柔性齿与谷粒瞬时作用特征及其降低脱粒破损的耦合机理

关于柔性作用方式能降低水稻脱粒破损，目前国内外已形成共识。本项目提出以柔性齿为研究对象，对柔性齿、稻秸秆和谷粒间动态本构关系以及柔性齿变形对降损的作用进行研究。采用有限元分析、多介质耦合、分层建模、高速摄影与图像分析等方法，获得柔性脱粒系统空间中"谷粒-稻草-秸秆"等混合物的粘弹塑性力学规律，阐明脱粒过程中"柔性脱粒齿-谷粒等混合物"间的非线性力学关系和耦合机制，从而确定脱粒过程中能量分配规律，解决柔性脱粒齿结构参数、运动参数与脱粒降损要求间的多目标复杂优化关键问题。研究所获得力学规律、多介质耦合作用机制、柔性脱粒的虚拟仿真等研究成果，能为脱粒空间混合物力学性能研究、脱粒齿与谷粒相互作用的本构关系建立、降损节能脱粒技术开发等提供重要的参考。

近年来，国内外学者对水稻脱粒损伤的成因进行了较多的分析，对降低脱粒破损的措施进行了研究，通过降低脱粒齿打击强度、延长脱粒时间来减少谷粒损伤已形成基本共识，但对于在不影响生产效率前提下，如何通过调节喂入量、脱粒滚筒相关参数来降低水稻的脱粒损伤并没有成型的理论依据。此前已有研究表明柔性脱粒对降低脱粒打击强度有显著作用，但也没有对柔性脱粒齿与谷粒间的作用形式与特征和降低破损之间的耦合关系进行深入研究。本项目主要是以柔性脱粒齿和谷粒为对象，分析柔性齿变形与刚性弓齿作用方式的关联，揭示了柔性齿对理顺谷物层、产生梳刷冲击作用之间的内在本质，通过发掘柔性齿与谷粒间的瞬时作用形式及变化特征，探讨了“柔性齿-谷粒-稻秸秆”之间的本构关系，采用有限元分析了柔性脱粒齿脱粒振型及降低功耗的原因，设计了柔性脱粒系统与柔性齿磨损检测系统，物化成果在全喂入收割机上实施，虽成效不显著，但为低损脱粒装置的研发提供了理论依据和方法。主要创新点及其主要研究进展包括如下：（1）从微观机制的角度对成熟期高产水稻的生物力学特性进行研究，对湖南地区的14种高产水稻进行了谷粒与粒柄之间连接力测试，得到了谷柄连接力的分布范围，以及高产水稻产量与谷柄连接力之间的关系，同时测试了不同位置分枝连接力的大小、对含水率与连接力的影响关系进行了分析。（2）对脱粒过程稻秸秆-谷粒与脱粒齿耦合关系进行了分析与研究：建立了自重作用下稻秸秆的挠曲线方程，分析了稻秸秆挠度对脱粒时间的影响关系；利用ANSYS对柔性脱粒齿的弹性振动进行了分析，得到在脱粒滚筒转速及喂入速度一定的条件下有利于打击脱粒的柔性齿长和柔性齿直径等特征参数。（3）为揭示脱后混合物分离特征，对有关运动学与动力学进行了分析，建立了脱粒后谷粒运动微分方程；比较分析了柔性齿与刚性齿脱粒水稻的功耗，建立了脱粒滚筒功耗模型，并对低耗柔性齿齿长进行了分析，试验结果表明同直径大小的脱粒齿，柔性齿脱粒功耗要比刚性齿脱粒的功耗小得多，且振型分析证明了该结论。（4）为揭示柔性脱粒分离规律，进行了脱粒与淸选分离特性试验，得到了轴向长度、径向宽度上的脱粒分离规律，得出了脱分率与脱分长度的关系。（5）创新设计了一种可调脱粒间隙的柔性齿脱粒系统和一种脱粒元件摩擦磨损试验机且已初步应用。