玉米脱粒机的原理设计第五次修改Word下载.docx
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[1]刘长荣,郑玉才.《机械设计基础》上下册
[M].北京:
中国农业科技出版社,
2002,
2.8-133
[2]张成堂
商立今
编
《脱粒机》
中国农业机械出版社出版
出版日期:
1985
[3]邱永兵
吴超机
张玉峰.5TG-200脱粒机的研制.《装备制造技术》2006.2
[4]董佑福
《收获机械化现状与发展趋势》
[S].
收获机械论文集,2005.
[5]《5TY－550型玉米脱粒机》摘自《新疆农机化》
[6]《黑龙江省脱粒机械的现状及发展建议》常建国
李国民
王春海
[7]董佑福
[8]邱永兵
张玉峰.5TG-200脱粒机的研制.《装备制造技术》2006.2
摘
要我国为玉米生产大国，种植面积超过0.27亿公顷。
玉米既可以作为食品以及饲料，也可以作为工业原料。
传统钉齿滚筒玉米脱粒机对玉米籽粒损伤大，在国外早已不用此类机型。
设计新型的对玉米籽粒损伤小的脱粒机对农民的收入以及我国的可持续发展都有重要的意义。
本文首先对比了各类脱粒机的优缺点。
钉齿打击原理的玉米脱粒机虽然脱粒效率高，但是对籽粒损伤大，影响玉米收获质量。
碾压原理玉米脱粒机的脱粒效率较低，并且容易造成籽粒擦伤。
差速原理玉米脱粒机的效率较低，仅适用于脱粒单穗玉米。
挤搓原理玉米脱粒机的脱粒过程柔和，对籽粒损伤小。
因此本文设计挤搓原理的板齿式玉米脱粒机。
采用PRO/E软件对设计的玉米脱粒机进行三维建模，并采用CAD软件对所设计的玉米脱粒机进行二维工程图设计。
采用离散元法及课题组自主研发的AgriDEM软件，利用离散元法对设计的板齿玉米脱粒机进行仿真。
通过改变滚筒转速以及喂入量等变量，探究所设计的脱粒机的脱粒情况并进行优化。
关键词：
玉米脱粒机
结构设计
离散元法
仿真分析
23
Cornshellerstructuraldesignprinciples
Abstract:
For
corn
production
country
in
China,the
planting
area
of
more
than
0.27
million
hectares.Corn
could
act
as
both
a
food
and
feed,also
can
be
used
industrial
raw
material.Traditional
spike-tooth
drum
thresher
grain
damage,had
no
such
models
foreign
countries.
Design
new
type
maize
damage
small
farmers'
income
the
sustainable
development
our
has
important
meaning.
This
paper
first
compares
advantages
disadvantages
various
kinds
thresher.
Spike-tooth
hit
principle
although
threshing
efficiency
is
high,but
damage,affects
quality
harvest.
Rolling
low,and
easy
to
cause
abrasion.
Differential
low,only
applies
single
ear
threshing.
Crowded
rub
process
soft,grain
small.
So
this
article
design
plate
Through
PRO/E
software
for
three
dimensional
modeling
CAD
two-dimensional
engineering
graphics
design.
Developed
by
tutor
team
with
AgriDEM
software,using
discrete
element
method
gear
calculation
change
variables,such
roller
speed
investigation
results：
crushing
rate,corn,corn
take
off
net
rate
distribution
curve,etc.explores
threshing,and
most
suitable
working
parameters.
Keywords：
sheller
physical
simulation
analysis
目录
1绪论 7
1.1
研究背景与意义 7
1.2
玉米脱粒机的种类及特点 7
1.2.1
玉米脱粒机的表示方法 7
1.2.2
各类玉米脱粒机的工作原理 8
1.2.3
综合比较各类玉米脱粒机 9
1.3
国内玉米脱粒机的发展 9
1.4
国外玉米脱粒机的发展 10
1.5
存在的问题 10
2
玉米脱粒机总体设计方案 11
2.1
总功能确定 11
2.2
功能分析 11
2.2.1
3电动机的选择 12
3.1
电动机的转速 12
3.2
确定电机工作效率 12
3.3
确定电机的型号 13
4
带轮的设计 13
4.1
带轮材料的选择 13
4.2
带轮的结构设计 14
4.2.1
主动轮的结构设计 14
5
轴的设计 15
5.1
轴材料的选择 15
5.2
轴结构的基本要求 16
5.3
根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 17
5.4
确定输出轴上的圆角半径r值 17
6
钉齿滚筒的设计 17
6.1
钉齿条的总体结构设计 17
6.2
钉齿条及钉齿的设计 18
6.3
圆盘的设计 18
7
玉米脱粒机的维护 19
7.1
玉米脱粒机的技术保养 19
7.2
玉米脱粒机的保管 19
致谢 21
参考文献 22
1绪论
研究背景与意义
玉米是一种很重要的粮食作物，既可以食用或者作为饲料，也是重要的工业原料之一[1]。
玉米种植面积增长十分迅猛，全球种植面积已超过1.3亿公顷，主要分布于中国、美国、阿根廷和巴西[2]。
在我国玉米作为第二大农作物，其全国种植面积仅次于美国[3]，约为0.27亿公顷。
十五期间的数据表明我国玉米年消费增长率已经突破2.7%。
而十一五期间玉米的供求也得到了进一步的增长，玉米的产量由2003年1258亿千克增长到2006年的1440亿千克[4]，此产量可以较好的满足国内玉米的需求。
我国国土面积大，自然资源丰富，各农作物的产量皆位于世界前列，但大部分地方玉米脱粒仍然采用的是较落后的技术。
虽然个别地方采用各种大中型的玉米脱粒机进行脱粒，但是这些机器生产不规范，容易造成玉米籽粒的破碎，而且往往一次脱粒不干净，需要重复脱粒几次，严重的影响了玉米的生产质量与生产效率[5]。
人工手摇式玉米脱粒机生产率低，仅适用于小批量的玉米脱粒生产，费时费力。
电动机械式玉米脱粒机脱净率差，效率低，脱粒时破损玉米芯影响脱粒质量[6]，并且结构较为复杂，制造成本较高。
运用玉米脱粒装置进行脱粒时产生的压缩、冲击和剪切等作用都会损伤玉米籽粒[7]，玉米脱粒质量严重的影响着玉米产量。
目前，在我国玉米脱粒机的普及率仅仅达到2%，主要都在北京、天津、河北、山东等发达地区的一些大型农场。
因此玉米脱粒环节是我国粮食作物机械化生产的一个瓶颈
玉米脱粒机的种类及特点
玉米脱粒机的表示方法
玉米脱粒机的表示方法如下所示。
T
Y
—
XX
①
②
③
④
⑤
5代表脱粒机械产品代号
T代表脱粒机第一个字“脱”的第一个拼音字母
Y代表玉米第一个字“玉”的第一个拼音字母
滚筒的工作长度，单位为厘米
滚筒的最大工作直径，单位为厘米
各类玉米脱粒机的工作原理
（1）打击脱粒原理：
通过钉齿或者纹杆打击玉米果穗，以及玉米果穗相互撞击后，破坏玉米籽粒与其穗轴之间的连接使其脱落。
打击式玉米脱粒机主要有两类：
钉齿滚筒式玉米脱粒机以及纹杆式玉米脱粒机。
当滚筒转动时，凹板表面、钉齿上部、齿两侧都对玉米果穗产生打击作用，使玉米籽粒脱粒，完成脱粒过程。
打击的机会以及打击的速度都影响着脱粒机的脱粒效率。
打击式玉米脱粒机虽然脱净率与效率高但是对玉米籽粒的伤害较大。
（2）碾压脱粒原理：
碾压式玉米脱粒机在脱粒时，其碾压滚筒与玉米果穗相互碾压，在碾压的过程中使玉米芯与玉米籽粒之间产生侧移的趋势。
这个侧移趋势就形成了剪切作用破坏籽粒与玉米芯之间的连接力。
一般来说玉米芯与玉米籽粒之间的抗剪力比较小。
这种碾压式玉米脱粒机的脱粒效率较低，并且当喂入量过大时，容易堵塞滚筒造成籽粒擦伤。
（3）挤搓脱粒原理：
挤搓式玉米脱粒机的主要构成元件有入料斗、出料斗、脱粒板齿、凹板、带轮、压板等。
脱粒滚筒上有板尺、螺旋输送板等结构，使得玉米果穗在脱粒仓内做螺旋前进的运动。
挤搓式玉米脱粒机运用了仿生技术，模仿人工用手挤搓玉米时的动作，极大的降低了玉米籽粒的破损率。
在脱粒的过程中，果穗与板尺以及凹板充分接触，板尺与果穗以及果穗与果穗之间相互挤搓，使得果穗上的籽粒脱落，从而完成脱粒。
挤搓脱粒原理的脱粒过程柔和，对果穗的冲击不大，因此对玉米籽粒造成的损伤比传统的脱粒方式低。
（4）差速脱粒原理：
差速式玉米脱粒机，两辊在皮带轮的带动下以不同的转速转动，两辊的转动方向相同。
在脱粒区里，直滚筒与螺旋滚筒差速旋转组成脱粒部件。
玉米果穗一边向着排芯口运动一边脱粒，被脱下的玉米籽粒以及一部分破碎的玉米芯等杂物通过两辊间的缝隙到排料区。
杂物被排料区内的筛筛分出来排出出口，玉米籽粒则通过筛进入排料口。
但是差速式玉米脱粒机的效率较低，仅适用于脱粒单穗玉米。
综合比较各类玉米脱粒机
国内玉米脱粒机的发展
虽然对于脱粒机的研究在国内较晚起步，但是其发展速度十分快。
葛永久、王成芝等学者[22]于1969
年，研究了轴流滚筒式脱粒装置的工作原理后自主研制了大型轴流滚筒试验台。
邵维民等学者[23]于1992年，研究了小型板齿式轴流玉米脱粒机，将轴流式玉米脱粒装置与纹杆滚筒的脱粒装置进行对比，研究杂质和谷物在轴向的分布规律。
李保国等学者[24]研究了轴流式玉米脱粒机的凹板脱落下的籽粒沿着滚筒长度方向上的分布规律。
周旭等学者[28]于2005年，对比圆柱形滚筒与圆锥形滚筒，指出圆锥形滚筒的玉米脱粒机对玉米籽粒的损伤率低。
李耀明等学者[29]研究了轴流式玉米脱粒装置内玉米芯以及籽粒在轴向的分布曲线。
吴多峰等学者[30]于2006年，对比了钉齿式玉米脱粒机，指出了板齿式玉米脱粒机的各项优点。
李心平等学者[31]于2007年，发明了一种差速式玉米脱粒装置，并对该脱粒装置的籽粒破碎率以及脱净率进行了性能测试。
张伟等学者[32]应用Matlab软件对轴流玉米脱粒机进行模拟仿真。
张飞等学者[36]于2011年发明了一种籽粒破税率低，脱净率高的脱粒机，这种脱粒机是一种软脱式玉米脱粒机，它的外部由橡皮套组成。
杜红军等学者[37]研制出一台五滚筒双进穗的玉米脱粒装置。
宋清亮等学者[38]研制出一台双筒脱粒装置。
长沙齐行机电科技有限公司的唐勇等人[39]于2012年，设计发明了一台玉米脱粒装置，采用切向力进行脱粒，通过旋转挤压的方式使得脱粒后的玉米籽粒以及玉米芯可以保持完整。
国外玉米脱粒机的发展
早在200多年以前国外的学者就开始研究玉米脱粒机理。
1975年，英国人Wiilam
Winlaw[10]发明出一台利用水力作为动力的立式轴流锥形滚筒玉米脱粒机。
美国的第一台手工操作的玉米脱粒机诞生于1815年，这台机器极大的改善了农民的工作，减轻农民的负担，但是这台机器结构比较简单，生产效率不高。
Zorer和Hall[11]于1960年，对玉米籽粒的温度、含水率、加载位置以及加载速度等因素对玉米籽粒所受的挤压强度的影响做了分析研究。
Bilanski
等学者[12]于1966年研究了玉米籽粒含水率对玉米籽粒脱粒时变形的影响。
Henrich等学者[18]于1999年，实验分析了谷物脱粒过程，研究分析了分离率与谷物含水率之间的关系。
Kumara[19]于2002年，研制出符合人体工程学的玉米脱粒装置。
Miu和Kutzbach[20]于2008年，研究了纹杆玉米脱粒装置，提出一系列数学模型。
Petkevichius等学者[21]研究了玉米果穗的喂入方式与籽粒含水率以及玉米品种对籽粒损失率之间的关系。
存在的问题
我国对于玉米的加工方式流程和外国存在一些差异。
玉米脱粒装置主要使用于脱粒晾干后含水率较低的玉米果穗。
在国外玉米果穗刚收获时其水分一般为35%左右，需要对果穗进行烘干使其水分达到12.5%左右再进行脱粒。
然而在我国，玉米种子公司规模一般都不大，没有建立玉米果穗的烘干室的资金，因此基本上都不对玉米果穗进行烘干。
在我国种子公司一般将玉米果穗在场上晾干，降低其水分到18%左右，然后运用烘干塔对籽粒进行烘干，最终使玉米籽粒的水分可以降至13%[40]。
因此在我国对玉米果穗进行脱粒时，其水分比较高，导致玉米芯与玉米籽粒的连接强度较大，最终影响脱粒质量[41]。
普通玉米脱粒机在工作时，平均籽粒破碎率在3%到5%之间，有时可能达到8%甚至更多[42]，这将严重影响玉米产量。
因此，需要结合我国玉米脱粒现状，研制出适合我国市场需求并且破碎率低、脱净率高的玉米脱粒机。
虽然玉米脱粒机的研究已经取得了许多成果，但是仍旧存在一些不足。
由于玉米脱粒过程的复杂性，迄今为止，国内外对玉米脱粒过程的研究大部分采用的是试验方法、高速摄像技术、经验方法以及统计分析方法或者连续介质力学的分析方法[43]。
运用这些方法对脱粒的机理进行研究并研制出脱粒机，大量耗费人力物力，只能对脱粒过程的宏观层面进行分析，无法保证精度，并且作物与机械之间以及作物之间的相互作用考虑较少，取得的成果也不具有普遍意义。
当脱粒机种类的不同、作物种类的不同时参数还需要进行重新安排实验然后建立新的数学模型，增加了实验的重复性，延长研发周期。
玉米脱粒机总体设计方案
总功能确定
本机的总功能是对玉米的脱粒以及筛分。
功能分析
本机器的总功能为玉米的脱粒以及筛分，总功能由供料、脱粒、除尘、筛分功能实现。
本机器主要功能是为玉米的脱粒以及筛分，工作过程为电动机输出轴将动力输出，经过带传动给钉齿滚筒将玉米脱粒，然后进入筛选专职，在经过从动轮带动传动杆，带动筛选装置，使杂质在玉米粒中分离。
①玉米填装：
人工填装
②脱粒装置：
利用钉齿滚筒是玉米粒和玉米芯分离。
③除尘装置：
通过风扇将玉米粒上面的粉尘吹除。
④筛分装置：
通过三个筛子将玉米粒进行筛选。
⑤玉米粒与玉米芯输出：
玉米粒通过自身重力输出，玉米芯通过钉齿滚筒推送到机体外。
3电动机的选择
电动机的转速
主轴的转速在
750～850minr，按《机械设计指导书》中表一所推荐的传动比合理取值范围，取V带的传动比=i2～4，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：
2（=*=nind～15007504=´
）～3000minr。
：
电机满载转速dn符合这一范围的同步电动机转速的有720minr，1440minr，2900minr，根据容量和相关转速，由《机械设计通用手册》查出三种适宜的电动机型号，因此有三种不同的传动比方案，如下图示：
综台考虑电动机和传动装置的尺寸、重量以及带传动的传动比，可知方案3比较适合。
因此选定电动机型号为Y132S1-2。
所选电动机的额定功率dP＝5.5kw，满载转速mn=2900r／min，总传动比适中，传动装置结构较紧凑。
确定电机工作效率
电机所需功率按式
Pd
=
Pw/ηa
（KW）、
Pw
FV/1000
（KW）
所以
Pd=
FV/1000ηa
（KW）由电动机至带轮的传动总效率为：
按设计要求可以知道从电动机到工作轴的传动总效率ηa=η1·
η2·
η3
其中η1—为带的传动效率、η2—为轴承的传动效率、η3—为带的传动效率。
根据机械设计手册查出η1=0.96，η2=0.98，η3=0.98。
所以可知ηa=η1·
η24·
η32=0.96×
0.984×
0.982=
0.85。
通常情况下带传动的带速V≦12-15m/s
符合带传动的实际工作要求。
根据资料选择带轮的转速为3
m/s；
选用带轮2与带轮3之间所需的搓动力为420N
、带轮传动的转速为
200
r
/minPd=
=（420×
3）/（1000×
0.85）=1.4823529≈1.5
（KW）根据推荐传动比的合理范围，取V带传动的传动比
i1′=2-4；
带轮传动的传动比i2′=3-4；
则总传动比合理范围为
ia′=
6—16，故电动机转速的可选范围为
nd′=
ia′·
n=（6--16）×
=1200—3200
/min符合这一范围的同步转速有
1400、1500
/min，根据容量和转速，由机械设计手册查出适用的电动机型号，因此选定电动机型号为
Y90L-4。
确定电机的型号
初步确定采用Y系列电动机采用Y90L-4型号的电动机。
额定功率Ped=1.5KW、同步转速1500minr、满载时（满载转速1400minr、电流3.65A、效率79%、功率因数ＣｏｓФ＝0.79）堵转电流/额定电流=6.5A、堵转转矩/额定转矩=2.2、最大转矩/额定转矩=2.2、转动惯量=0.0027Kg.m²
、噪声67
db（A）、电动机重量27kg、总传动比12。
带轮的设计
带轮材料的选择
带轮是带传动中的重要零件，它必须满足下列要求：
质量分布均匀；
安装时对中性好，转速高时要经过动平衡；
铸造和焊接时的内应力小；
轮槽工作面要精细加工（表面粗糙度一般为Ra=3.2）,以减轻带的磨损；
各槽尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等。
带轮材料主要采用铸铁，常用材料的牌号为HT150或HT200；
转速较高时宜采用铸钢（或用钢板冲击后焊接而成）；
小功率时可用铸铝或塑料。
带轮的结构设计
根据玉米脱粒机的具体传动要求，可选取电动机和主轴之间用V带和带轮的传动方式传动，因为在脱粒机的工作过程中，传动件V带是一个挠性件，它赋有弹性，能缓和冲击，吸收震动，因而使玉米脱粒机工作平稳，噪音小等优点。
虽然在传动过程中V带与带轮之间存在着一些摩擦，导致两者的相对滑动，使传动比不精确但不会影响玉米脱粒机的传动，因为玉米脱粒机不需要精确的传动比，只要传动比比较准确就可以满足要求，而且V带的弹性滑动对脱粒机的一些重要部件是一种过载保护，不会造成机体部件的严重损坏，还有V带及带伦的结构简单、制造成本底、容易维修和保养、便于安装，所以，在电动机与玉米脱粒机之间选用V带与带轮的传动配合是很合理的。
选择V带和带轮因当从它的传动参数入手，来确定V带的型号、长度和根数，再来确定导轮的材料、结构和尺寸（轮宽、直径、槽数及槽的尺寸等），传动中心距（安装尺寸），带轮作用在轴的压力（为设计轴承作好准备）。
主动轮的结构设计
带轮的结构设计主要是根据带轮的基准直径，选择带轮的结构形式，根据带的型号来确定带论轮槽的尺寸，设计如下：
主动带轮的结构选择
因为根据主动带轮的基准直径尺寸mmD1251=，而与主动带轮配合的电动机轴的直径是mmd381=，因此根据经验公式5.2（1³
D～47）31d～mmmm300114£
，所以主动带轮采用腹板式。
带轮参数的选择：
通过查《机械设计基础》一书，可以确定主动带轮的结构参数，结构参数如下表，其他的相关尺寸可以根据相应的经验公式计算求得。
主动带轮的厚度可以由计算
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