馬麗華 朱春梅 趙西偉

摘要：針對(duì)玉米脫粒機(jī)脫粒時(shí)存在脫凈率低、破碎率高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)改進(jìn)了玉米脫粒機(jī)的脫粒裝置，使其能更好地適應(yīng)玉米脫粒時(shí)的實(shí)際工況。擠搓式玉米脫粒機(jī)采用的是擠搓原理，主要組成部分有喂入裝置、脫粒裝置和清選裝置。改進(jìn)之處是在脫粒裝置的尾端加入彈簧齒部分和壓板機(jī)構(gòu)，彈簧齒能夠自動(dòng)調(diào)整脫?？臻g的大小，避免玉米粗細(xì)不一時(shí)造成的卡機(jī)和玉米破碎問(wèn)題;壓板機(jī)構(gòu)可以控制玉米芯的排出量，實(shí)現(xiàn)玉米尖部的完全脫粒，二者的配合使用，降低了破碎率，并同時(shí)確保了脫凈率。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的脫粒機(jī)脫粒裝置具有更加良好的脫粒效果，適合推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：玉米脫粒機(jī);擠搓原理;彈簧齒;壓板機(jī)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)： S226.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）17-0252-05

玉米脫粒過(guò)程中的機(jī)械損傷會(huì)給玉米的生產(chǎn)和存儲(chǔ)帶來(lái)影響，降低脫粒損傷是玉米脫粒機(jī)需要解決的問(wèn)題[1]。目前我國(guó)的脫?，F(xiàn)狀是：脫粒不集中，人工脫粒慢，費(fèi)時(shí)間，而且現(xiàn)在多使用的是傳統(tǒng)打擊式玉米脫粒機(jī)，其特點(diǎn)是破碎率高、脫凈率低、含雜質(zhì)多，需要進(jìn)行再次清選，增加了脫粒的后續(xù)工作和勞動(dòng)強(qiáng)度[2]。

近年來(lái)，玉米脫粒機(jī)的發(fā)展較快，種類(lèi)也比較繁多。目前，釘齒式玉米脫粒機(jī)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較普遍[3]，其工作原理是：釘齒打擊玉米時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和慣性力從而使玉米粒與軸穗間脫離連接。而在國(guó)外擠搓式玉米脫粒機(jī)應(yīng)用最為普遍[4]，該工藝?yán)脭D搓脫粒的原理，類(lèi)似于模仿人手搓玉米的動(dòng)作。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)玉米脫粒機(jī)存在的各種問(wèn)題也作了各種研究。Folarin等改進(jìn)了脫粒滾筒，采用搓擦滾筒，脫粒機(jī)的適應(yīng)能力得到提高[5]。李新平等采用了仿生技術(shù)，對(duì)玉米破碎率的降低有一定作用[6]。張翔等設(shè)計(jì)了立式軸流單穗種子玉米脫粒機(jī)，將脫粒室設(shè)計(jì)為錐形結(jié)構(gòu)從而改變果穗下落過(guò)程中受到的擠搓力[7]。鐘成義等設(shè)計(jì)了凹板間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)玉米脫粒有一定的參考意義[8]。

上述研究對(duì)玉米脫粒機(jī)的脫粒性能均有一定的提高，但在玉米脫粒質(zhì)量方面存在一些問(wèn)題仍未得到很好的解決。因此，提出了一種改進(jìn)方法即在脫粒機(jī)尾端增加了彈簧齒和壓板機(jī)構(gòu)，二者的配合工作提高了脫凈率同時(shí)減少了破碎率。

1 脫粒機(jī)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算

設(shè)計(jì)的玉米脫粒機(jī)主要部分包括入料斗、脫粒部件、主軸、機(jī)架、出料斗、導(dǎo)芯口、排芯口、彈簧齒部分、壓板機(jī)構(gòu)、皮帶輪、電機(jī)等。

1.1 入料口和出料口的設(shè)計(jì)

入料口位于脫粒機(jī)最上端，與脫粒機(jī)的上蓋相連，是玉米進(jìn)入脫粒機(jī)的入口，它的作用是使玉米順利進(jìn)入機(jī)體進(jìn)行脫粒。出料口是將脫完的玉米籽粒由柵格掉落在其收集區(qū)，然后流出機(jī)外，采用2 mm的Q235鋼板焊接制成，材料強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)方面都比較合理[9]，結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖1、圖2。

1.2 脫粒部分的設(shè)計(jì)

玉米脫粒機(jī)的脫粒機(jī)構(gòu)主要組成部分有螺旋滾筒、篩網(wǎng)、半圓形上蓋，本研究選取的是軸流切線型脫粒裝置。脫粒板齒采用的是平板齒和冠狀齒的組合，板齒表面均采用滲碳處理，可以提高強(qiáng)度減少磨損[10]，脫粒裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

1.2.1 脫粒板齒的線速度

參考國(guó)外生產(chǎn)量為5 t/h的擠搓式玉米脫粒機(jī)板齒的齒寬為110 mm，受到的均布載荷為150 N[11];按比例計(jì)算若設(shè)計(jì)的每個(gè)齒板齒寬為72 mm，則平均受力約為95 N，而脫粒主軸上共有12個(gè)板齒受力，得：F=95×12=1 140 N，由式（1）算得v1=3.2 m/s，代入公式（2）得：P1=3.6 kW。

1.3 篩選部分的設(shè)計(jì)

篩選部分包括凹板柵格和風(fēng)機(jī)2個(gè)部分。玉米脫粒機(jī)中的柵格凹板與板齒滾筒相配合，安裝在機(jī)架上。凹板整體采用的是圓柱形分開(kāi)式結(jié)構(gòu)，上凹板為導(dǎo)向板，下凹板是柵格式結(jié)構(gòu)。通過(guò)隔板將圓柱均勻分布連接成“U”形柵格式凹板，起到揉搓和篩板的作用，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。玉米籽粒從柵格落下后，仍有少量比較輕的雜質(zhì)，這時(shí)可利用風(fēng)機(jī)進(jìn)行清選，風(fēng)量的大小決定了清選的程度，風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)如下：流量Q=0.34 kg/m3;風(fēng)口風(fēng)速v2=8 m/s;轉(zhuǎn)速n=480 r/min;葉片為徑向直葉片，葉片數(shù)為4，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

1.4 機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架在脫粒機(jī)中起主要支撐作用，承擔(dān)著脫粒機(jī)的主要質(zhì)量、壓力和力矩，因此，機(jī)架的穩(wěn)固性是保證玉米脫粒機(jī)穩(wěn)定工作、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，因此，機(jī)架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要保證整個(gè)機(jī)器的強(qiáng)度和剛度，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

2 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

電動(dòng)機(jī)和主軸之間選用帶傳動(dòng)，因?yàn)閭魉蛶П旧硎且粋€(gè)撓性件，它具有彈性，能吸收振動(dòng)，緩和沖擊，因而具有工作平穩(wěn)、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足玉米脫粒機(jī)的傳動(dòng)要求。除此之外，帶及帶輪的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、制造成本低、容易維修和保養(yǎng)、便于安裝，所以選用帶傳動(dòng)方式比較合理。

2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇

電動(dòng)機(jī)對(duì)于工作過(guò)程的順利進(jìn)行有著很重要的作用，因此要根據(jù)工作負(fù)載的大小和速度、玉米脫粒機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、傳動(dòng)裝置的體積大小等來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于小型機(jī)械，通常采用同步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的功率P主要由脫粒主軸功率P1來(lái)計(jì)算：

3 脫粒機(jī)的工作原理和優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

主要針對(duì)的是對(duì)傳統(tǒng)擠搓式玉米脫粒機(jī)的改進(jìn)，其工作過(guò)程是玉米果穗從入料口進(jìn)入脫粒機(jī)，首先，玉米果穗在螺旋滾筒上的板齒的推動(dòng)下做螺旋運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入螺旋軌道，然后在螺旋板齒的推動(dòng)下繼續(xù)前進(jìn)。脫粒機(jī)外殼采用前大后小的結(jié)構(gòu)，隨著玉米的前進(jìn)，脫粒倉(cāng)的空間越來(lái)越小，摩擦力越來(lái)越大。整個(gè)過(guò)程中的擠搓力，主要來(lái)自于玉米果穗與螺旋滾筒上的板齒之間以及外殼之間產(chǎn)生的擠壓力，玉米果穗依靠這種擠搓力完成脫粒過(guò)程。最后在螺旋板齒的推動(dòng)下，玉米芯由排芯口排出，在玉米芯的排出過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)彈簧齒和壓板機(jī)構(gòu)，彈簧齒根據(jù)玉米芯的粗細(xì)調(diào)整空間大小，壓板機(jī)構(gòu)根據(jù)玉米果穗的脫粒程度調(diào)節(jié)壓力大小，主要通過(guò)移動(dòng)重錘在壓桿上的位置或增加重錘的質(zhì)量來(lái)增加壓板機(jī)構(gòu)的壓力，使玉米在脫粒倉(cāng)多停留一段時(shí)間，從而提高脫凈率。其工作原理見(jiàn)圖7。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 彈簧齒的設(shè)計(jì) 在螺旋滾筒的尾端安裝彈簧齒，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。彈簧齒的主要作用是減少玉米芯上殘留的玉米顆粒以及使玉米芯順利排出機(jī)外，錐形的機(jī)體外殼決定了越接近機(jī)械尾端，空間越小，玉米受到的摩擦力也越大，所以玉米很容易被擠碎。同時(shí)由于玉米芯粗細(xì)不一，有的脫粒不干凈，有的卡在排芯口排不出。在尾端裝有彈簧齒將會(huì)解決以上問(wèn)題，彈簧齒的下端設(shè)有彈簧，可隨玉米的粗細(xì)而自動(dòng)調(diào)節(jié)，故可以避免玉米粒破碎以及玉米芯被卡在排芯口，保證了脫凈率以及玉米粒和玉米芯的完整性。

利用彈簧和彈簧固定圈將彈簧齒的下端與軸連接，彈簧齒中的主要構(gòu)件是彈簧，其作用是控制彈簧齒隨玉米芯的粗細(xì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了保證剛度，所用的彈簧為專(zhuān)用彈簧，此彈簧的特點(diǎn)是兩端間距較小，中間間距較大，這樣便于與彈簧固定圈連接。彈簧上端與彈簧齒約束配合，彈簧下端套在固定圈表面凸起的圓柱上，設(shè)計(jì)每個(gè)凸起的圓柱之間夾角為15°。如果角度設(shè)計(jì)得過(guò)小，齒籠的約束承載能力會(huì)降低;角度設(shè)計(jì)得過(guò)大，2齒之間的空隙就會(huì)較大，造成玉米果穗可能會(huì)卡在2齒的空隙中，影響脫凈程度。在脫粒過(guò)程中，彈簧施加的壓力主要由彈簧固定圈承受，而凸起的圓柱主要起約束作用。

3.2.2 壓板機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 壓板的作用在于控制脫凈率，其機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖9。脫完或未脫完的玉米果穗和芯棒在螺旋板齒的作用下向排芯口集合，聚集到一定量的玉米芯后，壓板在撥輪的推動(dòng)下被頂開(kāi)，繞軸向上轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)角度，玉米芯即可通過(guò)排芯口排出。玉米芯越多，壓板張開(kāi)的角度就越大。

通過(guò)重錘調(diào)節(jié)壓板的壓力大小，進(jìn)而控制脫凈率，如果物料的含水率較高，那么玉米果穗就會(huì)較難脫?；蛘哂衩仔旧系臍埩糇蚜］^多，這時(shí)可移動(dòng)重錘在壓桿上的位置或增加重錘重量增加壓板的壓力，使玉米在脫粒倉(cāng)多停留一段時(shí)間，脫粒滾筒上的平板齒對(duì)其進(jìn)行再次脫粒，從而提高脫凈率。擠搓脫粒技術(shù)主要靠該結(jié)構(gòu)與彈簧齒的配合工作提高脫凈率和降低破碎率。但壓板的配重大小對(duì)生產(chǎn)率和功率消耗有一定影響，所以須要根據(jù)物料實(shí)際情況調(diào)整壓板的配重。

3.3 優(yōu)化試驗(yàn)

為了驗(yàn)證改進(jìn)后的擠搓式玉米脫粒機(jī)的脫粒性能是否符合生產(chǎn)要求，選取打擊式玉米脫粒機(jī)、傳統(tǒng)擠搓式玉米脫粒機(jī)和改進(jìn)后的玉米脫粒機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，以玉米籽粒破損率和未脫凈率作為試驗(yàn)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證改進(jìn)后的玉米脫粒機(jī)的性能參數(shù)。

為了保證脫粒機(jī)的普遍應(yīng)用能力和適應(yīng)能力，試驗(yàn)選取2個(gè)玉米品種來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，分別為：登海9號(hào)，馬齒型，果穗形狀是長(zhǎng)筒形;中單868，半馬齒型，果穗形狀是短筒形，這2種玉米在籽粒形狀和果穗形狀方面都更具有代表性，而且?guī)缀鹾w了玉米所具有的特征。這樣更能驗(yàn)證脫粒機(jī)的脫粒性能。在每組脫粒機(jī)上進(jìn)行脫粒時(shí)，每個(gè)品種分別進(jìn)行6次重復(fù)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)分別選23個(gè)玉米果穗。然后計(jì)算每次的破碎率，最后再進(jìn)行取平均值，作為每組的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值得出打擊式玉米脫粒機(jī)的籽粒破損率為2.89%、未脫凈率為4.09%，脫粒后玉米芯完整度為 73.5%;傳統(tǒng)擠搓式玉米脫粒機(jī)的籽粒破損率為1.36%、未脫凈率為2.52%，脫粒后玉米芯完整度為85.6%;改進(jìn)后的玉米脫粒機(jī)的籽粒破損率為0.26%、未脫凈率為0.75%、玉米芯完整度98%，通過(guò)3組試驗(yàn)結(jié)果的比較，可得到改進(jìn)后的裝置在破碎率和脫凈率方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的玉米脫粒機(jī)，而且選用的2個(gè)玉米品種的試驗(yàn)結(jié)果相近，進(jìn)一步驗(yàn)證了該脫粒裝置的脫粒性能及適應(yīng)能力。目前國(guó)內(nèi)玉米脫粒機(jī)總體上未脫凈率低于1.5%、破損率在1%～4%之間，所以該脫粒裝置具有低破損率的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于玉米育種的數(shù)據(jù)采集工作來(lái)說(shuō)，籽粒破損率越低越好，因此相對(duì)于其他玉米脫粒機(jī)，該脫粒裝置性能更好，更具有實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)論

為解決玉米脫粒機(jī)破碎率高，脫凈率低的問(wèn)題，結(jié)合了傳統(tǒng)擠搓式玉米脫粒機(jī)的脫粒技術(shù)，首次提出了將彈簧齒和壓板機(jī)構(gòu)置于一體的玉米脫粒機(jī)。將改進(jìn)后的玉米脫粒機(jī)與傳統(tǒng)玉米脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒性能的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的玉米脫粒機(jī)破損率為0.23%～0.29%，未脫凈率為 0.68%～0.75%，完整率為97%～98%，這些試驗(yàn)指標(biāo)表明，改進(jìn)后的脫粒機(jī)能夠達(dá)到高脫凈率、低破碎率的脫粒要求，而且更具有實(shí)用價(jià)值。設(shè)計(jì)的彈簧齒和壓板機(jī)構(gòu)的配合工作適應(yīng)性強(qiáng)，脫粒性能好。一方面，彈簧齒可以根據(jù)玉米芯的粗細(xì)自動(dòng)調(diào)整，從而減少玉米芯被擠碎或者排芯口的堵塞，降低破碎率，同時(shí)還可以減少脫粒后的雜質(zhì)。另一方面，玉米尖部和玉米芯上殘留的玉米顆?？梢酝ㄟ^(guò)壓板機(jī)構(gòu)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)再次脫粒，保證了脫凈率。

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