移動(dòng)式藜麥脫粒機(jī)的研制

李德赟 李彥偉 劉國(guó)春 賈 峻 李亞軍 王潤(rùn)賢

（酒泉奧凱種子機(jī)械股份有限公司/甘肅省特色雜糧精細(xì)加工技術(shù)與裝備工程研究中心，酒泉 735000）

藜麥又稱南藜麥、藜谷、奎奴亞藜等，一年生藜科藜屬植物，具有耐旱、耐寒、耐鹽特性[1]，原產(chǎn)于南美洲安第斯山脈，適宜在海拔3000～4000m 的高原和山地地區(qū)種植。隨著消費(fèi)者對(duì)養(yǎng)生和保健需求的不斷攀升，藜麥作為一種健康食品具有非常廣闊的市場(chǎng)前景，在我國(guó)的種植面積逐年增加，成為高原和山區(qū)農(nóng)民增收的主要種植項(xiàng)目。對(duì)于散戶種植模式的地區(qū)，藜麥?zhǔn)崭詈蟮拿摿Ｊ且豁?xiàng)較為繁重的工作，目前市面上普遍采用通用型谷物脫粒機(jī)進(jìn)行藜麥脫粒，缺少專業(yè)化的藜麥脫粒機(jī)，研制一款適合高原山區(qū)使用的移動(dòng)式藜麥脫粒機(jī)，對(duì)促進(jìn)藜麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有積極的意義。

1 總體技術(shù)方案與工作原理

藜麥屬于藜科藜屬植物，與禾本科的小麥及水稻生物特性有較大區(qū)別，采用通用型脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒會(huì)造成較大的破碎率并且篩選效果不佳，因此需要針對(duì)藜麥的特性，研究設(shè)計(jì)藜麥專用的脫粒設(shè)備。

藜麥?zhǔn)斋@后經(jīng)過(guò)暴曬降水后的秸稈質(zhì)地較脆，而脫粒時(shí)是將整株藜麥全部喂入脫粒室內(nèi)，脫粒輥高速旋轉(zhuǎn)容易將秸稈打碎，破碎的秸稈和藜麥籽粒混合后加大了籽粒清選的難度，同時(shí)不論是商品藜麥還是種用藜麥，都對(duì)藜麥籽粒的破碎率有嚴(yán)格的控制要求，破碎率過(guò)大嚴(yán)重影響藜麥的品質(zhì)，因此控制籽粒破碎率并保證清選效果是藜麥脫粒的基本要求。考慮到藜麥的種植地區(qū)主要為高原和山地地形，種植戶通常為散戶或者是合作社的形式，需要在各個(gè)種植點(diǎn)之間移動(dòng)藜麥脫粒機(jī)，因此本項(xiàng)目藜麥脫粒機(jī)必須具備較好的移動(dòng)能力，便于在各種植點(diǎn)之間移動(dòng)發(fā)揮效能，同時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)必須能適宜各地區(qū)靈活使用。

移動(dòng)式藜麥脫粒機(jī)的核心部件通常包括機(jī)架、動(dòng)力系統(tǒng)、脫粒室、脫粒輥、風(fēng)機(jī)除塵系統(tǒng)、篩選系統(tǒng)以及行走系統(tǒng)（圖1），每個(gè)部件的設(shè)計(jì)是否合理，都對(duì)脫粒機(jī)最終的脫粒效果有直接的影響。

圖1 移動(dòng)式藜麥脫粒機(jī)結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研及技術(shù)分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)藜麥種植農(nóng)藝，根據(jù)各品種藜麥的植株特性，脫粒系統(tǒng)采用柵網(wǎng)式脫粒室及釘桿式脫粒齒，能在保證脫凈率的同時(shí)降低破碎率，脫粒輥轉(zhuǎn)速達(dá)到1040r/min，能適應(yīng)藜麥的脫粒特性，同時(shí)配套風(fēng)機(jī)和篩選系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量可以調(diào)節(jié)，能適應(yīng)不同品種藜麥的脫粒。

該機(jī)型的基本工作原理是：用戶將收割曬干后的藜麥植株喂入藜麥脫粒機(jī)喂料口中，經(jīng)過(guò)脫粒輥的攪拌將藜麥植株送入脫粒室，藜麥植株在脫粒輥與脫粒室形成的空間中充分?jǐn)D壓揉搓，藜麥籽粒在擠壓揉搓的作用下從藜麥果穗上脫落下來(lái)，脫落下來(lái)的藜麥和顆粒雜質(zhì)通過(guò)脫粒室的網(wǎng)格落入振動(dòng)篩中，實(shí)現(xiàn)脫粒過(guò)程。脫粒后的藜麥秸稈從出雜口排出，位于振動(dòng)篩上方的風(fēng)機(jī)可以將脫粒后物料中的輕質(zhì)雜質(zhì)吸附出來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)選過(guò)程，剩余藜麥籽粒和顆粒雜質(zhì)在振動(dòng)篩的作用下通過(guò)分離篩網(wǎng)篩選，將藜麥籽粒從物料中分離出來(lái)，整個(gè)藜麥的脫粒加工過(guò)程完成。

2 主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)架系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)架作為整個(gè)脫粒機(jī)的主要承載部分，必須擁有足夠的剛度和強(qiáng)度，并且具備一定的穩(wěn)定性[2]。為保證強(qiáng)度，整機(jī)機(jī)架采用型鋼焊接結(jié)構(gòu)，機(jī)架框架采用型材角鋼焊接，并在連接位置設(shè)置了加強(qiáng)筋，機(jī)身脫粒室箱體為鋼板焊接，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)有限元分析等技術(shù)手段對(duì)機(jī)架強(qiáng)度進(jìn)行分析，合理優(yōu)化機(jī)身機(jī)構(gòu)，在保證機(jī)身強(qiáng)度要求的同時(shí)降低機(jī)身重量。

2.2 動(dòng)力及行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前國(guó)內(nèi)藜麥的種植區(qū)主要集中在高原和山區(qū)，并且種植模式以散戶和農(nóng)業(yè)合作社的形式為主，選擇合適的動(dòng)力源能夠讓藜麥脫粒機(jī)發(fā)揮更好的作用并體現(xiàn)便捷性。結(jié)合目前農(nóng)村的實(shí)際情況，選擇使用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源存在一定的制約，因此通過(guò)計(jì)算選擇12 馬力柴油機(jī)能滿足動(dòng)力要求，能夠保證藜麥脫粒機(jī)在藜麥脫粒加工時(shí)的動(dòng)力需求。

在藜麥脫粒生產(chǎn)季節(jié)，藜麥脫粒機(jī)需要經(jīng)常在各種植點(diǎn)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，為了方便藜麥脫粒機(jī)的轉(zhuǎn)場(chǎng)移動(dòng)，為脫粒機(jī)專門(mén)設(shè)計(jì)了移動(dòng)底盤(pán)（圖2），該底盤(pán)能夠適應(yīng)農(nóng)村的各種地形，脫粒機(jī)在拖拉機(jī)的牽引下可以方便快捷地轉(zhuǎn)移。

圖2 動(dòng)力及行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 脫粒輥設(shè)計(jì)脫粒輥是藜麥脫粒機(jī)脫粒部分的核心部件，直接影響到藜麥脫粒加工的脫凈率及破碎率，影響藜麥脫粒后的品質(zhì)。

目前國(guó)內(nèi)小型谷物脫粒機(jī)的脫粒齒形式主要有刀片齒、釘桿齒以及紋板等結(jié)構(gòu)形式，其中刀片齒主要適用于小麥、水稻等禾本科作物，在脫粒過(guò)程中能防止秸稈纏繞在脫粒輥上，影響脫粒效果；紋板主要適用于胡麻等亞麻科作物的脫粒，能夠起到較好的揉搓作用并降低破碎率；而藜麥曬干后的秸稈比較脆，使用刀片齒會(huì)造成秸稈擊打過(guò)碎，不利于后期的清選分離，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，藜麥脫粒機(jī)采用釘桿齒脫粒效果較好。

本設(shè)計(jì)中的脫粒輥采用組裝式結(jié)構(gòu)（圖3），在旋轉(zhuǎn)主軸上安裝有固定圓盤(pán)和連接條，將脫粒齒固定在連接條上，并且在特定位置安裝錳鋼切刀片，用于防止脫粒過(guò)程中秸稈纏繞，整體在保證工作強(qiáng)度要求的同時(shí)降低了脫粒輥的重量，實(shí)現(xiàn)了輕量化。另外脫粒輥上的脫粒齒可以進(jìn)行快速拆卸更換，可以通過(guò)更換脫粒齒進(jìn)行其他谷類作物的脫粒，提升脫粒機(jī)使用效率。

圖3 脫粒輥結(jié)構(gòu)示意圖

脫粒輥的轉(zhuǎn)速也是影響藜麥脫粒的重要因素，轉(zhuǎn)速過(guò)慢會(huì)造成籽粒脫凈率低，秸稈纏繞的問(wèn)題，而過(guò)高的轉(zhuǎn)速會(huì)造成籽粒脫粒后的破碎率過(guò)高，影響脫粒后的藜麥品質(zhì)。根據(jù)藜麥的生物特性，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，將脫粒輥主軸的轉(zhuǎn)速設(shè)定為1040r/min 時(shí)能取得較好的脫粒效果。

2.4 脫粒室設(shè)計(jì)脫粒裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)該與被脫粒作物的脫粒特性相適應(yīng)[3]，脫粒室的結(jié)構(gòu)形式、脫粒間隙以及分離間隙是決定藜麥脫粒的重要參數(shù)。

藜麥?zhǔn)且荒晟倘照詹荼局参铮瑢儆谒谋扼w，植株形狀像掃帚，莖直立，上部分叉，顏色多樣；種子較小，顆粒呈扁圓形、不飽滿[4]；秸稈質(zhì)地較脆。考慮到藜麥的植株特性，采用柵網(wǎng)式脫粒室（圖4），脫粒室由弧形板、柵格板和鋼絲焊接組成，并在兩端焊接喂料口和出雜口，其中鋼絲間隙15mm，柵格板間距40mm，出料板與水平呈5°夾角，脫粒間隙15～20mm。曬干后的藜麥植株經(jīng)喂料口喂入藜麥脫粒機(jī)中，經(jīng)過(guò)脫粒輥的高速旋轉(zhuǎn)攪拌，藜麥在脫粒輥與脫粒室組成的空隙中產(chǎn)生揉搓擠壓（圖5），藜麥籽粒從植株上脫離下來(lái)，藜麥籽粒和顆粒雜質(zhì)從脫粒室的柵格中分離出來(lái)，脫粒后的藜麥秸稈經(jīng)過(guò)脫粒輥的擠壓推送作用從出雜口排出。

圖4 脫粒室結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 脫粒室截面示意圖

2.5 篩選系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)脫粒室脫粒的藜麥籽粒和顆粒狀雜質(zhì)混在一起，需要通過(guò)篩選系統(tǒng)進(jìn)行篩選分離。振動(dòng)篩設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使篩板的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有較高的生產(chǎn)率和良好的分離性能，因此要求篩板具有一定的水平位移X 和豎直位移Y[5]。為了將藜麥脫出物有效地進(jìn)行分離，應(yīng)保證振幅較大，藜麥籽粒和雜質(zhì)在往復(fù)振動(dòng)的作用下平攤在振動(dòng)篩內(nèi)往后移動(dòng)，物料經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩尾部的分離篩網(wǎng)進(jìn)行分離，藜麥籽粒從出料口排出，其余較大顆粒雜質(zhì)從振動(dòng)篩尾部排出。

振動(dòng)篩通過(guò)固定在機(jī)架上的偏心連桿驅(qū)動(dòng)，振幅為60mm，振動(dòng)篩通過(guò)帶線尼龍板與機(jī)架連接，在振動(dòng)篩出料端設(shè)置有一定高度的擋料板，可以使物料在經(jīng)過(guò)尾部分離篩網(wǎng)時(shí)做短暫滯留，保證篩選分離效果。

圖6 篩選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.6 風(fēng)選系統(tǒng)設(shè)計(jì)藜麥脫粒生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一部分重量較輕的雜質(zhì)，如果不進(jìn)行清除分離會(huì)造成雜質(zhì)過(guò)多，影響篩選分離效果，因此在藜麥脫粒機(jī)上設(shè)計(jì)了專門(mén)的風(fēng)選系統(tǒng)。

風(fēng)選系統(tǒng)采用負(fù)壓吸風(fēng)的方式（圖7），吸風(fēng)口設(shè)置在振動(dòng)篩的篩面上方，風(fēng)機(jī)葉片和主軸相連，在葉片的高速旋轉(zhuǎn)下，吸風(fēng)口產(chǎn)生負(fù)壓，質(zhì)地較輕的雜質(zhì)被吸風(fēng)口吸附后從風(fēng)機(jī)出口集中排出，大幅減少了藜麥脫粒后混合物中的雜質(zhì)。

圖7 風(fēng)選系統(tǒng)示意圖

為了保證藜麥籽粒不被吸風(fēng)口吸走，同時(shí)適應(yīng)不同品種藜麥的風(fēng)選要求，吸風(fēng)口與振動(dòng)篩篩面的距離可調(diào)，并且在風(fēng)機(jī)上設(shè)計(jì)有調(diào)節(jié)風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)門(mén)，可以進(jìn)行靈活調(diào)整，保證風(fēng)選效果。

3 性能參數(shù)及特點(diǎn)

3.1 藜麥脫粒機(jī)的性能參數(shù)生產(chǎn)能力：700～1800kg/h（因藜麥品種差異不同）；動(dòng)力：7.5kw 電機(jī)或10～12馬力柴油機(jī)；清選型式：凹板篩+風(fēng)機(jī)+振動(dòng)篩；振動(dòng)篩振幅：60mm；滾筒轉(zhuǎn)速：1040r/min；滾筒直徑D=520mm，滾筒長(zhǎng)度：L=900mm；釘齒板：30mm×13mm 扁鋼，L=900mm，6 根；風(fēng)機(jī)型式：離心式，風(fēng)扇直徑D=480mm，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速：1040r/min，機(jī)重：260kg（不含底盤(pán)輪胎重量），風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)量可調(diào)；破碎率：≤0.5%，未脫凈率：≤0.5%，總損失率：≤1.0%；行走底盤(pán)：2 輪胎牽引式，輪胎4.00-12×2條；外形尺寸：長(zhǎng)×寬×高=1830mm×2080mm×1250mm。

3.2 藜麥脫粒機(jī)的特點(diǎn)經(jīng)濟(jì)適用，適合于多種種植模式的推廣應(yīng)用。具有較高的脫凈率，避免脫粒過(guò)程中的浪費(fèi)。脫粒破碎率較低，保證品質(zhì)，降低損失。能根據(jù)適用環(huán)境要求適配多種動(dòng)力源。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，后期維護(hù)簡(jiǎn)單。

4 田間試驗(yàn)

4.1 田間試驗(yàn)結(jié)論藜麥脫粒機(jī)的樣機(jī)試制成功之后，在甘肅省臨夏州東鄉(xiāng)回族自治縣鎖南鎮(zhèn)馬場(chǎng)村等多個(gè)藜麥種植示范基地進(jìn)行了藜麥脫粒試驗(yàn)，參與脫粒試驗(yàn)的藜麥品種有隴藜1 號(hào)、隴藜5 號(hào)等多個(gè)品種。現(xiàn)場(chǎng)脫粒加工試驗(yàn)取得了較好的脫粒效果，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，完成脫粒加工的藜麥脫凈率大于99.5%，破碎率低于0.5%，總損失率低于1%，總體試驗(yàn)結(jié)果較為滿意，得到了用戶的一致認(rèn)可，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用的耐久性結(jié)果，對(duì)脫粒機(jī)上容易疲勞損傷的構(gòu)件進(jìn)行了設(shè)計(jì)修改。

4.2 主要故障分析及解決辦法具體見(jiàn)表1。

表1 主要故障及故障排除辦法

移動(dòng)式藜麥脫粒機(jī)通過(guò)對(duì)脫粒輥、脫粒室、篩選系統(tǒng)和風(fēng)選系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠在保證藜麥脫凈率的同時(shí)降低破碎率，保證藜麥脫粒后的商品性，該型藜麥脫粒機(jī)適用于各種種植模式及各種藜麥品種脫粒加工，田間脫粒試驗(yàn)及用戶反饋表明，該型移動(dòng)式藜麥脫粒機(jī)針對(duì)藜麥脫粒效果較好。