李義博 姜建軍 徐 楊 崔 濤 蘇 媛 喬夢夢

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083)

0 引言

脫粒裝置是玉米籽粒聯(lián)合收獲機的核心工作部件，其工作性能不僅影響后續(xù)清選分離作業(yè)，更影響著整個機器系統(tǒng)的工作質(zhì)量和生產(chǎn)率[1-3]。脫粒環(huán)節(jié)中籽粒所受機械損傷源于直收過程中的籽粒破碎，在實際生產(chǎn)中，為爭搶農(nóng)時，玉米收獲時的籽粒含水率一般高于國標(25%)，因此易產(chǎn)生破碎[4]。另外，脫粒環(huán)節(jié)中籽粒受到脫粒元件、凹板等脫粒部件的擠壓撞擊外力作用，極易造成損傷，進而導致籽粒直收過程中玉米籽粒破碎率較高[4-5]。

針對高含水率玉米籽粒破碎率高的問題，國內(nèi)外學者進行了大量研究。在脫粒裝置工作參數(shù)方面，CHOWDHURY[6]通過室內(nèi)玉米脫粒臺架試驗發(fā)現(xiàn)，增加滾筒釘齒數(shù)目導致籽粒破碎率顯著增加；ARNOLD[7]、WAELTI等[8]研究了滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、喂入量、板齒類型及數(shù)量等對籽粒破碎率的影響，結(jié)果表明，滾筒轉(zhuǎn)速是造成籽粒機械損傷的主要因素；文獻[9-10]研究了不同喂入方式、喂入量、滾筒速度和脫粒間隙等對籽粒破碎率的影響，得到了不同玉米品種在不同含水率下適宜的滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙；李心平等[11]研究了籽粒不同含水率、喂入量和脫粒輥轉(zhuǎn)速對籽粒破碎率的影響，揭示了含水率與破碎率呈二次函數(shù)關(guān)系，喂入量和脫粒輥轉(zhuǎn)速均與破損率呈正相關(guān)關(guān)系。

目前，多數(shù)學者主要以改進脫粒部件結(jié)構(gòu)設計和運動參數(shù)為主，而對谷物脫粒釘齒的材料研究較少。張東興團隊[3]基于EDEM仿真試驗設計了一種剛性圓頭釘齒、紋桿與分段組合式凹板相互配合的脫粒機構(gòu)，為實現(xiàn)高含水率籽粒的低破碎脫粒進行了初步嘗試；付君等[12]以牛舌舌尖表面絲狀乳突結(jié)構(gòu)為仿生原型，設計了Q345碳鋼材料的小麥仿生脫粒齒，提升了小麥脫粒的脫凈率；陳海濤等[13]針對大豆脫粒過程中籽?；祀s和機械損傷等問題，設計了脫粒帶為通用橡膠材料的柔性差速帶式脫粒裝置，為實現(xiàn)大豆低含雜、低損傷脫粒提供了理論依據(jù)；耿端陽等[14]設計了橫軸流式玉米柔性脫粒裝置，脫粒元件采用柔性釘齒和彈性短紋桿組合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了玉米果穗柔性低損傷脫粒，但柔性釘齒材料僅由聚氨酯橡膠構(gòu)成，質(zhì)地偏軟，對果穗擊打脫粒能力較弱，影響玉米籽粒脫凈率；蘇媛等[15]將傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒改進設計為丁腈橡膠復合釘齒和聚氨酯橡膠釘齒，經(jīng)試驗表明，丁腈橡膠復合釘齒脫粒性能優(yōu)于聚氨酯橡膠釘齒和傳統(tǒng)碳鋼釘齒，但未對丁腈橡膠復合釘齒在脫粒過程中的耐磨性能進行深入研究。

本文采用臺架試驗方法研究不同外層材料的復合釘齒對玉米果穗脫粒性能(籽粒破碎率和未脫凈率)和自身抗磨損性能(磨損損失質(zhì)量和磨損宏微觀分析)的影響，綜合提出較優(yōu)的橡膠復合釘齒類型，以期提升脫粒裝置對高含水率果穗脫粒過程中的作業(yè)性能。

1 復合釘齒式脫粒裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 脫粒釘齒改進方案

玉米脫粒裝置內(nèi)釘齒式元件主要通過擊打碰撞方式對果穗脫粒，釘齒對果穗抓取能力強，在果穗含水率較高和喂入量不均勻情況下具有良好的適應性，但其擊打面積小、強度大，故籽粒破碎率高[16]。

圖1 玉米脫粒裝置內(nèi)脫粒釘齒改進方案Fig.1 Improvement of nail teeth in maize threshing device1.傳統(tǒng)桿齒 2.固定座 3.橡膠層 4.螺栓 5.碳鋼層

本課題組依據(jù)釘齒式脫粒元件優(yōu)缺點，將其進行改進，如圖1所示[15]。增大與果穗擊打碰撞接觸面積，依據(jù)傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒結(jié)構(gòu)，設計了Q235弧面釘齒；減小與果穗剛性機械碰撞，將Q235弧面釘齒改進為彈性橡膠弧面釘齒；彈性橡膠弧面釘齒質(zhì)地偏軟，對果穗擊打碰撞能力顯著減弱，籽粒未脫凈率升高，根據(jù)彈性橡膠釘齒和弧面釘齒性能特點，改進設計了復合釘齒。復合釘齒由內(nèi)層碳鋼層和外層橡膠層組成，橡膠層包裹碳鋼層并通過螺栓連接固定在基座上，試驗結(jié)果驗證了復合釘齒脫粒性能優(yōu)于前者[15]。

1.2 脫粒裝置結(jié)構(gòu)與復合釘齒工作原理

復合釘齒式脫粒裝置主要由螺旋喂入頭、復合釘齒、分離和脫粒凹板、脫粒滾筒和排芯板等部件組成。復合釘齒螺旋排布在脫粒滾筒表面；螺旋導流板均勻排布在罩殼內(nèi)側(cè)以促進脫粒釘齒對果穗的軸向運輸；罩殼和凹板均通過螺栓連接固定在支撐架上；排芯板設置于脫粒滾筒后端，材質(zhì)選用普通碳鋼，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為[17]：滾筒總長度2 700 mm、滾筒半徑200 mm、滾筒傾角5°、螺旋喂入頭螺旋角30°、長度500 mm，單條螺旋線上脫粒段齒數(shù)13、分離段齒數(shù)16，排雜段長度100 mm，滾筒齒根圓直徑380 mm，單個凹板長度366 mm、包角163°、凹板間隙50 mm。如圖2所示，復合釘齒結(jié)構(gòu)參數(shù)為[15,18]：橡膠層工作高度H1=40 mm，碳鋼層高度H2=60 mm，橡膠層弧形半徑R1=57 mm，橡膠層寬度D1=30 mm，碳鋼層底寬D2=24 mm，經(jīng)過前期預試驗，綜合考慮復合釘齒橡膠層疲勞磨損、果穗所受擊打強度和籽粒破碎率與未脫凈率等因素，確定橡膠層厚度為3 mm。

圖2 復合釘齒式脫粒裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of maize threshing device based on composite nail teeth1.螺旋喂入頭 2.脫粒滾筒 3.復合釘齒 4.罩殼 5.排芯板 6.分離凹板 7.脫粒凹板

復合釘齒工作原理：主要依靠對玉米果穗擊打和碰撞實現(xiàn)脫粒，弧形表面增大與果穗碰撞接觸面積，減小對籽?；衃19]，增加對果穗“擠搓”和“揉擦”作用。內(nèi)層碳鋼層選用Q235鋼，其不與果穗接觸，僅為外層橡膠層提供剛性應力支撐，使橡膠層與果穗發(fā)生“彈性碰撞”時，適當增大擊打、擠搓強度，提升籽粒脫凈率；外層橡膠層實現(xiàn)與果穗“彈性碰撞”，減小果穗所受剛性沖擊，降低機械碰撞損傷下籽粒破碎率。

2 不同外層橡膠材料的復合釘齒制備

2.1 橡膠材料選擇

丁腈橡膠(NBR)是一種不飽和的極性橡膠，主要應用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，另外，還應用在墊圈、管螺紋保護層和硬橡膠零件制造等方面[20]。丁腈橡膠具有極高的穩(wěn)定性和抗沖擊性、優(yōu)異的耐磨損和耐熱性[21]，比較符合玉米脫粒裝置中對脫粒釘齒的性能要求。因此，將丁腈橡膠作為橡膠選材之一。

天然橡膠(NR)是以聚異戊二烯為主要成分的天然高分子聚合物，其具有優(yōu)異的抗撕裂性能和耐磨損性能，綜合性能優(yōu)越，被廣泛應用于輪胎制造等產(chǎn)業(yè)[22]。脫粒釘齒與輪胎應具備的特點相似：合適的硬度、較強的抓取能力和良好的耐磨性與抗撕裂特性，所以將天然橡膠作為選材之一。

三元乙丙橡膠(EPDM)是一種綜合性能較好的三元共聚物，被稱為“通用型橡膠”。其優(yōu)異的耐磨性能、良好的耐熱老化性能和優(yōu)良的耐屈撓性，在減震制品、汽車工業(yè)和電纜電線等領(lǐng)域得到了廣泛使用[23]。優(yōu)異的耐磨性能和耐屈撓性能使三元乙丙橡膠成為材料選擇之一。

綜上分析，本文選用丁腈橡膠、天然橡膠、三元乙丙橡膠作為復合釘齒橡膠層的橡膠種類。

2.2 加工設備與測試儀器

在橡膠材料制備過程中，不同的配方和加工工藝流程對其硬度、撕裂強度和壓縮變形等物理和力學性能產(chǎn)生較大差異，故本研究將通過詳述橡膠材料配方和加工工藝流程自制3種外層材料不同的橡膠復合釘齒，加工設備與測試儀器如下：XK-160型開煉機(上海雙翼橡膠機械廠)、BB-2型密煉機(東莞昶豐橡塑機械科技有限公司)、MR-C3型無轉(zhuǎn)子硫化儀(蘇州科博晟機械設備有限公司)、XLB-D600×600型平板硫化機(浙江湖州東方機械有限公司)和HITACHI S-4800型掃描電子顯微鏡(日立公司，日本)。

2.3 復合釘齒加工

2.3.1復合釘齒外層橡膠材料配方

表1為丁腈橡膠、天然橡膠和三元乙丙橡膠材料配方。

2.3.2復合釘齒加工工藝

(1)丁腈橡膠復合釘齒

將生膠在開煉機上薄通5次，包輥后加入小料混煉3 min，翻煉3 min；吃料完畢后左右割刀翻煉3至4次；加入硫化劑并翻煉3至4次，薄通1至2次，排氣下片；用無轉(zhuǎn)子硫化儀測定硫化特性，將橡膠轉(zhuǎn)入釘齒模具中模壓并用平板硫化機硫化。

表1 橡膠材料配方Tab.1 Formulations of rubber material g

(2)天然橡膠復合釘齒

在室溫25℃條件下，將天然橡膠生膠在開煉機上塑煉3 min；包輥后，依次加入氧化鋅和防老劑RD等混煉均勻，待完全吃料后，加入剩余填料混煉均勻停放10 min；加入促進劑和硫磺，吃料完畢后左右割刀5次，打三角包6次，混煉均勻，下片待用；使用無轉(zhuǎn)子硫化儀測定160℃下硫化特性；停放48h后將橡膠轉(zhuǎn)入釘齒模具中模壓和粘貼成型，使用平板硫化機硫化試樣，施加壓力120 MPa，硫化溫度160℃。

(3)三元乙丙橡膠復合釘齒

將生膠置于開煉機塑煉3次，包輥后加入硬脂酸和防老劑等割刀混煉，薄通均勻后加入炭黑和促進劑等，打三角包，混煉均勻，下片待用；靜置10 h，使用無轉(zhuǎn)子硫化儀測定170℃硫化溫度下硫化時間，將橡膠置于模具中模壓成型并在硫化機上硫化。

3種外層橡膠材料不同的復合釘齒加工實物(基座除外)如圖3所示。

圖3 不同外層橡膠材料的復合釘齒實物Fig.3 Composite nail teeth in different outer rubber materials

3 復合釘齒性能試驗

3.1 復合釘齒外層橡膠層硬度試驗

復合釘齒橡膠層的硬度是評價玉米果穗與復合層釘齒相互接觸產(chǎn)生碰撞壓縮時橡膠層抵抗變形能力的指標，硬度與抵抗變形能力成正比且與其他力學性能(撕裂強度、壓縮變形等)密切相關(guān)[24]。復合釘齒橡膠層加工完畢后，對其進行抵抗變形能力測驗，在室溫25℃下，參照文獻[24]，采用邵爾(A型)硬度計(上海高致精密儀器有限公司)進行測試，在試樣不同位置測量5個點，每點測量1次，取5個測量點數(shù)值中位數(shù)，試驗結(jié)果如表2所示。丁腈橡膠層(NBR)、天然橡膠層(NR)和三元乙丙橡膠層(EPDM)邵爾A硬度依次升高，分別為69、72和76，故三元乙丙橡膠層抵抗變形能力最強。

表2 不同橡膠材料邵爾A硬度Tab.2 Shore A hardness of different rubber materials

3.2 復合釘齒脫粒性能試驗

3.2.1試驗條件

基于自制3種不同外層橡膠材料的復合釘齒，通過螺栓連接并將其固定于基座上，改進縱軸流式脫粒裝置試驗臺架，使其與玉米收獲機脫粒裝置保持一致。由于原裝置脫粒滾筒工作轉(zhuǎn)速范圍為250～500 r/min(線速度為5.24～10.47 m/s)，取其轉(zhuǎn)速中心值n=375 r/min(線速度為7.86 m/s)作為本研究脫粒裝置滾筒轉(zhuǎn)速(線速度)[15]，其余參數(shù)均與原裝置保持一致。試驗材料選用河北省滄州地區(qū)廣泛種植的長筒型“聯(lián)創(chuàng)808”玉米果穗，將果穗按長度172、183、196、204 mm分為4類，分別占果穗總質(zhì)量的9.5%、73.6%、10.1%和6.8%。按照物料含水率測定方法，通過田間取樣實際測得籽粒含水率范圍為29.7%～30.5%，為避免果穗機械損傷采用人工摘穗方式收穗[25]，為模擬收獲過程中割臺對果穗影響去除2～3層外部苞葉[26]，試驗裝置如圖4所示。

圖4 試驗裝置Fig.4 Experiment device1.輸送裝置 2.喂入裝置 3.脫粒裝置 4.脫粒滾筒 5.復合釘齒

3.2.2試驗方法

試驗前依據(jù)玉米果穗長度比例，稱量各長度果穗并均勻混合，分別將80、100、120 kg果穗均勻有序鋪放在輸送裝置不同區(qū)域，通過計時器計時10 s，重復多次試驗分別確定3種質(zhì)量的玉米果穗10 s時從輸送裝置完全進入脫粒裝置的鋪放區(qū)域。試驗時分別將3種質(zhì)量的玉米果穗均勻放置在輸送裝置的確定區(qū)域內(nèi)，10 s全部喂入，以保證脫粒裝置螺旋喂入頭處果穗喂入量分別為8、10、12 kg/s。試驗參照GB/T 21961—2008《玉米收獲機 試驗方法》及GB/T 21962—2008《玉米收獲機械 技術(shù)條件》進行，每組試驗重復3次，并對數(shù)據(jù)進行均值化處理。通過更換不同外層橡膠材料的復合釘齒，探究對籽粒破碎率與未脫凈率的影響，計算公式[27]為

(1)

(2)

式中Zp、Sw——籽粒破碎率和未脫凈率，%

wp1——表面裂紋、破裂和劃傷籽粒質(zhì)量，kg

wp2——表面破皮、內(nèi)部裂紋籽粒質(zhì)量，kg

wx、wz——籽?？傎|(zhì)量和脫出籽粒總質(zhì)量，kg

wj——未脫凈籽粒質(zhì)量，kg

3.2.3試驗結(jié)果分析

(1)對籽粒破碎率的影響

不同橡膠層釘齒在果穗不同喂入量時，玉米籽粒破碎率如圖5所示。

圖5 不同類型脫粒釘齒的籽粒破碎率Fig.5 Breakage rates of maize in different types of threshing nail teeth

在相同喂入量下，4種脫粒釘齒的籽粒破碎率由小到大依次為三元乙丙橡膠復合釘齒、天然橡膠復合釘齒、丁腈橡膠復合釘齒、傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒。3種復合釘齒的玉米籽粒破碎率均小于傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒，這是因為復合釘齒硬度較小，與果穗碰撞接觸面積大，籽粒所受滑切作用較小，說明復合釘齒能有效降低果穗剛性沖擊，減輕碰撞損傷，進而降低籽粒破碎率。

三元乙丙橡膠復合釘齒與天然橡膠復合釘齒籽粒破碎率分別在喂入量為8、12 kg/s時相差最小和最大，其差值為0.85%(2.92%～3.77%)、1.35%(4.88%～6.23%)，與丁腈橡膠復合釘齒籽粒破碎率分別在喂入量為8、12 kg/s時相差最小和最大，其差值為1.93%(2.92%～4.85%)、2.39%(4.88%～7.27%)。

當喂入量為8、10、12 kg/s時，傳統(tǒng)碳鋼釘齒籽粒破碎率分別為6.90%、8.28%、10.35%，三元乙丙橡膠復合釘齒籽粒破碎率分別為2.92%、3.68%、4.88%，籽粒破碎率分別降低3.98、4.6、5.47個百分點。

(2)對籽粒未脫凈率的影響

不同橡膠層釘齒在果穗不同喂入量時，玉米籽粒未脫凈率如圖6所示。在果穗喂入量相同時，4種脫粒釘齒的籽粒未脫凈率由小到大依次為傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒、三元乙丙橡膠復合釘齒、天然橡膠復合釘齒、丁腈橡膠復合釘齒。但3種復合釘齒與傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒的籽粒未脫凈率相近，這是因為傳統(tǒng)碳鋼釘齒對果穗擊打強度較大，使籽粒在芯軸上脫落或松動的幾率增大，故籽粒未脫凈率低[17,28]，然而，復合釘齒弧面增大了與果穗擊打接觸面積，籽粒受力的排數(shù)和行數(shù)增多，也使果穗脫粒概率增大，故兩者籽粒未脫凈率相差不大。

圖6 不同類型脫粒釘齒的籽粒未脫凈率Fig.6 Non threshing rates of maize in different types of threshing nail teeth

傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒與三元乙丙橡膠復合釘齒籽粒未脫凈率分別在喂入量為8、12 kg/s時相差最小和最大，其差值為0.06%(0.24%～0.30%)、0.1%(0.59%～0.69%)，與天然橡膠復合釘齒籽粒未脫凈率分別在喂入量為8、12 kg/s時相差最小和最大，其差值為0.11%(0.24%～0.35%)、0.19%(0.59%～0.78%)，與丁腈橡膠復合釘齒籽粒未脫凈率分別在喂入量為8、12 kg/s時相差最小和最大，其差值為0.17%(0.24%～0.41%)、0.23%(0.59%～0.82%)。當喂入量為8～12 kg/s時，三元乙丙橡膠復合釘齒籽粒未脫凈率為0.30%～0.69%，與傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒未脫凈率相差最小。

綜上，在該脫粒試驗條件下，三元乙丙橡膠復合釘齒籽粒未脫凈率與傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒相近，但籽粒破碎率顯著低于傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒，滿足玉米直收籽粒破碎率小于等于5%、未脫凈率小于等于2%的國家脫粒質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范要求，三元乙丙橡膠復合釘齒使縱軸流式脫粒裝置脫粒性能得到了顯著提升。

3.3 復合釘齒抗磨損性能試驗

3.3.1復合釘齒橡膠層磨損損失質(zhì)量分析

磨損性能試驗在縱軸流脫粒裝置臺架上進行，其與脫粒性能試驗工作條件一致：滾筒轉(zhuǎn)速n=375 r/min，品種“聯(lián)創(chuàng)808”，籽粒含水率29.7%～30.5%，為保證果穗脫粒性能，市場上籽粒收獲機脫粒裝置果穗喂入量一般不大于12 kg/s，本試驗選取果穗喂入量12 kg/s。將3種不同類型的復合釘齒裝配在縱軸流脫粒裝置試驗臺架上分別進行磨損試驗，以橡膠層磨損損失質(zhì)量為試驗指標。試驗前，分別稱量每種復合釘齒各個外層橡膠層質(zhì)量并求平均值，試驗每隔120 s拆下橡膠層，清潔表面后進行稱量，磨損損失質(zhì)量即為試驗前、后橡膠層質(zhì)量差，然后重新配備試驗物料，繼續(xù)試驗累計t=1 200 s，復合釘齒外層磨損損失質(zhì)量試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同脫粒釘齒橡膠層磨損損失質(zhì)量對比圖Fig.7 Comparison of loss weight of rubber layer in different threshing nail teeth

由圖7可知，丁腈橡膠復合釘齒試件磨損速率為0.87 mg/s，磨損過程不穩(wěn)定且磨損速度快，960 s后進入磨損加劇階段；天然橡膠復合釘齒試件磨損速率為0.30 mg/s，較丁腈橡膠層降低了65.5%，480 s后磨損加重；三元乙丙橡膠復合釘齒試件磨損速率約為0.12 mg/s，較丁腈橡膠層降低了86.2%，較天然橡膠層降低了60.0%，120～1 080 s內(nèi)橡膠層磨損均勻，磨損損失質(zhì)量平穩(wěn)。與其它橡膠層釘齒相比，三元乙丙橡膠復合釘齒耐磨性優(yōu)良、磨損損失質(zhì)量更小、磨損趨勢更加穩(wěn)定，具有較優(yōu)的耐磨性能。這是因為對于同種材料，三元乙丙橡膠硬度大，其表面抵御外界塑性變形能力較強，剪切模量大，材料抵抗切應力能力較強，該材料適應性越強，耐磨性越優(yōu)良。

3.3.2復合釘齒橡膠層宏觀磨損分析

為描述復合釘齒橡膠層宏觀磨損情況，對釘齒橡膠層各表面命名，并對其工作弧面等面積劃分8個區(qū)域(標號①～⑧)，如圖8所示，均占弧面面積的1/8，以便分析工作弧面不同位置橡膠層磨損特點。

圖8 復合釘齒橡膠層工作弧面區(qū)域劃分Fig.8 Division of working areas on rubber layer of composite nail tooth

為突顯各橡膠層磨損特征，基于圖7復合釘齒不同橡膠層磨損損失質(zhì)量對比，并結(jié)合圖8弧面工作區(qū)域劃分，選取脫粒時間在360、600、840、1 200 s的橡膠層進行宏觀磨損分析，各時刻橡膠層磨損情況如圖9～12所示。

圖9 脫粒時間為360 s時橡膠層磨損情況Fig.9 Abrasion condition of rubber layers when time was 360 s

由圖9可知，丁腈橡膠層頂面與工作面區(qū)域②結(jié)合處產(chǎn)生明顯的裂紋，鑒于裂紋產(chǎn)生位置并非工作面區(qū)域，其產(chǎn)生原因是橡膠材料在加工成型過程中內(nèi)部應力集中所造成；3種不同橡膠層釘齒由于工作時間較短，橡膠層與玉米果穗相互碰撞接觸次數(shù)相對較少，受力磨損次數(shù)較少，故3種橡膠層工作面均無明顯磨損。

圖10 脫粒時間為600 s時橡膠層磨損情況Fig.10 Abrasion condition of rubber layers when time was 600 s

圖11 脫粒時間為840 s時橡膠層磨損情況Fig.11 Abrasion condition of rubber layers when time was 840 s

圖12 脫粒時間為1 200 s時橡膠層磨損情況Fig.12 Abrasion condition of rubber layers when time was 1 200 s

如圖10所示，當脫粒時間為600 s時，丁腈橡膠層在區(qū)域⑦、⑧位置形成了密密麻麻的細小裂紋，裂紋橫向和縱向分布不一，在區(qū)域⑤、⑥均勻分布著大量的微小凹坑，這是因為局部的裂紋削弱了橡膠層整體強度，變形損壞現(xiàn)象從局部裂紋向工作面其他區(qū)域蔓延；天然橡膠層區(qū)域⑧和三元乙丙橡膠層區(qū)域⑦表面均出現(xiàn)了細小的凹坑，區(qū)域⑧凹坑數(shù)量明顯多于區(qū)域⑦，主要原因為區(qū)域⑦、⑧與玉米果穗碰撞打擊次數(shù)較多，其表面發(fā)生疲勞破壞，局部橡膠碎屑脫落形成小凹坑。

由圖11可知，丁腈橡膠層區(qū)域⑤、⑦中心大凹坑的直徑和深度進一步擴大，區(qū)域⑥、⑧周圍小凹坑面積不斷增長，磨損較為顯著，其余區(qū)域未明顯磨損痕跡，說明工作面下半?yún)^(qū)域為主要脫粒區(qū)，極易發(fā)生橡膠疲勞破損；在天然橡膠層⑤～⑧區(qū)域，小凹坑分布面積逐漸變大，擴散聚集成深度顯著增加的大凹坑，三元乙丙橡膠層①、②位置出現(xiàn)數(shù)量較少、面積增大的小凹坑，這是因為橡膠層與果穗多次擠搓、撕裂作用導致橡膠表面以凹坑為破壞原點，產(chǎn)生裂紋劃傷痕跡，并撕裂拉扯伸長。

由圖12可知，當脫粒時間為1 200 s時，丁腈橡膠層區(qū)域⑦、⑧出現(xiàn)嚴重撕裂現(xiàn)象，工作面發(fā)生偏移，包裹的剛性釘齒小部分裸露，磨損較嚴重；在天然橡膠層⑦、⑧位置，深淺不一凹坑和劃痕交織產(chǎn)生較為明顯的磨損痕跡；在三元乙丙橡膠層區(qū)域①、②雖產(chǎn)生點點凹坑，但整體依然光滑平整無明顯裂紋和磨損痕跡。

根據(jù)在脫粒時間0～1 200 s內(nèi)各橡膠層磨損情況分析，最終丁腈橡膠層破壞較嚴重，磨損溝壑痕跡明顯，三元乙丙橡膠層凹坑數(shù)量遠少于天然橡膠層，且兩者均未導致橡膠層破損失效，說明在該時間段均具有較好的抗撕裂性能。

3.3.3復合釘齒橡膠層微觀形貌分析

以脫粒時間為1 200 s時不同橡膠層表面的微觀形貌為例，將試樣置于真空鍍膜機上進行表面噴鍍金膜處理，利用日本日立公司S-4800型冷場發(fā)射掃描電鏡(SEM)對橡膠層磨損表面進行觀察，不同橡膠層微觀形貌如圖13～16所示。

圖13 橡膠層原始狀態(tài)下表面微觀形貌Fig.13 Surface morphology of rubber layer in its original state

為準確觀察和描述3種橡膠層磨損后表面微觀形貌變化，將橡膠層原始狀態(tài)下表面微觀形貌作為對照組，圖13分別為放大倍數(shù)300(100 μm)和1 000(20 μm)下橡膠層的微觀形貌。在放大倍數(shù)300下，其整體表面平整度極高，放大倍數(shù)1 000下，經(jīng)局部放大后可觀察到其組織連接緊密性極強，其間未出現(xiàn)斷裂、凹陷等缺陷。

圖14 脫粒時間為1 200 s時丁腈橡膠層工作表面微觀形貌Fig.14 Micro morphology of working surface of NBR when time was 1 200 s

相較于未經(jīng)脫粒試驗的橡膠層對照組，由圖14可知，當放大倍數(shù)為300(100 μm)時，其整體表面平整度極低，大面積規(guī)則不一的裂口和細紋向四處延伸，且方向橫縱不一，魚鱗狀磨損痕跡清晰可見，說明其所受力的作用形式多種多樣，既存在撕裂性質(zhì)的斷層缺陷，又存在沖擊和磨損作用形式產(chǎn)生的磨屑，符合復合釘齒在滾筒內(nèi)受力形式頗為復雜的理論；當放大倍數(shù)增加到1 000(20 μm)時，形態(tài)各異的塊狀組織發(fā)生明顯堆積現(xiàn)象，視野中未出現(xiàn)較為平展的區(qū)域，圖中左邊塊狀組織分布較密集，右邊組織分布較稀疏，且均出現(xiàn)分層現(xiàn)象，主要由于右邊組織為橡膠層工作面主要受力位置，長時間揉搓、摩擦與沖擊等作用使該組織產(chǎn)生磨屑并脫落，因此呈現(xiàn)“左密右疏”組織形態(tài)。

如圖15所示,在放大倍數(shù)為300(100 μm)，與丁腈橡膠表層微觀形貌相比，其表面平整度較高，未產(chǎn)生大面積組織斷裂和變形，但表面存在明顯的凹坑缺陷；在放大倍數(shù)1 000(20 μm)時，呈現(xiàn)出凹坑具體樣貌：每個凹坑不是穿透單一組織，而是多次重復受力破壞了多層組織所形成的缺陷。凹坑周圍遍布著微小的磨屑，磨屑數(shù)量比丁腈橡膠層多，說明其磨損形式既有疲勞磨損又有磨粒磨損。與丁腈橡膠層相比，天然橡膠交聯(lián)密度較高，組織間結(jié)合力較大，抗撕裂性能較好，不會出現(xiàn)單獨塊狀組織，同時在受到外力作用時抗塑性變形能力強，表面破壞程度相對丁腈橡膠層較低。

如圖16所示，脫粒磨損試驗后的三元乙丙橡膠層工作表面微觀形貌在放大倍數(shù)為300(100 μm)時，與丁腈橡膠表層微觀形貌相比，兩者整體微觀形貌類似，三元乙丙橡膠層表面細紋和裂口數(shù)量較少，魚鱗狀磨損痕跡較少，平整度相對較高，但大塊完整組織未被破壞，表面磨屑相對較多。與天然橡膠表層相貌相比，其凹坑面積大、數(shù)量少，凹坑穿透的組織層數(shù)少，分布較集中；在放大倍數(shù)1 000(20 μm)時，相對于丁腈橡膠層，其表面零星的塊狀組織相對較少，組織間未產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，大片組織仍保留著較高的平整度，表明其抗變形能力高于丁腈橡膠層。相對于天然橡膠層，其表面磨屑較少，小凹坑數(shù)量極少，說明其破壞層面僅觸及到組織的表面層，未向組織內(nèi)部深入，組織破壞程度較低，磨損形式以疲勞磨損為主。

綜上分析，丁腈橡膠層明顯裂紋缺陷數(shù)量最多，組織間結(jié)合力薄弱，極容易發(fā)生破壞。天然橡膠層表層孔洞削弱組織間結(jié)合力，重復受力將易出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象。三元乙丙橡膠表層零星多余組織對組織間的結(jié)合力未造成較大影響，大部分組織保持相對完整，具有較強抵抗外力作用。

為探究在果穗大喂入量條件下3種復合釘齒連續(xù)脫粒工作的穩(wěn)定性，依次進行脫粒磨損試驗，直至每種復合釘齒的橡膠層疲勞失效導致宏觀上完全破損。通過磨損臺架試驗得出，丁腈橡膠、天然橡膠和三元乙丙橡膠復合釘齒連續(xù)工作的壽命分別為4.8、16.5、22.9 h。由于復合釘齒橡膠層包裹碳鋼層，并通過螺栓連接固定于底座，故實際生產(chǎn)中當橡膠層疲勞失效導致完全破損后，可通過更換復合釘齒的橡膠層恢復正常工作。

綜上所述，經(jīng)復合釘齒橡膠層宏觀磨損分析、SEM微觀形貌分析與橡膠層壽命臺架試驗，綜合得出3種橡膠層釘齒耐磨穩(wěn)定性由大到小順序為：三元乙丙橡膠層、天然橡膠層、丁腈橡膠層。鑒于3種不同材料復合釘齒對果穗脫粒性能和自身抗磨損性能的影響，得出三元乙丙橡膠復合釘齒綜合作業(yè)效果最佳，實際生產(chǎn)中應選擇該類型釘齒作為脫粒元件。

4 結(jié)論

(1)復合釘齒橡膠層可實現(xiàn)與果穗的彈性碰撞，減小果穗所受剛性沖擊，降低因機械碰撞損傷導致的籽粒破碎；弧形表面可增大與果穗碰撞接觸面積，減小對籽粒的滑切，增加對果穗“擠搓”和“揉擦”作用；內(nèi)層碳鋼層為外層橡膠層提供剛性應力支撐，增大擊打和擠搓強度，提高了籽粒脫凈率。

(2)基于3種不同材料的復合釘齒對玉米籽粒破碎率、未脫凈率以及自身磨損損失質(zhì)量、表層組織宏觀和微觀磨損的影響，得出三元乙丙橡膠復合釘齒綜合作業(yè)性能最佳。

(3)三元乙丙橡膠復合釘齒具有耐磨性較高、磨損損失質(zhì)量小及磨損趨勢穩(wěn)定等特點，其表面凹坑數(shù)量少，零星多余組織對組織間結(jié)合力未造成較大影響，大部分組織保持相對完整，因此具有良好的耐磨和抗撕裂性能，符合脫粒釘齒材料要求。

(4)當籽粒含水率范圍為29.7%～30.5%、果穗喂入量為8～12 kg/s時，三元乙丙橡膠復合釘齒籽粒破碎率為2.92%～4.88%，較傳統(tǒng)碳鋼釘齒籽粒破碎程度降低了52.85%～57.68%，未脫凈率與傳統(tǒng)碳鋼釘齒未脫凈率相近，為0.30%～0.69%，能夠滿足玉米籽粒收獲機脫粒質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范要求。