姚傳鑫 崔凱 宮金良 張彥斐

摘要：我國(guó)北方地區(qū)常用的玉米籽粒直收收獲機(jī)在脫粒工序中存在脫粒元件對(duì)果穗沖擊強(qiáng)度過(guò)大的問(wèn)題，為此設(shè)計(jì)一種低損高效的玉米錐形脫粒分離裝置。對(duì)脫粒滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立果穗與脫粒凹板間的接觸模型，確定滾筒最優(yōu)參數(shù)的取值范圍。通過(guò)EDEM軟件對(duì)不同參數(shù)組合的脫粒分離裝置進(jìn)行仿真優(yōu)化試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)脫粒滾筒錐角為8°，凹板選用左向圓管型結(jié)構(gòu)，滾筒轉(zhuǎn)速為400r/min時(shí)，脫粒效果最佳，并與傳統(tǒng)式脫粒滾筒相比，起脫段脫粒元件對(duì)果穗的碰撞力由284N降低為234N，碰撞反力由202.54N降低為171.52N，從而驗(yàn)證錐形脫粒滾筒具有降低對(duì)果穗沖擊強(qiáng)度的特性。利用ADAMS軟件對(duì)錐形脫粒裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)平衡仿真分析，驗(yàn)證研究成果的可靠性及理論可行性，且系統(tǒng)產(chǎn)生的不平衡慣性力符合農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)要求。為后續(xù)玉米脫粒分離裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：籽粒直收；收獲機(jī)；錐形脫粒滾筒；脫粒凹板；仿真試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S225.5+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 06-0013-07

收稿日期：2022年9月11日

修回日期：2022年12月30日

*基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（重大科技創(chuàng)新工程）（2020CXGC010804）；山東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（ZR2021MC026）

第一作者：姚傳鑫，男，1996年生，山東聊城人，碩士研究生；研究方向?yàn)橛衩讬C(jī)械智能收獲與裝配。E-mail： 1445828606@qq.com

通訊作者：宮金良，男，1976年生，天津人，博士，副教授，碩導(dǎo)；研究方向?yàn)闄C(jī)器人與智能農(nóng)機(jī)裝備。E-mail： 84374294@qq.com

Simulation and optimization design of corn cone threshing device

Yao Chuanxin¹， Cui Kai²， Gong Jinliang¹， Zhang Yanfei³

（1. School of Mechanical Engineering， Shandong University of Technology， Zibo， 255000， China;

2. Nanjing Dragonfly Intelligent Agricultural Research Institute Co.， Ltd.， Nanjing， 210019， China;

3. College of Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of Technology， Zibo， 255000， China）

Abstract： Aiming at the problem that the impact strength of the threshing element on the ear is too high in the threshing process of the corn direct harvester commonly used in northern China， a corn cone threshing and separating device with low loss and high efficiency was designed. Firstly， the structure of threshing drum was analyzed， the contact model between ears and threshing concave was established， and the range of the optimal parameters of the drum was determined. Then， the threshing and separating devices with different parameter combinations were simulated and optimized by EDEM dynamics software. The results showed that the threshing effect was the best when the cone angle of threshing drum was 8°， the concave was a left-handed circular tube structure， and the rotating speed of the drum was 400 r/min. Compared with the traditional threshing drum， the impact force of threshing elements in the threshing section on the ears was reduced from 284 N to 234 N， and the impact reaction force was reduced from 202.54 N to 171.52 N， which verified that the conical threshing drum had the characteristics of reducing the impact strength on the ears. Finally， the kinematics and dynamic balance of the conical threshing device were simulated by ADAMS software， which verified the reliability of the research results and the feasibility of the theory. The unbalanced inertial force generated by the system meets the requirements of national agricultural machinery design. The research ideas and conclusions of this paper can provide a theoretical reference for the innovative design and structural improvement of the corn threshing and separating device.

Keywords： grain direct harvester; harvester; conical threshing cylinder; threshing concave plate; simulation test

0 引言

隨著玉米機(jī)械化收獲技術(shù)的不斷推廣，收獲機(jī)具的不斷增加，我國(guó)玉米機(jī)械化收獲出現(xiàn)了果穗收獲與籽粒收獲兩種形式^[1]。籽粒收獲相較于果穗收獲工序復(fù)雜（果穗收獲僅需完成果穗的摘穗、剝皮，籽粒收獲還需進(jìn)行脫粒、清選和收集等工作），但依托機(jī)械化水平的提升，籽粒收獲可一次性完成摘穗、剝皮、清選和收集等工序，具備集成度高、收獲效率高、收獲成本低等特點(diǎn)，籽粒收獲的機(jī)械化水平研發(fā)拓展已成為我國(guó)玉米收獲技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)^[2]。

脫粒分離裝置作為籽粒收獲過(guò)程中的關(guān)鍵部件，脫粒性能差異對(duì)整機(jī)作業(yè)的效率、功耗等諸多方面均具備較高的影響，其中，影響較為顯著的是，玉米籽粒收獲機(jī)收獲含水率較高的玉米果穗時(shí)，籽粒的破損及損失率較高。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者通過(guò)改進(jìn)脫粒元件與果穗的接觸面積從而降低籽粒損傷的研究較多，而對(duì)滾筒自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn)研究較少，諸如：樊晨龍等^[3]利用Hertz理論建立籽粒與釘齒元件間的碰撞面積，從而確定圓頭釘齒球頭半徑；耿端陽(yáng)等^[4]對(duì)關(guān)鍵元件理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，從而得出板齒式元件有利于降低籽粒損傷的特性；王占濱等^[5]設(shè)計(jì)出柔性錘爪式脫粒元件實(shí)現(xiàn)玉米柔性低損脫粒；高連興等^[6]得出玉米果穗在喂入瞬間與高速旋轉(zhuǎn)的脫粒滾筒接觸，是造成玉米籽粒嚴(yán)重破損的主要原因。

因此，為解決玉米籽粒收獲機(jī)在脫粒工序中，脫粒元件對(duì)果穗沖擊強(qiáng)度過(guò)大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種玉米錐形脫粒分離裝置。通過(guò)減小起脫段滾筒直徑，達(dá)到降低脫粒元件對(duì)果穗瞬間沖擊力度的目的^[7]。首先，通過(guò)建立果穗與凹板間接觸理論模型，確定脫粒滾筒最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍。然后，利用EDEM軟件分別對(duì)不同參數(shù)組合的脫粒分離裝置進(jìn)行玉米脫粒仿真試驗(yàn)，得到脫粒性能較好的最佳參數(shù)組合。最后，采用ADAMS軟件對(duì)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)平衡仿真分析。本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可為玉米機(jī)械化收獲技術(shù)研究提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

玉米錐形脫粒滾筒與分段圓管型凹板相配合的脫粒分離裝置整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要包括螺旋葉片、脫粒滾筒、脫粒元件、脫粒凹板、分離凹板、導(dǎo)流板、支撐架等部件。導(dǎo)流板位于玉米脫粒滾筒上方，由支撐架將其與分段式凹板固定在一起組成脫粒倉(cāng)，螺旋葉片位于脫粒滾筒前端，通過(guò)螺旋葉片將無(wú)序雜亂的玉米果穗疏導(dǎo)引流到脫粒倉(cāng)內(nèi)，脫粒元件螺旋分布在錐形滾筒表面上，由螺栓進(jìn)行固定。

1.2 工作原理

玉米錐形脫粒分離裝置根據(jù)各區(qū)域結(jié)構(gòu)不同可分為喂入段、脫粒段、分離段、排雜段4個(gè)部分。工作時(shí)，首先啟動(dòng)動(dòng)力傳輸系統(tǒng)，保持脫粒滾筒的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；其次，玉米果穗經(jīng)喂入段螺旋葉片的作用進(jìn)入脫粒倉(cāng)，并受到脫粒元件的沖擊，使其與脫粒凹板共同作用完成大部分籽粒分離；然后，未脫凈的芯軸繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，隨著分離段脫粒間隙逐漸減小，未脫凈芯軸再次脫粒，籽粒穿過(guò)分離凹板，實(shí)現(xiàn)與芯軸、莖稈的分離；最后，脫凈后的芯軸在排雜端軸向排出，完成脫粒分離的整個(gè)過(guò)程。

2 降損原理與主要參數(shù)分析

2.1 降低玉米脫粒損傷的原理

玉米脫粒損傷是指在脫粒過(guò)程中，玉米果穗在脫粒元件碰撞、搓擦、擠壓等作用下形成以塑性或脆性破壞形式為主的損傷，是玉米破損最主要的源頭之一^[8]。參考李心平等^[9]的研究，玉米機(jī)械脫粒過(guò)程中籽粒損傷、破損率高的根本原因在于：玉米果穗在喂入瞬間與高速旋轉(zhuǎn)的脫粒元件接觸，對(duì)玉米果穗的瞬間沖擊力較大，會(huì)造成嚴(yán)重的籽粒損失及破損。顯然起脫段脫粒元件對(duì)玉米果穗的瞬間沖擊力越小，則籽粒損傷及破損率越低。當(dāng)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，起脫段滾筒直徑越小，則起脫段的脫粒元件線速度越小，即對(duì)玉米果穗的瞬間沖擊力越小。

為了降低脫粒過(guò)程中脫粒元件對(duì)玉米果穗的沖擊強(qiáng)度，耿端陽(yáng)等^[10]對(duì)脫粒元件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化，通過(guò)加大脫粒元件與玉米果穗的接觸面積，減小脫粒元件對(duì)果穗的沖擊力度，降低玉米脫粒損傷。但是此方法雖然增大脫粒元件與玉米果穗的接觸面積，降低了果穗單位區(qū)域的撞擊力度，但在脫粒過(guò)程中，玉米果穗在脫粒滾筒的帶動(dòng)下繞滾筒軸做螺旋運(yùn)動(dòng)，果穗與脫粒元件的接觸面積不斷變化，導(dǎo)致果穗表面受力極其復(fù)雜，無(wú)法從根本上解決降低玉米脫粒損傷的難題。

為能有效降低起脫段果穗瞬間沖擊強(qiáng)度，同時(shí)保證脫粒分離裝置的脫粒性能，設(shè)計(jì)一種玉米錐形脫粒分離裝置，保留板齒式脫粒元件加大與玉米果穗的接觸面積，降低沖擊強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過(guò)減小起脫段滾筒直徑，從而降低脫粒元件對(duì)果穗的瞬間沖擊力度，依靠錐形滾筒軸向引導(dǎo)的特性，提高脫粒分離裝置的工作效率。

2.2 主要參數(shù)確定

2.2.1 錐形脫粒滾筒參數(shù)確定

滾筒結(jié)構(gòu)是影響脫粒裝置脫粒性能的關(guān)鍵因素之一，為了提高脫粒裝置的收獲質(zhì)量，降低起脫段脫粒元件對(duì)玉米果穗的沖擊強(qiáng)度，玉米脫粒滾筒采用錐形結(jié)構(gòu)。果穗從滾筒的喂入端小徑口喂入，從排雜端大徑口排出玉米軸芯。隨著滾筒軸向直徑不斷增大，脫粒元件的線速度加快，對(duì)果穗沖擊強(qiáng)度逐漸提高，符合玉米果穗低損失、高效率脫粒的運(yùn)動(dòng)特性要求^[11]。其中脫粒滾筒的齒根線速度計(jì)算如式（1）和式（2）所示。

v=πDn60（1）

D=d_s+2h（2）

式中： D——脫粒滾筒齒根直徑，mm；

n——滾筒的轉(zhuǎn)速，r/min；

d_s——s點(diǎn)處錐形筒的回轉(zhuǎn)直徑，mm；

h——脫粒元件的高度，本文取60mm。

由此分析，當(dāng)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，脫粒滾筒的直徑是影響玉米果穗沖擊強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)手冊(cè)》推薦圓柱型滾筒直徑與圓錐型滾筒的兩端平均直徑一般取550～650mm^[12]，參照滾筒大直徑可降低單位喂入量功率耗用，因此本文將圓錐型滾筒兩端平均直徑D₀設(shè)計(jì)為600mm，即錐形筒的兩端平均直徑d₀為480mm。

滾筒長(zhǎng)度是由作物喂入量和滾筒結(jié)構(gòu)需要來(lái)決定的，脫粒滾筒長(zhǎng)度的計(jì)算如式（3）所示。

L=q/q₀（3）

式中： q——脫粒裝置的喂入量，kg；

q₀——每米滾筒長(zhǎng)度可負(fù)擔(dān)的喂入量，kg/m。

在聯(lián)合收割機(jī)q₀取值為3～4kg/m^[13]。將脫粒裝置喂入量以8kg代入式（3）計(jì)算可得，軸流式玉米錐形脫粒滾筒的長(zhǎng)度取值2～2.7m；為了減少功率消耗，在保證脫粒和分離的前提下應(yīng)盡量縮短滾筒長(zhǎng)度，因此將滾筒的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為2.2m。

由于錐形滾筒自身具有軸向引導(dǎo)的特性，使果穗產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)錐形滾筒的錐角過(guò)小時(shí)，不僅影響果穗軸向運(yùn)動(dòng)的速度，而且不能有效解決籽粒損傷的問(wèn)題；過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)玉米果穗脫粒次數(shù)產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致籽粒脫凈率下降，因此滾筒錐角的選取對(duì)籽粒損傷問(wèn)題解決至關(guān)重要。本文將借助EDEM軟件對(duì)不同錐角的滾筒進(jìn)行仿真試驗(yàn)，開(kāi)展錐形脫粒滾筒內(nèi)玉米果穗所受的碰撞力研究分析，驗(yàn)證圓錐型脫粒滾筒的脫粒性能優(yōu)于圓柱型脫粒滾筒，確定最優(yōu)脫粒滾筒錐角。錐形脫粒滾筒兩端直徑的計(jì)算如式（4）和式（5）所示。

D_min=600-2200tanα2（4）

D_max=600+2200tanα2（5）

式中： D_min——錐形脫粒滾筒的小端直徑，mm；

D_max——錐形脫粒滾筒的大端直徑，mm；

α——錐形脫粒滾筒的錐角，（°）。

2.2.2 分段組合式凹板參數(shù)確定

玉米果穗是由脫粒滾筒與凹板進(jìn)行搓擦而脫粒，并且凹板即時(shí)將已經(jīng)脫下的玉米籽粒分離，因此凹板對(duì)脫粒過(guò)程中籽粒破損嚴(yán)重方面也存在較高的影響。為了降低傳統(tǒng)柵格式凹板銳邊對(duì)玉米籽粒的損傷，本文將凹板篩設(shè)計(jì)為圓管型結(jié)構(gòu)。

將圓管型凹板篩分別設(shè)計(jì)為垂直圓管型與左向圓管型，垂直圓管型是將直徑為18mm的圓形鋼管垂直的焊接在凹板篩架上；左向圓管型是將圓形鋼管向左偏離一定的角度，傾斜焊接在凹板篩架上。為驗(yàn)證垂直圓管型與左向圓管型脫粒凹板對(duì)果穗碰撞強(qiáng)度的影響，對(duì)不同安裝方向圓管與果穗間的碰撞力進(jìn)行分析，如圖2、圖3所示。

在脫粒過(guò)程中玉米果穗受到垂直圓管的碰撞反力與左向圓管的碰撞反力計(jì)算分別如式（6）和式（7）所示。

F₁=（G+T_a）cosα2（6）

F₂=（G+T_a）cosα2cosθ（7）

式中： F₁——玉米果穗受到垂直圓管的碰撞反力，N；

F₂——玉米果穗受到左向圓管的碰撞反力，N；

T_a——玉米果穗對(duì)圓管的碰撞力，N；

G——玉米果穗的自身重力，N；

θ——圓管以自身軸心為原點(diǎn)向左偏離的角度，0°<θ<90°。

F₁-F₂=（G+T_a）cosα2（1-cosθ）（8）

即F₂1。在條件相同的情況下，左向圓管型脫粒凹板與果穗的反作用力小于垂直圓管型對(duì)果穗的反作用力，因此左向圓管型脫粒凹板更有利于降低籽粒破損率。

由于錐形脫粒滾筒具有軸向引導(dǎo)的特性，在脫粒過(guò)程中玉米果穗將受到垂直圓管型脫粒凹板與左向圓管型脫粒凹板的軸向分力，如式（9）和式（10）所示。

F₃=（G+T_a）sinα2（9）

F₄=（G+T_a）sinα2-（G+T_a）cosα2sinθ（10）

式中： F₃——在垂直圓管型脫粒凹板內(nèi)玉米果穗受到的軸向分力，N；

F₄——在左向圓管型脫粒凹板內(nèi)玉米果穗受到的軸向分力，N。

F₃-F₄=（G+T_a）cosα2sinθ（11）

即F₄3。在條件相同的情況下，左向圓管型脫粒凹板將對(duì)果穗產(chǎn)生一種反方向的軸向力，使左向圓管型脫粒凹板對(duì)果穗產(chǎn)生的軸向力小于垂直圓管型對(duì)果穗的軸向力，從而有效延長(zhǎng)玉米果穗的脫粒時(shí)間，增加果穗的脫粒次數(shù)。為了使果穗能夠順利通過(guò)脫粒區(qū)域，同時(shí)不會(huì)發(fā)生阻塞現(xiàn)象，則左向圓管型脫粒凹板對(duì)果穗產(chǎn)生的反方向軸向力不能太大，因此需滿足式（12）。

F₄>0（12）

tanα2>sinθ（13）

推薦圓錐型滾筒錐角的取值為5°≤α≤15°^[14]，本文初步取左向圓管型脫粒凹板的圓管向左偏離角度θ=5°。

在分離凹板方面，為保證籽粒與穗軸具有更好的分離效果，分離凹板采用垂直圓管型結(jié)構(gòu)，將直徑為18mm的圓形鋼管垂直焊接在凹板篩架上；由于后端果穗密度減小，凹板對(duì)果穗的作用力變?nèi)酰ㄟ^(guò)減小凹板與滾筒間間隙值，完成對(duì)未脫籽粒的再次脫粒，提高籽粒與穗軸間的分離率。這樣既保證脫粒效果，又解決分離問(wèn)題。

3 仿真試驗(yàn)與分析

3.1 玉米果穗模型創(chuàng)建

玉米果穗模型是影響仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵因素，創(chuàng)建的玉米果穗實(shí)體模型越逼真，試驗(yàn)數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確。因此根據(jù)實(shí)際測(cè)量果穗的外形尺寸，通過(guò)Solid works建立玉米果穗實(shí)體模型，并導(dǎo)入EDEM中作為玉米果穗模板，利用球面組合的方法完成玉米果穗模板的填充。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[15]及前期針對(duì)球面數(shù)量敏感程度的分析試驗(yàn)標(biāo)定，得到玉米果穗形態(tài)特征、計(jì)算精度兼顧的球面填充臨界值。設(shè)定玉米果穗模型的填充球面為26個(gè)，玉米果穗、脫粒滾筒的材料物理性能及接觸參數(shù)值見(jiàn)表1和表2。

3.2 錐形脫粒滾筒仿真與優(yōu)化

3.2.1 錐形滾筒仿真影響因素的確定

鑒于前期針對(duì)錐形脫粒滾筒降低玉米果穗脫粒損傷原理的多方面研究，如圖4所示，以脫粒滾筒的錐角作為影響因素，對(duì)錐形滾筒進(jìn)行仿真分析。選取脫粒滾筒錐角分別為6°、8°、10°，并與圓柱型脫粒滾筒進(jìn)行對(duì)比。脫粒凹板均采用垂直圓管型結(jié)構(gòu)，分別在轉(zhuǎn)速為300r/min、400r/min、500r/min條件下，完成玉米果穗脫粒分離的運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)。

3.2.2 錐形滾筒仿真結(jié)果分析

在玉米脫粒仿真試驗(yàn)過(guò)程中，分別對(duì)玉米果穗在不同脫粒區(qū)域內(nèi)受到的碰撞力進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)EDEM軟件中后處理模塊，對(duì)錐形脫粒滾筒與玉米果穗間的碰撞結(jié)果進(jìn)行分析，與圓柱型脫粒滾筒進(jìn)行對(duì)比，確定最優(yōu)參數(shù)組合，仿真結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，在滾筒轉(zhuǎn)速相同的條件下，玉米果穗在錐形滾筒脫粒區(qū)第一段內(nèi)所受的碰撞力，均小于圓柱型滾筒；在脫粒區(qū)第三段內(nèi)所受的碰撞力均大于圓柱型滾筒；說(shuō)明起脫段滾筒直徑的減小有利于減弱脫粒元件對(duì)果穗的瞬間沖擊強(qiáng)度，從而有效降低籽粒破損率。隨著果穗在軸向上不斷運(yùn)動(dòng)，滾筒直徑增大，對(duì)果穗的碰撞力逐漸增強(qiáng)，完成難脫籽粒的再次脫粒；避免玉米果穗不同部位因脫粒力不同，而導(dǎo)致籽粒破損率高及脫凈率低等問(wèn)題；實(shí)現(xiàn)果穗上不同部位的籽粒依次脫粒。

隨著脫粒滾筒的錐角不斷增大，脫粒元件對(duì)果穗的瞬間沖擊強(qiáng)度不斷減弱，而在軸向上脫粒元件對(duì)果穗的沖擊強(qiáng)度增加顯著；當(dāng)脫粒滾筒的錐角過(guò)大時(shí)，導(dǎo)致滾筒喂入端直徑過(guò)小，不僅嚴(yán)重影響脫粒分離裝置的工作效率，而且滾筒兩端碰撞強(qiáng)度懸殊過(guò)大，易出現(xiàn)底盤(pán)共振的現(xiàn)象。在3種滾筒不同轉(zhuǎn)速下，對(duì)果穗的碰撞強(qiáng)度進(jìn)行綜合分析可知，脫粒滾筒錐角不宜過(guò)大，最終確定脫粒滾筒的錐角為8°。

3.3 脫粒凹板仿真與優(yōu)化

3.3.1 脫粒凹板仿真影響因素的確定

如圖5所示，對(duì)垂直圓管型與左向圓管型脫粒凹板進(jìn)行仿真分析。以圓管的安裝方向作為仿真試驗(yàn)的影響因素，均采用錐角為8°的脫粒滾筒，分別在轉(zhuǎn)速為300r/min、400r/min、500r/min條件下，完成玉米果穗脫粒分離的仿真試驗(yàn)。

3.3.2 脫粒凹板仿真結(jié)果分析

在玉米脫粒仿真試驗(yàn)過(guò)程中，分別對(duì)玉米果穗受到不同脫粒凹板的碰撞反力及軸向力進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)EDEM軟件中后處理模塊對(duì)脫粒凹板與果穗間的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，見(jiàn)表4。由表4可知，在滾筒轉(zhuǎn)速相同的條件下，左向圓管型脫粒凹板對(duì)玉米果穗的碰撞反力及軸向力均小于垂直圓管型脫粒凹板，說(shuō)明左向圓管有利于削弱脫粒凹板對(duì)果穗的正面碰撞強(qiáng)度，并在滾筒軸向上產(chǎn)生一種反方向的軸向分力，因此在有效降低果穗與脫粒凹板碰撞強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，削弱了錐形滾筒軸向引導(dǎo)的特性。由圖5可直觀地發(fā)現(xiàn)，玉米果穗在左向圓管型脫粒凹板內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡螺距明顯小于垂直圓管型脫粒凹板，說(shuō)明左向圓管型脫粒凹板采用了小載荷多循環(huán)的脫粒方式。其中碰撞反力小有利于保證脫粒過(guò)程中的低破損，軸向力小有利于保證脫粒過(guò)程中的脫粒次數(shù)。因此從籽粒的收獲質(zhì)量角度考慮，脫粒凹板采用左向型圓管結(jié)構(gòu)。

3.4 錐形脫粒滾筒運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為驗(yàn)證玉米錐形脫粒滾筒模型的準(zhǔn)確性，能夠按照設(shè)計(jì)要求正常工作，對(duì)Solid works中創(chuàng)建的玉米錐形脫粒滾筒模型導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。根據(jù)脫粒滾筒的工作情況進(jìn)行約束，將脫粒凹板與大地固定，對(duì)脫粒滾筒添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)確定旋轉(zhuǎn)方向，并添加驅(qū)動(dòng)以控制其旋轉(zhuǎn)速度。由于滾筒轉(zhuǎn)速與脫粒分離裝置的喂入量相匹配才能得到最佳的收獲效果，因此結(jié)合屈哲等^[16]以脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量為影響因素，以籽粒破碎率、未脫凈率為性能指標(biāo)進(jìn)行玉米脫粒試驗(yàn)。根據(jù)玉米脫粒滾筒的額定喂入量8kg/s獲取滾筒最佳轉(zhuǎn)速為400r/min，并在滾筒軸向不同區(qū)域內(nèi)的脫粒元件頂點(diǎn)處建立Marker點(diǎn)并檢測(cè)其速度，仿真持續(xù)時(shí)間設(shè)為3s，步長(zhǎng)為0.01，如圖6所示。

通過(guò)ADAMS后處理模塊對(duì)不同區(qū)域內(nèi)的脫粒元件頂點(diǎn)的線速度進(jìn)行檢測(cè)，如圖7所示，脫粒區(qū)起脫段脫粒元件的線速度10.27m/s小于第二段脫粒元件的線速度11.55m/s，小于第三段的脫粒元件的線速度13.14m/s，結(jié)果表明在滾筒軸向上脫粒元件頂點(diǎn)的線速度逐漸增大，即對(duì)果穗的脫粒力逐漸增強(qiáng)，與前期仿真試驗(yàn)結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了本研究成果的可靠性，憑借錐形滾筒軸向引導(dǎo)的特性，使果穗從易脫籽粒開(kāi)始實(shí)現(xiàn)依次脫粒。

3.5 錐形脫粒滾筒動(dòng)平衡分析

由于玉米脫粒時(shí)滾筒與脫粒元件做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段一旦出現(xiàn)重心偏移，必然會(huì)產(chǎn)生較大的非平衡慣性力，導(dǎo)致滾筒劇烈振動(dòng)，因此在ADAMS中對(duì)玉米錐形脫粒滾筒進(jìn)行了動(dòng)平衡分析，將滾筒的喂入端定義為A端，排雜端為B端，滾筒轉(zhuǎn)速為400r/min，得到兩端軸承支反力隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。

根據(jù)不平衡量計(jì)算可求出A、B兩端不平衡量，如式（14）和式（15）所示。

J_A=F_Aω²=27.841.9²=0.015 834（14）

J_B=F_Bω²=35.541.9²=0.020 220 8（15）

式中： J_A、J_B——A、B兩端系統(tǒng)不平衡量，kg·m；

F_A、F_B——A、B兩端軸承支反力，N；

ω——脫粒滾筒的角速度。

根據(jù)國(guó)家農(nóng)業(yè)機(jī)械許用不平衡量公式^[18]，求得錐形脫粒滾筒需用不平衡量，如式（16）所示。

J_per=1 000×60MG2πn（16）

式中： J_per——脫粒滾筒許用不平衡量，kg·m；

M——脫粒滾筒的自身重量，kg；

G——脫粒滾筒的平衡精度等級(jí)，mm/s。

將脫粒滾筒材料屬性設(shè)為45號(hào)鋼，質(zhì)量為120 kg，根據(jù)國(guó)家農(nóng)業(yè)機(jī)械平衡精度等級(jí)量為16mm/s^[19]，進(jìn)行動(dòng)平衡分析，結(jié)果表明J_A+J_Bper，系統(tǒng)產(chǎn)生的不平衡慣性力符合國(guó)家農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)要求，不會(huì)出現(xiàn)因滾筒慣性力過(guò)大而產(chǎn)生劇烈振動(dòng)的問(wèn)題，憑借此方法從而驗(yàn)證脫粒滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié)論

1） 針對(duì)玉米籽粒直收收獲機(jī)脫粒分離裝置存在脫粒元件對(duì)果穗沖擊強(qiáng)度過(guò)大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種玉米錐形脫粒分離裝置，對(duì)脫粒凹板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，與傳統(tǒng)的脫粒分離裝置進(jìn)行對(duì)比，錐形脫粒裝置能有效降低脫粒元件對(duì)果穗的瞬間沖擊力度，為玉米機(jī)械化籽粒收獲技術(shù)研究提供參考。

2） 在SolidWorks中完成建模，并導(dǎo)入EDEM軟件中進(jìn)行玉米果穗脫粒分離仿真試驗(yàn)，從碰撞強(qiáng)度方面考慮，當(dāng)脫粒滾筒錐角為8°，凹板采用左向圓管型，滾筒轉(zhuǎn)速為400r/min時(shí)，脫離效果最佳。起脫段內(nèi)脫粒元件對(duì)玉米果穗的碰撞力由284N降低為234N，碰撞反力由202.54N降低到171.52N，顯著降低15.3%，有效提高脫粒分離裝置的脫粒質(zhì)量。

3） 將玉米錐形脫粒滾筒模型導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)平衡分析，結(jié)果表明在滾筒軸向上脫粒元件對(duì)果穗的脫粒力逐漸增強(qiáng)，與前EDEM仿真試驗(yàn)結(jié)果一致，從而驗(yàn)證本研究成果的可靠性及合理性；且系統(tǒng)產(chǎn)生的不平衡慣性力符合國(guó)家農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)要求，脫粒滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

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