小型油菜脱粒机的仿真与分析

摘 要：油菜是我国主要的油料作物，是我国食用油的主要来源。但由于我国油菜种植的特定情况，油菜的机械化联合收获在我国还没有广泛实现。目前，专门为油菜脱粒设计脱粒机较少，大多是在其他作物的脱粒机的基础上改装，这类脱粒机由于不能完全适应油菜的脱粒特性而存在脱粒效果不好，损失率大等缺陷，所以急需设计一款能适应油菜分段收获场上移动作业的脱粒机。本设计采用轴流式全喂入滚筒进行脱粒，脱粒元件为杆齿，在滚筒上成螺旋线布置，脱粒效果较好，清选机构选用风机加双层振动筛结构，能有效将油菜和杂质分开，减小其损失率，脱粒机装有行走轮，能在场上灵活移动，提高作业效率。关键词：油菜；脱粒机；振动筛；杆齿 Abstract: Rapeseed is the main oil crops in China.It is the main source of cooking oil in China. Due to the specific situation of our rape planting, harvest mechanization of rape in our country has not yet been implemented widely . At present,zhe thresher that specially designed for rape threshing is not enough ,and most of that was adapted on the basis of other crops thresher, because cannot adapt to the rape threshing characteristics , threshing effect of those theller is not good, the loss ratio is high,for those reasons, we need to design a threshing machine which can adapt to rape segment and can mobile flexiblelys in harvest field. This design using the axial feeding roller for threshing ,and threshing device isr pole teeth,whicht installed in the roller according to the spiral line, it working well. The fan and double vibrating screen structure is choosed for .Cleaning agencies, that can separate rape and impurities effectively, and reduce the loss. The threshing machine is equipped with walking round, so it can move in the field flexiblely, that can improve the working efficiency.Key words: Rape; Threshing machine; Vibrating screen; Pole tooth目 录摘要 .1关键词 .11 前言 .21.1 课题的目的与意义 .21.2 国内外研究现状 .31.3 本课题设计的主要内容 .42 总体方案的确定 .52.1 脱粒机的工作原理 .52.2 整机结构设计分析 .62.2.1 喂入部分 .62.2.2 脱粒部分 .62.2.3 分离清选部分 .82.2.4 机架及行走部分 .92.2.5 动力传动装置 .93 关键零部件的设计计算 .113.1 脱粒滚筒的设计 .113.1.1 脱粒滚筒直径和滚筒长度的确定 .113.1.2 滚筒线速度与脱粒间隙的确定 .123.1.3 脱粒滚筒的结构及脱粒元件的设计 .123.1.4 凹板筛尺寸的设计 .133.1.5 顶盖的设计 .143.2 清选部件的设计计算 .143.2.1 清选筛形式和尺寸的设计 .143.2.2 清选筛主要参数的确定 .153.2.3 清选筛运动参数的确定 .173.2.4 风机参数的选择 .173.2.5 风机的参数计算 .173.3 机架 .183.4 皮带轮的设计与计算 .193.4.1 滚筒轴上输入皮带轮系的设计 .193.4.2V 带轮的确定 .203.4.3 滚筒上输出皮带轮系的设计 .213.4.4 滚筒轴的结构尺寸设计 .214 主要零部件的校核 .234.1 轴的校核 .234.1.1 轴的受力分析 .234.1.2 按弯扭合成应力校核轴强度 .244.1.3 精确校核轴的疲劳强度 .254.2 键与轴承的校核 .264.2.1 键强度校核 .264.2.2 滚动轴承校核 .265 结论 .27参考文献 .27致 谢 .29附 录 .3011 前言1.1 课题的目的与意义我国是世界油菜生产大国，种植面积和总产量均占世界的30左右，均居世界第一,在世界占有重要地位 1。油菜作为我国最主要的油料作物，是我国食用油的主要来源。但是长期以来，我国油菜生产基本上是传统的手工作业，劳动强度大，生产成本偏高，效率低 2。各级政府和广大农民迫切需要发展油菜生产机械化技术。油菜脱粒是将油菜籽粒从果荚中分离出来的过程。现有油菜联合收割机脱粒装置主要是借鉴稻麦联合收割机的脱粒原理，通过脱粒元件对油菜果荚产生冲击、揉搓以及碾压等作用，使得果荚炸口、开裂或粉碎，从而分离出油菜籽粒 2。目前，油菜的机械化收获主要有分段收获和联合收获两种，两种方式各有优缺点：(1)分段收获 即先割晒再捡拾、脱粒的收获方式，油菜的分段收获也叫两段联合收获。采用两段联合收获法，充分利用作物的后熟作用，可提前收割，延长了收割期，籽粒饱满，产量有所提高，缺点是生产率较低，劳动强度大。采用两段联合收获油菜时还应注意一下两点：一是油菜晾晒不可过干，否则暴壳多，损失大；二是喂入要均匀、适量，喂入过多容易堵塞，过小则影响工效。(2)联合收获 即收割、脱粒、清选作业一次完成的联合收获方式。在油菜的角果成熟后期，用联合收割机一次完成所有的收获作业环节。其特点是效率高，省工省时，尤其在气候条件不好的情况下，有利于进行抢收。但这种方式对收获时机要求较严，既不能偏早，也不能偏晚。收获过早，籽粒含水量高，品质差，出油率低；收获过迟，因过于成熟，菜籽易炸裂脱落，造成损失，影响产量。油菜机械化收获最佳的收获时间是在菜籽到八成熟，即接近完熟期。 3 从目前我国油菜种植的情况来看，我国南方十一个省油菜的种植面积占到全国的90%以上，这些地方受双季稻及其他晚秋作物收获迟的影响而不能及时播种，所以都是秋种次年夏收的越冬油菜，主要采用育苗移栽的的方式种植，种植密度小、植株高、茎秆粗壮、分枝多、角果层厚度(离地4001700 m)大，使得油菜的植株形态以及油菜成熟、收获期间的气候条件均与我国北方和欧洲等国家春种秋收的直播油菜有很大差异。分段收获捡拾脱粒的作业对象是经过割铺、晾晒几天以后的油菜，与联合收获时站立在田问的油菜在秸秆和籽粒的含水率、角果抗裂性、植株形态等方面显著不同4。2从上面的分析可知现阶段我国油菜的的种植情况要想实现大部分的机械联合收获方式，还存在比较多的问题需要解决。相比之下，油菜的分段收获则广泛存在于我国的油菜种植区，另外我国油菜种植制度多样，缺乏规范化的栽培制度，生产手段、生产经营方式落后，缺乏与现代生产手段相适应的集中、成片种植和规范化管理，这些因素极大的限制了油菜收获的大规模机械联合作业，因此分段收获与之更加适应 5。近年来，研究与油菜的分段收获相适应的油菜收获机械成为了实现我国油菜收获机械化的一个重点方向。本课题为小型场上可移动式油菜脱粒机的设计，就是要根据油菜种植与收获过程的特点，设计出与油菜分段收获相适应的场上可以移动的的小型油菜收获机械。本课题研究的是一种小型油菜说话机械，因此他相对于适应于油菜联合收获的联合收割机更具经济性能，它成本更低，农户更加能够接受。另一方面，虽然这个机械是小型的，但相对于人工作业，其生产效率却是人工作业不能比拟的。其次，本课题研究的这个机械在场上是可以移动的，所以更加更加具有灵活性，从而能够减少较长距离搬运作物的时间与其他投入，这点使它相对于传统的场上固定式油菜脱粒机械有更加具有优势。另外，用机械化生产代替人工劳动可以改善农民的工作环境，解放劳动力，因此，本课题的研究还能产生很好的社会效益。再次从油菜的本身的特性来说，分段收获更加适应其收获过程，因此从这方面讲，本课题研究也具有很大意义，它能减少收获的损失，提高菜籽收获品质。本次设计就是在分析出油菜的收获方式及当前与这些收获方式配套的一些机械的缺点的基础上设计一种更好的油菜收获脱粒机，一种更加脱粒更加干净，更加轻便，而且能实现免扬，损失小，更轻便的油菜脱粒机。综合上述方面，本课题具有较大的研究意义。1.2 国内外研究现状总体来说，我国油菜机械化水平还比较落后，2006 年底，全国油菜机收水平仅为5.2%。总结其原因，主要是油菜自身特性制约了机械化技术发展，这些表现为油菜的茎秆也存在分枝低、交叉多、易炸裂、成熟度不一致等因素，这些特点对油菜的高质量收获有较大的阻碍。2007年9月19日，国务院颁布了国务院办公厅关于促进油料生产发展的意见 ，旨在恢复和促进我国油料生产快速发展，推进油菜生产机械化 2。新型油菜脱粒分离装置的研究以提高生产率减少菜籽损失为目标。在传统的纹杆切流滚筒及键式逐稿器的脱粒分离装置之后,滚筒横置的轴流式结构广为应用, 继而3又研制了单滚筒或双滚筒纵轴流式脱粒分离结构。轴流分离清选系统能够适应油菜打击、揉搓和搅动为主的脱清要求。 6-8为实现提高生产率减少菜籽损失的目标，与脱粒机构相关的科研活动也日益增多。华中科技大学工学院宗望远，廖庆喜等人对完熟期油菜果荚不同脱粒方式的脱粒效果进行了实验研究，得出油菜联合收割机脱粒装置宜设计为冲击脱粒和搓擦脱粒组合的脱粒方式的结论 9。洛阳工学院的师清翔，刘师多等人对小麦的脱粒方式进行实验研究，湖南农业大学工学院的谢方平教授，孙松林教授等以及华南农业大学工程学院罗锡文教授等人，通过对水稻等作物的脱粒方式进行了实验研究，通过与传统的刚性脱粒原理进行对比，从多方面研究了柔性脱粒机理，并证明了其优越性，能够减少脱粒的籽粒破碎率为油菜脱粒机械的设计开拓了新方向。 10-13江苏大学的李耀明，李洪昌，徐立章等人通过对短纹杆-板齿与钉齿脱粒滚筒的脱粒对比试验研究，发现相对钉齿脱粒滚筒而言，短纹杆-板齿脱粒滚筒在脱粒水稻时功耗低，脱出混合物杂余含量少，能有效的减轻清选负荷，也为油菜脱粒机构的设计提供了新思路 14。分段收获更加适应于油菜的自身特点与我国油菜种植状况，所以分段收获也是近期研究开发的重点。随着我国对油菜产业的扶植逐渐加大，从事油菜机械化分段收获研究的科技人员也日益增多，对油菜的分段脱粒清选进行理论研究与现实与相关机械的发明。近年来，先后研制出了多款相应机械，适用于油菜的分段收获，这些机械也表现出相对于联合收割机的的一些优点，主要是收获损失率的降低和对天气的敏感程度的降低，所以不少机械都得到了应用并推广，如四川晨丰农机装备有限公司研制发明的一种油菜脱粒机，就获得了国家的发明专利，并在四川地区得到了推广，还有四川安通农业有限公司研制的5TG-86C型油菜稻麦脱粒机。国外这方面的研究比较早，机械化程度也比较高，早在上世纪八十年代，就有国外专家对油菜的收获方式从损失率，天气影响，及油菜籽含油量等方面进行了实验研究，Sims 对两种方法的产量与含油量进行试验比较，Bowerman 与 Harris 则从天气影响以及菜籽含水率与含油率对两种方法收获方法进行比较，Bengtsson 也做了类似的比较，结果不完全一致，但多组数据表明，利用分段收获法的损失率更小，菜籽含油也更高，总体来说，分段收获更加适用于油菜本身，但在天气影响较小的情况下，联合收割有其优点，比如说作业效率，菜籽籽粒大而均匀等。 15-181.3 本课题设计的主要内容4本次设计的主要设计内容包括：脱粒机的动力与传动装置,脱粒装置、分离装置、清粮装置、和机架等的结构设计与力学分析以及主要零、部件（包括脱粒滚筒、逐稿器、清选筛、风机等）的选择和设计；2 总体方案的确定2.1 脱粒机的工作原理脱粒装置的工作过程的物理现象是比较复杂的，归纳起来，主要靠冲击揉搓、梳刷等原理进行脱粒。结合油菜的脱粒特性以及华中农业大学廖庆喜等人对完熟期油菜果荚不同脱粒方式的脱粒效果进行了实验研究，得出结论，实际工作中，油菜的脱粒方式宜采用冲击脱粒和揉搓脱粒相结合的脱离方式。被割下的油菜通过一定时间的晾晒后从脱粒机的喂入口喂入脱粒机的脱粒装置内，在由脱粒滚筒与凹板组成的脱粒间隙里受到反复的冲击与揉搓进行脱粒，被脱粒后的油菜籽和细小秸秆以及果荚壳通过凹板筛孔掉入由振动筛与风机组成的清选装置，进行清选。较大的秸秆和果荚以及夹带的一些油菜籽则通过机械的排出口排出，小杂余及夹带的油菜籽经排出口上的筛孔掉入下面的清选装置，和从凹板筛孔掉下的脱出物一同经受风机和振动筛的作用，进行清粮，小杂余被风机吹出机外，油菜籽进入集粮装置，排出口上的大脱出物被排出机外。 19脱粒机的工作流程如图 1：待脱粒油菜 大脱出物脱粒装置机外长茎秆排出口小脱出物夹带油菜籽及小杂余清选装置细杂余油菜籽机外5图 1 整机的工作流程Fig1 process of the whole machine working 其工作原理如图 2：图 2 整机工作原理图Fig2 The working principle diagram of threshing machine2.2 整机结构设计及分析2.2.1 喂入部分采用全喂入的方式，可以节省人工劳力，喂入部分是油菜植株进入脱粒机的入口，通过人工把收割下来的油菜从喂入口喂入脱粒滚筒，其地点和大小尺寸以方便喂入以及满足喂入量为准，具体参数根据设计的要求来确定。62.2.2 脱粒部分脱粒部分是整个脱粒机械的核心部分之一，油菜的脱粒效果及清选的难易程度很大方面有这部分有关，这方面包含脱粒装置的类型，滚筒的形式，滚筒上脱粒元件的形式以及凹板的形式及包角，滚筒的尺寸及转速等， 近年来已有很多研究人员油菜的分段收获的脱粒装置进行了各方面的研究，根据实际情况也得出了很多有用的结论。现在脱分装置的形式主要有轴流式和切流式两种，所谓切流式的脱粒是指作物从滚筒的切向喂入，脱粒后又从滚筒的切向排出，而轴流式脱分装置脱粒时则是作物沿轴向流动，从一端喂入，从另外一端排出杂质等。切流式脱分装置的优点是结构较简单，能耗相对小一点。但脱净率不是很高。目前，油菜收获的脱粒分离装置多为轴流式。轴流式脱粒分离装置在工作时谷物作螺旋运动, 脱粒柔和且工作时间长，因而脱净率、破碎率和分离率等指标均优于切流式脱分装置，不过其功耗大于切流式脱分装置。目前作物在轴流式脱粒装置中的工艺流程主要有下面图3四种形式，其各有优缺点。 20a.径向喂入，径向排出； b.径向喂入，轴向排出；c.轴向喂入，径向排出； d.轴向喂入，轴向排出；图3 轴流式脱粒装置的作物工艺流程形式Fig3 The process form crop in axial flow threshing device 7作物从轴向喂入时，不易进入滚筒凹板间隙，所以在人工喂送作物的轴流滚筒式脱粒机，从轴向喂入作物时，必须把滚筒凹板在喂入口端的间隙放大，以便滚筒抓取，而自动喂入时，必须配备专用的螺旋叶轮，把作物导入，脱粒装置，其消耗的功率大，且容易引起作物缠草。作物轴向排出时需要滚筒伸出凹板与盖组成的圆筒外，比较麻烦。而作物径向喂入与径向排出设计比较简单，其工作原理与切流式的脱粒装置类似，喂入口与排草口的的设计也可以参考其原则，作物脱粒流程从径向喂入与径向排出时，结构简单，不需要其他特殊的结构。考虑上面这些因素，以及本次设计的喂入量为200Kg/h以上，不是很大，所以滚筒形式对功耗的影响不是很明显，对比切流式与轴流式脱粒滚筒的优缺点以及滚筒上各种脱粒元件的脱粒原理，这次设计采用径向喂入径向排出的轴流式脱粒装置。凹板的结构有栅格式，冲孔筛式，以及编织筛等类型，其中，栅格式凹板的强度大，刚性好，筛孔率大，所以脱粒分离效果较好，是轴流式脱粒机较为适合的凹板装置 20。这次设计也是采用这种凹板。目前，轴流式脱粒滚筒的脱粒元件多数为杆齿，也有板齿，叶片，纹杆或纹杆与杆齿混合的。另外，江苏大学的李耀明教授等人通过对油菜轴流脱粒不同形式滚筒的 脱粒性能进行了研究，通过实验表明，在特定的喂入量与油菜品种的情况下短纹杆脱粒滚筒的综合脱粒性能指标比较好，是一种较好的油菜脱粒分离装置。这次设计采用较常用的杆齿作为脱粒元件。综合上面的分析，结合设计要求（喂入量，功率，损失率等）力求达到好的脱粒效果，来选择脱粒装置的形式。决定采用径向喂入径向排出轴流式，杆齿脱粒滚筒，栅格式凹板以及螺旋导向板的组合为脱粒装置，其具体的结构尺寸参数则结合设计要求进行选择与计算再确定。2.2.3 分离清选部分前面已经确定了脱粒形式为全喂入式的轴流式脱粒方式，由于轴流式脱粒方式的脱粒时间长，脱净率高，分离率可高达99%，所以无需再另设其他的分离装置了。清选装置的作用是将经过脱粒装置脱下和分离装置分出来的谷物混合物中的颖壳，碎茎等清除干净，将细小杂物排出机外，以的到清洁的谷粒。目前主要有气流式清选装置，风扇筛子式清选装置，以及气流清选筒等。其中，气流式清选装置是靠风扇产生的气流清除谷粒中的杂质，结构简单，但清洁度较差，大多用于简易的脱粒机。气流清选筒则是利用谷粒混合物通过清选筒时各部分离心力及悬浮速度不同将谷粒与杂质分离，这种清选装置不已把碎茎和断穗清除干净。风扇筛子即利用了谷粒的空气动力特性，8又利用了谷粒混合物尺寸差异性质，因此其分离效果最好，此次设计的清选装置就用风扇筛子式清选装置。 20风扇筛子式清选装置主要包含风机和振动筛部分，振动筛与离心风机用于清除从滚筒中落下的油菜籽中细杂余，结合南京农业大学吴崇友等人对油菜分段收获脱粒清选实验以及稻麦脱粒机的清选装置，本次设计决定采用双层振动筛加离心风机的方法，振动筛及风机的各种参数根据油菜籽及杂余的参数进行设计。 212.2.4 机架及行走部分2.2.5 动力传动装置从前面的分析可知，本次设计的脱粒机需要传动的部分有原动机与脱粒滚筒之间，脱粒滚筒与振动筛，脱粒滚筒与风机之间。因为本机在场上作业，且有移动的要求，所以一直相配的动力采用汽油机或柴油机，功率与脱粒机作业效率相配，取2.23KW。传动部分主要是连接原动机与各个工作部件的构件，其选择与各部件的工作要求有关，因为是农用机械，振动较大，载荷变化也大，主要用的有V带传动，链传动，同步带传动等。下面这三种传动方式特点进行分析。三种传动方案的性能比较如表1： 22表1 三种传动方案的比较Table1 Comparison of three kinds of transmission scheme传动方式 传动效率 使用寿命 传动扭矩 成本链传动 正常 较长 较小 较贵V 带传动 较高 最长 最大 一般同步带传动 最高 差 小 最贵从上面的对比可以看出，V带传动是一种较好的传动方式，同时V带传动具有安装容易，占地面积小，又是挠性件，具有弹性，能够缓和冲击，吸收震动等一些优点，因此能适应农用机械工作环境恶劣，载荷变化大的情况，所以选用V带传动可以使脱粒机的工作平稳，噪音也可以减小。综合上面的分析选择，脱粒机的总体方案确定如下：脱粒机脱粒装置采用径向喂入径向排出轴流式脱粒滚筒，脱粒元件采用杆齿，采用栅格式凹板筛。清选装置采用风扇筛子式清选装置。采用2.23kw的汽油机或柴油机作为动力机械，各部件的传动都采用V带传动。机架上装有行走轮，用于机械的场上移动作业。9整机消耗的功率计算。（1）脱粒装置的功率消耗的计算。脱粒装置在工作时，在运转稳定性较好（保障脱粒滚筒运转稳定性的条件：有足够的转动惯量；发动机有足够的储备功率和较灵敏的调速器）的条件下，其功率总耗用N 由两部分组成：一部分用于克服滚筒空转而消耗的功率 （占总功率消耗的5%-7%） ，一部分用于克服脱粒阻力而消耗的功率k（占总功率消耗的93%-95%） ， 22所以脱粒装置的功率消耗为：tN = + （kW） (1)kt1）其中空转功率消耗: = +A3B式中： 系数， 为克服轴承及传动装置的摩擦阻力的功率消耗， A310).-2(B系数， 为克服滚筒转动时的空气迎风阻力而消耗的功率，3.68.-4）（前面已经确定了滚筒的转速为 ，化为角速度后为 ，A 取750/minr 78.5，B 取 ，经计算30.2130.5133.2178.5010241KNKW2)其中脱粒功率消耗 :这个过程比较复杂，油菜首先是以较低的速度进入脱粒t装置入口处，与高速旋转的脱粒滚筒接触，然后被拖入脱粒间隙进行脱粒，既有梳刷也有打击，目前还没有专门的计算公式针对油菜的脱粒进行精确地计算，查阅本次计算相关资料，本次计算用计算轴流式滚筒消耗的功率经验公式进行计算，轴流式滚筒脱粒机滚筒消耗的功率为 ，本机设计的喂入量为 0.2kg/s，因此1910.5/kwgs:KW 左右。tN=10.2将数据代入 N = + 得：ktN=0.241+2=2.241（ ）k（2）清选装置的功率消耗的计算。 筛选装置消耗的功率由下式可求得：)(/wNQps（2） 其中： 单位时间进入清选装置的脱出物质量，前面已经计算得 0.14（sQ） ；kg/单位脱出物质量清选筛所需的功率（ ） ，上筛：0.4-0.5，下筛：pN skgw/0.25-0.3；选别能力系数，0.8-0.9。代入数据可得消耗的功率：10/0.145/.8+014.23/0.8=1kwspNQ加上风机所需功率，所以清选装置所需功率 0.22kw。传动装置设计。前面已经确定了本机的传动为 V 带传动，现确定传动路线如下： 原动机脱粒滚筒轴风机轴振动筛曲轴原动机通过 V 带把动力传送到滚筒轴的一端，带动滚筒的转动进行脱粒做功，同时滚筒的另一端装有 V 带轮，把动力传到风机和振动筛，进行清选。动力装置的选择。通过上面的计算，考虑到 V 带传动的效率，查阅相关书籍 23，取其传动效率为 ， 可以知道整个脱粒机消耗的功率，其消耗的总功率为： 0.95(/.)/(.2/095.41)/0.952.7qPN kw总由于本设计要求脱粒机能在场上可以移动，所以不能用一般的电动机来作动力，而是要用柴油机或者汽油机来做动力，且要求其机身小巧，查阅资料 23，配套 4 马力的小型柴油机或汽油机即可满足动力需求，如常飞 R170 型号柴油机，标定转速为2600r/min，通过配置减速器和皮带轮就可达到所需转速，还有 TZY170F 柴油发动机都能满足要求。3 关键零部件的设计计算前面已经对脱粒机的整体设计做了选择，现在进行零部件的设计计算。3.1 脱粒滚筒的设计脱粒滚筒是脱粒机的关键部件，因此其设计的好坏直接影响脱离的效果。前面已经确定了本脱粒机采用全喂入轴流脱粒的方式，因此，其尺寸与结构的设计都应和全喂入轴流式的脱粒机构相适应。轴流式脱粒滚筒有圆柱型与圆锥形两种形式，经过前面的分析，这次设计取圆柱形形式。3.1.1 脱粒滚筒直径和滚筒长度的确定滚筒直径直接影响脱粒的效果，直径太小容易缠绕作物，也使凹板分离面积减小，滚筒直径大则能适应大的喂入量。此次设计采用杆齿作为脱粒元件，在实际计算中，要考虑到喂入油菜的茎秆包裹滚筒的包角 ，应该满足 16（3）2d2L由生产经验可知，喂入滚筒的长度L一般为400-500mm，这里设计取500mm。对于包角 ，其大小与与脱粒的质量和功耗有关，在一定范围内，包角 越大，脱粒效果越11好，但脱粒的功耗增大，现在的包角一般为150-240之间，以180的最多，所以有250d=3mL查农业机械设计手册 22可知，一般的轴流式脱粒滚筒的直径为550mm-650mm，最小的也有400mm，结合上面的计算，这里取500mm。滚筒的直径应还包含上面的脱粒元件长度，前面已经确定了脱粒元件为杆齿，查阅相关资料杆齿的工作高度一般为50-100mm，这里取60mm。于是，滚筒的直径为500+260=620mm18。对于滚筒的长度，则主要取决于分离效果，要使脱粒的作物能充分分离，则脱粒滚筒的长度要充分长，这是因为轴流滚筒的后半段相当于分离装置，凹板筛相当于分离筛，主要起分离作用，也起脱离作用。所以在滚筒直径一定的情况下，滚筒长度越长，通过能力则越大，但秸秆的破碎率与滚筒的功耗也会相应增加，所以在保证脱净率和分离率的前提下，滚筒长度尽量去小些。查阅农业机械设计手册可知现有的的轴流式脱粒机的脱粒机的脱粒滚筒长度大致为1-3m，这次设计的是小型轴流脱粒机，喂入量较小，还要方便在在场上移动，所以滚筒的长度取一个较小的值粗取1200mm 22。3.1.2 滚筒线速度与脱粒间隙的确定脱粒滚筒的作用是通过带动其上的圆柱齿而进行脱粒工作，其滚筒的转速影响着脱离的质量和效率，一个结构合理的滚筒，如果没有适当的线速度，就不可能有良好的脱粒性能。线速度的大小，决定了对作物的冲击和梳刷作用的强弱。线速度小时，冲击力减弱，使脱粒的时间延长而生产率低下，甚至脱粒不干净；线速度越高，冲击力越大，脱净率越高，但是线速度过高时，脱粒效果的提高并不显著，功率消耗反而增加，谷粒和秸秆的破碎率也提高，且使油菜籽粒在滚筒上的跳动加剧，增加抛散损失。因此，线速度的大小，要以脱净又不要破碎谷粒为原则。对圆柱轴流杆齿滚筒而言，线速度一般为 1724m/s,相应的转速为 520740m/s，结合南京农机机械化研究所张敏等人的研究成果（滚筒直径为 540mm 时，滚筒转速为 650r/min 的情况下油菜脱粒功耗相对较小）取线速度 24m/s24，这样滚筒的转速就可以确定了，经过计算滚筒的转速 750r/min。12脱粒间隙也是影响脱粒效果的重要因素之一,间隙小分离能力强,但茎秆破碎多,难分离,间隙大则有相反的优缺点,结合油菜的植株特点(其茎干直径一般为20mm左右)和实际生产经验,确定本次设计的脱粒间隙为20mm。3.1.3 脱粒滚筒的结构及脱粒元件的设计为避免脱粒的重量不至于太大，滚筒的形式采用开式滚筒，由三个辐盘支撑，上面均匀分布六条横版，横版用螺栓固定在辐板上,横版上布置有脱粒杆齿，经比较采用圆柱杆齿较为合适，滚筒上的杆齿按螺旋线排列，查农业机械设计手册 22确定此次设计杆齿的螺线头数为3,齿迹距为40mm,齿距为80mm,杆齿高度为60mm,直径为12mm.辐板如图4.图4 滚筒辐板结构图Fig4 the structure diagram of wheel disk3.1.4 凹板筛尺寸的设计 经过前面综合比较已经确定，本设计采用栅格式凹板，其结构有横隔板,侧弧板和筛条组成,其结构如图5所示。13图 5 凹板筛结构示意图Fig5 Notch board sieves structure sketch map凹板直径是决定生产率的主要参数（在限制滚筒转速的情况下，凹板直径是决定生产率的唯一参数） ，凹板直径与生产率成正比，但不是一次性线性关系。根据凹板直径与生产率的关系和实际生产情况，结合滚筒直径和脱粒间隙,本设计现选取凹板直径 D 为 680mm. 凹板筛的结构设计时还要结合喂入口和排出口,本次设计的喂入量较小因此喂入口宽取350mm,排出口宽取200mm,喂入口距滚筒中心200mm,排出口则布置在俺班最低端.包角去目前180度,长度配合滚筒去1250mm,筛孔结构尺寸取4015mm。a.伸入量 b.重叠量 .螺旋升角图6 顶盖导向板配置图Fig6 The diagram of guide plates in top configuration3.1.5 顶盖的设计轴流式脱粒滚筒上方的顶盖与凹板筛镶接组成圆形的脱粒实,本次设计为圆柱形轴流滚筒,因此顶盖内壁设计有螺旋线导向板,用来控制作物轴向移动速度,根据农业机械设计手册 16可知其螺旋升角一般为20 50升角过大导向板起不到轴向导向作用,作物滞留,秸秆破损严重.此次设计取25.导向板与脱粒滚筒的间隙过大作物流动会不畅,生产效率降低,间隙过小则会是碎秸秆增多,消耗功率,一般取10 15mm,此次设计取10mm,导向板高度取60mm,厚度为2mm,顶盖厚度4mm.重叠量为50mm喂入口处有一块导板横跨整个喂入口,最后一块导板的位置能使脱粒过的喂草能到送至排出口并伸长100mm.其示意图如图6.143.2 清选部件的设计计算3.2.1 清选筛形式和尺寸的设计前面的分析已经确定了清选部分采用风机加振动筛的方式.由于油菜籽的直径较小,为取得较好的分离效果,设计为双层的振动筛上下两层配置,参考江苏大学李耀明教授及湖南农业大学唐伦等人对油菜脱粒分离装置的研究成果 25-27,本次设计的上层筛子为开度为10mm的鱼鳞筛,下筛为4的圆孔筛,上筛主要把破秸秆和残穗等分离出来，起粗筛选的作用，下筛主要选出干净的油菜籽，起精筛选作用，两层筛间隔100mm。筛子面积由公式（4）确定,（4）/sABLQq式中A 筛子的面积B(m) 筛的宽度，对于横轴流滚筒脱粒机，B接近于脱离装置的宽度，这里取900mm；（Kg/s） 进入清粮装置谷粒混合物料的重量；SL（m） 筛子的长度；(kg/(ms) 单位筛面可以承担谷粒混合物的喂入量，对于可调鱼鳞筛为sq1.5-2，对于不可调筛子则为可调筛子的一半；设计机械的喂量为0.2kg/s，又查的农业机械设计手册可知全喂入轴流脱粒机清选机构喂入量为总喂入量的70%，所以 =0.70.2=0.14 kg/s， 取1.5，带入SQsq公式计算可得筛面积为约为0.5，所以L为600mm左右，为保证对排出物有足够的清选时间减少损失，稍微取大点，确定上筛鱼鳞筛长长650mm，下筛一般比上筛短一点，确定为500mm。3.2.2 清选筛主要参数的确定两层筛子通过筛架固定一起，通过曲轴的带动一起运动，筛子下面布置有风机，通过风机的风力和筛子的振动使从凹板筛里掉入筛子脱出物中的杂余排出，油菜籽则通过两层筛子掉入排粮口，最终进入集粮装置。振动筛的一端和曲轴连接，另一端用吊杆连接在机架上，通过曲轴的转动来实现振动筛架的往复运动，把曲轴简化为曲柄，整个清选机构就可简化为一个曲柄连杆机构，清选系统的结构简图如图7：151.曲抦 2.连杆 3.下筛 4.上筛 5.挡板 6.吊杆 7.风机图7 清选系统结构简图Fig7 The structure diagram of Cleaning system吊杆长度取100mm，查阅有关资料知曲柄的长度r一般为2330mm，这次取25mm，连杆AB的长为661mm，曲轴半径远小于连杆的长度，因此可以认为筛子做直线摆动。为筛子的摆动角。为保证有较好的的清选效果，筛面应有一定的倾角，查阅相关资料可知其值一般为+10-10具体的确定还需考虑脱出物料的摩擦角，筛面的倾角应小于筛面的摩擦角，有关人员经过测试得到了油菜脱粒时脱出物中各物料的摩擦系数 28如表2。表2 油菜脱粒混合物的摩擦系数Table2 The friction coefficient of rape threshing mixture物料 油菜籽 短茎秆 角果壳摩擦系数 0.293 0.855 0.805把摩擦系数化为摩擦角，最小的为油菜籽的，为16.1，筛面倾角过大会影响清选效果与功耗，所以不宜太大，这次设计取为3。风机与筛子的配置需要考虑到油菜脱粒时个脱出物的悬浮速度，经过查阅资料 28可知油菜脱出物中各物料的悬浮速度如表3表3 油菜脱粒混合物的悬浮速度Table3 The suspended velocity of rape threshing mixture物料 油菜籽 短茎秆 角果壳 轻杂物悬浮速度（m/s）6.27-7.28 6.46-7.34 5.42-6.05 2.48-3.41从上面的数据可以看出，最佳气流速度为4m/s-6m/s，考虑到风力在筛咋后部会减弱，所以风机风速取6m/s，出风口与水平面夹角为25。筛架如图8所示16图8 筛架Fig8 Screen frame3.2.3 清选筛运动参数的确定在整个清选分离过程当中，如果短茎杆和角果壳能保持上行的趋势和跃起，而油菜籽能上行、下行和发生跃起现象，则既有利于保证杂物快速从振动筛尾排出机外，同时又可以保证油菜籽有很好的透筛概率，从而获得很好的清选效果。引入加速度比 （5）2r/gK式中 曲轴角速度（ ）1sR曲轴半径（m）G重力加速度（m/s）经人对油菜脱出物中各脱出物的上行下行及跃起形式进行分析（分析过程见参考文献，这里不详细叙述），得出最佳的加速度比K的取值范围为2.75K3.4，曲轴半径r已经确定为25mm，相应的可以算出曲轴转速n为250-350r/min，这里取350r/min。筛子的振幅约为两倍的曲轴半径为50mm。3.2.4 风机参数的选择本机风选机构采用农机中广泛采用的农用型风机,双面进气，叶片平直,外形为切角矩形,这样能使气流沿出口宽度方向的不均匀性别得到改善，壳体采用圆筒形,前面已经说明油菜脱出物清选的相对较好风速为 ， 在标准状况下，空气的46pVms:容重为 .那么风机的风速为 ，初步选取风机的风速为 。37.12mN 86m/sv（1） 本机设计轻夹杂物的质量为 则空气的流量为：10.qkg40.63Q（6）式中 轻杂质质量与空气之比的系数， .0217（2） 风机的全压力 ：PdsP（7）式中 风扇的静压，距离下筛为 30 毫米左右，sP风扇动压，d 2 231.76103.10sdvPgh Pa式中 水的密度，31mk3.2.5 风机的参数计算（1） 叶轮的外径 222606023.10.5757PgDmn（8）式中 压力系数，4.03风机转速，取n75inr（2） 风扇进风口的直径 220(.6.8)=(0.6.8)350.27.8mD:（9）取 0.28m。（3） 风扇宽度 BsB)19.0(（10）式中 筛子宽度，故取 。s 90m（4） 风机出风口高度 22h0.46.89QhmBv（11）（5） 风扇功率18,0.4623.10.19QPNkw（12）（6） 叶轮参数叶片的宽度 (0.89)0.81bBm:（13）叶片的内径 12(0.35.)(.35.).25.7D（14）取 0.15m。叶片数 ,取 片。64z4z3.3 机架机架在脱粒机中用于容纳和支承各种零部件。本设计机架主要受力部分材料采用厚的角钢，受力较小部分则采用 的角钢。由于整机工作过365m 302m程中会出现比较大的抖动，对机架的强度要求比较大，所以对焊接的要求比较大，本机架采用角焊。角焊中，焊缝高度指直角三角形的直角点到斜边的距离，这个距离已经比较适合用于整机震动比较大的部件上。机架外壳为覆盖件，对设计强度要求不大，采用 1mm 厚的薄钢板冲压或卷制折弯，各个部件间的的衔接主要采用焊接和螺栓紧固。行走轮采用螺栓固定在机架下端。3.4 皮带轮的设计与计算3.4.1 滚筒轴上输入皮带轮系的设计 （1）带型的选择。根据总体方案的选择，选用的是4马力的柴油机或汽油机，其额定功率为3 左右，转速不一致，通过在柴油机或汽油机上装减速器变速为kw1800r/mm，此次设计以此为原动机的转速。查机械设计手册 29的工况系数1.1。可得计算功率为：(15)3.capKkw小带轮转速1800r/min， ，根据这个数据，查手册选择采用 A 型带。ca（2）带轮直径与带速的确定。小带轮的直径通过查机械设计手册 29，有，其中 是 V 带的最小基准直径， 过小，会降低皮带的使用寿命；反min1dmind 1d过来，虽然可以延长皮带的使用寿命，但是带传动的外形尺寸随之增大。19选取小带轮的直径 。滚筒上大带轮转速为750r/min，传动比195dm大带轮的基准直径 ，取21750.4168n21()2.4758di m。2dm上式中 是 V 带传动的滑动率，值很小，在计算中可以忽略不计。带速的计算： max106/vndv代入数据得 .5s对于普通的 V 带， ，太小传递的功率小，太大则离心力过大，计/2max算的结果在合理范围内，符合设计要求。（3）带的基准长度和轴间距的确定。由公式（16)(2)7.021021dd（代入数据得 。5a所需带的基准长度为：201210/()()/4ddd