薏仁米砂盤式脫殼機(jī)設(shè)計(jì)及其有限元分析

胡志剛 張永林 侯傳亮 柳　軍

(武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢　430023)

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薏仁米砂盤式脫殼機(jī)設(shè)計(jì)及其有限元分析

胡志剛 張永林 侯傳亮 柳軍

(武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430023)

提出了一種薏仁脫殼技術(shù)的新方法，研制了一款新型的薏仁米脫殼機(jī)。提出了尼龍定盤和砂輪磨盤水平放置，進(jìn)行了電機(jī)、帶輪與進(jìn)料機(jī)構(gòu)、尼龍定盤及砂輪、主軸及其附屬部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制了脫殼機(jī)的三維結(jié)構(gòu)圖，對脫殼機(jī)體和機(jī)架進(jìn)行了ANSYS模態(tài)分析。并對試制的樣機(jī)進(jìn)行薏仁米脫殼試驗(yàn)，原料處理量0.3 t/h，一次脫殼率≥95%，整仁率≥98%，設(shè)備功耗3 kW。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的薏仁米脫殼機(jī)能滿足大多數(shù)中小型薏仁米加工企業(yè)的需求。

薏仁米；脫殼機(jī)；砂盤礱谷機(jī)；模態(tài)分析

薏仁別名薏苡、六谷子、薏珠子、苡米。薏仁米是經(jīng)薏仁谷脫殼加工而成的產(chǎn)品。目前的薏仁米脫殼加工設(shè)備也大多根據(jù)大米、小麥等谷物脫殼機(jī)改造而成[1-2]。薏仁米脫殼加工設(shè)備的核心部件是脫殼機(jī)，目前針對各種五谷雜糧的脫殼技術(shù)有很多，歸納起來主要有如下幾種技術(shù)方案：

(1) 滾筒揉搓式脫殼[3]：利用一個(gè)表面套著橡膠的運(yùn)動滾筒，和一個(gè)表面黏有橡膠的靜止凹板之間的揉搓作用來達(dá)到脫殼的目的。此方式脫殼效果較好，但是兩塊揉搓板之間的間距不均勻且間隙大小不好掌握，脫殼后的谷物皮層完整率較高，但是產(chǎn)量很低，一般每小時(shí)的處理量只有幾十公斤，不適用于大規(guī)模批量生產(chǎn)。

(2) 平面揉搓式脫殼[4-5]：此方法脫殼的原理和滾筒揉搓式脫殼原理相近，它是利用一個(gè)表面有橡膠的運(yùn)動盤作為運(yùn)動部件，另一個(gè)表面橡膠的靜止平盤作靜止件，兩者之間相互揉搓，以此來達(dá)到脫殼的目的。這種方法脫殼效果較好，兩塊揉搓板之間的間距也好掌握，脫殼后的薏仁粒完整率高(整仁率可達(dá)99%以上)，但是同樣存在產(chǎn)量較低(與滾筒揉搓式脫殼處理量相近)，不太適用于大規(guī)模、成批量生產(chǎn)的問題。

(3) 撞擊脫殼[6-7]：使谷物原料和設(shè)備內(nèi)撞擊盤相互之間的撞擊作用，達(dá)到谷物皮殼相互分離的目的。該方法首先將原料輸送至水平狀的葉輪上，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動時(shí)，輸入的物料隨之被加速，并沿著葉輪上的渦旋狀凹槽滾動，這時(shí)谷物將會沿水平方向并呈束狀撞向周圍的環(huán)狀撞擊盤，從而使谷物殼受到撞擊而破開，實(shí)現(xiàn)谷物仁殼分離目的。該設(shè)備產(chǎn)量較大，谷物皮完整率較高，谷物仁完整率也較好(可達(dá)98%以上)。但會使谷物仁棱角損傷率變高，造成谷物仁有效成分浪費(fèi)。

(4) 膠輥礱谷脫殼[8]：通過具有速度差的兩個(gè)橡膠棍筒之間的相向轉(zhuǎn)動，對谷物進(jìn)行搓撕，從而達(dá)到礱谷脫殼的目的。這要求兩輥筒的間距調(diào)整得非常好，否則，會造成谷仁的破碎率增高，或者脫殼效率降低。通過使用多臺膠輥礱谷機(jī)進(jìn)行連續(xù)脫殼，并且將每臺機(jī)器的軋距調(diào)整到適當(dāng)位置時(shí)，可以大大提高生產(chǎn)效率，并能明顯降低谷物的破碎率(可比單臺降低破碎率2%以上)。目前大產(chǎn)量的大米加工設(shè)備大多采用這種方法。但是這種方法工藝比較復(fù)雜，使用的設(shè)備也尺寸較大，對于產(chǎn)量不大的薏米脫殼加工來說不太經(jīng)濟(jì)。

(5) 砂盤礱谷脫殼[9-10]：此方法有兩個(gè)圓形砂盤，一個(gè)為固定盤，另一個(gè)為可調(diào)整盤，谷物原料以穩(wěn)定的流量從進(jìn)料斗進(jìn)入到第一個(gè)砂盤間，根據(jù)谷物粒度的不同，可以調(diào)整固定盤和可調(diào)整盤之間的間距，從而達(dá)到脫殼的目的。該方法的生產(chǎn)效率較高，使用的設(shè)備比較簡單，所需空間較小，操作性和安全性也較好，比較適合薏米等小產(chǎn)量雜糧脫殼加工。但目前中國市場上這類設(shè)備技術(shù)不夠成熟且可靠性差、處理量小(大多每小時(shí)處理量在 100 kg以下)，也較少用于薏仁米礱谷脫殼。所以本試驗(yàn)的薏米脫殼機(jī)將在此方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

1　脫殼機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為便于進(jìn)料操作，本設(shè)計(jì)的薏仁米脫殼機(jī)采用立式布置。其主要結(jié)構(gòu)由電動機(jī)、機(jī)架、進(jìn)料斗、砂輪磨盤、主軸、帶輪及機(jī)殼組成。為了提高產(chǎn)量，節(jié)約設(shè)備安裝空間及成本，采用如圖1所示的兩臺脫殼機(jī)用一臺電機(jī)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)布置，脫殼機(jī)的內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1　脫殼機(jī)外形圖

1. 進(jìn)料斗2. 調(diào)節(jié)手輪3. 立料盤4. 固定盤5. 上機(jī)殼6. 砂輪磨盤7. 軸承座 8. 皮帶輪9. 出料口10. 主軸11. 尼龍定盤12. 定位螺釘

圖2脫殼機(jī)結(jié)構(gòu)圖

Figure 2Sheller structure diagram

脫殼的工作原理是利用兩磨盤之間的相對速度，對薏仁谷進(jìn)行搓撕，薏仁谷與磨盤砂粒之間相互搓撕摩擦，使薏仁谷皮層受力不同，而被撕裂，從而達(dá)到脫殼的目的。

其主要工作過程為：當(dāng)啟動電動機(jī)時(shí)，電動機(jī)帶動皮帶輪8轉(zhuǎn)動，皮帶輪的從動輪帶動脫殼機(jī)的主軸10轉(zhuǎn)動，而主軸10的轉(zhuǎn)動進(jìn)而會帶動磨盤6的轉(zhuǎn)動。當(dāng)薏仁谷從進(jìn)料斗1經(jīng)導(dǎo)倉進(jìn)入尼龍定盤11和砂輪磨盤6間，磨盤6和薏仁谷粒間的相互摩擦導(dǎo)致薏仁谷的脫殼，脫殼后的薏仁米從磨盤邊經(jīng)出料口9流出，經(jīng)過仁殼分離機(jī)構(gòu)即完成薏仁谷的脫殼過程。此脫殼機(jī)采用垂直式布置，進(jìn)料料斗的機(jī)座和脫殼室之間安裝有料閘板，可以調(diào)節(jié)進(jìn)料速度，在主軸頂端通過軸肩座和軸端蓋固定砂輪磨盤，在脫殼室底部裝可安裝仁殼分離機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，而且加工效率比較高。通過調(diào)整磨盤間距，也可以對其他五谷雜糧進(jìn)行脫殼加工。

牧草種子發(fā)芽對環(huán)境溫度要求≥5℃，在牧草生長過程中，同樣受到生長溫度臨界線(點(diǎn))限制，在相應(yīng)范圍內(nèi)，出苗率和生長速度均隨溫度提高而提高。牧草在生長中，需要儲存足夠營養(yǎng)物質(zhì)而完成越冬和抵御外界不良干擾。因此，人工草地建植需要正確選擇時(shí)節(jié)，應(yīng)滿足其生物和生產(chǎn)需要，富有足夠的生長時(shí)間。那棱格勒村平均地溫4月份為4℃，5月份為8℃，上升直至7月份；氣溫≥5℃起始期為5月4日，同樣上升至7月份，9月份即逐漸下降[1]。年變化如下圖所示。無霜凍期起始時(shí)間為5月21日。進(jìn)入5月份，預(yù)計(jì)牧草下種后7～10d即出苗。因此，為防止霜凍而安全起見，出苗必須在5月21日后，7月10日以前完成草地建植。

2　主要參數(shù)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的薏仁米脫殼機(jī)處理量為300～400 kg/h，設(shè)計(jì)額定功率為3 kW，額定電壓380 V。

2.1電機(jī)與進(jìn)料機(jī)構(gòu)

根據(jù)輸出功率及轉(zhuǎn)速要求，選用型號為Y100L2-4電動機(jī)，輸出功率3 kW，轉(zhuǎn)速1 420 r/min。進(jìn)料機(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)薏仁粒進(jìn)機(jī)流量的機(jī)構(gòu)，它由進(jìn)料斗、流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和螺旋輸送器三部分組成。螺旋輸送器可在碾米機(jī)工作時(shí)對其進(jìn)機(jī)的流量進(jìn)行微調(diào)，通過調(diào)節(jié)流量可在一定范圍內(nèi)控制脫殼室內(nèi)的壓力。

2.2尼龍定盤與砂輪磨盤

尼龍定盤及砂輪的設(shè)計(jì)是整個(gè)薏仁米脫殼機(jī)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。其兩者之間造型的設(shè)計(jì)，材料的選擇，距離的控制是整個(gè)脫殼效果理想與否的關(guān)鍵。

尼龍定盤的作用主要是控制薏仁米的進(jìn)料及擴(kuò)散，保證薏仁米能均勻地分布于砂輪磨盤上，且流動流暢。故在定盤材料的選擇上選用尼龍塑料，既經(jīng)濟(jì)又耐用。定盤的外形選用內(nèi)凹傾斜型，這樣便于薏仁粒的均勻擴(kuò)散，且留有一定的平行余邊，可以保證薏仁與磨盤的充分接觸摩擦。根據(jù)薏仁粒的大小，尼龍定盤與砂輪磨盤之間的距離宜控制在10 mm左右，這樣可以保證薏仁與磨盤的充分接觸。尼龍定盤的外形見圖3。

圖3　尼龍定盤外形圖

砂輪磨盤是進(jìn)行脫殼的主要部件。它是薏仁米脫殼質(zhì)量的決定性因素。砂輪磨盤的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有：粒度、硬度、盤形。砂輪磨盤的主要成分是磨料和結(jié)合劑，目前制作砂輪磨盤的主要磨料采用的結(jié)合劑都是樹化脂結(jié)合劑。這種砂輪磨盤具有較好的彈性和耐沖擊性，能在較高速的情況下長期負(fù)荷工作，且自身強(qiáng)度高、脫殼性能好、脫殼效率高、能耗較低[11]。

在物理定義中，粒度表示磨料類物質(zhì)顆粒的大小。因?yàn)閯傔M(jìn)入脫殼機(jī)的薏仁皮層厚且表面較為光滑，抗剪切、擠壓能力較大，因此為了提高脫殼的效率，磨盤采用粒度號為60，基本尺寸為710～600 μm的砂輪磨盤。砂輪磨盤的硬度表示磨料類物質(zhì)的顆粒之間相互黏合的緊密程度。它是指砂輪磨盤在受外部力量的作用下，磨料顆粒脫落的難易水平。如果磨料顆粒易于脫落，則表明砂輪磨盤的硬度不夠強(qiáng)。如果砂輪磨盤表面的硬度過高，會導(dǎo)致磨料顆粒脫落困難，那么薏仁谷粒就會因表面打滑而不易脫殼，脫殼效率將會變低、電量損耗提高、薏仁米表面溫度上升加快，導(dǎo)致薏仁米粒物理強(qiáng)度降低而形成碎米；相反，如果砂輪磨盤的硬度太低，砂輪磨盤的損耗加快，這將不僅嚴(yán)重影響砂輪磨盤的工作壽命，并且脫落的砂粒混在成品中影響薏仁米的質(zhì)量。故砂輪磨盤的表面硬度影響出米率、薏仁米質(zhì)量及電量損耗等方面。為保證本薏仁脫殼機(jī)的出米率，降低碎米率，提高薏仁米質(zhì)量，選定砂輪磨盤為中2等級。考慮到砂輪磨盤的尺寸要與尼龍定盤的尺寸相對應(yīng)，故將其尺寸設(shè)為：Φ300 mm×Φ55 mm×40 mm。砂輪磨盤的外形見圖4。

2.3主軸及其附屬部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主軸的結(jié)構(gòu)主要取決于軸上載荷的大小、方向、作用點(diǎn)、及載荷的性質(zhì)和軸的加工及裝配工藝等綜合因素。主軸上需要安裝小帶輪、砂輪磨盤、軸承等部件，主軸及安裝在其上的部件爆炸圖見圖5。

圖4　砂輪磨盤外形圖

圖5　主軸及其部件爆炸圖

3　模態(tài)分析

模態(tài)分析可用來計(jì)算機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等特征。為了避免薏仁米脫殼機(jī)工作時(shí)因機(jī)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理而導(dǎo)致機(jī)殼與機(jī)架發(fā)生共振破壞或噪聲污染，可以使用ANSYS Workbench有限元分析軟件分別對薏仁米脫殼機(jī)的機(jī)殼與機(jī)架的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行分析求解，以排除設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)生共振的可能[12]，并可根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)，以減低設(shè)備運(yùn)行時(shí)的噪聲。根據(jù)機(jī)殼和機(jī)架的前四階約束模態(tài)的固有頻率和對應(yīng)振型，計(jì)算出工作時(shí)的危險(xiǎn)轉(zhuǎn)速范圍，這樣就可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，或進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1機(jī)殼的模態(tài)分析

脫殼機(jī)的殼體由上殼體、軸承座、下殼體組成。上下殼體的材料均為45號鋼，彈性模量為200 GPa，密度為7.852×10-6kg/mm3，泊松比為0.32，軸承座材料為鑄鐵，彈性模量和泊松比設(shè)為系統(tǒng)默認(rèn)。進(jìn)行網(wǎng)格劃分法，生成殼體網(wǎng)格，

如圖6所示，劃分共產(chǎn)生15 774個(gè)節(jié)點(diǎn)，7 888個(gè)單元。然后設(shè)置相應(yīng)模態(tài)來求解參數(shù)，求解結(jié)果見圖7?，F(xiàn)取其前四階模態(tài)進(jìn)行分析，相應(yīng)的振型見圖8。

3.2機(jī)架的模態(tài)分析

機(jī)架由10 mm厚的45號鋼板焊接而成，彈性模量為200 GPa，密度為7.82×10-6kg/mm3，泊松比為0.32。對它進(jìn)行網(wǎng)格劃分法，生成殼體網(wǎng)格，如圖9所示，劃分共產(chǎn)生8 017個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 832個(gè)單元。然后給其施加約束，設(shè)置相應(yīng)模態(tài)來求解參數(shù)，求解結(jié)果見圖10。取其前四階模態(tài)進(jìn)行分析，相應(yīng)的振型見圖11。

3.3結(jié)果分析

由上述數(shù)據(jù)分析可知，一階頻率是機(jī)殼與機(jī)架振動過程中的能量密集度最高處，根據(jù)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系可知，模態(tài)頻率越高，極限轉(zhuǎn)速越高。由圖7可知，殼體的一階模態(tài)頻率為2.572×10-3Hz；再由圖10可知，機(jī)架的一階模態(tài)頻率為94.218 Hz。取殼體的一階模態(tài)頻率為參考量，其對應(yīng)的極限轉(zhuǎn)速為4 235.2 r/min，而電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 420 r/min，故其遠(yuǎn)低于其危險(xiǎn)轉(zhuǎn)速范圍，可知脫殼機(jī)工作時(shí)是正常狀態(tài)，不會與機(jī)架發(fā)生共振。

圖6　殼體模型的網(wǎng)格劃分

圖7　殼體的求解結(jié)果

圖8　機(jī)殼模態(tài)振型圖

圖9　機(jī)架模型的網(wǎng)格劃分

圖10　機(jī)架的求解結(jié)果

4　結(jié)論

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、脫殼效率高、碎米率低、能耗低的薏仁米脫殼機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和參數(shù)數(shù)據(jù)在湖北的一家糧機(jī)制造企業(yè)進(jìn)行了試制生產(chǎn)，并對試制的樣機(jī)進(jìn)行薏仁米脫殼試驗(yàn)。由試驗(yàn)得到：原料處理量0.3 t/h，一次脫殼率≥95%，整仁率≥98%，設(shè)備功耗3 kW。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本薏仁米脫殼機(jī)能滿足大多數(shù)中小型薏仁米加工企業(yè)的需求。在后續(xù)的設(shè)計(jì)工作中，為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，本設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將對部分關(guān)鍵零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)該設(shè)備的智能控制系統(tǒng)，以提高設(shè)備的操作性和進(jìn)一步節(jié)能降耗。

圖11　機(jī)架模態(tài)振型圖

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The design and finite element analysis of the Adlay grindingplate sheller

HU Zhi-gangZHANGYong-linHOUChuan-liangLIUJun

(DepartmentofMechanicalEngineering,WuhanPolytechnicUniversity,Wuhan,Hubei430023,China)

A new method of adlay shelling was presented to design a sheller. The adlay shelling technology that a mutual friction between grinding wheel and nylon wheels horizontally placed shell adlay was used. Moreover, the three-dimensional structure of sheller was designed, and the main parts of machine were also checked. Furthermore, in order to prevent the occurrence of resonance, ANSYS modal analysis of the body and the frame were carried out. The prototype of Adlay shell test results showed that the raw material processing capacity was 0.3 t/h, the shelling rate was greater than 95%, the whole kernel rate was more than 98%, and the power of the test equipment was 3 kW, respectively. As a result, the adlay shelling machine designed in this study might meet the needs of most processing enterprises.

adlay; sheller; grindingplate hull; modal analysis

湖北省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(編號：T201310)

胡志剛(1974—)，男，武漢輕工大學(xué)副教授，博士。

E-mail:whhzg@qq.com

2016-01-05

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.08.018