基于高速摄像技术的粳稻脱粒与分离运动轨迹及速度变化的分析*

贾昕宇 ，衣淑娟 ，张吉军 ，车 刚 ，李 洪 ，朱兴桥

（黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆 163319）

0 引言

稻谷是我国城乡居民口粮消费的主体，占口粮消费量的60%以上。我国水稻常年种植面积3 000万hm2、产量2亿t左右，我国是世界上水稻产量第一、种植面积第二大的国家[1]。水稻作为我国第一大粮食作物，在我国粮食安全中发挥着重要作用，而水稻生产在保障我国粮食安全上有着关键地位[2]。确保粮食安全的核心是口粮，口粮供给的重点是稻米，稻米供给的关键是粳稻[3]。东北是我国最大的粳稻产区，种植面积占我国粳稻总面积的一半以上，其中，黑龙江省粳稻种植面积占东北粳稻总面积的3/4以上[4]。水稻生产全程机械化是当前时代发展的必然要求，也是保障我国粮食安全的重要措施[5]。北方水稻全程机械化的发展具有非常关键的优势条件。而水稻机收率目前仍有较大的提升空间。作为收获机械的关键装置，目前的脱粒与分离装置仍存在作业效率低、功耗高、未脱净损失率高等情况[6]。因此，研究脱粒分离性能，尤其是粳稻在脱粒分离过程中的运动规律的研究对完善联合收割机的结构性能十分重要。

轴流脱分装置工作时，脱粒柔和，时间长，且滚筒中谷物流作螺旋运动，脱粒与分离谷物较充分，分离率、破碎率及脱净率等主要指标都优于切流装置[7-9]，所以对轴流脱粒装置进行脱分性能研究具有必要性。高速摄像技术能够将高速运动变化过程中的空间信息和时间信息紧密联系在一起，从而对图像进行记录，其在农业机械领域具有广泛的应用空间[10]。因此，本研究基于高速摄像技术，对钉齿式轴流脱粒与分离装置中的粳稻籽粒和断穗运动轨迹及速度变化进行分析研究，以期为完善轴流脱分装置的工作性能提供借鉴。

1 钉齿式轴流脱粒与分离装置试验台组成及原理

图1为钉齿式轴流脱粒与分离装置试验台示意图[11]。该试验台由输送皮带及其电机、过桥电机、过桥、轴流脱粒与分离装置、高速摄像系统、接料车、动力台、电源控制柜等组成。当打开电控柜的各种相应按钮后，粳稻就会由输送皮带向前推动，经喂入口进入滚筒中，此时滚筒、钉齿、顶盖和凹板就构成了本实验的脱粒与分离空间。在脱分空间中粳稻的穗头会随着滚筒的转动沿着轴向方向向前移动，在运动过程中部分籽粒就会被脱下，而没完全脱下的就会形成断穗。此过程中，高速摄像机连续拍摄籽粒和断穗的运动情况，数据监控采集系统采集相应的数据。在脱粒后产生的茎秆和断穗等轻杂物就会落到下方接料车里。

图1 钉齿式轴流脱粒与分离装置试验台示意图

2 试验设备、材料及条件

2.1 试验设备与材料

在试验过程中，主要采用的仪器设备包括钉齿式轴流脱粒与分离装置试验台、电子秤、电子天平、谷物水分测定仪、高速摄像机、电烘箱等。试验所用水稻为当地购买的粳稻丰原2号，其千粒重为24.57 g，谷草比为1∶1.18，平均长度为650 mm~850 mm，水分含量为17.2%。

2.2 拍摄参数的选择

高速摄像设备如图2所示。所用高速摄像机是由美国Vision research公司生产的型号为5.1型的高速摄像机。摄像头选用深圳光硕电子科技有限公司生产的TM牌500万像素的摄像头。在拍摄过程中拍摄频率为500 f/s（相邻两帧图片的间隔0.002 s）、分辨率为1 024×1 024像素、两侧光源（每个光源1 300 W），在进行顶面拍摄时，拍摄距离为1.16 m，在进行侧面拍摄时选取两侧光源，拍摄距离为3.16 m。

图2 高速摄像设备

2.3 试验条件

喂入量可以取0.1 kg/s、0.3 kg/s、0.5 kg/s，滚筒转速可以取500 r/min、600 r/min、700 r/min，钉齿间距为16 cm、导向板导角为45°、顶距为3 cm、凹板间隙为3 cm、凹板栅格尺寸为1.6 cm×5.0 cm、凹板包角为180°。

3 粳稻在轴流脱粒装置内的高速摄像运动

在喂入量为0.1 kg/s、滚筒转速为600 r/min，其他条件不变的情况下进行高速摄像脱粒观察试验。对高速摄像系统采集到的粳稻进行慢放并随机截取若干幅运动图。图3为一株典型粳稻的脱粒过程，截取六幅运动图，由图可见，外部进入的粳稻在滚筒脱粒区域内，将在绕滚筒旋转的同时向前不断涌动，旋转的角度主要受到前一次板齿对粳稻的冲击力、冲击作用的位置及粳稻之间的连带程度等因素的影响。稻穗与钉齿发生碰撞是在其绕滚筒向前旋转运动中发生的。各图像中的籽粒和断穗的位置产生由右下方向左上方运动变化的趋势。其中，籽粒1位置发生变化，籽粒2、3位置变化较明显，断穗4的位置也产生较明显变化。

图3 高速摄像采集的粳稻六幅运动图像

利用相应配套的Midas软件对高速摄像系统采集的视频文件进行分析处理，将获得的数据利用Excel软件处理得到粳稻自由籽粒和断穗的运动轨迹图和速度图。

3.1 1号籽粒运动轨迹及速度变化

图4为1号籽粒的运动轨迹和速度图，此籽粒即为图3中的籽粒1。由图4（a）轨迹图可知，籽粒运动轨迹基本为斜直线，且与轴线方向的夹角α= 44.5°。该籽粒开始运动时切向始位移（约500 mm）比轴向始位移（约50 mm）大，但随着运动时间的变化，轴向位移渐增大，切向位移逐渐减小。

图4（b）描述的是1号籽粒切线分速度Vt、轴线分速度Vz以及合速度V1随时间变化的曲线图。由图可知，Vz为正值，Vt为负值。在开始时Vz与Vt的绝对值大小近似相等，Vz是构成合速度V1的主要因素。随着时间的增加Vz变化比较平稳，而Vt略有递增及递减的波动变化，因为Vz是影响合速度变化的主导因素，说明籽粒以沿滚筒轴线方向运动为主。

图4 1号籽粒的运动轨迹图和速度图

3.2 2号籽粒运动轨迹及速度变化

图5为2号籽粒的运动轨迹图和速度图，该籽粒即为图3中的籽粒2。由图5（a）轨迹图可见，该籽粒运动轨迹为斜直线，且与轴线方向夹角α=41.6°，运动方向由右下方向左上方运动，线性较好。该籽粒运动初始切向位移（约580 mm）大于轴向位移（约35 mm），随着籽粒的运动发展，轴向位移逐渐增大，切向位移减小。

图5 2号籽粒的运动轨迹图和速度图

图5（b）为2号自由籽粒切线分速度Vt、轴线分速度Vz及合速度V2随时间变化的曲线图。可得，开始时Vz较高，接近切向速度Vt的一倍半，因此Vz是构成合速度V2的主要因素。随着时间的增加Vz运动比较平稳，而Vt略有先增后减的变化，此阶段内籽粒沿轴线方向移动的能力大于切线方向，表明籽粒沿滚筒轴线方向移动是主要的运动。

3.3 3号籽粒运动轨迹及速度变化分析

图6为3号籽粒的运动轨迹和速度图，即图3中的籽粒3。由图6（a）可知该籽粒运动轨迹为倾斜直线，且与轴线方向夹角α=35°，该籽粒运动初始切向位移（约580 mm）大于轴向位移（约240 mm），随着运动的进行，轴向位移逐渐增大，切向位移变小。

图6（b）为3号籽粒切线方向分速度Vt、轴线方向分速度Vz及合成速度V3随时间变化的曲线。由图可见，Vt 为负值，Vz为正值。开始时Vt绝对值较高，并且波动不算大，Vz波动也不大。Vt绝对值大小约为Vz的两倍，可见Vt是构成合速度V3的主要因素。在此阶段内，籽粒沿切线方向移动能力大于轴线方向，表明该籽粒沿滚筒切线方向移动是主要的运动。

图6 3号籽粒的运动轨迹图和速度图

3.4 断穗4的运动轨迹及速度变化

图7为断穗4的运动轨迹图和速度图，即图3中的断穗4。由图7（a）可知断穗运动轨迹近似为抛物线曲线，且与轴线方向夹角α= 43.5°，断穗由右下方向左上方运动，该断穗运动初始切向位移（约300 mm）大于轴向位移（约70 mm），随着运动的进行，轴向位移逐渐增大，切向位移逐渐减小。

图7（b）为断穗的切线分速度Vt、轴线分速度Vz及合速度V4随时间变化的关系图。可见，开始时断穗切线方向的分速度Vt与轴线方向的分速度Vz基本相同，随着时间的增加Vz逐渐持续下降，而切线方向分速度Vt保持比较平稳状态，说明断穗主要沿滚筒切线方向运动，在此阶段内断穗沿切线方向移动的能力大于沿轴线方向移动的能力。因此，Vt是合成速度V4变化的主要因素。

图7 断穗4的运动轨迹图和速度图

4 结论

1）在滚筒切线与轴线所构成的平面上，粳稻籽粒的运动轨迹的投影线近似为斜直线，而断穗运动轨迹近似为抛物线曲线；籽粒和断穗运动方向都是由右下方向左上方运动，运动初始切向位移大于轴向位移，随着运动的进行，轴向位移逐渐增大，切向位移逐渐减小。

2）本试验条件下：1号自由籽粒和2号自由籽粒沿轴线方向移动的能力大于切线方向，表明籽粒沿滚筒轴线方向移动是主要的运动；3号自由籽粒和断穗4沿切线方向移动的能力大于轴线方向，表明沿滚筒切线方向移动是主要的运动。