【正文】 er physical design discrete element simulation analysis 第 1 章 緒論 1 第 1章 緒論 研究 背景與意義 玉米是一種很重要的糧食作物，既可以食用或者作為飼料，也是重要的工業(yè)原料之一 [1]。在我國玉米作為第二大農(nóng)作物，其全國種植面積僅次于美國 [3]，約為 億公頃。而十一五期間玉米的供求也得到了進(jìn)一步的增長，玉米的產(chǎn)量由 20xx 年 1258 億千克增長到 20xx 年的 1440 億千克 [4]，此產(chǎn)量可以較好的滿足國內(nèi)玉米的需求。雖然個(gè)別地方采用各種大中型的玉米 脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒，但是這些機(jī)器生產(chǎn)不規(guī)范，容易造成玉米籽粒的破碎，而且往往一次脫粒不干凈，需要重復(fù)脫粒幾次，嚴(yán)重的影響了玉米的生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率 [5]。電動(dòng)機(jī)械式玉米脫粒機(jī)脫凈率差，效率低，脫粒時(shí)破損玉米芯影響脫粒質(zhì)量 [6]，并且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造成本較高。目前，在我國玉米脫粒機(jī)的普及率僅僅達(dá)到 2%，主要都在北京、天津、河北、山東 等發(fā)達(dá)地區(qū)的一些大型農(nóng)場。 玉米脫粒機(jī)的種類及特點(diǎn) 玉米脫粒機(jī)的表示方法 玉米脫粒機(jī)的表示方法如下所示。打擊式玉米脫粒機(jī)主要有兩類：釘齒滾筒式玉米脫粒機(jī)以及紋桿式玉米脫粒機(jī) [8]，如圖 11 所示 。打擊的機(jī)會(huì)以及打擊的速度都影響著脫粒機(jī)的脫粒效率。 圖 11 打擊原理玉米脫粒機(jī) （ 2） 碾壓脫粒原理： 碾壓式玉米脫粒機(jī)在脫粒時(shí)，其碾壓滾筒與玉米果穗相互碾壓，在碾壓的過程中使玉米芯與玉米籽粒之間產(chǎn)生側(cè)移的趨勢。一般來說玉米芯與玉米籽粒之間的抗剪力比較小。碾壓式玉米脫粒機(jī) 如圖 12 所示。脫粒滾筒上有板尺、螺旋輸送板等結(jié)構(gòu)，使得玉米果穗在脫粒倉內(nèi)做螺旋前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)。在脫粒的過程中，果穗與板尺以及凹板充分接觸，板尺與果穗以及果穗與果穗之間相互擠搓，使得果穗上的籽粒脫落，從而完成脫粒。 1 脫粒滾筒 2 入料區(qū)螺旋葉片 3V 帶輪 4 入料斗 5 脫粒區(qū)板齒 6 柵格凹板 7 排芯區(qū)直板齒 8 排芯區(qū)壓板機(jī)構(gòu) 圖 13 擠搓原理玉米脫粒機(jī) (4)差速脫粒原理：差速式玉米脫粒機(jī)如圖 14 所示，兩輥在皮帶輪的帶動(dòng)下以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，兩輥的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。玉米果穗一邊向著排芯口運(yùn)動(dòng)一邊脫粒，被脫下的玉米籽粒以及一部分破碎的玉米芯等雜物通過兩輥間的縫隙到排料區(qū)。但是差速式玉米脫粒機(jī)的效率較低，僅適用于脫粒單穗玉米。這種吉林大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 4 脫粒方法是為了獲得連體成對并列的種子的。采用這種原理設(shè)計(jì)的脫粒機(jī)雖然破碎率較低，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作效率低，僅用于專用的雙珠栽培制種。 碾壓原理玉米脫粒機(jī)的脫粒效率較低，并且容 易造成籽粒擦傷。 擠搓原理玉米脫粒機(jī)的脫粒過程柔和，對籽粒損傷小。 國外玉米脫粒機(jī)的發(fā)展 早在 200 多年以前國外的學(xué)者就開始研究玉米脫粒機(jī)理。 美國的第一臺(tái)手工操作的玉米脫粒機(jī)誕生于 1815 年，這臺(tái)機(jī)器極大的改善了農(nóng)民的工作，減輕農(nóng)民的負(fù)擔(dān)，但是這臺(tái)機(jī)器結(jié)構(gòu)比較簡單，生產(chǎn)效率不高。 Bilanski 等學(xué)者 [12]于 1966 年研究了玉米籽粒含水率對玉米籽粒脫粒時(shí)變形的影響。得出了含水率對機(jī)械損傷率以及綜合損失之間的關(guān)系。 Wrubleshi等學(xué)者 [15]于 1980 年，對比 分析了傳統(tǒng)玉米脫粒機(jī)與雙軸流式玉米脫粒機(jī)，研究出玉米果穗喂入量與軸流脫粒分離損失之間的關(guān)系。 Pomeranz 和 Watson 等學(xué)者 [17]于 1986 年分析比較了玉米籽粒破碎敏感性與玉米籽粒硬度之間的關(guān)系。 Kumara[19]于 20xx 年，研制出符合人體工程學(xué)的玉米脫粒裝置。 Petkevichius 等學(xué)者 [ 21]研究了玉米果穗的喂入方式與籽粒含水率以及玉米品種對籽粒損失率之間的關(guān)系。葛永久、王成芝等學(xué)者 [22]于 1969 年，研究了軸流滾筒式脫粒裝置的工作原理后自主研制了大型軸流滾筒試驗(yàn)臺(tái)。李保國等學(xué)者 [24]研究了 軸流式玉米脫粒機(jī)的凹板脫落下的籽粒沿著滾筒長度方向上的分布規(guī)律。 張認(rèn)成 [26]等學(xué)者于 20xx 年，應(yīng)用 Matlab 對釘齒式玉米脫粒裝置進(jìn)行研究，建立出一系列的力學(xué)模型。 周旭等學(xué)者 [28]于 20xx 年，對比圓柱形滾筒與圓錐形滾筒，指出圓錐形滾筒的玉米脫粒機(jī)對玉米籽粒的損傷率低。 吳多峰等學(xué)者 [30]于 20xx 年，對比了釘齒式玉米脫粒機(jī)，指出了板齒式玉米脫粒機(jī)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。張偉等學(xué)者 [32]應(yīng)用 Matlab 軟件對軸流玉米脫粒機(jī)進(jìn)行模擬仿真。 鳳鳴農(nóng)業(yè)機(jī)械制造有限公司唐昌 兵等人 [34]于 20xx 年發(fā)明出一臺(tái)組合式玉米脫粒裝置。 張克新等人 [35]發(fā)明了一種橫式滾子玉米脫粒裝置。杜紅軍等學(xué)者 [ 37]研制出一臺(tái)五滾筒雙進(jìn)穗的玉米脫粒裝置。 長沙齊行機(jī)電科技有限公司的唐勇等人 [39]于 20xx 年，設(shè)計(jì)發(fā)明了一臺(tái)玉米脫粒裝置，采用切向力進(jìn)行脫粒，通過旋轉(zhuǎn)擠壓的方 式使得脫粒后的玉米籽粒以及玉米芯可以保持完整。玉米脫粒裝置主要使用于脫粒晾干后含水率較低的玉米果穗。然而在我國，玉米種子公司規(guī)模一般都不大，沒有建立玉米果穗的烘干室的資金，因此基本上都不對玉米果穗進(jìn)行烘干。 因此在我國對玉米果穗進(jìn)行脫粒時(shí)，其水分比較高，導(dǎo)致玉米芯與玉米籽粒的連接強(qiáng)度較大，最終影響脫粒質(zhì)量 [ 41]。因此，需要結(jié)合我國玉米脫?，F(xiàn)狀，研制出適合我國市場需求并且破碎率低、脫凈率高的玉米脫粒機(jī)。由于玉米脫粒過程的復(fù)雜性，迄今為止，國內(nèi)外對玉米脫粒過程的研究大部分采用的是試驗(yàn)方法、高速攝像技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)方法以及統(tǒng)計(jì)分析方法或者連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的 分析方法 [43]。當(dāng)脫粒機(jī)種類的不同、作物種類的不同時(shí)參數(shù)還需要進(jìn)行重新安排實(shí)驗(yàn)然后建立新的數(shù)學(xué)模型，增加了實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，延長研發(fā)周期。這種脫粒機(jī)采用打擊式原理將玉米粒從玉米果穗上脫落。擠搓原理的脫粒機(jī)如今在美國等的發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到廣泛的推廣應(yīng)用并取代了打擊原理的脫粒機(jī)。因此本文主要設(shè)計(jì)一款運(yùn)用擠搓原理的板齒式玉米脫粒機(jī)。該方法首先建立脫粒機(jī)的數(shù)字化模型，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行物理仿真，根據(jù)仿真結(jié)果修改設(shè)計(jì)尺寸與結(jié) 構(gòu)，然后再對修改后的脫粒機(jī)模型進(jìn)行仿真分析，直到得出符合要求的分析結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)對玉米脫粒機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。然后通過課題組自主研制的 AgriDEM 軟件，采用離散元法對自行設(shè)計(jì)的板齒玉米脫粒機(jī)進(jìn)行仿真。 吉林大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 8 第 2章 板齒玉米脫粒機(jī)總體結(jié)構(gòu)與工作原理 板齒脫粒機(jī)基本結(jié)構(gòu)與工作過程 板齒玉米脫粒機(jī)的基本結(jié) 構(gòu)如圖 21 所示。入料口對應(yīng)的滾筒段為入料區(qū)，入料區(qū)上的螺旋葉片將玉米果穗送入脫粒區(qū)。在脫粒區(qū)，玉米果穗在板齒的作用下順著柵格凹板做螺旋運(yùn)動(dòng)至排芯區(qū)。脫掉玉米籽粒后的玉米芯被板齒推送到排芯區(qū)，當(dāng)排芯區(qū)充滿玉米芯后，排芯區(qū)隔板將被頂開，脫粒機(jī)排出玉米芯。擠搓式 玉米脫粒機(jī)的脫粒過程相對柔和，對果穗的沖擊力相對小從而玉米籽粒的破碎率比較低。玉米果穗于脫粒區(qū)中，在滾筒板齒的作用下沿著柵格凹板做圓周運(yùn)動(dòng)。因此玉米果穗在脫粒機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線。帶冠板齒先將局部籽粒擠掉，方便后續(xù)的脫粒。排芯區(qū)隔板使玉米果穗充滿于脫粒倉內(nèi)，脫粒區(qū)的板齒推動(dòng)玉米果穗時(shí)，果穗與凹板的相對運(yùn)動(dòng)為既滑動(dòng)又滾動(dòng)。果穗與果穗 之間也具有一定的壓力進(jìn)行充分?jǐn)D搓。 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了板齒式玉米脫粒機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。吉林大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 10 第 3章 板齒玉米脫粒機(jī)脫粒元件設(shè)計(jì) 板齒設(shè)計(jì) 板齒作用 板齒是脫粒機(jī)脫粒時(shí)的主要脫粒部件。在脫粒機(jī)工作時(shí)，脫粒滾筒上的板齒勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，對玉米果穗做擠搓作用，并且?guī)?dòng)玉米果穗向排芯區(qū)運(yùn)動(dòng)。 為了模仿人工用竹簽先擠掉玉米果穗上的局部籽粒這一動(dòng)作，前一組的板齒設(shè)計(jì)成帶冠板齒。后一部分板齒為平板齒。在主軸上安裝有十六個(gè)板齒，其中前八個(gè)為帶冠板齒，后八個(gè)為平板齒，十六個(gè)板齒均勻的安裝在脫粒滾筒的脫粒區(qū)段，板齒高 40 毫米，寬 10 毫米，長 100 毫米，如圖 3圖 32所示。滾筒上安裝有板齒，板齒由滾筒帶動(dòng)并推動(dòng)玉米果穗做螺旋運(yùn)動(dòng)。滾筒轉(zhuǎn)速 必須保證不能傷害玉米籽粒。由文獻(xiàn) [27]可知， 13%左右含水率的玉米果穗從低于 米高處落下不會(huì)導(dǎo)致籽粒破碎。因此可以計(jì)算出滾筒外緣的最大線速度。 當(dāng) S= 時(shí)，由上式可得 4?v m/s。若滾筒線速度太小會(huì)影響脫粒效率。還需考慮凹板的曲率對玉米脫粒機(jī)脫粒效果的影響。本設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)一臺(tái)小型的板齒玉米脫粒機(jī)，因此設(shè)計(jì)線速度 v=。因此 16 個(gè)板齒的總受力為：2 4 9 616156n ????? 板齒平均FF N。 式中： 平均F 為平均每個(gè)板齒所受到的力； 板齒n 為脫粒時(shí)參與脫粒板齒的個(gè)數(shù)。 吉林大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 12 玉米脫粒機(jī)在脫粒時(shí)所需的功率為： 1 0 0 0 4 9 61 0 0 0 ????? 齒頂VFP wKW 電機(jī)選擇 由此可以計(jì)算出配套電動(dòng)機(jī)的功率?？倐鲃?dòng)效率與滾動(dòng)軸承的傳動(dòng)效率和V 帶傳動(dòng)效率以及滾筒傳動(dòng)效率三者有關(guān)： 滾筒帶軸承總 ???? ??? 式中： 軸承? 為每對軸承的傳動(dòng)效率， ～ ，取 ； 帶? 為 V 帶傳動(dòng)效率， ～ ，取 ； 滾筒? 為滾筒傳動(dòng)效率，因此每個(gè)板齒都是以焊接的方式固定在脫粒滾筒上，因此取 1； 綜上可得： ??????? 滾筒帶軸承總 ???? ??????? 總齒頂電動(dòng)機(jī) ?VFPKW 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在 260r/min 時(shí)，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》書中推薦的傳動(dòng)比，選取 V 帶，其傳動(dòng)比為 iV 帶 =2～ 5，如此可以選出合適的電動(dòng)機(jī)與脫粒滾筒配套。 傳動(dòng)帶的設(shè)計(jì) 傳動(dòng)帶的選取 選取 V 帶傳動(dòng)的方式。他的優(yōu)點(diǎn)是：安裝容易、傳動(dòng)效率高、噪音小、占地面積小、傳動(dòng)中心距大、傳動(dòng)平穩(wěn)、具有彈性可以緩沖吸震、過載打滑防止零件損壞；其缺點(diǎn)為：不能準(zhǔn)確的傳遞傳動(dòng)比。因?yàn)榘妪X玉米脫粒機(jī)并不需要精確致 謝 13 的傳動(dòng)比，因此選擇 V 帶進(jìn)行傳遞是最合理的。 故： ???caP KW 查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)》書中圖 5— 7，當(dāng)計(jì)算功率為 ，主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速也就是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 970r/min 時(shí)，選取 B 型 V 帶。 計(jì)算 V 帶的速度 V： 0 0 060 9 7 01 4 0 0 060 11 ?? ???? ??? NDv ? m/s 在 5~25m/s 范圍內(nèi)，因此速度符合 V 帶要求。 ?? ??????dLmm 查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)》書，表 5— 3 可得 V 帶基準(zhǔn)長度 Ld=2500mm 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：中心距 8652 39。比 V 帶傳動(dòng)所要求的最小包角 120176。 V 帶根數(shù)公示如下：laca kkPP PZ ????? )(00 式中： 0P 為每條普通 V 帶的許用功率； ak 為考慮不同大小包 角的影響系數(shù)，即為包角系數(shù)； lk 為考慮材料情況的系數(shù)，即為材料系數(shù)，對于棉線步和棉線繩結(jié)構(gòu)的膠帶 k=，對于化學(xué)線繩結(jié)構(gòu)的膠帶， k=； 0P? 為計(jì)算傳 動(dòng)比的影響時(shí)，單根普通 V 帶傳遞的功率的增量，可通過下式計(jì)算： 100 nTP ????? ； 式中： T? 為單根普通 V 帶所能傳遞的轉(zhuǎn)矩修正值， mn? ，從《機(jī)械設(shè)計(jì)》書中查表可得； 1n 為主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，單位 r/min。 單根 V 帶的初拉力 0F 由： 20 )(500 qvkZv PF aca ?????? 式中： q 為傳動(dòng)帶單位長度的質(zhì)量，單位 kg/m，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)》書中表54，得 q=。因?yàn)?＜ 25m/s，轉(zhuǎn)速相對較低，所以選擇灰鑄鐵作為帶輪的材料，其牌號(hào)為 HT200。 根據(jù)上文算出主動(dòng)帶輪的基準(zhǔn)直徑： D1=140mm。通過帶輪與電機(jī)輸出軸兩者之間的過盈配合來防止主動(dòng)帶輪軸向移動(dòng)，周向則通過加裝平鍵來固定。因?yàn)?D1≤ 3d 電動(dòng)機(jī) ，因此主動(dòng)帶輪結(jié)構(gòu)采用實(shí)心式結(jié)構(gòu)。 主動(dòng)帶輪的厚度： )14(2)1( ??????????? feZB 主 mm 主動(dòng)帶輪基準(zhǔn)寬度： 14?主pb mm 主動(dòng)帶輪基準(zhǔn)線上槽深： 5min ?主sh mm 主動(dòng)帶輪基準(zhǔn)線下槽深： 11min ?主fh mm 主動(dòng)帶輪槽間距： 19?主e mm 主動(dòng)帶輪第一槽對稱面至端面的距 離： ?主f 主動(dòng)帶輪外徑： 1 5 0521 4 021 ?????? aw hDD 主 mm 主動(dòng)帶輪槽輪角：因?yàn)?D1≤ 190，所以 ??34主? ，極限偏差為177。 吉林大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 16 綜上所述，主動(dòng)帶輪的結(jié)構(gòu)如圖 33 所示。 查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)》書，參考表 5— 12，確定出主動(dòng)帶輪的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出剩余尺寸。 30′。 （ a）從動(dòng)帶輪的二維設(shè)計(jì) 吉林大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 18 （ b）從動(dòng)帶輪的三維設(shè)計(jì) 圖 34 從動(dòng)帶輪的設(shè)計(jì) 脫粒滾筒設(shè)計(jì) 脫粒主軸作用 脫粒主軸是在玉米脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒作業(yè)時(shí)起著承擔(dān)彎矩、扭矩、轉(zhuǎn)矩、支撐脫粒滾筒正常工作的回轉(zhuǎn)零件。脫粒主軸有一下兩種作用：①為脫粒機(jī)脫粒作業(yè)傳遞各種力；②支撐軸上安裝著的板齒、螺旋葉片等脫粒元件，使 它們有固定的工作位置。直