付乾坤 付 君 陳 志 任露泉

(1.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長春 130022； 2.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長春 130022；3.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

割臺是玉米收獲機(jī)的主要工作部件之一[1]。割臺工作時(shí)，相向轉(zhuǎn)動的拉莖輥在摩擦力作用下，將莖稈和果穗向下拉動，果穗在受到摘穗板阻擋作用后，穗柄被拉斷，在此過程中，果穗與摘穗機(jī)構(gòu)發(fā)生劇烈碰撞[2]。籽粒直收是玉米機(jī)械化收獲技術(shù)的主要發(fā)展方向之一[3-4]，該技術(shù)要求收獲期果穗含水率低、苞葉短而窄，且包裹松散[5-7]，這加劇了果穗與割臺碰撞中籽粒的迸濺，造成了玉米收獲割臺較大的籽粒損失。

針對玉米籽粒脫落與損傷問題，PETKEVICIUS等[8]分析了玉米果穗在準(zhǔn)靜態(tài)壓力下的穗-粒分離機(jī)理；文獻(xiàn)[9-10]研究了不同受力方式下籽粒與玉米芯的連接強(qiáng)度、粒柄斷裂特性；賀俊林等[11]針對輥式摘穗裝置的果穗啃傷問題，進(jìn)行了全組合試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摘輥拉莖段與凸棱的結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響籽粒損失和損傷的主因；耿愛軍等[12]通過建立果穗受力數(shù)學(xué)模型發(fā)現(xiàn)，果穗被摘下時(shí)受到的摩擦力和獲得的加速度，對籽粒損傷和損失有較大影響；陳美舟等[13]通過高速攝像發(fā)現(xiàn)，果穗在摘穗輥上的彈跳是造成果穗二次損傷的主因。為改善摘穗質(zhì)量，文獻(xiàn)[14-17]在設(shè)計(jì)中采用立輥進(jìn)行摘穗，通過減小割臺與果穗的碰撞來降低籽粒損失，并對立輥的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；張智龍等[18]設(shè)計(jì)了梳齒式摘穗機(jī)構(gòu)，采用向上梳脫的方式將果穗摘下，以減少損失；美國DRAGO公司開發(fā)了具有緩沖彈簧的摘穗板，以此降低碰撞造成的籽粒損失[19]；JOHN DEERE 公司的700C系列割臺配置了可調(diào)節(jié)工作參數(shù)的液壓式摘穗板，以減少摘穗損失[20]；OXBO 3000系列割臺采用錐形刀輥，降低果穗與摘穗板的沖擊加速度，以減少籽粒損失[21]。在多種作物的收獲中，柔性結(jié)構(gòu)作業(yè)部件得到廣泛采用，以此降低收獲中碰撞與擠壓等造成的損失及損傷[22-25]；付乾坤等[26]根據(jù)質(zhì)體碰撞理論中碰撞參數(shù)與碰撞體結(jié)構(gòu)關(guān)系，設(shè)計(jì)了輪式剛?cè)狁詈蠝p損玉米摘穗割臺。

為探究緩沖彈簧和柔性觸穗表面兩種剛?cè)狁詈弦蛩卦谡霚p損中的作用和機(jī)理，本文以板式摘穗機(jī)構(gòu)和具有緩沖彈簧的輪式摘穗機(jī)構(gòu)為2種基本結(jié)構(gòu)，以剛性觸穗表面和柔性觸穗表面為2種基本觸穗表面，構(gòu)建4種摘穗機(jī)構(gòu)，進(jìn)行割臺作業(yè)速度下的果穗碰撞試驗(yàn)，采集碰撞加速度峰值、碰撞時(shí)間、碰撞沖量等參數(shù)，統(tǒng)計(jì)籽粒脫落質(zhì)量，研究緩沖彈簧結(jié)構(gòu)和柔性觸穗表面兩種剛?cè)狁詈弦蛩貙τ衩渍胫凶蚜p失的影響規(guī)律，探究其作用機(jī)理，為玉米割臺的減損優(yōu)化提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)參考。

1 試驗(yàn)原理

果穗與摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞強(qiáng)度，可通過碰撞時(shí)間、碰撞加速度、碰撞沖量等參數(shù)進(jìn)行表征。果穗與割臺碰撞時(shí)，通過固定在果穗上的加速度傳感器測得的加速度曲線如圖1所示。t0為玉米果穗與摘穗板開始接觸的時(shí)刻，t1為玉米果穗與摘穗板接觸后反彈脫離摘穗板的時(shí)刻，t0與t1的時(shí)間間隔即果穗與摘穗板的碰撞時(shí)間Δt。加速度隨時(shí)間而變化，碰撞前果穗的加速度等于重力加速度，與碰撞加速度相比，可以忽略不計(jì)。碰撞時(shí)，從t0開始，加速度由0開始迅速增大，當(dāng)加速度增加到am時(shí)達(dá)到峰值并開始減小，到t1時(shí)，加速度減小到0，果穗與摘穗機(jī)構(gòu)脫離接觸。在碰撞結(jié)束后，曲線的波動主要由果穗自身的振動所引起。

圖1 典型碰撞過程的加速度曲線Fig.1 Acceleration curve of typical impact of corn ear

圖2 果穗與割臺碰撞受力簡化模型Fig.2 Simplified model of force of impact between corn ear and deck plate

在不考慮玉米莖稈對果穗碰撞影響的情況下，果穗與摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞問題可簡化為自由質(zhì)體與彈性壁的碰撞問題，如圖2所示。

在果穗與摘穗機(jī)構(gòu)碰撞接觸期間，其運(yùn)動滿足以下初值問題

(1)

式中M——碰撞前果穗質(zhì)量，kg

c——摘穗機(jī)構(gòu)阻尼系數(shù)，N·s/m

k——摘穗機(jī)構(gòu)剛度，N/m

v0——果穗與摘穗板碰撞時(shí)的初速度，m/s

在欠阻尼情況下，式(1)的解為

y(t)=Ae-ξωntsin(ωdt)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中A——振幅，mmy(t)——質(zhì)體位移，mm

ξ——粘性阻尼比，ξ<1

ωd——有阻尼固有頻率，Hz

ωn——無阻尼固有頻率，Hz

由于在碰撞開始和結(jié)束瞬間，果穗受力為0，即

(7)

(8)

將式(8)代入式(2)可得

-Ae-ξωnt[(1-2ξ2)ωnsin(ωdt)+2ξωdcos(ωdt)]=0

(9)

求得式(9)的2個(gè)解，分別為t0、t1，其中t0=0，最小正解t1即為碰撞時(shí)間

(10)

(11)

由式(10)及式(11)可知，碰撞時(shí)間取決于碰撞機(jī)構(gòu)的固有頻率及粘性阻尼比，直接決定于碰撞機(jī)構(gòu)的材料屬性及結(jié)構(gòu)參數(shù)。

在碰撞前后，果穗與籽粒的速度滿足動量-沖量定理，果穗受到的沖量為

(12)

式中P——果穗受到的沖量，kg·m/s

M′——碰撞掉粒后果穗的質(zhì)量，kg

vR——果穗的反彈速度，m/s

mi——脫落籽粒質(zhì)量，kg

viy——籽粒在豎直方向上迸濺速度，m/s

Pd——碰撞中的動量損失，主要由不可逆變形等引起，通常較小，kg·m/s

果穗與摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞參數(shù)除與碰撞速度及物料特性有關(guān)外，也決定于摘穗部件的結(jié)構(gòu)特性和材料屬性。因此，研究果穗不同摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞參數(shù)，統(tǒng)計(jì)玉米籽粒脫落質(zhì)量，建立玉米籽粒脫落質(zhì)量與碰撞參數(shù)的關(guān)系，有助于探究不同摘穗機(jī)構(gòu)及減損措施對割臺籽粒損失的影響機(jī)理，為玉米收獲機(jī)的減損及割臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論參考。

2 試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

玉米摘穗碰撞試驗(yàn)臺由跌落裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及摘穗機(jī)構(gòu)等組成。跌落裝置可實(shí)現(xiàn)玉米果穗在指定高度的姿態(tài)固定和瞬間釋放，果穗依靠重力加速度下落，在與摘穗機(jī)構(gòu)碰撞瞬間，達(dá)到與玉米收獲割臺作業(yè)時(shí)相同的碰撞速度；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)和分別固定在摘穗機(jī)構(gòu)與玉米果穗上的三軸加速度傳感器，可實(shí)現(xiàn)碰撞過程中加速度數(shù)據(jù)的采集與存儲；摘穗機(jī)構(gòu)固定在跌落裝置下方，本次研究的摘穗機(jī)構(gòu)分為板式摘穗和具有緩沖彈簧的輪式摘穗2種基本結(jié)構(gòu)，每種摘穗機(jī)構(gòu)分為剛性和柔性2種觸穗表面材料。

2.1 碰撞試驗(yàn)臺

碰撞試驗(yàn)臺如圖3所示，由機(jī)架、豎直導(dǎo)軌、豎直滑塊、絲杠、電機(jī)、水平滑軌、支撐板、電動推桿和果穗固定桿等組成。試驗(yàn)前，通過電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，豎直滑塊在絲杠作用下沿豎直滑軌運(yùn)動，到達(dá)指定高度后，調(diào)節(jié)支撐板的間距，將玉米果穗直立放置在兩支撐板中間，并通過果穗固定桿進(jìn)行姿態(tài)固定。試驗(yàn)時(shí)，打開電動推桿開關(guān)，推桿快速伸長，推動支撐板沿水平滑軌向兩側(cè)運(yùn)動，果穗豎直落下，掉在摘穗裝置上。

圖3 碰撞試驗(yàn)臺Fig.3 Impact test-bed1.提升電機(jī) 2.豎直導(dǎo)軌 3.電動推桿 4.玉米果穗 5.水平滑軌 6.支撐板 7.絲杠 8.摘穗機(jī)構(gòu) 9.計(jì)算機(jī) 10.加速度傳感器 11.數(shù)據(jù)傳輸線 12.數(shù)據(jù)采集器 13.果穗固定桿

2.2 摘穗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘穗機(jī)構(gòu)分為板式摘穗機(jī)構(gòu)和輪式摘穗機(jī)構(gòu)2種基本結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)分為2種材料，從而形成剛性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)、柔性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)、剛性表面輪式摘穗機(jī)構(gòu)及柔性表面輪式摘穗機(jī)構(gòu)4種形式。

剛性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)參照直板式玉米收獲割臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖4a所示。摘穗板材料為Q235，厚度4 mm，摘穗板間隙20 mm，因碰撞試驗(yàn)中果穗為定點(diǎn)下落，在滿足試驗(yàn)要求的情況下，兩側(cè)摘穗板的長度和寬度均確定為120 mm。

圖4 不同表面材料的板式摘穗機(jī)構(gòu)Fig.4 Structures of snapping plates with different surface materials

柔性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)由剛性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)改裝，如圖4b所示。表面柔性體厚度為5 mm，柔性體張緊后采用螺栓固定在摘穗板上。表面柔性體材料為縮合型硅膠，室溫下硬度58 SHA，抗拉強(qiáng)度4.50 MPa，剪切強(qiáng)度2.02 MPa，斷裂伸長率320%。

輪式摘穗機(jī)構(gòu)如圖5a所示，由機(jī)架、立式軸承座、摘穗輪、摘穗輪軸、支架、支撐軸、緩沖彈簧、彈簧座、彈簧座軸等組成。該機(jī)構(gòu)整體為杠桿式結(jié)構(gòu)，各部分通過支架連接在一起：摘穗輪與摘穗輪軸位于支架前端，摘穗輪軸與支架之間安裝有軸承；支撐軸位于支架中部，支撐軸兩端通過立式軸承座安裝在機(jī)架上；彈簧座通過彈簧座軸安裝在支架后部，緩沖彈簧安裝在彈簧座上，緩沖彈簧上端固定在機(jī)架上；機(jī)架的尺寸可以控制支架的擺動范圍，使摘穗輪在作業(yè)范圍內(nèi)運(yùn)動。剛性觸穗表面的摘穗輪材料為Q235，柔性觸穗表面摘穗輪材料為模具加工的縮合型硅膠。摘穗輪尺寸通過理論計(jì)算及優(yōu)化試驗(yàn)確定，摘穗輪直徑為30 mm，不銹鋼管壁及縮合硅膠柔性體厚度為5 mm；緩沖彈簧在摘穗時(shí)應(yīng)被壓至最低位置，依靠機(jī)架限位功能，支撐摘穗輪及其支架完成摘穗，以最小穗柄拉斷力作為緩沖彈簧的設(shè)計(jì)依據(jù)，根據(jù)計(jì)算，緩沖彈簧絲粗為2.5 mm，中徑20 mm，彈簧自由高度52 mm，可承受極限載荷為215.03 N[26]。

圖5 輪式摘穗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖Fig.5 Structure diagrams and material object of roll-type snapping device1.機(jī)架 2.摘穗輪 3.緩沖彈簧 4.彈簧座 5.彈簧座軸 6.支架 7.支撐軸 8.摘穗輪軸 9.立式軸承座

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

碰撞數(shù)據(jù)采用德國HBM公司QuantumX數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的MX1601B模塊進(jìn)行采集，該模塊有16通道，每通道最高采樣頻率為20 000 Hz。采用美國PCB公司的356A33型三軸加速度傳感器，其靈敏度為10 mV/g，響應(yīng)頻率為2～10 000 Hz，測量峰值范圍為±500g。加速度傳感器分別固定在玉米果穗和摘穗機(jī)構(gòu)上。玉米果穗上的加速度傳感器采用螺紋聯(lián)接固定在不銹鋼圓箍上，并通過收緊圓箍將其固定在玉米果穗上，圓箍與玉米果穗底端的距離為40 mm，如圖6所示。有2個(gè)加速度傳感器分別固定在摘穗機(jī)構(gòu)兩側(cè)工作部件上，板式摘穗機(jī)構(gòu)上的加速度傳感器通過螺紋聯(lián)接在兩側(cè)摘穗板底部，輪式摘穗機(jī)構(gòu)上的加速度傳感器采用螺紋聯(lián)接在兩側(cè)摘穗輪軸上。

圖6 加速度傳感器在果穗上的固定方式Fig.6 Fixation method of accelerometer on corn ear

3 試驗(yàn)材料與方法

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為飛天358玉米果穗，手工采集自吉林大學(xué)農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)基地，采集日期為2019年11月2日。試驗(yàn)所用玉米果穗大小基本一致，平均長度186 mm，果穗最大處平均直徑47.8 mm，平均質(zhì)量272 g，籽粒含水率為16.5%，百粒質(zhì)量40.1 g，籽粒無破損及脫落情況，無病蟲害。實(shí)際作業(yè)中，割臺作業(yè)對象為覆蓋有苞葉的果穗，但割臺損失的籽粒大部分是在碰撞中與芯軸脫離，并在割臺后續(xù)環(huán)節(jié)脫離苞葉束縛而掉落在割臺和地面，形成損失；且苞葉生長在穗柄之上，當(dāng)果穗表面存留苞葉時(shí)，穗柄將影響籽粒在碰撞中的受力，干擾籽粒損失機(jī)理的判斷。故在試驗(yàn)前去除苞葉，折斷穗柄，并將殘留穗柄用刀片切除干凈，以避免跌落碰撞時(shí)影響籽粒受力。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1碰撞參數(shù)確定

摘穗時(shí)，玉米果穗在拉莖輥?zhàn)饔孟孪蛳逻\(yùn)動，拉莖輥對莖稈的作用力由滑動摩擦力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殪o摩擦力，果穗與摘穗板碰撞時(shí)，其向下運(yùn)動的速度約等于拉莖輥的表面線速度，該速度計(jì)算式為

(13)

式中v0e——果穗碰撞時(shí)運(yùn)動速度，m/s

n——拉莖輥轉(zhuǎn)速，取800 r/min

D——拉莖輥直徑，約為100 mm

經(jīng)計(jì)算，玉米果穗與摘穗板碰撞的相對速度即拉莖輥的表面線速度為4.2 m/s。

試驗(yàn)中，玉米果穗以自由落體方式達(dá)到指定碰撞速度，玉米果穗的下落高度計(jì)算式為

(14)

式中g(shù)——重力加速度，取9.8 m/s2

經(jīng)計(jì)算，本試驗(yàn)中下落高度約為900 mm。

3.2.2碰撞參數(shù)采集

設(shè)定的采樣頻率為19 400 Hz，每次測量時(shí)，通過將果穗頂部部分籽粒去除，使每個(gè)果穗的質(zhì)量均為(210±1)g，以消除果穗質(zhì)量對碰撞參數(shù)的影響。圓箍與加速度傳感器的質(zhì)量之和為21.05 g，故碰撞部分的總質(zhì)量約為231 g。

實(shí)際作業(yè)中，果穗會在兩側(cè)摘穗部件的共同作用下完成摘穗，但果穗與兩側(cè)摘穗部件的碰撞往往不能同時(shí)發(fā)生，在此試驗(yàn)中，多次碰撞會造成加速度曲線的混亂，不利于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析。因此，通過調(diào)整摘穗機(jī)構(gòu)的安裝位置，使果穗僅與一側(cè)的摘穗部件發(fā)生碰撞，通過查看兩側(cè)摘穗部件的加速度來判斷碰撞是否多次發(fā)生，并將多次碰撞的數(shù)據(jù)摒除。

試驗(yàn)時(shí)，將果穗豎直放置在支撐板上，連接電動推桿開關(guān)，使電動推桿快速伸長，玉米果穗與加速度傳感器在重力作用下降落，并與摘穗裝置碰撞。果穗和摘穗裝置上的加速度傳感器分別采集加速度信號，并通過采集模塊記錄到計(jì)算機(jī)。

數(shù)據(jù)采集后，運(yùn)用Origin 2016 軟件繪制加速度波形圖，并在碰撞時(shí)間內(nèi)對碰撞加速度進(jìn)行積分，該積分乘以果穗質(zhì)量，得到碰撞時(shí)摘穗裝置對玉米果穗的沖量。

每次試驗(yàn)前后，稱取玉米果穗質(zhì)量，以碰撞前后果穗質(zhì)量的差值作為玉米籽粒脫落的質(zhì)量進(jìn)行記錄。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 加速度曲線

加速度曲線可反映碰撞瞬間果穗的受力情況。玉米果穗與不同摘穗裝置的碰撞加速度曲線呈現(xiàn)不同特點(diǎn)。

4.1.1果穗與板式摘穗機(jī)構(gòu)碰撞曲線

圖7 果穗與不同表面材料板式摘穗機(jī)構(gòu)碰撞加速度曲線Fig.7 Acceleration curves of impact between corn ear and snapping plates with different surface materials

玉米果穗與2種不同表面材料的板式摘穗機(jī)構(gòu)碰撞的加速度曲線如圖7所示。剛性觸穗表面板式摘穗機(jī)構(gòu)碰撞加速度峰值較大，加速度從0增加到峰值及從峰值下降到0的時(shí)間較短，峰值附近加速度有小幅波動。果穗與柔性觸穗表面板式摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞加速度曲線與剛性觸穗表面板式摘穗機(jī)構(gòu)相比，柔性觸穗表面的碰撞加速度峰值有較大幅度的降低，同時(shí)，加速度由0增加到峰值及由峰值降低到0的時(shí)間明顯延長，曲線平緩。

4.1.2果穗與輪式摘穗機(jī)構(gòu)碰撞曲線

玉米果穗與2種不同表面材料的輪式摘穗機(jī)構(gòu)碰撞的加速度曲線如圖8所示。果穗與剛性觸穗表面的碰撞加速度峰值與剛性觸穗表面板式摘穗機(jī)構(gòu)碰撞加速度峰值相近，加速度由0升至峰值及由峰值降至0的時(shí)間顯著縮短，加速度降低至0后，曲線出現(xiàn)較大的波谷，表明玉米果穗受到了較大的反向加速度。果穗與柔性觸穗表面輪式摘穗裝置碰撞的加速度曲線與剛性表面輪式摘穗機(jī)構(gòu)碰撞曲線相似，但加速度峰值顯著降低，加速度由0增加到峰值的時(shí)間稍長，從而使碰撞接觸時(shí)間延長，在加速度降至0以后，出現(xiàn)較明顯的波谷，即果穗同樣受到一定的反向加速度。

圖8 果穗與不同表面材料輪式摘穗機(jī)構(gòu)碰撞加速度曲線Fig.8 Acceleration curves of impact between corn ear and roll-type snapping device with different surface materials

4.1.3摘穗機(jī)構(gòu)加速度曲線

摘穗部件受到果穗碰撞時(shí)，其自身也會產(chǎn)生振動，由圖9可知，摘穗板在受到果穗撞擊時(shí)會產(chǎn)生一定的振動，具有柔性觸穗表面的摘穗板振動加速度峰值低于剛性表面摘穗板，表明柔性材料對于碰撞沖擊力具有較明顯的緩沖作用。由于板式摘穗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，因此，不同表面材料的板式摘穗機(jī)構(gòu)具有相似的振動曲線，但柔性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)的振動周期比剛性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)振動周期有一定時(shí)間的延長，表明振動頻率有所降低。

圖9 板式摘穗機(jī)構(gòu)加速度曲線Fig.9 Acceleration curves of snapping plate

圖10為不同表面材料的輪式摘穗機(jī)構(gòu)在玉米果穗碰撞下，摘穗輪的加速度曲線。由于摘穗輪在碰撞中會發(fā)生轉(zhuǎn)動，因此需測量摘穗輪在豎直平面內(nèi)兩個(gè)相互垂直方向的加速度，其實(shí)際加速度應(yīng)為兩方向上加速度的矢量和。

圖10 輪式摘穗機(jī)構(gòu)加速度曲線Fig.10 Acceleration curves of roll-type snapping device

不同表面材料的輪式摘穗機(jī)構(gòu)，碰撞的加速度曲線較相似，但剛性觸穗表面的摘穗輪加速度峰值明顯大于柔性觸穗表面的摘穗輪，與果穗在碰撞中的受力一致。表明柔性材料對于降低摘穗機(jī)構(gòu)受到的果穗撞擊力效果明顯。同時(shí)，輪式摘穗機(jī)構(gòu)均在碰撞激勵(lì)下產(chǎn)生頻率較高的阻尼振動，該振動對于縮短果穗與摘穗部件碰撞中的接觸時(shí)間，具有顯著作用。

4.2 碰撞參數(shù)對比

果穗在試驗(yàn)臺上與摘穗部件發(fā)生碰撞，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄果穗的碰撞參數(shù)，包括碰撞時(shí)間、加速度峰值、碰撞沖量，并稱取碰撞前后玉米果穗的質(zhì)量，將差值作為籽粒脫落的質(zhì)量。對上述參數(shù)分別取平均值，對4種不同摘穗機(jī)構(gòu)進(jìn)行對比分析。

4.2.1碰撞時(shí)間

果穗與剛性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)、柔性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)、剛性表面輪式摘穗機(jī)構(gòu)及柔性表面輪式摘穗機(jī)構(gòu)4種摘穗裝置的平均碰撞時(shí)間分別為3.37、6.02、1.28、1.96 ms。試驗(yàn)結(jié)果表明，具有緩沖彈簧的輪式摘穗部件可顯著降低果穗的碰撞時(shí)間，在果穗與剛性觸穗表面和柔性觸穗表面的輪式摘穗機(jī)構(gòu)碰撞中，碰撞時(shí)間分別比板式摘穗機(jī)構(gòu)降低了62.2%和67.3%；而柔性觸穗表面可顯著延長果穗與摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞時(shí)間，在板式摘穗機(jī)構(gòu)和輪式摘穗機(jī)構(gòu)上，果穗與柔性觸穗表面的碰撞時(shí)間分別比剛性觸穗表面增加了78.4%和53.8%。

4.2.2加速度峰值

果穗與剛性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)、柔性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)、剛性表面輪式摘穗機(jī)構(gòu)及柔性表面輪式摘穗機(jī)構(gòu)的平均碰撞加速度峰值分別為3 509.8、1 928.0、3 491.4、1 563.1 m/s2。由牛頓第二定律可知，果穗受到的最大沖擊力分別為810.8、445.4、806.5、361.1 N。對于輪式摘穗機(jī)構(gòu)，由于碰撞時(shí)間極短，緩沖彈簧被壓至極限位置前果穗與摘穗輪的第一次碰撞接觸已經(jīng)結(jié)束，因此，雖然果穗受到的最大沖擊力超過緩沖彈簧的極限載荷，但不會對其結(jié)構(gòu)造成破壞。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)表面材料相同時(shí)，具有緩沖彈簧的輪式摘穗機(jī)構(gòu)與板式摘穗機(jī)構(gòu)相比，并不能有效降低摘穗時(shí)玉米果穗底部受到的沖擊力；而柔性表面可顯著降低果穗與摘穗機(jī)構(gòu)碰撞的加速度峰值，從而降低最大沖擊力。果穗與具有柔性表面的板式摘穗機(jī)構(gòu)和輪式摘穗機(jī)構(gòu)碰撞受到的最大沖擊力，與剛性表面相比分別降低了45.1%和55.2%。

4.2.3碰撞沖量

由數(shù)據(jù)處理軟件Origin 2016可計(jì)算得，果穗與剛性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)、柔性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)、剛性表面輪式摘穗機(jī)構(gòu)及柔性表面輪式摘穗機(jī)構(gòu)碰撞時(shí)，加速度在碰撞時(shí)間上的積分分別為5.92、4.74、2.33、1.14 m/s，由于果穗、加速度傳感器及固定裝置的總質(zhì)量為231 g，故果穗與摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞沖量分別為1.37、1.09、0.54、0.26 kg·m/s。果穗與輪式摘穗機(jī)構(gòu)在剛性和柔性觸穗表面上的碰撞沖量，相較于板式摘穗機(jī)構(gòu)，分別降低了60.6%和76.0%；在板式和輪式摘穗機(jī)構(gòu)上，果穗與柔性觸穗表面的碰撞沖量，分別比剛性觸穗表面降低了19.9%和51.2%。因此，試驗(yàn)的兩種剛?cè)狁詈弦蛩?輪式摘穗機(jī)構(gòu)中的緩沖彈簧和縮合型硅膠制成的柔性觸穗表面)均可降低果穗在摘穗機(jī)構(gòu)上的碰撞沖量。

本試驗(yàn)中，緩沖彈簧結(jié)構(gòu)對碰撞沖量的降低作用大于柔性觸穗表面。由式(12)可知，碰撞沖量與碰撞時(shí)間和加速度曲線形狀有關(guān)，雖然柔性觸穗表面延長了果穗與摘穗部件的碰撞接觸時(shí)間(圖7、8)，但加速度峰值與平均值大幅降低，使加速度在碰撞時(shí)間內(nèi)的積分有所降低，表明柔性觸穗表面可在一定程度上降低碰撞沖量。而具有緩沖彈簧的輪式摘穗機(jī)構(gòu)，與板式摘穗機(jī)構(gòu)相比，當(dāng)表面材料一致時(shí)(均為剛性觸穗表面或柔性觸穗表面)，雖碰撞加速度峰值變化較小，但因本身結(jié)構(gòu)形狀發(fā)生較大改變，導(dǎo)致固有振動頻率明顯提高(圖10)，大幅縮短了果穗與摘穗部件的碰撞接觸時(shí)間，剛性觸穗表面和柔性觸穗表面碰撞時(shí)間分別減少62.2%和67.3%，最終使果穗受到的碰撞沖量大幅降低。

4.2.4掉粒質(zhì)量

在與剛性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)、柔性表面板式摘穗機(jī)構(gòu)、剛性表面輪式摘穗機(jī)構(gòu)及柔性表面輪式摘穗機(jī)構(gòu)碰撞時(shí)，玉米果穗的掉粒質(zhì)量分別為9.04、5.96、7.73、4.43 g。當(dāng)觸穗表面分別為剛性材料和柔性材料時(shí)，果穗在具有緩沖彈簧的輪式摘穗機(jī)構(gòu)上的掉粒質(zhì)量分別比板式摘穗機(jī)構(gòu)降低了14.4%和25.6%；在具有柔性表面材料的板式摘穗機(jī)構(gòu)和輪式摘穗機(jī)構(gòu)上，籽粒脫落質(zhì)量分別比剛性觸穗表面降低了34.1%和42.8%。

果穗碰撞中籽粒的脫落，主要原因是碰撞中籽粒的受力發(fā)生改變，果穗碰撞瞬間，籽粒在相鄰籽粒和摘穗板共同作用下，所受合力超過籽粒與果穗間粒柄的連接力，導(dǎo)致粒柄斷裂，受力平衡被打破，造成籽粒的脫落與飛濺[26]。本試驗(yàn)中，輪式摘穗機(jī)構(gòu)雖然縮短了果穗與摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞接觸時(shí)間，但當(dāng)其表面為剛性材料時(shí)，碰撞加速度峰值并無明顯改變，表明籽粒在碰撞瞬間受力未發(fā)生明顯變化，籽粒因受力而導(dǎo)致的粒柄斷裂數(shù)量無明顯減少，故籽粒脫落質(zhì)量降幅較小。而板式摘穗機(jī)構(gòu)和輪式摘穗機(jī)構(gòu)上的柔性觸穗表面則較大幅度降低了碰撞加速度峰值，使籽粒受力降低，故粒柄斷裂明顯減少，籽粒脫落數(shù)量大幅降低。所以，摘穗機(jī)構(gòu)表面的柔性觸穗材料對于玉米果穗碰撞的減損效果大于緩沖彈簧。

4.3 討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)的剛性表面板式摘穗割臺，通過將剛性結(jié)構(gòu)改變?yōu)閯側(cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)，可以有效改變果穗與摘穗部件的碰撞接觸受力參數(shù)，進(jìn)而影響果穗底部籽粒的受力，降低因碰撞造成的割臺籽粒損失。

對比分析果穗與4種摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞加速度曲線及碰撞參數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩種不同剛?cè)狁詈蠝p損方式分別在割臺的玉米碰撞減損中發(fā)揮了不同作用。對于緩沖彈簧而言，輪式摘穗機(jī)構(gòu)受到碰撞沖擊時(shí)，緩沖彈簧產(chǎn)生壓縮與較高頻率阻尼振動，通過振動，降低摘穗輪與果穗的碰撞時(shí)間，并將碰撞能量有效吸收和釋放。輪式摘穗機(jī)構(gòu)自振動的周期明顯小于板式摘穗機(jī)構(gòu)，碰撞時(shí)，摘穗機(jī)構(gòu)自身的振動與碰撞沖擊產(chǎn)生疊加，表現(xiàn)為摘穗輪在碰撞中與果穗的接觸時(shí)間縮短，由動量定理可知，果穗受到的沖量將會減小。碰撞沖量對于本研究的碰撞中籽粒脫落的影響難以直觀體現(xiàn)，由式(12)可推知，沖量的減小意味著果穗反彈速度及籽粒迸濺速度的降低，從而可以有效降低果穗與摘穗機(jī)構(gòu)的二次碰撞強(qiáng)度，并減小籽粒飛濺造成的落地?fù)p失。

另一方面，柔性表面材料可降低摘穗機(jī)構(gòu)表面剛度，增加阻尼系數(shù)，降低碰撞系統(tǒng)固有頻率，增加系統(tǒng)粘性阻尼比，在上述參數(shù)的綜合影響下，果穗與摘穗機(jī)構(gòu)的碰撞時(shí)間顯著延長。在碰撞沖量不變的情況下，碰撞時(shí)間的延長，可有效降低果穗的碰撞加速度。果穗與剛性和柔性觸穗表面摘穗機(jī)構(gòu)碰撞的加速度曲線對比亦證明，柔性觸穗表面可顯著延長果穗與摘穗機(jī)構(gòu)碰撞的時(shí)間，降低加速度峰值，從而減小果穗及籽粒在碰撞中受到的沖擊力，減少粒柄斷裂數(shù)量，降低籽粒損失。

各機(jī)構(gòu)碰撞中的加速度峰值與籽粒脫落質(zhì)量的數(shù)值分布具有較強(qiáng)的相似性。該特征表明，在各摘穗機(jī)構(gòu)與果穗的碰撞中，果穗的掉粒質(zhì)量受果穗在碰撞中受到的沖擊力影響較大，證明了果穗籽粒的脫落，主要是籽粒粒柄的受力超過了其極限載荷，從而造成了粒柄的失效斷裂。

同時(shí)，對于輪式摘穗機(jī)構(gòu)，根據(jù)莖稈運(yùn)動速度及摘穗輪向下運(yùn)動行程可計(jì)算出，該機(jī)構(gòu)對于摘穗時(shí)間的延長較小，與柔性觸穗表面對摘穗時(shí)間的延長均為毫秒級，遠(yuǎn)低于相鄰兩株玉米的摘穗間隔，故不會對作業(yè)效率造成影響。

5 結(jié)論

(1)玉米摘穗割臺中采用緩沖彈簧和柔性觸穗表面2種剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)，均可有效改變果穗與摘穗部件的碰撞接觸受力參數(shù)，影響果穗底部籽粒的受力，進(jìn)而降低因碰撞造成的割臺籽粒損失。

(2)具有緩沖彈簧的輪式摘穗機(jī)構(gòu)不能改變果穗碰撞的加速度峰值，但可縮短碰撞時(shí)間，減小果穗受到的沖量，從而降低反彈速度和籽粒迸濺速度；與板式摘穗機(jī)構(gòu)相比，輪式摘穗機(jī)構(gòu)上果穗與剛性、柔性觸穗表面的碰撞時(shí)間分別縮短了62.2%、67.3%，碰撞沖量分別降低了60.6%、76.0%，掉粒質(zhì)量分別降低了14.4%、25.6%。

(3)柔性觸穗表面可延長碰撞時(shí)間，降低碰撞加速度，減少籽粒受力造成的粒柄斷裂，從而降低籽粒脫落損失；在板式和輪式摘穗機(jī)構(gòu)上，果穗與柔性觸穗表面的碰撞時(shí)間分別比剛性觸穗表面延長了78.4%、53.8%，最大沖擊力降低了45.1%、55.2%，碰撞沖量降低了19.9%、51.2%，掉粒質(zhì)量降低了34.1%、42.8%。