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(jù)所需脫粒的玉米果穗，建立玉米果穗循環(huán)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(huán)力，建立果穗籽粒壘砌方式，即橫向壘砌單元和縫隙組砌規(guī)律，通過該規(guī)律建立整個(gè)玉米果穗籽粒的排列方法；根據(jù)所建立的排列方法，對玉米果穗上籽粒受力進(jìn)行橫向、縱向、徑向力的分析，建立起玉米果穗循環(huán)力平衡模型；根據(jù)該模型計(jì)算出能打破循環(huán)力平衡的最小力的大小，用楔形沖擊頭對玉米果穗上的縫隙A施加所計(jì)算出的相應(yīng)大小的力進(jìn)行沖擊，對玉米果穗進(jìn)行脫粒。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)低損傷、低耗能、快速將玉米果穗籽粒從玉米果穗上分離?？捎糜诠I(yè)化玉米果穗低脫粒，制備出新型玉米果穗脫粒機(jī)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種玉米果穗低損傷脫粒方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于玉米籽粒脫粒理論研究領(lǐng)域，具體涉及一種玉米果穗低損傷脫粒方法。
【背景技術(shù)】
[0002]玉米世界三大糧食作物之一，玉米脫粒是收獲工作中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它決定了玉米籽粒的損傷程度，損傷籽粒易生霉菌、生蟲、易破碎，不宜長期儲藏，而且能降低其市場價(jià)值和出口價(jià)值。
[0003]玉米脫粒與其它谷物脫粒不同，玉米籽粒通過果柄被束縛在玉米芯上，籽粒與果柄結(jié)合力較大。另外，其它谷物脫粒時(shí)，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(fèi)力，能量消耗較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對上述問題的不足，本發(fā)明一種玉米果穗低損傷脫粒方法，實(shí)現(xiàn)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?nèi)ビ衩灼?，除去玉米須，備用?br> 步驟二、建立玉米果穗循環(huán)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(huán)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)沿果穗切線方向繪制果穗橫向展開圖；
b)將橫向側(cè)面正對接觸的兩個(gè)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(cuò)位接觸的兩層1-1接觸的籽粒構(gòu)成一個(gè)11-22壘砌單元；
c)建立果穗籽粒間縱向縫隙組砌規(guī)律-ABA組砌規(guī)律，即在果穗縱行上，兩排縱向籽粒橫向間側(cè)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(cè)面正對接觸形成的對立縫隙A側(cè)面橫向再相互錯(cuò)開接觸形成交錯(cuò)縫隙B，在整個(gè)玉米果穗上對立縫隙A與交錯(cuò)縫隙B間隔出現(xiàn)；
d)建立整個(gè)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(cuò)位搭接排列在玉米芯上；
3)、根據(jù)玉米果穗籽粒受力分析，建立玉米果穗內(nèi)部的縱向力、徑向力、橫向力平衡模型，即玉米果穗循環(huán)力平衡模型；
步驟三、首先，根據(jù)上述步驟二所建立的玉米果穗循環(huán)力平衡模型計(jì)算出能打破循環(huán)力平衡的最小力的大小，然后用楔形沖擊頭對玉米果穗上的對立縫隙A施加所計(jì)算出的相應(yīng)大小的力進(jìn)行沖擊，對玉米果穗進(jìn)行脫粒。
[0006]有益效果
本發(fā)明玉米果穗低損傷脫粒方法，繪制出玉米果穗籽粒內(nèi)部循環(huán)力的平衡機(jī)理橫向展開圖，建立了 11-22壘砌單元和ABA組砌規(guī)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(huán)力圈”，為籽粒間力系分析提供清晰、獨(dú)特、正確的依據(jù)；在此基礎(chǔ)上對玉米果穗籽粒間力系進(jìn)行分析，并建立了玉米果穗循環(huán)力平衡模型，根據(jù)該模型可以計(jì)算出玉米果穗籽粒的最佳沖擊部位及最佳沖擊力值，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果對玉米果穗籽粒進(jìn)行沖擊，該力可破壞玉米果穗籽粒排列的力系平衡，輕松將玉米果穗籽粒脫下，且該力是經(jīng)過計(jì)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?？焖購挠衩仔旧戏蛛x。本發(fā)明可用于工業(yè)化玉米果穗低脫粒，制備出新型玉米果穗脫粒機(jī)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為玉米果穗籽粒內(nèi)部循環(huán)力的平衡機(jī)理橫向展開圖；
圖2為玉米果穗籽粒內(nèi)部橫向循環(huán)力的平衡機(jī)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(shí)物圖；
圖5為玉米果穗籽粒內(nèi)部縱向循環(huán)力的平衡機(jī)理橫向展開圖；
圖6為玉米果穗籽?？v向力學(xué)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為楔形沖擊頭沖擊力學(xué)分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)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?nèi)ビ衩灼ぃビ衩醉?，備用?br> 步驟二、建立玉米果穗循環(huán)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(huán)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)沿果穗切線方向繪制果穗橫向展開圖，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(cè)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(cè)面形成錯(cuò)位接觸，如圖3、4所示，11-22壘砌單元由6個(gè)籽粒組成，其中2顆籽粒組成一個(gè)塊，另外4顆的籽粒組成一個(gè)塊，兩塊橫向錯(cuò)位搭接。
[0011]c)建立果穗籽粒間縱向縫隙組砌規(guī)律-ABA組砌規(guī)律，即在果穗縱行上，兩排縱向籽粒橫向間側(cè)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(cè)面正對接觸形成的對立縫隙A側(cè)面橫向再相互錯(cuò)開接觸形成交錯(cuò)縫隙B，在整個(gè)玉米果穗上對立縫隙A與交錯(cuò)縫隙B間隔出現(xiàn)，如圖3、4所示；
d)建立整個(gè)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(cuò)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，由于橫向方向遵循11-22壘砌排列規(guī)律，圖5中可以看出:從左面頂部第一個(gè)籽粒開始，力傳遞路線是:一個(gè)籽粒頂一個(gè)籽粒，依次一個(gè)籽粒頂兩個(gè)籽粒，沿軸向螺旋壘砌排列，第一圈末的時(shí)候，縱向籽粒層已達(dá)4層(由于第一層籽粒是果穗最外層籽粒不規(guī)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(shí)候，縱向籽粒層大于4排),如圖5所不,第一橫排最右邊籽粒到第二圈開始的時(shí)候，由于籽粒11-22壘砌排列規(guī)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(huán)，這樣第二圈力循環(huán)與第一圈力循環(huán)出現(xiàn)力重疊層；同理，第二橫排最右邊籽粒到第二圈開始的時(shí)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(huán)，也出現(xiàn)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，由于任何一籽粒施力給相鄰接觸籽粒的時(shí)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(gè)大小相等、方向相反的橫向循環(huán)力，不過整個(gè)果穗上的多條力傳遞螺旋上的橫向循環(huán)力是重疊的，對于整個(gè)果穗籽粒來說，橫向循環(huán)力是平衡的。
[0013]橫向循環(huán)力在螺旋旋轉(zhuǎn)且重疊的過程中，我們假設(shè)第一個(gè)籽粒順時(shí)針方向受Filll的作用，逆時(shí)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(xiàn)橫3= 橫3，.........F橫i= 橫i，在整個(gè)果糖上橫向循環(huán)力也將是平衡的:
)=-ΣΛ?(ι_)。
iJlJ-1
[0014]b)、玉米果穗籽?？v向力分析
果穗大頭處縱向方向前橫向截面內(nèi)3-6排籽粒在縱行上合流，且一般為不規(guī)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(huán)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(shí)開始逐步減排合流，籽粒由大逐漸減小，形成近似“環(huán)形直角肋塊”。如圖7果穗縱向受力簡化模型?？v向循環(huán)力在每一縱行上處于力平衡狀態(tài)。
[0016]我們假設(shè)果穗大頭部環(huán)形直角肋塊中每一縱行肋塊對中部籽粒產(chǎn)生軸向方向力Fm的作用，同時(shí)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(huán)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(huán)形直角肋塊中每一縱行肋塊對中部籽粒產(chǎn)生軸向方向力Nsu的作用，同時(shí)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(huán)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(gè)果穗圓周上縱向循環(huán)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(gè)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(jìn)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(jié)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(jié)力方向夾角，F(xiàn)?柄與G方向一致時(shí)±Gcose取正號，F(xiàn)果柄與G方向不一致時(shí)±Gensfl取負(fù)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(huán)力圈消弱機(jī)理分析
外力想要破壞按照11-22壘砌規(guī)律壘砌籽粒間的循環(huán)力，必然先破壞籽粒壘砌的每一個(gè)單元，且必然使兩相鄰單元產(chǎn)生移動，塊單元內(nèi)的緊密接觸籽粒也產(chǎn)生移動，那么籽粒產(chǎn)生移動必然消耗能量，同時(shí)由于果穗籽粒縱向排列遵循ABA組砌規(guī)律，橫向籽粒遵循11-22錯(cuò)縫搭接原則，玉米果穗`的這種排列結(jié)構(gòu)在接受力傳遞的瞬間，把外力分解成按照螺旋旋轉(zhuǎn)的橫向、縱向、徑向三個(gè)方面的力，外力在傳遞中被快速衰弱消耗，任意一個(gè)籽粒接受外力后，通過這種力傳遞消耗方法很快傳遞給其它塊內(nèi)籽粒，又由于籽粒這種材料，有很強(qiáng)的韌性、彈性很大，外力作用使每個(gè)塊單元內(nèi)籽粒產(chǎn)生彈性變形，外力消失后，籽粒又恢復(fù)原狀，循環(huán)力沒有被破壞，只有外力足夠大，足夠摧毀循環(huán)力的時(shí)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(jù)玉米果穗籽粒受力分析，建立玉米果穗內(nèi)部的縱向力、徑向力、橫向力平衡模型，即玉米果穗循環(huán)力平衡模型。
[0022]步驟三、首先，根據(jù)上述步驟二所建立的玉米果穗循環(huán)力平衡模型計(jì)算出能打破循環(huán)力平衡的最小力的大小，然后用楔形沖擊頭對玉米果穗上的對立縫隙A施加所計(jì)算出的相應(yīng)大小的力進(jìn)行沖擊，對玉米果穗進(jìn)行脫粒。
[0023]I)、縱向沖擊時(shí)，最小沖擊力計(jì)算:
沖擊頭沖擊力學(xué)分析如圖9，兩側(cè)籽粒受到楔形沖擊頭施加在籽粒上的正壓力摩擦力F?，按如圖沖擊頭尺寸，每側(cè)可同時(shí)接觸3粒籽粒，可計(jì)算出沖擊力F為:
F 5:巧 + F7 二 IF1 二 2F, 3.?
F* =Z jiIEE*式中:f為摩擦系數(shù)
由于巧= &所以F嫩.^
其中:摩擦系數(shù)f可查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊獲得。值如下表:

桿半立行數(shù)Il |2|3|4

?0.48 1.275 1.978 2.738
jW —)____
2)、橫向沖擊時(shí)，最小沖擊力計(jì)算:
與縱向沖擊時(shí)，最小沖擊力計(jì)算方式相同
,~ 好iiBA "Jh f...其中:摩擦系數(shù)f可查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊獲得。值如下表:

￥?立行數(shù) Il |2 |3 |4
y-r 0.208 1.061 1.740 2.238
財(cái) _)____
所需施加的破壞縱向力的力的大小計(jì)算公式為:_F2 3i^SJb.,jl + /2，式中f為摩擦系
數(shù)，可查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊獲得。
[0024]F9nif值如下表:

桿半立行數(shù)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(jì)算公式為:，式中f為摩擦系數(shù)，可查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊獲得。
[0025]Feuwi值如下表:

￥?立行數(shù) Il|2|3|4

jrr0.208 1.061 1.740 2.238
【權(quán)利要求】
1.一種玉米果穗低損傷脫粒方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、將所需脫粒的玉米果穗剝?nèi)ビ衩灼?，除去玉米須，備用? 步驟二、建立玉米果穗循環(huán)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(huán)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)沿果穗切線方向繪制果穗橫向展開圖； b)將橫向側(cè)面正對接觸的兩個(gè)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(cuò)位接觸的兩層1-1接觸的籽粒構(gòu)成一個(gè)魚砌單元； c)建立果穗籽粒間縱向縫隙組砌規(guī)律-ABA組砌規(guī)律，即在果穗縱行上，兩排縱向籽粒橫向間側(cè)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(cè)面正對接觸形成的對立縫隙A側(cè)面橫向再相互錯(cuò)開接觸形成交錯(cuò)縫隙B，在整個(gè)玉米果穗上對立縫隙A與交錯(cuò)縫隙B間隔出現(xiàn)； d)建立整個(gè)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(cuò)位搭接排列在玉米芯上； 3)、根據(jù)玉米果穗籽粒受力分析，建立玉米果穗內(nèi)部的縱向力、徑向力、橫向力平衡模型，即玉米果穗循環(huán)力平衡模型； 步驟三、首先，根據(jù)上述步驟二所建立的玉米果穗循環(huán)力平衡模型計(jì)算出能打破循環(huán)力平衡的最小力的大小，然后用楔形沖擊頭對玉米果穗上的對立縫隙A施加所計(jì)算出的相應(yīng)大小的力進(jìn)行沖擊，對玉米 果穗進(jìn)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(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】李心平, 劉贏, 杜哲, 馬義東, 馬福麗 申請人:河南科技大學(xué)