图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 小麦结构图Fig.1 Structure chart of wheats

本试验中所需小麦选择山东省农业科学院研发的高产冬小麦“ 济麦20号” , 如图1所示, 于2014年4月28日在山东省农业机械科学研究院试验场采集。麦穗净长度为80 mm以上, 麦穗总长为140~160 mm, 从麦穗底部向上按照下、中、上的顺序分别摘取第1层颖壳、第2层颖壳、麦粒单元、穗轴; 从麦穗底部按照上、中、下的顺序分别裁剪小麦茎秆, 颖壳拉伸有效长度为10 mm, 其截面积为0.629 mm², 穗轴、穗轴与麦粒单元连接体、茎秆的长度均为30 mm, 截面积分别为4.95、4.20、4.52 mm²。

由于小麦收获机械部件材料主要是普通碳钢和橡胶, 所以选用普通碳钢和橡胶两种材料的摩擦板进行试验, 其中普通碳钢型号为Q235, 厚度为8 mm, 表面平整光滑且无锈蚀; 橡胶板厚度为3 mm, 表面平整光滑, 无毛刺、无划痕、无凹凸。

由于小麦籽粒、颖壳与麦穗的连接均为铰接, 并且麦穗在竖向的籽粒排布更有规律, 当麦穗受到竖向摩擦力时, 籽粒、颖壳与麦穗能够形成有效的脱粒、去皮力矩, 所以对三者的静摩擦试验均采用竖向放置。

由于第1层颖壳比第2层小, 并与第2层颖壳呈半开合状态, 在收获过程中受力即可自动脱落, 第2层颖壳与籽粒紧密包裹, 脱粒过程中脱落难度最大, 所以只对第2层颖壳做拉伸试验。

小麦含水率测试采用日本KETT公司生产的PM-8188型谷物水分测试仪。

摩擦试验采用吉林大学生物与农业工程学院自主研发的机械式静摩擦试验台, 其结构如图2(a)所示, 其工作原理如图2(b)所示, 为试验台的长度, mm; 为载物台上升高度, mm。摩擦板镶嵌在载物台上, 试样放置在摩擦板上, 转动螺杆推动滑块前进, 使载物台缓缓上升, 待试样开始滑动时停止转动螺杆, 通过上升高度即可计算出试样的静摩擦因数。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 机械式静摩擦试验台Fig.2 Mechanical static friction test bench

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 拉伸试验装置Fig.3 Tensile test device

拉伸试验采用东莞市高泰检测仪器有限公司生产的QT-1186型电子拉力试验机, 用上夹具和下夹具夹紧试样, 通过拉力传感器测试拉伸特性, 如图3所示。

(1)含水率的测试

本文选择比正常收获期提前2周的小麦作为试验对象, 探索较高含水率条件下小麦的摩擦和拉伸性能, 为解决飞溅损失与脱净率、茎秆缠绕之间的矛盾提供基础数据, 也为研究柔性仿生收获技术奠定基础。对小麦整体含水率重复测试10次, 平均含水率为36.16%, 后续摩擦性能和拉伸力学性能试验都在该含水率条件下进行。

(2)摩擦性能试验

小麦收获时摩擦主要发生在收获装备与颖壳、籽粒、麦穗之间, 所以对第1层颖壳、第2层颖壳、籽粒、麦穗重复测试10次静摩擦因数, 取其平均值, 静摩擦因数 的计算公式如下:

式中: F₁ 为拉力分量; F₂ 为压力分量; G为重力; f为摩擦力; N为支持力; α 为底座与载物台夹角。

(3)拉伸性能试验

小麦收获时拉伸主要发生在茎秆、穗轴、第2层颖壳、麦粒单元和穗轴, 所以只对上述部分进行拉伸试验, 将麦粒单元竖直放置在上夹具中, 穗轴竖直放置在下夹具中, 沿穗轴加载。第2层颖壳体积最小, 长度最短, 装夹误差大, 所以对其重复测试20次, 其余重复测试10次, 并对上述测试结果取平均值。第2层颖壳断裂截面最小, 施加较小的拉力就会发生断裂, 所以将拉伸速度设为0.50 mm/s以提高其拉伸试验精度, 小麦试样其他部位断裂截面相对较大, 其拉伸速度为0.75 mm/s。

2.1.1 颖壳静摩擦试验分析

图4为颖壳静摩擦因数。由图可知:当颖壳的平面(与颖壳凸起的椭球形面相对的面)与摩擦板接触时, 第1层颖壳的平面与金属板的静摩擦因数为1.255,

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 颖壳静摩擦因数Fig.4 Static friction coefficient of glume shell

与橡胶板的静摩擦因数为1.338; 第2层颖壳的平面与金属板的静摩擦因数为1.110, 与橡胶板的静摩擦因数为1.190。由此可知, 当颖壳的平面与摩擦板接触时, 第1层颖壳的静摩擦因数大于第2层的静摩擦因数, 颖壳在籽粒单元上的生长位置对颖壳的平面摩擦因数影响较大; 当两层颖壳的平面同时与运动的摩擦板接触时, 第2层颖壳由于静摩擦因数较小, 从而优先与摩擦板发生相对运动; 颖壳的平面与橡胶板的静摩擦因数均大于与金属板的静摩擦因数, 接触部件的材料对颖壳的平面摩擦性能影响较大。

当颖壳的球面(颖壳凸起的椭球形表面)与摩擦板接触时, 第1层颖壳的球面与金属板的静摩擦因数为0.980, 与橡胶板的静摩擦因数为0.989; 第2层颖壳的球面与金属板的静摩擦因数为0.977, 与橡胶板的静摩擦因数为0.978。由此可知, 当颖壳的球面与摩擦板接触时, 其静摩擦因数非常接近, 颖壳在麦粒单元上的生长位置、接触部件的材料性能对静摩擦因数影响较小。

通过小麦颖壳的静摩擦因数分析可知, 小麦颖壳与橡胶材料接触时的静摩擦力较大, 因此要实现小麦的快速高效去皮, 可以在传统弓齿表面增加橡胶层, 形成刚柔结合的脱粒、去皮仿生部件。

2.1.2 籽粒静摩擦试验分析

图5为籽粒静摩擦因数。由图可知:当籽粒的平面与摩擦板接触时, 籽粒的平面与金属板的静摩擦因数为0.980, 与橡胶板的静摩擦因数为1.210, 由此可知, 接触部件的材料因素对籽粒的平面静摩擦因数影响较大, 同样压力条件下橡胶材料能够对籽粒的平面施加更大的静摩擦力, 从而使籽粒与橡胶板更容易保持相对静止状态。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 籽粒静摩擦因数Fig.5 Static friction coefficient of grain

当籽粒的球面与摩擦板接触时, 与金属板的静摩擦因数为0.720, 与橡胶板的静摩擦因数为0.828, 由此可知, 接触部件的材料因素对籽粒的球面静摩擦因数影响较小。综合籽粒的4种接触条件, 籽粒的平面与橡胶板的静摩擦因数最大, 可以作为评价籽粒摩擦性能的指标。

通过对籽粒的静摩擦因数分析可知, 金属材料与小麦籽粒接触时静摩擦力较小, 可以利用仿生技术对小麦收获机械的金属清选部件增加降低摩擦因数的涂层。还可以将小麦收获机械中的籽粒输送搅龙改造成橡胶材料, 通过增加搅龙叶片表面的静摩擦力增强轴向输送能力。

2.1.3 麦穗摩擦试验分析

图6为麦穗静摩擦因数。由图6可以发现, 麦芒倒刺正向时, 即麦芒倒刺的倾斜方向与摩擦板的倾斜方向一致时, 麦穗平面(麦粒单元叠加而形成的表面)与金属板的静摩擦因数为0.536, 与橡胶板的静摩擦因数为0.670, 麦穗的侧面(与麦穗平面垂直的两侧表面)与金属板的静摩擦因数为0.507, 与橡胶板的静摩擦因数为0.740。由此可知, 麦芒倒刺正向时, 材料因素对麦穗的静摩擦因数影响较小; 麦穗平面与橡胶板的静摩擦因数最大, 这与麦穗的平面结构相关, 麦穗平面均匀分布麦粒单元, 每个麦粒单元包括3个麦粒, 3个麦粒通过节点与穗轴连接, 两侧麦粒对称分布, 麦穗平面结构增加了表面粗糙度, 从而增大了与橡胶板的静摩擦因数。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 麦穗静摩擦因数Fig.6 Static friction coefficient of wheatear

麦芒倒刺反向时, 麦穗的平面与金属板的静摩擦因数为0.549, 与橡胶板的静摩擦因数为4.205, 麦穗的侧面与金属板的静摩擦因数为0.512, 与橡胶板的静摩擦因数为2.032。由此可知, 麦芒倒刺反向时, 材料因素对麦穗的静摩擦因数影响较大, 麦芒倒刺的倾斜方向与橡胶摩擦板的倾斜方向相反时, 麦芒倒刺呈小锯齿状插入橡胶板表面, 从而产生较大的静摩擦力; 而麦芒倒刺插入金属板的能力非常差, 因此与金属板的静摩擦因数较小。

通过麦穗的摩擦因数分析可知, 橡胶材料与麦穗的摩擦接触力更大, 可以将小麦收获机械的拨禾接触部件的材料由金属改为橡胶材料, 并在其表面设计能够增加微观摩擦的仿生形态, 能够有效增强小麦与拨禾部件的静摩擦力^[10], 提高拨禾瞬间的抓取力。

2.2.1 颖壳拉伸试验分析

图7为颖壳拉伸曲线, 由图7可知:颖壳的拉伸曲线主要表现为标准拉伸曲线和阶梯拉伸曲线两种, 颖壳达到强度极限后发生完全断裂, 断裂截面较为平齐, 此时拉伸曲线表现为标准拉伸曲线; 颖壳达到强度极限后发生5阶断裂时, 每次断裂从颖壳截面一侧开始, 逐渐向另一侧过渡, 最后断裂截面呈阶梯状, 此时拉伸曲线表现为阶梯拉伸曲线。在标准拉伸曲线中, 当颖壳的拉伸位移达到1.002 mm时, 颖壳发生标准断裂, 此时最大拉力为11.850 N; 在阶梯拉伸曲线中, 当颖壳的拉伸位移达到1.055 mm时, 颖壳发生第1阶断裂, 此时最大拉力为11.756 N。由此可知, 颖壳在两种断裂方式下发生断裂的位移、承受的最大拉力均近似相等, 说明颖壳的强度特性稳定; 颖壳发生第5阶断裂时的位移为3.421 mm, 比发生第1阶断裂时的位移大2.366 mm。由此可知, 要实现颖壳在阶梯断裂过程中完全拉断, 既需要足够的拉力, 又需要足够的拉伸位移。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 颖壳拉伸曲线Fig.7 Tensile curve of glume shell

通过对小麦颖壳的拉伸试验分析可知, 增加颖壳的受力大小和受力频率, 能够有效提高颖壳的脱落比例, 进而实现籽粒的完全去皮, 特别是增强较大含水率条件下的去皮效果。因此, 可以模仿动物的咀嚼行为, 将传统的滚动冲击脱粒去皮方式改变成水平揉搓方式, 使颖壳在交变应力作用下快速脱落。

2.2.2 茎秆拉伸试验分析

图8为茎秆拉伸曲线, 由图8可知:下部茎秆在5.676 mm位移处发生第1阶断裂, 所需最大拉力为47.186 N, 在6.976 mm处发生第4阶断裂, 所需最大拉力为15.822 N; 中部茎秆在2.830 mm处发生第1阶断裂, 所需最大拉力为43.794 N, 在3.484 mm处发生第4阶断裂, 所需最大拉力为11.884 N; 上部茎秆在1.442 mm处发生第1阶断裂, 所需最大拉力为22.748 N, 在4.032 mm处发生第4阶断裂, 所需最大拉力为12.242 N。由此可知, 茎秆的拉伸特性具有明显的阶梯断裂特点, 茎秆上、中、下3部分的断裂均为4阶断裂, 不同部位的茎秆发生第1阶断裂时的拉力均比后续各阶断裂拉力大; 茎秆下部的拉伸强度最大, 中部次之, 上部最小, 茎秆材料的非线性特点突出。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 茎秆拉伸曲线Fig.8 Tensile curve of wheat stem

通过对小麦茎秆的拉伸试验分析可知, 传统的小麦收获机械的切割器在小麦茎秆下部切割消耗功率较大。因此, 可以利用割前脱粒的工艺, 利用仿生切割器在小麦茎秆上部进行切割式摘穗, 既能降低功耗, 又能降低多余的茎秆与麦穗混合后产生的脱粒、清选难度。

2.2.3 穗轴拉伸试验分析

图9为穗轴拉伸曲线, 由图9可知:穗轴的断裂均为完全断裂,

图9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 穗轴拉伸曲线Fig.9 Tensile curve of wheatear shaft

在断裂之前趋向于弹性变形, 穗轴下部承受最大拉力为28.680 N, 中部承受最大拉力为24.340 N, 上部承受最大拉力为21.798 N。由此可知, 穗轴的拉伸强度从下向上逐渐减小, 当穗轴受到拉伸作用时, 上部最先发生断裂。

通过对小麦穗轴的拉伸试验分析可知, 小麦脱粒时如果沿轴向受力, 由于轴向抗拉强度的不同, 极易造成穗轴的断裂, 从而影响脱粒效率。因此, 小麦摘穗工艺完成后, 可通过水平旋转运动使麦穗脱粒, 以降低麦穗断裂比例, 提高脱净率。

2.2.4 麦粒单元与穗轴的拉伸试验分析

图10为麦粒单元与穗轴的拉伸曲线, 由图10可知:麦粒单元与穗轴下部的连接力为19.026 N, 与穗轴中部的连接力为11.318 N, 与穗轴上部的连接力为8.202 N, 各部分发生断裂的位移都在2 mm附近。由此可知, 麦粒单元与穗轴之间的连接力差别较大, 沿穗轴从下向上连接力逐渐减小, 导致不同部位的麦粒单元脱离穗轴所需拉力不同, 为保证所有麦粒单元从穗轴上脱落, 施加的最小拉力应不低于19.026 N。

图10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 麦粒单元与穗轴的拉伸曲线Fig.10 Tensile curve of connection between wheat unit and wheatear shaft

通过对麦粒单元与穗轴的拉伸试验分析可知, 采用传统的冲击梳刷脱粒方式, 需要施加不低于19.026 N的力, 而麦粒单元与穗轴中部和上部的连接力都低于此力, 从而造成额外功耗。因此, 在保持外应力不变的前提下, 将脱粒部件设计成变截面的仿生结构, 使外力按比例大小施加给麦穗, 实现节能降耗式的脱粒。