適應(yīng)不同成熟度大豆的差速脫粒滾筒性能試驗(yàn)與分析

康家鑫，王修善,2，謝方平,2，羅 曜,3，李 奇，黃曉軍

適應(yīng)不同成熟度大豆的差速脫粒滾筒性能試驗(yàn)與分析

康家鑫1，王修善1,2，謝方平1,2※，羅 曜1,3，李 奇1，黃曉軍1

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410128；2. 智能農(nóng)機(jī)裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410128；3. 湖南省農(nóng)友機(jī)械集團(tuán)有限公司，婁底 417700）

針對(duì)南方地區(qū)大豆草谷比和未成熟豆莢占比高，造成收獲機(jī)脫粒清選分離質(zhì)量差、功耗大等問題，設(shè)計(jì)了一種前后兩段組合且兩段轉(zhuǎn)速差可調(diào)的脫粒滾筒，研究了脫粒滾筒參數(shù)變化對(duì)豆莢和籽粒的能量、等效形變量等的影響。以脫粒齒類型、前段滾筒轉(zhuǎn)速、兩段滾筒轉(zhuǎn)速差為影響因素，以破碎率、未脫凈率和夾帶損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到了差速與非差速脫粒滾筒的最優(yōu)參數(shù)組合，并通過綜合性能試驗(yàn)對(duì)比了兩種脫粒滾筒的脫粒質(zhì)量、作業(yè)油耗和工作效率。結(jié)果表明，差速脫粒滾筒最優(yōu)參數(shù)組合是脫粒齒類型為紋桿齒-桿齒組合式脫粒齒，前段滾筒轉(zhuǎn)速為450 r/min，兩段滾筒轉(zhuǎn)速差為150 r/min。此時(shí)，相較于傳統(tǒng)的桿齒式非差速脫粒滾筒，脫粒質(zhì)量更高，油耗降低了2.7 L/hm2，最大作業(yè)效率增大了10.35 %。該研究能夠?yàn)榻鉀Q南方地區(qū)大豆聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置適應(yīng)性問題提供依據(jù)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；大豆；收獲機(jī)；南方地區(qū)；差速脫粒滾筒；模糊綜合評(píng)價(jià)法

0 引 言

南方地區(qū)作為中國大豆主產(chǎn)區(qū)之一[1]，相較于其他主產(chǎn)區(qū)，在收獲期的氣溫高、空氣濕度大[2]，加之大豆草谷比和未成熟的豆莢占比高的特性[3-4]，在收獲時(shí)，現(xiàn)有聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒不能依據(jù)物料成熟度不一的特性，分別采用不同的打擊速度進(jìn)行脫粒，因此對(duì)大豆的適應(yīng)性差，嚴(yán)重影響大豆聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)質(zhì)量[5]。

為提升脫粒滾筒對(duì)作物特性的適應(yīng)性，科研人員對(duì)脫粒滾筒結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)進(jìn)行了大量的研究。金誠謙等[6]對(duì)黃淮海地區(qū)大豆聯(lián)合收獲機(jī)脫粒清選系統(tǒng)的工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)，得出破碎率和損失率最小時(shí)，脫粒清選系統(tǒng)的工作參數(shù)組合。楊歡等[7]對(duì)西南地區(qū)小型大豆聯(lián)合收獲機(jī)縱軸流脫粒滾筒的工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，得出了滾筒轉(zhuǎn)速、導(dǎo)流板角度和篩孔尺寸對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律。劉基[8]利用仿真和田間試驗(yàn)，分析了脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、桿齒角度、脫粒間隙對(duì)脫粒評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律，得出脫粒滾筒最優(yōu)工作參數(shù)組合。邸志峰等[9]針對(duì)黃淮海地區(qū)玉米籽粒在機(jī)收過程中，破碎率和未脫凈率高的問題，設(shè)計(jì)了一種采用“紋桿塊＋桿齒”組合式脫粒齒的脫粒滾筒，通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)脫粒裝置的工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，降低了玉米籽粒直收時(shí)的破碎率和未脫凈率。李義博等[10]為降低玉米籽粒的破碎率和未脫凈率，設(shè)計(jì)了橡膠層與碳鋼層復(fù)合結(jié)構(gòu)的脫粒桿齒，通過臺(tái)架試驗(yàn)確定了適用于高含水率玉米脫粒的桿齒材料為三元乙丙橡膠。王志明等[11-14]設(shè)計(jì)了一種橫軸流同軸差速水稻脫粒滾筒，工作時(shí)，前滾筒以低轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒連接力小的水稻進(jìn)行脫粒，后滾筒以高轉(zhuǎn)速對(duì)連接力大的水稻進(jìn)行脫粒，有效降低了籽粒破碎率。金小亮等[15]通過建立功耗模型和實(shí)際試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的桿齒式非差速脫粒滾筒的功耗與滾筒轉(zhuǎn)速成正比。

已有研究表明：非差速滾筒對(duì)成熟度不均勻的作物脫粒時(shí)，通常采用增大轉(zhuǎn)速來減小未脫凈損失，但當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速增大后，一方面，較成熟的籽粒因受到更大的沖擊力而會(huì)被打碎，甚至已經(jīng)脫出的籽粒因與滾筒碰撞時(shí)沖擊力增大，也會(huì)導(dǎo)致破碎率上升，另一方面，增大轉(zhuǎn)速后的滾筒功耗也隨之增大，增加了機(jī)收作業(yè)成本。因此，為提升中國南方地區(qū)大豆聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒的適應(yīng)性和綜合性能，本文針對(duì)南方地區(qū)大豆在收獲期草谷比、未成熟豆莢占比高的特性，設(shè)計(jì)了一種滾筒轉(zhuǎn)速差可調(diào)的縱軸流差速脫粒滾筒。通過試驗(yàn)分析得到了差速脫粒滾筒和傳統(tǒng)的桿齒式非差速脫粒滾筒的最優(yōu)參數(shù)組合，并在最優(yōu)參數(shù)組合下對(duì)比了兩種脫粒滾筒的脫粒質(zhì)量、作業(yè)油耗和最大作業(yè)效率，對(duì)脫粒滾筒的綜合工作質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)判，為多方面研究大豆收獲機(jī)脫粒裝置提供參考依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與改進(jìn)

所設(shè)計(jì)的聯(lián)合收獲機(jī)差速脫粒滾筒和外置傳動(dòng)系統(tǒng)主要由動(dòng)力輸出帶輪、前T型變速箱、差速脫粒滾筒、過渡帶輪、調(diào)速帶輪、后T型變速箱組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.聯(lián)合收獲機(jī) 2.動(dòng)力輸出帶輪 3.前T型變速箱 4.差速脫粒滾筒 5.過渡帶輪 6.調(diào)節(jié)帶輪軸 7.調(diào)節(jié)帶輪 8.后T型變速箱

該差速脫粒滾筒分為前、后兩段，動(dòng)力從滾筒前后不同側(cè)方向輸入，并且滾筒傳動(dòng)系統(tǒng)安裝在收獲機(jī)外側(cè)。改進(jìn)后的差速脫粒滾筒主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 差速脫粒滾筒主要技術(shù)參數(shù)

脫粒滾筒的前后兩段，在各自一端安裝有傳動(dòng)系統(tǒng)。工作時(shí)，割臺(tái)將大豆莖稈切斷后，被鏈耙式輸送器送至脫粒室，在脫粒室內(nèi)，前段脫粒滾筒以較低的轉(zhuǎn)速對(duì)易脫籽粒進(jìn)行脫粒，同時(shí)隨著脫粒混合物向后運(yùn)動(dòng)，后滾筒則以較高的轉(zhuǎn)速對(duì)難脫的籽粒進(jìn)行脫粒，并將無法被凹板篩分離的雜質(zhì)排出脫粒室，凹板篩分離出的脫出物落入清選室中，將大豆從雜質(zhì)中分離，干凈的大豆被攪龍輸送至糧倉，雜質(zhì)則被吹出機(jī)具外。整機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 4LZ-4.0聯(lián)合收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 脫粒分離裝置結(jié)構(gòu)

由于傳統(tǒng)脫粒滾筒無法采用不同的轉(zhuǎn)速適應(yīng)不同成熟度的大豆脫粒，在綜合研判基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種兩段式差速脫粒滾筒及配套的外置傳動(dòng)系統(tǒng)。

1.2.1 差速脫粒滾筒結(jié)構(gòu)

差速脫粒滾筒結(jié)構(gòu)如圖2所示，相較于現(xiàn)有的縱軸流差速脫粒滾筒[16]，設(shè)計(jì)的差速脫粒滾筒前、后兩段滾筒的動(dòng)力輸入均采用T型變速箱帶動(dòng)，能夠通過改變傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比，來調(diào)節(jié)后滾筒轉(zhuǎn)速，應(yīng)用范圍更廣，同時(shí)脫粒滾筒的中心軸為低速空心軸和低速實(shí)心軸焊接而成，降低了滾筒質(zhì)量、簡化了結(jié)構(gòu)，在前脫粒滾筒的低速實(shí)心軸和后脫粒滾筒的高速空心軸之間安裝有軸承，使前滾筒與后滾筒能夠分別以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)[17]。

依據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（下冊(cè)）》可知，大豆脫粒常用桿齒和紋桿齒。為明確適用于南方地區(qū)大豆特性的脫粒齒，前滾筒的脫粒齒分別采用紋桿齒和桿齒兩種脫粒齒進(jìn)行對(duì)比。與此同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，未成熟豆莢含水率較高，脫粒時(shí)所需作用力較大，為了降低未脫凈損失率，后滾筒采用桿齒。因此，分別制作了前、后脫粒齒均為桿齒的全桿齒式脫粒齒，以及前脫粒齒為紋桿齒，后脫粒齒為桿齒的組合式脫粒齒。

1.喂入攪龍 2.前脫粒滾筒 3.低速空心軸 4.低速實(shí)心軸 5.后脫粒滾筒 6.高速空心軸 7.軸承

1.2.2 差速滾筒外置傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了對(duì)前后滾筒之間的轉(zhuǎn)速差進(jìn)行調(diào)節(jié)，依據(jù)差速脫粒滾筒的動(dòng)力輸入不同方向，設(shè)計(jì)了一種外置傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖3所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)帶輪帶動(dòng)安裝在同一根軸上的動(dòng)力輸入帶輪和動(dòng)力輸出帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)后，動(dòng)力分為兩路，一路帶動(dòng)前T型變速箱大帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)前脫粒滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，另一路則通過過渡帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)調(diào)節(jié)帶輪、后動(dòng)力輸入帶輪和后T型變速箱轉(zhuǎn)動(dòng)，最后帶動(dòng)后脫粒滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)帶輪安裝在收獲機(jī)外部，通過改變調(diào)節(jié)帶輪的直徑，能夠高效、便捷地實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)前后滾筒的轉(zhuǎn)速差。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)帶輪 2.動(dòng)力輸入帶輪 3.錐齒輪 4.喂入攪龍 5.前脫粒滾筒 6.前T型變速箱大帶輪 7.動(dòng)力輸出帶輪 8.過渡帶輪 9.調(diào)節(jié)帶輪 10.后T型變速箱大帶輪 11.后動(dòng)力輸入帶輪 12.后脫粒滾筒 13.發(fā)動(dòng)機(jī)

1.2.3 凹板篩選型

為避免其他因素變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，采用常用的柵格式凹板篩，凹板篩沿脫粒滾筒軸向分為脫粒段凹板篩和分離段凹板篩兩部分。目前聯(lián)合收獲機(jī)凹板篩包角范圍多在100°～270°，依據(jù)收獲機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，選取凹板篩的包角為200°[18]。同時(shí)，由于在滾筒后段，雜質(zhì)的占比高，為了降低脫粒過程中的夾帶損失，將分離段凹板篩的篩孔增大5 mm，脫粒段和分離段凹板篩的篩孔尺寸分別為14 mm×45 mm和19 mm×45 mm，如圖4所示。

1.脫粒段凹板篩 2.分離段凹板篩

2 脫粒滾筒與物料碰撞能量變化分析

為了研究脫粒滾筒結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)脫粒質(zhì)量產(chǎn)生的影響，選取與脫粒滾筒相關(guān)的脫粒齒類型、碰撞速度以及碰撞次數(shù)作為因素，分析不同因素對(duì)物料變化產(chǎn)生的影響。由于莖稈、豆莢等物料在脫粒過程中的形狀和變形程度復(fù)雜，豆莢殼體厚度遠(yuǎn)小于大豆籽粒的尺寸，形變量和受力情況等參數(shù)測(cè)量困難。因此選取形狀規(guī)整的大豆籽粒作為研究對(duì)象，通過分析大豆籽粒的能量變化情況，推論豆莢和莖稈等物料的能量變化情況[19]。

2.1 不同脫粒齒對(duì)能量變化的影響

為區(qū)分不同脫粒齒特性差異，進(jìn)一步分析碰撞時(shí)的主要問題，為簡化研究，選取不同脫粒齒與籽粒的對(duì)心碰撞進(jìn)行研究，作如下假設(shè)[20]：

1）略去脫粒齒和大豆碰撞中非碰撞力的作用、滾筒轉(zhuǎn)速變化以及脫粒齒和大豆之間的相對(duì)位移。

2）將大豆視為球體，不考慮大豆自轉(zhuǎn)的影響。

3）碰撞前大豆的絕對(duì)速度為零。

依據(jù)假設(shè)，對(duì)不同脫粒齒與大豆的碰撞過程受力分析如圖5所示。

注：C1、C2分別為桿齒質(zhì)心和紋桿齒質(zhì)心；O為大豆質(zhì)心；L1、L2分別為桿齒質(zhì)心、紋桿齒質(zhì)心與大豆質(zhì)心的連線長度，mm；VT為脫粒齒與大豆的碰撞點(diǎn)的速度，m/s；v1、v2分別為桿齒、紋桿齒與大豆的碰撞后的速度，m/s；ω為滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；θ為v2沿正視圖方向的投影與VT的夾角，(°)；φ為v2沿俯視圖方向的投影與VT的夾角，(°)；λ為紋桿齒與滾筒轉(zhuǎn)速在水平方向的夾角，(°)。

依據(jù)假設(shè)和圖5，碰撞前大豆的動(dòng)能為0，大豆與桿齒碰撞后的動(dòng)能（1）變化量Δ1以及與紋桿齒碰撞后的動(dòng)能（2）變化量Δ2為

式中大豆籽粒質(zhì)量，mm；為大豆與脫粒齒之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)。

根據(jù)假設(shè)和Griffith能量平衡原理可知，碰撞力做的功一部分轉(zhuǎn)化成其他形式的能量，另一部分則使大豆產(chǎn)生了裂紋或破碎[21]，并且大豆損傷程度與大豆動(dòng)能的變化量成正比。則籽粒與桿齒和紋桿齒碰撞后，導(dǎo)致籽粒破裂的能量B1和B2分別為

式中′為轉(zhuǎn)化成導(dǎo)致籽粒產(chǎn)生裂痕的系數(shù)。

由式（3）和（4）可知，當(dāng)脫粒齒的線速度相同時(shí)，大豆與桿齒碰撞后的動(dòng)能變化量更大，因此籽粒與桿齒碰撞后受到的沖擊力和轉(zhuǎn)化成導(dǎo)致籽粒產(chǎn)生裂紋的能量更高，籽粒也更容易破碎。為驗(yàn)證分析結(jié)果，通過ANSYS軟件的顯式動(dòng)力學(xué)（eplicit dnamics）模塊對(duì)大豆與脫粒齒的碰撞后的速度、應(yīng)力進(jìn)行分析，通過萬能材料試驗(yàn)儀器對(duì)仿真所需參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，得到大豆與脫粒齒的材料屬性如表3所示。

表3 大豆種子與脫粒齒材料屬性

依據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（下冊(cè)）》可知，紋桿齒和桿齒在脫粒大豆時(shí)的線速度范圍分別為10～14和12～15 m/s，為避免其他因素變化影響仿真結(jié)果，選取兩種脫粒齒的線速度均為13 m/s，方向沿大豆籽粒的長軸方向，并且定義脫粒齒為剛體，大豆籽粒為柔性體[22]。碰撞模型和碰撞結(jié)果如圖6和表4所示。

圖6 不同脫粒齒與大豆的碰撞模型

表4 籽粒與不同脫粒齒碰撞后的最大應(yīng)力和速度

從表4可以發(fā)現(xiàn)，相較于紋桿齒，籽粒與桿齒碰撞后的最大應(yīng)力和速度更大，依據(jù)式（1）和（2）可知，轉(zhuǎn)化成導(dǎo)致籽粒內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的能量也更大，籽粒也更容易破碎。

在實(shí)際脫粒過程中，在脫粒滾筒前段，成熟的豆莢較多，容易被脫粒，依據(jù)仿真結(jié)果，為了避免破碎率增大，在脫粒滾筒前段采用紋桿齒，一方面能夠先將容易脫粒的豆莢脫出，另一方面使難脫籽粒被輸送到滾筒后段，實(shí)現(xiàn)將成熟度不同的豆莢分段脫粒，而在滾筒后段，采用桿齒對(duì)難脫籽粒進(jìn)行脫粒，以降低未脫凈損失率，并且依據(jù)籽粒與不同脫粒齒的碰撞仿真結(jié)果可以推斷，莖稈等其他物料與紋桿齒碰撞后的等效彈性形變也更低，更不容易發(fā)生破碎，所以采用紋桿齒脫粒時(shí)，從凹板篩分離出的脫出物質(zhì)量和脫粒功耗也會(huì)更低。

2.2 不同碰撞速度的形變量變化

碰撞速度作為影響機(jī)收工作質(zhì)量的關(guān)鍵工作參數(shù)之一，主要通過控制籽?；蚨骨v的形變量，影響破碎率和未脫凈率。

在脫粒時(shí)，大豆與脫粒齒的碰撞分為彈性變形和損傷破壞兩個(gè)階段，依據(jù)Hertz接觸理論，大豆與脫粒齒碰撞產(chǎn)生損傷的相對(duì)臨界速度V為[23]

式中P為籽粒在碰撞過程中的法載荷；R為大豆籽粒與脫粒齒接觸后的等效半徑，mm；1為脫粒元件的質(zhì)量，kg；2為大豆籽粒的質(zhì)量，kg；*為大豆籽粒與脫粒齒的等效彈性模量，MPa。

由式（5）和Griffith能量平衡原理可知，當(dāng)脫粒齒類型不變時(shí)，碰撞速度越接近相對(duì)臨界速度，籽粒越容易發(fā)生破碎。這是由于轉(zhuǎn)化成導(dǎo)致籽粒形變的能量增大，使得籽粒的形變量超過了最大形變量。為驗(yàn)證分析結(jié)果，選取圖6a中，桿齒與籽粒的碰撞模型，分析籽粒與不同速度的桿齒碰撞后的等效彈性形變量，仿真結(jié)果如表5所示。

表5 籽粒與不同速度的桿齒碰撞后的等效彈性應(yīng)變值

從表5可以發(fā)現(xiàn)，隨著桿齒碰撞速度的增大，籽粒碰撞后的速度和等效彈性應(yīng)變量也隨之增大，并且當(dāng)碰撞速度相同時(shí)，未成熟籽粒的應(yīng)變量更大。因此當(dāng)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速較高的時(shí)候，豆莢的變形程度更大，籽粒更容易從豆莢中脫出，但與此同時(shí)，籽粒也更容易造成破碎。

如果現(xiàn)有的非差速脫粒滾筒為了避免破碎率增大而采用低轉(zhuǎn)速，會(huì)導(dǎo)致未成熟籽粒無法被脫，增大未脫凈損失率，但如果采用高轉(zhuǎn)速則會(huì)使?jié)L筒整體沖擊力增大，對(duì)未脫或已經(jīng)脫出的籽粒與脫粒元件碰撞時(shí)，受到損傷。因此，滾筒采用差速結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)首先通過低轉(zhuǎn)速對(duì)易脫籽粒進(jìn)行脫粒，再通過高轉(zhuǎn)速對(duì)難脫籽粒進(jìn)行脫粒，并且依據(jù)籽粒與不同速度脫粒齒的碰撞仿真結(jié)果可以推斷，由于差速脫粒滾筒的前滾筒轉(zhuǎn)速更低，因此莖稈等物料的破碎程度更低，從凹板篩分離出的脫出物質(zhì)量和脫粒功耗也會(huì)更低。

2.3 碰撞次數(shù)對(duì)能量變化的影響

研究發(fā)現(xiàn)，物料在脫粒過程中會(huì)與脫粒元件產(chǎn)生多次碰撞，并且籽粒、豆莢等物料在經(jīng)過多次碰撞后，內(nèi)部會(huì)累積一定的能量，當(dāng)內(nèi)部累積的能量達(dá)到籽?；蚨骨v能夠承受的臨界值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致籽粒破碎或裂莢。

依據(jù)Palmgren-Miner累積損傷理論對(duì)大豆破碎機(jī)理進(jìn)行研究，假設(shè)疲勞累積損傷與碰撞次數(shù)成線性關(guān)系，大豆產(chǎn)生疲勞破壞時(shí)的臨界碰撞次數(shù)j與導(dǎo)致大豆破碎時(shí)的能量臨界值W、每次碰撞時(shí)導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的能量值Δ之間的關(guān)系為[24]

依據(jù)式（6）可知，隨著碰撞次數(shù)的增加，累積在大豆內(nèi)部的能量也增加，當(dāng)碰撞次數(shù)超過臨界碰撞次數(shù)j后，內(nèi)部累積的能量達(dá)到臨界值W后，大豆會(huì)破碎。為驗(yàn)證分析結(jié)果，選取圖6a中，桿齒與籽粒的碰撞模型，分析籽粒內(nèi)部累積的能量與碰撞次數(shù)之間的關(guān)系，仿真結(jié)果如表6所示。

表6 碰撞次數(shù)與大豆內(nèi)部能量累積情況

依據(jù)表6可知，大豆內(nèi)部累積的能量與碰撞次數(shù)成正比。因此，在脫粒過程中，已經(jīng)脫出的籽粒應(yīng)盡快分離出脫粒室，未脫粒、難脫粒的豆莢則應(yīng)當(dāng)增大碰撞次數(shù)，降低未脫凈損失率，而其他物料則應(yīng)盡量減少與脫粒元件的碰撞次數(shù)，以避免增加分離出的脫出物質(zhì)量和脫粒功耗。

3 試驗(yàn)材料與方法

大豆聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化首先會(huì)影響脫出物質(zhì)量、雜質(zhì)占比等參數(shù)，進(jìn)而影響作業(yè)油耗等性能指標(biāo)[25]，因此油耗、作業(yè)效率也是重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。但在試驗(yàn)中，測(cè)量每組試驗(yàn)后的燃油消耗量需要將機(jī)具轉(zhuǎn)運(yùn)至平整地塊，并且等到油箱內(nèi)的燃油不再晃動(dòng)再測(cè)量，會(huì)大幅增加試驗(yàn)周期，影響后續(xù)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和進(jìn)度。同時(shí)，由于南方大豆葉片、莖稈等雜質(zhì)的含水率高，容易黏聚成團(tuán)，造成機(jī)具堵塞，為了避免堵塞，常采用降低機(jī)具行進(jìn)速度的方式，因此機(jī)具最大作業(yè)效率與其不發(fā)生堵塞時(shí)的最大前進(jìn)速度有關(guān)，但在實(shí)際試驗(yàn)中，測(cè)量機(jī)具不堵塞時(shí)的臨界速度，需要通過逐次增加前進(jìn)速度直至機(jī)具產(chǎn)生堵塞才能確定，增大了試驗(yàn)周期的同時(shí)，頻繁使機(jī)具產(chǎn)生堵塞也會(huì)對(duì)機(jī)具造成損傷，影響試驗(yàn)安全。因此，本文首先以破碎率、未脫凈率和夾帶損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過試驗(yàn)確定不同脫粒滾筒的最優(yōu)參數(shù)組合，再在最優(yōu)參數(shù)組合下，對(duì)比不同滾筒的脫粒質(zhì)量、作業(yè)油耗、最大作業(yè)效率，通過綜合評(píng)價(jià)，確定適用于南方地區(qū)大豆特性的脫粒滾筒。

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用大豆品種為湘春豆V8，依據(jù)GB/T 5262-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》[26]對(duì)大豆進(jìn)行參數(shù)測(cè)定，結(jié)果如表7所示。

表7 湘春豆V8特性參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方法

選取脫粒滾筒的脫粒齒類型（）、前滾筒轉(zhuǎn)速（）和滾筒轉(zhuǎn)速差（）為影響因素，破碎率（1）、未脫凈率（2）和夾帶損失率（3）為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。其中，破碎率依據(jù)NY/T 738-2020《大豆聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[27]對(duì)收獲的籽粒進(jìn)行取樣和分類，計(jì)算出破碎率。脫粒滾筒的未脫凈率和夾帶損失率依據(jù)GB/T 5982-2017《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》[28]，收集糧箱內(nèi)的籽粒和從排草口、清選口處排出的籽粒以及未脫粒的豆莢，計(jì)算未脫凈損失率和夾帶損失率。

由于脫粒滾筒的工作質(zhì)量由3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)共同反映，且破碎率和未脫凈率之間存在互相矛盾的問題，為對(duì)脫粒滾筒的脫粒作業(yè)質(zhì)量做出一個(gè)總體評(píng)價(jià)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析[29]，并且整機(jī)損失率由割臺(tái)損失率、未脫凈損失率、夾帶損失率和清選損失率組成，未脫凈損失率和夾帶損失率僅為4個(gè)分量指標(biāo)中的2個(gè)指標(biāo)，因此在計(jì)算模糊綜合評(píng)價(jià)值時(shí)，擬定未脫凈損失和夾帶損失的權(quán)重均為0.3，破碎率的權(quán)重為0.4。

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于成熟度不均勻的大豆在脫粒時(shí)的滾筒轉(zhuǎn)速范圍，國內(nèi)外尚無文獻(xiàn)參考。因此，依據(jù)田間實(shí)際情況和《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（下冊(cè)）》，確定前滾筒速范圍為400～600 r/min，而后滾筒轉(zhuǎn)速范圍在前滾筒所選的轉(zhuǎn)速之上，增大0～200 r/min。對(duì)應(yīng)的前滾筒轉(zhuǎn)速和滾筒轉(zhuǎn)速差水平如表8所示。其中，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速差為0時(shí)，滾筒類型為傳統(tǒng)的非差速脫粒滾筒。為得到擬合度較高的回歸模型以及試驗(yàn)結(jié)果，采用單因素全因子試驗(yàn)法。

4 結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)地點(diǎn)為湖南省株洲市攸縣上云橋鎮(zhèn)湖南省作物研究所試驗(yàn)田，試驗(yàn)大豆品種為湘春豆V8，試驗(yàn)時(shí)間為2020年7月15—22日。田間試驗(yàn)時(shí)（見圖7），為減少試驗(yàn)誤差帶來的影響，選取土地較為平整、大豆長勢(shì)均勻的田塊。每組試驗(yàn)的作業(yè)長度為70 m，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

圖7 大豆生長狀況及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

利用MATLAB的響應(yīng)面工具（cftool）對(duì)表9的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析并繪制響應(yīng)曲面圖，得到采用全桿齒式脫粒齒的脫粒滾筒的籽粒破碎率1-1、未脫粒率2-1、夾帶損失率3-1，以及采用組合式脫粒齒的脫粒滾筒的籽粒破碎率1-2、未脫粒率2-2、夾帶損失率3-2與影響因素之間的回歸方程：

表9 脫粒質(zhì)量指標(biāo)隸屬度與模糊綜合評(píng)價(jià)值

注：、、分別為脫粒齒類型、前滾筒主函數(shù)和滾筒轉(zhuǎn)速差的因素值，其中，值為1表示脫粒齒類型為全桿齒式脫粒齒（-1），值為2表示脫粒齒類型為組合式脫粒齒（-2），1、2、3分別代表破碎率、未脫凈率和夾帶損失率，1m、2m、3m別代表破碎率、未脫凈率和夾帶損失率的隸屬度，M表示脫粒質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)值。下同。

Note:,andare respectively the type of threshing teeth, the main function of the front cylinder and the factor value of the cylinder speed difference. Where,value is 1, indicating that the type of threshing teeth is full rod threshing teeth (-1) andvalue is 2, indicating that the type of threshing teeth is combined threshing teeth (-2),1,2and3respectively represent the percentage of broken, the percentage of unthreshed and the percentage of separation loss,1m,2m,3mrespectively represent membership of the percentage of broken grains, the percentage of unthreshed grains and the percentage of separation loss grains, andMrepresents fuzzy comprehensive evaluation value of threshing quality. The same below.

回歸方程的顯著性結(jié)果如表10所示，由于回歸方程的值均小于0.01，因此建立的回歸方程極為顯著，相關(guān)系數(shù)反映回歸方程與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)程度。

表10 回歸方程的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

為判別脫粒齒類型與前滾筒和滾筒轉(zhuǎn)速差之間有無交互作用，采用直觀分析法從整體上分析了脫粒齒類型與其他兩個(gè)影響因素之間的交互作用。

不同類型的脫粒齒的前滾筒轉(zhuǎn)速和滾筒轉(zhuǎn)速差取初始水平和末水平時(shí)，對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化趨勢(shì)相同。因此脫粒齒類型與前滾筒轉(zhuǎn)速和滾筒轉(zhuǎn)速差之間無交互作用。

4.2 不同影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

在田間工作過程中，為避免其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，前進(jìn)速度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)保持不變。

4.2.1 不同脫粒齒類型對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響

從圖8可以看出，前滾筒轉(zhuǎn)速和滾筒轉(zhuǎn)速差不變時(shí)，組合式脫粒齒的破碎率低于全桿齒式脫粒齒，未脫凈率和夾帶損失率高于全桿齒式脫粒齒。

這是由于組合式脫粒齒的前段為紋桿齒，籽粒、豆莢等物料與紋桿齒碰撞后，動(dòng)能變化量小，轉(zhuǎn)化成籽粒破碎和豆莢裂莢的能量少，因此組合式脫粒齒的破碎率比桿齒低，未脫凈率比桿齒高。同時(shí)，紋桿齒的體積比桿齒大，對(duì)物料層的壓實(shí)作用強(qiáng)，在紋桿齒和凹板篩之間的作物被壓縮得緊密，不利于籽粒的分離，因此紋桿齒-桿齒組合式脫粒齒的夾帶損失率比全桿齒式脫粒齒高[30]。

4.2.2 前滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響

從圖8可以看出，當(dāng)脫粒齒類型和滾筒轉(zhuǎn)速差不變時(shí)，隨著前滾筒轉(zhuǎn)速的增加，破碎率、未脫凈率和夾帶損失率均呈現(xiàn)先減小后上升的趨勢(shì)。

依據(jù)2.3節(jié)的研究結(jié)論，這是由于當(dāng)前滾筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，莖稈、葉片等物料的破碎程度低，籽粒難以穿過物料層，增大了籽粒與脫粒元件的碰撞次數(shù)，導(dǎo)致籽粒內(nèi)部累積的能量增大，因此破碎率和夾帶損失率較高。隨著前滾筒轉(zhuǎn)速的增加，莖稈、葉片等物料的破碎程度增大，籽粒能在內(nèi)部累積的能量達(dá)到發(fā)生破碎的臨界值之前就穿過物料層，使破碎率和夾帶損失率逐漸下降。當(dāng)前滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，大豆與籽粒碰撞時(shí)的相對(duì)速度超過不發(fā)生破碎的臨界速度，部分籽粒與凹板篩碰撞后反彈回脫粒室，使破碎率和夾帶損失率增大。

對(duì)于未脫凈率，當(dāng)前滾筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，未成熟的豆莢經(jīng)過多次碰撞后吸收的能量仍低于裂莢所需的能量臨界值[31]，因此未脫凈率高。隨著前滾筒轉(zhuǎn)速的增加，在豆莢每次碰撞時(shí)吸收的能量增大，能較快達(dá)到裂莢所需的能量臨界值，降低了未脫凈率。但隨著前滾筒轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加，豆莢在滾筒內(nèi)停留的時(shí)間減小，與脫粒齒碰撞次數(shù)減少，豆莢內(nèi)部累積的能量還未達(dá)到臨界值就被排出機(jī)具外部，使得未脫凈率增大。

4.2.3 滾筒轉(zhuǎn)速差對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響

從圖8可以看出，當(dāng)脫粒齒類型和前滾筒轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著滾筒轉(zhuǎn)速差的增大，破碎率、未脫凈率和夾帶損失率先減小后增大。

滾筒轉(zhuǎn)速差為后滾筒轉(zhuǎn)速與前滾筒轉(zhuǎn)速之間的差值，當(dāng)其他因素不變時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速差越大，后滾筒的轉(zhuǎn)速也越大，因此滾筒轉(zhuǎn)速差對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響原因與前滾筒轉(zhuǎn)速相似。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速差較低時(shí)，籽粒難以穿過物料層，增大了籽粒與滾筒的碰撞次數(shù)，導(dǎo)致破碎率和夾帶損失率較高。隨著滾筒轉(zhuǎn)速差的增大，大豆能在發(fā)生破碎之前穿過物料層，破碎率和夾帶損失率降低。隨著滾筒轉(zhuǎn)速差進(jìn)一步增大，大豆還未分離就被排出機(jī)具外，并且大豆與滾筒碰撞時(shí)的相對(duì)速度大于不發(fā)生破碎的相對(duì)臨界速度，因此破碎率和夾帶損失率又上升。

對(duì)于未脫凈率，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速差較低時(shí)，后滾筒的轉(zhuǎn)速也較低，豆莢與桿齒碰撞后，內(nèi)部累積的能量低于裂莢所需的能量臨界值，導(dǎo)致未脫凈率高。隨著滾筒轉(zhuǎn)速差的增大，在碰撞時(shí)，豆莢吸收的能量增多，達(dá)到了裂莢所需的能量臨界值，使得未脫凈率下降。隨著轉(zhuǎn)速差的進(jìn)一步增大，豆莢在滾筒內(nèi)停留的時(shí)間減小，與脫粒齒碰撞的次數(shù)減少，使得豆莢內(nèi)部累積的能量減少，導(dǎo)致未脫凈率增大。

圖8 不同脫粒齒的響應(yīng)曲面圖

4.2.4 不同脫粒滾筒最優(yōu)參數(shù)組合

模糊綜合評(píng)價(jià)值的分析結(jié)果見表11，由于破碎率、未脫凈率和夾帶損失率均為偏小型指標(biāo)，因此模糊綜合評(píng)價(jià)值越大，則說明脫粒質(zhì)量越好[32]。依據(jù)表11可知，差速滾筒的最優(yōu)參數(shù)組合為[33]：紋桿齒-桿齒組合式脫粒齒，前滾筒轉(zhuǎn)速為450 r/min、滾筒轉(zhuǎn)速差為150 r/min。傳統(tǒng)的桿齒式非差速脫粒滾筒的最優(yōu)轉(zhuǎn)速為500 r/min。

表11 模糊綜合評(píng)價(jià)法分析結(jié)果

4.2.5 不同影響因素對(duì)脫粒質(zhì)量影響分析

為了分析脫粒滾筒不同影響因素變化對(duì)脫粒質(zhì)量產(chǎn)生的影響，運(yùn)用MATLAB對(duì)表9中，采用不同脫粒齒得到的模糊綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行回歸分析，得出全桿齒式脫粒齒綜合評(píng)價(jià)值（a）、組合式脫粒齒綜合評(píng)價(jià)值（b）與前滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒轉(zhuǎn)速差之間的回歸方程。

通過回歸方程，可以量化分析影響因素變化時(shí)，采用不同脫粒齒的脫粒滾筒的具體數(shù)值，以及模糊綜合評(píng)價(jià)值的變化規(guī)律。

4.3 脫粒滾筒的綜合性能試驗(yàn)

4.3.1 不同滾筒脫粒質(zhì)量對(duì)比試驗(yàn)

為對(duì)比優(yōu)化后的差速脫粒滾筒與傳統(tǒng)的全桿齒式非差速脫粒滾筒的脫粒質(zhì)量，選取土地平整、植株長勢(shì)均勻的田塊進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)用大豆品種為湘春豆V8，每組試驗(yàn)機(jī)收作業(yè)長度為70 m，大豆含水率為13.8 %，自然落粒損失為13.42 g/m2。依據(jù)兩種滾筒最優(yōu)參數(shù)值，將全桿齒式非差速脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速調(diào)至500 r/min，將差速脫粒滾筒的前脫粒齒更換為紋桿齒，滾筒轉(zhuǎn)速差調(diào)為150 r/min，前滾筒轉(zhuǎn)速為450 r/min。每種滾筒進(jìn)行3次試驗(yàn)，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行取樣和計(jì)算平均值，并依據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算方法得到對(duì)比試驗(yàn)中，差速脫粒滾筒與傳統(tǒng)的全桿齒式非差速脫粒滾筒的工作質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)值[34]，分別為0.7和0.3。

依據(jù)對(duì)比試驗(yàn)得到的模糊綜合評(píng)價(jià)值可知，差速脫粒滾筒脫粒質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)的全桿齒式非差速脫粒滾筒。試驗(yàn)結(jié)果很好地證明了采用紋桿齒-桿齒組合式脫粒齒的差速脫粒滾筒對(duì)提升脫粒質(zhì)量的可行性。

4.3.2 作業(yè)油耗對(duì)比

為對(duì)比收獲機(jī)在相同的條件下，采用不同脫粒滾筒時(shí)的油耗情況，以收獲機(jī)單位作業(yè)面積內(nèi)的油耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別對(duì)采用差速脫粒滾筒和傳統(tǒng)的非差速脫粒滾筒的收獲機(jī)，進(jìn)行了最優(yōu)工作參數(shù)組合條件下的油耗對(duì)比試驗(yàn)。其中，差速脫粒滾筒的脫粒齒類型為紋桿齒-桿齒組合式脫粒齒，前滾筒轉(zhuǎn)速為450 r/min，滾筒轉(zhuǎn)速差為150 r/min，非差速脫粒滾筒的脫粒齒類型為全桿齒，滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min。在工作過程中，收獲機(jī)的前進(jìn)速度為4 km/h，轉(zhuǎn)彎速度為2 km/h，留茬高度為5 cm，選取尺寸相同的0.3hm2田塊進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，同時(shí)，對(duì)每組試驗(yàn)中的樣本進(jìn)行取樣，計(jì)算出每組試驗(yàn)的模糊綜合評(píng)價(jià)值，保證油耗對(duì)比試驗(yàn)中，脫粒滾筒的工作質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)與對(duì)比試驗(yàn)中的基本相同。

試驗(yàn)最終測(cè)得當(dāng)收獲機(jī)采用非差速的脫粒滾筒時(shí)，油耗為8.7 L/hm2，采用差速滾筒時(shí)的油耗為6.0 L/hm2，采用差速脫粒滾筒的收獲機(jī)油耗比非差速的脫粒滾筒低了2.7 L/hm2。這是由于差速脫粒滾筒的前滾筒轉(zhuǎn)速低，并且采用紋桿齒，對(duì)物料的破碎程度低，脫粒時(shí)的功耗較小，后段雖然采用高轉(zhuǎn)速，但大部分籽粒在前段被脫出，負(fù)荷較小，降低了油耗。因此，差速脫粒滾筒的作業(yè)功耗更低。

4.3.3 最大作業(yè)效率對(duì)比

由于脫粒滾筒結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)變化會(huì)改變從凹板篩中分離出的脫出物和雜質(zhì)在脫出物中的占比，因此首先通過臺(tái)架試驗(yàn)探究采用不同脫粒滾筒時(shí)的脫出物以及雜質(zhì)占比情況。

為模擬收獲機(jī)在田間收獲的實(shí)際情況，采用人工手割的方式對(duì)大豆植株進(jìn)行收獲，割茬高度為5 cm。試驗(yàn)前，卸下收獲機(jī)的清選篩和風(fēng)機(jī)皮帶，避免清選系統(tǒng)工作影響試驗(yàn)結(jié)果，并在清選篩位置放置接料盒。用電子臺(tái)秤稱取15 kg的大豆植株，將植株頂部朝向收獲機(jī)方向，均勻地鋪放在輸送區(qū)內(nèi)，鋪放長度為5 m，鋪放完畢后，啟動(dòng)收獲機(jī)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。用激光測(cè)速表測(cè)量前T型變速箱大帶輪的轉(zhuǎn)速并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的前滾筒轉(zhuǎn)速，然后調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速至目標(biāo)值后，調(diào)節(jié)控制輸送裝置電機(jī)的變頻器，使輸送帶能夠以1 m/s的速度向收獲機(jī)方向輸送物料，最后啟動(dòng)變頻器，使物料輸送至收獲機(jī)。試驗(yàn)完畢后，收集接料盒內(nèi)的脫出物，并計(jì)算脫出物總量和雜質(zhì)占比，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果如表12所示。

圖9 大豆脫出物測(cè)量試驗(yàn)

由表12可知，差速脫粒滾筒在最優(yōu)參數(shù)組合下的脫出物質(zhì)量以及脫出物內(nèi)的雜質(zhì)占比均低于傳統(tǒng)的全桿齒式非差速脫粒滾筒。因此采用差速脫粒滾筒的收獲機(jī)不容易發(fā)生堵塞。

表12 脫出物質(zhì)量與雜質(zhì)占比

依據(jù)表11和表12的分析結(jié)果，研究采用兩種脫粒滾筒在最優(yōu)參數(shù)組合下不發(fā)生堵塞時(shí)的收獲機(jī)最大前進(jìn)速度。為避免外界因素的影響，選取植株長勢(shì)相同的田塊進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)的作業(yè)長度為70 m，每次試驗(yàn)中收獲機(jī)前進(jìn)速度比上一組增大0.1 km/s，直至機(jī)具在該組前進(jìn)速度下發(fā)生堵塞，對(duì)每組機(jī)具發(fā)生堵塞時(shí)的前進(jìn)速度各測(cè)量3次，同時(shí)測(cè)量并計(jì)算發(fā)生堵塞前籽粒評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)值。

試驗(yàn)最終測(cè)得在最優(yōu)參數(shù)組合條件下，差速脫粒滾筒不發(fā)生堵塞時(shí)的最大前進(jìn)速度為6.4 km/s，全桿齒式非差速脫粒滾筒不發(fā)生堵塞時(shí)的最大前進(jìn)速度為5.8 km/s，作業(yè)效率增大了10.35%，并且在最大前進(jìn)速度和最優(yōu)參數(shù)組合條件下，對(duì)應(yīng)的模糊綜合評(píng)價(jià)值分別為0.7和0.3，說明差速脫粒滾筒不發(fā)生堵塞時(shí)的收獲機(jī)最大作業(yè)效率和脫粒質(zhì)量均優(yōu)于傳統(tǒng)的全桿齒式非差速脫粒滾筒。這是由于差速脫粒滾筒的前滾筒采用紋桿齒，并且前滾筒速度低于桿齒，脫出物以及其中的雜質(zhì)占比少，后滾筒雖然轉(zhuǎn)速高，但物料在脫粒室內(nèi)停留的時(shí)間變短，還未被分離就被排出脫粒室，降低了滾筒堵塞的概率。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合現(xiàn)有轉(zhuǎn)速差不可調(diào)的差速脫粒滾筒的脫粒原理，研制了一種轉(zhuǎn)速差可調(diào)的差速脫粒滾筒，通過田間試驗(yàn)和模糊綜合評(píng)價(jià)法，得出差速脫粒滾筒和傳統(tǒng)的全桿齒式非差速脫粒滾筒的最優(yōu)參數(shù)組合，并依據(jù)最優(yōu)參數(shù)組合對(duì)比了不同脫粒滾筒的田間綜合性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，最適宜南方地區(qū)大豆特性的聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒類型為差速脫粒滾筒，脫粒齒類型為紋桿齒-桿齒組合式脫粒齒，最優(yōu)參數(shù)組合為：前滾筒轉(zhuǎn)速為450 r/min，滾筒轉(zhuǎn)速差為150 r/min，在最優(yōu)參數(shù)組合條件下，差速脫粒滾筒的脫粒質(zhì)量更優(yōu)，模糊綜合評(píng)價(jià)值比傳統(tǒng)的全桿齒式非差速脫粒滾筒的脫粒質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)值增加了0.4，在作業(yè)時(shí)的油耗降低了2.7 L/hm2，最大作業(yè)效率增大了10.35%，說明差速脫粒滾筒的作業(yè)質(zhì)量、成本和效率均優(yōu)于全桿齒式非差速脫粒滾筒，能夠有效滿足中國南方地區(qū)大豆機(jī)械化收獲的需求。

本次試驗(yàn)脫粒元件組合只采用了全桿齒、紋桿齒與桿齒兩個(gè)組合，對(duì)于脫粒質(zhì)量的影響是基于上述兩個(gè)脫粒元件組合進(jìn)行研究，為得到全面的研究結(jié)果，可對(duì)其他脫粒元件組合進(jìn)一步進(jìn)行探討。

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Experiments and analysis of the differential threshing cylinder for soybean with different maturities

KANG Jiaxin1, WANG Xiushan1,2, XIE Fangping1,2※, LUO Yao1,3, LI Qi1, HUANG Xiaojun1

(1.,,410128,;2.,410128,;3.,417700,)

The threshing cylinder of the combine was used for soybean threshing and auxiliary soybean separation. However, soybean in Southern China has a high ratio of grass to grain and immature pods during harvest. The existing nondifferential speed threshing cylinder has poor adaptability to this feature, resulting in low threshing quality, low operating efficiency and high fuel consumption in the harvesting process. Therefore, this study aims to improve the adaptability and comprehensive performance of the threshing cylinder of soybean combine harvester in Southern China. Aims at the high ratio of grass to grain and the proportion of immature pods in soybean harvest in Southern China, a longitudinal axial flow differential threshing cylinder with adjustable cylinder speed difference was designed, it's front cylinder threshes the pods that are easy to thresh at a lower rotating speed, while the rear cylinder threshes the pods that are difficult to thresh at a higher rotating speed. And two types of threshing teeth were made, the full rod tooth threshing teeth was the front and rear cylinders were adopt rod teeth, and the rasp-rod combined threshing teeth was the front cylinder adopts the rasp bar, and the rear cylinder adopts the rod teeth. At the same time, in order to study the impact of the structure and parameters of the threshing cylinder on the threshing quality, the type of the threshing teeth, front cylinder speed and cylinder speed difference related to the threshing cylinder are selected as factors, and the Epicit Dnamics module of ANSYS software was used to analyze the impact of different factors on material changes from the perspective of energy and shape variables. It can be speculated that the cylinder with the rasp-rod combined threshing teeth has lower the percentage of broken, the percentage of unthreshed and the percentage of separation loss grains. In the end, the optimal parameter combination of the differential threshing cylinder and the traditional nondifferential threshing cylinder was obtained through experimental analysis, and the threshing quality, operating oil consumption and maximum operating efficiency of the two threshing cylinders are compared under the optimal parameter combination, evaluated the comprehensive working quality of the threshing cylinder, which provides a reference for the research of soybean harvester threshing device in many aspects. In the field test, due to the limitation of test cycle and safety, it is impossible to measure the fuel consumption and maximum operating efficiency in each group of tests. Therefore, the percentage of broken, the percentage of unthreshed and the percentage of separation loss that reflect threshing quality are taken as evaluation indicators, and a single factor comparative test was conducted, and the fuzzy comprehensive evaluation method was adopted, It was determined that the threshing cylinder most suitable for soybean characteristics in the Southern China was the differential speed threshing cylinder, and the threshing teeth type was the rasp-rod combined threshing teeth. The optimal parameter combination was: the speed of the front cylinder was 450 r/min, the speed difference of the cylinder was 150 r/min, and the optimal rotational speed of the traditional nondifferential speed threshing cylinder with rod tooth was 500 r/min. Under the optimal parameter combination, the comprehensive performance comparison test of two threshing cylinders was carried out. The results showed that the threshing quality of the differential threshing cylinder was higher, its fuzzy comprehensive evaluation value was 0.4 higher than that of the traditional rod tooth threshing cylinder, the fuel consumption was 2.7 L/hm2lower, and the working efficiency was 10.35% higher, It was proved that the differential speed threshing cylinder with the rasp-rod combined threshing teeth can improve the adaptability and comprehensive working performance of the harvester to soybeans. This discovery provides a favorable technical support for mechanized soybean harvesting in Southern China.

agricultural machinery; soybean; harvester; southern region; differential threshing cylinder; fuzzy comprehensive evaluation method

10.11975/j.issn.1002-6819.202206166

S223

A

1002-6819(2023)-01-0038-12

康家鑫，王修善，謝方平，等. 適應(yīng)不同成熟度大豆的差速脫粒滾筒性能試驗(yàn)與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2023，39(1)：38-49.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202206166 http://www.tcsae.org

KANG Jiaxin, WANG Xiushan, XIE Fangping, et al. Experiments and analysis of the differential threshing cylinder for soybean with different maturities[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(1): 38-49. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202206166 http://www.tcsae.org

2022-06-17

2022-11-27

湖南省高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)計(jì)劃項(xiàng)目（2020NK2002）；湖南省旱糧產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系

康家鑫，博士生，研究方向?yàn)槟戏降貐^(qū)大豆聯(lián)合收獲裝備。Email：1004064121@qq.com

謝方平，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事南方地區(qū)旱糧機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)及裝備。Email：hunanxie2002@163.com