玉米籽粒收獲機柔性脫粒的設計與研究

[摘 要] 為避免玉米收獲機收獲時對玉米籽粒造成大的損傷，本文結合智能設備，特研制出含水率不大于25%玉米籽粒柔性脫粒滾筒結構，在降低玉米籽粒損害率的同時提高收獲效率。

[關鍵詞] 玉米籽粒收獲；損傷；柔性脫粒

[中圖分類號] S225 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-7909（2017）13-85-2

1 研發背景

由于近年來用工成本越來越高，玉米穗收雖然省工，但后續的運、曬、脫粒等環節需要耗費人力、增加成本。玉米籽粒直收節省了玉米剝皮、脫粒、運輸、晾曬、存儲、處理秸稈等作業環節，667 m2可節約成本100元左右。針對整個環節進行計算發現，作業成本遠低于人工收獲和果穗機收，粒收是未來農民唯一的選擇。

我國的玉米收獲機械研制起步較晚，目前市場上主流的玉米摘穗機只是玉米機械收獲的過渡產品，國內一些有遠見的企業已經看到了未來玉米籽粒直收的趨勢，近幾年來一直在集中精力加大研發，并在自己品牌的主要銷售區域測試。秋收期間，這些主流玉米收獲機生產企業紛紛推出玉米籽粒收獲機，如福田雷沃、中國一拖、中聯重科谷王玉米籽粒收獲機等。

目前市場上還有一些企業把小麥收割機改造成玉米籽粒收獲機，在南方水田玉米種植區，也有企業在全喂入水稻聯合收獲機基礎上改裝玉米籽粒直收機，如江蘇沃得、湖州四達。此外，南方一些地區也有用水稻聯合收割機來直接收獲玉米籽粒的，盡管收獲效率很高，但通常造成玉米籽粒損害率較高，研制出一套玉米籽粒柔性脫粒裝置已經迫在眉睫。

2 玉米籽粒柔性脫粒設計概述

研究分析國內外玉米籽粒收獲脫粒技術，對脫粒裝置進行基礎理論分析與試驗研究，分析查找影響脫粒效果的不良因素。再運用相關分析軟件優化脫粒裝置主要工作零部件的運動參數和結構參數，提高玉米脫粒水平。在脫粒過程中，果穗需要接觸脫粒部件，易受工作部件的打擊、碰撞、擠搓等作用力，會產生一定的籽粒破壞。所以，結構上采用圓滑過渡，減少直接碰撞；采用柔性揉搓的設計，以降低脫粒裝置破損率。

3 柔性脫粒滾筒的設計與分析

脫粒滾筒裝配示意圖如圖1所示，本設計的脫粒滾筒包括2個滾筒，即第一滾筒和第二滾筒。第一滾筒采用螺旋錐形釘齒滾筒設計，第二滾筒采用均布直齒圓柱形滾筒設計，第一脫粒滾筒和第二脫粒滾筒之間采用排草板連接。在脫粒過程中第一滾筒主要承擔快速脫粒和輸送任務，第二滾筒起輔助復脫和分離的作用，將未脫凈的果穗二次脫粒，分離脫粒滾成中產生的碎芯和雜質，再將多余的玉米芯運送到排芯口，當玉米芯達到一定壓力時，排芯口壓板被撐開，碎芯落入排芯軸將其排出機外。兩個滾筒上的釘齒均采用鑄鐵+橡膠制造，釘齒分為兩層安裝，內層與滾筒鑄造成一體的剛體，外層套上橡膠材料，兩者緊密粘合在一起，形成柔性脫粒釘齒。第一脫粒滾筒和第二脫粒滾筒結構示意圖如圖2所示。

3.1 脫粒滾筒直徑的選擇

根據《農業機械設計手冊》可得知，滾筒的直徑是由凹板包角和脫粒物的生物特性初步確定，首先設計滾筒直徑在200～300 mm，具體的參數確定由下面推理驗證。

根據《農業機械學》中關于釘齒滾筒的設計思路，確定釘齒的齒端直徑按式（1）計算：

式（1）中，M為釘齒排數，S為相鄰兩齒板的中心距，h為釘齒高度。

其中，M=4 mm，S=110 mm，h=51 mm，帶入公式可得到D=244mm。

確定的這個滾筒直徑屬于最小的直徑，這是均布直齒的齒端直徑，但是作為有錐度的第一脫粒滾筒，其大端的直徑還需確定。

錐形滾筒的平均轉速（r/min）為：

式（2）中，Vr為滾筒線速度，m/s；D為滾筒直徑，mm。

查閱《農業機械學》有關數據，從表1可以得到，軸流式脫粒滾筒的線速度一般取值范圍為17～20 m/s，才符合設計要求。結合整機具體的運動速度和各級傳動比，n取800～100 r/min，帶入式（2）可得，D取324～477 mm。考慮到實際加工和裝配問題，取D=324 mm。由此可得到，錐形脫粒滾筒最大端直徑為324 mm，最小端直徑為244 mm。

從上述所確定的錐形滾筒最大直徑和最小直徑，可通過圖3得出該滾筒的錐角θ0：

式（3）中，L為脫粒滾筒長度，根據實際需要和整機安裝過程中的尺寸要求，初步設定滾筒長度為850 mm，則錐角θ0為11°。故確定第一脫粒滾筒的小端直徑為244 mm，大端直徑為324 mm，錐角為11°；第二脫粒滾筒直徑均為244 mm。

3.2 第一脫粒滾筒螺旋特性分析

當第一脫粒滾筒的大端和小端直徑以及圓錐角確定以后，其圓錐軸已初步確定，根據等角圓錐螺旋線的形成原理可知，螺旋釘齒在軸上的排列分布是變螺距的。螺距的大小和分布規律需要計算和選擇。設變螺距螺旋線方程為等角圓錐螺旋線方程，具體如式（4）所示：

由于本設計試驗材料選用丹玉14號，所選擇的平均玉米果穗的長度為180 mm，螺旋釘齒始端螺距長度為果穗長度的2/3，故P1=120 mm，所以：由式（7）可得到：

整理可得出：m1=0.014 4。

又知該螺旋釘齒的最大半徑為162 mm，帶入式（4）可得到：。整理可得到m4=0.015 04。

根據具體整機參數和設計要求，設計的整段脫粒軸分為4個螺距，且已知第一個螺距為120 mm，將m1、m4進行線性插值，可得到中間兩個螺距的m值，m2=0.014 61，m3=0.014 83。將m1～m4帶入式（7）可得到：p1=122mm，p2=133mm，p3=149mm，p4=166mm。

4 結語

脫粒裝置最關鍵的部件是脫粒滾筒，其結構設計和參數選擇直接影響脫粒工作的性能指標。脫粒釘齒采用橡膠制造安裝，兩次脫粒形成柔性脫粒系統，重復二次脫離效果明顯，減少損傷率，增加脫凈率，滿足玉米脫粒作業要求。