負壓氣流玉米剝皮脫粒機的設計與分析

柴永生,丁兆露,李保敏, 張京旭

(1.煙臺大學 機電汽車工程學院,山東 煙臺　264005；2.山東省高校先進制造與控制技術重點實驗室，山東 煙臺　264005)

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負壓氣流玉米剝皮脫粒機的設計與分析

柴永生1，2,丁兆露1，2,李保敏1，2, 張京旭1，2

(1.煙臺大學 機電汽車工程學院,山東 煙臺264005；2.山東省高校先進制造與控制技術重點實驗室，山東 煙臺264005)

摘要：為解決我國玉米剝皮機功能單一、安全性差的問題，提高玉米剝皮和脫粒的效率，設計了一款負壓氣流玉米剝皮脫粒機，并詳細地進行了方案分析、參數(shù)計算和結構設計。通過采用剝皮輥和壓送器，提高了玉米剝皮質(zhì)量；采用負壓氣流裝置，使脫粒后的玉米粒雜質(zhì)大大減少，總體提高了整個裝置的生產(chǎn)率。仿真分析表明：整個裝置流水作業(yè)，降低了剝皮和脫粒的勞動強度，提高了剝皮和脫粒的效率。

關鍵詞：玉米剝皮機；剝皮輥；壓送器；負壓氣流

0引言

玉米是目前世界上產(chǎn)量最高的谷類作物，也是禾谷類作物中增產(chǎn)潛力最大的作物[1]。我國是農(nóng)業(yè)大國，而玉米既是僅次于水稻的第二大糧食作物，又是糧食增產(chǎn)的主力軍，因此提高玉米的增產(chǎn)與增收率顯得尤為重要。但是，目前我國的玉米機械化收獲水平較低，機收率僅占2%[2]。對玉米的后續(xù)加工(包括剝皮和脫粒等)工序，也只實現(xiàn)了使用機械化工具分別進行剝皮和脫粒的目標，整體來看機器作業(yè)的效率低下。為此，設計了集剝皮和脫粒于一體的負壓氣流玉米剝皮脫粒機，不僅能改善作業(yè)環(huán)境，還可大大提高生產(chǎn)效率。

1結構和工作原理

剝皮脫粒機主要由自動上料裝置、剝皮裝置、脫粒裝置組成，結構如圖1所示。當剝皮脫粒機工作時，在運輸帶上的擋板的(擋板和傳送帶的材料一樣)作用下，帶皮的玉米穗被由下向上運送進入剝皮裝置的進料口，再被送到兩對相向旋轉的剝皮輥和壓送器之間。剝皮輥上方的壓送器使果穗與剝皮輥穩(wěn)定接觸，使得剝皮輥抓取玉米穗并剝?nèi)グ~。脫去苞葉后的玉米棒進入脫粒箱內(nèi)，通過主軸高速旋轉攪拌玉米棒，進而通過主軸上的葉片與柵格撞擊玉米棒而使玉米脫粒。籽粒通過柵格之間的縫隙分離出去，由脫粒裝置的出?？诼涞秸麄€機器的下方的接料裝置。脫粒箱的四周有擋板，防止脫落的玉米粒飛濺傷人。玉米芯從脫粒箱的另一端經(jīng)剝皮裝置的出芯口排出。利用風機高速旋轉造成脫離箱內(nèi)負氣壓，玉米絲等輕量雜質(zhì)便會自動進入通道而被排除，以此達到清洗玉米粒的目的。由于機器在工作過程中是剝皮和脫粒同時進行的，在保證機器結構簡單和實用的前提下，要求果穗帶皮曬干后再進行加工。

1.自動上料裝置　2.剝皮裝置　3.脫粒裝置

2方案設計與參數(shù)分析

2.1自動上料裝置

自動上料裝置由運輸架、運輸帶及擋板、軸承支座、滾筒及軸承等組成，如圖2所示。其主要是對前期玉米的運送。玉米被放在下端，在滾筒均勻轉動下帶動運輸帶向上運動，運輸帶上橫向均勻分布的擋板帶動玉米向上運動。為滿足運動要求，要求運輸帶的寬度大于玉米的長度。目前，玉米的長度一般是200mm左右，因此考慮一定的偏移量，運輸帶寬度選擇為220mm，運輸架寬度選擇為340mm。設計輸送帶速V=0.06m/s。

1.運輸架　2.運輸帶及擋板　3.軸承支座　4.滾筒　5.軸承

2.2剝皮裝置

剝皮裝置由剝皮輥、光軸、剝皮裝置支撐架、軸承及軸承支座、壓送器、出料擋板等組成，如圖3所示。

1.剝皮輥　2.光軸　3.剝皮裝置支撐架

由電動機傳來的動力帶動剝皮輥旋轉，通過齒輪的嚙合，帶動另一個剝皮輥轉動。一對剝皮輥相向運動，當玉米送到剝皮輥和壓送器之間后，沿著剝皮輥表面軸向下滑，由于每對剝皮輥對果穗的切向抓取力不同，使果穗旋轉，果穗在旋轉和滑行中不斷受到剝皮輥的抓取，剝?nèi)グ~。壓送器對改善果穗剝皮質(zhì)量、提高剝皮裝置生產(chǎn)率是極其重要的。它將玉米果穗壓向剝皮輥表面，以增加玉米果穗與剝皮輥之間的摩擦力，使剝皮輥順利的抓取玉米苞皮[3]。以后周期性的放松壓向剝皮輥上的果穗，以使其能繞自軸轉動，從而使果穗四周的苞皮與剝皮輥接觸，以促進果穗以最佳的速度沿剝皮溝槽移動，并阻止果穗在剝皮時翹起來現(xiàn)實生活中。剝皮輥的合理轉速為300～350r/min，本文采用的轉速為323r/min。取V帶傳動比i=3，即可滿足電動機的轉速與主軸的轉速相匹配，故電動機轉速范圍可選為：nd=i×n=3×323=969r/min，符合的電動機轉速的電機可選Y180L-6、970r/min、15kW的電機[4]。

2.3脫粒裝置

脫粒裝置由主軸、主軸葉片、脫粒箱體、柵格及出芯口等組成，如圖4所示。電動機的動力經(jīng)皮帶傳給主軸，主軸高速旋轉，通過其上的葉片攪動脫皮后的玉米棒，玉米棒在葉片和柵格之間不斷受到撞擊，玉米粒受到撞擊而脫落，脫落的籽粒經(jīng)柵格之間的縫隙分離。玉米芯在柵格的出芯口分離出去。

1.主軸　2.主軸葉片　3.脫粒箱體　4.柵格　5.出芯口

根據(jù)資料《脫粒機》[5]一書可查得主軸的轉速為300r/min，取V帶的傳動比i=5，即可滿足電動機的轉速與主軸的轉速相匹配。故電動機轉速為：nd=5×300=1 500r/min，符合這一范圍的同步電動機轉速的電機可選Y190L-6、1 500r/min、15kW的電機。

2.4清洗裝置

負壓清洗裝置由柵格、通道、風機及主軸等組成，如圖5所示。柵格內(nèi)的玉米經(jīng)脫粒后，玉米芯被柵格阻擋不能進入通道，只能由出芯口排出。風機固定在主軸上，由主軸旋轉帶動風機旋轉，使柵格一側形成負壓，玉米絲等輕量的雜質(zhì)便由一個口進入通道，在另一個口排出，以此達到清洗玉米籽粒的目的。

1.柵格　2.通道　3.風機　4.主軸

設主軸的直徑是D，又Tmax=Me=293.5N·m，則軸所受剪切應力應滿足

解得D≥33.44mm，而實際所用的軸的直徑是35mm,所以材料滿足要求。

式中τ—剪切應力(Pa)；

[τ]—許用剪切應力(Pa)；

Tmax—最大扭矩(N/m)；

Wt—抗扭截面系數(shù)(m3)；

Me—外力偶矩(N/m)。

3仿真分析

使用Pro/E軟件的機構仿真功能，對負壓氣流玉米剝皮脫粒機進行了裝配和運動仿真分析，圖6為整體裝配圖。分析結果表明：整個裝置可以不間斷作業(yè)，降低勞動強度，改善作業(yè)環(huán)境，提高作業(yè)效率，驗證了本文的合理性與可行性。

圖6　整體裝配圖

4結論

1)傳送帶的設計極大地降低了農(nóng)民的工作強度。

2)清洗裝置中的風機和脫粒中的葉片固定在同一個軸上，共用同一個動力，節(jié)省能源。

3)整個裝置的結構簡單緊湊 ，成本低，操作方便，工作穩(wěn)定，安全可靠，主要適用于場院作業(yè)。

4)經(jīng)改良后的玉米剝皮機性能更佳，生產(chǎn)效率更高，并且大大減輕了作業(yè)員的勞動強度。

參考文獻：

[1]楊紅旗，路鳳銀，郝仰坤,等.中國玉米產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展問題討論[J]. 中國農(nóng)學通報,2011，27(6)：368-373.

[2]崔保苗.5YBT-600型玉米剝皮脫粒兩用機的研制[J].農(nóng)業(yè)機械,2008(4):64-65.

[3]徐麗明，王應彪，張東興，等. 玉米通用剝皮機構設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2011,42(S1)：14-20.

[4]濮良貴，紀名剛，陳國定,等. 機械設計[M].北京：高等教育出版社，2012.

[5]張成堂，商立今.脫粒機[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1985.

[6]孫鴻文.材料力學[M] .北京：高等教育出版社，2011.

Abstract ID:1003-188X(2016)06-0185-EA

Design and Analysis of the Negative Pressure Air Corn Stripping and Threshing Machine

Chai Yongsheng1，2, Ding Zhaolu1，2, Li Baomin1，2, Zhang Jingxu1，2

(1.School of Electromechanical & Automobile Engineering, Yantai University, Yantai 264005, China; 2.Shandong Province College Key Lab of Advanced Manufacturing and Control Technology, Yantai 264005, China)

Abstract：To solve the single function and poor safety problems of our country corn stripping machine ,and improve the efficiency of corn’s stripping and threshing, they designed a negative pressure air corn stripping and threshing machine. This paper has carried on the scheme analysis, parameter calculation and structure design. Improve the quality of corn stripping by adopting stripping roller and pressure device. Reduce a lot of corn kernels impurities after threshing by using negative pressure air device and improve the productivity of the entire device as a whole. The simulation analysis proves that the whole device operate flowing , reduce the labor intensity of the corn stripping and threshing, and improve the efficiency of corn stripping and threshing.

Key words：corn stripping machine; stripping roller; pressure device; negative pressure air

文章編號：1003-188X(2016)06-0185-03

中圖分類號：S226.4

文獻標識碼：A

作者簡介：柴永生(1976-),男，山西河津人，副教授，碩士研究生導師，博士，(E-mail)chaiysh@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51405416)；山東省自然科學基金項目(ZR2014EEQ024)

收稿日期：2015-05-17