小型立式轴流脱粒装置试验台的设计

杨兴超，师清翔，王升升，耿令新，刘春亚，杨 芳

(河南科技大学 农业装备工程学院，河南 洛阳 471003)

小型立式轴流脱粒装置试验台的设计

杨兴超，师清翔，王升升，耿令新，刘春亚，杨 芳

(河南科技大学 农业装备工程学院，河南 洛阳 471003)

为减小现有联合收割机整机的尺寸，增加现有联合收割机在丘陵地区通过的灵活性，提出了将市场上普遍使用的横置式脱粒滚筒改为立式轴流脱粒装置的方案。同时，设计了一种小型立式轴流脱粒装置的试验台，可清晰地记录整个试验过程中主要工作部件的转速、扭矩、功耗和物料的喂入速度，以及在不同工况下脱粒装置的工作性能。当立式轴流脱粒滚筒的长度达到900mm时，整个脱粒装置的脱粒总损失率、含杂率及断穗籽粒率分别为1.43%、31.87%和1.06%。

脱粒装置；试验台；脱粒性能；立式轴流

0 引言

我国有大量的丘陵地区，其耕土面积约占我国总耕土面积的30%[1-4]，丘陵地区的谷物的机收水平对我国全面实现谷物的机械化收获有着重大的影响；而由于丘陵地区耕作地块较小不规则及通过性较差，急需设计一种尺寸较小、通过性较好及工作性能稳定的联合收割机。联合收割机的核心工作部件是脱粒滚筒，市场上现有的联合收割机的脱粒滚筒分为轴流脱粒滚筒和切流脱粒滚筒，布置方式分为横向布置和纵向布置。横向布置的脱粒滚筒会使得收割机的整机尺寸很宽，而纵向布置的脱粒滚筒会使得收割机的整机尺寸很长[5-10]。因此，为了减小收割机的整机尺寸、增加其通过性，只单单地在现有的联合收割机的部件上做改变并不能解决现有的实际问题，应该有较大的创新。因此，设计出一种小型的立式轴流脱粒装置，应用于联合收割机上可以大大减小整机的长度和宽度，解决丘陵山区谷物的收获问题。

立式轴流脱粒装置的工作性能将直接影响整机的工作状况，但由于谷物本身物理机械特性的复杂性和田间工况的差异性，在田间无法准确地获得立式轴流脱粒装置的性能规律。因此，有必要设计一种小型的立式轴流脱粒装置的试验台，用来模拟和再现田间的工作状况，获得其结构运动参数对脱粒性能的影响规律，以优化确定该脱粒装置的最优参数组合。

1 机械系统

1.1 结构及主要参数

本文所设计的立式轴流脱粒装置试验台整体结构如图1所示，相关参数如表1所示。

表1 立式轴流脱粒装置试验台的主要参数

1.2 主要工作部件

立式轴流脱粒滚筒是该试验装置的主要核心工作部件，主要由脱粒齿板、滚筒上端盖、滚筒下端盖、上防缠挡圈、下防缠挡圈、滚筒轴及搅龙叶片等组成，如图2所示。

1.2.1 脱粒元件

对于立式轴流脱粒装置而言，脱粒元件不仅对谷物要有冲击脱粒的作用，还要对谷物有向上的推动作用，从而能保证物料更好地实现自下向上的运动。因此，本试验装置的脱粒元件采用板齿。由于立式轴流脱粒装置在试验过程要更换板齿与滚筒体径向的夹角(即要更换板齿倾角)，如果将板齿直接安装在滚筒体上，在试验过程中就不得不更换整个立式轴流脱粒滚筒。因此，为了减轻工作量、节省材料，将板齿直接连接到一个板上，构成一个个的齿板，这样在试验过程中只需更换齿板即可。

脱粒滚筒的脱粒能力主要与脱粒元件的分布排列方式及脱粒元件的数量有关。在设计脱粒元件的分布排列方式时，如果能够保证在转动过程中同一齿迹线内有多个脱粒元件，不仅能够提高脱粒效率，而且还能缩短有效的脱粒滚筒长度。因此，本试验设计采用双头螺旋线排列，其分布图如图3所示。

1.接料盒 2.试验台支架 3.滚筒外罩 4.立式轴流脱粒滚筒 5.喂入轮 6.接料板 7.滚筒驱动电机 8.喂入轮驱动电机 9.电机支架图1 立式轴流脱粒装置试验台结构示意图Fig.1 Structure of Vertical Axial Threshing Test Bench

1.脱粒齿板 2.滚筒上端盖 3.滚筒轴 4.带轮 5.上防缠挡圈 6.滚筒体 7.螺旋搅龙叶片 8.下防缠挡圈 9.滚筒下端盖图2 立式轴流脱粒滚筒结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the Vertical Axial threshing cylinder

图3 板齿排列图Fig.3 Schematic diagram of board tooth

1.2.2 螺旋叶片

立式轴流脱粒装置工作的难点是如何顺畅地实现物料由下向上的运动，针对这一难点，本试验设计如下：①利用板齿的螺旋线排列及板齿的倾角与滚筒外壳上的导向板相配合；②在滚筒下0～210mm处，不安装板齿而是加装螺旋搅龙叶片。这样从喂入口进来的物料，先有螺旋搅龙叶片向上输送，然后由板齿与导向板相配合向上输送物料。但是，如果物料在螺旋输送段的时间长，会加大滚筒脱粒的含杂率。这就要求螺旋搅龙叶片的导程要大，致使物料可以尽快地进入脱粒段。所以，本次设计采用三头螺旋，螺距设为420mm。其设计计算过程为

下料为

式中D—螺旋叶片的外半径；

d—螺旋叶片的内半径，即螺旋轴的外半径；

L—螺旋叶片的外周长；

l—螺旋叶片的内周长；

h—叶片高度；

r下料—叶片展开口半径；

α下料—螺旋叶片切去的圆心角 ；

p—螺旋叶片的螺距。

2 测控系统

试验台的各主要工作部件主要由变频调速电机控制驱动，通过操作台可以实现物料输送带、喂入轮及立式轴流脱粒滚筒转速的无极调整。试验台的硬件主要由直线位移传感器、转速传感器、扭矩传感器、电磁继电器等组成，测控流程图如图4所示。

图4 测控系统流程图Fig.4 Flow chart of measurement and control system

试验台共安装了3个转速传感器和2个扭矩传感器，分别用来检测输送带驱动轮、喂入轮和立式轴流脱粒滚筒的转速及喂入轮和立式轴流脱粒滚筒的扭矩。本测试系统的主要功能是：在立式轴流脱粒装置试验过程中，根据试验要求，测量立式轴流脱粒滚筒的线速度、扭矩、转速、功耗、脱粒间隙及物料的喂入速度。

3 试验过程

试验前，首先按照试验所需参数调整好各工作部件，然后在输送带上均匀铺放一定质量的物料，以保证一定量的喂入量。待一切准备就绪时，按照试验所需的参数，分别启动立式轴流脱粒滚筒和喂入轮的驱动电机，待其运转稳定后启动输送带，将物料均匀地由喂入轮喂入立式轴流脱粒滚筒；从栅格筛中分离出的脱出物直接落在接料盒中，人工将接料盒中的物料进行称重，然后将断穗分离出并脱粒称重，计算出断穗籽粒率；然后将剩余的物料进行清选，计算出含杂率。另外，由于立式轴流脱粒滚筒上的搅龙叶片和按螺旋分布的板齿的作用，物料在滚筒内由下向上运动，已经脱粒的长秸秆从出草口排出，经人工处理后得到未脱净率和夹带损失率。本试验装置若只进行滚筒长度的试验，只需通过拆装栅格筛，进而改变栅格筛的长度即可；对接料箱内的脱出物和出草口的物料进行处理，即可得到立式轴流脱粒滚筒的长度对脱粒性能的影响规律。

4 滚筒长度试验

对于立式轴流脱粒装置而言，物料在滚筒内脱粒时间的长短，对立式轴流脱粒装置的脱粒性能有很大的影响，因此本试验是在以前正交试验和回归试验的基础上进行的。根据回归试验得到的最优参数组合，固定滚筒转速为875r/min、凹板脱粒间隙13mm、板齿倾角8°和凹板栅条间隙9mm，以脱粒总损失率、断穗籽粒率和含杂率为目标函数，以滚筒长度为变量因子，做滚筒长度试验，其试验方案及结果如表2所示。

表2 滚筒长度试验方案及结果

对试验结果分析得到滚筒长度对立式轴流脱粒装置的影响规律，如图5所示。由图5的影响规律可知：在试验范围内，随着滚筒长度的增加，脱粒总损失率降低、断穗籽粒率降低、含杂率升高，并且在滚筒长度为900mm时，脱粒总损失率小于1.5%，符合国家有关部门对脱粒机总损失率的要求。

5 验证试验

在试验过程中，考虑到人为因素及试验所用物料的差异而造成的试验误差，为了使得试验结果更加可靠、可信，需要在最优参数下进行验证性试验，方案及结果如表3所示。

图5 滚筒长度对各试验指标的影响规律Fig.5 The influence of The threshing cylinder length on experimental parameters表3 验证试验方案及结果Table 3 Validates test program and results

试验序号滚筒长度d/mm滚筒转速A/r·min-1脱粒间隙B/mm凹板栅条间隙C/mm脱粒总损失率β/%断穗籽粒率η/%含杂率δ/%19008751391.361.1530.8529008751391.511.1031.2839008751391.461.0831.75

6 结论

1)设计的立式轴流脱粒装置的试验台，可独立进行脱粒性能的试验。其喂入轮的转速、立式轴流脱粒装置的转速、脱粒板齿的倾角、凹板栅格筛的栅条尺寸及滚筒的长度等主要工作部件的参数调整简单可靠，且可对不同状况下的试验物料的脱粒总损失率、断穗籽粒率、含杂率，以及整个试验系统的功率消耗进行试验测试分析。

2)本试验装置的测控系统可以显示和记录整个试验过程中喂入轮和立式轴流脱粒滚筒的线速度、扭矩、转速、功耗、脱粒间隙及物料的喂入速度。

3)通过滚筒长度的试验，得到当滚筒长度为900mm时，脱粒总损失率、含杂率、断穗籽粒率分别为1.43%、31.87%、1.06%，其脱粒总损失率小于1.5%，符合国家有关部门对脱粒机总损失率的要求。

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Abstract ID:1003-188X(2017)12-0098-EA

Design of Small Vertical Axial Threshing Mechanism

Yang Xingchao, Shi Qingxiang, Wang Shengsheng, Geng Lingxin, Liu Chunya, Yang Fang

(Agricultural Engineering Equipment School, Henan University of Science & Technology, Luoyang 471003, China)

To reduce the size of the existing combine harvester machine and increase the flexibility of the combine harvester in hilly areas adopted, it is proposed that the exhaust type cylinder which is widely used on the market should be instead of vertical axial threshing mechanism in this paper. And designed a kind of small vertical axial threshing device test bench can clearly record the main working parts of the rotational speed, torque, power consumption and material feeding speed in the whole test process, and the threshing device performance under the different working conditions. When the length of the vertical axial threshing cylinder reaches 900mm, the threshing device loss rate was 1.43%, and the impurity rate of threshing was 31.87% and the broken spike rate was 1.06%.

threshing mechanism; test bench; threshing performance; vertical axial

2016-10-02

河南省重点科技攻关计划项目(152102210276)

杨兴超(1991-)，男，河南安阳人，硕士研究生，(E-mail)yangxingchao223@163.com。

S225.3；S220.3

A

1003-188X(2017)12-0098-04