脱粒是水稻联合收获过程中至关重要的一个环节。水稻穗头各部分间连接力的大小不仅与水稻的收获损失以及功率大小有关, 也对脱粒后谷粒的带柄率有很大的影响, 而籽粒与粒柄之间的连接力则直接影响脱粒难易程度。国内外学者对于水稻的力学特性和脱粒特性做了一定的研究。肖林桦^[1]对水稻籽粒和粒柄的抗拉强度进行了研究, 测定了我国籼、粳、糯、杂交4类水稻十余个品种的籽粒和粒柄间的抗拉强度, 并分析了籽粒抗拉强度与机器各部损失的关系; 谢方平等^[2]和任述光等^[3]对南方几种常见水稻品种的粒穗分离力进行了测试, 研究了不同品种、不同收获期、含水率和不同分枝部位对水稻谷柄连接力的影响。李耀明等^[4]和王显仁等^[5]研究了受力方向对连接力的影响, 发现受力方向与谷柄夹角为0°时最大。杨立等^[6]对北方寒地水稻粒穗连接力进行了测定与分析, 建立了含水率与连接力之间的关系模型, 为确定最佳脱粒时间和设计脱粒滚筒提供了依据。市川友彦等^[7]用新研制的2种水稻脱粒性能试验装置, 测定了多种水稻品种的籽粒与粒柄之间的抗拉强度以及在弯曲和扭转状态下的抗拉强度, 分析了具有不同抗拉强度品种的脱粒率及其对于未脱尽率和断穗率的影响。川村恒夫等^[8]测定了以低、高2种牵引速度对多种水稻品种籽粒抗拉力的影响, 并测定了在低速和高速牵引时籽粒含水量对脱下籽粒所需力的影响。以上研究都说明水稻籽粒连接力与脱粒性能存在密切关系, 但对籽粒连接力与脱粒齿线速度的内在数学关系未有触及^[9-14]。

近年来, 随着生物技术对品种的不断改良, 水稻生物特性和物理特性发生了较大变化, 使得单株穗头上能承受更大的重力^[15]。传统的脱粒装置在收获高产水稻时存在脱粒不尽、脱粒能力不足的问题, 目前主要靠增加滚筒长度和提高滚筒转速的方法解决, 有一定的局限性^[16-17]。本文在水稻籽粒连接力测定和分布频谱研究的基础上, 建立籽粒平均连接力与脱粒滚筒齿顶线速度和滚筒转速的数学模型, 并以此为依据开发了差速脱粒装置, 从而为提升联合收割机脱粒性能提供了新的思路和理论依据。

1 水稻籽粒连接力及分布频谱 1.1 籽粒连接力的测定

选择浙江省广泛种植的超级稻品种甬优12号 (籼粳结合稻)、甬优9号 (籼稻)、嘉优2号 (粳稻)、甬优11号 (糯稻), 进行籽粒与粒柄间连接力的测定。运用5点采样法采样, 保证区组间差异最小, 即在田间的1块矩形区域内, 在4个角采3~5株, 对角线交点处采3~5株。试验仪器包括CMT6104型微机控制电子万能试验机 (传感器精度0.001 N)、CRT-800ET型水分测试仪 (精度±0.5%)、DGC-9070B型电热恒温鼓风干燥箱 (精度±1 ℃)、HX2002T型电子天平 (精度0.01 g) 等。由于籽粒成熟度不一, 因此同一穗上各个部位的连接力不同, 且随机性很大, 每个品种测定3穗，并按其生长部位标出连接力, 以甬优12号为例 (图 1)。取每个品种有代表性的一穗计算籽粒连接力的平均值、标准差和变异系数, 结果如表 1。

由表 1表明, 4个品种水稻籽粒平均连接力均超过1 N, 嘉优2号籽粒连接力比甬优系列大。用变异系数分析离散程度以消除测量尺度和量纲的影响, 可以看出, 甬优12号水稻籽粒连接力变异系数最大, 说明该品种籽粒连接力比其他品种更加离散。

1.2 籽粒连接力分布频谱

对每个品种的所有数据以0.5 N的频段进行统计, 得到籽粒连接力分布频谱图 (图 2)。从图 2可以看出, 同一稻穗上不同籽粒的连接力不同, 各个品种之间籽粒连接力的分布范围有所差异。籼稻甬优12号连接力小的籽粒的比例到连接力大的籽粒所占百分比呈直线下降变化, 说明同一穗上的连接力分布很不均匀, 嘉优2号的籽粒连接力变化最小, 甬优9号和甬优11号位于两者之间。

由籽粒连接力分布频谱可知, 同一穗上籽粒连接力变化较大, 连接力小的籽粒占大部分, 应以不同的线速度进行脱粒, 可以用低速脱下占大部分连接力小的籽粒, 用高速脱下占小部分连接力大的籽粒, 这样既保证作业性能又节能。除甬优9号外, 其他3个品种的标准差和变异系数较大, 但甬优9号的分布带很宽 (0.5~4.5 N), 可是其平均值分布并不宽 (1.15~2.15 N), 有利于脱粒滚筒转速的选择。

2 籽粒连接力与齿顶线速度、滚筒转速的数学模型 2.1 脱粒系数计算

脱粒的难易程度通常用脱下1颗籽粒所需的功来表示, 籽粒与粒柄连接力大小决定了脱粒所需功的大小。令脱粒系数C为脱粒功耗W与籽粒水平连接力f之比, 即

$C=W/\bar{f}$

(1)

以梳刷方式脱下1粒水稻籽粒所耗功W=40~130 g·cm, 将脱下1粒水稻籽粒所耗功W的2个边界值和4个水稻品种的籽粒平均连接力f代入式 (1), 可求得4个水稻品种脱粒系数C的2个边界值, 如表 2所示。

2.2 数学模型构建

联合收割机的核心部件是脱粒滚筒, 常见的水稻联合收割机脱粒滚筒有杆齿式、弓齿式和纹杆式等。在南方, 全喂入联合收获机普遍使用杆齿式脱粒滚筒, 而半喂入联合收获机普遍使用弓齿式脱粒滚筒。本文以杆齿式滚筒和弓齿式滚筒为例, 建立籽粒平均连接力与滚筒齿顶线速度和滚筒转速的数学计算模型。

令弓齿滚筒脱粒所需线速度的最低值与杆齿滚筒脱粒所需线速度的最低值相除, 弓齿滚筒脱粒所需线速度的最高值与杆齿滚筒脱粒所需线速度的最高值相除, 记为速度比λ, 即:

$\lambda ={{v}_{弓}}/{{v}_{杆}}。$

(2)

根据已有文献和手册资料, 籼稻脱粒所需线速度:杆齿滚筒v_杆=15~19 m/s, 弓齿滚筒v_弓=6~8 m/s; 粳稻、糯稻脱粒所需滚筒齿顶线速度:杆齿滚筒为v_杆=20~24 m/s, 弓齿滚筒v_弓=10~12 m/s。将以上数据代入式 (2) 可得:脱籼稻λ=0.4~0.42, 脱粳稻、糯稻λ=0.5, 以上λ值均接近0.5, 为简化计算, 取弓齿滚筒脱粒所需线速度与杆齿滚筒脱粒所需线速度的速度比λ=0.5。

$v=\frac{\lambda }{\left( 1+\varepsilon \right)\cos \alpha }\sqrt{\frac{2W}{m}}<{{v}_{k}}。$

(3)

式 (3) 中: v为脱粒滚筒脱下1颗水稻籽粒所需线速度，cm/s；λ为弓齿线速度与杆齿线速度之比, 杆齿滚筒脱粒取λ=1, 弓齿滚筒脱粒取λ=0.5；ε为籽粒受杆齿打击表膜的回复系数 (含水率为15%时, ε=0.2;含水率 < 15%时, ε=0.1;收获时水稻籽粒含水率一般为20%~24%, 取ε=0.25)；α为滚筒转动时, 杆齿的速度方向与籽粒轴所成的角度 (°), 取平均值α, 有$\cos \bar{\alpha }=\frac{2}{\pi }\int_{0}^{\pi /2}{\cos \bar{\alpha }\ d\alpha }=0.64$。m为籽粒质量, g·s²/cm, 取水稻籽粒质量m=31.5×10^-6g·s²/cm；v_k为杆齿或弓齿破损谷粒时的临界速度, m/s；v_k≈1.3v。

根据式 (1):C=W/f, 将W以C·f取代, 并将有关数据代入式 (3), 可得求解弓齿滚筒齿顶线速度数学计算模型:

$\begin{align} &\ \ \ \ \ \ \ \ \ {{v}_{弓}}=\frac{0.5}{\left( 1+0.25 \right)\times 0.64}\sqrt{\frac{2C\cdot \bar{f}}{31.5\times {{10}^{-6}}}}= \\ &157\sqrt{C\cdot \bar{f}}. \\ \end{align}$

(4)

式 (4) 中v_弓为弓齿滚筒齿顶线速度，cm/s。

同理可得, 弓齿滚筒转速数学计算模型:

${{n}_{弓}}=\frac{30{{v}_{弓}}}{\pi R}=4710\sqrt{C\cdot \bar{f}}/\pi R。$

(5)

式 (5) 中n_弓为弓齿滚筒转速，r/min。

杆齿滚筒齿顶线速度数学计算模型:

${{v}_{杆}}=2{{v}_{g}}=314\sqrt{C\cdot \bar{f}}。$

(6)

式 (6) 中v_杆为杆齿滚筒齿顶线速度, cm/s。

杆齿滚筒转速数学计算模型:

${{n}_{杆}}=\frac{30{{v}_{杆}}}{\pi R}=9420\sqrt{C\cdot \bar{f}}/\pi R。$

(7)

式 (7) 中n_杆为杆齿滚筒转速，r/min。

2.3 不同类型滚筒齿顶线速度及转速的计算

针对半喂入联合收获机普遍使用的弓齿式脱粒滚筒, 用籽粒连接力最小的甬优9号C值区间的最小值代入求得最小速度v_弓1, 用籽粒连接力最大的嘉优2号C值区间的最大值代入求得最大线速度v_弓2, 则有:

$\begin{align} &\ \ \ \ \ \ \ \ {{v}_{弓1}}=157\sqrt{0.34\times 117.3}=991\ \text{cm/s=9}\text{.91}\ \\ &\text{m/s;} \\ &\ \ \ \ \ \ \ {{v}_{弓2}}=157\sqrt{0.59\times 219.36}=1786\ \text{cm/s=} \\ &\text{17}\text{.86}\ \text{m/s}\text{。} \\ \end{align}$

当筒体直径d=400 mm、弓齿高度h=75 mm、滚筒齿顶外径D=550 mm、线速度计算半径R=237.5 mm的时候, 根据水稻籽粒平均连接力f和C值代入式 (5), 可求出转速。以代表最小连接力的品种甬优9号籽粒连接力数据可求得弓齿滚筒最低转速n_弓1, 以代表最大连接力的品种嘉优2号籽粒连接力脱粒系数数据可求得弓齿滚筒最大转速n_弓2。即:

$\begin{align} &{{n}_{弓1}}=\frac{30{{v}_{弓1}}}{\pi R}=4710\sqrt{C\cdot \bar{f}}/\pi R\approx 400\ \text{r/min;} \\ &{{\text{n}}_{弓2}}=\frac{30{{v}_{弓2}}}{\pi R}=4710\sqrt{C\cdot \bar{f}}/\pi R\approx 720\ \text{r/min}\text{。} \\ \end{align}$

可见, 针对弓齿式脱粒滚筒, 当滚筒筒体直径d=400 mm、弓齿高度h=75 mm、滚筒齿顶外径D=550 mm时，转速可在n=400~720 r/min之间选择, 能满足常见水稻品种脱粒性能的要求。

同理, 针对杆齿式脱粒滚筒, 当滚筒筒体直径d=400 mm、弓齿高度h=75 mm、滚筒齿顶外径D=550 mm时, 根据水稻籽粒平均连接力f和C值区间的最小值代入式 (7), 可求出杆齿滚筒转速。以代表最小连接力的品种甬优9号籽粒连接力和脱粒系数数据, 可求得杆齿式脱粒滚筒最低转速n_杆1, 以代表最大连接力的品种嘉优2号籽粒连接力脱粒系数数据可求得杆齿滚筒最大转速n_杆2。即:

$\begin{align} &{{n}_{杆1}}=\frac{30{{v}_{d1}}}{\pi R}=9420\sqrt{C\cdot \bar{f}}/\pi R\approx 800\ \text{r/min;} \\ &{{\text{n}}_{杆2}}=\frac{30{{v}_{d2}}}{\pi R}=9420\sqrt{C\cdot \bar{f}}/\pi R\approx 1440\ \text{r/min}\text{。} \\ \end{align}$

可见, 针对杆齿式脱粒滚筒, 转速可在n=800~1 440 r/min之间选择, 能满足常见水稻品种脱粒性能的要求。

3 差速脱粒装置设计与试验 3.1 弓齿式差速脱粒滚筒设计与脱粒试验

弓齿式差速脱粒滚筒如图 3所示, 脱粒滚筒直径为550 mm, 脱粒滚筒总长为1 000 mm, 低速滚筒段占滚筒总长2/3, 即667 mm, 高速滚筒长度为333 mm。根据2.3节的计算结果, 参考设计手册, 确定低速滚筒齿顶线速度v₁=13 m/s, 高速滚筒齿顶线速度v₂=18 m/s, 可求得低速滚筒转速n₁=480 r/min, 高速滚筒转速n₂=650 r/min。

为验证弓齿式差速脱粒装置的脱粒性能, 在分别安装有弓齿式差速滚筒和弓齿式单速滚筒的2种半喂入联合收获机上进行脱粒比对试验。在比对试验中采用的弓齿式单速脱粒滚筒长度、外径和弓齿排列方式与弓齿式差速滚筒相同, 弓齿式单速滚筒转速n=520 r/min, 齿顶线速度v=14.3 m/s。试验时, 水稻由人工喂入, 脱粒后, 脱出混合物落入栅格凹板下的接料斗, 接料斗共40个, 每个面积10 cm×12 cm。试验水稻品种为“甬优12”, 作物主要特性参数为籽粒含水量26.7%, 茎叶含水量64.4%, 草谷比2.13:1, 平均产量11 950 kg/hm²。根据每个接料斗中的脱出物质量, 分别绘制弓齿式差速脱粒装置和弓齿式单速装置的脱出物分布三维图 (图 4、图 5)。

根据比对试验中脱出物分布情况可知, 脱粒滚筒前部是脱出物最多的部位, 在脱粒滚筒前部, 由于单速滚筒转速比差速滚筒转速高 (差速滚筒低速段), 脱出物在单速滚筒前端积聚情况较明显, 积聚的脱出物掉落到振动筛上会造成清选负荷不均；然而，差速滚筒脱出物在轴向和径向方向上的分布比单速滚筒均匀, 有利于后续清选作业。

对2种脱粒装置的脱出物成分进行测定, 结果如表 3。差速滚筒在高速段 (后1/3段) 产生的碎茎叶较多, 并使差速滚筒的杂余产生量比单速滚筒增加11.3%, 但由于碎茎叶产生于籽粒已基本脱净的脱粒滚筒后部, 故对籽粒分离和清选的影响不大。单速滚筒未脱净率为0.26%, 差速滚筒未脱净率为0.09%, 差速滚筒未脱净比单速滚筒率下降65.4%, 表明差速脱粒装置可有效降低脱不净损失。差速滚筒脱粒后回收的籽粒质量大于单速滚筒, 表明差速滚筒高速段脱粒强度大、分离彻底, 其夹带损失比单速滚筒低。

3.2 杆齿式差速脱粒滚筒设计与脱粒试验

杆齿式差速脱粒滚筒如图 6所示, 高、低速滚筒直径均为550 cm, 脱粒滚筒总工作长度 (含高、低速段) 为1 000 mm。作业时, 低速滚筒与高速滚筒以各自转速工作, 作物从低速滚筒一端切向进入，在低速时脱下大部分籽粒, 少量难脱籽粒在进入高速滚筒后脱下。高速滚筒延长段用于排草。

在分别安装有杆齿式差速滚筒和杆齿式单速滚筒的2种全喂入联合收获机上进行脱粒比对试验, 试验所用杆齿式差速滚筒和杆齿式单速滚筒直径和长度相同, 栅格凹板包角均为230°, 罩壳导向板螺旋角均为32°, 差速滚筒低速段转速取850 r/min, 高速段转速取1 050 r/min, 单速滚筒转速取850 r/min。接料斗沿滚筒轴向分为6格, 每格167 mm, 脱出物经栅格式凹板分离后全部由接料斗接取。试验水稻品种为“嘉优2号”, 作物主要特性参数为籽粒千粒质量均值26.2 g, 产量8 441 kg/hm², 草谷比1.98:1, 籽粒含水率17.4%, 茎秆含水率50.7%。试验重复3次, 并在额定喂入量 (1.8 kg/s) 下工作, 得到脱出物、杂余沿脱粒滚筒轴向的分布情况 (图 7、图 8)。

由图 7可知, 在脱粒滚筒0~334 mm段内, 单速滚筒的脱出物占75.63%, 差速滚筒脱出物占62.25%, 是差速滚筒的1.21倍。在脱粒滚筒0~667 mm段内, 差速滚筒和单速滚筒均已脱下并分离出大部分脱出物, 前者占92.18%, 后者占93.82%。差速滚筒脱出物分布曲线沿轴向变化比单速滚筒的平缓, 表明差速滚筒的脱粒负荷较为平稳, 且脱出物分布较为均匀, 有利于后续清选作业。由图 8可知, 差速滚筒杂余出现最多的地方是滚筒长度334~667 mm段内, 占40.59%, 而单速滚筒杂余出现最多的地方在滚筒长度0~334 mm段内, 占42.98%, 差速滚筒杂余峰值出现的位置比单速滚筒后移336 mm, 有利于籽粒分离。

对杆齿式差速滚筒和杆齿式单速滚筒的籽粒破碎率、含杂率和损失率进行测定, 结果如表 4所示。杆齿式差速滚筒破碎率为0.58%, 比杆齿式单速滚筒下降了43.7%;杆齿式差速滚筒总杂余量占脱出物的8.54%, 比杆齿式单速滚筒下降了30.74%;杆齿式差速滚筒脱粒后的夹带和未脱净损失率为0.78%, 比杆齿式单速滚筒下降了36.07%。杆齿式差速滚筒利用低速段脱粒降低籽粒和茎秆的破碎, 利用高速段脱粒降低脱不净损失, 其破碎率、含杂率和损失率等脱粒性能指标均低于单速滚筒。

4 结语 4.1

根据典型水稻品种的籽粒连接力测定结果及分布频谱分析可知, 同一穗上籽粒连接力变化较大, 连接力小的籽粒占大部分, 除粳稻外, 其他品种连接力标准差和变异系数较大, 而粳稻的分布带很宽, 但其平均值分布集中, 为差速脱粒技术奠定理论依据。

4.2

引入脱粒系数, 建立了籽粒平均连接力与弓齿滚筒、杆齿滚筒齿顶线速度和滚筒转速之间的数学模型, 利用数学模型求解所得的滚筒齿顶线速度和滚筒转速的取值范围符合设计规范要求, 验证了模型的准确性。

4.3

差速滚筒与单速滚筒脱粒性能比对试验结果表明:差速脱粒装置利用低速段脱粒降低了籽粒和茎秆的破碎, 利用高速段脱粒降低了脱不净损失, 其籽粒破碎率、脱出物中含杂率以及脱不净和夹带损失率等性能指标得到有效改善。