基于接触摩擦力学的玉米果穗剥皮机理研究及新型剥皮机构设计

Peeling is one of the most crucial parts of corn harvesting mechanization, and the performance of peeling device has a significant impact on the efficiency and reliability of the whole harvest machine. In order to improve the peeling rate and reduce corn damage rate of peeling device, this project studies on peeling mechanism of corn-ear based on contact friction mechanics by both theoretical analysis and experimental verification. Considering the function of peeling device, the mechanical models of peeling process including frictional contact mechanics model, bracts stripping mechanics model, and the nonlinear finite element model are built based on contact friction mechanics theory, stripping mechanics theory and nonlinear structural dynamics theory respectively. Then, the contact friction mechanism between rollers and corn-ear, bracts stripping mechanism and the damage mechanism of corn are investigated and the coupling mechanism between corn-ear and peeling device are studied by numerical analysis. Effects of the corn-ear physical and mechanical parameters, structural and kinematic parameters of peeling device on the performance of peeling are obtained. Based on the above results, a new type of peeling device will be developed and the test of peeling performance will be carried out. The research outcomes will provide theoretical basis and data support for the further design of the peeling device and the intelligent control strategy of corn harvester.

玉米剥皮是机械化收获玉米果穗的关键环节，剥皮机构的工作性能直接影响整机的作业效率和可靠性。本项目以提高玉米剥皮机构剥净率、降低籽粒损失率为目标，采用理论分析与试验验证相结合的方法，从剥皮机构的功能出发，采用分段式设计思想，基于接触摩擦力学、剥离力学和非线性结构动力学理论，构建剥皮辊与苞叶摩擦接触力学模型、苞叶剥离力学模型、剥皮辊与籽粒非线性有限元模型；基于数值分析和仿真技术，探索剥皮辊与苞叶的接触摩擦机理、苞叶剥离机理、籽粒损伤机理，获取果穗与剥皮机构的耦合作用机制，得到果穗物理力学参数、剥皮机构关键结构参数和运动参数对剥皮性能的影响规律，并进行试验验证；开发新型玉米果穗剥皮机构，开展剥皮性能试验。项目研究成果将为农产品剥皮去壳机构的正向设计及玉米收获智能控制策略提供理论依据和数据支持。

我国大部分地区适收期玉米果穗的含水率普遍在25%~45%，不适合直接脱粒收获，一般需要配置剥皮机构，玉米剥皮是机械化收获玉米果穗的关键环节。由于玉米种植地域广阔，品种多样，收获期玉米果穗的物理力学特性千差万别，对于如何提高苞叶剥净率，同时降低籽粒损失率的问题，一直没有得到很好的解决。本项目以提高玉米剥皮机构剥净率、降低籽粒损失率为目标，采用理论分析与试验验证相结合的方法，主要研究内容及成果包括：.（1）玉米物理特性及剥皮机理研究。测量了种子玉米的直径、长度等，建立了“果穗-剥皮辊”接触摩擦力学模型，获得剥皮机理，分析了剥皮辊有效攫取苞叶的条件；结合理论分析结果与种子玉米物理特性，对种子玉米剥皮辊表面花纹进行了创新设计。.（2）基于接触摩擦力学、剥离力学和非线性结构动力学理论，构建了剥皮辊与苞叶摩擦接触力学模型、苞叶剥离力学模型、剥皮辊与籽粒非线性有限元模型；.（3）基于数值分析和仿真技术，探索了不同工况下剥皮辊与苞叶的接触摩擦机理、苞叶剥离机理、籽粒损伤机理，获取果穗与剥皮机构的耦合作用机制，得到果穗物理力学参数、剥皮机构关键结构参数和运动参数对剥皮性能的影响规律，并进行试验验证；.（4）基于TRIZ理论创新设计了新型种子玉米果穗剥皮机构，开展了种子玉米剥皮性能试验。以苞叶剥净率、籽粒损失率和籽粒破碎率为评价指标开展验证试验，对试验结果进行回归方程方差分析和因素响应效应分析，确定了新型种子玉米剥皮装置的最优参数组合方案为剥皮辊转速320 r/min，剥皮倾角6.2°，摆杆摆动幅度为5.2 mm，此时三项评价指标的值分别为93.89%，1.57%和1.34%，满足种子玉米剥皮要求。.项目研究成果为种子玉米剥皮机构的设计提供了装备支撑，同时为其他农产品剥皮去壳机构的正向设计及玉米收获智能控制策略提供理论依据和数据支持。