1、1.2.1 国外研究现状国外对轴流脱粒与分离机理的研究，已有 200 多年的发展历史。虽然历史悠久，但进展较为缓慢，所做的研究很长一段时期仍停留在对冲击、搓擦、梳刷、挤压等四个方面的陈述上。随着时间的推移和科技的进步，进入 20 世纪 60 年代对脱分机理的理论性研究逐渐开始深入。1956 年 Kolganov 通过试验后分析得出了脱粒过程中籽粒破碎的原因，他发现如果籽粒受到打击的速度高于 时，饱满籽粒的破碎率将达到 左右，多数籽粒因受到穗sm/36%75头和茎秆的保护，不会受到直接的打击作用。在联合收获机上，不论打击速度多低，总有一定比例的籽粒破碎。此外，他还通过研究得出不成熟的籽粒千粒重仅
2、为 20g，成熟饱满的籽粒平均千粒重可达 40g，相应的脱粒功为 。gcm120681964 年 Arnold.R.E.在试验中发现，谷物通过凹板的分离是凹板长度的指数函数，这个指数关系是在凹板分离和总的喂入速率中发现的 。1966 年 Caspers,L.在其凹板分离的9影响和脱粒性能的建造的著作中提出，无论何种谷物，随着喂入速率的增大都会导致脱粒损失的增加以及凹板分离的效率降低；影响滚筒损失最重要的因素是滚筒速度，提高滚筒速度，损失随之降低，分离率不断提高 。101967 年 J.D. Long 通过试验得出了在离心力作用下，一个麦粒穿过茎秆层所需时间，同时他根据质点沿径向运动的方程式，得
3、出了籽粒穿过茎秆层所克服阻力的解析式 。11981 年 P.Wacher 以轴流分离台架为试验研究对象，绘制了谷物籽粒、茎秆和颖杂沿轴向的分布曲线图，得到了轴流滚筒的单位功耗是随着滚筒速度的增加大致呈线性增加的，随着非籽粒部分喂入量的增加而增加 。121982 年 J.R.Trollope 以脱粒空间一致、脱粒过程稳定以及被脱物同质为假设前提，进行了脱出物在脱粒过程中的受力情况分析，推导出能够决定整个脱分过程的六个微分方程式，求出了各个微分方程组的近似解，通过对比试验得出预测数据与试验值相吻合 。但13因假设条件过多等诸多因素限制，他所得出的微分方程很难运用于实践中。1983 年 Song-W
4、oo Lee，Yun-Kun Huh 利用自制的试验设备，对稻秆的剪切力以及稻谷的脱粒力进行了试验研究。他们通过试验测量并对比了两种不同品种水稻稻秆的剪切力和所需的脱粒力。结果表明：稻穗上部谷粒的脱粒力略小于稻穗下部谷粒的脱粒力；切割稻秆所需的功随切割速度的增加而减少；空行程时功耗增加较大，因此总功耗增加 。141986 年李昇揆，川村登以轴流滚筒内谷物的受力与运动关系为研究内容，得出了脱分空间内谷物的运动微分方程式。在脱粒参数不同的条件下，借助计算机分别对微分方程进行了求解，并与试验所得数据进行了对比分析 。151992 年梅田幹雄以日本收割机的脱粒装置为研究对象，测量出谷物的振动特性和抗挠
5、刚度。结论是：脱粒元件的冲击频率大于稻谷的固有频率。还研究了随脱粒元件运动谷物秸梗的运动规律，结论是：脱粒时因受摩擦力的作用，谷物的穗头沿垂直于脱粒滚筒轴线的方向运动 。1861997 年 P.I.Miu 等分析了轴流脱粒与分离装置的工作原理，建立了轴流脱粒装置在脱粒分离过程中的数学模型，并利用 MATLAB 软件进行了动态仿真，分别绘制出了未脱籽粒、分离籽粒和自由籽粒的变化曲线，他们所建立的数学模型为后面工作者的研究提供了理论参考 。191999 年 Heinrich 等以几种常见的谷物为研究对象，通过脱粒对比试验后，得出了脱分过程中谷物水分对分离效率的影响规律 。20库晋、希林等将高速摄像
6、设备和先进测试技术运用于脱粒试验之中，研究后发现：谷粒的干燥程度决定了其损伤程度，谷粒越干燥脱粒时越容易受到损伤；凹板栅格条数的多少和凹板间隔的大小都会影响谷物脱粒时的损伤率，凹板栅格条数减少以及凹板间隔增大，谷粒的损伤率均会增加；纹杆的运动速度与谷物的损伤率成正比，损伤主要是因为分离前多次受到脱粒部件打击，并以高速撞击凹板所致；谷粒的损伤与谷物的喂入量和草谷比有关，喂入量增大，谷粒的损伤量减少；草谷比降低，谷粒的损伤量减少 。21近年来，欧美等发达国家跨国公司如：约翰迪尔、纽荷兰、凯斯、克拉斯等相继研发并批量生产了不同类型纵向轴流联合收获机，如 CASE2388(单滚筒)、纽荷兰23TR88
7、、TR89(双滚筒)。这些机型由于脱粒滚筒纵向布置，滚筒长度不再受到空间的限制，具有分离面积大、分离效果好、破碎率少、脱净率高、作物适应性强、对潮湿作物和难脱作物脱粒效果明显等优点，在水稻主产区应用越来越广泛 。21.2.2 国内研究现状我国对轴流脱粒与分离机理的研究始于 20 世纪 60 年代，进入 70 年代国内部分大专院校和科研单位才陆续开始了对轴流脱粒装置的科学研究，随着时间的推移和科学技术的进步，目前原子示踪、高速摄影等先进测试技术和手段已经被广泛应用于对轴流装置脱粒试验研究当中，为深入认识和掌握脱粒过程和工作机理奠定坚实基础。1977 年王成芝以纵置式轴流脱粒滚筒为研究对象，分别研
8、究了纹杆叶片式、钉齿叶片式和钉齿式 3 种滚筒与 4 种不同形式凹板组合的脱粒分离装置对水稻等 4 种作物的脱粒性能对比试验，得到了不同配置方案下单位功率消耗、损失率、含杂率和排出茎秆率 4 个性能指标的影响规律。但其研究受到当时测量手段等现实条件的限制，试验结果存在一定误差 。231987 年董成茂在进行割前脱粒水稻收获机脱出物的研究时，提出了一种新型叶片式立置轴流分离复脱精选三合一装置，并利用高速摄像技术研究了籽粒在滚筒中的运动规律和特性，从理论上建立了滚筒结构参数、运动参数和分离性能间的联系，得出了水稻籽粒受到冲击后疲劳损伤规律，并对如何有效减少籽粒在分离过程中受到损伤进行了试验研究 。
9、241992 年李保国对轴流脱粒装置凹板分离物分布规律进行了试验研究。研究得出了凹板分离物沿滚筒轴向的分布规律，同时对全钉齿型和弓齿、钉齿齿排间隔组合型的轴流滚筒进行了性能对比试验，为提高轴流滚筒对脱水稻适应性奠定了坚实的理论基础 。251997 年赵连义、王庆山等以弓齿滚筒为研究对象，运用理论力学中碰撞原理，分析得出了脱粒部件弓齿对大豆的打击力既是脱粒时的直接作用力，也是导致籽粒损伤和破碎的主要作用力。他们通过试验研究和理论分析后认为，只要弓齿形状设计合理，同时布置合理，就能大大减轻弓齿对大豆籽粒的打击作用。该研究的缺点是分析较为粗糙且结论无试验验证 。262000 年张认成以变质量系统作为
10、试验研究的理论基础，建立了脱分空间内谷物运动的数学模型，并借助计算机进行了动态仿真，得到了与实际更为接近的季节性速度图和位移图 。 272004 年李耀明对水稻梳脱混合物复脱、分离和清选特性进行了深入研究，建立了切向喂入轴流式复脱分离装置的数学模型，并利用计算机进行了仿真，同时借助高速摄像机对振动筛上面物料的运动进行了深入研究 。282005 年万霖利用自行设计的试验台，对纵置单轴流钉齿滚筒的功耗性能进行了试验研究。通过二次回归正交旋转组合试验，确定了喂入量、滚筒转速、导向板导角 3 个因素对单位功耗的影响，并得出了各因素水平之间的最佳组合工艺 。292006 年衣淑娟利用自行研制的试验台，对
11、钉齿式双滚筒轴流脱粒与分离装置进行了试验研究，得到了喂入量、滚筒线速度、导向板导角三个参数对功率消耗、茎秆破碎程度、脱不净率、总损失率等脱粒性能指标的影响规律，以及脱出物的轴向分布规律 。302008 年衣淑娟，陶桂香，毛欣以钉齿式和螺旋叶片板齿组合式两种轴流脱分装置为研究对象，对脱出物的分布规律进行了试验研究。通过试验分别得出了两种装置脱出物的分布规律，脱出物沿周向和轴向分布不均匀且特性不同。曲线沿周向为系数不同的多项式，沿轴向呈 Peal-Reed 模型 。312008 年李耀明等对短纹杆-板齿与钉齿脱粒滚筒的脱粒性能进行了对比试验研究，得出了两种形式脱粒滚筒功率消耗、脱粒损失、脱出物杂余
12、含量和排出茎秆等方面的对比情况 。322008 年衣淑娟以螺旋叶片板齿组合式轴流装置为研究对象，借助高速摄像技术对稻谷的脱粒过程、籽粒的运动规律、脱出物的下落规律进行了观察和分析 。32009 年徐立章等利用自行设计的纵轴流式脱粒分离-清选试验台，获得了多个工况下脱粒分离、清选性能指标以及脱出物的分布规律。并利用 VC+编写的测控软件系统对试验过程中工作部件的转速、频率、扭矩和功率等参数进行实时的采集、处理与分析,为纵轴流联合收获机脱粒分离、清选装置等关键部件的设计提供了依据 。342010 年杨方飞、阎楚良等利用高阶-龙塔数值方法，对纵向轴流滚筒脱粒过程中谷物运动状态进行了数值仿真，并对比高
13、速摄像试验分析结果，验证了数值仿真结果的有效性。35近年来，我国对轴流滚筒进行了大量的研究，使各轴流式联合收割机的品种繁多。例如，横置轴流脱粒-分离滚筒，代表机型有珠江-1.5 型、福田 4LD-2 和湖州-130 型等，这种配置的收割机多见于背负式，该装置因结构上的原因滚筒长度一般较短，所以脱粒分离能力较低。对于北方的粳稻而言，其适应性略显不足，因此发展空间受到一定的限制 。36切流脱粒滚筒+横置轴流分离滚筒，代表机型有迪尔、福田、新疆-2、佳联 3060 等。这种配置多见于中小型自走式联合收割机，因采用切流滚筒脱粒，在收获潮湿或难脱作物时，脱净率和分离性欠佳，经常出现滚筒堵塞现象，不如轴流
14、滚筒适应性好，此种机型主要以收麦为主 。37切流脱粒滚筒+纵置轴流分离滚筒，如 3518CTS 型联合收割机，该机型采用了目前国际先进的 CTS 技术-切流式脱粒滚筒加双轴流钉齿分离滚筒结构，有效增强了机器的脱分性能。具有收获效率高、破损率低、总损失小、一机多用、综合性能好等优点。脱粒滚筒前端钉齿间距 15cm，滚筒后端钉齿间距 30cm。而 X56 联合收割机是在 3518CTS 大型水稻联合收割机基础上，研制开发的体积小、成本低的单切流脱粒滚筒与单纵轴流分离滚筒组合式联合收割机。脱粒滚筒为钉齿式或纹杆式两种，根据不同作物品种选装。该机型具有喂人量大、分离能力强、清洁率高、作业效率高、损失率
15、低等优点，收割相对潮湿、分离难度大、产量高的水稻比较适合 。38虽然目前我国己研制开发的水稻联合收割机种类较多，性能较好，但仍存在一些问题亟待解决 :整机配置不够合理，机组较重；通过性差，在泥脚深的地块，作业比较39困难；可靠性低，收获质量不高，收获期间机具容易出现故障，影响作业速度；秸秆处理不够理想，易造成有机质大量损失和环境污染；价格与机具质量不匹配，农户难以承担；机型结构庞大，收割适应性差，对作物状态、质地要求高，受气候影响大。纵观国内外对轴流脱粒与分离装置机理的研究，国外多侧重于如何减少损失率以及影响谷物损伤率的外周因素上，而在各参数对性能指标的影响、谷粒在脱粒滚筒内的运动规律、脱出物
16、下落规律等方面的研究较为少见。国内对轴流脱粒分离装置的研究虽然取得了一定成绩，但对新型轴流装置的创新设计，以及相关理论和试验研究工作还不够深入，尚未全面弄清轴流装置的脱分机理和工艺参数，对影响轴流脱离与分离质量的各主要因素尚缺乏全面的分析，对如何评价轴流装置的性能尚缺乏科学的依据，在先进测试技术和研究手段的使用方面与国外仍有一定差距。1.3 研究的主要内容和技术路线1.3.1 主要内容为了进一步深入研究钉齿式轴流脱粒分离装置参数对脱分性能的影响，为国外机型国产化和传统机型改造提供可靠的理论依据，本课题研究的主要内容为：（1）对钉齿间距进行单因素试验研究，研究其变化对轴流脱粒分离装置性能指标的影
17、响规律，得出钉齿间距的合理取值；（2）在单因素试验结果的基础上，选取喂入量、滚筒转速、凹板间隙三个因素，按照二次回归旋转组合设计的试验方法进行多因素试验，建立因素与各性能指标的回归方程；分析各因素对性能指标的影响规律，得出影响性能指标的主次因素；采用主目标函数法，利用 MATLAB 软件进行优化求解，得出参数的最优组合；根据最优参数组合进行验证试验，判断所得的各性能指标能否满足技术要求；（3）借助高速摄像技术对钉齿式轴流装置脱分空间内谷物运动、稻穗脱粒、籽粒碰撞、短茎秆运动和脱出物下落等过程进行在线观察和分析，并利用 MIDAS 和 Photoshop 等软件对图像进行处理和分析，得到各运动过
18、程的相应规律。贾姐1.2.1 国外的研究现状及未来的发展趋势谷物脱粒与分离装置上收获机械的重要组成部分，其性能的优劣直接影响到整机的工作质量。在轴流收获技术发展过程中，众多国内外学者针对脱粒与分离原理，结构参数及工艺参数对收获机械工作性能的影响进行了研究。国外对轴流脱粒与分离机理的研究，已有 200 多年的发展历史。虽然历史悠久，但进展较为缓慢，尤其是对脱粒机理的研究在很长时间都停留在梳刷、搓擦、挤压、冲击等方面，直到 60 年代后，才开始进入理论性的深入研究。1978 年，加拿大 P.D.Wrubleshi 3等人在田间进行了大量的试验，研究了非籽粒喂入量对分离效率的影响，得到结论随着喂入量
19、增加，分离损失逐渐增加。20 世纪 80 年代初，P.Wacher 采用轴流分离方式的台架进行试验，试验在室内完成，依据该试验测定的结果，绘制了籽粒、茎稿和颖杂等研究对象分别沿轴向的分布曲线图，通过试验发现对物料轴向运动速度的影响最大的因素是滚筒上的动导板的安装角度的大小和笼上的定导板这两个因素又直接影响分谷物的脱粒分离率。1990 年 H.P.Harrison4通过试验的分别对凹板间隙、滚筒转速、喂入速度、螺旋叶片角度、水分等因素在工作中影响机械对谷物的影响做了分析比较。得出结论：（1）在快速喂入和选择凹板间隙小时所消耗的功率大（2）滚筒转速、叶片角度和喂入速度是影响谷物损失率的重要因素；（
20、3）水分和凹板间隙是对功耗影响最小。20 世纪 90 年代末 P.I.Miu5通过对脱分装置原理的分析，对谷物的脱分工作过程建立了一定条件下的数学模型，利用仿真软件进行了相应分析，依据结论，给出了分离的籽粒、未脱净的籽粒及自由的籽粒的变化曲线图，所建立的数学分析模型对后来的脱粒与分离装置的生产研究给予了有意义的参考。川村登、李升拨在不计物料层之间的相对滑移的假设条件下，利用物料在脱粒空间内保持质量不变，选择钉齿式滚筒并建立了轴流脱粒空间中物料的运动微分方程 6。近年来，经过不断的研究发展，一些国家的公司先后成批生产了不同类型的轴流式联合收获机并投入市场。如美国福特纽荷兰（Ford New Ho
21、lland） 、美国凯斯（Case）IU 公司、美国约翰迪尔(JohnDeere)公司的 CTS 机型、德国克拉斯（Class）公司、意大利菲亚特（FIAT）公司等跨国公司都在竞相发展纵向轴流联合收割机。由上述可见，随着陆续的科研工作者对脱粒分离装置的不断深入研究以及脱粒性能的不断优化，轴流脱粒与分离装置的研究将不断被完善。后来利用了高速摄像技术把对轴流脱粒与分离装置的研究工作又向前推进了一大步尤其是库晋、希林和弗林希尔等人通过高速摄像进行了大量的实验，得到如下结论：（1）由试验可以看到，稻谷本身的性质、脱粒设备的类型、稻谷喂入滚筒的情况和脱粒的工艺参数条件等因素是影响谷物脱粒质量和效率的主要
22、因素。 （2）通过对脱粒的工艺参数的研究发现，影响稻谷损伤率的主要因素是纹杆的速度。谷物在分离前受到多次打击并以极高的速度撞击凹板栅格是引超稻谷损伤的主要原因是 7-9。 （3）谷粒越干燥其损伤率越高使稻谷损伤率增加的因素还有凹板间隔增大或者凹板格条数。对轴流装置脱分过程进行了更深入的分析是芬肯泽尔 10，利用高速摄影技术，当稻谷与纹杆或稻谷与凹板栅格条撞击的时候进行在线拍摄，可以看出，谷粒的运动速度高于纹杆的圆周速度，并且撞击速度、撞击角度是影响稻谷损伤率的重要因素。1.2.2 国内研究现状及发展趋势近些年我国对轴流滚筒进行了大量的研究，主要如下：2003 年安徽农业大学邵陆寿等在不确定环境
23、下对影响脱粒性能的各因素进行优化，建立脱粒装置与其影响因素之间非线性模型。2003 年徐立章 11从概率角度出发，以整体方式，实验研究的手段，对梳脱式联合收割机中的切向喂入轴流复脱装置进行研究，在合理假设的基础上，建立了单个断穗头在复脱间中的运动模型。得出结论，其一是关于未脱净的籽粒量、累计分离的籽粒量以及自由运动籽粒量沿复脱滚筒轴向的分布规律；其二是关于未脱净损失、复脱滚筒长度和夹带损失的关系。从理论上建立了梳脱式联合收割机复脱装置的数学模型。2004 年江苏大学李耀明 12对利用高速摄像技术对物料在振动筛上面的运动进行了跟踪拍摄。并水稻梳脱混合物复脱分离、清选特性进行了研究，2005 年李
24、渤海、万霖 13-14以水稻为研究对象，分别对其在螺旋叶片板齿式和钉齿式轴流脱粒与分离试验台上做实验。通过比较实验，考察两种装置的脱离性能优劣，以功耗、一次未脱净率、不籽粒破碎作为研究轴流脱粒与分离性能的主要指标，通过比较滚筒速度、喂量及导向板导角度对功耗、破碎率、一次未脱净率、轻杂物比的影响，利用多目标非线性优化理论对试验台的工艺参数进行优化。2006 年李杰等 15以纵向轴流联合收割机械为研究对象，对其关键部件工作过程进行分析，建立了脱粒装置的数学模型，在不同的实验中发现在滚筒长度达到 1.8 米时脱粒装置的脱分率最好。并在计算机上进行了模拟仿真和性能参数的预测。验证了脱粒装置的脱净率和分
25、离率与滚筒长度的函数的关系。2008 年江苏大学李耀明教授等 16对短纹杆-板齿与钉齿脱粒滚筒的脱粒性能进行了对比试验研究 22-24，对两种形式脱粒滚筒进行了脱粒对比台架试验，得出了功率消耗、脱粒损失、脱出物杂余含量、排出茎秆和脱粒滚筒功率消耗等方面的对比情况。2009 年徐立章等 17在自行设计的纵轴流式脱粒分离-清选试验台上，获得了多个工况下脱粒分离、清选性能指标以及脱出物的分布规律。并采用 VC+编写的测控软件系统对试验过程中工作部件的转速、频率、扭矩和功率等参数进行实时的采集、处理与分析,为纵轴流联合收获机脱粒分离、清选装置等关键部件的设计提供了依据。这些研究并没有直接得出运动规律的
26、直接模式，本文利用高速摄像技术通过籽粒运动过程中的直接拍摄，观察并分析了籽粒、轻杂物的运动规律。1.3 本课题研究的主要内容（1）轴流装置实验台的研制。（2）通过高速摄像在线拍摄稻谷在脱粒过程的运动情况。（3）通过稻谷运动情况的观察分析对不同转速以及不同喂入量的分别加以比较，得出不同条件下的籽粒运动规律。（4）稻谷脱出物的运动规律的高速摄像分析。张延河1.3.1 国外研究状况脱粒分离装置工作原理的研究受到广大农机工作者普遍重视，在生产中得到了广泛的应用。国外对水稻脱粒机理的研究在相当长的时期内停留在梳刷、冲击、搓擦、挤压等方面的陈述上，进入二十世纪六十年代后，才逐渐进行深入的研究。1964 年
27、，美国的布契尔教授在分析了类似现行的轴流脱粒装置时指出，冲击滚筒包含着梳刷、搓擦、振动三个过程，并对轴流脱粒过程所涉及到的梳刷、冲击、搓擦、挤压四种原理列举了各自的表达式，也就是梳刷脱粒、搓擦脱粒、冲击脱粒、无冲击脱粒四种脱粒的形式。但是，布契尔没有对四种脱粒形式的公式在轴流脱粒过程中的主次关系进行探讨。Arnold, R.E. 在脱粒分离试验中发现，谷物通过凹板的分离是凹板长度的指数函数，这个指数关系是在凹板分离和总的喂入速率中发现的 。71966 年，Caspers,L.在 凹板分离的影响和脱粒性能的建造 一书中，对于各种谷8物，提出了喂入速率的提高会使脱粒损失增大、凹板分离降低；谷粒通过
28、凹板的分离呈现出指数的形式降低；滚筒速度是直接影响滚筒脱粒损失的最重要的因素，滚筒的转速提高，损失就会降低，分离效率也会提高。这些理论的提出，为后人研究轴流脱粒分离装置提供了宝贵意见。1969 年, J.D. Long 为了描述谷物在分离的过程中，单个籽粒在离心力的作用下，通过茎秆层所需要的时间，用质点沿径向运动的方程求得茎杆层对籽粒的阻力的解析式 。91977 年，卢里耶 AG 格罗姆切夫斯基在农业机械的设计和计算一书中提出了切流脱粒理论的基本公式，这个公式也一直被应用于轴流脱粒装置的研究中。但是，当时这个公式的提出，是以脱粒空间内水稻的运动速度等于滚筒的圆周速度为前提的，而实践证明，水稻在
29、轴流脱粒分离装置中的运动速度是与滚筒的圆周速度不等的，仅为滚筒的圆周速度的 2050 。101978 年，加拿大儒伯莱斯基等人进行了田问对比试验，研究了非籽粒喂入量对分离效率的影响规律。得出随着喂入量的增加，分离损失逐渐增加。但是，对于轴流式分离装置损失增加不明显 。11979 年 V.M.Huynh 等学者在假定水稻的脱粒分离均满足指数分布的条件下，建立了水稻脱粒分离过程概率模型，并通过模型进行了预测，为谷物脱粒装置设计提供了有价值的工具，但模型过于简单化和经验化 。121981 年，西德的瓦克进行了室内轴流分离的台架试验，测定绘制了籽粒、颖壳、杂余和稿草分别沿轴向的分布曲线，得出罩笼上的定
30、导板和滚简上的动导板的安装角度对物料轴向运动速度的影响很大，直接影响脱粒分离的效率。1990 年，H.P.Harrison 在室内利用大麦完成了滚筒转速、凹板间隙、螺旋叶片角度、喂入速度和水分对轴流收获机的动力消耗和谷物损失的影响，得出小的导向板导角在高水分、快速喂入及较小的凹板间隙时功率消耗过大，而对损失影响较大的是滚筒转速、螺旋叶片角度和喂入速度，影响较小的是水分和凹板间隙 。131997 年,P.I.Miu 分析了轴流脱粒与分离装置的工作原理，针对工作过程建立了数学模型，并且用 MATLAB 软件进行了仿真，绘制出了未脱籽粒、分离籽粒和自由籽粒的变化曲线，他所建立的数学模型为今后的研究工
31、作者提供了可借鉴参考 。141999 年，Heinrich 等人通过大量的试验，得出了稻谷脱粒与分离过程中稻谷的水分对分离效率的影响，并对几种常见的稻谷进行了对比试验 。5库晋、希林和弗林希尔等人通过高速摄像进行了一系列试验，将影响脱粒质量和效率的因素分为 4 类：脱粒水稻的性质、脱粒设备的类型、脱粒的工艺参数和水稻喂入滚筒的情况。其中，影响水稻损伤率的有：一是脱粒水稻的性质中谷粒的湿度，谷粒越干燥越容易损伤。二是脱粒设备中，凹板间隔增大以及凹板栅格条数减少都将使水稻损伤率增加。三是脱粒的工艺参数中，纹杆的速度越大，水稻损伤率越高。水稻的损伤主要是由于分离前受到多次打击并以极高的速度撞击凹板栅
32、格引起的。四是喂入量的增加和谷草比的减少将使损伤的谷粒量减少 。16国外研究多侧重于提高脱粒率的研究，对其他性能指标的研究不多见，对功耗的研究也较少，同时未能系统全面地综合考虑各参数对性能指标的影响，还有待更进一步深入的研究。近年来，经过不断的研究发展，一些国家的公司先后成批生产了不同类型的轴流式联合收获机并投入市场。如美国凯斯（Case）IU 公司、美国福特纽荷兰（Ford New Holland） 、美国约翰迪尔(JohnDeere)公司的 CTS 机型、意大利菲亚特（FIAT）公司、德国克拉斯（Class）公司等跨国公司都在竞相发展纵向轴流联合收割机 。可见，随着科17研工作者对脱粒分离
33、装置的不断深入研究，脱粒性能不断被优化，对轴流脱粒与分离装置研究将不断被完善。1.3.2 国内研究状况我国的全喂人水稻联合收割机，相对国外机型在很多方面需要完善和提高，特别是脱粒分离系统，要处理较大的喂人量，提高清洁度、降低损失率，就需要提高脱粒分离装置的工作能力和可靠性 。18我国对轴流脱粒装置大量的研究工作是在上世纪 70 年代开始的 ，当时市场上突然19出现了大量轴流脱粒机和联合收获机，同时一些科研人员和学者也开始了对轴流脱粒分离装置各部件的研究。一些高等院校以及一些科研单位专门建立了试验室，设计制造了各种室内试验台架，在室内做脱粒分离试验，对轴流脱粒部件的研究取得了喜人的成就。1975
34、 年，北京农机学院的曹崇文，对谷物联合收割机凹板的分离性能进行了研究。研究得到提高凹板分离性能的主要措施：是加大有效分离面积，提高滚筒速度，210加大凹板包角，脱粒间隙尽量小，降低喂入量。但是没有得到具体的数据，还有待于进一步研究，但从中得到了影响凹板分离的参数。1977 年，东北农学院王成芝教授进行了纵置式轴流滚筒 的分析性试验和工作原理2的探讨，研究了钉齿式、钉齿叶片式和纹杆叶片式三种滚筒与横栅式凹板、单栅式凹板、双栅式凹板以及三栅式凹板组合的脱粒分离形式对小麦、大豆、玉米和水稻等作物的性能对比试验，得出了不同方案情况下的损失率、单位功耗、分离物含杂率和排出茎秆率五个性能指标，但其研究主要
35、是针对喂入量 68kg/s 的轴流脱粒与分离装置进行的，同时由于受当时测量手段等方面的影响，结果还有待于进一步研究。1977 年，中国农业机械化科学研究院便开始对立式轴流脱粒性能进行试验研究，并对它的工作原理进行了理论分析。试验研究认为，轴流滚筒的脱粒过程和传统型滚筒的“一次脱粒”形式不同。轴流滚筒脱粒时，作物是在被迫振动的同时，并多次受到脱粒元件的打击而使籽粒与茎秆的连接处产生疲劳破坏而断裂，也就是所说的“疲劳脱粒”法。提出了一个降低功耗的重要途径就是将茎秆切断，他们认为控制喂入长度是克服轴流滚筒功耗大的好办法。在研制过程中采用了原子示踪、非电量电测以及高速摄影等，为以后的工作者提供了很好的
36、测量方法和手段。1987 年东北农学院董成茂 在研究割前脱粒水稻收获机脱出物的处理时提出一种新23型叶片式立置轴流分离复脱清选三合一装置，利用高速摄影研究了籽粒在滚筒中的运动规律和特性，从理论上建立滚筒结构参数、运动参数和滚筒分离特性之间的联系，给出水稻籽粒受到冲击后疲劳损伤的规律，并对如何减少籽粒在分离过程中出现的损伤进行曲线试验研究。1992 年，李保国进行了轴流脱粒装置凹板分离物分布规律的研究 。试验得出了凹24板分离物的各成分沿滚筒轴向的分布规律，同时采用全钉齿型和弓齿、钉齿齿排间隔组合型的轴流滚筒，进行了性能对比试验，为提高轴流滚筒对脱水稻的适应性进行了有益探索。1998 年，张认成
37、运用变质量系统基本原理，对轴流脱粒机理进行了研究并取得了重要成果：一是建立了轴流脱粒空问内谷物运动的非线性数学模型，编制了相应的 MATLAB 仿真程序；通过计算机动态仿真得到了更接近于实际的季节性位移图和速度图，并对其进行了深入的理论分析和验证。研究思想突破了传统的轴流脱粒理论，为脱粒机理研究开辟了新途径。二是建立轴流脱粒空间内谷物运动的非线性力学模型。在计算机上对轴流脱粒过程谷物的力学状态进行仿真并对脱粒机理进行理论分析。仿真结果表明，脱粒装置的反力和钉齿打击力都是谷物运动角位移的复杂周期函数，每一个周期又可分为冲击脱粒和茎秆疏松两个阶段，两者协调呼应交替出现，使谷物得以充分脱粒和分离。谷
38、物这种交替出现的受力状态是保证籽粒有效脱粒的动力学条件。三是建立了比较完善的轴流脱粒滚筒的功耗模型，并从理论上解释了 CZ 卡那沃依斯基的实验系数的物理意义。四是采用 MATLAB 建立了联合收割机脱粒滚筒的仿真模型和模糊控制器 。252004 年，在衣淑娟 自行研制的轴流脱粒分离试验台上，万霖进行了钉齿式轴流276脱粒分离装置参数的试验研究 ，李渤海进行了螺旋叶片带板齿式轴流脱粒分离装置98参数的试验研究 。研究中分析了轴流脱粒与分离过程中各参数的影响规律；对喂入量、30滚筒线速度、导向板导角、脱粒间隙等参数进行了反复试验研究，得出了各个参数的最优数值，建立了各性能指标与脱粒分离因素之间关系
39、的数学模型，从理论上得到了脱粒与分离的各个工艺参数值。但也未能对影响性能指标的全部参数进行全面系统的研究。2007 年，东北农业大学于淑芳等人把传统联合收割机的脱粒分离装置改装成轴流滚筒并进行研究与实践，改装后脱粒、分离部分的总体结构形式为横向切流滚筒+纵向双轴流滚筒，因改装轴流滚筒后，脱净率提高了，糙米量降低了，但杂余比改装前增多了，加重了清选的负荷 。312008 年，衣淑娟、陶桂香、毛欣等人在自行研制的轴流脱粒分离装置试验台上，利用水稻对螺旋叶片板齿组合式与钉齿式轴流脱分装置脱出物分布规律进行了试验研究，得到了两种装置脱出物分布规律曲线沿轴向呈 Peal-Reed 模型，沿周向均为系数不
40、同的多项式形式。脱出物沿轴向与周向分布不均匀，且两种装置脱出物特性不同 。同年，又以螺旋32叶片、板齿组合式轴流脱粒与分离装置为研究对象,借助高速摄像技术观察到籽粒在脱粒部件梳刷、冲击、碰撞及物料之间相互搓擦的作用下，从枝梗上分离下来，期间稻穗呈环扣状，籽粒以环扣为中心向四周散射。稻谷进入脱粒空间后迅速形成薄层，并在脱粒部件和导向叶片的联合作用下，旋转向前涌动。当稻谷层受到冲击和梳刷作用时，瞬间被压缩,随之被抛离，呈蓬松状态，使被脱下的籽粒有机会穿过蓬松茎秆层分离出去 。32009 年，李媛媛、孙曙光、林爱琴等人通过在轴流脱粒与分离装置试验台上进行单因素试验，在喂入量、滚筒转速、凹板栅格尺寸一
41、定的情况下，随着凹板间隙的增大，总损失率和含杂率逐渐增加；茎秆的破碎率随凹板间隙的增加，长茎秆增加，短茎秆减少，中茎秆的变化不是很明显 。342010 年，衣淑娟以螺旋叶片、板齿组合式轴流脱粒与分离装置为研究对象，结合运动学模型，分析在不同滚筒转速条件下，稻谷运动轨迹、绝对速度随时间的变化规律。并利用高速摄像在线拍摄，观察到在不同滚筒转速条件下，稻谷运动方向与切线方向均成一定角度，但角度大小不同，滚筒转数越高，夹角越大，那么稻谷沿着滚筒的轴线方向移动的能力就越强。滚筒转数不同的时候，稻谷运动的速度也不相同，它会随着滚筒的转速增加而增大 。35目前，水稻轴流脱粒机械已得到广泛应用并取得了显著经济
42、效益，但是轴流脱粒机理的研究仍存在着许多盲区，尚未形成比较完整的理论体系，这种状况阻碍了轴流脱粒机械的应用和推广。虽然国内外对水稻轴流脱粒机理的研究已经取得了一定成绩，但仍存在着以下不足：一是对于轴流脱粒机械中各参数，比如喂入量、滚筒转速、凹版间隙、顶距等的选用，仅限于通过实验研究总结规律；二是对于喂入量、滚筒转速等参数对水稻破损的影响，以及如何通过控制喂入量、滚筒转速等参数控制水稻在脱粒过程的损伤率，目前并没有成型的理论根据；三是缺少对水稻在运动过程中本质的描述。纵观国内对轴流脱粒分离装置的研究，虽已取得了一定的成就，但在广泛被看好的纵置式轴流水稻联合收割机脱粒分离装置的研究还相对比较少，还不够成熟和系统，相关试验研究还不够深入，大多是借用老机型的结构和理论或对老机型的改装，对纵轴流脱粒分离装置的设计和研究有待于进一步的探索和提高，对影响脱粒分离性能的各主要因素尚缺乏全面的分析。本研究是通过自行研制的纵置轴流脱粒分离装置试验台，采用不同脱粒部件对水稻进行脱粒分离试验，对影响脱粒分离性能的各参数进行试验研究。
