玉米種子機械化脫粒及精選技術特征與發(fā)展趨勢

姜 巖，韓長生，佟 童，許才花

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院 佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154000)

0 引言

玉米作為我國三大主要糧食作物之一，對其實施科學的栽培能夠更好地保證糧食產(chǎn)出，種子作為玉米栽培的基礎，其品質(zhì)對于玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟效益影響很大。近年來，我國種子機械化加工行業(yè)得到了快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的種子供應更多采用機械化生產(chǎn)線加工的成品種子，這對于提升種子品質(zhì)具有積極作用。對于玉米植株而言，在進行種子包衣、丸化、消毒等處理前，需完成對玉米果穗的脫粒和精選工作，科學高效的進行脫粒和精選是獲取優(yōu)質(zhì)種子的前提條件，在機械化處理的過程中，脫粒與精選步驟受到機械結構和工藝的影響很大，不同的脫粒和精選技術可能造成同一類種子在品質(zhì)上出現(xiàn)較大差異，因此合理選用機械化脫粒及精選技術十分重要。

1 技術研究情況

近年來，我國對于玉米種子的加工處理展開了大量的研究，且很多研究集中于玉米籽粒的脫粒和清選、精選設備研發(fā)。王建廷[1]等研究開發(fā)了一款用于玉米的柔性脫粒裝置，基于對玉米特性的分析測量，明確了玉米果柄、籽粒和玉米芯所能承受的破壞力、破壞位移、剛度系數(shù)等，基于此，研制的柔性脫粒裝置，經(jīng)實驗驗證籽粒破碎率僅為3.97%，脫凈率高達98.8%，具有較強的技術優(yōu)勢；屈明浩[2]等研究了一款玉米籽粒二次清選裝置，以清選損失率和含雜率對二次清選裝置開展了正交試驗，并對試驗結果進行優(yōu)化，得到了最有利于清選質(zhì)量的進氣口風速、排氣管插入深度、錐段長度等參數(shù)；尹冰雪[3]等開發(fā)了一款高水分玉米脫粒滾筒，利用三維建模軟件對玉米脫粒元件進行分析比較，并確定了最優(yōu)組合和排列，保證了玉米籽粒產(chǎn)生較小的破碎率，對于籽粒水分在30%左右的玉米進行脫粒，破損率僅為4.53%；王建宇[4]等研制了一款基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的玉米籽粒精選系統(tǒng)，利用自動控制和視覺分選算法，研究了針對玉米籽粒的整列分離、電磁控制、分選控制、在線視覺分選等模式，實現(xiàn)了玉米籽粒自動精選。

2 機械化脫粒的技術特征

2.1 技術需求

機械化脫粒的主要目的是將玉米果穗上的籽粒完整脫離下來，需盡可能保證其完整性，針對玉米種子脫粒作業(yè)，現(xiàn)階段我國主要采用傳統(tǒng)脫粒機進行脫粒，與玉米作為糧食進行脫粒的形式十分類似，是依靠沖擊、擠壓、揉搓等方式將玉米籽粒從玉米芯上脫離下來?，F(xiàn)階段的籽粒脫離通常破損率在7%～10%，這還是用于糧食可用性的評判，若將脫粒后的籽粒用做玉米種子，則其中因損失而造成的不合格率更高。針對玉米種子的專用脫粒機通常需滿足以下功能要求。

1)高效率脫粒?，F(xiàn)代化的玉米種子加工處理通常采用生產(chǎn)線作業(yè)，機械化脫粒作為生產(chǎn)的初期工序必須具有良好的工作效率，能夠滿足單位時間足量的脫粒量，且具有97%以上的脫凈率。

2)低損傷率。損傷率主要由兩方面因素組成：一是在機械化脫粒作業(yè)過程中造成的糧食損失，包括未脫凈損失、磨損消耗、夾帶損失等；二是在脫粒過程中造成籽粒破損，由于脫粒后用于種子加工生產(chǎn)，在機械化脫粒過程中對種子表面造成的破殼、裂紋、擠壓損傷等勻會對種子質(zhì)量造成影響，也計入損傷率之內(nèi)。為提高玉米種子利用率，應保證脫粒機具有較低的損傷率。

3)自動化程度高。在種子加工生產(chǎn)線中，絕大部分工序采用自動化作業(yè)，要求脫粒裝置也必須具有較高的自動化程度，不僅應具有自動投放料等功能，還應具備一定的智能化程度，例如，能夠根據(jù)玉米籽粒的含水率調(diào)整脫粒力度，或根據(jù)喂入量調(diào)整脫粒轉速等。

4)適用范圍廣。我國的玉米品種種類繁多，不同種類玉米籽粒的特性存在較大差異，這要求玉米籽粒脫粒裝置具備良好的適用性，以提高對不同種類玉米的脫粒能力。

2.2 主要技術分類

現(xiàn)階段，根據(jù)脫粒過程籽粒受力狀態(tài)的差異可將脫粒的方式分為沖擊脫粒、揉搓脫粒、梳刷脫粒、碾壓脫粒等幾大類型。隨著脫粒機技術的逐漸升級，很多脫粒設備利用機械設計將多種脫粒方式融合，形成了較為成熟的脫粒機產(chǎn)品。傳統(tǒng)的脫粒機主要包括：滾筒式脫粒機、軸流式脫粒機、弓齒式脫粒機。在此基礎上，針對玉米的籽粒脫粒還研發(fā)了部分新型的脫粒機產(chǎn)品，如柔性脫粒機、仿生脫粒機等。

2.2.1 滾筒式脫粒機

滾筒式脫粒機是應用較早的脫粒機種類，根據(jù)滾筒布置形式的不同可將其分為單筒式、復合式兩類，常見的脫粒滾筒種類包括釘齒式和紋桿式，釘齒式能夠在滾筒轉動過程中對玉米果穗產(chǎn)生較大沖擊力，進而實現(xiàn)脫粒。紋桿式更類似于利用揉搓方式進行脫粒，近年來，滾筒式脫粒機逐漸向復式結構轉變，分別設有一級膠料滾筒和復脫滾筒，實現(xiàn)了脫粒率的顯著提升。

滾筒式脫粒機作業(yè)時玉米果穗通過喂入裝置由側方或側上方進入滾筒，在滾筒旋轉的沖擊和磨擦下籽粒脫落，并同玉米芯和混雜的雜草、秸稈等細碎雜質(zhì)一同被排出。進入后序的清選、精選裝置。滾筒式脫粒機的優(yōu)點是結構簡單、購置成本低、作業(yè)效率高，但其糧食損失率和籽粒破損率相對較高。

2.2.2 軸流式脫粒機

軸流式脫粒機與滾筒式脫粒機的結構和功能類似，是在傳統(tǒng)滾筒式脫粒機基礎上優(yōu)化改進的新產(chǎn)品，與滾筒式脫粒機相比，軸流式脫粒機具有在完成脫粒同時進行籽粒分離的能力，在進行脫粒作業(yè)時，玉米果穗從脫粒機的一側喂入，脫粒結構也為滾筒式，滾筒上設計有板柵格，脫粒后的種子可以從板柵格的小孔中掉落從而被分離，滾筒內(nèi)部設計有螺旋結構，能夠在完成脫粒的同時將滾筒內(nèi)剩余的玉米芯、秸稈等雜物從出口排出[5]。圖1為我國生產(chǎn)的5TY-150-480型軸流式玉米脫粒機，該機配套有風篩裝置，可實現(xiàn)同步除雜。

圖1 軸流式玉米脫粒機

軸流式脫粒機根據(jù)滾筒布置形式的不同分為橫置式和縱置式兩類，橫置式更適用于含水率相對較低的種子脫粒，具有工作效率高的特點，但對于含水率較高的種子存在脫粒不凈問題；縱置式相對于橫置式的脫粒效率低，但其對于含水率較高的種子也有很好的脫粒能力。隨著技術發(fā)展，軸流式脫粒機逐漸采用紋桿式與釘齒式相組合的脫粒形式，先通過紋桿式結構的揉搓作用使籽粒與玉米芯之間的連接松動，再利用釘齒沖擊完成全部脫粒，脫粒質(zhì)量得到更好保障。

2.2.3 弓齒式脫粒機

弓齒式脫粒機與滾筒式和軸流式的區(qū)別在于其利用弓齒結構的梳刷和打擊作用進行脫粒，脫粒筒圓柱外壁上間隔布置有弓齒，按照弓齒形狀和功能的不同，弓齒包括脫粒齒、梳理齒、加強齒三類。在弓齒式脫粒機工作時，脫粒筒運轉，玉米在喂入裝置的帶動下由脫粒裝置軸向一側進入脫粒機內(nèi)部，利用梳理齒施加拉力使大部分玉米籽粒脫離，并在脫粒齒和加強齒的作用下實現(xiàn)脫粒率的進一步提高，脫粒后的種子與細小雜物一同通過篩孔落下被分離。

2.2.4 新型脫粒機

隨著生產(chǎn)過程對于種子脫粒質(zhì)量的要求越來越高，種子加工也對脫粒后玉米種子的完好率有了更高要求，為進一步提高脫粒過程對玉米種子的保護作用，很多新型脫粒機被研發(fā)并應用于玉米種子脫粒加工過程中。例如，柔性脫粒機、仿生脫粒機等。柔性脫粒機主要是利用橡膠、合成樹脂等柔性材料替代傳統(tǒng)的剛性材料進行脫粒，脫粒過程更多依靠柔性材料的摩擦力實施，部分柔性脫粒機也配套有柔性齒用于增加一定的沖擊作用，柔性脫粒機較好地降低了玉米種子的破壞率，能夠為后期種子精選減少工作量。仿生脫粒機是脫粒機發(fā)展的一個新概念，其研發(fā)更多依賴于仿生學理念，技術的創(chuàng)新性較好，例如，仿人工搓動脫粒、仿禽類動物啄食脫粒等，但大部分技術還在研究試驗過程中，市場應用較少[6]。

3 種子精選機械技術

3.1 除雜與分級

要實現(xiàn)生產(chǎn)過程的種子精選，通常需要采用多工序的復合作業(yè)來完成，針對從脫粒機脫下的種子，首先應利用風篩設備進行初步清理，去除種子中混雜的大部分雜草、玉米葉和秸稈的細碎，對于質(zhì)量較輕的混雜物，會被風機產(chǎn)生的氣流吹出。與此同時，篩網(wǎng)會在曲柄連桿機構或振動電機的作用下實現(xiàn)振動，篩網(wǎng)的孔洞能篩分出直徑較小的玉米籽粒及部分體積較小砂石等雜物。部分設備為提高分級與除雜的質(zhì)量，常采取多級篩網(wǎng)進行除雜和篩分，以提高種子純度。

3.2 比重精篩

比重精篩是在完成初步除雜后進行的進一步除雜，并在此過程中去除大部分未成熟或腐敗的種子。比重精篩主要是利用優(yōu)質(zhì)種子與劣質(zhì)種子及砂石雜物之間的比重特性不同，對種子施加振動后，在一定深度的容器內(nèi)，種子會大體按照自身比重的大小實現(xiàn)分層，比重小的種子在最上層，比重大的砂石在最下層，然后按層進行分離，能夠提取出純度更高的種子[7]。

3.3 光線精篩

光線精篩的重點是進一步去除種子中的腐敗、霉變、病變、破損等不良種子，主要是利用光線照射種子表面，利用表面的色澤、光澤度等差異識別并去除不良種子。

3.4 視覺精選

視覺精選技術現(xiàn)階段在國內(nèi)的應用較少，該技術在國外主要是針對種子進行優(yōu)選使用，例如，通過視覺識別去除種子中的其他品種籽粒、雜合體籽粒等，提高種子的純度和種植的統(tǒng)一性，利用該技術能優(yōu)選出單倍體籽粒用于種子，有利于加快選育進程并提高單產(chǎn)[8]。

4 結語

綜上所述，在產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化的推動下，我國種子加工業(yè)逐漸向現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)線模式轉型，種子生產(chǎn)效率和質(zhì)量更有保證。針對玉米播種實際需求而言，在現(xiàn)代化精量播種機作業(yè)模式下，要求玉米種子必須具備高質(zhì)量、高純度特征，這就對種子的脫粒和精選設備提出了更高要求。種子生產(chǎn)過程也必須重視相關設備的升級改造，以保證成品種子的良好品質(zhì)，為玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)奠定基礎。