脱粒分离装置的研究现状及发展趋势

李孟威，陈秀生，段崇琛，唐怀壮，薛志原，吕国栋，张同帅

（1.济南大学，山东 济南 250022；2.山东金宝诚管业有限公司，山东 临沂 276700）

脱粒是作物整个收获过程几个重要环节之一，脱粒分离装置的作业效率往往决定着整个收获机的效率。脱粒装置是谷物联合收获机最核心的装置之一，主要作用是将谷物颗粒从其连接的部分脱离，并将谷物颗粒、秸秆等混合物分离出来。随着近几年来对脱粒装置的大量研究，一些科研单位和生产企业也对现有的脱粒分离装置进行了研究和改进,比如采用加大配套动力、增加二次复脱强化能力或采用双纵置式轴流滚筒等方法，提升脱粒效益。脱粒装置主要有纹杆式、钉齿式、轴流式等多种形式。虽然现在收获机的形式多种多样，但是脱粒装置的许多核心技术问题还是没得到解决，比如：脱粒的籽粒破损率高、脱粒时机械装置损耗大、谷穗秸秆易破碎、对湿作物脱粒效率低等[1-3]。需要总结整理现有的研究资料，对不足之处进行改进和创新。

1 脱粒分离装置原理及种类

1.1 脱粒分离装置的原理

脱粒分离装置的工作原理可以分为以下几种：冲击脱粒、搓擦脱粒、梳刷脱粒、碾压脱粒、振动脱粒等。

1.1.1 冲击脱粒

主要是靠工作部件与谷物之间的碰撞产生冲击将谷物脱粒。工件运行速度越快，两者之间的相互作用越强，脱粒效果越好，而产生的副作用是导致谷物的破碎率就越高。

1.1.2 搓擦脱粒

主要靠工作部件与谷物之间，以及谷物与谷物之间的相互摩擦产生的力达到谷物脱粒的效果。脱粒间隙的大小对脱粒装置有非常大的影响。

1.1.3 梳刷脱粒

主要是靠工作部件对谷物产生拉力而达到脱粒的效果。

1.1.4 碾压脱粒

主要是靠装置的工作部件对谷物产生压力而达到脱粒的效果。

1.1.5 振动脱粒

主要是靠装置的工作部件对谷物施加高频振动而达到脱粒的效果。

1.2 脱粒分离装置的种类

（1）根据谷物进入脱粒装置的情况可以分为：半喂入式脱粒装置和全喂入式脱粒装置。

（2）根据脱粒滚筒的形式可以分为：开式和闭式脱粒装置、单滚筒和双滚筒脱粒装置、切流式和轴流式脱粒装置。

（3）根据脱粒的齿形脱粒装置可以分为：纹杆式脱粒装置、钉齿式脱粒装置、弓齿式脱粒装置、齿板式脱粒装置和板齿式脱粒装置。

2 国内外研究现状

为了提高脱粒分离装置的性能，国内外的学者为之付出了不懈努力和大量精力，对脱粒装置的改进提出自己的见解和看法。

第一台脱粒装置是由英国的科学家温劳（Willan Winlaw）[4]发明的，以水流为驱动动力的立式锥形轴流脱粒装置。在他发明之后的一段时间，人们用的脱粒机大多是以全喂入的旋转型装置，谷物的脱粒形式是在脱粒装置内做螺旋运动。而这些装置的缺点主要是：在脱粒过程结束之后，谷粒和秸秆等废弃物混合在一起，脱粒质量差。而且这些装置耗费人力、造价高、对秸秆的破碎性强、工作效率低。在这之后，苏格兰科学家麦克勒（Meikle）[5]在这个机器的基础上，改进了装置。他设计的装置体积小，脱粒质量高，得到广大农民的一致好评。而随着科技的不断进步，农业科学家Kolganov[6]通过他的大量的研究试验，得出一个结论：谷粒从秸秆脱下来的时间与脱粒滚筒的圆周速度有关。Kolganov 认为脱粒滚筒的圆周速度与谷粒从谷穗脱离过程所做的功的平方根有关。他通过试验发现，饱满的籽粒千粒质量40 g，而不成熟干瘪的谷粒千粒质量大约只有20 g，相应的脱粒功为60～120 g/cm，脱粒速度为17.34 m/s，这个速度必须低于籽粒破碎临界速度，以免破碎。

我国对脱粒装置的研究时间相比于外国还是有些短的，我国农业机械的发展也落后于外国。最早有王成芝团队[7]研制出一台大型轴流滚筒试验台，这个试验台拥有可以更换的滚筒、凹板和上盖，可以组合成7 种不同结构的轴流滚筒方案进行试验。王成芝团队用该试验台对几种常见作物进行了大量的试验。试验数据中可以看出：钉齿叶片滚筒与三栅条凹板组成的试验装置脱粒、分离性能最强，对作物湿度的适应性最大,但是功率消耗比较大；纹杆叶片滚筒与三栅条凹板组成方案的综合指标最好，但对作物湿度的适应性较差。为探究脱粒滚筒的合理机构和参数提供了很大帮助。

李耀明[8]等人进行脱粒分离试验来获取适合联合收获机分离装置的结构方式和工作参数。通过试验结果分析得出喂入量、滚筒转速和凹板间隙是影响脱粒分离装置性能的主要因素。研究结果可以为研制多滚筒联合收获机提供参考。

3 研究趋势

通过以上国内外学者对脱粒分离装置的研究分析，大多数学者是比较倾向于对脱粒装置结构进行研究，来减少脱粒损失率以及提高对潮湿作物脱粒的效率。目前还是有许多关键性技术难题没有解决，比如籽粒破损率较高、秸秆容易破碎、功耗大等。需要进一步来解决的问题，也是以后继续开展研究的方向。

3.1 将原有的结构进行改进创新

将已经通过试验找到的脱粒间隙、凹板型式、顶盖中的导向板、排列及其螺旋角的最佳参数值进行组合设计，建立一种新型脱粒分离装置来保证其良好性能。

3.2 采用新材料和先进的制造技术

机械化收获中的脱粒损伤是谷物机械损伤重要源头之一[9]。应寻找到一种材料可以满足谷粒撞击材料受损小又满足制造要求，使用这种材料来制造脱粒装置；采用先进的制造技术来制造装置的配件，装配误差降到最小，使谷物在脱粒过程中尽可能降低损伤程度，进一步保证谷粒的完整性。

3.3 向智能化方向发展

将脱粒分离装置与信息技术、传感器技术相结合，一方面可以检测脱粒装置的工作状态，一旦出现问题及时进行预警处理，防止对机械的过度使用造成损坏；另一方面可以根据喂入量的变化来调节脱粒滚筒转速、脱粒间隙、导流板角度、清选风速，实现收获效率、损失率和含杂率的最优组合，减少收获的损失率，使装置发挥出最佳性能[10-18]。

4 结语

我国农村市场广阔，农业经济发展潜力巨大。如果收获机的脱粒装置改进合理，脱粒性能高效，那么它将在我国拥有很大市场，也能很大程度解放我国的农村劳动力并进一步推动我国农业经济的发展。但是直到现在，关于脱粒分离装置的研究依然没有停止，关于脱粒分离装置的技术难题还是没有解决。人们还是需要一直努力改进、完善和提高，甚至发明全新的脱粒分离装置，满足联合收获机脱粒分离装置的性能要求。