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湖 南 農 業(yè) 大 學 全 日 制 普 通 本 科 生 畢 業(yè) 設 計 小型場上可移動式油菜脫粒機設計 DESIGN OF A SMALL MOBILE THRESHER FOR RAPE 學生姓名: 王修善 學 號: 200940614412 年級專業(yè)及班級: 2009 級機械設計制造及其 自動化(3)班 指導老師及職稱: 謝方平 教授 學 院: 工學院 湖南·長沙 提交日期:2013 年 5 月 湖南農業(yè)大學全日制普通本科生畢業(yè)設計 誠 信 聲 明 本人鄭重聲明:所呈交的本科畢業(yè)設計是本人在指導老師的指導下,進行研究工 作所取得的成果,成果不存在知識產權爭議。除文中已經注明引用的內容外,本論文 不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻 的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律 結果由本人承擔。 畢業(yè)設計作者簽名: 2013 年 月 日 目 錄 摘要 .................................................................1 關鍵詞 ................................................................1 1 前言 ................................................................2 1.1 課題的目的與意義 ..................................................2 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 ....................................................3 1.3 本課題設計的主要內容 ..............................................4 2 總體方案的確定 ......................................................5 2.1 脫粒機的工作原理 ..................................................5 2.2 整機結構設計分析 ..................................................6 2.2.1 喂入部分 ........................................................6 2.2.2 脫粒部分 ........................................................6 2.2.3 分離清選部分 ....................................................8 2.2.4 機架及行走部分 ..................................................9 2.2.5 動力傳動裝置 ....................................................9 3 關鍵零部件的設計計算 ...............................................11 3.1 脫粒滾筒的設計 ...................................................11 3.1.1 脫粒滾筒直徑和滾筒長度的確定 ...................................11 3.1.2 滾筒線速度與脫粒間隙的確定 .....................................12 3.1.3 脫粒滾筒的結構及脫粒元件的設計 .................................12 3.1.4 凹板篩尺寸的設計 ...............................................13 3.1.5 頂蓋的設計 .....................................................14 3.2 清選部件的設計計算 ...............................................14 3.2.1 清選篩形式和尺寸的設計 .........................................14 3.2.2 清選篩主要參數(shù)的確定 ...........................................15 3.2.3 清選篩運動參數(shù)的確定 ...........................................17 3.2.4 風機參數(shù)的選擇 .................................................17 3.2.5 風機的參數(shù)計算 .................................................17 3.3 機架 .............................................................18 3.4 皮帶輪的設計與計算 ...............................................19 3.4.1 滾筒軸上輸入皮帶輪系的設計 .....................................19 3.4.2V 帶輪的確定 ....................................................20 3.4.3 滾筒上輸出皮帶輪系的設計 .......................................21 3.4.4 滾筒軸的結構尺寸設計 ...........................................21 4 主要零部件的校核 ...................................................23 4.1 軸的校核 .........................................................23 4.1.1 軸的受力分析 ...................................................23 4.1.2 按彎扭合成應力校核軸強度 .......................................24 4.1.3 精確校核軸的疲勞強度 ...........................................25 4.2 鍵與軸承的校核 ...................................................26 4.2.1 鍵強度校核 .....................................................26 4.2.2 滾動軸承校核 ...................................................26 5 結論 ...............................................................27 參考文獻 .............................................................27 致 謝 .............................................................29 附 錄 .............................................................30 1 小型場上可移動式油菜脫粒機設計 學 生:王修善 指導老師:謝方平 (湖南農業(yè)大學工學院,長沙 410128) 摘 要:油菜是我國主要的油料作物,是我國食用油的主要來源。但由于我國油菜種植的 特定情況,油菜的機械化聯(lián)合收獲在我國還沒有廣泛實現(xiàn)。目前,專門為油菜脫粒設計脫粒機較 少,大多是在其他作物的脫粒機的基礎上改裝,這類脫粒機由于不能完全適應油菜的脫粒特性而 存在脫粒效果不好,損失率大等缺陷,所以急需設計一款能適應油菜分段收獲場上移動作業(yè)的脫 粒機。本設計采用軸流式全喂入滾筒進行脫粒,脫粒元件為桿齒,在滾筒上成螺旋線布置,脫粒 效果較好,清選機構選用風機加雙層振動篩結構,能有效將油菜和雜質分開,減小其損失率,脫 粒機裝有行走輪,能在場上靈活移動,提高作業(yè)效率。 關鍵詞:油菜;脫粒機;振動篩;桿齒 Design of A Small Mobile Thresher for Rape Student:Wang Xiushan Tutor:Xie Fangping (College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract: Rapeseed is the main oil crops in China.It is the main source of cooking oil in China. Due to the specific situation of our rape planting, harvest mechanization of rape in our country has not yet been implemented widely . At present,zhe thresher that specially designed for rape threshing is not enough ,and most of that was adapted on the basis of other crops thresher, because cannot adapt to the rape threshing characteristics , threshing effect of those theller is not good, the loss ratio is high,for those reasons, we need to design a threshing machine which can adapt to rape segment and can mobile flexiblelys in harvest field. This design using the axial feeding roller for threshing ,and threshing device isr pole teeth,whicht installed in the roller according to the spiral line, it working well. The fan and double vibrating screen structure is choosed for .Cleaning agencies, that can separate rape and impurities effectively, and reduce the loss. The threshing machine is equipped with walking round, so it can move in the field flexiblely, that can improve the working efficiency. 2 Key words: Rape; Threshing machine; Vibrating screen; Pole tooth 1 前言 1.1 課題的目的與意義 我國是世界油菜生產大國,種植面積和總產量均占世界的30%左右,均居世界第 一,在世界占有重要地位 [1]。油菜作為我國最主要的油料作物,是我國食用油的主要 來源。但是長期以來,我國油菜生產基本上是傳統(tǒng)的手工作業(yè),勞動強度大,生產成 本偏高,效率低 [2]。各級政府和廣大農民迫切需要發(fā)展油菜生產機械化技術。 油菜脫粒是將油菜籽粒從果莢中分離出來的過程?,F(xiàn)有油菜聯(lián)合收割機脫粒裝置 主要是借鑒稻麥聯(lián)合收割機的脫粒原理,通過脫粒元件對油菜果莢產生沖擊、揉搓以 及碾壓等作用,使得果莢炸口、開裂或粉碎,從而分離出油菜籽粒 [2]。 目前,油菜的機械化收獲主要有分段收獲和聯(lián)合收獲兩種,兩種方式各有優(yōu)缺點: (1)分段收獲 即先割曬再撿拾、脫粒的收獲方式,油菜的分段收獲也叫兩段聯(lián)合 收獲。采用兩段聯(lián)合收獲法,充分利用作物的后熟作用,可提前收割,延長了收割期, 籽粒飽滿,產量有所提高,缺點是生產率較低,勞動強度大。采用兩段聯(lián)合收獲油菜 時還應注意一下兩點:一是油菜晾曬不可過干,否則暴殼多,損失大;二是喂入要均 勻、適量,喂入過多容易堵塞,過小則影響工效。 (2)聯(lián)合收獲 即收割、脫粒、清選作業(yè)一次完成的聯(lián)合收獲方式。在油菜的角果 成熟后期,用聯(lián)合收割機一次完成所有的收獲作業(yè)環(huán)節(jié)。其特點是效率高,省工省時, 尤其在氣候條件不好的情況下,有利于進行搶收。但這種方式對收獲時機要求較嚴, 既不能偏早,也不能偏晚。收獲過早,籽粒含水量高,品質差,出油率低;收獲過遲, 因過于成熟,菜籽易炸裂脫落,造成損失,影響產量。油菜機械化收獲最佳的收獲時 間是在菜籽到八成熟,即接近完熟期。 [3] 從目前我國油菜種植的情況來看,我國南方十一個省油菜的種植面積占到全國的 90%以上,這些地方受雙季稻及其他晚秋作物收獲遲的影響而不能及時播種,所以都 是秋種次年夏收的越冬油菜,主要采用育苗移栽的的方式種植,種植密度小、植株高、 莖稈粗壯、分枝多、角果層厚度(離地400—1700 m)大,使得油菜的植株形態(tài)以及油 菜成熟、收獲期間的氣候條件均與我國北方和歐洲等國家春種秋收的直播油菜有很大 差異。分段收獲撿拾脫粒的作業(yè)對象是經過割鋪、晾曬幾天以后的油菜,與聯(lián)合收獲 3 時站立在田問的油菜在秸稈和籽粒的含水率、角果抗裂性、植株形態(tài)等方面顯著不同 [4]。 從上面的分析可知現(xiàn)階段我國油菜的的種植情況要想實現(xiàn)大部分的機械聯(lián)合收獲 方式,還存在比較多的問題需要解決。相比之下,油菜的分段收獲則廣泛存在于我國 的油菜種植區(qū),另外我國油菜種植制度多樣,缺乏規(guī)范化的栽培制度,生產手段、生 產經營方式落后,缺乏與現(xiàn)代生產手段相適應的集中、成片種植和規(guī)范化管理,這些 因素極大的限制了油菜收獲的大規(guī)模機械聯(lián)合作業(yè),因此分段收獲與之更加適應 [5]。 近年來,研究與油菜的分段收獲相適應的油菜收獲機械成為了實現(xiàn)我國油菜收獲機械 化的一個重點方向。 本課題為小型場上可移動式油菜脫粒機的設計,就是要根據(jù)油菜種植與收獲過程 的特點,設計出與油菜分段收獲相適應的場上可以移動的的小型油菜收獲機械。本課 題研究的是一種小型油菜說話機械,因此他相對于適應于油菜聯(lián)合收獲的聯(lián)合收割機 更具經濟性能,它成本更低,農戶更加能夠接受。另一方面,雖然這個機械是小型的, 但相對于人工作業(yè),其生產效率卻是人工作業(yè)不能比擬的。其次,本課題研究的這個 機械在場上是可以移動的,所以更加更加具有靈活性,從而能夠減少較長距離搬運作 物的時間與其他投入,這點使它相對于傳統(tǒng)的場上固定式油菜脫粒機械有更加具有優(yōu) 勢。另外,用機械化生產代替人工勞動可以改善農民的工作環(huán)境,解放勞動力,因此, 本課題的研究還能產生很好的社會效益。再次從油菜的本身的特性來說,分段收獲更 加適應其收獲過程,因此從這方面講,本課題研究也具有很大意義,它能減少收獲的 損失,提高菜籽收獲品質。本次設計就是在分析出油菜的收獲方式及當前與這些收獲 方式配套的一些機械的缺點的基礎上設計一種更好的油菜收獲脫粒機,一種更加脫粒 更加干凈,更加輕便,而且能實現(xiàn)免揚,損失小,更輕便的油菜脫粒機。綜合上述方 面,本課題具有較大的研究意義。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 總體來說,我國油菜機械化水平還比較落后,2006 年底,全國油菜機收水平 僅為5.2%??偨Y其原因,主要是油菜自身特性制約了機械化技術發(fā)展,這些表現(xiàn)為油 菜的莖稈也存在分枝低、交叉多、易炸裂、成熟度不一致等因素,這些特點對油菜的 高質量收獲有較大的阻礙。2007年9月19日,國務院頒布了《國務院辦公廳關于促進 油料生產發(fā)展的意見》 ,旨在恢復和促進我國油料生產快速發(fā)展,推進油菜生產機械 化 [2]。 4 新型油菜脫粒分離裝置的研究以提高生產率減少菜籽損失為目標。在傳統(tǒng)的紋桿 切流滾筒及鍵式逐稿器的脫粒分離裝置之后,滾筒橫置的軸流式結構廣為應用, 繼而 又研制了單滾筒或雙滾筒縱軸流式脫粒分離結構。軸流分離清選系統(tǒng)能夠適應油菜打 擊、揉搓和攪動為主的脫清要求。 [6]-[8] 為實現(xiàn)提高生產率減少菜籽損失的目標,與脫粒機構相關的科研活動也日益增 多。華中科技大學工學院宗望遠,廖慶喜等人對完熟期油菜果莢不同脫粒方式的脫粒 效果進行了實驗研究,得出油菜聯(lián)合收割機脫粒裝置宜設計為沖擊脫粒和搓擦脫粒組 合的脫粒方式的結論 [9]。洛陽工學院的師清翔,劉師多等人對小麥的脫粒方式進行實 驗研究,湖南農業(yè)大學工學院的謝方平教授,孫松林教授等以及華南農業(yè)大學工程學 院羅錫文教授等人,通過對水稻等作物的脫粒方式進行了實驗研究,通過與傳統(tǒng)的剛 性脫粒原理進行對比,從多方面研究了柔性脫粒機理,并證明了其優(yōu)越性,能夠減少 脫粒的籽粒破碎率為油菜脫粒機械的設計開拓了新方向。 [10]-[13]江蘇大學的李耀明, 李洪昌,徐立章等人通過對短紋桿-板齒與釘齒脫粒滾筒的脫粒對比試驗研究,發(fā)現(xiàn) 相對釘齒脫粒滾筒而言,短紋桿-板齒脫粒滾筒在脫粒水稻時功耗低,脫出混合物雜 余含量少,能有效的減輕清選負荷,也為油菜脫粒機構的設計提供了新思路 [14]。 分段收獲更加適應于油菜的自身特點與我國油菜種植狀況,所以分段收獲也是近 期研究開發(fā)的重點。隨著我國對油菜產業(yè)的扶植逐漸加大,從事油菜機械化分段收獲 研究的科技人員也日益增多,對油菜的分段脫粒清選進行理論研究與現(xiàn)實與相關機械 的發(fā)明。 近年來,先后研制出了多款相應機械,適用于油菜的分段收獲,這些機械也表現(xiàn) 出相對于聯(lián)合收割機的的一些優(yōu)點,主要是收獲損失率的降低和對天氣的敏感程度的 降低,所以不少機械都得到了應用并推廣,如四川晨豐農機裝備有限公司研制發(fā)明的 一種油菜脫粒機,就獲得了國家的發(fā)明專利,并在四川地區(qū)得到了推廣,還有四川安 通農業(yè)有限公司研制的5TG-86C型油菜稻麥脫粒機。 國外這方面的研究比較早,機械化程度也比較高,早在上世紀八十年代,就有國 外專家對油菜的收獲方式從損失率,天氣影響,及油菜籽含油量等方面進行了實驗研 究,Sims 對兩種方法的產量與含油量進行試驗比較,Bowerman 與 Harris 則從天氣影 響以及菜籽含水率與含油率對兩種方法收獲方法進行比較,Bengtsson 也做了類似的 比較,結果不完全一致,但多組數(shù)據(jù)表明,利用分段收獲法的損失率更小,菜籽含油 也更高,總體來說,分段收獲更加適用于油菜本身,但在天氣影響較小的情況下,聯(lián) 合收割有其優(yōu)點,比如說作業(yè)效率,菜籽籽粒大而均勻等。 [15]-[18] 5 1.3 本課題設計的主要內容 本次設計的主要設計內容包括:脫粒機的動力與傳動裝置,脫粒裝置、分離裝置、 清糧裝置、和機架等的結構設計與力學分析以及主要零、部件(包括脫粒滾筒、逐 稿器、清選篩、風機等)的選擇和設計; 2 總體方案的確定 2.1 脫粒機的工作原理 脫粒裝置的工作過程的物理現(xiàn)象是比較復雜的,歸納起來,主要靠沖擊﹑揉搓、 梳刷等原理進行脫粒。結合油菜的脫粒特性以及華中農業(yè)大學廖慶喜等人對完熟期油 菜果莢不同脫粒方式的脫粒效果進行了實驗研究,得出結論,實際工作中,油菜的脫 粒方式宜采用沖擊脫粒和揉搓脫粒相結合的脫離方式。 被割下的油菜通過一定時間的晾曬后從脫粒機的喂入口喂入脫粒機的脫粒裝置內, 在由脫粒滾筒與凹板組成的脫粒間隙里受到反復的沖擊與揉搓進行脫粒,被脫粒后的 油菜籽和細小秸稈以及果莢殼通過凹板篩孔掉入由振動篩與風機組成的清選裝置,進 行清選。較大的秸稈和果莢以及夾帶的一些油菜籽則通過機械的排出口排出,小雜余 及夾帶的油菜籽經排出口上的篩孔掉入下面的清選裝置,和從凹板篩孔掉下的脫出物 一同經受風機和振動篩的作用,進行清糧,小雜余被風機吹出機外,油菜籽進入集糧 裝置,排出口上的大脫出物被排出機外。 [19] 脫粒機的工作流程如圖 1: 待脫粒油菜 大脫出物脫粒裝置 機外長莖稈排出口小脫出物 夾帶油菜籽 及小雜余 清選裝置 細雜余油菜籽 機外 6 圖 1 整機的工作流程 Fig1 process of the whole machine working 其工作原理如圖 2: 圖 2 整機工作原理圖 Fig2 The working principle diagram of threshing machine 2.2 整機結構設計及分析 2.2.1 喂入部分 采用全喂入的方式,可以節(jié)省人工勞力,喂入部分是油菜植株進入脫粒機的入口, 通過人工把收割下來的油菜從喂入口喂入脫粒滾筒,其地點和大小尺寸以方便喂入以 及滿足喂入量為準,具體參數(shù)根據(jù)設計的要求來確定。 7 2.2.2 脫粒部分 脫粒部分是整個脫粒機械的核心部分之一,油菜的脫粒效果及清選的難易程度很 大方面有這部分有關,這方面包含脫粒裝置的類型,滾筒的形式,滾筒上脫粒元件的 形式以及凹板的形式及包角,滾筒的尺寸及轉速等, 近年來已有很多研究人員油菜 的分段收獲的脫粒裝置進行了各方面的研究,根據(jù)實際情況也得出了很多有用的結論。 現(xiàn)在脫分裝置的形式主要有軸流式和切流式兩種,所謂切流式的脫粒是指作物從 滾筒的切向喂入,脫粒后又從滾筒的切向排出,而軸流式脫分裝置脫粒時則是作物沿 軸向流動,從一端喂入,從另外一端排出雜質等。切流式脫分裝置的優(yōu)點是結構較簡 單,能耗相對小一點。但脫凈率不是很高。目前,油菜收獲的脫粒分離裝置多為軸流 式。軸流式脫粒分離裝置在工作時谷物作螺旋運動, 脫粒柔和且工作時間長,因而脫 凈率、破碎率和分離率等指標均優(yōu)于切流式脫分裝置,不過其功耗大于切流式脫分裝 置。目前作物在軸流式脫粒裝置中的工藝流程主要有下面圖3四種形式,其各有優(yōu)缺 點。 [20] a.徑向喂入,徑向排出; b.徑向喂入,軸向排出; c.軸向喂入,徑向排出; d.軸向喂入,軸向排出; 圖3 軸流式脫粒裝置的作物工藝流程形式 Fig3 The process form crop in axial flow threshing device 8 作物從軸向喂入時,不易進入滾筒凹板間隙,所以在人工喂送作物的軸流滾筒式 脫粒機,從軸向喂入作物時,必須把滾筒凹板在喂入口端的間隙放大,以便滾筒抓取, 而自動喂入時,必須配備專用的螺旋葉輪,把作物導入,脫粒裝置,其消耗的功率大, 且容易引起作物纏草。作物軸向排出時需要滾筒伸出凹板與蓋組成的圓筒外,比較麻 煩。而作物徑向喂入與徑向排出設計比較簡單,其工作原理與切流式的脫粒裝置類似, 喂入口與排草口的的設計也可以參考其原則,作物脫粒流程從徑向喂入與徑向排出時, 結構簡單,不需要其他特殊的結構??紤]上面這些因素,以及本次設計的喂入量為 200Kg/h以上,不是很大,所以滾筒形式對功耗的影響不是很明顯,對比切流式與軸 流式脫粒滾筒的優(yōu)缺點以及滾筒上各種脫粒元件的脫粒原理,這次設計采用徑向喂入 徑向排出的軸流式脫粒裝置。 凹板的結構有柵格式,沖孔篩式,以及編織篩等類型,其中,柵格式凹板的強度 大,剛性好,篩孔率大,所以脫粒分離效果較好,是軸流式脫粒機較為適合的凹板裝 置 [20]。這次設計也是采用這種凹板。 目前,軸流式脫粒滾筒的脫粒元件多數(shù)為桿齒,也有板齒,葉片,紋桿或紋桿與 桿齒混合的。另外,江蘇大學的李耀明教授等人通過對油菜軸流脫粒不同形式滾筒的 脫粒性能進行了研究,通過實驗表明,在特定的喂入量與油菜品種的情況下短紋桿脫 粒滾筒的綜合脫粒性能指標比較好,是一種較好的油菜脫粒分離裝置。這次設計采用 較常用的桿齒作為脫粒元件。 綜合上面的分析,結合設計要求(喂入量,功率,損失率等)力求達到好的脫粒 效果,來選擇脫粒裝置的形式。決定采用徑向喂入徑向排出軸流式,桿齒脫粒滾筒, 柵格式凹板以及螺旋導向板的組合為脫粒裝置,其具體的結構尺寸參數(shù)則結合設計要 求進行選擇與計算再確定。 2.2.3 分離清選部分 前面已經確定了脫粒形式為全喂入式的軸流式脫粒方式,由于軸流式脫粒方式的 脫粒時間長,脫凈率高,分離率可高達99%,所以無需再另設其他的分離裝置了。清 選裝置的作用是將經過脫粒裝置脫下和分離裝置分出來的谷物混合物中的穎殼,碎莖 等清除干凈,將細小雜物排出機外,以的到清潔的谷粒。目前主要有氣流式清選裝置, 風扇篩子式清選裝置,以及氣流清選筒等。其中,氣流式清選裝置是靠風扇產生的氣 流清除谷粒中的雜質,結構簡單,但清潔度較差,大多用于簡易的脫粒機。氣流清選 筒則是利用谷?;旌衔锿ㄟ^清選筒時各部分離心力及懸浮速度不同將谷粒與雜質分離, 這種清選裝置不已把碎莖和斷穗清除干凈。風扇篩子即利用了谷粒的空氣動力特性, 9 又利用了谷?;旌衔锍叽绮町愋再|,因此其分離效果最好,此次設計的清選裝置就用 風扇篩子式清選裝置。 [20] 風扇篩子式清選裝置主要包含風機和振動篩部分,振動篩與離心風機用于清除從 滾筒中落下的油菜籽中細雜余,結合南京農業(yè)大學吳崇友等人對油菜分段收獲脫粒清 選實驗以及稻麥脫粒機的清選裝置,本次設計決定采用雙層振動篩加離心風機的方法, 振動篩及風機的各種參數(shù)根據(jù)油菜籽及雜余的參數(shù)進行設計。 [21] 2.2.4 機架及行走部分 機架主要起固定連接其余各部分與保證工作可靠性及安全性的作用,其設計主要 以穩(wěn)定可靠及經濟為要求。行走部分則是為了適應場上作業(yè),提高其工作效率而設計 的一部分裝置,考慮到本次設計的機械較小較輕及減小能耗的目的,行走部分只是在 機架的腳上安裝行走輪,采用人力推動的方式移動,行走輪設計為可折疊式,當要求 在場上移動時就放下,脫粒機工作時則收起,以保證工作的平穩(wěn)性。 2.2.5 動力傳動裝置 從前面的分析可知,本次設計的脫粒機需要傳動的部分有原動機與脫粒滾筒之間, 脫粒滾筒與振動篩,脫粒滾筒與風機之間。 因為本機在場上作業(yè),且有移動的要求,所以一直相配的動力采用汽油機或柴油 機,功率與脫粒機作業(yè)效率相配,取2.2—3KW。傳動部分主要是連接原動機與各個工 作部件的構件,其選擇與各部件的工作要求有關,因為是農用機械,振動較大,載荷 變化也大,主要用的有V帶傳動,鏈傳動,同步帶傳動等。下面這三種傳動方式特點 進行分析。 三種傳動方案的性能比較如表1: [22] 表1 三種傳動方案的比較 Table1 Comparison of three kinds of transmission scheme 傳動方式 傳動效率 使用壽命 傳動扭矩 成本 鏈傳動 正常 較長 較小 較貴 V 帶傳動 較高 最長 最大 一般 同步帶傳動 最高 差 小 最貴 從上面的對比可以看出,V帶傳動是一種較好的傳動方式,同時V帶傳動具有安裝 容易,占地面積小,又是撓性件,具有彈性,能夠緩和沖擊,吸收震動等一些優(yōu)點, 因此能適應農用機械工作環(huán)境惡劣,載荷變化大的情況,所以選用V帶傳動可以使脫 粒機的工作平穩(wěn),噪音也可以減小。 10 綜合上面的分析選擇,脫粒機的總體方案確定如下:脫粒機脫粒裝置采用徑向喂 入徑向排出軸流式脫粒滾筒,脫粒元件采用桿齒,采用柵格式凹板篩。清選裝置采用 風扇篩子式清選裝置。采用2.2—3kw的汽油機或柴油機作為動力機械,各部件的傳動 都采用V帶傳動。機架上裝有行走輪,用于機械的場上移動作業(yè)。 整機消耗的功率計算。 (1)脫粒裝置的功率消耗的計算。脫粒裝置在工作時,在運轉穩(wěn)定性較好(保 障脫粒滾筒運轉穩(wěn)定性的條件:有足夠的轉動慣量;發(fā)動機有足夠的儲備功率和較靈 敏的調速器)的條件下,其功率總耗用N 由兩部分組成:一部分用于克服滾筒空轉而 消耗的功率 (占總功率消耗的5%-7%) ,一部分用于克服脫粒阻力而消耗的功率k (占總功率消耗的93%-95%) , [22]所以脫粒裝置的功率消耗為:t N = + (kW) (1)kt 1)其中空轉功率消耗: = +?A3B 式中: ——系數(shù), 為克服軸承及傳動裝置的摩擦阻力的功率消耗, A310).-2(??? B——系數(shù), 為克服滾筒轉動時的空氣迎風阻力而消耗的功率,3 .68.-4?)( 前面已經確定了滾筒的轉速為 ,化為角速度后為 ,A 取750/minr 78.5?? ,B 取 ,經計算30.21??30.51??33.2178.5010241KNKW?????? 2)其中脫粒功率消耗 :這個過程比較復雜,油菜首先是以較低的速度進入脫粒t 裝置入口處,與高速旋轉的脫粒滾筒接觸,然后被拖入脫粒間隙進行脫粒,既有梳刷 也有打擊,目前還沒有專門的計算公式針對油菜的脫粒進行精確地計算,查閱本次計 算相關資料,本次計算用計算軸流式滾筒消耗的功率經驗公式進行計算,軸流式滾筒 脫粒機滾筒消耗的功率為 ,本機設計的喂入量為 0.2kg/s,因此1910.5/kwgs?: KW 左右。tN=10.2? 將數(shù)據(jù)代入 N = + 得:kt N=0.241+2=2.241( )k (2)清選裝置的功率消耗的計算。 篩選裝置消耗的功率由下式可求得: )(/wNQps?? (2) 其中: ——單位時間進入清選裝置的脫出物質量,前面已經計算得 0.14(sQ ) ;kg/ 11 ——單位脫出物質量清選篩所需的功率( ) ,上篩:0.4-0.5,下篩:pN skgw/ 0.25-0.3; ——選別能力系數(shù),0.8-0.9。? 代入數(shù)據(jù)可得消耗的功率: /0.145/.8+014.23/0.8=1kspNQ??? 加上風機所需功率,所以清選裝置所需功率 0.22kw。 傳動裝置設計。前面已經確定了本機的傳動為 V 帶傳動,現(xiàn)確定傳動路線如下: 原動機→脫粒滾筒軸→風機軸 ↓→振動篩曲軸 原動機通過 V 帶把動力傳送到滾筒軸的一端,帶動滾筒的轉動進行脫粒做功,同 時滾筒的另一端裝有 V 帶輪,把動力傳到風機和振動篩,進行清選。 動力裝置的選擇。通過上面的計算,考慮到 V 帶傳動的效率,查閱相關書籍 [23], 取其傳動效率為 ,可以知道整個脫粒機消耗的功率,其消耗的總功率為: 0.95?? (/.)/(.2/095.41)/0.952.7qPN kw????總 由于本設計要求脫粒機能在場上可以移動,所以不能用一般的電動機來作動力, 而是要用柴油機或者汽油機來做動力,且要求其機身小巧,查閱資料 [23],配套 4 馬 力的小型柴油機或汽油機即可滿足動力需求,如常飛 R170 型號柴油機,標定轉速為 2600r/min,通過配置減速器和皮帶輪就可達到所需轉速,還有 TZY170F 柴油發(fā)動機 都能滿足要求。 3 關鍵零部件的設計計算 前面已經對脫粒機的整體設計做了選擇,現(xiàn)在進行零部件的設計計算。 3.1 脫粒滾筒的設計 脫粒滾筒是脫粒機的關鍵部件,因此其設計的好壞直接影響脫離的效果。前面已 經確定了本脫粒機采用全喂入軸流脫粒的方式,因此,其尺寸與結構的設計都應和全 喂入軸流式的脫粒機構相適應。軸流式脫粒滾筒有圓柱型與圓錐形兩種形式,經過前 面的分析,這次設計取圓柱形形式。 3.1.1 脫粒滾筒直徑和滾筒長度的確定 滾筒直徑直接影響脫粒的效果,直徑太小容易纏繞作物,也使凹板分離面積減小, 滾筒直徑大則能適應大的喂入量。此次設計采用桿齒作為脫粒元件,在實際計算中, 要考慮到喂入油菜的莖稈包裹滾筒的包角 ,應該滿足 [16]? 12 (3)2d2L?????ππ 由生產經驗可知,喂入滾筒的長度L一般為400-500mm,這里設計取500mm。對于包 角 ,其大小與與脫粒的質量和功耗有關,在一定范圍內,包角 越大,脫粒效果越? 好,但脫粒的功耗增大,現(xiàn)在的包角一般為150°-240°之間,以180°的最多,所以 有 250d=3mL????π 查《農業(yè)機械設計手冊》 [22]可知,一般的軸流式脫粒滾筒的直徑為550mm- 650mm,最小的也有400mm,結合上面的計算,這里取500mm。 滾筒的直徑應還包含上面的脫粒元件長度,前面已經確定了脫粒元件為桿齒,查 閱相關資料桿齒的工作高度一般為50-100mm,這里取60mm。于是,滾筒的直徑為 500+2×60=620mm[18]。 對于滾筒的長度,則主要取決于分離效果,要使脫粒的作物能充分分離,則脫粒 滾筒的長度要充分長,這是因為軸流滾筒的后半段相當于分離裝置,凹板篩相當于分 離篩,主要起分離作用,也起脫離作用。所以在滾筒直徑一定的情況下,滾筒長度越 長,通過能力則越大,但秸稈的破碎率與滾筒的功耗也會相應增加,所以在保證脫凈 率和分離率的前提下,滾筒長度盡量去小些。查閱《農業(yè)機械設計手冊》可知現(xiàn)有的 的軸流式脫粒機的脫粒機的脫粒滾筒長度大致為1-3m,這次設計的是小型軸流脫粒機, 喂入量較小,還要方便在在場上移動,所以滾筒的長度取一個較小的值粗取1200mm [22]。 3.1.2 滾筒線速度與脫粒間隙的確定 脫粒滾筒的作用是通過帶動其上的圓柱齒而進行脫粒工作,其滾筒的轉速影響著 脫離的質量和效率,一個結構合理的滾筒,如果沒有適當?shù)木€速度,就不可能有良好 的脫粒性能。線速度的大小,決定了對作物的沖擊和梳刷作用的強弱。線速度小時, 沖擊力減弱,使脫粒的時間延長而生產率低下,甚至脫粒不干凈;線速度越高,沖擊 力越大,脫凈率越高,但是線速度過高時,脫粒效果的提高并不顯著,功率消耗反而 增加,谷粒和秸稈的破碎率也提高,且使油菜籽粒在滾筒上的跳動加劇,增加拋散損 失。因此,線速度的大小,要以脫凈又不要破碎谷粒為原則。對圓柱軸流桿齒滾筒而 言,線速度一般為 17~24m/s,相應的轉速為 520~740m/s,結合南京農機機械化研究所 張敏等人的研究成果(滾筒直徑為 540mm 時,滾筒轉速為 650r/min 的情況下油菜脫 13 粒功耗相對較?。┤【€速度 24m/s[24],這樣滾筒的轉速就可以確定了,經過計算滾筒 的轉速 750r/min。 脫粒間隙也是影響脫粒效果的重要因素之一,間隙小分離能力強,但莖稈破碎多,難 分離,間隙大則有相反的優(yōu)缺點,結合油菜的植株特點(其莖干直徑一般為20mm左右)和 實際生產經驗,確定本次設計的脫粒間隙為20mm。 3.1.3 脫粒滾筒的結構及脫粒元件的設計 為避免脫粒的重量不至于太大,滾筒的形式采用開式滾筒,由三個輻盤支撐,上 面均勻分布六條橫版,橫版用螺栓固定在輻板上,橫版上布置有脫粒桿齒,經比較采 用圓柱桿齒較為合適,滾筒上的桿齒按螺旋線排列,查《農業(yè)機械設計手冊》 [22]確 定此次設計桿齒的螺線頭數(shù)為3,齒跡距為40mm,齒距為80mm,桿齒高度為60mm,直徑為 12mm.輻板如圖4. 圖4 滾筒輻板結構圖 Fig4 the structure diagram of wheel disk 3.1.4 凹板篩尺寸的設計 經過前面綜合比較已經確定,本設計采用柵格式凹板,其結構有橫隔板,側弧板 和篩條組成,其結構如圖5所示。 14 圖 5 凹板篩結構示意圖 Fig5 Notch board sieves structure sketch map 凹板直徑是決定生產率的主要參數(shù)(在限制滾筒轉速的情況下,凹板直徑是決定 生產率的唯一參數(shù)) ,凹板直徑與生產率成正比,但不是一次性線性關系。 根據(jù)凹板直徑與生產率的關系和實際生產情況,結合滾筒直徑和脫粒間隙,本設 計現(xiàn)選取凹板直徑 D 為 680mm. 凹板篩的結構設計時還要結合喂入口和排出口,本次設計的喂入量較小因此喂入口 寬取350mm,排出口寬取200mm,喂入口距滾筒中心200mm,排出口則布置在俺班最低端. 包角去目前180度,長度配合滾筒去1250mm,篩孔結構尺寸取40×15mm。 a.伸入量 b.重疊量 β.螺旋升角 圖6 頂蓋導向板配置圖 Fig6 The diagram of guide plates in top configuration 3.1.5 頂蓋的設計 軸流式脫粒滾筒上方的頂蓋與凹板篩鑲接組成圓形的脫粒實,本次設計為圓柱形 軸流滾筒,因此頂蓋內壁設計有螺旋線導向板,用來控制作物軸向移動速度,根據(jù)《農 業(yè)機械設計手冊》 [16]可知其螺旋升角一般為20 ~50°升角過大導向板起不到軸向導 向作用,作物滯留,秸稈破損嚴重.此次設計取25°.導向板與脫粒滾筒的間隙過大作物 流動會不暢,生產效率降低,間隙過小則會是碎秸稈增多,消耗功率,一般取10 ~15mm, 此次設計取10mm,導向板高度取60mm,厚度為2mm,頂蓋厚度4mm.重疊量為50mm喂入口處 有一塊導板橫跨整個喂入口,最后一塊導板的位置能使脫粒過的喂草能到送至排出口 并伸長100mm.其示意圖如圖6. 15 3.2 清選部件的設計計算 3.2.1 清選篩形式和尺寸的設計 前面的分析已經確定了清選部分采用風機加振動篩的方式.由于油菜籽的直徑較 小,為取得較好的分離效果,設計為雙層的振動篩上下兩層配置,參考江蘇大學李耀明 教授及湖南農業(yè)大學唐倫等人對油菜脫粒分離裝置的研究成果 [25]-[27],本次設計的上 層篩子為開度為10mm的魚鱗篩,下篩為?4的圓孔篩,上篩主要把破秸稈和殘穗等分離出 來,起粗篩選的作用,下篩主要選出干凈的油菜籽,起精篩選作用,兩層篩間隔 100mm。 篩子面積由公式(4)確定, (4)/sABLQq? 式中A 篩子的面積 B(m) 篩的寬度,對于橫軸流滾筒脫粒機,B接近于脫離裝置的寬度, 這里取900mm; (Kg/s) 進入清糧裝置谷?;旌衔锪系闹亓?;S L(m) 篩子的長度; (kg/(ms) 單位篩面可以承擔谷粒混合物的喂入量,對于可調魚鱗篩為sq 1.5-2,對于不可調篩子則為可調篩子的一半; 設計機械的喂量為0.2kg/s,又查的《農業(yè)機械設計手冊》可知全喂入軸流脫粒 機清選機構喂入量為總喂入量的70%,所以 =0.7×0.2=0.14 kg/s, 取1.5,帶入SQsq 公式計算可得篩面積為約為0.5㎡,所以L為600mm左右,為保證對排出物有足夠的清 選時間減少損失,稍微取大點,確定上篩魚鱗篩長長650mm,下篩一般比上篩短一點, 確定為500mm。 3.2.2 清選篩主要參數(shù)的確定 兩層篩子通過篩架固定一起,通過曲軸的帶動一起運動,篩子下面布置有風機, 通過風機的風力和篩子的振動使從凹板篩里掉入篩子脫出物中的雜余排出,油菜籽則 通過兩層篩子掉入排糧口,最終進入集糧裝置。 振動篩的一端和曲軸連接,另一端用吊桿連接在機架上,通過曲軸的轉動來實現(xiàn) 振動篩架的往復運動,把曲軸簡化為曲柄,整個清選機構就可簡化為一個曲柄連桿機 構,清選系統(tǒng)的結構簡圖如圖7: 16 1.曲抦 2.連桿 3.下篩 4.上篩 5.擋板 6.吊桿 7.風機 圖7 清選系統(tǒng)結構簡圖 Fig7 The structure diagram of Cleaning system 吊桿長度取100mm,查閱有關資料知曲柄的長度r一般為23~30mm,這次取25mm, 連桿AB的長為661mm,曲軸半徑遠小于連桿的長度,因此可以認為篩子做直線擺動。 β為篩子的擺動角。為保證有較好的的清選效果,篩面應有一定的傾角α,查閱相關 資料可知其值一般為+10°~-10°具體的確定還需考慮脫出物料的摩擦角,篩面的傾 角應小于篩面的摩擦角φ,有關人員經過測試得到了油菜脫粒時脫出物中各物料的摩 擦系數(shù) [28]如表2。 表2 油菜脫粒混合物的摩擦系數(shù) Table2 The friction coefficient of rape threshing mixture 物料 油菜籽 短莖稈 角果殼 摩擦系數(shù) 0.293 0.855 0.805 把摩擦系數(shù)化為摩擦角,最小的為油菜籽的,為16.1°,篩面傾角過大會影響清 選效果與功耗,所以不宜太大,這次設計取α為3°。 風機與篩子的配置需要考慮到油菜脫粒時個脫出物的懸浮速度,經過查閱資料 [28]可 知油菜脫出物中各物料的懸浮速度如表3 表3 油菜脫?;旌衔锏膽腋∷俣?Table3 The suspended velocity of rape threshing mixture 物料 油菜籽 短莖稈 角果殼 輕雜物 懸浮速度 (m/s) 6.27-7.28 6.46-7.34 5.42-6.05 2.48-3.41 從上面的數(shù)據(jù)可以看出,最佳氣流速度為4m/s-6m/s,考慮到風力在篩咋后部會 減弱,所以風機風速取6m/s,出風口與水平面夾角為25°。 篩架如圖8所示 17 圖8 篩架 Fig8 Screen frame 3.2.3 清選篩運動參數(shù)的確定 在整個清選分離過程當中,如果短莖桿和角果殼能保持上行的趨勢和躍起,而油 菜籽能上行、下行和發(fā)生躍起現(xiàn)象,則既有利于保證雜物快速從振動篩尾排出機外, 同時又可以保證油菜籽有很好的透篩概率,從而獲得很好的清選效果。 引入加速度比 (5) 2r/gK?? 式中 ——曲軸角速度( )?1s? R——曲軸半徑(m) G——重力加速度(m/s) 經人對油菜脫出物中各脫出物的上行下行及躍起形式進行分析(分析過程見參考 文獻,這里不詳細敘述),得出最佳的加速度比K的取值范圍為2.75≤K≤3.4,曲軸 半徑r已經確定為25mm,相應的可以算出曲軸轉速n為250-350r/min,這里取 350r/min。篩子的振幅約為兩倍的曲軸半徑為50mm。 3.2.4 風機參數(shù)的選擇 本機風選機構采用農機中廣泛采用的農用型風機,雙面進氣,葉片平直,外形為切 角矩形,這樣能使氣流沿出口寬度方向的不均勻性別得到改善,殼體采用圓筒形,前面 已經說明油菜脫出物清選的相對較好風速為 , 在標準狀況下,空氣的46pVms?: 容重為 .那么風機的風速為 ,初步選取風機的風速為 。37.12mN?? ~86m/sv? (1) 本機設計輕夾雜物的質量為 則空氣的流量為:10.qkg 40.63Q?? (6) 式中 —輕雜質質量與空氣之比的系數(shù),? .0~2 18 (2) 風機的全壓力 :P dsP?? (7) 式中 —風扇的靜壓,距離下篩為 30 毫米左右,sP —風扇動壓,d 2 231.76103.10sdvPgh Pa?????????? 式中 —水的密度,?31mk 3.2.5 風機的參數(shù)計算 (1) 葉輪的外徑 [22] 2606023.10.5757PgDmn?????? (8) 式中 —壓力系數(shù),?4.0~3?? —風機轉速,取n75inr (2) 風扇進風口的直徑 [22] 0(.6.8)=(0.6.8)350.27.8mD???::: (9) 取 0.28m。 (3) 風扇寬度 B sB)1~9.0(? (10) 式中 —篩子寬度,故取 。s 90m? (4) 風機出風口高度 [22]h 0.46.89QhmBv?? (11) (5) 風扇功率 19 , 0.4623.10.19QPNkw???? (12) (6) 葉輪參數(shù) 葉片的寬度 (0.89)0.81bBm???: (13) 葉片的內徑 12(0.35~.)(.35~.).25~.7D (14) 取 0.15m。 葉片數(shù) ,取 片。6~4?z4z 3.3 機架 機架在脫粒機中用于容納和支承各種零部件。本設計機架主要受力部分材料采用 厚的角鋼,受力較小部分則采用 的角鋼。由于整機工作過365m? 302m? 程中會出現(xiàn)比較大的抖動,對機架的強度要求比較大,所以對焊接的要求比較大,本 機架采用角焊。角焊中,焊縫高度指直角三角形的直角點到斜邊的距離,這個距離已 經比較適合用于整機震動比較大的部件上。機架外殼為覆蓋件,對設計強度要求不大, 采用 1mm 厚的薄鋼板沖壓或卷制折彎,各個部件間的的銜接主要采用焊接和螺栓緊固。 行走輪采用螺栓固定在機架下端。 3.4 皮帶輪的設計與計算 3.4.1 滾筒軸上輸入皮帶輪系的設計 (1)帶型的選擇。根據(jù)總體方案的選擇,選用的是4馬力的柴油機或汽油機,其 額定功率為3 左右,轉速不一致,通過在柴油機或汽油機上裝減速器變速為kw 1800r/mm,此次設計以此為原動機的轉速。查機械設計手冊 [29]的工況系數(shù)1.1??傻?計算功率為: (15)3.capKkw?? 小帶輪轉速1800r/min, ,根據(jù)這個數(shù)據(jù),查手冊選擇采用 A 型帶。ca (2)帶輪直徑與帶速的確定。小帶輪的直徑通過查機械設計手冊 [29],有 ,其中 是 V 帶的最小基準直徑, 過小,會降低皮帶的使用壽命;反min1d?mind 1d 過來,雖然可以延長皮帶的使用壽命,但是帶傳動的外形尺寸隨之增大。 20 選取小帶輪的直徑 。滾筒上大帶輪轉速為750r/min,傳動比195dm? 大帶輪的基準直徑 ,取21750.4168n?21()2.4758di m???? 。2dm 上式中 是 V 帶傳動的滑動率,值很小,在計算中可以忽略不計。? 帶速的計算: max106/vndv???? 代入數(shù)據(jù)得 .5s 對于普通的 V 帶, ,太小傳遞的功率小,太大則離心力過大,計/2max? 算的結果在合理范圍內,符合設計要求。 (3)帶的基準長度和軸間距的確定。由公式 (16))(2)7.021021dd???( 代入數(shù)據(jù)得 。5a? 所需帶的基準長度為: 201210/()()/4dddLaa?? (17) 代入 , , 得 05am?195d?24dm?059.dLm? 則實際的軸間距為 /)(00La??? 代入數(shù)據(jù)的實際的軸間距為 。.5 (4)驗算小帶輪包角 由下式可求帶輪包角: (18)????3.7/)(1812ad? 0495? 6. 一般 ,最小不低于 ,小帶輪包角合適,不需要使用張緊輪。??12? (5)確定 V 帶根數(shù)。V 帶根數(shù)可由以下公式計算: (19)?????lAcc kppz???00 其中 ——功率增量,考慮傳動比 時,在大帶輪上的彎曲應力較小,在壽命相0p?1?i 同的條件下,可以增大傳遞的功率。 ——包角修正系數(shù),考慮包角不等于 時對傳動能力的影響。Ak ?8 ——帶長修正系數(shù),考慮包角不