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湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)
全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
微型水稻脫粒機設(shè)計
DESIGN OF THE STRUCTURE FOR MICRO-RICE-THRESHER
學(xué)生姓名：
學(xué) 號：
年級專業(yè)及班級：
指導(dǎo)老師及職稱： 教授
學(xué) 院：工學(xué)院
湖南·長沙
提交日期：2013年5月
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
誠 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)設(shè)計作者簽名：
20 年 月 日
目 錄
摘要 1
關(guān)鍵詞 1
1前言 2
1.1研究現(xiàn)狀..........................................................2
1.2研究意義..........................................................4
1.3研究內(nèi)容 4
2脫粒機脫粒原理 5
2.1喂入方式 5
2.2脫粒原理 5
2.2.1沖擊原理 5
2.2.2梳刷原理 6
2.2.3揉搓或搓擦 6
2.2.4碾壓原理 6
2.3清選原理 8
3總體方案確定 8
3.1初步設(shè)計方案 8
3.2功能分解 9
3.3結(jié)構(gòu)及工作原理 10
3.3.1基本結(jié)構(gòu) 10
3.3.2工作原理 11
3.3.3傳動系統(tǒng) 11
4設(shè)計目標(biāo)與主要技術(shù)參數(shù) 12
4．1主要技術(shù)參數(shù) 12
4.1.1設(shè)計目標(biāo) 12
4.2脫粒滾筒及主要參數(shù)選擇 12
4.2.1轉(zhuǎn)速 12
4.2.2滾筒直徑 13
4.2.3滾筒板齒 13
4.2.4滾筒脫粒段長度 13
4.3凹版篩 13
4.4風(fēng)機 13
4.5進(jìn)料斗 13
4.6機架 14
5主要零部件設(shè)計 14
5.1電機選擇 14
5.2帶輪設(shè)計 15
5.2.1帶輪設(shè)計要求 15
5.2.2帶輪材料 15
5.2.3帶輪設(shè)計計算 15
5.3帶傳動設(shè)計 16
5.4脫粒軸 16
5.4.1計算各軸的最小直徑 16
5.4.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 17
5.5滾動軸承選擇及校核 17
6風(fēng)機與風(fēng)選篩的設(shè)計 18
6.1風(fēng)量Q的計算 18
6.2風(fēng)扇尺寸計算 18
7鍵的選擇及校核 19
8總結(jié) 19
參考文獻(xiàn) 19
致謝 20
小型水稻脫粒機設(shè)計
學(xué) 生：
指導(dǎo)老師：
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128)
摘 要： 為了滿足山區(qū)農(nóng)村水稻脫粒生產(chǎn)的需要，設(shè)計一種針對山區(qū)的水稻脫粒機已迫在眉睫。本文設(shè)計了一種微型水稻脫粒機的結(jié)構(gòu)，該水稻脫粒機可一次性完成脫粒、篩選、分離作業(yè)。該機體積小、重量輕，操作靈活，通過性與適應(yīng)性好，較好地解決了丘陵、山區(qū)和水田水稻收獲的難題。該機采用半喂入、弓齒式滾筒脫粒機脫粒，確保脫粒干凈、破碎率低，分離性能好。
關(guān)鍵詞：微型；水稻；脫粒機；分離；設(shè)計
Design of the structure for Micro-rice-thresher
Student:
Tutor:
(College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)
Abstract:In order to meet the needs of the production of mountains rural rice threshing , the design of one kind of rice thresher for mountains is imminent. This paper designs the structure of a micro-rice –thresher,this kind of rice thresher can complete threshing, separation and screening operation. This machine has small volume, light weight, flexible operation, Passing ability and good adaptability to better solve the hills, mountains, and the problem of rice paddy harvest. The machine uses half- feeding, bow roller gear threshers threshing, ensure threshing clean, broken rate is low, good separation performance.
Key Words: The micro;Rice; Threshing machine;Separate;Design
1 前言
1.1 研究現(xiàn)狀
脫粒裝置對作物脫粒過程的物理現(xiàn)象是比較復(fù)雜的，往往是幾種作用力同時作用，歸納起來，脫?？梢钥繘_擊、揉搓、梳刷、碾壓、振動等原理進(jìn)行。在國外，脫粒分離裝置工作原理得到了農(nóng)機工作者普遍重視，在生產(chǎn)中也得到了廣泛的應(yīng)用。從1785年蘇格蘭安?朱米克爾設(shè)計了在直徑為25cm圓筒上安裝4條齒板的、圓周速度為4-6m/s的紋桿滾筒，1835年美國人特納發(fā)計了釘齒滾筒開始，人們在不斷改進(jìn)完善這兩種切流式脫粒分離裝置的過程中，逐漸深入詳細(xì)的分析研究[1]。據(jù)資料記載,Kolganov (1965)研究了脫粒過程，根據(jù)他的研究，對一種谷物，籽粒從穗頭上脫下來的過程與滾筒圓周速度之間存在著一定的關(guān)系，Kolganov認(rèn)為，滾筒圓周速度和從穗頭上脫粒所需要的功的平方根有關(guān)。飽滿籽粒平均千粒重達(dá)40克，而不成熟籽粒的千粒重只有20克。相應(yīng)脫粒功為60-120克厘米，脫粒速度為17.34 米/秒，這個速度必須低于籽粒破碎臨界速度，以避免破碎[2]。梅田斡雄（1992）對日本聯(lián)合收割機的脫粒裝置進(jìn)行了分析與研究，分析了谷物在脫粒室中的運動，試驗測量了谷物的抗撓剛度、質(zhì)量和振動特性，結(jié)果是，稻谷的固有頻率小于脫粒元件的沖擊頻率，也分析了隨脫粒元件的運動枝梗的運動，結(jié)論是由于摩擦力作用，脫粒中穗頭沿垂直于脫粒滾筒軸線方向運動[3]。PetreI.Miu（2002-2008）對聯(lián)合收割機的切流脫粒分離裝置和縱軸流脫粒分離裝置進(jìn)行分析和研究，對傳統(tǒng)聯(lián)合收割機軸流滾筒脫粒過程分析的基礎(chǔ)上，建立了傳統(tǒng)軸流滾筒的一個較為詳盡的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了驗證[4]。
國內(nèi)很多單位都對聯(lián)合收割機的脫粒分離裝置開展研究工作，并已取得很大成果。高元恩（1976）研究了單紋桿滾筒脫粒裝置和三種雙滾筒脫粒裝置，得出：秸草中夾帶籽粒損失是限制聯(lián)合收割機生產(chǎn)率提高的關(guān)鍵。提高脫粒裝置的分離能力，以減少進(jìn)入逐藁器的籽粒量是提高機器分離能力的有效措施之一許大興（1980）對縱向軸流滾筒的工作原理作了初步分析，提出喂入段與割臺螺旋推運器相似，脫粒段為斜喂谷物作多次切流脫粒，分離段靠離心分離，谷粒沿滾筒外柱面作螺旋運動，并分析了谷粒的運動和受力狀態(tài)以及脫粒一分離規(guī)律，可作為縱軸滾筒數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)，最后討論了設(shè)計參數(shù)和功耗[5]。張金海、都麗萍（1994）也對脫粒部件的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，他們也將脫粒分離過程分為脫粒和凹板分離兩個階段，在（1）作物在脫粒室內(nèi)脫粒的機會均等，且脫下的籽粒量與未脫籽粒量成 正比，（2）被脫籽粒在脫粒室內(nèi)的任何一處，被分離的可能性相等，且被分離的 籽粒量于脫粒室的自由籽粒量成正比，（3）試驗物料的物理特性保持不變?nèi)齻€假設(shè)條件下，建立了脫粒和分離的數(shù)學(xué)模型，其建模方法是將凹板展開成平面結(jié)構(gòu)， 建立了某處脫粒、分離率與該處距入口間距離的函數(shù)關(guān)系，并應(yīng)用上述數(shù)學(xué)模型， 對一給定的脫粒部件的脫粒分離性能功能進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果比較接近[6]。王長寧、楊紅新（2002） 申請了名稱為“改進(jìn)的切流滾筒”（專利號：01234380.3）的專利，專利中提出一種由具有良好彈性的高分子彈性材料制成，且在其頂端設(shè)置有圓弧槽的矩形脫粒齒板，使用該脫粒齒板的切流滾筒可以在保證脫粒性能前提下，提高對物料的抓取能力，降低籽粒和莖稈的破碎率，從而減輕了清選的負(fù)荷[7]。衣淑娟（2006）利用自行研制的試驗臺，對切向喂入的釘齒式雙滾筒軸流脫粒與分離裝置進(jìn)行多因素的性能試驗，得出了滾筒線速度、導(dǎo)向板導(dǎo)角、喂入量同功耗、脫不凈率、莖稈破碎程度、夾帶 損失率、總損失等性能指標(biāo)的試驗結(jié)果，明確了相互關(guān)系及影響，并分析了脫出 物沿軸向分布規(guī)律[8]。謝方平、羅錫文（2009）等設(shè)計了一種脫粒原理類似剛性 桿齒脫粒的柔性桿齒脫粒滾筒，對其脫粒力進(jìn)行了研究。分析表明在滾筒轉(zhuǎn)速一 定的情況下，采用柔性桿齒脫粒增加了與稻穗的接觸時間，減少了沖擊力，柔性桿 齒打擊力小于剛性桿齒。脫粒對比試驗結(jié)果表明，直徑小于剛性桿齒的柔性桿齒 脫粒滾筒能適應(yīng)水稻脫粒要求，脫粒指標(biāo)中破碎率顯著低于剛性桿齒滾筒，未脫凈 率、含雜率、脫粒率和斷穗率均與剛性桿齒脫粒滾筒相近[9]。
目前，全世界的可用耕地大約有32億公頃，已開發(fā)的有13.7億公頃，未達(dá)到可用耕地的一半。就總的耕地資源來說，在南美和澳洲以及亞洲的北部還有大量的耕地未開發(fā)。但是由于氣候等原因，真正可供開發(fā)的耕地并不多。大規(guī)模經(jīng)營的資本主義大農(nóng)牧場、大種植園主要生產(chǎn)供出口的經(jīng)濟(jì)作物和其他農(nóng)牧產(chǎn)品，專業(yè)化、機械化程度較高；同時并存數(shù)量龐大的個體農(nóng)戶，除部分以生產(chǎn)糧食作物為主的自給性農(nóng)業(yè)外，也為國內(nèi)市場提供大量的農(nóng)牧產(chǎn)品。因此，小型水稻脫粒機不能滿足生產(chǎn)作業(yè)的需要，所以大中型水稻脫粒機已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但是適合人均耕地面積少、缺乏先進(jìn)適用機具廣大的農(nóng)民的小型脫粒機。
21世紀(jì)的前20年，是中國全面建設(shè)小康社會，加快實現(xiàn)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的歷史新時期。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化重要標(biāo)志之一，是用現(xiàn)代物質(zhì)條件裝備農(nóng)業(yè)大幅度提高農(nóng)業(yè)土地產(chǎn)生率、勞動生產(chǎn)率和資源利用率，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的機械化與信息化。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開農(nóng)業(yè)裝備，農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展又在很大程度上制約著優(yōu)質(zhì)、高效、安全農(nóng)業(yè)又好又快的發(fā)展進(jìn)程。而小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機械是大田作業(yè)機械化的一個重要補充。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對發(fā)展小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機械裝備和更快的采用新技術(shù)提出了迫切的需求。發(fā)展小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機械，提高科學(xué)水平和振興我國小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機械裝備制造業(yè)，對加快促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)綜合機械化有著重要的現(xiàn)實意義。
1.2 研究意義
水稻是我國第一大糧食作物，不到３０％的水稻種植面積，生產(chǎn)了約占世界總產(chǎn)量４０％左右的糧食。近些年水稻種植面積處于穩(wěn)步上升的轉(zhuǎn)狀態(tài)。在目前水稻收獲機械多種形式并存的條件下，為了滿足廣大用戶莖桿需求量的不斷提高，在消化吸收國內(nèi)外同類型機型的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種水稻半喂入式的脫粒機械，該機械采用夾持喂入、弓齒滾筒脫粒、風(fēng)扇清選等機構(gòu)，使其具有機構(gòu)簡單、體積小、重量輕、脫粒質(zhì)量好等特點。
近幾年，隨著聯(lián)合收割機作業(yè)范圍的不斷擴大，聯(lián)合收割機發(fā)展十分迅速，使脫粒機市場受到一定的沖擊。在這種形式下，聯(lián)合收割機、脫粒機和割曬機將如何發(fā)展，怎么發(fā)展，脫粒機還有沒有發(fā)展前途，這是脫粒機相關(guān)方面應(yīng)當(dāng)高度關(guān)注的問題。據(jù)統(tǒng)計，目前我國的種植面積為4.3億畝，此外還有1200萬hm2 的山區(qū)和丘陵小塊地的小麥?zhǔn)斋@全靠人工收割后，再由脫粒機械進(jìn)行脫粒。所以，脫粒機械對農(nóng)作物的收獲還占有很大的工作量。
我國的水稻、玉米、小麥等農(nóng)作物機械收割的狀況。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國水稻機械化收獲的作業(yè)面積僅僅只占總種植面積的7.3%，絕大多數(shù)的水稻脫粒仍然靠脫粒機進(jìn)行脫粒；玉米機械收獲面積僅占全國玉米種植面積的0.2%，而且，目前我國生產(chǎn)的玉米聯(lián)合收獲機大部分只具有摘穗、剝皮和秸稈粉碎等功能，籽粒的脫粒還要靠脫粒機來完成。就全國范圍來說，對于農(nóng)作物的收獲脫粒80%以上要靠脫粒機和人工來完成。
終上所述，盡管近年來聯(lián)合收割機的迅猛發(fā)展，但是由于我國幅員遼闊、氣候地理條件加上種植方式的差異，以及不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡、聯(lián)合收割機械的廣泛應(yīng)用還有相當(dāng)長的路要走。因此，在今后的相當(dāng)長的的時間內(nèi)，脫粒機在我國農(nóng)作物的收獲中，尤其是邊遠(yuǎn)的山區(qū)、丘陵地帶，脫粒機仍然是主要的不可或缺的農(nóng)業(yè)收獲機械。本設(shè)計通過對水稻脫粒機械的分析和對存在的問題進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計一種半喂入式脫粒機，為進(jìn)一步改進(jìn)和提高水稻脫粒機械奠定基礎(chǔ)。
1.3 研究內(nèi)容
在我國南方，水稻是主要的作物，每年水稻收獲時脫粒的工作量相當(dāng)大，而且在南方地區(qū)多為丘陵，不便于大型收獲機作業(yè)，所以需要設(shè)計一種結(jié)構(gòu)合理，操作簡便的小型脫粒機。要求能夠長時間正常工作，水稻脫凈率高，籽粒破碎率低，籽粒清潔率高，脫粒滾筒內(nèi)不易存留雜物且便于清潔。方便攜帶，能適應(yīng)野外工作，結(jié)構(gòu)流暢，功耗低。
2 脫粒機的原理分析
脫粒機是一種利用特定機械部件的旋轉(zhuǎn)運動或移動將谷物從谷穗上脫下，并進(jìn)行雜質(zhì)分離的專用機器。其結(jié)構(gòu)一般可分為喂入方式、脫粒原理、分離排雜、清選輸送四個部分。
2.1 喂入方式分析
?脫粒機的喂入方式一般有全喂入式和半喂入式兩大類。
全喂入式是將作物全部喂入脫粒裝置中，脫粒后作物莖稈被揉碎，動力消耗較大。 在全喂入方式中以軸流滾筒式應(yīng)用最為廣泛。作業(yè)時，作物由脫粒裝置的一端喂入，在脫粒間隙內(nèi)做螺旋運動，脫下的谷粒同時從滾筒正下方的凹板柵格中分離出來，而莖稿則隨慣性力的作用由軸的另一端排出。但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。一般應(yīng)用于大中型聯(lián)合收割機中。
半喂入式脫粒機在工作中，僅穗頭部分進(jìn)入脫粒裝置，作物莖稈的尾部被夾住不進(jìn)入脫粒裝置，動力消耗較小，可保持較完整的作物莖稈。根據(jù)微型脫粒機的設(shè)計要求及應(yīng)用需要，在微型脫粒機喂入方式中的采用半喂入軸流式脫粒裝置。由于測產(chǎn)、估產(chǎn)及精細(xì)脫粒使用中，是把人工割下的麥穗（稻穗）投入脫粒機中進(jìn)行脫粒，可避免全喂入式中過大的動力消耗，消除了全喂入方式能耗大的缺陷，同時也使整個機構(gòu)明顯簡單，體積減小、重量減輕。半喂入是一種較常見的喂入方式，在家庭式小型機中應(yīng)用廣泛。其特點是脫粒干凈，分離清潔率高，破碎或脫殼少，并且體積小，功耗少，成本低。
2.2 脫粒原理分析
谷物的脫粒主要是利用機械裝置，將谷物的籽粒與包裹及莖桿的結(jié)合破壞，以實現(xiàn)脫粒。脫粒機中具體的脫粒原理一般有沖擊、梳刷、揉搓或搓擦、碾壓等原理。
2.2.1 沖擊原理分析
脫粒機械的工作部件（如圖1所示釘齒或紋桿軸）高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生慣性力打擊穗頭（或反過由穗頭碰擊后面，如南方水稻的拌桶脫粒）使谷物產(chǎn)生振動和慣性力而破壞谷穗與穗軸的連接。該種方法主要取決于打擊速度和打擊機會以及沖擊力的大小。打擊的速度快，打擊的次數(shù)越多，產(chǎn)生的慣性力也就越大，穗與穗之間的撞擊次數(shù)就會增多，也就越容易脫粒干凈。沖擊力的大小與脫粒質(zhì)量和生產(chǎn)率有密切的關(guān)系。沖擊強度增加，可提高生產(chǎn)率和保證脫粒干凈，但易使谷物破碎，降低沖擊強度。但單一的擊打方式難以脫粒干凈，常和其它脫粒方式混合使用。
圖1 沖擊釘齒滾軸結(jié)構(gòu)圖
Figure 1 The roller structure of impact nails tooth
2.2.2 梳刷分析
脫粒機械的工作部件，當(dāng)工作部件在動力部件的帶動下轉(zhuǎn)動時，會像梳子一樣，從谷穗之間通過，對谷物施加一定的拉力作用，使谷物脫離穗軸。梳刷式脫粒對谷稻的脫粒效果較好，但對小麥的脫粒效果較差，常和其它脫粒方法合起用來進(jìn)行水稻的脫粒。梳刷滾軸如圖2所示。
圖2 梳刷滾筒結(jié)構(gòu)
Figure 2 The roller structure of comb brush
2.2.3 揉搓或搓擦分析
脫粒機械用一個帶紋桿的滾筒與一帶間隙的紋板相互配合對谷物的穗部進(jìn)行搓擦作用，使籽粒脫離穗軸。這種機械主要利用谷層在板齒或紋桿滾筒的脫粒間隙內(nèi)，出現(xiàn)挫動而使籽粒脫落。脫粒的干凈程度取決于揉搓的松緊度（強度），也就是間隙的大小和谷層的疏密程度。搓擦脫粒法對小麥的脫粒效果猶為突出，常在脫粒機中作為最終脫粒工序，只要松緊度合適經(jīng)清選可得到干凈的籽粒，但能量消耗較大，一般適用于小麥的脫粒，類似于沖擊脫粒。
2.2.4 碾壓原理分析
它是利用脫粒原件從谷物上壓過，在碾壓的過程中，會使谷粒和穗柄之間產(chǎn)生橫向或縱向的相對位移，相對位移就形成了一定的拉力，破壞其連接力。通常谷粒與穗軸的抗剪力是較弱的，上述相對位移就形成了剪切破壞其連接力。碾壓法脫粒結(jié)構(gòu)簡單，但較費時費力。對小麥的脫粒效果最佳。因此，用輥子碾壓鋪在場院里的谷物層進(jìn)行脫粒也是有效的方法之一，現(xiàn)在仍為貧困農(nóng)村使用中。
圖3 碾壓滾輪結(jié)構(gòu)
Figure 3 The roller structure of Rolling wheel
上述四種原理既可單獨應(yīng)用也可組合應(yīng)用，均能達(dá)到脫粒的目的，但其效果有所不同，這是各原理的特點所決定的。如打擊脫粒要求工作部件與谷粒間必須有較大的相對速度，所以這種脫粒通常出現(xiàn)莖稈靜止（如半喂入式）或運動速度很低（如紋桿、板齒滾筒的喂入口處）的時候。而揉搓原理則不同，它發(fā)生在已經(jīng)獲得地、較大運動速度（如在脫粒間隙的后段）的谷層內(nèi)部，由于相對揉搓而脫粒。一般來說，常見的組合有如下幾種：一是用高的打擊速度各緊搓，經(jīng)較短的脫粒過程，如單滾筒脫料裝置；二是用由低到高的打擊速度，揉搓強度由小到大，用較長的脫粒過程，如雙滾筒脫粒裝置；三是用較低的打擊速度和松搓，用長而又長的脫粒過程，如軸流滾筒脫粒裝置。經(jīng)對上述四種原理的比較于分析，碾壓脫粒不能滿足微型化及結(jié)構(gòu)的簡單化的設(shè)計要求，所以在本裝置中不能采用該原理。由于前三種脫粒原理，不適合單獨使用，所以，在微型脫粒機中綜合前三種脫粒原理的優(yōu)點，兼顧破碎率低，生產(chǎn)效率高的特點采用特殊設(shè)計的弓齒軸流式的脫粒裝置。脫粒時，運用沖擊原理和梳刷原理；并且結(jié)構(gòu)簡單。脫粒弓齒如下圖4所示
圖4 脫粒滾筒結(jié)構(gòu)
Figure 4 The roller structure
2.3 清選原理分析
清選主要將脫粒裝置脫出的谷?；旌衔镌谙侣涞倪^程中，利用鼓風(fēng)裝置進(jìn)行分離，并將純凈的谷粒輸送到出?？?。微型脫粒機在傳統(tǒng)清選方法的基礎(chǔ)上將工藝流程與設(shè)備綜合起來，將傳統(tǒng)清選裝置進(jìn)行改進(jìn)，把清選工序和谷粒輸送工序結(jié)合在一次完成，利用氣流對谷粒的作用力與谷粒在傾斜面上受重力作用有下滑的趨勢結(jié)合起來，根據(jù)通過滾筒篩的細(xì)小脫出物中各種成分飄浮速度的差別來完成清選,不但滿足使用要求，而且使體積較小，重量較輕。
3 總體方案的確定
3.1 初步設(shè)計方案
根據(jù)設(shè)計方案可知，微型脫粒機主要是用于水稻的脫粒。據(jù)此，抽象設(shè)計如圖5所示：
圖5 抽象設(shè)計圖
Figure 5 Abstract design
3.2 功能分解
為了完成谷穗與谷粒分離，該脫粒機械應(yīng)該能具備執(zhí)行機構(gòu)裝置，由電機輸入動力，帶動脫粒滾筒旋轉(zhuǎn)和風(fēng)機旋轉(zhuǎn)。經(jīng)詳細(xì)分析，得到脫粒機的功能樹，如圖6所示：
圖6 功能分解圖
Figure 6 Functional decomposition diagram
3.3 結(jié)構(gòu)及工作原理
3.3.1 基本結(jié)構(gòu)
小型水稻脫粒機主要由進(jìn)料口、脫粒機構(gòu)、風(fēng)機、主軸、機架、 傳動機構(gòu)以及排料口等部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。
1入料口 2脫粒滾筒 3風(fēng)扇 4出雜口 5出料口 6電機
圖7 總體結(jié)構(gòu)
Figure7 Overall structure
3.3.2 工作原理
待脫粒的谷穗通過入料口喂入脫粒滾筒內(nèi)并在滾筒和頂蓋上倒板的作用下沿軸向做旋轉(zhuǎn)運動，同時受到反復(fù)的沖擊和搓檫進(jìn)行脫粒。谷粒、穎殼和碎草等通過凹板篩孔分離出來后送至篩子的前端，由于風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流輕雜物沿風(fēng)道被吹走，谷?？恐亓Υ┻^氣流廠和篩孔流入出糧口。
3.3.3 傳動系統(tǒng)
本方案中脫粒滾筒與風(fēng)機需要轉(zhuǎn)動，而本機只采用一個電機提供動力，因此采用V帶傳動方式傳遞動力 。電動機傳遞出來的動力傳遞給電機帶輪，電機帶輪通過帶傳動將動力傳遞給工作軸上的帶輪，實現(xiàn)脫粒滾筒和風(fēng)機傳動。
4 設(shè)計目標(biāo)與主要技術(shù)參數(shù)
4．1 主要技術(shù)參數(shù)如表1
表1主要技術(shù)參數(shù)
Table 1 The main technical parameters
技術(shù)參數(shù) 要求
生產(chǎn)率 0.2kg/s
破碎率 小于0.2%
含雜率 小于1%
滾筒轉(zhuǎn)速 1300 r/min
風(fēng)機轉(zhuǎn)速 1800r/min
4.1.1 設(shè)計目標(biāo)
基于滾筒沖擊和梳刷原理設(shè)計一臺小型水稻脫粒機，使其將谷粒從谷穗上脫下，并從脫出物（由谷粒、碎殼和混雜物組成）中分離、清選出來，達(dá)到回收干凈谷粒的目的。
4.2 脫粒滾筒及主要參數(shù)的選擇
脫粒滾筒按作物沿滾筒的運動方向又可以分為切流式和軸流式。在切流式脫粒裝置中，作物喂入后沿滾筒切向流動并排出，谷穗在通過凹板間隙的過程中被脫粒，脫粒時間很短，籽粒與谷穗分離不清，需在脫粒裝置后面加設(shè)分離裝置。在軸流式脫粒裝置中，作物由一端沿滾筒軸向后切向喂入，在滾筒和上導(dǎo)板的作用下沿軸向做螺旋運動，同時受到反復(fù)的沖擊及搓擦進(jìn)行脫粒，谷粒、穎殼和碎草等凹板篩孔分離。作物在脫粒裝置中運行時間長，脫凈率高分離率可達(dá)99%，無需另設(shè)分離裝置。為了保證脫粒的脫凈率，本設(shè)計采用軸流滾筒式脫粒裝置。
根據(jù)滾筒的形式有圓柱形和圓錐形兩種軸流滾筒，圓錐形滾筒作物人滾筒作物從滾筒小端喂入，從大端正排出，滾筒圓周速度逐漸增大，但是所需功率較大且設(shè)計結(jié)構(gòu)要比圓柱形復(fù)雜，故選用圓柱形。
4.2.1 轉(zhuǎn)速
滾筒上安裝有弓形齒，滾筒的作用是帶動弓形齒轉(zhuǎn)動，齒推動谷穗作螺旋運動。滾筒的轉(zhuǎn)速由滾筒外緣板齒頂部的線速度決定的，滾筒外緣線速度是以保證不損傷水稻粒籽為前提條件，但滾筒外緣線速度也不能過低，否則會影響其生產(chǎn)率，故取線速度為8m/s。
4.2.2 滾筒直徑
滾筒直徑由凹板直徑?jīng)Q定，并且保證脫滾筒外徑與凹板留有15~50mm（其中弓齒高15mm）的間隙,現(xiàn)取滾筒直徑為120mm, 滾筒長取200mm，滾筒設(shè)置根齒桿。其軸徑根據(jù)實際功率負(fù)荷計算扭矩確定。
4.2.3 滾筒弓齒
弓齒有規(guī)律地安裝在滾筒軸上，其作用是拔動谷穗，也推動谷穗移動，鑒于作物形狀、體積、，喂入方式等采用10-15mm弓齒，外端較小尺寸的弓齒，其目的是使工作時與谷穗接觸面較小，避免大面積接觸式卡住。
4.2.4 滾筒脫粒段長度
滾筒脫粒段長度是決定脫粒質(zhì)量的主要參數(shù)，滾筒過短影響脫凈率，滾筒過長則會增加功率消耗及制造成本，根據(jù)以往經(jīng)驗，用籽粒含水率為20%左右的谷穗，取脫粒段長度100mm。
4.3 凹版篩
凹板篩的包角一般取180°～240°之間，考慮整機結(jié)構(gòu)，取凹板篩包角為180°，脫粒主要利用物粒的撞擊與搓擦的作用力來實現(xiàn)的，因此蓋板與脫粒滾筒之間取50mm的間隙，以保證具有足夠的磨擦力和沖擊力，促使谷粒剝離，而凹板篩與弓齒之間的縫隙大小影響脫粒效果，縫隙較大籽粒通過性好，夾帶損失小，但影響籽粒凈度，縫隙較小，則夾帶損失大。故應(yīng)取10～40mm。含水率較高時，取較大值，含水率較低時，取最小值。凹板直徑是決定生產(chǎn)率的主要因素（在限制滾筒轉(zhuǎn)速的情況下，凹板直徑是決定身產(chǎn)率的唯一參數(shù)），凹板直徑與生產(chǎn)率成正比，但不是一次線性關(guān)系。根據(jù)凹板直徑與生產(chǎn)率的關(guān)系和實際生產(chǎn)情況，本設(shè)計現(xiàn)取凹板直徑為170mm。
4.4 風(fēng)機
清選機構(gòu)采用風(fēng)選，由于脫粒后的混合物含雜少，所以采用農(nóng)用型風(fēng)機吹送分離出夾在谷粒中的雜物，風(fēng)扇出口處的平均風(fēng)速為8—10m/s,風(fēng)機的參數(shù)與選擇見后面計算。
4.5 進(jìn)料斗
進(jìn)料斗是保證進(jìn)料順利，起定料作用，根據(jù)整機的特點，進(jìn)料斗設(shè)計成長方形形狀，進(jìn)料口的長為210mm寬120mm，能保證谷物進(jìn)入脫粒滾筒，保證生產(chǎn)效率0.2kg/s。
4.6 機架
根據(jù)零件的裝配和定位特點設(shè)計機架。機架要起到支承整機的功能，此設(shè)計采用一個整體結(jié)構(gòu)，兩根垂直支架支撐風(fēng)機。整個機架的高度寬度由零件安裝的尺寸來決定。并合理安排零件安裝位置。
5 主要零部件選擇及校核
5.1 電機選擇
電動機選擇包括選擇類型、結(jié)構(gòu)型式、容量（功率）和轉(zhuǎn)速，并確定型號
（1）選擇電動機類型和結(jié)構(gòu)形式
電動機的選用，首先要了解電動機的機械負(fù)載特性，根據(jù)機械負(fù)載的類型和特性來選擇電動機的額定容量、額定轉(zhuǎn)速、額定電壓以及型式。
要為某一生產(chǎn)機械選配一臺電動機，首先要合理選擇電動機的功率。通常根據(jù)生產(chǎn)機械負(fù)載的需要來選擇電動機的功率，同時，還要考慮負(fù)載的工作制問題，也就是說，所選的電動機應(yīng)適應(yīng)機械負(fù)載的連續(xù)、短時或間斷周期工作性質(zhì)。功率選用時不能太大，也不能太小。選小了，保證不了電動機和生產(chǎn)機械的正常工作;選大了，雖然能保證正常運行，但是不經(jīng)濟(jì)，電動機容量不能被充分利用，而且電動機經(jīng)常不能滿載運行，使得效率和功率因數(shù)不高。
(2）選擇電動機的容量
電動機的容量（功率）選得合適與否，對電動機的工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。容量小于工作要求，就不能保證工作機的正常工作，或使電動機長期過載和功率因數(shù)都較低，增加電能消耗，造成很大浪費。
已知脫粒速度為8m/s，滾筒直徑120mm。則脫粒滾筒轉(zhuǎn)速
r/min （1）
即滾軸的圓周速度約為1300r/min。
依據(jù)參考文獻(xiàn)[18]，弓齒滾軸擊打籽粒的理論阻力為80N，脫粒機的理論工作功率：
=FV=80×8=640w （2）
考慮到脫粒過程中風(fēng)機消耗，傳動系統(tǒng)損耗等功率損耗，功率儲備系數(shù)為2-3，本文取2。由此可見，電機帶動軸進(jìn)行脫粒所需的功率在1400w左右。
（3）確定電動機轉(zhuǎn)速
容量相同的同類型電動機，有幾種不同的轉(zhuǎn)速系列供使用者選擇。同步轉(zhuǎn)速由電源頻率與極對數(shù)而定的磁場轉(zhuǎn)速，電動機空載時才可能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，負(fù)載時的轉(zhuǎn)速都低于同步轉(zhuǎn)速。在設(shè)計中滾筒所需要的轉(zhuǎn)速nmax=1300r/min，對清糧裝置的風(fēng)扇，轉(zhuǎn)速n=1000~2000r/min，這里取n=1520r/min?？紤]到電動機傳動裝置的性能，尺寸、重量和價格等因素，最終選用小功率異步電動機。所以綜合以上我們查表選電動機的型號為YL90L-4，參數(shù)如表2。
表2 YC8024型電動機主要參數(shù)
Table2 The main parameters of YC8024 model motor
型號 額定電壓 額定轉(zhuǎn)速 額定功率
YL90L-4 220V 1500r/min 1500W
5.2 帶輪的設(shè)計
5.2.1 帶輪設(shè)計的要求
設(shè)計V帶輪時應(yīng)滿足的要求有：質(zhì)量?。唤Y(jié)構(gòu)工藝性好；無過大的鑄造內(nèi)應(yīng)力；質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)速高時要經(jīng)過動平衡；輪槽工作面要精細(xì)加工，以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應(yīng)保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等。
5.2.2 帶輪的材料
帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用材料的牌號為HT150或HT200；轉(zhuǎn)速高時宜采用鑄鋼（或用鋼板沖壓后焊接而成）；小功率時可用鑄鋁或塑料。本設(shè)計取鑄鐵HT150。
5.2.3 帶輪設(shè)計計算
初選電動機帶輪基準(zhǔn)直徑=71mm
則脫粒滾筒從動輪基準(zhǔn)直徑
電動機與脫粒滾筒的傳動比為，則
（3）
得=80mm
電動機與風(fēng)機的傳動比為，則
風(fēng)機從動輪基準(zhǔn)直徑
得=63mm
5.3 V帶設(shè)計
確定計算功率
由工作條件，取工作情況系數(shù)=1.1，故
（4）
選取V帶帶型
由=748W，=1400r/min.可確定V帶帶型為Y型
電動機帶輪與脫粒滾筒的中心距
根據(jù)，初步確定=300mm
計算帶所需的基準(zhǔn)長度
=622mm （5）
選帶的基準(zhǔn)長度=630mm
計算實際中心距a
=320mm
同理可得電動機帶輪與風(fēng)機帶輪中心距330，脫粒滾筒帶輪與風(fēng)機帶輪之間中心距為250.驗算主動輪上的包角
（6）
主動輪上的包角合適。同理可得風(fēng)機帶輪、脫粒滾筒帶輪包角合適。綜上所述，根據(jù)表11-2選取 V帶基準(zhǔn)長度為900mm。
計算V帶的根數(shù)z
（7）
由=1520mm、=75mm、=1.5，取=1.07kW、=0.13kW、=0.98、=0.96，則取z=1根。
計算預(yù)緊力
（9）
q=0.1kg/m，故=126.77N
計算作用在軸上的壓軸力
5.4 脫粒軸的計算
5.4.1 計算各軸的最小直徑
（10）
D1≥14.76mm
由此確定軸的最小直徑均為16 mm。
根據(jù)軸的受力分析和工作環(huán)境查機械設(shè)計手冊表15-1選擇45鋼，調(diào)質(zhì)處理
5.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。軸的機構(gòu)主要取決于以下因素：軸在機器中的安裝位置及形狀；軸上安裝的零件類型、尺寸、數(shù)量以及和軸聯(lián)接的方法；載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。根據(jù)整個脫粒機的結(jié)構(gòu)，和配合在軸端上零件應(yīng)采取標(biāo)準(zhǔn)直徑,確定長度和直徑。
圖9 軸的結(jié)構(gòu)示意圖
Fig9 The schematic diagram of cutter shaft
I段：該段安裝帶輪，取d1=20mm ，則帶輪寬度為18mm, 可取L1=45mm
II段：參照工作要求并根據(jù)d1=20mm，,初步選取標(biāo)準(zhǔn)精度等級的深溝球軸承6205，其內(nèi)徑為20mm，寬度為15mm。故20mm。為使套筒端面可靠地壓緊軸承，此軸段應(yīng)略長于軸承寬度L2=130mm。
III段：27mm,L3=5mm N.mm
Ⅳ段：跟II段一樣裝有軸承，25mm,L4=40mm
Ⅵ段，該段安裝脫粒滾筒，根據(jù)風(fēng)機安裝要求，取20mm,長L為180mm
至此，已初步確定了軸的各段直徑和距離。
5.4.3 軸的校核
由軸的結(jié)構(gòu)可以做出軸的計算簡圖，由于采用深溝球軸承，軸承支點在滾子中線位置，。從軸的結(jié)構(gòu)以及受彎矩和扭矩的情況來看，靠近帶輪的軸承截面是軸的危險截面，軸的傳遞轉(zhuǎn)矩：
軸的受力示意圖如下：
險截面數(shù)據(jù)列出，如下：
進(jìn)行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面）的強度。根據(jù)以上數(shù)據(jù)及式
（11）
取
軸的計算應(yīng)力
（12）
由于前面選擇材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理
因此，故設(shè)計合理，安全。
5.5 滾動軸承的選擇及校核計算
根據(jù)根據(jù)條件，軸承預(yù)計壽命
16×365×10=48000小時
初選軸承為6205。
1）徑向力
2）軸向力
，
所以軸向力為，
3）當(dāng)量載荷
由機械設(shè)計手冊表16-11查得e=0.68，
由于，，
所以，，，。
由于為一般載荷，所以載荷系數(shù)為，故當(dāng)量載荷為
（13）
4) 軸承壽命的校核
故該軸承合格。
6 風(fēng)機與篩子的設(shè)計
6.1 風(fēng)量V的計算
由機械設(shè)計手冊查得
Q ——機器喂入量（kg/s）
B——清除雜質(zhì)占機器喂入量的比例，半喂入機型，一般取8%到15%
ρ——空氣密度
μ——攜帶雜質(zhì)氣流的混合濃度比，約0.2-0.3，取μ=0.2則
6.2 風(fēng)扇尺寸的計算
葉輪外徑
對清糧裝置的風(fēng)扇，壓力系數(shù)0.3~0.4，轉(zhuǎn)速n=1000~2000r/min。這里取壓力系數(shù)0.4，n=1800r/min
得出葉輪外徑=180mm,農(nóng)用型風(fēng)扇尺寸如表3
表3 風(fēng)扇尺寸表
Table 3 The size of fan
名稱 尺寸 本機尺寸
葉輪外徑D 140～200mm 180mm
葉片數(shù) 3～4mm 4
葉片寬度B 〈1.5D 180mm
出風(fēng)口高S 0.35～0.45D 65mm
圓筒形外殼R 1.05～1.12D 200mm
7 鍵的選擇及校核計算
鍵材料選擇常用的45號鋼。
軸槽及輪轂槽對輪轂軸線的對稱度公差選8級。
脫粒滾筒軸與帶輪連接處選A型普通平鍵
許用擠壓應(yīng)力
強度校核：
故滿足強度要求，安全。
同理求得：其他軸的鍵也相同。
8 總結(jié)
通過這次設(shè)計，使我學(xué)會了結(jié)合以前所學(xué)的知識應(yīng)用到實踐的工作中，對所學(xué)的知識有了進(jìn)一步的鞏固，使知識進(jìn)一步得到系統(tǒng)性、條理性的加深，學(xué)會了怎么樣去高效的查詢自已所需資料，特別是對一些數(shù)據(jù)的選取和進(jìn)行運算，使自已的分析問題解決問題的能力加強。
本設(shè)計的優(yōu)點在于脫粒機的經(jīng)濟(jì)性和操縱性能較好，質(zhì)量輕，體積小，使用維修方便，易于掌握，且脫粒性能良好，清選性能好，雜物較少，減少了勞動力的輸出。在設(shè)計中由于自己考慮問題不夠全面，設(shè)計知識不夠系統(tǒng)，設(shè)計經(jīng)驗少，一定存在著很多不足，只能通過更多的實驗去發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，對機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
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致 謝
本論文是在吳明亮老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的。吳明亮老師不僅在學(xué)業(yè)上的嚴(yán)格要求，而且在思想上及生活上的關(guān)懷和幫助。老師們治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、誠以待人、嚴(yán)于律己的態(tài)度與為人使我受益非淺。通過畢業(yè)設(shè)計，鞏固升華了大學(xué)所學(xué)，使我受益非淺，在以后生活中受益一生。在此，向幫助我的同學(xué)，學(xué)長和老師表示感謝，特別是吳明亮老師表示衷心的感謝。
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