王鎮(zhèn)東 崔 濤 張東興 楊 麗 和賢桃 張澤鵬

(1.中國(guó)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(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jià)值[1-2]。隨著人工成本的增加以及我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)玉米機(jī)械化籽粒直收成為節(jié)本增效的重要途徑[3-4]。我國(guó)華北地區(qū)玉米收獲時(shí)籽粒含水率較高，玉米籽粒直收時(shí)存在破碎率較高的問(wèn)題[5]，嚴(yán)重制約著玉米聯(lián)合收獲機(jī)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(shí)的破碎率已成為提高玉米籽粒直收水平的技術(shù)難點(diǎn)[6-9]。

為降低籽粒破碎率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)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(shí)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(duì)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(duì)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(dāng)增加凹板間隙。FU等[12]對(duì)東北地區(qū)冷凍后玉米籽粒直收進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)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(duì)脫粒過(guò)程進(jìn)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(jì)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(duì)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(guò)改進(jìn)釘齒結(jié)構(gòu)與材料實(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。

目前，相關(guān)研究主要圍繞滾筒工作參數(shù)對(duì)脫粒效果的影響，對(duì)滾筒結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少。本文結(jié)合滾筒轉(zhuǎn)速及凹板間隙對(duì)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(jì)一種變徑脫粒滾筒，通過(guò)增強(qiáng)果穗之間柔性接觸、降低脫粒強(qiáng)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(guò)仿真分析確定變徑滾筒的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)正交試驗(yàn)探究滾筒工作參數(shù)對(duì)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(jì)

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(jì)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(guò)提高主脫粒段果穗容納能力，增強(qiáng)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(dá)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(shí)，脫粒作用面積較大，與果穗接觸更為柔和，籽粒破碎率相對(duì)較低；釘齒式脫粒元件通過(guò)擊打脫粒，脫粒過(guò)程中攪動(dòng)物料，使脫粒過(guò)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(cuò)安裝于變徑滾筒表面。

1.2 工作原理

為實(shí)現(xiàn)先離散后脫粒的目的，滾筒主脫粒段采用變徑設(shè)計(jì)，適當(dāng)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(shí)脫粒元件以較小線(xiàn)速度對(duì)果穗進(jìn)行充分揉搓、攪動(dòng)，達(dá)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(dòng)，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(guò)分離凹板進(jìn)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(jī)構(gòu)固接，為實(shí)現(xiàn)脫粒元件對(duì)果穗的“抓取”與“加速”，凹板軸線(xiàn)與滾筒軸線(xiàn)采用偏心且不平行設(shè)計(jì)[23-24]。如圖2a所示，果穗由蓋板區(qū)進(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jì)

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(guò)程中果穗形變及空氣阻力作用，對(duì)變徑段果穗進(jìn)行受力分析，建立如圖3a所示的坐標(biāo)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(yùn)動(dòng)趨勢(shì)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(duì)果穗壓力在水平方向分量FR與果穗沿滾筒軸向運(yùn)動(dòng)方向相反，有減緩果穗向滾筒排雜段運(yùn)動(dòng)的作用，有利于增強(qiáng)果穗之間的揉搓接觸。在脫粒元件的揉搓攪動(dòng)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(duì)脫粒滾筒-果穗-凹板間的接觸進(jìn)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(duì)果穗b受力進(jìn)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(duì)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(duì)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(shí)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(diǎn)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(shì)，存在最優(yōu)角度θ′使合力最小。在變徑段長(zhǎng)度一致時(shí)，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(shì)，果穗b為保證對(duì)果穗a的支撐有左移趨勢(shì)，此時(shí)，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(shí)果穗受力最小。

果穗在脫粒系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，靜力學(xué)分析無(wú)法準(zhǔn)確描述果穗在脫粒系統(tǒng)內(nèi)的受力及運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)分析果穗在脫粒系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況。

2.2 變徑滾筒參數(shù)設(shè)計(jì)

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(zhǎng)度L。為使果穗順利進(jìn)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(jì)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(yàn)

3.1 玉米果穗模型

隨機(jī)選取100個(gè)玉米果穗，使用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量其直徑、長(zhǎng)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(shí)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(guò)查閱文獻(xiàn)[23]，對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)定(表3)。在EDEM中材料接觸模型選用Hertz-Mindlin (no-slip)無(wú)滑動(dòng)模型，根據(jù)國(guó)內(nèi)華北地區(qū)主流籽粒直收機(jī)械實(shí)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(yàn)設(shè)計(jì)與分析

為探究導(dǎo)入錐末端直徑變化及變徑區(qū)長(zhǎng)度變化造成的變徑段錐度變化對(duì)脫粒系統(tǒng)內(nèi)果穗受力的影響，在同一凹板間隙下對(duì)所設(shè)計(jì)的9種脫粒滾筒分別進(jìn)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(biāo)，確定變徑滾筒的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。每組試驗(yàn)選取10個(gè)玉米果穗進(jìn)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(duì)不同參數(shù)變徑滾筒中果穗接觸次數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)錐度變化對(duì)果穗總體接觸次數(shù)影響不大，但對(duì)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(zhǎng)度一致時(shí)，隨變徑段錐度增大，果穗容納度增高，果穗之間接觸更強(qiáng)；在變徑段前端直徑一致時(shí)，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(shí)果穗總接觸次數(shù)最少。

查閱文獻(xiàn)[24-25]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。在脫出物分布中，有60%左右的脫出物分布在滾筒長(zhǎng)度的前40%處，85%的物料在滾筒長(zhǎng)度的前55%區(qū)域已完成脫粒[16]。表1所示滾筒3變徑段長(zhǎng)度占滾筒長(zhǎng)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(jìn)行滾筒加工試制。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與方法

以華北地區(qū)種植面積較廣的鄭單958為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)三因素四水平正交試驗(yàn)，對(duì)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(jìn)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(duì)比變徑滾筒與等徑滾筒脫粒質(zhì)量，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)變徑滾筒降低籽粒破碎率的效果。

脫粒臺(tái)架如圖8所示,變徑脫粒滾筒實(shí)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(gè)玉米果穗，以喂入量8 kg/s設(shè)定鏈板前進(jìn)速度。脫粒完成后，對(duì)接料盒內(nèi)的物料稱(chēng)量并取樣。

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)檢測(cè)方法

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)樣品進(jìn)行稱(chēng)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(yàn)結(jié)果分析

4.3.1正交試驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)計(jì)三因素四水平正交試驗(yàn)，探究籽粒含水率、滾筒轉(zhuǎn)速及凹板間隙對(duì)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(yàn)結(jié)果如表5所示。A、B、C為因素水平值。

表4 試驗(yàn)因素水平

表5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

4.3.2極差分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(duì)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(duì)破碎率影響最大，其次為滾筒轉(zhuǎn)速，最小為凹板間隙；對(duì)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(biāo)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(duì)脫粒過(guò)程中籽粒破碎率有顯著性影響，凹板間隙對(duì)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(gè)因素對(duì)籽粒破碎率的影響由大到小依次為C、A、B，對(duì)未脫凈率的影響由大到小依次為A、C、B。綜合正交試驗(yàn)中方差分析及極差分析，同時(shí)考慮國(guó)標(biāo)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(shí)脫粒效果較優(yōu)。

4.3.4對(duì)比試驗(yàn)

在最優(yōu)工作參數(shù)下，對(duì)等徑滾筒及變徑滾筒進(jìn)行脫粒對(duì)比試驗(yàn)，考察不同脫粒滾筒對(duì)籽粒破碎率、未脫凈率及脫出物分布的影響。對(duì)比試驗(yàn)時(shí)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(lèi)，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(jī)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(jì)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(yàn)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(qiáng)，果穗間相互揉搓效果強(qiáng)于等徑滾筒，這一過(guò)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(guò)程中的破碎率。

為探究脫粒滾筒結(jié)構(gòu)的改變對(duì)脫出物分布的影響，對(duì)脫粒系統(tǒng)下方區(qū)域沿滾筒軸向等間隙劃分為21個(gè)區(qū)域并依次編號(hào)，試驗(yàn)結(jié)束后分別對(duì)兩種滾筒脫出籽粒按編號(hào)稱(chēng)量記錄，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàn)及累積質(zhì)量分布曲線(xiàn)。

由圖12可知，變徑滾筒脫出物沿滾筒軸向分布趨勢(shì)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(guò)脫出物累積質(zhì)量分布可知，在滾筒長(zhǎng)度的前30%區(qū)域(軸向編號(hào)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?jī)H占總質(zhì)量的38%左右。在脫粒滾筒長(zhǎng)度的前60%區(qū)域，即軸向編號(hào)1～13區(qū)域，變徑滾筒有超過(guò)90%的籽粒已完成脫粒，其中在滾筒長(zhǎng)度的40%～60%區(qū)域，即圖中編號(hào)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(jì)了一種主脫粒區(qū)直徑遞增的變徑脫粒滾筒，通過(guò)提高滾筒主脫粒區(qū)果穗容納能力、增強(qiáng)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(guò)正交試驗(yàn)確定影響脫粒過(guò)程中籽粒破碎率的主次順序?yàn)樽蚜：?、滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙；影響未脫凈率的主次順序?yàn)闈L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(shí)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(shí)，與等徑滾筒進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，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。