郭德偉，李 麗，俞利賓，閔 潔，張文斌

(紅河學(xué)院 a.工學(xué)院;b.商學(xué)院，云南 蒙自 661199)

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小型刮板式自動(dòng)收糧機(jī)的設(shè)計(jì)

郭德偉a，李 麗b，俞利賓a，閔 潔a，張文斌a

(紅河學(xué)院 a.工學(xué)院;b.商學(xué)院，云南 蒙自 661199)

針對(duì)目前農(nóng)村在糧食晾曬過程中，普遍依靠人將糧食掃在一起，然后用鏟子一點(diǎn)點(diǎn)把糧食鏟進(jìn)口袋，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低的問題，設(shè)計(jì)了一種小型的刮板式自動(dòng)收糧機(jī)。該機(jī)為滿足戶外使用的特點(diǎn)，以小型汽油機(jī)為動(dòng)力來源，依靠帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)軸，然后采用刮板與輸送帶相結(jié)合的方式將晾曬的糧食進(jìn)行自動(dòng)收集，同時(shí)在輸送帶末端裝有糧食漏斗，便于將收集好的糧食直接裝入漏斗口末端的口袋中。實(shí)際測試結(jié)果表明：該機(jī)解決了傳統(tǒng)手工收糧費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題，對(duì)于減輕糧農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度，便于對(duì)曬干后的各種農(nóng)作物進(jìn)行收集和灌包發(fā)揮了極大作用，值得進(jìn)一步推廣普及。

收糧機(jī)；小型；曬糧；刮板

0 引言

我國幅員遼闊，生產(chǎn)糧食的地理?xiàng)l件各不相同，每逢糧食收割季節(jié)，都有大批糧食要上市。糧食上市必須經(jīng)過收割、晾曬、加工等流程，而自動(dòng)化機(jī)械必不可少。晾曬這一環(huán)節(jié)在農(nóng)村中是最繁重的勞動(dòng)，糧食在地上曬干以后，必須將糧食掃在一起，然后一個(gè)人用鏟子一點(diǎn)一點(diǎn)把糧食鏟進(jìn)口袋，另外得有一個(gè)人張開口袋。這樣不但浪費(fèi)時(shí)間，而且勞動(dòng)強(qiáng)度很大。如果在曬糧時(shí)遭遇雨天，收糧的速度將直接影響著這一年的糧食收成。平原地區(qū)主要采用大型曬糧、收糧機(jī)械，而在丘陵山區(qū)大型機(jī)械根本不適用，且農(nóng)村主要是個(gè)體戶種植，為解決農(nóng)村個(gè)體戶曬糧、收糧困難這一難題，一種小型收糧機(jī)對(duì)農(nóng)村來說極其重要[1]。

目前，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了幾款收糧機(jī)，但都是大型收糧機(jī)，有的還是附帶卡車收糧的，適用范圍局限在大型曬場，對(duì)農(nóng)村并不適用。網(wǎng)絡(luò)上也出現(xiàn)了一些小型的收糧機(jī)專利，例如紀(jì)成明[2]設(shè)計(jì)的“糧食晾曬攤收機(jī)”由主機(jī)和吸收裝置組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要利用負(fù)壓的原理靠“吸收裝置”進(jìn)行收糧，但由于吸拾糧食需要機(jī)器的功率大，因此整機(jī)的體積較為龐大，不利于農(nóng)戶家庭使用。門振墩[3]設(shè)計(jì)的“直推式絞龍收糧機(jī)”，由收糧絞龍、送糧絞龍、步進(jìn)裝置和活動(dòng)出糧筒組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 糧食晾曬攤收機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 直推式絞龍收糧機(jī)結(jié)構(gòu)圖

其收糧工作主要靠兩個(gè)絞龍相互工作來完成，由于其在使用過程中需要電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此對(duì)于在戶外無外接電源的情況下使用不便。李忠恩[4]設(shè)計(jì)的“一種刮板式高速收糧機(jī)”，僅依靠刮板和截谷器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)糧食的收集，當(dāng)?shù)孛娌黄烬R時(shí)，將有可能導(dǎo)致收糧不徹底。

從以上分析可知，目前市場上出現(xiàn)的收糧機(jī)都不夠完善，大型收糧機(jī)比較適合平原地區(qū)使用，根本不能適用于農(nóng)村個(gè)體戶；而小型專利收糧機(jī)，存在制作繁瑣、結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜、精度要求高及造價(jià)昂貴等問題。因此，有必要設(shè)計(jì)一種小型的收糧機(jī)來解決糧農(nóng)在糧食晾曬過程中繁重的體力勞動(dòng)和生產(chǎn)效率低的問題。

1 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)的小型收糧機(jī)主要是把各種大型收糧機(jī)的收糧原理集于一體，以更好地提高收糧效率。大型收糧機(jī)大致分為3種：刮板式收糧機(jī)、傳送式收糧機(jī)及負(fù)吸式收糧機(jī)。負(fù)吸式收糧機(jī)主要靠“密封吸拾裝置”收糧，而其余兩種主要靠刮板及傳送帶掃糧、收糧。本設(shè)計(jì)的小型收糧機(jī)就是把其二者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，即刮板和傳送帶共同串聯(lián)工作的收糧裝置，框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 小型刮板式自動(dòng)收糧機(jī)框架結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力元件選擇

動(dòng)力元件是本設(shè)計(jì)的動(dòng)力來源，為輸送帶上的滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)、帶刮板的滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，因此動(dòng)力元件的功率和類型的選擇至關(guān)重要。由于小型收糧機(jī)多是在戶外工作，所以動(dòng)力元件只能選擇小型動(dòng)力機(jī)。選擇動(dòng)力機(jī)時(shí)，要保證動(dòng)力機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，動(dòng)力機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠，還需保證動(dòng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速能滿足需求。目前，市場上有兩種小型動(dòng)力機(jī)，分別是汽油機(jī)和柴油機(jī)。柴油機(jī)的市場價(jià)遠(yuǎn)超出汽油機(jī)，為保證造價(jià)額度，本設(shè)計(jì)采用小型汽油機(jī)作為動(dòng)力源。

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，刮板卷軸的轉(zhuǎn)速在120～160r/min為最佳，為輸送帶提供動(dòng)力的滾筒轉(zhuǎn)速在100～150r/min。由于傳送帶到刮板卷軸的傳動(dòng)是靠一對(duì)直齒輪嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)，所以速度要控制在齒輪能夠承受的范圍之內(nèi)，不宜過大。為了提高收糧效率，刮板卷軸速度可以比傳送帶轉(zhuǎn)速稍大，其間的傳動(dòng)差可以通過調(diào)節(jié)帶輪的大小來調(diào)節(jié)。所以，傳送帶轉(zhuǎn)速在100～150r/min之間都可以，在選擇減速機(jī)時(shí)可隨機(jī)確定。

一般通用汽油機(jī)都是高轉(zhuǎn)速汽油機(jī)，轉(zhuǎn)速范圍都在1 800～7 000r/min。市場上最常見的小型汽油機(jī)轉(zhuǎn)速為3 600r/min，所以本設(shè)計(jì)采用3 600r/min的小型汽油機(jī)。由于本設(shè)計(jì)的汽油機(jī)同時(shí)為輸送帶滾筒及刮板滾軸提供動(dòng)力，且汽油機(jī)產(chǎn)生的能量在傳遞過程中會(huì)有一定的損失，所以選取汽油機(jī)的功率必須大于刮板滾筒正常工作所需的功率。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，汽油機(jī)的功率選1.2kW。

綜合轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)及市場調(diào)查，選用的汽油機(jī)型號(hào)為通用小型汽油機(jī)152F，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 汽油機(jī)性能參數(shù)

2.2 傳動(dòng)元件的設(shè)計(jì)

2.2.1 減速機(jī)的選擇

通過在農(nóng)機(jī)市場上實(shí)地考察，減速機(jī)選用農(nóng)村小型機(jī)械所使用的蝸輪減速機(jī)。因?yàn)槠蜋C(jī)輸出轉(zhuǎn)速為3 600r/min，傳送帶所需轉(zhuǎn)速為100～150r/min，所以減速機(jī)選用WD-63型號(hào)，其速比是30∶1。則由速比公式n1/n2=30/1，可計(jì)算出傳送帶的轉(zhuǎn)速為n2=120r/min。

2.2.2 帶輪的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方式均為帶傳動(dòng)，帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉和緩沖吸振等特點(diǎn)，在日常生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛。帶傳動(dòng)中帶輪的選擇非常重要。帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用材料的牌號(hào)為HT150或HT200；轉(zhuǎn)速較高時(shí)宜采用鑄鋼(或用鋼板沖壓后焊接而成)；小功率時(shí)可用鑄鋁或塑料[5]。

由于汽油機(jī)本身攜帶一個(gè)直徑為70mm的帶輪。為便于計(jì)算，減速機(jī)帶輪選擇跟汽油機(jī)帶輪一致，即直徑為70mm。

綜上可得：只要選取刮板的帶輪比減速機(jī)帶輪直徑稍小，就能滿足刮板轉(zhuǎn)速稍大于傳送帶轉(zhuǎn)速。因此，試選擇刮板帶輪直徑為56mm，則傳動(dòng)比為n2/n3=56/70。由此可計(jì)算出刮板的轉(zhuǎn)速為n3=150r/min，滿足設(shè)計(jì)要求。即可確定刮板帶輪直徑為56mm。

2.2.3 刮板機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

刮板機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)糧食自動(dòng)收取的關(guān)鍵部件，在將小型自動(dòng)收糧機(jī)往前推進(jìn)的過程中，通過刮板的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，將晾曬在地上的糧食刮入輸送帶上，類似于掃帚掃地的動(dòng)作。刮板卷軸采用一根42CrMo的傳動(dòng)軸貫穿于直徑稍大的鋼管中，在實(shí)際制作時(shí)，先在鋼管上焊接一塊刮板，然后用一塊鐵皮把塑料掃帚夾在固定的刮板上，這樣的刮板共布置了3塊，其三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 刮板機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖

2.2.4 輸送帶滾筒的設(shè)計(jì)

輸送帶滾筒分為上下兩個(gè)，滾筒也是采用1根42CrMo的傳動(dòng)軸貫穿在1根直徑稍大的鋼管中，焊接而成，其三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

(a) 上滾筒

(b) 下滾筒

2.2.5 輸送帶的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的輸送帶主要承擔(dān)兩個(gè)任務(wù)：一是運(yùn)輸糧食；二收刮糧食。所以，本設(shè)計(jì)的輸送帶是在普通輸送帶上加上一個(gè)刮板，刮板起到刮收糧食及裝載糧食的作用，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

(a) 二維尺寸圖

(b) 三維結(jié)構(gòu)圖

2.3 底板的設(shè)計(jì)

底板是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處，類似于一個(gè)撮箕，功能與撮箕等同。底板與地面接觸，隨著收糧機(jī)向前移動(dòng)，底板也緊貼地面往前移動(dòng)，由刮板機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)糧食自然地收入底板腹中。其三維結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 底板的三維結(jié)構(gòu)圖

2.4 機(jī)架的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的小型刮板式自動(dòng)收糧機(jī)主要是直推式的收糧機(jī)，所以其外觀及操作方式類似于手扶式推車。在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到收糧及傳輸糧食的方便，機(jī)架大體形狀采用三角形，其二維尺寸圖和三維結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

(a) 二維尺寸圖

(b) 三維結(jié)構(gòu)圖

2.5 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

本設(shè)計(jì)的小型刮板式自動(dòng)收糧機(jī)主要由機(jī)架、傳送帶、滾筒、刮板、底板、汽油機(jī)及減速機(jī)等零部件組成，如圖9所示。收糧機(jī)的機(jī)架大體形狀是一個(gè)三角形，機(jī)架頂部設(shè)置有把手，機(jī)架底部前面裝有兩對(duì)車輪，機(jī)架底部后側(cè)裝有1對(duì)萬向輪，機(jī)架上裝有傾斜的輸送帶，輸送帶上裝有料斗，用于輸送糧食；輸送帶前端連接有一個(gè)帶有刮板的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，刮板轉(zhuǎn)動(dòng)把糧食往料斗上刮送；輸送帶的末端配裝有糧食漏斗，漏斗的出口朝下設(shè)置，糧食通過漏斗直接進(jìn)入漏斗末端的口袋內(nèi)；輸送帶的下面在機(jī)架的三角形空腔內(nèi)裝有小型汽油機(jī)。在進(jìn)行實(shí)物制作前，采用UG軟件進(jìn)行了三維建模設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，所得到的三維裝配圖如圖9(a)所示，圖9(b)采用三維爆炸圖的方式給出了小型刮板式自動(dòng)收糧機(jī)的各主要零部件組成。在實(shí)際制作實(shí)物時(shí)，考慮到成本，因此盡量采用廢舊材料進(jìn)行制作，最終完成的實(shí)物如圖9(c)所示。

(a) 三維建模

1.傳送帶 2.滾筒 3.機(jī)架 4.軸承座 5.螺栓 6.帶輪 7.輪子 8.減速機(jī) 9.汽油機(jī) 10.底板 11.刮板 12.傳動(dòng)軸 13.齒輪

(b) 三維爆炸圖

(c) 實(shí)物圖

工作原理：汽油機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)和下滾筒一起運(yùn)動(dòng)，下滾筒通過其上連接的帶輪將動(dòng)力傳送給底板上的傳動(dòng)軸，依靠齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)刮板作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；這樣刮板就類似一個(gè)連續(xù)性掃帚，而地板則類似一個(gè)緊貼于地面的撮箕。操作者用力往前推動(dòng)收糧機(jī)，刮板與運(yùn)輸帶一起工作，收起糧食并運(yùn)輸糧食，從而把糧食收進(jìn)漏斗下方事先懸掛好的口袋，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)收糧和灌包。

3 結(jié)論

1)整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，制造成本低，動(dòng)力消耗少，一個(gè)汽油機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)3個(gè)工作機(jī)構(gòu)。

2)實(shí)現(xiàn)了收掃、傳送和灌包一體化，收糧效率高。

3)通過實(shí)地收糧測試，本設(shè)計(jì)的小型收糧機(jī)能在15s內(nèi)將曬于地面的5kg糧食收進(jìn)口袋，收糧的干凈度幾乎為100%，值得在廣大農(nóng)戶中推廣使用。

[1] 祝贏.小型收糧機(jī)設(shè)計(jì)與制作[D]．蒙自：紅河學(xué)院，2014.

[2] 紀(jì)成明.糧食晾曬攤收機(jī)：中國，00245457.2[P]. 2001-12-05.

[3] 門振墩.一種直推式絞龍收糧機(jī)：中國，200720147517.9[P].2008-05-21.

[4] 李忠恩.一種刮板式高速收糧機(jī)：中國，201210191058.X[P].2014-04-23.

[5] 張文斌.自動(dòng)板栗脫殼機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015,37(8):104-106,111.

Design of Small Scraper Automatic Grain Collecting Machine

Guo Deweia，Li Lib，Yu Libina，Min Jiea，Zhang Wenbina

(a.College of Engineering; b.College of Bussiness, Honghe University, Mengzi 661199, China)

In current grain drying process, generally rely on people sweep grain together, and then use the shovel to put a little bit of grain into the pocket. Focusing on the current problem of high labor cost and low working efficiency, a new small scraper automatic grain collecting machine is designed.In order to meet the characteristics of outdoor use, this machine uses a small gasoline engine as its power source, then transmits power to the drive shaft relying on the belt drive. This machine also combines scraper and conveyor belt to collect the drying grain automatically. At the same time, grain could be put into the pocket because of the funnel equipped in the end of the conveyor belt. It is convenient for food collection by using the universal wheel and wheels, which will make the machine move around Shaichang conveniently. The practical testing results show that this machine could collect the drying grain to a great degree by using the novel collecting and transforming way, it will solve the traditional manual grain collecting time-consuming problem and reduce the labor intensity, it has great value to popularize.

grain collecting machine; small; grain drying; scraper

2015-12-01

云南省中青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人才項(xiàng)目(2014HB02 6)；云南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2014Z156)；紅河學(xué)院中青年學(xué)術(shù)帶頭人后備人才項(xiàng)目(2014HB0205)；紅河學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目(ZXKC1308)

郭德偉(1978-)，男，云南通海人，副教授，碩士，(E-mail)28659783@qq.com。

張文斌(1981-)，男，云南建水人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)georgezwb@sohu.com。

S225；TS255

A

1003-188X(2017)01-0106-05