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1.2.1国外研究现状国外对轴流脱粒与分离机理的研究，已有200多年的发展历史。虽然历史悠久，但进展较为缓慢，所做的研究很长一段时期仍停留在对冲击、搓擦、梳刷、挤压等四个方面的陈述上。随着时间的推移和科技的进步，进入20世纪60年代对脱分机理的理论性研究逐渐开始深入。1956年Kolganov通过试验后分析得出了脱粒过程中籽粒破碎的原因，他发现如果籽粒受到打击的速度高于sm/36时，饱满籽粒的破碎率将达到%75左右，多数籽粒因受到穗头和茎秆的保护，不会受到直接的打击作用。在联合收获机上，不论打击速度多低，总有一定比例的籽粒破碎。此外，他还通过研究得出不成熟的籽粒千粒重仅为20g，成熟饱满的籽粒平均千粒重可达40g，相应的脱粒功为gcm12060]8[。1964年Arnold.R.E.在试验中发现，谷物通过凹板的分离是凹板长度的指数函数，这个指数关系是在凹板分离和总的喂入速率中发现的]9[。1966年Caspers,L.在其《凹板分离的影响和脱粒性能的建造》的著作中提出，无论何种谷物，随着喂入速率的增大都会导致脱粒损失的增加以及凹板分离的效率降低；影响滚筒损失最重要的因素是滚筒速度，提高滚筒速度，损失随之降低，分离率不断提高]10[。1967年J.D.Long通过试验得出了在离心力作用下，一个麦粒穿过茎秆层所需时间，同时他根据质点沿径向运动的方程式，得出了籽粒穿过茎秆层所克服阻力的解析式]11[。1981年P.Wacher以轴流分离台架为试验研究对象，绘制了谷物籽粒、茎秆和颖杂沿轴向的分布曲线图，得到了轴流滚筒的单位功耗是随着滚筒速度的增加大致呈线性增加的，随着非籽粒部分喂入量的增加而增加]12[。1982年J.R.Trollope以脱粒空间一致、脱粒过程稳定以及被脱物同质为假设前提，进行了脱出物在脱粒过程中的受力情况分析，推导出能够决定整个脱分过程的六个微分方程式，求出了各个微分方程组的近似解，通过对比试验得出预测数据与试验值相吻合]13[。但因假设条件过多等诸多因素限制，他所得出的微分方程很难运用于实践中。1983年Song-WooLee，Yun-KunHuh利用自制的试验设备，对稻秆的剪切力以及稻谷的脱粒力进行了试验研究。他们通过试验测量并对比了两种不同品种水稻稻秆的剪切力和所需的脱粒力。结果表明：稻穗上部谷粒的脱粒力略小于稻穗下部谷粒的脱粒力；切割稻秆所需的功随切割速度的增加而减少；空行程时功耗增加较大，因此总功耗增加]14[。1986年李昇揆，川村登以轴流滚筒内谷物的受力与运动关系为研究内容，得出了脱分空间内谷物的运动微分方程式。在脱粒参数不同的条件下，借助计算机分别对微分方程进行了求解，并与试验所得数据进行了对比分析]15[。1992年梅田幹雄以日本收割机的脱粒装置为研究对象，测量出谷物的振动特性和抗挠刚度。结论是：脱粒元件的冲击频率大于稻谷的固有频率。还研究了随脱粒元件运动谷物秸梗的运动规律，结论是：脱粒时因受摩擦力的作用，谷物的穗头沿垂直于脱粒滚筒轴线的方向运动]1816[。1997年P.I.Miu等分析了轴流脱粒与分离装置的工作原理，建立了轴流脱粒装置在脱粒分离过程中的数学模型，并利用MATLAB软件进行了动态仿真，分别绘制出了未脱籽粒、分离籽粒和自由籽粒的变化曲线，他们所建立的数学模型为后面工作者的研究提供了理论参考]19[。1999年Heinrich等以几种常见的谷物为研究对象，通过脱粒对比试验后，得出了脱分过程中谷物水分对分离效率的影响规律]20[。库晋、希林等将高速摄像设备和先进测试技术运用于脱粒试验之中，研究后发现：谷粒的干燥程度决定了其损伤程度，谷粒越干燥脱粒时越容易受到损伤；凹板栅格条数的多少和凹板间隔的大小都会影响谷物脱粒时的损伤率，凹板栅格条数减少以及凹板间隔增大，谷粒的损伤率均会增加；纹杆的运动速度与谷物的损伤率成正比，损伤主要是因为分离前多次受到脱粒部件打击，并以高速撞击凹板所致；谷粒的损伤与谷物的喂入量和草谷比有关，喂入量增大，谷粒的损伤量减少；草谷比降低，谷粒的损伤量减少]21[。近年来，欧美等发达国家跨国公司如：约翰·迪尔、纽荷兰、凯斯、克拉斯等相继研发并批量生产了不同类型纵向轴流联合收获机，如CASE2388(单滚筒)、纽荷兰23TR88、TR89(双滚筒)。这些机型由于脱粒滚筒纵向布置，滚筒长度不再受到空间的限制，具有分离面积大、分离效果好、破碎率少、脱净率高、作物适应性强、对潮湿作物和难脱作物脱粒效果明显等优点，在水稻主产区应用越来越广泛]22[。1.2.2国内研究现状我国对轴流脱粒与分离机理的研究始于20世纪60年代，进入70年代国内部分大专院校和科研单位才陆续开始了对轴流脱粒装置的科学研究，随着时间的推移和科学技术的进步，目前原子示踪、高速摄影等先进测试技术和手段已经被广泛应用于对轴流装置脱粒试验研究当中，为深入认识和掌握脱粒过程和工作机理奠定坚实基础。1977年王成芝以纵置式轴流脱粒滚筒为研究对象，分别研究了纹杆叶片式、钉齿叶片式和钉齿式3种滚筒与4种不同形式凹板组合的脱粒分离装置对水稻等4种作物的脱粒性能对比试验，得到了不同配置方案下单位功率消耗、损失率、含杂率和排出茎秆率4个性能指标的影响规律。但其研究受到当时测量手段等现实条件的限制，试验结果存在一定误差]23[。1987年董成茂在进行割前脱粒水稻收获机脱出物的研究时，提出了一种新型叶片式立置轴流分离复脱精选三合一装置，并利用高速摄像技术研究了籽粒在滚筒中的运动规律和特性，从理论上建立了滚筒结构参数、运动参数和分离性能间的联系，得出了水稻籽粒受到冲击后疲劳损伤规律，并对如何有效减少籽粒在分离过程中受到损伤进行了试验研究]24[。1992年李保国对轴流脱粒装置凹板分离物分布规律进行了试验研究。研究得出了凹板分离物沿滚筒轴向的分布规律，同时对全钉齿型和弓齿、钉齿齿排间隔组合型的轴流滚筒进行了性能对比试验，为提高轴流滚筒对脱水稻适应性奠定了坚实的理论基础]25[。1997年赵连义、王庆山等以弓齿滚筒为研究对象，运用理论力学中碰撞原理，分析得出了脱粒部件弓齿对大豆的打击力既是脱粒时的直接作用力，也是导致籽粒损伤和破碎的主要作用力。他们通过试验研究和理论分析后认为，只要弓齿形状设计合理，同时布置合理，就能大大减轻弓齿对大豆籽粒的打击作用。该研究的缺点是分析较为粗糙且结论无试验验证]26[。2000年张认成以变质量系统作为试验研究的理论基础，建立了脱分空间内谷物运动的数学模型，并借助计算机进行了动态仿真，得到了与实际更为接近的季节性速度图和位移图]27[。2004年李耀明对水稻梳脱混合物复脱、分离和清选特性进行了深入研究，建立了切向喂入轴流式复脱分离装置的数学模型，并利用计算机进行了仿真，同时借助高速摄像机对振动筛上面物料的运动进行了深入研究]28[。2005年万霖利用自行设计的试验台，对纵置单轴流钉齿滚筒的功耗性能进行了试验研究。通过二次回归正交旋转组合试验，确定了喂入量、滚筒转速、导向板导角3个因素对单位功耗的影响，并得出了各因素水平之间的最佳组合工艺]29[。2006年衣淑娟利用自行研制的试验台，对钉齿式双滚筒轴流脱粒与分离装置进行了试验研究，得到了喂入量、滚筒线速度、导向板导角三个参数对功率消耗、茎秆破碎程度、脱不净率、总损失率等脱粒性能指标的影响规律，以及脱出物的轴向分布规律]30[。2008年衣淑娟，陶桂香，毛欣以钉齿式和螺旋叶片板齿组合式两种轴流脱分装置为研究对象，对脱出物的分布规律进行了试验研究。通过试验分别得出了两种装置脱出物的分布规律，脱出物沿周向和轴向分布不均匀且特性不同。曲线沿周向为系数不同的多项式，沿轴向呈Peal-Reed模型]31[。2008年李耀明等对短纹杆-板齿与钉齿脱粒滚筒的脱粒性能进行了对比试验研究，得出了两种形式脱粒滚筒功率消耗、脱粒损失、脱出物杂余含量和排出茎秆等方面的对比情况]32[。2008年衣淑娟以螺旋叶片板齿组合式轴流装置为研究对象，借助高速摄像技术对稻谷的脱粒过程、籽粒的运动规律、脱出物的下落规律进行了观察和分析]33[。2009年徐立章等利用自行设计的纵轴流式脱粒分离-清选试验台，获得了多个工况下脱粒分离、清选性能指标以及脱出物的分布规律。并利用VC++编写的测控软件系统对试验过程中工作部件的转速、频率、扭矩和功率等参数进行实时的采集、处理与分析,为纵轴流联合收获机脱粒分离、清选装置等关键部件的设计提供了依据]34[。2010年杨方飞、阎楚良等利用高阶-龙塔数值方法，对纵向轴流滚筒脱粒过程中谷物运动状态进行了数值仿真，并对比高速摄像试验分析结果，验证了数值仿真结果的有效性]35[。近年来，我国对轴流滚筒进行了大量的研究，使各轴流式联合收割机的品种繁多。例如，横置轴流脱粒-分离滚筒，代表机型有珠江-1.5型、福田4LD-2和湖州-130型等，这种配置的收割机多见于背负式，该装置因结构上的原因滚筒长度一般较短，所以脱粒分离能力较低。对于北方的粳稻而言，其适应性略显不足，因此发展空间受到一定的限制]36[。切流脱粒滚筒+横置轴流分离滚筒，代表机型有迪尔、福田、新疆-2、佳联3060等。这种配置多见于中小型自走式联合收割机，因采用切流滚筒脱粒，在收获潮湿或难脱作物时，脱净率和分离性欠佳，经常出现滚筒堵塞现象，不如轴流滚筒适应性好，此种机型主要以收麦为主]37[。切流脱粒滚筒+纵置轴流分离滚筒，如3518CTS型联合收割机，该机型采用了目前国际先进的CTS技术-切流式脱粒滚筒加双轴流钉齿分离滚筒结构，有效增强了机器的脱分性能。具有收获效率高、破损率低、总损失小、一机多用、综合性能好等优点。脱粒滚筒前端钉齿间距15cm，滚筒后端钉齿间距30cm。而X56联合收割机是在3518CTS大型水稻联合收割机基础上，研制开发的体积小、成本低的单切流脱粒滚筒与单纵轴流分离滚筒组合式联合收割机。脱粒滚筒为钉齿式或纹杆式两种，根据不同作物品种选装。该机型具有喂人量大、分离能力强、清洁率高、作业效率高、损失率低等优点，收割相对潮湿、分离难度大、产量高的水稻比较适合]38[。虽然目前我国己研制开发的水稻联合收割机种类较多，性能较好，但仍存在一些问题亟待解决]39[:①整机配置不够合理，机组较重；②通过性差，在泥脚深的地块，作业比较困难；③可靠性低，收获质量不高，收获期间机具容易出现故障，影响作业速度；④秸秆处理不够理想，易造成有机质大量损失和环境污染；⑤价格与机具质量不匹配，农户难以承担；⑥机型结构庞大，收割适应性差，对作物状态、质地要求高，受气候影响大。纵观国内外对轴流脱粒与分离装置机理的研究，国外多侧重于如何减少损失率以及影响谷物损伤率的外周因素上，而在各参数对性能指标的影响、谷粒在脱粒滚筒内的运动规律、脱出物下落规律等方面的研究较为少见。国内对轴流脱粒分离装置的研究虽然取得了一定成绩，但对新型轴流装置的创新设计，以及相关理论和试验研究工作还不够深入，尚未全面弄清轴流装置的脱分机理和工艺参数，对影响轴流脱离与分离质量的各主要因素尚缺乏全面的分析，对如何评价轴流装置的性能尚缺乏科学的依据，在先进测试技术和研究手段的使用方面与国外仍有一定差距。1.3研究的主要内容和技术路线1.3.1主要内容为了进一步深入研究钉齿式轴流脱粒分离装置参数对脱分性能的影响，为国外机型国产化和传统机型改造提供可靠的理论依据，本课题研究的主要内容为：（1）对钉齿间距进行单因素试验研究，研究其变化对轴流脱粒分离装置性能指标的影响规律，得出钉齿间距的合理取值；（2）在单因素试验结果的基础上，选取喂入量、滚筒转速、凹板间隙三个因素，按照二次回归旋转组合设计的试验方法进行多因素试验，建立因素与各性能指标的回归方程；分析各因素对性能指标的影响规律，得出影响性能指标的主次因素；采用主目标函数法，利用MATLAB软件进行优化求解，得出参数的最优组合；根据最优参数组合进行验证试验，判断所得的各性能指标能否满足技术要求；（3）借助高速摄像技术对钉齿式轴流装置脱分空间内谷物运动、稻穗脱粒、籽粒碰撞、短茎秆运动和脱出物下落等过程进行