王鎮(zhèn)東 崔 濤 張東興 楊 麗 和賢桃 張澤鵬

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

玉米不僅是一種重要的糧食作物，在化工、飼料、能源等領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用價值[1-2]。隨著人工成本的增加以及我國農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)玉米機械化籽粒直收成為節(jié)本增效的重要途徑[3-4]。我國華北地區(qū)玉米收獲時籽粒含水率較高，玉米籽粒直收時存在破碎率較高的問題[5]，嚴重制約著玉米聯(lián)合收獲機向高性能方向的發(fā)展。因此，降低高含水率玉米籽粒直收時的破碎率已成為提高玉米籽粒直收水平的技術(shù)難點[6-9]。

為降低籽粒破碎率，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究。PUZAUSKAS等[10]研究發(fā)現(xiàn)，凹板結(jié)構(gòu)是影響谷粒分離速率的重要因素，同時影響谷粒的破碎率及損失率。PETKEVIHIUS等[11]研究了滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙對籽粒損失及破碎的影響，發(fā)現(xiàn)與增加滾筒轉(zhuǎn)速相比，減小凹板間隙對籽粒損失及破碎的影響更為顯著，為提高脫粒質(zhì)量應(yīng)適當增加凹板間隙。FU等[12]對東北地區(qū)冷凍后玉米籽粒直收進行研究，發(fā)現(xiàn)滾筒轉(zhuǎn)速對玉米脫粒質(zhì)量的影響最大。崔中凱等[13-14]、LI等[15]、ZHU等[16]研究證明，滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量及凹板間隙等影響籽粒破碎率及未脫凈率。趙武云等[17]建立了籽粒破碎率與喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速等參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，對脫粒過程進行優(yōu)化，在最優(yōu)參數(shù)下破碎率較未優(yōu)化前降低0.084%～0.274%。屈哲等[18-19]設(shè)計了圓頭釘齒與圓管凹板相配合的脫粒系統(tǒng)，研究了滾筒轉(zhuǎn)速及凹板間隙對籽粒破碎率及含雜率的影響規(guī)律，將破碎率由傳統(tǒng)脫粒裝置的13%降低至8%。蘇媛等[20]、李義博等[21]通過改進釘齒結(jié)構(gòu)與材料實現(xiàn)了果穗與脫粒元件的柔性接觸，顯著降低了籽粒破碎率。

目前，相關(guān)研究主要圍繞滾筒工作參數(shù)對脫粒效果的影響，對滾筒結(jié)構(gòu)的研究相對較少。本文結(jié)合滾筒轉(zhuǎn)速及凹板間隙對脫粒性能的影響規(guī)律，基于籽粒先松散后脫粒的方案，設(shè)計一種變徑脫粒滾筒，通過增強果穗之間柔性接觸、降低脫粒強度，使籽粒松散、籽粒與芯軸更易于脫離，減少籽粒與脫粒元件的接觸，從而降低籽粒破碎率。通過仿真分析確定變徑滾筒的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過正交試驗探究滾筒工作參數(shù)對脫粒性能的影響，并確定較優(yōu)工作參數(shù)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 變徑滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前主流脫粒滾筒多為等徑滾筒，工作段直徑一致。本文設(shè)計的變徑脫粒滾筒結(jié)構(gòu)如圖1所示。主脫粒段滾筒為錐形結(jié)構(gòu)，沿滾筒軸向向后延伸，主脫粒段半徑逐漸增大，直至與脫粒分離段等徑。通過提高主脫粒段果穗容納能力，增強凹板-果穗-滾筒間的交互作用，使籽粒松散，降低脫粒需求，在脫粒元件的沖擊、搓擦作用下更易于脫粒，從而減少籽粒與脫粒元件的接觸，達到降低破碎率的目的。

根據(jù)脫粒物料的不同選擇合適的脫粒元件，能夠有效提高脫粒速率和脫粒質(zhì)量。紋桿式脫粒元件與果穗接觸時，脫粒作用面積較大，與果穗接觸更為柔和，籽粒破碎率相對較低；釘齒式脫粒元件通過擊打脫粒，脫粒過程中攪動物料，使脫粒過程更為徹底[22]。為提高脫粒質(zhì)量及脫粒效率，脫粒元件采用紋桿式及釘齒式元件，交錯安裝于變徑滾筒表面。

1.2 工作原理

為實現(xiàn)先離散后脫粒的目的，滾筒主脫粒段采用變徑設(shè)計，適當減小該段脫粒元件安裝底座基圓直徑，相較脫粒分離段，增加了果穗容納量，同時脫粒元件以較小線速度對果穗進行充分揉搓、攪動，達到“松散”籽粒的效果，在脫粒元件的螺旋輸送作用下，籽粒松散及部分脫粒的果穗向脫粒分離段移動，在紋桿的揉搓及釘齒的擊打作用下完成脫粒，自由籽粒通過分離凹板進入清選系統(tǒng)，芯軸、苞葉等雜質(zhì)繼續(xù)向滾筒后方傳送，經(jīng)排雜段排出脫粒系統(tǒng)。

縱軸流玉米脫粒系統(tǒng)中，凹板一端采用懸掛連接，一端與間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)固接，為實現(xiàn)脫粒元件對果穗的“抓取”與“加速”，凹板軸線與滾筒軸線采用偏心且不平行設(shè)計[23-24]。如圖2a所示，果穗由蓋板區(qū)進入凹板區(qū)的間隙δ1大于排出凹板區(qū)間隙δ2。如圖2b所示，為便于果穗進入脫粒系統(tǒng)，脫粒元件與凹板間隙δ3較大，隨著籽粒從果穗上脫離，果穗直徑減小，適當降低凹板間隙δ4有利于降低籽粒未脫凈率。為方便描述凹板間隙大小，定義圖2b中滾筒中間位置脫粒元件所在脫粒圓最下端至凹板的距離δ為凹板間隙。

2 變徑系統(tǒng)內(nèi)果穗受力分析與參數(shù)設(shè)計

2.1 果穗受力分析

在脫粒系統(tǒng)中，果穗的接觸主要包括果穗-果穗、果穗-滾筒、果穗-凹板等3種形式。不考慮脫粒過程中果穗形變及空氣阻力作用，對變徑段果穗進行受力分析，建立如圖3a所示的坐標系，其中，X軸平行于滾筒軸向并指向排雜段，Y軸垂直于滾筒軸向豎直向上，Z軸垂直于XY平面。

如圖3a所示，在變徑段與滾筒接觸的果穗受到垂直于變徑段的壓力Fp，壓力Fp可分解為與果穗沿滾筒軸向運動趨勢相反的水平分力FR及豎直向下的壓力Fh。在XY平面內(nèi)，F(xiàn)h、FR與壓力Fp的關(guān)系表示為

Fh=Fpcosθ

(1)

FR=Fpsinθ

(2)

式中θ——變徑段滾筒錐度

由于果穗連續(xù)喂入脫粒系統(tǒng)，而滾筒對果穗壓力在水平方向分量FR與果穗沿滾筒軸向運動方向相反，有減緩果穗向滾筒排雜段運動的作用，有利于增強果穗之間的揉搓接觸。在脫粒元件的揉搓攪動及螺旋輸送作用下，果穗最終完成脫粒作業(yè)。

在YZ平面內(nèi)對脫粒滾筒-果穗-凹板間的接觸進行受力分析，如圖3b所示，其中角度θ′為果穗之間作用力方向與豎直方向的夾角 (0°<θ′<90°)。對果穗b受力進行分析，在Y軸及Z軸方向果穗b所受各力的合力可表示為

FY=fabsinθ′-Fabcosθ′+FS-Gb

(3)

FZ=Fabsinθ′+fabcosθ′-fS

(4)

式中Fab——果穗a對果穗b壓力

fab——果穗b受到果穗a的摩擦力

FS——果穗b受到凹板的支持力

fS——果穗b受到凹板的摩擦力

Gb——果穗b所受重力

由于fab=μFab，fS=μFS，其中μ為果穗與鐵板摩擦因數(shù)，代入式(3)、(4)可得

FY=Fab(μsinθ′-cosθ′)+FS-Gb

(5)

FZ=Fab(sinθ′+μcosθ′)-μFS

(6)

果穗b所受到的合力為FT，合力大小為

(7)

令

Nθ′=-2μFabFS(sinθ′+μcosθ′)

(8)

Mθ′=2(FS-Gb)Fab(μsinθ′-cosθ′)

(9)

對式(8)、(9)分別求二階導(dǎo)數(shù)及三階導(dǎo)數(shù)

N′θ′=-2μFabFS(cosθ′-μsinθ′)

(10)

N″θ′=2μFabFS(sinθ′+μcosθ′)

(11)

M′θ′=2(FS-Gb)Fab(μcosθ′+sinθ′)

(12)

M″θ′=2(FS-Gb)Fab(-μsinθ′+cosθ′)

(13)

M?θ′=2(FS-Gb)Fab(-μcosθ′-sinθ′)

(14)

由式(11)可知，式(10)為增函數(shù)，且N′0<0，N′90>0；由式(14)可知，式(13)為減函數(shù)，且M″0>0，M″90<0，同時由于FS-Gb>0，因此式(12)為先增后減且大于0的函數(shù)。為確定M′θ′+N′θ′的增減性，求解其端點處一階導(dǎo)數(shù)為

N′0+M′0=-2fabGb

(15)

N′90+M′90=2fabf+2Fab(FS-Gb)

(16)

即M′θ′+N′θ′在角度取值范圍內(nèi)呈先減后增趨勢，存在最優(yōu)角度θ′使合力最小。在變徑段長度一致時，隨主脫粒區(qū)錐度θ的增大，圖3b中所示同一位置變徑段直徑減小，果穗a有上移趨勢，果穗b為保證對果穗a的支撐有左移趨勢，此時，果穗a與果穗b之間作用力的方向與豎直方向的夾角θ′減小。因此存在最佳變徑段錐度θ使得此時果穗受力最小。

果穗在脫粒系統(tǒng)內(nèi)的運動較為復(fù)雜，靜力學(xué)分析無法準確描述果穗在脫粒系統(tǒng)內(nèi)的受力及運動情況，因此，基于EDEM提取果穗受力、果穗接觸次數(shù)等數(shù)據(jù)，動態(tài)分析果穗在脫粒系統(tǒng)內(nèi)的運動情況。

2.2 變徑滾筒參數(shù)設(shè)計

脫粒系統(tǒng)包括變徑脫粒滾筒、脫粒凹板、上蓋板等部件，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于主脫粒區(qū)末端直徑D為定值，因此影響變徑段錐度的因素主要為：導(dǎo)入錐末端直徑d和變徑段長度L。為使果穗順利進入滾筒，導(dǎo)入錐的錐度需大于滾筒變徑段錐度，據(jù)此設(shè)計9種不同參數(shù)脫粒滾筒，如表1所示。

表1 變徑滾筒參數(shù)

3 變徑段參數(shù)仿真試驗

3.1 玉米果穗模型

隨機選取100個玉米果穗，使用游標卡尺分別測量其直徑、長度等物理尺寸，結(jié)果如表2所示，以此為依據(jù)在離散元軟件EDEM中建立果穗模型，玉米果穗實體及模型如圖5所示。

表2 玉米果穗尺寸參數(shù)

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

通過查閱文獻[23]，對仿真參數(shù)進行設(shè)定(表3)。在EDEM中材料接觸模型選用Hertz-Mindlin (no-slip)無滑動模型，根據(jù)國內(nèi)華北地區(qū)主流籽粒直收機械實際工況需求，設(shè)定滾筒轉(zhuǎn)速為350 r/min，果穗喂入量為8 kg/s。

表3 仿真參數(shù)

3.3 仿真試驗設(shè)計與分析

為探究導(dǎo)入錐末端直徑變化及變徑區(qū)長度變化造成的變徑段錐度變化對脫粒系統(tǒng)內(nèi)果穗受力的影響，在同一凹板間隙下對所設(shè)計的9種脫粒滾筒分別進行仿真分析。以果穗受脫粒元件作用力的均值、果穗之間及果穗與脫粒元件之間接觸次數(shù)為指標，確定變徑滾筒的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。每組試驗選取10個玉米果穗進行數(shù)據(jù)提取，果穗受力均值如圖6所示，果穗與脫粒元件及果穗之間平均接觸次數(shù)如圖7所示。

由圖6可知，隨滾筒變徑段錐度減小，果穗受力先減小后增大，滾筒3果穗平均受力最小，為157.82 N。對不同參數(shù)變徑滾筒中果穗接觸次數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)錐度變化對果穗總體接觸次數(shù)影響不大，但對果穗之間及果穗與脫粒元件之間的接觸次數(shù)有影響。分析可知，在變徑段長度一致時，隨變徑段錐度增大，果穗容納度增高，果穗之間接觸更強；在變徑段前端直徑一致時，滾筒3中果穗之間接觸次數(shù)最多，果穗與脫粒元件接觸次數(shù)最少，同時果穗總接觸次數(shù)最少。

查閱文獻[24-25]發(fā)現(xiàn)，籽粒發(fā)生破碎時破壞力的范圍為124.33～347 N，籽粒由果柄脫下的受力范圍為1.97～11.93 N。在脫出物分布中，有60%左右的脫出物分布在滾筒長度的前40%處，85%的物料在滾筒長度的前55%區(qū)域已完成脫粒[16]。表1所示滾筒3變徑段長度占滾筒長度的40%，且該參數(shù)變徑滾筒中果穗受力最小，果穗之間接觸次數(shù)及果穗與脫粒元件接觸次數(shù)均較適中。因此確定表1中滾筒3為較優(yōu)結(jié)構(gòu)方案，并進行滾筒加工試制。

4 臺架試驗

4.1 試驗材料與方法

以華北地區(qū)種植面積較廣的鄭單958為試驗對象，設(shè)計三因素四水平正交試驗，對影響籽粒破碎率、未脫凈率的滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙及籽粒含水率進行顯著性分析，確定最優(yōu)工作參數(shù)組合。在最優(yōu)工作參數(shù)下，對比變徑滾筒與等徑滾筒脫粒質(zhì)量，驗證所設(shè)計變徑滾筒降低籽粒破碎率的效果。

脫粒臺架如圖8所示,變徑脫粒滾筒實物如圖9所示。按照田間玉米植株株距，在輸送鏈板上均勻鋪放200個玉米果穗，以喂入量8 kg/s設(shè)定鏈板前進速度。脫粒完成后，對接料盒內(nèi)的物料稱量并取樣。

4.2 試驗指標檢測方法

根據(jù)GB/T 21961—2008《玉米收獲機械試驗方法》和GB/T 5982—2005《脫粒機試驗方法》的檢驗標準，對試驗樣品進行稱量處理，以籽粒破碎率及未脫凈率衡量滾筒脫粒性能。

4.3 試驗結(jié)果分析

4.3.1正交試驗結(jié)果分析

設(shè)計三因素四水平正交試驗，探究籽粒含水率、滾筒轉(zhuǎn)速及凹板間隙對籽粒破碎率及未脫凈率影響的主次關(guān)系，并確定各因素的較優(yōu)組合。各因素水平如表4所示，試驗結(jié)果如表5所示。A、B、C為因素水平值。

表4 試驗因素水平

表5 試驗設(shè)計與結(jié)果

4.3.2極差分析

對試驗結(jié)果進行極差分析，如表6所示。滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、籽粒含水率各水平對脫粒性能影響規(guī)律如圖10所示。由極差分析可以看出，籽粒含水率對破碎率影響最大，其次為滾筒轉(zhuǎn)速，最小為凹板間隙；對籽粒未脫凈率影響最大的因素為滾筒轉(zhuǎn)速，其次為含水率，最小為凹板間隙。

表6 各指標極差分析

4.3.3方差分析

方差分析結(jié)果如表7所示。滾筒轉(zhuǎn)速、籽粒含水率對脫粒過程中籽粒破碎率有顯著性影響，凹板間隙對未脫凈率影響顯著性不大。

表7 方差分析

由方差分析和極差分析可知，3個因素對籽粒破碎率的影響由大到小依次為C、A、B，對未脫凈率的影響由大到小依次為A、C、B。綜合正交試驗中方差分析及極差分析，同時考慮國標要求，最終確定較優(yōu)組合為A2B3C4，即滾筒轉(zhuǎn)速為350 r/min，凹板間隙為50 mm，籽粒含水率為26%時脫粒效果較優(yōu)。

4.3.4對比試驗

在最優(yōu)工作參數(shù)下，對等徑滾筒及變徑滾筒進行脫粒對比試驗，考察不同脫粒滾筒對籽粒破碎率、未脫凈率及脫出物分布的影響。對比試驗時籽粒含水率為27%。根據(jù)籽粒形態(tài)的完整性將破損籽粒分為兩大類，即籽粒形態(tài)不完整的破碎籽粒(全碎及頂部破碎)和形態(tài)較完整的機械損傷籽粒(裂紋及破皮)，如圖11所示。由表8可知，變徑滾筒中籽粒破碎率較等徑滾筒下降了19.16%，未脫凈率較等徑滾筒下降了51.72%。

表8 籽粒破碎率統(tǒng)計結(jié)果

變徑滾筒造成的破損籽粒中，全碎籽粒、裂紋籽粒及破皮籽粒所占比例明顯低于等徑滾筒，頂部破碎籽粒所占比例相差不大。由于脫粒元件與果穗直接接觸，造成籽粒頂端被“啃傷”，出現(xiàn)頂部破碎；結(jié)合仿真試驗數(shù)據(jù)分析，變徑滾筒增加了脫粒段果穗容納度，脫粒元件擊打果穗后，果穗之間的接觸行為增強，果穗間相互揉搓效果強于等徑滾筒，這一過程使得籽粒之間及籽粒與芯軸之間的連接更松散，更易于籽粒與芯軸分離，減小籽粒與脫粒元件的剛性接觸，降低全碎籽粒、裂紋籽粒及破碎籽粒數(shù)量，從而降低脫粒過程中的破碎率。

為探究脫粒滾筒結(jié)構(gòu)的改變對脫出物分布的影響，對脫粒系統(tǒng)下方區(qū)域沿滾筒軸向等間隙劃分為21個區(qū)域并依次編號，試驗結(jié)束后分別對兩種滾筒脫出籽粒按編號稱量記錄，對數(shù)據(jù)進行分析后得到圖12所示脫出籽粒沿滾筒軸向原始質(zhì)量分布曲線及累積質(zhì)量分布曲線。

由圖12可知，變徑滾筒脫出物沿滾筒軸向分布趨勢與等徑滾筒相同，兩種滾筒中脫出物峰值出現(xiàn)位置區(qū)間相差不大；通過脫出物累積質(zhì)量分布可知，在滾筒長度的前30%區(qū)域(軸向編號1～6區(qū)域)，兩種脫粒滾筒的脫出物累積分布區(qū)別不大，脫出籽粒質(zhì)量僅占總質(zhì)量的38%左右。在脫粒滾筒長度的前60%區(qū)域，即軸向編號1～13區(qū)域，變徑滾筒有超過90%的籽粒已完成脫粒，其中在滾筒長度的40%～60%區(qū)域，即圖中編號7～13段，變徑滾筒中果穗脫粒速度明顯高于等徑滾筒。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種主脫粒區(qū)直徑遞增的變徑脫粒滾筒，通過提高滾筒主脫粒區(qū)果穗容納能力、增強果穗之間接觸揉搓、降低籽粒之間相互作用，從而使籽粒更易于脫粒，降低了籽粒破碎率。

(2)借助仿真分析提取不同參數(shù)變徑滾筒中果穗受力及果穗接觸頻次，結(jié)合等徑滾筒脫出物分布情況，確定變徑段最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)；通過正交試驗確定影響脫粒過程中籽粒破碎率的主次順序為籽粒含水率、滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙；影響未脫凈率的主次順序為滾筒轉(zhuǎn)速、籽粒含水率、凹板間隙。較優(yōu)參數(shù)組合為籽粒含水率26%，滾筒轉(zhuǎn)速350 r/min，凹板間隙50 mm，此時籽粒破碎率為4.13%，籽粒未脫凈率為0.34%。

(3)在籽粒含水率為27%時，與等徑滾筒進行了對比試驗，結(jié)果表明，兩種脫粒滾筒中頂部破碎籽粒所占比例相差不大，變徑滾筒破損籽粒中全碎籽粒為1.37%、裂紋籽粒為1.18%、破皮籽粒為0.7%，均明顯低于等徑滾筒，籽?？偲扑槁蕛H為4.64%，較等徑滾筒降低19.16%，未脫凈率為0.42%，較等徑滾筒降低51.72%。證明變徑滾筒能夠有效提高脫粒質(zhì)量。