纵轴流玉米脱粒分离装置喂入量与滚筒转速试验
2018-03-13张东兴张天亮王镇东
屈 哲 张东兴,2 杨 丽 张天亮 王镇东 崔 涛
(1.中国农业大学工学院， 北京 100083； 2.农业部土壤-机器-植物系统技术重点实验室， 北京 100083)
0 引言
玉米籽粒直收，可减少粮食损失、降低劳动强度、提高生产效率，实现节本增效[1-2]；同时实现玉米不落地收获，通过干燥设备干燥后直接入仓，提高粮食品级，减少粮食污染。因此，玉米籽粒直收将成为我国玉米收获的发展方向[3-4]。
脱粒分离装置作为玉米籽粒收获机的核心部件[5-7]，其工作性能直接决定收获作业质量[8-9]。纵轴流脱粒分离装置的主要特点在于物料进行脱粒的同时可以把籽粒和杂余有效分离[10-12]，且具有脱粒时间长、脱粒过程柔和、脱净率高和破碎率低等优点[13-15]。因此，对玉米、大豆、水稻、小麦等多种作物都具有很强的适应性[16]。
喂入量和脱粒滚筒转速不仅是脱粒装置关键工作参数，也是决定玉米籽粒收获机田间作业质量的重要因素，对破碎率、未脱净率等有重要影响[17]。玉米联合收获机在其额定喂入量下进行田间作业时，有一个最优的脱粒滚筒转速范围与之相匹配，以确保收获机最佳的作业质量和脱粒效果[18-19]。但是，我国不同喂入量的玉米籽粒收获机所对应的最优脱粒滚筒转速范围并不明确，收获时滚筒转速的调节以经验为主，常造成籽粒破碎率高、脱净率低和损失严重等问题。
针对以上问题，本文设计一种零部件可更换，结构参数、工作参数调节方便的纵轴流玉米脱粒分离装置。该装置不仅可以用于台架试验，也可用于玉米籽粒收获机上。结合玉米脱粒台架试验，研究分析滚筒转速、喂入量对籽粒破碎率、未脱净率的影响。通过回归分析、单变量求解，建立不同喂入量下滚筒转速与破碎率、未脱净率的回归方程，确定不同喂入量的最优滚筒转速范围。为我国玉米籽粒收获机脱粒分离装置的设计以及喂入量与滚筒转速自适应模型的研究提供参考。
图2 纵轴流玉米脱粒分离装置Fig.2 Longitudinal axial flow threshing and separating device for maize
1 试验装置设计
1.1 纵轴流玉米脱粒分离试验台
在自主研制的纵轴流玉米脱粒分离试验台上进行试验。该试验台主要由机械系统和控制系统组成，机械系统由输送装置、喂入装置、纵轴流脱粒分离装置和接料装置等部分组成。控制系统由控制柜、变频器、变频电动机组成。变频器控制变频电动机的启动、转速调节与停止，电动机驱动输送装置、喂入装置和纵轴流脱粒分离装置。试验台主要参数如表1所示。
表1 试验台主要参数Tab.1 Main parameters of test bench
纵轴流玉米脱粒分离试验台三维图如图1所示。
图1 纵轴流玉米脱粒分离试验台Fig.1 Longitudinal axial flow threshing and separating test bench for maize1.输送装置 2.螺旋推运器 3.输送器 4.纵轴流脱粒分离装置 5.接料装置
1.2 纵轴流脱粒分离装置
纵轴流脱粒分离装置作为试验台的核心部分，采用结构参数、工作参数均可调的设计思路。该装置可更换不同类型(梯形杆齿、圆头钉齿、短纹杆等)、材料(钢、橡胶、尼龙等)的脱粒元件，其齿间距、安装位置、排列方式均可调；且方便更换不同类型的凹板。为不同参数下玉米脱粒试验提供条件。为便于对物料的运动状态进行观察、分析，试验台架采用5 mm厚的透明亚克力板进行密封，且起到了良好的防尘作用。纵轴流玉米脱粒分离装置与试验台架如图2所示。
1.2.1螺旋喂入头设计
螺旋喂入头将输送器输送过来的玉米果穗顺利喂入到脱粒滚筒中进行脱粒，为确保物料喂入流畅、避免堵塞，对螺旋喂入头上任一点O处的输送物料即玉米果穗进行受力分析，如图3所示。
图3 物料受力分析Fig.3 Force analysis of material
由图3可知，螺旋叶片与玉米间存在摩擦力Ff和螺旋叶片对玉米的法向推力T，二者的合力F与法向推力T偏离一个角度α，为玉米与螺旋叶片的摩擦角。为保证玉米顺利完成轴向输送，需满足轴向输送力大于轴向阻力的条件[20]，即
Tcosβ1>Ffsinβ1
(1)
其中
Ff=Ttanα
(2)
式中β1——螺旋叶片的螺旋角，(°)
α——玉米与螺旋叶片摩擦角，取17°[21]
由式(1)、(2)可得，玉米沿螺旋喂入头顺利输送的条件为：β1<90°-α=73°，选取螺旋叶片的螺旋角β1为30°。
螺旋喂入头长度l1[22]为
(3)
式中S——螺旋导程，为1 000 mm
K——螺旋头数，为2
由式(3)可得，螺旋喂入头长度l1=500 mm。
本文设计的螺旋喂入头为锥台结构，锥角β2为17°，喂入头前端直径D1为230 mm，后端直径D2为380 mm，如图4所示。
图4 螺旋喂入头结构示意图Fig.4 Main view of helical feed head
1.2.2脱粒滚筒与凹板的设计
脱粒对象为玉米，设计为封闭式脱粒滚筒，脱粒元件为梯形杆齿，可提高喂入量，降低破碎率、提高脱净率。
滚筒脱粒段长度l2为
l2=(z1-1)d1
(4)
式中z1——单条螺旋线上脱粒段的齿数，为13
d1——脱粒段齿间距，为100 mm
滚筒分离段长度l3为
l3=z2d2
(5)
式中z2——单条螺旋线上分离段的齿数，为6
d2——分离段齿间距，为150 mm
滚筒总长度L为
L=l1+l2+l3+l4
(6)
式中l4——滚筒排杂段长度，为100 mm
由式(3)～(6)可得，脱粒滚筒总长度L=2 700 mm。
脱粒滚筒直径D3(齿顶圆直径)[20]为
D3=D4+2h
(7)
式中D4——滚筒齿根圆直径，为380 mm
h——脱粒齿高度，为100 mm
由式(7)可得，滚筒直径D3=580 mm。
脱粒滚筒转速n[20]为
(8)
式中v——滚筒齿顶圆线速度，轴流滚筒玉米脱粒线速度一般为7～20 m/s[20,23-24]
由式(8)可得，n的范围为231 r/min≤n≤658 r/min。
因此，设计滚筒总长度L为2 700 mm，滚筒直径D3为580 mm(齿顶圆直径)，三维图如图5所示。脱粒元件为梯形杆齿，高度h为100 mm，上底宽b1为20 mm，下底宽b2为30 mm，厚度d3为12 mm，采用4头螺旋排列，脱粒元件与连接座双螺栓连接，可更换不同类型、材料的脱粒元件，如图6所示。针对高含水率玉米，脱粒凹板设计为细圆管型玉米专用凹板，单个凹板长度为366 mm，凹板包角β3为163°，细圆管直径为18 mm，相邻两圆管中心距为38 mm，可有效降低籽粒破碎率，如图7所示。
图5 脱粒滚筒结构三维图Fig.5 Three dimensional diagram of threshing cylinder
图6 梯形杆齿Fig.6 Trapezoidal bar tooth
图7 脱粒凹板Fig.7 Threshing concave
2 玉米脱粒试验
2.1 试验目的与材料
为找到不同喂入量时滚筒转速对破碎率、未脱净率的影响规律，以及最优的滚筒转速范围，以喂入量、滚筒转速为影响因素，以破碎率、未脱净率为指标进行试验。由式(8)可知脱粒滚筒理论转速为231 r/min≤n≤658 r/min，试验时玉米籽粒含水率为GB/T 21962—2008《玉米收获机技术条件》规定适宜籽粒直收的临界含水率25%。前期试验表明滚筒转速超过500 r/min时，籽粒破碎严重，破碎率大于5%。为减小破碎率，需适当降低滚筒转速。试验选择滚筒转速为200、250、300、350、400、450、500 r/min。根据市场上的玉米籽粒收获机性能选择喂入量为8、10、12 kg/s。
试验玉米品种为郑单958，采用人工摘穗，避免机械损伤，含水率为25%，玉米果穗大端平均直径为51 mm，果穗平均长度为185 mm。
2.2 试验方法
试验开始前把玉米果穗(带苞叶)均匀有序的铺放在输送装置的一端，留出5 m长的加速区；调整脱粒滚筒、螺旋推运器、输送器转速至要求数值；待脱粒滚筒、螺旋推运器、输送器运转稳定后，启动输送装置，完成输送、喂入、脱粒分离和接料过程。
根据试验用玉米果穗大端直径为51 mm，设定脱粒间隙为55 mm。每组试验重复3次取平均值，得到不同喂入量下滚筒转速对籽粒破碎率、未脱净率的影响关系，试验如图8所示。
图8 试验现场图Fig.8 Test scene photos
2.3 试验结果与分析
按照以上试验方法进行玉米脱粒试验，并对试验结果进行处理。
按照GB/T 21961—2008和GB/T 5982—2005进行测定，籽粒破碎率计算公式为
(9)
式中Ws——样品中破碎籽粒质量，g
Wi——取样籽粒质量，g
未脱净率计算公式为
(10)
式中Ww——未脱净籽粒质量，g
Wz——全部籽粒质量，g
不同喂入量下脱粒试验结果如表2所示。
对表2试验结果进行处理，分别得到不同喂入量、滚筒转速与籽粒破碎率、未脱净率的关系曲线，如图9所示。
由图9可以看出，在不同喂入量条件下，随着滚筒转速的增加，籽粒破碎率均增大，未脱净率均减小。随着滚筒转速的增加，脱粒元件线速度增大，脱粒元件、凹板对玉米的击打、揉搓力度增大，同时玉米果穗间的作用力也增大；而且滚筒转速的增加，提高了对玉米的击打频率。击打力度和击打频率的增加，导致破碎率增大，未脱净率降低。
表2 不同喂入量下试验结果Tab.2 Test results at different feed rates
图9 破碎率、未脱净率变化曲线Fig.9 Variation curves of damaged rate and un-threshed rate
由图9a可知，在相同滚筒转速下，随着喂入量的增加，籽粒破碎率增大。随着喂入量的增加，果穗间相互支撑作用增强，脱粒元件、凹板对玉米的击打、揉搓力度相对增大，导致籽粒破碎数量增多，破碎率增大。
由图9b可知，在同一滚筒转速下，未脱净率随喂入量的增加而增大。主要是由于随着喂入量的增加，物料密度增大，由果穗间作用力完成的脱粒比重上升，而果穗间作用力比脱粒元件、凹板对果穗的击打、揉搓作用力小，脱粒作用力弱，未脱净率增大。
为验证在相同滚筒转速下，随着喂入量增加，籽粒破碎率增大的试验结果，对不同喂入量下玉米果穗进行受力分析和基于EDEM(E-discrete element method)的运动仿真，计算、提取脱粒元件对果穗的击打力、接触力，比较果穗的受力变化情况。
图10 玉米果穗受力分析Fig.10 Force analysis of corn ear1.脱粒滚筒 2.凹板 3.脱粒元件 4.果穗A 5.果穗B
图10给出了在相同滚筒转速、不同喂入量下玉米果穗受力分析。图10a中果穗A受到的合力在水平和竖直方向的分力为
Fx1=F1-f1sinθ-N1cosθ
(11)
Fy1=N1sinθ-f1cosθ-G
(12)
其中
f1=μN1
(13)
式中F1——脱粒元件对果穗A的击打力，N
f1——凹板对果穗A的摩擦力，N
θ——摩擦力f1与竖直方向的夹角，0°<θ<90°
N1——凹板对果穗A的支撑力，N
G——果穗A的重力，N
μ——果穗与凹板间摩擦因数，μ=0.01[21]
图10b中果穗A受到的合力在水平和竖直方向的分力为
Fx2=F2-f2sinθ′-N2cosθ′-N3sinγ
(14)
Fy2=N2sinθ′-f2cosθ′-N3cosγ-G
(15)
其中
f2=μN2
(16)
式中F2——脱粒元件对果穗A的击打力，N
f2——凹板对果穗A的摩擦力，N
θ′——摩擦力f2与竖直方向的夹角，0°<θ′<90°,θ′=θ
N2——凹板对果穗A的支撑力，N
N3——果穗B对果穗A的压力，N
γ——果穗B对果穗A的压力N3与竖直方向的夹角，0°<γ<90°
由于同一果穗A在相同滚筒转速、不同喂入量下受到的合力相等，且合力在水平和竖直方向的分力也相等，即Fx1=Fx2，Fy1=Fy2，由式(11)～(16)可得
(17)
由式(17)可以得出F2>F1，即在相同滚筒转速下，随着喂入量的增大，脱粒元件对玉米果穗的击打力增大。
图11 玉米果穗运动仿真Fig.11 Dynamic simulation of corn ear
为了找到相同滚筒转速、不同喂入量下，脱粒元件与果穗间接触力变化趋势，基于EDEM仿真软件，选取滚筒转速200、350、500 r/min，进行不同喂入量下玉米果穗运动仿真，结果如图11所示。通过仿真分析、提取和计算脱粒元件与果穗间平均接触力,结果如表3所示。
表3 脱粒元件与玉米果穗接触力Tab.3 Contact force between threshing components and corn ear N
对表3进行处理，得到不同滚筒转速、喂入量下脱粒元件与玉米果穗接触力的变化曲线，如图12所示。
由图12可以看出，在相同滚筒转速下，随着喂入量的增加，脱粒元件对玉米果穗的接触力也在增大。
以上计算分析、仿真结果均表明，在相同滚筒转速下，随着喂入量的增加，脱粒元件对玉米果穗的击打力、接触力增大，可以验证籽粒破碎数量增多，破碎率增大的试验结果。
图12 接触力变化曲线Fig.12 Variation curves of contact force
为明确不同喂入量条件下，脱粒滚筒转速对破碎率、未脱净率影响是否显著，对破碎率、未脱净率进行单因素方差分析，结果如表4所示。
表4 不同喂入量下方差分析Tab.4 Variance analysis at different feed rates
注：P<0.05，影响显著，用*表示。
由方差分析表4可知，在不同喂入量下，滚筒转速对籽粒破碎率、未脱净率均有显著性影响。运用DPS(Data processing system)数据处理系统的一元非线性回归数学模型进行分析，建立不同喂入量下滚筒转速与籽粒破碎率、未脱净率的回归方程。各回归方程的检验指标如表5所示。
喂入量为8 kg/s时，破碎率、未脱净率回归方程为
Y1=0.000 048X2-0.019 705X+3.227 143
(18)
Y2=0.000 027X2-0.026 174X+6.902 143
(19)
喂入量为10 kg/s时，破碎率、未脱净率回归方程为
Y3=0.000 041X2-0.013 712X+2.476 429
(20)
Y4=0.000 026X2-0.026 26X+7.295 714
(21)
喂入量为12 kg/s时，破碎率、未脱净率回归方程为
Y5=0.000 048X2-0.017 526X+3.302 143 (22)
决定系数R2越接近于1，数学模型越有效；显著性值P<0.05，数学模型有意义且显著。由表5可知，不同喂入量下的各回归数学模型均非常有效、有意义且显著。
根据GB/T 21962—2008相关规定，在籽粒含水率25%以下进行玉米籽粒直收时，籽粒破碎率Zs<5%，未脱净率Sw<2%[25]。因此，不同喂入量下籽粒破碎率、未脱净率回归方程均需要满足：破碎率小于5%，且未脱净率小于2%的条件。
通过单变量求解得出，喂入量为8 kg/s时，最优的滚筒转速范围为：254 r/min 对计算求解得出的不同喂入量的最优滚筒转速范围进行验证试验，每个喂入量下选取高、中、低3个滚筒转速进行试验，结果如表6所示。 表6 验证试验结果Tab.6 Results of verification tests 由表6可知：不同喂入量各滚筒转速下籽粒破碎率小于5%，未脱净率小于2%，达到了国家及相关标准要求。进而验证了试验、计算得出的不同喂入量下最优的滚筒转速是满足要求的。 最后，通过脱粒试验、回归分析和单变量求解发现，随着喂入量的增加，最优的滚筒转速范围其最低转速在增大，最高转速在减小。即随着喂入量的增加，最优的滚筒转速范围在缩小，如图13所示。 出现上述试验结果的原因在于，通过脱粒试验、受力分析和仿真结果均表明，在同一滚筒转速下，随着喂入量的增加，籽粒破碎率增大，未脱净率增大。因此，随着喂入量的增加，最低转速增大，是为了保证破碎率满足规定的条件下，降低未脱净率；而最高转速减小，是为了保证未脱净率满足规定的条件下，降低破碎率。 图13 不同喂入量下最优滚筒转速范围Fig.13 Optimal ranges of cylinder speed at different feed rates (1)自主研制了纵轴流玉米脱粒分离试验台。设计的脱粒分离装置结构上可更换不同类型、材料的脱粒元件，可更换不同形式的螺旋喂入头、凹板，结构参数、工作参数调节方便。螺旋喂入头的设计确保了物料喂入流畅，细圆管型玉米脱粒凹板的设计降低了籽粒破碎率。 (2)玉米脱粒试验表明：滚筒转速对籽粒破碎率、未脱净率均有显著性影响。且随着滚筒转速的增加，破碎率增大，未脱净率降低。在相同滚筒转速下，随着喂入量的增大，籽粒破碎率、未脱净率均增加。 (3)随着喂入量的增大，最优的滚筒转速范围在缩小。喂入量为8 kg/s时，最优的滚筒转速为254～486 r/min；喂入量为10 kg/s时，最优的滚筒转速为278～466 r/min；喂入量为12 kg/s时，最优的滚筒转速为313～445 r/min。其籽粒破碎率均小于5%，未脱净率小于2%，达到了国家及相关标准要求。 1 耿爱军，杨建宁，张兆磊，等．国内外玉米收获机械发展现状及展望[J]．农机化研究，2016，38(4)：251-257． GENG Aijun, YANG Jianning, ZHANG Zhaolei, et al. 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3 结论
