王鵬，金誠(chéng)謙，2，王超，李盼盼，趙紫皓

(1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東淄博,255000;2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京市,210014)

0 引言

脫粒分離裝置是谷物聯(lián)合收獲機(jī)的核心部件,直接影響到谷物收獲的破碎率、損失率和含雜率。脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和脫粒系統(tǒng)智能化水平的提高,對(duì)提高谷物聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量十分關(guān)鍵。當(dāng)前,我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展水平依然落后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家,農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展水平仍有較大提升空間,因此,本文從脫粒滾筒及凹板篩等關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、脫粒系統(tǒng)功耗分析和負(fù)荷測(cè)控、脫粒過程理論分析、脫粒破碎率監(jiān)測(cè)和智能控制等方面對(duì)脫粒系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié),并分析脫粒系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)和需求,為脫粒系統(tǒng)發(fā)展方向提供參考,促進(jìn)聯(lián)合收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)現(xiàn)代化水平的提高,滿足現(xiàn)代化收獲作業(yè)的要求。

1 脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 典型脫粒裝置結(jié)構(gòu)

谷物聯(lián)合收獲機(jī)的脫粒裝置根據(jù)谷物喂入方式可分為全喂入式和半喂入式脫粒裝置。

全喂入式即割臺(tái)切下谷物全部被送入脫粒室內(nèi),按作物沿滾筒的流向可分為軸流式和切流式兩種。切流式脫粒裝置由滾筒和凹板等組成。谷物經(jīng)輸送裝置沿旋轉(zhuǎn)滾筒前部切線方向喂入,沿滾筒后部切線方向拋出,在滾筒與凹板之間的空隙中受到滾筒的多次打擊和搓擦,籽粒被脫下。其特點(diǎn)是作物脫粒時(shí)間較短,需配備分離裝置進(jìn)行籽粒秸草分離。軸流式脫粒裝置由脫粒滾筒、凹板和頂蓋等組成。凹板和頂蓋形成一個(gè)圓筒,把滾筒包圍起來(lái),其間為脫粒室。待脫分谷物在脫粒室內(nèi)沿脫粒滾筒軸向螺旋運(yùn)動(dòng),在滾筒和凹板的打擊和搓擦作用下,谷物被脫下,并通過凹板篩分離出來(lái)。莖稈從滾筒的排草口排出。軸流式脫粒裝置的特點(diǎn)是脫粒時(shí)間長(zhǎng)、脫粒干凈、對(duì)谷粒易碎的作物有較好的適應(yīng)性,幾乎全部谷粒都可從凹板篩分離出來(lái),可以取消尺寸龐大的逐稿器,但是生產(chǎn)率較切流式要低一些,且秸稈打的比較碎,從凹板篩分離的脫出物含雜較多,清選比較困難。

半喂入式脫粒即禾稈的莖部由夾持輸送鏈夾持并沿滾筒軸向輸送,穗頭進(jìn)入脫粒室,秸草仍被夾持從滾筒末端排出。半喂入式脫粒裝置特別適合水稻,也可用于小麥,但只適用植株梢部結(jié)穗的作物,對(duì)作物種類適應(yīng)范圍窄。根據(jù)谷物與滾筒的相對(duì)位置不同,分為上脫、下脫、側(cè)脫三種方式。

除以上兩種典型脫粒裝置外,現(xiàn)有谷物聯(lián)合收獲機(jī)還有雙切流滾筒式、切流軸流組合式等脫粒系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上典型的聯(lián)合收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見表1。

表1 典型聯(lián)合收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Tab. 1 Structure of typical combine threshing system

1.2 脫粒滾筒結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有中小型聯(lián)合收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)使用的滾筒結(jié)構(gòu)主要為軸流式滾筒,大型聯(lián)合收獲機(jī)有切流式滾筒與軸流式滾筒相組合的形式、切流式滾筒與雙軸流滾筒組合的形式以及雙切流式滾筒組合等形式。脫粒滾筒上打擊元件形式有紋桿式、釘齒式、桿齒式和弓齒式,其中紋桿、釘齒、桿齒主要應(yīng)用于全喂入式谷物聯(lián)合收獲機(jī)。脫粒滾筒上安裝一種或者多種脫粒元件。弓齒主要應(yīng)用于半喂入式水稻聯(lián)合收獲機(jī),梳刷和打擊作用強(qiáng),脫粒的破碎率少,莖稈完整性好。

1.3 凹板篩結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有脫粒系統(tǒng)凹板篩結(jié)構(gòu)形式有柵格式、圓孔式?，F(xiàn)有的谷物聯(lián)合收獲機(jī)脫粒凹板主要為柵格式凹板,切流式凹板包角一般小于150°,軸流式脫粒系統(tǒng)凹板包角有180°左右和360°兩種,360°包角的凹板能使脫粒更加柔和、徹底,籽粒分離效率更高。根據(jù)收獲作物不同,目前農(nóng)機(jī)企業(yè)都提供了可以快速更換的柵格大小不同的凹板篩,以適應(yīng)不同作物脫粒需求。部分先進(jìn)的聯(lián)合收獲機(jī)凹板篩上裝有凹板篩開閉裝置,如Claas的LEXION 8900-7400型號(hào)的聯(lián)合收獲機(jī),可以改變脫粒凹板篩孔面積,提高對(duì)喂入作物的適應(yīng)性。

1.4 頂蓋結(jié)構(gòu)

對(duì)于軸流式脫粒系統(tǒng),其頂蓋結(jié)構(gòu)對(duì)作物在脫粒室內(nèi)運(yùn)動(dòng)的速度有重要影響。頂蓋內(nèi)側(cè)有螺旋線形導(dǎo)流板,導(dǎo)流板的螺旋角過大,會(huì)阻礙作物軸向輸送,造成作物積壓、滯留,秸草、籽粒破碎增大。根據(jù)作業(yè)效果,脫粒系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)流板角度至合適大小有助于提高脫粒系統(tǒng)作業(yè)效率。部分型號(hào)聯(lián)合收獲機(jī)裝有導(dǎo)流板角度調(diào)節(jié)裝置,比如CASE IH Axial-Flow? 250系列。

目前脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多種多樣,大型聯(lián)合收獲機(jī)多采用切流—縱軸流組合式脫粒系統(tǒng),中小型聯(lián)合收獲機(jī)采用全喂入式脫粒裝置的較多,半喂入式較少。脫粒系統(tǒng)關(guān)鍵部件為脫粒滾筒和脫粒凹板。單滾筒脫粒系統(tǒng)多用在中小型聯(lián)合收獲機(jī)上,多滾筒脫粒系統(tǒng)多用在大型聯(lián)合收獲機(jī),脫粒凹板結(jié)構(gòu)大多為柵格式。

2 關(guān)鍵部件

2.1 脫粒滾筒

世界上領(lǐng)先的農(nóng)機(jī)企業(yè)生產(chǎn)的大型谷物聯(lián)合收獲機(jī),單脫粒滾筒都采用組合式脫粒元件,脫粒滾筒不同位置采用不同的結(jié)構(gòu)。大喂入量聯(lián)合收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)多采用雙滾筒或多滾筒組合結(jié)構(gòu)。

2.1.1 單縱軸流脫粒滾筒

對(duì)全喂入式聯(lián)合收獲機(jī)脫粒系統(tǒng),JohnDeereS系列的單縱軸流脫粒滾筒極具代表性,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該脫粒滾筒呈子彈形,由喂入部分、主脫粒部分、主分離部分、排出部分組成,四個(gè)部分結(jié)構(gòu)各不相同,各部分結(jié)構(gòu)適應(yīng)其工作要求,整體性能較出色。

圖1 JohnDeereS系列縱軸流脫粒滾筒

2.1.2 可變直徑脫粒滾筒

脫粒間隙對(duì)脫粒系統(tǒng)工作性能的影響是通過改變脫粒室空間大小使脫粒系統(tǒng)對(duì)作物的打擊、搓擦等作用強(qiáng)度改變,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)脫粒系統(tǒng)性能的改變。傳統(tǒng)改變脫粒室空間大小的方法是通過改變凹板篩與脫粒滾筒的相對(duì)位置,這種方式的缺點(diǎn)在于脫粒間隙改變會(huì)使脫粒滾筒相對(duì)脫粒凹板出現(xiàn)偏心,脫粒間隙改變不均勻,影響脫粒系統(tǒng)性能。于是相關(guān)學(xué)者對(duì)改變脫粒室空間的另一種方法:改變脫粒滾筒直徑展開了研究。王勛威等[1]設(shè)計(jì)了一種脫粒間隙可調(diào)脫粒滾筒,使用間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)脫粒滾筒的輻盤,并附加間隙控制機(jī)構(gòu),兩端調(diào)節(jié)鏈輪位于脫粒室外,可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)。李耀明等[2-4]對(duì)同心和非同心脫粒間隙的水稻脫粒進(jìn)行了離散元仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,得到了如下結(jié)論:通過改變脫粒滾筒直徑調(diào)節(jié)脫粒間隙盡管方法更復(fù)雜,但可以更有效地提高脫粒分離率和作物輸送效率;后續(xù)通過離散元仿真與驗(yàn)證試驗(yàn)得出同心脫粒間隙可以降低脫粒破碎率,減少碎秸稈,有助于清選;并設(shè)計(jì)了一種齒桿單動(dòng)變直徑脫粒滾筒,結(jié)構(gòu)如圖2所示,伸長(zhǎng)量準(zhǔn)確性達(dá)到100%。田間小麥?zhǔn)斋@試驗(yàn)證明,在不同喂入量采用可變直徑脫粒滾筒,選用合理的脫粒間隙,相比傳統(tǒng)的脫粒滾筒最大可降低夾帶損失6.73%,減少籽粒破碎42.4%,減少50%的未脫凈。

圖2 齒桿單動(dòng)變直徑脫粒滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.3 同軸差速軸流脫粒滾筒

同軸差速軸流式脫粒滾筒是在同一根軸上設(shè)置兩段轉(zhuǎn)速不同的滾筒,前段轉(zhuǎn)速低,后段轉(zhuǎn)速高。作業(yè)時(shí)作物從低速端切向喂入,在低轉(zhuǎn)速段脫下絕大部分籽粒,少量難以脫下籽粒進(jìn)入高轉(zhuǎn)速段滾筒后脫下。這種滾筒最早于2007年陳德俊等[5]進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究,證明了其對(duì)粳稻和糯稻有較好的脫粒能力。陳霓等[6]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上用MATLAB離散余弦傅氏分析法,分別建立了單速和差速脫粒情況下不同脫出物軸向分布的數(shù)學(xué)模型及其分布曲線,發(fā)現(xiàn)差速脫粒的質(zhì)量?jī)?yōu)于單速脫粒。王志明等[7]設(shè)計(jì)了橫置差速軸流脫分選系統(tǒng),通過對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行一系列試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了影響該系統(tǒng)損失率、含雜率、破碎率及脫粒功耗的主要因素,并獲得了該系統(tǒng)最優(yōu)工作參數(shù)組合,且該系統(tǒng)總功耗略低于常規(guī)設(shè)計(jì)指標(biāo)。田立權(quán)等[8]設(shè)計(jì)了同軸雙滾筒聯(lián)合收獲機(jī),與先前切向喂入差速滾筒不同,其為縱軸流式滾筒,如圖3所示,其中Ⅰ表示喂入段,Ⅱ表示低速脫粒段,Ⅲ表示高速脫粒段。在該收獲機(jī)上脫粒滾筒與回轉(zhuǎn)式凹板為主要脫粒部件,試驗(yàn)表明該脫粒系統(tǒng)性能較好。侯杰等[9]在該類型縱軸流滾筒上研究了剛性和剛?cè)狁詈系臈U齒、弓齒和刀齒脫水稻的性能差異,發(fā)現(xiàn)刀齒對(duì)水稻的脫粒效果不佳;與剛性的桿齒和弓齒相比,剛?cè)狁詈系臈U齒和弓齒破碎率分別降低19.64%和17.36%,未脫凈率有所增加,但依舊遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 同軸雙速托滾筒結(jié)構(gòu)圖

脫粒滾筒向更低損失、低破碎、高脫凈率方向發(fā)展,并且脫粒功耗更低。差速脫粒滾筒對(duì)提高脫粒效果,降低滾筒脫粒功耗很有意義。變直徑脫粒滾筒有較好的參數(shù)可調(diào)性,可以提高脫粒滾筒在不同作業(yè)條件下的適應(yīng)性。但是這些滾筒結(jié)構(gòu)都較一般滾筒更復(fù)雜,還有待進(jìn)一步研究。

2.2 脫粒凹板

2.2.1 凹板間隙調(diào)節(jié)裝置

現(xiàn)有的許多谷物聯(lián)合收獲機(jī)都裝有凹板間隙調(diào)節(jié)裝置,如JohnDeereS系列、Claas LEXION 8900-7400系列、FendtC系列和L系列聯(lián)合收獲機(jī)。FendtC系列聯(lián)合收獲機(jī)凹板間隙調(diào)節(jié)裝置的凹板篩前后開度均可單獨(dú)調(diào)整,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由電控驅(qū)動(dòng),在駕駛室內(nèi)即可完成調(diào)節(jié)。許多學(xué)者對(duì)脫粒間隙調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行了研究。

李耀明等[10]設(shè)計(jì)了一種凹板間隙調(diào)節(jié)裝置,如圖4所示,該裝置將原結(jié)構(gòu)中分開的切流和第一橫軸流凹板篩設(shè)計(jì)成整體式凹板篩,采用四支油缸平行推拉脫粒凹板實(shí)現(xiàn)凹板間隙調(diào)節(jié)?？导姻蔚萚11]設(shè)計(jì)了一種對(duì)稱可調(diào)式凹板篩應(yīng)用于大豆聯(lián)合收獲機(jī),以改善傳統(tǒng)凹板間隙調(diào)整方法單一、脫粒間隙參數(shù)與作物適應(yīng)性差的問題,其結(jié)構(gòu)如圖5所示,試驗(yàn)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)優(yōu)于豎直調(diào)節(jié)式凹板篩,可達(dá)到降低大豆破碎率、脫凈率和夾帶損失率的目的。

圖4 凹板間隙調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 對(duì)稱可調(diào)式凹板篩結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 其他脫粒凹板

為進(jìn)一步提高脫粒系統(tǒng)對(duì)作物的適應(yīng)性,農(nóng)機(jī)企業(yè)和相關(guān)專家學(xué)者對(duì)可以改變脫粒強(qiáng)度的脫粒凹板進(jìn)行了研究。滕悅江等[12]設(shè)計(jì)了分段式脫縱軸流脫粒分離裝置,凹板篩下兩側(cè)裝有可開閉的擋板,可以改變作物在脫粒室內(nèi)的停留時(shí)間,從而改變脫粒強(qiáng)度。劉正懷等[13]針對(duì)半喂入式聯(lián)合收獲機(jī)在收獲高產(chǎn)水稻時(shí)易發(fā)生脫粒滾筒堵塞的問題,設(shè)計(jì)了活動(dòng)?xùn)鸥癜及迕摿７蛛x裝置,通過試驗(yàn)對(duì)比,相對(duì)于固定式凹板篩,作業(yè)效率提高30%以上。

脫粒凹板篩對(duì)于不同的作物,需要不同的結(jié)構(gòu)來(lái)最優(yōu)的脫粒分離效果。改變脫粒間隙是改變脫粒強(qiáng)度的一種方式,可調(diào)脫粒間隙的凹板篩可以根據(jù)需要改變脫粒系統(tǒng)脫粒強(qiáng)度,從而獲得較好的脫粒效果,均勻的改變脫粒間隙是一個(gè)研究方向。此外,可以根據(jù)脫粒系統(tǒng)作業(yè)效果分段打開和關(guān)閉的脫粒凹板篩可在很大程度上改變脫粒強(qiáng)度,不過這種結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,開合時(shí)機(jī)依賴駕駛員經(jīng)驗(yàn)或脫粒系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)。

2.3 脫粒系統(tǒng)部件的作物適用性

目前聯(lián)合收獲機(jī)通過更換部件(如割臺(tái)、凹板篩等)、改變作業(yè)參數(shù)等方式來(lái)適應(yīng)不同作物收獲,以獲得最佳作業(yè)效果。針對(duì)不同谷物,根據(jù)其特性選擇合適的脫粒元部件,有利于降低脫粒破碎率、減少未脫凈率以及降低脫出物含雜率。相關(guān)專家學(xué)者對(duì)不同作物對(duì)應(yīng)的最佳脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)展開了研究。

康棟等[14]研究了凹板篩曬條間距、脫粒元件、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙四個(gè)因素對(duì)谷子脫粒效果的影響,經(jīng)過對(duì)全釘齒、全桿齒、全紋桿、半釘齒半紋桿四種脫粒齒桿單因素試驗(yàn),得出全紋桿脫粒元件下脫粒損失率最低,并通過一系列試驗(yàn)獲得了篩條間距、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙對(duì)谷子脫粒性能的影響,可為谷子專用脫粒系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。李心平等[15]設(shè)計(jì)了一種縱軸流雙柔性碾搓式谷子脫粒裝置,其柔性滾筒采用柔性耐磨橡膠輥?zhàn)鳛槊摿Ｔ?凹板采用柔性微動(dòng)凹板,可以滿足谷子脫粒低破碎率、低谷碼率和低未脫凈損失率的要求。楊立權(quán)等[16]研究了切流-橫軸流機(jī)型對(duì)玉米籽粒收獲的適應(yīng)性,對(duì)脫粒元件的結(jié)構(gòu)及排布進(jìn)行了改進(jìn),得到了玉米籽粒含水率和脫粒系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)對(duì)破碎率的影響,為玉米籽粒收獲系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。蘇媛等[17]為降低玉米籽粒收獲破碎率,以軸流釘齒式玉米籽粒收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)為基礎(chǔ),優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種弧面釘齒,與傳統(tǒng)梯形釘齒相比,能增大脫粒過程中與果穗的作用面積,減少與玉米籽粒的作用力,可以降低籽粒破碎率;又研究了釘齒材料對(duì)脫粒效果的影響,發(fā)現(xiàn)丁腈橡膠弧面釘齒和聚氨酯橡膠弧面釘齒相較于傳統(tǒng)性釘齒破碎率降低達(dá)20%。李義博等[18]在此基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)了橡膠層與碳鋼層復(fù)合結(jié)構(gòu)的脫粒釘齒,自制丁腈橡膠、天然橡膠和三元乙丙橡膠作為復(fù)合釘齒的外層結(jié)構(gòu)材料,研究表明復(fù)合釘齒能顯著提高玉米果穗脫粒性能,其中三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒性能最佳,較傳統(tǒng)碳鋼釘齒籽粒破碎率降低52.85%～57.68%。王鎮(zhèn)東等[19]針對(duì)玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)了低損變徑脫粒滾筒,證明了該滾筒能有效降低籽粒破碎率及未脫凈率。耿端陽(yáng)等[20]設(shè)計(jì)了橫軸流式玉米柔性脫粒裝置,脫粒滾筒為帶柔性釘齒和彈性短紋桿的脫粒滾筒,試驗(yàn)證明該裝置優(yōu)于常規(guī)脫粒裝置。付君等[21]針對(duì)小麥脫凈率低、損傷率高的問題,創(chuàng)新設(shè)計(jì)了剛?cè)狁詈鲜叫←溍摿９X,能夠明顯降低小麥脫粒破碎率,提高脫凈率。金誠(chéng)謙等[22]研究了不同脫粒元件結(jié)構(gòu)的脫粒滾筒對(duì)大豆收獲質(zhì)量的影響,得出三種不同脫粒滾筒在不同作業(yè)參數(shù)條件下對(duì)大豆收獲破碎率和未脫凈率的影響關(guān)系。

前述脫粒滾筒、脫粒凹板篩以及脫粒元件,對(duì)不同作物都有其作業(yè)效果較優(yōu)的結(jié)構(gòu),研究適應(yīng)多作物的脫粒滾筒及其脫粒元件結(jié)構(gòu)形式,對(duì)降低脫粒破碎率、含雜率、未脫凈率都有重要意義。目前應(yīng)用廣泛的柵格式脫凹板對(duì)不同作物需要不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)獲得較優(yōu)的脫分效果?？勺冎睆矫摿L筒、脫粒間隙可調(diào)節(jié)的凹板篩以及分段式可調(diào)強(qiáng)度脫粒凹板等都有利于提高脫粒系統(tǒng)的多作物脫粒適應(yīng)性。對(duì)特定作物研究專用脫粒零部件,可以大幅提高脫粒系統(tǒng)對(duì)特定作物的脫粒性能,具有重要意義。

3 關(guān)鍵技術(shù)

為提高脫粒系統(tǒng)作業(yè)性能,獲得最佳作業(yè)效果,除了對(duì)脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化外,對(duì)脫粒系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型、功耗與負(fù)荷、工作參數(shù)及智能化等方面的研究十分關(guān)鍵,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者也對(duì)此展開了研究。

3.1 脫粒滾筒功耗

脫粒系統(tǒng)的功耗分析是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要依據(jù),對(duì)作業(yè)質(zhì)量和效率提升具有重要意義,相關(guān)學(xué)者對(duì)脫粒系統(tǒng)功耗模型展開了許多研究。

盧康[23]對(duì)橫軸流桿齒式脫粒分離裝置功耗進(jìn)行了研究,得出功耗的影響因素主次順序?yàn)闈L筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、導(dǎo)草板導(dǎo)角。謝干等[24-25]為降低水稻聯(lián)合收獲機(jī)脫粒功耗,同時(shí)減少滾筒堵塞,設(shè)計(jì)了鼓形桿齒軸流式脫粒滾筒,建立了鼓式齒桿縱軸流脫粒滾筒動(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)滾筒功耗進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:在滿足脫粒性能的基礎(chǔ)上,對(duì)比傳統(tǒng)圓柱形脫粒滾筒,相同條件下鼓形脫粒滾筒的平均功耗降低5%～15%。

3.2 脫粒系統(tǒng)理論分析

任述光等[26]研究了柔性桿齒脫粒過程中的彈性振動(dòng),基于Timoshenko Beam理論建立柔性脫粒齒自由彎曲振動(dòng)的微分方程,利用ANSYS軟件分析柔性脫粒齒對(duì)打擊力激勵(lì)的影響,得到了在一定脫粒滾筒轉(zhuǎn)速及喂入速度一定的條件下,有利于脫粒的齒長(zhǎng)和齒直徑。張浩天等[27]對(duì)切縱流水稻收割機(jī)的滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)與工作轉(zhuǎn)速頻率存在共振,為此設(shè)計(jì)了一種具有伸縮脫粒元件的偏心切流滾筒結(jié)構(gòu),并在ANSYS軟件中進(jìn)行了靜力學(xué)仿真及軸端約束模態(tài)分析,改善了滾筒的工作性能。錢震杰等[28]建立了柔性齒桿與谷物含摩擦打擊動(dòng)力學(xué)模型,研究表明與普通剛性脫粒齒相比,柔性齒有助于提高脫凈率和降低籽粒破碎。

3.3 脫粒負(fù)荷測(cè)控

李耀明等[10]通過測(cè)量凹板篩后側(cè)的壓力來(lái)表征脫粒滾筒的負(fù)荷。許重斌[29]在分析玉米籽粒收獲機(jī)易堵塞部位的堵塞機(jī)理的基礎(chǔ)上,從發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線角度出發(fā)分析發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)速與收獲機(jī)堵塞的關(guān)系,并設(shè)計(jì)一套液壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)作業(yè)參數(shù)預(yù)防堵塞故障,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件程序,進(jìn)行了田間試驗(yàn)驗(yàn)證了其系統(tǒng)的可靠性。

3.4 脫粒破碎監(jiān)測(cè)

脫粒系統(tǒng)作業(yè)過程中籽粒破碎率在很大程度上反映了脫粒系統(tǒng)工作狀態(tài)和性能,對(duì)脫粒系統(tǒng)工作參數(shù)的在線調(diào)控也具有很大的參考意義,因此,相關(guān)學(xué)者對(duì)破碎率在線監(jiān)測(cè)開展了許多研究。

陳璇[30]利用K-Means對(duì)雜余與破碎谷物進(jìn)行粗提取,在通過分水嶺算法進(jìn)行分割,使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練識(shí)別模型,進(jìn)而對(duì)雜余、破碎谷物、完好谷物進(jìn)行識(shí)別,田間試驗(yàn)谷物破碎率平均識(shí)別率為86.63%。日本Mahirah等[31]采用一種雙燈源視覺系統(tǒng)檢測(cè)水稻中雜質(zhì)和破碎籽粒,系統(tǒng)檢測(cè)的R2值大于0.7,具有檢測(cè)相關(guān)性。張新偉等[32]提出一種遺傳算法(GA)與改進(jìn)脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PCNN)相結(jié)合的分割方法(GA+改進(jìn)PCNN),該方法對(duì)粘連玉米籽粒的分割準(zhǔn)確率為98%,但是單幅圖像處理時(shí)間為22.07 s,用時(shí)長(zhǎng)于各比較算法,但分割效果最理想。陳進(jìn)等[33-35]采用帶色彩恢復(fù)的多尺度Retinex算法增強(qiáng)原始圖像,該方法破碎籽粒識(shí)別的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值為84.74%,平均識(shí)別一幅圖像的時(shí)間為3.24 s;為解決圖像訓(xùn)練數(shù)據(jù)匱乏和訓(xùn)練過擬合問題,建立基于改進(jìn)U-Net網(wǎng)絡(luò)的收獲水稻籽粒圖像分割模型;對(duì)含雜率傳感器采樣盒進(jìn)行了設(shè)計(jì),傳感器采用雙LED光源,CMOS相機(jī)獲取圖像,并有防水防塵罩,滿足田間作業(yè)監(jiān)測(cè)的要求。陳滿等[36]采用改進(jìn)的分水嶺算法對(duì)大豆圖像進(jìn)行分割,建立了基于顏色特征值的大豆成分分類識(shí)別算法,對(duì)大豆樣本中完整籽粒、破碎籽粒及雜質(zhì)進(jìn)行識(shí)別,完整籽粒查準(zhǔn)率為87.26%、查全率為86.17%、破碎籽粒查準(zhǔn)率為86.45%、查全率為79.42%。張徐康[37]提出了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水稻破碎率檢測(cè)方法,該方法對(duì)破碎水稻識(shí)別率可達(dá)到89.11%,可有效識(shí)別水稻圖像中破碎水稻。

3.5 智能控制

聯(lián)合收獲機(jī)智能化發(fā)展是進(jìn)一步提高作業(yè)效率的必然要求,目前國(guó)外領(lǐng)先的農(nóng)機(jī)企業(yè),如Claas、JohnDeere、CaseIH等生產(chǎn)的大型聯(lián)合收獲機(jī)都搭載了整車智能控制系統(tǒng)。對(duì)于脫粒系統(tǒng)智能化作業(yè),近年來(lái)相關(guān)專家學(xué)者也進(jìn)行了許多研究。

Omid等[38]設(shè)計(jì)了基于專家知識(shí)的聯(lián)合收割機(jī)模糊邏輯控制系統(tǒng),根據(jù)脫粒損失對(duì)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、前進(jìn)速度、清選風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。Hiregoudar等[39]基于谷物含水率和脫粒損失檢測(cè)設(shè)計(jì)了一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),用以建立前進(jìn)速度和收獲損失間的關(guān)系。將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于農(nóng)機(jī)領(lǐng)域,雖可以處理復(fù)雜的田間作業(yè)場(chǎng)景,但前期需大量農(nóng)機(jī)的田間作業(yè)數(shù)據(jù),對(duì)嵌入式平臺(tái)的算力也有一定要求。寧小波[40]建立了基于關(guān)聯(lián)規(guī)則聯(lián)合收獲機(jī)全論域作業(yè)速度自適應(yīng)模型,與基于關(guān)聯(lián)規(guī)則控制的普通模型相比,獲得了更好的收獲性能。韓樹欽[41]設(shè)計(jì)了脫粒滾筒電夜比例控制系統(tǒng),以泵控液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)脫粒滾筒,該系統(tǒng)受擾動(dòng)作用產(chǎn)生震蕩,經(jīng)過較短時(shí)間調(diào)整,可回到原平衡狀態(tài)工作,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制。張真等[42]設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的玉米收獲機(jī)智能收獲控制系統(tǒng),通過探索脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙和作業(yè)速度等參數(shù)對(duì)籽粒損傷的影響機(jī)理,實(shí)現(xiàn)多參數(shù)聯(lián)合調(diào)控。邢高勇[43]設(shè)計(jì)了一種小區(qū)谷物聯(lián)合收獲機(jī)的智能調(diào)控系統(tǒng),該系統(tǒng)以模糊PID控制算法控制滾筒轉(zhuǎn)速,具有堵塞預(yù)警和報(bào)警措施。

張亞偉[44]設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制的脫粒分離質(zhì)量控制策略,其構(gòu)建的控制策略對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可降低夾帶損失率41.86%以上,可降低破碎率39.13%以上。張學(xué)軍等[45]設(shè)計(jì)了基于自抗擾和動(dòng)態(tài)矩陣模型的控制系統(tǒng),并對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)的時(shí)變干擾進(jìn)行在線估計(jì),對(duì)脫粒滾筒的控制延遲進(jìn)行基于動(dòng)態(tài)矩陣模型預(yù)測(cè)控制;該控制系統(tǒng)能夠使脫粒滾筒獲得平穩(wěn)的速度控制效果。劉青山[46]對(duì)脫粒滾筒負(fù)荷進(jìn)行建模分析,選擇基于Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)哪：齈ID控制器對(duì)速度進(jìn)行調(diào)控,然后使用Simulink仿真分析了該算法的可行性,并進(jìn)行田間試驗(yàn),驗(yàn)證了控制效果。

脫粒滾筒功耗研究、脫粒系統(tǒng)工作原理的理論分析研究對(duì)脫粒零部件的設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)意義,能在脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面降低脫粒破碎率、含雜率及未脫凈率,提升脫粒系統(tǒng)的作業(yè)性能。這兩方面的研究也是脫粒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率作業(yè)的根本保障。脫粒系統(tǒng)負(fù)荷測(cè)控、脫粒系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、脫粒質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)等研究是脫粒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化作業(yè)的前提條件。脫粒系統(tǒng)智能化是發(fā)展趨勢(shì)。聯(lián)合收獲機(jī)是割臺(tái)、喂入、脫粒清選等多個(gè)部分協(xié)同工作的系統(tǒng),其工況復(fù)雜。脫粒系統(tǒng)作為其重要組成部分,要實(shí)現(xiàn)智能化,不僅需要研究系統(tǒng)內(nèi)部工作參數(shù)的調(diào)控方法,還需要收獲機(jī)的其他系統(tǒng)配合支持。

4 發(fā)展趨勢(shì)

4.1 向低損失、高效率發(fā)展

隨著作物產(chǎn)量的提高,無(wú)論大、中小聯(lián)合收獲機(jī)都在向大喂入量方向發(fā)展,這對(duì)脫粒系統(tǒng)作業(yè)效率也提出了更高的要求。要實(shí)現(xiàn)脫粒系統(tǒng)作業(yè)效率和質(zhì)量的提升,可以從脫粒滾筒、脫粒打擊元件、脫粒凹板篩等關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)方面展開研究,也可以通過優(yōu)化脫粒系統(tǒng)在不同作物含水率、種植密度、土壤狀態(tài)等收獲條件下的工作參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn);還需要減少脫粒系統(tǒng)故障發(fā)生,提高系統(tǒng)可靠性,可以通過完善脫粒系統(tǒng)負(fù)荷監(jiān)測(cè)及故障預(yù)警功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.2 提高多作物適應(yīng)性

目前聯(lián)合收獲機(jī)多作物兼收適應(yīng)性還需要提高,其中脫粒系統(tǒng)多作物適應(yīng)性的提高十分重要。要提高脫粒系統(tǒng)對(duì)不同作物的適應(yīng)性,可以針對(duì)對(duì)于不同作物,根據(jù)其收獲特性設(shè)計(jì)專用的脫粒零部件,通過試驗(yàn)驗(yàn)證專用零部件結(jié)構(gòu)和最優(yōu)作業(yè)參數(shù);在獲得不同作物的專用脫粒零部件后,要實(shí)現(xiàn)一臺(tái)聯(lián)合收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)對(duì)多種作物的高適應(yīng)性,可以從不同結(jié)構(gòu)脫粒零部件互換性方面以及零部件互換前后脫粒系統(tǒng)的可調(diào)整性方面進(jìn)行研究。由于脫粒系統(tǒng)對(duì)不同作物的最佳作業(yè)參數(shù)也不同,要實(shí)現(xiàn)單一脫粒系統(tǒng)對(duì)多種作物的高質(zhì)量脫粒,可以通過田間試驗(yàn)積累數(shù)據(jù),建立脫粒系統(tǒng)作業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù),為脫粒系統(tǒng)對(duì)不同作物作業(yè)時(shí)提供數(shù)據(jù)參考。破碎率監(jiān)測(cè)裝置也需要具有多作物通用性,能夠根據(jù)作物種類改變識(shí)別算法,可以對(duì)不同作物進(jìn)行機(jī)器視覺方面的研究。

4.3 提高智能化水平

提升脫粒系統(tǒng)智能化水平,要求作業(yè)效果實(shí)時(shí)感知,即脫粒系統(tǒng)的滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、導(dǎo)流板角度、喂入量、脫粒破碎率等信息能夠?qū)崟r(shí)顯示,為駕駛員提供脫粒系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài);要求脫粒系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)控,即在脫粒系統(tǒng)中運(yùn)用現(xiàn)代控制理論,使脫粒系統(tǒng)根據(jù)感知信息如喂入量、作物種類、作物含水率、破碎率等,自動(dòng)調(diào)整自身工作參數(shù)(滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙等),保持良好的作業(yè)質(zhì)量和較高的工作效率。