联合收割机是水稻机械化收获的重要装备,由脱粒分离装置和清选装置组成的脱分选系统是联合收割机的核心部件,其工作性能直接影响水稻收获质量。随着超级稻等高产水稻品种的普及,目前的联合收割机不能满足高效、低损收获作业需要。基于此背景,本文在国家自然科学基金等项目的资助下,围绕横置轴流全喂入联合收割机这一市场主导机型,聚焦脱粒分离和清选两道关键作业工序,以降低脱分选过程中籽粒的损失率、破碎率和含杂率为目标,设计开发新型的横置差速轴流脱分选系统,采用理论分析、数值模拟和试验验证相结合的方法,对横置差速轴流联合收割机脱分选系统工作机理及工作部件设计进行系统研究。本文的主要研究内容如下:首先对脱出混合物在脱粒空间的运动规律进行了研究。根据概率统计方法,建立了轴流滚筒脱粒分离装置的数学模型,利用Matlab软件对数学模型进行了仿真验证,分析了轴流滚筒脱粒分离装置的工作过程;建立了脱粒过程中谷物损伤数学模型,明确了稻谷发生破壳损伤的临界状态,阐述了稻谷脱粒损伤机理;建立了脱出混合物在脱粒滚筒顶盖区、分离凹板区的运动模型和脱出混合物与脱粒部件发生碰撞时的运动模型,获得了脱出混合物中各成分的运动速度、方向与脱粒滚筒结构、转速等参数的关系,分析了脱出混合物在脱粒空间的运动规律;采用高速摄像方法对脱出混合物运动规律进行观察与分析,验证了脱出混合物在脱粒空间的运动模型。本部分的研究为优化轴流滚筒脱粒分离装置提供了理论依据。提出了同轴差速脱粒原理,并设计了同轴差速脱粒滚筒。通过对甬优12号、甬优9号、嘉优2号和甬优11号四个超级稻水稻品种籽粒与粒柄间连结力的测定,绘制了籽粒连接力分布频谱图,计算了四个水稻品种的脱粒系数,建立并验证了籽粒平均连接力与脱粒滚筒齿顶线速度和转速之间的数学关系模型;以籽粒连接力分布频谱为依据,提出了同轴差速脱粒原理,针对半喂入联合收获机和全喂入联合收获机两种机型,分别研制了弓齿式差速脱粒滚筒和杆齿式差速脱粒滚筒,并分别进行了差速脱粒与单速脱粒对比试验,验证了同轴差速脱粒分离装置的工作性能。本文提出的同轴差速脱粒技术,利用差速滚筒低速段脱粒降低籽粒破碎,利用差速滚筒高速段脱粒降低脱不净损失,较好地解决了传统单速脱粒滚筒工作时存在的破碎率高和脱粒不尽问题。对物料颗粒在风筛式清选装置中的运动规律进行了研究。本文首先采用定常运动理论,分析了物料颗粒在筛面上前滑、后滑和抛掷运动的条件;然后采用混沌动力学理论,分析了物料颗粒由稳定周期运动转向混沌的过程;接着建立了两颗粒和多颗粒的物料碰撞模型,研究了清选过程中物料群之间的碰撞过程,分析了物料群在筛面上的“错位”运动规律;最后建立了物料从垂直方向和从倾斜方向透筛的概率模型,分析了物料颗粒群在筛面上的透筛分离过程,探讨了影响物料透筛概率的主要因素。本部分的研究为优化风筛式清选装置结构和工作参数奠定理论基础。提出了非均布气流清选原理,并设计了圆锥形清选风机。针对传统圆柱形风机清选时,滚筒脱出物容易在振动筛入口段堆积,影响清选效果的问题,基于“利用圆锥形风机产生的横向风来均布振动筛入口脱出物”的新思路,提出了非均布气流清选技术,并设计了圆锥形离心式清选风机。利用CFDesign软件对无物料状态下圆柱形清选风机与不同叶片锥度圆锥形清选风机作用下清选室流场分布情况进行数值模拟计算,利用布点法对不同类型清选风机的气流场进行试验验证,阐明了圆锥形清选风机利用横向风优化脱出物筛面分布的作用机理;针对水稻脱出混合物的清选过程,对物料在清选室的运动过程进行数值模拟分析和物料清选试验,对比分析圆柱形清选风机和圆锥形清选风机作用下的物料分布情况,验证了圆锥形风机清选工作性能的优越性。研制了一种新型的横置差速轴流脱分选系统。针对传统横置轴流脱分选系统籽粒含杂率高的问题,基于“将吹不出机外的小穗头、短茎杆回收后进行复脱,以降低清选含杂率”的新思路,设计了一种以同轴差速脱粒滚筒、圆锥形清选风机、双层振动筛和螺旋板齿式杂余复脱装置为主要工作部件的新型的横置差速轴流脱分选系统。以实际结构和尺寸研制了横置差速轴流脱分选系统工作性能试验台,采用二次正交旋转组合设计法进行工作性能试验,建立了损失率、破碎率、含杂率、脱粒功耗的回归数学模型,分析了差速滚筒转速组合、圆锥形风机叶片锥度和差速滚筒高低速段长度配比3个因素对工作性能指标的影响情况,并对回归数学模型进行了多目标优化计算,获得了最佳参数组合和对应的工作性能指标。台架试验和田间试验结果均表明,横置差速轴流脱分选系统工作性能指标明显优于传统横轴流联合收割机和行业标准。