(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 山東 青島 266590)

一種滾筒梳刷棍式花生摘果機(jī)的設(shè)計(jì)

朱尚王國全文傲

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院山東青島266590)

花生是一種出油率很高的油料作物和優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)資源，我國也是世界上極其重要的花生出口國家之一，因此花生的收獲和加工的機(jī)械化是非常重要的。在花生的收獲過程中，摘果是關(guān)鍵性的一項(xiàng)作業(yè)。使用機(jī)械摘果，可以提高工效，減少損失，同時(shí)對花生的及時(shí)摘果可減少花生的霉?fàn)€和蟲蝕?；ㄉ麑?shí)生長在植株的根莖部位，其中根莖部位有較多的泥土和碎石，故設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)不能太精密。花生植株一般長為：500-700mm，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮花生植株大小?；ㄉ麑?shí)一般長度為：30-40mm，寬度為10-13mm，故在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)此設(shè)計(jì)摘果原件和篩選原件。

對于花生摘果機(jī)的要求如下：

(1)摘果效率高，摘凈率高，果實(shí)破碎率低；

(2)摘果時(shí)，盡量不要使莖桿短碎，保證莖桿完整；

(3)摘果機(jī)要考慮多種復(fù)雜工作環(huán)境，堅(jiān)固耐用，安全可靠，使用，保養(yǎng)，維修時(shí)簡單，適合在農(nóng)村推廣；

(4)結(jié)構(gòu)不應(yīng)過于復(fù)雜，功率消耗少。

根據(jù)不同的摘果原理，可以設(shè)計(jì)成不同的摘果機(jī)。故依據(jù)原理可分為以下幾種摘果方案：

揉搓摘果：花生果實(shí)和摘果原件之間以及果實(shí)之間，果實(shí)與莖桿之間的揉搓作用使果實(shí)脫落。如紋桿式滾筒摘果機(jī)。

梳刷摘果：花生果實(shí)和摘果原件之間產(chǎn)生拉力而使花生果實(shí)脫落。如釘齒式摘果機(jī)。

沖擊摘果：花生果實(shí)和摘果原件的相互沖擊使果實(shí)脫落。增大沖擊原件的沖擊速度，可提高生產(chǎn)率和凈摘率。如釘齒式滾筒摘果機(jī)。

雖然以上原理不同，但是在實(shí)際過程中進(jìn)行設(shè)計(jì)花生摘果機(jī)時(shí)，不能使用一種單一的原理進(jìn)行摘果，應(yīng)該設(shè)計(jì)成其中一種原理為主，其它一種或者多種進(jìn)行輔助，協(xié)同完成花生摘果作業(yè)。故選擇方案為：滾筒梳刷棍式花生摘果機(jī)，其工作原理為花生植株進(jìn)入摘果部件后，在摘果桿的擊打下脫落下來果實(shí)，同時(shí)摘果桿的設(shè)計(jì)比較密集，同時(shí)具有一定的梳刷作用，同樣可以起到摘果作用。

花生摘果機(jī)主要有六部分組成：喂料部分，傳動(dòng)部分，摘果部分，風(fēng)選部分，果實(shí)收集部分，箱體部分。這六部分協(xié)同工作，共同完成花生摘果作業(yè)，其中摘果部分是花生摘果機(jī)的核心部件。

以下是對花生摘果機(jī)各部分的介紹：

喂料部分是花生植株通過喂料口進(jìn)入花生摘果機(jī)機(jī)體的重要組成部分，同時(shí)也組成花生摘果機(jī)的整體上箱體。設(shè)計(jì)此部分時(shí)應(yīng)先保證花生植株的順利進(jìn)入，同時(shí)要保證植株在進(jìn)入后不會(huì)在摘果滾筒的高速轉(zhuǎn)動(dòng)下不會(huì)飛出喂料口。入料口不宜過大，保證花生摘果機(jī)的安全工作。可將喂料口設(shè)計(jì)成喂入式漏斗狀。

傳動(dòng)部分作用為將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到花生摘果部分。由于花生摘果機(jī)的工作環(huán)境較為復(fù)雜，花生植株身泥土碎石多。帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)平穩(wěn)，價(jià)格低廉和緩沖吸震等特點(diǎn)，其中帶傳動(dòng)還具有負(fù)載過大時(shí)打滑的特點(diǎn)，既能在三相異步電動(dòng)機(jī)發(fā)生悶車時(shí)保護(hù)電動(dòng)機(jī)不被燒壞，同時(shí)也能在人員或其它雜物鉸入時(shí)保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。因此選擇V帶傳動(dòng)最為合適。

摘果部分的作用為將果實(shí)與花生植株分離。摘果部分作為摘果機(jī)的核心部件可設(shè)計(jì)成滾筒狀，滾筒面焊接擊打果實(shí)的原件，可承梳式排列，既能保證擊打作用，亦能有一定梳刷作用。使用主要工作軸帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，其實(shí)軸與滾筒可以使用鍵連接。并使用平鍵鏈接，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，維護(hù)和維修簡單，對中性好等。支撐軸時(shí)可以選擇使用軸承，選擇合適的支撐方案。

風(fēng)選部分的作用是將摘果部分傳來的果實(shí)與植株分離開來。風(fēng)選部分通過風(fēng)扇的鼓風(fēng)作用將花生的植株吹出箱體而果實(shí)會(huì)透過篩網(wǎng)進(jìn)入到花生果實(shí)的收集裝置中。篩選結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意網(wǎng)格大小使花生果實(shí)能夠準(zhǔn)確落入花生收集裝置中。風(fēng)扇葉片也通過軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來完成旋轉(zhuǎn)，風(fēng)扇葉片屬于不易損耗品，可將風(fēng)扇葉片直接焊裝到軸上，通過三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

箱體的主要作用是支撐傳動(dòng)，摘果和風(fēng)選部分，這三部分能否穩(wěn)定且平穩(wěn)工作決定著花生摘果機(jī)的穩(wěn)定工作。同時(shí)下箱體還具有保護(hù)原件，防止雜物進(jìn)入機(jī)體，保護(hù)操作人員安全的作用。

三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)選擇，由于磁極對數(shù)的不同，因此三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速也不同。即使實(shí)在相同額定電壓下，同容量電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速也有很多種。額定轉(zhuǎn)速過低的話會(huì)大大提高電動(dòng)機(jī)的制造成本和電機(jī)體積，額定轉(zhuǎn)速過高的話，與主要工作軸轉(zhuǎn)速相差太大，減速傳動(dòng)裝置復(fù)雜。故在選擇三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)時(shí)要綜合考量技術(shù)與經(jīng)濟(jì)因素。農(nóng)業(yè)機(jī)械的轉(zhuǎn)速多數(shù)在1000r/min以下，因此可將花生摘果機(jī)的主要工作軸轉(zhuǎn)速選為750—850r/min。

三相異步電動(dòng)機(jī)通過V帶傳動(dòng)帶動(dòng)工作主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，焊接在滾筒外表面的擊打原件也會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，因此擊打原件的轉(zhuǎn)速為：

其中：V—擊打原件的轉(zhuǎn)速

N—主要工作軸轉(zhuǎn)速

L—擊打原件頂端到主軸軸心的距離

花生摘果機(jī)的主要工作軸和滾筒的功率為：

三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速的確定，首先應(yīng)該先確定電動(dòng)機(jī)的功率，電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)該稍大于工作要求的功率。容量過小的話會(huì)導(dǎo)致摘果機(jī)無法正常工作或電動(dòng)機(jī)長時(shí)間過載甚至損壞電機(jī)。故所需電動(dòng)機(jī)功率為：

其中：Pd—電動(dòng)機(jī)的輸出功率

Pw—花生摘果機(jī)的輸入功率

η—電動(dòng)機(jī)到摘果原件的傳動(dòng)裝置的總效率

總效率η由各個(gè)傳動(dòng)效率組成，其中包括V帶傳動(dòng)效率η1，滾動(dòng)軸承效率η2(其中兩組軸承可選用同一傳動(dòng)效率)，以及滾筒傳遞到擊打原件傳動(dòng)原件的效率η3。

各效率取值如下：η1=0.97，(0.94～0.97)

η2=0.99，(0.98～0.995)

η2=1， (擊打原件焊接在滾筒上可取值為1)

即總效率η=0.97×0.99×0.99×1=0.9507

由于選擇V帶傳動(dòng)，應(yīng)選擇合適的傳動(dòng)比V，帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比一般范圍為i=2～4。主要工作軸的轉(zhuǎn)速為750r/min，因此三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)為主軸轉(zhuǎn)速的2～4倍，即為1500～3000r/min。

花生摘果機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：摘果效率高，可以在短時(shí)間內(nèi)完成較大的花生摘果工作量，節(jié)約時(shí)間和大量的人力物力資源。結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單，安裝簡易，維護(hù)和維修簡單。工作平穩(wěn)，震動(dòng)較少，安全系數(shù)高。在摘果方面的優(yōu)點(diǎn)是摘果破損率低，植株保證比較完整，通用性高，可適用于多種不同長度的植株。同時(shí)成本比較低，適合愛農(nóng)村推廣。

花生摘果機(jī)的缺點(diǎn)是：并未完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化話，仍需要人工喂料。摘果率并不是特別高，特別是對于果粒較小的果實(shí)，無法完全摘果。這種摘果機(jī)的體積和重量都比較大，并不適合頻繁移動(dòng)。同時(shí)機(jī)構(gòu)也有許多設(shè)計(jì)不合理的地方?？傮w來講，這臺(tái)花生摘果機(jī)是合適實(shí)際生活和生產(chǎn)中使用的，能夠在花生的收獲和加工環(huán)節(jié)起到相應(yīng)的作用。

朱尚(1993-)，男，在讀碩士，山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，研究方向機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。