玉米籽粒收獲機械優(yōu)化設計與分析

劉 誠,郭萬華

(1.梅河口市小楊滿族朝鮮族鄉(xiāng)綜合服務中心,吉林 梅河口 135024;2.梅河口市山城鎮(zhèn)綜合服務中心,吉林 梅河口 135022)

0 引言

玉米是世界上主要的糧食作物之一,也是中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛種植的重要農(nóng)作物之一[1-2]。隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展,人們對糧食的需求也不斷增加。因此,提高玉米收獲效率和質(zhì)量,對于保障國家糧食安全、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益具有重要意義[3]。

玉米籽粒收獲機械作為一種重要農(nóng)業(yè)機械設備,其設計和使用對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著關鍵的作用[4]。目前,市場上的玉米收獲機械種類繁多,但是很多機械存在著結構復雜、效率低下、易損件過多等問題,難以滿足不斷提高的玉米產(chǎn)量和收獲質(zhì)量要求[5-7]。因此,對于玉米收獲機械進行優(yōu)化設計和分析,具有十分重要的現(xiàn)實意義。

本文從機械設計的角度出發(fā),探討玉米籽粒收獲機械的優(yōu)化設計和分析。旨在提高機械的效率和可靠性,減少機械故障和易損件更換頻率,從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和糧食產(chǎn)量。

1 玉米籽粒收獲基本結構和工作原理

1.1 基本結構

玉米籽粒收獲機械的基本結構包括收割部分、脫粒滾筒、清理輸送部分、動力系統(tǒng)、行走部分和操作控制部分等[8]。

收割部分通常由割刀、輸送機等組成。割刀用于切割玉米穗,輸送機用于將玉米果穗輸送到清理部分。

脫粒滾筒如圖1所示,脫粒滾筒結構復雜,由多個脫粒滾筒板組成,通過高速旋轉和摩擦力將農(nóng)作物的籽粒與秸稈進行分離。

1.過渡裝置;2.釘齒;3.幅盤

清理輸送部分主要包括清理篩、風機和輸送機等。清理篩用于將玉米籽粒從混合物中分離出來,風機用于吹除雜質(zhì),輸送機將清理后的玉米籽粒輸送到儲存設備或運輸車輛中。

動力系統(tǒng)一般采用內(nèi)燃機或電動機驅(qū)動,為機械提供動力支持,由輪胎、行走機構等組成,用于使機械行走、轉彎和控制方向[9]。操作控制部分包括駕駛室、控制器等,用于控制機械的運行和操作。

1.2 工作過程

玉米籽粒收獲機械在田間工作過程中,首先割斷玉米植株并將其輸送到割臺;接著,脫粒滾筒將玉米穗上的籽粒與穗稈分離,清理輸送部分隨后將籽粒與雜質(zhì)分離,清理后的籽粒被收集并儲存。操作控制部分由操作員調(diào)整各項參數(shù),在田間工作過程中實時高效的優(yōu)化玉米籽粒收獲和處理過程。

2 玉米籽粒收獲機關鍵部件優(yōu)化策略

2.1 脫粒裝置安裝優(yōu)化設計

2.1.1 玉米脫粒裝置類型及特點

不同玉米脫粒裝置類型及特點如表1所示,不同類型的玉米脫粒裝置采用了不同的原理來實現(xiàn)脫粒過程,在實際應用過程中,需要根據(jù)具體需求進行選擇,在高效脫粒和最小損失之間取得平衡。

表1 不同脫粒結構應用特點

2.1.2 優(yōu)化策略

玉米脫粒裝置的優(yōu)化設計方案主要包括以下幾個方面:

1)多級脫粒系統(tǒng)。設計一個多級脫粒系統(tǒng),將脫粒過程分為幾個階段,每個階段采用不同的脫粒方法和參數(shù),以確保徹底脫粒同時最小化籽粒損失。

2)可調(diào)節(jié)脫粒參數(shù)。設計可調(diào)節(jié)的脫粒參數(shù),如滾筒速度、角度和間隙等,以適應不同玉米品種和濕度條件,實現(xiàn)最佳脫粒效果。

3)脫粒滾筒表面設計。優(yōu)化脫粒滾筒的表面設計,采用適當?shù)陌纪剐螤詈筒馁|(zhì),以提高脫粒效率和耐磨性,同時減少對籽粒的損害。

4)智能傳感器和控制系統(tǒng)。集成智能傳感器和控制系統(tǒng),實時監(jiān)測脫粒效果和雜質(zhì)含量,自動調(diào)整脫粒參數(shù),以最大程度地減少損失并保持一致的脫粒效果。

本文選擇方案1)和方案4)實現(xiàn)脫粒滾筒的優(yōu)化設計。

本文設置三級玉米脫粒系統(tǒng),分別為初級脫粒、中級脫粒和終極脫粒裝置(表2),通過逐步處理、采用不同的脫粒方法和參數(shù),確保在各個階段都實現(xiàn)了徹底的脫粒,同時最小化籽粒損失。風力或振動分離裝置在各個階段都有助于清理雜質(zhì),提高脫粒效率和籽粒質(zhì)量。

表2 三級玉米脫粒系統(tǒng)優(yōu)化設計方案

本研究基于Wi-Fi無線通信技術,在玉米脫粒滾筒中安裝光學傳感器和壓力傳感器,用于實時監(jiān)測脫粒效果和雜質(zhì)含量。在控制系統(tǒng)中,使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型對傳感器數(shù)據(jù)進行分析和處理,以評估脫粒效果和雜質(zhì)含量。部分控制程序如圖2所示,實時監(jiān)測脫粒效果和雜質(zhì)含量,并自動調(diào)整脫粒參數(shù)的過程。

2.2 螺旋輸送器優(yōu)化設計

在傳統(tǒng)玉米籽粒收獲機械中,由于物料粘附、玉米籽粒濕度較高及輸送器設計不當?shù)葧е螺斔推魅~片堵塞,因此本文以傳統(tǒng)玉米籽粒收獲機螺旋輸送器一個葉片P點進行分析(圖3),進而對螺旋輸送器的螺旋角及輸送器長度進行優(yōu)化。

圖3 螺旋輸送器葉片受力分析

螺旋輸送器葉片P點與玉米的作用力可以分解為切向摩擦力FN和法向力Ff。為了保證玉米脫粒過程的順利進行,需要滿足以下條件

FNcosβ-Ffsinβ>0

(1)

(2)

式中FN-法向力,N;

Ff-摩擦力,N;

β-葉片螺旋角,(°);

α-摩擦角,(°)。

本文設置摩擦角為17°,帶入上述公式可得:

FNcosβ-Ffsinβ·tan17°>0

(3)

因此,最終實現(xiàn)玉米順利脫粒的螺旋角為73°。

螺旋輸送長度L1計算公式如下

(4)

式中S-螺旋導程,mm;

K-螺旋頭數(shù)。

根據(jù)玉米果穗尺寸(200 mm ×70 mm底部直徑)做適應性設計取S=600 mm,根據(jù)物料進入的高效性,取K=3,代入式(4),經(jīng)計算并且優(yōu)化后的螺旋器輸送長度L1=200 mm。

2.3 釘齒優(yōu)化設計方案

在玉米籽粒收獲機械中, 釘齒數(shù)量可以影響螺旋輸送器與玉米穗稈的物理接觸和摩擦。較多的釘齒可能會增加與穗稈的摩擦面積,從而有助于更有效地脫離籽粒。籽粒數(shù)量確定如下

(5)

式中Nd-釘齒數(shù)量;

λ-谷草比;

Q-喂入量最大值,kg/s;

q-生產(chǎn)效率,kg/s,取q=0.08 kg/s。

根據(jù)實際,取Q=14 kg/s,,玉米谷草比λ=0.8,代入式(5),計算得Nd=56。

3 結語

本文對玉米籽粒收獲機關鍵部件進行優(yōu)化設計,主要得到以下結論:

1)螺旋輸送器葉片在玉米上施加的切向摩擦力和法向力之間的平衡關系是確保脫粒效果和雜質(zhì)含量的關鍵。適當?shù)那邢蚰Σ亮τ兄诿撾x籽粒,而適度的法向力則促進籽粒與穗稈的分離。本文優(yōu)化后的玉米脫粒螺旋角為73°,螺旋器輸送長度為200 mm。

2)釘齒數(shù)量是影響螺旋輸送器脫粒效果的重要因素之一。適當?shù)尼旪X數(shù)量可以增加與穗稈的摩擦面積,提高脫粒效率。然而,過多的釘齒可能導致物料堵塞風險增加,同時也可能增加能耗和磨損。本文綜合考慮后釘齒數(shù)量為56。

3)集成智能傳感器和控制系統(tǒng)可以實時監(jiān)測脫粒效果,自動調(diào)整脫粒參數(shù),以適應不同的物料和條件,從而實現(xiàn)最佳的脫粒效果和質(zhì)量。

未來隨著科技的不斷發(fā)展和創(chuàng)新,玉米籽粒收獲機械將會更加智能化、自動化和高效化,能夠適應更多不同作業(yè)場地和作物品種的需求,提高機械的適應性和操作效率,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的提高和發(fā)展貢獻力量。