雙滾筒式玉米種子脫粒裝置設計與試驗

倪志偉,楊然兵,劉 陽,王 敏,王鳳婕,周小輝

(1.青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109;2.河南豪豐機械制造有限公司,河南 許昌 461000)

0 引言

玉米是一種重要的糧食作物、飼料作物和經濟作物,富含蛋白質、脂肪等,一直被譽為長壽食品,在中國農業生產和國民經濟發展中占有越來越重要的地位。 玉米種子的破損,不但使玉米種子抗壓強度降低,儲存過程中易吸濕、霉變和產生蟲害等,導致市場價值降低,且直接影響種子發芽[1]。脫粒分離裝置是玉米籽粒收獲機的核心部件[2-5],其工作性能直接決定了玉米籽粒收獲作業的質量。

國外對于脫粒技術的研究較早,1815年美國開發出了世界上第一臺手工操作的玉米脫粒機,標志著玉米脫粒技術研究的開始[6]。國外對于玉米脫粒裝置的研制比較早,技術相對成熟,但一般都是大型機械,價格比較昂貴[7-9]。自20世紀80年代以來,少數小型農業機械廠和科研機構通過引進國外先進設備,開發并生產了種子收獲機械[10]。代表性機械裝備有[11-14]:黑龍江省農墾總局紅興隆研究院研發的5ZTY-450型移動式種子脫粒機,黑龍江省農業機械工程科學研究所開發的5TZ-800型小區脫粒機,河南衛輝市機械廠生產的KT-200型單穗玉米種子脫粒機,浙江托普儀器有限公司開發的TGL-570B型小區脫粒機,鐵嶺東升玉米品種試驗中心研發的DS 系列玉米小區脫粒機等。

我國對于玉米種子脫粒裝置的研制相對較晚,且普遍存在種子破損嚴重、含雜率高等問題[15]。為此,設計了一種雙滾筒式玉米種子脫粒裝置,試驗表明該裝置滿足脫粒標準要求。

1 結構和工作原理

1.1 總體結構

裝置由機架、雙脫粒滾筒、風機和振動篩等部件組成,如圖1所示。為了使該脫粒裝置更好地除雜,每個脫粒滾筒都配置一個風機。

1.前風機 2.進料口 3.第一脫粒滾筒 4.第二脫粒滾筒 5.后風機

1.2 工作原理

玉米果穗經進料口喂入第1脫粒室,玉米果穗在第1脫粒滾筒內做無規則運動,脫粒原件與玉米果穗發生相互沖擊作用,使部分玉米籽粒和碎芯脫落;前風機通過氣流作用將輕雜質排出機外,剩余籽粒和雜質通過凹版篩落入振動篩進行二次篩選;隨著脫粒滾筒的旋轉和喂入量的增加,玉米果穗移動到第2脫粒室,重復第1脫粒室的過程,脫粒后的玉米芯經排芯口排出機外。

2 關鍵部件設計

2.1 脫粒滾筒的設計

脫粒裝置的功能是將玉米籽粒從果穗上脫下,并從脫出物中分離、清選出來,脫粒滾筒的功能直接影響玉米籽粒的脫出效果。該脫粒滾筒主要由圓柱體和4排桿齒組成,每排桿齒由9個脫粒單元組成,如圖2所示。各脫粒單元均勻排列在每一條線上,相鄰兩排桿齒的脫粒單元交錯排列,為了減少玉米籽粒的損傷,每個脫粒單元外側套上橡膠材料。作物被脫粒滾筒抓進并拖過凹版,在脫粒單元的沖擊、梳刷和齒面、凹版弧面的搓擠作用下脫粒,同時玉米果穗隨著螺旋形桿齒向另一側移動。

圖2 釘齒式脫粒滾筒結構簡圖

根據玉米收獲機和脫粒裝置的總體設計要求,脫粒滾筒長度L取960mm。脫粒單元采用圓錐形桿齒,脫粒單元上直徑d1為20mm,下直徑d2為30mm,高度h為50mm。

脫粒滾筒直徑D為[16]

(1)

式中M—桿齒排數,取M=4;

S—相鄰兩齒板的中心距(mm),取S=102;

h—釘齒高度(mm)。

脫粒速度vt(滾筒釘齒頂端圓周速度)為

(2)

式中n—滾筒轉速(r/min);

D—滾筒釘齒頂端直徑(mm)。

脫粒滾筒采用雙滾筒結構,雙滾筒結構相同,滾筒轉速前低后高,轉速比為1∶2[16],延長了脫粒時間,脫粒干凈,分離效果好。

2.2 凹板的設計

當玉米籽粒脫落后,籽粒會被高速旋轉的脫粒桿齒帶動沿切向運動,并沿著果穗徑向滑動,其運動為復合運動。在篩選過程中,凹板篩的設計和選擇成為分離過程中的重要影響因素。凹版長度由滾筒長度決定,包角為120°,凹版分離形式主要有柵格式、沖孔篩式和編織篩式3種。其中,沖孔篩式凹版結構簡單、篩孔小,可避免脫粒過程中較大雜余下落到清選系統[17],能降低物料與凹版間的摩擦,因此選擇沖孔篩式。根據玉米籽粒的物理特性,沖孔直徑選為20mm,如圖3所示。

圖3 凹版模型圖

3 玉米脫粒試驗

3.1 試驗條件

田間收獲試驗選在河南豪豐機械制造有限公司試驗基地進行,試驗地面積為100m×70m,玉米行距為800mm,株距為310mm,果穗長度210mm,植株倒伏率低于5%,果穗下垂率低于15%,最低接穗高度810mm,品種為丹玉14號,含水率為19%～21%。該脫粒裝置安裝在玉米籽粒收獲機上,如圖4所示。

圖4 試驗樣機

該機主要由摘穗裝置、果穗輸送裝置、脫粒裝置及清選裝置等組成,可一次性完成玉米摘穗、脫粒、風選及除雜等作業。該機生產率為0.40～0.45hm2/h,發動機最大功率為50kW,可一次性收獲兩行玉米。

3.2 試驗方法

試驗依據GBT 21962-2008 《玉米收獲機械技術條件》和GBT 21961-2008 《玉米收獲機械 試驗方法》相關規定進行。試驗前,測量玉米地塊10m,測試區兩端均割除,機組進入測試區前設置為一定速度,保證前進速度為勻速。

籽粒含雜率和籽粒破碎率計算公式為

(3)

(4)

式中Zz—籽粒含雜率(%);

Wza—雜質質量(g);

Wh—混合籽粒質量(g);

Zs—籽粒破碎率(%);

Ws—破碎籽粒質量(g);

Wi—樣品籽粒總質量(g)。

3.3 試驗方案與結果

試驗采用三因素二次通用旋轉組合設計,試驗總數為20組,每組試驗進行3次取平均值[18-19]。結合樣機實際工作情況,確定機組前進速度變化范圍為0.4～1.0m/s,試驗因素水平編碼如表1所示,試驗方案及結果如表2所示。

表1 因素水平編碼表

表2 試驗方案及結果分析

3.4 試驗結果分析

試驗結果采用Data Processing System(DPS)軟件進行回歸方程的顯著性分析,建立試驗指標y1、y2對試驗因素x1、x2和x3的二次多項式回歸模型,如方程(5)、方程(6)所示。進行回歸模型方差分析,籽粒含雜率和籽粒破碎率試驗結果方差分析如表3、表4所示。

y1=2.3254+0.0125z1+0.0316z2-0.0083z3+

0.0075z1z3-0.0125z2z3

(5)

y2=1.54+0.015z1+0.044z2-0.011z3+

0.0063z1z3+0.0063z2z3

(6)

表3 籽粒含雜率試驗結果方差分析

注F0.1(1,10)=3.29,F0.05(1,10)=4.96,F0.01(1,10)=10.04,F0.1(5,5)=3.45,F0.01(9,10)=4.95

表4 籽粒破碎率試驗結果方差分析

續表4

由表3可知:F11=0.66F0.01(9,10)=4.94,表明試驗指標回歸方程和試驗數據擬合較為理想;一次項x2、平方項x12影響極為顯著,一次項x1、平方項x32、交互項x2x3影響較為顯著,其他因數項影響不顯著。取α=0.1顯著水平,剔除不顯著項后,得到籽粒含雜率的無量綱編碼值回歸方程為

(7)

由無量綱編碼值回歸方程可知,試驗因素對籽粒含雜率影響大小次序為:脫粒滾筒轉速、機組前進速度、脫粒間隙。

由表4可知:F21=1.95F0.01(9,10)=4.94,表明試驗指標回歸方程和試驗數據擬合較為理想;一次項x2、平方項x12、平方項x22影響極為顯著,一次項x1、一次項x3影響較為顯著,其他因素項影響不顯著。取α=0.1顯著水平,剔除不顯著項后,得到籽粒破碎率的無量綱編碼值回歸方程為

(8)

由無量綱編碼值回歸方程可知,試驗因素對籽粒破碎率影響大小次序為:脫粒滾筒轉速、機組前進速度、脫粒間隙。

4 結論

1)針對玉米脫粒過程中含雜率高、破碎率高等問題,設計了一種雙滾筒式玉米種子脫粒裝置,并在每個脫粒單元外側套上橡膠材料,能夠降低玉米籽粒的脫粒損傷。

2)通過對滾筒進行動力學分析,得出脫粒元件對果穗的打擊力受脫粒滾筒轉速影響較大。選取機組前進速度、第二脫粒滾筒轉速、脫粒間隙試驗指標對含雜率及破碎率進行三因素二次通用旋轉組合設計試驗,得出兩指標與作業參數之間的影響規律。

3)由試驗結果方差分析可知:影響含雜率、破碎率的試驗因素主次順序均為脫粒滾筒轉速、機組前進速度、脫粒間隙。