變徑變間距螺旋板齒式玉米脫粒機設(shè)計與試驗

變徑變間距螺旋板齒式玉米脫粒機設(shè)計與試驗

甘肅西部是中國重要的玉米種子育種基地之一。目前，大多數(shù)玉米種子的脫粒和傳統(tǒng)的玉米脫粒機完成了大部分玉米種子的育種工作。傳統(tǒng)種子玉米脫粒裝置主要通過垂直安裝在脫粒主軸上的板齒元件對玉米果穗進行攪動和撞擊來完成脫粒作業(yè),對玉米制種籽粒的損傷大、破碎率高,對玉米種子后續(xù)發(fā)芽、出苗產(chǎn)生嚴(yán)重影響與制約。一般來說,傳統(tǒng)脫粒方式總損失率要超過2%,脫凈率略低。玉米果穗在脫粒過程中,穗軸碎芯較多,對預(yù)清機的風(fēng)選、篩選系統(tǒng)構(gòu)成很大壓力,導(dǎo)致預(yù)清后種子清選含雜率較大。針對上述問題,結(jié)合擠搓式脫粒工藝、仿生技術(shù)及組合式軸流脫粒滾筒脫粒性能柔和、脫粒效果好的特點,研制了一種設(shè)有變徑變間距螺旋板齒式脫粒裝置及排芯口變剛度壓板裝置的種子玉米脫粒機,以期解決傳統(tǒng)種子玉米脫粒機作業(yè)時的弊端與不足,為中國制種玉米脫粒裝置的設(shè)計研發(fā)提供參考。1網(wǎng)絡(luò)連接的組成和工作原則1.1脫粒機硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計的變徑變間距螺旋板齒式種子玉米脫粒機主要由變徑變間距螺旋板齒式脫粒裝置、排芯口變剛度壓板裝置及動力、傳動系統(tǒng)等組成,整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.2擠干脫粒裝置應(yīng)用該機脫粒作業(yè)時,剝?nèi)グ~的種子玉米果穗在人工投入下由喂料斗快速進入脫粒倉,在滾筒端部螺旋板齒的旋轉(zhuǎn)帶動下,玉米果穗隨著脫粒裝置上的螺旋平板齒及螺旋冠狀齒繞板齒滾筒做軸向螺旋運動。在脫粒滾筒的徑向方位,果穗與果穗之間、果穗與柵欄式漏籽凹板之間進行相互擠搓;在脫粒滾筒的軸向方位,脫粒裝置的螺旋平板齒和螺旋冠狀齒推動玉米果穗沿其軸向運動;因此,玉米果穗在脫粒滾筒的徑軸方向上既滾動又滑動,從而達到擠搓脫粒的效果。在擠搓脫粒過程中,玉米籽粒通過漏籽板進入出料斗進而排出機外,果穗軸芯向前運動,滯留在排芯口附近,當(dāng)穗軸芯大量堆積在脫粒區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一定壓力后,頂起脫粒機排芯口變剛度壓板裝置而排出,從而完成種子玉米果穗揉搓脫粒的目的。2關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計2.1可變直徑和可變距離的螺旋螺旋板齒式脫粒裝置2.1.1脫粒裝置設(shè)置如圖2所示,脫粒裝置由固定在脫粒主軸上呈螺旋線分布的螺旋平板齒、螺旋冠狀齒及柵格式凹板組成,脫粒元件采用變徑變間距結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。自脫粒機進料口到排芯口方向,脫粒裝置上分布的冠狀齒間距增大,平板齒間距減小,且冠狀齒與平板齒的直徑均有增加。螺旋冠狀齒設(shè)計成頂部帶冠形狀,其作用如同人工用竹簽子先將玉米果穗上的局部籽粒擠掉,以便后面擠搓順利。脫粒開始階段盡量多增加螺旋冠狀齒與玉米果穗的脫粒接觸,從完整的玉米棒子上剝掉玉米籽粒,脫粒后期階段盡量多增加螺旋平板齒與玉米果穗的脫粒接觸,以保證種子玉米籽粒破碎率降低。由于玉米果穗在剛喂入開始脫粒時,穗軸籽粒間籽粒密集依靠,脫粒難度較大,此時應(yīng)增加螺旋冠狀齒與玉米果穗的脫粒接觸,因此,在脫粒裝置進料螺旋板齒左端部設(shè)有小徑組合板齒區(qū),意在減小穗軸碎芯,降低脫粒含雜率。在玉米果穗較易脫粒的后段應(yīng)盡量增加螺旋平板齒與果穗接觸,在脫粒裝置右端部設(shè)有大徑組合板齒區(qū)。在玉米果穗脫粒中、后階段,隨著穗軸直徑不斷減小,裝置脫粒間隙也逐漸變小,因此增大螺旋冠狀齒、螺旋平板齒的直徑,以減小玉米果穗的脫粒損失率。2.1.2速度運動方程由于螺旋進料板齒上各點的螺旋角隨其截面半徑不同而變化,螺旋進料板齒工作時,玉米果穗的軸向運動速度、切向運動速度在板齒上的分布較為復(fù)雜。玉米果穗在脫粒裝置喂入段軸向運動速度Vz值的大小選取不僅會影響玉米果穗相關(guān)籽粒脫凈率與破碎率的大小,而且與脫粒含雜率密切相關(guān)。因此,明確玉米果穗的軸向運動速度Vz與螺旋進料板齒自身結(jié)構(gòu)參數(shù)(螺旋角β、螺距Sn)之間的關(guān)系具有重要意義。若變徑變間距螺旋板齒式脫粒裝置以ω的勻角速度旋轉(zhuǎn),在進料板齒截面任一半徑為r且與果穗相接觸O點處建立分析模型,如圖3所示。以圖3為分析基準(zhǔn),建立各分速度運動方程:{Vz=Vfcos(α+β)Vt=Vfsin(α+β)(1){Vz=Vfcos(α+β)Vt=Vfsin(α+β)(1)其中:Vf=Vncosα(2)Vf=Vncosα(2)Vn=V0sinβ(3)V0=ωr=Sn60tanβ(4)V0=ωr=Sn60tanβ(4)由(1)～(4)式聯(lián)合可得:故Vz=Sn60cos2β(1?ftanβ)(5)Vz=Sn60cos2β(1-ftanβ)(5)式中,Vz為果穗在螺旋進料板齒作用下的軸向分速(m·s-1);Vt為果穗在螺旋進料板齒作用下的圓周分速(m·s-1);Vf為果穗在螺旋進料板齒作用下的絕對速度(m·s-1);α為果穗與螺旋進料板齒之間的偏轉(zhuǎn)摩擦角(°);V0為螺旋進料板齒上的O點的牽連運動速度(m·s-1);Vn為螺旋進料板齒上的O點的牽連運動速度V0與果穗沿螺旋板齒面滑動形成的相對速度VAB的合速度(m·s-1);β為螺旋進料板齒螺旋角(°);Sn為螺旋進料板齒螺距(m);r為螺旋進料板齒半徑(m);ω為螺旋板齒脫粒裝置勻角速度(rad·s-1)。2.2排芯口壓板裝置目前,國內(nèi)擠搓式脫粒機排芯口普遍采用配鐵壓板裝置(如圖4a所示),其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是恒定的,當(dāng)排出果穗軸芯后,不能迅速或完全關(guān)閉排芯口。不僅減小了脫粒區(qū)的壓力值,使得脫粒能力下降;而且造成玉米果穗從脫粒區(qū)移動到排芯口的過程中,未完全脫粒就被排出,使得籽粒脫粒損失率增加。為此,設(shè)計了一種排芯口變剛度壓板裝置,其結(jié)構(gòu)如圖4b所示。樣機在脫粒作業(yè)過程中可根據(jù)不同品種、不同含水率的種子玉米果穗,調(diào)整變剛度彈簧在壓板桿上的位置,從而實現(xiàn)壓板桿轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。當(dāng)玉米果穗較難脫粒時,移動彈簧在變位裝置和壓板桿上的位置,增大壓板桿的轉(zhuǎn)矩,增加果穗在脫粒區(qū)的脫粒時間,從而減小果穗脫粒損失率。若玉米果穗較易脫粒時,可通過減小壓板桿的轉(zhuǎn)矩,使得脫凈的果穗穗芯能夠快速排出。應(yīng)用ADAMS仿真軟件對兩種不同類型的排芯口壓板裝置進行仿真模擬試驗,在100Pa開啟壓力作用下,變剛度壓板裝置關(guān)閉排芯口的時間僅需0.25s,而配鐵壓板裝置作用時則需要0.41s,前者能夠快速關(guān)閉排芯口壓板,降低脫粒裝置罩殼內(nèi)部壓力波動范圍,仿真模擬試驗如圖5(a)、5(b)、5(c)及5(d)所示。因此,脫粒機排芯口選用變剛度壓板裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計更為合理,作業(yè)效果顯著。3試驗計劃和分析3.1試驗材料及設(shè)備選取甘肅省種子玉米種植主導(dǎo)品種金穗4號(甘審玉2005006)玉米果穗作為試驗材料,試驗在甘肅白銀金穗種業(yè)有限公司果穗脫粒車間內(nèi)進行。果穗平均穗長為15.3cm,平均直徑為4.25cm,穗行數(shù)為14～16行,行粒數(shù)達32粒,千粒質(zhì)量286g,籽粒黃色,偏馬齒型,玉米果穗籽粒含水率在17.3%～18.5%之間。3.2脫粒機喂入量試驗應(yīng)用自行設(shè)計的變徑變間距螺旋板齒式玉米脫粒機進行玉米果穗脫粒試驗。試驗時去除苞葉的玉米果穗由脫粒機喂料斗勻速進入,試驗過程中,通過玉米果穗不同質(zhì)量的人工均勻喂入及應(yīng)用電磁調(diào)速電動機控制脫粒軸不同轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)喂入量的改變,果穗喂入量分別選取2.8、3.3kg·s-1,變徑變間距螺旋板齒式脫粒裝置轉(zhuǎn)速分別為220、270r·min-1,試驗重復(fù)3次。3.3變徑變間距螺旋板齒式脫粒裝置的優(yōu)點以籽粒破碎率、脫粒損失率(包括夾帶損失和未脫凈損失)、脫粒含雜率為試驗評價指標(biāo),進行種子玉米脫粒機作業(yè)性能試驗與分析。由表2試驗結(jié)果可以看出,當(dāng)變徑變間距組合式螺旋板齒種子玉米脫粒機的果穗喂入量由2.8kg·s-1上升至3.3kg·s-1,轉(zhuǎn)速由220r·min-1增加至270r·min-1時,種子破碎率增加了0.19個百分點,脫粒損失率也僅增加了0.23個百分點,脫粒含雜率升高了1.70個百分點。因此,所采用的變徑變間距螺旋板齒式脫粒裝置在一定范圍內(nèi)對物料喂入量及脫粒軸轉(zhuǎn)速不很敏感,也就是說這種脫粒裝置適應(yīng)性較強,物料喂入的不均勻及脫粒軸轉(zhuǎn)速的波動對其脫粒性能影響不大;脫粒裝置所采用的螺旋平板齒、螺旋冠狀板齒脫粒元件對玉米果穗打擊較弱,有利于籽粒破碎率的降低。變徑變間距螺旋板齒式脫粒裝置在相同轉(zhuǎn)速下其種子破碎率、脫粒損失率及籽粒含雜率都會隨著螺旋進料板齒喂入量的增加呈增長趨勢;而當(dāng)喂入量相同,脫粒裝置轉(zhuǎn)速提高時,由于螺旋平板齒、螺旋冠狀板齒脫粒元件體積較大,脫粒物料不宜膨脹,且裝置作業(yè)時能使玉米果穗運動方向與脫粒軸線接近一致,使得果穗軸能夠按照預(yù)先設(shè)計的部位、方向進行特定擊打、碰撞。因此,該種子玉米脫粒機作業(yè)后的脫粒含雜率較低,保持在4.13%～5.83%,有利于后續(xù)預(yù)清機的風(fēng)選、篩選,降低了玉米種子的清選率。試驗過程中發(fā)現(xiàn),設(shè)計的排芯口變剛度壓板裝置作業(yè)時,能夠快速關(guān)閉排芯口壓板,降低脫粒裝置罩殼內(nèi)部壓力波動范圍,提高變徑變間距螺旋板齒式種子玉米脫粒機的各項作業(yè)性能。4玉米脫粒機試驗研究1)為解決傳統(tǒng)種子玉米脫粒機作業(yè)時所引起的籽粒損傷大、破碎率高,果穗軸碎芯較多,對玉米種子發(fā)芽及后續(xù)清選作業(yè)產(chǎn)生嚴(yán)重影響的問題,結(jié)合擠搓式脫粒工藝及仿生技術(shù),研制了一種集變徑變間距螺旋板齒式脫粒裝置與排芯口變剛度壓板裝置于一體的玉米脫粒機。2)利用設(shè)計的變徑變間距螺旋板齒式玉米脫粒機進行玉米果穗脫粒作業(yè)性能試驗,試驗結(jié)果表明,籽粒破