玉米种子机械化脱粒及精选技术特征与发展趋势

姜 岩，韩长生，佟 童，许才花

(黑龙江省农业机械工程科学研究院 佳木斯分院，黑龙江 佳木斯 154000)

0 引言

玉米作为我国三大主要粮食作物之一，对其实施科学的栽培能够更好地保证粮食产出，种子作为玉米栽培的基础，其品质对于玉米产量和经济效益影响很大。近年来，我国种子机械化加工行业得到了快速发展，农业生产的种子供应更多采用机械化生产线加工的成品种子，这对于提升种子品质具有积极作用。对于玉米植株而言，在进行种子包衣、丸化、消毒等处理前，需完成对玉米果穗的脱粒和精选工作，科学高效的进行脱粒和精选是获取优质种子的前提条件，在机械化处理的过程中，脱粒与精选步骤受到机械结构和工艺的影响很大，不同的脱粒和精选技术可能造成同一类种子在品质上出现较大差异，因此合理选用机械化脱粒及精选技术十分重要。

1 技术研究情况

近年来，我国对于玉米种子的加工处理展开了大量的研究，且很多研究集中于玉米籽粒的脱粒和清选、精选设备研发。王建廷[1]等研究开发了一款用于玉米的柔性脱粒装置，基于对玉米特性的分析测量，明确了玉米果柄、籽粒和玉米芯所能承受的破坏力、破坏位移、刚度系数等，基于此，研制的柔性脱粒装置，经实验验证籽粒破碎率仅为3.97%，脱净率高达98.8%，具有较强的技术优势；屈明浩[2]等研究了一款玉米籽粒二次清选装置，以清选损失率和含杂率对二次清选装置开展了正交试验，并对试验结果进行优化，得到了最有利于清选质量的进气口风速、排气管插入深度、锥段长度等参数；尹冰雪[3]等开发了一款高水分玉米脱粒滚筒，利用三维建模软件对玉米脱粒元件进行分析比较，并确定了最优组合和排列，保证了玉米籽粒产生较小的破碎率，对于籽粒水分在30%左右的玉米进行脱粒，破损率仅为4.53%；王建宇[4]等研制了一款基于卷积神经网络的玉米籽粒精选系统，利用自动控制和视觉分选算法，研究了针对玉米籽粒的整列分离、电磁控制、分选控制、在线视觉分选等模式，实现了玉米籽粒自动精选。

2 机械化脱粒的技术特征

2.1 技术需求

机械化脱粒的主要目的是将玉米果穗上的籽粒完整脱离下来，需尽可能保证其完整性，针对玉米种子脱粒作业，现阶段我国主要采用传统脱粒机进行脱粒，与玉米作为粮食进行脱粒的形式十分类似，是依靠冲击、挤压、揉搓等方式将玉米籽粒从玉米芯上脱离下来。现阶段的籽粒脱离通常破损率在7%～10%，这还是用于粮食可用性的评判，若将脱粒后的籽粒用做玉米种子，则其中因损失而造成的不合格率更高。针对玉米种子的专用脱粒机通常需满足以下功能要求。

1)高效率脱粒。现代化的玉米种子加工处理通常采用生产线作业，机械化脱粒作为生产的初期工序必须具有良好的工作效率，能够满足单位时间足量的脱粒量，且具有97%以上的脱净率。

2)低损伤率。损伤率主要由两方面因素组成：一是在机械化脱粒作业过程中造成的粮食损失，包括未脱净损失、磨损消耗、夹带损失等；二是在脱粒过程中造成籽粒破损，由于脱粒后用于种子加工生产，在机械化脱粒过程中对种子表面造成的破壳、裂纹、挤压损伤等匀会对种子质量造成影响，也计入损伤率之内。为提高玉米种子利用率，应保证脱粒机具有较低的损伤率。

3)自动化程度高。在种子加工生产线中，绝大部分工序采用自动化作业，要求脱粒装置也必须具有较高的自动化程度，不仅应具有自动投放料等功能，还应具备一定的智能化程度，例如，能够根据玉米籽粒的含水率调整脱粒力度，或根据喂入量调整脱粒转速等。

4)适用范围广。我国的玉米品种种类繁多，不同种类玉米籽粒的特性存在较大差异，这要求玉米籽粒脱粒装置具备良好的适用性，以提高对不同种类玉米的脱粒能力。

2.2 主要技术分类

现阶段，根据脱粒过程籽粒受力状态的差异可将脱粒的方式分为冲击脱粒、揉搓脱粒、梳刷脱粒、碾压脱粒等几大类型。随着脱粒机技术的逐渐升级，很多脱粒设备利用机械设计将多种脱粒方式融合，形成了较为成熟的脱粒机产品。传统的脱粒机主要包括：滚筒式脱粒机、轴流式脱粒机、弓齿式脱粒机。在此基础上，针对玉米的籽粒脱粒还研发了部分新型的脱粒机产品，如柔性脱粒机、仿生脱粒机等。

2.2.1 滚筒式脱粒机

滚筒式脱粒机是应用较早的脱粒机种类，根据滚筒布置形式的不同可将其分为单筒式、复合式两类，常见的脱粒滚筒种类包括钉齿式和纹杆式，钉齿式能够在滚筒转动过程中对玉米果穗产生较大冲击力，进而实现脱粒。纹杆式更类似于利用揉搓方式进行脱粒，近年来，滚筒式脱粒机逐渐向复式结构转变，分别设有一级胶料滚筒和复脱滚筒，实现了脱粒率的显著提升。

滚筒式脱粒机作业时玉米果穗通过喂入装置由侧方或侧上方进入滚筒，在滚筒旋转的冲击和磨擦下籽粒脱落，并同玉米芯和混杂的杂草、秸秆等细碎杂质一同被排出。进入后序的清选、精选装置。滚筒式脱粒机的优点是结构简单、购置成本低、作业效率高，但其粮食损失率和籽粒破损率相对较高。

2.2.2 轴流式脱粒机

轴流式脱粒机与滚筒式脱粒机的结构和功能类似，是在传统滚筒式脱粒机基础上优化改进的新产品，与滚筒式脱粒机相比，轴流式脱粒机具有在完成脱粒同时进行籽粒分离的能力，在进行脱粒作业时，玉米果穗从脱粒机的一侧喂入，脱粒结构也为滚筒式，滚筒上设计有板栅格，脱粒后的种子可以从板栅格的小孔中掉落从而被分离，滚筒内部设计有螺旋结构，能够在完成脱粒的同时将滚筒内剩余的玉米芯、秸秆等杂物从出口排出[5]。图1为我国生产的5TY-150-480型轴流式玉米脱粒机，该机配套有风筛装置，可实现同步除杂。

图1 轴流式玉米脱粒机

轴流式脱粒机根据滚筒布置形式的不同分为横置式和纵置式两类，横置式更适用于含水率相对较低的种子脱粒，具有工作效率高的特点，但对于含水率较高的种子存在脱粒不净问题；纵置式相对于横置式的脱粒效率低，但其对于含水率较高的种子也有很好的脱粒能力。随着技术发展，轴流式脱粒机逐渐采用纹杆式与钉齿式相组合的脱粒形式，先通过纹杆式结构的揉搓作用使籽粒与玉米芯之间的连接松动，再利用钉齿冲击完成全部脱粒，脱粒质量得到更好保障。

2.2.3 弓齿式脱粒机

弓齿式脱粒机与滚筒式和轴流式的区别在于其利用弓齿结构的梳刷和打击作用进行脱粒，脱粒筒圆柱外壁上间隔布置有弓齿，按照弓齿形状和功能的不同，弓齿包括脱粒齿、梳理齿、加强齿三类。在弓齿式脱粒机工作时，脱粒筒运转，玉米在喂入装置的带动下由脱粒装置轴向一侧进入脱粒机内部，利用梳理齿施加拉力使大部分玉米籽粒脱离，并在脱粒齿和加强齿的作用下实现脱粒率的进一步提高，脱粒后的种子与细小杂物一同通过筛孔落下被分离。

2.2.4 新型脱粒机

随着生产过程对于种子脱粒质量的要求越来越高，种子加工也对脱粒后玉米种子的完好率有了更高要求，为进一步提高脱粒过程对玉米种子的保护作用，很多新型脱粒机被研发并应用于玉米种子脱粒加工过程中。例如，柔性脱粒机、仿生脱粒机等。柔性脱粒机主要是利用橡胶、合成树脂等柔性材料替代传统的刚性材料进行脱粒，脱粒过程更多依靠柔性材料的摩擦力实施，部分柔性脱粒机也配套有柔性齿用于增加一定的冲击作用，柔性脱粒机较好地降低了玉米种子的破坏率，能够为后期种子精选减少工作量。仿生脱粒机是脱粒机发展的一个新概念，其研发更多依赖于仿生学理念，技术的创新性较好，例如，仿人工搓动脱粒、仿禽类动物啄食脱粒等，但大部分技术还在研究试验过程中，市场应用较少[6]。

3 种子精选机械技术

3.1 除杂与分级

要实现生产过程的种子精选，通常需要采用多工序的复合作业来完成，针对从脱粒机脱下的种子，首先应利用风筛设备进行初步清理，去除种子中混杂的大部分杂草、玉米叶和秸秆的细碎，对于质量较轻的混杂物，会被风机产生的气流吹出。与此同时，筛网会在曲柄连杆机构或振动电机的作用下实现振动，筛网的孔洞能筛分出直径较小的玉米籽粒及部分体积较小砂石等杂物。部分设备为提高分级与除杂的质量，常采取多级筛网进行除杂和筛分，以提高种子纯度。

3.2 比重精筛

比重精筛是在完成初步除杂后进行的进一步除杂，并在此过程中去除大部分未成熟或腐败的种子。比重精筛主要是利用优质种子与劣质种子及砂石杂物之间的比重特性不同，对种子施加振动后，在一定深度的容器内，种子会大体按照自身比重的大小实现分层，比重小的种子在最上层，比重大的砂石在最下层，然后按层进行分离，能够提取出纯度更高的种子[7]。

3.3 光线精筛

光线精筛的重点是进一步去除种子中的腐败、霉变、病变、破损等不良种子，主要是利用光线照射种子表面，利用表面的色泽、光泽度等差异识别并去除不良种子。

3.4 视觉精选

视觉精选技术现阶段在国内的应用较少，该技术在国外主要是针对种子进行优选使用，例如，通过视觉识别去除种子中的其他品种籽粒、杂合体籽粒等，提高种子的纯度和种植的统一性，利用该技术能优选出单倍体籽粒用于种子，有利于加快选育进程并提高单产[8]。

4 结语

综上所述，在产业化和规模化的推动下，我国种子加工业逐渐向现代化的自动生产线模式转型，种子生产效率和质量更有保证。针对玉米播种实际需求而言，在现代化精量播种机作业模式下，要求玉米种子必须具备高质量、高纯度特征，这就对种子的脱粒和精选设备提出了更高要求。种子生产过程也必须重视相关设备的升级改造，以保证成品种子的良好品质，为玉米稳产高产奠定基础。