玉米籽粒收獲機(jī)柔性脫粒的設(shè)計(jì)與研究

[摘 要] 為避免玉米收獲機(jī)收獲時(shí)對(duì)玉米籽粒造成大的損傷，本文結(jié)合智能設(shè)備，特研制出含水率不大于25%玉米籽粒柔性脫粒滾筒結(jié)構(gòu)，在降低玉米籽粒損害率的同時(shí)提高收獲效率。

[關(guān)鍵詞] 玉米籽粒收獲；損傷；柔性脫粒

[中圖分類號(hào)] S225 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-7909（2017）13-85-2

1 研發(fā)背景

由于近年來用工成本越來越高，玉米穗收雖然省工，但后續(xù)的運(yùn)、曬、脫粒等環(huán)節(jié)需要耗費(fèi)人力、增加成本。玉米籽粒直收節(jié)省了玉米剝皮、脫粒、運(yùn)輸、晾曬、存儲(chǔ)、處理秸稈等作業(yè)環(huán)節(jié)，667 m2可節(jié)約成本100元左右。針對(duì)整個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，作業(yè)成本遠(yuǎn)低于人工收獲和果穗機(jī)收，粒收是未來農(nóng)民唯一的選擇。

我國(guó)的玉米收獲機(jī)械研制起步較晚，目前市場(chǎng)上主流的玉米摘穗機(jī)只是玉米機(jī)械收獲的過渡產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)一些有遠(yuǎn)見的企業(yè)已經(jīng)看到了未來玉米籽粒直收的趨勢(shì)，近幾年來一直在集中精力加大研發(fā)，并在自己品牌的主要銷售區(qū)域測(cè)試。秋收期間，這些主流玉米收獲機(jī)生產(chǎn)企業(yè)紛紛推出玉米籽粒收獲機(jī)，如福田雷沃、中國(guó)一拖、中聯(lián)重科谷王玉米籽粒收獲機(jī)等。

目前市場(chǎng)上還有一些企業(yè)把小麥?zhǔn)崭顧C(jī)改造成玉米籽粒收獲機(jī)，在南方水田玉米種植區(qū)，也有企業(yè)在全喂入水稻聯(lián)合收獲機(jī)基礎(chǔ)上改裝玉米籽粒直收機(jī)，如江蘇沃得、湖州四達(dá)。此外，南方一些地區(qū)也有用水稻聯(lián)合收割機(jī)來直接收獲玉米籽粒的，盡管收獲效率很高，但通常造成玉米籽粒損害率較高，研制出一套玉米籽粒柔性脫粒裝置已經(jīng)迫在眉睫。

2 玉米籽粒柔性脫粒設(shè)計(jì)概述

研究分析國(guó)內(nèi)外玉米籽粒收獲脫粒技術(shù)，對(duì)脫粒裝置進(jìn)行基礎(chǔ)理論分析與試驗(yàn)研究，分析查找影響脫粒效果的不良因素。再運(yùn)用相關(guān)分析軟件優(yōu)化脫粒裝置主要工作零部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高玉米脫粒水平。在脫粒過程中，果穗需要接觸脫粒部件，易受工作部件的打擊、碰撞、擠搓等作用力，會(huì)產(chǎn)生一定的籽粒破壞。所以，結(jié)構(gòu)上采用圓滑過渡，減少直接碰撞；采用柔性揉搓的設(shè)計(jì)，以降低脫粒裝置破損率。

3 柔性脫粒滾筒的設(shè)計(jì)與分析

脫粒滾筒裝配示意圖如圖1所示，本設(shè)計(jì)的脫粒滾筒包括2個(gè)滾筒，即第一滾筒和第二滾筒。第一滾筒采用螺旋錐形釘齒滾筒設(shè)計(jì)，第二滾筒采用均布直齒圓柱形滾筒設(shè)計(jì)，第一脫粒滾筒和第二脫粒滾筒之間采用排草板連接。在脫粒過程中第一滾筒主要承擔(dān)快速脫粒和輸送任務(wù)，第二滾筒起輔助復(fù)脫和分離的作用，將未脫凈的果穗二次脫粒，分離脫粒滾成中產(chǎn)生的碎芯和雜質(zhì)，再將多余的玉米芯運(yùn)送到排芯口，當(dāng)玉米芯達(dá)到一定壓力時(shí)，排芯口壓板被撐開，碎芯落入排芯軸將其排出機(jī)外。兩個(gè)滾筒上的釘齒均采用鑄鐵+橡膠制造，釘齒分為兩層安裝，內(nèi)層與滾筒鑄造成一體的剛體，外層套上橡膠材料，兩者緊密粘合在一起，形成柔性脫粒釘齒。第一脫粒滾筒和第二脫粒滾筒結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3.1 脫粒滾筒直徑的選擇

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可得知，滾筒的直徑是由凹板包角和脫粒物的生物特性初步確定，首先設(shè)計(jì)滾筒直徑在200～300 mm，具體的參數(shù)確定由下面推理驗(yàn)證。

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)》中關(guān)于釘齒滾筒的設(shè)計(jì)思路，確定釘齒的齒端直徑按式（1）計(jì)算：

式（1）中，M為釘齒排數(shù)，S為相鄰兩齒板的中心距，h為釘齒高度。

其中，M=4 mm，S=110 mm，h=51 mm，帶入公式可得到D=244mm。

確定的這個(gè)滾筒直徑屬于最小的直徑，這是均布直齒的齒端直徑，但是作為有錐度的第一脫粒滾筒，其大端的直徑還需確定。

錐形滾筒的平均轉(zhuǎn)速（r/min）為：

式（2）中，Vr為滾筒線速度，m/s；D為滾筒直徑，mm。

查閱《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)》有關(guān)數(shù)據(jù)，從表1可以得到，軸流式脫粒滾筒的線速度一般取值范圍為17～20 m/s，才符合設(shè)計(jì)要求。結(jié)合整機(jī)具體的運(yùn)動(dòng)速度和各級(jí)傳動(dòng)比，n取800～100 r/min，帶入式（2）可得，D取324～477 mm。考慮到實(shí)際加工和裝配問題，取D=324 mm。由此可得到，錐形脫粒滾筒最大端直徑為324 mm，最小端直徑為244 mm。

從上述所確定的錐形滾筒最大直徑和最小直徑，可通過圖3得出該滾筒的錐角θ0：

式（3）中，L為脫粒滾筒長(zhǎng)度，根據(jù)實(shí)際需要和整機(jī)安裝過程中的尺寸要求，初步設(shè)定滾筒長(zhǎng)度為850 mm，則錐角θ0為11°。故確定第一脫粒滾筒的小端直徑為244 mm，大端直徑為324 mm，錐角為11°；第二脫粒滾筒直徑均為244 mm。

3.2 第一脫粒滾筒螺旋特性分析

當(dāng)?shù)谝幻摿L筒的大端和小端直徑以及圓錐角確定以后，其圓錐軸已初步確定，根據(jù)等角圓錐螺旋線的形成原理可知，螺旋釘齒在軸上的排列分布是變螺距的。螺距的大小和分布規(guī)律需要計(jì)算和選擇。設(shè)變螺距螺旋線方程為等角圓錐螺旋線方程，具體如式（4）所示：

由于本設(shè)計(jì)試驗(yàn)材料選用丹玉14號(hào)，所選擇的平均玉米果穗的長(zhǎng)度為180 mm，螺旋釘齒始端螺距長(zhǎng)度為果穗長(zhǎng)度的2/3，故P1=120 mm，所以：由式（7）可得到：

整理可得出：m1=0.014 4。

又知該螺旋釘齒的最大半徑為162 mm，帶入式（4）可得到：。整理可得到m4=0.015 04。

根據(jù)具體整機(jī)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的整段脫粒軸分為4個(gè)螺距，且已知第一個(gè)螺距為120 mm，將m1、m4進(jìn)行線性插值，可得到中間兩個(gè)螺距的m值，m2=0.014 61，m3=0.014 83。將m1～m4帶入式（7）可得到：p1=122mm，p2=133mm，p3=149mm，p4=166mm。

4 結(jié)語(yǔ)

脫粒裝置最關(guān)鍵的部件是脫粒滾筒，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇直接影響脫粒工作的性能指標(biāo)。脫粒釘齒采用橡膠制造安裝，兩次脫粒形成柔性脫粒系統(tǒng)，重復(fù)二次脫離效果明顯，減少損傷率，增加脫凈率，滿足玉米脫粒作業(yè)要求。