王志偉，王其歡，明家銳，張策，王亞男，耿端陽(yáng)

(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(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)勢(shì),已成為國(guó)外玉米收獲的主流方式,也是我國(guó)玉米收獲技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。

國(guó)內(nèi)外在玉米脫粒理論和技術(shù)改進(jìn)方面進(jìn)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(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)規(guī)律,結(jié)果表明果穗喂入姿態(tài)對(duì)其在脫粒室的運(yùn)動(dòng)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(shí),其運(yùn)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的籽粒損傷和功率消耗的影響規(guī)律。周旭等[8]對(duì)圓柱和圓錐2種脫粒滾筒進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),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(duì)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(qiáng)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(guò)改進(jìn)釘齒結(jié)構(gòu),實(shí)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(jìn)行了大量研究,籽粒損傷問(wèn)題一直沒有得到徹底解決。

臥式滾筒普遍較長(zhǎng),導(dǎo)致脫粒機(jī)械整體尺寸較大。但由于我國(guó)大部分地區(qū)玉米種植時(shí)間和種植模式的不同,大型機(jī)械在丘陵山地等地區(qū)難以實(shí)施作業(yè),因此提高我國(guó)玉米脫粒機(jī)械的通用性也是目前亟待解決的問(wèn)題。脫粒滾筒作為收獲機(jī)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(zhǎng)度會(huì)受到整機(jī)寬度的制約,而縱向布置的脫粒滾筒會(huì)使得收獲機(jī)的整機(jī)尺寸很長(zhǎng),若縮短脫粒滾筒長(zhǎng)度,則會(huì)造成未脫凈率增加,影響脫粒質(zhì)量。

針對(duì)以上問(wèn)題,在長(zhǎng)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(duì)脫粒效果的影響規(guī)律,設(shè)計(jì)一種立式軸流脫粒裝置,在減小尺寸的同時(shí),保證玉米脫粒質(zhì)量。以玉米作為試驗(yàn)材料,開展試驗(yàn)研究,為玉米脫粒裝置的設(shè)計(jì)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(jī)和機(jī)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(jìn)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(wèn)題;外筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為上大下小圓臺(tái)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(qiáng)度不斷增強(qiáng),提高了對(duì)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(qiáng)脫粒效果,外筒內(nèi)部設(shè)有光滑圓管,提高了對(duì)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(gè)限位槽,可使?jié)L筒在脫粒裝置內(nèi)軸向移動(dòng),通過(guò)改變脫粒滾筒與外筒的相對(duì)位置,實(shí)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(jī) 7.大帶輪 8.機(jī)架 9.花鍵主軸

1.2 工作原理

工作時(shí),動(dòng)力通過(guò)花鍵主軸帶動(dòng)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(guò)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(shí)現(xiàn)果穗的旋轉(zhuǎn)和籽粒脫落;其中籽粒由于遠(yuǎn)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(wèn)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(gè)脫粒過(guò)程。不同于其他依靠脫粒元件的推送作用實(shí)現(xiàn)果穗從入口到出口運(yùn)動(dòng)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(shí)立式脫粒還可實(shí)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(duì)果穗受力進(jìn)行分析,研究立式脫粒裝置對(duì)果穗受力的影響。在脫粒過(guò)程中,果穗的受力主要來(lái)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(jiǎn)化分析過(guò)程,忽略果穗彈塑性形變及氣流阻力對(duì)脫粒過(guò)程的影響,則脫粒過(guò)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(duì)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(duì)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(yùn)動(dòng)的作用,延長(zhǎng)了果穗在脫粒裝置內(nèi)的脫粒時(shí)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(duì)較小,可忽略不計(jì),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(dòng),沒有打滑現(xiàn)象。其中F1為脫粒元件對(duì)果穗摩擦力,F2為脫粒元件對(duì)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(duì)果穗水平方向支撐力,N;

Ff——外筒內(nèi)壁圓管對(duì)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(duì)果穗圓心O點(diǎn)處的力矩為

(4)

式中：M1——外筒內(nèi)壁圓管對(duì)果穗的力矩;

M2——脫粒元件對(duì)果穗的力矩;

φ2——脫粒元件對(duì)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(huì)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(diǎn)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(jì)

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(shí)的受力分析對(duì)其形狀和尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)增大脫粒元件與籽粒的接觸面積,減小釘齒對(duì)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(yàn)中,大端籽粒的脫粒力達(dá)到小端脫粒力的1.8～2.5倍;對(duì)于同一軸向位置的籽粒,隨著其周邊籽粒對(duì)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(wú)支撐脫粒力大4～6倍[13]。

考慮玉米籽粒連接強(qiáng)度的不一致性,分析脫粒元件對(duì)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(qiáng)度,防止脫粒元件在滾筒上的連接斷裂,同時(shí)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(jì)弓齒式玉米脫粒元件,通過(guò)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(dāng)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(zhǎng)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(diǎn),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(zhǎng)度

(5)

式中：h——果穗與弓齒碰撞時(shí)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(zhǎng)度

(6)

碰撞截面積

(7)

通過(guò)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(shí),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(shí)的最大壓縮變形量h=0.97 mm。

當(dāng)弓齒直徑確定,即R2為常數(shù)時(shí),因R2遠(yuǎn)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(duì)果穗的擊打強(qiáng)度越小。同理,當(dāng)弓齒彎曲半徑確定時(shí),弓齒直徑越大,弓齒與果穗的接觸面積越大,對(duì)果穗的擊打強(qiáng)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(shì)逐漸減緩并趨于水平,因此過(guò)大的弓齒彎曲半徑并不能對(duì)弓齒與籽粒間的接觸面積實(shí)現(xiàn)明顯的增加。為研究弓齒彎曲半徑參數(shù)的變化對(duì)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(duì)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(jì)

2.3.1 滾筒轉(zhuǎn)速與直徑

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦計(jì)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(duì)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(shí),要實(shí)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(guò)低轉(zhuǎn)速大直徑滾筒的脫粒方式[13]。考慮滾筒直徑越大,其慣性力越大,系統(tǒng)克服瞬時(shí)過(guò)載能力越強(qiáng),工作過(guò)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(diǎn),所以本機(jī)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(jì)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(shí)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(guò)重力作用進(jìn)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(jì)錐形頭的錐角為80°。

喂入螺旋的長(zhǎng)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(zhǎng)度L1=300 mm。

由于錐形頭的錐角設(shè)計(jì)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(dòng)果穗運(yùn)動(dòng),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(jì)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(shí)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(duì)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(jì)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(gè)。

滾筒上脫粒段的長(zhǎng)度[17]

L2=(z-1)S+2R2+Δ

(12)

式中：Δ——邊沿距離和,取為50 mm。

計(jì)算可得滾筒長(zhǎng)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(jì)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(qiáng),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。考慮到脫粒作業(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(zhǎng)度L2計(jì)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(zhǎng)度,將上部大端弧長(zhǎng)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(zhǎng)間隙,mm。

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

3 仿真試驗(yàn)

為降低研制成本,探索弓齒直徑的變化對(duì)果穗的影響規(guī)律,通過(guò)離散元仿真軟件EDEM對(duì)弓齒進(jìn)行脫粒仿真,分析其對(duì)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(duì)不影響脫粒性能的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,并導(dǎo)入EDEM軟件。仿真果穗模型參數(shù)根據(jù)實(shí)際測(cè)量取平均值,最終取果穗長(zhǎng)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(xiàn)對(duì)脫粒裝置與果穗的材料屬性以及碰撞接觸參數(shù)進(jìn)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(gè)顆粒,生成顆粒時(shí)間為4 s。脫粒滾筒為運(yùn)動(dòng)部分,定義滾筒的運(yùn)動(dòng)為線性圓周運(yùn)動(dòng)。對(duì)整體進(jìn)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(jì)82 308個(gè)網(wǎng)格。

3.2 脫粒元件仿真試驗(yàn)

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(jìn)行玉米果穗在脫粒裝置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)與力學(xué)仿真Fig.8 Simulation of motion and mechanics

設(shè)計(jì)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(gè)玉米果穗所受到的接觸力,取平均值。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到不同滾筒轉(zhuǎn)速下不同直徑脫粒元件對(duì)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(duì)玉米果穗的接觸力均增大。對(duì)比不同直徑弓齒,在滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí),弓齒直徑越大,對(duì)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(duì)果穗的擊打強(qiáng)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(duì)果穗擊打強(qiáng)度越小。

玉米果穗在受力過(guò)程中,作用力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致玉米籽粒和玉米芯破碎斷裂,脫粒元件對(duì)果穗沖擊力的大小應(yīng)在能脫下籽粒的同時(shí)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(shí)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(tái)架試驗(yàn)

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(duì)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(duì)象,以籽粒破碎率為試驗(yàn)指標(biāo),設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)。

以華北地區(qū)種植面積較廣的鄭單958為試驗(yàn)對(duì)象,人工摘取并進(jìn)行晾曬,在籽粒含水率為20%～22%時(shí)進(jìn)行脫粒試驗(yàn)。將果穗從試驗(yàn)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(tái)架如圖10所示。脫粒完成后,隨機(jī)選取物料稱量并取樣,每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值。

圖10 脫粒試驗(yàn)臺(tái)Fig.10 Threshing and separating test bench

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)GB/T 21961—2008《玉米收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》和GB/T 5982—2005《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 脫粒滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)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(shí),弓齒對(duì)果穗接觸力較大。為減小籽粒破碎率,需適當(dāng)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(jìn)行試驗(yàn),得到了不同的滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒破碎率的影響曲線,如圖11所示。

圖11 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)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(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速低于300 r/min時(shí),籽粒破碎率較低,符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求;當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí),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(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速超過(guò)300 r/min時(shí),籽粒破碎率增長(zhǎng)幅度變大,滾筒轉(zhuǎn)速達(dá)到450 r/min時(shí),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(duì)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(duì)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(duì)籽粒破碎率影響是否顯著,通過(guò)SPSS26.0軟件在顯著性水平α=0.05下,對(duì)其進(jìn)行單因素方差分析,如表3所示。

表3 不同滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)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(duì)籽粒破碎率存在著顯著性差異,說(shuō)明滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒破碎率影響顯著。綜合考慮籽粒破碎率試驗(yàn)指標(biāo),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(duì)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(duì)籽粒破碎率的影響曲線如圖12所示。

圖12 脫粒間隙對(duì)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(dāng)脫粒間隙為75 mm時(shí),出口間隙為15 mm,此時(shí)籽粒破碎率為5.64%,高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求;當(dāng)脫粒間隙為80 mm和85 mm時(shí),籽粒破碎率分別為4.51%和4.02%,相對(duì)較低。其原因在于：當(dāng)脫粒間隙較小時(shí),果穗在脫粒裝置內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng),同時(shí)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(duì)其進(jìn)行單因素方差分析,如表4所示。

表4 不同脫粒間隙對(duì)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(duì)籽粒破碎率存在著顯著性差異,說(shuō)明脫粒間隙對(duì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(duì)籽粒破碎率的影響曲線如圖13所示。

圖13 弓齒彎曲半徑對(duì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)采用弓齒彎曲半徑為20 mm時(shí),籽粒破碎率為4.67%;當(dāng)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(shí),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(qiáng)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(yàn)因素時(shí),籽粒破碎率相差較少,對(duì)其進(jìn)一步分析,原因是大彎曲半徑弓齒兩側(cè)存在凸起,對(duì)果穗容易造成碰撞損傷,導(dǎo)致籽粒破碎率增加。對(duì)其進(jìn)行單因素方差分析,如表5所示。

表5 不同弓齒彎曲半徑對(duì)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(duì)籽粒破碎率并無(wú)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(shí)保證脫粒質(zhì)量;采用弓齒作為脫粒元件,通過(guò)增大弓齒與果穗的接觸面積,降低玉米脫粒過(guò)程的籽粒損傷。

2) 通過(guò)EDEM仿真試驗(yàn),得到不同直徑弓齒與果穗之間接觸力的大小,通過(guò)對(duì)比明確了大直徑弓齒更有利于降低對(duì)果穗的擊打強(qiáng)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(yàn)因素,以籽粒破碎率為試驗(yàn)指標(biāo),進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)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(shí)籽粒破碎率為4.67%,符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。