玉米脱粒机工作过程分析及优化设计学士学位毕业论文(编辑修改稿)

玉米脱粒机工作过程分析及优化设计学士学位毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

较低，但是结构复杂且工作效率低，仅用于专用的双珠栽培制种。 综合比较各类玉米脱粒机 钉齿打击原理的玉米脱粒机虽然脱粒效率高，但是对籽粒损伤大，影响玉米收获质量。 碾压原理玉米脱粒机的脱粒效率较低，并且容 易造成籽粒擦伤。 差速原理玉米脱粒机的效率较低，仅适用于脱粒单穗玉米。 挤搓原理玉米脱粒机的脱粒过程柔和，对籽粒损伤小。 因此本文设计挤搓原理的板齿式玉米脱粒机。 国外玉米脱粒机的发展 早在 200 多年以前国外的学者就开始研究玉米脱粒机理。 1975 年，英国人Wiilam Winlaw[ 10]发明出一台利用水力作为动力的立式轴流锥形滚筒玉米脱粒机。 美国的第一台手工操作的玉米脱粒机诞生于 1815 年，这台机器极大的改善了农民的工作，减轻农民的负担，但是这台机器结构比较简单，生产效率不高。 Zorer 和 Hall[11]于 1960 年，对玉米籽粒的温度、含水率、加载位置以及加载速度等因素对玉米籽粒所受的挤压强度的影响做了分析研究。 Bilanski 等学者 [12]于 1966 年研究了玉米籽粒含水率对玉米籽粒脱粒时变形的影响。 Pau1sen 等学者 [13]于 1978 年，对约翰迪尔公司以及万国收获机械公司的联合收割机在收获时的机械损伤做了一系列测试研究。 得出了含水率对机械损伤率以及综合损失之间的关系。 Huynh 等学者 [14]于 1979 年，研究并建立出凹板分离过程与脱落谷粒的数学模型。 Wrubleshi等学者 [15]于 1980 年，对比 分析了传统玉米脱粒机与双轴流式玉米脱粒机，研究出玉米果穗喂入量与轴流脱粒分离损失之间的关系。 Trollope[16]于 1982 年，分析研究了玉米脱粒过程中谷物的受力状况。 Pomeranz 和 Watson 等学者 [17]于 1986 年分析比较了玉米籽粒破碎敏感性与玉米籽粒硬度之间的关系。 第 1 章 绪论 5 Henrich 等学者 [18]于 1999 年，实验分析了谷物脱粒过程，研究分析了分离率与谷物含水率之间的关系。 Kumara[19]于 20xx 年，研制出符合人体工程学的玉米脱粒装置。 Miu 和 Kutzbach[20]于 20xx 年，研究了纹杆 玉米脱粒装置，提出一系列数学模型。 Petkevichius 等学者 [ 21]研究了玉米果穗的喂入方式与籽粒含水率以及玉米品种对籽粒损失率之间的关系。 国内玉米脱粒机的发展 虽然对于脱粒机的研究在国内较晚起步，但是其发展速度十分快。 葛永久、王成芝等学者 [22]于 1969 年，研究了轴流滚筒式脱粒装置的工作原理后自主研制了大型轴流滚筒试验台。 邵维民等学者 [23]于 1992 年，研究了小型板齿式轴流玉米脱粒机，将轴流式玉米脱粒装置与纹杆滚筒的脱粒装置进行对比，研究杂质和谷物在轴向的分布规律。 李保国等学者 [24]研究了 轴流式玉米脱粒机的凹板脱落下的籽粒沿着滚筒长度方向上的分布规律。 陈树人等学者 [25]于 1999 年分析研究了联合收割机，应用计算机仿真技术对摘脱滚桶梳刷作物的动作以及割台上板尺的运动进行了研究。 张认成 [26]等学者于 20xx 年，应用 Matlab 对钉齿式玉米脱粒装置进行研究，建立出一系列的力学模型。 何晓鹏等学者 [27]于 20xx 年，对玉米不同含水率下的破碎率进行研究，并发明出一台挤搓式玉米脱粒装置。 周旭等学者 [28]于 20xx 年，对比圆柱形滚筒与圆锥形滚筒，指出圆锥形滚筒的玉米脱粒机对玉米籽粒的损伤率低。 李耀明 等学者 [ 29]研究了轴流式玉米脱粒装置内玉米芯以及籽粒在轴向的分布曲线。 吴多峰等学者 [30]于 20xx 年，对比了钉齿式玉米脱粒机，指出了板齿式玉米脱粒机的各项优点。 李心平等学者 [31]于 20xx 年，发明了一种差速式玉米脱粒装置，并对该脱粒装置的籽粒破碎率以及脱净率进行了性能测试。 张伟等学者 [32]应用 Matlab 软件对轴流玉米脱粒机进行模拟仿真。 吉林大学学士学位毕业论文 6 衣淑娟等学者 [33]于 20xx 年发明了一台轴流式玉米脱粒装置，研究了稻谷脱出物在装置内的分布规律，得到了稻谷脱出物沿着轴向分布的曲线方程。 凤鸣农业机械制造有限公司唐昌 兵等人 [34]于 20xx 年发明出一台组合式玉米脱粒装置。 这台装置分为两个部分，第一部分为纵向脱粒，第二部分为横向脱粒。 张克新等人 [35]发明了一种横式滚子玉米脱粒装置。 张飞等学者 [36]于 20xx 年发明了一种籽粒破税率低，脱净率高的脱粒机，这种脱粒机是一种软脱式玉米脱粒机，它的外部由橡皮套组成。 杜红军等学者 [ 37]研制出一台五滚筒双进穗的玉米脱粒装置。 宋清亮等学者 [38]研制出一台双筒脱粒装置。 长沙齐行机电科技有限公司的唐勇等人 [39]于 20xx 年，设计发明了一台玉米脱粒装置，采用切向力进行脱粒，通过旋转挤压的方 式使得脱粒后的玉米籽粒以及玉米芯可以保持完整。 存在的问题 我国对于玉米的加工方式流程和外国存在一些差异。 玉米脱粒装置主要使用于脱粒晾干后含水率较低的玉米果穗。 在国外玉米果穗刚收获时其水分一般为35%左右，需要对果穗进行烘干使其水分达到 %左右再进行脱粒。 然而在我国，玉米种子公司规模一般都不大，没有建立玉米果穗的烘干室的资金，因此基本上都不对玉米果穗进行烘干。 在我国种子公司一般将玉米果穗在场上晾干，降低其水分到 18%左右，然后运用烘干塔对籽粒进行烘干，最终使玉米籽粒的水分可以降至 13%[40]。 因此在我国对玉米果穗进行脱粒时，其水分比较高，导致玉米芯与玉米籽粒的连接强度较大，最终影响脱粒质量 [ 41]。 普通玉米脱粒机在工作时，平均籽粒破碎率在 3%到 5%之间，有时可能达到 8%甚至更多 [42]，这将严重影响玉米产量。 因此，需要结合我国玉米脱粒现状，研制出适合我国市场需求并且破碎率低、脱净率高的玉米脱粒机。 虽然玉米脱粒机的研究已经取得了许多成果，但是仍旧存在一些不足。 由于玉米脱粒过程的复杂性，迄今为止，国内外对玉米脱粒过程的研究大部分采用的是试验方法、高速摄像技术、经验方法以及统计分析方法或者连续介质力学的 分析方法 [43]。 运用这些方法对脱粒的机理进行研究并研制出脱粒机，大量耗费人第 1 章 绪论 7 力物力，只能对脱粒过程的宏观层面进行分析，无法保证精度，并且作物与机械之间以及作物之间的相互作用考虑较少，取得的成果也不具有普遍意义。 当脱粒机种类的不同、作物种类的不同时参数还需要进行重新安排实验然后建立新的数学模型，增加了实验的重复性，延长研发周期。 本文主要研究内容 我国市面上用的最多的脱粒机为钉齿滚筒式脱粒机。 这种脱粒机采用打击式原理将玉米粒从玉米果穗上脱落。 这种脱粒方式虽然脱粒效率以及脱净率比较高，但是对玉米籽粒的损伤 较大。 挤搓原理的脱粒机如今在美国等的发达国家已经得到广泛的推广应用并取代了打击原理的脱粒机。 挤搓原理脱粒机全面克服了钉齿式玉米脱粒机的缺点，不仅脱净率高而且破碎率低，它的损失率比打击式玉米脱粒机至少下降了 %[27]，适合种子玉米以及普通玉米的脱粒。 因此本文主要设计一款运用挤搓原理的板齿式玉米脱粒机。 本文采用基于离散元法的数字化设计方法研究玉米脱粒机的脱粒过程。 该方法首先建立脱粒机的数字化模型，并在计算机上进行物理仿真，根据仿真结果修改设计尺寸与结 构，然后再对修改后的脱粒机模型进行仿真分析，直到得出符合要求的分析结果，从而实现对玉米脱粒机的优化设计。 本文首先绘制二维 CAD草图，建立 PRO/E 三维模型。 然后通过课题组自主研制的 AgriDEM 软件，采用离散元法对自行设计的板齿玉米脱粒机进行仿真。 通过改变滚筒转速以及喂入量等变量，考察玉米脱粒机的脱粒效果：籽粒破碎率、果穗脱净率、脱落籽粒沿滚筒轴向分布曲线等，以期对所设计的脱粒机的工作性能进行优化。 吉林大学学士学位毕业论文 8 第 2章 板齿玉米脱粒机总体结构与工作原理 板齿脱粒机基本结构与工作过程 板齿玉米脱粒机的基本结 构如图 21 所示。 玉米果穗由入料口进入脱粒机，V 带轮将电机的功率传动给脱粒滚筒使其转动。 入料口对应的滚筒段为入料区，入料区上的螺旋叶片将玉米果穗送入脱粒区。 脱粒区的滚筒上安装有 16 个板齿，滚筒外围围绕着栅格凹板。 在脱粒区，玉米果穗在板齿的作用下顺着栅格凹板做螺旋运动至排芯区。 在脱粒区内玉米果穗与果穗之间以及玉米果穗与凹板间相互挤搓，致使籽粒脱落。 脱掉玉米籽粒后的玉米芯被板齿推送到排芯区，当排芯区充满玉米芯后，排芯区隔板将被顶开，脱粒机排出玉米芯。 玉米籽粒在脱落后通过栅格凹板的间隙进入出料斗排出脱粒机。 挤搓式 玉米脱粒机的脱粒过程相对柔和，对果穗的冲击力相对小从而玉米籽粒的破碎率比较低。 1 机架 2 出料口 3 排芯口 4 出料口压板 5 栅格凹板 6 入料口 7 带轮 8 电机 图 21 板齿玉米脱粒机基本结构 板齿脱粒机工作原理 挤搓式板齿玉米脱粒机充分应用了仿生技术 [44]，脱粒区的板齿对玉米果穗的运动模仿了人工用手搓玉米。 玉米果穗于脱粒区中，在滚筒板齿的作用下沿着栅格凹板做圆周运动。 板齿和滚筒轴具有一定的夹角，玉米果穗也同时被推向排芯区。 因此玉米果穗在脱粒机内的运动轨迹为螺旋线。 为了模仿人工用竹签先挤第 2 章 板齿玉米脱粒机总体结构与工作原理 9 掉玉米果穗上的局部籽粒这一动作，前一部分的板齿被设计成带冠板齿。 带冠板齿先将局部籽粒挤掉，方便后续的脱粒。 后一部分板齿为直板齿。 排芯区隔板使玉米果穗充满于脱粒仓内，脱粒区的板齿推动玉米果穗时，果穗与凹板的相对运动为既滑动又滚动。 从而达到挤搓玉米果穗使其脱下籽粒的效果。 果穗与果穗 之间也具有一定的压力进行充分挤搓。 因此可以脱掉所有的籽粒，保证脱净率。 本章小结 本章详细介绍了板齿式玉米脱粒机的基本结构。 并根据板齿式玉米脱粒机的工作过程以及工作原理分析此类玉米脱粒机在脱净率以及破碎率等方面的优点。 吉林大学学士学位毕业论文 10 第 3章 板齿玉米脱粒机脱粒元件设计 板齿设计 板齿作用 板齿是脱粒机脱粒时的主要脱粒部件。 板齿设计的好坏直接关系到玉米脱粒机的脱粒质量。 在脱粒机工作时，脱粒滚筒上的板齿匀速转动，对玉米果穗做挤搓作用，并且带动玉米果穗向排芯区运动。 板齿样式及尺 寸 本设计板齿分为两种，分别为带冠板齿以及平板齿。 为了模仿人工用竹签先挤掉玉米果穗上的局部籽粒这一动作，前一组的板齿设计成带冠板齿。 带冠板齿先将局部籽粒挤掉，方便后续的脱粒。 后一部分板齿为平板齿。 因为在脱粒机工作时板齿与玉米果穗频繁接触，需要保证板齿 硬度 、强度、疲劳强度、耐磨性以及韧性等，故将平板齿以及带冠板齿的顶部 进行淬火处理。 在主轴上安装有十六个板齿，其中前八个为带冠板齿，后八个为平板齿，十六个板齿均匀的安装在脱粒滚筒的脱粒区段，板齿高 40 毫米，宽 10 毫米，长 100 毫米，如图 3图 32所示。 图 31 带冠板齿的设计 图 32 平板齿的设计 致 谢 11 电动机设计 板齿玉米脱粒机所需功率 板齿玉米脱粒机的主要工作部件是脱粒滚筒。 滚筒上安装有板齿，板齿由滚筒带动并推动玉米果穗做螺旋运动。 滚筒转速是由滚筒上安装着的板齿的顶部的线速度所决定的。 滚筒转速 必须保证不能伤害玉米籽粒。 玉米籽粒含水率较低进行脱粒时，相对容易破碎。 由文献 [27]可知， 13%左右含水率的玉米果穗从低于 米高处落下不会导致籽粒破碎。 玉米籽粒从高处落下撞击地面相当于高速与板尺接触。 因此可以计算出滚筒外缘的最大线速度。 根据公式：gSt 2和 gtv 式中： S 为实验物料距离地面高度，单位为 m； g 为重力加速度，值为 ；t 为下落时间，单位为 s； v 为下落至地面时的瞬时速度，单位为 m/s。 当 S= 时，由上式可得 4v m/s。 因此脱粒滚筒外缘即板尺顶部的线速度不得大于 4m/s。 若滚筒线速度太小会影响脱粒效率。 其线速度在。 还需考虑凹板的曲率对玉米脱粒机脱粒效果的影响。 当脱粒机较大时选取较高值，脱粒机较小时选取较小值。 本设计为设计一台小型的板齿玉米脱粒机，因此设计线速度 v=。 根据资料 [45]，平均每个板齿受到 156N 的力。 因此 16 个板齿的总受力为：2 4 9 616156n  板齿平均FF N。 因此当玉米脱粒机进行脱粒时，受到 2496N的切向力。 式中： 平均F 为平均每个板齿所受到的力； 板齿n 为脱粒时参与脱粒板齿的个数。 当板齿玉米脱粒机工作时，脱粒滚筒上的板齿快速的转动， 这时滚筒转速为： 260)4040150(    顶齿顶轴 DVN  r/min 式中： 齿顶V 为板齿齿顶线速度； N 轴 为脱粒机主轴的转速； D 顶 为板齿齿顶距离滚筒轴心的距离。 吉林大学学士学位毕业论文 12 玉米脱粒机在脱粒时所需的功率为： 1 0 0 0 4 9 61 0 0 0  齿顶VFP wKW 电机选择 由此可以计算出配套电动机的功率。 配套电动机。