軸向運動；二是對短紋桿起到一定的限位作用，保證短紋桿僅能產(chǎn)生向下的扭轉變形。壓板與扭簧通過螺栓連接固定，短紋桿長度設為100 mm。

假設彈性短紋桿-板齒平均受力點為O1，扭簧中心點為O2，如圖4所示。則扭簧所受初始扭矩T1為

T1=Fh

(3)

式中F——扭簧發(fā)生扭轉的觸發(fā)力，N

h——觸發(fā)力F到扭簧中心的垂直距離，mm

觸發(fā)力F應滿足在完成脫下角果中種子的同時，盡量降低與體積較大的植株莖稈之間的相互作用強度。脫粒過程中，大白菜植株會出現(xiàn)物料積聚現(xiàn)象，為保證脫粒過程順利進行且扭簧有合理的調節(jié)范圍，結合文獻[22-23]及前期力學特性試驗，最終取F=40 N，此時h=16 mm，可得T1=640 N·mm。

扭簧初始扭轉角φ1=35°，考慮到整體結構強度問題，扭簧變形不宜過大，本設計取扭簧的極限扭轉角φ2=45°，則扭簧極限扭矩T2為[24]

(4)

扭簧為平列雙扭系列，材料選擇碳素彈簧鋼，其彈性模量E=1.97×105MPa，扭簧有效圈數(shù)N為

(5)

式中d——扭簧鋼絲直徑，為3.2 mm

D1——扭簧中徑，mm

扭簧中徑D1=Pd，根據(jù)《機械設計手冊》[24]，扭簧旋繞比P取8.5，最終計算得N=12。

2.2.2柔性圓頭釘齒設計

當大白菜種子與不同脫粒元件之間接觸碰撞力相同時，較大的接觸面積能夠弱化應力集中現(xiàn)象，從而降低種子損傷。因此，脫粒段采用材料為聚氨酯的圓頭釘齒，結合文獻[25]，綜合考慮圓頭釘齒脫粒需求、結構尺寸和整機動平衡等因素，最終取脫粒段釘齒直徑為8 mm，工作高度為70 mm。

2.3 滾筒模態(tài)分析

脫粒滾筒工作時高速旋轉，當旋轉產(chǎn)生的頻率與其固有頻率一致時，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。脫粒滾筒的共振會造成螺栓松動、部件的間隙變化及干涉碰撞等問題，不僅影響脫粒效果，嚴重時還會產(chǎn)生較大的安全危害[26-27]。因此，對所設計的脫粒滾筒進行模態(tài)分析。

2.3.1有限元模型建立

采用SolidWorks軟件建立脫粒滾筒三維模型，后將模型導入ANSYS Workbench中進行分析。柔性圓頭釘齒的材料為聚氨酯，滾筒其余部分材料為Q235B，材料屬性參數(shù)如表2所示。對彈性短紋桿-板齒采用Sweep掃略網(wǎng)格劃分，其余零件均采用自動網(wǎng)格劃分，最終產(chǎn)生網(wǎng)格單元數(shù)量為86 340，節(jié)點數(shù)為246 950。

表2 材料屬性參數(shù)Tab.2 Properties of materials

2.3.2有限元結果分析

選擇脫粒滾筒主軸兩側端面，分別添加固定約束。低階共振現(xiàn)象的發(fā)生對機械結構的危害較大，因此對脫粒滾筒的前4階固有頻率及振型進行分析，結果如表3及圖5所示。

表3 脫粒滾筒前4階模態(tài)分析結果Tab.3 Deformation results of threshing cylinder

由表3可知，該脫粒滾筒1、2階頻率相近，集中分布在69 Hz左右，第3、4階頻率分別為88.123、97.343 Hz，固有頻率呈現(xiàn)逐階增長的趨勢，但對應的最大變形量并不呈線性變化。

由圖5可知，1階振型表現(xiàn)為脫粒滾筒整體的扭曲，且以固定齒桿的扭曲變形為主；2階振型主要表現(xiàn)為柔性圓頭釘齒的彎曲變形；3階振型中，釘齒變形量增大，滾筒中部的輻盤與固定齒桿連接部位發(fā)生彎曲和扭轉變形；4階振型主要是扭簧及短紋桿的扭轉變形。其中，1階振型圖中滾筒整體變形幅度最大，變形量為10.755 mm，小于脫粒滾筒與圓管凹板的最小間隙設計值15 mm，表明脫粒滾筒與圓管凹板不會發(fā)生干涉現(xiàn)象。

脫粒滾筒在工作過程中，激勵來源主要來自發(fā)動機和滾筒自身的旋轉激勵。當激勵頻率超過固有頻率時，該結構存在失效風險。脫粒滾筒轉速與激勵頻率的關系為

n=60f

(6)

式中n——脫粒滾筒轉速，r/min

f——旋轉激勵頻率，Hz

脫粒滾筒設計的最大工作轉速為950 r/min，大白菜種子聯(lián)合收獲機上所用發(fā)動機額定轉速為2 200 r/min。計算得最高旋轉激勵分別為15.83、36.67 Hz。在不考慮發(fā)動機和脫粒滾筒旋轉所產(chǎn)生的頻率疊加的條件下，由發(fā)動機和滾筒工作所產(chǎn)生的激勵頻率均低于該脫粒滾筒1階固有頻率69.213 Hz。因此，所設計的脫粒滾筒在實際工作中可有效避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4 圓管凹板設計

由于常規(guī)柵格式凹板存在棱角，在脫粒過程中，大白菜種子與柵格棱角的碰撞是造成種子破碎率高的原因之一。此外，因大白菜種子尺寸較小(直徑小于2 mm)，脫粒過程結束后，存在種子在橫格板上滯留堆積的現(xiàn)象，導致不同品種的大白菜種子混種的問題。針對上述問題，設計一種圓管凹板如圖6所示。

圓管凹板采用內徑為12 mm、厚度為3 mm的圓鋼管代替常規(guī)柵格式凹板中的橫格板。為保證圓管凹板的脫分能力[23]，設計各圓管間距為30 mm，篩條間隙為9 mm，凹板包角為220°，長度與脫粒滾筒長度相等為1.15 m。大白菜種子與圓管之間為點接觸，很難停留在圓管表面，因此能夠大大降低種子滯留在滾筒內部的概率。

為進一步提高脫粒過程中物料螺旋向后運動的能力，將圓管沿凹板軸線方向呈角度α進行安裝，圓管偏離軸線方向與脫粒滾筒工作時旋轉方向一致，綜合考慮取α=10°。

3 試驗

3.1 試驗材料

脫粒試驗所用物料為河南省濟源市大白菜育繁種基地內成熟的種用大白菜植株，品種為晉菜三號，于試驗田內隨機選取待收獲無倒伏植株，人工收割后帶回實驗室，并及時完成脫粒試驗。試驗開始前，測得大白菜植株各組分物料特性如表4所示。

表4 種用白菜植株物料特性Tab.4 Plant material characteristics of Chinese cabbage

3.2 試驗方法

試驗前將一定質量的大白菜植株均勻鋪放到輸送帶一側，并留有5 m的加速調整區(qū)。調整脫粒裝置，待其穩(wěn)定運轉后，啟動輸送帶，完成輸送、喂入、脫粒和接料過程，試驗現(xiàn)場如圖7所示。

根據(jù)前期預試驗，選取對脫粒質量影響較大的滾筒轉速、脫粒間隙、喂入量為試驗因素，并確定各因素范圍，以種子損失率、破碎率為評價指標，進行響應面優(yōu)化試驗。因素編碼如表5所示。

表5 因素編碼Tab.5 Coding value of factors

通過排草口和接料口收集脫粒后的物料，經(jīng)人工篩選、處理后，記錄每組試驗的損失率及破碎率，每組試驗重復3次取平均值。參考國家標準GB/T 5982—2017《脫粒機 試驗方法》，損失率Y1和破碎率Y2計算式分別為

(7)

(8)

式中MZ——損失率取樣種子總質量，g

MW——殘留在角果內的未脫凈種子質量，g

MJ——夾雜在雜余內部的種子質量，g

Mp——樣品中破碎種子質量，包括機械損傷、裂紋和破皮的種子，g

M0——破碎率取樣種子總質量，g

3.3 試驗結果

試驗結果如表6所示，X1、X2、X3為因素編碼值，對數(shù)據(jù)進行方差分析，結果如表7所示。從表7可知，失擬項P>0.05，表明模型擬合效果好，回歸模型P<0.01，表明回歸模型高度顯著。

表6 響應面試驗設計與結果Tab.6 Results of response surface test

表7 方差分析Tab.7 Analysis of variance

剔除方差來源中的不顯著項，得到損失率Y1、破碎率Y2優(yōu)化后的回歸方程，分別為

(9)

(10)

通過對回歸模型的分析，得出各因素對損失率和破碎率影響由大到小為滾筒轉速、喂入量、脫粒間隙。

3.4 試驗因素交互作用分析

3.4.1因素交互作用對損失率的影響

因素交互作用對損失率Y1的影響響應面如圖8所示，分析可知：

(1)損失率隨滾筒轉速的增大先減小后增大。隨著滾筒轉速的增大，脫粒元件對物料的沖擊、碾壓、揉搓和攪動作用增強，部分難脫種子被脫下，夾帶種子被分離，因此損失率減?。划敐L筒轉速持續(xù)增大時，物料在脫粒滾筒內停留的時間及被作用次數(shù)越來越少，導致未脫凈損失率增大；種子尚未分離就從排草口排出，導致夾帶損失率增大，因此，總損失率增大。

(2)隨著脫粒間隙增大，損失率變化幅度不明顯，整體呈先降低后升高的趨勢。分析可知，脫粒間隙逐漸增大會在一定程度增大脫?？臻g，物料被脫粒元件攪動的幅度更大，使莖稈和種子分離更加充分，進而夾帶損失率降低；當脫粒間隙越來越大時，物料層過于蓬松，物料受碾壓和揉搓的作用程度降低，導致未脫凈損失率逐漸升高。

(3)隨著喂入量的增加，損失率先降低后升高。這是因為彈性元件具有可調節(jié)能力，在喂入量增加初期，滾筒內物料增多，物料層壓實度增加，物料受脫粒元件及物料內部之間作用力增大，導致未脫凈種子減少，損失率降低；隨著喂入量不斷增加，物料開始積聚，脫粒元件變形調節(jié)能力減弱，夾雜在物料內部的角果和種子增多，造成脫粒分離不完全現(xiàn)象，損失率升高。

3.4.2因素交互作用對破碎率的影響因素交互作用對破碎率Y2的影響響應面如圖9所示，分析可知：

(1)隨滾筒轉速增加，破碎率呈先降低后升高的趨勢。滾筒轉速增加初期，物料在脫粒裝置內停留時間減少，種子受到的沖擊概率降低，破碎率變??；隨著滾筒轉速越來越大，脫粒元件對物料的作用強度和頻率均增大，因此破碎率逐漸升高。

(2)破碎率隨脫粒間隙的增大整體呈下降趨勢。脫粒間隙增加，物料層變得蓬松，脫粒元件對物料的碾壓和揉搓作用減弱，物料受到?jīng)_擊時有更大的緩沖空間，因此破碎率變小。

(3)隨著喂入量逐漸增加，破碎率先減小后增大，但增大幅度緩慢。隨著喂入量的增加，脫粒滾筒內的物料增多，導致彈性脫粒元件發(fā)生變形，直接與脫粒元件作用的種子減少，通過物料內部之間摩擦作用完成脫粒過程的種子增多，因此破碎率降低；隨著喂入量越來越大，物料層持續(xù)增厚，脫粒元件變形調節(jié)能力減弱，導致與脫粒元件直接接觸的物料受到的碾壓力增大，碾壓作用增強導致破碎率升高。

3.5 脫粒裝置參數(shù)優(yōu)化

為得到該大白菜種子脫粒裝置的最優(yōu)工作參數(shù)，利用Design-Expert軟件中自帶的Optimization功能，分別設置各試驗因素的邊界條件為：滾筒轉速650～850 r/min，脫粒間隙15～25 mm，喂入量1.2～2.0 kg/s；破碎率0～1%，權重為0.6；損失率0～3%，權重為0.4。

在脫粒損失率、破碎率均最低的情況下，得到該脫粒裝置的最優(yōu)參數(shù)組合為：滾筒轉速726 r/min、脫粒間隙22.3 mm、喂入量1.73 kg/s，此時損失率為0.56%，破碎率為0.15%。

3.6 田間試驗驗證與對比

在最優(yōu)工作參數(shù)組合下，對彈性短紋桿-板齒組合式脫粒裝置及常規(guī)釘齒-柵格凹板式脫粒裝置進行田間對比試驗，試驗于2021年5月在河南省濟源市大白菜育繁種基地進行，試驗對象為晉菜三號，種植方式為移栽，種植行間距為90 mm，聯(lián)合收獲機一次收獲兩行，試驗現(xiàn)場如圖10所示。

根據(jù)GB/T 8097—2008《收獲機械 聯(lián)合收割機 試驗方法》的規(guī)定，選取長勢均勻，植株高度、密度及產(chǎn)量水平一致性較好的大白菜植株進行收獲試驗，按照準備區(qū)10 m、測定區(qū)10 m、停車區(qū)10 m的作業(yè)方式對收割區(qū)域劃分，試驗過程中，每組試驗均保持樣機的滿幅、勻速作業(yè)，且確保留茬高度一致。每次試驗后采集經(jīng)排草口及脫粒裝置出口排出雜質中的夾帶種子、未脫凈種子，以及出糧口所有種子，并參照室內試驗方法及時進行人工處理。

田間試驗結果表明，彈性短紋桿-板齒組合式脫粒裝置的種子損失率為0.68%，破碎率為0.39%，與軟件優(yōu)化得到的結果接近，說明試驗結果與軟件預測的結果具有可靠性。釘齒-柵格凹板式脫粒裝置損失率為0.61%，兩種收獲方式相差不大，且彈性短紋桿-板齒組合式脫粒裝置的種子破碎率降低了48.7%，表明該脫粒裝置能夠在滿足脫粒需求的前提下，顯著降低種子破碎程度。

4 結論

(1)針對大白菜種子脫粒的要求，采用理論與試驗相結合的方法，設計了一種彈性短紋桿-板齒組合式大白菜種子脫粒裝置。該裝置區(qū)別于常規(guī)釘齒式脫粒滾筒和柵格式凹板篩，采用彈性短紋桿-板齒和柔性圓頭釘齒組合作為脫粒元件，凹板采用圓管凹板，可有效減弱對物料的剛性沖擊，降低大白菜種子的破碎率。

(2)通過響應面試驗，建立了滾筒各因素與脫粒性能之間的回歸模型，分析得到對損失率和破碎率的影響由大到小為：滾筒轉速、喂入量、脫粒間隙。

(3)田間試驗表明，對于種子含水率18.39%～24.25%、莖稈含水率40.12%～44.38%、谷草比0.3～0.6的大白菜種子植株，彈性短紋桿-板齒組合式大白菜種子脫粒裝置的最佳結構和工作參數(shù)組合為：滾筒轉速726 r/min、脫粒間隙22.3 mm、喂入量1.73 kg/s，此時種子損失率為0.68%，破碎率為0.39%。通過與常規(guī)脫粒裝置對比試驗，發(fā)現(xiàn)彈性短紋桿-板齒組合式脫粒裝置的種子破碎率降低了48.7%，能夠有效提高脫粒質量。