发布时间：2020-03-09所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 摘 要: 为了明确玉米梳脱摘穗过程中的果穗受力特征，对梳齿杆与果穗的作用环节进行了力学分析，基 于 能量平衡理论得知果穗的弹性势能同籽粒与梳齿杆运动的相对速度有关，并对梳齿杆沿碰撞方向的运动速度进行了分析。借助高速摄影手段对摘穗过程进行分析，得
摘 要: 为了明确玉米梳脱摘穗过程中的果穗受力特征，对梳齿杆与果穗的作用环节进行了力学分析，基 于 能量平衡理论得知果穗的弹性势能同籽粒与梳齿杆运动的相对速度有关，并对梳齿杆沿碰撞方向的运动速度进行了分析。借助高速摄影手段对摘穗过程进行分析，得到梳齿杆摘穗的主要作用形式为冲击、梳 刷、折 断。通 过 梳齿杆与果穗作用的简化力学分析，明确了果穗在不同摘穗形式下的摘穗特点。冲击摘穗作用形式下依靠冲击力将果穗摘落，梳刷摘穗下果穗分离的主要作用力为拉引力，折断摘穗主要依靠果柄折断实现果穗分离。研 究 可为我国不分行玉米收获机的设计及理论分析提供参考。
关键词: 玉米收获; 梳脱摘穗; 受力分析; 高速摄影
0 引言
玉米是我国三大粮食作物之一，推进玉米生产机械化对于保障粮食安全、促进农民增收具有重大意义[1]。收获作为玉米生产过程中的最后一个环节，在玉米生产过程中占有重要地位。玉米收获处于“三秋”时节，劳动强度大，需要占用大量劳力，发展玉米收获机械化是农业生产的必然[2]。
由于我国玉米种植区域大，种植模式多种多样，种植行距不统一，行距范围为 300 ～ 800mm[3 -4]。种植模式和种植行距的不统一，造成了不对行收获的问题，增加了玉米收获的难度[5]。
我国现有玉米收获机辊式割台和板式割台行距固定，收获玉米时需要对行收获。由于种植模式和种植行距的不统一，玉米收获机可能将植株推倒，造成损失[6]。
与现有摘穗机构挤拉茎秆实现摘穗的原理不同，梳脱式摘穗机构模拟人手摘穗，梳齿之间的间隙小于果穗大端的直径，大于茎秆的直径。工作时，依靠梳齿杆对植株进行梳刷，当触碰到果穗大端时，将果穗摘下[7]。
为了研究梳脱摘穗机构对果穗的冲击作用，明确梳脱摘穗机构对果穗作用的力学特征和运动情况，分别开展了力学分析和高速摄影试验研究，旨在为梳脱摘穗机构的改进设计提供参考。
1 整体结构与工作原理
1.1 整体结构
梳脱式玉米摘穗机主要由梳齿杆、梳 齿 杆 安 装座、梳脱滚筒、胶套、滚筒轴等部件组成，如图 1 所示。梳齿杆通过螺栓插装在梳齿杆安装座里，梳齿杆安装座通过螺栓与梳脱滚筒连接。梳齿杆外侧包有胶套，以减小梳齿杆对果穗的碰撞损伤。
1.2 工作原理
在传动轴上安装有若干梳脱摘穗机构单体，通过调节梳脱摘穗机构单体之间的距离，来提高收获玉米的行距适应性。工作时，梳脱摘穗机构在机器的带动下前进，依靠机器提供的动力，与机器前进方向滚动逆向旋转; 相邻两梳齿杆的间隙大于茎秆直径，小于果穗大端直径，果穗在旋转的梳齿杆触碰下被摘落，并向后输送。玉米梳脱摘穗机构可按照种植行距调节单体距离，具有较高的行距适应性，且摘穗过程对茎秆挤压程度较小，减少了摘穗时的功率消耗。
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2 梳脱摘穗过程分析
2.1 梳脱摘穗过程力学分析
梳脱摘穗过程为梳齿杆对果穗的碰撞过程，果穗在梳齿杆冲击、牵拉等作用下被摘落，受力如图 2 所示。所受冲击力 F 的分力 F1沿果柄方向将果柄拉伸， F2使果柄弯折。
3 高速摄影试验
3.1 试验材料与设备
采用山东岱农农业科技有限公司农场种植的岱单 6641 作为试验植株，材料采集时间为 2017 年 10 月。试样从玉米植株根上第 1 节整体切断，要求茎秆通直、果穗无下垂，试验样品的籽粒含水率为28.66%。
试验在自制的试验台架上进行，如图 6 所示。梳脱滚筒由 7.5kW 功率的变频调速电机 YVF132M-4 带动，利用自制的夹具完成植株的固定，夹具通过螺栓连接在运输小车上。为了便于拍摄梳脱摘穗元件对果穗的作用过程，在护罩的侧板上开有拍摄窗口。
3.2 试验方法
植株由夹具固定在输送小车上，沿轨道喂入到梳脱摘穗机构。梳脱摘穗机构的工作参数按照前期试验中摘穗效果较好的参数匹配，梳脱滚筒转速选择 140 ～ 200r / min，前进速度为 1.02m / s，梳脱滚筒轴位于果穗大端下方 100mm。果穗摘落过程主要位于梳脱摘穗机构前部，因此重点拍摄摘穗机构前部梳齿杆与果穗的碰撞接触情况。
3.3 结果与分析
果穗的摘落情况与果穗和梳齿杆的接触位置、梳脱滚筒转动速度及植株的力学特性等因素有关。对摘穗过程图像进行分析，果穗的摘落形式可分为冲击摘穗、梳刷摘穗及折断摘穗 3 种。冲击摘穗是指依靠旋转梳齿杆的冲击作用破坏果穗与果柄的连接力，果穗脱离的位置位于果柄与果穗的连接处; 梳刷摘穗是指梳齿杆与果穗碰撞接触后梳齿杆挟持果穗运动，果穗在梳齿杆拉引力的作用下摘落，果穗与茎秆的分离的位置为果柄与果穗的连接处; 折断摘穗是指梳脱摘穗机构将果柄从茎秆上“掰断”，果穗与茎秆分离位置处于果柄与茎秆的连接位置。
3.3.1 冲击摘穗
梳齿杆与果穗的作用过程可以分为碰撞和分离阶段，如图 7 所示。
碰撞阶段如图 7( a) 所示，梳齿杆运动到果穗大端的下方。由前述分析可知: 梳齿杆运动的相对速度与梳齿杆同果穗的接触位置( 即 α 角) 、转动角速度 ω 有关，因此靠近梳齿杆尖端的位置及较大的运动速度都会使摘穗前梳齿杆沿碰撞方向的相对速度较大。运动速度较高的梳齿杆与果穗大端发生碰撞，忽略碰撞过程重力、摩擦力等作用的影响，果穗主要受到冲击力 F。当冲击力沿果柄方向的分力 F1 大于果柄与果穗间连接力 F连 时，果穗被摘落，果穗与植株分离位置主要集中在果柄与果穗的连接位。
在分离阶段，果穗与梳齿杆分离的瞬间，果穗运动方向为接触点的法线方向，如图 7( b) 所示。此时，由于碰撞的作用，果穗具有接触点法线方向的速度 ven 及切线方向的速度 vet，如图 7( c) 所示。法线方向的速度 ven会使分离后的果穗继续沿接触点法线方向运动，接触点处的果穗所具有的切线方向的速度 vet会使果穗具有绕重心的角速度 ωe，使果穗产生翻转。因此，分离后果穗的运动为沿接触点法线方向的直线运动和绕重心旋转运动的合成，如图 7( d) 所示。
3.3.2 梳刷摘穗
与冲击摘穗方式不同，梳刷摘穗方式主要依靠拉引力将果穗摘下，果柄断裂的位置位于果穗与果柄的连接处。梳刷摘穗过程可分为碰撞、拉引、分离 3 个阶段，如图 8 所示。
在碰撞阶段，梳脱摘穗机构一边前进，一边旋转，在图 8( a) 所示位置与果穗发生碰撞。在相同转速与前进速度下，梳齿杆同果穗的接触点处于梳齿杆尖部靠下的位置，果穗所受冲力小于冲击摘穗下所受冲力。果穗受力情况如图 2 所示。由于果穗与植株连接力 F连 较大，碰撞过程中产生的冲力 F 沿果柄方向的分力 F1小于 F连 ，碰撞阶段果穗未被摘落。
在拉引阶段，梳齿杆对果穗的作用力转变为拉引力 FL，梳齿杆牵拉植株进行运动，如图 8( b) 、图 8( c) 所示。将植株视为悬臂梁模型，在果穗摘落前，果穗大端近似于处于同一高度; 随着摘穗机构运动，果穗与梳齿杆间的作用点不断向梳齿杆内侧( 即梳脱滚筒圆心方向) 滑动，梳齿杆对果穗的拉引作用不断增强，拉引力 FL增大，沿果柄方向的拉引力 FLn增大，当拉引力 FLn大于 F连 时，果穗被摘落，果穗摘落的主要作用力为拉引力。
在分离阶段，与冲击摘穗不同，梳齿杆将果穗摘落后，分离后的果穗运动速度较低，在梳齿杆的挟持下，果穗被向后进行输送，如图 8( d) 所示。
3.3.3 折断摘穗
由于果穗与梳齿杆接触位置、植株生物特性等差异，在同一作业条件下( 相同的梳脱滚筒角速度 ω 及相同的前进速度 v) ，梳脱摘穗机构的摘穗过程存在折断摘穗的现象。折断摘穗过程可分为碰撞、拉引、掰穗 3 个阶段，如图 9 所示。
碰撞阶段如图 9( a) 所示。果穗与梳齿杆的接触点位于梳齿杆中部，α 角相对较大，此时碰撞冲力 F 沿果柄方 向 的 分 力 F1 小于 F连 ，碰撞阶段果穗未能摘落。
在初始拉引阶段，果穗受到梳齿杆的拉引力 FL，由于 FL小于碰撞产生的冲力 F，并小于 F连 ，果穗未能摘落。果穗被梳齿杆挟持，并拉引植株共同运动。果穗所受拉引力 FL在果柄方向的分力 FLn可分解为对茎秆产生与前进方向相反的拉引力 FLn 1 和将茎秆向上的拉引力 FLn 2。茎秆以与地面接触点 D1点为固定端，拉引力 FLn 1使茎秆产生弯曲，如图 9( b) 、9( d) 所示。随着摘穗作业的进行，经过时间△t1，摘穗机构运动到梳齿杆安装座与茎秆接触的位置。此时，茎秆的进一步弯曲受到限制，茎秆可以分为两段，上段为茎秆自由端到 D2段，下段为 D1D2段。下段茎秆在摘穗机构推动下向前运动，上段茎秆的运动受到梳齿杆和护罩的共同作用向后拉引，如图 9( e) 所示。
在掰穗阶段，上段茎秆在梳齿杆的拉引及护罩的限制下，逐步运动到极限位置，茎秆的弯曲程度达到最大。此后，随着梳齿杆的旋转，茎秆不再进一步弯曲，梳齿杆牵拉果穗，开始相对于茎秆运动。此时，果穗大端与梳齿杆的接触点逐步向梳齿杆内侧移动，果穗以果柄与茎秆的连接点为轴进行旋转，果穗大端顶点的运动轨迹近似于一条圆弧，如图 9( e) 所示。在这一过程中，果穗受梳齿杆的拉引力 FL在沿果柄方向的分力 FLn小于 F连 n，在垂直果柄方向的分力 FLt小于 F连 t。由于 F连 n>F连 t，果穗在果柄法线方向施加作用力摘穗更为容易，当果穗受到在果柄法向方向的分力 FLt大于 F连 t时，果穗即被摘落，摘穗过程近似于人手掰穗过程。
4 结论
1) 对梳脱摘穗机构摘穗过程进行力学分析，明确了梳脱摘穗过程能量转换的主要形式，得到梳齿杆与果穗运动的相对速度是造成籽粒损伤的原因。通过对梳脱摘穗机构进行运动分析，得到梳齿杆与果穗碰撞接触前的法向运动速度的数学表达式。
2) 借助高速摄影试验得到了果穗在梳脱摘穗机构作用下的 3 种摘落形式，即冲击摘穗、梳刷摘穗、折断摘穗。分析表明，梳脱摘穗机构摘穗时的作用形式和果穗与梳齿杆接触位置、植株力学特性等因素有关。
3) 果穗在摘穗过程中首先受到冲击力作用。若冲击力未能将果穗摘落，梳脱摘穗机构对果穗的作用力转变为拉引力; 若果穗仍未被摘落，果穗会在梳齿杆拉引作用运动到极限位置，通过将果柄弯折，将果穗摘落。
SCISSCIAHCI
