【摘要】：在一年兩熟的黃淮海玉米生產(chǎn)區(qū),含水率高破碎率高是玉米籽粒收獲機械化技術(shù)發(fā)展的重要制約因素。解決這一問題的技術(shù)途徑分兩個方面,其一在育種方面,培育適宜機械化籽粒收獲的早熟及快速脫水的品種。其二在玉米收獲機械方面,研發(fā)適合本區(qū)域籽粒直收的玉米收獲機械化技術(shù)裝備。截止2017年黃淮海地區(qū)橫軸流換割臺小麥收獲機的保有量在97%以上,如果基于橫軸流小麥收獲機的脫粒系統(tǒng)架構(gòu)研發(fā)玉米籽粒收獲機的脫粒系統(tǒng),再逆向改進小麥機,將對本區(qū)域的收獲技術(shù)裝備產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。本課題從玉米物料特性和脫粒技術(shù)裝備兩方面著手,分析了國內(nèi)外相關(guān)研究和低損傷收獲技術(shù),采用理論分析、仿真模擬和試驗驗證相結(jié)合的方式,開展了玉米生物力學(xué)與摩擦學(xué)特性試驗分析,脫粒動力學(xué)與物料分離運動規(guī)律研究,建立了一種新型切流橫軸流玉米脫粒系統(tǒng),通過室內(nèi)試驗和田間試驗對低損傷玉米籽粒收獲開展研究,為玉米機械化低損傷籽粒收獲提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本文的主要研究內(nèi)容如下:1.選擇代表性的粒收獲對照品種進行了玉米籽粒物料特性試驗,分析了含水率與籽粒的幾何尺寸、體積、千粒重密度和力學(xué)特性的變化規(guī)律與函數(shù)方程。設(shè)計了摩擦學(xué)特性綜合測試裝置,通過試驗測試,分析了玉米籽粒含水率對靜摩擦系數(shù)、滾動摩擦系數(shù)、滑動摩擦系數(shù)、碰撞恢復(fù)系數(shù)和堆積休止角的影響關(guān)系,總結(jié)了這些特性參數(shù)的變化規(guī)律,并得出了常用含水率范圍下,摩擦學(xué)特性參數(shù)的范圍,為離散元數(shù)值模擬提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。并提出了籽粒等效壓力的測算方法,為籽粒不同部位的受力損傷提供了統(tǒng)一折算比較的標準方法。提出了玉米品種籽粒機收適應(yīng)性評價模式及建模方法,為多因素影響下不同品種籽粒機收適應(yīng)性評價提供了科學(xué)依據(jù)。結(jié)合籽粒受壓測試試驗,建立玉米籽粒模型,采用有限元軟件,模擬了玉米籽粒在擠壓過程中的應(yīng)力、應(yīng)變和內(nèi)部損傷的變化規(guī)律等。2.參考國內(nèi)外玉米收獲脫粒試驗技術(shù)方法,建立了一種新型的柱齒板齒混排滾筒的切流橫軸流玉米脫粒系統(tǒng)及試驗平臺,采用柱齒板齒混排結(jié)構(gòu)的橫軸流滾筒、螺旋柱齒結(jié)構(gòu)的切流滾筒、柵格式高強度凹板篩、帶導(dǎo)草板的脫粒室上蓋和多功能可調(diào)節(jié)的上料裝置。脫粒系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計,可根據(jù)需要更換脫粒滾筒等關(guān)鍵零部件或調(diào)整技術(shù)參數(shù),以便兼顧開展多種谷物脫粒試驗研究。為檢驗試驗臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和可靠性,采用ADAMS有限元軟件,對切流和軸流滾筒做了動平衡數(shù)值模擬,并結(jié)合動平衡試驗進行了驗證;采用ANSYS軟件分別對脫粒滾筒、滾筒軸和機架的動力學(xué)特性進行了模態(tài)分析、強度校核或疲勞分析,驗證了機械設(shè)計的安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,為進行脫粒試驗提供了可靠的試驗基礎(chǔ)條件。3.在玉米脫粒試驗的基礎(chǔ)上,研究了切流橫軸流系統(tǒng)物料脫粒分離過程的數(shù)學(xué)模型、分析了脫粒元件與籽粒的接觸碰撞及籽粒遭受脫粒打擊時損傷的臨界狀態(tài);分析了柱齒和板齒脫粒元件與籽粒接觸的脫粒動力學(xué)過程;采用離散元仿真和高速攝影技術(shù)分析驗證了脫粒分離過程物料的運動規(guī)律,通過對脫粒系統(tǒng)多種工作狀態(tài)的分析建模和相關(guān)阻力系數(shù)的求解推導(dǎo),闡明了脫粒系統(tǒng)/脫粒滾筒運行不平穩(wěn)的根本原理,為脫粒系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和提高脫粒作業(yè)質(zhì)量提供了技術(shù)方法。4.切流橫軸流系統(tǒng)脫粒試驗表明,柱齒板齒混排結(jié)構(gòu)的橫軸流滾筒采用“脫粒、篩分和排雜”三段式結(jié)構(gòu)設(shè)計可以優(yōu)化玉米脫粒過程,補償橫軸流機型脫粒行程短的問題。試驗表明切流滾筒的脫粒物質(zhì)量占比隨著含水率的增加而有所減弱,含水率在28%以下,切流滾筒與橫軸流滾筒脫粒篩分段的脫粒物質(zhì)量占比幾乎相當;當含水率高于28%,切流滾筒的脫粒物質(zhì)量占比下降明顯,在較高含水率玉米籽粒收獲時可以通過調(diào)控切流和橫軸流的脫粒質(zhì)量占比來充分發(fā)揮脫粒系統(tǒng)的脫粒能力。在優(yōu)化切流-橫軸流機型脫粒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時,要切流、橫軸流并重,才能有效降低破碎率,提高收獲作業(yè)質(zhì)量。5.混排滾筒的切流橫軸流脫粒系統(tǒng)脫粒試驗表明,滾筒線速度和含水率是影響脫粒破碎率的最關(guān)鍵因素,其次是喂入量和脫粒間隙,試驗得出的最佳脫粒參數(shù)組合為:橫軸流滾筒線速度5.84~17.28 m/s,含水率24%~26%,喂入量2.6~3.0 kg/s,脫粒間隙34~36 mm。同等條件下,柱齒板齒混排結(jié)構(gòu)滾筒的脫粒系統(tǒng)對含水率在28%以上玉米果穗的脫粒能力和適應(yīng)性要高于傳統(tǒng)全柱齒滾筒結(jié)構(gòu)的脫粒系統(tǒng)。在滿足國標規(guī)定的籽粒破碎率方面,柱齒板齒混排滾筒比傳統(tǒng)全柱齒滾筒有著更為寬廣的含水率適用范圍和線速度適用范圍。6.針對玉米籽粒的離散元建模,提出了基于三維掃描玉米籽粒,再抽殼填充的高效精確建模方法,相對于常規(guī)方式的顆粒坐標建模,不僅大幅提高了計算效率,而且試驗誤差與實際玉米堆積角試驗相比僅為4.45%,為不規(guī)則農(nóng)作物物料離散元仿真提供了一種高效、精確建模方法。7.采用高速攝影技術(shù)觀測脫粒室內(nèi)物料運動過程,對籽粒、碎軸芯的運動姿態(tài)、規(guī)律和承受打擊加速分離過程有了更深刻的直觀認識,對物料運動的理論建模分析和物料運動離散元模擬進行了較好的印證,為脫粒系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供了技術(shù)方法。8.田間籽粒收獲試驗驗證了柱齒板齒混排滾筒的橫軸流脫粒系統(tǒng)機收破碎率指標和最優(yōu)組合結(jié)果的合理性,在大幅度增加喂入量的情況下,籽粒破碎率最高3.9%,含雜率最高0.7%,表明了該脫粒系統(tǒng)不僅性能較好,還具備一定的技術(shù)潛力。多品種機收試驗表明了該系統(tǒng)對其他籽粒直收品種的適應(yīng)性較好,在相同機收條件下,三個品種測試的平均破碎率、含雜率分別比傳統(tǒng)脫粒系統(tǒng)降低了40.5%、33.1%,表明了本課題設(shè)計柱齒板齒混排滾筒的橫軸流脫粒系統(tǒng)比傳統(tǒng)的全柱齒脫粒系統(tǒng)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。
【學(xué)位授予單位】：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S225.51
【圖文】：

圖1.1 CASEAFX 型單縱軸流系統(tǒng)（CASE 供圖） CASE AFX single longitudinal axial flowdrum (courtesy o粒分離系統(tǒng)縱軸流滾筒并排設(shè)計，相向轉(zhuǎn)動，如圖 1.2 所示。這種型有四平 E818 型收獲機等，雙縱軸流脫粒分離系統(tǒng)的動，通過凹板篩分離出來的物料大致呈對稱分布，避免系統(tǒng)的有效分離面積，使清選系統(tǒng)的作業(yè)能力最大限度單滾筒的，每個滾筒的工作負荷降低一半，因此分離效脫粒凹板篩分凹板

排雜篩板清選篩圖1.2 雙縱軸流脫粒分離系統(tǒng)Fig.1.2 Double longitudinal axial flow drum threshing separation structure3）切流+縱軸流脫粒分離系統(tǒng)切流+縱軸流滾粒分離系統(tǒng)的典型產(chǎn)品有 John Deere 的 STS 子彈型縱軸流滾筒（BulletRotorTM），滾筒直徑 750 mm，長度 3130 mm，滾筒轉(zhuǎn)速 200～1 000 r/min，如圖 1.3 所示�？梢赃m應(yīng)比較潮濕、濃密作物的收獲。該縱軸流滾筒結(jié)構(gòu)特點是滾筒前端的喂入螺旋葉片與后段的脫粒紋桿塊分離齒板直徑一致。直徑逐漸變大的脫粒分離室，可以降低作業(yè)時的動力消耗。系統(tǒng)在工作時，前置切流滾筒將從過橋喂入的物料脫粒、加速運轉(zhuǎn)，物料進入縱軸滾筒后，螺旋葉片將物料層迅速拉進分離室，快速旋轉(zhuǎn)將物料層均勻拉薄，便于籽粒的脫粒分離。滾筒后段與脫粒室間隙加大

本文編號：2737107