谷物收獲機脫粒系統的發展*

唐懷壯，陳秀生※，薛志原，李德建，邢曉銘

（1. 濟南大學機械工程學院，山東 濟南250022；2. 濟南大學政法學院，山東 濟南250022）

0 序言

脫粒是谷物收獲的核心階段，脫粒裝置是谷物聯合收割機上完成收獲的載體，其性能優劣是衡量一臺谷物收獲機質量和效率的重要參數，也是人們在設計、生產和使用時最關心的性能指標。脫粒裝置的核心功能是將谷物顆粒從谷穗上脫下，其次是盡可能地在脫出混合物（谷物顆粒、短莖稈、穎殼和其他雜物）中將谷物顆粒分離開［1］。

1 發展歷史

從脫粒原理產生至今，已有200多年的發展歷程。在這個進程中，英國人Willan Winlaw站在了歷史的開端，1781年，他第一個發明了以水流為動力的立式錐形軸流脫粒機。在發明之初，機型以全喂入旋轉型居多，作物在錐形凹板內的螺旋運動是主要的脫粒形式，脫粒結束后，脫出混合物互相摻雜在一起，無法實現谷物顆粒與雜余分離。因莖稈在裝置內被打得太碎，不利于秸稈分揀；又因功率消耗大（超出同期人工勞動強度所耗功率）、生產成本高等缺點，故其發展僅處在初期階段。1790年，蘇格蘭人Meikle申請了多滾筒脫粒裝置的專利，其設計的裝置以結構小巧、性能優良著稱，最大的特點是取代了傳統結構逐稿器。1886年的德國，產生了使作物在脫粒裝置中以導向形式作螺旋運動的柱形軸流脫粒的專利，因技術尚未成熟，又由于戰爭影響，發展一度停滯不前。隨著科技和經濟的發展，第一產業與第二產業的重要性來回更迭，在工業反哺農業的今天，農業科技工作者對影響脫粒的多方面因素展開研究分析，并獲取眾多有意義的成果［2］。

關于脫粒原理的探究在相當長的時間內側重于碾壓、梳刷、搓擦、沖擊、振動等方面的描述，以大篇幅說明脫粒機理，但具體以實驗或生產為指導的研究還較少，在后續研究中應重點探究。波蘭科學家CzKanafojaski在其作品《收獲機械》中描述：“谷物脫粒機的脫粒效率受多種因素影響，這些因素之間存在著相互制約的關系，故不可以以一個統一的方程來解釋谷物脫粒過程。”雖然尋找通式通法的過程比較艱辛，但是研究者仍舊持續努力建立谷物脫粒過程的數學模型，對脫粒裝置之一的軸流脫粒機的探究也一并向前發展［3］。1964年，美國著名教授W.F.Buchele在研究當時廣泛應用的軸流脫粒裝置——錐形橡膠桿脫粒裝置時表明，這種裝置不僅存在無沖擊作用的離心力，裝置內部還存在對谷物的沖擊和搓擦效應。通過仔細研究，他發現脫粒滾筒內存在梳刷、搓擦和振動具體分量，并且對該脫粒方式產生的4種微小現象背后的原理給出了它們的表達式，實現了由概念性的敘述到數字直觀表達的歷史性跨越。4種脫粒方式分別是梳刷脫粒、搓擦脫粒、沖擊脫粒和無沖擊脫粒。不足之處是布契爾教授沒有進行4種公式在具體應用上的進一步分析［4］。1969年，J.D.Long使用專門的工具，測試出谷粒在離心力影響下通過長度和厚度各異的莖稿層所用的時間，利用質點作圓周運動解出莖稿層厚度對谷粒阻力的公式。1978年，加拿大的P.D.Wrubieshi團隊進行大田試驗對比，分析了連續性喂入對谷物分離性能的影響，得出了加大喂入量時，分離損失也隨之增大的結論，但這個結論對于軸流式脫粒裝置不太適用。1981年，德國研究者P.Wacher制作了關于軸流分離裝置的室內試驗臺，測得了谷物顆粒、穎殼和秸稈3者沿軸向的分布曲線，其中上頂蓋內的定導板與滾筒上動導板的安裝角對作物沿滾筒軸向移動的速度有很大影響，明顯體現在脫粒裝置的分離效率上［5］。

自20世紀50年代，我國開始對脫粒滾筒進行系統地探究和思考，并在東北、華北、新疆等地區開展應用，收獲雜糧、玉米、水稻等作物。60年代初，農業工作者對橫置式和縱置式軸流滾筒開展研究工作，得出一系列具有重要意義的結論。70～80年代，國家工作重心再次轉移到經濟建設上來，農業得到廣泛關注，一些高校和科研院所制作了室內專用的試驗臺架，用來對脫粒裝置進行獨立自主的研究［6］。其中最為著名的是王成芝教授團隊和馬驥教授團隊，他們在工作原理和結構方面進行了開創性研究，應用先進的同位素原子示蹤、高速攝影技術，從谷物進入脫粒滾筒到清選后的顆粒，都能夠清晰地顯示在顯示屏上［7］。王岳教授團隊針對橫置式和縱置式臥式軸流脫粒分離裝置開展探究性研究，取得二者優化后的設計參數和運動參數，由于實驗條件限制，試驗所得結果還有待進一步驗證［8］。

2 研究現狀

2.1 切流式脫粒分離裝置

切流式脫粒分離裝置，如圖1。作物被喂入收獲機后，沿著脫粒滾筒作切向流動，轉過一定角度后被排出，在通過凹板間隙過程中被脫粒。利用逐稿器對脫出混合物進行后續分離，因逐稿器尺寸一般較大，故這種裝置會使整機體積龐大，在狹小地塊轉彎困難，不適合小地塊使用，廣泛使用在大型農場等收獲區域。

圖1 切流式脫粒分離裝置a. 滾筒 b. 凹版Fig.1 Cut-flow type threshing separation device

2.2 軸流式脫粒分離裝置

作物喂進脫粒滾筒后，一邊隨滾筒作螺旋運動，一邊沿滾筒作軸向運動，即螺旋線運動。在這種情況下，作物在滾筒內的脫粒時間較切流式長，軸流式脫粒滾筒在設計時使用較大凹板間隙、較低滾筒轉速，具有脫粒作用輕緩柔和、脫粒過程持續時間長，被滾筒和凹板反復作用多次，能夠統籌脫凈谷物顆粒和減少秸稈破碎的特點。在轉動同時，結合離心力把已經脫下的谷物顆粒分離出來，因此，此裝置可以實現脫粒與分離兩個效果，節約材料，大大簡化收獲機結構，這種裝置在水稻收獲機上應用廣泛，幾乎全部取代以往低效率的切流滾筒與鍵式逐稿器的組合。

（1）橫置軸流脫粒分離裝置

橫置軸流脫粒分離裝置，如圖2。橫置軸流滾筒雖然其只占據駕駛室后下方的一小部分，如果長度較大，同樣也會使整機體積龐大，由于其長度受到限制，一般安裝在中小型聯合收割機上。當高茬收割作物時，由于秸稈喂入量同比減小，谷物顆粒相對占比提高，故滾筒的分離能力較好，效率大幅度提高，但收割位置較高，影響秸稈的回收利用，秸茬也會影響后續的旋耕效果。低茬收割時會避免這一問題，但秸稈相對占比增加，使喂入量增大，滾筒的脫粒和分離能力都受到不同程度的影響，效率降低，解決措施是放慢行進速度，使滾筒內的作物得以充分的“消化”。因作物在滾筒內橫向移動，故當清晨、傍晚及雨后等時段作業時，作物較潮濕，容易堵塞滾筒，給收獲帶來不便。

圖2 橫置軸流脫粒分離裝置a. 喂入口 b. 滾筒 c. 凹板 d. 排出口 e. 導板 f. 頂蓋Fig.2 Transverse axial flow threshing separation device

（2）縱置軸流脫粒分離裝置

縱置軸流脫粒分離裝置結構如圖3所示。其滾筒放置方式與橫置式不同，因而滾筒的長度允許比橫置式長，由此可知，該型式的滾筒適合大喂入量的大功率機型。在脫粒過程結束后，脫出物進入清選篩，其分布也比橫置式均勻，使清選篩的清選性能得以充分發揮。作物在這種裝置中停留時間最長，故作物被脫凈的概率最大、籽粒破碎的概率最小，是理想的滾筒型式。由于作物進入滾筒時空間急劇變小，致使作物流動不暢，容易堵塞滾筒口。螺旋葉片作但為主要力量的承擔者，在使用一段時間后，也是磨損的主要對象。這種裝置還存在傳動結構復雜、功率消耗大的問題，這始終是難以解決的問題。當在低茬潮濕狀態下作業時，滾筒容易堵塞。

圖3 縱置軸流脫粒分離裝置Fig.3 Longitudinal axial flow degranulation separation device

2.3 切流脫粒滾筒加軸流分離裝置

（1）切流脫粒滾筒加橫置軸流分離裝置

由于脫粒滾筒的型式為切流式，故相對于軸流式來說在脫粒過程中容易使籽粒破碎。在收割未完全成熟或外殼較硬的作物時，谷物脫凈率和籽粒分離率都會受到影響，同樣在低茬潮濕收割作物時也會存在堵塞脫粒滾筒的現象，嚴重影響作業質量和效率。

（2）切流脫粒滾筒加縱置軸流分離裝置

切流脫粒滾筒相對于單一的切流脫粒分離裝置脫粒間隙變大，運轉速度降低，脫粒作用柔和，減輕了對谷物顆粒的損傷，其未能脫凈的作物進入分離滾筒再次脫粒，彌補一次脫粒的不足。這兩個脫粒滾筒都是縱向放置，使脫粒及分離空間充足，廣泛應用在大型聯合收割機上。不足之處是整機重量較大，在收獲水稻時，在低洼及松軟塌陷地段性能優勢降低，行走后在地面留有較深的轍印也給后續的土地平整工作帶來很大負擔［9］。

作物在進入軸流式脫粒分離裝置后作螺旋線運動，脫粒作用柔和且脫粒時間長，故作物在這種裝置中脫粒和分離較充分、殘留少，脫粒效果好，因此，在脫凈率、破碎率和分離率等檢驗指標上均較切流式脫粒分離裝置好。鑒于其優良的脫粒和分離性能，聯合收獲機研發人員才敢將逐稿器大幅度改革，從而代替傳統的結構龐大的鍵式逐稿器，這在滿足結構多樣性等方面更具優勢。

2.4 脫粒滾筒的型式

脫粒裝置是執行谷物脫粒任務的主要承擔者，由轉動的滾筒和固定或活動凹板組合而成，根據結構不同，可大致分為以下3種。

（1）紋桿滾筒式脫粒裝置

紋桿滾筒式脫粒裝置由紋桿狀滾筒和柵格狀凹板組合而成，如圖4。此裝置的工作原理為紋桿對作物撞擊和紋桿與凹板的相互作用對作物搓擦來脫掉谷物顆粒。脫粒滾筒由幅盤和紋桿安裝組合而成，幅盤經鋼板沖壓為多角形式，紋桿安裝在幅盤的凸起部分，脫粒滾筒主體通常在圓周方向敞口，以利于作物在滾筒內流動。最外側的兩個幅盤與輪轂焊接在一起，輪轂與滾筒軸通過起到較好的連接作用的斜鍵連接在一起。中間的幾個幅盤空套在滾筒軸上，不與滾筒軸接觸，保證紋桿在裝配時不發生彎曲，也會改善滾筒軸的受力狀況。紋桿作為滾筒脫粒元件的主要承擔者，外曲面是其工作表面，曲面上有凸起的紋路。紋桿在安裝時，帶有齒紋的一端朝向喂入方向，可增加對作物的揉搓作用。為避免作物在滾筒內軸向移動，使紋桿在所有的齒紋上有受力均勻，相鄰位置的紋桿，其齒紋的旋向相反。紋桿滾筒式脫粒裝置的凹板通常是整體柵格式的。它的組成元素為橫格板、側弧板和篩條，其中橫格板通過焊接與兩側弧板連接在一起，篩條穿入橫格板中的孔里，兩端固定在最外側的橫格板上，結合成牢固的焊接件。橫格板的上頂面通常帶有棱角，比篩條高出一些，可以起到對作物的攔截作用，在攔截作物的同時使穗頭被凹板撞擊，在沖擊和搓擦的過程中，成熟而飽滿的谷穗發生脫粒。

圖4 紋桿滾筒式脫粒裝置a. 喂入輸送器 b. 喂入輪 c.紋桿滾筒 d. 逐稿器e. 凹板 δr. 入口間隙 δc. 出口間隙 α. 凹板包角 l. 凹板弧長Fig.4 Rod drum type threshing device

（2）釘齒滾筒式脫粒裝置

在釘齒滾筒式脫粒裝置中，釘齒是主要的脫粒元件，安裝在滾筒上，有的裝置在凹板上也會安裝釘齒，增加脫凈率，如圖5。與紋桿式一樣，釘齒滾筒也通常為開式，它的組成形式為釘齒、齒桿、輻盤和滾筒軸。釘齒狀凹板存在不同的結構，主要有整體式與組合式兩種型式。整體式釘齒滾筒由側板、凹板釘齒和釘齒固定板等組成，無活動凹板，在突然喂入大量作物時會產生脫不凈現象。組合式凹板由釘齒凹板和柵格凹板組成，雖然靈活性好、脫粒效果優良，但結構較為復雜，給安裝帶來一定工作量。凹板上釘齒與滾筒上釘齒均為同一類型，不需加以區分。

（3）雙滾筒式脫粒裝置

雙滾筒式脫粒裝置由兩個脫粒滾筒組成，在脫凈率指標上往往比單一脫粒滾筒要好。第一滾筒通常是釘齒式（或板齒式）切流滾筒，它在對作物脫粒的同時把脫出物輸送至第二滾筒，起到喂入輪的作用，為保證脫粒質量，此時的轉速要比單一滾筒時低。第二滾筒由橫向軸流滾筒擔任，它的作用是對第一滾筒的脫出物補充脫粒并且把脫出物中的谷物顆粒分離出來，如圖6。

圖5 釘齒滾筒式脫粒裝置a. 喂入臺 b. 頂蓋 c. 釘齒滾筒 d. 逐稿輪 e. 凹板δr. 入口間隙 δc. 出口間隙 hs. 重合度 α. 凹板包角h. 釘齒工作高度 s. 相鄰兩齒的中心距Fig.5 Nail roller type threshing device

圖6 雙滾筒式脫粒裝置 a. 喂入輸送裝置 b. 釘齒滾筒及凹板c. 紋桿滾筒及凹板 d. 逐稿輪 e. 頂蓋Fig.6 Double drum type threshing device

決定脫粒效果的主要因素有兩種，分別是脫粒滾筒與凹板篩的間隙以及脫粒滾筒的線速度。當線速度太大時，籽粒破碎增多，雜余混進籽粒中，使清選系統運轉吃力；線速度太小時，籽粒丟失嚴重，夾帶損失進一步增大，脫粒質量下降；凹板篩的間隙過小會使籽粒破碎，增大破碎率，嚴重影響籽粒完整性，同時雜余也會增多，由于摩擦磨損增加，功率消耗變大，給發動機帶來壓力，在喂入量大或作物潮濕時，容易造成滾筒堵塞。合理選擇脫粒滾筒與凹板篩的間隙以及脫粒滾筒的線速度意義重大。無論是試驗臺架上的實驗還是大田收獲都證明：軸流式脫粒滾筒的線速度在21 m/s左右及脫粒滾筒與凹板篩的間隙在15 mm時，脫粒效率最高。分離板齒是軸流式脫粒滾筒后半段的工作部件，它的工作原理是通過對作物的抓取和梳刷作用將莖稿層慢慢變薄、鋪排成均勻的薄層，使谷物顆粒方便從莖稿層中漏下，達到分離籽粒的目的。對應的凹板也不再是編織篩式，而是沖孔凹板。盡管沖孔凹板的籽粒分離質量不高，容易存在籽粒跟隨秸稈一起被排出的現象，但制造工藝簡單，所需工時少，并且可以降低秸稈和谷物顆粒的破碎率，在一定程度上也減輕了清選系統的工作量，籽粒較為干凈。由此看來，在紋桿與板齒組合成紋桿板齒組合軸流滾筒時，其籽粒破碎少、收獲質量高，能夠適用大多數作業場合，是受使用者歡迎的脫粒滾筒型式［10］。

脫粒裝置的調節：由于所脫作物的多樣性，使單一的脫粒模式不能滿足多樣化的脫粒需求，故針對不同的作物狀況，應及時調整脫粒參數，使之與所脫作物相匹配。針對大豆等難以脫粒的作物和清晨及雨后濕度較大的作物，滾筒轉速應相應提高；針對成熟程度較高、籽粒飽滿的作物，滾筒轉速應相應降低。在聯合收割機中，因為配備了三角皮帶無級變速滾筒轉速調節裝置，通過調節三角皮帶來調整滾筒轉速既方便又快捷。在收獲過程中，前提要保證較高的收獲質量，具體體現在較高的脫凈率和秸草中較少的籽粒夾帶，這是用戶最關心的問題。所以優選收獲方法是使用低板齒脫粒滾筒轉速，板齒凹板以光面對向作物，柵格凹板間隙取較大值［11］。

脫粒滾筒是由紋桿和板齒組合起來的，軸流式脫粒滾筒分為前后兩段，如圖7。前半段是紋桿部分，是脫粒的主要階段，谷穗在軸向放置的紋桿和凹板之間受到撞擊、碾壓和搓擦后實現脫粒；后半段板齒部分的作用是輔助脫粒和分離裹挾在莖稿層中的籽粒。軸流式脫粒滾筒脫粒能力較好，對谷粒的破損小、籽粒完整性好，對不同種類的作物都能展現其較好的脫粒性能，不足之處是能量消耗大，秸稈破碎量增加。紋桿式脫粒滾筒抓取作物和對作物搓擦能力好，結合打擊、碾壓和搓擦原理，隨著喂入量的增大其卓越性能越來越顯現出來，在安裝時，相鄰兩紋桿朝向相對，能夠防止收割機處于側坡等不平整位置時作物在脫粒滾筒內的快速竄動，增加脫粒時間，提高脫粒效果。該類型的脫粒滾筒對應的柵格凹板可以調節位置，提高脫粒效率［12］。

圖7 紋桿-桿齒式脫粒滾筒a. 紋桿 b. 桿齒 c. 滾筒軸Fig.7 Wrench-rod toothed threshing roller

3 總結

我國是農業大國，但要實現向農業強國的轉變，高水平的農業機械化是主要道路。現有的農業機械化水平還較低，后續研究工作應注重利用科技手段對脫粒裝置的參數及性能加以分析，優化數據，提高脫粒裝置的作業性能。隨著農業機械化和規模化不斷提高，目前谷物收獲機的發展進入新階段。如何在低損狀態下實現高質量收獲，是現階段研究重點，這也是軸流滾筒收獲方式的革命性發展方向。企業應及時抓住關鍵時刻轉型升級，應用高性能快速計算機，對大喂入量谷物軸流脫粒系統進行深入研發，采用更合理的結構形式，提高科技含量和人機交互性，如脫粒滾筒在斜坡作業時的自動找正和自動調平、根據喂入量的大小匹配滾筒轉速等。智能谷物收獲機的研發對發展我國智能農業，提高企業產品競爭力、減輕勞動人員的勞動強度、指導我國農業生產均有十分重要的意義。