玉米籽粒收获机械优化设计与分析

刘 诚,郭万华

(1.梅河口市小杨满族朝鲜族乡综合服务中心,吉林 梅河口 135024;2.梅河口市山城镇综合服务中心,吉林 梅河口 135022)

0 引言

玉米是世界上主要的粮食作物之一,也是中国农业生产中广泛种植的重要农作物之一[1-2]。随着国民经济的不断发展,人们对粮食的需求也不断增加。因此,提高玉米收获效率和质量,对于保障国家粮食安全、提高农业生产效益具有重要意义[3]。

玉米籽粒收获机械作为一种重要农业机械设备,其设计和使用对于农业生产起着关键的作用[4]。目前,市场上的玉米收获机械种类繁多,但是很多机械存在着结构复杂、效率低下、易损件过多等问题,难以满足不断提高的玉米产量和收获质量要求[5-7]。因此,对于玉米收获机械进行优化设计和分析,具有十分重要的现实意义。

本文从机械设计的角度出发,探讨玉米籽粒收获机械的优化设计和分析。旨在提高机械的效率和可靠性,减少机械故障和易损件更换频率,从而提高农业生产效率和粮食产量。

1 玉米籽粒收获基本结构和工作原理

1.1 基本结构

玉米籽粒收获机械的基本结构包括收割部分、脱粒滚筒、清理输送部分、动力系统、行走部分和操作控制部分等[8]。

收割部分通常由割刀、输送机等组成。割刀用于切割玉米穗,输送机用于将玉米果穗输送到清理部分。

脱粒滚筒如图1所示,脱粒滚筒结构复杂,由多个脱粒滚筒板组成,通过高速旋转和摩擦力将农作物的籽粒与秸秆进行分离。

1.过渡装置;2.钉齿;3.幅盘

清理输送部分主要包括清理筛、风机和输送机等。清理筛用于将玉米籽粒从混合物中分离出来,风机用于吹除杂质,输送机将清理后的玉米籽粒输送到储存设备或运输车辆中。

动力系统一般采用内燃机或电动机驱动,为机械提供动力支持,由轮胎、行走机构等组成,用于使机械行走、转弯和控制方向[9]。操作控制部分包括驾驶室、控制器等,用于控制机械的运行和操作。

1.2 工作过程

玉米籽粒收获机械在田间工作过程中,首先割断玉米植株并将其输送到割台;接着,脱粒滚筒将玉米穗上的籽粒与穗秆分离,清理输送部分随后将籽粒与杂质分离,清理后的籽粒被收集并储存。操作控制部分由操作员调整各项参数,在田间工作过程中实时高效的优化玉米籽粒收获和处理过程。

2 玉米籽粒收获机关键部件优化策略

2.1 脱粒装置安装优化设计

2.1.1 玉米脱粒装置类型及特点

不同玉米脱粒装置类型及特点如表1所示,不同类型的玉米脱粒装置采用了不同的原理来实现脱粒过程,在实际应用过程中,需要根据具体需求进行选择,在高效脱粒和最小损失之间取得平衡。

表1 不同脱粒结构应用特点

2.1.2 优化策略

玉米脱粒装置的优化设计方案主要包括以下几个方面:

1)多级脱粒系统。设计一个多级脱粒系统,将脱粒过程分为几个阶段,每个阶段采用不同的脱粒方法和参数,以确保彻底脱粒同时最小化籽粒损失。

2)可调节脱粒参数。设计可调节的脱粒参数,如滚筒速度、角度和间隙等,以适应不同玉米品种和湿度条件,实现最佳脱粒效果。

3)脱粒滚筒表面设计。优化脱粒滚筒的表面设计,采用适当的凹凸形状和材质,以提高脱粒效率和耐磨性,同时减少对籽粒的损害。

4)智能传感器和控制系统。集成智能传感器和控制系统,实时监测脱粒效果和杂质含量,自动调整脱粒参数,以最大程度地减少损失并保持一致的脱粒效果。

本文选择方案1)和方案4)实现脱粒滚筒的优化设计。

本文设置三级玉米脱粒系统,分别为初级脱粒、中级脱粒和终极脱粒装置(表2),通过逐步处理、采用不同的脱粒方法和参数,确保在各个阶段都实现了彻底的脱粒,同时最小化籽粒损失。风力或振动分离装置在各个阶段都有助于清理杂质,提高脱粒效率和籽粒质量。

表2 三级玉米脱粒系统优化设计方案

本研究基于Wi-Fi无线通信技术,在玉米脱粒滚筒中安装光学传感器和压力传感器,用于实时监测脱粒效果和杂质含量。在控制系统中,使用卷积神经网络模型对传感器数据进行分析和处理,以评估脱粒效果和杂质含量。部分控制程序如图2所示,实时监测脱粒效果和杂质含量,并自动调整脱粒参数的过程。

2.2 螺旋输送器优化设计

在传统玉米籽粒收获机械中,由于物料粘附、玉米籽粒湿度较高及输送器设计不当等会导致输送器叶片堵塞,因此本文以传统玉米籽粒收获机螺旋输送器一个叶片P点进行分析(图3),进而对螺旋输送器的螺旋角及输送器长度进行优化。

图3 螺旋输送器叶片受力分析

螺旋输送器叶片P点与玉米的作用力可以分解为切向摩擦力FN和法向力Ff。为了保证玉米脱粒过程的顺利进行,需要满足以下条件

FNcosβ-Ffsinβ>0

(1)

(2)

式中FN-法向力,N;

Ff-摩擦力,N;

β-叶片螺旋角,(°);

α-摩擦角,(°)。

本文设置摩擦角为17°,带入上述公式可得:

FNcosβ-Ffsinβ·tan17°>0

(3)

因此,最终实现玉米顺利脱粒的螺旋角为73°。

螺旋输送长度L1计算公式如下

(4)

式中S-螺旋导程,mm;

K-螺旋头数。

根据玉米果穗尺寸(200 mm ×70 mm底部直径)做适应性设计取S=600 mm,根据物料进入的高效性,取K=3,代入式(4),经计算并且优化后的螺旋器输送长度L1=200 mm。

2.3 钉齿优化设计方案

在玉米籽粒收获机械中, 钉齿数量可以影响螺旋输送器与玉米穗秆的物理接触和摩擦。较多的钉齿可能会增加与穗秆的摩擦面积,从而有助于更有效地脱离籽粒。籽粒数量确定如下

(5)

式中Nd-钉齿数量;

λ-谷草比;

Q-喂入量最大值,kg/s;

q-生产效率,kg/s,取q=0.08 kg/s。

根据实际,取Q=14 kg/s,,玉米谷草比λ=0.8,代入式(5),计算得Nd=56。

3 结语

本文对玉米籽粒收获机关键部件进行优化设计,主要得到以下结论:

1)螺旋输送器叶片在玉米上施加的切向摩擦力和法向力之间的平衡关系是确保脱粒效果和杂质含量的关键。适当的切向摩擦力有助于脱离籽粒,而适度的法向力则促进籽粒与穗秆的分离。本文优化后的玉米脱粒螺旋角为73°,螺旋器输送长度为200 mm。

2)钉齿数量是影响螺旋输送器脱粒效果的重要因素之一。适当的钉齿数量可以增加与穗秆的摩擦面积,提高脱粒效率。然而,过多的钉齿可能导致物料堵塞风险增加,同时也可能增加能耗和磨损。本文综合考虑后钉齿数量为56。

3)集成智能传感器和控制系统可以实时监测脱粒效果,自动调整脱粒参数,以适应不同的物料和条件,从而实现最佳的脱粒效果和质量。

未来随着科技的不断发展和创新,玉米籽粒收获机械将会更加智能化、自动化和高效化,能够适应更多不同作业场地和作物品种的需求,提高机械的适应性和操作效率,为农业生产的提高和发展贡献力量。