螺旋薯類清洗機(jī)的設(shè)計(jì)

王可新

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 綏化分院，黑龍江 綏化 152054)

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家惠民政策推廣實(shí)施，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)得到飛速發(fā)展，薯類產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，薯類作物營(yíng)養(yǎng)豐富，富含淀粉、 膳食纖維、 維生素及礦物元素等成分，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠， 在改善居民膳食營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)， 提高全民健康素質(zhì)，保障國(guó)家糧食安全等做出了重要貢獻(xiàn)。2014 年，中國(guó)薯類種植面積約為1 100萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量達(dá)1.64億t[1]。目前，中國(guó)薯類(甘薯、馬鈴薯)的種植面積和產(chǎn)量均居世界首位。薯類作物在種植面積和產(chǎn)量提高的同時(shí)，薯類產(chǎn)業(yè)也實(shí)現(xiàn)不斷發(fā)展，薯類加工業(yè)的發(fā)展對(duì)促進(jìn)中國(guó)農(nóng)業(yè)持續(xù)增效、農(nóng)民持續(xù)增收及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有不可替代的作用[2]。薯類作物的收獲期時(shí)間短、工作緊，任務(wù)繁重，而清洗工作在薯類產(chǎn)業(yè)中是必不可少的環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)對(duì)薯類產(chǎn)品的后續(xù)加工和品質(zhì)保障非常重要，如何提高薯類清洗質(zhì)量這一研究越來(lái)越受到人們的重視。市場(chǎng)現(xiàn)有的薯類清洗機(jī)動(dòng)力消耗大，效率低，清洗效果差，急需研究、生產(chǎn)一種新型高效的薯類清洗機(jī)。

1 工作原理和主要參數(shù)

1.1 工作原理

螺旋薯類清洗機(jī)主要包括電機(jī)、減速器、軸承座、滾筒組合、接雜架、機(jī)架和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖1為螺旋薯類清洗機(jī)結(jié)構(gòu)主視圖，圖2為螺旋薯類清洗機(jī)結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，其中滾筒組合包括：滾筒軸、滾子鏈、內(nèi)擋板、篩孔滾筒、外擋板、集雜滾筒、支撐梁、加強(qiáng)板。圖3為螺旋薯類清洗機(jī)滾筒組合結(jié)構(gòu)主視圖，圖4為螺旋薯類清洗機(jī)滾筒組合結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。

1.電機(jī);2.減速器;3.軸承座;4.滾筒組合;5.接雜架;6.機(jī)架圖1 螺旋薯類清洗機(jī)結(jié)構(gòu)主視圖

1.電機(jī);2.減速器;3.軸承座;4.滾筒組合;5.接雜架;6.機(jī)架圖2 螺旋薯類清洗機(jī)結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

1.滾筒軸;2.滾子鏈;3.內(nèi)擋板;4.篩孔滾筒;5.外擋板;6.集雜滾筒圖3 螺旋薯類清洗機(jī)滾筒組合結(jié)構(gòu)主視圖

1.滾筒軸;2.滾子鏈;3.內(nèi)擋板;4.篩孔滾筒;5.外擋板;6.集雜滾筒;7.支撐梁;8.加強(qiáng)板圖4 螺旋薯類清洗機(jī)滾筒組合結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

螺旋薯類清洗機(jī)由電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)電機(jī)軸和減速器輸入軸上的皮帶輪帶動(dòng)減速器，減速后由減速器輸出軸上裝配的鏈輪與滾筒組合上固定的滾子鏈嚙合，帶動(dòng)滾筒組合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)，薯類作物經(jīng)水流輸送進(jìn)入螺旋薯類清洗機(jī)進(jìn)行清洗。直徑小于篩孔滾筒圓孔的雜物和直徑大的雜物，分別在篩孔滾筒外擋板和內(nèi)擋板的作用下，逆水流方向前進(jìn)并落入集雜滾筒，還有一小部分落入集雜滾筒外的雜物通過(guò)集雜滾筒外的彈性刮板刮入集雜滾筒；所有收集的雜物匯集經(jīng)接雜架一同排除，工作性能穩(wěn)定，清洗效率高、操控方便，節(jié)約作業(yè)成本。

1.2 主要參數(shù)

外型尺寸: 2 645 mm×2 704 mm×2 400 mm；

配套電機(jī)動(dòng)力:2.2 kW；

滾筒組合轉(zhuǎn)速:36 r·min-1；

工作效率:150 t·h-1；

洗凈率:≥95%。

2 性能特點(diǎn)

研究設(shè)計(jì)了一種螺旋薯類清洗機(jī)，通過(guò)對(duì)清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化配置，具有以下工作性能：

1)該機(jī)采用了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)理念，由主要工作部件組裝而成，有利于部件的安裝和調(diào)整，使加工更合理并能提高穩(wěn)定性。

2)動(dòng)力配置合理。由電機(jī)提供動(dòng)力傳遞主工作部件的動(dòng)力傳遞方式。動(dòng)力傳遞性平穩(wěn)，可靠性準(zhǔn)確，有效避免動(dòng)力散失。

3)結(jié)構(gòu)緊湊，受力均衡，提高機(jī)具的使用壽命。

4)通過(guò)雜物大小分序清洗薯類作物，工作性能穩(wěn)定，清洗效率高、操控方便，節(jié)約作業(yè)成本。

3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架采用框架結(jié)構(gòu)，包括電機(jī)、減速器架和滾筒組合主架，主要用于固定電機(jī)、減速器、滾筒、接雜架。電機(jī)和減速器先后固定于機(jī)架左前方，電機(jī)提供動(dòng)力通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)減速器，并與減速器輸出軸上的鏈輪與滾筒組合上固定的滾子鏈嚙合，帶動(dòng)滾筒組合及各工作部件運(yùn)轉(zhuǎn)，銜接緊湊，性能穩(wěn)定、可靠。

機(jī)架通過(guò)型鋼和鋼板焊接而成，滾筒組合主架上端面由角鋼焊制邊框，邊框左右兩端角鋼上方焊接方管，滾筒組合與軸承座裝配后固定在方管上，前、后兩側(cè)和底部焊接一大一小兩塊半圓筒型擋板，用于擋住滾筒組合漏下的直徑小于篩孔滾筒圓孔的雜物，落到篩孔滾筒外的雜物通過(guò)水流被匯集到集雜滾筒下方的半圓筒擋板后，集雜滾筒旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)由集雜滾筒上焊接的彈性刮板予以排除，圓筒的右端面下側(cè)固定有側(cè)板，側(cè)板設(shè)計(jì)有薯類作物入口，材料為鋼板，薯類作物通過(guò)水流沖洗送入清洗機(jī)入口側(cè)板。電機(jī)、減速器架焊接在滾筒組合主架左前方，電機(jī)、減速器架的上端面為電機(jī)減速器的座梁，由槽鋼和鋼板焊合而成，座梁上方固定電機(jī)和減速器，座梁下方焊接電機(jī)、減速器架的支撐梁，由角鋼結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成。

3.2 滾筒組合設(shè)計(jì)

滾筒組合主要由滾筒軸、滾子鏈、內(nèi)擋板、篩孔滾筒、外擋板、集雜滾筒、支撐梁、加強(qiáng)板組成，如圖3、圖4所示，滾筒組合的篩孔滾筒焊合和集雜滾筒焊為一體，篩孔滾筒為表面帶有圓孔的圓筒，其內(nèi)、外部分別焊接均布螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)擋板和外擋板，篩孔滾筒通過(guò)內(nèi)擋板和外擋板結(jié)構(gòu)作用，逆水流方向前進(jìn)運(yùn)送雜物；集雜滾筒焊有隔板、外收集槽、滾筒側(cè)板、滾筒圍板和彈性刮板，螺旋薯類清洗機(jī)集雜滾筒結(jié)構(gòu)如圖5所示,滾筒側(cè)板和滾筒圍板焊接成圓筒型滾筒，外收集槽均布焊接在滾筒側(cè)面，其中直徑小于篩孔滾筒圓孔的雜物漏到篩孔滾筒外，在篩孔滾筒外擋板的作用下，逆水流方向前進(jìn)落入外收集槽后被匯集排除；隔板均布焊接在滾筒內(nèi)側(cè)，可以把篩孔滾筒外擋板和內(nèi)擋板收集的雜物在集雜滾筒內(nèi)運(yùn)送并匯集，經(jīng)接雜架一同排除。彈性刮板焊接在集雜滾筒上的刮雜口處，在滾筒圍板上設(shè)有均布的矩形型孔，彈性刮板的材料是彈簧鋼，彈性刮板與集雜滾筒的焊接點(diǎn)與集雜滾筒切線角度為30°，有利于收集小部分落入集雜滾筒外的雜物并排除。

1.彈性刮板;2.滾筒側(cè)板;3.隔板;4.外收集槽;5.滾筒圍板圖5 螺旋薯類清洗機(jī)集雜滾筒結(jié)構(gòu)圖

滾筒軸通過(guò)加強(qiáng)板和支撐梁焊接在滾筒組合中心，并且滾筒軸兩外端面分別與滾筒組合的篩孔滾筒、集雜滾筒兩外端面垂直距離相等，滾筒組合通過(guò)滾筒軸的兩側(cè)軸承徑分別與軸承座裝配后，固定于機(jī)架兩側(cè)方梁上。

滾子鏈的鏈節(jié)依次首尾掛接并焊接在滾筒組合的篩孔滾筒的左端圓筒外側(cè)，焊后的滾子鏈與篩孔滾筒的左端面平行。

滾筒組合內(nèi)擋板為彈性扁鋼，共3件均布螺旋焊接在篩孔滾筒內(nèi)側(cè)，并與滾筒組合中心成34°3′焊合，內(nèi)擋板的首端點(diǎn)與外擋板的尾端點(diǎn)連線與滾筒組合中心平行。

滾筒組合外擋板為彈性扁鋼，共3件均布螺旋焊接在篩孔滾筒外側(cè)，并與滾筒組合中心成32°11′焊合，外擋板尾端對(duì)著集雜滾筒外雜口。

4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、皮帶輪、減速器、鏈輪、滾子鏈組成。螺旋薯類清洗機(jī)由電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)電機(jī)軸和減速器輸入軸上的皮帶輪帶動(dòng)減速器，減速后由減速器輸出軸上裝配的鏈輪與滾筒組合上固定的滾子鏈嚙合，帶動(dòng)滾筒組合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。清洗機(jī)攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)率，即滾筒組合消耗功率P。

攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)功率計(jì)算

P=ξm×ρ×n×di

(1)

式中ξm—常數(shù)項(xiàng)；

ρ—液體密度，kg·m-3；

n—葉片轉(zhuǎn)速， r·min-1；

di—葉片直徑，mm。

取ξm=0.000 32，ρ=1 000 kg·m-3，n=36 r·min-1，di=0.16 m，代入公式(1)計(jì)算得P=1.84 kW。

電機(jī)功率計(jì)算

PN=(P+PS)/η

(2)

式中PN—電動(dòng)機(jī)功率， kW；

P—攪拌器功率， kW；

PS—軸封裝置的摩擦損失功率， kW；

η—傳動(dòng)裝置的機(jī)械效率。

取PS=0.05 kW，η=0.87，代入公式(2)計(jì)算得PN=2.17 kW。

實(shí)際值要大于理論值比較可靠，而且根據(jù)計(jì)算出來(lái)的功率大小，來(lái)查找匹配的三相異步電動(dòng)機(jī)，選擇電機(jī)功率為 2.2 kW 的比較合理。

影響攪拌器功率的因素有介質(zhì)濃度、葉片直徑、葉片角度、葉片轉(zhuǎn)速。一般情況下介質(zhì)濃度、葉片直徑、葉片角度固定不變，葉片轉(zhuǎn)速即滾筒組合的轉(zhuǎn)速直接影響攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)功率，從而影響電機(jī)功率。用滾筒組合轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素對(duì)洗凈率和功率的影響關(guān)系進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的期望值是洗凈率高且功率低，經(jīng)綜合實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算取其綜合值最佳時(shí)，其作業(yè)效果最優(yōu)，選擇最理想的電機(jī)。如圖6為螺旋薯類清洗機(jī)滾筒組合轉(zhuǎn)速對(duì)洗凈率、功率的影響圖。

圖6 螺旋薯類清洗機(jī)滾筒組合轉(zhuǎn)速對(duì)洗凈率、功率的影響

由圖6可知，滾筒組合轉(zhuǎn)速24 r·min-1時(shí)，螺旋薯類清洗機(jī)洗凈率85%,功率1.6 kW；滾筒組合轉(zhuǎn)速28 r·min-1時(shí)，螺旋薯類清洗機(jī)洗凈率89%，功率1.9 kW；滾筒組合轉(zhuǎn)速32 r·min-1時(shí)，螺旋薯類清洗機(jī)洗凈率93%，功率2.1 kW；滾筒組合轉(zhuǎn)速36 r·min-1時(shí)，螺旋薯類清洗機(jī)洗凈率95%,功率2.2 kW；滾筒組合轉(zhuǎn)速40 r·min-1時(shí)，螺旋薯類清洗機(jī)洗凈率94%,功率2.3 kW；之后隨著轉(zhuǎn)速提高洗凈率逐漸降低，消耗功率逐漸升高。滾筒組合轉(zhuǎn)速在24～56 r·min-1范圍增速時(shí)，洗凈率逐漸上升，達(dá)到峰值后，再下降，功率不斷上升，滾筒組合轉(zhuǎn)速為36 r·min-1時(shí)，洗凈率升到最高值95%，功率達(dá)到2.2 kW,此時(shí)，清洗效果最好，功率較高。

5 作業(yè)參數(shù)的影響因素分析

優(yōu)化作業(yè)參數(shù)可提升作業(yè)可靠性和適應(yīng)性，通過(guò)螺旋薯類清洗機(jī)滾筒組合轉(zhuǎn)速對(duì)洗凈率和工作效率的影響規(guī)律，得到符合作業(yè)要求的作業(yè)參數(shù)。用滾筒組合轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素對(duì)洗凈率及工作效率的影響關(guān)系進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試目標(biāo)是提升洗凈率和工作效率，經(jīng)綜合實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算取其綜合值最佳時(shí)，其作業(yè)效果最優(yōu)。圖7為螺旋薯類清洗機(jī)滾筒組合轉(zhuǎn)速對(duì)洗凈率、工作效率的影響。

圖7 螺旋薯類清洗機(jī)滾筒組合轉(zhuǎn)速對(duì)洗凈率、工作效率的影響

由圖7可知，滾筒組合轉(zhuǎn)速24 r·min-1時(shí)，螺旋薯類清洗機(jī)洗凈率85%,工作效率82 t·h-1；滾筒組合轉(zhuǎn)速28 r·min-1時(shí)，螺旋薯類清洗機(jī)洗凈率89%,工作效率96 t·h-1；滾筒組合轉(zhuǎn)速32 r·min-1時(shí)，螺旋薯類清洗機(jī)洗凈率93%,工作效率133 t·h-1；滾筒組合轉(zhuǎn)速36 r·min-1時(shí)，螺旋薯類清洗機(jī)洗凈率95%,工作效率150 t·h-1；滾筒組合轉(zhuǎn)速40 r·min-1時(shí)，螺旋薯類清洗機(jī)洗凈率94%,工作效率163 t·h-1；之后隨著轉(zhuǎn)速提高，雖工作效率逐漸升高，但洗凈率逐漸降低。滾筒組合轉(zhuǎn)速?gòu)?4～56 r·min-1，洗凈率先上升再下降，工作效率不斷上升，滾筒組合轉(zhuǎn)速為36 r·min-1時(shí)，洗凈率升到最高值95%，工作效率達(dá)到150 t·h-1,此時(shí)洗凈率和工作效率接近，清洗效果最好，工作效率較高。

6 結(jié)論

研究設(shè)計(jì)了一種螺旋薯類清洗機(jī)，通過(guò)對(duì)清洗機(jī)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要工作部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果匯總分析，完成整機(jī)的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計(jì),經(jīng)試驗(yàn)和理論分析，獲得了如下結(jié)論：

1)螺旋薯類清洗機(jī)可以將薯類作物表面的泥土進(jìn)行分序清洗，經(jīng)輸送、匯集后一同排出，顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕薯類前期加工的繁重工作壓力，有利于促進(jìn)后續(xù)加工和品質(zhì)保障。

2) 轉(zhuǎn)速配置合理，整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，適應(yīng)多種作業(yè)條件，洗凈率高，減少環(huán)境污染，油耗小，作業(yè)質(zhì)量高，可靠性好，是薯類作業(yè)理想的配套農(nóng)具。

3)通過(guò)試驗(yàn)和分析，當(dāng)螺旋薯類清洗機(jī)的滾筒組合轉(zhuǎn)速為36 r·min-1時(shí)，洗凈率95%，工作效率達(dá)到150 t·h-1，清洗效果最好，可靠性高，綜合各方面條件最優(yōu)。