玉米收獲機械損傷研究進展分析

張 濤，李 平，張 瑩，唐興隆，代治國，李 英

（1.重慶市農業科學院，重慶 401329；2.重慶市經貿中等專業學校，重慶 402160）

玉米是主要糧食作物之一，在世界上廣泛種植和分布。中國玉米產量居世界第二。在玉米耕、種、管、收作業過程中，收獲環節勞動強度和人力投資最大，需要掰、撕、運等多個步驟，成本投入量約占整個生長過程55%[1]。因此，玉米規模化、標準化種植時，機械化收獲是玉米生產發展的必然趨勢。

在玉米的收獲過程中，摘穗和脫粒對玉米籽粒均有不同程度地損傷導致玉米品質的下降，因此研制低損傷玉米收獲機械，顯得尤為重要。現有玉米脫粒機根據其工作原理可分為沖擊脫粒、搓擦脫粒、梳刷脫粒、碾壓脫粒、振動脫粒。脫粒過程中玉米籽粒所受的損傷包括外部機械損傷和隱性機械損傷。為了減少玉米收獲過程中的機械損傷，國內外研究者做了大量的研究和分析。

1 玉米生物力學性能研究分析

1.1 國外研究

不同種類谷物籽粒生物力學各有差異，其本構特性決定了籽粒損傷機理。研究玉米籽粒的力學特性能夠更好地揭示損傷規律，以及為脫粒機械提供結構及工作參數設計依據。國外對玉米生物力學性能的研究較早，主要通過對不同品種或含水率玉米籽粒施加加載速度和加載位置，得到各力學性能指標變化規律，借助電子顯微鏡、光譜儀等設備觀察玉米籽粒損傷狀態下的內部結構及影響品質的因子。

Akubuo[2]等人設計了玉米脫粒機裝置，并進行多因素脫粒品質試驗。試驗選取3種不同收獲期的玉米品種為研究對象，將玉米籽粒的破碎率和脫粒效率作為脫粒性能指標。研究發現，玉米籽粒的品種和含水率是影響脫粒和損傷性能的重要影響因子，其中品種僅對破碎率影響較大，對脫粒效率無顯著影響。Brass[3]發現玉米籽粒不同部位抵抗沖擊的能力不同，沖擊載荷下玉米籽粒破壞通常是從內部結構開始的，再向種皮擴散，最后導致種皮的破裂。Srivastava[4]通過動力學方法研究籽粒在受到不同沖擊載荷時玉米力學性能，得到其籽粒剪切強度與沖擊速度成正比，玉米受到的橫向剪切力強度比縱向剪切力強度大，因此縱向沖擊單位面積所受的能量是衡量籽粒破損的最佳參數。Balastreire 等[5]通過電子顯微鏡掃描對玉米破裂內部情況進行觀察，玉米籽粒胚乳破裂規律為先從內部中心位置開始，造成隱形損傷，最后擴展至淀粉顆粒和細胞壁結構，但裂紋擴散形式及形態僅與籽粒本構和化學特性有關，與外部因素如溫度和負載的速度等無關。

1.2 國內研究

國內對玉米力學性能的研究起步晚但發展迅速，主要通過施加不同形式載荷研究籽粒各力學性能指標變化規律、各因素對損傷指標的影響主次序以及籽粒自身結構特性等方面研究。

在加載力學方面，李心平[6]在跌落沖擊試驗臺上進行了不同品種玉米種子的沖擊破碎試驗，分析了不同沖擊位置下玉米種子的力學性能。結果表明，在同一水分含量下，腹面沖擊力最大，側面次之，頂面最小；在同一沖擊面條件下，不同玉米品種抗沖擊開裂能力不同。同時利用模擬和試驗的方法對谷物籽粒應力松弛進行了大量研究，馮和平等[7]發現，玉米籽粒的含水率、外界溫度對應力松弛特性指標有顯著性影響。張明學等[8]測試了玉米種子在沖擊載荷下的破碎靈敏度，分析了玉米含水量、碰撞速度等因素對破碎的影響，得出了玉米種子的臨界破碎速度。

1.3 存在問題

國內外研究人員在玉米生物力學性能的研究上取得了很多的成果，但只針對玉米進行了準靜態條件下壓縮、剪切、拉伸、彎曲等力學試驗研究，在利用動力學方法研究玉米籽粒在脫粒過程種玉米芯、籽粒運動過程、碰撞性能以及玉米芯—籽粒連接力大小的研究極少。

2 玉米損傷有限元分析

近年來，隨著計算機和仿真技術的高速發展，使仿真分析方法被越來越多地應用于玉米脫粒和碰撞性能的研究。傳統研究方法通過理論和試驗，無法量化損傷過程中玉米的應力、應變及能量等關鍵參數。因此很多研究人員開始建立玉米籽粒的三維模型，利用有限元方法模擬玉米的碰撞過程。

Wang[9]為了解決玉米脫粒過程離散元模擬分析的精度問題，建立了離散元分析中不規則玉米種子的填充方法，提高了模擬精度。Chen[10]等人通過球形填充法建立了不同品種和形態玉米粒的離散元模型，提高了離散元分析應用于玉米脫粒過程的模擬分析精度，并通過流動試驗驗證了建模方法的可靠性。

2.1 玉米脫粒性能有限元分析

玉米在脫粒過程中，受機械裝置外力作用下，所受載荷的大小、方式和作用部位是影響玉米籽粒裂紋生成的主要因素。用傳統單一的試驗不能明確玉米籽粒的內部的力學性能，因此需借助有限元分析方法來進行分析研究。

學者用有限元方法模擬玉米籽粒的內部結構，觀察各組成部分的水分擴散能力。周海玲[11]在玉米脫粒過程的DEM分析的基礎上，提出了一種Mohr-Coulomb 破壞準則，并將該破壞準則應用于玉米脫粒過程的DEM仿真；通過模擬分析了滾筒轉速、穗輸入量和穗位對凈排種率和落種沿滾筒軸向分布等指標的影響。通過與實際試驗的對比，驗證了失效準則的可靠性。

2.2 玉米碰撞性能有限元分析

玉米的沖擊損傷主要受玉米含水量、沖擊速度和品種的影響。研究人員利用有限元方法模擬玉米的碰撞過程，量化應力、應變和能量等關鍵參數的動態變化。

王博[12]等人通過利用HyperMesh 和LS-DYNA 動力學軟件對籽粒碰撞進行了有限元模擬分析研究，對不同含水量和碰撞速度下顆粒損傷的動態過程進行了量化評價，主要量化指標有接觸力、Von Mises 應力和變形量，并得到了各因素與碰撞性能指標之間的變化規律。以確定在不同含水率下籽粒的損傷臨界速度；提取關鍵的數字和圖像結果，通過回歸分析和響應面分析研究，單因素和交互作用對響應值的影響，結合非線性多目標優化的計算方法，優化碰撞參數。

2.3 存在的問題

有限元分析方法近些年開始應用在玉米損傷研究上，解決了傳統試驗方法無法解決的問題，但大部分分析是玉米籽粒受靜態力學下進行仿真分析，缺少瞬時受力分析。仿真結果缺少采用實驗方法來驗證數值求解模型的正確性和合理性，仿真分析還需進一步優化。得到的數值模擬結果，在玉米收獲機械裝置的設計與改進上，沒有起到最大作用。

3 玉米收獲機械裝置研究

摘穗和脫粒是玉米機械化收獲中勞動強度和復雜程度最大的環節，摘穗損傷和脫粒損傷是玉米直收中最重要的損傷，國內外研究者對不同摘穗和脫粒裝置的機械損傷進行了大量的研究與研制。

3.1 國外研究

Srivastava[13]研究發現當傳統的脫粒滾筒其直徑每增加75mm 時，脫粒損失就會增大0.9%。Kumara[14]為了使脫粒機的結構更加人性化，設計了一種符合人體工程學原理的玉米脫粒機。Miu[15]等研究了玉米脫粒機軸向及切向兩種不同脫粒裝置的工作原理，在此基礎上建立了這兩種脫粒裝置脫粒過程的離散數學模型，且通過對比試驗驗證了該數學模型的有效性。

3.2 國內研究

樊晨龍[16]等人設計了一種低損傷脫粒分離裝置，利用分段式分離組合式結構進行設計并優化，優化后的圓頭釘齒相比于常規的梯形桿齒脫粒損傷低。并通過該裝置探索了影響脫粒性能的關鍵因素，為解決高含水率籽粒直收破損率高等問題提供新方法。趙武云[17]等設計制造了一種螺旋板齒式玉米脫粒機，通過試驗建立了工作參數與脫粒性能之間的數學模型，主要影響因素有喂入量、板齒螺旋角、脫粒軸轉速和排芯口壓板壓力，并考慮相互之間的交互作用，研究分析了脫粒過程中的影響籽粒破碎率的因素。研究結果表明，以上4種因素對玉米籽粒損傷影響主次序為：板齒螺旋角>脫粒軸轉速>喂入量>排芯口壓板壓力，并得到了最有因素水平組合，使得破碎率取得最小值。也有不少學者從仿生學角度出發，降低摘穗輥對玉米穗的作用力，減輕穗輥對玉米果穗的啃咬損傷。賀俊林[18]通過研究當量摩擦系數規律，得到摘穗輥表面與莖稈之間摩擦因素，從而設計并研制了仿生幾何結構表面的玉米摘穗輥，通過試驗驗證該玉米摘穗輥對玉米莖稈的攫取能力顯著提高。

3.3 存在問題

國內外研究人員大多是研究裝置的摘穗和脫粒機械部件對玉米損傷的影響因素，裝置的優化是基于理論試驗和靜態力學仿真分析，缺少結合影響玉米損傷內在因素進行設計與改進。

4 結論

國內研究人員在玉米仿真分析方面的研究較少，對玉米損傷機理的研究大部分是通過理論和單一試驗方法的形式，離散元方法也只能判斷籽粒是否達到其與果穗的連接強度極限，無法展示籽粒內部的應力、應變分布情況和變化規律。

機械脫粒過程中大多將谷粒破損率作為定量統計的脫粒性能指標之一，而缺乏對單粒脫粒損傷內在機理的深入研究。

對玉米損傷機理的研究應將把有限元分析和試驗分析形式結合起來，兩種形式結合能更直觀地找到導致玉米損傷的因素，對玉米收獲機械裝置的研制有指導作用。國內研究人員對玉米收獲機械裝置的研究大都局限在實驗室內，田間生產條件復雜，實驗室成果難以直接在實際生產中應用，而且現有科技孵化能力極低，導致科學研究向產品轉化力極低。