挤搓式玉米脱粒机的设计
摘 要:为降低玉米种子脱粒过程中的损伤,借助玉米果穗与螺旋滚筒之间以及玉米果穗与锥形外壳之间的摩擦作用,在推动玉米果穗向前移动的同时完成脱粒。在机器尾部设有浮动齿,使挤搓更加充分。 关键词:玉米脱粒机;螺旋;挤搓;浮动齿;脱净率
引言
目随着社会的进步，生活中的每一个角落都有机器的参与。农业是我国的基础经济、是国家发展的根本，机械化的普及，不仅使农业加强了农业化生产，同时也减轻了农民的劳动强度。如今我国北方大部分地区基本上从种到收到入仓，实现了机械化作业，更值得庆幸的是每种机械的开发和利用都有相当可观的市场，科技的创新更很好的开阔了市场。国内现有的中小型玉米脱粒机普遍采用打击式脱粒方法来脱粒。这种方法对玉米种子的破坏性较大，特别对于玉米脱粒和玉米种子的选育和储藏运输工作带来了很大的麻烦。挤搓式玉米脱粒技术是一种新型脱粒技术，避免了直接对玉米种子进行打击，降低了种子破损率。利于玉米的脱粒和种子的选育储藏运输工作。将来肯定会得到普遍推广。本文设计了一种高脱净率、低破损率，且方便移动的中小型新型挤搓式玉米脱粒机。
1 现存问题的分析和选题意义
1.1玉米机械化脱粒存在的高破损率问题
玉米是全世界的主要粮食和饲料作物，具有单产量高，总产量稳定的特点被称为“饲料之王”。。我国是世界上玉米生产第二大国，仅次于美国。在我国，玉米是仅次于小麦的主要粮食作物，其种植面积和产量居秋粮作物之首，成为农业主要的经济作物之一。玉米种植面积一直处于稳步上升的状态。玉米已经发展成为粮食、饲料、经济兼用作物，新世纪兴起了以玉米为原料的乙醇燃料工业， 玉米在国际贸易中占有越来越重要的地位。随着高新技术应用和机械作业进程，稳定面积、增加单产，中国玉米生产还会有大发展。再看我国的玉米机器收割情况，随着科技的发展玉米收获机械的种类越来越多也越来越先进，联合收割机技术的成熟和易地作业范围的不断扩大,玉米棒的收获工作已经变得十分容易，目前我国生产的玉米联合收获机大部分只具有摘穗、剥皮和秸秆粉碎等功能 , 玉米籽粒的脱粒还主要依靠脱粒机来完成。另外我过农民的种植方式和秋播时间要求也不能给玉米棒留出充分的时间来自行风干不适合一次性脱粒作业。所以玉米的脱粒工作玉米仍靠手工和脱粒机械进行脱粒加工。但是现在玉米脱粒的脱粒质量问题还没有得到充分的解决，传统的玉米脱粒机容易挤压玉米种子使其破损，普遍存在破损率高、种子损失率高、效率低的缺点，这样不利于玉米种子的选育、收获以及储藏运输工作。所以就目前而言，需要一种能有效降低玉米种子破损率、提高生产效率的机器，来满足市场需求，解决此类问题。推动农业机械化的进程。1.2所选题目的意义
根据上面所述 ,现在急需一款新型玉米脱粒机械实现机器自动脱粒，使其具有高脱净率、低破损率的特点保证玉米种子的质量，以减少人工劳动力消耗，适合普通农业生产作业。来满足广大用户的需求。
为了满足广大用户对玉米粒质量的高要求，本文通过种子对加工工艺以及相关实验研究影响种子破损率的相关因素，结合对现有的玉米脱粒机械进行研究现结合所学机械结构设计、优化设计、可靠性设计等知识研发出一种安全、便捷，高效并能以流水线方式高效生产的全自动玉米脱粒机。它采用挤搓式螺旋板齿脱粒装置和排芯口变刚度压板装置的玉米脱粒机的设计方法使凸轮平稳的进给提供玉米脱粒的轴向力，以刀具旋转对玉米产生的切向力使玉米粒快速、完整脱落，结构简单、便捷省力、效率高。既可用于农村家庭式、小型企业的定量生产，又可适用于中大型企业的批量生产，摆脱传统手搓和整体打碎的方式对玉米进行脱粒，减小劳动强度，提高劳动效率，既适合普通玉米脱粒、也适合种子玉米脱粒。促进农业机械化的发展进程。
2 螺旋挤搓式玉米脱粒机的结构和工艺流程
机器外壳呈锥形,其结构如图1所示。前上方有入料口(1),下方有收粒斗(11),尾部有排心口(9)。圆柱形螺旋滚筒表面布满呈钝角锥形齿,在滚筒尾部表面装有由专用弹簧和弹簧固定圈构成的浮动齿[3-6]。玉米果穗由进料口(1)喂入。电机带动带轮(12)转动,进而使轴(13)和螺旋滚筒(3)转动。在脱粒区内,由于玉米果穗与滚筒之间以及玉米果穗与锥形壁(2, 8前部组合构成锥形壁)之间的摩擦和玉米果穗之间充分挤搓,使玉米粒脱落。在螺旋滚筒的作用下,玉米果穗将围绕滚筒做滚动,同时沿轴线方向移动至排芯区。考虑玉米芯上会残留玉米粒,为使脱粒更充分,滚筒尾部装有由专用弹簧(5)和弹簧固定圈(6)构成的浮动齿(4)帮助充分脱粒。在机盖后方设有排芯口,脱掉的玉米粒通过收粒斗(11)排出主机
1.入料口 2.锥形上外壳 3.螺旋滚齿滚筒 4.浮动齿头 5.专用弹簧 6.弹簧固定圈 7.齿笼 8.锥形下外壳 9.排芯斗
10.支架 11.收粒斗 12.带轮 13.轴
图1 结构图
3螺旋挤搓式玉米脱粒机的工作原理
螺旋挤搓式玉米脱粒机是利用挤搓原理脱粒的,由锥齿、低转速螺旋滚筒、尾部浮动齿和锥形外壳等主要部分组成,可达到脱净率高和破碎率低的目的。该螺旋挤搓式玉米脱粒机仿效人工挤搓原理脱粒。螺旋滚筒上安装有板齿,滚筒的作用是带动板齿转动,板齿推动玉米果穗做螺旋运动。玉米果穗进入螺旋轨道后,在螺旋板齿的作用下前进。由于脱粒机外壳采用锥形结构,故空间越来越小,摩擦力越来越大。玉米果穗与螺旋滚齿滚筒上均布的锥形齿之间及玉米果穗与外壳之间进行挤搓,在锥齿的拨动下,玉米果穗旋转进行脱粒;同时,在螺旋板的作用下,玉米芯向排芯口移动并排出。螺旋滚筒上的锥齿可以处处进行拨削脱粒;同时螺旋滚筒尾端的锥齿为浮动齿。这些浮动齿在底部弹簧的作用下,随着玉米的大小和移动,空间大小会自动调整,使玉米尖部脱净,确保脱净率,降低了玉米粒的破损率。
4 主体结构设计及计算
4.1 螺旋滚筒
螺旋滚齿滚筒的结构如图2所示。滚筒上安装有板齿。滚筒的作用是带动板齿转动,板齿推动玉米果穗做螺旋运动,同时螺旋板齿对玉米施加一个沿轴线方向的力,使玉米与锥形外壁充分接触增大摩擦力,提高脱净率。
滚筒是完成玉米脱粒的关键部分,在其表面均布有脱粒滚齿。玉米果穗在齿力的作用下旋转,摩擦剥削进行脱粒,滚齿如图3所示。玉米脱粒机工作时主要是齿的顶端与根部受力,参照变节面的柱体受力,齿根部直径设计为10mm,能满足受力要求。顶端采用圆弧过渡,以防顶部对玉米粒的划伤或破碎,并减少应力集中现象。齿的高度取13mm,沿径向相邻两齿之间的夹角取为12°,以保证玉米果穗不落入两齿之间的空隙。沿轴向齿距取15mm,若齿距大于15mm,较小玉米可能会出现打横等问题,则产生卡死或整根玉米破碎现象;若小于15mm,则玉米果穗很难 沿齿间落下而顺利分离,可能出现玉米粒夹在相邻两齿之间的现象[7]。
螺旋滚齿滚筒长度选取也很重要。过短会影响脱净率;过长会使脱粒干净的玉米芯被打碎,进入清选机构的杂质增多,增大功率消耗,同时增加制造成本[8]。
滚筒上安装有板齿,滚筒的作用是带动板齿转动,板齿推动玉米果穗做螺旋运动,且沿轴线向尾端移动[9]。
滚筒转速由滚筒外缘线速度决定。滚筒外缘线速度是以保证不伤害玉米粒为前提条件的,通常滚筒外缘线速度应小于4m /s,但滚筒外缘线速度不能过低,否则会影响生产率[10]。 4.2 浮动齿
在螺旋滚筒尾端装有浮动齿,其结构如图4所示。浮动齿的主要功能是脱掉玉米尖部和玉米芯上残留的玉米颗粒。由于越接近机械尾端,空间越小,玉米受力越大,所以玉米颗粒容易挤破。浮动齿下端的弹簧可随玉米大小而自动伸缩,故可以避免玉米颗粒破碎,保证了脱净率和玉米粒及玉米芯的完整。
浮动齿固定在齿笼上,其下端用弹簧和弹簧固定圈与轴连接。浮动齿的浮动由下面的弹簧控制。弹簧直径的计算公式为d′≥1.6Fmaxkcτ(1)式中 Fmax—弹簧所受最大力,经实验得Fmax=50N;C—旋绕比,取c=5;k—曲度系数,按k≈4c-14c-4+0.615c,计算得k=1·310 5。通过查资料[5] ,取钢丝直径为2.0mm的专用弹簧。此弹簧两端螺距小,中间螺距大,便于固定连接。将其螺距密集端套入弹簧固定圈表面棒状约束,上端与浮动齿棒状约束配合。
弹簧固定圈起固定弹簧的作用。弹簧下端套在固定圈表面凸起的圆柱上,每个圆柱之间的夹角为15°。角度过小,齿笼约束承载能力降低;角度过大,玉米可能落在两齿之间的空隙,不能实现完全脱粒。在脱粒过程中,弹簧固定圈主要承受弹簧施加的压力,凸起圆柱只起约束作用,不承受任何力。 4.3齿笼
齿笼主要用来定位和束缚浮动齿头。齿笼上均布长方形孔,且每相邻两孔沿半径方向的夹角为15°,与弹簧固定圈上的凸起圆柱对应。此外方孔与方孔之间间距不宜过大或过小,以保证两孔之间的隔板强度。齿笼沿轴向可自由移动,且在一端有4个直径为2mm、长度为20mm的圆柱,保证与前部的螺旋滚筒连接并传递运动。这些圆柱在工作中主要承受剪切应力。
5上下箱盖
上下箱盖与螺旋滚筒之间形成一个封闭的脱粒空间,果穗在其中做复合运动(即绕自身轴线回转),同时沿轴线方向移动。脱粒空间增大,可增加喂入量,但同时会降低脱粒效果;脱粒空间减小,降低了喂入量,却提高了脱粒效果。上下箱盖外形均设计成锥形。在长度不变的情况下,锥度过大,可能造成玉米芯不易排出以
及整个玉米挤碎,或玉米粒破碎率高和玉米芯碎渣增加等不良后果;锥度过小,则对玉米施加的压力不够,玉米脱净率下降,玉米在螺旋板作用下很容易排出,较小的玉米可能没有脱粒就被排出。通过计算,锥度取4°,尾端采用圆柱形,由斜线到直线过渡,可保证顺利排出玉米芯。下箱盖与上箱盖相配合,故锥度与上箱盖的一致,在其底部有均布的直径为10mm、间隔为5mm的圆孔,以便玉米粒出料。
6 结论
（1)该螺旋挤搓式玉米脱粒机利用挤搓原理,借助玉米果穗与螺旋滚筒之间、玉米果穗与锥形外壳之间的摩擦作用以及尾部的浮动齿,使挤搓更加充分,且保证玉米棒尖部脱粒,提高了脱净率。
（2)与同类机型相比,该机具有生产效率高、玉米芯完整和脱粒质量好等优点。 （3)若将机器改装成螺旋齿结构,还可适合高粱和大豆等农作物脱粒,对农业机械的改进具有很大推动作用。
(4)该机器结构紧凑,既适合北方平原,又适应南方丘陵地带,具有广阔的市场前景.
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目 录
摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1现存问题的分析和选题意义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2 1.1玉米机械化脱粒存在的高破损率问题„„„„„„„„„„„„„ 2 1.2所选题目的意义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2 2 螺旋挤搓式玉米脱粒机的结构和工艺流程„„„„„„„„„„„„„3 3螺旋挤搓式玉米脱粒机的工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„ 3 4 主体结构设计及计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 4.1 螺旋滚筒„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 4.2 浮动齿„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 4.3 齿笼„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 5上下箱盖„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6 6 结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 7 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9
