玉米籽粒收獲機械優(yōu)化設(shè)計與分析

劉 誠,郭萬華

(1.梅河口市小楊滿族朝鮮族鄉(xiāng)綜合服務中心,吉林 梅河口 135024;2.梅河口市山城鎮(zhèn)綜合服務中心,吉林 梅河口 135022)

0 引言

玉米是世界上主要的糧食作物之一,也是中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛種植的重要農(nóng)作物之一[1-2]。隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展,人們對糧食的需求也不斷增加。因此,提高玉米收獲效率和質(zhì)量,對于保障國家糧食安全、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益具有重要意義[3]。

玉米籽粒收獲機械作為一種重要農(nóng)業(yè)機械設(shè)備,其設(shè)計和使用對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著關(guān)鍵的作用[4]。目前,市場上的玉米收獲機械種類繁多,但是很多機械存在著結(jié)構(gòu)復雜、效率低下、易損件過多等問題,難以滿足不斷提高的玉米產(chǎn)量和收獲質(zhì)量要求[5-7]。因此,對于玉米收獲機械進行優(yōu)化設(shè)計和分析,具有十分重要的現(xiàn)實意義。

本文從機械設(shè)計的角度出發(fā),探討玉米籽粒收獲機械的優(yōu)化設(shè)計和分析。旨在提高機械的效率和可靠性,減少機械故障和易損件更換頻率,從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和糧食產(chǎn)量。

1 玉米籽粒收獲基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

玉米籽粒收獲機械的基本結(jié)構(gòu)包括收割部分、脫粒滾筒、清理輸送部分、動力系統(tǒng)、行走部分和操作控制部分等[8]。

收割部分通常由割刀、輸送機等組成。割刀用于切割玉米穗,輸送機用于將玉米果穗輸送到清理部分。

脫粒滾筒如圖1所示,脫粒滾筒結(jié)構(gòu)復雜,由多個脫粒滾筒板組成,通過高速旋轉(zhuǎn)和摩擦力將農(nóng)作物的籽粒與秸稈進行分離。

1.過渡裝置;2.釘齒;3.幅盤

清理輸送部分主要包括清理篩、風機和輸送機等。清理篩用于將玉米籽粒從混合物中分離出來,風機用于吹除雜質(zhì),輸送機將清理后的玉米籽粒輸送到儲存設(shè)備或運輸車輛中。

動力系統(tǒng)一般采用內(nèi)燃機或電動機驅(qū)動,為機械提供動力支持,由輪胎、行走機構(gòu)等組成,用于使機械行走、轉(zhuǎn)彎和控制方向[9]。操作控制部分包括駕駛室、控制器等,用于控制機械的運行和操作。

1.2 工作過程

玉米籽粒收獲機械在田間工作過程中,首先割斷玉米植株并將其輸送到割臺;接著,脫粒滾筒將玉米穗上的籽粒與穗稈分離,清理輸送部分隨后將籽粒與雜質(zhì)分離,清理后的籽粒被收集并儲存。操作控制部分由操作員調(diào)整各項參數(shù),在田間工作過程中實時高效的優(yōu)化玉米籽粒收獲和處理過程。

2 玉米籽粒收獲機關(guān)鍵部件優(yōu)化策略

2.1 脫粒裝置安裝優(yōu)化設(shè)計

2.1.1 玉米脫粒裝置類型及特點

不同玉米脫粒裝置類型及特點如表1所示,不同類型的玉米脫粒裝置采用了不同的原理來實現(xiàn)脫粒過程,在實際應用過程中,需要根據(jù)具體需求進行選擇,在高效脫粒和最小損失之間取得平衡。

表1 不同脫粒結(jié)構(gòu)應用特點

2.1.2 優(yōu)化策略

玉米脫粒裝置的優(yōu)化設(shè)計方案主要包括以下幾個方面:

1)多級脫粒系統(tǒng)。設(shè)計一個多級脫粒系統(tǒng),將脫粒過程分為幾個階段,每個階段采用不同的脫粒方法和參數(shù),以確保徹底脫粒同時最小化籽粒損失。

2)可調(diào)節(jié)脫粒參數(shù)。設(shè)計可調(diào)節(jié)的脫粒參數(shù),如滾筒速度、角度和間隙等,以適應不同玉米品種和濕度條件,實現(xiàn)最佳脫粒效果。

3)脫粒滾筒表面設(shè)計。優(yōu)化脫粒滾筒的表面設(shè)計,采用適當?shù)陌纪剐螤詈筒馁|(zhì),以提高脫粒效率和耐磨性,同時減少對籽粒的損害。

4)智能傳感器和控制系統(tǒng)。集成智能傳感器和控制系統(tǒng),實時監(jiān)測脫粒效果和雜質(zhì)含量,自動調(diào)整脫粒參數(shù),以最大程度地減少損失并保持一致的脫粒效果。

本文選擇方案1)和方案4)實現(xiàn)脫粒滾筒的優(yōu)化設(shè)計。

本文設(shè)置三級玉米脫粒系統(tǒng),分別為初級脫粒、中級脫粒和終極脫粒裝置(表2),通過逐步處理、采用不同的脫粒方法和參數(shù),確保在各個階段都實現(xiàn)了徹底的脫粒,同時最小化籽粒損失。風力或振動分離裝置在各個階段都有助于清理雜質(zhì),提高脫粒效率和籽粒質(zhì)量。

表2 三級玉米脫粒系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案

本研究基于Wi-Fi無線通信技術(shù),在玉米脫粒滾筒中安裝光學傳感器和壓力傳感器,用于實時監(jiān)測脫粒效果和雜質(zhì)含量。在控制系統(tǒng)中,使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對傳感器數(shù)據(jù)進行分析和處理,以評估脫粒效果和雜質(zhì)含量。部分控制程序如圖2所示,實時監(jiān)測脫粒效果和雜質(zhì)含量,并自動調(diào)整脫粒參數(shù)的過程。

2.2 螺旋輸送器優(yōu)化設(shè)計

在傳統(tǒng)玉米籽粒收獲機械中,由于物料粘附、玉米籽粒濕度較高及輸送器設(shè)計不當?shù)葧е螺斔推魅~片堵塞,因此本文以傳統(tǒng)玉米籽粒收獲機螺旋輸送器一個葉片P點進行分析(圖3),進而對螺旋輸送器的螺旋角及輸送器長度進行優(yōu)化。

圖3 螺旋輸送器葉片受力分析

螺旋輸送器葉片P點與玉米的作用力可以分解為切向摩擦力FN和法向力Ff。為了保證玉米脫粒過程的順利進行,需要滿足以下條件

FNcosβ-Ffsinβ>0

(1)

(2)

式中FN-法向力,N;

Ff-摩擦力,N;

β-葉片螺旋角,(°);

α-摩擦角,(°)。

本文設(shè)置摩擦角為17°,帶入上述公式可得:

FNcosβ-Ffsinβ·tan17°>0

(3)

因此,最終實現(xiàn)玉米順利脫粒的螺旋角為73°。

螺旋輸送長度L1計算公式如下

(4)

式中S-螺旋導程,mm;

K-螺旋頭數(shù)。

根據(jù)玉米果穗尺寸(200 mm ×70 mm底部直徑)做適應性設(shè)計取S=600 mm,根據(jù)物料進入的高效性,取K=3,代入式(4),經(jīng)計算并且優(yōu)化后的螺旋器輸送長度L1=200 mm。

2.3 釘齒優(yōu)化設(shè)計方案

在玉米籽粒收獲機械中, 釘齒數(shù)量可以影響螺旋輸送器與玉米穗稈的物理接觸和摩擦。較多的釘齒可能會增加與穗稈的摩擦面積,從而有助于更有效地脫離籽粒。籽粒數(shù)量確定如下

(5)

式中Nd-釘齒數(shù)量;

λ-谷草比;

Q-喂入量最大值,kg/s;

q-生產(chǎn)效率,kg/s,取q=0.08 kg/s。

根據(jù)實際,取Q=14 kg/s,,玉米谷草比λ=0.8,代入式(5),計算得Nd=56。

3 結(jié)語

本文對玉米籽粒收獲機關(guān)鍵部件進行優(yōu)化設(shè)計,主要得到以下結(jié)論:

1)螺旋輸送器葉片在玉米上施加的切向摩擦力和法向力之間的平衡關(guān)系是確保脫粒效果和雜質(zhì)含量的關(guān)鍵。適當?shù)那邢蚰Σ亮τ兄诿撾x籽粒,而適度的法向力則促進籽粒與穗稈的分離。本文優(yōu)化后的玉米脫粒螺旋角為73°,螺旋器輸送長度為200 mm。

2)釘齒數(shù)量是影響螺旋輸送器脫粒效果的重要因素之一。適當?shù)尼旪X數(shù)量可以增加與穗稈的摩擦面積,提高脫粒效率。然而,過多的釘齒可能導致物料堵塞風險增加,同時也可能增加能耗和磨損。本文綜合考慮后釘齒數(shù)量為56。

3)集成智能傳感器和控制系統(tǒng)可以實時監(jiān)測脫粒效果,自動調(diào)整脫粒參數(shù),以適應不同的物料和條件,從而實現(xiàn)最佳的脫粒效果和質(zhì)量。

未來隨著科技的不斷發(fā)展和創(chuàng)新,玉米籽粒收獲機械將會更加智能化、自動化和高效化,能夠適應更多不同作業(yè)場地和作物品種的需求,提高機械的適應性和操作效率,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的提高和發(fā)展貢獻力量。