玉米摘穗割台刚柔耦合减损机理分析与试验

付乾坤 付 君 陈 志 任露泉

(1.吉林大学工程仿生教育部重点实验室， 长春 130022； 2.吉林大学生物与农业工程学院， 长春 130022；3.中国农业机械化科学研究院， 北京 100083)

0 引言

割台是玉米收获机的主要工作部件之一[1]。割台工作时，相向转动的拉茎辊在摩擦力作用下，将茎秆和果穗向下拉动，果穗在受到摘穗板阻挡作用后，穗柄被拉断，在此过程中，果穗与摘穗机构发生剧烈碰撞[2]。籽粒直收是玉米机械化收获技术的主要发展方向之一[3-4]，该技术要求收获期果穗含水率低、苞叶短而窄，且包裹松散[5-7]，这加剧了果穗与割台碰撞中籽粒的迸溅，造成了玉米收获割台较大的籽粒损失。

针对玉米籽粒脱落与损伤问题，PETKEVICIUS等[8]分析了玉米果穗在准静态压力下的穗-粒分离机理；文献[9-10]研究了不同受力方式下籽粒与玉米芯的连接强度、粒柄断裂特性；贺俊林等[11]针对辊式摘穗装置的果穗啃伤问题，进行了全组合试验，发现摘辊拉茎段与凸棱的结构参数是影响籽粒损失和损伤的主因；耿爱军等[12]通过建立果穗受力数学模型发现，果穗被摘下时受到的摩擦力和获得的加速度，对籽粒损伤和损失有较大影响；陈美舟等[13]通过高速摄像发现，果穗在摘穗辊上的弹跳是造成果穗二次损伤的主因。为改善摘穗质量，文献[14-17]在设计中采用立辊进行摘穗，通过减小割台与果穗的碰撞来降低籽粒损失，并对立辊的结构和参数进行了优化；张智龙等[18]设计了梳齿式摘穗机构，采用向上梳脱的方式将果穗摘下，以减少损失；美国DRAGO公司开发了具有缓冲弹簧的摘穗板，以此降低碰撞造成的籽粒损失[19]；JOHN DEERE 公司的700C系列割台配置了可调节工作参数的液压式摘穗板，以减少摘穗损失[20]；OXBO 3000系列割台采用锥形刀辊，降低果穗与摘穗板的冲击加速度，以减少籽粒损失[21]。在多种作物的收获中，柔性结构作业部件得到广泛采用，以此降低收获中碰撞与挤压等造成的损失及损伤[22-25]；付乾坤等[26]根据质体碰撞理论中碰撞参数与碰撞体结构关系，设计了轮式刚柔耦合减损玉米摘穗割台。

为探究缓冲弹簧和柔性触穗表面两种刚柔耦合因素在摘穗减损中的作用和机理，本文以板式摘穗机构和具有缓冲弹簧的轮式摘穗机构为2种基本结构，以刚性触穗表面和柔性触穗表面为2种基本触穗表面，构建4种摘穗机构，进行割台作业速度下的果穗碰撞试验，采集碰撞加速度峰值、碰撞时间、碰撞冲量等参数，统计籽粒脱落质量，研究缓冲弹簧结构和柔性触穗表面两种刚柔耦合因素对玉米摘穗中籽粒损失的影响规律，探究其作用机理，为玉米割台的减损优化提供理论依据和设计参考。

1 试验原理

果穗与摘穗机构的碰撞强度，可通过碰撞时间、碰撞加速度、碰撞冲量等参数进行表征。果穗与割台碰撞时，通过固定在果穗上的加速度传感器测得的加速度曲线如图1所示。t0为玉米果穗与摘穗板开始接触的时刻，t1为玉米果穗与摘穗板接触后反弹脱离摘穗板的时刻，t0与t1的时间间隔即果穗与摘穗板的碰撞时间Δt。加速度随时间而变化，碰撞前果穗的加速度等于重力加速度，与碰撞加速度相比，可以忽略不计。碰撞时，从t0开始，加速度由0开始迅速增大，当加速度增加到am时达到峰值并开始减小，到t1时，加速度减小到0，果穗与摘穗机构脱离接触。在碰撞结束后，曲线的波动主要由果穗自身的振动所引起。

图1 典型碰撞过程的加速度曲线Fig.1 Acceleration curve of typical impact of corn ear

图2 果穗与割台碰撞受力简化模型Fig.2 Simplified model of force of impact between corn ear and deck plate

在不考虑玉米茎秆对果穗碰撞影响的情况下，果穗与摘穗机构的碰撞问题可简化为自由质体与弹性壁的碰撞问题，如图2所示。

在果穗与摘穗机构碰撞接触期间，其运动满足以下初值问题

(1)

式中M——碰撞前果穗质量，kg

c——摘穗机构阻尼系数，N·s/m

k——摘穗机构刚度，N/m

v0——果穗与摘穗板碰撞时的初速度，m/s

在欠阻尼情况下，式(1)的解为

y(t)=Ae-ξωntsin(ωdt)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中A——振幅，mmy(t)——质体位移，mm

ξ——粘性阻尼比，ξ<1

ωd——有阻尼固有频率，Hz

ωn——无阻尼固有频率，Hz

由于在碰撞开始和结束瞬间，果穗受力为0，即

(7)

(8)

将式(8)代入式(2)可得

-Ae-ξωnt[(1-2ξ2)ωnsin(ωdt)+2ξωdcos(ωdt)]=0

(9)

求得式(9)的2个解，分别为t0、t1，其中t0=0，最小正解t1即为碰撞时间

(10)

(11)

由式(10)及式(11)可知，碰撞时间取决于碰撞机构的固有频率及粘性阻尼比，直接决定于碰撞机构的材料属性及结构参数。

在碰撞前后，果穗与籽粒的速度满足动量-冲量定理，果穗受到的冲量为

(12)

式中P——果穗受到的冲量，kg·m/s

M′——碰撞掉粒后果穗的质量，kg

vR——果穗的反弹速度，m/s

mi——脱落籽粒质量，kg

viy——籽粒在竖直方向上迸溅速度，m/s

Pd——碰撞中的动量损失，主要由不可逆变形等引起，通常较小，kg·m/s

果穗与摘穗机构的碰撞参数除与碰撞速度及物料特性有关外，也决定于摘穗部件的结构特性和材料属性。因此，研究果穗不同摘穗机构的碰撞参数，统计玉米籽粒脱落质量，建立玉米籽粒脱落质量与碰撞参数的关系，有助于探究不同摘穗机构及减损措施对割台籽粒损失的影响机理，为玉米收获机的减损及割台的结构优化提供理论参考。

2 试验台设计

玉米摘穗碰撞试验台由跌落装置、数据采集系统及摘穗机构等组成。跌落装置可实现玉米果穗在指定高度的姿态固定和瞬间释放，果穗依靠重力加速度下落，在与摘穗机构碰撞瞬间，达到与玉米收获割台作业时相同的碰撞速度；数据采集系统包括数据采集模块、计算机和分别固定在摘穗机构与玉米果穗上的三轴加速度传感器，可实现碰撞过程中加速度数据的采集与存储；摘穗机构固定在跌落装置下方，本次研究的摘穗机构分为板式摘穗和具有缓冲弹簧的轮式摘穗2种基本结构，每种摘穗机构分为刚性和柔性2种触穗表面材料。

2.1 碰撞试验台

碰撞试验台如图3所示，由机架、竖直导轨、竖直滑块、丝杠、电机、水平滑轨、支撑板、电动推杆和果穗固定杆等组成。试验前，通过电机带动丝杠转动，竖直滑块在丝杠作用下沿竖直滑轨运动，到达指定高度后，调节支撑板的间距，将玉米果穗直立放置在两支撑板中间，并通过果穗固定杆进行姿态固定。试验时，打开电动推杆开关，推杆快速伸长，推动支撑板沿水平滑轨向两侧运动，果穗竖直落下，掉在摘穗装置上。

图3 碰撞试验台Fig.3 Impact test-bed1.提升电机 2.竖直导轨 3.电动推杆 4.玉米果穗 5.水平滑轨 6.支撑板 7.丝杠 8.摘穗机构 9.计算机 10.加速度传感器 11.数据传输线 12.数据采集器 13.果穗固定杆

2.2 摘穗机构设计

摘穗机构分为板式摘穗机构和轮式摘穗机构2种基本结构，每种结构分为2种材料，从而形成刚性表面板式摘穗机构、柔性表面板式摘穗机构、刚性表面轮式摘穗机构及柔性表面轮式摘穗机构4种形式。

刚性表面板式摘穗机构参照直板式玉米收获割台进行设计，如图4a所示。摘穗板材料为Q235，厚度4 mm，摘穗板间隙20 mm，因碰撞试验中果穗为定点下落，在满足试验要求的情况下，两侧摘穗板的长度和宽度均确定为120 mm。

图4 不同表面材料的板式摘穗机构Fig.4 Structures of snapping plates with different surface materials

柔性表面板式摘穗机构由刚性表面板式摘穗机构改装，如图4b所示。表面柔性体厚度为5 mm，柔性体张紧后采用螺栓固定在摘穗板上。表面柔性体材料为缩合型硅胶，室温下硬度58 SHA，抗拉强度4.50 MPa，剪切强度2.02 MPa，断裂伸长率320%。

轮式摘穗机构如图5a所示，由机架、立式轴承座、摘穗轮、摘穗轮轴、支架、支撑轴、缓冲弹簧、弹簧座、弹簧座轴等组成。该机构整体为杠杆式结构，各部分通过支架连接在一起：摘穗轮与摘穗轮轴位于支架前端，摘穗轮轴与支架之间安装有轴承；支撑轴位于支架中部，支撑轴两端通过立式轴承座安装在机架上；弹簧座通过弹簧座轴安装在支架后部，缓冲弹簧安装在弹簧座上，缓冲弹簧上端固定在机架上；机架的尺寸可以控制支架的摆动范围，使摘穗轮在作业范围内运动。刚性触穗表面的摘穗轮材料为Q235，柔性触穗表面摘穗轮材料为模具加工的缩合型硅胶。摘穗轮尺寸通过理论计算及优化试验确定，摘穗轮直径为30 mm，不锈钢管壁及缩合硅胶柔性体厚度为5 mm；缓冲弹簧在摘穗时应被压至最低位置，依靠机架限位功能，支撑摘穗轮及其支架完成摘穗，以最小穗柄拉断力作为缓冲弹簧的设计依据，根据计算，缓冲弹簧丝粗为2.5 mm，中径20 mm，弹簧自由高度52 mm，可承受极限载荷为215.03 N[26]。

图5 轮式摘穗机构结构与实物图Fig.5 Structure diagrams and material object of roll-type snapping device1.机架 2.摘穗轮 3.缓冲弹簧 4.弹簧座 5.弹簧座轴 6.支架 7.支撑轴 8.摘穗轮轴 9.立式轴承座

2.3 数据采集系统

碰撞数据采用德国HBM公司QuantumX数据采集系统中的MX1601B模块进行采集，该模块有16通道，每通道最高采样频率为20 000 Hz。采用美国PCB公司的356A33型三轴加速度传感器，其灵敏度为10 mV/g，响应频率为2～10 000 Hz，测量峰值范围为±500g。加速度传感器分别固定在玉米果穗和摘穗机构上。玉米果穗上的加速度传感器采用螺纹联接固定在不锈钢圆箍上，并通过收紧圆箍将其固定在玉米果穗上，圆箍与玉米果穗底端的距离为40 mm，如图6所示。有2个加速度传感器分别固定在摘穗机构两侧工作部件上，板式摘穗机构上的加速度传感器通过螺纹联接在两侧摘穗板底部，轮式摘穗机构上的加速度传感器采用螺纹联接在两侧摘穗轮轴上。

图6 加速度传感器在果穗上的固定方式Fig.6 Fixation method of accelerometer on corn ear

3 试验材料与方法

3.1 试验材料

试验所用材料为飞天358玉米果穗，手工采集自吉林大学农业实验基地，采集日期为2019年11月2日。试验所用玉米果穗大小基本一致，平均长度186 mm，果穗最大处平均直径47.8 mm，平均质量272 g，籽粒含水率为16.5%，百粒质量40.1 g，籽粒无破损及脱落情况，无病虫害。实际作业中，割台作业对象为覆盖有苞叶的果穗，但割台损失的籽粒大部分是在碰撞中与芯轴脱离，并在割台后续环节脱离苞叶束缚而掉落在割台和地面，形成损失；且苞叶生长在穗柄之上，当果穗表面存留苞叶时，穗柄将影响籽粒在碰撞中的受力，干扰籽粒损失机理的判断。故在试验前去除苞叶，折断穗柄，并将残留穗柄用刀片切除干净，以避免跌落碰撞时影响籽粒受力。

3.2 试验方法

3.2.1碰撞参数确定

摘穗时，玉米果穗在拉茎辊作用下向下运动，拉茎辊对茎秆的作用力由滑动摩擦力逐渐转变为静摩擦力，果穗与摘穗板碰撞时，其向下运动的速度约等于拉茎辊的表面线速度，该速度计算式为

(13)

式中v0e——果穗碰撞时运动速度，m/s

n——拉茎辊转速，取800 r/min

D——拉茎辊直径，约为100 mm

经计算，玉米果穗与摘穗板碰撞的相对速度即拉茎辊的表面线速度为4.2 m/s。

试验中，玉米果穗以自由落体方式达到指定碰撞速度，玉米果穗的下落高度计算式为

(14)

式中g——重力加速度，取9.8 m/s2

经计算，本试验中下落高度约为900 mm。

3.2.2碰撞参数采集

设定的采样频率为19 400 Hz，每次测量时，通过将果穗顶部部分籽粒去除，使每个果穗的质量均为(210±1)g，以消除果穗质量对碰撞参数的影响。圆箍与加速度传感器的质量之和为21.05 g，故碰撞部分的总质量约为231 g。

实际作业中，果穗会在两侧摘穗部件的共同作用下完成摘穗，但果穗与两侧摘穗部件的碰撞往往不能同时发生，在此试验中，多次碰撞会造成加速度曲线的混乱，不利于数据的统计与分析。因此，通过调整摘穗机构的安装位置，使果穗仅与一侧的摘穗部件发生碰撞，通过查看两侧摘穗部件的加速度来判断碰撞是否多次发生，并将多次碰撞的数据摒除。

试验时，将果穗竖直放置在支撑板上，连接电动推杆开关，使电动推杆快速伸长，玉米果穗与加速度传感器在重力作用下降落，并与摘穗装置碰撞。果穗和摘穗装置上的加速度传感器分别采集加速度信号，并通过采集模块记录到计算机。

数据采集后，运用Origin 2016 软件绘制加速度波形图，并在碰撞时间内对碰撞加速度进行积分，该积分乘以果穗质量，得到碰撞时摘穗装置对玉米果穗的冲量。

每次试验前后，称取玉米果穗质量，以碰撞前后果穗质量的差值作为玉米籽粒脱落的质量进行记录。

4 试验结果与分析

4.1 加速度曲线

加速度曲线可反映碰撞瞬间果穗的受力情况。玉米果穗与不同摘穗装置的碰撞加速度曲线呈现不同特点。

4.1.1果穗与板式摘穗机构碰撞曲线

图7 果穗与不同表面材料板式摘穗机构碰撞加速度曲线Fig.7 Acceleration curves of impact between corn ear and snapping plates with different surface materials

玉米果穗与2种不同表面材料的板式摘穗机构碰撞的加速度曲线如图7所示。刚性触穗表面板式摘穗机构碰撞加速度峰值较大，加速度从0增加到峰值及从峰值下降到0的时间较短，峰值附近加速度有小幅波动。果穗与柔性触穗表面板式摘穗机构的碰撞加速度曲线与刚性触穗表面板式摘穗机构相比，柔性触穗表面的碰撞加速度峰值有较大幅度的降低，同时，加速度由0增加到峰值及由峰值降低到0的时间明显延长，曲线平缓。

4.1.2果穗与轮式摘穗机构碰撞曲线

玉米果穗与2种不同表面材料的轮式摘穗机构碰撞的加速度曲线如图8所示。果穗与刚性触穗表面的碰撞加速度峰值与刚性触穗表面板式摘穗机构碰撞加速度峰值相近，加速度由0升至峰值及由峰值降至0的时间显著缩短，加速度降低至0后，曲线出现较大的波谷，表明玉米果穗受到了较大的反向加速度。果穗与柔性触穗表面轮式摘穗装置碰撞的加速度曲线与刚性表面轮式摘穗机构碰撞曲线相似，但加速度峰值显著降低，加速度由0增加到峰值的时间稍长，从而使碰撞接触时间延长，在加速度降至0以后，出现较明显的波谷，即果穗同样受到一定的反向加速度。

图8 果穗与不同表面材料轮式摘穗机构碰撞加速度曲线Fig.8 Acceleration curves of impact between corn ear and roll-type snapping device with different surface materials

4.1.3摘穗机构加速度曲线

摘穗部件受到果穗碰撞时，其自身也会产生振动，由图9可知，摘穗板在受到果穗撞击时会产生一定的振动，具有柔性触穗表面的摘穗板振动加速度峰值低于刚性表面摘穗板，表明柔性材料对于碰撞冲击力具有较明显的缓冲作用。由于板式摘穗机构结构未发生改变，因此，不同表面材料的板式摘穗机构具有相似的振动曲线，但柔性表面板式摘穗机构的振动周期比刚性表面板式摘穗机构振动周期有一定时间的延长，表明振动频率有所降低。

图9 板式摘穗机构加速度曲线Fig.9 Acceleration curves of snapping plate

图10为不同表面材料的轮式摘穗机构在玉米果穗碰撞下，摘穗轮的加速度曲线。由于摘穗轮在碰撞中会发生转动，因此需测量摘穗轮在竖直平面内两个相互垂直方向的加速度，其实际加速度应为两方向上加速度的矢量和。

图10 轮式摘穗机构加速度曲线Fig.10 Acceleration curves of roll-type snapping device

不同表面材料的轮式摘穗机构，碰撞的加速度曲线较相似，但刚性触穗表面的摘穗轮加速度峰值明显大于柔性触穗表面的摘穗轮，与果穗在碰撞中的受力一致。表明柔性材料对于降低摘穗机构受到的果穗撞击力效果明显。同时，轮式摘穗机构均在碰撞激励下产生频率较高的阻尼振动，该振动对于缩短果穗与摘穗部件碰撞中的接触时间，具有显著作用。

4.2 碰撞参数对比

果穗在试验台上与摘穗部件发生碰撞，运用数据采集系统记录果穗的碰撞参数，包括碰撞时间、加速度峰值、碰撞冲量，并称取碰撞前后玉米果穗的质量，将差值作为籽粒脱落的质量。对上述参数分别取平均值，对4种不同摘穗机构进行对比分析。

4.2.1碰撞时间

果穗与刚性表面板式摘穗机构、柔性表面板式摘穗机构、刚性表面轮式摘穗机构及柔性表面轮式摘穗机构4种摘穗装置的平均碰撞时间分别为3.37、6.02、1.28、1.96 ms。试验结果表明，具有缓冲弹簧的轮式摘穗部件可显著降低果穗的碰撞时间，在果穗与刚性触穗表面和柔性触穗表面的轮式摘穗机构碰撞中，碰撞时间分别比板式摘穗机构降低了62.2%和67.3%；而柔性触穗表面可显著延长果穗与摘穗机构的碰撞时间，在板式摘穗机构和轮式摘穗机构上，果穗与柔性触穗表面的碰撞时间分别比刚性触穗表面增加了78.4%和53.8%。

4.2.2加速度峰值

果穗与刚性表面板式摘穗机构、柔性表面板式摘穗机构、刚性表面轮式摘穗机构及柔性表面轮式摘穗机构的平均碰撞加速度峰值分别为3 509.8、1 928.0、3 491.4、1 563.1 m/s2。由牛顿第二定律可知，果穗受到的最大冲击力分别为810.8、445.4、806.5、361.1 N。对于轮式摘穗机构，由于碰撞时间极短，缓冲弹簧被压至极限位置前果穗与摘穗轮的第一次碰撞接触已经结束，因此，虽然果穗受到的最大冲击力超过缓冲弹簧的极限载荷，但不会对其结构造成破坏。试验数据表明，当表面材料相同时，具有缓冲弹簧的轮式摘穗机构与板式摘穗机构相比，并不能有效降低摘穗时玉米果穗底部受到的冲击力；而柔性表面可显著降低果穗与摘穗机构碰撞的加速度峰值，从而降低最大冲击力。果穗与具有柔性表面的板式摘穗机构和轮式摘穗机构碰撞受到的最大冲击力，与刚性表面相比分别降低了45.1%和55.2%。

4.2.3碰撞冲量

由数据处理软件Origin 2016可计算得，果穗与刚性表面板式摘穗机构、柔性表面板式摘穗机构、刚性表面轮式摘穗机构及柔性表面轮式摘穗机构碰撞时，加速度在碰撞时间上的积分分别为5.92、4.74、2.33、1.14 m/s，由于果穗、加速度传感器及固定装置的总质量为231 g，故果穗与摘穗机构的碰撞冲量分别为1.37、1.09、0.54、0.26 kg·m/s。果穗与轮式摘穗机构在刚性和柔性触穗表面上的碰撞冲量，相较于板式摘穗机构，分别降低了60.6%和76.0%；在板式和轮式摘穗机构上，果穗与柔性触穗表面的碰撞冲量，分别比刚性触穗表面降低了19.9%和51.2%。因此，试验的两种刚柔耦合因素(轮式摘穗机构中的缓冲弹簧和缩合型硅胶制成的柔性触穗表面)均可降低果穗在摘穗机构上的碰撞冲量。

本试验中，缓冲弹簧结构对碰撞冲量的降低作用大于柔性触穗表面。由式(12)可知，碰撞冲量与碰撞时间和加速度曲线形状有关，虽然柔性触穗表面延长了果穗与摘穗部件的碰撞接触时间(图7、8)，但加速度峰值与平均值大幅降低，使加速度在碰撞时间内的积分有所降低，表明柔性触穗表面可在一定程度上降低碰撞冲量。而具有缓冲弹簧的轮式摘穗机构，与板式摘穗机构相比，当表面材料一致时(均为刚性触穗表面或柔性触穗表面)，虽碰撞加速度峰值变化较小，但因本身结构形状发生较大改变，导致固有振动频率明显提高(图10)，大幅缩短了果穗与摘穗部件的碰撞接触时间，刚性触穗表面和柔性触穗表面碰撞时间分别减少62.2%和67.3%，最终使果穗受到的碰撞冲量大幅降低。

4.2.4掉粒质量

在与刚性表面板式摘穗机构、柔性表面板式摘穗机构、刚性表面轮式摘穗机构及柔性表面轮式摘穗机构碰撞时，玉米果穗的掉粒质量分别为9.04、5.96、7.73、4.43 g。当触穗表面分别为刚性材料和柔性材料时，果穗在具有缓冲弹簧的轮式摘穗机构上的掉粒质量分别比板式摘穗机构降低了14.4%和25.6%；在具有柔性表面材料的板式摘穗机构和轮式摘穗机构上，籽粒脱落质量分别比刚性触穗表面降低了34.1%和42.8%。

果穗碰撞中籽粒的脱落，主要原因是碰撞中籽粒的受力发生改变，果穗碰撞瞬间，籽粒在相邻籽粒和摘穗板共同作用下，所受合力超过籽粒与果穗间粒柄的连接力，导致粒柄断裂，受力平衡被打破，造成籽粒的脱落与飞溅[26]。本试验中，轮式摘穗机构虽然缩短了果穗与摘穗机构的碰撞接触时间，但当其表面为刚性材料时，碰撞加速度峰值并无明显改变，表明籽粒在碰撞瞬间受力未发生明显变化，籽粒因受力而导致的粒柄断裂数量无明显减少，故籽粒脱落质量降幅较小。而板式摘穗机构和轮式摘穗机构上的柔性触穗表面则较大幅度降低了碰撞加速度峰值，使籽粒受力降低，故粒柄断裂明显减少，籽粒脱落数量大幅降低。所以，摘穗机构表面的柔性触穗材料对于玉米果穗碰撞的减损效果大于缓冲弹簧。

4.3 讨论

试验结果表明，相对于传统的刚性表面板式摘穗割台，通过将刚性结构改变为刚柔耦合结构，可以有效改变果穗与摘穗部件的碰撞接触受力参数，进而影响果穗底部籽粒的受力，降低因碰撞造成的割台籽粒损失。

对比分析果穗与4种摘穗机构的碰撞加速度曲线及碰撞参数，发现两种不同刚柔耦合减损方式分别在割台的玉米碰撞减损中发挥了不同作用。对于缓冲弹簧而言，轮式摘穗机构受到碰撞冲击时，缓冲弹簧产生压缩与较高频率阻尼振动，通过振动，降低摘穗轮与果穗的碰撞时间，并将碰撞能量有效吸收和释放。轮式摘穗机构自振动的周期明显小于板式摘穗机构，碰撞时，摘穗机构自身的振动与碰撞冲击产生叠加，表现为摘穗轮在碰撞中与果穗的接触时间缩短，由动量定理可知，果穗受到的冲量将会减小。碰撞冲量对于本研究的碰撞中籽粒脱落的影响难以直观体现，由式(12)可推知，冲量的减小意味着果穗反弹速度及籽粒迸溅速度的降低，从而可以有效降低果穗与摘穗机构的二次碰撞强度，并减小籽粒飞溅造成的落地损失。

另一方面，柔性表面材料可降低摘穗机构表面刚度，增加阻尼系数，降低碰撞系统固有频率，增加系统粘性阻尼比，在上述参数的综合影响下，果穗与摘穗机构的碰撞时间显著延长。在碰撞冲量不变的情况下，碰撞时间的延长，可有效降低果穗的碰撞加速度。果穗与刚性和柔性触穗表面摘穗机构碰撞的加速度曲线对比亦证明，柔性触穗表面可显著延长果穗与摘穗机构碰撞的时间，降低加速度峰值，从而减小果穗及籽粒在碰撞中受到的冲击力，减少粒柄断裂数量，降低籽粒损失。

各机构碰撞中的加速度峰值与籽粒脱落质量的数值分布具有较强的相似性。该特征表明，在各摘穗机构与果穗的碰撞中，果穗的掉粒质量受果穗在碰撞中受到的冲击力影响较大，证明了果穗籽粒的脱落，主要是籽粒粒柄的受力超过了其极限载荷，从而造成了粒柄的失效断裂。

同时，对于轮式摘穗机构，根据茎秆运动速度及摘穗轮向下运动行程可计算出，该机构对于摘穗时间的延长较小，与柔性触穗表面对摘穗时间的延长均为毫秒级，远低于相邻两株玉米的摘穗间隔，故不会对作业效率造成影响。

5 结论

(1)玉米摘穗割台中采用缓冲弹簧和柔性触穗表面2种刚柔耦合结构，均可有效改变果穗与摘穗部件的碰撞接触受力参数，影响果穗底部籽粒的受力，进而降低因碰撞造成的割台籽粒损失。

(2)具有缓冲弹簧的轮式摘穗机构不能改变果穗碰撞的加速度峰值，但可缩短碰撞时间，减小果穗受到的冲量，从而降低反弹速度和籽粒迸溅速度；与板式摘穗机构相比，轮式摘穗机构上果穗与刚性、柔性触穗表面的碰撞时间分别缩短了62.2%、67.3%，碰撞冲量分别降低了60.6%、76.0%，掉粒质量分别降低了14.4%、25.6%。

(3)柔性触穗表面可延长碰撞时间，降低碰撞加速度，减少籽粒受力造成的粒柄断裂，从而降低籽粒脱落损失；在板式和轮式摘穗机构上，果穗与柔性触穗表面的碰撞时间分别比刚性触穗表面延长了78.4%、53.8%，最大冲击力降低了45.1%、55.2%，碰撞冲量降低了19.9%、51.2%，掉粒质量降低了34.1%、42.8%。