葵花脱粒筛选机设计和优化

杨晓华

(晋中市农业农村局，山西 晋中 030600)

0 引言

葵花，别名向日葵，是桔梗目、菊科、向日葵属的植物，因花序随太阳转动而得名。葵花是一年生的草本植物，它的茎杆形状为圆形且多棱角，茎杆表皮质硬且附有白色粗硬毛。葵花花盘单独生长于茎杆顶部或枝叶端部，直径12～30 cm。葵花花穗、种子皮壳及茎秆可作饲料及工业原料，如制造人造丝及纸浆等，花穗也可供药用。葵花籽含油量较高，为半干性油，且富含不饱和脂肪酸和多种维生素，是十分受欢迎的休闲食品和食用油源。葵花广泛种植于山西、内蒙古、新疆、甘肃等我国北方地区干旱、盐碱、瘠薄的耕地上，秋季成熟后需及时采摘脱粒，否则容易烂盘霉籽，种植人员在收获时将花盘采摘后再进行脱粒操作[1-2]。目前我国大多采用人工脱粒，效率低、劳动强度大、脱粒成本高；也有简单的机械脱粒，但存在脱粒不完全、杂质多、效率低的缺点[3-4]。国外的脱粒机械虽然技术相对成熟，但多以适合大农场集中连片规模种植的联合采摘脱粒机械为主，价格昂贵，且不适合我国分散坡梁地小面积种植的脱粒要求。本文设计一种结构简单、使用维护方便，同时能够进行脱粒、筛分、除杂且脱粒完全、筛分净度好、脱粒效率高、脱粒成本低、适用范围广的葵花脱粒筛选机械。

1 结构设计

1.1 总体结构

葵花脱粒筛选机由安装在机架上的脱粒机构、风选机构、筛选机构、电机、入料口和出料口等组成，如图1所示。葵花脱粒筛选机的机架为双层机架，上层机架上安装着脱粒机构，下层机架上安装着筛选机构。脱粒机构包括斜向安装的筛篦、脱粒辊、出料槽和入料托板，上层机架两侧设计斜向横梁，筛篦跨装在斜向横梁上，筛篦高端位于机架前侧为入料端，低端位于机架后侧为出料端[5]。脱粒辊通过两斜向横梁上对称设计的轴承安装在筛篦上方，脱粒辊一侧安装有从动轮，脱粒辊圆周上沿轴向平行设计有筋条。入料托板斜向固定连接在机架前侧，与筛篦位于同一平面。出料槽也安装在上层机架上，位于筛篦下侧，出料槽出料口位于机架左侧，出料槽底面与地面成一定角度。这样的设计便于葵花籽受重力下滑出料，接料槽两帮延伸至筛篦下部，以防止脱下的葵花籽从两帮部洒落。电机包括第1电机和第2电机。第1电机安装在下层机架上部，第1电机轴上安装有主动轮，主动轮与脱粒辊上的从动轮胶带连接。第2电机安装在下层机架上，设计有主动轮，第2电机轴通过联轴器与风机主体连接，主动轮与偏心轴从动轮胶带连接。风选机构和筛选机构包括风机主体和振动筛，风机主体安装在下层机架上，位于出料槽下侧，出风口正对出料槽物料下落空间。振动筛安装在下层机架底部，包括筛网架、偏心轴和底座，底座一端设计有支架，上端与筛网架一端铰接，偏心轴安装在底座另一侧，偏心轴一侧安装有从动轮，筛网架有支架端位于出料槽出料口下部[6-7]。

1.入料托板 2.入料口 3.筛篦 4.脱粒辊 5.出料槽 6.风机 7.电机 8.振动筛 9.偏心轴 10.底座 11.出料口图1 葵花脱粒筛选机结构Fig.1 Structure of sunflower threshing and screening machine

1.2 工作原理

葵花脱粒筛选机工作时，由电机给各个机构提供动力，并通过传递系统协调运作，完成对葵花籽粒的脱粒、去杂、筛分[8]。首先把葵花花盘经料托板从入料口送进脱粒机构，通过安装在上层机架的旋转脱粒辊模拟人手剥落花盘上的籽粒，经过脱粒辊的剥粒，葵花籽从花盘上分离。然后被分离的葵花籽粒和杂质一同掉落，在下落过程中会经过风选机构，安装在中层机架上的风力装置对葵花籽粒中的轻质杂质进行除杂，风力装置的气流吹走质量轻的杂质，干净的葵花籽粒从筛篦落入出料槽，由于出料槽是倾斜状态，葵花籽在重力作用下滑出，进入其下方筛选机构的振动筛。最后使用底层机架上的两层振动篦筛进行筛分，小粒的葵花籽经过振动筛的振动落入振动筛下部，由接料盘进行接料，大颗粒且饱满的葵花籽从振动筛末端送出。

1.3 关键部件结构

1.3.1 脱粒机构

脱粒机构主要组成部分是脱粒辊和筛篦条。脱粒辊为直径30 mm的圆钢，脱粒辊圆周表面沿轴向平行设置3根直径6 mm的筋条，脱粒辊转速260 r/min，脱粒辊下方顺向设置的筛篦条间距为30 mm，平面倾角10°，筛篦条平面与脱粒辊的距离由入料端50 mm成正比递减，至出料端缩小为20 mm，筛篦条列成整体固定于上层机架上。在试验运行过程中，出现葵花盘碎盘、葵花籽破裂、碎花盘上剩籽多的现象，经过分析研究，确定了脱粒辊直径40 mm，脱粒筋条10 mm，脱粒辊与脱粒筛篦前端距离60 mm、后端距离30 mm，脱粒筛篦条间距25 mm，脱粒筛篦平面倾角10°，脱粒辊转速160 r/min的最佳运行值，并将脱粒筛篦的固定方式由刚性固定改为柔性固定，提高了脱粒效果和脱粒效率[9]。

1.3.2 风选机构

风选机构在整个脱粒筛选过程中所起的作用是将花芯粒、花盘叶、秕粒、花盘细小轻质碎屑通过风力分离，所以风量的大小直接影响分离净度和饱满籽粒损耗度，通过试验得出最佳出风量数值。风机的设计直径为350 mm，宽度为620 mm，风机离心叶片为6片，叶片宽度为80 mm，长度为600 mm，转速为2 200 r/min。风机固定在脱粒筛篦下方，出风口向后，风向水平，从籽粒杂质重力下落空间吹过。风机初步设计转速为2 200 r/min，但在此风量下试验，饱满籽粒随杂质分离较多，以每次风机转速递减20 r/min的方式，观察饱满籽粒的分离损耗，经过调节风量试验，确定最佳风量时风机转速1 700 r/min，此时轻质杂质分离较完全，风选杂质中饱满籽粒含量较少。

1.3.3 筛选机构

筛选分离是整个脱粒筛选流程的最后一道工序，用于分离密度和体积较大的花盘碎屑，其筛选过滤效果的好坏决定了饱满籽粒的净度和损耗大小。过滤筛网的大小、倾斜度、振动速度、振动幅度决定着过滤效果。初步设计过滤筛网眼规格为20 mm×20 mm，倾斜度(过滤筛网平面与地面夹角)为10°，振动速度以偏心轴转速计为460 r/min，振动幅度以偏心距计为50 mm。经过试验，确定过滤筛网网眼规格12 mm×12 mm，倾斜度(过滤筛网平面与地面夹角)为12°，振动速度以偏心轴转速计380 r/min，振动幅度以偏心距计50 mm的运行最佳值，此时筛选性能最好。

2 优化改进

为达到较好的脱粒效果和整机效能，对葵花脱粒筛选机进行适应性和传动系统协调性的优化改进。

2.1 适应性改进

针对葵花脱粒筛选机对小颗粒油用葵花脱粒效果差的问题，经过反复试验发现，脱粒净度(油用葵花盘)能够达到设计要求，但脱粒后的成品中含有杂质量大，且多为花盘上密度较大的碎粒。这一现象说明脱粒工序和风选工序符合设计要求，问题出在筛选工序上，考虑到油用葵花籽粒比食用葵花籽粒明显偏小，一套过滤筛网要兼顾两种体积相差较大的葵花籽粒筛选，且都要达到设计要求的脱粒筛选品质效果，难度太大或者不太可能[10]。对此，采用可更换过滤筛网方式解决一种机械两种功能的难题。针对大颗粒食用葵花的筛选，设计了大网眼规格12 mm×12 mm和小网眼规格5 mm×5 mm的两层配套筛网；针对小颗粒油用葵花的筛选，通过多次试验，设计了大网眼10 mm×10 mm和小网眼4 mm×4 mm的配套筛网。对大颗粒食用葵花筛选时，装入网眼大的配套筛网，进行小颗粒油用葵花筛选时，则更换上网眼小的配套筛网，拓宽了葵花脱粒筛选机的适应性。

针对比较干燥的葵花盘脱粒时，部分饱满籽粒会随杂质分离出去，增大脱粒损耗，通过改变风机结构，增加风机可调节风量功能，以提高葵花盘湿度改变后的脱粒效果。当葵花湿度大时，葵花籽变重，就适量调大风量；当葵花湿度小时，葵花籽变轻，就适量调小风量，从而达到较好的脱粒效果。

2.2 传动系统协调性改进

葵花脱粒筛选机的传动系统是由电机、电机轴、主动轮、从动轮、偏心轮、胶带和联轴器组成。初步设计时，考虑到脱粒机构动力需求大，其动力由一部电机独立提供，风机和振动筛网的动力由另外一部电机提供。在改进试验中，经测试一台电机足够提供整机动力，出于协调传动、简化结构、便于维护、降低制造成本、减低能耗的综合考虑，在改进设计中，取消了为脱粒机构提供动力的电机，用一部电机同时为脱粒机构、风选机构、筛选机构提供动力，匹配好传动比，使得每个机构的转速在设计要求内，通过对传动系统进行优化设计，提升了机器的整体效能。

2.3 试验分析

2021年9月12日在山西省晋中市农业机械研究所内对优化改进后的样机进行了试验，选用了本地种植的食用型葵花作试验原料。对试验数据研究分析得出，改进后的葵花脱粒筛选机脱粒效率达到1 000 kg/h以上，相当于人工脱粒10个人工1 h的工作量；干净率达到90%以上，筛分度达90%以上，机具的工作能耗成本约2元/h。

3 结论

葵花脱粒筛选机经过设计、优化和改进后，结构简单、使用维护方便，各项性能达到了设计和应用要求，具备了广泛推广条件，达到脱粒完全、筛分净度好、脱粒效率高、脱粒成本低、适用范围广等要求。葵花脱粒筛选机通过旋转脱粒辊模拟人手剥落花盘上籽粒的巧妙设计，达到了不破坏花盘的目的，通过对葵花籽大小不一、饱满程度不同的适应性改进，以及筛选传动系统协调性的改进，实现了脱净率高、破损小和节省能耗的效果。脱粒效率的大幅提高，劳动力的节约，有利于提高农户种植积极性，也有利于农村劳动力的转移与农户增收，同时脱粒能耗成本的极大降低，也有利于生态环境的保护。