玉米脱粒损伤机理及籽粒收获脱粒装置研究

发布时间：2020-04-01 04:21

【摘要】：玉米是我国主要的粮食作物之一,收获是其生产过程中劳动量最大的环节。玉米籽粒直收,即在田间收获时一次完成玉米摘穗、剥皮和脱粒等作业,直接获得玉米籽粒,具有省工节本,收获周期短等优点,是我国玉米收获机械化发展的必然趋势。然而,我国主产区的玉米在籽粒收获脱粒时极易产生籽粒破碎、应力裂纹等机械损伤,严重影响其品质和经济价值。因此,开展玉米脱粒损伤的研究,分析玉米机械损伤机理,研究设计应用于籽粒收获的脱粒装置,具有重要的现实意义和较高的科学研究价值。本文在此背景下,开展玉米组织力学特性测定、玉米脱粒碰撞过程及其组织的脱粒损伤有限元分析、籽粒收获脱粒装置设计和试验研究。主要工作、结果及结论如下:(1)进行玉米组织力学特性的测定及微观结构观察。将玉米籽粒视作包含角质胚乳、粉质胚乳及胚的多体系统,以万能力学试验机为核心构建了组织力学特性测定系统,得到不同品种、不同组织在不同含水率下的力-变形曲线;根据布森聂理论计算得到弹性模量、屈服极限、强度极限等参数。结果表明:玉米内部组织抗损伤能力低于外部组织,弹性模量、屈服极限及强度极限均随含水率的增加而减小。利用扫描电镜对玉米籽粒组织进行微观结构观察,结果表明:不同组织的淀粉粒致密程度差异明显,籽粒组织的力学特性与其微观结构密切相关。(2)开展玉米籽粒脱粒碰撞过程及其组织脱粒碰撞损伤的有限元模拟研究。①玉米籽粒与脱粒元件碰撞过程有限元分析。通过基于三维扫描建模技术、HyperMesh和LS-DYNA的有限元仿真,研究了籽粒与脱粒元件碰撞的动态过程,量化描述了在碰撞过程中接触力、Von mises应力和变形的关键参数动态变化。结果表明:籽粒与脱粒元件碰撞时,接触区域中心处的Von mises应力值最大,沿四周扩散并逐渐减小。在碰撞过程中,籽粒的动能与内能相互转化,同时由于籽粒和脱粒元件间的摩擦,籽粒的一部分动能转换为界面滑移能。玉米籽粒损伤产生在碰撞中阶段,损伤区域可能为接触的应力集中区域。仿真中沙漏能最大时仅占总能量的4.67%,验证了有限元模型的可靠性。②玉米籽粒组织脱粒碰撞损伤的有限元分析。在量化整体籽粒碰撞情况的基础上,通过图像处理技术构建了玉米籽粒不同组织切片的非均匀有理样条曲线(NURBS),进一步利用基于CAD放样的逆向工程技术建立了包含角质胚乳、粉质胚乳和胚的籽粒多体三维模型。利用该多体模型,借助基于HyperMesh和LS-DYNA的籽粒碰撞有限元分析,研究了不同碰撞速度(10、12、14、16、18 m/s)下不同玉米组织的脱粒损伤动态过程,量化在不同因素水平下碰撞过程中各组织的接触力、Von mises应力和变形的变化。以Von mises准则为临界状态条件,建立了玉米与脱粒元件碰撞时,不同组织的损伤的临界速度公式。结果表明:基于图像和非均匀有理样条的放样重建技术建立的玉米籽粒模型具有较高的精度,基于该模型的脱粒损伤有限元分析能够对玉米组织脱粒损伤进行预测。玉米脱粒时,裂纹首先在粉质胚乳中产生,随着载荷加大损伤发展到角质胚乳,最后损伤的组织为胚。通过建立线性回归模型,得到角质胚乳、粉质胚乳和胚的损伤临界速度在含水率11.78%时分别为13.58、9.66和17.23 m/s,在含水率17.64%时分别为 15.92、11.29 和 18.44m/s,在含水率 23.45%时分别为 19.50、13.80 和21.52m/s,在含水率29.31%时分别为21.64、14.37和22.74m/s,在含水率34.73%时分别为 23.98、16.72 和 24.40 m/s。(3)研制玉米籽粒收获脱粒装置,开展台架试验研究。①在组织力学特性测定和有限元仿真的基础上,提出了用于玉米籽粒收获的脱粒装置方案,对关键部件进行了结构和参数设计。利用UGNX 8.5软件绘制了试验台的三维模型、利用CAD软件绘制了关键部件,并试制了试验台。②以滚筒转速、凹板间隙、喂入量和籽粒含水率为影响因素,以破碎率、损失率和脱净率为指标,利用设计制造的试验台进行脱粒试验。根据试验结果建立了各响应的回归模型,分析了各因素对指标的影响。通过多目标优化,得到因子最优参数组合为:滚筒转速为362 r/min,凹板间隙为45 mm,喂入量为7kg/s,含水率为20.75%,此时对应的指标分别为破碎率2.21%,损失率0.61%,脱净率100%。对多目标优化结果进行了试验验证,试验值与理论优化值的相对误差在可以接受的范围内,验证了模型的可靠性。本研究不但为玉米籽粒收获的脱粒工序提供了新的方法和装置,而且对于提高我国玉米籽粒收获收获机械关键技术研究水平具有重要的参考价值。
【图文】：

玉米籽粒,粉质胚乳,胚乳

设计新型玉米脱粒装置的数据基础。逡逑织结构与玉米类型简介逡逑织结构简介逡逑物学上的颖果，主要由种皮、胚乳及胚三部分构角质胚乳和粉质胚乳，各姐织之间存在明显的分界。明，厚度仅约３丨．７邋ｐｍ［５５］，主要起到保护种子，米籽粒储存能量的场所，主要由淀粉构成，此外层为一层单细胞，由于该层细胞充满含有蛋白质的层包裹，有角质胚乳和粉质胚乳的区别，在外观上，胚乳不透明，颗粒结构松散；在组成上，角质胚蛋白质含量高于粉质胚乳。胚位于籽粒的内部，损伤后玉米发芽率降低。逡逑

组织力学,特性试验,玉米,测试系统

密仪器仪表有限公司），，量程３００ｇ，精度Ｏ．Ｏｌｇ；邋ＧＺＸ－９１４０ＭＥ热风烘箱（上海博讯仪器逡逑公司）；电子数显游标卡尺、量程１５０ｍｍ，精度０．０１邋ｍｍ邋（上海三丰精密量仪有限公司）。逡逑玉米组织力学特性测定系统如图２－２所示，该系统主要是配有圆柱平头探针和计算机逡逑的万能力学特性试验机。圆柱平头探针底面的直径为１邋ｍｍ［６１］，万能力学特性试验机为逡逑Ｉｎｓｔｒｏｎ邋５５４３万能力学特性试验机（英斯特朗上海试验设备贸易有限公司），量程５００邋Ｎ，逡逑力传感器精度０．０００１邋Ｎ，位移传感器精度０．０００１邋ｍｍ，可调整加载速度范围０？５００邋ｍｍ／ｍｉｎ。逡逑如图２－２．所示，玉米组织力学特性测定系统的测试部分主要由三爪卡盘、加载单元、逡逑圆柱平头探针、底座、载物台构成。试验开始前，将玉米组织样品固定在载物台上，在计逡逑算机控制软件中粗调探针与籽粒间的距离，在探针与籽粒组织未接触时开始试验。试验过逡逑程中，加载单元夹持着探针以预定速度对组织进行加载，力传感器和位移传感器各自反馈逡逑相应的信息。完成一次试验后
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S225.51

【参考文献】