一种玉米临界破碎力卸荷的非线性刚度柔性脱粒元件

1.本发明属于农业机械技术领域，特别涉及一种玉米临界破碎力卸荷的非线性刚度柔性脱粒元件。


背景技术：

2.玉米籽粒收获过程中，脱粒元件作为脱粒装置的主要工作部件，主要依靠脱粒元件与玉米果穗之间直接接触，一般认为是刚性脱粒。由脱粒造成玉米籽粒破碎、啃伤等问题，是导致玉米减产、霉变的重要原因。
3.国家标准规定籽粒直收时，玉米籽粒含水率应不高于25%，但实际生产中为争抢农时，玉米在收获时含水率普遍较高于国家标准，尤其在一年二熟的黄淮海粮食主产区，由于目前采用脱粒元件与玉米籽粒之间的直接接触的刚性脱粒技术，不可避免地增加玉米籽粒啃伤率和破碎率。因此，设计一种柔性的脱粒元件是玉米机械化收获中降低籽粒啃伤率和破碎率的新思路。
4.钉齿型脱粒元件对籽粒的打击强度较大、籽粒破碎率较高，脱粒效率完全取决于脱粒元件对玉米击打频率和力度，频率和力度越大，则玉米脱粒效率越高，但破碎率会高；板齿式和纹杆式脱粒元件均通过揉搓方式将籽粒脱下，对玉米籽粒打击强度较小，虽一定程度上降低了籽粒破损率，但存在产生脱粒不干净，脱粒效率低等问题，且结构相对较为复杂。梳刷脱粒依赖脱粒元件对玉米果穗冲击和拉力作用实现脱粒，效率低且脱粒质量差；振动脱粒通过脱粒部件对果穗施加高频振动来进行脱粒，作业效率较低。
5.除上述几种脱粒元件外，广泛应用的还有组合式脱粒元件，即在脱离滚筒上设置不同类型的脱粒元件，脱离滚筒前部设置钉齿型脱粒元件，中部和后部设置为板齿型或纹杆型脱粒元件。通过钉齿脱粒元件对玉米果穗多点打击脱粒，随后由纹杆通过这几个点对果穗进行揉搓，增加了脱粒效率和脱净率。但针对黄淮海地区收获时玉米的高含水率，该类脱粒元件仍会造成较高的玉米破碎率。
6.现有钉齿式、板齿式、纹杆式、钉齿—纹杆组合式脱粒元件，均固定安装在脱粒滚筒上，脱粒过程中脱粒元件与玉米籽粒之间的接触均为刚性接触，籽粒与脱粒元件之间的接触力不可调节，属刚性脱粒，造成玉米籽粒破碎率较高。设置有螺旋弹簧的脱粒元件，在脱粒过程中，籽粒与脱粒元件之间的接触力虽然可以调节，但当弹簧弹力大于籽粒破碎的临界力后依然会造成籽粒啃伤、破碎。因此，面向黄淮海地区高速-大喂入量玉米收获作业新趋势，设计新型柔性脱粒元件是降低籽粒破碎率的有效方法之一。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的第一个技术问题是：在保证脱粒效果和效率不变的前提下，如何将传统钉齿、板齿等刚性脱粒改变为具有非线性刚度特征的柔性脱粒方式，降低玉米籽粒的破碎率和啃伤率。
8.本发明所要解决的第二个技术问题是：针对螺旋弹簧的柔性脱粒元件脱粒过程
中，籽粒与脱粒元件之间的接触力虽可以调节，但当弹簧弹力大于籽粒破碎的临界力后依然会造成籽粒啃伤、破碎。
9.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
10.本发明是基于膜片弹簧的刚度变化具有理想的非线性特征，创新设计了一种变刚度的柔性脱粒元件，所述脱粒元件使用的膜片弹簧所承受的压力增大到极限点后，膜片弹簧弹力会急剧下降，同时膜片弹簧的行程会增加，因此，所述膜片弹簧与普通的螺旋弹簧相比，该刚度自适应变化的脱粒元件，更适合柔性脱粒。
11.所述玉米临界破碎力卸荷的非线性刚度柔性脱粒元件，所受载荷与变形计算模型能够预测和确定安装有膜片弹簧的脱粒元件的载荷变形曲线，满足：
[0012][0013]
其中，f为大端l处的载荷，r为膜片弹簧外半径；h为膜片弹簧部分内截锥高度（内锥高）；l为外支承半径；e为材料的弹性模量；k1为力臂比，k1=（r-r）/(l-1)；λ1为大端l处的变形；r为膜片弹簧部分内半径（窗孔外半径）；t为膜片弹簧的弹簧板厚度（板厚）；l为内支承半径；η为泊松比。
[0014]
所述脱粒元件通过螺栓固定至滚筒上，由外缸（6）、底座（4）、顶盖（5）、膜片弹簧（1）、脱粒指（2）、销轴（8）、中间杆（3）组成。
[0015]
所述顶盖（5）与滚筒接触，通过与滚筒外表面直接焊接安装。
[0016]
所述外缸（6）与顶盖（5）之间通过螺纹联接，中间杆（3）、膜片弹簧（1）、底座（4）从上向下依次安装在外缸内。
[0017]
所述膜片弹簧（1）小口端向下放置与底座（4）接触，大口端与顶盖（5）接触，中间杆（3）与底座（4）、中间杆（3）与脱粒指（2）、脱粒指（2）与顶盖（5）均通过销轴联接。
[0018]
作为优选，所述脱粒元件焊接到滚筒上，脱粒指的直角朝向与滚筒转向相反。
[0019]
作为优选，所述膜片弹簧为圆形，其自由行程为3～4mm，弹簧压缩2.8~3.8mm时果穗通过脱粒指（2），膜片弹簧的特征为压力达到极限压力点，弹力急剧下降，膜片弹簧行程增大，脱粒指（2）与凹版间隙增大，降低玉米籽粒的破碎。
[0020]
作为优选，所述膜片弹簧是一种非线性刚度的弹簧，当压力达到玉米临界破碎力时，弹簧被压缩，行程相比临界点前压缩行程大幅增加。
[0021]
作为优选，顶盖（5）中间开孔，下端外部加工螺纹，顶盖直径为20～100mm，顶盖（5）焊接在滚筒内表面，与外缸（6）通过螺纹连接。
[0022]
作为优选，所述外缸（6）上端加工内螺纹，外缸（6）整体高度为9～11mm，底面厚度为3～4mm，直径为20～100mm。
[0023]
作为优选，所述底座（4）置于外缸内，与中间杆（3）通过销轴联接，膜片弹簧（1）安装在底座上，小口端向下，大口端与顶盖（5）接触，中间杆（3）从孔中伸出，长度为17～20mm。
[0024]
作为优选，所述中间杆（3）上端设置通孔，与脱粒指（2）通过销轴联接，利用销轴与脱粒指（2）短杆联接，脱粒指（2）弯折处通过销轴与顶盖（5）联接。
[0025]
作为优选，所述脱粒指（2）角度为直角，长杆形状为钉齿型，长度为38～52mm，短杆
长度为7.6～10.4mm，且脱粒指短杆与长杆的长度之比为1：5。
[0026]
作为优选，脱粒指直角处与顶盖（5）通过销轴联接，限制脱粒指5个自由度，长杆与短杆是以直角处为支点的杠杆机构，减小玉米与脱粒指之间的接触力。
[0027]
脱粒时籽粒与脱粒指接触，随着接触力的增大，脱粒指带动中间杆和底座向上移动，压缩膜片弹簧。受到接触力，脱粒指的长齿向后倾斜，使脱粒指与凹板之间的间隙增大，使玉米果穗通过，避免籽粒的啃伤。
[0028]
设置膜片弹簧的临界压力为玉米籽粒破碎最小力，当脱粒指与籽粒之间的接触力达到弹簧压力临界点后，脱粒指长齿向后倾斜，避免脱粒指啃伤玉米籽粒。
[0029]
本发明的工作原理：在脱粒时，玉米果穗与脱粒指2接触，随着接触力的增大，脱粒指2带动中间杆3和底座4向上移动，压缩膜片弹簧1。受到接触力，脱粒指2的长齿向后倾斜，使脱粒指2与凹版之间间隙增大，使玉米果穗通过，避免玉米果穗啃伤。当压力达到玉米临界破碎力时，膜片弹簧1被压缩，行程相比临界点前压缩行程增加。将玉米籽粒破碎的最小力，设置为膜片弹簧1的临界压力，当脱粒指2与籽粒之间的接触力达到弹簧压力临界点后，脱粒指长齿迅速向后倾斜，避免脱粒指啃伤玉米籽粒。
[0030]
本发明的有益效果集中体现在如下方面：1、在脱粒指与籽粒之间的接触力达到弹簧膜片的临界压力后，设置了玉米籽粒破碎最小应力为膜片弹簧的临界压力，脱粒指的长齿迅速向后倾倒，增大脱粒指与凹板之间的间隙，从而使玉米能够越过脱粒元件，避免了由传统脱粒元件刚性接触造成玉米籽粒的破碎、啃伤问题。
[0031]
2、一种玉米临界破碎力卸荷的非线性刚度柔性脱粒元件，脱粒指角度为直角，长杆外形为钉齿形，设计脱粒指短杆与长杆的长度之比为1：5，脱粒指直角处与顶盖通过销轴联接，限制脱粒指5个自由度，长杆与短杆是以直角处为支点的杠杆机构，减小了玉米与脱粒指之间的接触力。
附图说明
[0032]
图1为非线性刚度柔性脱粒元件去顶盖和外缸后的轴侧图；
[0033]
图2为非线性刚度柔性脱粒元件的剖视图；
[0034]
图3为非线性刚度柔性脱粒元件的整体轴侧图。
[0035]
图4为膜片弹簧行变量和弹簧弹力的变化曲线图；
[0036]
图5为脱粒指长杆与短杆形成的杠杆示意图；
[0037]
图中：
[0038]
1、膜片弹簧；2、脱粒指；3、中间杆；4、底座；5、顶盖；6、外缸；7、销轴组。
具体实施方式
[0039]
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。
[0040]
下面结合实施例和附图对本发明进一步详细描述，如图1为非线性刚度柔性脱粒
元件去顶盖和外缸后轴侧图，由1-膜片弹簧，2-脱粒指，3-中间杆，4-底座，7-销轴组。
[0041]
其中膜片弹簧1为非线性刚度柔性脱粒元件，所述膜片弹簧刚度达到玉米临界破碎力发生卸荷，所述膜片弹簧为圆形，其自由行程为3～4mm，弹簧压缩2.8~3.8mm时果穗通过脱粒指（2），膜片弹簧的特征为压力达到极限压力点，弹力急剧下降，膜片弹簧行程增大，脱粒指（2）与凹版间隙增大，降低玉米籽粒的破碎。
[0042]
所述脱粒指2的角度为直角，长杆外形为钉齿形，长度为38～52mm，短杆长度为7.6～10.4mm，且脱粒指短杆与长杆的长度之比为1：5，脱粒指直角处与顶盖（5）通过销轴联接，限制脱粒指5个自由度，长杆与短杆是以直角处为支点的杠杆机构，减小玉米与脱粒指之间的接触力。
[0043]
所述中间杆（3）上端设置通孔，与脱粒指（2）通过销轴联接，利用销轴与脱粒指（2）短杆联接。
[0044]
所述底座（4）置于外缸内，与中间杆（3）通过销轴联接，膜片弹簧（1）安装在底座上，小口端向下，大口端与顶盖（5）接触，中间杆（3）从孔中伸出，长度为17～20mm。
[0045]
一种玉米临界破碎力卸荷的非线性刚度柔性脱粒元件的工作过程：在脱粒时，玉米果穗与脱粒指2接触，随着接触力的增大，脱粒指2带动中间杆3和底座4向上移动，压缩膜片弹簧1。受到接触力，脱粒指2的长齿向后倾斜，使脱粒指2与凹版之间的间隙增大，使玉米果穗通过，避免玉米果穗啃伤。当压力达到玉米临界破碎力时，膜片弹簧1被压缩，行程相比临界点前压缩行程增加。将玉米籽粒破碎的最小力，设置为膜片弹簧1的临界压力，当脱粒指2与籽粒之间的接触力达到弹簧压力临界点后，脱粒指长齿迅速向后倾斜，避免脱粒指啃伤玉米籽粒。
[0046]
所述实施例仅为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种玉米临界破碎力卸荷的非线性刚度柔性脱粒元件，其特征在于：非线性刚度柔性脱粒元件包括外缸（6）、顶盖（5）、底座（4）、膜片弹簧（1）、脱粒指（2）、销轴组（7）、中间杆（3），顶盖（5）中间开孔，下端外部加工螺纹，顶盖直径为20～100mm，顶盖（5）焊接在滚筒内表面，与外缸（6）通过螺纹连接，所述外缸上端加工内螺纹，外缸（6）整体高度为9～11mm，底面厚度为3～4mm，直径为20～100mm，所述底座（4）置于外缸内，与中间杆（3）通过销轴联接，膜片弹簧（1）安装在底座上，小口端向下，大口端与顶盖（5）接触，中间杆（3）从孔中伸出，长度为17～20mm，所述中间杆（3）上端设置通孔，与脱粒指（2）通过销轴联接，利用销轴与脱粒指（2）短杆联接，脱粒指（2）弯折处通过销轴与顶盖（5）联接。利要求项1。2.根据权利要求1所述的一种玉米临界破碎力卸荷的非线性刚度柔性脱粒元件，其特征在于，所述非线性刚度柔性脱粒元件为膜片弹簧（1），所述膜片弹簧刚度达到玉米临界破碎力发生卸荷，所述膜片弹簧为圆形，其自由行程为3～4mm，弹簧压缩2.8~3.8mm时果穗通过脱粒指（2），膜片弹簧的特征为压力达到极限压力点，弹力急剧下降，膜片弹簧行程增大，脱粒指（2）与凹版间隙增大，降低玉米籽粒的破碎。3.根据权利要求1所述的一种玉米临界破碎力卸荷的非线性刚度柔性脱粒元件，其特征在于，所述脱粒指（2）角度为直角，长杆外形为钉齿形，长度为38～52mm，短杆长度为7.6～10.4mm，且脱粒指短杆与长杆的长度之比为1：5，脱粒指直角处与顶盖（5）通过销轴联接，限制脱粒指5个自由度，长杆与短杆是以直角处为支点的杠杆机构，减小玉米与脱粒指之间的接触力。4.根据权利要求1所述的一种玉米临界破碎力卸荷的非线性刚度柔性脱粒元件，其特征在于，由单个脱粒元件构成的所有非线性刚度柔性玉米脱粒元件焊接在脱粒滚筒上，其安装方向与滚筒轴线垂直，脱粒指的直角方向与脱粒滚筒转向相反。

技术总结
本发明公开了一种玉米临界破碎力卸荷的非线性刚度柔性脱粒元件。该技术方案设计了一种非线性刚度柔性脱粒元件，包括：膜片弹簧、脱粒指、中间杆、底座、顶盖、外缸及销轴；设计膜片弹簧的临界压力为玉米籽粒破碎最小力，脱粒元件与玉米籽粒之间的接触力达到弹簧膜片的临界压力后，膜片弹簧弹力急剧下降，行程增加，脱粒指长杆迅速向后倾倒，增大脱粒指与凹板之间的间隙；脱粒指长杆与短杆是以其直角处为支点的杠杆机构，减小了玉米与脱粒指之间接触力，增大了脱粒指的行程。本发明的非线性刚度柔性脱粒元件，具有刚度自适应变化特征，能够在玉米达到临界破碎力时实现卸荷，避免了传统脱粒元件刚性接触造成玉米籽粒的破碎、啃伤问题。啃伤问题。啃伤问题。


技术研发人员：姚艳春 王从旭 刘通 耿端阳 张安斌 潘阳 顾增杰 李玉琨 董俊豪
受保护的技术使用者：山东理工大学
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/8/16