玉米籽粒收獲脫粒裝置設(shè)計

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At present, the existing large scale corn harvesters at home and abroad are not suitable for small scale agricultural production. When the large－scale integrated machine enters the farmland, it will cause land compaction and the crushing rate of corn is high. In order to solve this problem, this paper has combined the advantages of extruder and differential threshing device, and improved the drum structure of the existing small and medium－sized corn threshing device. A corn threshing and harvesting device was designed, which was mainly composed of hopper, roller, motor and V belt. The main design of the funnel and drum structure design. At work, the corn is artificially put into the feed mouth to make the corn slide into the threshing area. In the threshing area, the nail teeth on the drum squeeze and rub the corn, and at the same time, the drum and the concave plate form a differential velocity, and then the threshing is completed. The hopper is designed and its structure is improved to prevent too much equipment from getting stuck at one time. When the threshing area is designed, the drum structure is changed, and the nail tooth is designed as the tooth plate structure, so as to facilitate the design of the telescopic structure. The rack and pinion control is adopted to drive the screw transmission, so as to realize the telescopic control of the tooth. The device design of small corn threshing device, suitable for small agricultural production, can meet the different direct corn threshing, has the characteristics of high net rate, high efficiency, while adjusting the expansion of the tooth can reduce the rate of damage. The price is affordable, the operation is simple, the farmer is willing to accept. Keywords: breakage rate; Crowded rub type; Extrusion; Drum 目 錄 1 緒論 1 1.1 選題的依據(jù)及意義 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2.1 國外玉米脫粒機發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2.2 我國玉米脫粒機的發(fā)展過程 2 1.2.3 玉米擠搓式原理脫粒裝置 2 1.2.4 差速式原理玉米脫粒裝置 3 2 技術(shù)任務(wù)書（RJ） 5 2.1 設(shè)計依據(jù) 5 2.2 產(chǎn)品的用途及適用范圍 5 2.3 主要參數(shù)設(shè)計 5 2.4主要研究內(nèi)容與方案 6 3 設(shè)計技術(shù)說明書 7 3.1 裝置的工作原理 7 3.2 電機的設(shè)計 7 3.2.1 電動機功率設(shè)計 7 3.2.2 電動機的選擇 9 3.3 整機結(jié)構(gòu)的設(shè)計 10 3.4 外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計 11 3.4.1 入料斗的設(shè)計 11 3.4.2 出料斗的設(shè)計 11 3.4.1 排芯斗的設(shè)計 12 3.5 滾筒的設(shè)計 13 3.5.1 滾筒的作用 13 3.5.2 齒板的設(shè)計 13 3.5.3 圓柱滾筒的設(shè)計 14 3.6 伸縮結(jié)構(gòu)的設(shè)計 14 3.6.1 伸縮結(jié)構(gòu)的作用 14 3.6.2 齒輪齒條的設(shè)計 14 3.6.3 伸縮桿的設(shè)計 16 3.6.4 齒條軸的設(shè)計 17 3.6.5 右端螺紋控制結(jié)構(gòu) 18 3.7 圓錐滾桿的設(shè)計 18 3.7.1 圓錐滾桿的作用 18 3.7.2 圓錐滾桿的尺寸設(shè)計 18 3.8 小齒輪傳動部分的設(shè)計 19 3.8.1 齒輪設(shè)計的作用 19 3.8.2 主動輪的設(shè)計 19 3.8.3 從動輪的設(shè)計 20 3.9 V帶傳動部分的設(shè)計 22 3.9.1 V帶的作用 22 3.9.2 V帶型號的選擇 23 3.9.3 主動輪的設(shè)計 23 3.9.4 從動輪的設(shè)計 23 3.9.5 V帶長度的設(shè)計 24 3.9.6 帶的參數(shù)設(shè)計 25 3.9.7 主動輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計 26 3.9.8 從動輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 28 3.10 滾筒階梯軸的設(shè)計 29 3.10.1 軸的基準直徑的設(shè)計 29 3.10.2 階梯軸的強度校核 31 3.11 圓錐滾杠軸的設(shè)計 35 3.12 凹板的設(shè)計 35 3.12.1 凹凸板的作用 35 3.12.2 凹板的選擇 36 3.12.3 凹板的尺寸設(shè)計 36 3.13 軸承的選擇 37 3.14 脫粒倉的設(shè)計 37 3.14.1 脫粒倉的作用 37 3.14.2 脫粒倉的結(jié)構(gòu)尺寸 37 4 使用說明書 39 4.1 操作說明 39 4.2 注意事項 39 5 標準化審查報告 40 結(jié) 論 41 參 考 文 獻 42 致 謝 44 1 緒論 1.1 選題的依據(jù)及意義 玉米作為我國的重要農(nóng)作物之一，具有很高的經(jīng)濟價值。由于北方平原較多，常常大面積種植，使用大型一體化機器收獲時，容易對土地進行壓實，而且容易發(fā)生遺漏，需要進行二次脫粒。對于南方，玉米籽粒的收獲更適合于小型機器，因此設(shè)計一臺設(shè)計小型玉米脫粒裝置更具有其經(jīng)濟價值[1]。 截止2019年，我國玉米播種面積已達41284千公頃，總產(chǎn)量達到26077.9萬噸[2]。并保持逐年增長的趨勢，早在2011年便已經(jīng)超過稻谷和小麥，成為了我國第一大糧食作物[1]。 玉米的種植在國外農(nóng)作物中也占有很高的地位，特別是像美國、巴西、澳大利亞等農(nóng)業(yè)大國，與我國相比，其機械化更加廣泛。比如美國對玉米脫粒的研究，早在1815年便開始了。在對玉米脫粒的研究過程中發(fā)現(xiàn)，玉米的脫粒效率和破損率對其經(jīng)濟效益影響很大。但我國大型機器的使用率并不高，據(jù)資料顯示，我國大型設(shè)備的使用率僅為2%左右[2]。在我國中小型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占比比較大，而大型機器的購買成本較大，大多數(shù)農(nóng)民無力購買。目前我國主流的玉米脫粒方式有傳統(tǒng)的連蓋打、竹片撬、木棒打、膠鞋搓等，這些脫粒方式，主要依賴于人工操作，生產(chǎn)效率較低，且工人容易疲勞，但其優(yōu)點是破損率很低，且凈脫率高，玉米粒含雜質(zhì)少。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，社會生產(chǎn)力提高，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求也越來越高。近年來，玉米的產(chǎn)量逐年增加，傳統(tǒng)的人工脫粒存在許多明顯的缺點，因此為減輕農(nóng)民的工作強度，促進農(nóng)業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)玉米脫粒機械化，迫切需要一適應(yīng)于中小型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的玉米脫粒裝置。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 國外玉米脫粒機發(fā)展現(xiàn)狀 資料顯示，國外對玉米脫粒裝置早于中國，早在1785年蘇格蘭人安梅克（Andrewmeikle)，發(fā)明了第一個回旋滾筒脫粒裝置，并且科學家們對玉米做了大量的試驗和研究[3]，不斷創(chuàng)新研究出了新的玉米脫粒裝置。在1815年，美國研發(fā)出了世界上第 1 一臺玉米籽粒脫粒[4]。該機器主要工作原理是，利用脫粒區(qū)釘子對玉米進行脫粒，這臺機器的特別之處就是在脫粒區(qū)的盤型裝置上加裝釘子，通過手搖曲柄帶動裝有釘子的盤型裝置，操作人員控制手搖曲柄帶動旋轉(zhuǎn)盤片，同時盤片擠壓玉米，使玉米籽粒在培根處受力脫落。加拿大的Agriculex公司可以實現(xiàn)單玉米脫粒的scs2型玉米脫粒[5]，它的工作原理是有三個包有橡膠輥子，在相同方向上以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，利用其差速對玉米進行摩擦，使玉米與壁之間形成擠壓，進而脫粒。該機器對胚芽和玉米芯的破壞力較小，且具有凈脫率高、破碎率低的特點。但該機器有其缺點，結(jié)構(gòu)不過緊湊，使用時容易出現(xiàn)故障，工作壽命不穩(wěn)定，不適合大規(guī)模玉米脫粒生產(chǎn)。 美國AECgroup公司研發(fā)出了HS－48型擠搓式玉米籽粒脫粒機。該機器脫粒性能良好，可以用于不同品種的玉米進行脫粒。這種脫粒方式玉米的玉米破損率比打擊式脫粒機小很多，在歐洲及美國等許多發(fā)達國家已經(jīng)廣泛使用[6]。該機器的生產(chǎn)效率為10~12噸每小時，破損率為0.8%左右，但其缺點是體積龐大，價格昂貴。 1.2.2 我國玉米脫粒機的發(fā)展過程 對于我國而言，玉米脫粒機研究起步相對較晚，上世紀70年代初，我國自主研發(fā)的沖擊式原理玉米脫粒機應(yīng)用廣泛，其中以大中型脫粒機為主[7]。改革開放后，我國實行家挺聯(lián)產(chǎn)承包責任制，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開始實行個體化，為適應(yīng)中小型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，又相繼研制出了一些中小型玉米脫粒裝置。隨著我國機械化生產(chǎn)水平不斷提高，從國外引進了一批先進成套裝備。通過對其研究，1996年重慶市研究所陳呂西研發(fā)了搓擦式TY－0.2型玉米脫粒機[8]。2001年農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院何曉鵬，在研究美式進口裝備的基礎(chǔ)上，自行研制出了新型擠搓式玉米脫粒機。同時甘肅酒泉奧凱子機械有限公司、北京西達農(nóng)業(yè)工程科技發(fā)展中心和北京市豐田種子機械廠，在后續(xù)發(fā)展上，研制出了不同種類的擠搓式玉米脫粒機[9]。2007年沈陽農(nóng)業(yè)大學李心平研發(fā)了差速式玉米脫粒裝置[10]。近年來，中國農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，各種大型一體化玉米收獲機也開始廣泛使用。但對于小規(guī)模的玉米生產(chǎn)，大型機器存在體積過大、購買成本高等缺點，于是設(shè)計一臺微型玉米籽粒收獲裝置對于小規(guī)模生產(chǎn)來說更具有經(jīng)濟價值。因此本文擬結(jié)合已有機型設(shè)計一臺小型玉米籽粒收獲裝置。 1.2.3 玉米擠搓式原理脫粒裝置 擠搓式玉米脫粒裝置的主要構(gòu)成原件有入料斗、脫粒滾筒、凹版、帶輪、壓板等機構(gòu)，裝置如圖1－1所示。脫離滾筒上有板齒、螺旋輸送版等結(jié)構(gòu)，使玉米進入脫粒區(qū)時，在倉內(nèi)做螺旋運動。擠搓式玉米脫粒裝置運用了仿生技術(shù)，模仿了人工擠搓玉米進行脫粒，使板齒對玉米形成往復的作用力。其結(jié)構(gòu)在很大程度上降低了玉米的破損率。在對玉米進行脫粒時，板齒、果穗和凹版充分接觸，板齒與果穗以及果穗與果穗之間相互擠搓，使玉米在胚根斷裂，從而完成玉米脫粒，這種脫粒方式相對較為柔和，對果穗的沖擊力較小，因此對玉米造成的破損率比傳統(tǒng)機器脫粒小很大。 1脫粒滾筒 入料區(qū)螺旋葉片 3V帶輪 4入料斗 5脫粒區(qū)板齒 6柵格凹板 7排芯區(qū)直板齒 8排芯區(qū)壓板機構(gòu) 圖1－1 擠搓式玉米脫粒裝置 1.2.4 差速式原理玉米脫粒裝置 差速式玉米脫粒裝置如圖1－2所示，兩輥在V型皮帶的帶動下，在相同轉(zhuǎn)向上，以不同的速度旋轉(zhuǎn)。使脫粒區(qū)的螺旋滾筒和直滾筒組成脫粒部件。玉米果穗在向排芯口運動時完成脫粒，被脫下的玉米粒以及一部分破碎的玉米芯等雜物，通過縫隙掉入排料區(qū)。雜物在被排料區(qū)排出時，通過篩子將雜物與玉米粒分離。在整個玉米脫粒過程中，一般只適用于單穗玉米脫粒，因此脫粒效率較低。 1.入料口 2.帶輪 3.清選調(diào)節(jié)裝置 4.出料斗 5.篩分裝置 6.排雜裝置 7.排芯斗 8.籽粒收集裝置 圖1－2 差速式玉米脫粒裝置 根據(jù)上述裝置，結(jié)合它們的優(yōu)缺點，設(shè)計一臺適合小規(guī)模生產(chǎn)的玉米脫粒裝置。對玉米脫粒系統(tǒng)進行設(shè)計，降低其破損率，提高玉米脫粒效率，同時在出料口處加裝一個篩選裝置。 45 2 技術(shù)任務(wù)書（RJ） 2.1 設(shè)計依據(jù) 對我國而言，中小型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較多，農(nóng)民更青睞于小型玉米脫粒裝置。因為小型玉米脫粒裝置價格便宜，體積較小、方便移動，且脫粒效率相對適中。就目前而言，我國近幾年興起釘齒式玉米脫粒機相對較為流行，這種裝置是在打擊式玉米脫粒機上創(chuàng)新而來的[11]。為提高其脫粒效率和降低其破損率，本論文結(jié)合已有的擠搓式和差速式進行設(shè)計這樣不僅可以其脫粒相對柔和、破損率低。由于齒的長度可以調(diào)節(jié)，可以對不同品種的玉米進行脫粒，因此其適用范圍更廣 。 2.2 產(chǎn)品的用途及適用范圍 該裝置主要適用于中小型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不適合大型玉米生產(chǎn)脫粒。一般多用于丘地較多的地方。對玉米進行脫粒時，應(yīng)先對其進行脫水，玉米含水量降低到一定程度時，對其進行脫粒不易將玉米粒擠碎。在玉米的工業(yè)生產(chǎn)中，對其進行脫粒是最困難的一步，該裝置是為了解決這一問題而設(shè)計的機器，減輕農(nóng)民的工作強度。其適用范圍可用與南北方中小型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。 2.3 主要參數(shù)設(shè)計 玉米籽粒脫粒收獲裝置的主要參數(shù)如表2－1所示： 表2－1 主要技術(shù)參數(shù) 主要參數(shù)項目 參數(shù) 電動機功率 18.5kw 電動機轉(zhuǎn)速 1470r/min 電動機額定轉(zhuǎn)矩 2.0 V帶型號 B型 V帶線速度 12.3m/s 小帶輪基準直徑 160mm 2.4主要研究內(nèi)容與方案 本設(shè)計主要是利用差速式與擠搓式原理進行改進，當玉米進入投入口時，根據(jù)擠搓式原理模擬人工脫粒，結(jié)合擠搓原理，利用差速，轉(zhuǎn)向不同和速度不同，根據(jù)玉米脫粒時的受力分析，科學設(shè)計合理的可調(diào)節(jié)參數(shù)，實現(xiàn)半自動化。 （1）主要對滾筒脫粒區(qū)進行設(shè)計，出料口穗芯與玉米粒塞斗分離。同時脫粒裝置可以與螺栓連接。 （2）裝置設(shè)計為電力傳動，電動機通過帶傳動，帶動滾筒轉(zhuǎn)動對玉米進行脫粒，其中帶傳動可以起到過載保護。 （3）對入料斗和出料斗進行設(shè)計；對機架及整體布置進行設(shè)計，包括漏斗、滾筒脫粒系統(tǒng)、帶傳動、電動機系統(tǒng)、出料篩斗的設(shè)計。 3 設(shè)計技術(shù)說明書 3.1 裝置的工作原理 玉米通過入料斗，進入脫粒區(qū)，在滾筒的帶動下，玉米與釘齒之間相互擠壓，由于玉米培根處受力強度較弱，所以容易斷裂。滾筒與圓錐桿在相同轉(zhuǎn)向上，以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，將玉米芯帶出脫粒區(qū)。玉米粒掉入分離區(qū)，出料斗抖動，將玉米粒與雜質(zhì)分離。 3.2 電機的設(shè)計 電機是玉米脫粒機的關(guān)鍵部件之一。電機的功率和轉(zhuǎn)速往往對玉米的凈脫率、破損率影響很大。農(nóng)村對玉米進行脫粒時，往往先將玉米曝曬幾天，降低其含水量。查閱資料的玉米含水量對脫粒的影響，玉米籽粒和芯軸含水量下降時，當玉米籽粒含水率為26%左右，芯軸含水率在45%左右之后含水率下降緩慢，在這其期間對玉米進行脫粒效果更佳[12]。 通過不同含水量的玉米研究，玉米單滾筒脫粒時其較優(yōu)參數(shù)區(qū)間為滾筒轉(zhuǎn)速350－550r/min、脫離間隙40－65mm喂入量6－11kg/s;查閱資料經(jīng)過曝曬后，含水率可達13%，玉米的硬度和韌性增加，玉米可承受相對較大的沖擊力和擠壓力，含水量為13%的玉米，從高度為0.8米的高處落下，玉米籽粒不會破碎[13]。玉米從入料口進入脫粒倉時，與滾筒上的擦齒發(fā)生碰撞，相當于玉米與地面撞擊。將其轉(zhuǎn)化為滾筒與玉米碰撞的線速度。 3.2.1 電動機功率設(shè)計 根據(jù)公式（3－1）和（3－2）可以計算滾筒脫粒時齒頂?shù)木€速度。玉米從0.8米的高空中自由落體到地面的速度為4m/s。 t=2hg (3－1) V=gt (3－2) 式中： h－玉米的下落高度，m； g－重力加速度，m/s2； t－空中下落時間，s； V－到達地面的瞬時速度，m/s。 為保證玉米不被滾筒破壞，齒頂?shù)乃俣葢?yīng)小于4m/s，所以取Vs=3.7m/s。 對于本設(shè)計，其脫粒效率擬達到2.8kg/s，查閱相關(guān)文獻，每個齒平均所受所受的力為F0=200N，根據(jù)計算公式（3－3），可以求得滾筒上齒受的總受力為Fn= 4000 。處于穩(wěn)定性設(shè)計，設(shè)計載荷應(yīng)大于實際載荷，所以設(shè)計載荷為FN=4000N Fn=n×F0=20×200=4000N （3－3） 式中： Fn － 理論上滾筒齒的總載荷，N； Fn’－滾筒齒設(shè)計總載荷，N； F0 －單個齒所受的力，N； n－釘齒數(shù)量。 根據(jù)玉米從0.8m高空玉米落到地面的速度，轉(zhuǎn)化為滾筒的轉(zhuǎn)速，由公式（3－4）得Nn=392r/min。 Nn = vs×60×1000π×Dn = 3.7×60×10003.14×(150+30) =392r/min （3－4） 式中： VS －滾筒齒頂?shù)乃俣?，m/s； Dn －滾筒齒頂圓的直徑，mm； Nn －滾筒的轉(zhuǎn)速，r/min。 再根據(jù)滾筒的轉(zhuǎn)速，確定滾筒的功率，由公式（3－5）計算轉(zhuǎn)筒的功率Pz=14.8kw。 Pz = FN×VS1000 = 4000×3.71000 = 14.8kw （3－5） 式中： FN－滾筒受的總力，N； Vs －滾齒頂?shù)木€速度，m/s； Pz －滾筒的轉(zhuǎn)動功率，kw。 查閱資料[13]，相關(guān)傳動部分能量的損失效率，根據(jù)（3－6）計算總傳動效率? ?=?v×?z×?c×?N （3－6） 式中： ?v －v帶的傳動效率； ?z － 小齒輪的傳動效率； ?c －軸承的傳動效率； ?N －滾筒的傳動的效率； ? －總傳動效率； 查資料得，各傳動部位傳動效率如表3－1所示，電機傳動到滾筒的效率為? =0.95×0.96×0.98×1=0.89。 表3－1 各傳動部件傳動效率 各部件傳動效率 傳動效率 取值 帶傳動效率 0.94－0.97 0.95 齒輪傳動效率 0.95－0.99 0.96 軸承傳動效率 0.98－0.99 0.98 滾筒傳動效率 1 1 3.2.2 電動機的選擇 電動機通過傳動部分帶動滾筒轉(zhuǎn)動，根據(jù)公式（3－7）計算出電動機的輸出功率PU =16.6kw。 PU = Pz? =14.8kw0.89 = 16.6kw （3－7） 式中： Pz －滾筒的轉(zhuǎn)動功率，kw; ? － 總傳遞效率； PU － 電機的實際輸出功率，kw。 通過計算，電動機的功率應(yīng)該大于16.6kw，查閱資料[13]，型號為Y200L1－6電動機滿足條件，電動機的參數(shù)如表3－2所示。 表3－2 電動機的參數(shù) 電動機 額定功率/kw 滿載轉(zhuǎn)速/（r/min） 額定轉(zhuǎn)矩 質(zhì)量/kg Y180M－4 18.5 1470 2.2 182 v帶傳動時，其傳動比不穩(wěn)定，取值范圍為2~5，根據(jù)公式（3－8）計算電機的轉(zhuǎn)速，所以電機的轉(zhuǎn)速應(yīng)大于其最大值。 vz = in×Nn =(2~5)×392 =784~1960r/s （3－8） 式中： in－V帶的傳動比； Nn－滾筒的轉(zhuǎn)速，r/min；