不同脫粒方式對玉米籽粒損傷的影響規(guī)律

徐海港，張春祥，孫延成，耿端陽，張小軍

(1. 山東時風(fēng)(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 山東 聊城 252800；2. 山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049；3. 四川省農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣總站, 四川 成都 610041)

黃淮海是我國玉米主產(chǎn)區(qū)之一，2019 年玉米種植面積約為4 212.9 萬hm2，占全國的36.0 %，總產(chǎn)量2.573 億t，占全國的39.1 %。夏玉米成熟期在9月份左右，此時玉米籽粒含水率一般超過30%[1-4]，這給玉米籽粒的機(jī)械化收獲造成很大障礙。籽粒在脫粒過程中受到脫粒元件的擠壓、沖擊和揉搓等外力作用易造成籽粒損傷，增加感染黃曲霉素的風(fēng)險;因此,如何降低玉米籽粒在收獲過程的損傷率已成為玉米籽粒直收技術(shù)推廣的關(guān)鍵[5-6]。

文獻(xiàn)[7]對軸流脫粒滾筒凹板與脫粒元件間隙、凹板橫柵格間隙和凹板縱連筋條間隙進(jìn)行了響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，得出在喂入量為10 kg/s條件下、凹板與脫粒元件間隙為25.4 mm、凹板橫柵格間隙為25 mm、凹板縱連筋條間隙為20 mm時，籽粒損傷率可降到最低的結(jié)論。文獻(xiàn)[8]對脫粒滾筒、凹板橫隔板與果穗之間的作用力進(jìn)行了數(shù)值分析，提出將玉米果穗簡化為127個節(jié)點(diǎn)的有限元分析方法，為脫粒過程中籽粒的受力和位移研究提供了參考；對凹板橫隔板間隙進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，凹板橫隔板間隙為62.5 mm時，籽粒損傷率可降到3%以下。文獻(xiàn)[9]開發(fā)了玉米脫粒仿真數(shù)字軟件AgriCAE，并以釘齒滾筒為例進(jìn)行了驗(yàn)證，為玉米脫粒滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了便利。長安大學(xué)王志明博士在同軸差速式脫粒分離滾筒研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)了橫置差速式軸流脫粒系統(tǒng)并確定了其最佳組合參數(shù)[10]。山東理工大學(xué)耿端陽教授研發(fā)了柔性釘齒和彈性短紋桿相結(jié)合的橫軸流式玉米柔性脫粒裝置，實(shí)現(xiàn)了在保證脫凈率條件下降低玉米籽粒損傷的作業(yè)效果[11]。

基于上述研究，本文研發(fā)板齒式和釘齒式兩種玉米脫粒裝置，并對其在4YZ-6型自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)上開展對比性試驗(yàn)，研究釘齒滾筒與柵格凹板組合式脫粒裝置和板齒滾筒與圓管凹板組合式脫粒裝置對籽粒損傷的影響規(guī)律，以期為優(yōu)選合理的脫粒裝置提供數(shù)據(jù)支持。

1 脫粒裝置的主要結(jié)構(gòu)

為了提高玉米收獲機(jī)的質(zhì)量，本文結(jié)合現(xiàn)有的紋桿式脫粒裝置、橫軸流式脫粒裝置、縱軸流錘爪式脫粒裝置的不同脫粒特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)兩種不同型式脫粒滾筒及凹板的脫粒裝置。為方便研究，通過在同一機(jī)具上依次更換不同的脫粒裝置進(jìn)而對比分析不同結(jié)構(gòu)形式脫粒裝置的工作性能。

1.1 釘齒式脫粒裝置

釘齒式脫粒裝置由釘齒滾筒和柵格凹板兩部分組成，其中釘齒式滾筒結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體參數(shù)如下：釘齒式滾筒回轉(zhuǎn)直徑620 mm、工作長度2 200 mm、凹板包角246°、入口脫粒間隙70 mm、出口脫粒間隙20～60 mm、滾筒轉(zhuǎn)速300～400 r/min；

1.前固定軸；2.喂入錐；3.喂入葉片；4.脫粒釘齒；5.脫粒滾筒；6.幅盤；7.后固定軸。

與其配合的柵格凹板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.轉(zhuǎn)動銷軸；2.柵格板；3.間隙調(diào)節(jié)凹板；4.固定凹板；5.凹板組合結(jié)構(gòu)。

1.2 板齒式脫粒裝置

板齒式脫粒裝置由板齒滾筒和圓管凹板兩部分組成，其中板齒式滾筒結(jié)構(gòu)如圖3所示，具體參數(shù)如下：板齒式滾筒回轉(zhuǎn)直徑620 mm、工作長度2 200 mm、凹板包角246°、入口脫粒間隙70 mm、出口脫粒間隙20～60 mm、滾筒轉(zhuǎn)速300～400 r/min；與其配合的圓管凹板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.前固定軸；2.喂入錐；3.喂入葉片；4.齒板式脫粒元件；5.板式脫粒元件；6.脫粒滾筒；7.前幅盤；8.排玉米芯板；9.后幅盤；10.后固定軸。

1.轉(zhuǎn)動銷軸；2.圓管；3.鉸接活頁；4.凹板組合結(jié)構(gòu)。

2 脫粒裝置試驗(yàn)及對比分析

2.1 籽粒損傷試驗(yàn)

為探索滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、籽粒含水率對籽粒損傷率的影響規(guī)律及最佳參數(shù)組合，以上述三因素為影響因素、以籽粒損傷率為考核指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)地點(diǎn)為山東省聊城市東昌府區(qū)試驗(yàn)田，屬山東玉米高產(chǎn)地帶，玉米種植行距為600 mm，試驗(yàn)地長度約75 m，寬度約20 m，收獲時間為9月下旬。對兩種脫粒裝置的上述三參數(shù)進(jìn)行籽粒損傷試驗(yàn)，兩種脫粒裝置分別在4YZ-6自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)上進(jìn)行換裝，其主要技術(shù)參數(shù)見表1，試驗(yàn)過程如圖5所示。

圖5 大田試驗(yàn)過程

表1 4YZ-6型自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)參數(shù)

收獲的玉米品種為鄭單958，收獲期玉米物理特性為：穗高1 200 mm、百粒重40～51 g，植株倒伏率低于5%，果穗下垂率低于5%，行距60 cm，最低結(jié)穗高度大于350 mm。

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 21961—2008《玉米收獲機(jī)械 試驗(yàn)方法》、GB/T 21962—2008 《玉米收獲機(jī)械 技術(shù)條件》以及NY/T 645—2002《玉米收獲機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》對研制的兩種不同結(jié)構(gòu)的脫粒裝置在4YZ-6型玉米籽粒直收機(jī)上進(jìn)行測試。為獲取籽粒損傷率所使用的主要檢測設(shè)備包括：0～30 m卷尺、TL-4型智能水分測試儀、J9-2型電子秒表、HCS-50型電子吊秤、JJ3000型電子天平。

在測定區(qū)，從接糧口隨機(jī)接取不少于2 kg的樣品，人工揀出有明顯裂紋及破皮的籽粒，分別稱出破損籽粒質(zhì)量及取樣籽粒的總質(zhì)量。其籽粒損傷率

(1)

式中：W1為損傷籽粒質(zhì)量，等于有明顯裂紋和破皮的籽粒質(zhì)量之和(g)；W2為樣品籽?？傎|(zhì)量(g)。

2.3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果分析

為了掌握各因素對籽粒損傷的影響規(guī)律，確定試驗(yàn)參數(shù)的合理取值范圍，對其開展單因素試驗(yàn)。

2.3.1 單因素試驗(yàn)及分析

由于玉米收獲期含水率是導(dǎo)致籽粒損傷的主要原因，所以本研究在借鑒相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，選擇在出口脫粒間隙40 mm、滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min的情況下分別對兩種不同類型的脫粒裝置開展籽粒損傷率隨其含水率變化單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 含水率對籽粒破損率的影響

由圖6可以看出，對于兩種不同結(jié)構(gòu)的脫粒裝置，都表現(xiàn)出隨著籽粒含水率的增加，其籽粒損傷增加的趨勢，表明籽粒含水率對脫粒過程籽粒損傷有顯著的影響。這是因?yàn)楫?dāng)籽粒含水率較高時，籽粒間的相互夾持力越大，籽粒的抗損傷能力越低，所以導(dǎo)致了籽粒損傷率隨含水率增加而增加。但總體而言，板齒式脫粒裝置比釘齒式脫粒裝置的籽粒損傷小，這是因?yàn)榘妪X式脫粒裝置作業(yè)時，板齒、圓管與果穗成線狀接觸，而釘齒式脫粒裝置作業(yè)時，其釘齒、柵格板與果穗成點(diǎn)狀接觸，即板齒式對果穗的脫粒強(qiáng)度顯著低于釘齒式結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致其籽粒損傷率較低。

為了探尋脫粒間隙對籽粒損傷率的影響規(guī)律，本研究依據(jù)玉米收獲期含水率多為30%左右的實(shí)際情況，選擇了該條件下的玉米為試驗(yàn)對象；為了增強(qiáng)前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，滾筒轉(zhuǎn)速繼續(xù)取前述試驗(yàn)的300 r/min；脫粒間隙雖然包括入口間隙和出口間隙，但是出口間隙是導(dǎo)致籽粒損傷的主要原因，所以選擇入口間隙為70 mm，出口間隙為20～60 mm時開展脫粒間隙對籽粒損傷的影響規(guī)律試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 出口脫粒間隙對籽粒損傷率的影響規(guī)律

由圖7可以看出，對于兩種不同結(jié)構(gòu)的脫粒裝置，都表現(xiàn)出隨著出口間隙的增加，其籽粒損傷率逐漸下降。這是因?yàn)殡S著出口脫粒間隙的增加，脫粒滾筒作用于果穗上的脫粒強(qiáng)度會逐漸降低，所以表現(xiàn)出籽粒損傷隨出口脫粒間隙增加而減小的趨勢。但是整體而言，板齒式脫粒效果要優(yōu)于釘齒式，這是因?yàn)閷τ诎妪X式玉米脫粒方式而言，其脫粒過程為板齒式脫粒滾筒與配套的圓管凹板都以線接觸方式對果穗施加脫粒載荷，而釘齒式滾筒配合柵格凹板對果穗以點(diǎn)接觸方式施加脫粒載荷，所以板齒式脫粒強(qiáng)度較釘齒式要柔和，從而表現(xiàn)出板齒式脫粒裝置籽粒損傷率低于釘齒式脫粒裝置籽粒損傷率的效果。

為探尋脫粒滾筒轉(zhuǎn)速對籽粒損傷率的影響規(guī)律，根據(jù)前期的玉米籽粒含水率測試結(jié)果，選取含水率30%玉米籽粒、出口脫粒間隙40 mm為條件，研究兩種脫粒裝置在不同轉(zhuǎn)速下籽粒損傷規(guī)律，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 脫粒滾筒轉(zhuǎn)速對籽粒損傷率的影響規(guī)律

由圖8可以看出，隨著脫粒滾筒轉(zhuǎn)速的增大，兩種脫粒方式都表現(xiàn)出籽粒損傷率逐漸升高的趨勢，且轉(zhuǎn)速越高，差異越大。這是因?yàn)槊摿Ｔ木€速度是影響籽粒損傷的重要因素，當(dāng)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速較低(脫粒元件線速度較低)時，作用于果穗上的撞擊力、揉搓力相對較小，其籽粒損傷率也較低；但隨著脫粒滾筒轉(zhuǎn)速的提高，脫粒元件對果穗施加的脫粒強(qiáng)度逐漸加大，特別是釘齒式脫粒方式，其增長趨勢顯著高于板齒式脫粒方式，所以導(dǎo)致了后期兩者的籽粒損傷差異較大。整體而言，板齒式脫粒方式的籽粒損傷率較釘齒式脫粒方式表現(xiàn)出較大優(yōu)勢，這是因?yàn)橄啾柔旪X式脫粒滾筒對玉米果穗的點(diǎn)狀接觸，板齒式脫粒滾筒的線狀接觸增大了脫粒元件與果穗的接觸面積，減小了單個玉米籽粒上撞擊、揉搓力的作用，從而起到了減小籽粒損傷的效果。

2.3.2 旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)及分析

考慮到籽粒損傷率是滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、籽粒含水率綜合作用的結(jié)果，因此對上述三因素開展三因素三水平的旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)。設(shè)滾筒轉(zhuǎn)速為X1，出口脫粒間隙為X2，籽粒含水率為X3，板齒式脫粒裝置籽粒損傷率為Y1，釘齒式脫粒裝置籽粒損傷率為Y2，試驗(yàn)因素與水平見表2。

表2 試驗(yàn)因素與水平

為了探尋兩種脫粒裝置的最佳參數(shù)組合，利用Design Expert軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析[12]，分析結(jié)果見表3。

由表3可知，在滾筒轉(zhuǎn)速350 r/min、出口脫粒間隙60 mm、含水率26%的情況下，兩種不同類型的脫粒裝置籽粒損傷率達(dá)到最低。同時由表4和表5方差分析可知，所選試驗(yàn)因素對籽粒損傷率均存在顯著影響。結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)過程對籽粒損傷的觀察發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒脫粒損傷一般多發(fā)生在種皮、胚乳處，其損傷為裂紋甚至斷裂；因此，在玉米脫粒過程中，籽粒受到的脫粒強(qiáng)度越大，越容易損傷，即脫粒裝置、滾筒線速度、凹板間隙等是影響玉米籽粒損傷的關(guān)鍵因素。板齒式相比釘齒式、圓管相比柵格板，果穗籽粒受力均勻，揉搓性能柔和，所以其脫粒效果優(yōu)于釘齒式脫粒效果。

表3 試驗(yàn)方案和結(jié)果

表4 板齒式滾筒脫粒裝置籽粒損傷率的方差分析

表5 釘齒式滾筒脫粒裝置籽粒損傷率的方差分析

3 結(jié)束語

通過田間大面積玉米收獲試驗(yàn)，對兩種不同的脫粒裝置進(jìn)行了試驗(yàn)對比。結(jié)果表明：在相同條件下，釘齒滾筒配合柵格凹板式脫粒裝置脫粒雖然也可以實(shí)現(xiàn)籽粒直收，但其籽粒收獲效果難盡人意，籽粒損傷率在4.2%左右；板齒滾筒配合圓管凹板的脫粒裝置脫粒效果更好，籽粒損傷率僅為2.2%左右，籽粒損傷率較低，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，更適合我國高濕玉米籽粒直收型收獲機(jī)選用。