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为解决水稻脱粒装置性能不佳、能耗高等问题，华中农业大学研究人员开展纵向轴流脱粒装置性能优化研究。结果显示滚筒式脱粒机优势显著。该研究成果能提升脱粒效率、降低成本，值得科研读者一读。
在全球范围内，水稻和小麦可是养活了 95% 人口的重要主食。尤其是水稻，一半的地球人都靠它填饱肚子，在粮食作物里的地位仅次于小麦，它的产量对地区发展、粮食安全和经济稳定都有着举足轻重的影响。如今，成熟的水稻大多靠联合收割机收割，这种机器能把收割、脱粒、清选这些步骤一气呵成，效率特别高。
不过，在这其中，脱粒装置可有着大问题。它是联合收割机里的 “电老虎”，特别耗电，而且还会出现茎秆破碎、杂质多的情况。要知道，脱粒装置的性能直接关系到联合收割机的整体表现，它不仅影响脱粒效率，还得保证产量最大化，同时减少种子损失。之前就有好多学者研究过，发现脱粒性能受好多因素影响，像作物的含水量、脱粒滚筒的直径、脱粒机的类型、脱粒齿的形状、数量和大小，还有凹板间隙、喂入速率和脱粒滚筒的转速等等。虽然有人提出可以通过优化脱粒间隙、速度和滚筒直径来提升脱粒效果，但是现有的纵向轴流分离装置还是有不少缺陷，所以还得继续深入研究。
为了解决这些问题，华中农业大学的研究人员在《Scientific Reports》期刊上发表了一篇名为《Optimization of longitudinal axial flow rice thresher performance using a novel drum thresher design》的论文。研究人员通过实验发现，新型的滚筒式脱粒机在很多方面都比传统的圆锥式脱粒机表现更好，这一成果对提升水稻脱粒效率、降低成本和能耗都有着重要意义。
研究人员在这项研究里，用了几个关键的技术方法。他们搭建了一个纵向轴流实验平台，这个平台有 3700mm 长、1460mm 宽、1540mm 高，上面装了各种设备，像用来传输水稻的旋转橡胶带喂料器，还有能计算脱粒功率、扭矩和转速的扭矩传感器。研究中用到了两种脱粒机结构，圆锥式和滚筒式，还利用全因子实验设计，在不同的转速（1100、1300 和 1500rpm）和喂入速率（0.8、1.1 和 1.4kg/s）下进行实验，最后用双向方差分析（ANOVA）来分析实验数据。
下面来详细看看研究结果：
- 方差分析：研究人员用 Minitab 18 软件进行了 5% 显著性水平的 ANOVA 分析，还画了高精度的 3D 图。结果发现，脱粒机转速对脱粒机的吞吐量影响最大，喂入速率对脱粒效率影响最大，脱粒机类型对破损率影响最大，而且对特定能量影响也最大。这些参数都对脱粒过程有着显著影响。
- 实验变量对脱粒机吞吐量的影响：研究发现，脱粒机的吞吐量会随着转速和喂入速率的增加而提高。这是因为喂入速率高了，脱粒的混合物质量就大，转速增加又能减少脱粒时间。在这方面，滚筒式脱粒机比圆锥式脱粒机更厉害，它在 1500rpm 转速和 1.4kg/s 喂入速率下，吞吐量能达到 2448kg/h，比圆锥式脱粒机提高了 6.25% 以上。这是因为滚筒式脱粒机末端间隙大，能让脱粒后的混合物更快排出，减少摩擦，缩短脱粒时间。
- 实验变量对脱粒效率的影响：脱粒机的喂入速率和转速增加时，两种脱粒机的脱粒效率都会提高。这是因为转速增加，脱粒齿撞击稻穗的频率变高，谷物和脱粒凹板之间的摩擦也增大，而且喂入速率增加，单位时间内通过脱粒间隙的作物质量也增多。滚筒式脱粒机在所有实验变量下，脱粒效率都更高，在 1.4kg/s 喂入速率和 1500rpm 转速时，能达到 99.07% 的最高脱粒效率，这得益于它滚筒脱粒齿的弯曲设计，能让混合物在脱粒间隙里流动更顺畅，减少分离时间。
- 实验变量对破损率的影响：转速和喂入速率增加时，种子破损率会上升，因为脱粒间隙里的作物密度增大，脱粒齿对作物混合物的冲击力变强。不过，滚筒式脱粒机的破损率比圆锥式脱粒机低 16.56%，最低能达到 0.24%，比其他研究里的破损率都低很多。这是因为滚筒式脱粒机的脱粒间隙在开始和结束时更大，减少了谷物的摩擦和研磨，而且稻穗有更多缓冲空间。
- 实验变量对特定能量的影响：随着转子转速增加，脱粒机的特定能量会降低，这是因为脱粒机生产力提高的幅度比功率增加的幅度大。而喂入速率增加时，特定能量会上升，这是因为喂入量增加，脱粒机的负荷增大。滚筒式脱粒机的特定能量消耗比圆锥式脱粒机降低了 15% 以上，在 1500rpm 转速和 0.8kg/s 喂入速率下，特定能量最低，只有 3.15kW?h/ton。这是因为滚筒式脱粒机的脱粒间隙可调节，脱粒后的混合物流动顺畅，降低了发动机的负荷和功率消耗。
研究人员还用 Minitab 18 进行了 Tukey 成对比较分析，结果表明滚筒式脱粒机在各项测量结果上都比圆锥式脱粒机表现更好。
总的来说，这项研究对两种水稻联合收割机的纵向流脱粒装置 —— 圆锥式和滚筒式脱粒机的性能进行了优化。实验发现，喂入速率和转速与各项测量参数之间存在正相关关系。在所有实验变量下，滚筒式脱粒机都比圆锥式脱粒机表现更出色，它的生产力提高了 6.25%，效率提升了 0.5%，破损率降低了 44.18%，能耗减少了 6.52% 。在 1500rpm 转速和 1.4kg/s 喂入速率下，滚筒式脱粒机的脱粒效率和吞吐量达到最高；在 1100rpm 转速和 0.8kg/s 喂入速率下，特定能量和破损率最低。
这项研究意义重大，它设计出了一种创新的脱粒机，大大提升了脱粒机的性能，降低了脱粒能耗和破损率，还提高了生产力和效率，让脱粒过程更环保、更省钱，对农业生产的发展有着很大的推动作用。研究人员还打算进一步实验，研究不同水稻品种在不同含水量下的脱粒情况，还要调整凹板间隙、更换齿杆、调节转子转速和喂入速率，测试优化后的脱粒机对小麦、向日葵等其他作物的脱粒效果，努力让脱粒机的应用范围更广、效率更高，为农业发展带来更多好处。
