發布時間：2020-03-09所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 為了明確玉米梳脫摘穗過程中的果穗受力特征，對梳齒桿與果穗的作用環節進行了力學分析，基 于 能量平衡理論得知果穗的彈性勢能同籽粒與梳齒桿運動的相對速度有關，并對梳齒桿沿碰撞方向的運動速度進行了分析。借助高速攝影手段對摘穗過程進行分析，得
摘 要: 為了明確玉米梳脫摘穗過程中的果穗受力特征，對梳齒桿與果穗的作用環節進行了力學分析，基 于 能量平衡理論得知果穗的彈性勢能同籽粒與梳齒桿運動的相對速度有關，并對梳齒桿沿碰撞方向的運動速度進行了分析。借助高速攝影手段對摘穗過程進行分析，得到梳齒桿摘穗的主要作用形式為沖擊、梳 刷、折 斷。通 過 梳齒桿與果穗作用的簡化力學分析，明確了果穗在不同摘穗形式下的摘穗特點。沖擊摘穗作用形式下依靠沖擊力將果穗摘落，梳刷摘穗下果穗分離的主要作用力為拉引力，折斷摘穗主要依靠果柄折斷實現果穗分離。研 究 可為我國不分行玉米收獲機的設計及理論分析提供參考。
關鍵詞: 玉米收獲; 梳脫摘穗; 受力分析; 高速攝影
0 引言
玉米是我國三大糧食作物之一，推進玉米生產機械化對于保障糧食安全、促進農民增收具有重大意義[1]。收獲作為玉米生產過程中的最后一個環節，在玉米生產過程中占有重要地位。玉米收獲處于“三秋”時節，勞動強度大，需要占用大量勞力，發展玉米收獲機械化是農業生產的必然[2]。
由于我國玉米種植區域大，種植模式多種多樣，種植行距不統一，行距范圍為 300 ～ 800mm[3 -4]。種植模式和種植行距的不統一，造成了不對行收獲的問題，增加了玉米收獲的難度[5]。
我國現有玉米收獲機輥式割臺和板式割臺行距固定，收獲玉米時需要對行收獲。由于種植模式和種植行距的不統一，玉米收獲機可能將植株推倒，造成損失[6]。
與現有摘穗機構擠拉莖稈實現摘穗的原理不同，梳脫式摘穗機構模擬人手摘穗，梳齒之間的間隙小于果穗大端的直徑，大于莖稈的直徑。工作時，依靠梳齒桿對植株進行梳刷，當觸碰到果穗大端時，將果穗摘下[7]。
為了研究梳脫摘穗機構對果穗的沖擊作用，明確梳脫摘穗機構對果穗作用的力學特征和運動情況，分別開展了力學分析和高速攝影試驗研究，旨在為梳脫摘穗機構的改進設計提供參考。
1 整體結構與工作原理
1.1 整體結構
梳脫式玉米摘穗機主要由梳齒桿、梳 齒 桿 安 裝座、梳脫滾筒、膠套、滾筒軸等部件組成，如圖 1 所示。梳齒桿通過螺栓插裝在梳齒桿安裝座里，梳齒桿安裝座通過螺栓與梳脫滾筒連接。梳齒桿外側包有膠套，以減小梳齒桿對果穗的碰撞損傷。
1.2 工作原理
在傳動軸上安裝有若干梳脫摘穗機構單體，通過調節梳脫摘穗機構單體之間的距離，來提高收獲玉米的行距適應性。工作時，梳脫摘穗機構在機器的帶動下前進，依靠機器提供的動力，與機器前進方向滾動逆向旋轉; 相鄰兩梳齒桿的間隙大于莖稈直徑，小于果穗大端直徑，果穗在旋轉的梳齒桿觸碰下被摘落，并向后輸送。玉米梳脫摘穗機構可按照種植行距調節單體距離，具有較高的行距適應性，且摘穗過程對莖稈擠壓程度較小，減少了摘穗時的功率消耗。
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2 梳脫摘穗過程分析
2.1 梳脫摘穗過程力學分析
梳脫摘穗過程為梳齒桿對果穗的碰撞過程，果穗在梳齒桿沖擊、牽拉等作用下被摘落，受力如圖 2 所示。所受沖擊力 F 的分力 F1沿果柄方向將果柄拉伸， F2使果柄彎折。
3 高速攝影試驗
3.1 試驗材料與設備
采用山東岱農農業科技有限公司農場種植的岱單 6641 作為試驗植株，材料采集時間為 2017 年 10 月。試樣從玉米植株根上第 1 節整體切斷，要求莖稈通直、果穗無下垂，試驗樣品的籽粒含水率為28.66%。
試驗在自制的試驗臺架上進行，如圖 6 所示。梳脫滾筒由 7.5kW 功率的變頻調速電機 YVF132M-4 帶動，利用自制的夾具完成植株的固定，夾具通過螺栓連接在運輸小車上。為了便于拍攝梳脫摘穗元件對果穗的作用過程，在護罩的側板上開有拍攝窗口。
3.2 試驗方法
植株由夾具固定在輸送小車上，沿軌道喂入到梳脫摘穗機構。梳脫摘穗機構的工作參數按照前期試驗中摘穗效果較好的參數匹配，梳脫滾筒轉速選擇 140 ～ 200r / min，前進速度為 1.02m / s，梳脫滾筒軸位于果穗大端下方 100mm。果穗摘落過程主要位于梳脫摘穗機構前部，因此重點拍攝摘穗機構前部梳齒桿與果穗的碰撞接觸情況。
3.3 結果與分析
果穗的摘落情況與果穗和梳齒桿的接觸位置、梳脫滾筒轉動速度及植株的力學特性等因素有關。對摘穗過程圖像進行分析，果穗的摘落形式可分為沖擊摘穗、梳刷摘穗及折斷摘穗 3 種。沖擊摘穗是指依靠旋轉梳齒桿的沖擊作用破壞果穗與果柄的連接力，果穗脫離的位置位于果柄與果穗的連接處; 梳刷摘穗是指梳齒桿與果穗碰撞接觸后梳齒桿挾持果穗運動，果穗在梳齒桿拉引力的作用下摘落，果穗與莖稈的分離的位置為果柄與果穗的連接處; 折斷摘穗是指梳脫摘穗機構將果柄從莖稈上“掰斷”，果穗與莖稈分離位置處于果柄與莖稈的連接位置。
3.3.1 沖擊摘穗
梳齒桿與果穗的作用過程可以分為碰撞和分離階段，如圖 7 所示。
碰撞階段如圖 7( a) 所示，梳齒桿運動到果穗大端的下方。由前述分析可知: 梳齒桿運動的相對速度與梳齒桿同果穗的接觸位置( 即 α 角) 、轉動角速度 ω 有關，因此靠近梳齒桿尖端的位置及較大的運動速度都會使摘穗前梳齒桿沿碰撞方向的相對速度較大。運動速度較高的梳齒桿與果穗大端發生碰撞，忽略碰撞過程重力、摩擦力等作用的影響，果穗主要受到沖擊力 F。當沖擊力沿果柄方向的分力 F1 大于果柄與果穗間連接力 F連 時，果穗被摘落，果穗與植株分離位置主要集中在果柄與果穗的連接位。
在分離階段，果穗與梳齒桿分離的瞬間，果穗運動方向為接觸點的法線方向，如圖 7( b) 所示。此時，由于碰撞的作用，果穗具有接觸點法線方向的速度 ven 及切線方向的速度 vet，如圖 7( c) 所示。法線方向的速度 ven會使分離后的果穗繼續沿接觸點法線方向運動，接觸點處的果穗所具有的切線方向的速度 vet會使果穗具有繞重心的角速度 ωe，使果穗產生翻轉。因此，分離后果穗的運動為沿接觸點法線方向的直線運動和繞重心旋轉運動的合成，如圖 7( d) 所示。
3.3.2 梳刷摘穗
與沖擊摘穗方式不同，梳刷摘穗方式主要依靠拉引力將果穗摘下，果柄斷裂的位置位于果穗與果柄的連接處。梳刷摘穗過程可分為碰撞、拉引、分離 3 個階段，如圖 8 所示。
在碰撞階段，梳脫摘穗機構一邊前進，一邊旋轉，在圖 8( a) 所示位置與果穗發生碰撞。在相同轉速與前進速度下，梳齒桿同果穗的接觸點處于梳齒桿尖部靠下的位置，果穗所受沖力小于沖擊摘穗下所受沖力。果穗受力情況如圖 2 所示。由于果穗與植株連接力 F連 較大，碰撞過程中產生的沖力 F 沿果柄方向的分力 F1小于 F連 ，碰撞階段果穗未被摘落。
在拉引階段，梳齒桿對果穗的作用力轉變為拉引力 FL，梳齒桿牽拉植株進行運動，如圖 8( b) 、圖 8( c) 所示。將植株視為懸臂梁模型，在果穗摘落前，果穗大端近似于處于同一高度; 隨著摘穗機構運動，果穗與梳齒桿間的作用點不斷向梳齒桿內側( 即梳脫滾筒圓心方向) 滑動，梳齒桿對果穗的拉引作用不斷增強，拉引力 FL增大，沿果柄方向的拉引力 FLn增大，當拉引力 FLn大于 F連 時，果穗被摘落，果穗摘落的主要作用力為拉引力。
在分離階段，與沖擊摘穗不同，梳齒桿將果穗摘落后，分離后的果穗運動速度較低，在梳齒桿的挾持下，果穗被向后進行輸送，如圖 8( d) 所示。
3.3.3 折斷摘穗
由于果穗與梳齒桿接觸位置、植株生物特性等差異，在同一作業條件下( 相同的梳脫滾筒角速度 ω 及相同的前進速度 v) ，梳脫摘穗機構的摘穗過程存在折斷摘穗的現象。折斷摘穗過程可分為碰撞、拉引、掰穗 3 個階段，如圖 9 所示。
碰撞階段如圖 9( a) 所示。果穗與梳齒桿的接觸點位于梳齒桿中部，α 角相對較大，此時碰撞沖力 F 沿果柄方 向 的 分 力 F1 小于 F連 ，碰撞階段果穗未能摘落。
在初始拉引階段，果穗受到梳齒桿的拉引力 FL，由于 FL小于碰撞產生的沖力 F，并小于 F連 ，果穗未能摘落。果穗被梳齒桿挾持，并拉引植株共同運動。果穗所受拉引力 FL在果柄方向的分力 FLn可分解為對莖稈產生與前進方向相反的拉引力 FLn 1 和將莖稈向上的拉引力 FLn 2。莖稈以與地面接觸點 D1點為固定端，拉引力 FLn 1使莖稈產生彎曲，如圖 9( b) 、9( d) 所示。隨著摘穗作業的進行，經過時間△t1，摘穗機構運動到梳齒桿安裝座與莖稈接觸的位置。此時，莖稈的進一步彎曲受到限制，莖稈可以分為兩段，上段為莖稈自由端到 D2段，下段為 D1D2段。下段莖稈在摘穗機構推動下向前運動，上段莖稈的運動受到梳齒桿和護罩的共同作用向后拉引，如圖 9( e) 所示。
在掰穗階段，上段莖稈在梳齒桿的拉引及護罩的限制下，逐步運動到極限位置，莖稈的彎曲程度達到最大。此后，隨著梳齒桿的旋轉，莖稈不再進一步彎曲，梳齒桿牽拉果穗，開始相對于莖稈運動。此時，果穗大端與梳齒桿的接觸點逐步向梳齒桿內側移動，果穗以果柄與莖稈的連接點為軸進行旋轉，果穗大端頂點的運動軌跡近似于一條圓弧，如圖 9( e) 所示。在這一過程中，果穗受梳齒桿的拉引力 FL在沿果柄方向的分力 FLn小于 F連 n，在垂直果柄方向的分力 FLt小于 F連 t。由于 F連 n>F連 t，果穗在果柄法線方向施加作用力摘穗更為容易，當果穗受到在果柄法向方向的分力 FLt大于 F連 t時，果穗即被摘落，摘穗過程近似于人手掰穗過程。
4 結論
1) 對梳脫摘穗機構摘穗過程進行力學分析，明確了梳脫摘穗過程能量轉換的主要形式，得到梳齒桿與果穗運動的相對速度是造成籽粒損傷的原因。通過對梳脫摘穗機構進行運動分析，得到梳齒桿與果穗碰撞接觸前的法向運動速度的數學表達式。
2) 借助高速攝影試驗得到了果穗在梳脫摘穗機構作用下的 3 種摘落形式，即沖擊摘穗、梳刷摘穗、折斷摘穗。分析表明，梳脫摘穗機構摘穗時的作用形式和果穗與梳齒桿接觸位置、植株力學特性等因素有關。
3) 果穗在摘穗過程中首先受到沖擊力作用。若沖擊力未能將果穗摘落，梳脫摘穗機構對果穗的作用力轉變為拉引力; 若果穗仍未被摘落，果穗會在梳齒桿拉引作用運動到極限位置，通過將果柄彎折，將果穗摘落。
SCISSCIAHCI
