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1、谷物收获机脱粒系统的发展唐怀壮;陈秀生;薛志原;李德建;邢晓铭【摘 要】目的总结归纳谷物收获机脱粒系统从产生到发展至今的结构形式和应用 场合有利于谷物收获机脱粒系统的综合研究.方法结合现有谷物收获机脱粒系统, 运用综述法和对比分析法,分析了谷物收获机脱粒系统的功能原理及结构特点.对影 响脱粒质量的因素展开分析,着重对谷物收获装置的发展进程和国内外现状进行对 比分析,采取逐一描述的方法,分别对几种脱粒系统作详细描述.结果通过对比分析 指出脱粒系统结构形式的优缺点及最佳应用场合,并对不同类型脱粒滚筒和凹板间 隙组合作研究分析后,发现滚筒转速和凹板间隙对收获质量的影响,体现在谷物颗粒 破损与秸秆破碎
2、方面.谷物颗粒破损严重,损失增加;秸秆破碎严重,机器能耗增大.结 论随着农业机械化和规模化的不断提高,目前谷物收获机的发展进入新的阶段.为满 足不同喂入量的需求,有不同类型脱粒滚筒和凹板间隙组合.未来我国的农机将朝着 智能化和高效化的方向发展,企业及时抓住这一关键时刻转型升级,提高科技含量和 人机交互性,从而指导我国农业生产,促进我国智能农业发展.【期刊名称】中国农业信息【年(卷),期】2018(030)005【总页数】8页(P32-39)关键词】 谷物收获机;脱粒系统;高效收获作 者】 唐怀壮;陈秀生;薛志原;李德建;邢晓铭【作者单位】济南大学机械工程学院,山东 济南250022;济南大学机
3、械工程学院,山 东 济南 250022;济南大学机械工程学院,山东 济南 250022;济南大学机械工程学院, 山东济南250022;济南大学政法学院,山东 济南250022【正文语种】中文0 序言 脱粒是谷物收获的核心阶段，脱粒装置是谷物联合收割机上完成收获的载体，其性 能优劣是衡量一台谷物收获机质量和效率的重要参数，也是人们在设计、生产和使 用时最关心的性能指标。脱粒装置的核心功能是将谷物颗粒从谷穗上脱下，其次是 尽可能地在脱出混合物（谷物颗粒、短茎秆、颖壳和其他杂物）中将谷物颗粒分离 开1。1 发展历史从脱粒原理产生至今，已有200多年的发展历程。在这个进程中，英国人Willan Win
4、law站在了历史的开端，1781年，他第一个发明了以水流为动力的立式锥形 轴流脱粒机。在发明之初，机型以全喂入旋转型居多，作物在锥形凹板内的螺旋运 动是主要的脱粒形式，脱粒结束后，脱出混合物互相掺杂在一起，无法实现谷物颗 粒与杂余分离。因茎秆在装置内被打得太碎，不利于秸秆分拣；又因功率消耗大 （超出同期人工劳动强度所耗功率）、生产成本高等缺点，故其发展仅处在初期阶 段。1790年，苏格兰人Meikle申请了多滚筒脱粒装置的专利，其设计的装置以 结构小巧、性能优良著称，最大的特点是取代了传统结构逐稿器。 1886 年的德国， 产生了使作物在脱粒装置中以导向形式作螺旋运动的柱形轴流脱粒的专利，因技
5、术 尚未成熟，又由于战争影响，发展一度停滞不前。随着科技和经济的发展，第一产 业与第二产业的重要性来回更迭，在工业反哺农业的今天，农业科技工作者对影响 脱粒的多方面因素展开研究分析，并获取众多有意义的成果2。 关于脱粒原理的探究在相当长的时间内侧重于碾压、梳刷、搓擦、冲击、振动等方 面的描述，以大篇幅说明脱粒机理，但具体以实验或生产为指导的研究还较少，在 后续研究中应重点探究。波兰科学家 CzKanafojaski 在其作品收获机械中描 述：“谷物脱粒机的脱粒效率受多种因素影响，这些因素之间存在着相互制约的关 系，故不可以以一个统一的方程来解释谷物脱粒过程。”虽然寻找通式通法的过程 比较艰辛，
6、但是研究者仍旧持续努力建立谷物脱粒过程的数学模型，对脱粒装置之 一的轴流脱粒机的探究也一并向前发展3。1964 年，美国著名教授 W.F.Buchele 在研究当时广泛应用的轴流脱粒装置锥形橡胶杆脱粒装置时表 明，这种装置不仅存在无冲击作用的离心力，装置内部还存在对谷物的冲击和搓擦 效应。通过仔细研究，他发现脱粒滚筒内存在梳刷、搓擦和振动具体分量，并且对 该脱粒方式产生的4 种微小现象背后的原理给出了它们的表达式，实现了由概念 性的叙述到数字直观表达的历史性跨越。4 种脱粒方式分别是梳刷脱粒、搓擦脱粒 冲击脱粒和无冲击脱粒。不足之处是布契尔教授没有进行 4 种公式在具体应用上 的进一步分析4。
7、1969年,J.D.Long使用专门的工具，测试出谷粒在离心力 影响下通过长度和厚度各异的茎稿层所用的时间，利用质点作圆周运动解出茎稿层 厚度对谷粒阻力的公式。1978年，加拿大的P.D.Wrubieshi团队进行大田试验对 比，分析了连续性喂入对谷物分离性能的影响，得出了加大喂入量时，分离损失也 随之增大的结论，但这个结论对于轴流式脱粒装置不太适用。1981 年，德国研究 者P.Wacher制作了关于轴流分离装置的室内试验台，测得了谷物颗粒、颖壳和秸 秆3 者沿轴向的分布曲线，其中上顶盖内的定导板与滚筒上动导板的安装角对作 物沿滚筒轴向移动的速度有很大影响，明显体现在脱粒装置的分离效率上5。
8、 自 20 世纪 50 年代，我国开始对脱粒滚筒进行系统地探究和思考，并在东北、华 北、新疆等地区开展应用，收获杂粮、玉米、水稻等作物。60 年代初，农业工作 者对横置式和纵置式轴流滚筒开展研究工作，得出一系列具有重要意义的结论。70 80年代，国家工作重心再次转移到经济建设上来，农业得到广泛关注，一些 高校和科研院所制作了室内专用的试验台架，用来对脱粒装置进行独立自主的研究 6。其中最为著名的是王成芝教授团队和马骥教授团队，他们在工作原理和结 构方面进行了开创性研究，应用先进的同位素原子示踪、高速摄影技术，从谷物进 入脱粒滚筒到清选后的颗粒，都能够清晰地显示在显示屏上7。王岳教授团队 针对横
9、置式和纵置式卧式轴流脱粒分离装置开展探究性研究，取得二者优化后的设 计参数和运动参数，由于实验条件限制，试验所得结果还有待进一步验证8。2 研究现状2.1 切流式脱粒分离装置 切流式脱粒分离装置，如图1。作物被喂入收获机后，沿着脱粒滚筒作切向流动， 转过一定角度后被排出，在通过凹板间隙过程中被脱粒。利用逐稿器对脱出混合物 进行后续分离，因逐稿器尺寸一般较大，故这种装置会使整机体积庞大，在狭小地 块转弯困难，不适合小地块使用，广泛使用在大型农场等收获区域。图1切流式脱粒分离装置a.滚筒b.凹版Fig.1 Cut-flow type threshing separation device2.2 轴
10、流式脱粒分离装置 作物喂进脱粒滚筒后，一边随滚筒作螺旋运动，一边沿滚筒作轴向运动，即螺旋线 运动。在这种情况下，作物在滚筒内的脱粒时间较切流式长，轴流式脱粒滚筒在设 计时使用较大凹板间隙、较低滚筒转速，具有脱粒作用轻缓柔和、脱粒过程持续时 间长，被滚筒和凹板反复作用多次，能够统筹脱净谷物颗粒和减少秸秆破碎的特点 在转动同时，结合离心力把已经脱下的谷物颗粒分离出来，因此，此装置可以实现 脱粒与分离两个效果，节约材料，大大简化收获机结构，这种装置在水稻收获机上 应用广泛，几乎全部取代以往低效率的切流滚筒与键式逐稿器的组合。（1）横置轴流脱粒分离装置横置轴流脱粒分离装置，如图2。横置轴流滚筒虽然其只
11、占据驾驶室后下方的一小 部分，如果长度较大，同样也会使整机体积庞大，由于其长度受到限制，一般安装 在中小型联合收割机上。当高茬收割作物时，由于秸秆喂入量同比减小，谷物颗粒 相对占比提高，故滚筒的分离能力较好，效率大幅度提高，但收割位置较高，影响 秸秆的回收利用，秸茬也会影响后续的旋耕效果。低茬收割时会避免这一问题，但 秸秆相对占比增加，使喂入量增大，滚筒的脱粒和分离能力都受到不同程度的影响， 效率降低，解决措施是放慢行进速度，使滚筒内的作物得以充分的“消化”。因作 物在滚筒内横向移动，故当清晨、傍晚及雨后等时段作业时，作物较潮湿，容易堵 塞滚筒，给收获带来不便。图2横置轴流脱粒分离装置a.喂入
12、口 b.滚筒c.凹板d.排出口 e.导板f.顶盖Fig.2 Transverse axial flow threshing separation device（2）纵置轴流脱粒分离装置纵置轴流脱粒分离装置结构如图3所示。其滚筒放置方式与横置式不同，因而滚 筒的长度允许比横置式长，由此可知，该型式的滚筒适合大喂入量的大功率机型。 在脱粒过程结束后，脱出物进入清选筛，其分布也比横置式均匀，使清选筛的清选 性能得以充分发挥。作物在这种装置中停留时间最长，故作物被脱净的概率最大、 籽粒破碎的概率最小，是理想的滚筒型式。由于作物进入滚筒时空间急剧变小，致 使作物流动不畅，容易堵塞滚筒口。螺旋叶片作但为主
13、要力量的承担者，在使用一 段时间后，也是磨损的主要对象。这种装置还存在传动结构复杂、功率消耗大的问 题，这始终是难以解决的问题。当在低茬潮湿状态下作业时，滚筒容易堵塞。图 3 纵置轴流脱粒分离装置 Fig.3 Longitudinal axial flow degranulation separation device2.3 切流脱粒滚筒加轴流分离装置（1）切流脱粒滚筒加横置轴流分离装置由于脱粒滚筒的型式为切流式，故相对于轴流式来说在脱粒过程中容易使籽粒破碎 在收割未完全成熟或外壳较硬的作物时，谷物脱净率和籽粒分离率都会受到影响， 同样在低茬潮湿收割作物时也会存在堵塞脱粒滚筒的现象，严重影响作
14、业质量和效 率。（2）切流脱粒滚筒加纵置轴流分离装置 切流脱粒滚筒相对于单一的切流脱粒分离装置脱粒间隙变大，运转速度降低，脱粒 作用柔和，减轻了对谷物颗粒的损伤，其未能脱净的作物进入分离滚筒再次脱粒， 弥补一次脱粒的不足。这两个脱粒滚筒都是纵向放置，使脱粒及分离空间充足，广 泛应用在大型联合收割机上。不足之处是整机重量较大，在收获水稻时，在低洼及 松软塌陷地段性能优势降低，行走后在地面留有较深的辙印也给后续的土地平整工 作带来很大负担9。作物在进入轴流式脱粒分离装置后作螺旋线运动，脱粒作用柔和且脱粒时间长，故 作物在这种装置中脱粒和分离较充分、残留少，脱粒效果好，因此，在脱净率、破 碎率和分离
15、率等检验指标上均较切流式脱粒分离装置好。鉴于其优良的脱粒和分离 性能，联合收获机研发人员才敢将逐稿器大幅度改革，从而代替传统的结构庞大的 键式逐稿器，这在满足结构多样性等方面更具优势。2.4 脱粒滚筒的型式 脱粒装置是执行谷物脱粒任务的主要承担者，由转动的滚筒和固定或活动凹板组合 而成，根据结构不同，可大致分为以下 3 种。（1）纹杆滚筒式脱粒装置 纹杆滚筒式脱粒装置由纹杆状滚筒和栅格状凹板组合而成，如图 4。此装置的工作 原理为纹杆对作物撞击和纹杆与凹板的相互作用对作物搓擦来脱掉谷物颗粒。脱粒 滚筒由幅盘和纹杆安装组合而成，幅盘经钢板冲压为多角形式，纹杆安装在幅盘的 凸起部分，脱粒滚筒主体通
16、常在圆周方向敞口，以利于作物在滚筒内流动。最外侧 的两个幅盘与轮毂焊接在一起，轮毂与滚筒轴通过起到较好的连接作用的斜键连接 在一起。中间的几个幅盘空套在滚筒轴上，不与滚筒轴接触，保证纹杆在装配时不 发生弯曲，也会改善滚筒轴的受力状况。纹杆作为滚筒脱粒元件的主要承担者，外 曲面是其工作表面，曲面上有凸起的纹路。纹杆在安装时，带有齿纹的一端朝向喂 入方向，可增加对作物的揉搓作用。为避免作物在滚筒内轴向移动，使纹杆在所有 的齿纹上有受力均匀，相邻位置的纹杆，其齿纹的旋向相反。纹杆滚筒式脱粒装置 的凹板通常是整体栅格式的。它的组成元素为横格板、侧弧板和筛条，其中横格板 通过焊接与两侧弧板连接在一起，筛条穿入横格板中的孔里，两端固定在最外侧的 横格板上，结合成牢固的焊接件。横格板的上顶面通常带有棱角，比筛条高出一些， 可以起到对作物的拦截作用，在拦截作物的同时使穗头被凹板撞击，在冲击和搓擦 的过程中，成熟而
