玉米種子機(jī)械化脫粒及精選技術(shù)特征與發(fā)展趨勢(shì)

姜 巖，韓長(zhǎng)生，佟 童，許才花

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154000)

0 引言

玉米作為我國(guó)三大主要糧食作物之一，對(duì)其實(shí)施科學(xué)的栽培能夠更好地保證糧食產(chǎn)出，種子作為玉米栽培的基礎(chǔ)，其品質(zhì)對(duì)于玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益影響很大。近年來(lái)，我國(guó)種子機(jī)械化加工行業(yè)得到了快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的種子供應(yīng)更多采用機(jī)械化生產(chǎn)線(xiàn)加工的成品種子，這對(duì)于提升種子品質(zhì)具有積極作用。對(duì)于玉米植株而言，在進(jìn)行種子包衣、丸化、消毒等處理前，需完成對(duì)玉米果穗的脫粒和精選工作，科學(xué)高效的進(jìn)行脫粒和精選是獲取優(yōu)質(zhì)種子的前提條件，在機(jī)械化處理的過(guò)程中，脫粒與精選步驟受到機(jī)械結(jié)構(gòu)和工藝的影響很大，不同的脫粒和精選技術(shù)可能造成同一類(lèi)種子在品質(zhì)上出現(xiàn)較大差異，因此合理選用機(jī)械化脫粒及精選技術(shù)十分重要。

1 技術(shù)研究情況

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)于玉米種子的加工處理展開(kāi)了大量的研究，且很多研究集中于玉米籽粒的脫粒和清選、精選設(shè)備研發(fā)。王建廷[1]等研究開(kāi)發(fā)了一款用于玉米的柔性脫粒裝置，基于對(duì)玉米特性的分析測(cè)量，明確了玉米果柄、籽粒和玉米芯所能承受的破壞力、破壞位移、剛度系數(shù)等，基于此，研制的柔性脫粒裝置，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證籽粒破碎率僅為3.97%，脫凈率高達(dá)98.8%，具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；屈明浩[2]等研究了一款玉米籽粒二次清選裝置，以清選損失率和含雜率對(duì)二次清選裝置開(kāi)展了正交試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得到了最有利于清選質(zhì)量的進(jìn)氣口風(fēng)速、排氣管插入深度、錐段長(zhǎng)度等參數(shù)；尹冰雪[3]等開(kāi)發(fā)了一款高水分玉米脫粒滾筒，利用三維建模軟件對(duì)玉米脫粒元件進(jìn)行分析比較，并確定了最優(yōu)組合和排列，保證了玉米籽粒產(chǎn)生較小的破碎率，對(duì)于籽粒水分在30%左右的玉米進(jìn)行脫粒，破損率僅為4.53%；王建宇[4]等研制了一款基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的玉米籽粒精選系統(tǒng)，利用自動(dòng)控制和視覺(jué)分選算法，研究了針對(duì)玉米籽粒的整列分離、電磁控制、分選控制、在線(xiàn)視覺(jué)分選等模式，實(shí)現(xiàn)了玉米籽粒自動(dòng)精選。

2 機(jī)械化脫粒的技術(shù)特征

2.1 技術(shù)需求

機(jī)械化脫粒的主要目的是將玉米果穗上的籽粒完整脫離下來(lái)，需盡可能保證其完整性，針對(duì)玉米種子脫粒作業(yè)，現(xiàn)階段我國(guó)主要采用傳統(tǒng)脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒，與玉米作為糧食進(jìn)行脫粒的形式十分類(lèi)似，是依靠沖擊、擠壓、揉搓等方式將玉米籽粒從玉米芯上脫離下來(lái)?，F(xiàn)階段的籽粒脫離通常破損率在7%～10%，這還是用于糧食可用性的評(píng)判，若將脫粒后的籽粒用做玉米種子，則其中因損失而造成的不合格率更高。針對(duì)玉米種子的專(zhuān)用脫粒機(jī)通常需滿(mǎn)足以下功能要求。

1)高效率脫粒?，F(xiàn)代化的玉米種子加工處理通常采用生產(chǎn)線(xiàn)作業(yè)，機(jī)械化脫粒作為生產(chǎn)的初期工序必須具有良好的工作效率，能夠滿(mǎn)足單位時(shí)間足量的脫粒量，且具有97%以上的脫凈率。

2)低損傷率。損傷率主要由兩方面因素組成：一是在機(jī)械化脫粒作業(yè)過(guò)程中造成的糧食損失，包括未脫凈損失、磨損消耗、夾帶損失等；二是在脫粒過(guò)程中造成籽粒破損，由于脫粒后用于種子加工生產(chǎn)，在機(jī)械化脫粒過(guò)程中對(duì)種子表面造成的破殼、裂紋、擠壓損傷等勻會(huì)對(duì)種子質(zhì)量造成影響，也計(jì)入損傷率之內(nèi)。為提高玉米種子利用率，應(yīng)保證脫粒機(jī)具有較低的損傷率。

3)自動(dòng)化程度高。在種子加工生產(chǎn)線(xiàn)中，絕大部分工序采用自動(dòng)化作業(yè)，要求脫粒裝置也必須具有較高的自動(dòng)化程度，不僅應(yīng)具有自動(dòng)投放料等功能，還應(yīng)具備一定的智能化程度，例如，能夠根據(jù)玉米籽粒的含水率調(diào)整脫粒力度，或根據(jù)喂入量調(diào)整脫粒轉(zhuǎn)速等。

4)適用范圍廣。我國(guó)的玉米品種種類(lèi)繁多，不同種類(lèi)玉米籽粒的特性存在較大差異，這要求玉米籽粒脫粒裝置具備良好的適用性，以提高對(duì)不同種類(lèi)玉米的脫粒能力。

2.2 主要技術(shù)分類(lèi)

現(xiàn)階段，根據(jù)脫粒過(guò)程籽粒受力狀態(tài)的差異可將脫粒的方式分為沖擊脫粒、揉搓脫粒、梳刷脫粒、碾壓脫粒等幾大類(lèi)型。隨著脫粒機(jī)技術(shù)的逐漸升級(jí)，很多脫粒設(shè)備利用機(jī)械設(shè)計(jì)將多種脫粒方式融合，形成了較為成熟的脫粒機(jī)產(chǎn)品。傳統(tǒng)的脫粒機(jī)主要包括：滾筒式脫粒機(jī)、軸流式脫粒機(jī)、弓齒式脫粒機(jī)。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)玉米的籽粒脫粒還研發(fā)了部分新型的脫粒機(jī)產(chǎn)品，如柔性脫粒機(jī)、仿生脫粒機(jī)等。

2.2.1 滾筒式脫粒機(jī)

滾筒式脫粒機(jī)是應(yīng)用較早的脫粒機(jī)種類(lèi)，根據(jù)滾筒布置形式的不同可將其分為單筒式、復(fù)合式兩類(lèi)，常見(jiàn)的脫粒滾筒種類(lèi)包括釘齒式和紋桿式，釘齒式能夠在滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)玉米果穗產(chǎn)生較大沖擊力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)脫粒。紋桿式更類(lèi)似于利用揉搓方式進(jìn)行脫粒，近年來(lái)，滾筒式脫粒機(jī)逐漸向復(fù)式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，分別設(shè)有一級(jí)膠料滾筒和復(fù)脫滾筒，實(shí)現(xiàn)了脫粒率的顯著提升。

滾筒式脫粒機(jī)作業(yè)時(shí)玉米果穗通過(guò)喂入裝置由側(cè)方或側(cè)上方進(jìn)入滾筒，在滾筒旋轉(zhuǎn)的沖擊和磨擦下籽粒脫落，并同玉米芯和混雜的雜草、秸稈等細(xì)碎雜質(zhì)一同被排出。進(jìn)入后序的清選、精選裝置。滾筒式脫粒機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、購(gòu)置成本低、作業(yè)效率高，但其糧食損失率和籽粒破損率相對(duì)較高。

2.2.2 軸流式脫粒機(jī)

軸流式脫粒機(jī)與滾筒式脫粒機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能類(lèi)似，是在傳統(tǒng)滾筒式脫粒機(jī)基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)的新產(chǎn)品，與滾筒式脫粒機(jī)相比，軸流式脫粒機(jī)具有在完成脫粒同時(shí)進(jìn)行籽粒分離的能力，在進(jìn)行脫粒作業(yè)時(shí)，玉米果穗從脫粒機(jī)的一側(cè)喂入，脫粒結(jié)構(gòu)也為滾筒式，滾筒上設(shè)計(jì)有板柵格，脫粒后的種子可以從板柵格的小孔中掉落從而被分離，滾筒內(nèi)部設(shè)計(jì)有螺旋結(jié)構(gòu)，能夠在完成脫粒的同時(shí)將滾筒內(nèi)剩余的玉米芯、秸稈等雜物從出口排出[5]。圖1為我國(guó)生產(chǎn)的5TY-150-480型軸流式玉米脫粒機(jī)，該機(jī)配套有風(fēng)篩裝置，可實(shí)現(xiàn)同步除雜。

圖1 軸流式玉米脫粒機(jī)

軸流式脫粒機(jī)根據(jù)滾筒布置形式的不同分為橫置式和縱置式兩類(lèi)，橫置式更適用于含水率相對(duì)較低的種子脫粒，具有工作效率高的特點(diǎn)，但對(duì)于含水率較高的種子存在脫粒不凈問(wèn)題；縱置式相對(duì)于橫置式的脫粒效率低，但其對(duì)于含水率較高的種子也有很好的脫粒能力。隨著技術(shù)發(fā)展，軸流式脫粒機(jī)逐漸采用紋桿式與釘齒式相組合的脫粒形式，先通過(guò)紋桿式結(jié)構(gòu)的揉搓作用使籽粒與玉米芯之間的連接松動(dòng)，再利用釘齒沖擊完成全部脫粒，脫粒質(zhì)量得到更好保障。

2.2.3 弓齒式脫粒機(jī)

弓齒式脫粒機(jī)與滾筒式和軸流式的區(qū)別在于其利用弓齒結(jié)構(gòu)的梳刷和打擊作用進(jìn)行脫粒，脫粒筒圓柱外壁上間隔布置有弓齒，按照弓齒形狀和功能的不同，弓齒包括脫粒齒、梳理齒、加強(qiáng)齒三類(lèi)。在弓齒式脫粒機(jī)工作時(shí)，脫粒筒運(yùn)轉(zhuǎn)，玉米在喂入裝置的帶動(dòng)下由脫粒裝置軸向一側(cè)進(jìn)入脫粒機(jī)內(nèi)部，利用梳理齒施加拉力使大部分玉米籽粒脫離，并在脫粒齒和加強(qiáng)齒的作用下實(shí)現(xiàn)脫粒率的進(jìn)一步提高，脫粒后的種子與細(xì)小雜物一同通過(guò)篩孔落下被分離。

2.2.4 新型脫粒機(jī)

隨著生產(chǎn)過(guò)程對(duì)于種子脫粒質(zhì)量的要求越來(lái)越高，種子加工也對(duì)脫粒后玉米種子的完好率有了更高要求，為進(jìn)一步提高脫粒過(guò)程對(duì)玉米種子的保護(hù)作用，很多新型脫粒機(jī)被研發(fā)并應(yīng)用于玉米種子脫粒加工過(guò)程中。例如，柔性脫粒機(jī)、仿生脫粒機(jī)等。柔性脫粒機(jī)主要是利用橡膠、合成樹(shù)脂等柔性材料替代傳統(tǒng)的剛性材料進(jìn)行脫粒，脫粒過(guò)程更多依靠柔性材料的摩擦力實(shí)施，部分柔性脫粒機(jī)也配套有柔性齒用于增加一定的沖擊作用，柔性脫粒機(jī)較好地降低了玉米種子的破壞率，能夠?yàn)楹笃诜N子精選減少工作量。仿生脫粒機(jī)是脫粒機(jī)發(fā)展的一個(gè)新概念，其研發(fā)更多依賴(lài)于仿生學(xué)理念，技術(shù)的創(chuàng)新性較好，例如，仿人工搓動(dòng)脫粒、仿禽類(lèi)動(dòng)物啄食脫粒等，但大部分技術(shù)還在研究試驗(yàn)過(guò)程中，市場(chǎng)應(yīng)用較少[6]。

3 種子精選機(jī)械技術(shù)

3.1 除雜與分級(jí)

要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的種子精選，通常需要采用多工序的復(fù)合作業(yè)來(lái)完成，針對(duì)從脫粒機(jī)脫下的種子，首先應(yīng)利用風(fēng)篩設(shè)備進(jìn)行初步清理，去除種子中混雜的大部分雜草、玉米葉和秸稈的細(xì)碎，對(duì)于質(zhì)量較輕的混雜物，會(huì)被風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流吹出。與此同時(shí)，篩網(wǎng)會(huì)在曲柄連桿機(jī)構(gòu)或振動(dòng)電機(jī)的作用下實(shí)現(xiàn)振動(dòng)，篩網(wǎng)的孔洞能篩分出直徑較小的玉米籽粒及部分體積較小砂石等雜物。部分設(shè)備為提高分級(jí)與除雜的質(zhì)量，常采取多級(jí)篩網(wǎng)進(jìn)行除雜和篩分，以提高種子純度。

3.2 比重精篩

比重精篩是在完成初步除雜后進(jìn)行的進(jìn)一步除雜，并在此過(guò)程中去除大部分未成熟或腐敗的種子。比重精篩主要是利用優(yōu)質(zhì)種子與劣質(zhì)種子及砂石雜物之間的比重特性不同，對(duì)種子施加振動(dòng)后，在一定深度的容器內(nèi)，種子會(huì)大體按照自身比重的大小實(shí)現(xiàn)分層，比重小的種子在最上層，比重大的砂石在最下層，然后按層進(jìn)行分離，能夠提取出純度更高的種子[7]。

3.3 光線(xiàn)精篩

光線(xiàn)精篩的重點(diǎn)是進(jìn)一步去除種子中的腐敗、霉變、病變、破損等不良種子，主要是利用光線(xiàn)照射種子表面，利用表面的色澤、光澤度等差異識(shí)別并去除不良種子。

3.4 視覺(jué)精選

視覺(jué)精選技術(shù)現(xiàn)階段在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用較少，該技術(shù)在國(guó)外主要是針對(duì)種子進(jìn)行優(yōu)選使用，例如，通過(guò)視覺(jué)識(shí)別去除種子中的其他品種籽粒、雜合體籽粒等，提高種子的純度和種植的統(tǒng)一性，利用該技術(shù)能優(yōu)選出單倍體籽粒用于種子，有利于加快選育進(jìn)程并提高單產(chǎn)[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；耐苿?dòng)下，我國(guó)種子加工業(yè)逐漸向現(xiàn)代化的自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)模式轉(zhuǎn)型，種子生產(chǎn)效率和質(zhì)量更有保證。針對(duì)玉米播種實(shí)際需求而言，在現(xiàn)代化精量播種機(jī)作業(yè)模式下，要求玉米種子必須具備高質(zhì)量、高純度特征，這就對(duì)種子的脫粒和精選設(shè)備提出了更高要求。種子生產(chǎn)過(guò)程也必須重視相關(guān)設(shè)備的升級(jí)改造，以保證成品種子的良好品質(zhì)，為玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。