楊立權(quán)，王萬章※，張紅梅，李連豪，王美美,3，侯明濤

（1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002；2. 河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450002；3. 安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安陽 455000）

0 引 言

在玉米機(jī)械化籽粒收獲過程中，較高含水率果穗籽粒直收的高破碎率問題一直是玉米全程機(jī)械化發(fā)展中的制約因素，尤其是在小麥-玉米周年輪作的黃淮海地區(qū)顯得更為突出[1]，破損的籽粒不僅商品品相降低，而且導(dǎo)致呼吸作用加強(qiáng)加速了霉變，嚴(yán)重影響商品玉米的質(zhì)量和糧食安全[2]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從籽粒自身力學(xué)特性[3-5]上研究玉米籽粒破碎的機(jī)理[6-8]，并開展了不同品種玉米籽粒收獲的機(jī)械適應(yīng)性量化評(píng)價(jià)[9]；建立接觸力學(xué)數(shù)學(xué)模型，研究籽粒與脫粒元件的相互作用[10-11]；通過改造小型脫粒機(jī)，探索含水率、滾筒轉(zhuǎn)速等主要因素對(duì)籽粒破碎率的影響[12]；通過建立玉米切流脫粒試驗(yàn)臺(tái)，重點(diǎn)研究了喂入量、滾筒速度和脫粒間隙等對(duì)不同品種不同含水率玉米脫粒破碎率的影響[13-14]。種子玉米的脫粒損傷有更為嚴(yán)格的要求，相應(yīng)建立了特定的脫粒試驗(yàn)裝置研究其脫粒破碎[15-16]。

玉米果穗脫粒過程中物料與脫粒系統(tǒng)的相互作用是一個(gè)極為復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程，各種理論分析與數(shù)學(xué)建模被不斷提出[17-21]，從理論上闡述了一定條件下玉米脫粒的破碎機(jī)理。流體動(dòng)力學(xué)與顆粒物料力學(xué)[22-25]的發(fā)展成果借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)被應(yīng)用到玉米脫粒研究中，基于離散單元法開展了玉米脫粒過程的計(jì)算機(jī)仿真研究[26-28]，豐富了玉米脫粒技術(shù)的研究方法。

黃淮海地區(qū)玉米機(jī)械化籽粒收獲尚處于初期階段，沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，適宜籽粒收獲的早熟及快速脫水玉米種質(zhì)資源及雜優(yōu)模式也待深入研究[29]。鑒于玉米果穗作為生物復(fù)合材料及其脫粒過程的復(fù)雜性，各種脫粒理論研究與數(shù)學(xué)模型均存在不同程度的局限性，整機(jī)田間試驗(yàn)研究受制于天氣、場(chǎng)地、品種差異性和脫粒系統(tǒng)的復(fù)雜性，給試驗(yàn)測(cè)試帶來了諸多困難。4YL-4/5 型收獲機(jī)針對(duì)黃淮海地區(qū)的小麥玉米輪作特點(diǎn)，脫粒系統(tǒng)采用切流-橫軸流的布置形式，結(jié)構(gòu)緊湊，通過更換割臺(tái)、脫粒滾筒和鏈輪等零部件，實(shí)現(xiàn)夏收小麥、秋收玉米，一機(jī)兩用，提高了使用率，在黃淮海地區(qū)具有很大的保有量，但籽粒破碎率一直是該機(jī)型玉米籽粒收獲的最大問題，2015-2016年該機(jī)型連續(xù)2 a對(duì)黃淮海地區(qū)36個(gè)籽粒收獲對(duì)照品種進(jìn)行機(jī)收測(cè)試，在籽粒含水率大于 28%的條件下，僅有2個(gè)品種破碎率小于5%，分別為3.2%和3.55%，其余品種破碎率均大于5%，最大24.1%，總體平均 11.44%，暴露了該機(jī)型適應(yīng)性不足的問題。大型縱軸流收獲機(jī)效果雖好，但在黃淮海地區(qū)的中小地塊又難以施展。故立足黃淮海地區(qū)籽粒收品種的育種情況、農(nóng)業(yè)耕作特點(diǎn)和農(nóng)機(jī)適用現(xiàn)狀，以 4YL-4/5 型收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立了切流-橫軸流玉米脫粒試驗(yàn)臺(tái)架，研究以降低破碎率為首要目標(biāo)的脫粒技術(shù)參數(shù)和脫粒試驗(yàn)方案，同時(shí)深入發(fā)掘該機(jī)型玉米籽粒收獲的技術(shù)潛力，探索解決制約本區(qū)域玉米產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

1 脫粒試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

麥-玉兩用4YL-4/5型收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在玉米籽粒收獲作業(yè)過程中摘穗裝置將果穗輸送至喂入攪龍，在經(jīng)鏈耙過橋的梳理作用后，果穗以平行于滾筒的姿態(tài)送至切流滾筒實(shí)現(xiàn)脫粒。作為脫粒試驗(yàn)臺(tái)，圖 1中的摘穗裝置、喂入攪龍和鏈耙過橋等機(jī)構(gòu)完全沒有必要，采用可調(diào)速傳送帶擺放果穗即可模擬田間作業(yè)的喂入姿態(tài)與喂入量。

圖1 4YL-4/5型收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 4YL-4/5 harvester threshing system diagram

脫粒試驗(yàn)系統(tǒng)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、輸送上料系統(tǒng)、脫粒系統(tǒng)和輔助機(jī)構(gòu)等組成，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要調(diào)整凹板篩脫粒間隙、更換不同形式的脫粒滾筒或凹板篩組件，以便于兼顧開展多種谷物脫粒試驗(yàn)研究和架設(shè)測(cè)試設(shè)備。為保證脫粒試驗(yàn)系統(tǒng)與原機(jī)的吻合性，不改變?cè)瓩C(jī)脫粒室的基本結(jié)構(gòu)與尺寸，仍采用柵格式凹板篩，切流滾筒與橫軸流滾筒的基本尺寸保持不變。

1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)

1.1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

脫粒試驗(yàn)系統(tǒng)采用電機(jī)拖動(dòng)，參照 4YL-4/5 型收獲機(jī)的動(dòng)力配置為110 kW左右，脫粒系統(tǒng)功耗約占整機(jī)功率的30%～40%[30]，考慮到試驗(yàn)臺(tái)架不存在田間作業(yè)的惡劣工況而引起的載荷沖擊等不利因素，選定功率為37 kW的三相異步電機(jī)（型號(hào)KP-225S-41，額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min），配套相應(yīng)功率的高性能電流矢量變頻器調(diào)速（型號(hào)G6004T37GB，變頻范圍0～50 Hz，靈敏度0.01 Hz）。電機(jī)輸出端與橫軸流滾筒的動(dòng)力傳遞采用雙槽C型V帶，帶輪直徑分別為150、220 mm，傳動(dòng)比為22∶15，橫軸流通過帶傳動(dòng)將動(dòng)力分流至切流滾筒，切流滾筒帶輪直徑180 mm，傳動(dòng)比為9∶11。在電機(jī)輸出端與橫軸流滾筒之間設(shè)置型號(hào)為 JN338M-A型智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中脫粒系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與功率的變化情況?；緜鲃?dòng)路線如圖 2所示，各級(jí)傳動(dòng)比與原機(jī)保持一致。

圖2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)圖Fig.2 Power transmission system diagram

1.1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定

脫粒試驗(yàn)過程中，橫軸流滾筒的轉(zhuǎn)速（線速度）調(diào)節(jié)是通過變頻器調(diào)節(jié)電流頻率實(shí)現(xiàn)的，因此要對(duì)脫粒試驗(yàn)系統(tǒng)的電流頻率、電機(jī)和滾筒轉(zhuǎn)速（線速度）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，便于開展試驗(yàn)。橫軸流滾筒筒體直徑400 mm，表面釘齒、板齒等脫粒元件的高度為75 mm；切流滾筒筒體直徑350 mm，表面的釘齒高度為60 mm。均按照最大徑向尺寸作為橫軸流滾筒和切流滾筒的線速度計(jì)算直徑

式中vz、vq分別為橫軸流滾筒和切流滾筒的線速度，m/s；dzj、dqj分別為橫軸流滾筒和切流滾筒的線速度計(jì)算直徑，mm；dzj=550 mm、dqj=470 mm；nz、nq分別為橫軸流滾筒和切流滾筒的轉(zhuǎn)速，r/min。

由以上計(jì)算，電流頻率、電機(jī)、橫軸流滾筒和切流滾筒的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系標(biāo)定如表1所示。

表1 傳動(dòng)系統(tǒng)速比標(biāo)定Table 1 Transmission system calibration

1.2 物料輸送系統(tǒng)

物料輸送系統(tǒng)寬度900 mm，與4YL-4/5型收獲機(jī)過橋?qū)挾纫恢?。輸送帶設(shè)置隔條，高度30 mm，間隔為230 mm，與黃淮海地區(qū)玉米株距一致，可以通過改變輸送帶調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速或改變每個(gè)間隔放置果穗的數(shù)量來改變喂入量。輸送帶線速度范圍為0～0.726 m/s。若每間隔單排4個(gè)果穗，則單排最大喂入量為

式中w為喂入量，kg/s；c為單個(gè)帶苞葉果穗平均質(zhì)量，kg；n為輸送帶每間隔果穗個(gè)數(shù)，對(duì)應(yīng)籽粒收獲機(jī)作業(yè)行數(shù)；Vd為輸送帶線速度，m/s；d為輸送帶間隔距離，m。

黃淮海種植模式，行距a = 600 mm，株距b=230 mm，橋玉8號(hào)果穗平均質(zhì)量c = 0.32 kg，則單排擺放的最大喂入量w = 4.04 kg/s；若果穗擺放成2排，則最大喂入量8.08 kg/s，最多可以擺放3排果穗。

按照單位小時(shí)折算輸送帶效率對(duì)應(yīng)的收獲機(jī)作業(yè)面積

式中V面積為輸送帶效率對(duì)應(yīng)的收獲機(jī)作業(yè)效率，m2/h。計(jì)算可得，單排擺放最大輸送效率對(duì)應(yīng)的作業(yè)面積為6 203.1 m2/h，則2排擺放為12 406.1 m2/h。

1.3 脫粒系統(tǒng)

黃淮海地區(qū) 4YL-4/5型收獲機(jī)的切流滾筒多采用收小麥時(shí)的短板齒或斜面刀齒的結(jié)構(gòu)形式，橫軸流滾筒均采用全柱齒的結(jié)構(gòu)形式。保持原機(jī)脫粒室柵格凹板篩結(jié)構(gòu)，參照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[31]對(duì)切流滾筒和橫軸流滾筒進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。切流滾筒采用柱齒形式，齒高 60 mm，直徑20 mm。6排柱齒呈螺旋交錯(cuò)狀布置，便于對(duì)玉米果穗進(jìn)行梳理喂入推進(jìn)到橫軸流滾筒脫粒室的起始端，以便保證果穗的脫粒行程，其結(jié)構(gòu)形式及柱齒展開圖如圖 3所示。

圖3 切流滾筒結(jié)構(gòu)及柱齒排布展開圖Fig.3 Tangential flow drum structure and column tooth arranged expanded view

橫軸流滾筒采用柱齒-板齒混合結(jié)構(gòu)，柱齒有較強(qiáng)的物料抓取能力、打擊和梳理作用，板齒對(duì)不均勻喂入的作物層適應(yīng)性好、揉搓效果強(qiáng)，二者結(jié)合可以增強(qiáng)脫粒分離效果，提高脫粒作業(yè)的適應(yīng)性。橫軸流滾筒在結(jié)構(gòu)上有脫粒、篩分和排雜 3個(gè)功能區(qū)段，各區(qū)段之間有環(huán)形擋板，以遲滯物料的快速流動(dòng)，增加果穗擠搓脫粒的時(shí)間，其結(jié)構(gòu)形式及柱齒板齒排布展開圖如圖4所示。

圖4 橫軸流滾筒及柱齒板齒排布展開圖Fig.4 Transverse axial flow drum structure and column tooth-plate tooth arranged expanded view

1.4 輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)架采用50 mm×50 mm方管材結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，橫軸流滾筒所組成的整個(gè)腔室都有脫粒篩分籽粒的作用，由于各區(qū)段的主要功能側(cè)重不同，因而所產(chǎn)生的脫粒物質(zhì)量也存在差異[32-34]，為精準(zhǔn)分析脫粒系統(tǒng)各功能區(qū)段的脫粒性能，在滾筒不同功能區(qū)段所對(duì)應(yīng)凹板篩下面設(shè)置隔離板，防止?jié)L筒不同區(qū)段脫下的籽粒相互交叉，將全部脫粒區(qū)域分成 3大部分，放置相應(yīng)尺寸的集糧盒。把 3個(gè)集糧盒沿滾筒軸向分割成若干小格子，方便進(jìn)一步細(xì)化研究脫粒系統(tǒng)的作業(yè)性能。

試驗(yàn)臺(tái)架外圍適宜部位采用透明 PVC有機(jī)玻璃封裝，便于觀察脫粒室、架設(shè)高速攝影系統(tǒng)或布置相關(guān)測(cè)試裝備。變頻器、空氣開關(guān)、操控面板等電氣元件布置在電氣控制柜中，便于安全操作。

最終制造成形的脫粒試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖 5所示。玉米果穗經(jīng)上料輸送裝置傳送到喂入口，在切流滾筒的作用下強(qiáng)制喂入到橫軸流滾筒的脫粒室內(nèi)，切流滾筒在喂入作業(yè)的過程中，也對(duì)果穗進(jìn)行初步擠搓，起到脫粒作用。果穗在脫粒室內(nèi)脫粒后，籽粒經(jīng)凹板篩落入下部集糧盒內(nèi)，苞葉及軸芯等較輕、較大的物料經(jīng)脫粒室上蓋導(dǎo)向板的疏導(dǎo)推送至秸草分離區(qū)，經(jīng)排雜口拋出臺(tái)架外。

圖5 脫粒試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Threshing test bench physical structure

1.5 脫粒試驗(yàn)臺(tái)穩(wěn)定性分析

脫粒滾筒筒體上多個(gè)脫粒元件幾何結(jié)構(gòu)和空間布置的不均勻性以及零件制造、焊接裝配誤差等原因造成重心偏移，使其在高速工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)周期性在某個(gè)方向上出現(xiàn)較大的不平衡慣性離心力，在軸承支撐處引起附加動(dòng)壓力，引起軸承及滾筒振動(dòng)、噪聲，加速軸承磨損，甚至導(dǎo)致試驗(yàn)臺(tái)架不穩(wěn)定產(chǎn)生安全隱患，必須進(jìn)行動(dòng)平衡校核加以改善[35]。

動(dòng)平衡模擬可以求得脫粒滾筒兩端支反力合力的變化規(guī)律和不平衡量，通過理論計(jì)算來消除不平衡從而達(dá)到脫粒滾筒動(dòng)平衡條件。以橫軸流滾筒為例闡述動(dòng)平衡分析過程，將橫軸流滾筒三維模型導(dǎo)入 ADAMS軟件，定義前處理邊界條件和仿真控制條件，建立動(dòng)平衡有限元分析模型。以600 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真模擬，得到滾筒E端、F端（定義脫粒端軸承為E端，排雜端軸承為F端）的支反力合力分別為52.9、183.1 N，經(jīng)過計(jì)算，已經(jīng)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[36-37]的規(guī)定。通過在滾筒兩端加載模擬配重，再次進(jìn)行動(dòng)平衡模擬，得到E、F兩端的支反力合力分別為FE=33 N、FF=119.9 N。如圖6a所示。E、F兩端在所受的支反力合力在加速階段波動(dòng)較大，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后的支反力合力值則為最終計(jì)算依據(jù)。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[36-37]的規(guī)定：不平衡值（剩余不平衡量 U）不宜大于許用值 Uper，即：U≤Uper。許用剩余不平衡量

式中Uper為許用剩余不平衡量數(shù)值，g/mm；(eper×?)為平衡品質(zhì)級(jí)別量值，mm/s；m為滾筒質(zhì)量，kg；?為滾筒角速度，rad/s。農(nóng)業(yè)機(jī)械對(duì)應(yīng)的平衡品質(zhì)級(jí)別量值(eper×?)為16 mm/s，橫軸流滾筒質(zhì)量m為166.5 kg，?為62.8 rad/s，則許用剩余不平衡量

式中U為不平衡量數(shù)值，g/mm；F為支反力合力，N。

則總不平衡量為 UE+ UF= 3 8 7 69.3 g/mm＜ Uper。滿足規(guī)定要求。

基于動(dòng)平衡數(shù)值模擬與理論計(jì)算，采用YYW-300型硬支撐動(dòng)平衡機(jī)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[36-37]對(duì)橫軸流滾筒進(jìn)行動(dòng)平衡校核，分別在E端和F端內(nèi)沿處非工作表面焊接配重鐵塊，配重復(fù)檢后最終達(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定要求，配重結(jié)果如圖6b所示。

圖6 橫軸流滾筒動(dòng)平衡校驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Transverse axial flow drum dynamic balance verify results

2 脫粒試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)因素的確定

玉米脫粒的原理主要是依靠脫粒元件對(duì)玉米果穗的沖擊作用以及玉米果穗相互之間、果穗與滾筒和凹板篩之間的擠搓作用而使籽粒剝離[30]。脫粒過程中影響玉米籽粒破碎的因素有籽粒含水率、滾筒線速度、脫粒間隙和喂入量等因素，為簡(jiǎn)化試驗(yàn)，研究脫粒過程中影響籽粒破碎的主要因素，將喂入量、脫粒間隙按照脫粒作業(yè)的實(shí)際情況簡(jiǎn)化。根據(jù)黃淮海地區(qū)玉米種植地塊以及4YL-4/5型玉米籽粒收獲機(jī)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)作業(yè)效率4 002 m2/h，試驗(yàn)系統(tǒng)喂入量相應(yīng)折算為2.6 kg/s。脫粒間隙是指脫粒滾筒釘齒頂端與凹板篩橫格板之間的最小距離，根據(jù)物料的運(yùn)動(dòng)方向，脫粒間隙分為入口間隙和出口間隙，脫粒間隙的大小與玉米軸芯直徑有關(guān)，一般入口間隙小于果穗的平均直徑，出口間隙與軸芯直徑的一半相當(dāng)[13]。根據(jù)對(duì)橋玉8號(hào)果穗生物性狀的統(tǒng)計(jì)結(jié)果[13,30]，入口間隙包含切流滾筒的脫粒間隙和橫軸流滾筒活動(dòng)凹板篩入口處的間隙，調(diào)整為36 mm，出口間隙12 mm，脫粒間隙比為3。

脫粒試驗(yàn)針對(duì)籽粒含水率、橫軸流滾筒線速度的影響作用進(jìn)行研究。不同果穗部位的籽粒生長(zhǎng)狀態(tài)、脫水速率、含水率均不相同，玉米籽粒角質(zhì)胚乳、粉質(zhì)胚乳和胚的各成分間的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能差異較大，并且受含水狀態(tài)影響較大，屬于不穩(wěn)定的復(fù)合生物材料，籽粒干燥脫水時(shí)呈內(nèi)壓外拉應(yīng)力狀態(tài)，受潮吸濕時(shí)呈內(nèi)拉外壓應(yīng)力狀態(tài)，在脫粒試驗(yàn)研究中，無法將含水率精確定義到太精細(xì)的數(shù)值，只能按照含水率區(qū)間進(jìn)行模糊測(cè)試、評(píng)判。對(duì)試驗(yàn)田玉米果穗的含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在其自然脫水的過程中，選定含水率在32%～30%、30%～28%、28%～26%、26%～24%、24%～22%五個(gè)水平區(qū)間進(jìn)行脫粒試驗(yàn)。根據(jù)傳統(tǒng)脫粒經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)玉米脫粒研究[13-14,30]，高含水率玉米果穗脫粒時(shí)，脫粒滾筒的線速度一般在15～22 m/s，速度太高，打擊力太大，籽粒破碎率會(huì)急劇增加，碎秸草也會(huì)增多，給清選增加負(fù)擔(dān)，功率也會(huì)增加很多；速度過低，打擊力不足，籽粒不能脫下，物料長(zhǎng)時(shí)間滯留在脫粒室內(nèi)反復(fù)揉搓將導(dǎo)致破碎率增加。橫軸流滾筒的線速度選擇為 15.84、17.28、18.72、20.16、21.6 m/s，則相應(yīng)的切流滾筒線速度為16.53、18.03、19.53、21.06、22.56 m/s。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)為單因素試驗(yàn)，以玉米籽粒破碎率為目標(biāo)，試驗(yàn)因素為籽粒含水率、橫軸流滾筒線速度。監(jiān)測(cè)利奇種業(yè)公司試驗(yàn)田玉米果穗含水率并及時(shí)人工采收適合試驗(yàn)要求含水率的帶苞葉果穗。在輸送帶上每排擺放 4個(gè)玉米果穗，按照2.6 kg/s的喂入量設(shè)定上料輸送機(jī)皮帶線速度為0.47 m/s。每次試驗(yàn)前都要檢查入口和出口的脫粒間隙值。在預(yù)設(shè)的 5個(gè)含水率區(qū)間內(nèi)，每個(gè)區(qū)間均按照橫軸流滾筒15.84、17.28、18.72、20.16和21.6 m/s的線速度依次開展脫粒試驗(yàn)，每次試驗(yàn)2個(gè)重復(fù)，每次喂入量50 kg，按照?qǐng)D7a所示的脫粒物收集鐵盒，分別稱量每個(gè)小格子內(nèi)的脫粒物質(zhì)量、采樣統(tǒng)計(jì)每個(gè)小格子內(nèi)籽粒破碎率，取平均值。參照表 1調(diào)節(jié)變頻器頻率即可準(zhǔn)確調(diào)控橫軸流滾筒線速度。

2.3 切流、橫軸流滾筒脫粒質(zhì)量對(duì)比

玉米脫粒試驗(yàn)籽粒收集的分布情況如圖7a所示，破碎籽粒識(shí)別統(tǒng)計(jì)[38-39]，從集糧盒內(nèi)取脫粒籽粒適量，清潔后采樣200 g，揀出機(jī)器損傷、有明顯裂紋及破皮的籽粒，稱出破碎籽粒質(zhì)量和樣品籽?？傎|(zhì)量，計(jì)算籽粒破碎率

式中 Zs為籽粒破碎率，%；Ws為破碎籽粒質(zhì)量，g；Wi為樣品籽粒總質(zhì)量，g。

為了對(duì)比切流脫粒區(qū) A（A1、A2、A3）、橫軸流脫粒區(qū)B（B1、B2、B3）和分離排雜區(qū)C（C1、C2、C3）3個(gè)分區(qū)的脫粒量，分別統(tǒng)計(jì)3個(gè)分區(qū)每次試驗(yàn)的脫粒物質(zhì)量占比，得到A、B和C 3個(gè)分區(qū)的脫粒物平均質(zhì)量占比分別為41.9%、44.5%和13.6%。

不同含水率區(qū)間內(nèi)，脫粒系統(tǒng)各區(qū)段脫粒量與含水率存在一定的關(guān)系，如圖7b所示，當(dāng)含水率低于28%，切流脫粒量與橫軸流脫粒量比較接近，平均差值在 1個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi)，在平均含水率 25%時(shí)，切流脫粒量與橫軸流脫粒量占比僅相差0.4個(gè)百分點(diǎn)；隨著物料含水率的增加切流脫粒物比重下降，橫軸流脫粒物比重上升，同時(shí)分離排雜區(qū)C的脫粒物也呈同步增加趨勢(shì)。試驗(yàn)表明，在 28%的含水率以下，切流滾筒與橫軸流滾筒的脫粒能力幾乎相當(dāng)，在含水率高于 28%后，切流滾筒脫粒能力明顯弱于橫軸流滾筒。結(jié)合果穗的物料特性研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率低于 28%時(shí)，果穗籽粒行間隙與環(huán)間隙隨著含水率的降低明顯增大，表明籽粒脫水導(dǎo)致籽粒體積收縮[40]，籽粒間“相互抱團(tuán)”作用減弱，降低了脫粒難度。研究表明[30]，在橫軸流滾筒脫粒過程中，物料在脫粒系統(tǒng)中的作用時(shí)間約為2～3 s，物料在橫軸流滾筒脫粒室內(nèi)，經(jīng)多次打擊、翻轉(zhuǎn)、擠搓，作用時(shí)間較長(zhǎng)，脫粒相對(duì)充分；在切流滾筒脫粒時(shí)，物料從A區(qū)喂入口接觸切流滾筒到高速離開 A區(qū)，經(jīng)理論計(jì)算作用時(shí)長(zhǎng)僅為0.021～0.029 s，果穗在瞬間經(jīng)高速打擊、與凹板篩的沖擊擠搓實(shí)現(xiàn)切流脫粒，作用時(shí)間短，對(duì)于較高含水率的果穗，顯然不能有效脫粒，高含水率脫粒時(shí)，切流滾筒將更多的物料拋推至橫軸流脫粒室內(nèi)，造成大量物料的遲滯，增加了堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 各區(qū)段脫粒分布情況以及脫粒質(zhì)量占比變化與含水率的關(guān)系Fig.7 Threshing distribution situation, relationship between grain weight percentage change and moisture content in each threshing region

對(duì)于切流-橫軸流脫粒系統(tǒng)，大多數(shù)籽粒收獲研究更多強(qiáng)調(diào)橫軸流滾筒的結(jié)構(gòu)、脫粒功能和切流滾筒的喂入功能，而忽略了切流滾筒的脫粒功能，認(rèn)為在果穗喂入的一瞬間，切流滾筒并不能起到多大的脫粒作用，通過試驗(yàn)測(cè)試，切流滾筒不僅僅是喂入功能，其脫粒物的質(zhì)量占比達(dá)到了40%以上。因此，在優(yōu)化切流-橫軸流機(jī)型脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要切流、橫軸流并重，才能有效降低破碎率，提高收獲作業(yè)質(zhì)量。

2.4 含水率對(duì)籽粒破碎率的影響

合適的含水率是玉米機(jī)械化籽粒收獲的先決條件[1,41]，含水率過高，籽粒強(qiáng)度硬度太低，脫粒時(shí)容易破損，含水率過低，雖然籽粒硬度提高，但韌性較差，在脫粒沖擊時(shí)容易脆裂。

切流-橫軸流試驗(yàn)系統(tǒng)中，橫軸流滾筒的籽粒破碎率與含水率的關(guān)系如圖8a所示，整體上看，籽粒破碎率隨著含水率的增加呈快速增大的趨勢(shì)。橫軸流滾筒線速度在15.84～18.72 m/s時(shí)，含水率在22%～26%的脫粒試驗(yàn)，籽粒破碎率均小于5%，符合國(guó)標(biāo)規(guī)定的機(jī)械化籽粒收獲標(biāo)準(zhǔn)[38]，其中含水率在 24%～26%范圍內(nèi)的脫粒破碎率最低，呈現(xiàn)出明顯的拐點(diǎn)，并且在17.28 m/s的速度下破碎率1.5%，是脫粒試驗(yàn)的最低值；當(dāng)含水率在26%～28%時(shí)，籽粒破碎率在5%左右，基本接近國(guó)標(biāo)規(guī)定；當(dāng)含水率高于28%時(shí)，籽粒破碎率隨含水率的上升而較快增大，突破國(guó)標(biāo)規(guī)定，籽粒收獲適應(yīng)性降低。當(dāng)含水率低于24%～26%，籽粒破碎率有升高的趨勢(shì)，經(jīng)分析在此階段籽粒最外面的角質(zhì)胚乳脫水速度大于里面的粉質(zhì)胚乳和胚，造成濕度梯度過大，籽粒整體上呈現(xiàn)出內(nèi)壓外拉的應(yīng)力分布，不同成份分界線之間呈現(xiàn)出應(yīng)力裂紋[42]，在脫粒打擊作用下，內(nèi)外應(yīng)力集中，很容易引起破裂[43]。軸流滾筒在20.16～21.60 m/s的速度下，在脫粒試驗(yàn)測(cè)試的全部含水率區(qū)間內(nèi)，籽粒破碎率基本都在6%以上，隨著含水率的增加而急劇增大，完全不滿足籽粒收獲的國(guó)標(biāo)規(guī)定。

切流滾筒在脫粒試驗(yàn)中破碎率與含水率的關(guān)系趨勢(shì)與橫軸流滾筒的較為相似，在 24%～26%的含水率區(qū)間下，滾筒線速度16.53～19.53 m/s下，籽粒破碎率不超過5%。18.03 m/s的滾筒線速度下籽粒破碎率最小為1.9%，如圖8b所示。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)在24%～26%的含水率區(qū)間內(nèi)的籽粒破碎率為橫軸流、切流滾筒破碎率的平均值1.7%。

2.5 脫粒滾筒速度分析

脫粒滾筒線速度是影響籽粒破碎的首要技術(shù)條件[2,10]，橫軸流滾筒在不同線速度脫粒時(shí)，各含水率區(qū)間均在17.28 m/s的轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)破碎率極小值，其中24%～26%含水率區(qū)間的破碎率極小值最小，當(dāng)線速度降低到15.84 m/s，破碎率反而增大，這是因?yàn)?，滾筒轉(zhuǎn)速降低，導(dǎo)致滾筒脫粒效率降低，混合物料滯留在脫粒室的時(shí)間增加，雖然物料的擠搓、揉搓作用增強(qiáng)，但長(zhǎng)時(shí)間的擠搓作用反而會(huì)使破碎率增高，因此，適時(shí)控制物料的脫粒作用時(shí)間也是提高脫粒質(zhì)量、降低破碎率的有效途徑之一。切流滾筒脫粒速度的影響規(guī)律與橫軸流的基本一致，在24%～26%的含水率區(qū)間破碎率最低，在18.03 m/s的轉(zhuǎn)速下，切流脫粒破碎率最低，如圖9所示。

圖8 籽粒含水率與破碎率關(guān)系Fig.8 Relationship between moisture content and grain broken rate

圖9 滾筒線速度與破碎率關(guān)系Fig.9 Relationship between drum peripheral velocity and grain broken rate

綜合試驗(yàn)結(jié)果，含水率是實(shí)現(xiàn)玉米籽粒收獲的先決條件，加快玉米籽粒成熟期的脫水速率是當(dāng)前機(jī)收玉米育種努力的重要方向之一，在目前的玉米收獲生產(chǎn)中，適時(shí)晚收延長(zhǎng)脫水時(shí)間、適合的機(jī)具作業(yè)參數(shù)是降低機(jī)收籽粒破碎率的有效措施。

3 結(jié) 論

為研究切流-橫軸流機(jī)型在黃淮海地區(qū)玉米籽粒收獲的適應(yīng)性，以4YL-4/5型收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過改進(jìn)脫粒元件結(jié)構(gòu)及其排布形式，建立了玉米脫粒試驗(yàn)系統(tǒng)。根據(jù)試驗(yàn)用玉米果穗的生物性狀，將切流-橫軸流脫粒系統(tǒng)的入口間隙設(shè)置為36 mm，出口間隙設(shè)置為12 mm，喂入量按照收獲機(jī)經(jīng)濟(jì)作業(yè)效率設(shè)置為2.6 kg/s。在不同的滾筒轉(zhuǎn)速下對(duì)含水率在 22%～32%的玉米果穗進(jìn)行脫粒試驗(yàn)，得到如下結(jié)論；

1）切流-橫軸流脫粒系統(tǒng)的柱齒型切流滾筒滿足國(guó)標(biāo)籽粒破碎率小于5%的工作參數(shù)為：線速度16.53～19.53 m/s，含水率為 24%～26%。柱齒-板齒結(jié)構(gòu)的橫軸流滾筒滿足國(guó)標(biāo)籽粒破碎率小于 5%的工作參數(shù)為：線速度 15.84～18.72 m/s，含水率為22%～26%。

2）切流滾筒的脫粒物質(zhì)量占比隨著含水率的增加而有所減弱，含水率在 28%以下，切流滾筒與橫軸流滾筒脫粒篩分段的脫粒物質(zhì)量占比幾乎相當(dāng)；當(dāng)含水率高于28%，切流滾筒的脫粒物質(zhì)量占比下降明顯。

3）切流-橫軸流脫粒系統(tǒng)對(duì)含水率在24%～26%的玉米果穗適應(yīng)能力較強(qiáng)，在平均含水率 25%時(shí)，切流脫粒質(zhì)量占比僅比橫軸流脫粒的小0.4個(gè)百分點(diǎn)，切流和橫軸流的脫粒能力發(fā)揮充分；當(dāng)橫軸流滾筒線速度為 17.28 m/s時(shí)，整個(gè)脫粒系統(tǒng)的籽粒破碎率最低，平均值為1.7%。

4）試驗(yàn)表明，4YL-4/5型收獲機(jī)通過改進(jìn)脫粒元件等關(guān)鍵零部件，在 26%以下的含水率和合適的機(jī)器參數(shù)下進(jìn)行玉米籽粒收獲，可以達(dá)到國(guó)家機(jī)收標(biāo)準(zhǔn)，具備一定的玉米籽粒收獲技術(shù)潛力。

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