玉米籽粒收獲機(jī)喂拋組合式脫粒分離裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘 要：【目的】針對(duì)玉米脫粒過(guò)程中易出現(xiàn)脫粒空間堵塞、滾筒轉(zhuǎn)不動(dòng)所導(dǎo)致的籽粒破碎率偏高和存在夾帶損失的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種喂拋組合式脫粒分離裝置。【方法】在滾筒前端的喂入口處設(shè)計(jì)喂入加速輥，分析對(duì)果穗及秸稈受力情況，確定半徑為150 mm，并結(jié)合過(guò)橋輸送鏈耙線速度和玉米脫粒速度，確定轉(zhuǎn)速為430 r/min；分析滾筒工作段型式，優(yōu)化設(shè)計(jì)導(dǎo)流罩內(nèi)導(dǎo)流板角度為喂入段30°、脫粒段20°、分離段10°；在滾筒后端排草口處設(shè)計(jì)安裝排雜拋出裝置，包括排草輥和排草凹板。以滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、喂入量為試驗(yàn)因素，同時(shí)以籽粒破碎率和未脫凈率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)三因素三水平田間正交試驗(yàn)；使用Design-Expert 12軟件優(yōu)化數(shù)據(jù)。【結(jié)果】在滾筒轉(zhuǎn)速447.11 r/min、凹板間隙34.74 mm、喂入量16.14 kg/s，籽粒破碎率達(dá)到2.68%，未脫凈率達(dá)到0.99%。【結(jié)論】在滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min、凹板間隙35 mm、喂入量16 kg/s，平均籽粒破碎率達(dá)到2.73%，平均未脫凈率達(dá)到1.04%，試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果間相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，裝置設(shè)計(jì)合理，優(yōu)于傳統(tǒng)脫粒分離裝置，滿足脫粒標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：玉米；喂拋組合式；脫粒分離裝置；受力分析

中圖分類號(hào)：S225.5⁺1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-4330（2024）10-2500-14

收稿日期（Received）：2024-03-28

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“大型糧飼玉米及大豆收獲關(guān)鍵技術(shù)研究及智能裝備創(chuàng)制”（2022B02016）

作者簡(jiǎn)介：徐路明（1997-），男，遼寧鞍山人，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，（E-mail）1067029962@qq.com

通訊作者：靳范（1968-），男，新疆烏魯木齊人，提高待遇高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)裝備，（E-mail）639916709@qq.com

0 引 言

【研究意義】玉米籽粒收獲機(jī)可實(shí)現(xiàn)摘穗、脫粒分離、清選和秸稈還田等一次性作業(yè)，具有提高效率和降低損失等特點(diǎn)^［1-2］。玉米籽粒直收過(guò)程中脫粒分離是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，果穗脫粒效果影響整機(jī)的工作性能^［3-4］。受玉米品種、含水率和喂入量的影響，使得脫粒過(guò)程中籽粒破碎率較高，也是玉米籽粒收獲機(jī)受限制的重要原因之一^［5-7］。因此，研制玉米籽粒收獲機(jī)脫粒分離裝置對(duì)降低玉米籽粒直收的破碎率具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】Srison等^［8］分析了滾筒不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和玉米物料特性對(duì)脫粒效果和消耗功耗的影響；Duane等^［9］研究了脫粒元件速度和籽粒含水率等相關(guān)因素對(duì)玉米籽粒損傷程度的影響；Burkhardt等^［10］探討了玉米在脫粒過(guò)程中滾筒轉(zhuǎn)速快慢對(duì)籽粒破碎情況的影響。王鎮(zhèn)東等^［11］設(shè)計(jì)了玉米收獲機(jī)低損變徑脫粒滾筒，分析了紋桿前傾角對(duì)玉米果穗受力的影響；張莉等^［12］設(shè)計(jì)了玉米仿生脫粒元件，進(jìn)行了與短紋桿之間脫粒效果的對(duì)比試驗(yàn)；樊晨龍等^［13］設(shè)計(jì)了低損傷組合式玉米脫粒分離裝置，通過(guò)建立圓頭釘齒與果穗接觸的力學(xué)模型，確定了圓頭釘齒的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。【本研究切入點(diǎn)】結(jié)合玉米籽粒直收時(shí)易產(chǎn)生脫粒空間內(nèi)部堵塞所導(dǎo)致籽粒破碎率高和雜余從滾筒尾部排出時(shí)存在夾帶損失的現(xiàn)象，需設(shè)計(jì)一種喂拋組合式脫粒分離裝置。分析現(xiàn)有玉米脫粒分離裝置特點(diǎn)。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】設(shè)計(jì)單縱軸流滾筒前方強(qiáng)制喂入裝置；優(yōu)化設(shè)計(jì)單縱軸流滾筒結(jié)構(gòu)型式和導(dǎo)流罩內(nèi)導(dǎo)流板角度；設(shè)計(jì)滾筒尾部排雜拋出裝置；通過(guò)正交試驗(yàn)，分析影響籽粒破碎率和未脫凈率的因素，為大喂入量玉米籽粒收獲機(jī)脫粒分離裝置的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 玉 米

采用新玉95為研究對(duì)象，試驗(yàn)機(jī)型為4YZL-13型自走式玉米籽粒收獲機(jī)，試驗(yàn)于2022年9月在新疆昌吉市榆樹(shù)溝鎮(zhèn)四畦村進(jìn)行，該試驗(yàn)地的玉米長(zhǎng)勢(shì)較好，倒?fàn)瞵F(xiàn)象較少。器材包括鋼卷尺（1 mm）、水分測(cè)定儀（分辨率0.1%）、電子秤（0.1 g）、游標(biāo)卡尺（0.02 mm）、電子秒表、標(biāo)桿、籽粒密封袋、鐮刀和編織袋等。采用五點(diǎn)取樣法分別取十個(gè)樣本測(cè)量，并取平均值作為玉米植株及果穗的相關(guān)參數(shù)。表1

1.1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

4YZL-13型自走式玉米籽粒收獲機(jī)，由割臺(tái)、過(guò)橋、喂拋組合式脫粒分離裝置、清選系統(tǒng)、糧食絞龍、雜余絞龍和切碎器等主要機(jī)械部分組成，輔之以傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，各部分有機(jī)協(xié)調(diào)可實(shí)現(xiàn)高效低損收獲。圖1

當(dāng)機(jī)器作業(yè)時(shí)，在割臺(tái)作用下玉米果穗及部分秸稈被拉莖輥拉入經(jīng)絞龍輸送至過(guò)橋，過(guò)橋?qū)⑵漭斔椭撩摿７蛛x裝置進(jìn)行脫粒和分離，籽粒和雜質(zhì)通過(guò)凹板篩進(jìn)入清選系統(tǒng)，玉米籽粒經(jīng)過(guò)清選分離后進(jìn)入糧食絞龍輸送至糧倉(cāng)，未脫干凈的玉米芯軸則進(jìn)入雜余絞龍，再次被送入脫粒分離裝置中進(jìn)行復(fù)脫和二次清選分離，玉米芯軸、秸稈等雜質(zhì)則通過(guò)排雜拋出裝置拋向切碎器將其切碎，排出機(jī)體外還田。

1.1.3 喂拋組合式脫粒分離裝置整體結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

脫粒分離裝置是玉米籽粒收獲機(jī)的關(guān)鍵部分。針對(duì)傳統(tǒng)玉米籽粒收獲機(jī)脫粒滾筒前端的喂入口兩側(cè)存在死區(qū)，脫粒滾筒前段螺旋葉片設(shè)計(jì)不好就容易堵塞喂入口，出現(xiàn)滾筒轉(zhuǎn)不動(dòng)而易損壞過(guò)橋輸送鏈耙或者滾筒傳動(dòng)系統(tǒng)、葉片抓取物料時(shí)與喂入口底部會(huì)切斷玉米果穗致使籽粒破碎率偏高的現(xiàn)象，研制了在單縱軸流滾筒前端增加一個(gè)喂入加速輥，使得物料進(jìn)入滾筒時(shí)喂入更加均勻，喂入更順暢，減小堵塞風(fēng)險(xiǎn)，減輕后部滾筒的壓力；同時(shí)在滾筒后端排草口處增加排草輥和排草凹板，加快雜余拋出的同時(shí)極少數(shù)夾雜在雜余中的籽粒通過(guò)排草凹板縫隙落入下方清選系統(tǒng)中進(jìn)行清選分離以降低夾帶損失。

1.1.3.1 整體結(jié)構(gòu)

研究設(shè)計(jì)的喂拋組合式脫粒分離裝置結(jié)構(gòu)主要由強(qiáng)制喂入裝置、脫粒分離裝置和排雜拋出裝置組成。強(qiáng)制喂入裝置包括喂入加速輥、喂入口、防護(hù)罩；脫粒分離裝置包括單縱軸流滾筒、導(dǎo)流罩、脫粒凹板、分離凹板和變速箱；排雜拋出裝置包括排草輥、排草凹板和排草口。圖2

1.1.3.2 工作過(guò)程

物料在脫粒分離裝置中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由3個(gè)部分組成：強(qiáng)制喂入、脫粒分離和排雜拋出。由于只有滾筒、導(dǎo)流罩和凹板三者配合完成脫粒分離，故前兩部分喂入量相同，均大于雜余排出口處流量。圖3

在強(qiáng)制喂入階段W中，位于單縱軸流滾筒前方的喂入加速輥耐磨撥齒板將從過(guò)橋輸送鏈耙輸送過(guò)來(lái)的物料抓取平鋪并連續(xù)均勻的向滾筒螺旋葉片部分喂入；在脫粒分離階段T中，在滾筒前端螺旋葉片和上方導(dǎo)流罩的作用下物料被卷入滾筒脫粒區(qū)，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)物料向后方做螺旋運(yùn)動(dòng)，在滾筒脫粒區(qū)脫粒紋桿和前端脫粒凹板的作用下，果穗上的籽粒被脫下來(lái)，籽粒和短的秸稈往后輸送的同時(shí)，一部分通過(guò)前端脫粒凹板縫隙進(jìn)行分離，另一部分夾雜在長(zhǎng)秸稈內(nèi)的籽粒進(jìn)入滾筒分離區(qū)，籽粒和短秸稈通過(guò)后端分離凹板縫隙進(jìn)行分離，玉米芯軸和秸稈等雜物從滾筒尾部排草口處排出；在排雜拋出階段P中，從滾筒尾部排草口出來(lái)的玉米芯軸和秸稈等雜物經(jīng)排草輥和排草凹板共同作用下將雜余拋出，同時(shí)通過(guò)板齒將夾雜在雜余中的籽粒撥出，通過(guò)排草凹板縫隙進(jìn)行分離，減少夾帶損失。

1.1.4 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

采用前端橫向布置的喂入加速輥、中間縱向布置的單縱軸流滾筒和后端橫向布置的排雜拋出裝置組合式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)玉米的強(qiáng)制喂入、脫粒分離、排雜拋出功能于一體。根據(jù)物料在裝置內(nèi)3個(gè)階段的工作過(guò)程，對(duì)其關(guān)鍵部件喂入加速輥、單縱軸流滾筒、導(dǎo)流罩、排雜拋出裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

1.1.4.1 喂入加速輥設(shè)計(jì)

喂入加速輥位于過(guò)橋輸送鏈耙的后部，用以完成玉米的抓取、平鋪?lái)槙车奈谷胫羻慰v軸流滾筒螺旋葉片處。喂入加速輥主要由耐磨撥齒板、安裝座板、支撐輪轂和喂入加速輥軸構(gòu)成，喂入加速輥、喂入口底板和機(jī)架兩側(cè)壁組成玉米輸送路徑。圖4

（1）靜力學(xué)分析

將果穗及秸稈看作一整體，即為果穗秸稈層。對(duì)經(jīng)過(guò)喂入加速輥的果穗秸稈層進(jìn)行受力分析^［14］，果穗秸稈層主要承受兩種力，分別是喂入加速輥對(duì)果穗秸稈層的正壓力F_N以及果穗秸稈層與喂入加速輥之間的摩擦力μF_N。其中正壓力F_N表示阻止將果穗秸稈層輸送至喂入加速輥的力，而摩擦力μF_N表示將果穗秸稈層拉入的力。圖5

果穗秸稈層能夠順利輸送至喂入加速輥處必須滿足：

μF_Ncosδgt;F_Nsinδ.（1）

式中，μ：果穗秸稈層與喂入加速輥耐磨撥齒板間摩擦系數(shù)；

F_N：喂入加速輥對(duì)果穗秸稈層擠壓的正壓力（N）；

δ：正壓力F_N與豎直方向夾角（°）。

μ=tanγ，γ為果穗秸稈層與喂入加速輥耐磨撥齒板之間的摩擦角，由式（1）可知γgt;δ。

（2） 喂入加速輥半徑（圖5）

喂入加速輥中心到喂入口底板的距離為：

OH=R_wcosθ+h_q=R_w+h_s.（2）

式中，OH：喂入加速輥中心到喂入口底板的距離（mm）；

R_w：喂入加速輥半徑（mm）；

θ：喂入加速輥被果穗秸稈層所包圍的角度（°）；

h_q：果穗秸稈層被喂入到喂入加速輥前的厚度（mm）；

h_s：果穗秸稈層被喂入加速輥壓縮后的厚度（mm）。

果穗及秸稈順利完成喂入過(guò)程的臨界條件為γ=δ，這時(shí)喂入加速輥的直徑處于最小，由于θ=2δ，則：

R_w=h_q1－h(huán)_s/h_q1－cos2γ.（3）

式中，R_w：喂入加速輥半徑（mm）；

h_q：果穗秸稈層被喂入到喂入加速輥前的厚度（mm）；

h_s/h_q：果穗秸稈層通過(guò)喂入加速輥時(shí)的壓縮系數(shù)；

γ：果穗秸稈層與喂入加速輥耐磨撥齒板之間的摩擦角（°）。

在玉米喂入量為15～16 kg/s時(shí)，h_q為160～200 mm，h_s/h_q為0.55，γ為30°。由式（3）計(jì)算得出喂入加速輥的半徑R_w在144～180 mm。增大喂入加速輥半徑，可有效提高喂入速度并降低玉米秸稈纏繞喂入加速輥的概率，同時(shí)可以防止旋轉(zhuǎn)時(shí)耐磨撥齒板與螺旋葉片及擋料板之間產(chǎn)生干涉現(xiàn)象^［15］。喂入加速輥半徑設(shè)計(jì)為150 mm。

（3） 喂入加速輥轉(zhuǎn)速

果穗秸稈層經(jīng)過(guò)喂入加速輥攤平喂入到滾筒中的速度v_w為：

v_w=πD_wn_w60.（4）

式中 ，v_w：喂入加速輥線速度（m/s）；

D_w：喂入加速輥直徑（m）；

n_w：喂入加速輥轉(zhuǎn)速（r/min）。

喂入加速輥喂入的線速度要大于過(guò)橋輸送鏈耙輸送的線速度，過(guò)橋輸送鏈耙轉(zhuǎn)速n_l=300 r/min，回轉(zhuǎn)半徑r_l=0.169 m，則過(guò)橋輸送鏈耙線速度v_l=5.31 m/s；在滿足果穗被順利抓取喂入的前提下，要盡量使玉米籽粒受到喂入加速輥的擊打次數(shù)減少，喂入加速輥的線速度v_w應(yīng)小于滾筒對(duì)果穗脫粒所需的最小速度。取玉米脫粒速度為10 m/s^［16］。喂入加速輥線速度應(yīng)滿足v_wlt;10 m/s；輸送速度是慢慢變大的，喂入加速輥的線速度范圍：

5.31m/s＜v_w＜10m/s.（5）

由式（4）和式（5）可知，338.22 r/min≤n_w≤636.94 r/min，在滿足果穗順利喂入及喂入加速輥轉(zhuǎn)速過(guò)快對(duì)籽粒損傷的前提下，取n_w=430 r/min，則v_w=6.75 m/s。

1.1.4.2 單縱軸流滾筒設(shè)計(jì)

單縱軸流滾筒由連接轉(zhuǎn)軸、螺旋葉片、錐筒、脫粒紋桿、分離釘齒和直筒組成，按工作階段分為喂入段、錐筒脫粒段、直筒脫粒段和分離段4個(gè)部分。圖6

（1） 螺旋輸送頭設(shè)計(jì)

果穗在葉片數(shù)量多的時(shí)候，喂入更平穩(wěn)但會(huì)出現(xiàn)果穗不能及時(shí)喂入的現(xiàn)象，在葉片數(shù)量少的時(shí)候，喂入速度變快但非均勻喂入^［17］。設(shè)計(jì)為三頭螺旋葉片，對(duì)螺旋葉片上果穗的接觸點(diǎn)進(jìn)行受力分析，并計(jì)算螺旋葉片的推送角。

軸向輸送力應(yīng)大于所受軸向阻力，需滿足^［18］。圖7

Tcosψ＞fsinψ.（6）

f=Ttanφ.（7）

式中，T：螺旋葉片對(duì)玉米的法向推力（N）；

f：葉片與玉米間的摩擦力（N）；

F：T和f的合力（N）；

φ：葉片和玉米的摩擦角，取17°；

Ψ：螺旋葉片的推送角（°）。

由式（6）和式（7）可知，果穗實(shí)現(xiàn)向后順暢推送的前提是：

ψ＜90^o－17^o=73^o.（8）

對(duì)于螺旋喂入的長(zhǎng)度L₁，按照式（9）進(jìn)行計(jì)算：

L₁=S/K.（9）

式中，S：螺旋喂入導(dǎo)程，取值為1 635（mm）；

K：螺旋頭數(shù)，此處為3。

因此螺旋喂入的長(zhǎng)度為545 mm。螺旋喂入段小端（前端）直徑D₁取290 mm，大端（后端）直徑D₂取430 mm。錐形頭的錐角與其摩擦角大小一致，設(shè)計(jì)為17°。

（2）滾筒長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

滾筒的長(zhǎng)度影響著脫粒分離的效果^［19］。長(zhǎng)度越長(zhǎng)，脫粒元件對(duì)果穗的揉搓和擊打時(shí)間就越久，降低未脫凈率的同時(shí)也增大了籽粒破碎率，長(zhǎng)度越短，果穗在脫粒空間內(nèi)停留的時(shí)間也就較短，不利于籽粒與芯軸的分離^［20-22］。

L=a/t－1j+l+Δ.（10）

式中，a：脫粒元件數(shù)量；

t：脫粒元件螺旋頭數(shù)；

j：脫粒元件間距（mm）；

l：脫粒元件長(zhǎng)度（mm）；

Δ：邊沿距離和，取值95 mm。

果穗長(zhǎng)度約在210～230 mm。脫粒紋桿間距j分為兩個(gè)值，即錐筒部分紋桿間距取值為130 mm，直筒部分紋桿間距取值為180 mm。脫粒紋桿長(zhǎng)度l也分為兩個(gè)值，即錐筒部分紋桿長(zhǎng)度l為230 mm，直筒部分紋桿長(zhǎng)度為140 mm。錐筒部分設(shè)計(jì)安裝6個(gè)紋桿，直筒部分設(shè)計(jì)安裝9個(gè)紋桿，兩個(gè)部分螺旋頭數(shù)均為3，且在同一條螺旋線上排布，根據(jù)式（10）可計(jì)算出錐筒脫粒段L₂的長(zhǎng)度為455 mm、直筒脫粒段L₃的長(zhǎng)度為595 mm。滾筒分離段由24個(gè)釘齒組成，設(shè)計(jì)一排安裝4個(gè)，共6排，即螺旋頭數(shù)為6，均勻的排布至直筒周圍，分離釘齒間距j取值為400 mm，釘齒長(zhǎng)度l為200 mm，根據(jù)式（10）可計(jì)算出分離段L₄的長(zhǎng)度為1 495 mm。

L₁=545 mm，L₂=455 mm，L₃=595 mm，L₄=1 495 mm，故滾筒長(zhǎng)度L=L₁+L₂+L₃+L₄=3 090 mm。其中錐筒長(zhǎng)度為1 000 mm，直筒長(zhǎng)度為2 090 mm，兩者焊接為一體。

1.1.4.3 導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)

導(dǎo)流罩安裝在單縱軸流滾筒的上方，與凹板形成脫粒空間，由高速旋轉(zhuǎn)的滾筒產(chǎn)生的離心力使果穗秸稈層接觸導(dǎo)流板，與凹板間形成一拉一放的螺旋運(yùn)動(dòng)。由于導(dǎo)流板的作用是實(shí)現(xiàn)果穗的軸向移動(dòng)，故導(dǎo)流板所處的安裝位置即螺旋升角是影響果穗脫粒分離時(shí)間和速度的重要參數(shù)^［23］。

由于果穗秸稈層在脫粒空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，假設(shè)其均勻且順暢地喂入，不計(jì)重力作用，果穗秸稈層喂入至脫粒空間內(nèi)沿著導(dǎo)流板和凹板表面做螺旋運(yùn)動(dòng)，不計(jì)果穗秸稈層之間相互產(chǎn)生的相對(duì)滑動(dòng)，由于秸稈屬于非彈性體，故不考慮其加速過(guò)程，創(chuàng)建果穗在導(dǎo)流板處的運(yùn)動(dòng)模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析。圖8

在導(dǎo)流板O點(diǎn)處，果穗的運(yùn)動(dòng)速度由正弦定理可知：

εv₀sin90°+α=v_fsinβ.

v_ssin90°－β+α=εv₀sin90°+α.（11）

式（11）中，v₀表示軸流滾筒線速度，且v₀=Rω，R為軸流滾筒半徑，ω為軸流滾筒角速度；因?yàn)樵谡麄€(gè)脫粒分離過(guò)程中會(huì)損失部分能量，即雜余拋出速度小于滾筒的圓周速度，因此需引入雜余拋出速度的修正系數(shù)ε；v_s表示果穗與導(dǎo)流板間相對(duì)速度，與導(dǎo)流板方向一至；v_f表示果穗的絕對(duì)速度；α表示導(dǎo)流板對(duì)果穗的摩擦角；β表示導(dǎo)流板螺旋升角。

由式（11）求得：

v_f=εRωsinβcosα.

v_s=εRωcosβ－tanα sinβ.

v_x=εRωsinβcosβ－tanα sin²β.（12）

式（12）中，v_x表示果穗軸向速度，分別與滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒半徑和導(dǎo)流板螺旋升角等參數(shù)有關(guān)，所設(shè)計(jì)的導(dǎo)流罩喂入段、脫粒段與分離段的螺旋升角為β₁、β₂、β₃，且滿足β₁gt;β₂gt;β₃。圖8

因此，喂入段軸向速度v_x1：

v_x1=εRωsinβ₁cosβ₁－tanα sin²β₁.（13）

脫粒段軸向速度v_x2：

v_x2=εRωsinβ₂cosβ₂－tanα sin²β₂.（14）

分離段軸向速度v_x3：

v_x3=εRωsinβ₃cosβ₃－tanα sin²β₃.（15）

在脫粒分離過(guò)程中，滾筒軸向速度是整個(gè)脫粒分離作業(yè)效率中的重要因素，作業(yè)效率隨著滾筒軸向速度的增大而提高。當(dāng)滾筒長(zhǎng)度保持不變時(shí)，果穗在滾筒內(nèi)部脫粒分離時(shí)間縮短，導(dǎo)致籽粒難以被脫干凈和產(chǎn)生夾帶損失。果穗的軸向速度和脫粒時(shí)間由導(dǎo)流板螺旋升角來(lái)決定，在滿足脫粒分離效果的前提下縮短果穗在滾筒內(nèi)的時(shí)間提高工作效率。

喂入段螺旋升角最大，軸向速度最快，使得果穗向后快速輸送，防止喂入口堵塞；脫粒段次之，在滿足軸向速度的前提下，使得果穗在滾筒脫粒區(qū)充分脫粒，防止產(chǎn)生堵塞和籽粒破碎現(xiàn)象；分離段最小，軸向速度最慢，使得果穗在滾筒內(nèi)部脫粒分離時(shí)間變長(zhǎng)，防止出現(xiàn)未脫凈率高和產(chǎn)生夾帶損失的現(xiàn)象。得出最大導(dǎo)流板螺旋升角β設(shè)計(jì)依據(jù)為βlt;90°-α，一般取β≤45°^［24］。故研究設(shè)計(jì)的導(dǎo)流罩內(nèi)導(dǎo)流板螺旋升角分為三個(gè)角度，即喂入段為30°，脫粒段為20°，分離段為10°。導(dǎo)流罩內(nèi)圓弧表面安裝有21個(gè)導(dǎo)流板，導(dǎo)流板間距分別為S₁=130 mm、S₂=180 mm、S₃=350 mm，導(dǎo)流罩長(zhǎng)度應(yīng)略大于滾筒的長(zhǎng)度，即設(shè)計(jì)為3 100 mm，包角為180°，導(dǎo)流板高度為75 mm。

1.1.4.4 排雜拋出裝置設(shè)計(jì)

排草輥由板齒、安裝支架、軸、中間輪轂和側(cè)輪轂組成。其長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1 363 mm，內(nèi)有5個(gè)輪轂起到支撐作用，輪轂上裝有5個(gè)安裝支架，每個(gè)安裝支架上安裝有2個(gè)板齒，整體滿足輕量化設(shè)計(jì)。圖9

所設(shè)計(jì)的排草凹板安裝于滾筒尾部排草口處，由三塊小凹板組成，其中小凹板長(zhǎng)度為450 mm，包角為35°，三塊凹板組裝后排草凹板總體長(zhǎng)度為1 390 mm。在尾部安裝排草凹板的目的是通過(guò)排草輥旋轉(zhuǎn)將雜余拋出的同時(shí)極少部分夾雜在雜余中的籽粒被撥出，經(jīng)凹板篩縫隙落入下方清選系統(tǒng)，減少籽粒損失。圖10

1.1.4.5 裝置安裝位置

強(qiáng)制喂入裝置安裝于過(guò)橋和脫粒分離裝置之間，脫粒分離裝置安裝于機(jī)器的中部，排雜拋出裝置安裝于滾筒尾部排草口的后方。圖11～13

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

籽粒破碎率和未脫凈率是玉米籽粒收獲中的2個(gè)重要指標(biāo)，試驗(yàn)嚴(yán)格按照GB/T21961-2008《玉米收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》^［25］和GB/T5982-2005《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》^［26］中的內(nèi)容對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行確定。試驗(yàn)由20 m穩(wěn)定小區(qū)、20 m測(cè)定小區(qū)和10 m停車小區(qū)組成。試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)掉落的果穗和倒伏植株進(jìn)行清理，分別數(shù)每行的果穗數(shù)量，并插上標(biāo)桿區(qū)分各區(qū)間。試驗(yàn)結(jié)束后，人工取樣不少于2 000 g的籽粒，將破碎籽粒和未脫凈籽粒分別進(jìn)行稱重，按照式（16）計(jì)算籽粒破碎率，按照式（17）計(jì)算未脫凈率。

Z_s=W_sW_i×100%.（16）

式中，Z_s：籽粒破碎率（%）；

W_s：破碎籽粒質(zhì)量（g）；

W_i：樣品籽粒總質(zhì)量（g）。

S_w=W_wW_z×100%.（17）

式中，S_w：未脫凈率（%）；

W_w：未脫凈籽粒質(zhì)量（g）；

W_z：取樣籽粒總質(zhì)量（g）。

1.2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用三因素三水平Box-Behnken的正交試驗(yàn)方法，選取滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙和喂入量為試驗(yàn)因素，評(píng)價(jià)指標(biāo)分別為籽粒破碎率Z_s和未脫凈率S_w，進(jìn)行田間試驗(yàn)，并使用Design-expert 12軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙及喂入量均由傳感器輸出信號(hào)在駕駛室操控屏幕上顯示數(shù)值，可由駕駛員控制。表2

2 結(jié)果與分析

2.1 田間試驗(yàn)與作業(yè)效果對(duì)比

研究表明，以滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、喂入量為試驗(yàn)因素，以籽粒破碎率和未脫凈率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在同一玉米品種的試驗(yàn)地進(jìn)行了17次試驗(yàn)，并通過(guò)計(jì)算分別記錄兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值。圖14，表3

2.2 回歸及響應(yīng)面分析

2.2.1 回歸分析與顯著性檢驗(yàn)

研究表明，利用Design-Expert 12軟件對(duì)籽粒破碎率Z_s和未脫凈率S_w進(jìn)行多元回歸分析及二次項(xiàng)擬合，得到Z_s和S_w的回歸方程如公式（18）、（19）所示。表4

Z_s=2.90+0.495 A-0.250B+0.463C-0.153AC+0.218BC+0.304A²+0.189B²+0.254C².（18）

S_w=1.07-0.349A+0.249B+0.208C+0.235AB-0.163BC+0.242A²+0.447B²+0.135C².（19）

籽粒破碎率二次回歸模型Plt;0.000 1，回歸模型極顯著；失擬項(xiàng)Pgt;0.05，證明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。因素影響主次順序?yàn)闈L筒轉(zhuǎn)速A、喂入量C、凹板間隙B，其中滾筒轉(zhuǎn)速A、凹板間隙B、喂入量C對(duì)籽粒破碎率影響均呈極顯著；交互項(xiàng)AC顯著，交互項(xiàng)BC極顯著，滾筒轉(zhuǎn)速A和喂入量C與凹板間隙B和喂入量C對(duì)籽粒破碎率均具有交互影響。表4

未脫凈率二次回歸模型Plt;0.000 1，回歸模型極顯著。失擬項(xiàng)Pgt;0.05，證明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。因素影響主次順序?yàn)闈L筒轉(zhuǎn)速A、凹板間隙B、喂入量C，其中滾筒轉(zhuǎn)速A、凹板間隙B、喂入量C對(duì)未脫凈率影響均呈現(xiàn)極顯著；交互項(xiàng)AB極顯著，交互項(xiàng)BC顯著，滾筒轉(zhuǎn)速A和凹板間隙B與凹板間隙B和喂入量C對(duì)未脫凈率均具有交互影響。

2.2.2 響應(yīng)曲面分析

2.2.2.1 籽粒破碎率

研究表明，當(dāng)凹板間隙和喂入量保持不變時(shí)，籽粒破碎率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大而逐漸上升，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較小時(shí)，脫粒元件與果穗之間的揉搓和擊打力較小，籽粒破碎率較低，但隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提高，果穗受到脫粒元件的揉搓和擊打力變大，同時(shí)對(duì)果穗的揉搓和擊打次數(shù)增多，致使籽粒破碎率逐漸上升；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速和喂入量保持不變時(shí)，籽粒破碎率隨著凹板間隙的增大而逐漸下降，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)楫?dāng)凹板間隙較小時(shí)，果穗在滾筒內(nèi)堆積較多，脫粒元件與果穗、果穗與果穗之間相互擠壓較大，部分果穗重復(fù)被脫粒元件揉搓和擊打，籽粒破碎率較高，但當(dāng)凹板間隙逐漸增大時(shí)，果穗在滾筒內(nèi)部受到的擠壓和打擊力減小，致使籽粒破碎率逐漸下降；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速和凹板間隙保持不變時(shí)，籽粒破碎率隨著喂入量的增大而逐漸上升，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)殡S著喂入量的增加，果穗在脫粒空間內(nèi)停留的時(shí)間較長(zhǎng)，紋桿和釘齒對(duì)果穗的作用力增大，果穗層的厚度變大，果穗與果穗之間的作用力增強(qiáng)，致使籽粒破碎率逐漸上升。圖15

2.2.2.2 未脫凈率

研究表明，當(dāng)凹板間隙和喂入量保持不變時(shí)，未脫凈率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大而逐漸下降，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)殡S著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，脫粒元件與果穗接觸碰撞次數(shù)較多、作用力較大，大量籽粒從玉米芯軸上脫落，致使未脫凈率逐漸下降；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速和喂入量保持不變時(shí)，未脫凈率隨著凹板間隙的增大而呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)，隨著凹板間隙的增加，大多數(shù)果穗隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)在脫粒區(qū)停留時(shí)間變長(zhǎng)，脫粒比較充分，但是當(dāng)凹板間隙過(guò)大時(shí)，脫粒元件與果穗、果穗與果穗之間接觸不充分，脫粒效果差，致使未脫凈率先下降后上升；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速和凹板間隙保持不變時(shí)，未脫凈率隨著喂入量的增大而逐漸上升，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)殡S著喂入量的增加，脫粒空間內(nèi)部果穗數(shù)量增大，果穗與脫粒元件不能充分接觸，而隨著滾筒旋轉(zhuǎn)將部分未接觸到的果穗排出機(jī)體外，致使未脫凈率逐漸上升。圖16

2.2.3 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

2.2.3.1 參數(shù)優(yōu)化

研究表明，以籽粒破碎率Z_s、未脫凈率S_w均最小作為此次優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合各因素邊界數(shù)值條件，得到目標(biāo)函數(shù)和約束條件為：

minZ_s（A，B，C）

minS_w（A，B，C）

s.t.400 r/min＜A＜500 r/min .

30 mm＜B＜40 mm

16 kg/s＜C＜18 kg/s

運(yùn)用Design-expert 12軟件優(yōu)化模塊求解，得到參數(shù)的較優(yōu)組合：在滾筒轉(zhuǎn)速447.11 r/min，凹板間隙34.74 mm，喂入量16.14 kg/s的情況下，籽粒破碎率達(dá)到2.68%，未脫凈率達(dá)到0.99%。

2.2.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

研究表明，結(jié)合實(shí)際條件以滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min，凹板間隙35 mm，喂入量16 kg/s試驗(yàn)。結(jié)果取均值，即平均籽粒破碎率為2.73%，平均未脫凈率為1.04%，試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果間相對(duì)誤差處于5%以內(nèi)，滿足作業(yè)要求。表5

3 討 論

3.1 隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，籽粒破碎率隨之增大^［27］，與裝置試驗(yàn)后的結(jié)果一致，由于滾筒轉(zhuǎn)速增加，脫粒元件線速度增大，同時(shí)對(duì)果穗的作用力也隨之增大，致使籽粒破碎率偏高；對(duì)于未脫凈率而言，過(guò)快的滾筒轉(zhuǎn)速會(huì)使脫粒元件與果穗之間接觸次數(shù)增加，可加快雜余從滾筒尾部排草口處排出，在排雜拋出裝置的作用下未脫凈率逐漸降低，此結(jié)果與前人研究結(jié)果存在差異^［28］。

3.2 隨著凹板間隙的增加，脫粒空間逐漸變大，脫粒元件與凹板作用在果穗上的沖擊力逐漸變小，同時(shí)果穗與果穗之間的相互擠搓力也隨之變小，致使籽粒破碎率降低，此結(jié)果與前人研究結(jié)果一致^［29］；由于凹板間隙逐漸增大，果穗在脫粒空間內(nèi)脫粒效果較好，但當(dāng)凹板間隙過(guò)大時(shí)，脫粒元件對(duì)果穗的揉搓和擊打力逐漸減弱，脫粒性能逐漸降低，致使未脫凈率呈先減小后增大的趨勢(shì)^［30］。

3.3 喂入加速輥對(duì)過(guò)橋輸送過(guò)來(lái)的大量果穗進(jìn)行抓取且均勻喂入至脫粒空間內(nèi)，以防出現(xiàn)喂入量過(guò)大而造成裝置脫粒分離性能降低的現(xiàn)象，但由于滾筒轉(zhuǎn)速和凹板間隙保持不變，脫粒空間內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較厚的物料層以及果穗間相互作用力增大，脫粒元件會(huì)對(duì)部分果穗反復(fù)擊打，致使籽粒破碎率逐漸增大，由于裝置試驗(yàn)是針對(duì)15 kg/s以上的喂入量，故此結(jié)果與前人研究結(jié)果存在差異^［31］；隨著喂入量的增大，未脫凈率隨之逐漸增大^［32］，在脫粒空間內(nèi)，隨著果穗的數(shù)量逐漸增多，導(dǎo)致果穗秸稈層逐漸變厚，脫粒元件對(duì)果穗的脫凈能力也隨之變差，出現(xiàn)部分果穗未能與其充分接觸的現(xiàn)象，致使未脫凈率逐漸增大。

4 結(jié)論

4.1 通過(guò)理論分析和調(diào)研設(shè)計(jì)出具有強(qiáng)制喂入和排雜拋出功能的脫粒分離裝置，玉米果穗及秸稈經(jīng)喂入加速輥?zhàn)ト∑戒伈⒕鶆虻奈谷胫撩摿？臻g，避免發(fā)生堵塞；優(yōu)化設(shè)計(jì)滾筒四個(gè)工作段和導(dǎo)流罩內(nèi)導(dǎo)流板的三種角度，使果穗在滿足脫粒性能的前提下快速通過(guò)脫粒分離區(qū)，降低籽粒破碎率和未脫凈率，提高作業(yè)效率；雜余經(jīng)排草輥快速撥出的同時(shí)極少數(shù)夾雜在雜余中的籽粒經(jīng)排草凹板落入下方清選系統(tǒng)，降低夾帶損失。

4.2 對(duì)籽粒破碎率影響顯著順序依次為滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量、凹板間隙；對(duì)未脫凈率影響顯著順序依次為：滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、喂入量。

4.3 優(yōu)化得出較優(yōu)工作參數(shù)組合為滾筒轉(zhuǎn)速447.11 r/min、凹板間隙34.74 mm、喂入量16.14 kg/s，在此參數(shù)組合下籽粒破碎率為2.68%，未脫凈率為0.99%。在滾筒轉(zhuǎn)速450 r/min、凹板間隙35 mm、喂入量16 kg/s的情況下，平均籽粒破碎率達(dá)到2.73%，平均未脫凈率達(dá)到1.04%，試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果間相對(duì)誤差處于5%以內(nèi)，喂拋組合式脫粒分離裝置設(shè)計(jì)合理。

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Design and experiment of combined threshing and separating device for corn grain harvester

XU Luming¹， JIN Fan^1，2， ZHANG Junsan^1，2， Alimu Maimaitituerxun^1，2，

LI Qianxu²，SUN Lifeng²

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China; 2. Xinjiang Xinyan Moshine Science amp; Technolog Co.，Ltd， Urumqi 830011， China）

Abstract：【Objective】 Aiming at the phenomenon of high grain breaking rate and entrainment loss caused by space blockage and drum failure during corn threshing， this project intends to design a feeding and throwing combined threshing separation device.【Methods】 The feeding acceleration roller was designed at the feeding entrance of the front end of the drum， and the radius was determined to be 150 mm through the stress analysis of the ears and straw， and the rotating speed was determined to be 430 r/min based on the rake line speed of the cross-bridge conveyor chain and the corn threshing speed. By analyzing the type of drum working section， the angle of the guide plate in the guide hood was optimized to be 30° in feeding section， 20° in threshing section and 10° in separating section. A litter throwing device was designed and installed at the straw discharging outlet at the back end of the roller， including a straw discharging roller and a straw discharging concave plate. A three-factor and three-level field orthogonal experiment was designed with rotating speed of roller， gap of concave plate and feeding amount as experimental factors， and grain breakage rate and unstripped rate as evaluation indexes. The test results were analyzed by the trend of response surface among the factors， and the data were optimized by Design-Expert 12 software.【Results】 The orthogonal test results showed that under the conditions of roller speed 447.11 r/min， concave clearance 34.74 mm and feeding amount 16.14 kg/s， the grain breakage rate reached 2.68% and the uncleaned rate reached 0.99%.【Conclusion】 Field verification experiment shows that： Under the conditions of cylinder speed 450 r/min， concave clearance 35 mm and feeding amount 16 kg/s， the average grain crushing rate reaches 2.73%， the average unpeeled rate reaches 1.05%， and the relative error between the test results and the optimization results is within 5%， which has proved that the device design is reasonable， superior to the traditional threshing separation device， thus meeting the national threshing standard.

Key words：corn; feed and throw combined type; threshing and separating device; force analysis

Fund projects：Key R amp; D Program Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region \"Research on Key Technologies of Large-Scale Corn and Soybean Harvest and Creation of Intelligent Equipment\" （2022B02016）

Correspondence author： JIN Fan（1968-）， male， from Urumqi， Xinjiang，senior engineer with improved salary， research direction：Agriculture Mechanization Technology and Equipment，（E-mail）639916709@qq.com