第1章 绪论
Henrich等学者[18]于1999年，实验分析了谷物脱粒过程，研究分析了分离率与谷物含水率之间的关系。
Kumara[19]于2002年，研制出符合人体工程学的玉米脱粒装置。
Miu和Kutzbach[20]于2008年，研究了纹杆玉米脱粒装置，提出一系列数学模型。Petkevichius等学者[21]研究了玉米果穗的喂入方式与籽粒含水率以及玉米品种对籽粒损失率之间的关系。
1.4 国内玉米脱粒机的发展
虽然对于脱粒机的研究在国内较晚起步，但是其发展速度十分快。葛永久、王成芝等学者[22]于1969 年，研究了轴流滚筒式脱粒装置的工作原理后自主研制了大型轴流滚筒试验台。
邵维民等学者[23]于1992年，研究了小型板齿式轴流玉米脱粒机，将轴流式玉米脱粒装置与纹杆滚筒的脱粒装置进行对比，研究杂质和谷物在轴向的分布规律。李保国等学者[24]研究了轴流式玉米脱粒机的凹板脱落下的籽粒沿着滚筒长度方向上的分布规律。
陈树人等学者[25]于1999年分析研究了联合收割机，应用计算机仿真技术对摘脱滚桶梳刷作物的动作以及割台上板尺的运动进行了研究。
张认成[26]等学者于2000年，应用Matlab对钉齿式玉米脱粒装置进行研究，建立出一系列的力学模型。
何晓鹏等学者[27]于2003年，对玉米不同含水率下的破碎率进行研究，并发明出一台挤搓式玉米脱粒装置。
周旭等学者[28]于2005年，对比圆柱形滚筒与圆锥形滚筒，指出圆锥形滚筒的玉米脱粒机对玉米籽粒的损伤率低。李耀明等学者[29]研究了轴流式玉米脱粒装置内玉米芯以及籽粒在轴向的分布曲线。
吴多峰等学者[30]于2006年，对比了钉齿式玉米脱粒机，指出了板齿式玉米脱粒机的各项优点。
李心平等学者[31]于2007年，发明了一种差速式玉米脱粒装置，并对该脱粒装置的籽粒破碎率以及脱净率进行了性能测试。张伟等学者[32]应用Matlab软件对轴流玉米脱粒机进行模拟仿真。
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衣淑娟等学者[33]于2008年发明了一台轴流式玉米脱粒装置，研究了稻谷脱出物在装置内的分布规律，得到了稻谷脱出物沿着轴向分布的曲线方程。
凤鸣农业机械制造有限公司唐昌兵等人[34]于2010年发明出一台组合式玉米脱粒装置。这台装置分为两个部分，第一部分为纵向脱粒，第二部分为横向脱粒。 张克新等人[35]发明了一种横式滚子玉米脱粒装置。
张飞等学者[36]于2011年发明了一种籽粒破税率低，脱净率高的脱粒机，这种脱粒机是一种软脱式玉米脱粒机，它的外部由橡皮套组成。杜红军等学者[37]研制出一台五滚筒双进穗的玉米脱粒装置。宋清亮等学者[38]研制出一台双筒脱粒装置。
长沙齐行机电科技有限公司的唐勇等人[39]于2012年，设计发明了一台玉米脱粒装置，采用切向力进行脱粒，通过旋转挤压的方式使得脱粒后的玉米籽粒以及玉米芯可以保持完整。
1.5 存在的问题
我国对于玉米的加工方式流程和外国存在一些差异。玉米脱粒装置主要使用于脱粒晾干后含水率较低的玉米果穗。在国外玉米果穗刚收获时其水分一般为35%左右，需要对果穗进行烘干使其水分达到12.5%左右再进行脱粒。然而在我国，玉米种子公司规模一般都不大，没有建立玉米果穗的烘干室的资金，因此基本上都不对玉米果穗进行烘干。在我国种子公司一般将玉米果穗在场上晾干，降低其水分到18%左右，然后运用烘干塔对籽粒进行烘干，最终使玉米籽粒的水分可以降至13%[40]。因此在我国对玉米果穗进行脱粒时，其水分比较高，导致玉米芯与玉米籽粒的连接强度较大，最终影响脱粒质量[41]。普通玉米脱粒机在工作时，平均籽粒破碎率在3%到5%之间，有时可能达到8%甚至更多[42]，这将严重影响玉米产量。因此，需要结合我国玉米脱粒现状，研制出适合我国市场需求并且破碎率低、脱净率高的玉米脱粒机。
虽然玉米脱粒机的研究已经取得了许多成果，但是仍旧存在一些不足。由于玉米脱粒过程的复杂性，迄今为止，国内外对玉米脱粒过程的研究大部分采用的是试验方法、高速摄像技术、经验方法以及统计分析方法或者连续介质力学的分析方法[43]。运用这些方法对脱粒的机理进行研究并研制出脱粒机，大量耗费人
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第1章 绪论
力物力，只能对脱粒过程的宏观层面进行分析，无法保证精度，并且作物与机械之间以及作物之间的相互作用考虑较少，取得的成果也不具有普遍意义。当脱粒机种类的不同、作物种类的不同时参数还需要进行重新安排实验然后建立新的数学模型，增加了实验的重复性，延长研发周期。
1.6 本文主要研究内容
我国市面上用的最多的脱粒机为钉齿滚筒式脱粒机。这种脱粒机采用打击式原理将玉米粒从玉米果穗上脱落。这种脱粒方式虽然脱粒效率以及脱净率比较高，但是对玉米籽粒的损伤较大。挤搓原理的脱粒机如今在美国等的发达国家已经得到广泛的推广应用并取代了打击原理的脱粒机。挤搓原理脱粒机全面克服了钉齿式玉米脱粒机的缺点，不仅脱净率高而且破碎率低，它的损失率比打击式玉米脱粒机至少下降了0.5%[27]，适合种子玉米以及普通玉米的脱粒。因此本文主要设计一款运用挤搓原理的板齿式玉米脱粒机。
本文采用基于离散元法的数字化设计方法研究玉米脱粒机的脱粒过程。该方法首先建立脱粒机的数字化模型，并在计算机上进行物理仿真，根据仿真结果修改设计尺寸与结构，然后再对修改后的脱粒机模型进行仿真分析，直到得出符合要求的分析结果，从而实现对玉米脱粒机的优化设计。本文首先绘制二维CAD草图，建立PRO/E三维模型。然后通过课题组自主研制的AgriDEM软件，采用离散元法对自行设计的板齿玉米脱粒机进行仿真。通过改变滚筒转速以及喂入量等变量，考察玉米脱粒机的脱粒效果：籽粒破碎率、果穗脱净率、脱落籽粒沿滚筒轴向分布曲线等，以期对所设计的脱粒机的工作性能进行优化。
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第2章 板齿玉米脱粒机总体结构与工作原理
2.1 板齿脱粒机基本结构与工作过程
板齿玉米脱粒机的基本结构如图2-1所示。玉米果穗由入料口进入脱粒机，V带轮将电机的功率传动给脱粒滚筒使其转动。入料口对应的滚筒段为入料区，入料区上的螺旋叶片将玉米果穗送入脱粒区。脱粒区的滚筒上安装有16个板齿，滚筒外围围绕着栅格凹板。在脱粒区，玉米果穗在板齿的作用下顺着栅格凹板做螺旋运动至排芯区。在脱粒区内玉米果穗与果穗之间以及玉米果穗与凹板间相互挤搓，致使籽粒脱落。脱掉玉米籽粒后的玉米芯被板齿推送到排芯区，当排芯区充满玉米芯后，排芯区隔板将被顶开，脱粒机排出玉米芯。玉米籽粒在脱落后通过栅格凹板的间隙进入出料斗排出脱粒机。挤搓式玉米脱粒机的脱粒过程相对柔和，对果穗的冲击力相对小从而玉米籽粒的破碎率比较低。
1 机架 2出料口 3排芯口 4出料口压板 5栅格凹板6入料口 7带轮 8电机
图2-1 板齿玉米脱粒机基本结构
2.2 板齿脱粒机工作原理
挤搓式板齿玉米脱粒机充分应用了仿生技术[44]，脱粒区的板齿对玉米果穗的运动模仿了人工用手搓玉米。玉米果穗于脱粒区中，在滚筒板齿的作用下沿着栅格凹板做圆周运动。板齿和滚筒轴具有一定的夹角，玉米果穗也同时被推向排芯区。因此玉米果穗在脱粒机内的运动轨迹为螺旋线。为了模仿人工用竹签先挤
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第2章 板齿玉米脱粒机总体结构与工作原理
掉玉米果穗上的局部籽粒这一动作，前一部分的板齿被设计成带冠板齿。带冠板齿先将局部籽粒挤掉，方便后续的脱粒。后一部分板齿为直板齿。排芯区隔板使玉米果穗充满于脱粒仓内，脱粒区的板齿推动玉米果穗时，果穗与凹板的相对运动为既滑动又滚动。从而达到挤搓玉米果穗使其脱下籽粒的效果。果穗与果穗之间也具有一定的压力进行充分挤搓。因此可以脱掉所有的籽粒，保证脱净率。
2.3 本章小结
本章详细介绍了板齿式玉米脱粒机的基本结构。并根据板齿式玉米脱粒机的工作过程以及工作原理分析此类玉米脱粒机在脱净率以及破碎率等方面的优点。
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