组合式螺旋板齿种子玉米脱粒装置研究
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摘要
脱粒是种子玉米收获和加工的关键环节之一，其性能决定了种子玉米的破碎与损伤程度。种子玉米破损后活力降低，影响种子的发芽和生长。因此，降低种子玉米脱粒损伤成为机械脱粒研究的主要问题。
本文以种子玉米为研究对象，在进行种子玉米生物力学特性的技术上，采用有限元、仿真和试验分析等研究方法，对种子玉米籽粒机械损伤机理进行了研究；以种子玉米生物力学特性为理论依据，研制了变径变间距组合式螺旋板齿种子玉米脱粒机，并进行了脱粒机结构参数和工作参数优化与整机性能试验研究。
本论文的主要研究工作和结论如下：
（1）提出了以种子玉米生物力学特性作为脱粒原理设计的理论依据，研究了低损伤脱粒技术和脱粒装置，确定了组合式螺旋板齿脱粒机理。
（2）对种子玉米籽粒三轴尺寸、粒重、籽粒基部果柄的横截面积进行了测量统计，得到种子玉米籽粒的三轴尺寸分布基本呈正态分布，其基本尺寸为：长度10.86mm、宽度7.22mm、厚度4.08mm。
（3）进行了种子玉米籽粒的压缩、剪切试验，对玉米果穗0~3支撑行粒数进行了压缩和弯曲试验，对玉米果穗芯进行了压缩、弯曲试验，得到了种子玉米籽粒力学特性和不同约束性质下的种子玉米脱粒力学特性；
（4）利用针尖压入法和压痕加载曲线在普通微机控制的万能材料试验机上进行了玉米籽粒种皮及角质胚乳、胚、粉质胚乳的弹性模量测定，进行了种子玉米籽粒泊松比测定，为种子玉米籽粒的有限元分析提供了基础数据。
（5）在建立种子玉米籽粒复合模型的基础上，通过试验分别测得种子玉米种皮及角质胚乳、胚、粉质胚乳在顶面、腹面、侧面加力方式下的受压破裂力，得到种子玉米籽粒3种加载方式下的有限元模型。对3种加载方式下的种子玉米籽粒进行有限元分析，得到种子玉米籽粒低损伤最佳施力部位与施力方式。
（6）设计的变径变间距组合式螺旋板齿脱粒滚筒，在脱粒工作时使玉米果穗轴线沿脱粒主轴轴线接近一致，从而使玉米碎芯率降低。在主轴上采取变间距螺旋平板齿、冠状齿。从主轴前段到后段，冠状齿间距增大，平板齿间距减小，冠状齿和平板齿的直径都增加。脱粒开始阶段增加螺旋冠状齿与玉米果穗的脱粒接触，从完整的玉米果穗上剥落玉米籽粒，脱粒后期阶段增加螺旋平板齿与玉米果穗的脱粒接触，保证低的玉米籽粒破碎率。新型螺旋板齿脱粒装置既保证了玉米果穗的脱净率，又降低了玉米籽粒破碎率及穗轴碎芯。
（7）设计的排芯口变刚度压板装置，当种子玉米脱粒机排出玉米果穗芯后，变刚度弹簧能快速的关闭排芯口，减小了脱粒装置内压力波动范围，可有效提高种子玉米果穗脱净率。
（8）以喂入量、脱粒轴转速、板齿螺旋角和排芯口压板压力为自变量，脱净率、籽粒含杂率、籽粒破碎率为响应值，建立了各因素与脱净率、籽粒含杂率、籽粒破碎率之间的数学模型。试验数据结果表明：4个因素对脱净率、籽粒含杂率、籽粒破碎率的影响从大到小顺序均为板齿螺旋角、脱粒轴转速、喂入量和排芯口压板压力；组合式螺旋板齿种子玉米脱粒机的最佳工作参数为：喂入量2.80~2.91kg/s、脱粒轴转速225~241r/min、板齿螺旋角度8.25~9.00°和排芯口压板压力40~48N，此时脱净率为99.86%，较参数优化前的脱净率减小了0.15~0.38%；籽粒含杂率为3.26%，较参数优化前的破碎率减小了0.97~1.70%；籽粒破碎率为0.366%，较参数优化前的破碎率减小了0.084~0.274%。
（9）在农业部旱作农机具质量监督检验测试中心对5TYJ-10A型种子玉米脱粒机检测报告表明：该样机所检质量指标符合NY/T1136-2006《挤搓式种子玉米脱粒机技术条件》要求，在籽粒含水率19%条件下，样机脱净率、破碎率和含杂率分别为99.6%、0.4%和3.2%。
Threshing is a key issue in the process of seed corn harvesting and processing, itperformance decides the damage rate of seed corn. After the seed corn is damaged, its seedviability is decreased, which will influence the germination rate of seed and growth. For thisreason, it is a crucial issue to reduce the rate of damage in the process of mechanicalthreshing.
This paper takes seed corn as the object of study, it researches on the mechanical damagemechanism of seed corn by means of a series of research methods including finite elementanalysis, simulation study and experimental analysis based on carrying out the researchtechnique on biomechanics characteristics for seed corn, thus the biomechanics characteristicsof seed corn is taken as the theoretical basis, the combined type of spiral bar tooth seed cornthresher with variable radius and space is developed and manufactured, thus it studies on thestructural parameters of seed corn thresher, the optimization of running parameters as well asthe performance test on the whole machine.
The main researches and conclusions in this paper can be summarized as follows:
(1) The biomechanics characteristics of seed corn is proposed to be the theoretical basisfor the schematic design of threshing, this paper researches on the threshing technology andmechanism which can make the damage rate of seed low and determine the combined type ofspiral bar tooth threshing mechanism for seed corn.
(2) It conducts a statistical study on the three-axis sizes and weight of seed corn as wellas the cross sectional area of carpopodium at the base of seed by means of measurement, theresults show that the three-axis size distribution of seed corn is primarily in normaldistribution and its basic sizes can be determined as10.86mm long,7.22mm wide and4.08mm thick.
(3) It carries out compression test and shearing test on seed corn. In this paper,compression test and bending test is conducted for0~3support line seeds per corn ear, theoverall compression test is carried out on corn ear, while compression test and bending test isdone for corn cob, finally the mechanical properties of seed corn and the threshing mechanicalproperties of seed under different constraint conditions are obtained.
(4) The process of elastic modulus measurement is conducted for seed coat and keratinendosperm, embryo, farinaceous endosperm of seed corn on the universal material testing machine controlled by the common PC with the help of sharp-tip-indentation load–depthcurve, Poisson's ratio of corn kernel is conducted, and the basic datas are provided for thefinite-element analysis on seed corn.
(5) Based on establishing the combined model for seed corn, the disrupture force underpressure of seed corn coat and keratin endosperm, embryo, farinaceous endosperm whenpressure is exerted on the top, ventral and side faces have been measured by testingrespectively, thus the finite element model of seed corn under three kinds of loading methodscan be obtained, and therefore the optimal position of force application and the best way offorce application for the low rate of damage are known.
(6) The combined type of spiral bar tooth roller with variable radius and space isdesigned to make the axis of corn ear is approximately consistent with the principal axis ofthreshing, therefore the damage rate of seed corn can be reduced. The spiral flat bar tooth andcoronary bar tooth with variable space are adopted for the principal axis. From the forepart tothe posterior segment of principal axis, the space width of coronary bar tooth is increase whilethat of flat bar tooth is decreased, and the diameters of both are increased. At the beginning ofthreshing, the times of contact between the spiral coronary bar tooth and corn ear can beincreased, seed corns are threshed away from the whole corn cob, and the times of contactbetween the spiral flat bar tooth and corn ear can be increased at the later period of threshingso as to maintain the low damage rate of seed corn. The new-type spiral bar tooth threshingmechanism not only ensures the threshing performance of corn ear but also reduce the rate ofdamage for corn ear.
(7) The pressure plate mechanism with variable stiffness at the outlet of corn cob isdesigned. When corn cob is discharged by the corn thresher, the variable stiffness spring canshut down the outlet of corn cob rapidly so that the scope of pressure fluctuation within thethreshing mechanism can be reduced, which can effectively improve the threshingperformance for corn ear.
(8) Feed quantity, rotational speed of threshing axis, spiral angle of bar tooth andpressure of plate at the outlet of corn cob are regarded as the independent variables, damagerate of seed, threshing rate and kernel impurity rate are taken as the response value, thereforethe mathematical model between various factors and damage rate, threshing rate and kernelimpurity rate of seed are established. From the analysis on the test data, it can be seen that thefour factors influencing the damage rate, threshing rate and kernel impurity rate of seed arelisted in a descending order as: spiral angle of bar tooth, rotational speed of threshing axis,feed quantity and pressure of plate at the outlet of corn cob (min). Meanwhile, the optimalrunning parameters indicate feed quantity2.80~2.91kg/s, rotational speed of threshing axis 225~241r/min, spiral angle of bar tooth8.25~9.00°and pressure of plate at the outlet of corncob40~48N, under this condition, by comparison with that before the optimization ofparameters, the threshing rate of seed is99.86%, which is reduced by0.15~0.38%, the kernelimpurity rate is3.26%, which is reduced by0.97~1.70%, the damage rate is0.366%, which isreduced by0.084~0.274%.
(9) Test report on5TYJ-10A type seed corn thresher released by Dry FarmingAgricultural Implements Quality Supervision&Inspection Testing Center of AgricultureDepartment show that the quality indicators of this inspected sample machine accord with therequirements of Technical Specifications for Seed Corn Rubbing Thresher, the threshingperformance, percentage of damage and percentage of trash content of this sample machineare99.6%,0.4%and3.2%respectively under the condition when the seed moisture content is19%.
本文以种子玉米为研究对象，在进行种子玉米生物力学特性的技术上，采用有限元、仿真和试验分析等研究方法，对种子玉米籽粒机械损伤机理进行了研究；以种子玉米生物力学特性为理论依据，研制了变径变间距组合式螺旋板齿种子玉米脱粒机，并进行了脱粒机结构参数和工作参数优化与整机性能试验研究。
本论文的主要研究工作和结论如下：
（1）提出了以种子玉米生物力学特性作为脱粒原理设计的理论依据，研究了低损伤脱粒技术和脱粒装置，确定了组合式螺旋板齿脱粒机理。
（2）对种子玉米籽粒三轴尺寸、粒重、籽粒基部果柄的横截面积进行了测量统计，得到种子玉米籽粒的三轴尺寸分布基本呈正态分布，其基本尺寸为：长度10.86mm、宽度7.22mm、厚度4.08mm。
（3）进行了种子玉米籽粒的压缩、剪切试验，对玉米果穗0~3支撑行粒数进行了压缩和弯曲试验，对玉米果穗芯进行了压缩、弯曲试验，得到了种子玉米籽粒力学特性和不同约束性质下的种子玉米脱粒力学特性；
（4）利用针尖压入法和压痕加载曲线在普通微机控制的万能材料试验机上进行了玉米籽粒种皮及角质胚乳、胚、粉质胚乳的弹性模量测定，进行了种子玉米籽粒泊松比测定，为种子玉米籽粒的有限元分析提供了基础数据。
（5）在建立种子玉米籽粒复合模型的基础上，通过试验分别测得种子玉米种皮及角质胚乳、胚、粉质胚乳在顶面、腹面、侧面加力方式下的受压破裂力，得到种子玉米籽粒3种加载方式下的有限元模型。对3种加载方式下的种子玉米籽粒进行有限元分析，得到种子玉米籽粒低损伤最佳施力部位与施力方式。
（6）设计的变径变间距组合式螺旋板齿脱粒滚筒，在脱粒工作时使玉米果穗轴线沿脱粒主轴轴线接近一致，从而使玉米碎芯率降低。在主轴上采取变间距螺旋平板齿、冠状齿。从主轴前段到后段，冠状齿间距增大，平板齿间距减小，冠状齿和平板齿的直径都增加。脱粒开始阶段增加螺旋冠状齿与玉米果穗的脱粒接触，从完整的玉米果穗上剥落玉米籽粒，脱粒后期阶段增加螺旋平板齿与玉米果穗的脱粒接触，保证低的玉米籽粒破碎率。新型螺旋板齿脱粒装置既保证了玉米果穗的脱净率，又降低了玉米籽粒破碎率及穗轴碎芯。
（7）设计的排芯口变刚度压板装置，当种子玉米脱粒机排出玉米果穗芯后，变刚度弹簧能快速的关闭排芯口，减小了脱粒装置内压力波动范围，可有效提高种子玉米果穗脱净率。
（8）以喂入量、脱粒轴转速、板齿螺旋角和排芯口压板压力为自变量，脱净率、籽粒含杂率、籽粒破碎率为响应值，建立了各因素与脱净率、籽粒含杂率、籽粒破碎率之间的数学模型。试验数据结果表明：4个因素对脱净率、籽粒含杂率、籽粒破碎率的影响从大到小顺序均为板齿螺旋角、脱粒轴转速、喂入量和排芯口压板压力；组合式螺旋板齿种子玉米脱粒机的最佳工作参数为：喂入量2.80~2.91kg/s、脱粒轴转速225~241r/min、板齿螺旋角度8.25~9.00°和排芯口压板压力40~48N，此时脱净率为99.86%，较参数优化前的脱净率减小了0.15~0.38%；籽粒含杂率为3.26%，较参数优化前的破碎率减小了0.97~1.70%；籽粒破碎率为0.366%，较参数优化前的破碎率减小了0.084~0.274%。
（9）在农业部旱作农机具质量监督检验测试中心对5TYJ-10A型种子玉米脱粒机检测报告表明：该样机所检质量指标符合NY/T1136-2006《挤搓式种子玉米脱粒机技术条件》要求，在籽粒含水率19%条件下，样机脱净率、破碎率和含杂率分别为99.6%、0.4%和3.2%。
Threshing is a key issue in the process of seed corn harvesting and processing, itperformance decides the damage rate of seed corn. After the seed corn is damaged, its seedviability is decreased, which will influence the germination rate of seed and growth. For thisreason, it is a crucial issue to reduce the rate of damage in the process of mechanicalthreshing.
This paper takes seed corn as the object of study, it researches on the mechanical damagemechanism of seed corn by means of a series of research methods including finite elementanalysis, simulation study and experimental analysis based on carrying out the researchtechnique on biomechanics characteristics for seed corn, thus the biomechanics characteristicsof seed corn is taken as the theoretical basis, the combined type of spiral bar tooth seed cornthresher with variable radius and space is developed and manufactured, thus it studies on thestructural parameters of seed corn thresher, the optimization of running parameters as well asthe performance test on the whole machine.
The main researches and conclusions in this paper can be summarized as follows:
(1) The biomechanics characteristics of seed corn is proposed to be the theoretical basisfor the schematic design of threshing, this paper researches on the threshing technology andmechanism which can make the damage rate of seed low and determine the combined type ofspiral bar tooth threshing mechanism for seed corn.
(2) It conducts a statistical study on the three-axis sizes and weight of seed corn as wellas the cross sectional area of carpopodium at the base of seed by means of measurement, theresults show that the three-axis size distribution of seed corn is primarily in normaldistribution and its basic sizes can be determined as10.86mm long,7.22mm wide and4.08mm thick.
(3) It carries out compression test and shearing test on seed corn. In this paper,compression test and bending test is conducted for0~3support line seeds per corn ear, theoverall compression test is carried out on corn ear, while compression test and bending test isdone for corn cob, finally the mechanical properties of seed corn and the threshing mechanicalproperties of seed under different constraint conditions are obtained.
(4) The process of elastic modulus measurement is conducted for seed coat and keratinendosperm, embryo, farinaceous endosperm of seed corn on the universal material testing machine controlled by the common PC with the help of sharp-tip-indentation load–depthcurve, Poisson's ratio of corn kernel is conducted, and the basic datas are provided for thefinite-element analysis on seed corn.
(5) Based on establishing the combined model for seed corn, the disrupture force underpressure of seed corn coat and keratin endosperm, embryo, farinaceous endosperm whenpressure is exerted on the top, ventral and side faces have been measured by testingrespectively, thus the finite element model of seed corn under three kinds of loading methodscan be obtained, and therefore the optimal position of force application and the best way offorce application for the low rate of damage are known.
(6) The combined type of spiral bar tooth roller with variable radius and space isdesigned to make the axis of corn ear is approximately consistent with the principal axis ofthreshing, therefore the damage rate of seed corn can be reduced. The spiral flat bar tooth andcoronary bar tooth with variable space are adopted for the principal axis. From the forepart tothe posterior segment of principal axis, the space width of coronary bar tooth is increase whilethat of flat bar tooth is decreased, and the diameters of both are increased. At the beginning ofthreshing, the times of contact between the spiral coronary bar tooth and corn ear can beincreased, seed corns are threshed away from the whole corn cob, and the times of contactbetween the spiral flat bar tooth and corn ear can be increased at the later period of threshingso as to maintain the low damage rate of seed corn. The new-type spiral bar tooth threshingmechanism not only ensures the threshing performance of corn ear but also reduce the rate ofdamage for corn ear.
(7) The pressure plate mechanism with variable stiffness at the outlet of corn cob isdesigned. When corn cob is discharged by the corn thresher, the variable stiffness spring canshut down the outlet of corn cob rapidly so that the scope of pressure fluctuation within thethreshing mechanism can be reduced, which can effectively improve the threshingperformance for corn ear.
(8) Feed quantity, rotational speed of threshing axis, spiral angle of bar tooth andpressure of plate at the outlet of corn cob are regarded as the independent variables, damagerate of seed, threshing rate and kernel impurity rate are taken as the response value, thereforethe mathematical model between various factors and damage rate, threshing rate and kernelimpurity rate of seed are established. From the analysis on the test data, it can be seen that thefour factors influencing the damage rate, threshing rate and kernel impurity rate of seed arelisted in a descending order as: spiral angle of bar tooth, rotational speed of threshing axis,feed quantity and pressure of plate at the outlet of corn cob (min). Meanwhile, the optimalrunning parameters indicate feed quantity2.80~2.91kg/s, rotational speed of threshing axis 225~241r/min, spiral angle of bar tooth8.25~9.00°and pressure of plate at the outlet of corncob40~48N, under this condition, by comparison with that before the optimization ofparameters, the threshing rate of seed is99.86%, which is reduced by0.15~0.38%, the kernelimpurity rate is3.26%, which is reduced by0.97~1.70%, the damage rate is0.366%, which isreduced by0.084~0.274%.
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引文
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