影响玉米脱粒性能的主要因素研究

　　引言

　　我国是玉米生产和消费的大国，但机械化水平不高，2013 年我国玉米机械化收获水平为 49% ，因此研究玉米全程机械化收获技术意义重大。我国大部分地区，玉米收获时的籽粒含水率为 25% ～ 35% ，甚至更高，收获时不能直接脱粒而是采取分段收获方式。其主要以摘穗剥皮收获为主，玉米果穗还需要“果穗晾晒、脱粒、籽粒再晾晒”等过程。而玉米果穗和玉米籽粒的晾晒受天气和场地的影响大，且耗费大量的劳动力，同时也会造成一定损失，不利于规模化生产，农民迫切需求籽粒直接收获机械。目前国内对高含水率玉米脱粒收获的研究较少。根据玉米收获试验情况分析，影响玉米脱粒性能主要因素有脱粒滚筒转速及籽粒含水率等。

　　1 试验设备与材料

　　1． 1 试验设备

　　试验台由 5TY － 32 － 85 型玉米脱粒装置改制而成，脱粒速度和喂入量可以根据试验要求进行调节。试验台的技术参数如表 1 所示，试验台结构如图 1 所示。【图1】

　　工作时，电动机通过带传动带动脱粒滚筒工作，通过调速电机得到不同的脱粒转速。为准确获得脱粒速度对玉米果穗脱粒过程的影响，将试验台设计成单个定向喂入的结构形式，玉米果穗喂入方式为定向逐个喂入，可保证喂入量大小均匀。该试验台采用揉搓式脱粒方式，玉米籽粒破碎率低; 玉米芯整体抛出，脱粒干净; 脱粒转速可调节，适应性能强。其他实验设备有电磁调速电动机、电磁调速电动机控制器、DHG －9070A 高温鼓风干燥箱、电子天平、秒表和游标卡尺等。【表1】

　　
　　1． 2 试验材料

　　试验材料选取种植在淄博淄川区的具有代表性的3 种玉米品种: 费玉 2 号、承玉 18 和郑单 958． 玉米果穗参数如表 2 所示。费玉 2 号系费县种子公司选育的玉米一代杂交种，夏播玉米，生育期平均 103 天，均产8 974． 5kg / hm2，株高平均 262cm，穗位平均 121cm，穗粒数 544 粒，千粒质量 359． 6g，出籽率 83． 4% 。承玉18 是承德裕丰种业有限公司选育的杂交种，生育期平均 102 天，均产 9 699kg/hm2，株高平均 252cm，穗位平均 100cm，千粒质量 323g，出籽率 86． 1% 。郑单 958是河南省农业科学院粮食作物研究培育的中早熟玉米单交种，黄淮海地区夏播，生育期平均 96 天，均产10 110kg / hm2，株高平均 240cm，穗位平均 100cm，穗粒数 544 粒，千粒质量 330g，出籽率出籽率 88% 。试验所用的玉米果穗采用人工摘穗，避免机械损伤。【表2】

　　
　　2 试验方法

　　衡量玉米脱粒机脱粒性能的主要指标有脱粒损伤与脱粒效率。玉米在脱粒的过程中，会受到脱粒机的挤压、撞击、揉搓等外力的作用，会使籽粒产生破碎、破皮或裂纹，统称破碎籽粒。而未脱净率直接影响脱粒效率。玉米籽粒在脱粒过程中的破碎和未脱净率主要与冲击力的大小和作用时间以及玉米果穗自身特性有关，这是玉米籽粒与刚性部件冲击作用的结果。因此，本文选取籽粒破碎率和未脱净率为试验指标。

　　2． 1 籽粒含水率对籽粒破碎率和未脱净率的影响

　　含水率是玉米籽粒脱粒破碎的主要因素之一，玉米籽粒硬度和抗破碎强度以及籽粒间的相互作用都与含水率紧密相关。该试验选取大小均匀的费玉2 号玉米果穗，随机分成 20 组，每组果穗玉米进行不同天数的晾晒，得到不同玉米籽粒含水率的玉米果穗。对每组玉米果穗进行脱粒试验，分别测量未脱净籽粒质量、总质量、玉米芯轴总质量和籽粒千粒质量，记录数据。随机取样 1 000g 籽粒，利用 DHG －9070A 高温鼓风干燥箱对样本进行烘干，按 GB5262 － 2008《农业机械试验条件和测定方法一般规定》计算玉米籽粒含水率、破碎率和未脱净率，试验重复 3 次，取平均值，所得数据如表 3 所示。【表3】

　　
　　2． 2 脱粒速度对籽粒破碎率和未脱净率的影响

　　在玉米脱粒过程中，脱粒滚筒的线速度的大小决定玉米籽粒所受到挤压、撞击和揉搓力的大小; 而籽粒的受力情况直接影响籽粒破碎率和未脱净率。本试验通过设计单因素试验，分析脱粒速度对籽粒破碎率和未脱净率的影响，将玉米果穗的物理特性看作常数，控制含水率和喂入量到合适位置; 利用电磁调速电动机控制器控制输入电动机的电流频率，来控制电动机的转速从而调节脱粒滚筒的线速度。选取大小均匀承玉 18 和郑单 958 玉米果穗，随机分成 13 组进行脱粒试验，分别测量未脱净籽粒质量、总质量、玉米芯轴总质量和籽粒千粒质量，记录数据。随机取样1 000g籽粒，按 GB5262 － 2008《农业机械试验条件和测定方法一般规定》计算籽粒破碎率和未脱净率，试验重复 3 次，取平均值，所得数据如表 4 所示。【表4】

　　
　　3 试验结果与分析

　　通过 Origin 软件对表 3 进行数据分析和二次拟合，得到籽粒含水率与籽粒破碎率和未脱净率关系曲线，如图 2 所示。【图2】

　　
　　由图 2 可见，玉米籽粒破碎率随着籽粒含水率的降低先降低后升高; 未脱净率随着籽粒含水率的降低逐渐降低。这与实际情况相符合。含水率的大小直接影响籽粒硬度和抗破碎强度以及籽粒间的相互作用的大小，高含水率玉米的籽粒体积大，籽粒间的相互作用力较大，硬度和抗破碎强度小，不易脱粒，且易损伤; 低含水率玉米的籽粒硬度高且脆，也较容易损伤。

　　利用 Origin 软件可分析出含水率与破碎率拟合曲线函数方程为: y1= 10． 5 － 1． 1x1+ 0． 03x21，R2= 0． 989 21＞ 0． 902 5，拟合效果良好，预测结果可信; 籽粒含水率与未脱净率拟合曲线函数方程为: y2= 0． 95 － 0． 085x2+0． 003 2x22，R2= 0． 902 6 ＞ 0． 902 5，拟合效果良好，预测结果可信。根据《JB 10749 －2007 － T 玉米脱粒机》:①当含水率≤20% 时，满足破碎率≤1． 0% 条件的籽粒含水率≥13． 9%; ②当含水率≥20% 时，满足破碎率≤3． 0% 条件的籽粒含水率≤27． 6% 。当含水率为 18． 3%时，方程 y =10．5 －1．1x +0．03x2取得最小值，因此满足脱粒条件的籽粒含水率为 13． 9% ～ 27． 6%，而且当含水率为 18．3%时籽粒破碎率最低。

　　通过 Origin 软件对表 4 进行数据分析和二次拟合，得到籽粒含水率与籽粒破碎率和未脱净率关系曲线，如图 3 所示。【图3】

　　
　　由图 3 可见，玉米籽粒破碎率随着脱粒转速增大先降低后升高; 未脱净率随着脱粒转速的增大逐渐降低。脱粒转速的大小主要影响挤压、撞击和揉搓力的大小。脱粒转速较小时，作用力小，果穗的未脱净率较高，单个果穗的脱粒时间长，玉米籽粒破碎率也偏高。利用 Origin 软件可分析出脱粒转速与破碎率拟合曲线函数方程为: y3= 14． 386 34 － 0． 023 98x3+0． 000 01x23，R2= 0． 940 3 ＞ 0． 902 5，拟合效果良好，预测结果可信; 脱粒转速与未脱净率拟合曲线函数方程为: y4= 14． 386 34 － 0． 023 98x4+ 0． 000 079x24－0． 000 017 9x34，R2= 0． 989 39 ＞ 0． 902 5，拟合效果良好，预测结果可信。

　　脱粒转速与籽粒破碎率成二次函数关系，根据《JB10749 － 2007 － T 玉米脱粒机》，①满足籽粒破碎率≤3．0% 条件的脱粒转速为 688 ～ 1 789r / min，方程 y3= 14．386 34 － 0． 023 98x3+ 0． 000 01x23在 x3= 1 160 处取得最小值。②满足未脱净率≤1． 0% 条件的脱粒转速≥1080r / min。综合①②得，适合脱粒的脱粒转速为1 080 ～1 789r / min。脱粒线速度与脱粒转速关系式为v = 2πf·r /60式中 f — 脱粒滚筒的转速( r/min) ;v— 脱粒滚筒的线速度( m / s) ;r — 脱粒滚筒的半径( m) 。

　　由上述公式可得，适合脱粒的脱粒滚筒的线速度为 2． 99 ～7． 77 m/s，当脱粒滚筒的线速度为 5． 04m/s时脱粒效果最佳。

　　4 结论与建议

　　4． 1 结论

　　1) 籽粒含水率与籽粒破碎率的函数关系式为 y1= 10． 5 － 1． 1x1+ 0． 03x21，籽粒含水率与未脱净率的函数关系式为 y2= 0． 95 － 0． 085x2+ 0． 003 2x22，适合脱粒的籽粒含水率为 13． 9% ～27． 6% ，而且当籽粒含水率为 18． 3% 时籽粒破碎率最低。

　　2) 脱粒转速与籽粒破碎率的函数关系式为 y3=14． 386 34 － 0． 023 98x3+ 0． 000 01x32，脱粒转速与未脱净率的函数关系式为 y4= 14． 386 34 － 0． 023 98x4+0． 000 079x42－ 0． 000 017 9x43; 适合脱粒的脱粒滚筒的线速度为 2． 99 ～ 7． 77m/s，当脱粒滚筒的线速度为5． 04m / s 时脱粒效果最佳。

　　4． 2 建议

　　1) 本文应用的揉搓式脱粒试验台，与籽粒型玉米收获机上脱粒装置脱粒方式不同，下一步需要针对于籽粒型玉米收获机脱粒装置进行试验研究。

　　2) 本文采用的试验材料是黄淮海一年两熟玉米种植区的玉米，收获时籽粒含水率太高。低含水率的玉米果穗通过自然晾晒得到，与田间自然脱水的果穗不同，下一步使用田间自然脱水的果穗进行收获试验，得到更加准确的试验结果。

　　参考文献:

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