詹廣超，馬麗娜,2，黃小毛,2，宗望遠(yuǎn),2，田 偉，林子欣

油菜脫粒過程中莖稈碰撞破碎的試驗(yàn)研究

詹廣超1，馬麗娜1,2，黃小毛1,2，宗望遠(yuǎn)1,2※，田 偉1，林子欣1

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

油菜脫粒過程中莖稈過度破碎是導(dǎo)致夾帶損失和脫粒功耗升高的主要原因。為明確油菜莖稈被脫粒釘齒碰撞導(dǎo)致破碎的機(jī)理，該研究以收獲期油菜莖稈為研究對象，在自制的碰撞試驗(yàn)臺上進(jìn)行脫粒釘齒與油菜莖稈的碰撞破碎試驗(yàn)。在進(jìn)行油菜莖稈與脫粒釘齒撞后軌跡分析的基礎(chǔ)上，利用感壓膠片對脫粒釘齒與油菜莖稈的碰撞力進(jìn)行了測量，并以油菜莖稈破碎率為指標(biāo)，以油菜莖稈長度、喂入次數(shù)、滾筒轉(zhuǎn)速、齒型等為因素分別進(jìn)行了單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)。結(jié)果表明：單個(gè)釘齒與油菜莖稈的碰撞過程為高速瞬時(shí)多點(diǎn)碰撞，碰撞過程89%為多次碰撞，發(fā)生1次碰撞的僅占11%，碰撞次數(shù)與碰撞點(diǎn)在釘齒上的位置有關(guān)；瞬時(shí)多次碰撞過程中碰撞力隨碰撞次數(shù)呈減小趨勢，試驗(yàn)條件下單次碰撞力平均值為13.25 N，單次碰撞的油菜莖稈不易破碎；單因素試驗(yàn)表明油菜莖稈破碎率與莖稈長度、喂入次數(shù)、滾筒轉(zhuǎn)速正相關(guān)；刀面、柱面和平面3種釘齒中刀面釘齒對莖稈破碎率影響最大，平面釘齒對莖稈破碎率影響最小，試驗(yàn)條件下將油菜莖稈重復(fù)8次喂入碰撞試驗(yàn)臺后油菜主莖稈上、中、下各部分破碎率分別為84.4%、91.1%、97.8%，油菜側(cè)枝破碎率為42.2%，主莖稈破碎率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于側(cè)枝；正交試驗(yàn)表明，在所選參數(shù)范圍內(nèi)，影響莖稈破碎率大小的因素依次為莖稈長度、滾筒轉(zhuǎn)速、齒型、喂入次數(shù)，且莖稈長度100 mm、滾筒轉(zhuǎn)速500 r/min、喂入次數(shù)為2次、齒型為平面釘齒時(shí)油菜莖稈破碎率最低。研究結(jié)果可為油菜脫粒裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

試驗(yàn)；破碎率；油菜莖稈；碰撞；感壓膠片；脫粒

0 引 言

脫粒分離裝置是油菜聯(lián)合收獲機(jī)的關(guān)鍵工作部件之一，其性能直接關(guān)系到整機(jī)的作業(yè)質(zhì)量?，F(xiàn)有的油菜聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒主要是借鑒稻麥聯(lián)合收獲機(jī)的脫粒滾筒改進(jìn)而來[1-2]。油菜不同于稻麥，其主莖稈粗壯、分支眾多且相互交織，油菜果莢細(xì)小，上層和下層的成熟度不一致，為了提高脫粒效果，滾筒轉(zhuǎn)速和滾筒長度等工作參數(shù)一般取值較大，處于過度脫粒狀態(tài)。脫粒系統(tǒng)過度脫粒易導(dǎo)致秸稈破碎程度加劇，使得清選工作負(fù)荷大、夾帶損失率高、整機(jī)功耗大等一系列問題[3-4]。

為解決油菜脫粒過程物料破碎嚴(yán)重這一問題，張敏等對油菜分段收獲以及脫粒損失與功耗進(jìn)行了研究，通過割曬撿拾脫粒的方式使油菜上下果莢充分成熟易于脫粒[5-7]；劉德軍等對不同收獲方式下含水率對油菜收獲物流損失的影響進(jìn)行了研究[8]；宗望遠(yuǎn)等對油菜不同脫粒方式進(jìn)行了研究并研制了梳脫式油菜割臺，通過將油菜的果莢和少量莖稈梳刷到割臺內(nèi)，較粗壯的主莖稈則由割刀切斷鋪倒在田間，避免了粗壯的主莖稈進(jìn)入收獲機(jī)割臺內(nèi)，從而減輕聯(lián)合收獲機(jī)脫粒分離和清選系統(tǒng)的工作負(fù)荷[9-11]；李耀明等對油菜多滾筒脫粒分離裝置的性能進(jìn)行了研究，前段低速滾筒脫下易脫籽粒，后段高速滾筒脫下難脫籽粒，避免了單一轉(zhuǎn)速下為保證脫凈率物料破碎嚴(yán)重的問題[12-13]；謝方平等對柔性釘齒以及不同脫粒元件進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究[14-16]；廖慶喜等對油菜聯(lián)合收獲機(jī)切拋組合式縱軸流脫離裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[17-19]；王剛等對油菜脫粒裝置的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[20]；李杰等對滾筒脫粒過程進(jìn)行仿真并對脫粒損傷及物料運(yùn)動軌跡進(jìn)行了分析[21-23]。綜上所述，眾多學(xué)者針對油菜脫粒滾筒的研究主要集中在收獲方式的選擇、脫粒裝置的改進(jìn)及參數(shù)優(yōu)化、脫粒過程的數(shù)學(xué)建模仿真及運(yùn)動軌跡分析，而對于油菜莖稈在脫粒過程中的破碎機(jī)理少有闡述。

本文在自制的莖稈碰撞破碎試驗(yàn)臺上，對適收期油菜莖稈進(jìn)行碰撞破碎試驗(yàn)，使用感壓膠片對油菜莖稈與釘齒碰撞力進(jìn)行測量；并以油菜莖稈破碎率為指標(biāo)，以莖稈的長度、莖稈的含水率、莖稈碰撞次數(shù)及釘齒類型等為因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，以探索油菜脫粒過程莖稈破碎機(jī)理，擬提出脫粒元件作用下油菜莖稈破碎的機(jī)制和降低莖稈破碎提高籽粒脫凈率的控制策略。

1 油菜莖稈與釘齒碰撞過程分析

注：θ為釘齒與水平方向夾角，（°）；ω為釘齒繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動角速度，rad·s-1；v1為第一次碰撞后油菜莖稈的速度，m·s-1；α為速度v1與水平方向夾角，（°）；xA為碰撞點(diǎn)A距離轉(zhuǎn)動中心的距離，m；R為釘齒頂端的轉(zhuǎn)動半徑。

（1）

式中為時(shí)間，s。

油菜莖稈和轉(zhuǎn)動中心的連線與水平軸的夾角函數(shù)方程為

釘齒軸向與水平軸的夾角方程為

通過對釘齒和油菜莖稈碰撞后的運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析可知，釘齒與油菜莖稈的碰撞過程會出現(xiàn)多次碰撞；滾筒轉(zhuǎn)速及碰撞點(diǎn)的初始位置及速度一定時(shí)，碰撞次數(shù)與碰撞點(diǎn)的位置及碰撞角度等因素有關(guān)。由于碰撞次數(shù)的不確定性且難以控制，本文將試驗(yàn)臺架等效成脫粒滾筒的一部分，通過多次喂入的方式模擬油菜莖稈在脫粒過程受釘齒的多次打擊過程，從而研究油菜莖稈在釘齒多次碰撞下的破碎情況。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

油菜莖稈樣本于2019年5月9日采自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生產(chǎn)基地，品種為‘華油雜62號’，該油菜品種于2018年10月上旬播種，2019年5上旬成熟。試驗(yàn)材料選取長勢良好無病蟲害的油菜莖桿。由于油菜收割機(jī)留茬高度一般為350 mm，割刀剪切部位為第一分支處以下200 mm左右，故以油菜莖稈第一分支處為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)以下200 mm為下部，往上每隔200 mm分別設(shè)為中部和上部，試驗(yàn)時(shí)從各部位截取所需長度的材料進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)測得莖稈材料含水率的平均值為79.30%（油菜主莖稈中部）。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)裝置為自主搭建的莖稈碰撞破碎試驗(yàn)臺架，主要包括動力系統(tǒng)、物料喂入平臺、莖稈碰撞破碎室和物料輸出口4部分。為了確保油菜莖稈以相同的姿態(tài)與釘齒發(fā)生碰撞，物料喂入平臺選用2條寬100 mm的同步帶，由一根驅(qū)動軸帶動2根皮帶同步傳動；莖稈碰撞破碎室主要由齒桿、釘齒和透明上蓋組成。碰撞釘齒為自制的柱面、平面、刀面3種不同曲面的釘齒，用螺栓固定在齒桿上便于拆裝更換。滾筒轉(zhuǎn)速通過變頻器調(diào)節(jié)，試驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖2a所示。

壓力測量系統(tǒng)是由感壓膠片、記錄膠片顏色的掃描儀和安裝有FPD-8010E軟件的電腦組成，感壓膠片選用LLW雙片型，分為膠片1和膠片2，如圖2b所示。

2種膠片涂層面（發(fā)色層和顯色層）貼合在一起固定在釘齒上。釘齒與莖稈碰撞時(shí)，膠片上的受力區(qū)會顯色，將顯色的面積和濃度特征導(dǎo)入電腦中的FPD-8010E軟件進(jìn)行分析，得到釘齒與莖稈碰撞時(shí)的接觸力大小及分布[24-26]。輔助裝置包括硬質(zhì)薄膜、剪刀、雙面膠、游標(biāo)卡尺、手持式轉(zhuǎn)速儀、OHAUS烘干式水分測定儀（采用鹵素?zé)艏訜?，最大量?0 g，精度為0.001 g）。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 油菜莖稈碰撞力測量及壓力分布試驗(yàn)

采用感壓膠片并結(jié)合FPD-8010E軟件對莖稈所受釘齒碰撞力進(jìn)行分析測量。由于油菜植株主莖稈上、中、下各部位直徑相差不大，試驗(yàn)材料截取油菜植株中部長度為150 mm直徑為12 mm左右的莖稈，電機(jī)轉(zhuǎn)速選取脫粒滾筒常用工作轉(zhuǎn)速600 r/min；用剪刀將膠片1和膠片2裁剪成30 mm×60 mm大小。試驗(yàn)時(shí)，為避免安裝過程中手指的按壓使感壓膠片顯色，將薄膜放入剪好的膠片1和膠片2的涂層面中間隔開，膠片固定在釘齒上后再將薄膜抽出，感壓膠片的安裝如圖2c所示。

將準(zhǔn)備好的油菜莖稈平鋪在同步帶上，接通電源并喂入油菜莖稈。油菜莖稈與釘齒發(fā)生碰撞后在感壓膠片上留下印記，隨即莖稈從碰撞試驗(yàn)臺排出口排出。1根莖稈碰撞完成后取下感壓膠片并做好編號，重復(fù)上述操作，試驗(yàn)共3組，每組試驗(yàn)重復(fù)10次。試驗(yàn)完成后挑選出印記清晰無干擾的感壓膠片，通過掃描儀采集感壓膠片圖像并導(dǎo)入FPD-8010E軟件進(jìn)行分析，最后得出油菜莖稈所受釘齒碰撞力的大小及分布情況。

2.3.2 釘齒對油菜莖稈的碰撞破碎試驗(yàn)

油菜莖稈在脫粒滾筒中所受脫粒元件的沖擊力沒有超過莖稈的屈服極限情況下，由木材的疲勞損傷和裂紋擴(kuò)散理論[27]可知，油菜莖稈在經(jīng)過脫粒元件的多次擊打會產(chǎn)生局部疲勞損傷并形成裂紋，莖稈上的裂紋在釘齒沖擊力的作用下逐漸擴(kuò)散，最終導(dǎo)致莖稈破碎。

3 結(jié)果與分析

3.1 莖稈所受釘齒碰撞力及壓力分布情況

油菜莖稈與釘齒的碰撞力測量試驗(yàn)表明，高速運(yùn)動的釘齒與自由狀態(tài)的莖稈碰撞時(shí)，各樣本的碰撞接觸面都呈月牙狀，如圖3所示。由1次喂入出現(xiàn)多個(gè)印記可知，油菜莖稈與釘齒的碰撞呈現(xiàn)高速瞬時(shí)多點(diǎn)碰撞，與釘齒和莖稈碰撞的理論分析一致。

圖3 釘齒與莖稈碰撞力印記分布圖

對多個(gè)印記的感壓膠片分析發(fā)現(xiàn)，釘齒與油菜莖稈的碰撞次數(shù)最多為3次，未發(fā)現(xiàn)4次碰撞及以上的情況。分別記錄下不同碰撞次數(shù)感壓膠片的個(gè)數(shù)，得出1、2、3次碰撞感壓膠片所占比例分別為11%、22%和67%。釘齒與油菜莖稈的碰撞過程89%為多次碰撞，發(fā)生1次碰撞的僅占11%。

對不同碰撞次數(shù)的感壓膠片對比分析發(fā)現(xiàn)，釘齒與莖稈瞬時(shí)碰撞次數(shù)與碰撞位置有關(guān)，碰撞點(diǎn)靠近釘齒底部時(shí)，碰撞次數(shù)較多。

框選各個(gè)印記并測量印記的受壓面積、平均壓強(qiáng)和碰撞力。接觸面所受平均壓強(qiáng)為0.375 MPa，第一次平均碰撞力為13.25 N，第二次平均碰撞力為10.00 N，第三次平均碰撞力為6.75 N；瞬時(shí)多次碰撞過程中碰撞力隨碰撞次數(shù)呈減小趨勢。油菜莖稈在自由碰撞條件下單次所受釘齒碰撞并不會導(dǎo)致莖稈立即破碎。

3.2 莖稈破碎率的影響因素分析

3.2.1 油菜莖稈喂入次數(shù)

試驗(yàn)材料選取適收期油菜莖稈，莖稈含水率為79.30%，齒型和滾筒轉(zhuǎn)速分別為整機(jī)正常收獲時(shí)常用的柱面釘齒和600 r/min，由于油菜植株在經(jīng)過螺旋絞龍、鏈耙式輸送器、滾筒螺旋喂入頭等輸送裝置作用下進(jìn)入脫粒滾筒時(shí)莖稈長度一般不超過200 mm，該試驗(yàn)截取油菜莖稈各部位長度為150 mm的莖稈進(jìn)行研究。將截取的油菜莖稈樣品重復(fù)喂入碰撞破碎試驗(yàn)臺，每組喂入15個(gè)樣品，記錄每次喂入后樣品的破碎數(shù)，將未破碎的莖稈重復(fù)喂入碰撞破碎試驗(yàn)臺，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。圖4為油菜植株不同部位莖稈重復(fù)喂入8次后莖稈破碎圖。對破碎的油菜莖稈進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，主枝破碎方式表現(xiàn)為折斷、開裂；側(cè)枝破碎方式主要為開裂，折斷的較少。

圖4 莖稈不同部位碰撞破碎實(shí)物圖

隨著喂入次數(shù)的增加，油菜莖稈破碎率呈增長趨勢。主枝莖稈上、中、下部分在重復(fù)喂入8次后破碎率破碎率分別為84.4%、91.1%、97.8%，而次枝莖稈破碎率僅有40%，如圖5a所示。主枝破碎率遠(yuǎn)大于側(cè)枝主要是由于油菜主莖稈的纖維化程度比側(cè)枝高，且主莖稈質(zhì)量較大，碰撞過程中主莖稈相比側(cè)枝所受釘齒的碰撞力更大。收獲時(shí)減少主莖稈的喂入、縮短莖稈在脫粒滾筒中的停留時(shí)間（即減小碰撞次數(shù)）可有效減少莖稈破碎嚴(yán)重的問題。

3.2.2 油菜莖稈取樣長度

試驗(yàn)材料選取適收期油菜莖稈，齒型為柱面釘齒，滾筒轉(zhuǎn)速為600 r/min，將不同部位的油菜莖稈剪切成長度分別為100、150、200 mm三個(gè)長度，每組莖稈重復(fù)喂入8次后記錄莖稈破碎率。莖稈各部位不同長度的破碎率如圖5b所示。結(jié)果表明：莖稈多次喂入碰撞破碎試驗(yàn)臺后，莖稈長度越短破碎率越低，除了側(cè)枝部分，長度為200 mm的主莖稈全部破碎。由此可知，在油菜莖稈喂入脫粒滾筒前對油菜莖稈進(jìn)行切碎處理，可降低油菜脫粒過程中莖稈破碎率。

圖5 各影響因素對油菜莖稈破碎率的影響

3.2.3 油菜莖稈含水率

試驗(yàn)選取齒型和滾筒轉(zhuǎn)速分別為整機(jī)正常收獲時(shí)常用的柱面釘齒和600 r/min；由于油菜主莖稈相對于側(cè)枝破碎率較大，且主莖稈各部位與釘齒的碰撞破碎率相近，故試驗(yàn)材料選取主莖稈中部長度為150 mm的莖稈。由于油菜收獲周期較短，在適收期油菜植株的含水率變化較大，為了研究不同含水率對油菜脫粒過程中莖稈破碎率的影響，油菜莖稈采樣后通過晾干的方式來調(diào)節(jié)含水率，每間隔1 d測量莖稈含水率并進(jìn)行碰撞破碎試驗(yàn)。圖5c為150 mm長度油菜莖稈在不同含水率下油菜莖稈破碎率對比圖。由圖5c可知，隨著釘齒對油菜莖稈的打擊次數(shù)的增加，油菜莖稈破碎率持續(xù)增高，含水率低的油菜莖稈破碎更快，莖稈含水率越低莖稈破碎率越高。因此，選擇合適的適收期對于降低脫粒過程莖稈破碎率具有重要意義。

3.2.4 滾筒轉(zhuǎn)速

截取油菜植株中部、長度為150 mm的莖稈，齒型選取常用的柱面釘齒。對滾筒轉(zhuǎn)速分別為500、600 、700和800 r/min的油菜莖稈破碎率進(jìn)行研究。由圖5d可知，只喂入1次時(shí)，各轉(zhuǎn)速條件下的莖稈破碎率相近；喂入次數(shù)為2到6次時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速越高莖稈破碎越嚴(yán)重。在保證脫凈率的情況下降低滾筒轉(zhuǎn)速，不僅可以降低整機(jī)功耗也可達(dá)到降低莖稈破碎率的目的。

3.2.5 齒型

圖5e為柱面、刀面、平面3種不同釘齒的對比試驗(yàn)。試驗(yàn)材料選取油菜植株中部、長度為150 mm的莖稈，滾筒轉(zhuǎn)速為600 r/min。由圖5e可知，3種齒型對油菜莖稈破碎率的影響程度大小順序?yàn)榈睹驷旪X、柱面釘齒、平面釘齒。選擇合適的釘齒可有效降低油菜脫粒過程中莖稈的破碎率。

3.3 正交試驗(yàn)

3.3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了明確各因素對油菜莖稈破碎率的影響程度的大小，以莖稈破碎率為評價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。由單因素試驗(yàn)可知，釘齒類型、莖稈長度、喂入次數(shù)、滾筒轉(zhuǎn)速和莖稈含水率都會影響油菜莖稈破碎率。由于釘齒類型、莖稈長度、喂入次數(shù)和滾筒轉(zhuǎn)速都可通過裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行改進(jìn)，而含水率對于裝置的改進(jìn)和參數(shù)的優(yōu)化并無指導(dǎo)意義，故以脫粒釘齒類型、莖稈長度、喂入次數(shù)、滾筒轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)四因素三水平響應(yīng)曲面正交試驗(yàn)，確定各因素對莖稈破碎率的影響重要性。試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用Minitab軟件自動生成設(shè)計(jì)表，設(shè)計(jì)試驗(yàn)類型為中心復(fù)合，Alpha值設(shè)置為表面中心，共設(shè)置7個(gè)中心點(diǎn)。

由于實(shí)際脫粒過程中釘齒與莖稈碰撞姿態(tài)呈多樣性性和不確定性，碰撞試驗(yàn)時(shí)為了避免不同碰撞姿態(tài)對各因素試驗(yàn)的影響，統(tǒng)一碰撞姿態(tài)為水平碰撞，將油菜莖稈平鋪在喂入平臺上，依次將莖稈喂入莖稈碰撞破碎室，碰撞后的莖稈從物料輸出口排出，分別記錄下破碎的莖稈數(shù)量和未破碎的莖稈數(shù)量，并將未破碎的油菜莖稈收集起來進(jìn)行二次喂入，重復(fù)上述操作，喂入8次后分析喂入次數(shù)與油菜莖稈破碎率的關(guān)系。

由圖5d可知，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為800 r/min，喂入次數(shù)超過5次時(shí)，莖稈破碎率較高且喂入次數(shù)持續(xù)增加時(shí)莖稈的破碎率變化不大，故正交試驗(yàn)中滾筒轉(zhuǎn)速選取為500 、600 和700 r/min，喂入次數(shù)選擇為2、3、4次。各因素的取值水平及編碼如表1所示。

3.3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

以油菜莖稈破碎率為評價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 因素水平編碼表

表2 試驗(yàn)結(jié)果

注：、、、分別為齒型、莖稈長度、喂入次數(shù)、滾筒轉(zhuǎn)速的水平值。

Note:、、、are the levels of tooth profile, stem length, feeding times, drum speed, respectively.

試驗(yàn)完成后采用Minitab軟件對得到的試驗(yàn)結(jié)果展開二次多項(xiàng)式回歸分析，取得回歸模型，確定各個(gè)因素的影響顯著性，并分析油菜莖稈的破碎機(jī)理。方差分析表見表3所示。

由表3可知，模型中回歸項(xiàng)的值均小于0.01，對回歸模型影響極為顯著，××項(xiàng)的值均小于0.05，對回歸模型影響顯著。油菜莖稈破碎率對應(yīng)的響應(yīng)面模型中的值小于0.01，表明該回歸模型總體上是有效的，且失擬項(xiàng)中的值為0.364大于0.05，表明回歸方程的擬合度很好，模型不存在失擬現(xiàn)象。去除回歸模型中不顯著的回歸項(xiàng)后得到新的回歸模型為

= 0.447 3 - 0.100 0+ 0.237 0+ 0.092 6

+ 0.155 6- 0.070 8×+ 0.070 8×（5）

由式（5）可知，喂入次數(shù)與齒型、莖稈長度、滾筒轉(zhuǎn)速并無交互作用，且針對3種齒型，無論選取何種齒型，莖稈長度、滾筒轉(zhuǎn)速取值越小莖稈破碎率越小，故喂入次數(shù)為2次、齒型為平面釘齒、莖稈長度100 mm、滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)莖稈破碎率最低。

通過回歸方程各因素回歸系數(shù)的大小對比可知，各因素在所選范圍內(nèi)對莖稈破碎率影響程度由大到小依次為、、、。

表3 正交試驗(yàn)方差分析

注：*表示影響顯著；**表示影響極顯著。

Note:* means that the impact is significant; * * means that the impact is extremely significant.

4 討 論

1）油菜在實(shí)際脫粒過程中，由于脫粒元件與油菜莖稈發(fā)生碰撞時(shí)，莖稈的長度、釘齒與莖稈的碰撞姿態(tài)、釘齒與莖稈的碰撞次數(shù)等諸多因素的不確定性，本文只針對3種不同長度莖稈、油菜莖稈與釘齒水平姿態(tài)、以及重復(fù)8次喂入過程的碰撞進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果僅為脫粒滾筒結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化提供參考。后續(xù)研究可考慮對實(shí)際脫粒過程中滾筒不同部位油菜莖稈的破碎情況進(jìn)行分析，在保證脫凈率的情況下，對脫粒滾筒的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以降低油菜莖稈的破碎率，實(shí)現(xiàn)低損高效的油菜脫粒。

2）為了探索釘齒與莖稈發(fā)生碰撞后莖稈的受力及破碎情況，本文選取試驗(yàn)材料為‘華油雜62號’甘藍(lán)型油菜，對莖稈的受力及各因素條件下莖稈的破碎率進(jìn)行了研究。對于不同的油菜品種，油菜主枝和側(cè)枝的生長情況及物理特性不盡相同，所測受力及各因素條件下的破碎率可能略有差異；而現(xiàn)有的油菜聯(lián)合收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)大體相同，各因素對莖稈破碎率的影響趨勢不會有太大變化，后續(xù)研究可針對釘齒與不同品種油菜的碰撞受力情況進(jìn)行分析，并采用CT斷層掃描對碰撞后未破碎的油菜莖稈內(nèi)部的損傷情況進(jìn)行更深入的研究。

5 結(jié) 論

1）利用感壓膠片對釘齒與莖稈的碰撞力進(jìn)行了測量并對莖稈與釘齒的碰撞形式進(jìn)行了研究。研究表明：釘齒與莖稈的碰撞過程為高速瞬時(shí)多點(diǎn)碰撞，釘齒與油菜莖稈的碰撞過程89%為多次碰撞，發(fā)生1次碰撞的僅占11%，碰撞接觸面呈現(xiàn)月牙狀，所受平均壓強(qiáng)為0.375 MPa。瞬時(shí)多次碰撞過程中碰撞力隨碰撞次數(shù)呈減小趨勢，單次平均碰撞力為13.25 N，1次喂入的莖稈不易破碎。

2）通過將油菜莖稈重復(fù)喂入碰撞破碎試驗(yàn)臺的方法等效莖稈在脫粒過程中的多次碰撞情況，重復(fù)8次喂入后油菜主莖稈上、中、下各部分破碎率分別為84.4%、91.1%、97.8%，油菜側(cè)枝破碎率為42.2%，主莖稈的破碎率遠(yuǎn)大于側(cè)枝。

3）油菜莖稈各影響因素試驗(yàn)研究表明，莖稈破碎率與莖稈長度、喂入次數(shù)、莖稈含水率呈正相關(guān)，齒型對莖稈破碎率的影響由大到小分別為刀面釘齒、柱面釘齒、平面釘齒；正交試驗(yàn)表明，在所選取的因素范圍內(nèi)，各因素對莖稈破碎率影響程度由大到小依次為莖稈長度、滾筒轉(zhuǎn)速、齒型、喂入次數(shù)。

4）減少油菜主莖稈的喂入、油菜莖稈脫前切段、減少莖稈打擊次數(shù)如縮小滾筒的長度、選擇合適的釘齒以及確定合適的收獲期都可以降低脫粒過程中物料的破碎。

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Experimental study on impact crushing of rapeseed stalks during threshing of oilseed rape

Zhan Guangchao1, Ma Lina1,2, Huang Xiaomao1,2, Zong Wangyuan1,2※, Tian Wei1, Lin Zixin1

(1.,,430070; 2.,,430070,)

Excessive breakage of stalk in the process of rape threshing has become the main reason for the entrainment loss and the increase of the whole power consumption. Taking the harvest rape stalks as the research object, this study aims to investigate the collision and crushing behavior between threshing nail tooth and rape stem, further to clarify the breakage mechanism of rape stems caused by the collision of threshing spike tooth on a self-made collision test-bed. A prescale film was used to measure the impact force between the rape stalks and spike tooth, according to the force and trajectory. A single factor and an orthogonal experiments were carried out, where the breakage rate of rape stalk as the index, and the length of rape stalk, feeding times, rotational speed of cylinder, and type of spike tooth as factors. An attempt was made to explore the collision form and collision force between the threshing nail tooth and the stem of rapeseed, thereby to figure out the main factors affecting the breakage rate of stalk. The results were as follows: The collision process between single spike tooth and rape stalk was a multiple high-speed instantaneous collision, where 89% of the collisions were multiple collisions, and only 11% had one collision, particularly that the collision times were strongly related to the position of impact point on the spike tooth. In the process of instantaneous multiple collisions, the collision force decreased with the number of collisions. In the case of test conditions, the single impact force was 13.25 N, which was less than the yield limit of radial compression in a rape stalk. The stalk collided only once cannot be broken. The breakage rate of stalk was positively related to the stalk length, feeding times, and rotational speed of cylinder. In three kinds of nail tooth, cutter surface, cylinder, and plane, there was the greatest influence of nail teeth formed on the cutter face on the stem breakage rate, whereas, there was the least influence of plane nail teeth on the stem breakage rate. In the experimental conditions, the crushing rates of the upper, middle and lower parts for the main stem were 84.4%, 91.1%, and 97.8%, respectively, after feeding the rape stem into the collision test-bed for 8 times, and the fragmentation rate for the lateral branches of the rape was 42.2%, indicating that the broken rate of main stem was much higher than that of lateral branch. The orthogonal test showed that, there was the greatest effect of the length of rape stalk on the breakage rate, followed by the rotational speed of cylinder, and the type of spike tooth, whereas, the effect of feeding times was the smallest within the scope of the selected parameters, where the stalk length was 100 mm, the roller speed was 500 r/min, the feeding times were 2 times, and the tooth shape was flat nail teeth, as well as the breakage rate of rape stalk was the lowest. The finding can provide a sound basis for the optimal design of rape threshing device.

experiment; crushing rate; rape stalk; collision; pressure sensitive paper; threshing

詹廣超，馬麗娜，黃小毛，等. 油菜脫粒過程中莖稈碰撞破碎的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(24)：11-18.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.002 http://www.tcsae.org

Zhan Guangchao, Ma Lina, Huang Xiaomao, et al. Experimental study on impact crushing of rapeseed stalks during threshing of oilseed rape[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 11-18. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.002 http://www.tcsae.org

2020-08-21

2020-12-01

國家自然科學(xué)基金（31671592）

詹廣超，博士生，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)與測控研究。Email：zgc920701@163.com

宗望遠(yuǎn)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)與測控研究。Email：zwy@ mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.002

S23-01

A

1002-6819(2020)-24-0011-08