立式玉米脫粒裝置設(shè)計與試驗*

王志偉，王其歡，明家銳，張策，王亞男，耿端陽

(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,255000)

0 引言

玉米籽粒直收具有減少收獲損失、降低勞動強度、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)勢,已成為國外玉米收獲的主流方式,也是我國玉米收獲技術(shù)發(fā)展的必然趨勢[1-2]。

國內(nèi)外在玉米脫粒理論和技術(shù)改進方面進行了大量研究。Miu等[3]創(chuàng)建了谷物軸向及切向脫粒裝置分離的離散數(shù)學(xué)模型,并對該數(shù)學(xué)模型進行了試驗驗證;Wacker等[4]研究同等脫粒條件下,縱軸流脫粒的籽粒破碎率要低于切流脫粒;Petkevicius等[5-6]研究了果穗在脫粒室的運動規(guī)律,結(jié)果表明果穗喂入姿態(tài)對其在脫粒室的運動有很大影響,且果穗平行于滾筒軸線方向較垂直于滾筒軸線喂入時,其運動速度更快;Srison等[7]研究了脫粒滾筒結(jié)構(gòu)與玉米果穗屬性對系統(tǒng)的籽粒損傷和功率消耗的影響規(guī)律。周旭等[8]對圓柱和圓錐2種脫粒滾筒進行了對比試驗,表明圓錐滾筒能有效降低籽粒損傷程度;屈哲等[9]研究了喂入量對縱軸流玉米脫粒效果的影響規(guī)律,提出了縱軸流較優(yōu)工作參數(shù)的確定方法;王鎮(zhèn)東等[10]研究證明變徑滾筒可提高果穗之間的接觸頻次,增強果穗之間接觸和揉搓作用,有效提高脫粒質(zhì)量;蘇媛等[11]通過改進釘齒結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了果穗與脫粒元件的柔性接觸,顯著降低了籽粒破碎率。但迄今為止,雖然在玉米籽粒脫粒技術(shù)方面進行了大量研究,籽粒損傷問題一直沒有得到徹底解決。

臥式滾筒普遍較長,導(dǎo)致脫粒機械整體尺寸較大。但由于我國大部分地區(qū)玉米種植時間和種植模式的不同,大型機械在丘陵山地等地區(qū)難以實施作業(yè),因此提高我國玉米脫粒機械的通用性也是目前亟待解決的問題。脫粒滾筒作為收獲機械核心工作部件,主要分為軸流和切流脫粒滾筒,其中軸流脫粒滾筒又分為橫向布置和縱向布置。橫向布置的脫粒滾筒長度會受到整機寬度的制約,而縱向布置的脫粒滾筒會使得收獲機的整機尺寸很長,若縮短脫粒滾筒長度,則會造成未脫凈率增加,影響脫粒質(zhì)量。

針對以上問題,在長期開展玉米脫粒技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,探索了立式玉米脫粒裝置對脫粒效果的影響規(guī)律,設(shè)計一種立式軸流脫粒裝置,在減小尺寸的同時,保證玉米脫粒質(zhì)量。以玉米作為試驗材料,開展試驗研究,為玉米脫粒裝置的設(shè)計研發(fā)提供參考依據(jù)。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 脫粒裝置結(jié)構(gòu)

立式玉米脫粒裝置如圖1所示,主要由脫粒滾筒、外筒、花鍵主軸、大帶輪、小帶輪、上軸承、下軸承、電機和機架等組成。其中整體結(jié)構(gòu)為立式結(jié)構(gòu),有利于果穗快速進入脫粒室和脫下籽粒在重力作用下快速離開脫粒室,避免脫下籽粒因循環(huán)沖擊出現(xiàn)的籽粒損傷增加問題;外筒結(jié)構(gòu)設(shè)計為上大下小圓臺狀,保證了脫粒間隙的漸序變小,上部大間隙有利于果穗的喂入和易脫籽粒的脫下,為剩余籽粒的脫粒創(chuàng)造條件;隨著脫粒間隙逐漸減小,脫粒強度不斷增強,提高了對未脫下籽粒的脫粒能力;脫粒元件在脫粒滾筒圓周表面螺旋分布,以提高果穗脫粒的載荷均勻性;為加強脫粒效果,外筒內(nèi)部設(shè)有光滑圓管,提高了對果穗的脫粒頻次;為提高脫粒裝置適應(yīng)性,在花鍵主軸下方位置開設(shè)有3個限位槽,可使?jié)L筒在脫粒裝置內(nèi)軸向移動,通過改變脫粒滾筒與外筒的相對位置,實現(xiàn)脫粒間隙的調(diào)節(jié)。

圖1 立式玉米脫粒裝置Fig.1 Vertical corn threshing device1.下軸承 2.脫粒滾筒 3.外筒 4.上軸承 5.小帶輪 6.電機 7.大帶輪 8.機架 9.花鍵主軸

1.2 工作原理

工作時,動力通過花鍵主軸帶動脫粒滾筒旋轉(zhuǎn),果穗從脫粒裝置上方軸向喂入,并在滾筒上部螺旋葉片作用下分散到滾筒四周,落入脫粒間隙;隨后在果穗重力作用下,果穗漸序下落,在此過程由于受到外筒內(nèi)壁圓管的阻滯和旋轉(zhuǎn)滾筒上脫粒元件的循環(huán)沖擊作用,實現(xiàn)果穗的旋轉(zhuǎn)和籽粒脫落;其中籽粒由于遠小于脫粒間隙,所以在重力作用下很快離開脫粒室,避免了二次沖擊導(dǎo)致籽粒損傷增加的問題;而未脫下的籽粒隨著脫粒元件與外筒上圓管的后續(xù)作用,逐漸與穗軸分離,完成整個脫粒過程。不同于其他依靠脫粒元件的推送作用實現(xiàn)果穗從入口到出口運動的脫粒方式,立式脫粒中果穗在重力作用下從入口走向出口,并且由于脫粒間隙較大,籽粒下落容易,可以有效避免脫下籽粒受到二次甚至多次沖擊。同時立式脫粒還可實現(xiàn)果穗360°脫粒,改善果穗在脫粒裝置內(nèi)的分布均勻性。

2 果穗受力分析與關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

2.1 果穗受力分析

對果穗受力進行分析,研究立式脫粒裝置對果穗受力的影響。在脫粒過程中,果穗的受力主要來源于果穗與果穗之間搓擦力Fp、果穗與脫粒元件之間沖擊力Fm以及果穗與外筒內(nèi)部焊接的圓形管之間搓擦力Fn以及重力G等形式。為了簡化分析過程,忽略果穗彈塑性形變及氣流阻力對脫粒過程的影響,則脫粒過程果穗的受力如圖2(a)所示。其中X軸沿滾筒切向并垂直于滾筒軸,Y軸沿滾筒徑向指向筒外,Z軸平行于滾筒軸向并指向喂入口。

(a) 脫粒裝置內(nèi)果穗受力分析

外筒內(nèi)壁圓管對果穗的搓擦力Fn可分解為摩擦力Ff和支撐力Fr。果穗喂入脫粒系統(tǒng)后,外筒內(nèi)圓管對果穗支撐力Fr在豎直方向分力與果穗重力G方向相反,有減緩果穗下落運動的作用,延長了果穗在脫粒裝置內(nèi)的脫粒時間。

據(jù)相關(guān)研究表明,脫粒階段由于籽粒受到穗軸方向的支撐,籽粒連接部位更容易沿著圓周切線方向被破壞,即圓周方向是最容易脫粒的方向[12]。因果穗間摩擦力相對較小,可忽略不計,果穗在XOY平面的受力情況如圖2(b)所示。假設(shè)果穗與脫粒元件和外筒內(nèi)壁圓管之間只有純滾動,沒有打滑現(xiàn)象。其中F1為脫粒元件對果穗摩擦力,F2為脫粒元件對果穗支撐力;H為弓齒高度。

則在X方向果穗受到的力

FX=Fm-F3sinφ1-Ffcosφ1

(1)

式中：F3——外筒內(nèi)壁圓管對果穗水平方向支撐力,N;

Ff——外筒內(nèi)壁圓管對果穗摩擦力,N;

φ1——F3與豎直方向夾角。

在Y方向果穗受到的力

FY=F3cosφ1-Ffsinφ1

(2)

其中

F3=Frcosφ

(3)

式中：φ——外筒錐度。

上述分力對果穗圓心O點處的力矩為

(4)

式中：M1——外筒內(nèi)壁圓管對果穗的力矩;

M2——脫粒元件對果穗的力矩;

φ2——脫粒元件對果穗支撐力F2與沖擊力Fm間夾角;

r——果穗半徑,mm。

顯然,在該組力偶矩的作用下,果穗會在脫粒元件與外筒內(nèi)壁圓管共同作用下繞果穗圓心O點發(fā)生翻轉(zhuǎn),確保脫粒充分。

2.2 脫粒元件結(jié)構(gòu)確定

2.2.1 脫粒元件結(jié)構(gòu)設(shè)計

脫粒元件是玉米脫粒裝置核心部件,其結(jié)構(gòu)與脫粒方式直接決定了玉米的脫粒質(zhì)量和效率。本文根據(jù)脫粒元件與籽粒作用時的受力分析對其形狀和尺寸進行設(shè)計。通過增大脫粒元件與籽粒的接觸面積,減小釘齒對籽粒的直接沖擊作用,從而減小破碎率。因此為了保證玉米脫粒效果,提高脫粒效率,采用弧形結(jié)構(gòu)的脫粒元件,減小籽粒損傷。

研究表明,玉米籽粒脫粒存在很大的非均衡脫粒力學(xué)特性。果穗大端、小端和中部的籽粒含水率存在2%～5%的差異,導(dǎo)致不同軸向位置籽粒脫粒力存在顯著差異,在果穗單粒脫粒試驗中,大端籽粒的脫粒力達到小端脫粒力的1.8～2.5倍;對于同一軸向位置的籽粒,隨著其周邊籽粒對其支撐作用不同,其脫粒力也有較大差異,由于籽粒的非均勻分布,導(dǎo)致了有支撐的脫粒力較無支撐脫粒力大4～6倍[13]。

考慮玉米籽粒連接強度的不一致性,分析脫粒元件對單粒籽粒的接觸作用。玉米籽粒厚度約為4～5 mm,考慮玉米籽粒形狀存在差異性,為保證脫粒元件與單粒籽粒充分接觸,所以選擇弓齒直徑為籽粒厚度的1～2倍,即6～10 mm。為提高脫粒元件與滾筒連接強度,防止脫粒元件在滾筒上的連接斷裂,同時增大脫粒元件與果穗接觸面積以延緩果穗下落,以谷物脫粒中使用的弓齒型脫粒元件為參考,設(shè)計弓齒式玉米脫粒元件,通過螺栓連接固定在滾筒上。脫粒弓齒如圖3所示。

圖3 脫粒弓齒Fig.3 Arch tooth threshing element

2.2.2 脫粒元件結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

當玉米果穗與弓齒發(fā)生碰撞,根據(jù)Hertz接觸理論,二者碰撞的截面積近似為以AB距離為長軸,以CD距離為短軸的橢圓面積[14],如圖4所示。

(a) 正視圖

圖4中E、F分別為直線AB與直線CD中點,O1、O2分別為弓齒彎曲圓心與弓齒直徑圓心,根據(jù)垂徑定理,直線EO1垂直于直線AB,直線FO2垂直于直線CD。因此由圖4(a)可知,AB長度

(5)

式中：h——果穗與弓齒碰撞時的壓縮量,mm;

R1——弓齒彎曲半徑,mm;

R2——弓齒半徑,mm。

由圖4(b)可知,CD長度

(6)

碰撞截面積

(7)

通過查閱資料得出含水率為30%的鄭單958玉米籽粒被壓縮發(fā)生破裂時,其壓縮變形量在0.97～1.53 mm之間[14]。為使籽粒不發(fā)生破裂,本文取玉米壓縮破裂時的最大壓縮變形量h=0.97 mm。

當弓齒直徑確定,即R2為常數(shù)時,因R2遠大于h,由式(7)可知弓齒彎曲半徑與碰撞截面積A呈正相關(guān)。即弓齒彎曲半徑越大,弓齒與果穗的接觸面積越大,對果穗的擊打強度越小。同理,當弓齒彎曲半徑確定時,弓齒直徑越大,弓齒與果穗的接觸面積越大,對果穗的擊打強度越小。

由式(7)同樣可得,隨著弓齒彎曲半徑的增大,弓齒與果穗間接觸面積的增加趨勢逐漸減緩并趨于水平,因此過大的弓齒彎曲半徑并不能對弓齒與籽粒間的接觸面積實現(xiàn)明顯的增加。為研究弓齒彎曲半徑參數(shù)的變化對籽粒破碎率的影響規(guī)律,取弓齒齒根跨距為40 mm,將彎曲半徑R11、R12、R13分別為20 mm、30 mm、40 mm的弓齒作為研究對象,如圖5所示。其中H1為弓齒有效工作垂直高度;H2為弓齒支撐高度(取值30 mm)。

圖5 弓齒彎曲半徑分析Fig.5 Analysis of bending radius of arch tooth

2.3 滾筒主要參數(shù)設(shè)計

2.3.1 滾筒轉(zhuǎn)速與直徑

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊推薦計算脫粒功的方法,有

(8)

式中：N——脫粒功;

m——喂入量,kg/s;

v——脫粒元件的線速度,m/s;

f——綜合脫粒系數(shù),對于玉米脫粒,一般取0.7～0.8。

又脫粒元件的線速度v=ωD/2,故

(9)

式中：ω——滾筒角速度,rad/s;

D——滾筒直徑,m。

在玉米脫粒功一定時,要實現(xiàn)籽粒與穗軸的分離,既可采用高轉(zhuǎn)速小直徑滾筒脫粒,也可通過低轉(zhuǎn)速大直徑滾筒的脫粒方式[13]?？紤]滾筒直徑越大,其慣性力越大,系統(tǒng)克服瞬時過載能力越強,工作過程越平穩(wěn),結(jié)合滾筒低轉(zhuǎn)速可以降低玉米的破碎率特點,所以本機選用了大直徑、低轉(zhuǎn)速的脫粒方式,將滾筒轉(zhuǎn)速控制在250～500 r/min范圍內(nèi)。

軸流滾筒玉米脫粒的線速度[15-16]一般為7～20 m/s,則根據(jù)式(10)可計算。

(10)

式中：n——滾筒轉(zhuǎn)速,r/min。

由式(10)可得,滾筒直徑D的范圍為0.27～1.53 m,取滾筒直徑為0.8 m,脫粒弓齒高度為55 mm。此時滾筒線速度范圍為10.47～20.94 m/s。

2.3.2 滾筒外形尺寸

脫粒滾筒分為喂入段和脫粒段2段。立式脫粒裝置中果穗通過重力作用進入脫粒段,為保證果穗均勻喂入,喂入段采用正錐形螺旋輸送裝置,螺旋頭數(shù)采用二頭式螺旋,設(shè)計錐形頭的錐角為80°。

喂入螺旋的長度

(11)

式中：s——螺旋導(dǎo)程,在此取600 mm;

k——螺旋頭數(shù)。

由式(11)可得,喂入螺旋的長度L1=300 mm。

由于錐形頭的錐角設(shè)計為80°,錐形頭大端直徑與滾筒直徑相等,取值800 mm,則錐形螺旋喂入頭小端直徑為300 mm;為保證焊接在錐形頭上的螺旋葉片充分帶動果穗運動,根據(jù)果穗大端直徑約為40～60 mm,螺旋葉片高度取80 mm,厚度取8 mm;為了提高脫粒效率和滾筒的平衡性,本文設(shè)計弓齒采用4頭螺旋排列。滾筒結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 脫粒滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.6 Schematic diagram of threshing drum structure parameters

脫粒滾筒上脫粒元件軸向間距的大小決定著脫粒的效率和質(zhì)量,立式滾筒脫粒時間較短,為保證脫粒效率,應(yīng)增加脫粒段上脫粒元件的數(shù)量,提高脫粒元件對果穗的擊打頻率。滾筒上脫粒元件的軸向間距一般為50～100 mm[16],設(shè)計脫粒元件軸向間距S為60 mm,脫粒段單條螺旋線上的脫粒元件數(shù)量z為14個。

滾筒上脫粒段的長度[17]

L2=(z-1)S+2R2+Δ

(12)

式中：Δ——邊沿距離和,取為50 mm。

計算可得滾筒長度L=L1+L2=1 140 mm。

脫粒間隙是指脫粒滾筒弓齒頂端與外筒內(nèi)壁圓管之間的最小距離。為了保證喂入順暢性,將脫粒間隙設(shè)計為上大下小。上部大間隙利于果穗喂入,間隙逐漸減小,果穗受到碰撞擠壓的作用增強,使果穗更易于脫粒,提高脫凈率。為方便描述脫粒間隙大小,定義圖6中滾筒最上端脫粒元件所在脫粒圓的最外端至外筒內(nèi)壁圓管的距離δ1為脫粒間隙,滾筒最下端脫粒元件所在脫粒圓的最外端至外筒內(nèi)壁圓管的距離δ2為出口間隙?？紤]到脫粒作業(yè)順暢性,脫粒裝置的入口間隙應(yīng)大于果穗的大端直徑,出口間隙應(yīng)等于穗軸直徑[18-19],將脫粒間隙取值75～85 mm,出口間隙取值15～25 mm。則根據(jù)滾筒脫粒段長度L2計算得到外筒錐度φ為4.09°,限位塊間隙為70 mm;外筒內(nèi)圓形管半徑R3取值為20 mm,厚度為4 mm。為減少弓齒與果穗軸線方向碰撞,使果穗呈豎直狀態(tài)下落,相鄰兩圓管間隙應(yīng)小于等于果穗長度,將上部大端弧長間隙取值為160 mm,則

(13)

式中：I——圓管數(shù)量;

δ1——脫粒間隙,取值為80 mm;

x——入口端相鄰兩圓管弧長間隙,mm。

計算得到圓管數(shù)量I為21.60,取值為22,此時下部出口端兩圓管相鄰弧長間隙為140 mm。

3 仿真試驗

為降低研制成本,探索弓齒直徑的變化對果穗的影響規(guī)律,通過離散元仿真軟件EDEM對弓齒進行脫粒仿真,分析其對果穗的作用力情況。

3.1 模型建立與參數(shù)確定

利用Solidworks建立脫粒裝置模型,對不影響脫粒性能的結(jié)構(gòu)進行簡化,并導(dǎo)入EDEM軟件。仿真果穗模型參數(shù)根據(jù)實際測量取平均值,最終取果穗長度、大端直徑和小端直徑分別為196.4 mm、51.5 mm、43.2 mm,仿真模型如圖7所示。

(a) 脫粒裝置

將模型導(dǎo)入EDEM軟件后,根據(jù)相關(guān)文獻對脫粒裝置與果穗的材料屬性以及碰撞接觸參數(shù)進行設(shè)定,仿真參數(shù)如表1、表2所示。

表1 模型材料參數(shù)Tab.1 Parameters of the model material

表2 模型材料接觸參數(shù)Tab.2 Contact parameters of the model material

顆粒工廠以Polygon形式設(shè)置在脫粒裝置正上方螺旋喂入口處,設(shè)定顆粒生成速率為每秒10個顆粒,生成顆粒時間為4 s。脫粒滾筒為運動部分,定義滾筒的運動為線性圓周運動。對整體進行網(wǎng)格劃分,以最小顆粒尺寸的2.5倍為基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸,共計82 308個網(wǎng)格。

3.2 脫粒元件仿真試驗

在脫粒間隙為80 mm、滾筒轉(zhuǎn)速為200 r/min、300 r/min、400 r/min、500 r/min的條件下進行玉米果穗在脫粒裝置內(nèi)的運動與力學(xué)仿真分析,玉米果穗只受重力豎直下落,如圖8所示。

圖8 運動與力學(xué)仿真Fig.8 Simulation of motion and mechanics

設(shè)計弓齒高度為45 mm,弓齒彎曲半徑為30 mm,以弓齒的直徑為影響因素,選取弓齒直徑分別為6 mm、8 mm、10 mm。得到不同直徑弓齒與果穗間的接觸作用力。每組仿真提取10個玉米果穗所受到的接觸力,取平均值。對數(shù)據(jù)進行處理,得到不同滾筒轉(zhuǎn)速下不同直徑脫粒元件對玉米果穗的接觸力的變化曲線,如圖9所示。

圖9 接觸力變化曲線Fig.9 Variation curves of contact force

由圖9可知,隨著脫粒滾筒轉(zhuǎn)速的增加,3種脫粒元件對玉米果穗的接觸力均增大。對比不同直徑弓齒,在滾筒轉(zhuǎn)速一定時,弓齒直徑越大,對果穗的接觸力越小。接觸力與接觸截面積的比值即為脫粒元件對果穗的擊打強度。根據(jù)前文2.2.2節(jié)分析可知,弓齒與果穗碰撞接觸截面積與弓齒直徑呈正相關(guān),因此弓齒直徑越大,對果穗擊打強度越小。

玉米果穗在受力過程中,作用力過大會導(dǎo)致玉米籽粒和玉米芯破碎斷裂,脫粒元件對果穗沖擊力的大小應(yīng)在能脫下籽粒的同時避免破壞籽粒與芯軸。查閱資料[20]發(fā)現(xiàn)籽粒發(fā)生破碎時破壞力的范圍為124.33～347 N,籽粒由果柄脫下的受力范圍為1.97～11.93 N,考慮籽粒破碎率等因素,最終選擇脫粒弓齒直徑為10 mm。

4 臺架試驗

4.1 材料與方法

為確定滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和弓齒彎曲半徑對立式脫粒裝置脫粒效果的影響,根據(jù)仿真分析得到的最優(yōu)弓齒元件結(jié)構(gòu)參數(shù),以直徑10 mm弓齒為研究對象,以籽粒破碎率為試驗指標,設(shè)計單因素試驗。

以華北地區(qū)種植面積較廣的鄭單958為試驗對象,人工摘取并進行晾曬,在籽粒含水率為20%～22%時進行脫粒試驗。將果穗從試驗裝置上方喂入,每次5穗,經(jīng)脫粒滾筒脫粒后,脫出物由下方收集。脫粒臺架如圖10所示。脫粒完成后,隨機選取物料稱量并取樣,每組試驗重復(fù)5次取平均值。

圖10 脫粒試驗臺Fig.10 Threshing and separating test bench

4.2 試驗指標

根據(jù)GB/T 21961—2008《玉米收獲機械試驗方法》和GB/T 5982—2005《脫粒機試驗方法》的檢驗標準,對試驗結(jié)果進行處理,得到籽粒破碎率。

破碎率

(14)

式中：Wp——樣品中破損籽粒質(zhì)量,g;

W——籽粒樣本總質(zhì)量,g。

4.3 試驗結(jié)果分析

4.3.1 脫粒滾筒轉(zhuǎn)速對脫粒效果的影響

脫粒滾筒轉(zhuǎn)速是影響籽粒破碎的首要因素。取弓齒彎曲半徑為30 mm,脫粒間隙為80 mm。前文仿真分析表明滾筒轉(zhuǎn)速較高時,弓齒對果穗接觸力較大。為減小籽粒破碎率,需適當降低滾筒轉(zhuǎn)速,在滾筒轉(zhuǎn)速為200 r/min、250 r/min、300 r/min、350 r/min、400 r/min、450 r/min條件下進行試驗,得到了不同的滾筒轉(zhuǎn)速對籽粒破碎率的影響曲線,如圖11所示。

圖11 滾筒轉(zhuǎn)速對破碎率的影響Fig.11 Effect of cylinder speed on crushing rate

從圖11中可以看出,隨著滾筒轉(zhuǎn)速增加,籽粒破碎率也逐漸增大。當滾筒轉(zhuǎn)速低于300 r/min時,籽粒破碎率較低,符合國家標準要求;當滾筒轉(zhuǎn)速為200 r/min時,籽粒破碎率最低,但未脫凈果穗較多,導(dǎo)致未脫凈率較高;當滾筒轉(zhuǎn)速超過300 r/min時,籽粒破碎率增長幅度變大,滾筒轉(zhuǎn)速達到450 r/min時,籽粒破碎率為7.66%。其原因在于：隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加,滾筒上脫粒元件的線速度增大,脫粒元件、外筒內(nèi)部脫粒圓管對玉米果穗的擊打、碰撞力度增大,導(dǎo)致破碎率增加。而且隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加,也提高了對果穗的擊打頻率,脫粒元件與玉米果穗接觸次數(shù)增多,增大了籽粒破碎率。為明確不同滾筒轉(zhuǎn)速對籽粒破碎率影響是否顯著,通過SPSS26.0軟件在顯著性水平α=0.05下,對其進行單因素方差分析,如表3所示。

表3 不同滾筒轉(zhuǎn)速對籽粒破碎率方差分析Tab.3 Analysis of variance of grain breakage rate with different roller speed

由表3可以看出,不同滾筒轉(zhuǎn)速對籽粒破碎率存在著顯著性差異,說明滾筒轉(zhuǎn)速對籽粒破碎率影響顯著。綜合考慮籽粒破碎率試驗指標,最終選出該脫粒裝置最優(yōu)的滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min。

4.3.2 脫粒間隙對脫粒效果的影響

取弓齒彎曲半徑為30 mm,滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min,選擇脫粒間隙為75 mm、80 mm、85 mm。脫粒間隙對籽粒破碎率的影響曲線如圖12所示。

圖12 脫粒間隙對破碎率的影響Fig.12 Effect of threshing clearance on crushing rate

在弓齒滾筒的脫粒裝置中,隨著脫粒間隙的增大,籽粒破碎率降低。當脫粒間隙為75 mm時,出口間隙為15 mm,此時籽粒破碎率為5.64%,高于國家標準要求;當脫粒間隙為80 mm和85 mm時,籽粒破碎率分別為4.51%和4.02%,相對較低。其原因在于：當脫粒間隙較小時,果穗在脫粒裝置內(nèi)運動時間延長,同時脫粒元件與果穗間的碰撞次數(shù)增加,造成籽粒破碎率較高。對其進行單因素方差分析,如表4所示。

表4 不同脫粒間隙對籽粒破碎率方差分析Tab.4 Analysis of variance of grain breakage rate with different threshing gap

由表4可以看出,不同脫粒間隙對籽粒破碎率存在著顯著性差異,說明脫粒間隙對籽粒破碎率影響顯著。綜合考慮籽粒破碎率和脫粒效率等因素,在滿足國家標準要求情況下,最終選出該脫粒裝置最優(yōu)的脫粒間隙為80 mm。

4.3.3 弓齒彎曲半徑對脫粒效果的影響

取滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min,脫粒間隙為80 mm,選擇弓齒彎曲半徑為20 mm、30 mm、40 mm。弓齒彎曲半徑對籽粒破碎率的影響曲線如圖13所示。

圖13 弓齒彎曲半徑對破碎率的影響Fig.13 Effect of threshing clearance on bow tooth bending radius

從圖13中可以看出,在弓齒滾筒的脫粒裝置中,隨著弓齒彎曲半徑的增大,籽粒破碎率降低,其中三種脫粒弓齒的籽粒破碎率始終低于國家標準要求。當采用弓齒彎曲半徑為20 mm時,籽粒破碎率為4.67%;當彎曲半徑增大,籽粒破碎率降低,弓齒彎曲半徑增大到40 mm時,籽粒破碎率最低為4.4%。其原因在于：隨著弓齒彎曲半徑的增大,弓齒與果穗間的接觸面積增大,果穗受到的沖擊強度減小,引起籽粒破碎率降低。但采用不同弓齒彎曲半徑為試驗因素時,籽粒破碎率相差較少,對其進一步分析,原因是大彎曲半徑弓齒兩側(cè)存在凸起,對果穗容易造成碰撞損傷,導(dǎo)致籽粒破碎率增加。對其進行單因素方差分析,如表5所示。

表5 不同弓齒彎曲半徑對籽粒破碎率方差分析Tab.5 Analysis of variance of grain breakage rate with different bend radius of arch teeth

由表5可以看出,P值>0.05,證明不同弓齒彎曲半徑對籽粒破碎率并無顯著影響?？紤]到籽粒破碎率以及加工難度等因素,最終選出該脫粒裝置最優(yōu)的弓齒彎曲半徑為20 mm。

5 結(jié)論

1) 研制了一種立式玉米脫粒裝置,在減小裝置尺寸的同時保證脫粒質(zhì)量;采用弓齒作為脫粒元件,通過增大弓齒與果穗的接觸面積,降低玉米脫粒過程的籽粒損傷。

2) 通過EDEM仿真試驗,得到不同直徑弓齒與果穗之間接觸力的大小,通過對比明確了大直徑弓齒更有利于降低對果穗的擊打強度,選取10 mm直徑弓齒作為脫粒元件。

3) 以滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和弓齒彎曲半徑作為試驗因素,以籽粒破碎率為試驗指標,進行了臺架試驗。對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析,結(jié)果表明：籽粒破碎率隨滾筒轉(zhuǎn)速增加而增加,隨脫粒間隙增加而減小,隨弓齒彎曲半徑增大而減小,其中滾筒轉(zhuǎn)速與脫粒間隙對立式脫粒裝置籽粒破碎率影響較為顯著。最終選出立式玉米脫粒裝置最優(yōu)的滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min,脫粒間隙為80 mm,弓齒彎曲半徑為20 mm,此時籽粒破碎率為4.67%,符合國家標準要求。