5TG-100A型油菜脫粒機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

林蜀云 劉偉 張明

摘要 貴州省油菜種植以坡地小地塊種植為主，同時(shí)一般都是冬季至春耕插秧閑置階段種植，所以種植較為分散，這導(dǎo)致了油菜機(jī)械化種植難度大、中大型機(jī)械難以推廣等問(wèn)題。設(shè)計(jì)了一種小型油菜脫粒機(jī)，油菜脫粒機(jī)由脫粒滾筒組件、風(fēng)機(jī)、振動(dòng)篩、動(dòng)力及傳動(dòng)組件等組成。該小型油菜脫粒機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，田間轉(zhuǎn)移方便，作業(yè)效果良好，具有較高的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞 油菜;脫粒機(jī);柴油機(jī);滾筒

中圖分類號(hào) S226.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2021）07-0208-04

Abstract The rape planting in Guizhou is mainly planted in small plots on sloping land， and it is generally planted in the stage of winter to spring， so the planting is scattered. This leads to large difficulty of mechanized planting of rape and the promotion difficulty of medium and large machinery. A small rape thresher was designed， including threshing drum assembly， fan， vibrating screen， power and transmission components and so on.The small rape thresher has the advantages of simple structure， light weight， convenient field transfer， good operation effect and high practical value.

Key words Rape;Thresher;Diesel engine;Drum

作者簡(jiǎn)介 林蜀云（1989—），男，重慶人，工程師，碩士，從事特色經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化收獲研究。*通信作者，高級(jí)工程師，從事油菜全程機(jī)械化研究。

我國(guó)由于人口基數(shù)大，所以油料消耗較大，所以我國(guó)也是油菜生產(chǎn)大國(guó)，種植面積約占全世界油料種植總面積的32%。貴州省2020年油菜播種面積44.57萬(wàn)hm.2，產(chǎn)量達(dá)到77.25萬(wàn)t，但貴州以坡地小地塊種植為主，同時(shí)一般都是冬季至春耕插秧閑置階段種植[1]，所以種植分散，這導(dǎo)致了油菜機(jī)械化種植難度大、中大型機(jī)械難以推廣等問(wèn)題。由于油菜籽成熟期不一致，在這種背景下采用分段收獲[2]。筆者設(shè)計(jì)了一款小型可移動(dòng)油菜脫粒機(jī)，以期提升油菜的收獲效率，降低勞動(dòng)力成本。

1 脫粒機(jī)的工作原理及方案

1.1 脫粒機(jī)的工作原理

脫粒裝置工作過(guò)程中的物理現(xiàn)象是比較復(fù)雜的，歸納起來(lái)，主要靠沖擊﹑揉搓、梳刷等原理進(jìn)行脫粒。結(jié)合油菜的脫粒特性，許江平[3]對(duì)2種不同脫粒分離裝置進(jìn)行了研究，在實(shí)際工作中油菜的脫粒方式宜采用沖擊脫粒和揉搓脫粒相結(jié)合的脫離方式。

筆者設(shè)計(jì)的油菜脫粒機(jī)主要由喂入口、脫粒滾筒組件、風(fēng)機(jī)、振動(dòng)篩、動(dòng)力及傳動(dòng)組件、機(jī)架等組件組成（圖1），被割下的油菜經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的晾曬從脫粒機(jī)的喂入口喂入脫粒機(jī)的脫粒裝置內(nèi)，在由脫粒滾筒與凹板組成的脫粒間隙里受到反復(fù)的沖擊與揉搓進(jìn)行脫粒，被脫粒后的油菜籽和細(xì)小秸稈以及果莢殼通過(guò)凹板篩孔掉入由振動(dòng)篩與風(fēng)機(jī)組成的清選裝置，進(jìn)行清選。較大的秸稈和果莢以及夾帶的一些油菜籽則通過(guò)機(jī)械的排出口排出，小雜余及夾帶的油菜籽經(jīng)排出口上的篩孔掉入下面的清選裝置，與從凹板篩孔掉下的脫出物一同經(jīng)受風(fēng)機(jī)和振動(dòng)篩的作用，進(jìn)行清糧，小雜余被風(fēng)機(jī)吹出機(jī)外，油菜籽進(jìn)入集糧裝置，排出口上的大脫出物被排出機(jī)外。

1.2 技術(shù)參數(shù)

外形尺寸長(zhǎng)、寬、高分別為1 600、1 600、1 200 mm;配套動(dòng)力3.3 kW（柴油發(fā)動(dòng)機(jī)）;

喂入量0.2 kg/s;滾筒轉(zhuǎn)速750 r/min。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1.1 傳動(dòng)方案分析。

V帶傳動(dòng)具有容易安裝、占地面積小、有彈性、能夠緩和沖擊、吸收震動(dòng)等一些優(yōu)點(diǎn)，因此能適應(yīng)農(nóng)用機(jī)械工作環(huán)境惡劣、載荷變化大的情況，所以選用V帶傳動(dòng)可使脫粒機(jī)工作平穩(wěn)，同時(shí)可以降低噪音。如圖2所示，原動(dòng)機(jī)通過(guò)V帶把動(dòng)力傳送到滾筒軸的一端，帶動(dòng)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行脫粒做功，同時(shí)滾筒的另一端裝有V帶輪，把動(dòng)力傳到風(fēng)機(jī)和振動(dòng)篩，進(jìn)行清選。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)功率估算。

脫粒裝置在工作時(shí)，在運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較好，其功率總耗用N由三部分組成：其一用于克服滾筒空轉(zhuǎn)而消耗的功率，其二用于脫粒功率，其三用于清選功率?？偣β视?jì)算公式如下：

（1）脫粒功率消耗。

估算軸流式滾筒脫粒機(jī)滾筒消耗的功率為10 kW/（kg·s）[3]，該機(jī)設(shè)計(jì)的喂入量為0.2 kg/s。

選擇由于脫粒機(jī)能在場(chǎng)上可以移動(dòng)，所以不能用一般的電動(dòng)機(jī)來(lái)作動(dòng)力，而是要用柴油機(jī)或者汽油機(jī)來(lái)做動(dòng)力，用KM-173F柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，其額定功率為3.3 kW。

2.2 脫粒滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 脫粒滾筒布置方式。

脫粒部分是整個(gè)脫粒機(jī)械的核心部分之一，油菜的脫粒效果及清選的難易程度與這一部分有關(guān)，這方面包含脫粒裝置的類型、滾筒的形式、滾筒上脫粒元件的形式以及凹板的形式及包角、滾筒的尺寸及轉(zhuǎn)速等?，F(xiàn)在脫分裝置的形式主要有軸流式和切流式2種。所謂切流式的脫粒是指作物從滾筒的切向喂入，脫粒后又從滾筒的切向排出，而軸流式脫分裝置脫粒時(shí)則是作物沿軸向流動(dòng)，從一端喂入，從另外一端排出雜質(zhì)等（圖3）。切流式脫分裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，能耗相對(duì)小，但脫凈率不高。為便于作業(yè)及田間轉(zhuǎn)場(chǎng)，采用徑向喂入，徑向排出作為脫粒裝置布置形式。

2.2.2 脫粒滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

滾筒直徑直接影響脫粒的效果，若直徑太小容易纏繞作物[4]，也使凹板分離面積減小，滾筒直徑大則能適應(yīng)大的喂入量。此次設(shè)計(jì)采用桿齒作為脫粒元件，在實(shí)際計(jì)算中要考慮到喂入油菜的莖稈包裹滾筒的包角α，應(yīng)該滿足以下條件：

α2π×πd≥Ld≥2Lα（6）

結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，喂入滾筒的長(zhǎng)度（L）一般為400～650 mm，考慮到貴州油菜濕度大，這里設(shè)計(jì)取600 mm[5]。對(duì)于包角α，其大小與脫粒的質(zhì)量和功耗有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，包角α越大，脫粒效果越好，但脫粒的功耗增大，其中包角一般為150°～240°，以180°居多，故而：

d≥2Lα=2×600π=382 mm（7）

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及貴州種植油菜作物特性[4]，選擇滾筒直徑為500 mm。脫粒間隙也是影響脫粒效果的重要因素之一，間隙小分離能力強(qiáng)，但莖稈破碎多，難分離，間隙大則有相反的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合油菜的植株特點(diǎn)（其莖干直徑一般為20 mm左右）和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定此次設(shè)計(jì)的脫粒間隙為20 mm。

脫粒滾筒組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。為避免脫粒的重量太大，滾筒的形式采用開(kāi)式滾筒，由3個(gè)輻盤(pán)支撐，上面均勻分布6條橫板，橫板用螺栓固定在輻板上，橫板上布置有脫粒桿齒，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)采用圓柱桿齒較為合適，滾筒上的桿齒按螺旋線排列，同時(shí)確定桿齒的螺線頭數(shù)為3，齒跡距為40 mm，齒距為80 mm，脫粒桿齒高度為60 mm，直徑為12 mm。

2.2.3 柵條阻尼篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

阻尼篩決定了生產(chǎn)效率，決定喂入速度。此次設(shè)計(jì)采用柵格式凹板，主要由螺旋板、側(cè)弧板和篩條等組成。柵條阻尼篩如圖5所示。根據(jù)凹板直徑與生產(chǎn)率的關(guān)系和實(shí)際生產(chǎn)情況，結(jié)合滾筒直徑和脫粒間隙，此次設(shè)計(jì)選取的凹板直徑為700 mm。

2.3 多級(jí)清選組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清選裝置的作用是將經(jīng)過(guò)脫粒裝置脫下和分離裝置分出來(lái)的谷物混合物中的穎殼、碎莖等清除干凈，將細(xì)小雜物排出機(jī)外，得到清潔的谷粒[6]。目前主要有氣流式清選裝置、風(fēng)扇篩子式清選裝置以及氣流清選筒等。如圖6所示，風(fēng)扇篩子式清選裝置主要包含風(fēng)機(jī)和振動(dòng)篩部分，振動(dòng)篩與離心風(fēng)機(jī)用于清除從滾筒中落下的油菜籽中細(xì)雜余，結(jié)合蔡婷婷等[4]對(duì)油菜分段收獲脫粒清選實(shí)驗(yàn)以及稻麥脫粒機(jī)的清選裝置，此次設(shè)計(jì)決定采用雙層振動(dòng)篩加離心風(fēng)機(jī)的方法，振動(dòng)篩及風(fēng)機(jī)的各種參數(shù)根據(jù)油菜籽及雜余的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3.1 雙級(jí)清選篩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

油菜籽直徑極小，雖然不同品種間存在差異，但直徑不足1.5 mm，為取得較好的分離效果，設(shè)計(jì)為雙層的振動(dòng)篩上、下2層配置，參考徐立章等[7]及甘元芳[8]對(duì)油菜脫粒分離裝置的研究成果，此次設(shè)計(jì)的上層篩子為開(kāi)度10 mm的魚(yú)鱗篩，下篩為直徑4 mm的圓孔篩。上篩主要將破秸稈和殘穗等分離出來(lái)，起粗篩的作用;下篩主要選出干凈的油菜籽，起精篩作用，2層篩間隔100 mm。如圖7所示，振動(dòng)篩的一端和曲軸連接，另一端用吊桿連接在機(jī)架上，通過(guò)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩架的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

振動(dòng)篩面積設(shè)計(jì)：

A=BL=Qs/qs（8）

式中，B為篩的寬度，對(duì)于橫軸流滾筒脫粒機(jī)，B接近于脫離裝置的寬度，這里取800 mm;

Qs為進(jìn)入清糧裝置谷?；旌衔锪系闹亓?，為0.2 kg/s;

L為篩子的長(zhǎng)度，單位為mm;

qs為篩面可以承擔(dān)谷?；旌衔锏奈谷肓浚瑔挝粸閗g/s;可調(diào)魚(yú)鱗篩直徑為1.5～2.0 mm，不可調(diào)篩子則為可調(diào)篩子的50%。

代入數(shù)據(jù)，得到A=0.5。

由此可確定上篩魚(yú)鱗篩長(zhǎng)為650 mm，下篩一般比上篩略短（500 mm）。

根據(jù)上述結(jié)果確定吊桿長(zhǎng)度為100 mm，綜合考慮振動(dòng)幅度可知曲柄的長(zhǎng)度（r）一般為23～30 mm，試驗(yàn)取25 mm，而連桿長(zhǎng)度大于篩網(wǎng)長(zhǎng)度，故而曲軸半徑遠(yuǎn)小于連桿長(zhǎng)度，因此可認(rèn)為篩子做直線擺動(dòng)。

為保證有較好的清選效果，篩網(wǎng)傾斜角度應(yīng)小于油菜種子的休止角（摩擦角），查閱相關(guān)資料可以確定油菜種子休止角最小為16.0°，考慮到效率取13°[9]。

2.3.2 風(fēng)機(jī)選型計(jì)算。

通過(guò)測(cè)定油菜脫出物中各物料的懸浮速度可知，角果殼的懸浮速度為5.4～6.1 m/s，低于油菜籽的懸浮速度

（6.3～7.0 m/s），而短莖稈的懸浮速度（65～7.3 m/s）大于油菜籽的懸浮速度（6.3～7.0 m/s），但短莖稈直徑大，可以通過(guò)一級(jí)振動(dòng)篩清洗分選，角果殼可以通過(guò)二級(jí)振動(dòng)篩分離。鑒于以上情況，最佳氣流速度為5～6 m/s。

風(fēng)選機(jī)構(gòu)采用農(nóng)機(jī)中廣泛使用的農(nóng)用型風(fēng)機(jī)，雙面進(jìn)氣，葉片平直，外形為切角矩形，這樣能使氣流沿出口寬度方向的不均勻性別得到改善，殼體采用圓筒形。

2.4 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模態(tài)分析

設(shè)計(jì)機(jī)架采用40 mm×40 mm×3 mm方形管焊接成型，由于振動(dòng)篩為曲柄驅(qū)動(dòng)，并且也將產(chǎn)生周期波動(dòng)載荷。為了保證機(jī)架壽命[10]，對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，一、二、三、四、五、六、七、八階頻率分別為31476、41.342、50.149、62.158、73.662、78.821、93.853、97724 Hz。在模態(tài)分析中，低階模態(tài)所占權(quán)重最大，高階模

態(tài)能量占比較低，因此對(duì)該機(jī)架前8階模態(tài)重點(diǎn)分析（圖8）。最高自有頻率為97.724 Hz，而振動(dòng)篩工作頻率最低為350 Hz，故而不易發(fā)生共振。

3 結(jié)論

筆者根據(jù)貴州生產(chǎn)狀計(jì)及山地丘陵特色的情況，設(shè)計(jì)了小型油菜脫粒機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，田間轉(zhuǎn)移方便，作業(yè)效果良好。脫粒結(jié)合大量前人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，清選采用二級(jí)振動(dòng)篩配合風(fēng)選的方式[11]，技術(shù)成熟，保證了作業(yè)效果，具有較高的推廣價(jià)值，且生產(chǎn)成本相對(duì)較低。

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