張 琴，王保愛(ài)，張克盛，謝曉麗，丁曉斌，盧佳成

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

苜蓿種植面積廣，是一種優(yōu)良的牧草。目前，苜蓿種植存在的一個(gè)較大的問(wèn)題是產(chǎn)量相對(duì)較低并且常伴有不穩(wěn)定性，并且播前環(huán)節(jié)的機(jī)械化程度很低。經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿種子存在硬實(shí)現(xiàn)象是產(chǎn)量低的一個(gè)很重要的原因[1，2]，我國(guó)目前對(duì)于利用機(jī)械設(shè)備解除種子種皮硬實(shí)的研究甚少，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)孫步功等設(shè)計(jì)了一種摩擦式硬實(shí)處理裝置，主要利用摩擦盤(pán)與螺旋式輸料裝置之間的摩擦磨損產(chǎn)生的揉搓力進(jìn)行解除種皮硬實(shí)，效果較好[3]。段慧敏等以現(xiàn)有的5種脫殼處理機(jī)作為研究對(duì)象，通過(guò)科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，研究表明：摩擦式處理機(jī)對(duì)于解除硬實(shí)效果最好[4]。

筆者以苜蓿種子的生物力學(xué)特性參數(shù)為依據(jù)，重點(diǎn)對(duì)硬實(shí)處理裝置的碾壓部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)其他部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本裝置的設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)人工解除硬實(shí)耗時(shí)費(fèi)力效率低下的問(wèn)題，為后期機(jī)械化解除硬實(shí)提供了參考價(jià)值。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)本設(shè)計(jì)要求和工作目的設(shè)計(jì)一種碾壓式硬實(shí)處理裝置[5]，本設(shè)計(jì)主要完成進(jìn)料、碾壓、出料、分離工作，圖1為本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該結(jié)構(gòu)主要完成種子的進(jìn)料、碾壓、出料、分離和收集工作。

1.2 工作原理

如圖2所示，電動(dòng)機(jī)輸入動(dòng)力，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸22繞自身旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)拉架13、輥?zhàn)?4、料板17和料刷16旋轉(zhuǎn)，種子由進(jìn)料口進(jìn)入后，經(jīng)導(dǎo)種管喂入輥?zhàn)忧岸?，?jīng)一定時(shí)間碾壓后，先后由料板17推入碾壓臺(tái)邊緣的料槽，由料刷16清理至出料口，再經(jīng)過(guò)篩板分離和輸送，最后收集。

2 主要工作部件的設(shè)計(jì)

2.1 進(jìn)料部件設(shè)計(jì)

喂料斗外形設(shè)計(jì)為圓錐形，進(jìn)量大小設(shè)計(jì)為可調(diào)，如圖3所示，動(dòng)板3可以在移動(dòng)槽1內(nèi)分別對(duì)應(yīng)3個(gè)不同的位置，分別對(duì)應(yīng)3種不同的進(jìn)料口大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)3種喂料量的大小。工作時(shí)輥?zhàn)幼鰣A周運(yùn)動(dòng)，為了保證連續(xù)工作，設(shè)計(jì)導(dǎo)種管同輥?zhàn)幼鐾睫D(zhuǎn)動(dòng)，保證導(dǎo)種管將種子喂入輥?zhàn)忧岸?，進(jìn)料部分1（圖1）位于裝置中心處固定不變，本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)料口與導(dǎo)種管的連接處用軸承相連接，如圖3所示，導(dǎo)種管5上端設(shè)計(jì)有銷孔，通過(guò)銷4連接與固定于進(jìn)料斗下端的軸承2內(nèi)圈的伸長(zhǎng)套筒相連接，軸承外圈與進(jìn)料斗固定連接，內(nèi)圈焊接伸長(zhǎng)套筒與導(dǎo)種管5連接；導(dǎo)種管下端設(shè)計(jì)為陡坡擴(kuò)口形狀，保證種子在喂入輥?zhàn)忧白畲蟪潭绕戒佊谀肱_(tái)上，使種子碾壓時(shí)受力均勻。

2.2 碾壓部件設(shè)計(jì)

如圖4所示，電機(jī)通過(guò)皮帶輪及換向錐齒輪傳遞將動(dòng)力傳給轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸繞自身旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸上端固定連接的拉架隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，拉架帶動(dòng)輥?zhàn)幼鰣A周運(yùn)動(dòng)完成對(duì)種子表皮的碾壓。

要達(dá)到解除硬實(shí)的目的，即：碾壓部分工作時(shí)輥?zhàn)优c碾壓臺(tái)之間作相互運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生摩擦力作用于苜蓿種子表面的同時(shí)不能破壞種子條件[6]，輥?zhàn)訉?duì)種子的摩擦力大小應(yīng)滿庫(kù)侖定律Ff=μN(yùn)，參照苜蓿種子三軸尺寸：長(zhǎng)度L=2.33 mm、寬度B=1.49 mm、厚度H=0.85 mm。假設(shè)進(jìn)入穩(wěn)定工作后種子喂入量的大小為5 000粒/s，（碾壓臺(tái)尺寸的設(shè)計(jì)也由種子喂入亮進(jìn)行設(shè)計(jì)）則輥?zhàn)訉?duì)種子的正壓力大小應(yīng)滿足公式：

式中：N——輥?zhàn)淤|(zhì)量（N）；ρ——輥?zhàn)硬牧系拿芏?；L——輥?zhàn)虞S向長(zhǎng)度（mm）；R——輥?zhàn)訄A周半徑（mm）；g——重力加速度（m/s2）；x——近似承受輥?zhàn)訅毫Φ姆N子群體數(shù)量；f——苜蓿種子承受正壓力（N）。

帶入相應(yīng)數(shù)據(jù)得N≤28.8kg。設(shè)計(jì)主軸轉(zhuǎn)速為97 r/min，則中心轉(zhuǎn)軸需要功率為：Ff=μMg+μ2（xm+M）g，與功率公式P=Fv=FωR=μN(yùn)·ωR式中摩擦系數(shù)μ取系數(shù)達(dá)0.861[7]，粗略可得功率約為1.56kW；按軸受純扭矩并降低需用用力值得方法得到軸的設(shè)計(jì)公式為：

式中：d——受扭矩段最小直徑（mm）；C——決定于許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的系數(shù)；P——軸傳遞功率（kW）；n——軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。

代入可得中心轉(zhuǎn)軸最小直徑d=26.36～31.30 mm；取中心轉(zhuǎn)軸最小直徑為28 mm?？紤]中心轉(zhuǎn)軸的輸入、輸出動(dòng)力、中間連接部分安裝。設(shè)計(jì)碾壓臺(tái)的直徑為580 mm。

2.3 出料部件和分離部件設(shè)計(jì)

如圖5所示，分離部分由分離篩板和螺旋輸送器組成，種子由出料口流出落下至分離篩板，分離篩板作往復(fù)擺動(dòng)，擺動(dòng)過(guò)程中沙子從篩板上的孔眼落下至螺旋輸送器進(jìn)而至硬實(shí)處理裝置側(cè)面的出口進(jìn)行收集，種子在分離篩板的上表面隨分離篩板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)最終由出料口10進(jìn)行收集。

本設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)是針對(duì)種子群體進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)破壞力也是考慮種子群體均勻受力，但在工作中沒(méi)有辦法保證種子群體為均勻受力，因此設(shè)計(jì)種子在解除硬實(shí)前與砂子進(jìn)行混合，這樣在碾壓等解除硬實(shí)過(guò)程中可以進(jìn)一步增大種子種皮的摩擦磨損同時(shí)砂子的硬度相對(duì)較大可以對(duì)種子進(jìn)行一定程度的保護(hù)（見(jiàn)圖6），輥?zhàn)又亓ψ饔孟聦?duì)種子產(chǎn)生外力F向下擠壓:由于砂子硬度較大，可以防止碾輥繼續(xù)下壓，進(jìn)而避免苜蓿種子被過(guò)度損傷而降低發(fā)芽率。

本研究設(shè)計(jì)，體積小質(zhì)量輕，操作方便，工作中較好地利用了傳統(tǒng)石碾的摩擦磨損工作原理，以苜蓿種子破壞性能作為參考依據(jù)，理論角度來(lái)說(shuō)較好的解決了已有機(jī)械化解除硬實(shí)存在的種子傷損率較高的現(xiàn)象，同時(shí)也解決了傳統(tǒng)人工解除硬實(shí)耗時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以苜蓿種子生物力學(xué)特性參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，結(jié)合北方石碾碾壓原理及力學(xué)分析計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種碾壓式苜蓿種子硬實(shí)處理裝置，并對(duì)其他輔助部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，以苜蓿種子破壞性能作為設(shè)計(jì)依據(jù)，為后期的種子解除硬實(shí)研究與硬實(shí)處理裝置的設(shè)計(jì)提供一定的參考。