基于蕎麥物料特性的切流-橫軸流雙滾筒脫粒裝置設(shè)計(jì)

黃小娜，韓宏林，李立文，朱珺煜

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院）

0 引言

蕎麥?zhǔn)菄?guó)際上公認(rèn)的藥食兼用雜糧作物，目前種植的有甜蕎和苦蕎兩種。甜蕎又稱普通蕎麥，苦蕎又稱韃靼蕎麥。蕎麥含有豐富的蛋白質(zhì)、淀粉和脂肪等，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值非常高，其在中國(guó)、日本、韓國(guó)、俄羅斯等國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的需求量逐年增加。蕎麥具有耐寒、耐旱、耐瘠、抗逆性強(qiáng)和生育期短的特性，是我國(guó)北方和西南丘陵山區(qū)、旱地和緩坡等地重要的糧食作物，發(fā)展前景廣闊[1-2]，但近年來(lái)我國(guó)的蕎麥產(chǎn)量有所下滑，其主要原因是蕎麥產(chǎn)業(yè)機(jī)械化研究進(jìn)展較為緩慢[3-4]。

由于蕎麥具有草谷比大、上下冠層籽粒成熟期不一致、成熟籽粒易脫落、經(jīng)割曬后空心莖稈較脆等物料特性，因此機(jī)械化收獲難度非常大。蕎麥在我國(guó)播種面積小而分散、產(chǎn)量低，小眾化特征明顯，其機(jī)械化收獲水平相比于大宗作物而言發(fā)展較為緩慢。目前蕎麥?zhǔn)斋@主要依靠人工，個(gè)別國(guó)內(nèi)外高校和科研單位在谷物聯(lián)合收獲機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)調(diào)整后用于蕎麥的機(jī)械化分段聯(lián)合收獲，但收獲效果欠佳[5-12]。隨著我國(guó)人口紅利的消失，勞動(dòng)力短缺且成本高，蕎麥的機(jī)械化收獲研究便成為蕎麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

蕎麥的脫粒分離作業(yè)效果直接影響收獲過(guò)程中的脫分損失率、破碎率以及含雜率等收獲評(píng)價(jià)指標(biāo)[13-14]。本文結(jié)合相關(guān)研究，以降低脫粒損失率、破碎率和含雜率為目標(biāo)對(duì)蕎麥撿拾收獲機(jī)上的脫粒分離裝置進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 脫粒裝置整體設(shè)計(jì)

蕎麥具有特殊的物料特性，不適宜一次性聯(lián)合收獲。同一蕎麥植株上下冠層的籽粒成熟度極不一致，若收獲過(guò)晚，先成熟籽粒在收獲時(shí)易脫落，損失率高；若收獲過(guò)早，則下層籽粒尚未成熟，在脫粒過(guò)程中受力易破碎，且莖稈含水率高，韌性較強(qiáng)，不易打斷，導(dǎo)致脫粒滾筒堵塞，此外，較多的長(zhǎng)莖稈在脫粒過(guò)程中容易裹挾籽粒排出機(jī)外，造成脫粒損失率高。國(guó)內(nèi)外研究表明，采用分段式機(jī)械化收獲可以有效促成蕎麥上下冠層籽粒成熟度一致（即先割曬，待籽粒后熟，再進(jìn)行撿拾、脫粒和清選等聯(lián)合收獲作業(yè)），是目前適合蕎麥作物的機(jī)械化收獲方式[14-15]。

本文基于蕎麥機(jī)械化分段收獲中的撿拾收獲機(jī)，設(shè)計(jì)了一種切流—橫軸流雙滾筒脫粒裝置。該裝置主要由機(jī)架、切流脫粒滾筒、橫軸流脫粒滾筒、凹板篩、脫粒滾筒頂蓋、傳動(dòng)系統(tǒng)等部件組成，脫粒裝置整體尺寸為1580mm×1380 mm×2100mm，結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 脫粒裝置整體示意

2 工作原理

晾曬后的蕎麥物料特性有明顯的變化，莖稈含水率大幅降低，莖稈較脆且籽粒成熟度高，更易脫落。該脫粒裝置采用切流—橫軸流兩級(jí)脫粒滾筒，以由弱到強(qiáng)的脫粒強(qiáng)度進(jìn)行較長(zhǎng)過(guò)程的脫粒。工作時(shí)，經(jīng)晾曬后的蕎麥禾鋪被撿拾器撿拾到割臺(tái)，由輸送裝置輸送到脫粒裝置喂入口，再切向喂入切流滾筒，物料在較大脫粒間隙的桿齒切流滾筒中受到桿齒的打擊和梳刷作用進(jìn)行初次脫粒，以實(shí)現(xiàn)脫籽?？焖俜蛛x，減少籽粒破碎，同時(shí)，桿齒有較強(qiáng)的抓取作用，將物料順利輸送到橫軸流滾筒，有效防止堵塞。物料在紋桿—桿齒橫軸流滾筒中先經(jīng)紋桿進(jìn)行較強(qiáng)的揉搓，實(shí)現(xiàn)多數(shù)籽粒的脫粒，隨后桿齒對(duì)少數(shù)未脫籽粒進(jìn)一步擊打脫粒，提高脫凈率，并將長(zhǎng)莖稈等大雜余有效排出機(jī)體。由于桿齒切流滾筒脫粒間隙較大，橫軸流滾筒的紋桿部分主要用于揉搓脫粒，因此該脫粒裝置對(duì)莖稈的擊打作用較弱，可以減少莖稈斷碎，有效降低含雜率，為清選作業(yè)提供良好的物料成分。該脫粒裝置的設(shè)計(jì)可以有效實(shí)現(xiàn)蕎麥的脫粒分離要求，兼顧脫凈率、破碎率和含雜率指標(biāo)。

3 主要零部件的設(shè)計(jì)

3.1 脫粒滾筒

脫粒滾筒是脫粒裝置主要的工作部件之一，脫粒滾筒的結(jié)構(gòu)和尺寸、脫粒元件類型等對(duì)脫粒性能有直接的影響。切流脫粒滾筒主要由滾筒軸、幅盤、齒桿和桿齒組成，如圖2。

圖2 切流脫粒滾筒結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用公式（1）計(jì)算得桿齒個(gè)數(shù)為48個(gè)。

式中Q—蕎麥?zhǔn)斋@機(jī)的喂入量，由于蕎麥種植區(qū)域小地塊特征明顯，宜采用小型聯(lián)合收獲機(jī)收獲，最大喂入量取1.8 kg/s；β—蕎麥?zhǔn)斋@機(jī)撿拾收獲物料中籽粒質(zhì)量所占比例，取0.47；qd—每個(gè)桿齒允許負(fù)擔(dān)的喂入量，桿齒式聯(lián)合收獲機(jī)約為0.033 kg/s。

根據(jù)蕎麥兩級(jí)脫分裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用公式（2）計(jì)算桿齒齒跡距得104 mm。

式中b—桿齒平均厚度，取12 mm；δmin—最小脫粒間隙，蕎麥屬于易脫作物且切流滾筒只對(duì)已脫或易脫籽粒進(jìn)行初步脫分，故脫粒間隙應(yīng)較大，最小間隙取40 mm。

根據(jù)公式（3）和公式（4）分別計(jì)算得到切流滾筒長(zhǎng)度L'為650 mm，有效長(zhǎng)度為630 mm。

式中K—桿齒排列的螺線頭數(shù)，一般為3～5，此處取3；ΔL—兩邊桿齒與齒板外端之間的距離，為使桿齒與物料充分接觸，取10 mm。

根據(jù)公式（5）得出切流滾筒齒端直徑D1為550mm。

式中M1—齒板數(shù)，一般為4～6，由于蕎麥植株較高，為600～900 mm，若齒板數(shù)偏少，物料運(yùn)動(dòng)的線速度偏小，易造成滾筒堵塞，故齒板數(shù)取6；S—相鄰兩齒板的中心距，常用值為120～250 mm，由于蕎麥植株較高，為防止纏繞，S取較大中心距225 mm；h—桿齒的高度，一般為60～70 mm，晾曬后蕎麥禾鋪厚度較小，故h取60 mm。

橫軸流脫粒滾筒主要由滾筒軸、幅盤、紋桿、齒桿和桿齒組成，如圖3。橫軸流脫粒滾筒的脫粒元件采用紋桿—桿齒式，紋桿部分采用揉搓原理脫粒，是整個(gè)脫粒行程中主要的脫粒區(qū)段，桿齒部分的作用是將少數(shù)未脫籽粒進(jìn)一步擊打脫粒，并將物料有效排出機(jī)外。根據(jù)JB/T 9778.2-1999標(biāo)準(zhǔn)，采用可直接固定在幅盤上的D型紋桿。根據(jù)橫軸流滾筒轉(zhuǎn)向和物料流動(dòng)方向，選擇6排左旋紋桿（桿齒繞滾筒軸均勻排布）。根據(jù)式（6），橫軸流滾筒的長(zhǎng)度L2為1 040 mm。

圖3 橫軸流脫粒滾筒結(jié)構(gòu)示意

式中μ0—作物性質(zhì)系數(shù)，與作物的物料特性有關(guān)，一般為0.018～0.21，相對(duì)油菜、小麥等谷物來(lái)說(shuō)，由于蕎麥植株較高、籽粒簇層直徑較大且單株質(zhì)量較大，故作物性質(zhì)系數(shù)較小，綜合考慮取0.029；M2—紋桿的桿數(shù)，由于蕎麥植株較高，為了脫粒充分，取6；n—滾筒的轉(zhuǎn)速，由于蕎麥屬于易脫作物，本文的脫粒裝置采用兩級(jí)脫粒滾筒進(jìn)行較長(zhǎng)行程的慢速脫粒，在保證脫凈率的同時(shí)防止莖稈斷碎嚴(yán)重，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速應(yīng)較低，為550 r/min～650 r/min，計(jì)算滾筒長(zhǎng)度時(shí)取中間值600 r/min。

根據(jù)JB/T 9778.2-1999，紋桿式脫粒滾筒的直徑一般為450mm、550mm和600mm。為了便于加工和裝配，同時(shí)保證物料均勻流暢地喂入并防止堵塞，設(shè)計(jì)兩級(jí)脫粒滾筒的直徑相同，均為550 mm。橫軸流滾筒桿齒部分的設(shè)計(jì)采用公式（1）計(jì)算桿齒個(gè)數(shù)，根據(jù)前期臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在該脫粒區(qū)段，喂入量Q取較大值0.74kg/s，物料中籽粒質(zhì)量所占比例β取0.2，qd約為0.033 kg/s，計(jì)算得桿齒為30個(gè)。采用公式（2）計(jì)算桿齒齒跡距，桿齒平均厚度b取12 mm，由于二級(jí)滾筒脫粒間隙較小，最小脫粒間隙δmin取25 mm，計(jì)算得齒跡距為74 mm。

3.2 沖孔篩

由于蕎麥籽粒易脫落，故采用沖孔式凹板篩，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，物料流動(dòng)性好，脫粒強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。脫粒裝置的沖孔篩由切流滾筒凹板篩、過(guò)渡篩、橫軸流滾筒凹板篩組成，如圖4。蕎麥籽粒為三棱形，其棱角受力易發(fā)生破損，故選用圓孔形沖孔篩，孔徑為12 mm。

圖4 沖孔篩結(jié)構(gòu)示意

考慮到物料輸送的流暢性，切流滾筒凹板篩包角不宜過(guò)大，取85°。凹板篩弧長(zhǎng)l根據(jù)公式（7）計(jì)算，得410mm。

式中r1—切流滾筒半徑，r1=D1/2=275 mm；α1—切流滾筒凹板篩包角，為85°。

橫軸流滾筒凹板篩由三部分組成，以便于調(diào)節(jié)脫粒間隙，脫粒基礎(chǔ)間隙調(diào)節(jié)范圍為25mm～40 mm。凹板篩包角α2多采用100°～120°，少數(shù)可以到150°以上。蕎麥屬于易脫粒作物，其脫分工作的重難點(diǎn)在于提高籽粒分離率，因此本設(shè)計(jì)采用較大的包角，取220°。凹板篩總弧長(zhǎng)lz采用公式（8）計(jì)算，得1055 mm。

式中r2—橫軸流滾筒半徑，r2=D2/2=275 mm；α2—橫軸流滾筒凹板篩包角為220°。

通過(guò)計(jì)算，兩級(jí)滾筒沖孔篩的篩孔率為56.2%，符合農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中凹板篩的設(shè)計(jì)要求[16]。

3.3 頂蓋

由于切流脫粒滾筒對(duì)物料進(jìn)行切向喂入和輸送，故頂蓋導(dǎo)流角較小。而橫軸流脫粒滾筒通過(guò)頂蓋上的導(dǎo)流片對(duì)物料起到軸向輸送和導(dǎo)向的作用，物料沿軸向流動(dòng)的速度主要由頂蓋的導(dǎo)流角決定。

為了保證物料運(yùn)動(dòng)的流暢性，橫軸流滾筒頂蓋的最小導(dǎo)流角為：

式中H—紋桿高度，mm；Q—橫軸流脫粒滾筒的喂入量，kg/s；ρ—橫軸流脫粒分離裝置內(nèi)物料的密度，kg/m3；nd—脫粒滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；sd—物料在橫軸流脫粒裝置內(nèi)的面積，mm2。

由式（9）計(jì)算得到導(dǎo)流角最小為10.84°，為降低破碎率和含雜率，同時(shí)保證紋桿部分能夠充分脫粒，桿齒部分快速將物料排出，前段紋桿部分頂蓋導(dǎo)流角設(shè)計(jì)為12°，后段桿齒部分頂蓋導(dǎo)流角設(shè)計(jì)為18°。滾筒與頂蓋的間隙比滾筒與凹板篩的間隙大，切流滾筒頂蓋與滾筒間隙為50 mm，橫軸流滾筒頂蓋與滾筒間隙為85 mm，導(dǎo)流片高度為36 mm。

3.4 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

該脫粒裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)與測(cè)試系統(tǒng)三個(gè)部分，如圖5。脫粒裝置采用7.5 kW的電機(jī)拖動(dòng)，通過(guò)變頻器調(diào)速。電機(jī)輸出端與切流脫粒滾筒之間采用V帶傳動(dòng)，能有效吸收振動(dòng)，帶輪傳動(dòng)比為45:32。兩級(jí)脫粒滾筒之間采用鏈傳動(dòng)，傳動(dòng)效率較高，鏈輪傳動(dòng)比為1:1。在兩級(jí)脫粒滾筒輸入端均安裝扭矩功率儀，用于檢測(cè)脫粒過(guò)程中脫粒系統(tǒng)的扭矩和轉(zhuǎn)速，同時(shí)采用數(shù)據(jù)采集分析儀實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，對(duì)蕎麥?zhǔn)斋@機(jī)的研發(fā)具有重要的參考價(jià)值。

圖5 脫粒系統(tǒng)傳動(dòng)示意

4 結(jié)論

（1）基于蕎麥上下冠層籽粒成熟期不一致，成熟籽粒易脫落，空心莖稈脆性和韌性受日照、雨水影響變化較大等物料特性，針對(duì)蕎麥機(jī)械化收獲過(guò)程中含雜率高、破碎率高、滾筒易堵塞等問(wèn)題，提出了一種切流—橫軸流雙滾筒脫粒裝置。

（2）根據(jù)蕎麥的種植環(huán)境特點(diǎn)和收獲特性，對(duì)脫粒裝置各部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)確定，包括脫粒滾筒、凹板篩、脫粒滾筒頂蓋、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等部件的設(shè)計(jì)。

（3）本文在前期研究基礎(chǔ)上，基于蕎麥的物料特性，通過(guò)理論分析計(jì)算對(duì)蕎麥脫粒裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，它說(shuō)明了各主要部件在蕎麥機(jī)械化分段收獲中具有可行性。

5 展望

（1）在蕎麥分段收獲中，受雨水、日照、風(fēng)吹等天氣影響，物料特性變化較大，收獲效果不穩(wěn)定，表現(xiàn)出明顯差異。因此，分段收獲過(guò)程中，收獲時(shí)間和晾曬條件也是保證收獲效果的關(guān)鍵，需提出一套合理可行的割曬方案，以降低天氣對(duì)物料的影響。

（2）現(xiàn)階段蕎麥適合采用機(jī)械化分段收獲方式，但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，一次性聯(lián)合收獲具有進(jìn)地次數(shù)少，生產(chǎn)率高，成本低，收獲周期短，受天氣影響較小等顯著優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)蕎麥機(jī)械化收獲的發(fā)展方向。