一種玉米果穗低損傷脫粒方法
2023-06-22 08:19:41 2
一種玉米果穗低損傷脫粒方法
【專利摘要】一種玉米果穗低損傷脫粒方法，根據所需脫粒的玉米果穗，建立玉米果穗循環力平衡模型，方法為定義玉米果穗籽粒在橫向、縱向和徑向所受力的合力為循環力，建立果穗籽粒壘砌方式，即橫向壘砌單元和縫隙組砌規律，通過該規律建立整個玉米果穗籽粒的排列方法；根據所建立的排列方法，對玉米果穗上籽粒受力進行橫向、縱向、徑向力的分析，建立起玉米果穗循環力平衡模型；根據該模型計算出能打破循環力平衡的最小力的大小，用楔形衝擊頭對玉米果穗上的縫隙A施加所計算出的相應大小的力進行衝擊，對玉米果穗進行脫粒。本發明可實現低損傷、低耗能、快速將玉米果穗籽粒從玉米果穗上分離。可用於工業化玉米果穗低脫粒，製備出新型玉米果穗脫粒機，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】一種玉米果穗低損傷脫粒方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於玉米籽粒脫粒理論研究領域，具體涉及一種玉米果穗低損傷脫粒方法。
【背景技術】
[0002]玉米世界三大糧食作物之一，玉米脫粒是收穫工作中的關鍵環節，它決定了玉米籽粒的損傷程度，損傷籽粒易生黴菌、生蟲、易破碎，不宜長期儲藏，而且能降低其市場價值和出口價值。
[0003]玉米脫粒與其它穀物脫粒不同，玉米籽粒通過果柄被束縛在玉米芯上，籽粒與果柄結合力較大。另外，其它穀物脫粒時，籽粒之間沒有力的相互支撐作用，但在玉米芯上，籽粒排列緊密，籽粒與籽粒之間有力的相互支撐作用，籽粒與籽粒之間力的存在對玉米脫粒的難易程度有重要影響。目前的玉米果穗籽粒脫粒方法，對籽粒的有損傷，且費力，能量消耗較大。
【發明內容】
[0004]本發明針對上述問題的不足，本發明一種玉米果穗低損傷脫粒方法，實現低損傷、低耗能、快速將玉米果穗籽粒從玉米果穗上分離。
[0005]一種玉米果穗低損傷脫粒方法，包括以下步驟:
步驟一、將所需脫粒的玉米果穗 剝去玉米皮，除去玉米須，備用；
步驟二、建立玉米果穗循環力平衡模型:
I)、定義玉米果穗籽粒在橫向、縱向和徑向所受力的合力為循環力，橫向力是沿圓周方向的力，縱向力是與穗軸方向平行的力，徑向力是截面上沿半徑方向的力；
2 )、建立果穗籽粒壘砌方式
a)沿果穗切線方向繪製果穗橫向展開圖；
b)將橫向側面正對接觸的兩個籽粒定義為1-1接觸，一層1-1接觸的籽粒，以及與其形成錯位接觸的兩層1-1接觸的籽粒構成一個11-22壘砌單元；
c)建立果穗籽粒間縱向縫隙組砌規律-ABA組砌規律，即在果穗縱行上，兩排縱向籽粒橫向間側面正對接觸形成對立縫隙A與另外兩排同樣縱向籽粒橫向間側面正對接觸形成的對立縫隙A側面橫向再相互錯開接觸形成交錯縫隙B，在整個玉米果穗上對立縫隙A與交錯縫隙B間隔出現；
d)建立整個玉米果穗籽粒的排列方法，即玉米果穗以壘砌單元為基本組合排列單元，按照多螺旋頭、平行、接觸錯位搭接排列在玉米芯上；
3)、根據玉米果穗籽粒受力分析，建立玉米果穗內部的縱向力、徑向力、橫向力平衡模型，即玉米果穗循環力平衡模型；
步驟三、首先，根據上述步驟二所建立的玉米果穗循環力平衡模型計算出能打破循環力平衡的最小力的大小，然後用楔形衝擊頭對玉米果穗上的對立縫隙A施加所計算出的相應大小的力進行衝擊，對玉米果穗進行脫粒。
[0006]有益效果
本發明玉米果穗低損傷脫粒方法，繪製出玉米果穗籽粒內部循環力的平衡機理橫向展開圖，建立了 11-22壘砌單元和ABA組砌規律，夠確保果穗籽粒間力系分析正確、可靠；定義籽粒間存在的「循環力圈」，為籽粒間力系分析提供清晰、獨特、正確的依據；在此基礎上對玉米果穗籽粒間力系進行分析，並建立了玉米果穗循環力平衡模型，根據該模型可以計算出玉米果穗籽粒的最佳衝擊部位及最佳衝擊力值，最後根據計算結果對玉米果穗籽粒進行衝擊，該力可破壞玉米果穗籽粒排列的力系平衡，輕鬆將玉米果穗籽粒脫下，且該力是經過計算的最合理的力，省力且不會對玉米粒造成損傷，而且降低了能耗，能使玉米果穗籽粒快速從玉米芯上分離。本發明可用於工業化玉米果穗低脫粒，製備出新型玉米果穗脫粒機，具有廣闊的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1為玉米果穗籽粒內部循環力的平衡機理橫向展開圖；
圖2為玉米果穗籽粒內部橫向循環力的平衡機理橫向展開圖；
圖3為玉米果穗的基本壘砌單元示意圖；
圖4為玉米果穗的基本壘砌單元實物圖；
圖5為玉米果穗籽粒內部縱向循環力的平衡機理橫向展開圖；
圖6為玉米果穗籽粒縱向力學平衡圖；
圖7為玉米果穗籽粒縱向受力簡化模型；
圖8為玉米果穗籽粒徑向受力分析圖。
[0008]圖9為楔形衝擊頭衝擊力學分析圖。
【具體實施方式】
[0009]下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
[0010]一種玉米果穗低損傷脫粒方法，包括以下步驟:
步驟一、將所需脫粒的玉米果穗剝去玉米皮，除去玉米須，備用；
步驟二、建立玉米果穗循環力平衡模型:
I)、定義玉米果穗籽粒在橫向、縱向和徑向所受力的合力為循環力，橫向力是沿圓周方向的力，縱向力是與穗軸方向平行的力，徑向力是截面上沿半徑方向的力；
2 )、建立果穗籽粒壘砌方式
a)沿果穗切線方向繪製果穗橫向展開圖，如圖1、2、5所示；
b)建立果穗橫向壘砌單元-11-22壘砌單元，即單層兩橫向籽粒側面正對接觸形成1-1接觸，再與另外兩層同樣1-1接觸的兩橫向籽粒側面形成錯位接觸，如圖3、4所示，11-22壘砌單元由6個籽粒組成，其中2顆籽粒組成一個塊，另外4顆的籽粒組成一個塊，兩塊橫向錯位搭接。
[0011]c)建立果穗籽粒間縱向縫隙組砌規律-ABA組砌規律，即在果穗縱行上，兩排縱向籽粒橫向間側面正對接觸形成對立縫隙A與另外兩排同樣縱向籽粒橫向間側面正對接觸形成的對立縫隙A側面橫向再相互錯開接觸形成交錯縫隙B，在整個玉米果穗上對立縫隙A與交錯縫隙B間隔出現，如圖3、4所示；
d)建立整個玉米果穗籽粒的排列方法，即玉米果穗以11-22壘砌單元為基本組合排列單元，按照多螺旋頭、平行、接觸錯位搭接排列在玉米芯上；
3)、玉米果穗上籽粒受力分析 a)、玉米果穗上籽粒橫向力分析
在果穗大頭部位最外層籽粒中任意選一籽粒開始分析，由於橫向方向遵循11-22壘砌排列規律，圖5中可以看出:從左面頂部第一個籽粒開始，力傳遞路線是:一個籽粒頂一個籽粒，依次一個籽粒頂兩個籽粒，沿軸向螺旋壘砌排列，第一圈末的時候，縱向籽粒層已達4層(由於第一層籽粒是果穗最外層籽粒不規則，近似為楔形，起肋塊封口的作用，如果從第二層開始分析，第一圈末的時候，縱向籽粒層大於4排),如圖5所不,第一橫排最右邊籽粒到第二圈開始的時候，由於籽粒11-22壘砌排列規律的作用，它所作用的籽粒是最左面第一層與第二層的上下最左邊兩籽粒，由此開始第二圈力循環，這樣第二圈力循環與第一圈力循環出現力重疊層；同理，第二橫排最右邊籽粒到第二圈開始的時候，它所作用的籽粒是最左面第二層與第三層的上下最左邊兩籽粒，由此開始它的第二圈力循環，也出現力重疊層；依次類推，直至傳遞到果穗小頭底部。
[0012]以上分析是按照由左到右的力傳遞路線分析的，由於任何一籽粒施力給相鄰接觸籽粒的時候，自身也受到相鄰接觸籽粒的作用，因而，每一力傳遞螺旋上有兩個大小相等、方向相反的橫向循環力，不過整個果穗上的多條力傳遞螺旋上的橫向循環力是重疊的，對於整個果穗籽粒來說，橫向循環力是平衡的。
[0013]橫向循環力在螺旋旋轉且重疊的過程中，我們假設第一個籽粒順時針方向受Filll的作用，逆時針方向`受fffil的作用，二者大小相等、方向相反，即F橫1= -f橫I，依次螺旋線上的籽粒都將是力平衡的:F橫2= -f橫2，F橫3= 橫3，.........F橫i= 橫i，在整個果糖上橫向循環力也將是平衡的:
)=-ΣΛ?(ι_)。
iJlJ-1
[0014]b)、玉米果穗籽粒縱向力分析
果穗大頭處縱向方向前橫向截面內3-6排籽粒在縱行上合流，且一般為不規則籽粒，最外層籽粒近似為楔形，起肋塊封口的作用。我們把它簡化成「環形直角肋塊」，如圖5、6、7所示。
[0015]果穗小頭縱向縱排籽粒在橫向3-8排時開始逐步減排合流，籽粒由大逐漸減小，形成近似「環形直角肋塊」。如圖7果穗縱向受力簡化模型。縱向循環力在每一縱行上處於力平衡狀態。
[0016]我們假設果穗大頭部環形直角肋塊中每一縱行肋塊對中部籽粒產生軸向方向力Fm的作用，同時受到中部籽粒對其f^u的作用，二者大小相等、方向相反，即Fsu= _fai，果
穗大頭部環形直角肋塊也將是受力平衡的= -?Ο) (η取12-18)。
f-tμ~Λ.[0017]果穗小頭部環形直角肋塊中每一縱行肋塊對中部籽粒產生軸向方向力Nsu的作用，同時受到中部籽粒nai的作用，二者大小相等、方向相反，即Nsu= _nai,果穗小頭部環形直角肋塊也將是受力平衡的⑴=-?*^)(η取12-18)。
f-1
[0018]每一縱行軸向方向上籽粒都將是力平衡的-.Fm= - %1;卩縱2= - %2,.........F^i=
-Nsu，在整個果穗圓周上縱向循環力也將是平衡的:?&(1_)二_?Ν*(?_) (η取12_1S)。
[0019]C)、玉米果穗籽粒徑向力分析
通過果柄，每一個玉米籽粒被束縛在玉米芯上，果柄一端與種皮相連接，另一端插入種子玉米芯上的穎殼中，如圖8所示，果柄底部進入種子玉米芯深處，穎殼壁對籽粒也有支撐作用。
[0020]每顆籽粒徑向受到籽粒自重G、周圍籽粒對其的摩擦力f?、果柄連結力Fsfi和穎
殼支撐力^殼的作用，徑向平衡方程如下Θ為重力方向與果
柄連結力方向夾角，F?柄與G方向一致時±Gcose取正號，F果柄與G方向不一致時±Gensfl取負號，籽粒自重G的方向與周圍籽粒對其的摩擦力f*的方向相反；d )、外力作用下，循環力圈消弱機理分析
外力想要破壞按照11-22壘砌規律壘砌籽粒間的循環力，必然先破壞籽粒壘砌的每一個單元，且必然使兩相鄰單元產生移動，塊單元內的緊密接觸籽粒也產生移動，那麼籽粒產生移動必然消耗能量，同時由於果穗籽粒縱向排列遵循ABA組砌規律，橫向籽粒遵循11-22錯縫搭接原則，玉米果穗`的這種排列結構在接受力傳遞的瞬間，把外力分解成按照螺旋旋轉的橫向、縱向、徑向三個方面的力，外力在傳遞中被快速衰弱消耗，任意一個籽粒接受外力後，通過這種力傳遞消耗方法很快傳遞給其它塊內籽粒，又由於籽粒這種材料，有很強的韌性、彈性很大，外力作用使每個塊單元內籽粒產生彈性變形，外力消失後，籽粒又恢復原狀，循環力沒有被破壞，只有外力足夠大，足夠摧毀循環力的時候，籽粒壘砌塊單元才被破壞，籽粒才被離散而脫落下來。
[0021]e)、根據玉米果穗籽粒受力分析，建立玉米果穗內部的縱向力、徑向力、橫向力平衡模型，即玉米果穗循環力平衡模型。
[0022]步驟三、首先，根據上述步驟二所建立的玉米果穗循環力平衡模型計算出能打破循環力平衡的最小力的大小，然後用楔形衝擊頭對玉米果穗上的對立縫隙A施加所計算出的相應大小的力進行衝擊，對玉米果穗進行脫粒。
[0023]I)、縱向衝擊時，最小衝擊力計算:
衝擊頭衝擊力學分析如圖9，兩側籽粒受到楔形衝擊頭施加在籽粒上的正壓力摩擦力F?，按如圖衝擊頭尺寸，每側可同時接觸3粒籽粒，可計算出衝擊力F為:
F 5:巧 + F7 二 IF1 二 2F, 3.?
F* =Z jiIEE*式中:f為摩擦係數
由於巧= &所以F嫩.^
其中:摩擦係數f可查閱農業機械手冊獲得。值如下表:
杆半立行數Il |2|3|4
?0.48 1.275 1.978 2.738
jW —)____
2)、橫向衝擊時，最小衝擊力計算:
與縱向衝擊時，最小衝擊力計算方式相同
,~ 好iiBA "Jh f...其中:摩擦係數f可查閱農業機械手冊獲得。值如下表:
￥?立行數 Il |2 |3 |4
y-r 0.208 1.061 1.740 2.238
財 _)____
所需施加的破壞縱向力的力的大小計算公式為:_F2 3i^SJb.,jl + /2，式中f為摩擦系
數，可查閱農業機械手冊獲得。
[0024]F9nif值如下表:
杆半立行數Il |2|3|4
?0.48 1.275 1.978 2.738
jrWBjPr ____
所需施加的破壞橫向力的力的大小計算公式為:，式中f為摩擦係數，可查閱農業機械手冊獲得。
[0025]Feuwi值如下表:
￥?立行數 Il|2|3|4
jrr0.208 1.061 1.740 2.238
【權利要求】
1.一種玉米果穗低損傷脫粒方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟一、將所需脫粒的玉米果穗剝去玉米皮，除去玉米須，備用； 步驟二、建立玉米果穗循環力平衡模型: I)、定義玉米果穗籽粒在橫向、縱向和徑向所受力的合力為循環力，橫向力是沿圓周方向的力，縱向力是與穗軸方向平行的力，徑向力是截面上沿半徑方向的力； ,2 )、建立果穗籽粒壘砌方式 a)沿果穗切線方向繪製果穗橫向展開圖； b)將橫向側面正對接觸的兩個籽粒定義為1-1接觸，一層1-1接觸的籽粒，以及與其形成錯位接觸的兩層1-1接觸的籽粒構成一個魚砌單元； c)建立果穗籽粒間縱向縫隙組砌規律-ABA組砌規律，即在果穗縱行上，兩排縱向籽粒橫向間側面正對接觸形成對立縫隙A與另外兩排同樣縱向籽粒橫向間側面正對接觸形成的對立縫隙A側面橫向再相互錯開接觸形成交錯縫隙B，在整個玉米果穗上對立縫隙A與交錯縫隙B間隔出現； d)建立整個玉米果穗 籽粒的排列方法，即玉米果穗以壘砌單元為基本組合排列單元，按照多螺旋頭、平行、接觸錯位搭接排列在玉米芯上； 3)、根據玉米果穗籽粒受力分析，建立玉米果穗內部的縱向力、徑向力、橫向力平衡模型，即玉米果穗循環力平衡模型； 步驟三、首先，根據上述步驟二所建立的玉米果穗循環力平衡模型計算出能打破循環力平衡的最小力的大小，然後用楔形衝擊頭對玉米果穗上的對立縫隙A施加所計算出的相應大小的力進行衝擊，對玉米 果穗進行脫粒。
【文檔編號】A01F11/06GK103477809SQ201310377271
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年8月27日 優先權日:2013年8月27日
【發明者】李心平, 劉贏, 杜哲, 馬義東, 馬福麗 申請人:河南科技大學