橫軸流式玉米柔性脫粒裝置設計與試驗

耿端陽 何 珂 王 騫 金誠謙 張國海 鹿秀鳳

(1.山東理工大學農業工程與食品科學學院， 淄博 255049； 2.山東理工職業學院， 濟寧 272067)

0 引言

玉米機械化收獲有果穗收獲和籽粒收獲兩種方式。其中果穗收獲是用收獲機完成玉米果穗與莖稈的分離和收集作業，其后還需對果穗晾曬、轉運和脫粒作業，屬于玉米機械化收獲的初級階段[1]。籽粒收獲是用玉米收獲機一次性完成摘穗、脫粒、清選等工序，該方式具有效率高、損失少的特點，是玉米收獲機發展的必然趨勢[2]。

黃淮海地區作為中國玉米主產區之一，2015 年種植面積約為1.757 7×108hm2，占全國播種面積的46.1%，總產量8.69×108t，占全國的38.7%。黃淮海地區春播玉米一般在7月下旬成熟，夏播玉米一般在9月下旬成熟，收獲時玉米籽粒含水率約為30%[3]，籽粒直收過程中，玉米在脫粒元件擠壓、沖擊和揉搓等力作用下，籽粒易產生破碎、破皮或裂紋等問題，增加了感染黃曲霉素的風險，給玉米籽粒貯藏品質和糧食安全造成很大威脅。因此玉米脫粒過程籽粒損傷已成為制約黃淮海地區玉米籽粒收獲技術推廣的瓶頸問題[4-6]。

國外對玉米籽粒收獲過程中籽粒機械損傷與破碎的研究較多。BURKHARDT等[7]探索了滾筒轉速對玉米脫粒過程籽粒損傷的影響；PETKEVICHIUS等[8]對脫粒過程玉米果穗喂入方向、含水率、凹板間隙等因素對脫粒損傷的影響進行了研究；SRISON等[9]探索了脫粒滾筒結構參數與玉米特性對玉米脫粒損傷和功耗的影響。相比國外，國內籽粒收獲尚處于脫粒機型的探索階段。何曉鵬等[10]設計了一種寬板齒、低轉速的擠搓式玉米脫粒機，在玉米籽粒含水率低于20%時具有良好的作業效果；李心平等[11-13]依據仿生原理設計了仿雞喙離散玉米和裸手脫粒的仿生玉米脫粒機，降低了單穗脫粒的籽粒損傷；趙武云[14]設計了變間距螺旋板齒式種用玉米脫粒機，并對種用玉米的脫粒損傷機理進行了探索。上述研究雖然都對玉米籽粒的脫粒損傷進行了研究，也取得了一些階段性理論成果，但主要集中在小型玉米脫粒機方面，很難在大型作業機中得到推廣應用。

針對玉米脫粒過程容易出現籽粒損傷和脫粒損失大的問題，本研究結合黃淮海地區玉米籽粒收獲的特點，開展柔性釘齒與彈性短紋桿相結合的玉米柔性脫粒技術，設計一種橫軸流式玉米柔性脫粒試驗臺，進行脫粒滾筒的動平衡試驗與脫粒性能的正交試驗，為黃淮海地區玉米籽粒直收技術的研發提供借鑒。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

橫軸流式玉米柔性脫粒裝置整體結構如圖1所示，主要由柔性脫粒滾筒、可調凹板、固定凹板、螺旋輸送器、上罩、外殼、機架、喂料口、落料板與籽粒箱、電動機等組成。其中柔性脫粒滾筒上設有螺旋分布柔性釘齒和彈性短紋桿；為配合脫粒元件對果穗的軸向輸送，上罩內側焊有均布的螺旋導流板；柔性脫粒滾筒與外殼安裝在機架上方，螺旋輸送器位于凹板下方，落料板與籽粒箱置于機架最下方。

圖1 橫軸流式玉米柔性脫粒裝置總體結構簡圖Fig.1 Structure diagram of corn flexible threshing test bench for transverse flow1.調節機構 2.上罩 3.張緊鏈輪 4.輸送器鏈輪 5.可調凹板 6.固定凹板 7.喂料口 8.滾筒鏈輪 9.帶輪 10.機架 11.電動機 12.籽粒箱 13.落料板 14.螺旋輸送器 15.柔性脫粒滾筒 16.外殼

1.2 工作原理

橫軸流式玉米柔性脫粒裝置作業時，玉米果穗經由喂料口進入脫粒滾筒內，首先在滾筒上螺旋分布的釘齒元件作用下，果穗被強制拖入滾筒與凹板的間隙并受到釘齒與凹板及果穗間的沖擊、擠搓和摩擦作用，完成果穗的初步脫粒；在此過程，果穗受到螺旋分布釘齒的作用以及上罩導流板的配合作用，沿著滾筒軸向很快進入彈性短紋桿區域。在此區域內，果穗受到凹板的阻滯過程，受到紋桿的循環沖擊與搓擦作用，完成其余籽粒的脫粒。在滾筒末端，排芯板將脫粒后的玉米芯排出機外，完成整個脫粒過程。本試驗臺采用彈性短紋桿，有效減弱紋桿對果穗的剛性沖擊，降低了脫粒過程的籽粒損傷。

2 軸流柔性脫粒滾筒設計

2.1 脫粒工藝確定

軸流式脫粒滾筒按照作物在滾筒內運動流程分為4種形式，如圖2所示。根據MIU等[15]研究可知，雖然軸流脫粒的果穗喂入可以采用徑向和軸向兩種方式，但是軸向喂入時果穗喂入的順暢性難以保證；而徑向喂入具有主動抓取果穗的作用，其可靠性和順暢性高于軸向喂入。果穗脫粒后玉米芯軸可軸向或徑向排出，但在大型聯合收獲機中為保證結構緊湊，橫軸流式滾筒多采用徑向排出方式，因此本系統選擇徑向喂入和徑向排出方式進行作業。

圖2 軸流滾筒脫粒工藝形式Fig.2 Threshing technological processes of axial cylinder

2.2 滾筒結構參數確定

橫軸流柔性脫粒滾筒外形結構如圖3所示，整體分為柔性釘齒區、彈性短紋桿區和排雜區3部分。

圖3 滾筒結構參數示意圖Fig.3 Sketch of structure parameter of cylinder

橫軸流脫粒分離裝置的脫粒分離模型[16]為

(1)

式中SS(x)——滾筒累計分離籽粒率，%

λ——橫軸流滾筒軸向上任意一點x處相鄰長度為Δx的凹板篩區域內，脫粒發生概率與未被脫粒籽粒量比例系數,m-1

β——橫軸流滾筒軸向上任意一點處相鄰長度為Δx的凹板篩區域內，籽粒從凹板篩分離出來的概率與自由籽粒(已脫粒但尚未分離的籽粒)量比例系數，m-1

x——橫軸流滾筒軸向位置，m

B——橫軸流滾筒喂入區間長度，m

L——橫軸流滾筒長度，m

當x=L-B時，按脫粒損失率為1%計算，則SS(x)=99%。

通過前期玉米含水率為27%～30%條件下的橫軸流式脫粒滾筒臺架試驗，得λ為4 m-1，β為3.5 m-1,則L-B≈1 450 mm；根據避免果穗結拱和堵塞的最小尺寸來確定B值，本設計取450 mm，因此軸流脫粒滾筒長度的參考值為1 450+450=1 900 mm。

橫軸流脫粒滾筒直徑Dz為

Dz≥Dg+2hz

(2)

式中Dg——脫粒元件處直徑，mm

hz——脫粒元件高度，mm

考慮直徑過小容易出現堵塞、纏繞等問題，嚴重影響果穗脫粒效果[17]，故通常Dg>300 mm，結合考慮制造成本與結構限制，最終確定為400 mm,脫粒元件高度設計為70 mm,故滾筒直徑為540 mm。

2.3 脫粒元件

橫軸流式柔性脫粒滾筒采用三段組合式結構，前部采用釘齒脫粒元件，以提高脫粒元件對果穗的抓取能力；為了降低脫粒過程的籽粒損傷，該釘齒采用聚氨酯橡膠材料制造；中部采用螺旋短紋桿結構，以強化脫粒過程的揉搓效果；又為了降低對籽粒的損傷，該紋桿塊采用彈性結構以減小揉搓過程對果穗的剛性沖擊，降低籽粒的損傷；尾部為板式結構，以增強對穗軸等雜物向外的排出能力。為了實現循環脫粒過程果穗的翻轉和向后運動，柔性釘齒和彈性短紋桿均采用螺旋線排列[18-19]；為了增加單位長度脫粒元件對果穗的脫粒次數，螺旋頭數選擇為4；為了平衡脫粒過程滾筒承受的軸向力，彈性短紋桿按照D型左紋和D型右紋交錯排布，最終形成的滾筒結構如圖4所示。

圖4 滾筒結構及脫粒元件排布展開圖Fig.4 Expanded view of cylinder structure and threshing element arrangement1.柔性釘齒 2.右紋桿 3.左紋桿 4.排芯板

彈性短紋桿結構如圖5所示，主要由紋桿座、固定架、扭簧和短紋桿等組成。其中紋桿座焊接在滾筒表面，短紋桿鉸接在固定架上，紋桿下方設有扭簧，扭簧由扭簧壓板進行固定。短紋桿選長度90 mm的D型紋桿鋼。

圖5 彈性短紋桿結構圖Fig.5 Threshing structure of short elastic rasp bar1.固定架 2.紋桿座 3.扭簧壓板 4.圓頭螺栓 5.扭簧 6.D型紋桿 7.連接板

當載荷超過一定強度時，會導致籽粒損傷甚至果穗芯軸斷裂進而增加籽粒的損傷[20]，根據文獻[21-22]，一般玉米籽粒發生破碎時破壞力范圍為112～359 N；玉米籽粒從芯軸上脫下時，籽粒脫落力范圍為2～12 N，玉米果穗斷裂力范圍610～1 060 N。

彈性短紋桿脫粒作業時，設紋桿背脊面與紋桿面交于點O，此時果穗對紋桿作用力為Fg，Fg與扭簧旋轉中心距離為hn，則扭簧的初始扭矩T1=Fghn，當Fg大于籽粒脫落力小于籽粒破碎時破壞力和果穗斷裂力，扭簧發生扭轉，以緩解脫粒元件對果穗的剛性沖擊。根據文獻[20-22]，當Fg為40 N，即可滿足該條件，hn為15.5 mm，可得T1=610 N·mm。

扭簧初始扭轉角φ1=35°，圓頭螺栓與固定架保證紋桿上限位，因此紋桿只能向下扭轉，扭簧最大扭轉角φ2=46°，因此扭簧有效圈數N為

(3)

其中

式中E——彈性模量，扭簧選擇碳素彈簧鋼絲2組，故E=1.97×105MPa

d——扭簧鋼絲直徑, 碳素彈簧鋼絲2組為3.2 mm

T2——扭簧最終扭矩，N·mm

D1——扭簧中徑，mm

而D1=Pd(P為扭簧旋繞比)，根據機械設計手冊[23]，旋繞比一般取8.5，由此可得N=12。

2.4 上罩

柔性脫粒滾筒上罩與凹板共同組成脫粒室。上罩內壁設置有等距分布的6塊導流板，如圖6所示。

圖6 上罩結構圖Fig.6 Structure diagram of cover

對橫軸流式脫粒滾筒而言，為防止玉米果穗返回到喂入口，上罩內壁第一塊導流板必須導過整個喂入口寬度M[24]，設導流板對應滾筒的圓周角為θ，導流板螺旋升角α為

(4)

喂入口寬度M必須防止果穗在此結拱堵塞，要求其寬度必須大于1.5倍的果穗長度，故該寬度取450 mm，導流板對應滾筒圓周角為180°，由此可得α約為28°。果穗在滾筒內受離心力作用，在上罩部分通常是緊貼內壁運動，因此導流板不必過高，結合文獻[24]，導流板高度設置為20 mm。

2.5 分離凹板

凹板篩的主要作用是配合脫粒滾筒完成玉米脫粒及脫下籽粒與穗軸的分離。本凹板篩分為固定凹板與調節凹板兩部分，兩部分凹板篩為柵格結構，如圖7所示。

圖7 凹板篩整體結構圖Fig.7 Schematic of tapered concave sieve1.固定凹板 2.調節凹板 3.調節桿 4.調節機構 5.防漏帆布

為了提高對不同品種、果穗直徑、喂入量和不同含水率果穗的適應性，凹板篩采用可調整結構，即凹板篩一端固定，另一端由凹板調節機構進行調節，從而改變凹板與柔性脫粒滾筒間距離，定義調節凹板與脫粒滾筒下母線間距離為凹板間隙δ，凹板間隙設有3種模式，調節桿可依次將脫粒間隙調節為50、40、30 mm。

為了實現果穗的循序漸進脫粒，本凹板篩與脫粒滾筒為偏心配置，脫粒滾筒的入口間隙大于出口間隙，如圖8所示。其中大喂入口有利于玉米果穗的喂入，而隨著脫粒間隙變小，玉米果穗受到的搓擦和擠壓作用增強，有效增大了脫粒元件對果穗的脫粒強度。

圖8 凹版篩與脫粒滾筒配置示意圖Fig.8 Schematic of relationship between concave sieve and roller

凹板篩直徑D2的計算公式為

D2=Dz+δ1+δ2

(5)

式中δ1——入口間隙，mm

δ2——出口間隙，mm

由文獻[25]知，脫粒滾筒入口間隙應大于果穗大端直徑，考慮到果穗喂入順暢性，入口間隙δ1取55 mm，滾筒出口間隙應小于等于果穗芯軸小端直徑，取值30 mm。因此凹板篩直徑為625 mm。

3 試驗

3.1 脫粒滾筒動平衡試驗

脫粒滾筒屬高速運轉的部件，在脫粒滾筒運行過程中，由于脫粒元件的螺旋排布以及加工誤差等因素的影響，可能會因為重心偏移引發較大的非平衡慣性力，最終導致系統的劇烈振動，嚴重時導致滾筒支持軸承的過早失效，因此在完成滾筒設計后進行了動平衡校核[26]。

將脫粒滾筒三維模型導入ADAMS軟件，利用ADAMS軟件定義前處理條件和仿真條件進行動平衡仿真模擬。定義滾筒脫粒端為H端，排雜端為I端，以500 r/min的轉速進行模擬，得出H、I兩端的軸承動反力分別為475 N和581 N，該結果超過國家標準，為此，對其采用雙面平衡法進行配重計算，再次進行動平衡模擬，得到H、I兩端在滾筒穩定后的軸承動反力分別為20.8 N和19.7 N，如圖9所示。

圖9 滾筒軸承動反力變化曲線Fig.9 Changing curves of combine reaction force of cylinder

依據國家標準相關規定[27]，不平衡量U不應大于許用不平衡量Uper。許用不平衡量為

(6)

式中eper——許用剩余不平衡度，kg·m/kg

m——滾筒質量，kg

Ω——滾筒角速度，rad/s

該型滾筒質量為104 kg,Ω為52 rad/s, (eperΩ)為平衡品質級別，國家推薦農業機械平衡品質級別為G16,即16 mm/s, 因此許用不平衡量為

(7)

H、I兩端不平衡量為

U=F/Ω2

(8)

式中F——軸承動反力，N

UH=7 862.3 g·mm,UI=7 285.5 g·mm,總不平衡量UH+UI=15 147.8 g·mm

圖10 動平衡配重結果Fig.10 Dynamic balance counter weight results

3.2 性能優化試驗

根據初步分析，選擇對脫粒質量影響較大的滾筒轉速n(r/min)、凹板間隙a(mm)、喂入量b(kg/s)作為試驗因素，因素水平見表1。材料選擇山東省廣泛種植的“先玉335”玉米果穗，含水率為27.24%。試驗儀器設備主要有PM-8188型谷物水分測定儀(日本KETT公司)、VC6234P型數顯轉速表、上海花潮系列電子秤等。試驗在山東理工大學農機性能試驗室進行，試驗現場如圖11所示。

表1 試驗因素水平Tab.1 Factors and levels of experiment

圖11 試驗現場Fig.11 Testing site

按照GB/T 21961—2008《玉米收獲機械試驗方法》和GB/T 5982—2017《脫粒機試驗方法》確定考察指標，包括籽粒破碎率和未脫凈率，其中籽粒破碎率為

(9)

式中Ws——樣品中破碎籽粒質量，g

Wi——取樣籽粒總質量，g

未脫凈率為

(10)

式中Ww——未脫凈籽粒質量，g

Wz——全部籽粒質量，g

對試驗結果進行取樣并稱量，試驗結果及極差分析見表2，A、B、C分別為滾筒轉速n、凹板間隙a和喂入量b的因素水平值。

由上述結果可以看出，滾筒轉速、凹板間隙、喂入量對籽粒破碎率和未脫凈率的影響各不相同，利用SPSS 20.0進行方差分析[28]，結果如表3所示。

表2 正交試驗結果和極差分析Tab.2 Results of orthogonal test and range analysis

注：** 表示因素對試驗有顯著影響，*表示因素對試驗有影響。

綜合極差分析與方差分析可知，柔性脫粒滾筒的籽粒破碎率與未脫凈率最佳組合方案是A1B2C2和A3B2C2，即在喂入量均為8 kg/s和凹板間隙均為40 mm，滾筒轉速分別為400 r/min和500 r/min時，其籽粒破碎率和未脫凈率可以控制在較優范圍。

主要原因為當凹板間隙較小時，物料間擠壓和揉搓作用增強，玉米籽粒受到的脫粒力過大導致破碎率較高，同時由于較強的擠壓揉搓作用玉米芯容易破碎分裂，從而降低了脫粒元件對其的作用效果，進而導致脫粒損失的上升。相反，隨著凹板間隙增大，果穗在滾筒內受到脫粒元件的作用減弱，同時較大的凹板間隙使得物料間揉搓、擠壓作用減弱從而導致未脫凈率升高。由表2可知，凹板間隙對籽粒破碎率和未脫凈率的最優水平均為B2，即凹板間隙為40 mm。

當喂入量增加時，物料在脫粒間隙內堆積使物料層增厚，導致滾筒上脫粒元件和凹板對果穗的平均脫粒強度下降，所以出現了較多籽粒不能完全被脫下，表現出未脫凈率升高；同時滾筒上脫粒元件在較厚果穗層中脫粒時彈性脫粒元件被較厚的果穗層阻礙，降低了彈性脫粒的效果，從而導致了籽粒破碎率的上升；相反，當喂入量較低時果穗在脫粒區間內被沖擊后與凹板篩發生較為強烈的二次沖擊，所以出現了籽粒破碎率的升高，喂入量對籽粒破碎率和未脫凈率的最優水平均為C2，即喂入量為8 kg/s。

當滾筒轉速較高時，脫粒元件的線速度隨之增大，從而增加了脫粒室內果穗的沖擊，增大了對果穗的沖擊強度，最終導致籽粒破碎率的升高；相反，當滾筒轉速較低時，果穗在脫粒室內受到沖擊力過弱，從而出現了未能克服籽粒與穗軸連接力的籽粒增多，因而導致未脫凈率升高。按照未脫凈率較低兼顧籽粒破碎率的原則，且考慮到生產率的因素選擇A2作為最優水平。

通過上述分析，確定A2B2C2為該型脫粒滾筒的較優參數組合，在較優組合條件下對本脫粒滾筒進行驗證試驗，試驗結果表明籽粒破碎率為0.65%，未脫凈率為0.59%。

4 結論

(1)設計了橫軸流式玉米柔性脫粒試驗臺，并對脫粒系統的主要結構及參數的確定方法進行了研究。

(2)采用三維造型設計與ADAMS軟件相結合的方法，對影響該柔性脫粒系統的核心部件——脫粒滾筒進行了動平衡分析和校核，有效減小了系統工作過程的振動，提高了試驗臺的工作可靠性。

(3)通過正交試驗確定了較優組合為A2B2C2，即喂入量為8 kg/s，滾筒轉速為450 r/min，凹板間隙為40 mm；且在該條件下，玉米果穗的籽粒破碎率為0.65%，未脫凈率為0.59%，滿足玉米脫粒的國家相關標準。