楊曉華

(晉中市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山西 晉中 030600)

0 引言

葵花，別名向日葵，是桔梗目、菊科、向日葵屬的植物，因花序隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)而得名。葵花是一年生的草本植物，它的莖桿形狀為圓形且多棱角，莖桿表皮質(zhì)硬且附有白色粗硬毛。葵花花盤單獨(dú)生長(zhǎng)于莖桿頂部或枝葉端部，直徑12～30 cm?？ɑㄋ?、種子皮殼及莖稈可作飼料及工業(yè)原料，如制造人造絲及紙漿等，花穗也可供藥用?？ㄗ押土枯^高，為半干性油，且富含不飽和脂肪酸和多種維生素，是十分受歡迎的休閑食品和食用油源?？◤V泛種植于山西、內(nèi)蒙古、新疆、甘肅等我國(guó)北方地區(qū)干旱、鹽堿、瘠薄的耕地上，秋季成熟后需及時(shí)采摘脫粒，否則容易爛盤霉籽，種植人員在收獲時(shí)將花盤采摘后再進(jìn)行脫粒操作[1-2]。目前我國(guó)大多采用人工脫粒，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、脫粒成本高；也有簡(jiǎn)單的機(jī)械脫粒，但存在脫粒不完全、雜質(zhì)多、效率低的缺點(diǎn)[3-4]。國(guó)外的脫粒機(jī)械雖然技術(shù)相對(duì)成熟，但多以適合大農(nóng)場(chǎng)集中連片規(guī)模種植的聯(lián)合采摘脫粒機(jī)械為主，價(jià)格昂貴，且不適合我國(guó)分散坡梁地小面積種植的脫粒要求。本文設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便，同時(shí)能夠進(jìn)行脫粒、篩分、除雜且脫粒完全、篩分凈度好、脫粒效率高、脫粒成本低、適用范圍廣的葵花脫粒篩選機(jī)械。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

葵花脫粒篩選機(jī)由安裝在機(jī)架上的脫粒機(jī)構(gòu)、風(fēng)選機(jī)構(gòu)、篩選機(jī)構(gòu)、電機(jī)、入料口和出料口等組成，如圖1所示?？摿：Y選機(jī)的機(jī)架為雙層機(jī)架，上層機(jī)架上安裝著脫粒機(jī)構(gòu)，下層機(jī)架上安裝著篩選機(jī)構(gòu)。脫粒機(jī)構(gòu)包括斜向安裝的篩篦、脫粒輥、出料槽和入料托板，上層機(jī)架兩側(cè)設(shè)計(jì)斜向橫梁，篩篦跨裝在斜向橫梁上，篩篦高端位于機(jī)架前側(cè)為入料端，低端位于機(jī)架后側(cè)為出料端[5]。脫粒輥通過兩斜向橫梁上對(duì)稱設(shè)計(jì)的軸承安裝在篩篦上方，脫粒輥一側(cè)安裝有從動(dòng)輪，脫粒輥圓周上沿軸向平行設(shè)計(jì)有筋條。入料托板斜向固定連接在機(jī)架前側(cè)，與篩篦位于同一平面。出料槽也安裝在上層機(jī)架上，位于篩篦下側(cè)，出料槽出料口位于機(jī)架左側(cè)，出料槽底面與地面成一定角度。這樣的設(shè)計(jì)便于葵花籽受重力下滑出料，接料槽兩幫延伸至篩篦下部，以防止脫下的葵花籽從兩幫部灑落。電機(jī)包括第1電機(jī)和第2電機(jī)。第1電機(jī)安裝在下層機(jī)架上部，第1電機(jī)軸上安裝有主動(dòng)輪，主動(dòng)輪與脫粒輥上的從動(dòng)輪膠帶連接。第2電機(jī)安裝在下層機(jī)架上，設(shè)計(jì)有主動(dòng)輪，第2電機(jī)軸通過聯(lián)軸器與風(fēng)機(jī)主體連接，主動(dòng)輪與偏心軸從動(dòng)輪膠帶連接。風(fēng)選機(jī)構(gòu)和篩選機(jī)構(gòu)包括風(fēng)機(jī)主體和振動(dòng)篩，風(fēng)機(jī)主體安裝在下層機(jī)架上，位于出料槽下側(cè)，出風(fēng)口正對(duì)出料槽物料下落空間。振動(dòng)篩安裝在下層機(jī)架底部，包括篩網(wǎng)架、偏心軸和底座，底座一端設(shè)計(jì)有支架，上端與篩網(wǎng)架一端鉸接，偏心軸安裝在底座另一側(cè)，偏心軸一側(cè)安裝有從動(dòng)輪，篩網(wǎng)架有支架端位于出料槽出料口下部[6-7]。

1.入料托板 2.入料口 3.篩篦 4.脫粒輥 5.出料槽 6.風(fēng)機(jī) 7.電機(jī) 8.振動(dòng)篩 9.偏心軸 10.底座 11.出料口圖1 葵花脫粒篩選機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of sunflower threshing and screening machine

1.2 工作原理

葵花脫粒篩選機(jī)工作時(shí)，由電機(jī)給各個(gè)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，并通過傳遞系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作，完成對(duì)葵花籽粒的脫粒、去雜、篩分[8]。首先把葵花花盤經(jīng)料托板從入料口送進(jìn)脫粒機(jī)構(gòu)，通過安裝在上層機(jī)架的旋轉(zhuǎn)脫粒輥模擬人手剝落花盤上的籽粒，經(jīng)過脫粒輥的剝粒，葵花籽從花盤上分離。然后被分離的葵花籽粒和雜質(zhì)一同掉落，在下落過程中會(huì)經(jīng)過風(fēng)選機(jī)構(gòu)，安裝在中層機(jī)架上的風(fēng)力裝置對(duì)葵花籽粒中的輕質(zhì)雜質(zhì)進(jìn)行除雜，風(fēng)力裝置的氣流吹走質(zhì)量輕的雜質(zhì)，干凈的葵花籽粒從篩篦落入出料槽，由于出料槽是傾斜狀態(tài)，葵花籽在重力作用下滑出，進(jìn)入其下方篩選機(jī)構(gòu)的振動(dòng)篩。最后使用底層機(jī)架上的兩層振動(dòng)篦篩進(jìn)行篩分，小粒的葵花籽經(jīng)過振動(dòng)篩的振動(dòng)落入振動(dòng)篩下部，由接料盤進(jìn)行接料，大顆粒且飽滿的葵花籽從振動(dòng)篩末端送出。

1.3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)

1.3.1 脫粒機(jī)構(gòu)

脫粒機(jī)構(gòu)主要組成部分是脫粒輥和篩篦條。脫粒輥為直徑30 mm的圓鋼，脫粒輥圓周表面沿軸向平行設(shè)置3根直徑6 mm的筋條，脫粒輥轉(zhuǎn)速260 r/min，脫粒輥下方順向設(shè)置的篩篦條間距為30 mm，平面傾角10°，篩篦條平面與脫粒輥的距離由入料端50 mm成正比遞減，至出料端縮小為20 mm，篩篦條列成整體固定于上層機(jī)架上。在試驗(yàn)運(yùn)行過程中，出現(xiàn)葵花盤碎盤、葵花籽破裂、碎花盤上剩籽多的現(xiàn)象，經(jīng)過分析研究，確定了脫粒輥直徑40 mm，脫粒筋條10 mm，脫粒輥與脫粒篩篦前端距離60 mm、后端距離30 mm，脫粒篩篦條間距25 mm，脫粒篩篦平面傾角10°，脫粒輥轉(zhuǎn)速160 r/min的最佳運(yùn)行值，并將脫粒篩篦的固定方式由剛性固定改為柔性固定，提高了脫粒效果和脫粒效率[9]。

1.3.2 風(fēng)選機(jī)構(gòu)

風(fēng)選機(jī)構(gòu)在整個(gè)脫粒篩選過程中所起的作用是將花芯粒、花盤葉、秕粒、花盤細(xì)小輕質(zhì)碎屑通過風(fēng)力分離，所以風(fēng)量的大小直接影響分離凈度和飽滿籽粒損耗度，通過試驗(yàn)得出最佳出風(fēng)量數(shù)值。風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)直徑為350 mm，寬度為620 mm，風(fēng)機(jī)離心葉片為6片，葉片寬度為80 mm，長(zhǎng)度為600 mm，轉(zhuǎn)速為2 200 r/min。風(fēng)機(jī)固定在脫粒篩篦下方，出風(fēng)口向后，風(fēng)向水平，從籽粒雜質(zhì)重力下落空間吹過。風(fēng)機(jī)初步設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，但在此風(fēng)量下試驗(yàn)，飽滿籽粒隨雜質(zhì)分離較多，以每次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速遞減20 r/min的方式，觀察飽滿籽粒的分離損耗，經(jīng)過調(diào)節(jié)風(fēng)量試驗(yàn)，確定最佳風(fēng)量時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 700 r/min，此時(shí)輕質(zhì)雜質(zhì)分離較完全，風(fēng)選雜質(zhì)中飽滿籽粒含量較少。

1.3.3 篩選機(jī)構(gòu)

篩選分離是整個(gè)脫粒篩選流程的最后一道工序，用于分離密度和體積較大的花盤碎屑，其篩選過濾效果的好壞決定了飽滿籽粒的凈度和損耗大小。過濾篩網(wǎng)的大小、傾斜度、振動(dòng)速度、振動(dòng)幅度決定著過濾效果。初步設(shè)計(jì)過濾篩網(wǎng)眼規(guī)格為20 mm×20 mm，傾斜度(過濾篩網(wǎng)平面與地面夾角)為10°，振動(dòng)速度以偏心軸轉(zhuǎn)速計(jì)為460 r/min，振動(dòng)幅度以偏心距計(jì)為50 mm。經(jīng)過試驗(yàn)，確定過濾篩網(wǎng)網(wǎng)眼規(guī)格12 mm×12 mm，傾斜度(過濾篩網(wǎng)平面與地面夾角)為12°，振動(dòng)速度以偏心軸轉(zhuǎn)速計(jì)380 r/min，振動(dòng)幅度以偏心距計(jì)50 mm的運(yùn)行最佳值，此時(shí)篩選性能最好。

2 優(yōu)化改進(jìn)

為達(dá)到較好的脫粒效果和整機(jī)效能，對(duì)葵花脫粒篩選機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性和傳動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的優(yōu)化改進(jìn)。

2.1 適應(yīng)性改進(jìn)

針對(duì)葵花脫粒篩選機(jī)對(duì)小顆粒油用葵花脫粒效果差的問題，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脫粒凈度(油用葵花盤)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但脫粒后的成品中含有雜質(zhì)量大，且多為花盤上密度較大的碎粒。這一現(xiàn)象說明脫粒工序和風(fēng)選工序符合設(shè)計(jì)要求，問題出在篩選工序上，考慮到油用葵花籽粒比食用葵花籽粒明顯偏小，一套過濾篩網(wǎng)要兼顧兩種體積相差較大的葵花籽粒篩選，且都要達(dá)到設(shè)計(jì)要求的脫粒篩選品質(zhì)效果，難度太大或者不太可能[10]。對(duì)此，采用可更換過濾篩網(wǎng)方式解決一種機(jī)械兩種功能的難題。針對(duì)大顆粒食用葵花的篩選，設(shè)計(jì)了大網(wǎng)眼規(guī)格12 mm×12 mm和小網(wǎng)眼規(guī)格5 mm×5 mm的兩層配套篩網(wǎng)；針對(duì)小顆粒油用葵花的篩選，通過多次試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了大網(wǎng)眼10 mm×10 mm和小網(wǎng)眼4 mm×4 mm的配套篩網(wǎng)。對(duì)大顆粒食用葵花篩選時(shí)，裝入網(wǎng)眼大的配套篩網(wǎng)，進(jìn)行小顆粒油用葵花篩選時(shí)，則更換上網(wǎng)眼小的配套篩網(wǎng)，拓寬了葵花脫粒篩選機(jī)的適應(yīng)性。

針對(duì)比較干燥的葵花盤脫粒時(shí)，部分飽滿籽粒會(huì)隨雜質(zhì)分離出去，增大脫粒損耗，通過改變風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，增加風(fēng)機(jī)可調(diào)節(jié)風(fēng)量功能，以提高葵花盤濕度改變后的脫粒效果。當(dāng)葵花濕度大時(shí)，葵花籽變重，就適量調(diào)大風(fēng)量；當(dāng)葵花濕度小時(shí)，葵花籽變輕，就適量調(diào)小風(fēng)量，從而達(dá)到較好的脫粒效果。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性改進(jìn)

葵花脫粒篩選機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)是由電機(jī)、電機(jī)軸、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、偏心輪、膠帶和聯(lián)軸器組成。初步設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到脫粒機(jī)構(gòu)動(dòng)力需求大，其動(dòng)力由一部電機(jī)獨(dú)立提供，風(fēng)機(jī)和振動(dòng)篩網(wǎng)的動(dòng)力由另外一部電機(jī)提供。在改進(jìn)試驗(yàn)中，經(jīng)測(cè)試一臺(tái)電機(jī)足夠提供整機(jī)動(dòng)力，出于協(xié)調(diào)傳動(dòng)、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、便于維護(hù)、降低制造成本、減低能耗的綜合考慮，在改進(jìn)設(shè)計(jì)中，取消了為脫粒機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的電機(jī)，用一部電機(jī)同時(shí)為脫粒機(jī)構(gòu)、風(fēng)選機(jī)構(gòu)、篩選機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，匹配好傳動(dòng)比，使得每個(gè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速在設(shè)計(jì)要求內(nèi)，通過對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升了機(jī)器的整體效能。

2.3 試驗(yàn)分析

2021年9月12日在山西省晉中市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所內(nèi)對(duì)優(yōu)化改進(jìn)后的樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，選用了本地種植的食用型葵花作試驗(yàn)原料。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究分析得出，改進(jìn)后的葵花脫粒篩選機(jī)脫粒效率達(dá)到1 000 kg/h以上，相當(dāng)于人工脫粒10個(gè)人工1 h的工作量；干凈率達(dá)到90%以上，篩分度達(dá)90%以上，機(jī)具的工作能耗成本約2元/h。

3 結(jié)論

葵花脫粒篩選機(jī)經(jīng)過設(shè)計(jì)、優(yōu)化和改進(jìn)后，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便，各項(xiàng)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求，具備了廣泛推廣條件，達(dá)到脫粒完全、篩分凈度好、脫粒效率高、脫粒成本低、適用范圍廣等要求。葵花脫粒篩選機(jī)通過旋轉(zhuǎn)脫粒輥模擬人手剝落花盤上籽粒的巧妙設(shè)計(jì)，達(dá)到了不破壞花盤的目的，通過對(duì)葵花籽大小不一、飽滿程度不同的適應(yīng)性改進(jìn)，以及篩選傳動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了脫凈率高、破損小和節(jié)省能耗的效果。脫粒效率的大幅提高，勞動(dòng)力的節(jié)約，有利于提高農(nóng)戶種植積極性，也有利于農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移與農(nóng)戶增收，同時(shí)脫粒能耗成本的極大降低，也有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。