世界人口的快速增长给自然环境带来了巨大压力,水稻是世界上仅次于小麦的第二大粮食作物,中国是世界上最大的粮食生产国,水稻耕地面积约94370.8 km~2,占全球粮食产量的21.98%。脱粒是水稻收获过程的重要环节,水稻在联合收获机脱粒滚筒中受冲击、梳刷、搓擦、碾压等作用实现脱粒分离,水稻在脱粒滚筒中的流动主要有轴流和切流两种方式。脱粒元件根据脱粒齿形状可分为钉齿式、纹杆式、弓齿式和板齿式等,其中杆齿式主要是通过击打、梳脱完成脱粒过程,纹杆式主要是通过摩擦、碾压作用完成脱粒过程。由于脱粒分离功耗大,开展脱粒分离过程研究,对提高水稻联合收获机脱粒性能,降低脱粒功耗,实现轻量化作业具有重要意义。为此,本研究设计了一种鼓形杆齿式纵轴流水稻脱粒滚筒,对其性能开展了评价与仿真优化,主要研究成果如下:（1）设计了一种鼓形杆齿式纵轴流脱粒滚筒,并对其脱粒性能进行了试验研究。为提高轴流式脱粒分离装置负荷均匀性,减少脱粒机堵塞和脱粒功率消耗,设计了一种鼓形杆齿式纵轴流脱粒滚筒,并通过台架试验以喂入量、脱粒间隙、脱粒滚筒类型和脱粒滚筒转速等影响因素对其脱粒性能进行评价。搭建了纵轴流水稻脱粒分离装置试验平台,在不同脱粒滚筒转速（1100、1300和1500 rpm）和喂入量（0.8、1.1和1.4 kg/s）下,比较并评价了两种不同结构形式杆齿（圆柱形脱粒滚筒和鼓形脱粒滚筒）的脱粒性能。以脱粒功率、脱粒效率和生产率为试验指标,通过正交试验对脱粒滚筒结构和工作参数进行了优化,采用回归方程对测量值进行预测,结果表明:喂入量和滚筒转速提高时,脱粒滚筒脱粒效率和作业功耗呈增大的趋势,当脱粒滚筒转速为1500 rpm,喂入量为1.4 kg/s时,鼓形脱粒滚筒的最高脱粒效率可达98.6%,最大脱粒生产率可达0.64 kg/s,相同作业条件下,圆柱形脱粒滚筒最高脱粒效率和最大脱粒生产率为98.41%和0.51 kg/s;当脱粒滚筒转速为1100 rpm,喂入量为0.8kg/s时,鼓形脱粒滚筒和圆柱形脱粒滚筒最小脱粒功率分别为5.45 k W和6.2 k W。（2）设计了一种基于薄膜压力传感器的纵轴流脱粒滚筒喂入量监测系统。提高喂入量并降低脱粒功耗是脱粒滚筒的重要研究方向,但喂入量过高对未脱净率有直接影响,为提高脱粒滚筒分离效率并降低未脱净率,收割机应在最佳喂入量下作业。由于脱粒滚筒有其额定喂入量,当实际喂入量超过额定喂入量时,会导致滚筒堵塞,脱粒损失增大,生产效率降低,甚至对收割机部件造成损坏。为此,本文设计了一种基于薄膜压力传感器的新型纵轴流脱粒滚筒喂入量监测系统,通过薄膜压力传感器测量脱粒滚筒顶盖上的作用力,进而反应喂入量大小和脱粒滚筒内的水稻秸秆流动情况。试验时薄膜压力传感器安装在脱粒滚筒顶盖内,其电阻受谷物施加在脱粒滚筒顶盖上力的变化而变化,从而测量脱粒过程中谷物的受力情况及其与滚筒盖板间的作用力变化,最终对堵塞进行报警反馈。搭建了基于薄膜压力传感器的脱粒滚筒喂入量监控系统的试验平台,对圆柱形脱粒滚筒和鼓形脱粒滚筒在不同喂入量（0.8、1.1和1.4 kg/s）和不同转速（1100、1300和1500 rpm）下进行了试验。试验材料为水稻品种黄花占,经测定其籽粒含水率为13.32%,茎秆含水率为63.21%。谷草比为32.35%,总千粒重为30.43 g。当脱粒滚筒转速从1100 rpm提高到1500 rpm时,鼓形脱粒滚筒在1.4 kg/s的喂入量下,压力传感器测量的平均力从1.14 N增加到2.34 N,相同试验条件下,对于圆柱形脱粒滚筒,测量的力也从1.11 N增加到2.21 N。所得结果表明,传感器采集的力信号可靠,并且与喂入量和脱粒滚筒转速显著相关。由于脱粒滚筒内作物层密度增加,作用在脱粒机盖上的力随着喂入量的增加而增加,这导致对脱粒机顶盖和传感器的冲击力和压力也很大。随着脱粒滚筒转速的增大,稻秆对压力传感器和脱粒滚筒顶盖的碰撞力增加。测试结果还显示,圆柱形的盖板中间力量较大,并且盖板头部、尾部的力量与中间相比差别较大,但是鼓形滚筒这种差别可能就比较小,反映滚筒形状以及脱粒间隙对谷物流动及其对盖板产生的压力产生直接影响。（3）建立了一种简化的纵轴流脱粒滚筒盖板受力模型,采用ANSYS有限元方法对脱粒滚筒顶盖冲击力进行了仿真分析。水稻植株喂入脱粒滚筒后,在脱粒滚筒内做圆周运动和轴向运动,受秸秆与秸秆之间的挤压力、旋转杆齿对秸秆产生冲击力与梳刷力、秸秆与凹版筛、滚筒内产生摩擦力与挤压力,以及秸秆与上盖板的上导草板产生阻力。由于水稻秸秆在滚筒内的线速度较高,与离心力相比其自身重力可忽略不计,建立了轴向脱粒滚筒顶盖的简化受力模型,忽略了水稻秸秆重力影响,沿滚筒垂直轴线方向取横截面,建立以平行该截面的竖直方向为Y轴方向、水平方向为X轴方向、轴向方向为Z轴方向和以纵轴流滚筒回转中心为原点O的笛卡尔坐标系。以滚筒顶盖和脱粒滚筒凹板接触面之间螺栓预紧力为边界条件,使用ANSYS软件对杆齿式纵轴流脱粒滚筒顶盖的所受的挤压和冲击力进行有限元分析,模拟应力、应变和脱滚筒顶盖的变形情况。通过仿真试验对比顶盖内圆弧面不同受力,发现顶盖内圆弧面受力来自秸秆的冲击挤压作用,且其与喂入量存在关联。说明可用薄膜传感器测量滚筒盖板受力用以评价滚筒喂入量以及滚筒内谷物流动的变化情况。仿真模拟结果表明:脱粒滚筒顶盖应力、应变、总变形量与脱粒滚筒转速和喂入量均呈正相关关系。且仿真结果同样显示圆柱形的盖板中间力量较大,盖板头部、尾部的力量与中间相比差别较大,但鼓形滚筒上述差别较小,仿真结果与实际台架试验结果变化趋势一致。（4）建立了一种水稻整株离散元柔性模型和杆齿式纵轴流脱粒滚筒脱粒过程仿真系统,开展了杆齿式纵轴流脱粒滚筒仿真优化研究。水稻秸秆在脱粒滚筒中受颗粒力学系统和多体动力学系统所组成复杂系统的共同作用,由于脱粒滚筒结构的杆齿数量、直径、分布形式,以及滚筒直径、转速、喂入量与秸秆物料特性等多因素影响,且这些因素间存在交互作用,传统的试验方法难以准确分析水稻秸秆在脱粒滚筒中的受力情况和运动状态。因此,基于离散元方法建立了一种水稻整株离散元柔性模型和杆齿式纵轴流脱粒滚筒的脱粒过程仿真系统,开展了杆齿式纵轴流脱粒滚筒仿真优化研究。具体方法如下:分别建立稻穗的一个主枝梗和四支侧枝梗离散元模型,并在稻粒单元的基础上,按照实际稻穗形状,分别定位52个稻粒单元的X、Y和Z的三维坐标,为保证粘结接触模型的成功添加,颗粒与颗粒之间不能发生位置重叠;因此,对稻粒和枝梗添加Hertz-Mindlin with bonding粘结接触模型构建稻穗离散元模型,选择Hertz-Mindlin无滑动接触模型来分析物料和脱粒装置之间的接触作用。基于以上模型,对脱粒滚筒内混合物料的运动规律、喂入量和脱粒滚筒转速对谷物速度的影响、脱粒滚筒总扭矩和顶盖冲击力开展了仿真研究。仿真模拟了4种不同脱粒间隙（15、20、25、30 mm）,4种不同脱粒齿直径（7、10、13、16 mm）以及不同脱粒齿形（圆柱齿、弯齿+圆柱齿）等脱粒参数对脱粒冲击力的影响,并对脱粒滚筒结构进行了优化。仿真结果表明,冲击力随着脱粒间隙的减小和脱粒齿齿径的增大而增大。此外,采用弯齿+圆柱齿结构比单一的圆柱齿形式具有更大的冲击力。当脱粒间隙为15、20、25、30 mm时,水稻对脱粒齿的平均冲击力分别为7518.39、4625.89、3856.25、3456.25 N。当脱粒杆齿直径为7、10、13、16 mm时,水稻对脱粒杆齿的平均冲击力分别为5640.25、7986.35、8805.36、10901.78 N。结果表明,当杆齿形状为圆柱形和弯齿+圆柱形时,水稻秸秆对脱粒机杆齿的平均冲击力分别为5265.23 N和6925.65 N。