高含水率玉米橡膠復(fù)合釘齒制備與脫粒性能試驗(yàn)

李義博 姜建軍 徐 楊 崔 濤 蘇 媛 喬夢(mèng)夢(mèng)

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

脫粒裝置是玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)的核心工作部件，其工作性能不僅影響后續(xù)清選分離作業(yè)，更影響著整個(gè)機(jī)器系統(tǒng)的工作質(zhì)量和生產(chǎn)率[1-3]。脫粒環(huán)節(jié)中籽粒所受機(jī)械損傷源于直收過(guò)程中的籽粒破碎，在實(shí)際生產(chǎn)中，為爭(zhēng)搶農(nóng)時(shí)，玉米收獲時(shí)的籽粒含水率一般高于國(guó)標(biāo)(25%)，因此易產(chǎn)生破碎[4]。另外，脫粒環(huán)節(jié)中籽粒受到脫粒元件、凹板等脫粒部件的擠壓撞擊外力作用，極易造成損傷，進(jìn)而導(dǎo)致籽粒直收過(guò)程中玉米籽粒破碎率較高[4-5]。

針對(duì)高含水率玉米籽粒破碎率高的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。在脫粒裝置工作參數(shù)方面，CHOWDHURY[6]通過(guò)室內(nèi)玉米脫粒臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增加滾筒釘齒數(shù)目導(dǎo)致籽粒破碎率顯著增加；ARNOLD[7]、WAELTI等[8]研究了滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、喂入量、板齒類型及數(shù)量等對(duì)籽粒破碎率的影響，結(jié)果表明，滾筒轉(zhuǎn)速是造成籽粒機(jī)械損傷的主要因素；文獻(xiàn)[9-10]研究了不同喂入方式、喂入量、滾筒速度和脫粒間隙等對(duì)籽粒破碎率的影響，得到了不同玉米品種在不同含水率下適宜的滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒間隙；李心平等[11]研究了籽粒不同含水率、喂入量和脫粒輥轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒破碎率的影響，揭示了含水率與破碎率呈二次函數(shù)關(guān)系，喂入量和脫粒輥轉(zhuǎn)速均與破損率呈正相關(guān)關(guān)系。

目前，多數(shù)學(xué)者主要以改進(jìn)脫粒部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)為主，而對(duì)谷物脫粒釘齒的材料研究較少。張東興團(tuán)隊(duì)[3]基于EDEM仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種剛性圓頭釘齒、紋桿與分段組合式凹板相互配合的脫粒機(jī)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)高含水率籽粒的低破碎脫粒進(jìn)行了初步嘗試；付君等[12]以牛舌舌尖表面絲狀乳突結(jié)構(gòu)為仿生原型，設(shè)計(jì)了Q345碳鋼材料的小麥仿生脫粒齒，提升了小麥脫粒的脫凈率；陳海濤等[13]針對(duì)大豆脫粒過(guò)程中籽?；祀s和機(jī)械損傷等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了脫粒帶為通用橡膠材料的柔性差速帶式脫粒裝置，為實(shí)現(xiàn)大豆低含雜、低損傷脫粒提供了理論依據(jù)；耿端陽(yáng)等[14]設(shè)計(jì)了橫軸流式玉米柔性脫粒裝置，脫粒元件采用柔性釘齒和彈性短紋桿組合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了玉米果穗柔性低損傷脫粒，但柔性釘齒材料僅由聚氨酯橡膠構(gòu)成，質(zhì)地偏軟，對(duì)果穗擊打脫粒能力較弱，影響玉米籽粒脫凈率；蘇媛等[15]將傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒改進(jìn)設(shè)計(jì)為丁腈橡膠復(fù)合釘齒和聚氨酯橡膠釘齒，經(jīng)試驗(yàn)表明，丁腈橡膠復(fù)合釘齒脫粒性能優(yōu)于聚氨酯橡膠釘齒和傳統(tǒng)碳鋼釘齒，但未對(duì)丁腈橡膠復(fù)合釘齒在脫粒過(guò)程中的耐磨性能進(jìn)行深入研究。

本文采用臺(tái)架試驗(yàn)方法研究不同外層材料的復(fù)合釘齒對(duì)玉米果穗脫粒性能(籽粒破碎率和未脫凈率)和自身抗磨損性能(磨損損失質(zhì)量和磨損宏微觀分析)的影響，綜合提出較優(yōu)的橡膠復(fù)合釘齒類型，以期提升脫粒裝置對(duì)高含水率果穗脫粒過(guò)程中的作業(yè)性能。

1 復(fù)合釘齒式脫粒裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 脫粒釘齒改進(jìn)方案

玉米脫粒裝置內(nèi)釘齒式元件主要通過(guò)擊打碰撞方式對(duì)果穗脫粒，釘齒對(duì)果穗抓取能力強(qiáng)，在果穗含水率較高和喂入量不均勻情況下具有良好的適應(yīng)性，但其擊打面積小、強(qiáng)度大，故籽粒破碎率高[16]。

圖1 玉米脫粒裝置內(nèi)脫粒釘齒改進(jìn)方案Fig.1 Improvement of nail teeth in maize threshing device1.傳統(tǒng)桿齒 2.固定座 3.橡膠層 4.螺栓 5.碳鋼層

本課題組依據(jù)釘齒式脫粒元件優(yōu)缺點(diǎn)，將其進(jìn)行改進(jìn)，如圖1所示[15]。增大與果穗擊打碰撞接觸面積，依據(jù)傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了Q235弧面釘齒；減小與果穗剛性機(jī)械碰撞，將Q235弧面釘齒改進(jìn)為彈性橡膠弧面釘齒；彈性橡膠弧面釘齒質(zhì)地偏軟，對(duì)果穗擊打碰撞能力顯著減弱，籽粒未脫凈率升高，根據(jù)彈性橡膠釘齒和弧面釘齒性能特點(diǎn)，改進(jìn)設(shè)計(jì)了復(fù)合釘齒。復(fù)合釘齒由內(nèi)層碳鋼層和外層橡膠層組成，橡膠層包裹碳鋼層并通過(guò)螺栓連接固定在基座上，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了復(fù)合釘齒脫粒性能優(yōu)于前者[15]。

1.2 脫粒裝置結(jié)構(gòu)與復(fù)合釘齒工作原理

復(fù)合釘齒式脫粒裝置主要由螺旋喂入頭、復(fù)合釘齒、分離和脫粒凹板、脫粒滾筒和排芯板等部件組成。復(fù)合釘齒螺旋排布在脫粒滾筒表面；螺旋導(dǎo)流板均勻排布在罩殼內(nèi)側(cè)以促進(jìn)脫粒釘齒對(duì)果穗的軸向運(yùn)輸；罩殼和凹板均通過(guò)螺栓連接固定在支撐架上；排芯板設(shè)置于脫粒滾筒后端，材質(zhì)選用普通碳鋼，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為[17]：滾筒總長(zhǎng)度2 700 mm、滾筒半徑200 mm、滾筒傾角5°、螺旋喂入頭螺旋角30°、長(zhǎng)度500 mm，單條螺旋線上脫粒段齒數(shù)13、分離段齒數(shù)16，排雜段長(zhǎng)度100 mm，滾筒齒根圓直徑380 mm，單個(gè)凹板長(zhǎng)度366 mm、包角163°、凹板間隙50 mm。如圖2所示，復(fù)合釘齒結(jié)構(gòu)參數(shù)為[15,18]：橡膠層工作高度H1=40 mm，碳鋼層高度H2=60 mm，橡膠層弧形半徑R1=57 mm，橡膠層寬度D1=30 mm，碳鋼層底寬D2=24 mm，經(jīng)過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)，綜合考慮復(fù)合釘齒橡膠層疲勞磨損、果穗所受擊打強(qiáng)度和籽粒破碎率與未脫凈率等因素，確定橡膠層厚度為3 mm。

圖2 復(fù)合釘齒式脫粒裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of maize threshing device based on composite nail teeth1.螺旋喂入頭 2.脫粒滾筒 3.復(fù)合釘齒 4.罩殼 5.排芯板 6.分離凹板 7.脫粒凹板

復(fù)合釘齒工作原理：主要依靠對(duì)玉米果穗擊打和碰撞實(shí)現(xiàn)脫粒，弧形表面增大與果穗碰撞接觸面積，減小對(duì)籽?；衃19]，增加對(duì)果穗“擠搓”和“揉擦”作用。內(nèi)層碳鋼層選用Q235鋼，其不與果穗接觸，僅為外層橡膠層提供剛性應(yīng)力支撐，使橡膠層與果穗發(fā)生“彈性碰撞”時(shí)，適當(dāng)增大擊打、擠搓強(qiáng)度，提升籽粒脫凈率；外層橡膠層實(shí)現(xiàn)與果穗“彈性碰撞”，減小果穗所受剛性沖擊，降低機(jī)械碰撞損傷下籽粒破碎率。

2 不同外層橡膠材料的復(fù)合釘齒制備

2.1 橡膠材料選擇

丁腈橡膠(NBR)是一種不飽和的極性橡膠，主要應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，另外，還應(yīng)用在墊圈、管螺紋保護(hù)層和硬橡膠零件制造等方面[20]。丁腈橡膠具有極高的穩(wěn)定性和抗沖擊性、優(yōu)異的耐磨損和耐熱性[21]，比較符合玉米脫粒裝置中對(duì)脫粒釘齒的性能要求。因此，將丁腈橡膠作為橡膠選材之一。

天然橡膠(NR)是以聚異戊二烯為主要成分的天然高分子聚合物，其具有優(yōu)異的抗撕裂性能和耐磨損性能，綜合性能優(yōu)越，被廣泛應(yīng)用于輪胎制造等產(chǎn)業(yè)[22]。脫粒釘齒與輪胎應(yīng)具備的特點(diǎn)相似：合適的硬度、較強(qiáng)的抓取能力和良好的耐磨性與抗撕裂特性，所以將天然橡膠作為選材之一。

三元乙丙橡膠(EPDM)是一種綜合性能較好的三元共聚物，被稱為“通用型橡膠”。其優(yōu)異的耐磨性能、良好的耐熱老化性能和優(yōu)良的耐屈撓性，在減震制品、汽車工業(yè)和電纜電線等領(lǐng)域得到了廣泛使用[23]。優(yōu)異的耐磨性能和耐屈撓性能使三元乙丙橡膠成為材料選擇之一。

綜上分析，本文選用丁腈橡膠、天然橡膠、三元乙丙橡膠作為復(fù)合釘齒橡膠層的橡膠種類。

2.2 加工設(shè)備與測(cè)試儀器

在橡膠材料制備過(guò)程中，不同的配方和加工工藝流程對(duì)其硬度、撕裂強(qiáng)度和壓縮變形等物理和力學(xué)性能產(chǎn)生較大差異，故本研究將通過(guò)詳述橡膠材料配方和加工工藝流程自制3種外層材料不同的橡膠復(fù)合釘齒，加工設(shè)備與測(cè)試儀器如下：XK-160型開煉機(jī)(上海雙翼橡膠機(jī)械廠)、BB-2型密煉機(jī)(東莞昶豐橡塑機(jī)械科技有限公司)、MR-C3型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀(蘇州科博晟機(jī)械設(shè)備有限公司)、XLB-D600×600型平板硫化機(jī)(浙江湖州東方機(jī)械有限公司)和HITACHI S-4800型掃描電子顯微鏡(日立公司，日本)。

2.3 復(fù)合釘齒加工

2.3.1復(fù)合釘齒外層橡膠材料配方

表1為丁腈橡膠、天然橡膠和三元乙丙橡膠材料配方。

2.3.2復(fù)合釘齒加工工藝

(1)丁腈橡膠復(fù)合釘齒

將生膠在開煉機(jī)上薄通5次，包輥后加入小料混煉3 min，翻煉3 min；吃料完畢后左右割刀翻煉3至4次；加入硫化劑并翻煉3至4次，薄通1至2次，排氣下片；用無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀測(cè)定硫化特性，將橡膠轉(zhuǎn)入釘齒模具中模壓并用平板硫化機(jī)硫化。

表1 橡膠材料配方Tab.1 Formulations of rubber material g

(2)天然橡膠復(fù)合釘齒

在室溫25℃條件下，將天然橡膠生膠在開煉機(jī)上塑煉3 min；包輥后，依次加入氧化鋅和防老劑RD等混煉均勻，待完全吃料后，加入剩余填料混煉均勻停放10 min；加入促進(jìn)劑和硫磺，吃料完畢后左右割刀5次，打三角包6次，混煉均勻，下片待用；使用無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀測(cè)定160℃下硫化特性；停放48h后將橡膠轉(zhuǎn)入釘齒模具中模壓和粘貼成型，使用平板硫化機(jī)硫化試樣，施加壓力120 MPa，硫化溫度160℃。

(3)三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒

將生膠置于開煉機(jī)塑煉3次，包輥后加入硬脂酸和防老劑等割刀混煉，薄通均勻后加入炭黑和促進(jìn)劑等，打三角包，混煉均勻，下片待用；靜置10 h，使用無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀測(cè)定170℃硫化溫度下硫化時(shí)間，將橡膠置于模具中模壓成型并在硫化機(jī)上硫化。

3種外層橡膠材料不同的復(fù)合釘齒加工實(shí)物(基座除外)如圖3所示。

圖3 不同外層橡膠材料的復(fù)合釘齒實(shí)物Fig.3 Composite nail teeth in different outer rubber materials

3 復(fù)合釘齒性能試驗(yàn)

3.1 復(fù)合釘齒外層橡膠層硬度試驗(yàn)

復(fù)合釘齒橡膠層的硬度是評(píng)價(jià)玉米果穗與復(fù)合層釘齒相互接觸產(chǎn)生碰撞壓縮時(shí)橡膠層抵抗變形能力的指標(biāo)，硬度與抵抗變形能力成正比且與其他力學(xué)性能(撕裂強(qiáng)度、壓縮變形等)密切相關(guān)[24]。復(fù)合釘齒橡膠層加工完畢后，對(duì)其進(jìn)行抵抗變形能力測(cè)驗(yàn)，在室溫25℃下，參照文獻(xiàn)[24]，采用邵爾(A型)硬度計(jì)(上海高致精密儀器有限公司)進(jìn)行測(cè)試，在試樣不同位置測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)量1次，取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)數(shù)值中位數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。丁腈橡膠層(NBR)、天然橡膠層(NR)和三元乙丙橡膠層(EPDM)邵爾A硬度依次升高，分別為69、72和76，故三元乙丙橡膠層抵抗變形能力最強(qiáng)。

表2 不同橡膠材料邵爾A硬度Tab.2 Shore A hardness of different rubber materials

3.2 復(fù)合釘齒脫粒性能試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)條件

基于自制3種不同外層橡膠材料的復(fù)合釘齒，通過(guò)螺栓連接并將其固定于基座上，改進(jìn)縱軸流式脫粒裝置試驗(yàn)臺(tái)架，使其與玉米收獲機(jī)脫粒裝置保持一致。由于原裝置脫粒滾筒工作轉(zhuǎn)速范圍為250～500 r/min(線速度為5.24～10.47 m/s)，取其轉(zhuǎn)速中心值n=375 r/min(線速度為7.86 m/s)作為本研究脫粒裝置滾筒轉(zhuǎn)速(線速度)[15]，其余參數(shù)均與原裝置保持一致。試驗(yàn)材料選用河北省滄州地區(qū)廣泛種植的長(zhǎng)筒型“聯(lián)創(chuàng)808”玉米果穗，將果穗按長(zhǎng)度172、183、196、204 mm分為4類，分別占果穗總質(zhì)量的9.5%、73.6%、10.1%和6.8%。按照物料含水率測(cè)定方法，通過(guò)田間取樣實(shí)際測(cè)得籽粒含水率范圍為29.7%～30.5%，為避免果穗機(jī)械損傷采用人工摘穗方式收穗[25]，為模擬收獲過(guò)程中割臺(tái)對(duì)果穗影響去除2～3層外部苞葉[26]，試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝置Fig.4 Experiment device1.輸送裝置 2.喂入裝置 3.脫粒裝置 4.脫粒滾筒 5.復(fù)合釘齒

3.2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前依據(jù)玉米果穗長(zhǎng)度比例，稱量各長(zhǎng)度果穗并均勻混合，分別將80、100、120 kg果穗均勻有序鋪放在輸送裝置不同區(qū)域，通過(guò)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)10 s，重復(fù)多次試驗(yàn)分別確定3種質(zhì)量的玉米果穗10 s時(shí)從輸送裝置完全進(jìn)入脫粒裝置的鋪放區(qū)域。試驗(yàn)時(shí)分別將3種質(zhì)量的玉米果穗均勻放置在輸送裝置的確定區(qū)域內(nèi)，10 s全部喂入，以保證脫粒裝置螺旋喂入頭處果穗喂入量分別為8、10、12 kg/s。試驗(yàn)參照GB/T 21961—2008《玉米收獲機(jī) 試驗(yàn)方法》及GB/T 21962—2008《玉米收獲機(jī)械 技術(shù)條件》進(jìn)行，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理。通過(guò)更換不同外層橡膠材料的復(fù)合釘齒，探究對(duì)籽粒破碎率與未脫凈率的影響，計(jì)算公式[27]為

(1)

(2)

式中Zp、Sw——籽粒破碎率和未脫凈率，%

wp1——表面裂紋、破裂和劃傷籽粒質(zhì)量，kg

wp2——表面破皮、內(nèi)部裂紋籽粒質(zhì)量，kg

wx、wz——籽粒總質(zhì)量和脫出籽?？傎|(zhì)量，kg

wj——未脫凈籽粒質(zhì)量，kg

3.2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)對(duì)籽粒破碎率的影響

不同橡膠層釘齒在果穗不同喂入量時(shí)，玉米籽粒破碎率如圖5所示。

圖5 不同類型脫粒釘齒的籽粒破碎率Fig.5 Breakage rates of maize in different types of threshing nail teeth

在相同喂入量下，4種脫粒釘齒的籽粒破碎率由小到大依次為三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒、天然橡膠復(fù)合釘齒、丁腈橡膠復(fù)合釘齒、傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒。3種復(fù)合釘齒的玉米籽粒破碎率均小于傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒，這是因?yàn)閺?fù)合釘齒硬度較小，與果穗碰撞接觸面積大，籽粒所受滑切作用較小，說(shuō)明復(fù)合釘齒能有效降低果穗剛性沖擊，減輕碰撞損傷，進(jìn)而降低籽粒破碎率。

三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒與天然橡膠復(fù)合釘齒籽粒破碎率分別在喂入量為8、12 kg/s時(shí)相差最小和最大，其差值為0.85%(2.92%～3.77%)、1.35%(4.88%～6.23%)，與丁腈橡膠復(fù)合釘齒籽粒破碎率分別在喂入量為8、12 kg/s時(shí)相差最小和最大，其差值為1.93%(2.92%～4.85%)、2.39%(4.88%～7.27%)。

當(dāng)喂入量為8、10、12 kg/s時(shí)，傳統(tǒng)碳鋼釘齒籽粒破碎率分別為6.90%、8.28%、10.35%，三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒籽粒破碎率分別為2.92%、3.68%、4.88%，籽粒破碎率分別降低3.98、4.6、5.47個(gè)百分點(diǎn)。

(2)對(duì)籽粒未脫凈率的影響

不同橡膠層釘齒在果穗不同喂入量時(shí)，玉米籽粒未脫凈率如圖6所示。在果穗喂入量相同時(shí)，4種脫粒釘齒的籽粒未脫凈率由小到大依次為傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒、三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒、天然橡膠復(fù)合釘齒、丁腈橡膠復(fù)合釘齒。但3種復(fù)合釘齒與傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒的籽粒未脫凈率相近，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)碳鋼釘齒對(duì)果穗擊打強(qiáng)度較大，使籽粒在芯軸上脫落或松動(dòng)的幾率增大，故籽粒未脫凈率低[17,28]，然而，復(fù)合釘齒弧面增大了與果穗擊打接觸面積，籽粒受力的排數(shù)和行數(shù)增多，也使果穗脫粒概率增大，故兩者籽粒未脫凈率相差不大。

圖6 不同類型脫粒釘齒的籽粒未脫凈率Fig.6 Non threshing rates of maize in different types of threshing nail teeth

傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒與三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒籽粒未脫凈率分別在喂入量為8、12 kg/s時(shí)相差最小和最大，其差值為0.06%(0.24%～0.30%)、0.1%(0.59%～0.69%)，與天然橡膠復(fù)合釘齒籽粒未脫凈率分別在喂入量為8、12 kg/s時(shí)相差最小和最大，其差值為0.11%(0.24%～0.35%)、0.19%(0.59%～0.78%)，與丁腈橡膠復(fù)合釘齒籽粒未脫凈率分別在喂入量為8、12 kg/s時(shí)相差最小和最大，其差值為0.17%(0.24%～0.41%)、0.23%(0.59%～0.82%)。當(dāng)喂入量為8～12 kg/s時(shí)，三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒籽粒未脫凈率為0.30%～0.69%，與傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒未脫凈率相差最小。

綜上，在該脫粒試驗(yàn)條件下，三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒籽粒未脫凈率與傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒相近，但籽粒破碎率顯著低于傳統(tǒng)Q235碳鋼釘齒，滿足玉米直收籽粒破碎率小于等于5%、未脫凈率小于等于2%的國(guó)家脫粒質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范要求，三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒使縱軸流式脫粒裝置脫粒性能得到了顯著提升。

3.3 復(fù)合釘齒抗磨損性能試驗(yàn)

3.3.1復(fù)合釘齒橡膠層磨損損失質(zhì)量分析

磨損性能試驗(yàn)在縱軸流脫粒裝置臺(tái)架上進(jìn)行，其與脫粒性能試驗(yàn)工作條件一致：滾筒轉(zhuǎn)速n=375 r/min，品種“聯(lián)創(chuàng)808”，籽粒含水率29.7%～30.5%，為保證果穗脫粒性能，市場(chǎng)上籽粒收獲機(jī)脫粒裝置果穗喂入量一般不大于12 kg/s，本試驗(yàn)選取果穗喂入量12 kg/s。將3種不同類型的復(fù)合釘齒裝配在縱軸流脫粒裝置試驗(yàn)臺(tái)架上分別進(jìn)行磨損試驗(yàn)，以橡膠層磨損損失質(zhì)量為試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)前，分別稱量每種復(fù)合釘齒各個(gè)外層橡膠層質(zhì)量并求平均值，試驗(yàn)每隔120 s拆下橡膠層，清潔表面后進(jìn)行稱量，磨損損失質(zhì)量即為試驗(yàn)前、后橡膠層質(zhì)量差，然后重新配備試驗(yàn)物料，繼續(xù)試驗(yàn)累計(jì)t=1 200 s，復(fù)合釘齒外層磨損損失質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同脫粒釘齒橡膠層磨損損失質(zhì)量對(duì)比圖Fig.7 Comparison of loss weight of rubber layer in different threshing nail teeth

由圖7可知，丁腈橡膠復(fù)合釘齒試件磨損速率為0.87 mg/s，磨損過(guò)程不穩(wěn)定且磨損速度快，960 s后進(jìn)入磨損加劇階段；天然橡膠復(fù)合釘齒試件磨損速率為0.30 mg/s，較丁腈橡膠層降低了65.5%，480 s后磨損加重；三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒試件磨損速率約為0.12 mg/s，較丁腈橡膠層降低了86.2%，較天然橡膠層降低了60.0%，120～1 080 s內(nèi)橡膠層磨損均勻，磨損損失質(zhì)量平穩(wěn)。與其它橡膠層釘齒相比，三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒耐磨性優(yōu)良、磨損損失質(zhì)量更小、磨損趨勢(shì)更加穩(wěn)定，具有較優(yōu)的耐磨性能。這是因?yàn)閷?duì)于同種材料，三元乙丙橡膠硬度大，其表面抵御外界塑性變形能力較強(qiáng)，剪切模量大，材料抵抗切應(yīng)力能力較強(qiáng)，該材料適應(yīng)性越強(qiáng)，耐磨性越優(yōu)良。

3.3.2復(fù)合釘齒橡膠層宏觀磨損分析

為描述復(fù)合釘齒橡膠層宏觀磨損情況，對(duì)釘齒橡膠層各表面命名，并對(duì)其工作弧面等面積劃分8個(gè)區(qū)域(標(biāo)號(hào)①～⑧)，如圖8所示，均占弧面面積的1/8，以便分析工作弧面不同位置橡膠層磨損特點(diǎn)。

圖8 復(fù)合釘齒橡膠層工作弧面區(qū)域劃分Fig.8 Division of working areas on rubber layer of composite nail tooth

為突顯各橡膠層磨損特征，基于圖7復(fù)合釘齒不同橡膠層磨損損失質(zhì)量對(duì)比，并結(jié)合圖8弧面工作區(qū)域劃分，選取脫粒時(shí)間在360、600、840、1 200 s的橡膠層進(jìn)行宏觀磨損分析，各時(shí)刻橡膠層磨損情況如圖9～12所示。

圖9 脫粒時(shí)間為360 s時(shí)橡膠層磨損情況Fig.9 Abrasion condition of rubber layers when time was 360 s

由圖9可知，丁腈橡膠層頂面與工作面區(qū)域②結(jié)合處產(chǎn)生明顯的裂紋，鑒于裂紋產(chǎn)生位置并非工作面區(qū)域，其產(chǎn)生原因是橡膠材料在加工成型過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力集中所造成；3種不同橡膠層釘齒由于工作時(shí)間較短，橡膠層與玉米果穗相互碰撞接觸次數(shù)相對(duì)較少，受力磨損次數(shù)較少，故3種橡膠層工作面均無(wú)明顯磨損。

圖10 脫粒時(shí)間為600 s時(shí)橡膠層磨損情況Fig.10 Abrasion condition of rubber layers when time was 600 s

圖11 脫粒時(shí)間為840 s時(shí)橡膠層磨損情況Fig.11 Abrasion condition of rubber layers when time was 840 s

圖12 脫粒時(shí)間為1 200 s時(shí)橡膠層磨損情況Fig.12 Abrasion condition of rubber layers when time was 1 200 s

如圖10所示，當(dāng)脫粒時(shí)間為600 s時(shí)，丁腈橡膠層在區(qū)域⑦、⑧位置形成了密密麻麻的細(xì)小裂紋，裂紋橫向和縱向分布不一，在區(qū)域⑤、⑥均勻分布著大量的微小凹坑，這是因?yàn)榫植康牧鸭y削弱了橡膠層整體強(qiáng)度，變形損壞現(xiàn)象從局部裂紋向工作面其他區(qū)域蔓延；天然橡膠層區(qū)域⑧和三元乙丙橡膠層區(qū)域⑦表面均出現(xiàn)了細(xì)小的凹坑，區(qū)域⑧凹坑數(shù)量明顯多于區(qū)域⑦，主要原因?yàn)閰^(qū)域⑦、⑧與玉米果穗碰撞打擊次數(shù)較多，其表面發(fā)生疲勞破壞，局部橡膠碎屑脫落形成小凹坑。

由圖11可知，丁腈橡膠層區(qū)域⑤、⑦中心大凹坑的直徑和深度進(jìn)一步擴(kuò)大，區(qū)域⑥、⑧周圍小凹坑面積不斷增長(zhǎng)，磨損較為顯著，其余區(qū)域未明顯磨損痕跡，說(shuō)明工作面下半?yún)^(qū)域?yàn)橹饕摿^(qū)，極易發(fā)生橡膠疲勞破損；在天然橡膠層⑤～⑧區(qū)域，小凹坑分布面積逐漸變大，擴(kuò)散聚集成深度顯著增加的大凹坑，三元乙丙橡膠層①、②位置出現(xiàn)數(shù)量較少、面積增大的小凹坑，這是因?yàn)橄鹉z層與果穗多次擠搓、撕裂作用導(dǎo)致橡膠表面以凹坑為破壞原點(diǎn)，產(chǎn)生裂紋劃傷痕跡，并撕裂拉扯伸長(zhǎng)。

由圖12可知，當(dāng)脫粒時(shí)間為1 200 s時(shí)，丁腈橡膠層區(qū)域⑦、⑧出現(xiàn)嚴(yán)重撕裂現(xiàn)象，工作面發(fā)生偏移，包裹的剛性釘齒小部分裸露，磨損較嚴(yán)重；在天然橡膠層⑦、⑧位置，深淺不一凹坑和劃痕交織產(chǎn)生較為明顯的磨損痕跡；在三元乙丙橡膠層區(qū)域①、②雖產(chǎn)生點(diǎn)點(diǎn)凹坑，但整體依然光滑平整無(wú)明顯裂紋和磨損痕跡。

根據(jù)在脫粒時(shí)間0～1 200 s內(nèi)各橡膠層磨損情況分析，最終丁腈橡膠層破壞較嚴(yán)重，磨損溝壑痕跡明顯，三元乙丙橡膠層凹坑數(shù)量遠(yuǎn)少于天然橡膠層，且兩者均未導(dǎo)致橡膠層破損失效，說(shuō)明在該時(shí)間段均具有較好的抗撕裂性能。

3.3.3復(fù)合釘齒橡膠層微觀形貌分析

以脫粒時(shí)間為1 200 s時(shí)不同橡膠層表面的微觀形貌為例，將試樣置于真空鍍膜機(jī)上進(jìn)行表面噴鍍金膜處理，利用日本日立公司S-4800型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)對(duì)橡膠層磨損表面進(jìn)行觀察，不同橡膠層微觀形貌如圖13～16所示。

圖13 橡膠層原始狀態(tài)下表面微觀形貌Fig.13 Surface morphology of rubber layer in its original state

為準(zhǔn)確觀察和描述3種橡膠層磨損后表面微觀形貌變化，將橡膠層原始狀態(tài)下表面微觀形貌作為對(duì)照組，圖13分別為放大倍數(shù)300(100 μm)和1 000(20 μm)下橡膠層的微觀形貌。在放大倍數(shù)300下，其整體表面平整度極高，放大倍數(shù)1 000下，經(jīng)局部放大后可觀察到其組織連接緊密性極強(qiáng)，其間未出現(xiàn)斷裂、凹陷等缺陷。

圖14 脫粒時(shí)間為1 200 s時(shí)丁腈橡膠層工作表面微觀形貌Fig.14 Micro morphology of working surface of NBR when time was 1 200 s

相較于未經(jīng)脫粒試驗(yàn)的橡膠層對(duì)照組，由圖14可知，當(dāng)放大倍數(shù)為300(100 μm)時(shí)，其整體表面平整度極低，大面積規(guī)則不一的裂口和細(xì)紋向四處延伸，且方向橫縱不一，魚鱗狀磨損痕跡清晰可見(jiàn)，說(shuō)明其所受力的作用形式多種多樣，既存在撕裂性質(zhì)的斷層缺陷，又存在沖擊和磨損作用形式產(chǎn)生的磨屑，符合復(fù)合釘齒在滾筒內(nèi)受力形式頗為復(fù)雜的理論；當(dāng)放大倍數(shù)增加到1 000(20 μm)時(shí)，形態(tài)各異的塊狀組織發(fā)生明顯堆積現(xiàn)象，視野中未出現(xiàn)較為平展的區(qū)域，圖中左邊塊狀組織分布較密集，右邊組織分布較稀疏，且均出現(xiàn)分層現(xiàn)象，主要由于右邊組織為橡膠層工作面主要受力位置，長(zhǎng)時(shí)間揉搓、摩擦與沖擊等作用使該組織產(chǎn)生磨屑并脫落，因此呈現(xiàn)“左密右疏”組織形態(tài)。

如圖15所示,在放大倍數(shù)為300(100 μm)，與丁腈橡膠表層微觀形貌相比，其表面平整度較高，未產(chǎn)生大面積組織斷裂和變形，但表面存在明顯的凹坑缺陷；在放大倍數(shù)1 000(20 μm)時(shí)，呈現(xiàn)出凹坑具體樣貌：每個(gè)凹坑不是穿透單一組織，而是多次重復(fù)受力破壞了多層組織所形成的缺陷。凹坑周圍遍布著微小的磨屑，磨屑數(shù)量比丁腈橡膠層多，說(shuō)明其磨損形式既有疲勞磨損又有磨粒磨損。與丁腈橡膠層相比，天然橡膠交聯(lián)密度較高，組織間結(jié)合力較大，抗撕裂性能較好，不會(huì)出現(xiàn)單獨(dú)塊狀組織，同時(shí)在受到外力作用時(shí)抗塑性變形能力強(qiáng)，表面破壞程度相對(duì)丁腈橡膠層較低。

如圖16所示，脫粒磨損試驗(yàn)后的三元乙丙橡膠層工作表面微觀形貌在放大倍數(shù)為300(100 μm)時(shí)，與丁腈橡膠表層微觀形貌相比，兩者整體微觀形貌類似，三元乙丙橡膠層表面細(xì)紋和裂口數(shù)量較少，魚鱗狀磨損痕跡較少，平整度相對(duì)較高，但大塊完整組織未被破壞，表面磨屑相對(duì)較多。與天然橡膠表層相貌相比，其凹坑面積大、數(shù)量少，凹坑穿透的組織層數(shù)少，分布較集中；在放大倍數(shù)1 000(20 μm)時(shí)，相對(duì)于丁腈橡膠層，其表面零星的塊狀組織相對(duì)較少，組織間未產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，大片組織仍保留著較高的平整度，表明其抗變形能力高于丁腈橡膠層。相對(duì)于天然橡膠層，其表面磨屑較少，小凹坑數(shù)量極少，說(shuō)明其破壞層面僅觸及到組織的表面層，未向組織內(nèi)部深入，組織破壞程度較低，磨損形式以疲勞磨損為主。

綜上分析，丁腈橡膠層明顯裂紋缺陷數(shù)量最多，組織間結(jié)合力薄弱，極容易發(fā)生破壞。天然橡膠層表層孔洞削弱組織間結(jié)合力，重復(fù)受力將易出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象。三元乙丙橡膠表層零星多余組織對(duì)組織間的結(jié)合力未造成較大影響，大部分組織保持相對(duì)完整，具有較強(qiáng)抵抗外力作用。

為探究在果穗大喂入量條件下3種復(fù)合釘齒連續(xù)脫粒工作的穩(wěn)定性，依次進(jìn)行脫粒磨損試驗(yàn)，直至每種復(fù)合釘齒的橡膠層疲勞失效導(dǎo)致宏觀上完全破損。通過(guò)磨損臺(tái)架試驗(yàn)得出，丁腈橡膠、天然橡膠和三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒連續(xù)工作的壽命分別為4.8、16.5、22.9 h。由于復(fù)合釘齒橡膠層包裹碳鋼層，并通過(guò)螺栓連接固定于底座，故實(shí)際生產(chǎn)中當(dāng)橡膠層疲勞失效導(dǎo)致完全破損后，可通過(guò)更換復(fù)合釘齒的橡膠層恢復(fù)正常工作。

綜上所述，經(jīng)復(fù)合釘齒橡膠層宏觀磨損分析、SEM微觀形貌分析與橡膠層壽命臺(tái)架試驗(yàn)，綜合得出3種橡膠層釘齒耐磨穩(wěn)定性由大到小順序?yàn)椋喝冶鹉z層、天然橡膠層、丁腈橡膠層。鑒于3種不同材料復(fù)合釘齒對(duì)果穗脫粒性能和自身抗磨損性能的影響，得出三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒綜合作業(yè)效果最佳，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)選擇該類型釘齒作為脫粒元件。

4 結(jié)論

(1)復(fù)合釘齒橡膠層可實(shí)現(xiàn)與果穗的彈性碰撞，減小果穗所受剛性沖擊，降低因機(jī)械碰撞損傷導(dǎo)致的籽粒破碎；弧形表面可增大與果穗碰撞接觸面積，減小對(duì)籽粒的滑切，增加對(duì)果穗“擠搓”和“揉擦”作用；內(nèi)層碳鋼層為外層橡膠層提供剛性應(yīng)力支撐，增大擊打和擠搓強(qiáng)度，提高了籽粒脫凈率。

(2)基于3種不同材料的復(fù)合釘齒對(duì)玉米籽粒破碎率、未脫凈率以及自身磨損損失質(zhì)量、表層組織宏觀和微觀磨損的影響，得出三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒綜合作業(yè)性能最佳。

(3)三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒具有耐磨性較高、磨損損失質(zhì)量小及磨損趨勢(shì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，其表面凹坑數(shù)量少，零星多余組織對(duì)組織間結(jié)合力未造成較大影響，大部分組織保持相對(duì)完整，因此具有良好的耐磨和抗撕裂性能，符合脫粒釘齒材料要求。

(4)當(dāng)籽粒含水率范圍為29.7%～30.5%、果穗喂入量為8～12 kg/s時(shí)，三元乙丙橡膠復(fù)合釘齒籽粒破碎率為2.92%～4.88%，較傳統(tǒng)碳鋼釘齒籽粒破碎程度降低了52.85%～57.68%，未脫凈率與傳統(tǒng)碳鋼釘齒未脫凈率相近，為0.30%～0.69%，能夠滿足玉米籽粒收獲機(jī)脫粒質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范要求。