徐兵，晁東，崔清亮

（030801 山西省 晉中市 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院）

0 引言

我國的稻谷品種混雜、粒度長短不一，需要對稻谷與糙米進行分離，谷糙分離是大稻米加工過程中最關(guān)鍵的一步，谷糙分離質(zhì)量的好壞，分離效率的高低，都直接關(guān)系影響著大米的質(zhì)量及企業(yè)廠家的收益[1-2]。重力式谷糙分離機根據(jù)稻谷和糙米在比重、粒度和摩擦系數(shù)等物理特性上的不同，谷糙在雙向傾斜的篩板上往復(fù)運動產(chǎn)生自動分層，在篩板凸臺推動作用下依層分離[3]。盧琦[4]等人設(shè)計了一種往復(fù)式振動篩，分析了谷物在篩面上的運動特性，利用ADAMS 對振動篩運動特性進行仿真分析，求解出不同狀態(tài)下谷物在篩面上的運動特征值,為各物振動篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)；康少波[5]等人創(chuàng)建多倍體水稻的稻谷和糙米的顆粒模型，利用EDEM 進行谷糙分離仿真研究，為優(yōu)化多倍體稻谷的谷糙分離工藝參數(shù)提供理論支持。英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)對篩分機理進行研究，建立振動分離板上谷糙分離運動的離散元模型，并使用高速攝像機高頻拍攝模擬出稻谷與糙米在分離板上的運動軌跡—比糙米粒徑大、比重小的水稻向自由表面移動，水稻向分離板的下端移動，糙米向高端移動[6]；泰國拉賈曼加拉理工學(xué)院開發(fā)一種稻谷分離設(shè)備，并針對當(dāng)?shù)毓任镅芯坎煌壤墓炔诨旌衔锛皟A斜傾角對分離效果的影響，結(jié)果表明，具有較高橫向傾角有利于提高分離率和效率，在96 r/min 的速度進行分離時，以5°傾角時獲得最高分離效果，每層分離率達到42.83 kg/h[7]。

本研究設(shè)計了一種重力式谷糙分離機，對傳動參數(shù)進行優(yōu)化分析，為谷糙分離機樣機的研制提供了一定的理論參考。

1 結(jié)構(gòu)及原理

如圖1 所示，重力式谷糙分離機由上出料裝置1、進勻料裝置2、篩體3、支撐調(diào)節(jié)裝置4、傳動系統(tǒng)5、電動機6、下出料裝置7、機架8 等工作部件組成。支撐體通過兩側(cè)50，142 mm 的腿架連接在機架上，固定篩體縱向傾斜角度6°，可由旋轉(zhuǎn)螺桿升降支撐體的高度，從而調(diào)節(jié)篩分箱體振動方向角度。

圖1 6NG-16 型重力式谷糙分離機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of 6NG-16 gravity roughage separator

工作中，谷糙分離機由電動機驅(qū)動，利用帶傳動實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整，帶動偏置180°雙偏心輪連桿作平面運動，連桿通過圓柱銷與篩體連接進行連接，帶動篩體運動，從而實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)動到篩體的往復(fù)直線運動的轉(zhuǎn)換。設(shè)有凸點并具有傾斜角度的16 層篩板使得谷糙在重力作用下發(fā)生自動分層，使比重較大的糙米下沉形成糙米層，而粒度較大但比重較小的稻谷上浮形成稻谷層。糙米在具有長方體錐形凸臺的往復(fù)推動的作用下向上流出上方出料口，稻谷受重力作用滑至下方出料口，從而達到谷糙分離的效果[8]。

2 偏心輪滑塊機構(gòu)分析與設(shè)計

動力經(jīng)過皮帶輪傳送到主軸上，帶動偏心輪滑塊機構(gòu)運動，將主軸的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)楹Y體的直線往復(fù)運動。采用偏心輪可避免曲柄帶動的兩連桿與主軸發(fā)生碰撞干涉的問題。

依據(jù)獲得最小傳動角的最大值設(shè)計原則，設(shè)計偏心輪滑塊機構(gòu)。通過圖解分析法得出各夾角之間的關(guān)系，并分析最小傳動角的變化規(guī)律，得出最小傳動角的變化范圍，從而獲得最大值[9]。

如圖2 所示，將偏心輪滑塊機構(gòu)的轉(zhuǎn)動副縮小可簡化成曲柄滑塊機構(gòu)。主軸在作回轉(zhuǎn)運動過程中，滑塊運動到左極限位置A 處，右極限位置B 處。當(dāng)曲柄運動到相反偏置方向底部位置時，此時機構(gòu)的傳動夾角γ最小。

圖2 偏心輪滑塊機構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of eccentric slider mechanism

如圖3 所示，設(shè)偏心輪的回轉(zhuǎn)距離為a，滑塊處于C 位置時的連桿CD 長度為b，則OB 長度為（a+b）。A、B 屬于滑塊所處的兩個極限位置，之間的距離為H。在ΔAOB 中，令∠ABO=α，∠AOB=θ為該機構(gòu)的極位夾角，回轉(zhuǎn)中心O 到AB 的垂直距離為偏置距e。當(dāng)曲柄處于OD 位置時，機構(gòu)傳動角γ的值最小。

圖3 偏心輪滑塊機構(gòu)分析圖Fig.3 Analysis diagram of eccentric slider mechanism

運用正弦定理可得如下關(guān)系：

處理后可得：

由以上各式可知機構(gòu)最小傳動角與極位夾角θ、α間的數(shù)學(xué)關(guān)系。令橫軸α在0～（90-θ）°變化，極位夾角θ在10°，15°，20°，25°，30°間隔變化，利用軟件[10]分析不同極位夾角情況下最小傳動角隨α夾角的變化曲線，如圖4 所示。

由圖4 可以看到，最小傳動角γ在不同極位夾角情況下隨α夾角的關(guān)系呈拋物線狀變化，隨著極位夾角θ的增加，曲線的頂點位置下移；最小傳動角最大值逐漸降低，可知在分離機對偏心輪滑塊機構(gòu)沒有急回特性要求時，盡量讓極位夾角小些，以保證最小傳動角獲得最大值。由此可以在確定分離機極位夾角后，找到頂點位置的α角，從而獲得最小傳動角γ的最大值。

圖4 不同極位夾角情況下最小傳動角與α 角關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between minimum transmission angle and α angle under different extreme position angles

當(dāng)旋轉(zhuǎn)中心與執(zhí)行部件在同一水平面時，機構(gòu)不存在極位夾角，而篩體具有一定的傾斜角度與支撐高度，則需要具有一定的偏置距離，此時機構(gòu)則存在極位夾角[11]。分離篩體在兩個行程中均有分離效果，對急回特性沒有嚴格要求，為獲得最佳傳動角度，初取行程速比系數(shù)K=1.1。

由式（9）可得θ=8.57°。

我國大部分重力式谷糙分離機的篩板做往復(fù)運動的幅度為50～100 mm 時，會有較好的分離效果，取H=90 mm[12]，并找到K=1.1 時，曲線頂點位置的α角度及最小傳動角的最大值?？芍?，當(dāng)α=0.197 rad=11.29°時，最小傳動角的最大值為58.9°，滿足最小傳動角大于40°的要求，此時分離機具有最好的傳動效果。將α=11.29°，θ=8.57°，H=90mm 代入式（5）—式（8）可得：a=43.47，b=161.71，e=40.17。

3 ADAMS 運動學(xué)分析

為獲得谷糙分離機構(gòu)篩體的運動規(guī)律，根據(jù)優(yōu)化后的機構(gòu)參數(shù)建立機構(gòu)的ADAMS 模型，如圖5 所示。

圖5 谷糙分離機構(gòu)ADAMS 模型Fig.5 ADAMS model of grain roughage separation mechanism

谷糙分離機偏心輪設(shè)計轉(zhuǎn)速為256 r/min。對ADAMS 模型添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，運行仿真模型，得到篩面的加速度隨時間變化規(guī)律如圖6 所示。由圖6 可知，偏心輪以256 r/min 勻速轉(zhuǎn)動時，篩面加速度在-4.0×104～2.7×104mm/s2范圍內(nèi)變化，曲線變化平緩且無明顯拐點，表明谷糙分離機工作中無劇烈振動現(xiàn)象。

圖6 篩體加速度時變曲線Fig.6 Acceleration curve of screen surface

4 結(jié)論

介紹了重力式谷糙分離機的結(jié)構(gòu)原理，重點對偏心輪滑塊機構(gòu)進行了設(shè)計分析，分析了偏心輪滑塊機構(gòu)在不同極位夾角情況下最小傳動角最大值和α角的關(guān)系。分析結(jié)果表明，機構(gòu)具有良好的傳動特性，運用ADAMS 建立谷糙分離機構(gòu)仿真模型并分析篩面的運動規(guī)律。本研究為谷糙分離機設(shè)計時參數(shù)的選擇提供了理論依據(jù)。