钉齿式轴流装置脱粒过程高速摄像分析

Ｈｉ ｇ ｈ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄＰ ｈ ｏ ｔ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙＡ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｔ ｈ ｒ ｅ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇＰ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｎ Ａ ｘ ｉ ａ ｌ Ｆ ｌ ｏ ｗＤ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅｗ ｉ ｔ ｈＮ ａ ｉ ｌ ｓ Ｔ ｅ ｅ ｔ ｈ
１ ２ ３ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇＮ ａ ｎ Ｙ ｉ Ｓ ｈ ｕ ｊ ｕ ａ ｎ Ｚ ｈ ａ ｎ ｇＹ ａ ｎ ｈ ｅ
【 摘要】 以自行研制的钉齿式轴流脱粒与分离装置为研究对象， 借助高速摄像设备对脱分空间内 稻 谷 的 整 体 运动过程、 断穗的运动和脱粒过程以及自由籽粒的 运 动 过 程 进 行 了 在 线 拍 摄。 通 过 高 速 摄 像 图 像 慢 放 分 析 得 出： 稻谷进入脱分空间后， 错综复杂地交织在一起， 在旋转钉齿和导向板的共同作用 下， 稻谷流沿滚筒轴向螺旋向前涌 动。脱分空间内断穗的运动轨迹是抛物线， 其运动 不 平 稳， 速 度 容 易 出 现 波 动。 单 个 自 由 籽 粒 在 无 外 界 干 扰 时 近 似作匀速直线运动， 运动方向与滚筒轴线方向呈一定夹角。 关键词：钉齿式轴流装置 脱粒过程 高速摄像 中图分类号：Ｓ ２ ２ ５ ３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ０ ０ ０ １ ２ ９ ８ （ ２ ０ １ １ ） Ｓ ０ ０ ０ ５ ２ ０ ５
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔ ａ ｋ ｉ ｎ ｇａｓ ｅ ｌ ｆ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄａ ｘ ｉ ａ ｌ ｆ ｌ ｏ ｗｔ ｈ ｒ ｅ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇａ ｎ ｄｓ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅｗ ｉ ｔ ｈｎ ａ ｉ ｌ ｓｔ ｅ ｅ ｔ ｈａ ｓｔ ｈ ｅｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ，ｔ ｈ ｅｏ ｖ ｅ ｒ ａ ｌ ｌ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｍ ｏ ｖ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ，ｂ ｒ ｏ ｋ ｅ ｎｒ ｉ ｃ ｅｓ ｐ ｉ ｋ ｅｍ ｏ ｖ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄｔ ｈ ｒ ｅ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ａ ｓ ｗ ｅ ｌ ｌ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｖ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｆ ｒ ｅ ｅｋ ｅ ｒ ｎ ｅ ｌ ｗ ｅ ｒ ｅｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｅ ｄｏ ｎｌ ｉ ｎ ｅｉ ｎｔ ｈ ｒ ｅ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇａ ｎ ｄｓ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇｓ ｐ ａ ｃ ｅｂ ｙｕ ｓ ｉ ｎ ｇｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ ．Ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈｔ ｈ ｅｓ ｌ ｏ ｗｐ ｌ ａ ｙ ｉ ｎ ｇａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓｏ ｆｈ ｉ ｇ ｈ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄｖ ｉ ｄ ｅ ｏｉ ｍ ａ ｇ ｅ ，ｉ ｔ ｃ ｏ ｕ ｌ ｄｂ ｅｃ ｏ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｅ ｄｔ ｈ ａ ｔ ｗ ｈ ｅ ｎｔ ｈ ｅｒ ｉ ｃ ｅｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｅ ｄｉ ｎ ｔ ｏｔ ｈ ｅｔ ｈ ｒ ｅ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇａ ｎ ｄｓ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇｓ ｐ ａ ｃ ｅａ ｎ ｄｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｗ ｅ ａ ｖ ｅ ｄ ，ｔ ｈ ｅｖ ａ ｌ ｌ ｅ ｙｌ ｏ ｇ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｌ ｏ ｎ ｇｔ ｈ ｅａ ｘ ｉ ａ ｌ ｓ ｐ ｉ ｒ ａ ｌ ｓ ｕ ｒ ｇ ｉ ｎ ｇｍ ｏ ｖ ｅ ｄｆ ｏ ｒ ｗ ａ ｒ ｄｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ｅ ｄａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｏ ｇ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｒ ｏ ｔ ａ ｒ ｙｎ ａ ｉ ｌ ｔ ｅ ｅ ｔ ｈａ ｎ ｄｇ ｕ ｉ ｄ ｅｐ ｌ ａ ｔ ｅ ．Ｔ ｈ ｅｔ ｒ ａ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ ｂ ｒ ｏ ｋ ｅ ｎｅ ａ ｒ ｗ ａ ｓ ａｐ ａ ｒ ａ ｂ ｏ ｌ ａ ａ ｎ ｄｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄｔ ｏ ｂ ｅ ｕ ｎ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ａ ｎ ｄｆ ｌ ｕ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｅ ．Ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅｆ ｒ ｅ ｅｋ ｅ ｒ ｎ ｅ ｌ ｗ ｉ ｔ ｈ ｏ ｕ ｔｅ ｘ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅｆ ｏ ｌ ｌ ｏ ｗ ｅ ｄａ ｐ ｐ ｒ ｏ ｘ ｉ ｍ ａ ｔ ｅ ｌ ｙａｕ ｎ ｉ ｆ ｏ ｒ ｍｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ．Ｉ ｔ ｓ ｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ｏ ｒ ｍ ｅ ｄａｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎａ ｎ ｇ ｌ ｅｗ ｉ ｔ ｈｔ ｈ ｅｄ ｒ ｕ ｍａ ｘ ｉ ｓ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｋｅ ｙｗ ｏ ｒ ｄ ｓ Ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｆ ｌ ｏ ｗｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅｗ ｉ ｔ ｈｎ ａ ｉ ｌ ｓ ｔ ｅ ｅ ｔ ｈ ，Ｔ ｈ ｒ ｅ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ，Ｈ ｉ ｇ ｈ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ 本文在综合分析国内外水稻轴流收获 技 术 研 究 现 状的基础上， 借助高速摄像技术， 对自行研制的钉 齿式轴流 脱 粒 与 分 离 装 置 稻 谷 的 整 体 运 动 过 程、 断穗的脱粒过程和自由籽粒的运动过 程 进 行 分 析 与研究。
（ １ ． Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｈ ｅ ｉ ｌ ｏ ｎ ｇ ｊ ｉ ａ ｎ ｇＢ ａ ｙ ｉ Ａ ｇ ｒ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｄ ａ ｑ ｉ ｎ ｇ１ ６ ３ ３ １ ９ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ２ ． Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅｏ ｆ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｈ ｅ ｉ ｌ ｏ ｎ ｇ ｊ ｉ ａ ｎ ｇＢ ａ ｙ ｉ Ａ ｇ ｒ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｄ ａ ｑ ｉ ｎ ｇ１ ６ ３ ３ １ ９ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ３ ． Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｈ ｅ ｉ ｌ ｏ ｎ ｇ ｊ ｉ ａ ｎ ｇＢ ａ ｙ ｉ Ａ ｇ ｒ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｄ ａ ｑ ｉ ｎ ｇ１ ６ ３ ３ １ ９ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
１ ． 输送胶带 ２ ． 输送 带 电 动 机 ３ ． 强 制 喂 入 装 置 电 动 机 ４ ． 强 ． 轴流脱粒分离装置 ６ ． 高速摄像采集系统 制喂入装置 ５ ７ ． 支撑架 ８ ． 凹板 ９ ． 接料车 １ ０ ． 动力台 １ １ ． 电源控制柜 １ ２ ． 数据采集监控系统 １ ３ ． 计算机
３ 结Leabharlann Baidu与分析
３ １ 稻谷整体运动过程分析 通过 高 速 摄 像 图 像 慢 放 可 见： 稻谷进入脱分空 间后， 错综复杂地交织在一起， 受高速旋转滚筒上钉 齿的抓起作用而随 之 高 速 旋 转， 并沿着钉齿向外加 速滑动， 在导向板的作用和钉齿的推动下， 稻谷流沿 滚筒轴向螺旋向前涌动。在钉齿的冲击和滚筒与凹 板的揉搓作用下， 稻穗上的籽粒不断从枝梗上分离， 多数脱下的籽粒在 重 力 和 离 心 力 的 作 用 下， 克服作 物薄层的阻力， 穿 过 薄 层 到 达 凹 板 表 面。 到 达 凹 板 表面的籽粒， 如果正好落入凹板栅格孔， 就直接穿过 凹板栅格孔完成分 离 落 入 接 料 车； 如果籽粒碰到凹 板上的凹板条或横 隔 板 就 会 被 反 弹， 在谷物流的作 用下向排草口方向 移 动， 直至落入凹板栅格孔分离 或从排草口抛出为止。 ３ ２ 断穗运动和脱粒过程分析 图 ２是 借 助 高 速 摄 像 机 从 脱 分 装 置 前 部 拍 摄
２０１１年 １ １月
农 业 机 械 学 报
第 ４ ２卷 增刊
钉齿式轴流装置脱粒过程高速摄像分析
姜 楠 １ 衣淑娟 ２ 张延河 ３
（ １ ． 黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 １ ６ ３ ３ １ ９ ；２ ． 黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆 １ ６ ３ ３ １ ９ ； ３ ． 黑龙江八一农垦大学应用技术学院，大庆 １ ６ ３ ３ １ ９ ）
图１ 钉齿式轴流脱粒与分离装置试验台结构示意图 Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃｄ ｒ ａ ｗ ｉ ｎ ｇｏ ｆ ｎ ａ ｉ ｌ ｓ ｔ ｅ ｅ ｔ ｈｏ ｆ ｔ ｈ ｅａ ｘ ｉ ａ ｌ ｆ ｌ ｏ ｗ ｔ ｈ ｒ ｅ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇａ ｎ ｄｓ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇｔ ｅ ｓ ｔ ｂ ｅ ｄ
引言 轴流脱粒装置因其性能优越、 适应性广、 脱粒柔 和、 分离充分， 在实际生产中应用越来越广泛， 因此， 对轴流脱粒装 置 进 行 深 入 研 究 显 得 十 分 必 要
［ １～４ ］
。
收稿日期：２ ０ １ １ ０ ８ １ ５ 修回日期：２ ０ １ １ ０ ８ ２ ９ Ｅ ２ ０ ０ ９ ４ ２ ） 和黑龙江省农垦总局“ 十一五” 重点科技攻关项目（ Ｈ Ｎ Ｋ Ｘ Ｉ Ｖ １ ０ ０ ５ ） 黑龙江省自然科学基金资助项目（ 作者简介：姜楠， 讲师， 主要从事水稻收获机械化研究， Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ：ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｎ ａ ｎ ２ ０ ７ ４ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ 通讯作者：衣淑娟， 教授， 博士生导师， 主要从事水稻收获机械化研究， Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ：ｙ ｉ ｓ ｈ ｕ ｊ ｕ ａ ｎ ＿ ２ ０ ０ ５ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ
的， 含有 ３个 籽 粒 断 穗 脱 粒 过 程 的 高 速 摄 像 图 片。 设定图片的左下角 为 坐 标 原 点， 滚筒切线方向为横 坐标轴、 滚筒轴线方向为纵坐标轴， 图中白色横条和 ０ｃ ｍ 的标尺。 竖条是长度均为 １ 通 过 观 察 分 析 该 断 穗 的 运 动 和 脱 粒 过 程 可 知： 脱粒前， １号断穗在脱分空 间内 运 动 轨 迹 为 抛 物 线， 其并非平移运动而是不断翻转向前运动。随着时间 的推移， １号 断 穗 呈 现 减 速 运 动 趋 势。 当 与 高 速 旋 转的钉齿第 １次碰撞后， 断穗 随 即 产 生 翻 转， ２号 籽 粒在钉齿打击力的 作 用 下 首 先 与 穗 头 相 分 离， 而含 有 ２个籽粒的 １号 断 穗 继 续 沿 滚 筒 轴 向 向 前 运 动， 但运动方向与碰撞 前 发 生 明 显 改 变， 当受到钉齿的 第 ２次碰撞后， ３号、 ４号 籽 粒 先 后 与 连 接 茎 秆 相 分 离， 断穗的脱粒过程结束。 图３ ａ 为断穗上 ３个籽粒的运动轨迹， 由 图分 析 得出： 脱粒前 ２号 籽 粒 运 动 方 向 与 轴 线 方 向 的 夹 角 ＝ ４ ５ ０ ２ ° ， 第 １次 碰 撞 结 束 后， 受钉齿打击作用脱 θ 下的 ２号籽粒运 动 轨 迹 发 生 改 变， 运动方向与轴线 方向的夹角 明 显 增 大， ５ ９ ０ ° 。 同 时 含 有 ２个 θ ２ ＝６ 运动轨迹也与先前 籽粒的 １号断穗 产 生 翻 转 运 动， 发生明显改变， 近 似 于 斜 直 线 运 动。 当 受 到 钉 齿 的 第 ２次碰撞 后， ２个 籽 粒 与 连 接 茎 秆 实 现 分 离。 其 中， ３号 籽 粒 的 运 动 方 向 与 轴 线 方 向 的 夹 角 θ ３ ＝ ７ ５ ５ ８ ° ， ４号籽粒的运动方向与轴线方向的夹角 θ ４＝ ， 角度越大， 表明籽粒沿切线方向运动的能 ７ ６ ７ ５ ° θ 力越强。 图３ ｂ为 ２号 籽 粒 的 运 动 速 度 图， 由 图 可 知， 在 钉齿的打击作用下， ２号籽 粒脱 粒 前、 后的速度在大
增刊 姜楠 等：钉齿式轴流装置脱粒过程高速摄像分析
５ ３
１ 试验装置
试验采用自行研制的钉齿式轴流脱粒与分离装 置试验台， 结构如图 １所示。试验台由输送胶带、 强 制喂入装置、 轴 流 脱 粒 分 离 装 置、 高速摄像采集系 统、 接料车、 动力台、 电源控制柜和计算机数据采集 监控系统 ８大部分组成。为满足高速摄像拍摄时采 光要求， 各个拍 摄 口 均 采 用 钢 化 玻 璃 材 料 制 作。 试 验前对拍摄角度、 拍 摄 距 离、 光 源 位 置、 摄像机的光 圈和焦聚等进行了 仔 细 调 整， 并进行了大量的试拍 摄。为了减少外界因素和人为误差对拍摄质量和拍 摄效果的影响， 试验在黑龙江八一农垦大学工程学 院收获实验室内进行。