摘 要：【目的】針對玉米脫粒過程中易出現(xiàn)脫粒空間堵塞、滾筒轉(zhuǎn)不動所導致的籽粒破碎率偏高和存在夾帶損失的問題，設計一種喂拋組合式脫粒分離裝置?！痉椒ā吭跐L筒前端的喂入口處設計喂入加速輥，分析對果穗及秸稈受力情況，確定半徑為150 mm，并結合過橋輸送鏈耙線速度和玉米脫粒速度，確定轉(zhuǎn)速為430 r/min；分析滾筒工作段型式，優(yōu)化設計導流罩內(nèi)導流板角度為喂入段30°、脫粒段20°、分離段10°；在滾筒后端排草口處設計安裝排雜拋出裝置，包括排草輥和排草凹板。以滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、喂入量為試驗因素，同時以籽粒破碎率和未脫凈率作為評價指標，設計三因素三水平田間正交試驗；使用Design-Expert 12軟件優(yōu)化數(shù)據(jù)?！窘Y果】在滾筒轉(zhuǎn)速447.11 r/min、凹板間隙34.74 mm、喂入量16.14 kg/s，籽粒破碎率達到2.68%，未脫凈率達到0.99%。【結論】在滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min、凹板間隙35 mm、喂入量16 kg/s，平均籽粒破碎率達到2.73%，平均未脫凈率達到1.04%，試驗結果與優(yōu)化結果間相對誤差在5%以內(nèi)，裝置設計合理，優(yōu)于傳統(tǒng)脫粒分離裝置，滿足脫粒標準。

關鍵詞：玉米；喂拋組合式；脫粒分離裝置；受力分析

中圖分類號：S225.5⁺1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-4330（2024）10-2500-14

收稿日期（Received）：2024-03-28

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)重點研發(fā)計劃項目“大型糧飼玉米及大豆收獲關鍵技術研究及智能裝備創(chuàng)制”（2022B02016）

作者簡介：徐路明（1997-），男，遼寧鞍山人，碩士研究生，研究方向為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械裝備，（E-mail）1067029962@qq.com

通訊作者：靳范（1968-），男，新疆烏魯木齊人，提高待遇高級工程師，研究方向為農(nóng)業(yè)機械化技術裝備，（E-mail）639916709@qq.com

0 引 言

【研究意義】玉米籽粒收獲機可實現(xiàn)摘穗、脫粒分離、清選和秸稈還田等一次性作業(yè)，具有提高效率和降低損失等特點^［1-2］。玉米籽粒直收過程中脫粒分離是一個重要的環(huán)節(jié)，果穗脫粒效果影響整機的工作性能^［3-4］。受玉米品種、含水率和喂入量的影響，使得脫粒過程中籽粒破碎率較高，也是玉米籽粒收獲機受限制的重要原因之一^［5-7］。因此，研制玉米籽粒收獲機脫粒分離裝置對降低玉米籽粒直收的破碎率具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】Srison等^［8］分析了滾筒不同結構參數(shù)和玉米物料特性對脫粒效果和消耗功耗的影響；Duane等^［9］研究了脫粒元件速度和籽粒含水率等相關因素對玉米籽粒損傷程度的影響；Burkhardt等^［10］探討了玉米在脫粒過程中滾筒轉(zhuǎn)速快慢對籽粒破碎情況的影響。王鎮(zhèn)東等^［11］設計了玉米收獲機低損變徑脫粒滾筒，分析了紋桿前傾角對玉米果穗受力的影響；張莉等^［12］設計了玉米仿生脫粒元件，進行了與短紋桿之間脫粒效果的對比試驗；樊晨龍等^［13］設計了低損傷組合式玉米脫粒分離裝置，通過建立圓頭釘齒與果穗接觸的力學模型，確定了圓頭釘齒的最佳結構參數(shù)。【本研究切入點】結合玉米籽粒直收時易產(chǎn)生脫?？臻g內(nèi)部堵塞所導致籽粒破碎率高和雜余從滾筒尾部排出時存在夾帶損失的現(xiàn)象，需設計一種喂拋組合式脫粒分離裝置。分析現(xiàn)有玉米脫粒分離裝置特點?！緮M解決的關鍵問題】設計單縱軸流滾筒前方強制喂入裝置；優(yōu)化設計單縱軸流滾筒結構型式和導流罩內(nèi)導流板角度；設計滾筒尾部排雜拋出裝置；通過正交試驗，分析影響籽粒破碎率和未脫凈率的因素，為大喂入量玉米籽粒收獲機脫粒分離裝置的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 玉 米

采用新玉95為研究對象，試驗機型為4YZL-13型自走式玉米籽粒收獲機，試驗于2022年9月在新疆昌吉市榆樹溝鎮(zhèn)四畦村進行，該試驗地的玉米長勢較好，倒狀現(xiàn)象較少。器材包括鋼卷尺（1 mm）、水分測定儀（分辨率0.1%）、電子秤（0.1 g）、游標卡尺（0.02 mm）、電子秒表、標桿、籽粒密封袋、鐮刀和編織袋等。采用五點取樣法分別取十個樣本測量，并取平均值作為玉米植株及果穗的相關參數(shù)。表1

1.1.2 整機結構與工作原理

4YZL-13型自走式玉米籽粒收獲機，由割臺、過橋、喂拋組合式脫粒分離裝置、清選系統(tǒng)、糧食絞龍、雜余絞龍和切碎器等主要機械部分組成，輔之以傳動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，各部分有機協(xié)調(diào)可實現(xiàn)高效低損收獲。圖1

當機器作業(yè)時，在割臺作用下玉米果穗及部分秸稈被拉莖輥拉入經(jīng)絞龍輸送至過橋，過橋?qū)⑵漭斔椭撩摿７蛛x裝置進行脫粒和分離，籽粒和雜質(zhì)通過凹板篩進入清選系統(tǒng)，玉米籽粒經(jīng)過清選分離后進入糧食絞龍輸送至糧倉，未脫干凈的玉米芯軸則進入雜余絞龍，再次被送入脫粒分離裝置中進行復脫和二次清選分離，玉米芯軸、秸稈等雜質(zhì)則通過排雜拋出裝置拋向切碎器將其切碎，排出機體外還田。

1.1.3 喂拋組合式脫粒分離裝置整體結構與工作過程

脫粒分離裝置是玉米籽粒收獲機的關鍵部分。針對傳統(tǒng)玉米籽粒收獲機脫粒滾筒前端的喂入口兩側(cè)存在死區(qū)，脫粒滾筒前段螺旋葉片設計不好就容易堵塞喂入口，出現(xiàn)滾筒轉(zhuǎn)不動而易損壞過橋輸送鏈耙或者滾筒傳動系統(tǒng)、葉片抓取物料時與喂入口底部會切斷玉米果穗致使籽粒破碎率偏高的現(xiàn)象，研制了在單縱軸流滾筒前端增加一個喂入加速輥，使得物料進入滾筒時喂入更加均勻，喂入更順暢，減小堵塞風險，減輕后部滾筒的壓力；同時在滾筒后端排草口處增加排草輥和排草凹板，加快雜余拋出的同時極少數(shù)夾雜在雜余中的籽粒通過排草凹板縫隙落入下方清選系統(tǒng)中進行清選分離以降低夾帶損失。

1.1.3.1 整體結構

研究設計的喂拋組合式脫粒分離裝置結構主要由強制喂入裝置、脫粒分離裝置和排雜拋出裝置組成。強制喂入裝置包括喂入加速輥、喂入口、防護罩；脫粒分離裝置包括單縱軸流滾筒、導流罩、脫粒凹板、分離凹板和變速箱；排雜拋出裝置包括排草輥、排草凹板和排草口。圖2

1.1.3.2 工作過程

物料在脫粒分離裝置中的運動狀態(tài)由3個部分組成：強制喂入、脫粒分離和排雜拋出。由于只有滾筒、導流罩和凹板三者配合完成脫粒分離，故前兩部分喂入量相同，均大于雜余排出口處流量。圖3

在強制喂入階段W中，位于單縱軸流滾筒前方的喂入加速輥耐磨撥齒板將從過橋輸送鏈耙輸送過來的物料抓取平鋪并連續(xù)均勻的向滾筒螺旋葉片部分喂入；在脫粒分離階段T中，在滾筒前端螺旋葉片和上方導流罩的作用下物料被卷入滾筒脫粒區(qū)，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動物料向后方做螺旋運動，在滾筒脫粒區(qū)脫粒紋桿和前端脫粒凹板的作用下，果穗上的籽粒被脫下來，籽粒和短的秸稈往后輸送的同時，一部分通過前端脫粒凹板縫隙進行分離，另一部分夾雜在長秸稈內(nèi)的籽粒進入滾筒分離區(qū)，籽粒和短秸稈通過后端分離凹板縫隙進行分離，玉米芯軸和秸稈等雜物從滾筒尾部排草口處排出；在排雜拋出階段P中，從滾筒尾部排草口出來的玉米芯軸和秸稈等雜物經(jīng)排草輥和排草凹板共同作用下將雜余拋出，同時通過板齒將夾雜在雜余中的籽粒撥出，通過排草凹板縫隙進行分離，減少夾帶損失。

1.1.4 關鍵部件設計

采用前端橫向布置的喂入加速輥、中間縱向布置的單縱軸流滾筒和后端橫向布置的排雜拋出裝置組合式結構，實現(xiàn)玉米的強制喂入、脫粒分離、排雜拋出功能于一體。根據(jù)物料在裝置內(nèi)3個階段的工作過程，對其關鍵部件喂入加速輥、單縱軸流滾筒、導流罩、排雜拋出裝置的結構參數(shù)進行設計與分析。

1.1.4.1 喂入加速輥設計

喂入加速輥位于過橋輸送鏈耙的后部，用以完成玉米的抓取、平鋪順暢的喂入至單縱軸流滾筒螺旋葉片處。喂入加速輥主要由耐磨撥齒板、安裝座板、支撐輪轂和喂入加速輥軸構成，喂入加速輥、喂入口底板和機架兩側(cè)壁組成玉米輸送路徑。圖4

（1）靜力學分析

將果穗及秸稈看作一整體，即為果穗秸稈層。對經(jīng)過喂入加速輥的果穗秸稈層進行受力分析^［14］，果穗秸稈層主要承受兩種力，分別是喂入加速輥對果穗秸稈層的正壓力F_N以及果穗秸稈層與喂入加速輥之間的摩擦力μF_N。其中正壓力F_N表示阻止將果穗秸稈層輸送至喂入加速輥的力，而摩擦力μF_N表示將果穗秸稈層拉入的力。圖5

果穗秸稈層能夠順利輸送至喂入加速輥處必須滿足：

μF_Ncosδgt;F_Nsinδ.（1）

式中，μ：果穗秸稈層與喂入加速輥耐磨撥齒板間摩擦系數(shù)；

F_N：喂入加速輥對果穗秸稈層擠壓的正壓力（N）；

δ：正壓力F_N與豎直方向夾角（°）。

μ=tanγ，γ為果穗秸稈層與喂入加速輥耐磨撥齒板之間的摩擦角，由式（1）可知γgt;δ。

（2） 喂入加速輥半徑（圖5）

喂入加速輥中心到喂入口底板的距離為：

OH=R_wcosθ+h_q=R_w+h_s.（2）

式中，OH：喂入加速輥中心到喂入口底板的距離（mm）；

R_w：喂入加速輥半徑（mm）；

θ：喂入加速輥被果穗秸稈層所包圍的角度（°）；

h_q：果穗秸稈層被喂入到喂入加速輥前的厚度（mm）；

h_s：果穗秸稈層被喂入加速輥壓縮后的厚度（mm）。

果穗及秸稈順利完成喂入過程的臨界條件為γ=δ，這時喂入加速輥的直徑處于最小，由于θ=2δ，則：

R_w=h_q1－h(huán)_s/h_q1－cos2γ.（3）

式中，R_w：喂入加速輥半徑（mm）；

h_q：果穗秸稈層被喂入到喂入加速輥前的厚度（mm）；

h_s/h_q：果穗秸稈層通過喂入加速輥時的壓縮系數(shù)；

γ：果穗秸稈層與喂入加速輥耐磨撥齒板之間的摩擦角（°）。

在玉米喂入量為15～16 kg/s時，h_q為160～200 mm，h_s/h_q為0.55，γ為30°。由式（3）計算得出喂入加速輥的半徑R_w在144～180 mm。增大喂入加速輥半徑，可有效提高喂入速度并降低玉米秸稈纏繞喂入加速輥的概率，同時可以防止旋轉(zhuǎn)時耐磨撥齒板與螺旋葉片及擋料板之間產(chǎn)生干涉現(xiàn)象^［15］。喂入加速輥半徑設計為150 mm。

（3） 喂入加速輥轉(zhuǎn)速

果穗秸稈層經(jīng)過喂入加速輥攤平喂入到滾筒中的速度v_w為：

v_w=πD_wn_w60.（4）

式中 ，v_w：喂入加速輥線速度（m/s）；

D_w：喂入加速輥直徑（m）；

n_w：喂入加速輥轉(zhuǎn)速（r/min）。

喂入加速輥喂入的線速度要大于過橋輸送鏈耙輸送的線速度，過橋輸送鏈耙轉(zhuǎn)速n_l=300 r/min，回轉(zhuǎn)半徑r_l=0.169 m，則過橋輸送鏈耙線速度v_l=5.31 m/s；在滿足果穗被順利抓取喂入的前提下，要盡量使玉米籽粒受到喂入加速輥的擊打次數(shù)減少，喂入加速輥的線速度v_w應小于滾筒對果穗脫粒所需的最小速度。取玉米脫粒速度為10 m/s^［16］。喂入加速輥線速度應滿足v_wlt;10 m/s；輸送速度是慢慢變大的，喂入加速輥的線速度范圍：

5.31m/s＜v_w＜10m/s.（5）

由式（4）和式（5）可知，338.22 r/min≤n_w≤636.94 r/min，在滿足果穗順利喂入及喂入加速輥轉(zhuǎn)速過快對籽粒損傷的前提下，取n_w=430 r/min，則v_w=6.75 m/s。

1.1.4.2 單縱軸流滾筒設計

單縱軸流滾筒由連接轉(zhuǎn)軸、螺旋葉片、錐筒、脫粒紋桿、分離釘齒和直筒組成，按工作階段分為喂入段、錐筒脫粒段、直筒脫粒段和分離段4個部分。圖6

（1） 螺旋輸送頭設計

果穗在葉片數(shù)量多的時候，喂入更平穩(wěn)但會出現(xiàn)果穗不能及時喂入的現(xiàn)象，在葉片數(shù)量少的時候，喂入速度變快但非均勻喂入^［17］。設計為三頭螺旋葉片，對螺旋葉片上果穗的接觸點進行受力分析，并計算螺旋葉片的推送角。

軸向輸送力應大于所受軸向阻力，需滿足^［18］。圖7

Tcosψ＞fsinψ.（6）

f=Ttanφ.（7）

式中，T：螺旋葉片對玉米的法向推力（N）；

f：葉片與玉米間的摩擦力（N）；

F：T和f的合力（N）；

φ：葉片和玉米的摩擦角，取17°；

Ψ：螺旋葉片的推送角（°）。

由式（6）和式（7）可知，果穗實現(xiàn)向后順暢推送的前提是：

ψ＜90^o－17^o=73^o.（8）

對于螺旋喂入的長度L₁，按照式（9）進行計算：

L₁=S/K.（9）

式中，S：螺旋喂入導程，取值為1 635（mm）；

K：螺旋頭數(shù)，此處為3。

因此螺旋喂入的長度為545 mm。螺旋喂入段小端（前端）直徑D₁取290 mm，大端（后端）直徑D₂取430 mm。錐形頭的錐角與其摩擦角大小一致，設計為17°。

（2）滾筒長度設計

滾筒的長度影響著脫粒分離的效果^［19］。長度越長，脫粒元件對果穗的揉搓和擊打時間就越久，降低未脫凈率的同時也增大了籽粒破碎率，長度越短，果穗在脫?？臻g內(nèi)停留的時間也就較短，不利于籽粒與芯軸的分離^［20-22］。

L=a/t－1j+l+Δ.（10）

式中，a：脫粒元件數(shù)量；

t：脫粒元件螺旋頭數(shù)；

j：脫粒元件間距（mm）；

l：脫粒元件長度（mm）；

Δ：邊沿距離和，取值95 mm。

果穗長度約在210～230 mm。脫粒紋桿間距j分為兩個值，即錐筒部分紋桿間距取值為130 mm，直筒部分紋桿間距取值為180 mm。脫粒紋桿長度l也分為兩個值，即錐筒部分紋桿長度l為230 mm，直筒部分紋桿長度為140 mm。錐筒部分設計安裝6個紋桿，直筒部分設計安裝9個紋桿，兩個部分螺旋頭數(shù)均為3，且在同一條螺旋線上排布，根據(jù)式（10）可計算出錐筒脫粒段L₂的長度為455 mm、直筒脫粒段L₃的長度為595 mm。滾筒分離段由24個釘齒組成，設計一排安裝4個，共6排，即螺旋頭數(shù)為6，均勻的排布至直筒周圍，分離釘齒間距j取值為400 mm，釘齒長度l為200 mm，根據(jù)式（10）可計算出分離段L₄的長度為1 495 mm。

L₁=545 mm，L₂=455 mm，L₃=595 mm，L₄=1 495 mm，故滾筒長度L=L₁+L₂+L₃+L₄=3 090 mm。其中錐筒長度為1 000 mm，直筒長度為2 090 mm，兩者焊接為一體。

1.1.4.3 導流罩設計

導流罩安裝在單縱軸流滾筒的上方，與凹板形成脫?？臻g，由高速旋轉(zhuǎn)的滾筒產(chǎn)生的離心力使果穗秸稈層接觸導流板，與凹板間形成一拉一放的螺旋運動。由于導流板的作用是實現(xiàn)果穗的軸向移動，故導流板所處的安裝位置即螺旋升角是影響果穗脫粒分離時間和速度的重要參數(shù)^［23］。

由于果穗秸稈層在脫?？臻g內(nèi)的運動較為復雜，假設其均勻且順暢地喂入，不計重力作用，果穗秸稈層喂入至脫?？臻g內(nèi)沿著導流板和凹板表面做螺旋運動，不計果穗秸稈層之間相互產(chǎn)生的相對滑動，由于秸稈屬于非彈性體，故不考慮其加速過程，創(chuàng)建果穗在導流板處的運動模型來進行計算分析。圖8

在導流板O點處，果穗的運動速度由正弦定理可知：

εv₀sin90°+α=v_fsinβ.

v_ssin90°－β+α=εv₀sin90°+α.（11）

式（11）中，v₀表示軸流滾筒線速度，且v₀=Rω，R為軸流滾筒半徑，ω為軸流滾筒角速度；因為在整個脫粒分離過程中會損失部分能量，即雜余拋出速度小于滾筒的圓周速度，因此需引入雜余拋出速度的修正系數(shù)ε；v_s表示果穗與導流板間相對速度，與導流板方向一至；v_f表示果穗的絕對速度；α表示導流板對果穗的摩擦角；β表示導流板螺旋升角。

由式（11）求得：

v_f=εRωsinβcosα.

v_s=εRωcosβ－tanα sinβ.

v_x=εRωsinβcosβ－tanα sin²β.（12）

式（12）中，v_x表示果穗軸向速度，分別與滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒半徑和導流板螺旋升角等參數(shù)有關，所設計的導流罩喂入段、脫粒段與分離段的螺旋升角為β₁、β₂、β₃，且滿足β₁gt;β₂gt;β₃。圖8

因此，喂入段軸向速度v_x1：

v_x1=εRωsinβ₁cosβ₁－tanα sin²β₁.（13）

脫粒段軸向速度v_x2：

v_x2=εRωsinβ₂cosβ₂－tanα sin²β₂.（14）

分離段軸向速度v_x3：

v_x3=εRωsinβ₃cosβ₃－tanα sin²β₃.（15）

在脫粒分離過程中，滾筒軸向速度是整個脫粒分離作業(yè)效率中的重要因素，作業(yè)效率隨著滾筒軸向速度的增大而提高。當滾筒長度保持不變時，果穗在滾筒內(nèi)部脫粒分離時間縮短，導致籽粒難以被脫干凈和產(chǎn)生夾帶損失。果穗的軸向速度和脫粒時間由導流板螺旋升角來決定，在滿足脫粒分離效果的前提下縮短果穗在滾筒內(nèi)的時間提高工作效率。

喂入段螺旋升角最大，軸向速度最快，使得果穗向后快速輸送，防止喂入口堵塞；脫粒段次之，在滿足軸向速度的前提下，使得果穗在滾筒脫粒區(qū)充分脫粒，防止產(chǎn)生堵塞和籽粒破碎現(xiàn)象；分離段最小，軸向速度最慢，使得果穗在滾筒內(nèi)部脫粒分離時間變長，防止出現(xiàn)未脫凈率高和產(chǎn)生夾帶損失的現(xiàn)象。得出最大導流板螺旋升角β設計依據(jù)為βlt;90°-α，一般取β≤45°^［24］。故研究設計的導流罩內(nèi)導流板螺旋升角分為三個角度，即喂入段為30°，脫粒段為20°，分離段為10°。導流罩內(nèi)圓弧表面安裝有21個導流板，導流板間距分別為S₁=130 mm、S₂=180 mm、S₃=350 mm，導流罩長度應略大于滾筒的長度，即設計為3 100 mm，包角為180°，導流板高度為75 mm。

1.1.4.4 排雜拋出裝置設計

排草輥由板齒、安裝支架、軸、中間輪轂和側(cè)輪轂組成。其長度設計為1 363 mm，內(nèi)有5個輪轂起到支撐作用，輪轂上裝有5個安裝支架，每個安裝支架上安裝有2個板齒，整體滿足輕量化設計。圖9

所設計的排草凹板安裝于滾筒尾部排草口處，由三塊小凹板組成，其中小凹板長度為450 mm，包角為35°，三塊凹板組裝后排草凹板總體長度為1 390 mm。在尾部安裝排草凹板的目的是通過排草輥旋轉(zhuǎn)將雜余拋出的同時極少部分夾雜在雜余中的籽粒被撥出，經(jīng)凹板篩縫隙落入下方清選系統(tǒng)，減少籽粒損失。圖10

1.1.4.5 裝置安裝位置

強制喂入裝置安裝于過橋和脫粒分離裝置之間，脫粒分離裝置安裝于機器的中部，排雜拋出裝置安裝于滾筒尾部排草口的后方。圖11～13

1.2 方 法

1.2.1 試驗準備及評價標準

籽粒破碎率和未脫凈率是玉米籽粒收獲中的2個重要指標，試驗嚴格按照GB/T21961-2008《玉米收獲機械試驗方法》^［25］和GB/T5982-2005《脫粒機試驗方法》^［26］中的內(nèi)容對評價指標進行確定。試驗由20 m穩(wěn)定小區(qū)、20 m測定小區(qū)和10 m停車小區(qū)組成。試驗前對試驗區(qū)內(nèi)掉落的果穗和倒伏植株進行清理，分別數(shù)每行的果穗數(shù)量，并插上標桿區(qū)分各區(qū)間。試驗結束后，人工取樣不少于2 000 g的籽粒，將破碎籽粒和未脫凈籽粒分別進行稱重，按照式（16）計算籽粒破碎率，按照式（17）計算未脫凈率。

Z_s=W_sW_i×100%.（16）

式中，Z_s：籽粒破碎率（%）；

W_s：破碎籽粒質(zhì)量（g）；

W_i：樣品籽?？傎|(zhì)量（g）。

S_w=W_wW_z×100%.（17）

式中，S_w：未脫凈率（%）；

W_w：未脫凈籽粒質(zhì)量（g）；

W_z：取樣籽?？傎|(zhì)量（g）。

1.2.2 正交試驗設計

采用三因素三水平Box-Behnken的正交試驗方法，選取滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙和喂入量為試驗因素，評價指標分別為籽粒破碎率Z_s和未脫凈率S_w，進行田間試驗，并使用Design-expert 12軟件對試驗結果進行處理。滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙及喂入量均由傳感器輸出信號在駕駛室操控屏幕上顯示數(shù)值，可由駕駛員控制。表2

2 結果與分析

2.1 田間試驗與作業(yè)效果對比

研究表明，以滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、喂入量為試驗因素，以籽粒破碎率和未脫凈率為評價指標，在同一玉米品種的試驗地進行了17次試驗，并通過計算分別記錄兩個評價指標值。圖14，表3

2.2 回歸及響應面分析

2.2.1 回歸分析與顯著性檢驗

研究表明，利用Design-Expert 12軟件對籽粒破碎率Z_s和未脫凈率S_w進行多元回歸分析及二次項擬合，得到Z_s和S_w的回歸方程如公式（18）、（19）所示。表4

Z_s=2.90+0.495 A-0.250B+0.463C-0.153AC+0.218BC+0.304A²+0.189B²+0.254C².（18）

S_w=1.07-0.349A+0.249B+0.208C+0.235AB-0.163BC+0.242A²+0.447B²+0.135C².（19）

籽粒破碎率二次回歸模型Plt;0.000 1，回歸模型極顯著；失擬項Pgt;0.05，證明不存在其他影響指標的主要因素。因素影響主次順序為滾筒轉(zhuǎn)速A、喂入量C、凹板間隙B，其中滾筒轉(zhuǎn)速A、凹板間隙B、喂入量C對籽粒破碎率影響均呈極顯著；交互項AC顯著，交互項BC極顯著，滾筒轉(zhuǎn)速A和喂入量C與凹板間隙B和喂入量C對籽粒破碎率均具有交互影響。表4

未脫凈率二次回歸模型Plt;0.000 1，回歸模型極顯著。失擬項Pgt;0.05，證明不存在其他影響指標的主要因素。因素影響主次順序為滾筒轉(zhuǎn)速A、凹板間隙B、喂入量C，其中滾筒轉(zhuǎn)速A、凹板間隙B、喂入量C對未脫凈率影響均呈現(xiàn)極顯著；交互項AB極顯著，交互項BC顯著，滾筒轉(zhuǎn)速A和凹板間隙B與凹板間隙B和喂入量C對未脫凈率均具有交互影響。

2.2.2 響應曲面分析

2.2.2.1 籽粒破碎率

研究表明，當凹板間隙和喂入量保持不變時，籽粒破碎率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大而逐漸上升，當滾筒轉(zhuǎn)速較小時，脫粒元件與果穗之間的揉搓和擊打力較小，籽粒破碎率較低，但隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提高，果穗受到脫粒元件的揉搓和擊打力變大，同時對果穗的揉搓和擊打次數(shù)增多，致使籽粒破碎率逐漸上升；當滾筒轉(zhuǎn)速和喂入量保持不變時，籽粒破碎率隨著凹板間隙的增大而逐漸下降，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為當凹板間隙較小時，果穗在滾筒內(nèi)堆積較多，脫粒元件與果穗、果穗與果穗之間相互擠壓較大，部分果穗重復被脫粒元件揉搓和擊打，籽粒破碎率較高，但當凹板間隙逐漸增大時，果穗在滾筒內(nèi)部受到的擠壓和打擊力減小，致使籽粒破碎率逐漸下降；當滾筒轉(zhuǎn)速和凹板間隙保持不變時，籽粒破碎率隨著喂入量的增大而逐漸上升，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為隨著喂入量的增加，果穗在脫?？臻g內(nèi)停留的時間較長，紋桿和釘齒對果穗的作用力增大，果穗層的厚度變大，果穗與果穗之間的作用力增強，致使籽粒破碎率逐漸上升。圖15

2.2.2.2 未脫凈率

研究表明，當凹板間隙和喂入量保持不變時，未脫凈率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大而逐漸下降，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，脫粒元件與果穗接觸碰撞次數(shù)較多、作用力較大，大量籽粒從玉米芯軸上脫落，致使未脫凈率逐漸下降；當滾筒轉(zhuǎn)速和喂入量保持不變時，未脫凈率隨著凹板間隙的增大而呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，隨著凹板間隙的增加，大多數(shù)果穗隨著滾筒轉(zhuǎn)動在脫粒區(qū)停留時間變長，脫粒比較充分，但是當凹板間隙過大時，脫粒元件與果穗、果穗與果穗之間接觸不充分，脫粒效果差，致使未脫凈率先下降后上升；當滾筒轉(zhuǎn)速和凹板間隙保持不變時，未脫凈率隨著喂入量的增大而逐漸上升，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為隨著喂入量的增加，脫粒空間內(nèi)部果穗數(shù)量增大，果穗與脫粒元件不能充分接觸，而隨著滾筒旋轉(zhuǎn)將部分未接觸到的果穗排出機體外，致使未脫凈率逐漸上升。圖16

2.2.3 參數(shù)優(yōu)化與驗證

2.2.3.1 參數(shù)優(yōu)化

研究表明，以籽粒破碎率Z_s、未脫凈率S_w均最小作為此次優(yōu)化目標，結合各因素邊界數(shù)值條件，得到目標函數(shù)和約束條件為：

minZ_s（A，B，C）

minS_w（A，B，C）

s.t.400 r/min＜A＜500 r/min .

30 mm＜B＜40 mm

16 kg/s＜C＜18 kg/s

運用Design-expert 12軟件優(yōu)化模塊求解，得到參數(shù)的較優(yōu)組合：在滾筒轉(zhuǎn)速447.11 r/min，凹板間隙34.74 mm，喂入量16.14 kg/s的情況下，籽粒破碎率達到2.68%，未脫凈率達到0.99%。

2.2.3.2 試驗驗證

研究表明，結合實際條件以滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min，凹板間隙35 mm，喂入量16 kg/s試驗。結果取均值，即平均籽粒破碎率為2.73%，平均未脫凈率為1.04%，試驗結果與優(yōu)化結果間相對誤差處于5%以內(nèi)，滿足作業(yè)要求。表5

3 討 論

3.1 隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，籽粒破碎率隨之增大^［27］，與裝置試驗后的結果一致，由于滾筒轉(zhuǎn)速增加，脫粒元件線速度增大，同時對果穗的作用力也隨之增大，致使籽粒破碎率偏高；對于未脫凈率而言，過快的滾筒轉(zhuǎn)速會使脫粒元件與果穗之間接觸次數(shù)增加，可加快雜余從滾筒尾部排草口處排出，在排雜拋出裝置的作用下未脫凈率逐漸降低，此結果與前人研究結果存在差異^［28］。

3.2 隨著凹板間隙的增加，脫?？臻g逐漸變大，脫粒元件與凹板作用在果穗上的沖擊力逐漸變小，同時果穗與果穗之間的相互擠搓力也隨之變小，致使籽粒破碎率降低，此結果與前人研究結果一致^［29］；由于凹板間隙逐漸增大，果穗在脫?？臻g內(nèi)脫粒效果較好，但當凹板間隙過大時，脫粒元件對果穗的揉搓和擊打力逐漸減弱，脫粒性能逐漸降低，致使未脫凈率呈先減小后增大的趨勢^［30］。

3.3 喂入加速輥對過橋輸送過來的大量果穗進行抓取且均勻喂入至脫?？臻g內(nèi)，以防出現(xiàn)喂入量過大而造成裝置脫粒分離性能降低的現(xiàn)象，但由于滾筒轉(zhuǎn)速和凹板間隙保持不變，脫?？臻g內(nèi)部會產(chǎn)生較厚的物料層以及果穗間相互作用力增大，脫粒元件會對部分果穗反復擊打，致使籽粒破碎率逐漸增大，由于裝置試驗是針對15 kg/s以上的喂入量，故此結果與前人研究結果存在差異^［31］；隨著喂入量的增大，未脫凈率隨之逐漸增大^［32］，在脫?？臻g內(nèi)，隨著果穗的數(shù)量逐漸增多，導致果穗秸稈層逐漸變厚，脫粒元件對果穗的脫凈能力也隨之變差，出現(xiàn)部分果穗未能與其充分接觸的現(xiàn)象，致使未脫凈率逐漸增大。

4 結論

4.1 通過理論分析和調(diào)研設計出具有強制喂入和排雜拋出功能的脫粒分離裝置，玉米果穗及秸稈經(jīng)喂入加速輥抓取平鋪并均勻的喂入至脫?？臻g，避免發(fā)生堵塞；優(yōu)化設計滾筒四個工作段和導流罩內(nèi)導流板的三種角度，使果穗在滿足脫粒性能的前提下快速通過脫粒分離區(qū)，降低籽粒破碎率和未脫凈率，提高作業(yè)效率；雜余經(jīng)排草輥快速撥出的同時極少數(shù)夾雜在雜余中的籽粒經(jīng)排草凹板落入下方清選系統(tǒng)，降低夾帶損失。

4.2 對籽粒破碎率影響顯著順序依次為滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量、凹板間隙；對未脫凈率影響顯著順序依次為：滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、喂入量。

4.3 優(yōu)化得出較優(yōu)工作參數(shù)組合為滾筒轉(zhuǎn)速447.11 r/min、凹板間隙34.74 mm、喂入量16.14 kg/s，在此參數(shù)組合下籽粒破碎率為2.68%，未脫凈率為0.99%。在滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min、凹板間隙35 mm、喂入量16 kg/s的情況下，平均籽粒破碎率達到2.73%，平均未脫凈率達到1.04%，試驗結果與優(yōu)化結果間相對誤差處于5%以內(nèi)，喂拋組合式脫粒分離裝置設計合理。

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Design and experiment of combined threshing and separating device for corn grain harvester

XU Luming¹， JIN Fan^1，2， ZHANG Junsan^1，2， Alimu Maimaitituerxun^1，2，

LI Qianxu²，SUN Lifeng²

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China; 2. Xinjiang Xinyan Moshine Science amp; Technolog Co.，Ltd， Urumqi 830011， China）

Abstract：【Objective】 Aiming at the phenomenon of high grain breaking rate and entrainment loss caused by space blockage and drum failure during corn threshing， this project intends to design a feeding and throwing combined threshing separation device.【Methods】 The feeding acceleration roller was designed at the feeding entrance of the front end of the drum， and the radius was determined to be 150 mm through the stress analysis of the ears and straw， and the rotating speed was determined to be 430 r/min based on the rake line speed of the cross-bridge conveyor chain and the corn threshing speed. By analyzing the type of drum working section， the angle of the guide plate in the guide hood was optimized to be 30° in feeding section， 20° in threshing section and 10° in separating section. A litter throwing device was designed and installed at the straw discharging outlet at the back end of the roller， including a straw discharging roller and a straw discharging concave plate. A three-factor and three-level field orthogonal experiment was designed with rotating speed of roller， gap of concave plate and feeding amount as experimental factors， and grain breakage rate and unstripped rate as evaluation indexes. The test results were analyzed by the trend of response surface among the factors， and the data were optimized by Design-Expert 12 software.【Results】 The orthogonal test results showed that under the conditions of roller speed 447.11 r/min， concave clearance 34.74 mm and feeding amount 16.14 kg/s， the grain breakage rate reached 2.68% and the uncleaned rate reached 0.99%.【Conclusion】 Field verification experiment shows that： Under the conditions of cylinder speed 450 r/min， concave clearance 35 mm and feeding amount 16 kg/s， the average grain crushing rate reaches 2.73%， the average unpeeled rate reaches 1.05%， and the relative error between the test results and the optimization results is within 5%， which has proved that the device design is reasonable， superior to the traditional threshing separation device， thus meeting the national threshing standard.

Key words：corn; feed and throw combined type; threshing and separating device; force analysis

Fund projects：Key R amp; D Program Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region \"Research on Key Technologies of Large-Scale Corn and Soybean Harvest and Creation of Intelligent Equipment\" （2022B02016）

Correspondence author： JIN Fan（1968-）， male， from Urumqi， Xinjiang，senior engineer with improved salary， research direction：Agriculture Mechanization Technology and Equipment，（E-mail）639916709@qq.com