纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置设计与试验

戴飞，韩正晟，赵武云，张锋伟，高爱民，魏丽娟

（甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州 730070）

纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置设计与试验

戴飞，韩正晟*，赵武云，张锋伟，高爱民，魏丽娟

（甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州 730070）

田间试验机械化是提高作物育种工作效率的关键环节，是获得正确育种试验结果的重要措施。根据小区育种小麦收获试验要求，设计了一种由钉齿式圆柱滚筒与短纹杆—板齿锥型滚筒组成的纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置，通过论述该装置总体配置方案，完成其关键部件（脱粒滚筒、分离滚筒）结构与运动参数设计计算，确定脱粒滚筒的平均直径为450 mm、分离滚筒的直径为430 mm，两者的转速分别在764-892 RPM和888-1 022 RPM，计算得出分离滚筒的脱粒元件数为36个，且装置适宜的喂入量需小于2.7 kg/s。利用该装置进行了育种小麦脱粒分离试验结果表明，当喂入量由1.8 kg/s向2.6 kg/s变化，脱粒滚筒转速为760 RPM、分离滚筒转速为1 020 RPM时，装置脱粒损失率为0.32%-0.36%、种子破碎率为0.51%-0.62%、籽粒含杂率为2.48%-2.92%。研究表明，纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置针对物料脱粒难易程度能够实现有序脱粒作业，其脱出物料分布均匀，有较强的适应性，各项技术指标均达到国家标准要求。

双滚筒；纵轴流；脱粒分离；小区育种；试验

戴飞， 韩正晟， 赵武云， 张锋伟， 高爱民， 魏丽娟. 纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置设计与试验［J］. 农业现代化研究，2016， 37（5）: 1015-1020.

Dai F， Han Z S， Zhao W Y， Zhang F W， Gao A M， Wei L J. Design and experiment on threshing and separating unit of plot breeding wheat with double longitudinal axial cylinder［J］. Research of Agricultural Modernization， 2016， 37（5）: 1015-1020.

粮食问题是人类最关心也是最严峻的问题之一，育种产业的发展对于提高粮食产量、保证粮食安全起着非常重要的作用。为提高作物育种的效率和质量，就必须发展育种机械化，提高机械化育种作业水平［1］。目前，我国小区育种小麦种子收获仍以人工收割、普通脱粒机脱粒、清选机清选的分段收获方式为主，收获期较长、间接损失大［2］。国内育种小麦脱粒装置大多采用单一轴流式钉齿滚筒，其功耗大、打击能力强，当育种小麦穗头被喂入后大部分籽粒容易迅速脱下时，仅有少部分穗头籽粒随着轴流滚筒转动前移陆续完成脱粒，致使籽粒的破损率与滞种率较高，脱出的茎秆较碎，脱出混合物不均匀，使得后续的清选负荷增加，易造成种子损失与混杂，导致育种试验数据失真［3-4］。

国外对小区育种收获机械的研究和生产比较早，目前德国黑格公司、奥地利温特斯泰格公司、丹麦霍尔公司等设计生产的小区育种小麦收获机械都已达到了国际先进水平，但国外育种试验小区面积大、隔离带宽，所用种子收获机械体积大、脱粒分离装置结构复杂、价格昂贵，难以适应我国小区育种收获试验要求［5-7］。

滚筒组合式脱粒分离技术是近年来谷物收获理论中兴起的创新关键技术之一，其具有脱粒行程长、对潮湿、难脱作物适应性好等优点［8-9］，但同时易在不同类型滚筒组合接口处出现脱粒物料的输送堵塞与滞留，小区收获滞种损失现象严重，影响装置总体的作业效率与试验统计结果。为此，结合田间小区育种收获要求，设计一种具有良好脱粒、输送、分离性能，脱出混合物均匀、无堵塞且能兼顾实现高脱净、低破碎、无滞种的纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置［10］。

1　装置结构与工作原理

1.1结构组成

纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置由左、右两个结构及运动参数不同的钉齿式圆柱滚筒、短纹杆—板齿锥型滚筒组成，包括喂入导板、扬谷器、分离滚筒凹板、机架、排草口、脱粒滚筒下罩壳、装置上罩壳等部件（图1）。装置右侧短纹杆—板齿锥型滚筒称为脱粒滚筒，主要采用滚筒短纹杆—板齿元件与上罩壳纹杆共同作用，将育种小麦穗头上成熟、饱满、且与穗轴及颖壳连接力小的大量籽粒快速脱下，脱粒滚筒采用光滑下罩壳便于脱粒物料快速向后输送。装置左侧钉齿式圆柱滚筒称为分离滚筒，主要使已脱下的小麦籽粒尽快从凹板中分离出去，确保育种小麦穗头上剩余、较难脱的少量籽粒顺利脱下。

图1　纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置结构示意图Fig. 1　Structure diagram of threshing and separating unit of plot breeding wheat with double longitudinal axial cylinder

1.2工作原理

当纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置工作时，育种小麦穗头由喂入导板进入脱粒滚筒装置内部，通过短纹杆—板齿脱粒元件与上罩壳脱粒纹杆的共同作用，将大部分育种小麦穗头击打、揉搓双重脱粒，脱出物料在锥型滚筒的作用下向后螺旋轴向输送，并在后置扬谷器旋转叶片及产生的高速气流作用下抛入分离滚筒，脱粒物料在分离滚筒内通过钉齿元件的二次打击及凹板筛的隔离进一步脱粒分离。

2　关键部件设计与参数确定

2.1脱粒滚筒设计

设计的纵轴流锥型滚筒脱粒装置，其滚筒采用锥型短纹杆—板齿结构（图2）。相关试验结果表明，该纵轴流锥型滚筒脱粒装置在作业时育种小麦脱粒混合物料轴向输送快、功耗低，罩壳内部种子残留量小［3，11］。锥型脱粒滚筒在一定范围内对喂入量和转速不很敏感，也就是说这种滚筒适应性较强，物料喂入的不均匀及滚筒转速的波动对其脱粒和功耗影响不大；后置扬谷器能够减轻清选装置负荷，便于将脱粒混合物料快速抛输至分离滚筒，避免两个滚筒过渡处因物料流通不畅、易堆积而出现堵塞现象；滚筒所采用的短纹杆—板齿式脱粒元件对育种小麦籽粒打击较弱，有利于种子破碎率的降低。

图2　纵轴流锥型滚筒脱粒装置示意图Fig. 2　Schematic diagram of longitudinal axial conical cylinder threshing unit

考虑研制的小区育种收获机整机尺寸与其脱粒分离装置安装空间限制［12］，锥型滚筒脱粒装置长度设计为800 mm，其中锥型滚筒长度为580 mm，锥角为13°，短纹杆—板齿脱粒元件，共8组，板齿高45 mm，厚2 mm；短纹杆宽30 mm，厚6 mm，表面螺纹向后倾斜，在锥型脱粒滚筒上均匀排列。锥型滚筒前端部设置喂入导板，后端部同轴连接扬谷器。

相关研究表明，携有脱粒元件的滚筒直径及其转速是影响纵轴流锥型滚筒脱粒装置作业性能的关键参数［3，11］。脱粒、分离滚筒的直径计算［13］为：

式中：Dq为脱粒、分离滚筒的直径（mm）；Dqg为滚筒筒体表面直径（mm），一般不小于300 mm（锥型脱粒滚筒取大、小端面平均直径）；hq为脱粒、分离滚筒脱粒元件高度（mm）。根据式（1）可得脱粒滚筒平均直径Dq=450 mm。

脱粒、分离滚筒的转速计算［9］为：

式中：ng为脱粒、分离滚筒转速（RPM）；Dq为脱粒、分离滚筒直径（mm）；vg为滚筒线速度（m/s），为防止打击破碎，育种小麦易脱粒的线速度应控制为vg=（18-21） m/s。根据式（2）可得锥型脱粒滚筒转速ng=（764-892） RPM。

2.2分离滚筒设计

分离滚筒采用钉齿式圆柱滚筒（图1），为便于与脱粒装置在育种收获机上等长配合安装，滚筒长度仍取800 mm，钉齿脱粒元件直径为12 mm，齿高65 mm按螺旋线排列，螺旋头数取3，同一杆齿齿间距为100 mm，为防止挂草、缠结，钉齿顶部与齿杆垂直夹角为15°且向后倾斜安装。

分离滚筒脱粒元件个数对其物料分离作业效果至关重要，当钉齿数量较少时，难以对脱粒物料进行进一步的脱粒分离，作业效果差；但数量较多时，脱粒物料与脱粒元件作用次数增加，种子破碎率偏大，分离装置功耗过大。因此，需要对分离滚筒的脱粒元件个数计算确定。

分离滚筒钉齿数计算［13］为：

式中：Zq为分离滚筒钉齿数（个）；kq为分离滚筒钉齿螺旋头数（个），取2；Lq为分离滚筒长度（mm），取800 mm；Δlq为分离滚筒边齿距齿杆端部的距离（mm），取15 mm；aq为分离滚筒钉齿齿迹距（mm），取45 mm。根据式（3）可得分离滚筒钉齿脱粒元件个数（取整）为36。

由式（1）求得分离滚筒直径Dq=430 mm；育种小麦难脱粒的线速度应控制为vg=（20-23） m/s［14］，由式（2）可得分离滚筒转速ng=（888-1 022） RPM。

由于扬谷器从脱粒装置中输出的混合物料籽粒含量很大，为便于后续难脱籽粒有效脱粒，避免已脱籽粒因重复受到分离滚筒脱粒元件打击作用引起的损伤率增大，分离滚筒的凹板必须与滚筒配合增加对脱下育种籽粒的分离能力，采用大间距钢丝栅格凹板结构，钢丝直径为2 mm，钢丝中心距为16 mm，格板高出钢丝6 mm，凹板包角为220°［15］。

3　试验设计与分析

3.1试验材料

试验材料选用甘肃省农科院小区育种小麦，品种为西旱2号，籽粒千粒质量为43.8 g，籽粒含水率22.6%。由于该纵轴流双滚筒脱粒分离装置适合于半喂入式小区育种小麦收获机，因此，试验时喂入脱粒滚筒的物料均为育种小麦麦穗，穗头长度在11.7-14.6 cm。

3.2试验方法

试验参照《农业机械试验条件测定方法的一般规定》（GB/T 5262—2008）和《脱粒机试验方法》（GB/T 5982—2005）的要求进行。试验过程中，通过改变试验台输送带的不同运动速度来改变装置喂入量的大小；应用变频电机实现脱粒、分离双滚筒不同转速的调整。

分离滚筒喂入量计算［13］为：

式中：q为分离滚筒喂入量（kg/s）；Zq为钉齿脱粒元件个数（个），取36；qd为分离滚筒每个钉齿脱粒能力，取0.025 kg/s；βc为扬谷器抛出脱粒混合物料中籽粒所占重量比率，取0.8。根据式（3）和式（4）得出分离滚筒喂入量q≤2.7 kg/s。

为保证纵轴流双滚筒脱粒分离装置左、右两个滚筒具有良好作业性能，且均无堵塞现象发生，装置中分离滚筒的生产能力必须大于脱粒滚筒才能保证较高的作业效率与作业质量，因此，脱粒滚筒喂入量必须控制在小于2.7 kg/s的范围内。

通过式（4）计算结果分析，试验遵循装置喂入量不应大于2.7 kg/s的要求，按照由少到多将育种小麦喂入量选取3个水平，分别为1.8 kg/s、2.2 kg/s和2.6 kg/s，将小麦穗头均匀铺放在喂入输送带上，经输送槽输送进入锥型脱粒滚筒，完成脱粒作业；脱出混合物随着锥型滚筒向后输送并在扬谷器旋转叶片及其产生的高速气流作用下抛入分离滚筒，实现物料进一步脱粒分离，短茎秆及穗轴从分离滚筒排草口排出，其余脱出物经分离滚筒凹板筛落入接料盒；分离滚筒钢丝栅格凹板下每100 mm布置接料盒1个，共8个。依据式（2）计算结果分析，试验选取锥型脱粒滚筒转速为760 RPM和900 RPM、钉齿式圆柱分离滚筒的转速为880 RPM和1 020 RPM，在装置同一喂入量下，脱粒、分离滚筒进行不同转速下的4类组合，试验重复3次［16］，每次试验结束后均对各接料盒内的脱粒分离物料进行称重统计，对能反映纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置作业性能的脱粒损失率、种子破碎率及籽粒含杂率进行测定计算。

3.3试验结果分析

对应用旋风分离器为气流清选装置的纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置而言，要尽可能兼顾育种小麦脱粒损失率（包括夹带损失和未脱净损失）和破碎率，且脱出混合物分布均匀、籽粒含杂率低，无堵塞与滞留，便于后续分离清选，确保育种试验数据不失真，装置不同参数作业下的试验结果见表1和图3。

表1　不同喂入量、不同转速下纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置性能检测结果Table 1　Performance test results of threshing and separating unit of plot breeding wheat with double longitudinal axial cylinder in different feed rates and threshing rotation speeds

由表1试验结果可以看出，在装置脱粒、分离滚筒不同转速的4类组合条件下，当脱粒滚筒喂入量由1.8 kg/s向2.6 kg/s增加时，纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置脱粒损失率为0.32%-1.73%、种子破碎率为0.38%-0.75%、籽粒含杂率为2.48%-5.31%，各项试验指标基本随试验喂入量的增加呈上升趋势，但变化不很显著。试验过程中发现，除了装置喂入量在2.6 kg/s、脱粒滚筒转速为900 RPM、分离滚筒转速为880 RPM的情况下分离滚筒进料口处有少量脱粒物料滞留外，其余组合均未发现滚筒堵塞现象，表明纵轴流双滚筒小区育种小麦脱粒分离装置对物料适应性较强。

试验过程表明，当脱粒滚筒转速为760 RPM、分离滚筒转速为1 020 RPM时，该装置作业性能良好，随着喂入量由1.8 kg/s向2.6 kg/s的不断变化，各项试验指标与装置双滚筒其余三种转速组合相比呈现最优，装置脱粒损失率为0.32%-0.36%、种子破碎率为0.51%-0.62%、籽粒含杂率为2.48%-2.92%，均符合试验标准要求，该参数下脱粒、分离双滚筒的组合有效缓解了小区育种脱粒分离装置脱净率与破碎率不能兼顾的问题。当喂入量为2.6 kg/s，脱粒滚筒转速为900 RPM、分离滚筒转速为880 RPM时，脱粒损失率（1.73%）、籽粒含杂率（5.31%）最高，这主要是当锥型脱粒滚筒转速提高时，由于短纹杆—板齿式脱粒元件较大，脱粒物料不宜膨胀，且滚筒纵轴向长度较短，轴向输送时停留时间短，物料流出速度加快，使得育种小麦穗头来不及充分脱粒就被抛入分离滚筒，分离滚筒转速较脱粒滚筒转速低，生产能力略有下降，进料口及滚筒内出现物料堵塞现象皆是造成脱粒损失率高与含杂率大的主要原因。

在不同喂入量，脱粒、分离滚筒不同转速的4类组合下，装置脱出物在分离滚筒凹板筛下对应的8个接料盒中的质量轴向分布规律（图3）。

图3　不同喂入量下装置脱出物质量轴向分布图Fig. 3　Quality distribution of the mixture along the axial of threshing in different feed rates

由图3可以看出，在不同喂入量下装置脱出物的轴向分布趋势基本相似，说明该装置对物料有较强的适应性；接料盒轴向分布区域1-4区脱粒分离物料较多（占喂入总量的65%-75%）、5区呈突降状态（占喂入总量的15%-20%），6-8区较少（占喂入总量的10%-15%），这主要是由于扬谷器从脱粒滚筒中抛出的混合物料大部分籽粒已被脱下，物料在随着分离滚筒初始转动时便直接通过凹板筛落下，分离滚筒后续作业仅针对育种穗头上少数较难脱籽粒。在喂入量相同的情况下，脱粒、分离滚筒转速分别为760 RPM和1 020 RPM、900 RPM和1 020 RPM两种组合的脱出混合物轴向分布程度相对均匀；而脱粒、分离滚筒转速分别为760 RPM和880 RPM时，脱粒、分离装置下方籽粒、杂余质量沿滚筒轴向分布不均匀，将对后续清选作业产生一定影响，不利于育种试验数据的测定统计。

试验结果分析表明，脱粒分离物料在轴向分布上基本呈现出“先多后少”的分布状态，反应了纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置具有“先易后难、有序脱粒、分布均匀”的动态作业特性；自主创新设计的锥型脱粒滚筒后置扬谷器能够借助气流快速将脱粒物料输送至分离滚筒，提高了纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置作业效率，避免传统多滚筒装置相互接口处容易产生脱粒物料输送堵塞现象的发生。

4　结论

根据小区育种小麦收获试验要求，设计了一种能够实现由脱粒滚筒向分离滚筒脱粒物料快速输送的纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置，其脱粒滚筒采用锥型短纹杆—板齿滚筒与后置扬谷器配合结构，分离滚筒采用钉齿式圆柱滚筒；计算确定了脱粒、分离装置关键结构与运动参数。

相关试验结果表明：纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置随喂入量增大，其脱粒损失率、种子破碎率及籽粒含杂率均呈上升趋势但变化不显著，对物料具有较强的适应性。当装置喂入量由1.8 kg/s向2.6 kg/s变化，脱粒滚筒转速为760 RPM、分离滚筒转速为1 020 RPM时，装置脱粒损失率为0.32%-0.36%、种子破碎率为0.51%-0.62%、籽粒含杂率为2.48%-2.92%，均符合试验标准要求，有效缓解了小区育种脱粒装置脱净率与破碎率不能兼顾的问题。

装置脱出混合物料在轴向分布上基本呈现出“先多后少”的总体变化趋势，直观反应了纵轴流双滚筒小区育种脱粒分离装置具有“先易后难、有序脱粒、分布均匀”的动态作业特性，能够有效减轻清选装置的负荷，有利于后续清选，且脱粒、分离两滚筒接口过渡处无脱粒物料堵塞，便于育种试验数据的测定统计。

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（责任编辑：童成立）

Design and experiment on threshing and separating unit of plot breeding wheat with double longitudinal axial cylinder

DAI Fei， HAN Zheng-sheng， ZHAO Wu-yun， ZHANG Feng-wei， GAO Ai-min， WEI Li-juan
（College of Engineering， Gansu Agricultural University， Lanzhou， Gansu 730070， China）

Mechanization of field experiments is the key point to increase crop breeding efficiency， which is also an important measure to obtain correct breeding test results. In order to meet the demand of plot wheat seed harvest test， a threshing and separating unit of plot breeding wheat with double longitudinal axial cylinder was designed， which were composed by longitudinal axial conical cylinder and spike tooth cylindrical roller， the overall structure of the unit was proposed， the key structure and motion parameters of threshing cylinder and separating cylinder were designed and choiced， and obtained the average diameter of threshing cylinder and separating cylinder were 450 mm and 430 mm，the rotating speed of the two cylinder respectively in the range of 764-892 RPM and 888-1 022 RPM. Meanwhile， we determined the spike tooth number of separating cylinder was 36， and the unit was suitable for feeding quantity should be less than 2.7 kg/s， and the plot wheat threshing and separation test was studied by using the unit. The experimental results showed that when the feed rate was changed from 1.8 kg/s to 2.6 kg/s， the rotate speed of threshing cylinder was 760 RPM and rotate speed of separating cylinder was 1 020 RPM， the threshing loss rate was 0.32%-0.36%， the broken rate was 0.51%-0.62% and the rate of trash content was 2.48%-2.92%. The research indicated that the threshing and separating unit of plot wheat with double longitudinal axial cylinder with the dynamic operation characteristics of easy and sequential threshing， the well-proportioned distribution and the well-adapted with the crop. The various technical indexes of this unit had reached to the testing requirements of standard.

double cylinder； longitudinal axial； threshing and separating； plot breeding wheat； experiment

National Natural Science Foundation of China （51365003）.

HAN Zheng-sheng， E-mail: hanzhengsheng@gsau.edu.cn.

29 March， 2016；Accepted 28 May， 2016

S225.4

A

1000-0275（2016）05-1015-06

10.13872/j.1000-0275.2016.0060

国家自然科学基金项目（51365003）。

戴飞（1987-），男，甘肃榆中人，讲师，主要从事田间小区育种收获技术与装备研究，E-mail: daifei@gsau.edu.cn；通信作者：韩正晟（1956-），男，甘肃庆阳人，教授，博导，主要从事旱区农业工程技术与装备研究，E-mail: hanzhengsheng@gsau.edu.cn。

2016-03-29，接受日期：2016-05-28