擠搓式玉米脫粒機脫粒裝置的改進與試驗

馬麗華 朱春梅 趙西偉

摘要：針對玉米脫粒機脫粒時存在脫凈率低、破碎率高的問題，設計改進了玉米脫粒機的脫粒裝置，使其能更好地適應玉米脫粒時的實際工況。擠搓式玉米脫粒機采用的是擠搓原理，主要組成部分有喂入裝置、脫粒裝置和清選裝置。改進之處是在脫粒裝置的尾端加入彈簧齒部分和壓板機構(gòu)，彈簧齒能夠自動調(diào)整脫粒空間的大小，避免玉米粗細不一時造成的卡機和玉米破碎問題;壓板機構(gòu)可以控制玉米芯的排出量，實現(xiàn)玉米尖部的完全脫粒，二者的配合使用，降低了破碎率，并同時確保了脫凈率。經(jīng)試驗驗證，改進后的脫粒機脫粒裝置具有更加良好的脫粒效果，適合推廣應用。

關(guān)鍵詞：玉米脫粒機;擠搓原理;彈簧齒;壓板機構(gòu)

中圖分類號： S226.1 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）17-0252-05

玉米脫粒過程中的機械損傷會給玉米的生產(chǎn)和存儲帶來影響，降低脫粒損傷是玉米脫粒機需要解決的問題[1]。目前我國的脫?，F(xiàn)狀是：脫粒不集中，人工脫粒慢，費時間，而且現(xiàn)在多使用的是傳統(tǒng)打擊式玉米脫粒機，其特點是破碎率高、脫凈率低、含雜質(zhì)多，需要進行再次清選，增加了脫粒的后續(xù)工作和勞動強度[2]。

近年來，玉米脫粒機的發(fā)展較快，種類也比較繁多。目前，釘齒式玉米脫粒機在國內(nèi)應用比較普遍[3]，其工作原理是：釘齒打擊玉米時會產(chǎn)生振動和慣性力從而使玉米粒與軸穗間脫離連接。而在國外擠搓式玉米脫粒機應用最為普遍[4]，該工藝利用擠搓脫粒的原理，類似于模仿人手搓玉米的動作。國內(nèi)外專家學者對玉米脫粒機存在的各種問題也作了各種研究。Folarin等改進了脫粒滾筒，采用搓擦滾筒，脫粒機的適應能力得到提高[5]。李新平等采用了仿生技術(shù)，對玉米破碎率的降低有一定作用[6]。張翔等設計了立式軸流單穗種子玉米脫粒機，將脫粒室設計為錐形結(jié)構(gòu)從而改變果穗下落過程中受到的擠搓力[7]。鐘成義等設計了凹板間隙自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對玉米脫粒有一定的參考意義[8]。

上述研究對玉米脫粒機的脫粒性能均有一定的提高，但在玉米脫粒質(zhì)量方面存在一些問題仍未得到很好的解決。因此，提出了一種改進方法即在脫粒機尾端增加了彈簧齒和壓板機構(gòu)，二者的配合工作提高了脫凈率同時減少了破碎率。

1 脫粒機主體結(jié)構(gòu)設計和計算

設計的玉米脫粒機主要部分包括入料斗、脫粒部件、主軸、機架、出料斗、導芯口、排芯口、彈簧齒部分、壓板機構(gòu)、皮帶輪、電機等。

1.1 入料口和出料口的設計

入料口位于脫粒機最上端，與脫粒機的上蓋相連，是玉米進入脫粒機的入口，它的作用是使玉米順利進入機體進行脫粒。出料口是將脫完的玉米籽粒由柵格掉落在其收集區(qū)，然后流出機外，采用2 mm的Q235鋼板焊接制成，材料強度以及結(jié)構(gòu)方面都比較合理[9]，結(jié)構(gòu)分別見圖1、圖2。

1.2 脫粒部分的設計

玉米脫粒機的脫粒機構(gòu)主要組成部分有螺旋滾筒、篩網(wǎng)、半圓形上蓋，本研究選取的是軸流切線型脫粒裝置。脫粒板齒采用的是平板齒和冠狀齒的組合，板齒表面均采用滲碳處理，可以提高強度減少磨損[10]，脫粒裝置結(jié)構(gòu)見圖3。

1.2.1 脫粒板齒的線速度

參考國外生產(chǎn)量為5 t/h的擠搓式玉米脫粒機板齒的齒寬為110 mm，受到的均布載荷為150 N[11];按比例計算若設計的每個齒板齒寬為72 mm，則平均受力約為95 N，而脫粒主軸上共有12個板齒受力，得：F=95×12=1 140 N，由式（1）算得v1=3.2 m/s，代入公式（2）得：P1=3.6 kW。

1.3 篩選部分的設計

篩選部分包括凹板柵格和風機2個部分。玉米脫粒機中的柵格凹板與板齒滾筒相配合，安裝在機架上。凹板整體采用的是圓柱形分開式結(jié)構(gòu)，上凹板為導向板，下凹板是柵格式結(jié)構(gòu)。通過隔板將圓柱均勻分布連接成“U”形柵格式凹板，起到揉搓和篩板的作用，其結(jié)構(gòu)見圖4。玉米籽粒從柵格落下后，仍有少量比較輕的雜質(zhì)，這時可利用風機進行清選，風量的大小決定了清選的程度，風機的主要參數(shù)如下：流量Q=0.34 kg/m3;風口風速v2=8 m/s;轉(zhuǎn)速n=480 r/min;葉片為徑向直葉片，葉片數(shù)為4，其結(jié)構(gòu)見圖5。

1.4 機架的設計

機架在脫粒機中起主要支撐作用，承擔著脫粒機的主要質(zhì)量、壓力和力矩，因此，機架的穩(wěn)固性是保證玉米脫粒機穩(wěn)定工作、平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的基礎，因此，機架設計的關(guān)鍵是要保證整個機器的強度和剛度，結(jié)構(gòu)見圖6。

2 帶傳動的設計計算

電動機和主軸之間選用帶傳動，因為傳送帶本身是一個撓性件，它具有彈性，能吸收振動，緩和沖擊，因而具有工作平穩(wěn)、噪音小等優(yōu)點，能夠滿足玉米脫粒機的傳動要求。除此之外，帶及帶輪的結(jié)構(gòu)比較簡單、制造成本低、容易維修和保養(yǎng)、便于安裝，所以選用帶傳動方式比較合理。

2.1 電動機的選擇

電動機對于工作過程的順利進行有著很重要的作用，因此要根據(jù)工作負載的大小和速度、玉米脫粒機的結(jié)構(gòu)特點、傳動裝置的體積大小等來選擇電動機的類型。在實際應用中，對于小型機械，通常采用同步電動機。電動機的功率P主要由脫粒主軸功率P1來計算：

3 脫粒機的工作原理和優(yōu)化設計

3.1 工作原理

主要針對的是對傳統(tǒng)擠搓式玉米脫粒機的改進，其工作過程是玉米果穗從入料口進入脫粒機，首先，玉米果穗在螺旋滾筒上的板齒的推動下做螺旋運動，進入螺旋軌道，然后在螺旋板齒的推動下繼續(xù)前進。脫粒機外殼采用前大后小的結(jié)構(gòu)，隨著玉米的前進，脫粒倉的空間越來越小，摩擦力越來越大。整個過程中的擠搓力，主要來自于玉米果穗與螺旋滾筒上的板齒之間以及外殼之間產(chǎn)生的擠壓力，玉米果穗依靠這種擠搓力完成脫粒過程。最后在螺旋板齒的推動下，玉米芯由排芯口排出，在玉米芯的排出過程中會經(jīng)過彈簧齒和壓板機構(gòu)，彈簧齒根據(jù)玉米芯的粗細調(diào)整空間大小，壓板機構(gòu)根據(jù)玉米果穗的脫粒程度調(diào)節(jié)壓力大小，主要通過移動重錘在壓桿上的位置或增加重錘的質(zhì)量來增加壓板機構(gòu)的壓力，使玉米在脫粒倉多停留一段時間，從而提高脫凈率。其工作原理見圖7。

3.2 優(yōu)化設計

3.2.1 彈簧齒的設計 在螺旋滾筒的尾端安裝彈簧齒，其結(jié)構(gòu)見圖8。彈簧齒的主要作用是減少玉米芯上殘留的玉米顆粒以及使玉米芯順利排出機外，錐形的機體外殼決定了越接近機械尾端，空間越小，玉米受到的摩擦力也越大，所以玉米很容易被擠碎。同時由于玉米芯粗細不一，有的脫粒不干凈，有的卡在排芯口排不出。在尾端裝有彈簧齒將會解決以上問題，彈簧齒的下端設有彈簧，可隨玉米的粗細而自動調(diào)節(jié)，故可以避免玉米粒破碎以及玉米芯被卡在排芯口，保證了脫凈率以及玉米粒和玉米芯的完整性。

利用彈簧和彈簧固定圈將彈簧齒的下端與軸連接，彈簧齒中的主要構(gòu)件是彈簧，其作用是控制彈簧齒隨玉米芯的粗細進行調(diào)節(jié)。為了保證剛度，所用的彈簧為專用彈簧，此彈簧的特點是兩端間距較小，中間間距較大，這樣便于與彈簧固定圈連接。彈簧上端與彈簧齒約束配合，彈簧下端套在固定圈表面凸起的圓柱上，設計每個凸起的圓柱之間夾角為15°。如果角度設計得過小，齒籠的約束承載能力會降低;角度設計得過大，2齒之間的空隙就會較大，造成玉米果穗可能會卡在2齒的空隙中，影響脫凈程度。在脫粒過程中，彈簧施加的壓力主要由彈簧固定圈承受，而凸起的圓柱主要起約束作用。

3.2.2 壓板機構(gòu)的設計 壓板的作用在于控制脫凈率，其機構(gòu)見圖9。脫完或未脫完的玉米果穗和芯棒在螺旋板齒的作用下向排芯口集合，聚集到一定量的玉米芯后，壓板在撥輪的推動下被頂開，繞軸向上轉(zhuǎn)動1個角度，玉米芯即可通過排芯口排出。玉米芯越多，壓板張開的角度就越大。

通過重錘調(diào)節(jié)壓板的壓力大小，進而控制脫凈率，如果物料的含水率較高，那么玉米果穗就會較難脫?；蛘哂衩仔旧系臍埩糇蚜］^多，這時可移動重錘在壓桿上的位置或增加重錘重量增加壓板的壓力，使玉米在脫粒倉多停留一段時間，脫粒滾筒上的平板齒對其進行再次脫粒，從而提高脫凈率。擠搓脫粒技術(shù)主要靠該結(jié)構(gòu)與彈簧齒的配合工作提高脫凈率和降低破碎率。但壓板的配重大小對生產(chǎn)率和功率消耗有一定影響，所以須要根據(jù)物料實際情況調(diào)整壓板的配重。

3.3 優(yōu)化試驗

為了驗證改進后的擠搓式玉米脫粒機的脫粒性能是否符合生產(chǎn)要求，選取打擊式玉米脫粒機、傳統(tǒng)擠搓式玉米脫粒機和改進后的玉米脫粒機作為試驗對象，以玉米籽粒破損率和未脫凈率作為試驗指標，通過對比試驗來驗證改進后的玉米脫粒機的性能參數(shù)。

為了保證脫粒機的普遍應用能力和適應能力，試驗選取2個玉米品種來進行驗證，分別為：登海9號，馬齒型，果穗形狀是長筒形;中單868，半馬齒型，果穗形狀是短筒形，這2種玉米在籽粒形狀和果穗形狀方面都更具有代表性，而且?guī)缀鹾w了玉米所具有的特征。這樣更能驗證脫粒機的脫粒性能。在每組脫粒機上進行脫粒時，每個品種分別進行6次重復試驗，每次試驗分別選23個玉米果穗。然后計算每次的破碎率，最后再進行取平均值，作為每組的試驗結(jié)果。試驗數(shù)據(jù)見表1、表2。

對試驗結(jié)果取平均值得出打擊式玉米脫粒機的籽粒破損率為2.89%、未脫凈率為4.09%，脫粒后玉米芯完整度為 73.5%;傳統(tǒng)擠搓式玉米脫粒機的籽粒破損率為1.36%、未脫凈率為2.52%，脫粒后玉米芯完整度為85.6%;改進后的玉米脫粒機的籽粒破損率為0.26%、未脫凈率為0.75%、玉米芯完整度98%，通過3組試驗結(jié)果的比較，可得到改進后的裝置在破碎率和脫凈率方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的玉米脫粒機，而且選用的2個玉米品種的試驗結(jié)果相近，進一步驗證了該脫粒裝置的脫粒性能及適應能力。目前國內(nèi)玉米脫粒機總體上未脫凈率低于1.5%、破損率在1%～4%之間，所以該脫粒裝置具有低破損率的優(yōu)勢。對于玉米育種的數(shù)據(jù)采集工作來說，籽粒破損率越低越好，因此相對于其他玉米脫粒機，該脫粒裝置性能更好，更具有實用價值。

4 結(jié)論

為解決玉米脫粒機破碎率高，脫凈率低的問題，結(jié)合了傳統(tǒng)擠搓式玉米脫粒機的脫粒技術(shù)，首次提出了將彈簧齒和壓板機構(gòu)置于一體的玉米脫粒機。將改進后的玉米脫粒機與傳統(tǒng)玉米脫粒機進行脫粒性能的對比試驗，試驗結(jié)果表明，改進后的玉米脫粒機破損率為0.23%～0.29%，未脫凈率為 0.68%～0.75%，完整率為97%～98%，這些試驗指標表明，改進后的脫粒機能夠達到高脫凈率、低破碎率的脫粒要求，而且更具有實用價值。設計的彈簧齒和壓板機構(gòu)的配合工作適應性強，脫粒性能好。一方面，彈簧齒可以根據(jù)玉米芯的粗細自動調(diào)整，從而減少玉米芯被擠碎或者排芯口的堵塞，降低破碎率，同時還可以減少脫粒后的雜質(zhì)。另一方面，玉米尖部和玉米芯上殘留的玉米顆?？梢酝ㄟ^壓板機構(gòu)的控制來實現(xiàn)再次脫粒，保證了脫凈率。

參考文獻：

[1]李心平，熊 師，杜 哲，等. 浮動式玉米單穗脫粒裝置設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2017，48（7）：104-111.

[2]張秀琴，孫 偉，張力允，等. 小型玉米脫粒機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 農(nóng)業(yè)機械，2016（7）：113-115，117.

[3]何曉鵬，師建芳. 新型擠搓式玉米脫粒機[J]. 農(nóng)業(yè)科技通訊，2003（8）：39.

[4]曾雄梅，張 燕，馬 延. 螺旋擠搓式自動玉米脫粒機的設計[J]. 食品與機械，2015，31（4）：100-102，129.

[5]Alonge A F，Kosemani B S. Development of a guinea corn thresher[C]// American Society of Agricultural and Biological Engineers，2011.

[6]李心平，馬義東，金 鑫，等. 玉米種子仿生脫粒機設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2015，46（7）：97-101.

[7]張 翔，楊然兵，尚書旗. 立式軸流玉米單穗種子脫粒機試驗參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45（增刊1）：73-79.

[8]鐘成義，王 碩，石研研. 聯(lián)合收割機凹板間隙自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設計[J]. 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2014（3）：53.

[9]趙武云，郭康權(quán). 組合式螺旋板齒種子玉米脫粒機工作參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2012（12）：56-61.

[10]趙學觀，李 飛，邵志剛，等. 復式雙滾筒種子玉米脫粒機的研制[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2012（4）：13-16.

[11]柳建安，李偉杰. 螺旋擠搓式玉米脫粒機的設計[J]. 農(nóng)機化研究，2010，32（8）：82-85.