組合式軸流油葵脫粒裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉希光，韓長杰，葛 鵬，張學(xué)軍

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引言

油葵的脫粒裝置是脫粒機(jī)的核心裝置，決定了籽粒的未脫凈損失率和破碎率[1]。郭樹和[2]等人研制的組合式軸流油葵脫粒滾筒，一段由6根紋桿橫置焊接于閉式滾筒表面，另一段由6塊活動(dòng)板連接于擊禾桿，兩段由連接盤連接；凹板由弧形側(cè)板和直柵條組成。周江[3]等人研制的油葵脫粒滾筒，脫粒元件為U型螺旋齒并焊接于軸上。黃曉鵬[4]等人研制的開式脫粒滾筒，5根擊禾桿均布于軸上，凹板為柵格弧形篩條式。李心平[5]等人研制的脫粒間隙自調(diào)的脫粒裝置，4排圓柱形釘齒均布于滾筒，釘齒頂部為圓弧狀，弧形沖孔式的凹板與機(jī)架用彈簧連接。根據(jù)當(dāng)前葵籽的未脫凈損失率高的情況，設(shè)計(jì)了組合式的油葵脫粒滾筒，其集兩種脫粒元件的優(yōu)點(diǎn)，以滿足物料的脫粒性能要求[6-7]，并研究了不同滾筒轉(zhuǎn)速對未脫凈損失率、扭矩及功耗的影響，為低未脫凈率的油葵脫粒裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 脫粒裝置總體結(jié)構(gòu)

油葵脫粒裝置主要由脫粒滾筒、凹板、凹板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及滾筒頂蓋等組成。組合式的軸流脫粒裝置由弓齒式和釘齒式兩段組成，此兩段可拆卸，脫粒時(shí)間長、脫凈率高、分離能力強(qiáng)[8]；凹板為柵格式直篩條凹板，結(jié)構(gòu)簡單；機(jī)械式的凹板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)螺母來調(diào)節(jié)脫粒間隙。滾筒頂蓋一端焊接喂料斗，脫粒裝置的動(dòng)力通過電機(jī)由帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，用變頻器調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速。

1.2 工作原理

工作時(shí)，葵盤由喂料斗喂入，采用切向喂入、軸向拋出的脫粒流程，葵盤先經(jīng)弓齒式滾筒主要為搓擦脫粒。弓齒于滾筒呈螺旋排列，又有軸向輸送功能，向釘齒式滾筒輸送、脫粒，釘齒滾筒主要以打擊的方式脫粒。按螺旋排列，齒端設(shè)計(jì)了后傾角[9]，既可防止釘齒頭插入葵盤，又可沿滾筒軸向排出。最后，被脫下的葵籽和小塊雜質(zhì)通過凹板柵格間隙落于振動(dòng)篩上。

2 脫粒裝置的設(shè)計(jì)

2.1 滾筒的設(shè)計(jì)

為提高葵籽的脫凈率、降低花盤的破碎率，脫粒滾筒設(shè)計(jì)成組合式，為開式滾筒。脫粒滾筒主要由滾筒軸、滾筒輻板、擊禾桿、弓齒及釘齒等組成，如圖1所示。

2.1.1 弓齒式滾筒的設(shè)計(jì)

1)弓齒式滾筒長度的設(shè)計(jì)。對于弓齒式滾筒，葵盤喂入方式為縱向喂入，可根據(jù)式[1](1)計(jì)算弓齒式滾筒長度，即

L1≥q1/q01

(1)

式中L1—弓齒式滾筒長度(m)；

q1—弓齒式滾筒的喂入量，取q1=0.8kg/s；

q01—弓齒式滾筒單位長度允許承擔(dān)的喂入量，取q01=1.5kg/s·m。

代入相應(yīng)數(shù)據(jù)，得出L1≥533mm。為保證弓齒式滾筒的喂入量，根據(jù)弓齒的結(jié)構(gòu)及排列，最終取L1=562mm。

2)弓齒排數(shù)的設(shè)計(jì)。弓齒排數(shù)Z1的設(shè)計(jì)公式為

Z1≥πD1a/S1

(2)

式中Z1—弓齒排數(shù)；

D1a—弓齒式滾筒直徑(mm)；

S1—弓齒排間距(mm)。

根據(jù)NJ105-75標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的滾筒直徑[1]，初步設(shè)定弓齒式滾筒直徑D1a=400mm，弓齒齒排間距S1=210mm。經(jīng)計(jì)算，弓齒排數(shù)Z1=6。

2.1.2 釘齒式滾筒的設(shè)計(jì)

1)釘齒數(shù)的設(shè)計(jì)。根據(jù)釘齒式滾筒的生產(chǎn)率，給出釘齒數(shù)的設(shè)計(jì)公式為

N≥(1-β)q2/0.6qd

(3)

式中N—釘齒式滾筒的釘齒數(shù)；

q2—釘齒式脫粒裝置的喂入量，取q2=0.8kg/s；

β—谷草比，取β=0.52；

qd—每個(gè)釘齒的脫粒能力，取qd=0.02kg/s。

經(jīng)計(jì)算，釘齒數(shù)N≥40。為保持組合式脫粒滾筒工作的穩(wěn)定性，釘齒式滾筒的齒排數(shù)Z2=6，釘齒數(shù)N=42，即每排設(shè)置7個(gè)釘齒。

2)釘齒式滾筒長度的設(shè)計(jì)。釘齒式滾筒長度L2的設(shè)計(jì)公式[1]為

L2=a2(N/K-1)+2Δ

(4)

式中a2—齒跡距，取a2=40mm；

N—釘齒式滾筒的釘齒數(shù)，取N=42個(gè)；

K—螺旋頭數(shù)，取K=3；

Δ—邊齒到齒端板的距離，取Δ=23mm。

由組合式滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸L=L1+L2=1 090mm，最終取釘齒滾筒的長度L2=518mm，符合設(shè)計(jì)要求。

3)釘齒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為減小釘齒對葵籽及花盤的破碎率，齒端向后傾30°，頂端呈圓弧面形，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 釘齒結(jié)構(gòu)示意圖

4)滾筒轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)公式為

(5)

式中n—滾筒轉(zhuǎn)速(r/min)；

v—齒頂圓線速度，取v=8～13m/s；

D—滾筒直徑，取D=400mm。

滾筒轉(zhuǎn)速為382～621r/min，而實(shí)際較佳的滾筒轉(zhuǎn)速，由脫粒裝置對未脫凈率的影響試驗(yàn)給出。

5)脫粒生產(chǎn)率的理論計(jì)算。脫粒裝置生產(chǎn)率用喂入量q來計(jì)算，公式為

(6)

式中q1—弓齒式滾筒的生產(chǎn)率(kg/s)；

n—滾筒轉(zhuǎn)速，取n=550r/min；

Z1—弓齒排數(shù)，取Z1=6；

μ1—弓齒式脫粒元件頂部單位長度的脫粒能力，取μ1=0.018～0.024kg/m；

q2—釘齒式脫粒裝置的喂入量，取q2=0.8kg/s。

弓齒式滾筒理論生產(chǎn)率為q1=0.82kg/s，釘齒式脫粒裝置的喂入為q2=0.80kg/s，脫粒滾筒的理論喂入量為q=1.62kg/s，實(shí)際較優(yōu)的喂入量由試驗(yàn)獲取。

2.2 凹板的設(shè)計(jì)

凹板設(shè)計(jì)成柵格式直篩條凹板，主要由側(cè)弧板、直篩條及側(cè)弧板焊合組成，如圖3所示。

1.直篩條 2.側(cè)弧板 3.側(cè)弧板焊合

凹板的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:

凹板寬度/mm：1 090

凹板直徑/mm：440

凹板弧長/mm：691

凹板包角/(°)：180

直篩條間隙/mm：20

側(cè)弧板間隙/mm：37

直篩條直徑/mm：8

脫粒間隙/mm：20～40(可調(diào))

3 試驗(yàn)材料與方法

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年3月5日使用自制的油葵脫粒清選裝置試驗(yàn)臺(tái)在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室完成。花盤于2017年9月購買米東地區(qū)“圣澤9號”品種的油葵，含水率為30%～34%，采用人工摘盤的方式收集葵盤，共800kg。試驗(yàn)器材包括施耐德ATV38HD12N4變頻器、JM電子計(jì)數(shù)天平、TCS電子秤、CASIO計(jì)算器及圓篩。

3.2 試驗(yàn)方案

為得到脫粒裝置具體的未脫凈損失率，開展不同滾筒轉(zhuǎn)速對未脫凈損失率的試驗(yàn)研究[10]，從中選取低未脫凈損失率的滾筒轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)參照GB/T 5982-2017《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》[11]，未脫凈損失率的計(jì)算方法見式[12](7)。脫粒間隙的大小與葵盤的厚度有關(guān)，脫粒間隙調(diào)為20mm。在滾筒輸入軸一端安裝扭矩傳感器，實(shí)時(shí)測定滾筒扭矩、轉(zhuǎn)速及功耗，測定的路線圖如圖4所示。每組次試驗(yàn)用1kg的葵盤物料，試驗(yàn)方案如表1所示。

(7)

式中SW—未脫凈損失率(%)；

WW—未脫凈籽粒質(zhì)量(g)；

W—籽?？傎|(zhì)量(g)。

圖4 參數(shù)測定路線圖

因滾筒轉(zhuǎn)速用變頻器調(diào)節(jié)，而扭矩傳感器顯示的滾筒轉(zhuǎn)速會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)生變化，很難給出確定的數(shù)值；而變頻器可以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)電機(jī)輸入頻率，可通過調(diào)節(jié)電機(jī)輸入頻率，確定滾筒轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速采用恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速原理[13]：先改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，再由電機(jī)與滾筒的傳動(dòng)比(取1.778)得出滾筒的轉(zhuǎn)速。因電機(jī)變頻后轉(zhuǎn)差率會(huì)變，可參考文獻(xiàn)[14]中的變頻調(diào)速。變頻器調(diào)節(jié)頻率(即電機(jī)的輸入頻率與滾筒轉(zhuǎn)速的關(guān)系)為

(8)

式中f1g—變頻器輸入頻率(Hz)；

n2g—滾筒轉(zhuǎn)速(r/min)；

D2g—滾筒帶輪直徑，取D2g=160mm；

D1g—電機(jī)帶輪直徑，取D1g=90mm；

p—極對數(shù)，取p=2；

s0—額定轉(zhuǎn)差率，取s0=0.0467；

f0—電動(dòng)機(jī)額定頻率，取f0=50Hz。

最后，由試驗(yàn)結(jié)果及分析，給出油葵較佳的脫粒速度范圍。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)后對油葵籽粒進(jìn)行人工分揀清選、稱重測定，得到未脫凈損失率，如表1表所示。滾筒轉(zhuǎn)速對未脫凈損失率、扭矩及功耗的影響如圖5～圖7所示。

表1 試驗(yàn)方案與結(jié)果

續(xù)表1

圖5 滾筒轉(zhuǎn)速對未脫凈率的影響

圖6 滾筒轉(zhuǎn)速對扭矩的影響

圖7 滾筒轉(zhuǎn)速對功耗的影響

4.2 試驗(yàn)分析

1)由圖5可知：滾筒轉(zhuǎn)速在300～470r/min范圍內(nèi)時(shí)，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，未脫凈損失率呈現(xiàn)出先減小、后增大的總體趨勢；轉(zhuǎn)速為300r/min時(shí)，未脫凈損失率最大，最大值為2.07%；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為450r/min時(shí)，未脫凈損失率最小，最小值為1.14%；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速超過450r/min時(shí)，未脫凈損失率開始增大，其最大值與最小值之差為0.93%，未脫凈損失率的變化幅度不大。出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因與物料的含水率有關(guān)，因試驗(yàn)的物料沒有在較佳的含水率區(qū)間，籽粒容易脫掉，同時(shí)增加了清選的負(fù)荷，含雜率會(huì)偏高。綜上可知，未脫凈損失率SW≤1.5%的滾筒轉(zhuǎn)速范圍為410～470r/min。由公式(5)變形得出：脫粒速度的范圍為8.58～9.84m/s，油葵較佳的脫粒速度范圍為8.5～10.0m/s。

2)由圖6可知：隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，扭矩呈先增大、再減小，繼而又增大、再減小的變化趨勢，曲線呈波浪狀；滾筒轉(zhuǎn)速在300～470r/min區(qū)間時(shí)，扭矩最大值為556.95N·m，最小值為547.48N·m，最小值同時(shí)出現(xiàn)在滾筒轉(zhuǎn)速為300r/min和450r/min時(shí)，最大值與最小值之差為9.47N·m。因此，滾筒轉(zhuǎn)速在此區(qū)間內(nèi)時(shí)，扭矩的波動(dòng)范圍不大，在547～557N·m之間。在低未脫凈損失率的滾筒轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)，所需扭矩的范圍也為547～557N·m。

3)由圖7可知：隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，功耗也增加，滾筒功耗與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)的關(guān)系，與文獻(xiàn)[15]的研究一致，從這一點(diǎn)可用來判定較優(yōu)組合。此試驗(yàn)區(qū)間的最小功率為17.20kW，最大功率為27.11kW，在低未脫凈損失率的滾筒轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)，滾筒功耗的范圍為23.71～27.11kW，因此軸流式脫粒裝置所耗功率較大。

5 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一種組合式軸流油葵脫粒裝置，主要由組合式脫粒滾筒、柵格式直篩條凹板、凹板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及滾筒頂蓋等組成。脫粒滾筒由弓齒滾筒和釘齒滾筒組合而成，弓齒和釘齒于開式滾筒上呈螺旋排列，柵格式直篩條凹板結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械式的凹板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)脫粒間隙，本試驗(yàn)的脫粒間隙調(diào)為20mm。

2)滾筒轉(zhuǎn)速在300～470r/min區(qū)間時(shí)，未脫凈損失率先減小、后增大。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為450r/min時(shí)，脫凈率最高，可達(dá)98.86%。油葵較佳的脫粒速度范圍為8.5～10.0m/s。

3)滾筒轉(zhuǎn)速在300～470r/min區(qū)間時(shí)，扭矩在547～557N·m的范圍之內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)范圍不大。滾筒功耗在17.20～27.11kW范圍遞增，滾筒功耗與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)的關(guān)系，故軸流式脫粒裝置的功耗較大。