负压气流玉米剥皮脱粒机的设计与分析

柴永生,丁兆露,李保敏, 张京旭

(1.烟台大学 机电汽车工程学院,山东 烟台　264005；2.山东省高校先进制造与控制技术重点实验室，山东 烟台　264005)



负压气流玉米剥皮脱粒机的设计与分析

柴永生1，2,丁兆露1，2,李保敏1，2, 张京旭1，2

(1.烟台大学 机电汽车工程学院,山东 烟台264005；2.山东省高校先进制造与控制技术重点实验室，山东 烟台264005)

摘要：为解决我国玉米剥皮机功能单一、安全性差的问题，提高玉米剥皮和脱粒的效率，设计了一款负压气流玉米剥皮脱粒机，并详细地进行了方案分析、参数计算和结构设计。通过采用剥皮辊和压送器，提高了玉米剥皮质量；采用负压气流装置，使脱粒后的玉米粒杂质大大减少，总体提高了整个装置的生产率。仿真分析表明：整个装置流水作业，降低了剥皮和脱粒的劳动强度，提高了剥皮和脱粒的效率。

关键词：玉米剥皮机；剥皮辊；压送器；负压气流

0引言

玉米是目前世界上产量最高的谷类作物，也是禾谷类作物中增产潜力最大的作物[1]。我国是农业大国，而玉米既是仅次于水稻的第二大粮食作物，又是粮食增产的主力军，因此提高玉米的增产与增收率显得尤为重要。但是，目前我国的玉米机械化收获水平较低，机收率仅占2%[2]。对玉米的后续加工(包括剥皮和脱粒等)工序，也只实现了使用机械化工具分别进行剥皮和脱粒的目标，整体来看机器作业的效率低下。为此，设计了集剥皮和脱粒于一体的负压气流玉米剥皮脱粒机，不仅能改善作业环境，还可大大提高生产效率。

1结构和工作原理

剥皮脱粒机主要由自动上料装置、剥皮装置、脱粒装置组成，结构如图1所示。当剥皮脱粒机工作时，在运输带上的挡板的(挡板和传送带的材料一样)作用下，带皮的玉米穗被由下向上运送进入剥皮装置的进料口，再被送到两对相向旋转的剥皮辊和压送器之间。剥皮辊上方的压送器使果穗与剥皮辊稳定接触，使得剥皮辊抓取玉米穗并剥去苞叶。脱去苞叶后的玉米棒进入脱粒箱内，通过主轴高速旋转搅拌玉米棒，进而通过主轴上的叶片与栅格撞击玉米棒而使玉米脱粒。籽粒通过栅格之间的缝隙分离出去，由脱粒装置的出粒口落到整个机器的下方的接料装置。脱粒箱的四周有挡板，防止脱落的玉米粒飞溅伤人。玉米芯从脱粒箱的另一端经剥皮装置的出芯口排出。利用风机高速旋转造成脱离箱内负气压，玉米丝等轻量杂质便会自动进入通道而被排除，以此达到清洗玉米粒的目的。由于机器在工作过程中是剥皮和脱粒同时进行的，在保证机器结构简单和实用的前提下，要求果穗带皮晒干后再进行加工。

1.自动上料装置　2.剥皮装置　3.脱粒装置

2方案设计与参数分析

2.1自动上料装置

自动上料装置由运输架、运输带及挡板、轴承支座、滚筒及轴承等组成，如图2所示。其主要是对前期玉米的运送。玉米被放在下端，在滚筒均匀转动下带动运输带向上运动，运输带上横向均匀分布的挡板带动玉米向上运动。为满足运动要求，要求运输带的宽度大于玉米的长度。目前，玉米的长度一般是200mm左右，因此考虑一定的偏移量，运输带宽度选择为220mm，运输架宽度选择为340mm。设计输送带速V=0.06m/s。

1.运输架　2.运输带及挡板　3.轴承支座　4.滚筒　5.轴承

2.2剥皮装置

剥皮装置由剥皮辊、光轴、剥皮装置支撑架、轴承及轴承支座、压送器、出料挡板等组成，如图3所示。

1.剥皮辊　2.光轴　3.剥皮装置支撑架

由电动机传来的动力带动剥皮辊旋转，通过齿轮的啮合，带动另一个剥皮辊转动。一对剥皮辊相向运动，当玉米送到剥皮辊和压送器之间后，沿着剥皮辊表面轴向下滑，由于每对剥皮辊对果穗的切向抓取力不同，使果穗旋转，果穗在旋转和滑行中不断受到剥皮辊的抓取，剥去苞叶。压送器对改善果穗剥皮质量、提高剥皮装置生产率是极其重要的。它将玉米果穗压向剥皮辊表面，以增加玉米果穗与剥皮辊之间的摩擦力，使剥皮辊顺利的抓取玉米苞皮[3]。以后周期性的放松压向剥皮辊上的果穗，以使其能绕自轴转动，从而使果穗四周的苞皮与剥皮辊接触，以促进果穗以最佳的速度沿剥皮沟槽移动，并阻止果穗在剥皮时翘起来现实生活中。剥皮辊的合理转速为300～350r/min，本文采用的转速为323r/min。取V带传动比i=3，即可满足电动机的转速与主轴的转速相匹配，故电动机转速范围可选为：nd=i×n=3×323=969r/min，符合的电动机转速的电机可选Y180L-6、970r/min、15kW的电机[4]。

2.3脱粒装置

脱粒装置由主轴、主轴叶片、脱粒箱体、栅格及出芯口等组成，如图4所示。电动机的动力经皮带传给主轴，主轴高速旋转，通过其上的叶片搅动脱皮后的玉米棒，玉米棒在叶片和栅格之间不断受到撞击，玉米粒受到撞击而脱落，脱落的籽粒经栅格之间的缝隙分离。玉米芯在栅格的出芯口分离出去。

1.主轴　2.主轴叶片　3.脱粒箱体　4.栅格　5.出芯口

根据资料《脱粒机》[5]一书可查得主轴的转速为300r/min，取V带的传动比i=5，即可满足电动机的转速与主轴的转速相匹配。故电动机转速为：nd=5×300=1 500r/min，符合这一范围的同步电动机转速的电机可选Y190L-6、1 500r/min、15kW的电机。

2.4清洗装置

负压清洗装置由栅格、通道、风机及主轴等组成，如图5所示。栅格内的玉米经脱粒后，玉米芯被栅格阻挡不能进入通道，只能由出芯口排出。风机固定在主轴上，由主轴旋转带动风机旋转，使栅格一侧形成负压，玉米丝等轻量的杂质便由一个口进入通道，在另一个口排出，以此达到清洗玉米籽粒的目的。

1.栅格　2.通道　3.风机　4.主轴

设主轴的直径是D，又Tmax=Me=293.5N·m，则轴所受剪切应力应满足

解得D≥33.44mm，而实际所用的轴的直径是35mm,所以材料满足要求。

式中τ—剪切应力(Pa)；

[τ]—许用剪切应力(Pa)；

Tmax—最大扭矩(N/m)；

Wt—抗扭截面系数(m3)；

Me—外力偶矩(N/m)。

3仿真分析

使用Pro/E软件的机构仿真功能，对负压气流玉米剥皮脱粒机进行了装配和运动仿真分析，图6为整体装配图。分析结果表明：整个装置可以不间断作业，降低劳动强度，改善作业环境，提高作业效率，验证了本文的合理性与可行性。

图6　整体装配图

4结论

1)传送带的设计极大地降低了农民的工作强度。

2)清洗装置中的风机和脱粒中的叶片固定在同一个轴上，共用同一个动力，节省能源。

3)整个装置的结构简单紧凑 ，成本低，操作方便，工作稳定，安全可靠，主要适用于场院作业。

4)经改良后的玉米剥皮机性能更佳，生产效率更高，并且大大减轻了作业员的劳动强度。

参考文献：

[1]杨红旗，路凤银，郝仰坤,等.中国玉米产业现状与发展问题讨论[J]. 中国农学通报,2011，27(6)：368-373.

[2]崔保苗.5YBT-600型玉米剥皮脱粒两用机的研制[J].农业机械,2008(4):64-65.

[3]徐丽明，王应彪，张东兴，等. 玉米通用剥皮机构设计与试验[J].农业机械学报,2011,42(S1)：14-20.

[4]濮良贵，纪名刚，陈国定,等. 机械设计[M].北京：高等教育出版社，2012.

[5]张成堂，商立今.脱粒机[M].北京:中国农业机械出版社，1985.

[6]孙鸿文.材料力学[M] .北京：高等教育出版社，2011.

Abstract ID:1003-188X(2016)06-0185-EA

Design and Analysis of the Negative Pressure Air Corn Stripping and Threshing Machine

Chai Yongsheng1，2, Ding Zhaolu1，2, Li Baomin1，2, Zhang Jingxu1，2

(1.School of Electromechanical & Automobile Engineering, Yantai University, Yantai 264005, China; 2.Shandong Province College Key Lab of Advanced Manufacturing and Control Technology, Yantai 264005, China)

Abstract：To solve the single function and poor safety problems of our country corn stripping machine ,and improve the efficiency of corn’s stripping and threshing, they designed a negative pressure air corn stripping and threshing machine. This paper has carried on the scheme analysis, parameter calculation and structure design. Improve the quality of corn stripping by adopting stripping roller and pressure device. Reduce a lot of corn kernels impurities after threshing by using negative pressure air device and improve the productivity of the entire device as a whole. The simulation analysis proves that the whole device operate flowing , reduce the labor intensity of the corn stripping and threshing, and improve the efficiency of corn stripping and threshing.

Key words：corn stripping machine; stripping roller; pressure device; negative pressure air

文章编号：1003-188X(2016)06-0185-03

中图分类号：S226.4

文献标识码：A

作者简介：柴永生(1976-),男，山西河津人，副教授，硕士研究生导师，博士，(E-mail)chaiysh@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51405416)；山东省自然科学基金项目(ZR2014EEQ024)

收稿日期：2015-05-17