林蜀云 劉偉 張明

摘要 貴州省油菜種植以坡地小地塊種植為主，同時一般都是冬季至春耕插秧閑置階段種植，所以種植較為分散，這導致了油菜機械化種植難度大、中大型機械難以推廣等問題。設計了一種小型油菜脫粒機，油菜脫粒機由脫粒滾筒組件、風機、振動篩、動力及傳動組件等組成。該小型油菜脫粒機結構簡單，重量輕，田間轉移方便，作業(yè)效果良好，具有較高的推廣價值。

關鍵詞 油菜;脫粒機;柴油機;滾筒

中圖分類號 S226.1文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2021）07-0208-04

Abstract The rape planting in Guizhou is mainly planted in small plots on sloping land， and it is generally planted in the stage of winter to spring， so the planting is scattered. This leads to large difficulty of mechanized planting of rape and the promotion difficulty of medium and large machinery. A small rape thresher was designed， including threshing drum assembly， fan， vibrating screen， power and transmission components and so on.The small rape thresher has the advantages of simple structure， light weight， convenient field transfer， good operation effect and high practical value.

Key words Rape;Thresher;Diesel engine;Drum

作者簡介 林蜀云（1989—），男，重慶人，工程師，碩士，從事特色經濟作物機械化收獲研究。*通信作者，高級工程師，從事油菜全程機械化研究。

我國由于人口基數(shù)大，所以油料消耗較大，所以我國也是油菜生產大國，種植面積約占全世界油料種植總面積的32%。貴州省2020年油菜播種面積44.57萬hm.2，產量達到77.25萬t，但貴州以坡地小地塊種植為主，同時一般都是冬季至春耕插秧閑置階段種植[1]，所以種植分散，這導致了油菜機械化種植難度大、中大型機械難以推廣等問題。由于油菜籽成熟期不一致，在這種背景下采用分段收獲[2]。筆者設計了一款小型可移動油菜脫粒機，以期提升油菜的收獲效率，降低勞動力成本。

1 脫粒機的工作原理及方案

1.1 脫粒機的工作原理

脫粒裝置工作過程中的物理現(xiàn)象是比較復雜的，歸納起來，主要靠沖擊﹑揉搓、梳刷等原理進行脫粒。結合油菜的脫粒特性，許江平[3]對2種不同脫粒分離裝置進行了研究，在實際工作中油菜的脫粒方式宜采用沖擊脫粒和揉搓脫粒相結合的脫離方式。

筆者設計的油菜脫粒機主要由喂入口、脫粒滾筒組件、風機、振動篩、動力及傳動組件、機架等組件組成（圖1），被割下的油菜經過一定時間的晾曬從脫粒機的喂入口喂入脫粒機的脫粒裝置內，在由脫粒滾筒與凹板組成的脫粒間隙里受到反復的沖擊與揉搓進行脫粒，被脫粒后的油菜籽和細小秸稈以及果莢殼通過凹板篩孔掉入由振動篩與風機組成的清選裝置，進行清選。較大的秸稈和果莢以及夾帶的一些油菜籽則通過機械的排出口排出，小雜余及夾帶的油菜籽經排出口上的篩孔掉入下面的清選裝置，與從凹板篩孔掉下的脫出物一同經受風機和振動篩的作用，進行清糧，小雜余被風機吹出機外，油菜籽進入集糧裝置，排出口上的大脫出物被排出機外。

1.2 技術參數(shù)

外形尺寸長、寬、高分別為1 600、1 600、1 200 mm;配套動力3.3 kW（柴油發(fā)動機）;

喂入量0.2 kg/s;滾筒轉速750 r/min。

2 關鍵零部件設計

2.1 傳動設計

2.1.1 傳動方案分析。

V帶傳動具有容易安裝、占地面積小、有彈性、能夠緩和沖擊、吸收震動等一些優(yōu)點，因此能適應農用機械工作環(huán)境惡劣、載荷變化大的情況，所以選用V帶傳動可使脫粒機工作平穩(wěn)，同時可以降低噪音。如圖2所示，原動機通過V帶把動力傳送到滾筒軸的一端，帶動滾筒的轉動進行脫粒做功，同時滾筒的另一端裝有V帶輪，把動力傳到風機和振動篩，進行清選。

2.1.2 驅動功率估算。

脫粒裝置在工作時，在運轉穩(wěn)定性較好，其功率總耗用N由三部分組成：其一用于克服滾筒空轉而消耗的功率，其二用于脫粒功率，其三用于清選功率?？偣β视嬎愎饺缦拢?/p>

（1）脫粒功率消耗。

估算軸流式滾筒脫粒機滾筒消耗的功率為10 kW/（kg·s）[3]，該機設計的喂入量為0.2 kg/s。

選擇由于脫粒機能在場上可以移動，所以不能用一般的電動機來作動力，而是要用柴油機或者汽油機來做動力，用KM-173F柴油發(fā)動機作為動力，其額定功率為3.3 kW。

2.2 脫粒滾筒結構設計

2.2.1 脫粒滾筒布置方式。

脫粒部分是整個脫粒機械的核心部分之一，油菜的脫粒效果及清選的難易程度與這一部分有關，這方面包含脫粒裝置的類型、滾筒的形式、滾筒上脫粒元件的形式以及凹板的形式及包角、滾筒的尺寸及轉速等?，F(xiàn)在脫分裝置的形式主要有軸流式和切流式2種。所謂切流式的脫粒是指作物從滾筒的切向喂入，脫粒后又從滾筒的切向排出，而軸流式脫分裝置脫粒時則是作物沿軸向流動，從一端喂入，從另外一端排出雜質等（圖3）。切流式脫分裝置的優(yōu)點是結構比較簡單，能耗相對小，但脫凈率不高。為便于作業(yè)及田間轉場，采用徑向喂入，徑向排出作為脫粒裝置布置形式。

2.2.2 脫粒滾筒結構設計。

滾筒直徑直接影響脫粒的效果，若直徑太小容易纏繞作物[4]，也使凹板分離面積減小，滾筒直徑大則能適應大的喂入量。此次設計采用桿齒作為脫粒元件，在實際計算中要考慮到喂入油菜的莖稈包裹滾筒的包角α，應該滿足以下條件：

α2π×πd≥Ld≥2Lα（6）

結合生產經驗可知，喂入滾筒的長度（L）一般為400～650 mm，考慮到貴州油菜濕度大，這里設計取600 mm[5]。對于包角α，其大小與脫粒的質量和功耗有關。在一定范圍內，包角α越大，脫粒效果越好，但脫粒的功耗增大，其中包角一般為150°～240°，以180°居多，故而：

d≥2Lα=2×600π=382 mm（7）

根據設計經驗及貴州種植油菜作物特性[4]，選擇滾筒直徑為500 mm。脫粒間隙也是影響脫粒效果的重要因素之一，間隙小分離能力強，但莖稈破碎多，難分離，間隙大則有相反的優(yōu)缺點，結合油菜的植株特點（其莖干直徑一般為20 mm左右）和實際生產經驗，確定此次設計的脫粒間隙為20 mm。

脫粒滾筒組件結構如圖4所示。為避免脫粒的重量太大，滾筒的形式采用開式滾筒，由3個輻盤支撐，上面均勻分布6條橫板，橫板用螺栓固定在輻板上，橫板上布置有脫粒桿齒，經比較發(fā)現(xiàn)采用圓柱桿齒較為合適，滾筒上的桿齒按螺旋線排列，同時確定桿齒的螺線頭數(shù)為3，齒跡距為40 mm，齒距為80 mm，脫粒桿齒高度為60 mm，直徑為12 mm。

2.2.3 柵條阻尼篩的結構設計。

阻尼篩決定了生產效率，決定喂入速度。此次設計采用柵格式凹板，主要由螺旋板、側弧板和篩條等組成。柵條阻尼篩如圖5所示。根據凹板直徑與生產率的關系和實際生產情況，結合滾筒直徑和脫粒間隙，此次設計選取的凹板直徑為700 mm。

2.3 多級清選組件結構設計

清選裝置的作用是將經過脫粒裝置脫下和分離裝置分出來的谷物混合物中的穎殼、碎莖等清除干凈，將細小雜物排出機外，得到清潔的谷粒[6]。目前主要有氣流式清選裝置、風扇篩子式清選裝置以及氣流清選筒等。如圖6所示，風扇篩子式清選裝置主要包含風機和振動篩部分，振動篩與離心風機用于清除從滾筒中落下的油菜籽中細雜余，結合蔡婷婷等[4]對油菜分段收獲脫粒清選實驗以及稻麥脫粒機的清選裝置，此次設計決定采用雙層振動篩加離心風機的方法，振動篩及風機的各種參數(shù)根據油菜籽及雜余的參數(shù)進行設計。

2.3.1 雙級清選篩結構設計。

油菜籽直徑極小，雖然不同品種間存在差異，但直徑不足1.5 mm，為取得較好的分離效果，設計為雙層的振動篩上、下2層配置，參考徐立章等[7]及甘元芳[8]對油菜脫粒分離裝置的研究成果，此次設計的上層篩子為開度10 mm的魚鱗篩，下篩為直徑4 mm的圓孔篩。上篩主要將破秸稈和殘穗等分離出來，起粗篩的作用;下篩主要選出干凈的油菜籽，起精篩作用，2層篩間隔100 mm。如圖7所示，振動篩的一端和曲軸連接，另一端用吊桿連接在機架上，通過曲軸的轉動來實現(xiàn)振動篩架的往復運動。

振動篩面積設計：

A=BL=Qs/qs（8）

式中，B為篩的寬度，對于橫軸流滾筒脫粒機，B接近于脫離裝置的寬度，這里取800 mm;

Qs為進入清糧裝置谷粒混合物料的重量，為0.2 kg/s;

L為篩子的長度，單位為mm;

qs為篩面可以承擔谷粒混合物的喂入量，單位為kg/s;可調魚鱗篩直徑為1.5～2.0 mm，不可調篩子則為可調篩子的50%。

代入數(shù)據，得到A=0.5。

由此可確定上篩魚鱗篩長為650 mm，下篩一般比上篩略短（500 mm）。

根據上述結果確定吊桿長度為100 mm，綜合考慮振動幅度可知曲柄的長度（r）一般為23～30 mm，試驗取25 mm，而連桿長度大于篩網長度，故而曲軸半徑遠小于連桿長度，因此可認為篩子做直線擺動。

為保證有較好的清選效果，篩網傾斜角度應小于油菜種子的休止角（摩擦角），查閱相關資料可以確定油菜種子休止角最小為16.0°，考慮到效率取13°[9]。

2.3.2 風機選型計算。

通過測定油菜脫出物中各物料的懸浮速度可知，角果殼的懸浮速度為5.4～6.1 m/s，低于油菜籽的懸浮速度

（6.3～7.0 m/s），而短莖稈的懸浮速度（65～7.3 m/s）大于油菜籽的懸浮速度（6.3～7.0 m/s），但短莖稈直徑大，可以通過一級振動篩清洗分選，角果殼可以通過二級振動篩分離。鑒于以上情況，最佳氣流速度為5～6 m/s。

風選機構采用農機中廣泛使用的農用型風機，雙面進氣，葉片平直，外形為切角矩形，這樣能使氣流沿出口寬度方向的不均勻性別得到改善，殼體采用圓筒形。

2.4 機架結構設計及模態(tài)分析

設計機架采用40 mm×40 mm×3 mm方形管焊接成型，由于振動篩為曲柄驅動，并且也將產生周期波動載荷。為了保證機架壽命[10]，對機架進行模態(tài)分析，一、二、三、四、五、六、七、八階頻率分別為31476、41.342、50.149、62.158、73.662、78.821、93.853、97724 Hz。在模態(tài)分析中，低階模態(tài)所占權重最大，高階模

態(tài)能量占比較低，因此對該機架前8階模態(tài)重點分析（圖8）。最高自有頻率為97.724 Hz，而振動篩工作頻率最低為350 Hz，故而不易發(fā)生共振。

3 結論

筆者根據貴州生產狀計及山地丘陵特色的情況，設計了小型油菜脫粒機，結構簡單，重量輕，田間轉移方便，作業(yè)效果良好。脫粒結合大量前人設計經驗，清選采用二級振動篩配合風選的方式[11]，技術成熟，保證了作業(yè)效果，具有較高的推廣價值，且生產成本相對較低。

參考文獻

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