玉米籽粒收获脱粒装置设计
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毕业设计中文摘要玉米籽粒收获脱粒装置设计摘 要玉米作为我国第二大农作物,其脱粒效率对玉米产量影响很大。目前国内外已有的大型玉米收获机不适合小型农业生产,大型一体化机器开进农田,会造成土地压实,且玉米的破碎率较高。针对这一问题,本文已结合挤搓式和差速式脱粒装置的优点,对现有的中小型玉米脱粒装置的滚筒结构进行改进。设计一个主要由入料斗、滚筒、电动机和V带组成的玉米籽粒脱粒收获装置。该设计主要对漏斗和滚筒结构进行设计。工作时人工从入料口投入玉米,使玉米滑入脱粒区。在脱粒区,滚筒上的钉齿对玉米进行挤搓和摩擦,同时滚筒与凹板形成差速,进而完成脱粒。对入料斗进行设计,改进其结构,防止一次性投入过多装置卡死。对脱粒区进行设计时,改变滚筒结构,将钉齿设计为齿板结构,以便于设计伸缩结构,采用齿轮齿条控制,带动螺纹传动,从而实现齿的伸缩控制。该装置设计的小型玉米脱粒装置,适合于小型农业生产,可以满足对不同直接的玉米脱粒,具有净脱率高、效率高的特点,同时伸缩齿以降低破损率。价格实惠,操作简便,农民愿意接受。关键词:破损率;挤搓式;挤压;滚筒 毕业设计英文摘要Design of corn threshing and harvesting deviceAbstractAs the second largest crop in China, threshing efficiency of maize has a great influence on maize yield. At present, the existing large scale corn harvesters at home and abroad are not suitable for small scale agricultural production. When the largescale integrated machine enters the farmland, it will cause land compaction and the crushing rate of corn is high.In order to solve this problem, this paper has combined the advantages of extruder and differential threshing device, and improved the drum structure of the existing small and mediumsized corn threshing device. A corn threshing and harvesting device was designed, which was mainly composed of hopper, roller, motor and V belt. The main design of the funnel and drum structure design. At work, the corn is artificially put into the feed mouth to make the corn slide into the threshing area. In the threshing area, the nail teeth on the drum squeeze and rub the corn, and at the same time, the drum and the concave plate form a differential velocity, and then the threshing is completed. The hopper is designed and its structure is improved to prevent too much equipment from getting stuck at one time. When the threshing area is designed, the drum structure is changed, and the nail tooth is designed as the tooth plate structure, so as to facilitate the design of the telescopic structure. The rack and pinion control is adopted to drive the screw transmission, so as to realize the telescopic control of the tooth.The device design of small corn threshing device, suitable for small agricultural production, can meet the different direct corn threshing, has the characteristics of high net rate, high efficiency, while adjusting the expansion of the tooth can reduce the rate of damage. The price is affordable, the operation is simple, the farmer is willing to accept.Keywords: breakage rate; Crowded rub type; Extrusion; Drum目 录1 绪论11.1 选题的依据及意义11.2 国内外研究现状11.2.1 国外玉米脱粒机发展现状11.2.2 我国玉米脱粒机的发展过程21.2.3 玉米挤搓式原理脱粒装置21.2.4 差速式原理玉米脱粒装置32 技术任务书(RJ)52.1 设计依据52.2 产品的用途及适用范围52.3 主要参数设计52.4主要研究内容与方案63 设计技术说明书73.1 装置的工作原理73.2 电机的设计73.2.1 电动机功率设计73.2.2 电动机的选择93.3 整机结构的设计103.4 外部结构的设计113.4.1 入料斗的设计113.4.2 出料斗的设计113.4.1 排芯斗的设计123.5 滚筒的设计133.5.1 滚筒的作用133.5.2 齿板的设计133.5.3 圆柱滚筒的设计143.6 伸缩结构的设计143.6.1 伸缩结构的作用143.6.2 齿轮齿条的设计143.6.3 伸缩杆的设计163.6.4 齿条轴的设计173.6.5 右端螺纹控制结构183.7 圆锥滚杆的设计183.7.1 圆锥滚杆的作用183.7.2 圆锥滚杆的尺寸设计183.8 小齿轮传动部分的设计193.8.1 齿轮设计的作用193.8.2 主动轮的设计193.8.3 从动轮的设计203.9 V带传动部分的设计223.9.1 V带的作用223.9.2 V带型号的选择233.9.3 主动轮的设计233.9.4 从动轮的设计233.9.5 V带长度的设计243.9.6 带的参数设计253.9.7 主动轮结构的设计263.9.8 从动轮的结构设计283.10 滚筒阶梯轴的设计293.10.1 轴的基准直径的设计293.10.2 阶梯轴的强度校核313.11 圆锥滚杠轴的设计353.12 凹板的设计353.12.1 凹凸板的作用353.12.2 凹板的选择363.12.3 凹板的尺寸设计363.13 轴承的选择373.14 脱粒仓的设计373.14.1 脱粒仓的作用373.14.2 脱粒仓的结构尺寸374 使用说明书394.1 操作说明394.2 注意事项395 标准化审查报告40结 论41参 考 文 献42致 谢441 绪论1.1 选题的依据及意义玉米作为我国的重要农作物之一,具有很高的经济价值。由于北方平原较多,常常大面积种植,使用大型一体化机器收获时,容易对土地进行压实,而且容易发生遗漏,需要进行二次脱粒。对于南方,玉米籽粒的收获更适合于小型机器,因此设计一台设计小型玉米脱粒装置更具有其经济价值1。截止2019年,我国玉米播种面积已达41284千公顷,总产量达到26077.9万吨2。并保持逐年增长的趋势,早在2011年便已经超过稻谷和小麦,成为了我国第一大粮食作物1。玉米的种植在国外农作物中也占有很高的地位,特别是像美国、巴西、澳大利亚等农业大国,与我国相比,其机械化更加广泛。比如美国对玉米脱粒的研究,早在1815年便开始了。在对玉米脱粒的研究过程中发现,玉米的脱粒效率和破损率对其经济效益影响很大。但我国大型机器的使用率并不高,据资料显示,我国大型设备的使用率仅为2%左右2。在我国中小型农业生产占比比较大,而大型机器的购买成本较大,大多数农民无力购买。目前我国主流的玉米脱粒方式有传统的连盖打、竹片撬、木棒打、胶鞋搓等,这些脱粒方式,主要依赖于人工操作,生产效率较低,且工人容易疲劳,但其优点是破损率很低,且净脱率高,玉米粒含杂质少。随着科学技术的发展,社会生产力提高,对农业生产的要求也越来越高。近年来,玉米的产量逐年增加,传统的人工脱粒存在许多明显的缺点,因此为减轻农民的工作强度,促进农业的发展,实现玉米脱粒机械化,迫切需要一适应于中小型农业生产的玉米脱粒装置。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外玉米脱粒机发展现状资料显示,国外对玉米脱粒装置早于中国,早在1785年苏格兰人安梅克(Andrewmeikle),发明了第一个回旋滚筒脱粒装置,并且科学家们对玉米做了大量的试验和研究3,不断创新研究出了新的玉米脱粒装置。在1815年,美国研发出了世界上第1一台玉米籽粒脱粒4。该机器主要工作原理是,利用脱粒区钉子对玉米进行脱粒,这台机器的特别之处就是在脱粒区的盘型装置上加装钉子,通过手摇曲柄带动装有钉子的盘型装置,操作人员控制手摇曲柄带动旋转盘片,同时盘片挤压玉米,使玉米籽粒在培根处受力脱落。加拿大的Agriculex公司可以实现单玉米脱粒的scs2型玉米脱粒5,它的工作原理是有三个包有橡胶辊子,在相同方向上以不同的转速转动,利用其差速对玉米进行摩擦,使玉米与壁之间形成挤压,进而脱粒。该机器对胚芽和玉米芯的破坏力较小,且具有净脱率高、破碎率低的特点。但该机器有其缺点,结构不过紧凑,使用时容易出现故障,工作寿命不稳定,不适合大规模玉米脱粒生产。美国AECgroup公司研发出了HS48型挤搓式玉米籽粒脱粒机。该机器脱粒性能良好,可以用于不同品种的玉米进行脱粒。这种脱粒方式玉米的玉米破损率比打击式脱粒机小很多,在欧洲及美国等许多发达国家已经广泛使用6。该机器的生产效率为1012吨每小时,破损率为0.8%左右,但其缺点是体积庞大,价格昂贵。1.2.2 我国玉米脱粒机的发展过程对于我国而言,玉米脱粒机研究起步相对较晚,上世纪70年代初,我国自主研发的冲击式原理玉米脱粒机应用广泛,其中以大中型脱粒机为主7。改革开放后,我国实行家挺联产承包责任制,农业生产开始实行个体化,为适应中小型农业生产,又相继研制出了一些中小型玉米脱粒装置。随着我国机械化生产水平不断提高,从国外引进了一批先进成套装备。通过对其研究,1996年重庆市研究所陈吕西研发了搓擦式TY0.2型玉米脱粒机8。2001年农业部规划设计研究院何晓鹏,在研究美式进口装备的基础上,自行研制出了新型挤搓式玉米脱粒机。同时甘肃酒泉奥凯子机械有限公司、北京西达农业工程科技发展中心和北京市丰田种子机械厂,在后续发展上,研制出了不同种类的挤搓式玉米脱粒机9。2007年沈阳农业大学李心平研发了差速式玉米脱粒装置10。近年来,中国农业迅速发展,各种大型一体化玉米收获机也开始广泛使用。但对于小规模的玉米生产,大型机器存在体积过大、购买成本高等缺点,于是设计一台微型玉米籽粒收获装置对于小规模生产来说更具有经济价值。因此本文拟结合已有机型设计一台小型玉米籽粒收获装置。1.2.3 玉米挤搓式原理脱粒装置挤搓式玉米脱粒装置的主要构成原件有入料斗、脱粒滚筒、凹版、带轮、压板等机构,装置如图11所示。脱离滚筒上有板齿、螺旋输送版等结构,使玉米进入脱粒区时,在仓内做螺旋运动。挤搓式玉米脱粒装置运用了仿生技术,模仿了人工挤搓玉米进行脱粒,使板齿对玉米形成往复的作用力。其结构在很大程度上降低了玉米的破损率。在对玉米进行脱粒时,板齿、果穗和凹版充分接触,板齿与果穗以及果穗与果穗之间相互挤搓,使玉米在胚根断裂,从而完成玉米脱粒,这种脱粒方式相对较为柔和,对果穗的冲击力较小,因此对玉米造成的破损率比传统机器脱粒小很大。1脱粒滚筒 入料区螺旋叶片 3V带轮 4入料斗 5脱粒区板齿6栅格凹板 7排芯区直板齿 8排芯区压板机构图11 挤搓式玉米脱粒装置1.2.4 差速式原理玉米脱粒装置差速式玉米脱粒装置如图12所示,两辊在V型皮带的带动下,在相同转向上,以不同的速度旋转。使脱粒区的螺旋滚筒和直滚筒组成脱粒部件。玉米果穗在向排芯口运动时完成脱粒,被脱下的玉米粒以及一部分破碎的玉米芯等杂物,通过缝隙掉入排料区。杂物在被排料区排出时,通过筛子将杂物与玉米粒分离。在整个玉米脱粒过程中,一般只适用于单穗玉米脱粒,因此脱粒效率较低。1.入料口 2.带轮 3.清选调节装置 4.出料斗 5.筛分装置6.排杂装置 7.排芯斗 8.籽粒收集装置图12 差速式玉米脱粒装置根据上述装置,结合它们的优缺点,设计一台适合小规模生产的玉米脱粒装置。对玉米脱粒系统进行设计,降低其破损率,提高玉米脱粒效率,同时在出料口处加装一个筛选装置。452 技术任务书(RJ)2.1 设计依据对我国而言,中小型农业生产较多,农民更青睐于小型玉米脱粒装置。因为小型玉米脱粒装置价格便宜,体积较小、方便移动,且脱粒效率相对适中。就目前而言,我国近几年兴起钉齿式玉米脱粒机相对较为流行,这种装置是在打击式玉米脱粒机上创新而来的11。为提高其脱粒效率和降低其破损率,本论文结合已有的挤搓式和差速式进行设计这样不仅可以其脱粒相对柔和、破损率低。由于齿的长度可以调节,可以对不同品种的玉米进行脱粒,因此其适用范围更广 。2.2 产品的用途及适用范围该装置主要适用于中小型农业生产,不适合大型玉米生产脱粒。一般多用于丘地较多的地方。对玉米进行脱粒时,应先对其进行脱水,玉米含水量降低到一定程度时,对其进行脱粒不易将玉米粒挤碎。在玉米的工业生产中,对其进行脱粒是最困难的一步,该装置是为了解决这一问题而设计的机器,减轻农民的工作强度。其适用范围可用与南北方中小型农业生产。2.3 主要参数设计玉米籽粒脱粒收获装置的主要参数如表21所示:表21 主要技术参数主要参数项目参数电动机功率18.5kw电动机转速1470r/min电动机额定转矩2.0V带型号B型V带线速度12.3m/s小带轮基准直径160mm2.4主要研究内容与方案本设计主要是利用差速式与挤搓式原理进行改进,当玉米进入投入口时,根据挤搓式原理模拟人工脱粒,结合挤搓原理,利用差速,转向不同和速度不同,根据玉米脱粒时的受力分析,科学设计合理的可调节参数,实现半自动化。(1)主要对滚筒脱粒区进行设计,出料口穗芯与玉米粒塞斗分离。同时脱粒装置可以与螺栓连接。(2)装置设计为电力传动,电动机通过带传动,带动滚筒转动对玉米进行脱粒,其中带传动可以起到过载保护。 (3)对入料斗和出料斗进行设计;对机架及整体布置进行设计,包括漏斗、滚筒脱粒系统、带传动、电动机系统、出料筛斗的设计。3 设计技术说明书3.1 装置的工作原理玉米通过入料斗,进入脱粒区,在滚筒的带动下,玉米与钉齿之间相互挤压,由于玉米培根处受力强度较弱,所以容易断裂。滚筒与圆锥杆在相同转向上,以不同的转速转动,将玉米芯带出脱粒区。玉米粒掉入分离区,出料斗抖动,将玉米粒与杂质分离。 3.2 电机的设计电机是玉米脱粒机的关键部件之一。电机的功率和转速往往对玉米的净脱率、破损率影响很大。农村对玉米进行脱粒时,往往先将玉米曝晒几天,降低其含水量。查阅资料的玉米含水量对脱粒的影响,玉米籽粒和芯轴含水量下降时,当玉米籽粒含水率为26%左右,芯轴含水率在45%左右之后含水率下降缓慢,在这其期间对玉米进行脱粒效果更佳12。 通过不同含水量的玉米研究,玉米单滚筒脱粒时其较优参数区间为滚筒转速350550r/min、脱离间隙4065mm喂入量611kg/s;查阅资料经过曝晒后,含水率可达13%,玉米的硬度和韧性增加,玉米可承受相对较大的冲击力和挤压力,含水量为13%的玉米,从高度为0.8米的高处落下,玉米籽粒不会破碎13。玉米从入料口进入脱粒仓时,与滚筒上的擦齿发生碰撞,相当于玉米与地面撞击。将其转化为滚筒与玉米碰撞的线速度。3.2.1 电动机功率设计根据公式(31)和(32)可以计算滚筒脱粒时齿顶的线速度。玉米从0.8米的高空中自由落体到地面的速度为4m/s。 t=2hg (31) V=gt (32) 式中: h玉米的下落高度,m; g重力加速度,m/s2; t空中下落时间,s; V到达地面的瞬时速度,m/s。为保证玉米不被滚筒破坏,齿顶的速度应小于4m/s,所以取Vs=3.7m/s。对于本设计,其脱粒效率拟达到2.8kg/s,查阅相关文献,每个齿平均所受所受的力为F0=200N,根据计算公式(33),可以求得滚筒上齿受的总受力为Fn= 4000 。处于稳定性设计,设计载荷应大于实际载荷,所以设计载荷为FN=4000N Fn=nF0=20200=4000N (33)式中:Fn 理论上滚筒齿的总载荷,N;Fn滚筒齿设计总载荷,N;F0 单个齿所受的力,N;n钉齿数量。根据玉米从0.8m高空玉米落到地面的速度,转化为滚筒的转速,由公式(34)得Nn=392r/min。Nn = vs601000Dn = 3.76010003.14(150+30) =392r/min (34)式中:VS 滚筒齿顶的速度,m/s;Dn 滚筒齿顶圆的直径,mm;Nn 滚筒的转速,r/min。再根据滚筒的转速,确定滚筒的功率,由公式(35)计算转筒的功率Pz=14.8kw。Pz = FNVS1000 = 40003.71000 = 14.8kw (35)式中:FN滚筒受的总力,N;Vs 滚齿顶的线速度,m/s;Pz 滚筒的转动功率,kw。查阅资料13,相关传动部分能量的损失效率,根据(36)计算总传动效率 =vzcN (36)式中:v v带的传动效率;z 小齿轮的传动效率;c 轴承的传动效率;N 滚筒的传动的效率; 总传动效率;查资料得,各传动部位传动效率如表31所示,电机传动到滚筒的效率为 =0.950.960.981=0.89。表31 各传动部件传动效率各部件传动效率传动效率取值带传动效率 0.940.970.95齿轮传动效率0.950.990.96轴承传动效率0.980.990.98滚筒传动效率113.2.2 电动机的选择电动机通过传动部分带动滚筒转动,根据公式(37)计算出电动机的输出功率PU =16.6kw。 PU = Pz =14.8kw0.89 = 16.6kw(37)式中:Pz 滚筒的转动功率,kw; 总传递效率;PU 电机的实际输出功率,kw。通过计算,电动机的功率应该大于16.6kw,查阅资料13,型号为Y200L16电动机满足条件,电动机的参数如表32所示。表32 电动机的参数电动机额定功率/kw满载转速/(r/min)额定转矩质量/kgY180M418.514702.2182v带传动时,其传动比不稳定,取值范围为25,根据公式(38)计算电机的转速,所以电机的转速应大于其最大值。 vz = inNn =(25)392 =7841960r/s(38)式中:inV带的传动比;Nn滚筒的转速,r/min;
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