邱清宇，茍康林，羅惠中，袁森林，秦代林，張黎驊

低喂入量玉米柔性脫粒裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

邱清宇，茍康林，羅惠中，袁森林，秦代林，張黎驊*

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，雅安 625000)

為解決含水率在30%以上的玉米在籽粒直收時(shí)破碎率和未脫凈率高的問題，設(shè)計(jì)一種低喂入量玉米柔性脫粒裝置試驗(yàn)臺(tái)，選取導(dǎo)流角、滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙為試驗(yàn)因素，以破碎率和未脫凈率為試驗(yàn)指標(biāo)，對玉米進(jìn)行了單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)并使用Design-Expert軟件分析獲得脫粒最佳參數(shù)。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：所選試驗(yàn)因素對試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，對于柔性滾筒，當(dāng)導(dǎo)流角增大，玉米籽粒破碎率先減小后增大，未脫凈率隨導(dǎo)流角增大而減??；滾筒轉(zhuǎn)速增大玉米籽粒破碎率先減小后增大，未脫凈率隨轉(zhuǎn)速增大而減??；脫粒間隙增大，玉米籽粒破碎率和未脫凈率均為先減小后增大。響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)導(dǎo)流角為68°、滾筒轉(zhuǎn)速223 r·min-1、脫粒間隙為33 mm時(shí)，最優(yōu)脫粒效果為破碎率2.49%，未脫凈率為0.171%。

玉米；收獲機(jī)；柔性脫粒；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；響應(yīng)面分析

受玉米品種和氣候濕潤的影響，西南地區(qū)玉米籽粒收獲機(jī)收濕度較高的玉米（含水率在30%以上），破碎率在7%以上[1]，破碎的玉米籽粒容易發(fā)芽和霉變，會(huì)帶來巨大損失[2]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對玉米脫粒裝置、玉米果穗的喂入方式等方面研究較多。國外有學(xué)者[3-5]研究了不同含水率、不同脫粒方式下的脫粒特性。Miu 等[6-7]分別對縱軸流式和橫軸流式脫粒滾筒的未脫凈率進(jìn)行研究并建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型。Petkevichius等[8]試驗(yàn)論證了玉米果穗橫喂比縱喂好，Wacker[9]研究發(fā)現(xiàn)軸流式脫粒要優(yōu)于切流式脫粒系統(tǒng)的效果。曲宏杰等[10]和高連興等[11]研究發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加，破碎率與脫粒能耗呈上升趨勢，含水率為13.9%～27.6%的玉米籽粒脫粒效果良好。屈哲等[12]設(shè)計(jì)了圓頭釘齒與分段組合式圓管型脫粒凹板結(jié)合的脫粒裝置。李心平等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)玉米果穗的最佳脫粒方式是采用擠搓原理，果穗有序喂入。崔中凱等[15]和邸志峰等[16]研究了紋桿塊加釘齒組合式脫粒滾筒，證明這種滾筒能對玉米進(jìn)行高效脫粒。然而，關(guān)于低喂入量玉米柔性脫粒裝置研究試驗(yàn)還有待完善。

西南山區(qū)玉米種植地塊小，收獲時(shí)采用中小型收獲機(jī)，脫粒裝置尺寸較小；玉米種植密度低，收獲機(jī)喂入量更小[17]；玉米含水率高，脫粒時(shí)喂入量大會(huì)增加玉米間碰撞導(dǎo)致籽粒破碎率上升。為滿足上述收獲特點(diǎn)，本研究在分析現(xiàn)有滾筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了低喂入量玉米柔性脫粒滾筒試驗(yàn)臺(tái)，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)，得到了脫粒裝置的最佳工作參數(shù)，為低喂入量玉米籽粒收獲機(jī)柔性脫粒裝置的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

低喂入量玉米柔性脫粒裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由間隙調(diào)整裝置、喂入口、導(dǎo)流角調(diào)整裝置、頂蓋、脫粒滾筒、脫粒凹板、箱體、出料口和機(jī)架組成。脫粒滾筒安裝有紋桿塊和釘齒，紋桿塊設(shè)置柔性裝置，以降低破碎率；頂蓋上安裝導(dǎo)流板以配合果穗軸向運(yùn)輸，通過改變導(dǎo)流板角度，來改變脫粒時(shí)間；凹板采用大孔徑柵格式；滾筒設(shè)置間隙調(diào)整裝置和導(dǎo)流角調(diào)整裝置來分別調(diào)整脫粒間隙和導(dǎo)流角，以此適應(yīng)不同玉米的脫粒。導(dǎo)流角為圖2中的，調(diào)節(jié)范圍為30～90°；間隙調(diào)整裝置通過絲桿來帶動(dòng)螺母滑塊的滑動(dòng)從而帶動(dòng)脫粒滾筒的水平方向上左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滾筒與喂入口一側(cè)凹板的間隙的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為30～50 mm。

1.間隙調(diào)整裝置；2.喂入口；3.導(dǎo)流角調(diào)整裝置；4.頂蓋；5.脫粒滾筒；6.脫粒凹板；7.箱體；8.出料口；9.機(jī)架。

Figure 1 The structure schematic of the thresher

1.2 工作原理

低喂入量玉米柔性脫粒裝置采用徑向喂入縱軸流脫粒原理。脫粒裝置工作時(shí)，滾筒被電機(jī)驅(qū)動(dòng)，玉米果穗從喂入口連續(xù)進(jìn)入裝置內(nèi)，然后被滾筒前端錐形螺旋強(qiáng)制推到脫粒段，果穗在脫粒段受到紋桿和釘齒的打擊、紋桿和釘齒與脫粒凹板之間的擠搓和摩擦以及玉米果穗之間的沖擊，完成脫粒，脫粒完的玉米籽粒從出料口導(dǎo)出，玉米芯從排雜口排出，完成整個(gè)過程。

1.脫粒機(jī)蓋；2.導(dǎo)流板連接板；3.導(dǎo)流板；4.導(dǎo)流板固定板；5.喂料口。

Figure 2 Guide angle adjusting device

1.軸承座；2.滑塊；3.絲桿；4.絲桿螺母底座。

Figure 3 Adjusting mechanism of threshing clearance

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 脫粒滾筒設(shè)計(jì)

2.1.1 滾筒外形尺寸設(shè)計(jì) 脫粒滾筒分為喂入段、脫粒段和排芯段共3段，喂入段采用正錐形螺旋輸送裝置，將喂入的玉米果穗輸送到脫粒段，大部分玉米在此段完成脫粒，然后再進(jìn)入滾筒尾部，完成二次脫粒和排雜。為了實(shí)現(xiàn)脫粒過程果穗的翻轉(zhuǎn)和向后運(yùn)動(dòng)，紋桿和釘齒采用螺旋線排列[18]。滾筒結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 4 Schematic diagram of threshing drum

滾筒的直徑和長度大小與裝置的脫粒、分離能力密切相關(guān)。紋桿滾筒長度主要根據(jù)生產(chǎn)率決定。在縱喂的脫粒裝置上滾筒長度按下式計(jì)算[19]：

式中：—脫粒裝置的喂入量，kg·s-1；0—滾筒單位長度允許承擔(dān)的喂入量，kg·(s·m)-1，一般軸流脫粒機(jī)取1.5～2.0。

西南地區(qū)使用的中小型收獲機(jī)收獲效率為0.8 hm2·h-1，西南地區(qū)玉米畝產(chǎn)約400 kg，為了滿足上述收獲條件，本脫粒裝置喂入量取2 kg·s-1，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由式（1）可得滾筒長度取130 0 mm。

縱軸流脫粒滾筒直徑z可由下列公式計(jì)算得：

式中—紋桿塊頭數(shù)；—紋桿塊頭數(shù)間距，mm。

為了使得滾筒平衡，紋桿塊頭數(shù)為偶數(shù)，滾筒對玉米果穗的抓取能力隨紋桿塊頭數(shù)的增加而減弱，本設(shè)計(jì)取紋桿頭數(shù)=4；紋桿塊頭數(shù)間距一般為18～250 mm（以圓周弧長計(jì)），本設(shè)計(jì)選=243 mm，由式（3）計(jì)算可得滾筒直徑z≈309.55 mm，取滾筒直徑z=310 mm。

2.1.2 脫粒元件尺寸和布置 紋桿塊的數(shù)量關(guān)系著脫粒裝置的工作質(zhì)量和工作效率，數(shù)量過少會(huì)降低工作效率和脫凈率，過多會(huì)使得玉米籽粒破碎率升高。所以紋桿塊的數(shù)量決定脫粒裝置工作效果的優(yōu)劣。紋桿塊數(shù)量的確定按下式計(jì)算：

式中：—紋桿塊個(gè)數(shù)；—玉米果穗喂入量，kg·s-1，本設(shè)計(jì)中取2；1—單個(gè)紋桿塊所能承受的喂入量，kg·s-1，取0.063；s—為谷草比，取s=0.55；

可得出紋桿塊個(gè)數(shù)=24。

滾筒脫粒部分的長度可按下式計(jì)算：

式中：—脫粒元件個(gè)數(shù)；—紋桿塊間距，mm；—紋桿塊長度，mm；Δ1+Δ2—紋桿塊在滾筒脫粒段離邊緣的距離和，mm。

脫粒部分長度為滾筒總長度減去輸送螺旋部分，經(jīng)計(jì)算得輸送螺旋的長度1=145 mm，則脫粒部分長度為2=1 155 mm。為保證良好的脫粒效果，設(shè)計(jì)紋桿塊間距=65 mm；為保證脫粒元件在脫粒滾筒上面的合理分布，取紋桿塊在滾筒脫粒段離邊緣的距離和Δ1+Δ2=110 mm，可得紋桿塊長度=120 mm，可計(jì)算得元件高度為60 mm。24個(gè)脫粒元件中，紋桿塊個(gè)數(shù)為 16，釘齒臺(tái)數(shù)量為8個(gè)，滾筒脫粒段和排芯段展開圖如圖5所示。

圖5 滾筒脫粒段和排芯段展開圖

Figure 5 Expanded drawing of threshing section and core arrangement section drawing of drum unfolding

2.2 主要脫粒元件結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 脫粒元件設(shè)計(jì) 脫粒元件的結(jié)構(gòu)會(huì)對籽粒破碎率和未脫凈率將產(chǎn)生較大影響。本研究設(shè)計(jì)的柔性脫粒紋桿如圖6所示。主要由紋桿塊、扭簧、定位軸、限位銷和紋桿塊支座組成。限位銷穿過扭簧，和定位軸共同作用將紋桿塊安裝在支座上，紋桿塊支座上有限位孔，限制紋桿塊的活動(dòng)角度。

1.紋桿塊；2.扭簧；3.定位軸；4.限位銷；5.紋桿塊支座。

Figure 6 structural diagram of rasp-bar

2.2.2 脫粒受力分析 玉米脫粒撞擊紋桿塊和篩網(wǎng)時(shí)受力如圖7所示，玉米受到重力1，紋桿對玉米的支撐力b和摩擦力1（合力為d），凹板對玉米的支撐力m和摩擦力2（合力為n）。

1.滾筒；2.紋桿塊；3.玉米；4.脫粒凹板。

Figure 7 Corn threshing analysis

紋桿塊受力后的變化如圖8所示。紋桿背脊面與紋桿面交于點(diǎn)，紋桿塊進(jìn)行脫粒工作時(shí)，若玉米對紋桿的作用力g足夠使紋桿塊繞定位軸為圓心向后轉(zhuǎn)動(dòng)，那么扭簧對紋桿塊的作用力d與豎直方向的夾角和銷軸對紋桿塊的支持力s與水平方向的夾角都會(huì)增大，果穗的打擊力g與水平方向的夾角不變。玉米與紋桿接觸時(shí)的s方向受力

式中—重力，N

由式（5）可得

由式（6）可知，α增大使紋桿塊受到果穗的打擊力Fg增大，所以果穗受到的脫粒力也會(huì)增大，這使玉米更容易被脫凈。同時(shí)，紋桿塊下的扭簧被壓縮，起到緩沖了作用，減小了紋桿塊對玉米的沖擊，能夠降低玉米籽粒的破碎率。綜上，有扭簧作為柔性機(jī)構(gòu)的紋桿塊工作時(shí)，玉米的破碎率和未脫凈率都會(huì)低于不變形的剛性紋桿塊。

Figure 8 variation diagram of rasp-bar under force

玉米果穗受力過程中，作用力過大會(huì)導(dǎo)致玉米籽粒和玉米芯破碎斷裂，g的大小應(yīng)在在能脫下籽粒的同時(shí)小于籽粒和果穗破碎的力。g與扭簧中心的距離為n，可得扭簧初始扭矩1=Fhcosγ+ Fhsinγcot1。參考相關(guān)文獻(xiàn)[20-21]，高濕玉米的脫粒所需力的范圍為2～40.6 N，高濕玉米籽粒破碎力的范圍為93～287 N，玉米芯斷裂力約為600 N。取g為45 N，n為20 mm，則最小1=900 N·mm。通過限位孔的限制，扭簧初始扭轉(zhuǎn)角為1=39°，最大扭轉(zhuǎn)角為2=86°。根據(jù)相關(guān)公式，扭簧圈數(shù)為

—彈性模量，扭簧材料為碳素彈簧鋼絲，則=1.97×105Mpa；—扭簧鋼絲直徑，=2 mm；2—扭簧最終扭矩，N·mm；1—1=，其中為扭簧旋轉(zhuǎn)比，一般取=8.5。

代入相關(guān)參數(shù)，取=3。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用雅安的成熟夏玉米，玉米品種為雅玉988，含水率為30%。人工挑選尺寸相近的玉米果穗。脫粒試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物如圖9所示，試驗(yàn)玉米基本特征參數(shù)如表1所示。

圖9 脫粒試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

Figure 9 threshing test bench

表1 試驗(yàn)玉米基本特征參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T5982—2017）[22]和《玉米脫粒機(jī)作業(yè)技術(shù)規(guī)程》（DB21/T2668— 2016）[23]的有關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。分別針對柔性脫粒滾筒和除紋桿塊無柔性，其他結(jié)構(gòu)完全相同的剛性脫粒滾筒選取導(dǎo)流角、滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙為試驗(yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn)。玉米籽粒破碎率和未脫凈率是玉米脫粒試驗(yàn)主要測定指標(biāo)[24]，每組試驗(yàn)時(shí)將10 kg玉米均勻平鋪在帶式輸送機(jī)上，輸送帶速度穩(wěn)定時(shí)玉米剛好從喂入口開始喂入，喂入時(shí)間為5 s，以此將喂入速度控制為2 kg·s-1，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，記錄每次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，并計(jì)算平均值。

根據(jù)試驗(yàn)要求，每次脫粒完成后使用放大鏡選出破碎和有裂紋的玉米籽粒。用式（8）計(jì)算籽粒破碎率p，用式（9）計(jì)算未脫凈率w。

式中：p—取樣中破碎籽粒質(zhì)量，g；—樣本籽粒總質(zhì)量，g。

式中：w—未脫凈籽粒質(zhì)量，g；—籽?？傎|(zhì)量，g。

3.3 單因素試驗(yàn)

3.3.1 滾筒轉(zhuǎn)速對試驗(yàn)指標(biāo)的影響 根據(jù)預(yù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對剛性滾筒和柔性滾筒取脫粒間隙為30 mm，導(dǎo)流角取60°，滾筒轉(zhuǎn)速分別取190 r·min-1、210 r·min-1、230 r·min-1、250 r·min-1和270 r·min-1。兩種滾筒的脫粒試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，從圖中可以看出：用剛性滾筒脫粒時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速增大，玉米籽粒破碎率先減小后增大，未脫凈率隨著滾筒速度增大而增大；用柔性滾筒脫粒時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速增大玉米籽粒破碎率先減小后增大，未脫凈率一直減小，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速≥250 r·min-1時(shí)，未脫凈率均為0，所以響應(yīng)面試驗(yàn)滾筒轉(zhuǎn)速范圍選擇為210～250 r·min-1。柔性滾筒出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因：低轉(zhuǎn)速時(shí)果穗軸向輸送慢，果穗脫粒時(shí)間長，且作用力小，所以籽粒破碎率和未脫凈率較高；隨著轉(zhuǎn)速增高籽粒破碎率和未脫凈率均降低，但轉(zhuǎn)速過高后籽粒受撞擊變強(qiáng)變多，使籽粒破碎率再次上升。

對比剛性滾筒和柔性滾筒的脫粒效果，隨著轉(zhuǎn)速增大，兩滾筒的脫粒破碎率變化趨勢相近，但試驗(yàn)中柔性滾筒籽粒脫粒破碎率整體上略低于剛性滾筒的脫粒破碎率，未脫凈率明顯低于剛性滾筒。

圖10 柔性滾筒和剛性滾筒轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)結(jié)果曲線

Figure 10 single factor test result curve of flexible drum and rigid drum speed

3.3.2 脫粒間隙對試驗(yàn)指標(biāo)的影響 對兩種不同滾筒，滾筒轉(zhuǎn)速取230 r·min-1，導(dǎo)流角取60°，脫粒間隙分別取30 mm、35 mm、40 mm和45 mm。兩種滾筒的脫粒試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，從圖中可以看出：用剛性滾筒脫粒時(shí)，滾筒脫粒間隙增大玉米籽粒破碎率先減小后增大，未脫凈率先減小后增大；用柔性滾筒脫粒時(shí)，脫粒間隙增大，玉米籽粒破碎率先減小后增大，未脫凈率先減小后增大，在30～40 mm內(nèi)有最小破碎率和未脫凈率。根據(jù)上述結(jié)果，響應(yīng)面試驗(yàn)脫粒間隙試驗(yàn)范圍為30～40 mm。柔性滾筒出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因：脫粒時(shí)，間隙小的一側(cè)起主要作用，間隙小時(shí)玉米間搓揉和碰撞力大，玉米芯容易破裂，破碎率和未脫凈率都較高，間隙增大破碎率和未脫凈率都下降；試驗(yàn)中主要作用間隙先增后減，所以破碎率和未脫凈率均呈先減后增的趨勢。

對比剛性滾筒和柔性滾筒的脫粒效果，兩種滾筒在破碎率和未脫凈率上的變化趨勢相近，柔性滾筒的脫粒破碎率整體上低于剛性滾筒的破碎率，柔性脫粒滾筒的未脫凈率明顯低于剛性滾筒的未脫凈率。

圖11 柔性滾筒和剛性滾筒脫粒間隙單因素試驗(yàn)結(jié)果曲線

Figure 11 single factor test result curve of threshing clearance between flexible drum and rigid drum

3.3.3 導(dǎo)流角對試驗(yàn)指標(biāo)的影響 根據(jù)預(yù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對兩種不同滾筒取脫粒間隙為40 mm，滾筒轉(zhuǎn)速為230 r·min-1，導(dǎo)流角分別取75°/60°/45°/30°。兩種滾筒的脫粒試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，從圖中可以看出：用剛性滾筒脫粒時(shí)，導(dǎo)流角增大玉米籽粒破碎率增大，未脫凈率先增大后減?。挥萌嵝詽L筒脫粒時(shí)，當(dāng)導(dǎo)流角增大，玉米籽粒破碎率先減小后增大，在45°～75°區(qū)間內(nèi)有最小值，未脫凈率隨導(dǎo)流角增大而減小，根據(jù)上述結(jié)果，響應(yīng)面試驗(yàn)導(dǎo)流角范圍選擇為45°～75°。柔性滾筒出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因：導(dǎo)流角小時(shí)玉米順流速度快，脫粒時(shí)間短，未脫凈率高，導(dǎo)流角增大，玉米順流速度減小，未脫凈率降低，玉米與導(dǎo)流板接觸面積變小，所以破碎率降低，導(dǎo)流角繼續(xù)增大玉米脫粒時(shí)間過長又使破碎率上升。

圖12 柔性滾筒和剛性滾筒導(dǎo)流角單因素試驗(yàn)結(jié)果曲線

Figure 12 single factor test result curve of guide angle of flexible drum and rigid drum

對比剛性滾筒和柔性滾筒的脫粒效果，導(dǎo)流角大于45°后，柔性滾筒脫粒的玉米的破碎率均低于剛性滾筒；柔性滾筒在各個(gè)導(dǎo)流角的未脫凈率明顯均低于剛性滾筒。

根據(jù)3組單因素試驗(yàn)結(jié)果，對比柔性滾筒和剛性滾筒脫粒效果，柔性滾筒的脫粒效果優(yōu)于剛性滾筒，與紋桿塊受力分析中得到的結(jié)論一致。

3.4 響應(yīng)面法確定脫粒最優(yōu)參數(shù)組合

3.4.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果 根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，以導(dǎo)流角（）、滾筒轉(zhuǎn)速（）、脫粒間隙（）為自變量，以玉米籽粒的破碎率和未脫凈率為響應(yīng)值，用Design-expert進(jìn)行試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析，試驗(yàn)安排與結(jié)果如表2所示。

利用Design-expert統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，對回歸模型未脫凈率（w）和破碎率（P）進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

值用于檢測系數(shù)的顯著性，還可檢驗(yàn)組合因子的交互作用。由表3分析可知，對于玉米籽粒未脫凈率，模型＜0.001，說明擬合模型達(dá)到極顯著水平；失擬項(xiàng)=0.315 4＞0.05，失擬項(xiàng)不顯著，模型決定系數(shù)2=0.999 1，表明回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合精度高。導(dǎo)流角（）、滾筒轉(zhuǎn)速（）和脫粒間隙（）的值均小于0.01，證明這些因素對于未脫凈率的影響極顯著，影響未脫凈率各因素按影響大小排序依次為滾筒轉(zhuǎn)速>導(dǎo)流角>脫粒間隙，二次項(xiàng)2不顯著，其余項(xiàng)均極顯著（＜0.01）；

對于玉米籽粒破碎率，模型＜0.01，說明擬合模型達(dá)到達(dá)極顯著水平；失擬項(xiàng)=0.438 5＞0.05，失擬項(xiàng)不顯著，模型決定系數(shù)2=0.931 9，表明回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合精度高。導(dǎo)流角（）=0.035 9<0.05、脫粒間隙（）=0.047 6<0.05，說明導(dǎo)流角和脫粒間隙對玉米籽粒破碎率的影響顯著，滾筒轉(zhuǎn)速（）的值小于0.01，說明滾筒轉(zhuǎn)速對玉米籽粒破碎率影響極顯著，影響破碎率各因素按影響大小排序依次為滾筒轉(zhuǎn)速>導(dǎo)流角>脫粒間隙，二次項(xiàng)2差異極顯著（＜0.01），其余項(xiàng)不顯著。各交互因素響應(yīng)面如圖13所示。

3個(gè)因素經(jīng)過擬合得到未脫凈率（w）和破碎率（P）回歸方程如下所示。

表3 對破碎率和未脫凈率進(jìn)行響應(yīng)面分析的結(jié)果

注：<0.01表示差異極顯著；0.01<<0.05表示差異顯著。

圖13 各交互因素響應(yīng)面

Figure 13 Response surface of interaction factors

3.4.2 最佳脫粒工作參數(shù)確定及驗(yàn)證 通過Design-Expert軟件對回歸方程進(jìn)行求解，得出低喂入量玉米柔性脫粒裝置的最佳作業(yè)參數(shù)（小數(shù)取整）是：導(dǎo)流角為68°、滾筒轉(zhuǎn)速223 r·min-1、脫粒間隙為33mm。此條件下：破碎率為2.42%，未脫凈率為0.167%。

為驗(yàn)證回歸模型的可靠性，對上述最佳脫粒作業(yè)參數(shù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：破碎率均值為2.49%，未脫凈率均值為0.171%。與預(yù)測值相對誤差小于5%，說明該回歸模型的準(zhǔn)確度較高。

4 結(jié)論

通過玉米脫粒碰撞時(shí)的受力分析，柔性紋桿能使玉米果穗受到的脫粒力增大，更容易被脫凈；同時(shí)，扭簧起到緩沖作用，減小了紋桿塊對玉米的沖擊，能夠降低玉米籽粒的破碎率。通過單因素試驗(yàn)對比柔性脫粒滾筒和紋桿塊無柔性的剛性滾筒，柔性滾筒脫粒的破碎率和未脫凈率均低于剛性滾筒，與受力分析結(jié)果一致。

柔性滾筒單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：導(dǎo)流角、滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙對脫粒效果均有顯著影響，當(dāng)導(dǎo)流角增大，玉米籽粒破碎率先減小后增大，未脫凈率隨導(dǎo)流角增大而減小。滾筒轉(zhuǎn)速增大玉米籽粒破碎率先減小后增大，未脫凈率隨轉(zhuǎn)速增大而減小，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速≥250 r·min-1時(shí)，未脫凈率均為0；脫粒間隙增大，玉米籽粒破碎率和未脫凈率均為先減小后增大。

由回歸模型對響應(yīng)面試驗(yàn)分析得出影響未脫凈率的各因素按影響大小排序依次為滾筒轉(zhuǎn)速>導(dǎo)流角>脫粒間隙，影響破碎率的各因素按影響大小排序依次為滾筒轉(zhuǎn)速>導(dǎo)流角>脫粒間隙。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，低喂入量玉米柔性脫粒裝置的最佳作業(yè)參數(shù)（小數(shù)取整）是：導(dǎo)流角為68°、滾筒轉(zhuǎn)速223 r·min-1、脫粒間隙為33 mm，試驗(yàn)結(jié)果是破碎率為2.49%，未脫凈率為0.171%。

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Design and experiment of low-feeding flexible threshing device for corn

QIU Qingyu, GOU Kanglin, LUO Huizhong, YUAN Senlin, QIN Dailin, ZHANG Lihua

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Sichuan Agricultural University, Yaan 625000)

In order to solve the problem of high broken and un-threshing rate of corn with water content above 30% during grain direct harvest, a flexible threshing device test bench with low feeding was designed. The guide angle, threshing clearance and drum speed were selected as test factors, and the broken rate and un-threshing rate were taken as test indexes to carry out single factor test and response test on high wet corn, and the test results were analyzed and obtained the best working parameters with Design-Expert software. The single factor test results show that: the selected test factors have significant influence on the test results, and for the flexible threshing cylinder, when the guide angle increases, the corn kernel broken rate first decreases and then increases, and the un-threshing rate decreases as the diversion angle increases. When the drum speed increases, the corn kernel broken rate first decreases and then increases, and the un-threshing rate decreases as the drum speed increases. The threshing gap increased, and the corn kernel broken rate and the un-threshing rate both decreased first and then increased. The response surface test results show that when the guide angle is 68°, the drum speed is 223 r·min-1, and the threshing gap is 33 mm, the optimal threshing effect is 2.49% of crushing rate and 0.171% of non-removal.

corn; harvester; flexible threshing; structural design; response surface analysis

S225.51

A

1672-352X (2021)05-0857-08

10.13610/j.cnki.1672-352x.20211105.012

2021-11-8 11:54:16

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.s.20211105.1129.024.html

2021-01-06

國家玉米產(chǎn)業(yè)體系專項(xiàng)項(xiàng)目（CARS-02），四川省區(qū)域創(chuàng)新合作項(xiàng)目(2020YFQ0033)和成都市重點(diǎn)研發(fā)支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2019-YF05-01005-SN)共同資助。

邱清宇，碩士研究生。E-mail：940191765@qq.com

通信作者:張黎驊，博士，教授。E-mail：zhanglihua69@126.com