聯合作業打瓜取籽機關鍵部件的設計與研究

馬 振，胡 斌，陳 永，王科杰，李俊虹

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

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聯合作業打瓜取籽機關鍵部件的設計與研究

馬 振，胡 斌，陳 永，王科杰，李俊虹

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

打瓜是新疆地區的主要經濟作物，其生產過程機械化程度低，嚴重制約了新疆大田生產的發展。為此，擬定了一種將打瓜破碎和分離清選的設計方案，闡述了破碎裝置的工作原理、結構組成和結構尺寸的設計。通過取樣試驗測得打瓜樣本的平均值，設計了對輥破碎機構的間隙極限值，間隙極限值分別為dmax=100mm，dmin=20mm。闡述了籽瓤分離裝置的工作過程、結構布局和結構尺寸的設計，設計了一種雙滾筒式分離清選裝置。通過取樣試驗測得新疆地區打瓜籽的三軸尺寸樣本平均值，確定了內外篩網孔的尺寸，內外尺寸分別為20mm≤D1≤25mm，5mm≤D2≤8mm。通過對破碎、分離清選裝置的設計，提高了打瓜取籽機的工作效率，降低了破損率，對大面積種植模式，尤其是新疆地區具有促進作用。

打瓜；對輥；破碎；籽瓤分離；雙滾筒

0 引言

籽瓜，俗稱打瓜，是葫蘆科西瓜屬普通西瓜的栽培變種。種植籽瓜主要是為了獲取瓜籽，是一種極具地域特色的農產品。新疆是我國籽瓜的主要種植區，其種植面積已經達到20萬hm2，因其氣候和土壤條件，極適宜種植籽瓜。籽瓜具有抗旱、投入成本低、經濟效益高等優點，已經成為新疆農民主要增收的作物之一。籽瓜生產過程中收獲環節主要靠人工撿拾、列條列堆、人工喂入、機械脫粒，這些工作環節耗時長、用工量大、勞動強度高、效率低下，嚴重制約了新疆大田生產的發展。隨著農業產業結構調整，籽瓜的種植規模越來越大，人力投入及生產成本的消耗等問題日益突出，新疆地區的籽瓜收獲機械已無法滿足大面積種植的需求。

1 工作原理及關鍵部件

1.1 工作原理

聯合作業打瓜取籽機的工作部分包括撿拾裝置、破碎裝置、籽瓤分離裝置及收集裝置等，如圖1所示。該機通過牽引式拖拉機作為動力，撿拾裝置通過與機身的連接向前運動；撿拾機構通過纏繞瓜藤，將瓜扎起等方式將打瓜向上輸送，當打瓜運送至取瓜機構位置時，打瓜被喂入破碎裝置；然后，通過咬合、擠壓的方式將打瓜破碎；接著，通過輸送機構將被破碎的打瓜送入籽瓤分離裝置進行籽瓤分離，最后將分離出的籽收集在收集箱內。

圖1 聯合作業打瓜取籽機樣機

1.2 關鍵部件

聯合作業打瓜取籽機是將撿拾、破碎、分離、收集功能集于一體的聯合收獲機。本文研究的關鍵部件是破碎裝置和籽瓤分離裝置。打瓜破碎是實現籽瓤分離的前提和關鍵，提高打瓜的破碎程度有利于打瓜的籽瓤分離，設計一種高效的籽瓤分離裝置是設計的最終目標。本文對破碎裝置和籽瓤分離裝置這兩個關鍵部件進行設計。打瓜取籽機工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

2 破碎裝置的設計及分析

2.1 對輥破碎機構的工作原理

對輥破碎機構又稱雙輥式破碎機構，通常由兩個圓柱形滾筒作為主要的工作機構，工礦企業應用較多。對輥破碎機構工作時，兩個輥子相向旋轉，打瓜從兩輥上方給入，在輥子表面摩擦力的作用下，將給入的物料卷入兩輥所形成的破碎腔內被破碎；破碎的小塊在重力作用下，從兩個輥子之間的間隙排出。該間隙的大小決定了破碎產品的最大粒度。

2.2 對輥破碎機構的設計

將打瓜破碎是聯合作業打瓜取籽機的重要環節之一。為了更好地實現打瓜破碎、降低籽的破損率，結合工礦企業的對輥破碎機構的工作原理，設計了一種錐形和圓柱形相結合，并具備螺旋推進功能的對輥破碎機構,能夠實現打瓜的破碎功能，且降低了瓜籽的破損率。

圖3為對輥破碎機構的正視示意圖。其兩個輥子在同一水平面上，左端為錐形，右端為圓柱形。打瓜的破碎分為兩個階段：第1階段，左端的撿拾裝置將撿拾的打瓜從上方投入到對輥機構中，打瓜落入后首先接觸的是一對錐形輥；兩個錐形輥相向旋轉，通過表面齒的摩擦力，咬合打瓜并將打瓜向右端推進，在推進的過程中，兩錐形輥之間的間隙減小，打瓜被擠壓、破碎。第2階段，被破碎的打瓜進入圓柱輥段，將打瓜進一步破碎，并隨著螺旋部件推進的方向運動。兩個圓柱輥間距決定了打瓜的破碎程度，破碎的小塊從間隙落下，輸送機構將細小塊打瓜送入籽瓤分離裝置端口，進行籽瓤分離。圖4為對輥破碎機構俯視示意圖。

（三）重師權，輕民主。在實驗操作的過程中，會出現很多的實驗數據記錄和處理，這些數據直接決定了實驗的結論，教師進行實驗數據和結論的時候，經常會出現教師霸權主義，教師缺乏科學的精神。

圖3 對輥破碎機構正視示意圖

圖4 對輥破碎機構俯視示意圖

2.3 對輥破碎機構間隙尺寸的確定

通過查閱相關文獻和對農八師石河子周邊團場的調研，從田地中隨機抽取20個大小均勻、無破損、無蟲害的打瓜作為樣本進行測量。打瓜物理參數如表1所示。

表1 打瓜物理參數

由表1可知：農八師石河子周邊團場中的所取打瓜樣本長徑平均值為128mm，短徑平均值為114mm，質量平均值為1.261kg。為了保證打瓜有效的破碎，同時通過打瓜的受力分析(見圖5)，最大間隙值取dmax=100mm。

圖5 打瓜受力簡圖

新疆地區主要種植的打瓜品種為內蒙大片、內蒙中片、內蒙小片。石河子大學胡斌教授團隊的成員選取在新疆地區種植的3類種子各300粒，用精度0.02的游標卡尺分別測量長、寬、厚3個方向的尺寸，得出內蒙大片的三軸尺寸為17.6mm×11.6mm×3.8mm；內蒙中片的三軸尺寸為15.5mm×10.4mm×3.8mm；內蒙小片的三軸尺寸為13.28mm×7.76 mm×2.75mm。因此，為了降低籽的破損率同時又提高打瓜的破碎率，最小間隙值取dmin=20mm。

3 籽瓤分離裝置的設計及分析

3.1 工作過程分析

本文設計了一種雙滾筒式分離清選裝置，如圖6所示。與其他分離裝置的不同之處在于本設計采用了兩級分離篩選，根據打瓜籽粒的大小分別設置了內外滾筒上篩網孔的大小，同時兩個篩選裝置在同一軸上工作。

圖6 雙滾筒式分離清選裝置示意圖

首先，被破碎的打瓜從內滾筒的右端開口處進入，電機帶動軸順時針轉動，固定在軸上的弧形刮片將瓜皮和瓤籽向左推進；在推進的過程中，籽和瓤在重力的作用下通過內滾筒的大口徑篩網落入到外滾筒中，內滾筒中的瓜皮繼續向左運動，最后被排出。

當籽瓤落入外滾筒時，籽瓤隨著外滾筒的轉動被焊接在外滾筒內側的螺旋刮片向右推進；籽瓤在向右運動的過程中瓤通過篩網的小口徑孔排出，剩下的籽繼續向右運動，最后下方的出口落入收集裝置。圖7為外滾筒內部結構示意圖。

圖7 外滾筒內部結構示意圖

3.2 內外篩網孔尺寸的確定

為了使雙滾筒分離清選裝置在新疆地區更具有適應性，通過上述的打瓜籽取樣分析，可知3種打瓜籽品種的類型，其長度范圍主要其中在14～19mm，寬度主要集中在8～13mm，厚度主要集中在3～4mm。因此，為了保證籽瓤能夠從內滾筒篩網上落入外滾筒，內篩網的孔直徑應取為20mm≤D1≤25mm，為了保證瓤通過外滾筒篩網排出，同時又保證籽不被排出，外篩網的孔直徑應取為5mm≤D2≤8mm。

4 結論

1)通過分析國內外打瓜取籽機的研究現狀，結合對輥破碎機構的原理，設計了一種錐形和圓柱形相結合的對輥破碎機構。該機構具有螺旋推進的功能，滿足了打瓜破碎的需要。

2)通過田間隨機取樣測量打瓜的尺寸，測得打瓜樣本長徑平均值為128mm，短徑平均值為114mm，確定最大間隙值取dmax=100mm；通過對新疆地區種植的3類打瓜種子取樣測量，確定最小間隙值取dmin=20mm。

3)設計了一種雙滾筒式分離清選裝置，通過兩級篩選的方式進行瓜皮、瓤、籽的逐步分離，并對新疆地區打瓜籽的取樣測量三軸尺寸，確定了內外篩網孔的尺寸。

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Research and Design on the Key Components of Combined Operation Seed Taking Machine of Seed Melon

Ma Zhen, Hu Bin, Chen Yong, Wang Kejie, Li Junhong

(Machinery and Electricity Engineering College, Shihezi University, Shihezi 832000,China)

Seed melon is one of the main economic crops in Xinjiang, and the mechanization degree of seed melon production process is low which restricts the development of Xinjiang large field production severely. According to these problems, this paper develops a design scheme on melon breaking and separation cleaning. It expounds the working principle of crushing device, structure parameters and size design. It measured seed melon samples and get the average by sampling experiment, the average is 128mm. By the results of sampling experiment, we design clearance limit value of double roller crusher mechanism, clearance limit values are dmax=100mm，dmin=20mm. It expounds the working process of seed-flesh separation device, structure layout and size design that designs a kind of double drum separating and cleaning device. It measured three-axis of seed melon samples and get the internal and external dimensions of screen mesh, the internal and external dimensions are 20mm≤D1≤25mm，5mm≤D2≤8mm, respectively. Through the design of crushing and separating cleaning devices, the work efficiency of the seed taking machine is improved, and reduces the rate of seed damage which is of great promotion to the large area planting pattern, especially in Xinjiang.

seed melon; double roller; crusher; seed-flesh separation; double drum

2016-06-06

國家自然科學基金項目(51265045)

馬 振(1993-)，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，(E-mail)18255183270@163.com。

胡 斌(1968-)，男，湖北英山人，教授，碩士生導師，(E-mail)hb_mac@shzu.edu.cn。

S226.4；S225

A

1003-188X(2017)07-0121-04