縱軸流輥式組合玉米柔性脫粒分離裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳美舟 徐廣飛 王傳旭 刁培松 張銀平 牛國(guó)棟

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255049)

0 引言

脫粒分離裝置是籽粒收獲機(jī)的核心工作部件，脫粒性能對(duì)整機(jī)作業(yè)性能有顯著影響[1]?，F(xiàn)有脫粒分離裝置主要利用脫粒元件對(duì)果穗的剛性沖擊、擠壓以及與凹板的擠搓作用完成脫粒，極易造成籽粒破碎、破皮或裂紋等問題，籽粒含水率較高時(shí)尤為嚴(yán)重，且苞葉、芯軸等雜余易堵塞凹板，降低了收獲效率與收獲質(zhì)量[2-4]。籽粒含水率較高時(shí)，因機(jī)械脫粒損傷的籽粒易發(fā)生霉變和蟲害，不利于籽粒貯藏，甚至威脅糧食安全[5]。因此，高含水率果穗籽粒直收的高破碎率問題一直是制約我國(guó)玉米全程機(jī)械化發(fā)展的重要因素，在小麥-玉米兩茬輪作的黃淮海地區(qū)更為突出。黃淮海地區(qū)夏播玉米收獲時(shí)籽粒含水率一般在30%～35%之間，不利于籽粒收獲，因此多數(shù)地區(qū)仍以果穗收獲為主[6-7]。研究表明，在10月下旬甚至更晚夏玉米才能達(dá)到適宜籽粒直收的含水率小于25%的要求，但會(huì)延遲冬小麥的播種。若適當(dāng)晚收，在籽粒含水率降至較高水平(26%～28%)時(shí)收割，則既不影響農(nóng)時(shí)，又可促進(jìn)增產(chǎn)增收[8]。

國(guó)外對(duì)于玉米機(jī)械脫粒損傷和破碎的研究主要集中在不同因素或玉米本身的力學(xué)特性對(duì)脫粒過(guò)程的影響方面。DUANE等[9]探索了脫粒速度、含水率等因素對(duì)玉米脫粒過(guò)程籽粒損傷的影響，BURKHARDT等[10]分析了滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒損傷的影響，SRISON等[11]研究了脫粒滾筒結(jié)構(gòu)與玉米特性對(duì)玉米脫粒損傷和功耗的影響，PETKEVICHIUS等[12]對(duì)玉米果穗喂入方向、含水率、凹板間隙等因素對(duì)脫粒損失的影響進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者在脫粒損傷的研究中也取得一些理論成果[13-15]，少數(shù)科研院所進(jìn)行了脫粒新結(jié)構(gòu)的研究。李心平等[16-17]設(shè)計(jì)了仿雞喙離散玉米和裸手脫粒的仿生玉米脫粒機(jī)，樊晨龍等[18]設(shè)計(jì)了一種低損傷圓頭釘齒與分段組合式圓管型脫粒凹板相配合的脫粒分離裝置，邸志峰等[19]設(shè)計(jì)了紋桿塊與釘齒組合式軸流玉米脫粒滾筒，趙武云[20]設(shè)計(jì)了變徑變間距螺旋板齒式玉米脫粒機(jī)。上述研究在籽粒收獲方面取得了一些階段性成果，但主要集中在低含水率或高含水率果穗脫粒技術(shù)及小型脫粒裝置的研究上，針對(duì)黃淮海地區(qū)較高含水率玉米籽粒直收特點(diǎn)的大型脫粒分離裝置的研究仍然處于初期階段，有待深入研究。

為解決較高含水率果穗籽粒直收過(guò)程中脫粒裝置造成的籽粒破碎率和未脫凈率高、苞葉和芯軸等雜余易堵塞凹板等問題，本文設(shè)計(jì)一種“柔性釘齒+雙扭簧壓力短紋桿”組合式脫粒元件和“六棱孔網(wǎng)格篩+魚鱗式脫粒橡膠輥”組合式脫粒凹板相配合的柔性脫粒分離裝置，并搭建脫粒試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)單因素試驗(yàn)和多因素正交試驗(yàn)分析影響籽粒破碎率和未脫凈率的因素，以期為黃淮海地區(qū)籽粒直收技術(shù)研究提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1 縱軸流輥式組合玉米柔性脫粒分離裝置總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of roller-type combined longitudinal axial flow flexible corn threshing and separating device1.滾筒后傳動(dòng)鏈輪 2.脫粒輥傳動(dòng)鏈輪 3.電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)鏈輪 4.電動(dòng)機(jī) 5.傾角調(diào)節(jié)裝置 6.滾筒前傳動(dòng)鏈輪 7.支撐架 8.柔性脫粒分離裝置 9.機(jī)架

縱軸流輥式組合玉米柔性脫粒分離裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由錐形脫粒滾筒、錐形上罩、輥式組合脫粒凹板、傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、進(jìn)料口、外殼、機(jī)架、電動(dòng)機(jī)等組成。其中錐形上罩下表面設(shè)有螺旋導(dǎo)流板；錐形脫粒滾筒的圓錐表面螺旋布置“柔性釘齒+雙扭簧壓力短紋桿”組合式脫粒元件，尾部設(shè)有排雜板；輥式組合脫粒凹板取代了傳統(tǒng)凹板形式，由“六棱孔網(wǎng)格篩+魚鱗式脫粒橡膠輥”組成，可實(shí)現(xiàn)分段式柔性脫粒分離，并與錐形脫粒滾筒安裝于外殼與錐形上罩組成的錐形脫粒空間內(nèi)，設(shè)置在機(jī)架上方；其中魚鱗式脫粒橡膠輥與脫粒滾筒轉(zhuǎn)向相同，實(shí)現(xiàn)反向相切差速運(yùn)動(dòng)；在滾筒前端設(shè)置傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

1.2 工作原理

縱軸流輥式組合玉米柔性脫粒分離裝置采用徑向喂入、籽粒徑向排出、苞葉和芯軸等雜余軸向排出的脫粒工藝。工作過(guò)程主要由果穗喂入、初步脫粒、再次脫粒、分離和排雜5個(gè)階段組成。工作時(shí)，玉米果穗經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入工作區(qū)域，在螺旋喂入頭的強(qiáng)制作用下進(jìn)入錐形脫粒空間內(nèi)，完成果穗喂入過(guò)程；果穗隨導(dǎo)流板螺旋向后運(yùn)動(dòng)，并在滾筒脫粒元件和輥式組合脫粒凹板的擊打、碰撞、揉搓作用下開始初步脫粒；此區(qū)域內(nèi)脫粒間隙最大，脫粒元件為球形頭式釘齒，且呈“前高后低”方式排布，凹板為六棱孔網(wǎng)格篩，有效減少物料與凹板間的摩擦，減少果穗的機(jī)械損傷；果穗繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，脫粒間隙逐漸變小，未脫凈的芯軸受到雙扭簧壓力短紋桿和魚鱗式脫粒橡膠輥的循環(huán)反向擠搓和摩擦作用，完成其余籽粒的再次脫粒；脫粒過(guò)程中，已脫下的玉米籽粒透過(guò)輥式組合脫粒凹板與芯軸、苞葉等分離，完成分離過(guò)程；在滾筒末端，脫凈后的雜余隨排雜板被排出機(jī)外，進(jìn)行排雜，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)脫粒過(guò)程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 “柔性釘齒+雙扭簧壓力短紋桿”組合式脫粒元件

錐形脫粒滾筒按主要功能劃分為喂入部分、脫粒部分、分離部分和排雜部分。錐形脫粒滾筒采用課題組前期搭建的“柵格凹板+錐形脫粒滾筒”試驗(yàn)臺(tái)架。

在前期研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)脫粒過(guò)程中脫粒作用的不同需求，本文設(shè)計(jì)了“柔性釘齒+雙扭簧壓力紋桿”組合式脫粒元件，滾筒前段果穗完整飽滿，需要靠釘齒的沖擊進(jìn)行脫粒，但籽粒破碎率高，因此設(shè)置球頭式柔性釘齒，脫粒作用相對(duì)柔和，盡可能降低脫粒元件對(duì)籽粒的擊打損傷，釘齒的打擊和梳理作用可有效提高喂入初始脫粒元件對(duì)完整果穗的脫粒能力，較強(qiáng)的抓取能力能夠帶動(dòng)果穗的螺旋輸送；滾筒后段芯軸上籽粒相對(duì)較少，可依靠搓擦作用實(shí)現(xiàn)柔性脫粒，因此設(shè)置雙扭簧壓力紋桿，利用搓擦作用對(duì)未脫凈的果穗進(jìn)行脫粒，雙扭簧彈性結(jié)構(gòu)可降低對(duì)籽粒的機(jī)械損傷，雙扭簧壓力短紋桿的攪動(dòng)能力有利于脫粒后籽粒和雜質(zhì)分離；尾端布設(shè)排雜板，增強(qiáng)尾端雜物的排出能力。錐形螺旋喂入頭小端直徑200 mm，大端直徑350 mm，螺旋輸送器長(zhǎng)度280 mm，螺旋頭數(shù)為2，螺旋喂入角6°；錐形脫粒滾體小端直徑350 mm，大端直徑496 mm，滾體錐角為6°，滾體長(zhǎng)度1 390 mm。組合式脫粒元件采用等角圓錐螺旋線排列[21-22]，螺旋頭數(shù)選擇為4。滾筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 錐形脫粒滾筒結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of conical threshing cylinder1.錐形螺旋喂入頭 2.柔性釘齒 3.錐形脫粒滾體 4.雙扭簧壓力短紋桿 5.排雜板

2.1.1柔性釘齒

為了降低脫粒損傷，實(shí)現(xiàn)柔性脫粒，設(shè)計(jì)球頭式柔性釘齒，采用聚氨酯橡膠材料制造。根據(jù)對(duì)球頭釘齒與果穗理論碰撞研究可知，球頭半徑R計(jì)算式為[23]

(1)

式中b——梯形桿齒厚度，取12 mm

h——果穗與圓頭釘齒接觸時(shí)的壓縮量，取1 mm

由式(1)得R≥5 mm，本文設(shè)計(jì)球頭脫粒釘齒直徑為12 mm，為了適應(yīng)錐型滾筒脫粒間隙變化，釘齒設(shè)計(jì)不同高度，采用“前高后低”方式排布，并與脫粒紋桿按4頭螺旋排列。球頭脫粒釘齒高度設(shè)計(jì)為85、80 mm。

2.1.2雙扭簧壓力短紋桿

脫粒元件的剛性沖擊是造成籽粒損傷的主要因素，本文采用釋放破壞性脫粒外力的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了雙扭簧壓力短紋桿，主要由左旋短紋桿、扭壓簧、支旋螺栓和底座等組成，如圖3所示。圖中Δφ為扭簧扭轉(zhuǎn)范圍；φ1為扭轉(zhuǎn)角；F1、F2分別為雙扭簧壓力短紋桿脫粒外力；h1、h2分別為短紋桿到右側(cè)扭壓簧的作用距離；ω為雙扭簧壓力短紋桿角速度。兩左旋短紋桿通過(guò)與銷軸套焊接固定的支旋螺栓對(duì)稱安裝于底座，可實(shí)現(xiàn)銷軸套在銷軸中的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)支旋螺栓帶動(dòng)雙短紋桿的圓弧擺動(dòng)。在兩側(cè)左旋短紋桿下方設(shè)置預(yù)緊扭壓簧，當(dāng)脫粒過(guò)程中短紋桿與果穗產(chǎn)生剛性沖擊時(shí)，通過(guò)扭壓簧扭轉(zhuǎn)吸收瞬間高強(qiáng)沖擊力，確保脫粒外力強(qiáng)度在安全閾值內(nèi)，以減少對(duì)籽粒的機(jī)械損傷。

圖3 雙扭簧壓力紋桿結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of double torsion spring pressure rasp bar1.銷軸套 2.銷軸 3.定位軸套 4.支旋螺栓 5.扭壓簧 6.左旋短紋桿 7.底座

工作時(shí)，左側(cè)扭壓簧起限位與支撐作用，右側(cè)扭壓簧承受主要脫粒扭矩。為避免芯軸斷裂，施加外力應(yīng)低于610 N，且一般籽粒連接強(qiáng)度不低于10 N[24]。根據(jù)文獻(xiàn)[24]，當(dāng)果穗對(duì)紋桿作用力(40 N)大于籽粒脫落力小于籽粒破碎時(shí)破壞力和果穗斷裂力，扭簧即可發(fā)生扭轉(zhuǎn)，以緩解脫粒元件對(duì)果穗的剛性沖擊，考慮到研究的玉米籽粒含水率較參考文獻(xiàn)低，脫粒作用力下降明顯[25]，因此，設(shè)定雙扭簧壓力短紋桿脫粒外力F1、F2均為36 N，到右側(cè)扭簧的作用距離分別為h1=5.5 mm，h2=16.5 mm，則右側(cè)扭壓簧預(yù)設(shè)扭矩T1=F1h1+F2h2，以扭轉(zhuǎn)角φ1=40°安裝，扭轉(zhuǎn)范圍Δφ=20°，最大扭矩為Tn=T1(φ1+Δφ)/φ1。

選用C級(jí)碳素彈簧鋼絲，初定扭簧旋繞比C為6，直徑dG為[26]

(2)

式中dG——鋼絲直徑，取3.5 mm

K——扭簧曲度系數(shù)，取1.15

δb——抗拉極限強(qiáng)度，取1 570 MPa

則扭簧實(shí)際所需工作圈數(shù)為

(3)

其中

DT=CdG

(4)

式中E——彈性模量，取2.06×105MPa

DT——彈簧中徑，取21 mm

綜上可得n=25。

2.2 輥式組合脫粒凹板

2.2.1結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

在脫粒過(guò)程中，常規(guī)凹板橫隔板頂端的棱角易與果穗發(fā)生碰撞，造成玉米籽粒損傷，且易阻滯果穗螺旋導(dǎo)送運(yùn)動(dòng)，苞葉及芯軸等雜物經(jīng)常堵塞凹板。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種輥式組合脫粒凹板，前段設(shè)置六棱孔網(wǎng)格篩，后段設(shè)置7組魚鱗式脫粒橡膠輥圓周陣列，并與對(duì)稱布置的柵條凹板形成180°包角，柵條凹板以短弧形筋條代替橫隔板，結(jié)構(gòu)如圖4所示。六棱孔網(wǎng)格篩區(qū)別于傳統(tǒng)沖孔式凹板篩，將果穗與圓孔圓弧點(diǎn)式接觸，優(yōu)化為與棱邊線式接觸，減少釘齒瞬間沖擊果穗造成的機(jī)械損傷，設(shè)計(jì)六棱孔內(nèi)切圓直徑為20 mm，凹板直徑為640 mm，篩孔率達(dá)42.5%。脫粒后期，橡膠輥與紋桿的反向搓擦作用能降低果穗碰撞強(qiáng)度、有效脫凈剩余籽粒，橡膠輥的轉(zhuǎn)動(dòng)還可促進(jìn)籽粒與苞葉、芯軸有效分離及排出，減少夾帶損失。前后段與物料接觸形成的圓弧面持平，避免物料輸送過(guò)程中出現(xiàn)阻滯。

圖4 輥式組合脫粒凹板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic of roller-type combined threshing concave1.前固定板 2.六棱孔網(wǎng)格篩 3.側(cè)固定板 4.魚鱗式脫粒橡膠輥組合 5.后連接板 6.柵條式凹板 7.前連接板 8.軸承座

脫粒橡膠輥組合安裝如圖5所示。為使果穗與橡膠輥充分接觸并篩分，且確保芯軸等雜余不從兩輥間漏掉，凹板間隙一般選取8～15 mm[27-28]，設(shè)計(jì)橡膠輥上接觸表面形成的圓弧半徑R1為320 mm，相鄰兩輥夾角θ1=15°。由圖5可知，兩橡膠輥之間的間隙為

圖5 魚鱗式脫粒橡膠輥組合安裝示意圖Fig.5 Installation diagram of fish scale threshing rubber roller combination

(5)

其中

R2=R1+d/2

(6)

式中R2——橡膠輥安裝圓弧半徑，mm

d——脫粒橡膠輥直徑，mm

若滿足8 mm≤L1≤15 mm，則由式(5)、(6)可得

79.1 mm≤d≤87.2 mm

因此，選擇脫粒橡膠輥直徑為80 mm，此時(shí)橡膠輥安裝圓弧半徑為360 mm，由式(5)可得L1=14.2 mm，符合脫粒分離設(shè)計(jì)要求。

橡膠輥與柵條式凹板間隙L2為

(7)

式中θ2——柵條凹板包角，設(shè)定為36.5°

由式(7)可得L2=13.4 mm。

綜合上述設(shè)計(jì)，錐形脫粒滾筒前端與六棱孔網(wǎng)格篩的脫粒間隙為60 mm，后端與橡膠輥的脫粒間隙為30 mm。脫粒間隙呈前大后小趨勢(shì)，如圖6所示，前端大間隙利于果穗喂入，間隙逐漸減小，果穗受到搓擦和擠壓的作用增強(qiáng)。考慮到不同玉米品種、喂入量、果穗直徑和含水率對(duì)脫粒間隙的要求，本試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)調(diào)整輥式組合脫粒凹板兩側(cè)的螺栓位置來(lái)調(diào)節(jié)脫粒間隙。

圖6 脫粒滾筒與輥式組合脫粒凹板配置示意圖Fig.6 Schematic of relationship between roller and roller-type combined threshing concave

2.2.2脫粒橡膠輥運(yùn)動(dòng)分析

脫粒橡膠輥與脫粒元件的反向相切差速運(yùn)動(dòng)使果穗受擠搓作用的同時(shí)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，確保脫粒充分。因此，對(duì)脫粒后期果穗的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，如圖7所示。假設(shè)果穗與錐形脫粒滾筒和脫粒輥之間進(jìn)行純滾動(dòng)，不發(fā)生打滑現(xiàn)象。脫粒滾筒與脫粒橡膠輥分別以角速度ω1、ω2同向旋轉(zhuǎn)，任一時(shí)刻，果穗繞瞬心C做角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及速度為v0的切向運(yùn)動(dòng)。果穗表面上一點(diǎn)產(chǎn)生繞果穗瞬心的翻轉(zhuǎn)角為φ。則有

圖7 脫粒過(guò)程果穗運(yùn)動(dòng)分析Fig.7 Motion analysis of ear threshing course

(8)

式中Ra——脫粒元件到滾筒中心半徑，mm

Rb——脫粒橡膠輥半徑，mm

LOC——瞬心C到果穗中心距離，mm

va——脫粒滾筒與果穗接觸點(diǎn)A線速度，m/s

vb——橡膠輥與果穗接觸點(diǎn)B線速度，m/s

由于錐形脫粒滾筒相對(duì)切線轉(zhuǎn)速屬于變量，難以直接測(cè)量計(jì)算，因此設(shè)定脫粒滾筒與脫粒橡膠輥的傳動(dòng)比(輥筒傳動(dòng)比)i(i>1)，通過(guò)改變輥筒傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)相對(duì)速度的調(diào)整。則有

(9)

式中 Δv——相對(duì)切線速度差，m/s

n1——滾筒轉(zhuǎn)速，r/min

由三角形相似定理得

(10)

式中LAC——瞬心C到脫粒元件距離，mm

LBC——瞬心C到脫粒輥距離，mm

LBA——接觸點(diǎn)A與接觸點(diǎn)B之間的距離，mm

果穗旋轉(zhuǎn)角φ和果穗繞脫粒裝置運(yùn)動(dòng)的弧長(zhǎng)S為

(11)

式中t——脫粒時(shí)間，s

由式(10)、(11)可得

(12)

式中D——果穗直徑，mm

可以看出，當(dāng)輥筒傳動(dòng)比i增大時(shí)，旋轉(zhuǎn)角φ減小，因此應(yīng)適當(dāng)減小傳動(dòng)比i，確保果穗在底部停留足夠時(shí)間，增大果穗轉(zhuǎn)幅，促進(jìn)脫粒分離充分。

3 脫粒性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)因素

研究發(fā)現(xiàn)，脫粒過(guò)程中影響玉米籽粒破碎的因素有籽粒含水率、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和喂入量等[29]，選擇自然脫水狀態(tài)下含水率在26%～28%的玉米進(jìn)行脫粒試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)地區(qū)脫粒作業(yè)的實(shí)際情況，確定試驗(yàn)臺(tái)的喂入量為6 kg/s。通過(guò)對(duì)脫粒橡膠輥的運(yùn)動(dòng)分析發(fā)現(xiàn)，脫粒滾筒與橡膠輥的相對(duì)切線速度差對(duì)脫粒作業(yè)也有較大影響，為便于計(jì)算，選定輥筒傳動(dòng)比進(jìn)行替代。因此最終選擇滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙和輥筒傳動(dòng)比為試驗(yàn)因素。

滾筒轉(zhuǎn)速過(guò)高，脫粒元件對(duì)籽粒損傷大，而滾筒轉(zhuǎn)速過(guò)低，又不能脫凈果穗。結(jié)合課題組前期對(duì)“柵格凹板+錐形脫粒滾筒”試驗(yàn)臺(tái)架研究，滾筒轉(zhuǎn)速取350、400、450、500、550 r/min。籽粒主要靠脫粒元件和輥式組合脫粒凹板的共同作用與芯軸分離，脫粒間隙對(duì)脫粒性能有直接影響。采用的錐形脫粒滾筒，脫粒間隙自入口逐漸減小，試驗(yàn)選取平均間隙進(jìn)行研究。綜合選定的玉米品種，脫粒間隙重點(diǎn)考察40、45、50、55、60 mm對(duì)脫粒性能的影響。為使脫粒滾筒和橡膠輥產(chǎn)生擠搓作用，且果穗能夠翻轉(zhuǎn)，確保脫粒充分，根據(jù)對(duì)脫粒橡膠輥EDEM運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)的結(jié)果，確定輥筒傳動(dòng)比范圍為1～2，分別取1、1.25、1.5、1.75、2。

3.2 試驗(yàn)材料與條件

選用山東地區(qū)廣泛種植的“鄭單958”玉米果穗，其基本特征參數(shù)如表1所示。2019年9月在山東國(guó)豐機(jī)械有限公司進(jìn)行了脫粒性能試驗(yàn)，縱軸流輥式組合玉米柔性脫粒分離裝置試驗(yàn)臺(tái)及主要部件實(shí)物如圖8所示。

表1 試驗(yàn)玉米基本特征參數(shù)Tab.1 Corn parameters in experiment

圖8 脫粒試驗(yàn)臺(tái)及主要部件實(shí)物圖Fig.8 Pictures of threshing test bed and main parts

為確保錐形脫粒滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，采用YYW-300型硬支撐動(dòng)平衡機(jī)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[30]對(duì)錐形脫粒滾筒進(jìn)行動(dòng)平衡校核，并進(jìn)行配重復(fù)檢以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。收獲過(guò)程中，割臺(tái)摘穗會(huì)影響果穗完整，因此，采用人工摘穗的方式收集果穗，保留3或4層果穗苞葉。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 試驗(yàn)方法

縱軸流輥式組合玉米柔性脫粒分離裝置試驗(yàn)臺(tái)旨在考察脫粒性能，因此，根據(jù)GB/T 21961—2008《玉米收獲機(jī)械 試驗(yàn)方法》和GB/T 21962—2008《玉米收獲機(jī)械 技術(shù)條件》選擇籽粒破碎率Zs、未脫凈率Sw為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算式為

(13)

(14)

式中Ws——樣品中破碎籽粒質(zhì)量，包括機(jī)器損傷、明顯裂紋和破皮的籽粒，g

Wi——取樣籽粒總質(zhì)量，每次取樣不少于2 500 g籽粒，g

Wj——未脫凈籽粒質(zhì)量，脫粒滾筒中、排雜口及未脫凈芯軸上全部籽粒質(zhì)量，g

Wz——脫出籽?？傎|(zhì)量，出糧口籽粒、飛濺的籽粒以及未脫凈籽?？偤?，g

3.4 單因素試驗(yàn)

圖9為滾筒轉(zhuǎn)速、輥筒傳動(dòng)比和脫粒間隙對(duì)脫粒性能的影響。由圖9a可知，隨滾筒轉(zhuǎn)速的增加，籽粒破碎率先下降后上升，450 r/min時(shí)達(dá)到最低值，未脫凈率迅速下降后趨于平穩(wěn)。滾筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，果穗軸向輸送緩慢，果穗與脫粒元件長(zhǎng)時(shí)間碰撞、搓擦造成籽粒損傷嚴(yán)重，此時(shí)，脫粒元件的脫粒能力較弱，導(dǎo)致未脫凈率較高。隨滾筒轉(zhuǎn)速增加時(shí)，脫粒能力增加。但當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，脫粒元件對(duì)果穗的擊打、碰撞、搓擦等作用強(qiáng)度與頻率不斷增加，籽粒破碎嚴(yán)重。滾筒轉(zhuǎn)速在450～500 r/min范圍內(nèi)，脫粒性能最好，籽粒破碎率低于4%，未脫凈率低于0.6%。

圖9 不同因素對(duì)脫粒性能的影響Fig.9 Effect of different factors on threshing performance

如圖9b所示，隨輥筒傳動(dòng)比的增加，籽粒破碎率逐漸降低并趨于平穩(wěn)，而未脫凈率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。輥筒傳動(dòng)比較小時(shí)，脫粒輥轉(zhuǎn)速較高，果穗被不斷彈起且大幅度翻轉(zhuǎn)，受到脫粒滾筒和脫粒輥強(qiáng)烈的沖擊與搓擦作用后，脫粒效果好但籽粒破碎率非常高。輥筒傳動(dòng)比較大時(shí)，脫粒輥轉(zhuǎn)速較低，果穗翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減弱，果穗圓周運(yùn)動(dòng)受到脫粒輥?zhàn)铚p小，果穗未能完全脫凈就被排出，未脫凈率逐漸增加。綜合考慮，滾筒傳動(dòng)比在1.25～1.75范圍內(nèi)，籽粒破碎率低于6%，未脫凈率低于0.42%。

由圖9c可知，隨著脫粒間隙的增加，籽粒破碎率呈下降趨勢(shì)，未脫凈率整體呈上升趨勢(shì)。脫粒間隙較小時(shí)，果穗間的擠壓和揉搓作用造成了籽粒破碎，且芯軸易破碎，使得脫粒元件對(duì)果穗的脫粒效果降低。脫粒間隙增加后，果穗受到脫粒元件的作用減弱，籽粒破碎率降低，果穗間相互擠搓作用減弱，未脫凈率增加。脫粒間隙在45～55 mm范圍時(shí)，未脫凈率和籽粒破碎率分別出現(xiàn)最低值0.36%、4.32%，脫粒性能最佳。

3.5 正交試驗(yàn)

通過(guò)分析滾筒轉(zhuǎn)速、輥筒傳動(dòng)比和脫粒間隙對(duì)脫粒性能影響的單因素試驗(yàn)，得到脫粒性能較好時(shí)各因素的合理變化范圍：滾筒轉(zhuǎn)速450～500 r/min、輥筒傳動(dòng)比1.25～1.75、脫粒間隙40～50 mm，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，選擇正交表L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)[31]，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，因素水平設(shè)計(jì)見表2，試驗(yàn)方案與結(jié)果見表3，A、B、C為因素水平值。

表2 正交試驗(yàn)因素水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal experiment

由表3可知，滾筒轉(zhuǎn)速、輥筒傳動(dòng)比、脫粒間隙對(duì)脫粒性能均有不同程度影響，為進(jìn)一步分析各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的顯著性，利用SPSS 22.0軟件在顯著性水平α=0.05下，對(duì)各因素進(jìn)行F檢驗(yàn)[32]，方差分析如表4所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.3 Test scheme and results

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis result

結(jié)果表明，在95%置信度下，滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒破碎率影響極顯著，輥筒傳動(dòng)比、脫粒間隙對(duì)籽粒破碎率影響顯著；滾筒轉(zhuǎn)速、輥筒傳動(dòng)比、脫粒間隙對(duì)未脫凈率影響顯著。對(duì)破碎率和未脫凈率影響由大到小均為A、B、C，最優(yōu)組合分別為A2B3C3和A2B1C1。除滾筒轉(zhuǎn)速外，輥筒傳動(dòng)比和脫粒間隙對(duì)脫粒性能影響的趨勢(shì)相反，綜合考慮，確定最優(yōu)參數(shù)組合A2B2C2，即滾筒轉(zhuǎn)速475 r/min，輥筒傳動(dòng)比1.5，脫粒間隙45 mm。在該組合下進(jìn)行試驗(yàn)，重復(fù)5次取平均值，結(jié)果得籽粒破碎率為3.76%，未脫凈率為0.52%，滿足玉米脫粒的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種輥式組合脫粒凹板，采用“六棱孔網(wǎng)格篩+魚鱗式脫粒橡膠輥”結(jié)構(gòu)，配合“柔性釘齒+雙扭簧壓力短紋桿”組合式脫粒元件，可實(shí)現(xiàn)分段式柔性脫粒，能夠滿足黃淮海地區(qū)較高含水率玉米籽粒直收的作業(yè)要求。

(2)進(jìn)行了滾筒轉(zhuǎn)速、輥筒傳動(dòng)比、脫粒間隙對(duì)脫粒性能影響的單因素試驗(yàn)，得到脫粒性能較好時(shí)各因素合理變化范圍：滾筒轉(zhuǎn)速為450～500 r/min，輥筒傳動(dòng)比為1.25～1.75，脫粒間隙為45～55 mm，且輥筒傳動(dòng)比和脫粒間隙對(duì)籽粒破碎率和未脫凈率影響趨勢(shì)相反。

(3)通過(guò)三因素三水平正交試驗(yàn)確定影響籽粒破碎率和未脫凈率的主次因素由大到小均為滾筒轉(zhuǎn)速、輥筒傳動(dòng)比、脫粒間隙；確定了最優(yōu)參數(shù)組合為滾筒轉(zhuǎn)速475 r/min、輥筒傳動(dòng)比1.5、脫粒間隙45 mm，此時(shí)籽粒破碎率為3.76%，未脫凈率為0.52%。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在此參數(shù)組合下，籽粒含水率在26%～28%范圍內(nèi)，試驗(yàn)臺(tái)脫粒性能較好。