張 濤，李 平，張 瑩，唐興隆，代治國(guó)，李 英

（1.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329；2.重慶市經(jīng)貿(mào)中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，重慶 402160）

玉米是主要糧食作物之一，在世界上廣泛種植和分布。中國(guó)玉米產(chǎn)量居世界第二。在玉米耕、種、管、收作業(yè)過(guò)程中，收獲環(huán)節(jié)勞動(dòng)強(qiáng)度和人力投資最大，需要掰、撕、運(yùn)等多個(gè)步驟，成本投入量約占整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程55%[1]。因此，玉米規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化種植時(shí)，機(jī)械化收獲是玉米生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

在玉米的收獲過(guò)程中，摘穗和脫粒對(duì)玉米籽粒均有不同程度地?fù)p傷導(dǎo)致玉米品質(zhì)的下降，因此研制低損傷玉米收獲機(jī)械，顯得尤為重要。現(xiàn)有玉米脫粒機(jī)根據(jù)其工作原理可分為沖擊脫粒、搓擦脫粒、梳刷脫粒、碾壓脫粒、振動(dòng)脫粒。脫粒過(guò)程中玉米籽粒所受的損傷包括外部機(jī)械損傷和隱性機(jī)械損傷。為了減少玉米收獲過(guò)程中的機(jī)械損傷，國(guó)內(nèi)外研究者做了大量的研究和分析。

1 玉米生物力學(xué)性能研究分析

1.1 國(guó)外研究

不同種類(lèi)谷物籽粒生物力學(xué)各有差異，其本構(gòu)特性決定了籽粒損傷機(jī)理。研究玉米籽粒的力學(xué)特性能夠更好地揭示損傷規(guī)律，以及為脫粒機(jī)械提供結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)。國(guó)外對(duì)玉米生物力學(xué)性能的研究較早，主要通過(guò)對(duì)不同品種或含水率玉米籽粒施加加載速度和加載位置，得到各力學(xué)性能指標(biāo)變化規(guī)律，借助電子顯微鏡、光譜儀等設(shè)備觀察玉米籽粒損傷狀態(tài)下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及影響品質(zhì)的因子。

Akubuo[2]等人設(shè)計(jì)了玉米脫粒機(jī)裝置，并進(jìn)行多因素脫粒品質(zhì)試驗(yàn)。試驗(yàn)選取3種不同收獲期的玉米品種為研究對(duì)象，將玉米籽粒的破碎率和脫粒效率作為脫粒性能指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒的品種和含水率是影響脫粒和損傷性能的重要影響因子，其中品種僅對(duì)破碎率影響較大，對(duì)脫粒效率無(wú)顯著影響。Brass[3]發(fā)現(xiàn)玉米籽粒不同部位抵抗沖擊的能力不同，沖擊載荷下玉米籽粒破壞通常是從內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)始的，再向種皮擴(kuò)散，最后導(dǎo)致種皮的破裂。Srivastava[4]通過(guò)動(dòng)力學(xué)方法研究籽粒在受到不同沖擊載荷時(shí)玉米力學(xué)性能，得到其籽粒剪切強(qiáng)度與沖擊速度成正比，玉米受到的橫向剪切力強(qiáng)度比縱向剪切力強(qiáng)度大，因此縱向沖擊單位面積所受的能量是衡量籽粒破損的最佳參數(shù)。Balastreire 等[5]通過(guò)電子顯微鏡掃描對(duì)玉米破裂內(nèi)部情況進(jìn)行觀察，玉米籽粒胚乳破裂規(guī)律為先從內(nèi)部中心位置開(kāi)始，造成隱形損傷，最后擴(kuò)展至淀粉顆粒和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，但裂紋擴(kuò)散形式及形態(tài)僅與籽粒本構(gòu)和化學(xué)特性有關(guān)，與外部因素如溫度和負(fù)載的速度等無(wú)關(guān)。

1.2 國(guó)內(nèi)研究

國(guó)內(nèi)對(duì)玉米力學(xué)性能的研究起步晚但發(fā)展迅速，主要通過(guò)施加不同形式載荷研究籽粒各力學(xué)性能指標(biāo)變化規(guī)律、各因素對(duì)損傷指標(biāo)的影響主次序以及籽粒自身結(jié)構(gòu)特性等方面研究。

在加載力學(xué)方面，李心平[6]在跌落沖擊試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了不同品種玉米種子的沖擊破碎試驗(yàn)，分析了不同沖擊位置下玉米種子的力學(xué)性能。結(jié)果表明，在同一水分含量下，腹面沖擊力最大，側(cè)面次之，頂面最??；在同一沖擊面條件下，不同玉米品種抗沖擊開(kāi)裂能力不同。同時(shí)利用模擬和試驗(yàn)的方法對(duì)谷物籽粒應(yīng)力松弛進(jìn)行了大量研究，馮和平等[7]發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒的含水率、外界溫度對(duì)應(yīng)力松弛特性指標(biāo)有顯著性影響。張明學(xué)等[8]測(cè)試了玉米種子在沖擊載荷下的破碎靈敏度，分析了玉米含水量、碰撞速度等因素對(duì)破碎的影響，得出了玉米種子的臨界破碎速度。

1.3 存在問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外研究人員在玉米生物力學(xué)性能的研究上取得了很多的成果，但只針對(duì)玉米進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)條件下壓縮、剪切、拉伸、彎曲等力學(xué)試驗(yàn)研究，在利用動(dòng)力學(xué)方法研究玉米籽粒在脫粒過(guò)程種玉米芯、籽粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程、碰撞性能以及玉米芯—籽粒連接力大小的研究極少。

2 玉米損傷有限元分析

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和仿真技術(shù)的高速發(fā)展，使仿真分析方法被越來(lái)越多地應(yīng)用于玉米脫粒和碰撞性能的研究。傳統(tǒng)研究方法通過(guò)理論和試驗(yàn)，無(wú)法量化損傷過(guò)程中玉米的應(yīng)力、應(yīng)變及能量等關(guān)鍵參數(shù)。因此很多研究人員開(kāi)始建立玉米籽粒的三維模型，利用有限元方法模擬玉米的碰撞過(guò)程。

Wang[9]為了解決玉米脫粒過(guò)程離散元模擬分析的精度問(wèn)題，建立了離散元分析中不規(guī)則玉米種子的填充方法，提高了模擬精度。Chen[10]等人通過(guò)球形填充法建立了不同品種和形態(tài)玉米粒的離散元模型，提高了離散元分析應(yīng)用于玉米脫粒過(guò)程的模擬分析精度，并通過(guò)流動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了建模方法的可靠性。

2.1 玉米脫粒性能有限元分析

玉米在脫粒過(guò)程中，受機(jī)械裝置外力作用下，所受載荷的大小、方式和作用部位是影響玉米籽粒裂紋生成的主要因素。用傳統(tǒng)單一的試驗(yàn)不能明確玉米籽粒的內(nèi)部的力學(xué)性能，因此需借助有限元分析方法來(lái)進(jìn)行分析研究。

學(xué)者用有限元方法模擬玉米籽粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，觀察各組成部分的水分?jǐn)U散能力。周海玲[11]在玉米脫粒過(guò)程的DEM分析的基礎(chǔ)上，提出了一種Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則，并將該破壞準(zhǔn)則應(yīng)用于玉米脫粒過(guò)程的DEM仿真；通過(guò)模擬分析了滾筒轉(zhuǎn)速、穗輸入量和穗位對(duì)凈排種率和落種沿滾筒軸向分布等指標(biāo)的影響。通過(guò)與實(shí)際試驗(yàn)的對(duì)比，驗(yàn)證了失效準(zhǔn)則的可靠性。

2.2 玉米碰撞性能有限元分析

玉米的沖擊損傷主要受玉米含水量、沖擊速度和品種的影響。研究人員利用有限元方法模擬玉米的碰撞過(guò)程，量化應(yīng)力、應(yīng)變和能量等關(guān)鍵參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。

王博[12]等人通過(guò)利用HyperMesh 和LS-DYNA 動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)籽粒碰撞進(jìn)行了有限元模擬分析研究，對(duì)不同含水量和碰撞速度下顆粒損傷的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了量化評(píng)價(jià)，主要量化指標(biāo)有接觸力、Von Mises 應(yīng)力和變形量，并得到了各因素與碰撞性能指標(biāo)之間的變化規(guī)律。以確定在不同含水率下籽粒的損傷臨界速度；提取關(guān)鍵的數(shù)字和圖像結(jié)果，通過(guò)回歸分析和響應(yīng)面分析研究，單因素和交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響，結(jié)合非線(xiàn)性多目標(biāo)優(yōu)化的計(jì)算方法，優(yōu)化碰撞參數(shù)。

2.3 存在的問(wèn)題

有限元分析方法近些年開(kāi)始應(yīng)用在玉米損傷研究上，解決了傳統(tǒng)試驗(yàn)方法無(wú)法解決的問(wèn)題，但大部分分析是玉米籽粒受靜態(tài)力學(xué)下進(jìn)行仿真分析，缺少瞬時(shí)受力分析。仿真結(jié)果缺少采用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)證數(shù)值求解模型的正確性和合理性，仿真分析還需進(jìn)一步優(yōu)化。得到的數(shù)值模擬結(jié)果，在玉米收獲機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)與改進(jìn)上，沒(méi)有起到最大作用。

3 玉米收獲機(jī)械裝置研究

摘穗和脫粒是玉米機(jī)械化收獲中勞動(dòng)強(qiáng)度和復(fù)雜程度最大的環(huán)節(jié)，摘穗損傷和脫粒損傷是玉米直收中最重要的損傷，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)不同摘穗和脫粒裝置的機(jī)械損傷進(jìn)行了大量的研究與研制。

3.1 國(guó)外研究

Srivastava[13]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳統(tǒng)的脫粒滾筒其直徑每增加75mm 時(shí)，脫粒損失就會(huì)增大0.9%。Kumara[14]為了使脫粒機(jī)的結(jié)構(gòu)更加人性化，設(shè)計(jì)了一種符合人體工程學(xué)原理的玉米脫粒機(jī)。Miu[15]等研究了玉米脫粒機(jī)軸向及切向兩種不同脫粒裝置的工作原理，在此基礎(chǔ)上建立了這兩種脫粒裝置脫粒過(guò)程的離散數(shù)學(xué)模型，且通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)模型的有效性。

3.2 國(guó)內(nèi)研究

樊晨龍[16]等人設(shè)計(jì)了一種低損傷脫粒分離裝置，利用分段式分離組合式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化，優(yōu)化后的圓頭釘齒相比于常規(guī)的梯形桿齒脫粒損傷低。并通過(guò)該裝置探索了影響脫粒性能的關(guān)鍵因素，為解決高含水率籽粒直收破損率高等問(wèn)題提供新方法。趙武云[17]等設(shè)計(jì)制造了一種螺旋板齒式玉米脫粒機(jī)，通過(guò)試驗(yàn)建立了工作參數(shù)與脫粒性能之間的數(shù)學(xué)模型，主要影響因素有喂入量、板齒螺旋角、脫粒軸轉(zhuǎn)速和排芯口壓板壓力，并考慮相互之間的交互作用，研究分析了脫粒過(guò)程中的影響籽粒破碎率的因素。研究結(jié)果表明，以上4種因素對(duì)玉米籽粒損傷影響主次序?yàn)椋喊妪X螺旋角>脫粒軸轉(zhuǎn)速>喂入量>排芯口壓板壓力，并得到了最有因素水平組合，使得破碎率取得最小值。也有不少學(xué)者從仿生學(xué)角度出發(fā)，降低摘穗輥對(duì)玉米穗的作用力，減輕穗輥對(duì)玉米果穗的啃咬損傷。賀俊林[18]通過(guò)研究當(dāng)量摩擦系數(shù)規(guī)律，得到摘穗輥表面與莖稈之間摩擦因素，從而設(shè)計(jì)并研制了仿生幾何結(jié)構(gòu)表面的玉米摘穗輥，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該玉米摘穗輥對(duì)玉米莖稈的攫取能力顯著提高。

3.3 存在問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外研究人員大多是研究裝置的摘穗和脫粒機(jī)械部件對(duì)玉米損傷的影響因素，裝置的優(yōu)化是基于理論試驗(yàn)和靜態(tài)力學(xué)仿真分析，缺少結(jié)合影響玉米損傷內(nèi)在因素進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

4 結(jié)論

國(guó)內(nèi)研究人員在玉米仿真分析方面的研究較少，對(duì)玉米損傷機(jī)理的研究大部分是通過(guò)理論和單一試驗(yàn)方法的形式，離散元方法也只能判斷籽粒是否達(dá)到其與果穗的連接強(qiáng)度極限，無(wú)法展示籽粒內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況和變化規(guī)律。

機(jī)械脫粒過(guò)程中大多將谷粒破損率作為定量統(tǒng)計(jì)的脫粒性能指標(biāo)之一，而缺乏對(duì)單粒脫粒損傷內(nèi)在機(jī)理的深入研究。

對(duì)玉米損傷機(jī)理的研究應(yīng)將把有限元分析和試驗(yàn)分析形式結(jié)合起來(lái)，兩種形式結(jié)合能更直觀地找到導(dǎo)致玉米損傷的因素，對(duì)玉米收獲機(jī)械裝置的研制有指導(dǎo)作用。國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)玉米收獲機(jī)械裝置的研究大都局限在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，田間生產(chǎn)條件復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室成果難以直接在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用，而且現(xiàn)有科技孵化能力極低，導(dǎo)致科學(xué)研究向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化力極低。