碾壓式種子硬實處理裝置的結構設計與開發(fā)

張 琴，王保愛，張克盛，謝曉麗，丁曉斌，盧佳成

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術學院，甘肅 武威 733006）

苜蓿種植面積廣，是一種優(yōu)良的牧草。目前，苜蓿種植存在的一個較大的問題是產量相對較低并且常伴有不穩(wěn)定性，并且播前環(huán)節(jié)的機械化程度很低。經調查研究發(fā)現，苜蓿種子存在硬實現象是產量低的一個很重要的原因[1，2]，我國目前對于利用機械設備解除種子種皮硬實的研究甚少，甘肅農業(yè)大學孫步功等設計了一種摩擦式硬實處理裝置，主要利用摩擦盤與螺旋式輸料裝置之間的摩擦磨損產生的揉搓力進行解除種皮硬實，效果較好[3]。段慧敏等以現有的5種脫殼處理機作為研究對象，通過科學的評價指標進行了系統的分析，研究表明：摩擦式處理機對于解除硬實效果最好[4]。

筆者以苜蓿種子的生物力學特性參數為依據，重點對硬實處理裝置的碾壓部分進行設計計算，并對其他部分進行結構設計。本裝置的設計解決了傳統人工解除硬實耗時費力效率低下的問題，為后期機械化解除硬實提供了參考價值。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

根據本設計要求和工作目的設計一種碾壓式硬實處理裝置[5]，本設計主要完成進料、碾壓、出料、分離工作，圖1為本設計結構簡圖。該結構主要完成種子的進料、碾壓、出料、分離和收集工作。

1.2 工作原理

如圖2所示，電動機輸入動力，經過傳動裝置帶動轉軸22繞自身旋轉并帶動拉架13、輥子14、料板17和料刷16旋轉，種子由進料口進入后，經導種管喂入輥子前端，經一定時間碾壓后，先后由料板17推入碾壓臺邊緣的料槽，由料刷16清理至出料口，再經過篩板分離和輸送，最后收集。

2 主要工作部件的設計

2.1 進料部件設計

喂料斗外形設計為圓錐形，進量大小設計為可調，如圖3所示，動板3可以在移動槽1內分別對應3個不同的位置，分別對應3種不同的進料口大小，進而調節(jié)3種喂料量的大小。工作時輥子做圓周運動，為了保證連續(xù)工作，設計導種管同輥子做同步轉動，保證導種管將種子喂入輥子前端，進料部分1（圖1）位于裝置中心處固定不變，本結構設計進料口與導種管的連接處用軸承相連接，如圖3所示，導種管5上端設計有銷孔，通過銷4連接與固定于進料斗下端的軸承2內圈的伸長套筒相連接，軸承外圈與進料斗固定連接，內圈焊接伸長套筒與導種管5連接；導種管下端設計為陡坡擴口形狀，保證種子在喂入輥子前最大程度平鋪于碾臺上，使種子碾壓時受力均勻。

2.2 碾壓部件設計

如圖4所示，電機通過皮帶輪及換向錐齒輪傳遞將動力傳給轉軸，轉軸繞自身旋轉，轉軸上端固定連接的拉架隨著轉軸轉動，拉架帶動輥子做圓周運動完成對種子表皮的碾壓。

要達到解除硬實的目的，即：碾壓部分工作時輥子與碾壓臺之間作相互運動，產生摩擦力作用于苜蓿種子表面的同時不能破壞種子條件[6]，輥子對種子的摩擦力大小應滿庫侖定律Ff=μN，參照苜蓿種子三軸尺寸：長度L=2.33 mm、寬度B=1.49 mm、厚度H=0.85 mm。假設進入穩(wěn)定工作后種子喂入量的大小為5 000粒/s，（碾壓臺尺寸的設計也由種子喂入亮進行設計）則輥子對種子的正壓力大小應滿足公式：

式中：N——輥子質量（N）；ρ——輥子材料的密度；L——輥子軸向長度（mm）；R——輥子圓周半徑（mm）；g——重力加速度（m/s2）；x——近似承受輥子壓力的種子群體數量；f——苜蓿種子承受正壓力（N）。

帶入相應數據得N≤28.8kg。設計主軸轉速為97 r/min，則中心轉軸需要功率為：Ff=μMg+μ2（xm+M）g，與功率公式P=Fv=FωR=μN·ωR式中摩擦系數μ取系數達0.861[7]，粗略可得功率約為1.56kW；按軸受純扭矩并降低需用用力值得方法得到軸的設計公式為：

式中：d——受扭矩段最小直徑（mm）；C——決定于許用扭轉切應力的系數；P——軸傳遞功率（kW）；n——軸的轉速（r/min）。

代入可得中心轉軸最小直徑d=26.36～31.30 mm；取中心轉軸最小直徑為28 mm?？紤]中心轉軸的輸入、輸出動力、中間連接部分安裝。設計碾壓臺的直徑為580 mm。

2.3 出料部件和分離部件設計

如圖5所示，分離部分由分離篩板和螺旋輸送器組成，種子由出料口流出落下至分離篩板，分離篩板作往復擺動，擺動過程中沙子從篩板上的孔眼落下至螺旋輸送器進而至硬實處理裝置側面的出口進行收集，種子在分離篩板的上表面隨分離篩板的往復運動最終由出料口10進行收集。

本設計在結構尺寸的設計是針對種子群體進行設計，設計破壞力也是考慮種子群體均勻受力，但在工作中沒有辦法保證種子群體為均勻受力，因此設計種子在解除硬實前與砂子進行混合，這樣在碾壓等解除硬實過程中可以進一步增大種子種皮的摩擦磨損同時砂子的硬度相對較大可以對種子進行一定程度的保護（見圖6），輥子重力作用下對種子產生外力F向下擠壓:由于砂子硬度較大，可以防止碾輥繼續(xù)下壓，進而避免苜蓿種子被過度損傷而降低發(fā)芽率。

本研究設計，體積小質量輕，操作方便，工作中較好地利用了傳統石碾的摩擦磨損工作原理，以苜蓿種子破壞性能作為參考依據，理論角度來說較好的解決了已有機械化解除硬實存在的種子傷損率較高的現象，同時也解決了傳統人工解除硬實耗時費力的問題。

3 結束語

本文以苜蓿種子生物力學特性參數作為設計依據，結合北方石碾碾壓原理及力學分析計算，設計了一種碾壓式苜蓿種子硬實處理裝置，并對其他輔助部件進行結構的設計計算，以苜蓿種子破壞性能作為設計依據，為后期的種子解除硬實研究與硬實處理裝置的設計提供一定的參考。