切流横轴流玉米脱粒系统设计及试验研究

发布时间：2020-07-01 18:13

【摘要】：在一年两熟的黄淮海玉米生产区,含水率高破碎率高是玉米籽粒收获机械化技术发展的重要制约因素。解决这一问题的技术途径分两个方面,其一在育种方面,培育适宜机械化籽粒收获的早熟及快速脱水的品种。其二在玉米收获机械方面,研发适合本区域籽粒直收的玉米收获机械化技术装备。截止2017年黄淮海地区横轴流换割台小麦收获机的保有量在97%以上,如果基于横轴流小麦收获机的脱粒系统架构研发玉米籽粒收获机的脱粒系统,再逆向改进小麦机,将对本区域的收获技术装备产生良好的经济效益。本课题从玉米物料特性和脱粒技术装备两方面着手,分析了国内外相关研究和低损伤收获技术,采用理论分析、仿真模拟和试验验证相结合的方式,开展了玉米生物力学与摩擦学特性试验分析,脱粒动力学与物料分离运动规律研究,建立了一种新型切流横轴流玉米脱粒系统,通过室内试验和田间试验对低损伤玉米籽粒收获开展研究,为玉米机械化低损伤籽粒收获提供了技术基础。本文的主要研究内容如下:1.选择代表性的粒收获对照品种进行了玉米籽粒物料特性试验,分析了含水率与籽粒的几何尺寸、体积、千粒重密度和力学特性的变化规律与函数方程。设计了摩擦学特性综合测试装置,通过试验测试,分析了玉米籽粒含水率对静摩擦系数、滚动摩擦系数、滑动摩擦系数、碰撞恢复系数和堆积休止角的影响关系,总结了这些特性参数的变化规律,并得出了常用含水率范围下,摩擦学特性参数的范围,为离散元数值模拟提供了基础数据。并提出了籽粒等效压力的测算方法,为籽粒不同部位的受力损伤提供了统一折算比较的标准方法。提出了玉米品种籽粒机收适应性评价模式及建模方法,为多因素影响下不同品种籽粒机收适应性评价提供了科学依据。结合籽粒受压测试试验,建立玉米籽粒模型,采用有限元软件,模拟了玉米籽粒在挤压过程中的应力、应变和内部损伤的变化规律等。2.参考国内外玉米收获脱粒试验技术方法,建立了一种新型的柱齿板齿混排滚筒的切流横轴流玉米脱粒系统及试验平台,采用柱齿板齿混排结构的横轴流滚筒、螺旋柱齿结构的切流滚筒、栅格式高强度凹板筛、带导草板的脱粒室上盖和多功能可调节的上料装置。脱粒系统整体结构模块化设计,可根据需要更换脱粒滚筒等关键零部件或调整技术参数,以便兼顾开展多种谷物脱粒试验研究。为检验试验台机械结构设计的合理性和可靠性,采用ADAMS有限元软件,对切流和轴流滚筒做了动平衡数值模拟,并结合动平衡试验进行了验证;采用ANSYS软件分别对脱粒滚筒、滚筒轴和机架的动力学特性进行了模态分析、强度校核或疲劳分析,验证了机械设计的安全性和结构稳定性,为进行脱粒试验提供了可靠的试验基础条件。3.在玉米脱粒试验的基础上,研究了切流横轴流系统物料脱粒分离过程的数学模型、分析了脱粒元件与籽粒的接触碰撞及籽粒遭受脱粒打击时损伤的临界状态;分析了柱齿和板齿脱粒元件与籽粒接触的脱粒动力学过程;采用离散元仿真和高速摄影技术分析验证了脱粒分离过程物料的运动规律,通过对脱粒系统多种工作状态的分析建模和相关阻力系数的求解推导,阐明了脱粒系统/脱粒滚筒运行不平稳的根本原理,为脱粒系统优化设计和提高脱粒作业质量提供了技术方法。4.切流横轴流系统脱粒试验表明,柱齿板齿混排结构的横轴流滚筒采用“脱粒、筛分和排杂”三段式结构设计可以优化玉米脱粒过程,补偿横轴流机型脱粒行程短的问题。试验表明切流滚筒的脱粒物质量占比随着含水率的增加而有所减弱,含水率在28%以下,切流滚筒与横轴流滚筒脱粒筛分段的脱粒物质量占比几乎相当;当含水率高于28%,切流滚筒的脱粒物质量占比下降明显,在较高含水率玉米籽粒收获时可以通过调控切流和横轴流的脱粒质量占比来充分发挥脱粒系统的脱粒能力。在优化切流-横轴流机型脱粒系统结构设计时,要切流、横轴流并重,才能有效降低破碎率,提高收获作业质量。5.混排滚筒的切流横轴流脱粒系统脱粒试验表明,滚筒线速度和含水率是影响脱粒破碎率的最关键因素,其次是喂入量和脱粒间隙,试验得出的最佳脱粒参数组合为:横轴流滚筒线速度5.84~17.28 m/s,含水率24%~26%,喂入量2.6~3.0 kg/s,脱粒间隙34~36 mm。同等条件下,柱齿板齿混排结构滚筒的脱粒系统对含水率在28%以上玉米果穗的脱粒能力和适应性要高于传统全柱齿滚筒结构的脱粒系统。在满足国标规定的籽粒破碎率方面,柱齿板齿混排滚筒比传统全柱齿滚筒有着更为宽广的含水率适用范围和线速度适用范围。6.针对玉米籽粒的离散元建模,提出了基于三维扫描玉米籽粒,再抽壳填充的高效精确建模方法,相对于常规方式的颗粒坐标建模,不仅大幅提高了计算效率,而且试验误差与实际玉米堆积角试验相比仅为4.45%,为不规则农作物物料离散元仿真提供了一种高效、精确建模方法。7.采用高速摄影技术观测脱粒室内物料运动过程,对籽粒、碎轴芯的运动姿态、规律和承受打击加速分离过程有了更深刻的直观认识,对物料运动的理论建模分析和物料运动离散元模拟进行了较好的印证,为脱粒系统优化设计提供了技术方法。8.田间籽粒收获试验验证了柱齿板齿混排滚筒的横轴流脱粒系统机收破碎率指标和最优组合结果的合理性,在大幅度增加喂入量的情况下,籽粒破碎率最高3.9%,含杂率最高0.7%,表明了该脱粒系统不仅性能较好,还具备一定的技术潜力。多品种机收试验表明了该系统对其他籽粒直收品种的适应性较好,在相同机收条件下,三个品种测试的平均破碎率、含杂率分别比传统脱粒系统降低了40.5%、33.1%,表明了本课题设计柱齿板齿混排滚筒的横轴流脱粒系统比传统的全柱齿脱粒系统具有明显的技术优势。
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S225.51
【图文】：

图1.1 CASEAFX 型单纵轴流系统（CASE 供图） CASE AFX single longitudinal axial flowdrum (courtesy o粒分离系统纵轴流滚筒并排设计，相向转动，如图 1.2 所示。这种型有四平 E818 型收获机等，双纵轴流脱粒分离系统的动，通过凹板筛分离出来的物料大致呈对称分布，避免系统的有效分离面积，使清选系统的作业能力最大限度单滚筒的，每个滚筒的工作负荷降低一半，因此分离效脱粒凹板筛分凹板

排杂筛板清选筛图1.2 双纵轴流脱粒分离系统Fig.1.2 Double longitudinal axial flow drum threshing separation structure3）切流+纵轴流脱粒分离系统切流+纵轴流滚粒分离系统的典型产品有 John Deere 的 STS 子弹型纵轴流滚筒（BulletRotorTM），滚筒直径 750 mm，长度 3130 mm，滚筒转速 200～1 000 r/min，如图 1.3 所示。可以适应比较潮湿、浓密作物的收获。该纵轴流滚筒结构特点是滚筒前端的喂入螺旋叶片与后段的脱粒纹杆块分离齿板直径一致。直径逐渐变大的脱粒分离室，可以降低作业时的动力消耗。系统在工作时，前置切流滚筒将从过桥喂入的物料脱粒、加速运转，物料进入纵轴滚筒后，螺旋叶片将物料层迅速拉进分离室，快速旋转将物料层均匀拉薄，便于籽粒的脱粒分离。滚筒后段与脱粒室间隙加大

本文编号：2737107