打击式玉米脱粒机脱粒过程试验研究及仿真分析

【摘要】我国是一个传统的农业生产大国，玉米脱粒机的使用非常广泛，提高玉米脱粒机的脱粒性能，对保证玉米收后质量和农民增收有着重要意义本文自行设计了一台玉米脱粒机，对该脱粒机进行了台架脱粒试验，采用自主研发的基于离散元法的脱粒过程分析软件AgriDEM，进行了计算机仿真，将仿真结果与试验结果进行了对比分析，并对脱粒机滚筒进行了优化设计，具体工作和结果如下（1）设计了一台玉米脱粒机，该玉米脱粒机配有三个不同长度的脱粒滚筒；设计了一个通用凹板，可以配用多个不同长度的脱粒滚筒；设计了两个观测窗口，窗口部分采用透明有机玻璃（亚克力材料）制造，进行脱粒试验时，可以实时地，从轴向和径向观测内部脱粒情况；设计了一个隔粒栅，将凹板下方的空间分成了若干个籽粒收集区间（2）以自行研制的脱粒机试验台为对象，通过改变脱粒滚筒转速ǐ脱粒滚筒长度ǐ玉米果穗品种ǐ玉米果穗投入量ǐ玉米果穗含水率这5个因素，考察玉米脱粒机性能，包括：籽粒脱净率ǐ籽粒破碎率ǐ籽粒轴向分布曲线以及脱粒时间得到以下结论：脱净率试验结果表明，脱粒滚筒转速越高其脱净率就越高，但是当滚筒转速达到一定的值时其值趋于平稳；脱粒滚筒长度ǐ玉米品种ǐ玉米果穗投入量在一定范围内对脱净率的影响不大；玉米果穗的含水率对脱净率的影响较大，含水率越低其脱净率越高；破碎率的试验结果表明，脱粒滚筒转速对籽粒破碎率的影响较大，随着脱粒滚筒转速的增高，玉米籽粒的破碎率呈上升趋势；脱粒滚筒长度对籽粒破碎率有一定的影响，但是其效果并不明显；两种玉米品种的籽粒破碎率差别较大，脱粒滚筒转速为344.9r/min时，先玉335号比白单678号的籽粒破碎率高出0.9个百分点；玉米果穗投入量对破碎率有一定影响，但不是很明显，随着玉米果穗投入量的增加，玉米籽粒的破碎率有增大的趋势；含水率对籽粒破碎率的影响也较大，含水率为10.47%的玉米果穗其破碎率为6%比含水率为14.85%的破碎率4.4%高出1.6个百分点；轴向分布曲线的试验结果表明，不同滚筒转速下，籽粒的分布沿滚筒轴向逐步减少，转速越低其前段部分籽粒分布的百分比更高；三种不同长度的脱落滚筒，其轴向分布曲线的斜率相差不大，这说明籽粒的轴向分布规律与脱粒滚筒的长度关系不大；进行不同玉米果穗品种的试验时，先玉335号玉米果穗在滚筒的第1ǐ2段的籽粒百分比白单678号高，这说明在刚进入脱粒机那段时间，先玉335号果穗更容易脱粒；玉米果穗的投入量和玉米果穗含水率对籽粒的轴向分布情况影响不显著；脱粒时间的试验结果表明，脱粒滚筒在低转速时对脱粒时间的影响较大，当转速达到一定值时对脱粒时间的影响减小；随着脱粒滚筒长度的增加，脱粒时间呈增大趋势；不同品种的玉米果穗对脱粒时间影响显著；玉米果穗的含水率对脱粒时间的影响较大，含水率低的玉米果穗脱粒时间短，分析其原因是：含水率越低时，果柄断裂力越小，籽粒松动并产生间隙，果柄更容断裂，因此脱粒耗费的时间越短（3）建立了先玉335号玉米果穗和脱粒机的三维离散元分析模型，并采用自主研发的基于离散元法的脱粒过程分析软件，对玉米脱粒的过程进行了计算机仿真，将仿真结果与台架试验结果进行了对比分析，得到以下结论：仿真脱净率曲线随滚筒转速的增大而升高，344.9r/minǐ462.6r/minǐ580.9r/min和817.3r/min这四个转速下，仿真脱净率与试验所得脱净率非常接近，其中相对误差最大仅为0.93%，这说明不同转速下的脱净率仿真结果可信度较高；随着滚筒转速的升高，仿真破碎率增加；从仿真破碎率曲线来看，滚筒转速为107.4r/min时破碎率最低，当转速增加到817.3.3r/min时，破碎率从2.18%增加到5.54%，变化幅度较大从仿真破碎率与试验结果对比来看，转速在344.9r/min和817.3r/min这两个值时，仿真破碎率与试验所得破碎率非常接近，转速为462.6r/min时仿真破碎率和试验破碎率误差较大，仿真值比试验值高出0.87个百分点增加脱粒滚筒长度和增大投入量也会使破碎率有所增大，但是二者不是影响破碎率的最主要因素；所有滚筒转速下的仿真实验，其籽粒沿滚筒轴向分布曲线呈下降趋势，仿真轴向分布曲线前2段变化较大，后3段曲线变化较平缓，说明仿真时，玉米脱粒机滚筒的主要工作部位在前两段仿真曲线与试验曲线有一定差异，最大误差达到15.94%，但整体变化趋势相似（4）优化脱粒滚筒修改了钉齿式脱粒滚筒的结构，选择滚筒直径ǐ钉齿高度和钉齿间距这三个因素进行仿真试验，采用正交试验方案，仿真试验结果表明当滚筒转速为650r/min时，影响脱净率的主次关系分别是滚筒直径ǐ钉齿高度和钉齿间距，高脱净率的优组合是滚滚筒直径75mm，钉齿高度30mm，钉齿间距85mm；影响破碎率的主次关系分别是钉齿高度ǐ钉齿间距和滚筒直径，低破碎率的最优组合是滚筒直径为70mm，钉齿高度为20mm，钉齿间距为85mm将脱粒滚筒的圆柱钉齿修改成板齿，并对修改前后的脱粒机进行仿真实验对比，结果发现转速为225.3r/min时，板齿式脱净率达到98.72%，比圆柱钉齿式高出6.01%，板齿式的破碎率为1.67%，比圆柱钉齿式低0.95%；转速为650r/min时，板齿式脱净率达到100%，比圆柱钉齿式高出0.78%，板齿式的破碎率为2.03%，比圆柱钉齿式低2.97%；两种转速下，板齿式脱粒滚筒的脱粒性能的两个指标都比圆柱钉齿式优越
【作者】李清龙；
【导师】于建群；
【作者基本信息】吉林大学，农业机械化工程，2014，硕士
【关键词】脱粒机；玉米果穗；试验研究；数字化设计；离散元法；仿真分析；优化设计；

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