不同脱粒方式对玉米籽粒损伤的影响规律

徐海港，张春祥，孙延成，耿端阳，张小军

(1. 山东时风(集团)有限责任公司, 山东 聊城 252800；2. 山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049；3. 四川省农机化技术推广总站, 四川 成都 610041)

黄淮海是我国玉米主产区之一，2019 年玉米种植面积约为4 212.9 万hm2，占全国的36.0 %，总产量2.573 亿t，占全国的39.1 %。夏玉米成熟期在9月份左右，此时玉米籽粒含水率一般超过30%[1-4]，这给玉米籽粒的机械化收获造成很大障碍。籽粒在脱粒过程中受到脱粒元件的挤压、冲击和揉搓等外力作用易造成籽粒损伤，增加感染黄曲霉素的风险;因此,如何降低玉米籽粒在收获过程的损伤率已成为玉米籽粒直收技术推广的关键[5-6]。

文献[7]对轴流脱粒滚筒凹板与脱粒元件间隙、凹板横栅格间隙和凹板纵连筋条间隙进行了响应面优化试验，得出在喂入量为10 kg/s条件下、凹板与脱粒元件间隙为25.4 mm、凹板横栅格间隙为25 mm、凹板纵连筋条间隙为20 mm时，籽粒损伤率可降到最低的结论。文献[8]对脱粒滚筒、凹板横隔板与果穗之间的作用力进行了数值分析，提出将玉米果穗简化为127个节点的有限元分析方法，为脱粒过程中籽粒的受力和位移研究提供了参考；对凹板横隔板间隙进行的试验结果表明，凹板横隔板间隙为62.5 mm时，籽粒损伤率可降到3%以下。文献[9]开发了玉米脱粒仿真数字软件AgriCAE，并以钉齿滚筒为例进行了验证，为玉米脱粒滚筒结构设计提供了便利。长安大学王志明博士在同轴差速式脱粒分离滚筒研究的基础上，研发了横置差速式轴流脱粒系统并确定了其最佳组合参数[10]。山东理工大学耿端阳教授研发了柔性钉齿和弹性短纹杆相结合的横轴流式玉米柔性脱粒装置，实现了在保证脱净率条件下降低玉米籽粒损伤的作业效果[11]。

基于上述研究，本文研发板齿式和钉齿式两种玉米脱粒装置，并对其在4YZ-6型自走式玉米联合收获机上开展对比性试验，研究钉齿滚筒与栅格凹板组合式脱粒装置和板齿滚筒与圆管凹板组合式脱粒装置对籽粒损伤的影响规律，以期为优选合理的脱粒装置提供数据支持。

1 脱粒装置的主要结构

为了提高玉米收获机的质量，本文结合现有的纹杆式脱粒装置、横轴流式脱粒装置、纵轴流锤爪式脱粒装置的不同脱粒特点，分别设计两种不同型式脱粒滚筒及凹板的脱粒装置。为方便研究，通过在同一机具上依次更换不同的脱粒装置进而对比分析不同结构形式脱粒装置的工作性能。

1.1 钉齿式脱粒装置

钉齿式脱粒装置由钉齿滚筒和栅格凹板两部分组成，其中钉齿式滚筒结构如图1所示，具体参数如下：钉齿式滚筒回转直径620 mm、工作长度2 200 mm、凹板包角246°、入口脱粒间隙70 mm、出口脱粒间隙20～60 mm、滚筒转速300～400 r/min；

1.前固定轴；2.喂入锥；3.喂入叶片；4.脱粒钉齿；5.脱粒滚筒；6.幅盘；7.后固定轴。

与其配合的栅格凹板结构如图2所示。

1.转动销轴；2.栅格板；3.间隙调节凹板；4.固定凹板；5.凹板组合结构。

1.2 板齿式脱粒装置

板齿式脱粒装置由板齿滚筒和圆管凹板两部分组成，其中板齿式滚筒结构如图3所示，具体参数如下：板齿式滚筒回转直径620 mm、工作长度2 200 mm、凹板包角246°、入口脱粒间隙70 mm、出口脱粒间隙20～60 mm、滚筒转速300～400 r/min；与其配合的圆管凹板结构如图4所示。

1.前固定轴；2.喂入锥；3.喂入叶片；4.齿板式脱粒元件；5.板式脱粒元件；6.脱粒滚筒；7.前幅盘；8.排玉米芯板；9.后幅盘；10.后固定轴。

1.转动销轴；2.圆管；3.铰接活页；4.凹板组合结构。

2 脱粒装置试验及对比分析

2.1 籽粒损伤试验

为探索滚筒转速、凹板间隙、籽粒含水率对籽粒损伤率的影响规律及最佳参数组合，以上述三因素为影响因素、以籽粒损伤率为考核指标进行试验。

试验地点为山东省聊城市东昌府区试验田，属山东玉米高产地带，玉米种植行距为600 mm，试验地长度约75 m，宽度约20 m，收获时间为9月下旬。对两种脱粒装置的上述三参数进行籽粒损伤试验，两种脱粒装置分别在4YZ-6自走式玉米联合收获机上进行换装，其主要技术参数见表1，试验过程如图5所示。

图5 大田试验过程

表1 4YZ-6型自走式玉米联合收获机参数

收获的玉米品种为郑单958，收获期玉米物理特性为：穗高1 200 mm、百粒重40～51 g，植株倒伏率低于5%，果穗下垂率低于5%，行距60 cm，最低结穗高度大于350 mm。

2.2 试验方法

根据GB/T 21961—2008《玉米收获机械 试验方法》、GB/T 21962—2008 《玉米收获机械 技术条件》以及NY/T 645—2002《玉米收获机质量评价技术规范》对研制的两种不同结构的脱粒装置在4YZ-6型玉米籽粒直收机上进行测试。为获取籽粒损伤率所使用的主要检测设备包括：0～30 m卷尺、TL-4型智能水分测试仪、J9-2型电子秒表、HCS-50型电子吊秤、JJ3000型电子天平。

在测定区，从接粮口随机接取不少于2 kg的样品，人工拣出有明显裂纹及破皮的籽粒，分别称出破损籽粒质量及取样籽粒的总质量。其籽粒损伤率

(1)

式中：W1为损伤籽粒质量，等于有明显裂纹和破皮的籽粒质量之和(g)；W2为样品籽粒总质量(g)。

2.3 试验方案与试验结果分析

为了掌握各因素对籽粒损伤的影响规律，确定试验参数的合理取值范围，对其开展单因素试验。

2.3.1 单因素试验及分析

由于玉米收获期含水率是导致籽粒损伤的主要原因，所以本研究在借鉴相关研究的基础上，选择在出口脱粒间隙40 mm、滚筒转速为300 r/min的情况下分别对两种不同类型的脱粒装置开展籽粒损伤率随其含水率变化单因素试验，结果如图6所示。

图6 含水率对籽粒破损率的影响

由图6可以看出，对于两种不同结构的脱粒装置，都表现出随着籽粒含水率的增加，其籽粒损伤增加的趋势，表明籽粒含水率对脱粒过程籽粒损伤有显著的影响。这是因为当籽粒含水率较高时，籽粒间的相互夹持力越大，籽粒的抗损伤能力越低，所以导致了籽粒损伤率随含水率增加而增加。但总体而言，板齿式脱粒装置比钉齿式脱粒装置的籽粒损伤小，这是因为板齿式脱粒装置作业时，板齿、圆管与果穗成线状接触，而钉齿式脱粒装置作业时，其钉齿、栅格板与果穗成点状接触，即板齿式对果穗的脱粒强度显著低于钉齿式结构，最终导致其籽粒损伤率较低。

为了探寻脱粒间隙对籽粒损伤率的影响规律，本研究依据玉米收获期含水率多为30%左右的实际情况，选择了该条件下的玉米为试验对象；为了增强前后试验数据的可比性，滚筒转速继续取前述试验的300 r/min；脱粒间隙虽然包括入口间隙和出口间隙，但是出口间隙是导致籽粒损伤的主要原因，所以选择入口间隙为70 mm，出口间隙为20～60 mm时开展脱粒间隙对籽粒损伤的影响规律试验，结果如图7所示。

图7 出口脱粒间隙对籽粒损伤率的影响规律

由图7可以看出，对于两种不同结构的脱粒装置，都表现出随着出口间隙的增加，其籽粒损伤率逐渐下降。这是因为随着出口脱粒间隙的增加，脱粒滚筒作用于果穗上的脱粒强度会逐渐降低，所以表现出籽粒损伤随出口脱粒间隙增加而减小的趋势。但是整体而言，板齿式脱粒效果要优于钉齿式，这是因为对于板齿式玉米脱粒方式而言，其脱粒过程为板齿式脱粒滚筒与配套的圆管凹板都以线接触方式对果穗施加脱粒载荷，而钉齿式滚筒配合栅格凹板对果穗以点接触方式施加脱粒载荷，所以板齿式脱粒强度较钉齿式要柔和，从而表现出板齿式脱粒装置籽粒损伤率低于钉齿式脱粒装置籽粒损伤率的效果。

为探寻脱粒滚筒转速对籽粒损伤率的影响规律，根据前期的玉米籽粒含水率测试结果，选取含水率30%玉米籽粒、出口脱粒间隙40 mm为条件，研究两种脱粒装置在不同转速下籽粒损伤规律，其结果如图8所示。

图8 脱粒滚筒转速对籽粒损伤率的影响规律

由图8可以看出，随着脱粒滚筒转速的增大，两种脱粒方式都表现出籽粒损伤率逐渐升高的趋势，且转速越高，差异越大。这是因为脱粒元件的线速度是影响籽粒损伤的重要因素，当脱粒滚筒转速较低(脱粒元件线速度较低)时，作用于果穗上的撞击力、揉搓力相对较小，其籽粒损伤率也较低；但随着脱粒滚筒转速的提高，脱粒元件对果穗施加的脱粒强度逐渐加大，特别是钉齿式脱粒方式，其增长趋势显著高于板齿式脱粒方式，所以导致了后期两者的籽粒损伤差异较大。整体而言，板齿式脱粒方式的籽粒损伤率较钉齿式脱粒方式表现出较大优势，这是因为相比钉齿式脱粒滚筒对玉米果穗的点状接触，板齿式脱粒滚筒的线状接触增大了脱粒元件与果穗的接触面积，减小了单个玉米籽粒上撞击、揉搓力的作用，从而起到了减小籽粒损伤的效果。

2.3.2 旋转正交试验及分析

考虑到籽粒损伤率是滚筒转速、脱粒间隙、籽粒含水率综合作用的结果，因此对上述三因素开展三因素三水平的旋转正交试验。设滚筒转速为X1，出口脱粒间隙为X2，籽粒含水率为X3，板齿式脱粒装置籽粒损伤率为Y1，钉齿式脱粒装置籽粒损伤率为Y2，试验因素与水平见表2。

表2 试验因素与水平

为了探寻两种脱粒装置的最佳参数组合，利用Design Expert软件对试验结果进行方差分析[12]，分析结果见表3。

由表3可知，在滚筒转速350 r/min、出口脱粒间隙60 mm、含水率26%的情况下，两种不同类型的脱粒装置籽粒损伤率达到最低。同时由表4和表5方差分析可知，所选试验因素对籽粒损伤率均存在显著影响。结合实际试验过程对籽粒损伤的观察发现，玉米籽粒脱粒损伤一般多发生在种皮、胚乳处，其损伤为裂纹甚至断裂；因此，在玉米脱粒过程中，籽粒受到的脱粒强度越大，越容易损伤，即脱粒装置、滚筒线速度、凹板间隙等是影响玉米籽粒损伤的关键因素。板齿式相比钉齿式、圆管相比栅格板，果穗籽粒受力均匀，揉搓性能柔和，所以其脱粒效果优于钉齿式脱粒效果。

表3 试验方案和结果

表4 板齿式滚筒脱粒装置籽粒损伤率的方差分析

表5 钉齿式滚筒脱粒装置籽粒损伤率的方差分析

3 结束语

通过田间大面积玉米收获试验，对两种不同的脱粒装置进行了试验对比。结果表明：在相同条件下，钉齿滚筒配合栅格凹板式脱粒装置脱粒虽然也可以实现籽粒直收，但其籽粒收获效果难尽人意，籽粒损伤率在4.2%左右；板齿滚筒配合圆管凹板的脱粒装置脱粒效果更好，籽粒损伤率仅为2.2%左右，籽粒损伤率较低，达到国家标准要求，更适合我国高湿玉米籽粒直收型收获机选用。