基于冲蚀磨损模型的水稻脱粒装置优化

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1、2015年7月农机化研究第7期基于冲蚀磨损模型的水稻脱粒装置优化周光永(湖南农业大学工学院/南方稻田作物多熟制现代化生产协同创新中心，长沙410128)摘要:冲蚀磨损是脱粒装置失效与破坏的重要原因之一。为此，利用几种主要的冲蚀磨损模型，结合Hertz接触应力条件下水稻脱粒的力学模型，建立了水稻脱粒装置的冲蚀磨损模型。以此为基础，研究了冲击角、冲击速度、硬度、强度、组织，对水稻脱粒元件冲蚀磨损的影响。同时，对脱粒装置的结构、形状、速度、材料硬度、热处理方式进行了优化。关键词:冲蚀磨损;脱粒装置;优化中图分类号:S226．1文献标识码:A文章编

2、号:1003－188X(2015)07－0027－04DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.07.006现象或过程。国内也有学者称其为冲击磨损。冲蚀0引言磨损模型是影响冲蚀磨损的变量及其相互关系的数脱粒装置是联合收割机的核心部件之一，磨损是学描述。自1958年第一个冲蚀理论问世以来，研究脱粒装置失效与破坏的重要原因，直接影响到脱粒质者从不同的角度出发，建立了许多关于冲蚀的模型。量和使用效率。国内学者对农机部件进行了大量研较有代表性的有3种。［1］究。黄建洪等对农机刀片的磨损机理进行了长期1．1微切削冲蚀磨损模型［2］大

3、量的实验研究;汪时机等建立了微型农机元件磨［3］损的接触力学模型;徐立章等研究了水稻谷粒与脱1958年，I·Finne首先提出塑性材料的微切削理［11］粒装置碰撞过程中的接触力学形态其出发点是寻找论，认为刚性粒子对塑性材料的冲蚀有如微型刀具［4］稻谷脱粒损伤机理;王显仁等用神经网络和遗传算对材料的切除。这是第1个定量描述的完整理论，其法对脱粒装置的参数进行了优化，其目标函数是谷物冲蚀率V(体积)表达式为2的破碎率与脱净率;谢方平等人对柔性滚筒结构参数mvV=kf(α)(1)［5］p对水稻脱粒效果的影响进行了实验研究;上述文献22f(α)=s

4、inα－3sinα，α≤18．5°都未对脱粒装置特别是水稻脱粒装置的磨损机理进2f(α)=cosα/3，α＞18．5°行理论或实验性的研究;而冲蚀磨损是脱粒装置磨损［6］其中，m为粒子质量;v为粒子速度;p为粒子与材的主要形式之一，国内学者对冲蚀磨损的研究主要［7－10］料间的弹性流动压力;k为常数;α为冲击角，指靶材集中在水力、机械、工程机械、矿山机械等领域。表面与入射粒子轨迹之间的夹角。为此，以国内外较为成熟的冲蚀磨损模型为基实验表明:该模型真实地反映了低冲击角下多角础，结合Hertz接触应力条件下水稻脱粒的力学模型，型刚性粒子对塑性材

5、料冲蚀磨损规律。建立了水稻脱粒装置的冲蚀磨损模型。同时，以此为1．2变形磨损模型基础，研究脱粒装置的冲蚀磨损规律，对其主要技术1963年，Bitter提出冲蚀磨损由变形磨损和切削参数进行了优化。［12］磨损构成，90°冲击角下的冲蚀磨损与靶材的变形1冲蚀磨损模型有关，冲蚀磨损是弹性变形和塑性变形进而形成裂纹直至裂纹扩散屑片断裂的过程。基于能量平衡原理，冲蚀磨损是指液体或固体以松散的小颗粒按一定的角度对材料表面进行冲击所造成的一种材料损耗Bitter推导出变形磨损量WD和切削磨损量WC，总冲蚀磨损量为两者之和，有2收稿日期:201－07－24

6、WD=M(vsinα－k)/2ε(2)基金项目:湖南省省长基金项目(62021613029)222MC(Vsinα－k)c(vsinα－k)作者简介:周光永(1963－)，男，湖北鄂州人，副教授，(E－mail)W=vsinα－QC[]1285287598@qq．com。槡vsinα槡vsinα·27·2015年7月农机化研究第7期α＜α0或含水率有关。稻谷的力学性能试验表明:含水率在223/2WC=M［Vcosα－K(Vsinα－k)］/2Q25%以上时，可近似看作塑性材料;含水率在16%以α≥α0下时，可近似看作脆性材料。其中，C、k、

7、Q均为常数;ε为磨损系数。从目前已知的磨损机理看，磨料磨损的磨损规律［6］该模型经过单颗粒冲蚀磨损实验，可较好地解释与包括脱粒元件的农机磨损规律相距甚远。由于塑性材料的冲蚀现象。脱粒过程中的温度较低，不可能熔化脱粒元件，扩散1．3弹塑性压痕破裂模型磨损，粘着磨损可以排除在脱粒元件的磨损方式外。［13］摩擦学理论认为，脆性材料在粒子冲击作用因此，脱粒元件的机械磨损主要是冲蚀磨损。直观地下，几乎不发生塑性变形;其冲蚀磨损是首先在材料说，就是谷粒及其秸秆、附在谷粒及秸杆上的砂粒对表面有缺陷的地方产生裂纹，裂纹不断扩散而形成碎脱粒元件的冲击磨损。片

8、剥落。当冲击角为90°时，磨损量最大。单位质量根据上述冲蚀模型，将水稻脱粒装置分为柔性脱粒子对脆性材料冲蚀磨损量V为粒和刚性脱粒两类。柔性脱粒装置用柔性齿杆作为0．8a2E脱粒元