王旖旎 李逢振 黃通靈

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421005）

0 引言

玉米是重要的糧食作物和飼料作物[2]，也是全世界總產(chǎn)量較高的農(nóng)作物之一，其種植面積和總產(chǎn)量?jī)H次于水稻和小麥。玉米一直都被譽(yù)為健康食品，含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、微量元素和纖維素等，具有開(kāi)發(fā)高營(yíng)養(yǎng)、高生物學(xué)功能食品的巨大潛力。一直以來(lái)我國(guó)各地都有種植，尤以東北、華北和西南各省較多，是我國(guó)重要的糧食作物之一，僅次于水稻。近些年來(lái)，隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和玉米品種的改善，南方各地也開(kāi)始種植玉米且逐漸形成規(guī)模。玉米收獲的季節(jié)，玉米脫粒成了種植農(nóng)戶最常見(jiàn)又最繁重的勞作方式之一。因此玉米脫粒設(shè)備一直受到人們普遍關(guān)注。為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)者負(fù)擔(dān)，國(guó)內(nèi)很多相關(guān)學(xué)者投入農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的研制與推廣應(yīng)用中。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和農(nóng)機(jī)研發(fā)的不斷深入，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平日益提高，各種農(nóng)機(jī)設(shè)備不斷出現(xiàn)，玉米脫粒設(shè)備領(lǐng)域推陳出新。原先玉米手工脫粒已逐漸被半自動(dòng)化、自動(dòng)化機(jī)械脫粒所代替，節(jié)省了時(shí)間，提高了效率。但是，就當(dāng)前市面上使用的玉米脫粒機(jī)來(lái)看，小型玉米脫粒機(jī)雖然機(jī)型小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是玉米脫粒時(shí)產(chǎn)生的灰塵較多，影響操作者身體健康。而且單個(gè)家庭使用工作時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，脫粒又不夠干凈；大型商用玉米脫粒機(jī)雖然效率高，脫粒效果好，但其體積龐大、成本高[1]、工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲較大。因此，2種玉米脫粒機(jī)不太適合單個(gè)普通農(nóng)戶使用，很難普及。

基于此，我們從經(jīng)濟(jì)實(shí)用性、衛(wèi)生安全性和高效普適性等方面綜合考慮，通過(guò)整合前述玉米脫粒機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，加以創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一款新型玉米脫粒機(jī)，既能像小型玉米脫粒機(jī)一樣簡(jiǎn)便、輕巧，又能像大型玉米脫粒機(jī)那樣脫粒效率高、脫粒效果好，同時(shí)又能降噪除塵，具有很好的實(shí)用意義[1]。

1 新型玉米脫粒機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型玉米脫粒機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。主要由進(jìn)料斗、打粒裝置、篩分裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、吸風(fēng)風(fēng)機(jī)、布袋除塵器、玉米粒出料槽、玉米棒芯出料槽和機(jī)殼等部分組成。

圖1 玉米脫粒機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

其中，進(jìn)料斗位于脫粒機(jī)最上方，通過(guò)第一軸承與打粒裝置、上端連接。打粒裝置包括第一打粒筒和第二打粒筒，2個(gè)打粒筒外側(cè)均固定有皮帶輪，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)皮帶與第一打粒筒連接，第二打粒筒通過(guò)皮帶與第一打粒筒連接。打粒裝置下端與第二軸承相連接，第二軸承固定在機(jī)殼內(nèi)的機(jī)架上。篩分裝置設(shè)置在第二軸承正下方，篩分裝置上端固定在靠近機(jī)殼內(nèi)壁的擋板上，篩分裝置和擋板下方設(shè)有玉米粒出料槽。驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在連接板上，連接板垂直焊接在機(jī)殼內(nèi)側(cè)。吸風(fēng)風(fēng)機(jī)固定在殼體內(nèi)的機(jī)架上，吸風(fēng)風(fēng)機(jī)通過(guò)塑料軟管與布袋除塵器連接，布袋除塵器下方設(shè)有玉米棒芯出料槽。

1.2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

1.2.1 進(jìn)料斗和玉米粒出料槽的設(shè)計(jì)

進(jìn)料斗位于玉米脫粒機(jī)最上端，是玉米棒進(jìn)入脫粒機(jī)的入口。進(jìn)料快慢直接影響著脫粒質(zhì)量。當(dāng)進(jìn)料速度太慢時(shí)，玉米棒不能充滿整個(gè)打粒筒，脫粒元件與玉米棒接觸不充分，棒與棒之間的摩擦少，導(dǎo)致脫粒不完全；當(dāng)進(jìn)料速度太快時(shí)，隨著玉米棒不斷補(bǔ)充，玉米棒很快就會(huì)充滿整個(gè)打粒筒，玉米棒與脫粒元件、棒與棒的接觸頻率會(huì)加快，在一定程度上會(huì)增加脫粒效率，但是同時(shí)玉米粒也會(huì)受到脫粒元件多余的機(jī)械力，額外受損，破碎率上升；當(dāng)玉米棒不斷補(bǔ)充達(dá)到某種程度時(shí)，有些未脫凈的玉米棒會(huì)被擠至筒底，造成脫粒不徹底。要使玉米粒能夠在筒內(nèi)進(jìn)行充分脫粒，必須保證玉米棒填滿整個(gè)打粒筒，在打粒筒的帶動(dòng)下，一方面打粒元件對(duì)玉米粒施加機(jī)械力，同時(shí)棒與棒之間的碰撞作用都會(huì)使玉米粒從棒上脫離。

該設(shè)計(jì)進(jìn)料斗形狀為“V”形，入口傾斜度為45°～50°，覆蓋1個(gè)帶缺口（進(jìn)料口）的透明有機(jī)玻璃蓋（圖中未畫(huà)出），用來(lái)觀察筒內(nèi)打粒情況，隨時(shí)調(diào)節(jié)玉米棒進(jìn)料速度以獲得滿意的打粒效果；此外，玻璃蓋的設(shè)置，還有防止玉米粒飛濺傷人，且在一定程度上起到防塵的作用。

玉米粒出料槽，是將脫粒完并除塵去雜后的玉米粒收集起來(lái)，輸送至機(jī)外。傾斜度設(shè)為55°左右。

進(jìn)料斗和玉米粒出料槽均與玉米粒直接接觸，制造材料的選取直接影響著玉米粒的安全衛(wèi)生。從這點(diǎn)出發(fā)，為使玉米粒不受污染，進(jìn)料斗和玉米粒出料槽都采用不銹鋼板制成，厚度為2 mm[2]。

1.2.2 打粒裝置的設(shè)計(jì)

在玉米脫粒機(jī)中，打粒裝置的作用是將玉米粒和玉米棒芯等雜余分離開(kāi)來(lái)以達(dá)到脫粒的目的。玉米脫粒過(guò)程中，打粒裝置起著最關(guān)鍵的作用，直接影響脫粒效率，其設(shè)計(jì)好壞直接決定玉米脫粒機(jī)的質(zhì)量。

打粒過(guò)程實(shí)質(zhì)是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程。為了對(duì)打粒裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，該脫粒機(jī)在傳統(tǒng)單一滾筒的基礎(chǔ)上增設(shè)1個(gè)打粒筒（圖1）。打粒筒內(nèi)壁設(shè)有若干打粒凸塊，呈圓周陣列分布（圖2）。該裝置通過(guò)2個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的打粒筒帶動(dòng)內(nèi)壁的打粒凸塊對(duì)玉米棒進(jìn)行擊打和揉搓，從而達(dá)到玉米脫粒的目的。如果不考慮其他因素的影響，在相同功率相同轉(zhuǎn)速下，相同時(shí)間內(nèi)雙筒比單筒消耗和轉(zhuǎn)化的能量多一倍，產(chǎn)生的效率亦提高一倍，從而達(dá)到高效脫粒的目的。

圖2 打粒裝置結(jié)構(gòu)圖

這種結(jié)構(gòu)的設(shè)置，增加了打粒過(guò)程中玉米棒與打粒裝置的接觸面積，使打粒更充分，從而快速脫粒、干凈脫粒。

為保證玉米粒的衛(wèi)生安全，打粒筒、凸塊均采用不銹鋼板制成。

打粒筒在打粒過(guò)程中需要承受較大的沖擊力，厚度設(shè)置為3 mm～4 mm。這樣可以保證打粒筒的機(jī)械強(qiáng)度。

凸塊表面采用氮化處理，以提高表面硬度，減少磨損。

1.2.3 皮帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)玉米脫粒機(jī)的具體傳動(dòng)要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與第一打粒筒、第二打粒筒與第一打粒筒之間都選用“V”形皮帶傳動(dòng)，“V”形皮帶本身是一個(gè)撓性件，它的彈性可以吸收振動(dòng)、緩和沖擊，對(duì)脫粒機(jī)在運(yùn)行時(shí)起到一定的保護(hù)作用[5]，避免對(duì)機(jī)體產(chǎn)生損壞，使傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小，能夠滿足玉米脫粒機(jī)的傳動(dòng)要求。除此之外，皮帶及皮帶輪的制作和安裝比較簡(jiǎn)單，易于后期維修和保養(yǎng)，因此選用“V”形皮帶傳動(dòng)經(jīng)濟(jì)、合理。

1.2.4 吸風(fēng)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)

在玉米清選過(guò)程中，要完成玉米粒與灰塵泥土等雜質(zhì)的分離[4]，風(fēng)機(jī)是很關(guān)鍵的部件。風(fēng)機(jī)吹出的風(fēng)量和風(fēng)速直接影響著清選質(zhì)量的高低，為此，裝置內(nèi)設(shè)有吸風(fēng)風(fēng)機(jī)（圖1），其風(fēng)速可調(diào)，即可根據(jù)打粒過(guò)程中的實(shí)際需要，隨時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)力大小。

風(fēng)機(jī)右側(cè)設(shè)有不銹鋼細(xì)網(wǎng)罩，細(xì)網(wǎng)罩的孔徑小于玉米粒尺寸。這樣保證了玉米粒不被吸入吸風(fēng)風(fēng)機(jī)中，玉米粒的產(chǎn)率不會(huì)受到影響。

1.2.5 布袋除塵器的設(shè)計(jì)

布袋除塵器如圖1所示，是一種干式除塵裝置。它將捕集打粒過(guò)程中產(chǎn)生的各種灰塵、泥沙顆粒等雜質(zhì)。稍大一點(diǎn)的顆粒由于自身重力的作用自然沉降下來(lái)，小顆粒和灰塵在風(fēng)機(jī)作用下，遇布袋被阻留，不會(huì)飛揚(yáng)到空氣中，這樣減少了粉塵污染。

1.2.6 機(jī)殼、機(jī)架及吸音棉的設(shè)計(jì)

如圖1所示，機(jī)殼呈圓筒型，用鋼板焊接而成，板厚約2mm，材料為Q235[3]。為防止機(jī)殼表面生銹，內(nèi)、外表面均須進(jìn)行防銹處理。

機(jī)架是脫粒機(jī)的重要支撐部件，它將各機(jī)構(gòu)連接組成一個(gè)整體。該脫粒機(jī)的機(jī)架包括機(jī)殼內(nèi)與第二軸承相連的機(jī)架（以下稱(chēng)上機(jī)架）、與吸風(fēng)風(fēng)機(jī)相連的機(jī)架（以下稱(chēng)下機(jī)架）以及機(jī)殼，上機(jī)架支撐2個(gè)打粒筒、軸承及待打粒的玉米棒，下支架支撐吸風(fēng)風(fēng)機(jī)，因此設(shè)計(jì)機(jī)架時(shí)需要保證整個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，即確保脫粒機(jī)正常工作過(guò)程中不會(huì)晃動(dòng)或倒塌等。該設(shè)計(jì)的機(jī)架采用厚14mm，寬40mm的扁鋼焊接而成，第二軸承直接焊接在上機(jī)架上，吸風(fēng)風(fēng)機(jī)則通過(guò)螺栓等緊固件安裝在下機(jī)架上。

機(jī)殼內(nèi)側(cè)還設(shè)有吸音棉。吸音棉是一種人造無(wú)機(jī)纖維，它將聲能轉(zhuǎn)化成熱能，起消音的作用。這樣設(shè)置，主要用來(lái)吸收玉米脫粒過(guò)程中機(jī)器產(chǎn)生的噪聲，減少了噪聲污染。

1.2.7 篩分裝置的設(shè)計(jì)

圖1中的篩分裝置呈斜坡放置，斜坡水平角度為30°。玉米棒芯出料槽設(shè)置在篩分裝置左下方，玉米粒出料槽設(shè)置在篩分裝置正下方。

篩分裝置由數(shù)條不銹鋼管焊接而成，如圖3所示。鋼管等距分布，鋼管之間的間距要小于玉米棒芯直徑，同時(shí)大于玉米粒的尺寸。打粒時(shí)玉米粒通過(guò)鋼管之間掉落到下方的玉米粒出料槽中，經(jīng)玉米粒出料槽流出，玉米芯則從左側(cè)玉米芯棒出料槽滾落出來(lái)，將玉米粒和雜質(zhì)分隔開(kāi)。這樣，實(shí)現(xiàn)了玉米粒與玉米棒芯的自動(dòng)分離，無(wú)需人工去雜，在一定程度上減少了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度[6]。

圖3 篩分裝置結(jié)構(gòu)圖

1.3 工作原理

操作人員手持玉米棒不斷地從進(jìn)料斗送入，玉米棒從進(jìn)料斗進(jìn)入脫粒裝置中，上部玉米棒將下部玉米棒往下推送。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)2個(gè)打粒筒轉(zhuǎn)動(dòng)。打粒裝置內(nèi)設(shè)置若干打粒凸塊，在打粒凸塊打擊和擠搓下，玉米棒開(kāi)始脫粒。在打粒筒的快速轉(zhuǎn)動(dòng)下，凸塊撥動(dòng)玉米棒在筒內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，玉米棒繼續(xù)被打擊和擠搓，此時(shí)大量的玉米粒從玉米棒脫下，脫粒產(chǎn)物有玉米粒、玉米棒芯和雜質(zhì)。由于重力的作用，所以上部玉米將脫粒產(chǎn)物往下壓。脫粒產(chǎn)物下落時(shí)，灰塵等雜質(zhì)因本身重量輕，在吸風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)力作用下，通過(guò)細(xì)網(wǎng)罩，吸入風(fēng)機(jī)并排入布袋除塵器中，較重的玉米粒和玉米棒芯則落入篩分裝置上。篩分裝置等距分布若干圓鋼，圓鋼與圓鋼之間的間距要小于玉米棒芯的直徑，同時(shí)大于玉米粒的尺寸。玉米粒由于重力的作用從篩分裝置的圓鋼之間的間隙落下，并從玉米粒出料槽排出。玉米棒芯由于重力的作用從篩分裝置上向左側(cè)滾動(dòng)，從玉米棒芯出料槽排出。驅(qū)動(dòng)電機(jī)、打粒裝置、吸風(fēng)風(fēng)機(jī)等產(chǎn)生的噪聲大部分被機(jī)殼內(nèi)側(cè)的吸音棉所吸收，實(shí)現(xiàn)減噪效果。脫粒流程如圖4所示。

圖4 脫粒流程圖

2 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該玉米脫粒機(jī)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：1）操作者可以連續(xù)不斷地投送玉米棒，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)2個(gè)打粒筒快速脫粒，沒(méi)有等待的過(guò)程，出粒速度快，提高了工作效率。2）打粒筒內(nèi)部設(shè)置打粒凸塊，玉米脫粒更加充分，避免了玉米棒芯上還殘留有玉米粒。3）采用篩分裝置和吸風(fēng)風(fēng)機(jī)，收料穩(wěn)定，玉米粒與玉米棒芯等雜余自動(dòng)分離，不需要人工手動(dòng)除雜，節(jié)省了勞力。4）采用吸音棉設(shè)計(jì)，吸收了機(jī)器產(chǎn)生的噪聲。5）機(jī)殼內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、打粒裝置、吸風(fēng)風(fēng)機(jī)和篩分裝置等設(shè)計(jì)緊湊，機(jī)型小巧美觀，易于移動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)是針對(duì)小規(guī)模種植農(nóng)戶玉米脫粒的作業(yè)需求，以目前市面上使用的玉米脫粒機(jī)為研究基礎(chǔ)，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步為契機(jī)，以滿足該類(lèi)農(nóng)戶需求、減少操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度為根本目標(biāo)，為該類(lèi)農(nóng)戶提供的一種性價(jià)比高又普適的產(chǎn)品。

通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該玉米脫粒機(jī)操作方便、脫粒速度快、脫粒效果好、經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。經(jīng)預(yù)測(cè)，該產(chǎn)品具有很好的實(shí)用意義，市場(chǎng)推廣前景廣闊[1]。

該裝置為我國(guó)玉米脫粒機(jī)的研制提供良好參考，促進(jìn)玉米脫粒技術(shù)的新發(fā)展，加強(qiáng)國(guó)內(nèi)玉米脫粒新模式的推廣與應(yīng)用。

為了降低玉米粒破損率，該設(shè)計(jì)在考慮打粒筒的轉(zhuǎn)速、打粒凸塊的形狀、數(shù)量等參數(shù)方面有待進(jìn)一步研究。