賈昕宇 ，衣淑娟 ，張吉軍 ，車 剛 ，李 洪 ，朱興橋

（黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163319）

0 引言

稻谷是我國城鄉(xiāng)居民口糧消費的主體，占口糧消費量的60%以上。我國水稻常年種植面積3 000萬hm2、產(chǎn)量2億t左右，我國是世界上水稻產(chǎn)量第一、種植面積第二大的國家[1]。水稻作為我國第一大糧食作物，在我國糧食安全中發(fā)揮著重要作用，而水稻生產(chǎn)在保障我國糧食安全上有著關鍵地位[2]。確保糧食安全的核心是口糧，口糧供給的重點是稻米，稻米供給的關鍵是粳稻[3]。東北是我國最大的粳稻產(chǎn)區(qū)，種植面積占我國粳稻總面積的一半以上，其中，黑龍江省粳稻種植面積占東北粳稻總面積的3/4以上[4]。水稻生產(chǎn)全程機械化是當前時代發(fā)展的必然要求，也是保障我國糧食安全的重要措施[5]。北方水稻全程機械化的發(fā)展具有非常關鍵的優(yōu)勢條件。而水稻機收率目前仍有較大的提升空間。作為收獲機械的關鍵裝置，目前的脫粒與分離裝置仍存在作業(yè)效率低、功耗高、未脫凈損失率高等情況[6]。因此，研究脫粒分離性能，尤其是粳稻在脫粒分離過程中的運動規(guī)律的研究對完善聯(lián)合收割機的結構性能十分重要。

軸流脫分裝置工作時，脫粒柔和，時間長，且滾筒中谷物流作螺旋運動，脫粒與分離谷物較充分，分離率、破碎率及脫凈率等主要指標都優(yōu)于切流裝置[7-9]，所以對軸流脫粒裝置進行脫分性能研究具有必要性。高速攝像技術能夠?qū)⒏咚龠\動變化過程中的空間信息和時間信息緊密聯(lián)系在一起，從而對圖像進行記錄，其在農(nóng)業(yè)機械領域具有廣泛的應用空間[10]。因此，本研究基于高速攝像技術，對釘齒式軸流脫粒與分離裝置中的粳稻籽粒和斷穗運動軌跡及速度變化進行分析研究，以期為完善軸流脫分裝置的工作性能提供借鑒。

1 釘齒式軸流脫粒與分離裝置試驗臺組成及原理

圖1為釘齒式軸流脫粒與分離裝置試驗臺示意圖[11]。該試驗臺由輸送皮帶及其電機、過橋電機、過橋、軸流脫粒與分離裝置、高速攝像系統(tǒng)、接料車、動力臺、電源控制柜等組成。當打開電控柜的各種相應按鈕后，粳稻就會由輸送皮帶向前推動，經(jīng)喂入口進入滾筒中，此時滾筒、釘齒、頂蓋和凹板就構成了本實驗的脫粒與分離空間。在脫分空間中粳稻的穗頭會隨著滾筒的轉動沿著軸向方向向前移動，在運動過程中部分籽粒就會被脫下，而沒完全脫下的就會形成斷穗。此過程中，高速攝像機連續(xù)拍攝籽粒和斷穗的運動情況，數(shù)據(jù)監(jiān)控采集系統(tǒng)采集相應的數(shù)據(jù)。在脫粒后產(chǎn)生的莖稈和斷穗等輕雜物就會落到下方接料車里。

圖1 釘齒式軸流脫粒與分離裝置試驗臺示意圖

2 試驗設備、材料及條件

2.1 試驗設備與材料

在試驗過程中，主要采用的儀器設備包括釘齒式軸流脫粒與分離裝置試驗臺、電子秤、電子天平、谷物水分測定儀、高速攝像機、電烘箱等。試驗所用水稻為當?shù)刭徺I的粳稻豐原2號，其千粒重為24.57 g，谷草比為1∶1.18，平均長度為650 mm~850 mm，水分含量為17.2%。

2.2 拍攝參數(shù)的選擇

高速攝像設備如圖2所示。所用高速攝像機是由美國Vision research公司生產(chǎn)的型號為5.1型的高速攝像機。攝像頭選用深圳光碩電子科技有限公司生產(chǎn)的TM牌500萬像素的攝像頭。在拍攝過程中拍攝頻率為500 f/s（相鄰兩幀圖片的間隔0.002 s）、分辨率為1 024×1 024像素、兩側光源（每個光源1 300 W），在進行頂面拍攝時，拍攝距離為1.16 m，在進行側面拍攝時選取兩側光源，拍攝距離為3.16 m。

圖2 高速攝像設備

2.3 試驗條件

喂入量可以取0.1 kg/s、0.3 kg/s、0.5 kg/s，滾筒轉速可以取500 r/min、600 r/min、700 r/min，釘齒間距為16 cm、導向板導角為45°、頂距為3 cm、凹板間隙為3 cm、凹板柵格尺寸為1.6 cm×5.0 cm、凹板包角為180°。

3 粳稻在軸流脫粒裝置內(nèi)的高速攝像運動

在喂入量為0.1 kg/s、滾筒轉速為600 r/min，其他條件不變的情況下進行高速攝像脫粒觀察試驗。對高速攝像系統(tǒng)采集到的粳稻進行慢放并隨機截取若干幅運動圖。圖3為一株典型粳稻的脫粒過程，截取六幅運動圖，由圖可見，外部進入的粳稻在滾筒脫粒區(qū)域內(nèi)，將在繞滾筒旋轉的同時向前不斷涌動，旋轉的角度主要受到前一次板齒對粳稻的沖擊力、沖擊作用的位置及粳稻之間的連帶程度等因素的影響。稻穗與釘齒發(fā)生碰撞是在其繞滾筒向前旋轉運動中發(fā)生的。各圖像中的籽粒和斷穗的位置產(chǎn)生由右下方向左上方運動變化的趨勢。其中，籽粒1位置發(fā)生變化，籽粒2、3位置變化較明顯，斷穗4的位置也產(chǎn)生較明顯變化。

圖3 高速攝像采集的粳稻六幅運動圖像

利用相應配套的Midas軟件對高速攝像系統(tǒng)采集的視頻文件進行分析處理，將獲得的數(shù)據(jù)利用Excel軟件處理得到粳稻自由籽粒和斷穗的運動軌跡圖和速度圖。

3.1 1號籽粒運動軌跡及速度變化

圖4為1號籽粒的運動軌跡和速度圖，此籽粒即為圖3中的籽粒1。由圖4（a）軌跡圖可知，籽粒運動軌跡基本為斜直線，且與軸線方向的夾角α= 44.5°。該籽粒開始運動時切向始位移（約500 mm）比軸向始位移（約50 mm）大，但隨著運動時間的變化，軸向位移漸增大，切向位移逐漸減小。

圖4（b）描述的是1號籽粒切線分速度Vt、軸線分速度Vz以及合速度V1隨時間變化的曲線圖。由圖可知，Vz為正值，Vt為負值。在開始時Vz與Vt的絕對值大小近似相等，Vz是構成合速度V1的主要因素。隨著時間的增加Vz變化比較平穩(wěn)，而Vt略有遞增及遞減的波動變化，因為Vz是影響合速度變化的主導因素，說明籽粒以沿滾筒軸線方向運動為主。

圖4 1號籽粒的運動軌跡圖和速度圖

3.2 2號籽粒運動軌跡及速度變化

圖5為2號籽粒的運動軌跡圖和速度圖，該籽粒即為圖3中的籽粒2。由圖5（a）軌跡圖可見，該籽粒運動軌跡為斜直線，且與軸線方向夾角α=41.6°，運動方向由右下方向左上方運動，線性較好。該籽粒運動初始切向位移（約580 mm）大于軸向位移（約35 mm），隨著籽粒的運動發(fā)展，軸向位移逐漸增大，切向位移減小。

圖5 2號籽粒的運動軌跡圖和速度圖

圖5（b）為2號自由籽粒切線分速度Vt、軸線分速度Vz及合速度V2隨時間變化的曲線圖?？傻茫_始時Vz較高，接近切向速度Vt的一倍半，因此Vz是構成合速度V2的主要因素。隨著時間的增加Vz運動比較平穩(wěn)，而Vt略有先增后減的變化，此階段內(nèi)籽粒沿軸線方向移動的能力大于切線方向，表明籽粒沿滾筒軸線方向移動是主要的運動。

3.3 3號籽粒運動軌跡及速度變化分析

圖6為3號籽粒的運動軌跡和速度圖，即圖3中的籽粒3。由圖6（a）可知該籽粒運動軌跡為傾斜直線，且與軸線方向夾角α=35°，該籽粒運動初始切向位移（約580 mm）大于軸向位移（約240 mm），隨著運動的進行，軸向位移逐漸增大，切向位移變小。

圖6（b）為3號籽粒切線方向分速度Vt、軸線方向分速度Vz及合成速度V3隨時間變化的曲線。由圖可見，Vt 為負值，Vz為正值。開始時Vt絕對值較高，并且波動不算大，Vz波動也不大。Vt絕對值大小約為Vz的兩倍，可見Vt是構成合速度V3的主要因素。在此階段內(nèi)，籽粒沿切線方向移動能力大于軸線方向，表明該籽粒沿滾筒切線方向移動是主要的運動。

圖6 3號籽粒的運動軌跡圖和速度圖

3.4 斷穗4的運動軌跡及速度變化

圖7為斷穗4的運動軌跡圖和速度圖，即圖3中的斷穗4。由圖7（a）可知斷穗運動軌跡近似為拋物線曲線，且與軸線方向夾角α= 43.5°，斷穗由右下方向左上方運動，該斷穗運動初始切向位移（約300 mm）大于軸向位移（約70 mm），隨著運動的進行，軸向位移逐漸增大，切向位移逐漸減小。

圖7（b）為斷穗的切線分速度Vt、軸線分速度Vz及合速度V4隨時間變化的關系圖?？梢?，開始時斷穗切線方向的分速度Vt與軸線方向的分速度Vz基本相同，隨著時間的增加Vz逐漸持續(xù)下降，而切線方向分速度Vt保持比較平穩(wěn)狀態(tài)，說明斷穗主要沿滾筒切線方向運動，在此階段內(nèi)斷穗沿切線方向移動的能力大于沿軸線方向移動的能力。因此，Vt是合成速度V4變化的主要因素。

圖7 斷穗4的運動軌跡圖和速度圖

4 結論

1）在滾筒切線與軸線所構成的平面上，粳稻籽粒的運動軌跡的投影線近似為斜直線，而斷穗運動軌跡近似為拋物線曲線；籽粒和斷穗運動方向都是由右下方向左上方運動，運動初始切向位移大于軸向位移，隨著運動的進行，軸向位移逐漸增大，切向位移逐漸減小。

2）本試驗條件下：1號自由籽粒和2號自由籽粒沿軸線方向移動的能力大于切線方向，表明籽粒沿滾筒軸線方向移動是主要的運動；3號自由籽粒和斷穗4沿切線方向移動的能力大于軸線方向，表明沿滾筒切線方向移動是主要的運動。