馬 振，胡 斌，陳 永，王科杰，李俊虹

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

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聯(lián)合作業(yè)打瓜取籽機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與研究

馬 振，胡 斌，陳 永，王科杰，李俊虹

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

打瓜是新疆地區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)作物，其生產(chǎn)過程機(jī)械化程度低，嚴(yán)重制約了新疆大田生產(chǎn)的發(fā)展。為此，擬定了一種將打瓜破碎和分離清選的設(shè)計(jì)方案，闡述了破碎裝置的工作原理、結(jié)構(gòu)組成和結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)。通過取樣試驗(yàn)測得打瓜樣本的平均值，設(shè)計(jì)了對輥破碎機(jī)構(gòu)的間隙極限值，間隙極限值分別為dmax=100mm，dmin=20mm。闡述了籽瓤分離裝置的工作過程、結(jié)構(gòu)布局和結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種雙滾筒式分離清選裝置。通過取樣試驗(yàn)測得新疆地區(qū)打瓜籽的三軸尺寸樣本平均值，確定了內(nèi)外篩網(wǎng)孔的尺寸，內(nèi)外尺寸分別為20mm≤D1≤25mm，5mm≤D2≤8mm。通過對破碎、分離清選裝置的設(shè)計(jì)，提高了打瓜取籽機(jī)的工作效率，降低了破損率，對大面積種植模式，尤其是新疆地區(qū)具有促進(jìn)作用。

打瓜；對輥；破碎；籽瓤分離；雙滾筒

0 引言

籽瓜，俗稱打瓜，是葫蘆科西瓜屬普通西瓜的栽培變種。種植籽瓜主要是為了獲取瓜籽，是一種極具地域特色的農(nóng)產(chǎn)品。新疆是我國籽瓜的主要種植區(qū)，其種植面積已經(jīng)達(dá)到20萬hm2，因其氣候和土壤條件，極適宜種植籽瓜。籽瓜具有抗旱、投入成本低、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為新疆農(nóng)民主要增收的作物之一。籽瓜生產(chǎn)過程中收獲環(huán)節(jié)主要靠人工撿拾、列條列堆、人工喂入、機(jī)械脫粒，這些工作環(huán)節(jié)耗時(shí)長、用工量大、勞動強(qiáng)度高、效率低下，嚴(yán)重制約了新疆大田生產(chǎn)的發(fā)展。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，籽瓜的種植規(guī)模越來越大，人力投入及生產(chǎn)成本的消耗等問題日益突出，新疆地區(qū)的籽瓜收獲機(jī)械已無法滿足大面積種植的需求。

1 工作原理及關(guān)鍵部件

1.1 工作原理

聯(lián)合作業(yè)打瓜取籽機(jī)的工作部分包括撿拾裝置、破碎裝置、籽瓤分離裝置及收集裝置等，如圖1所示。該機(jī)通過牽引式拖拉機(jī)作為動力，撿拾裝置通過與機(jī)身的連接向前運(yùn)動；撿拾機(jī)構(gòu)通過纏繞瓜藤，將瓜扎起等方式將打瓜向上輸送，當(dāng)打瓜運(yùn)送至取瓜機(jī)構(gòu)位置時(shí)，打瓜被喂入破碎裝置；然后，通過咬合、擠壓的方式將打瓜破碎；接著，通過輸送機(jī)構(gòu)將被破碎的打瓜送入籽瓤分離裝置進(jìn)行籽瓤分離，最后將分離出的籽收集在收集箱內(nèi)。

圖1 聯(lián)合作業(yè)打瓜取籽機(jī)樣機(jī)

1.2 關(guān)鍵部件

聯(lián)合作業(yè)打瓜取籽機(jī)是將撿拾、破碎、分離、收集功能集于一體的聯(lián)合收獲機(jī)。本文研究的關(guān)鍵部件是破碎裝置和籽瓤分離裝置。打瓜破碎是實(shí)現(xiàn)籽瓤分離的前提和關(guān)鍵，提高打瓜的破碎程度有利于打瓜的籽瓤分離，設(shè)計(jì)一種高效的籽瓤分離裝置是設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。本文對破碎裝置和籽瓤分離裝置這兩個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。打瓜取籽機(jī)工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

2 破碎裝置的設(shè)計(jì)及分析

2.1 對輥破碎機(jī)構(gòu)的工作原理

對輥破碎機(jī)構(gòu)又稱雙輥式破碎機(jī)構(gòu)，通常由兩個(gè)圓柱形滾筒作為主要的工作機(jī)構(gòu)，工礦企業(yè)應(yīng)用較多。對輥破碎機(jī)構(gòu)工作時(shí)，兩個(gè)輥?zhàn)酉嘞蛐D(zhuǎn)，打瓜從兩輥上方給入，在輥?zhàn)颖砻婺Σ亮Φ淖饔孟拢瑢⒔o入的物料卷入兩輥所形成的破碎腔內(nèi)被破碎；破碎的小塊在重力作用下，從兩個(gè)輥?zhàn)又g的間隙排出。該間隙的大小決定了破碎產(chǎn)品的最大粒度。

2.2 對輥破碎機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

將打瓜破碎是聯(lián)合作業(yè)打瓜取籽機(jī)的重要環(huán)節(jié)之一。為了更好地實(shí)現(xiàn)打瓜破碎、降低籽的破損率，結(jié)合工礦企業(yè)的對輥破碎機(jī)構(gòu)的工作原理，設(shè)計(jì)了一種錐形和圓柱形相結(jié)合，并具備螺旋推進(jìn)功能的對輥破碎機(jī)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)打瓜的破碎功能，且降低了瓜籽的破損率。

圖3為對輥破碎機(jī)構(gòu)的正視示意圖。其兩個(gè)輥?zhàn)釉谕凰矫嫔?，左端為錐形，右端為圓柱形。打瓜的破碎分為兩個(gè)階段：第1階段，左端的撿拾裝置將撿拾的打瓜從上方投入到對輥機(jī)構(gòu)中，打瓜落入后首先接觸的是一對錐形輥；兩個(gè)錐形輥相向旋轉(zhuǎn)，通過表面齒的摩擦力，咬合打瓜并將打瓜向右端推進(jìn)，在推進(jìn)的過程中，兩錐形輥之間的間隙減小，打瓜被擠壓、破碎。第2階段，被破碎的打瓜進(jìn)入圓柱輥段，將打瓜進(jìn)一步破碎，并隨著螺旋部件推進(jìn)的方向運(yùn)動。兩個(gè)圓柱輥間距決定了打瓜的破碎程度，破碎的小塊從間隙落下，輸送機(jī)構(gòu)將細(xì)小塊打瓜送入籽瓤分離裝置端口，進(jìn)行籽瓤分離。圖4為對輥破碎機(jī)構(gòu)俯視示意圖。

（三）重師權(quán)，輕民主。在實(shí)驗(yàn)操作的過程中，會出現(xiàn)很多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理，這些數(shù)據(jù)直接決定了實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論的時(shí)候，經(jīng)常會出現(xiàn)教師霸權(quán)主義，教師缺乏科學(xué)的精神。

圖3 對輥破碎機(jī)構(gòu)正視示意圖

圖4 對輥破碎機(jī)構(gòu)俯視示意圖

2.3 對輥破碎機(jī)構(gòu)間隙尺寸的確定

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和對農(nóng)八師石河子周邊團(tuán)場的調(diào)研，從田地中隨機(jī)抽取20個(gè)大小均勻、無破損、無蟲害的打瓜作為樣本進(jìn)行測量。打瓜物理參數(shù)如表1所示。

表1 打瓜物理參數(shù)

由表1可知：農(nóng)八師石河子周邊團(tuán)場中的所取打瓜樣本長徑平均值為128mm，短徑平均值為114mm，質(zhì)量平均值為1.261kg。為了保證打瓜有效的破碎，同時(shí)通過打瓜的受力分析(見圖5)，最大間隙值取dmax=100mm。

圖5 打瓜受力簡圖

新疆地區(qū)主要種植的打瓜品種為內(nèi)蒙大片、內(nèi)蒙中片、內(nèi)蒙小片。石河子大學(xué)胡斌教授團(tuán)隊(duì)的成員選取在新疆地區(qū)種植的3類種子各300粒，用精度0.02的游標(biāo)卡尺分別測量長、寬、厚3個(gè)方向的尺寸，得出內(nèi)蒙大片的三軸尺寸為17.6mm×11.6mm×3.8mm；內(nèi)蒙中片的三軸尺寸為15.5mm×10.4mm×3.8mm；內(nèi)蒙小片的三軸尺寸為13.28mm×7.76 mm×2.75mm。因此，為了降低籽的破損率同時(shí)又提高打瓜的破碎率，最小間隙值取dmin=20mm。

3 籽瓤分離裝置的設(shè)計(jì)及分析

3.1 工作過程分析

本文設(shè)計(jì)了一種雙滾筒式分離清選裝置，如圖6所示。與其他分離裝置的不同之處在于本設(shè)計(jì)采用了兩級分離篩選，根據(jù)打瓜籽粒的大小分別設(shè)置了內(nèi)外滾筒上篩網(wǎng)孔的大小，同時(shí)兩個(gè)篩選裝置在同一軸上工作。

圖6 雙滾筒式分離清選裝置示意圖

首先，被破碎的打瓜從內(nèi)滾筒的右端開口處進(jìn)入，電機(jī)帶動軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動，固定在軸上的弧形刮片將瓜皮和瓤籽向左推進(jìn)；在推進(jìn)的過程中，籽和瓤在重力的作用下通過內(nèi)滾筒的大口徑篩網(wǎng)落入到外滾筒中，內(nèi)滾筒中的瓜皮繼續(xù)向左運(yùn)動，最后被排出。

當(dāng)籽瓤落入外滾筒時(shí)，籽瓤隨著外滾筒的轉(zhuǎn)動被焊接在外滾筒內(nèi)側(cè)的螺旋刮片向右推進(jìn)；籽瓤在向右運(yùn)動的過程中瓤通過篩網(wǎng)的小口徑孔排出，剩下的籽繼續(xù)向右運(yùn)動，最后下方的出口落入收集裝置。圖7為外滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 外滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 內(nèi)外篩網(wǎng)孔尺寸的確定

為了使雙滾筒分離清選裝置在新疆地區(qū)更具有適應(yīng)性，通過上述的打瓜籽取樣分析，可知3種打瓜籽品種的類型，其長度范圍主要其中在14～19mm，寬度主要集中在8～13mm，厚度主要集中在3～4mm。因此，為了保證籽瓤能夠從內(nèi)滾筒篩網(wǎng)上落入外滾筒，內(nèi)篩網(wǎng)的孔直徑應(yīng)取為20mm≤D1≤25mm，為了保證瓤通過外滾筒篩網(wǎng)排出，同時(shí)又保證籽不被排出，外篩網(wǎng)的孔直徑應(yīng)取為5mm≤D2≤8mm。

4 結(jié)論

1)通過分析國內(nèi)外打瓜取籽機(jī)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合對輥破碎機(jī)構(gòu)的原理，設(shè)計(jì)了一種錐形和圓柱形相結(jié)合的對輥破碎機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)具有螺旋推進(jìn)的功能，滿足了打瓜破碎的需要。

2)通過田間隨機(jī)取樣測量打瓜的尺寸，測得打瓜樣本長徑平均值為128mm，短徑平均值為114mm，確定最大間隙值取dmax=100mm；通過對新疆地區(qū)種植的3類打瓜種子取樣測量，確定最小間隙值取dmin=20mm。

3)設(shè)計(jì)了一種雙滾筒式分離清選裝置，通過兩級篩選的方式進(jìn)行瓜皮、瓤、籽的逐步分離，并對新疆地區(qū)打瓜籽的取樣測量三軸尺寸，確定了內(nèi)外篩網(wǎng)孔的尺寸。

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Research and Design on the Key Components of Combined Operation Seed Taking Machine of Seed Melon

Ma Zhen, Hu Bin, Chen Yong, Wang Kejie, Li Junhong

(Machinery and Electricity Engineering College, Shihezi University, Shihezi 832000,China)

Seed melon is one of the main economic crops in Xinjiang, and the mechanization degree of seed melon production process is low which restricts the development of Xinjiang large field production severely. According to these problems, this paper develops a design scheme on melon breaking and separation cleaning. It expounds the working principle of crushing device, structure parameters and size design. It measured seed melon samples and get the average by sampling experiment, the average is 128mm. By the results of sampling experiment, we design clearance limit value of double roller crusher mechanism, clearance limit values are dmax=100mm，dmin=20mm. It expounds the working process of seed-flesh separation device, structure layout and size design that designs a kind of double drum separating and cleaning device. It measured three-axis of seed melon samples and get the internal and external dimensions of screen mesh, the internal and external dimensions are 20mm≤D1≤25mm，5mm≤D2≤8mm, respectively. Through the design of crushing and separating cleaning devices, the work efficiency of the seed taking machine is improved, and reduces the rate of seed damage which is of great promotion to the large area planting pattern, especially in Xinjiang.

seed melon; double roller; crusher; seed-flesh separation; double drum

2016-06-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51265045)

馬 振(1993-)，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，(E-mail)18255183270@163.com。

胡 斌(1968-)，男，湖北英山人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)hb_mac@shzu.edu.cn。

S226.4；S225

A

1003-188X(2017)07-0121-04