玉米收获机械损伤研究进展分析

张 涛，李 平，张 莹，唐兴隆，代治国，李 英

（1.重庆市农业科学院，重庆 401329；2.重庆市经贸中等专业学校，重庆 402160）

玉米是主要粮食作物之一，在世界上广泛种植和分布。中国玉米产量居世界第二。在玉米耕、种、管、收作业过程中，收获环节劳动强度和人力投资最大，需要掰、撕、运等多个步骤，成本投入量约占整个生长过程55%[1]。因此，玉米规模化、标准化种植时，机械化收获是玉米生产发展的必然趋势。

在玉米的收获过程中，摘穗和脱粒对玉米籽粒均有不同程度地损伤导致玉米品质的下降，因此研制低损伤玉米收获机械，显得尤为重要。现有玉米脱粒机根据其工作原理可分为冲击脱粒、搓擦脱粒、梳刷脱粒、碾压脱粒、振动脱粒。脱粒过程中玉米籽粒所受的损伤包括外部机械损伤和隐性机械损伤。为了减少玉米收获过程中的机械损伤，国内外研究者做了大量的研究和分析。

1 玉米生物力学性能研究分析

1.1 国外研究

不同种类谷物籽粒生物力学各有差异，其本构特性决定了籽粒损伤机理。研究玉米籽粒的力学特性能够更好地揭示损伤规律，以及为脱粒机械提供结构及工作参数设计依据。国外对玉米生物力学性能的研究较早，主要通过对不同品种或含水率玉米籽粒施加加载速度和加载位置，得到各力学性能指标变化规律，借助电子显微镜、光谱仪等设备观察玉米籽粒损伤状态下的内部结构及影响品质的因子。

Akubuo[2]等人设计了玉米脱粒机装置，并进行多因素脱粒品质试验。试验选取3种不同收获期的玉米品种为研究对象，将玉米籽粒的破碎率和脱粒效率作为脱粒性能指标。研究发现，玉米籽粒的品种和含水率是影响脱粒和损伤性能的重要影响因子，其中品种仅对破碎率影响较大，对脱粒效率无显著影响。Brass[3]发现玉米籽粒不同部位抵抗冲击的能力不同，冲击载荷下玉米籽粒破坏通常是从内部结构开始的，再向种皮扩散，最后导致种皮的破裂。Srivastava[4]通过动力学方法研究籽粒在受到不同冲击载荷时玉米力学性能，得到其籽粒剪切强度与冲击速度成正比，玉米受到的横向剪切力强度比纵向剪切力强度大，因此纵向冲击单位面积所受的能量是衡量籽粒破损的最佳参数。Balastreire 等[5]通过电子显微镜扫描对玉米破裂内部情况进行观察，玉米籽粒胚乳破裂规律为先从内部中心位置开始，造成隐形损伤，最后扩展至淀粉颗粒和细胞壁结构，但裂纹扩散形式及形态仅与籽粒本构和化学特性有关，与外部因素如温度和负载的速度等无关。

1.2 国内研究

国内对玉米力学性能的研究起步晚但发展迅速，主要通过施加不同形式载荷研究籽粒各力学性能指标变化规律、各因素对损伤指标的影响主次序以及籽粒自身结构特性等方面研究。

在加载力学方面，李心平[6]在跌落冲击试验台上进行了不同品种玉米种子的冲击破碎试验，分析了不同冲击位置下玉米种子的力学性能。结果表明，在同一水分含量下，腹面冲击力最大，侧面次之，顶面最小；在同一冲击面条件下，不同玉米品种抗冲击开裂能力不同。同时利用模拟和试验的方法对谷物籽粒应力松弛进行了大量研究，冯和平等[7]发现，玉米籽粒的含水率、外界温度对应力松弛特性指标有显著性影响。张明学等[8]测试了玉米种子在冲击载荷下的破碎灵敏度，分析了玉米含水量、碰撞速度等因素对破碎的影响，得出了玉米种子的临界破碎速度。

1.3 存在问题

国内外研究人员在玉米生物力学性能的研究上取得了很多的成果，但只针对玉米进行了准静态条件下压缩、剪切、拉伸、弯曲等力学试验研究，在利用动力学方法研究玉米籽粒在脱粒过程种玉米芯、籽粒运动过程、碰撞性能以及玉米芯—籽粒连接力大小的研究极少。

2 玉米损伤有限元分析

近年来，随着计算机和仿真技术的高速发展，使仿真分析方法被越来越多地应用于玉米脱粒和碰撞性能的研究。传统研究方法通过理论和试验，无法量化损伤过程中玉米的应力、应变及能量等关键参数。因此很多研究人员开始建立玉米籽粒的三维模型，利用有限元方法模拟玉米的碰撞过程。

Wang[9]为了解决玉米脱粒过程离散元模拟分析的精度问题，建立了离散元分析中不规则玉米种子的填充方法，提高了模拟精度。Chen[10]等人通过球形填充法建立了不同品种和形态玉米粒的离散元模型，提高了离散元分析应用于玉米脱粒过程的模拟分析精度，并通过流动试验验证了建模方法的可靠性。

2.1 玉米脱粒性能有限元分析

玉米在脱粒过程中，受机械装置外力作用下，所受载荷的大小、方式和作用部位是影响玉米籽粒裂纹生成的主要因素。用传统单一的试验不能明确玉米籽粒的内部的力学性能，因此需借助有限元分析方法来进行分析研究。

学者用有限元方法模拟玉米籽粒的内部结构，观察各组成部分的水分扩散能力。周海玲[11]在玉米脱粒过程的DEM分析的基础上，提出了一种Mohr-Coulomb 破坏准则，并将该破坏准则应用于玉米脱粒过程的DEM仿真；通过模拟分析了滚筒转速、穗输入量和穗位对净排种率和落种沿滚筒轴向分布等指标的影响。通过与实际试验的对比，验证了失效准则的可靠性。

2.2 玉米碰撞性能有限元分析

玉米的冲击损伤主要受玉米含水量、冲击速度和品种的影响。研究人员利用有限元方法模拟玉米的碰撞过程，量化应力、应变和能量等关键参数的动态变化。

王博[12]等人通过利用HyperMesh 和LS-DYNA 动力学软件对籽粒碰撞进行了有限元模拟分析研究，对不同含水量和碰撞速度下颗粒损伤的动态过程进行了量化评价，主要量化指标有接触力、Von Mises 应力和变形量，并得到了各因素与碰撞性能指标之间的变化规律。以确定在不同含水率下籽粒的损伤临界速度；提取关键的数字和图像结果，通过回归分析和响应面分析研究，单因素和交互作用对响应值的影响，结合非线性多目标优化的计算方法，优化碰撞参数。

2.3 存在的问题

有限元分析方法近些年开始应用在玉米损伤研究上，解决了传统试验方法无法解决的问题，但大部分分析是玉米籽粒受静态力学下进行仿真分析，缺少瞬时受力分析。仿真结果缺少采用实验方法来验证数值求解模型的正确性和合理性，仿真分析还需进一步优化。得到的数值模拟结果，在玉米收获机械装置的设计与改进上，没有起到最大作用。

3 玉米收获机械装置研究

摘穗和脱粒是玉米机械化收获中劳动强度和复杂程度最大的环节，摘穗损伤和脱粒损伤是玉米直收中最重要的损伤，国内外研究者对不同摘穗和脱粒装置的机械损伤进行了大量的研究与研制。

3.1 国外研究

Srivastava[13]研究发现当传统的脱粒滚筒其直径每增加75mm 时，脱粒损失就会增大0.9%。Kumara[14]为了使脱粒机的结构更加人性化，设计了一种符合人体工程学原理的玉米脱粒机。Miu[15]等研究了玉米脱粒机轴向及切向两种不同脱粒装置的工作原理，在此基础上建立了这两种脱粒装置脱粒过程的离散数学模型，且通过对比试验验证了该数学模型的有效性。

3.2 国内研究

樊晨龙[16]等人设计了一种低损伤脱粒分离装置，利用分段式分离组合式结构进行设计并优化，优化后的圆头钉齿相比于常规的梯形杆齿脱粒损伤低。并通过该装置探索了影响脱粒性能的关键因素，为解决高含水率籽粒直收破损率高等问题提供新方法。赵武云[17]等设计制造了一种螺旋板齿式玉米脱粒机，通过试验建立了工作参数与脱粒性能之间的数学模型，主要影响因素有喂入量、板齿螺旋角、脱粒轴转速和排芯口压板压力，并考虑相互之间的交互作用，研究分析了脱粒过程中的影响籽粒破碎率的因素。研究结果表明，以上4种因素对玉米籽粒损伤影响主次序为：板齿螺旋角>脱粒轴转速>喂入量>排芯口压板压力，并得到了最有因素水平组合，使得破碎率取得最小值。也有不少学者从仿生学角度出发，降低摘穗辊对玉米穗的作用力，减轻穗辊对玉米果穗的啃咬损伤。贺俊林[18]通过研究当量摩擦系数规律，得到摘穗辊表面与茎秆之间摩擦因素，从而设计并研制了仿生几何结构表面的玉米摘穗辊，通过试验验证该玉米摘穗辊对玉米茎秆的攫取能力显著提高。

3.3 存在问题

国内外研究人员大多是研究装置的摘穗和脱粒机械部件对玉米损伤的影响因素，装置的优化是基于理论试验和静态力学仿真分析，缺少结合影响玉米损伤内在因素进行设计与改进。

4 结论

国内研究人员在玉米仿真分析方面的研究较少，对玉米损伤机理的研究大部分是通过理论和单一试验方法的形式，离散元方法也只能判断籽粒是否达到其与果穗的连接强度极限，无法展示籽粒内部的应力、应变分布情况和变化规律。

机械脱粒过程中大多将谷粒破损率作为定量统计的脱粒性能指标之一，而缺乏对单粒脱粒损伤内在机理的深入研究。

对玉米损伤机理的研究应将把有限元分析和试验分析形式结合起来，两种形式结合能更直观地找到导致玉米损伤的因素，对玉米收获机械装置的研制有指导作用。国内研究人员对玉米收获机械装置的研究大都局限在实验室内，田间生产条件复杂，实验室成果难以直接在实际生产中应用，而且现有科技孵化能力极低，导致科学研究向产品转化力极低。