弹性短纹杆-板齿组合式大白菜种子脱粒装置研究

王升升 卢梦晴 胡金鹏 陈 盼 姬江涛 王福民

(1.河南科技大学农业装备工程学院， 洛阳 471003； 2.江苏大学农业工程学院， 镇江 212013)

0 引言

大白菜食用价值高，其种植面积、产量及消费量在中国居各类蔬菜之首[1]。随着大白菜育种产业不断发展，种用大白菜的种植面积迅速增加，大白菜种子的收获难题日益凸显。采用人工收获效率较低，无法满足育种基地的大面积收获需求；采用市场上现有的稻麦收获机进行作业时，因结构或工作参数配置不佳，易造成种子损失率与破碎率高等问题[2-3]。脱粒装置作为联合收获机的核心工作部件，降低脱粒过程中的种子损失及损伤已成为大白菜种子联合收获装备发展的关键问题。

当前，国内外学者对脱粒分离装置的研究较多。PETKEVICHIUS等[4]设计了纹杆式脱粒装置，研究了籽粒含水率、滚筒转速和凹板间隙对脱粒损失的影响；师清翔等[5]引入柔性脱粒的概念，通过耐磨橡胶代替传统的钢制脱粒元件，降低了对小麦、水稻等作物的作用强度；谢方平等[6-7]设计了一种柔性钉齿脱粒滚筒，有效降低了水稻籽粒的破碎率；文献[8-11]设计了柔性钉齿和短纹杆组合式脱粒滚筒，解决了黄淮海地区高含水率玉米收获破碎率和未脱净率高的问题；李耀明等[12-13]设计了一种短纹杆与板齿组合式脱粒滚筒，可显著降低脱出物含杂率。

上述研究大多通过结合不同作物物料特性，在传统脱粒形式的基础上，对脱粒元件的材料、结构等方面进行改良并开展脱粒性能研究。虽然取得了一些阶段性成果，但主要研究对象为小麦、水稻、玉米等粮食作物，并不适用于大白菜种子这种小籽粒蔬菜种子的脱粒分离。目前国内外尚未有专门的大白菜种子收获装置，对于大白菜种子低破碎率脱粒的研究更是属于空白领域。因此，为解决大白菜种子脱粒难题，本文基于组合式脱粒及柔性脱粒原理，设计弹性短纹杆-板齿、柔性圆头钉齿与圆管凹板组合的脱粒装置，以期实现对适收期大白菜种子的机械化收获作业。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

弹性短纹杆-板齿组合式大白菜种子脱粒装置整体结构如图1所示，主要由机架、顶盖、组合式脱粒滚筒、圆管凹板、集料箱等组成。其中组合式脱粒滚筒圆周表面设有螺旋分布的弹性短纹杆-板齿和柔性圆头钉齿，尾部设有刚性长钉齿；顶盖下表面设有螺旋导流板，方便物料轴向运输；为了便于收集脱出物，在脱粒装置下部设置集料箱。

1.2 工作原理

大白菜种子脱粒装置采用径向喂入、径向排出的脱粒工艺。装置的工作过程分为喂入、脱分和排杂3个阶段。工作时，电机带动脱粒滚筒旋转。大白菜植株在喂入口连续均匀地进入脱分空间内，随后受到物料不断喂入的推送、脱粒元件和顶盖上导流板的共同作用，沿滚筒轴向螺旋运动，完成喂入过程；大白菜种子植株在脱粒元件与圆管凹板的循环冲击、揉搓作用及物料层内部之间的相互作用下实现脱粒；在此过程中，脱粒元件不断旋转搅动，并与圆管凹板相配合，实现种子与茎秆杂余的分离；脱粒后的茎秆杂余在滚筒尾部刚性长钉齿的作用下经排草口排出，完成排杂过程。在脱分过程中，弹性短纹杆-板齿和柔性圆头钉齿均具有变形能力，有效减弱了脱粒元件对种子的刚性冲击；圆管凹板表面没有棱角，减少了物料与凹板间的碰撞摩擦，可有效降低种子的机械损伤。

2 组合式脱粒滚筒设计与分析

2.1 脱粒方案

大白菜植株的生物学特性与油菜相似，根据已有研究[14-19]，开展大白菜植株各组分生物力学特性研究，得到不同破坏形式下各组分破坏载荷，如表1所示。由表1可知，大白菜种子的破坏峰值较低，且各部分破坏峰值差异较大。因此，为提高大白菜种子脱净程度，实现脱粒过程中种子低破碎率的需求，采用组合式、柔性脱粒方案开展研究。

表1 大白菜植株各组分力学特性Tab.1 Mechanical properties of each component of Chinese cabbage plant

2.2 脱粒滚筒设计

弹性短纹杆-板齿组合式脱粒滚筒结构如图2所示。前部采用弹性短纹杆-板齿组合式，通过扭簧的变形降低对物料的作用力，以降低该阶段的脱粒损伤；中部圆头钉齿采用柔性聚氨酯材料替代钢材，以减小脱粒过程中对大白菜种子的刚性冲击，达到降低种子损伤的目的；尾部采用刚性长钉齿，有利于将运动至滚筒末端的茎秆及时排出。

脱粒滚筒的长度与其自身的脱分能力密切相关，脱粒滚筒越长，物料的脱分时间越久，种子和茎秆的破碎率会随之增大。茎秆破碎会导致杂余率增大，大白菜种子小而轻，与杂余不易分离，杂余率的增大更会使清选负荷增大。脱粒滚筒长度计算式[20]为

L≥q/q0

(1)

式中L——脱粒滚筒长度，m

q——脱粒装置喂入量，取2 kg/s

q0——脱粒滚筒单位长度允许承担的喂入量，取1.5～2.0 kg/(s·m)

计算得，脱粒滚筒长度L为1～1.3 m，本设计取L=1.15 m。

脱粒滚筒直径太小容易缠绕作物，同时会减少凹板分离面积，但滚筒直径过大，脱粒功耗会增大。为避免上述问题，取滚筒周长大于大白菜植株长度，则脱粒滚筒直径[21]为

(2)

式中DZ——脱粒滚筒直径，mm

L1——大白菜植株长度，取880～1 200 mm

计算得，脱粒滚筒直径DZ为 420～573 mm，本设计取DZ=460 mm。

为进一步实现脱粒过程中物料的翻转和轴向运动，脱粒元件均采用螺旋排布方式，取螺旋头数K=3；为避免茎秆破碎严重及脱粒功耗的增加，取齿排数为6，齿距l=84 mm[21]。

2.2.1弹性短纹杆-板齿设计

弹性短纹杆-板齿由纹杆座、压板、板齿、螺栓、短纹杆和扭簧组成，如图3所示。短纹杆一侧增加板齿，且安装方向与纹杆筋方向平行，一是为了实现成熟度较低、相对难脱角果的脱粒，同时有利于物料的喂入和轴向运动；二是对短纹杆起到一定的限位作用，保证短纹杆仅能产生向下的扭转变形。压板与扭簧通过螺栓连接固定，短纹杆长度设为100 mm。

假设弹性短纹杆-板齿平均受力点为O1，扭簧中心点为O2，如图4所示。则扭簧所受初始扭矩T1为

T1=Fh

(3)

式中F——扭簧发生扭转的触发力，N

h——触发力F到扭簧中心的垂直距离，mm

触发力F应满足在完成脱下角果中种子的同时，尽量降低与体积较大的植株茎秆之间的相互作用强度。脱粒过程中，大白菜植株会出现物料积聚现象，为保证脱粒过程顺利进行且扭簧有合理的调节范围，结合文献[22-23]及前期力学特性试验，最终取F=40 N，此时h=16 mm，可得T1=640 N·mm。

扭簧初始扭转角φ1=35°，考虑到整体结构强度问题，扭簧变形不宜过大，本设计取扭簧的极限扭转角φ2=45°，则扭簧极限扭矩T2为[24]

(4)

扭簧为平列双扭系列，材料选择碳素弹簧钢，其弹性模量E=1.97×105MPa，扭簧有效圈数N为

(5)

式中d——扭簧钢丝直径，为3.2 mm

D1——扭簧中径，mm

扭簧中径D1=Pd，根据《机械设计手册》[24]，扭簧旋绕比P取8.5，最终计算得N=12。

2.2.2柔性圆头钉齿设计

当大白菜种子与不同脱粒元件之间接触碰撞力相同时，较大的接触面积能够弱化应力集中现象，从而降低种子损伤。因此，脱粒段采用材料为聚氨酯的圆头钉齿，结合文献[25]，综合考虑圆头钉齿脱粒需求、结构尺寸和整机动平衡等因素，最终取脱粒段钉齿直径为8 mm，工作高度为70 mm。

2.3 滚筒模态分析

脱粒滚筒工作时高速旋转，当旋转产生的频率与其固有频率一致时，会产生共振现象。脱粒滚筒的共振会造成螺栓松动、部件的间隙变化及干涉碰撞等问题，不仅影响脱粒效果，严重时还会产生较大的安全危害[26-27]。因此，对所设计的脱粒滚筒进行模态分析。

2.3.1有限元模型建立

采用SolidWorks软件建立脱粒滚筒三维模型，后将模型导入ANSYS Workbench中进行分析。柔性圆头钉齿的材料为聚氨酯，滚筒其余部分材料为Q235B，材料属性参数如表2所示。对弹性短纹杆-板齿采用Sweep扫略网格划分，其余零件均采用自动网格划分，最终产生网格单元数量为86 340，节点数为246 950。

表2 材料属性参数Tab.2 Properties of materials

2.3.2有限元结果分析

选择脱粒滚筒主轴两侧端面，分别添加固定约束。低阶共振现象的发生对机械结构的危害较大，因此对脱粒滚筒的前4阶固有频率及振型进行分析，结果如表3及图5所示。

表3 脱粒滚筒前4阶模态分析结果Tab.3 Deformation results of threshing cylinder

由表3可知，该脱粒滚筒1、2阶频率相近，集中分布在69 Hz左右，第3、4阶频率分别为88.123、97.343 Hz，固有频率呈现逐阶增长的趋势，但对应的最大变形量并不呈线性变化。

由图5可知，1阶振型表现为脱粒滚筒整体的扭曲，且以固定齿杆的扭曲变形为主；2阶振型主要表现为柔性圆头钉齿的弯曲变形；3阶振型中，钉齿变形量增大，滚筒中部的辐盘与固定齿杆连接部位发生弯曲和扭转变形；4阶振型主要是扭簧及短纹杆的扭转变形。其中，1阶振型图中滚筒整体变形幅度最大，变形量为10.755 mm，小于脱粒滚筒与圆管凹板的最小间隙设计值15 mm，表明脱粒滚筒与圆管凹板不会发生干涉现象。

脱粒滚筒在工作过程中，激励来源主要来自发动机和滚筒自身的旋转激励。当激励频率超过固有频率时，该结构存在失效风险。脱粒滚筒转速与激励频率的关系为

n=60f

(6)

式中n——脱粒滚筒转速，r/min

f——旋转激励频率，Hz

脱粒滚筒设计的最大工作转速为950 r/min，大白菜种子联合收获机上所用发动机额定转速为2 200 r/min。计算得最高旋转激励分别为15.83、36.67 Hz。在不考虑发动机和脱粒滚筒旋转所产生的频率叠加的条件下，由发动机和滚筒工作所产生的激励频率均低于该脱粒滚筒1阶固有频率69.213 Hz。因此，所设计的脱粒滚筒在实际工作中可有效避免共振现象的发生。

2.4 圆管凹板设计

由于常规栅格式凹板存在棱角，在脱粒过程中，大白菜种子与栅格棱角的碰撞是造成种子破碎率高的原因之一。此外，因大白菜种子尺寸较小(直径小于2 mm)，脱粒过程结束后，存在种子在横格板上滞留堆积的现象，导致不同品种的大白菜种子混种的问题。针对上述问题，设计一种圆管凹板如图6所示。

圆管凹板采用内径为12 mm、厚度为3 mm的圆钢管代替常规栅格式凹板中的横格板。为保证圆管凹板的脱分能力[23]，设计各圆管间距为30 mm，筛条间隙为9 mm，凹板包角为220°，长度与脱粒滚筒长度相等为1.15 m。大白菜种子与圆管之间为点接触，很难停留在圆管表面，因此能够大大降低种子滞留在滚筒内部的概率。

为进一步提高脱粒过程中物料螺旋向后运动的能力，将圆管沿凹板轴线方向呈角度α进行安装，圆管偏离轴线方向与脱粒滚筒工作时旋转方向一致，综合考虑取α=10°。

3 试验

3.1 试验材料

脱粒试验所用物料为河南省济源市大白菜育繁种基地内成熟的种用大白菜植株，品种为晋菜三号，于试验田内随机选取待收获无倒伏植株，人工收割后带回实验室，并及时完成脱粒试验。试验开始前，测得大白菜植株各组分物料特性如表4所示。

表4 种用白菜植株物料特性Tab.4 Plant material characteristics of Chinese cabbage

3.2 试验方法

试验前将一定质量的大白菜植株均匀铺放到输送带一侧，并留有5 m的加速调整区。调整脱粒装置，待其稳定运转后，启动输送带，完成输送、喂入、脱粒和接料过程，试验现场如图7所示。

根据前期预试验，选取对脱粒质量影响较大的滚筒转速、脱粒间隙、喂入量为试验因素，并确定各因素范围，以种子损失率、破碎率为评价指标，进行响应面优化试验。因素编码如表5所示。

表5 因素编码Tab.5 Coding value of factors

通过排草口和接料口收集脱粒后的物料，经人工筛选、处理后，记录每组试验的损失率及破碎率，每组试验重复3次取平均值。参考国家标准GB/T 5982—2017《脱粒机 试验方法》，损失率Y1和破碎率Y2计算式分别为

(7)

(8)

式中MZ——损失率取样种子总质量，g

MW——残留在角果内的未脱净种子质量，g

MJ——夹杂在杂余内部的种子质量，g

Mp——样品中破碎种子质量，包括机械损伤、裂纹和破皮的种子，g

M0——破碎率取样种子总质量，g

3.3 试验结果

试验结果如表6所示，X1、X2、X3为因素编码值，对数据进行方差分析，结果如表7所示。从表7可知，失拟项P>0.05，表明模型拟合效果好，回归模型P<0.01，表明回归模型高度显著。

表6 响应面试验设计与结果Tab.6 Results of response surface test

表7 方差分析Tab.7 Analysis of variance

剔除方差来源中的不显著项，得到损失率Y1、破碎率Y2优化后的回归方程，分别为

(9)

(10)

通过对回归模型的分析，得出各因素对损失率和破碎率影响由大到小为滚筒转速、喂入量、脱粒间隙。

3.4 试验因素交互作用分析

3.4.1因素交互作用对损失率的影响

因素交互作用对损失率Y1的影响响应面如图8所示，分析可知：

(1)损失率随滚筒转速的增大先减小后增大。随着滚筒转速的增大，脱粒元件对物料的冲击、碾压、揉搓和搅动作用增强，部分难脱种子被脱下，夹带种子被分离，因此损失率减小；当滚筒转速持续增大时，物料在脱粒滚筒内停留的时间及被作用次数越来越少，导致未脱净损失率增大；种子尚未分离就从排草口排出，导致夹带损失率增大，因此，总损失率增大。

(2)随着脱粒间隙增大，损失率变化幅度不明显，整体呈先降低后升高的趋势。分析可知，脱粒间隙逐渐增大会在一定程度增大脱粒空间，物料被脱粒元件搅动的幅度更大，使茎秆和种子分离更加充分，进而夹带损失率降低；当脱粒间隙越来越大时，物料层过于蓬松，物料受碾压和揉搓的作用程度降低，导致未脱净损失率逐渐升高。

(3)随着喂入量的增加，损失率先降低后升高。这是因为弹性元件具有可调节能力，在喂入量增加初期，滚筒内物料增多，物料层压实度增加，物料受脱粒元件及物料内部之间作用力增大，导致未脱净种子减少，损失率降低；随着喂入量不断增加，物料开始积聚，脱粒元件变形调节能力减弱，夹杂在物料内部的角果和种子增多，造成脱粒分离不完全现象，损失率升高。

3.4.2因素交互作用对破碎率的影响因素交互作用对破碎率Y2的影响响应面如图9所示，分析可知：

(1)随滚筒转速增加，破碎率呈先降低后升高的趋势。滚筒转速增加初期，物料在脱粒装置内停留时间减少，种子受到的冲击概率降低，破碎率变小；随着滚筒转速越来越大，脱粒元件对物料的作用强度和频率均增大，因此破碎率逐渐升高。

(2)破碎率随脱粒间隙的增大整体呈下降趋势。脱粒间隙增加，物料层变得蓬松，脱粒元件对物料的碾压和揉搓作用减弱，物料受到冲击时有更大的缓冲空间，因此破碎率变小。

(3)随着喂入量逐渐增加，破碎率先减小后增大，但增大幅度缓慢。随着喂入量的增加，脱粒滚筒内的物料增多，导致弹性脱粒元件发生变形，直接与脱粒元件作用的种子减少，通过物料内部之间摩擦作用完成脱粒过程的种子增多，因此破碎率降低；随着喂入量越来越大，物料层持续增厚，脱粒元件变形调节能力减弱，导致与脱粒元件直接接触的物料受到的碾压力增大，碾压作用增强导致破碎率升高。

3.5 脱粒装置参数优化

为得到该大白菜种子脱粒装置的最优工作参数，利用Design-Expert软件中自带的Optimization功能，分别设置各试验因素的边界条件为：滚筒转速650～850 r/min，脱粒间隙15～25 mm，喂入量1.2～2.0 kg/s；破碎率0～1%，权重为0.6；损失率0～3%，权重为0.4。

在脱粒损失率、破碎率均最低的情况下，得到该脱粒装置的最优参数组合为：滚筒转速726 r/min、脱粒间隙22.3 mm、喂入量1.73 kg/s，此时损失率为0.56%，破碎率为0.15%。

3.6 田间试验验证与对比

在最优工作参数组合下，对弹性短纹杆-板齿组合式脱粒装置及常规钉齿-栅格凹板式脱粒装置进行田间对比试验，试验于2021年5月在河南省济源市大白菜育繁种基地进行，试验对象为晋菜三号，种植方式为移栽，种植行间距为90 mm，联合收获机一次收获两行，试验现场如图10所示。

根据GB/T 8097—2008《收获机械 联合收割机 试验方法》的规定，选取长势均匀，植株高度、密度及产量水平一致性较好的大白菜植株进行收获试验，按照准备区10 m、测定区10 m、停车区10 m的作业方式对收割区域划分，试验过程中，每组试验均保持样机的满幅、匀速作业，且确保留茬高度一致。每次试验后采集经排草口及脱粒装置出口排出杂质中的夹带种子、未脱净种子，以及出粮口所有种子，并参照室内试验方法及时进行人工处理。

田间试验结果表明，弹性短纹杆-板齿组合式脱粒装置的种子损失率为0.68%，破碎率为0.39%，与软件优化得到的结果接近，说明试验结果与软件预测的结果具有可靠性。钉齿-栅格凹板式脱粒装置损失率为0.61%，两种收获方式相差不大，且弹性短纹杆-板齿组合式脱粒装置的种子破碎率降低了48.7%，表明该脱粒装置能够在满足脱粒需求的前提下，显著降低种子破碎程度。

4 结论

(1)针对大白菜种子脱粒的要求，采用理论与试验相结合的方法，设计了一种弹性短纹杆-板齿组合式大白菜种子脱粒装置。该装置区别于常规钉齿式脱粒滚筒和栅格式凹板筛，采用弹性短纹杆-板齿和柔性圆头钉齿组合作为脱粒元件，凹板采用圆管凹板，可有效减弱对物料的刚性冲击，降低大白菜种子的破碎率。

(2)通过响应面试验，建立了滚筒各因素与脱粒性能之间的回归模型，分析得到对损失率和破碎率的影响由大到小为：滚筒转速、喂入量、脱粒间隙。

(3)田间试验表明，对于种子含水率18.39%～24.25%、茎秆含水率40.12%～44.38%、谷草比0.3～0.6的大白菜种子植株，弹性短纹杆-板齿组合式大白菜种子脱粒装置的最佳结构和工作参数组合为：滚筒转速726 r/min、脱粒间隙22.3 mm、喂入量1.73 kg/s，此时种子损失率为0.68%，破碎率为0.39%。通过与常规脱粒装置对比试验，发现弹性短纹杆-板齿组合式脱粒装置的种子破碎率降低了48.7%，能够有效提高脱粒质量。