移動式藜麥脫粒機的研制

李德赟 李彥偉 劉國春 賈 峻 李亞軍 王潤賢

（酒泉奧凱種子機械股份有限公司/甘肅省特色雜糧精細加工技術(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。隨著消費者對養(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前景，在我國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目。對于散戶種植模式的地區(qū)，藜麥收割后的脫粒是一項較為繁重的工作，目前市面上普遍采用通用型谷物脫粒機進行藜麥脫粒，缺少專業(yè)化的藜麥脫粒機，研制一款適合高原山區(qū)使用的移動式藜麥脫粒機，對促進藜麥產(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，采用通用型脫粒機進行脫粒會造成較大的破碎率并且篩選效果不佳，因此需要針對藜麥的特性，研究設(shè)計藜麥專用的脫粒設(shè)備。

藜麥收獲后經(jīng)過暴曬降水后的秸稈質(zhì)地較脆，而脫粒時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，同時不論是商品藜麥還是種用藜麥，都對藜麥籽粒的破碎率有嚴格的控制要求，破碎率過大嚴重影響藜麥的品質(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，需要在各個種植點之間移動藜麥脫粒機，因此本項目藜麥脫粒機必須具備較好的移動能力，便于在各種植點之間移動發(fā)揮效能，同時動力系統(tǒng)必須能適宜各地區(qū)靈活使用。

移動式藜麥脫粒機的核心部件通常包括機架、動力系統(tǒng)、脫粒室、脫粒輥、風機除塵系統(tǒng)、篩選系統(tǒng)以及行走系統(tǒng)（圖1），每個部件的設(shè)計是否合理，都對脫粒機最終的脫粒效果有直接的影響。

圖1 移動式藜麥脫粒機結(jié)構(gòu)圖

通過市場調(diào)研及技術(shù)分析，結(jié)合國內(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降低破碎率，脫粒輥轉(zhuǎn)速達到1040r/min，能適應(yīng)藜麥的脫粒特性，同時配套風機和篩選系統(tǒng)，風機風量可以調(diào)節(jié)，能適應(yīng)不同品種藜麥的脫粒。

該機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喂料口中，經(jīng)過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擠壓揉搓，藜麥籽粒在擠壓揉搓的作用下從藜麥果穗上脫落下來，脫落下來的藜麥和顆粒雜質(zhì)通過脫粒室的網(wǎng)格落入振動篩中，實現(xiàn)脫粒過程。脫粒后的藜麥秸稈從出雜口排出，位于振動篩上方的風機可以將脫粒后物料中的輕質(zhì)雜質(zhì)吸附出來實現(xiàn)風選過程，剩余藜麥籽粒和顆粒雜質(zhì)在振動篩的作用下通過分離篩網(wǎng)篩選，將藜麥籽粒從物料中分離出來，整個藜麥的脫粒加工過程完成。

2 主要工作部件設(shè)計

2.1 機架系統(tǒng)設(shè)計機架作為整個脫粒機的主要承載部分，必須擁有足夠的剛度和強度，并且具備一定的穩(wěn)定性[2]。為保證強度，整機機架采用型鋼焊接結(jié)構(gòu)，機架框架采用型材角鋼焊接，并在連接位置設(shè)置了加強筋，機身脫粒室箱體為鋼板焊接，同時在設(shè)計過程中通過有限元分析等技術(shù)手段對機架強度進行分析，合理優(yōu)化機身機構(gòu)，在保證機身強度要求的同時降低機身重量。

2.2 動力及行走系統(tǒng)設(shè)計目前國內(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，選擇合適的動力源能夠讓藜麥脫粒機發(fā)揮更好的作用并體現(xiàn)便捷性。結(jié)合目前農(nóng)村的實際情況，選擇使用電動機作為動力源存在一定的制約，因此通過計算選擇12 馬力柴油機能滿足動力要求，能夠保證藜麥脫粒機在藜麥脫粒加工時的動力需求。

在藜麥脫粒生產(chǎn)季節(jié)，藜麥脫粒機需要經(jīng)常在各種植點之間進行轉(zhuǎn)移，為了方便藜麥脫粒機的轉(zhuǎn)場移動，為脫粒機專門設(shè)計了移動底盤（圖2），該底盤能夠適應(yīng)農(nóng)村的各種地形，脫粒機在拖拉機的牽引下可以方便快捷地轉(zhuǎn)移。

圖2 動力及行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 脫粒輥設(shè)計脫粒輥是藜麥脫粒機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)。

目前國內(nèi)小型谷物脫粒機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，使用刀片齒會造成秸稈擊打過碎，不利于后期的清選分離，經(jīng)過試驗，藜麥脫粒機采用釘桿齒脫粒效果較好。

本設(shè)計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，用于防止脫粒過程中秸稈纏繞，整體在保證工作強度要求的同時降低了脫粒輥的重量，實現(xiàn)了輕量化。另外脫粒輥上的脫粒齒可以進行快速拆卸更換，可以通過更換脫粒齒進行其他谷類作物的脫粒，提升脫粒機使用效率。

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)速過慢會造成籽粒脫凈率低，秸稈纏繞的問題，而過高的轉(zhuǎn)速會造成籽粒脫粒后的破碎率過高，影響脫粒后的藜麥品質(zhì)。根據(jù)藜麥的生物特性，經(jīng)過多次試驗，將脫粒輥主軸的轉(zhuǎn)速設(shè)定為1040r/min 時能取得較好的脫粒效果。

2.4 脫粒室設(shè)計脫粒裝置的結(jié)構(gòu)特點應(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)。

藜麥是一年生短日照草本植物，屬于四倍體，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中，經(jīng)過脫粒輥的高速旋轉(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，藜麥籽粒和顆粒雜質(zhì)從脫粒室的柵格中分離出來，脫粒后的藜麥秸稈經(jīng)過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)計經(jīng)過脫粒室脫粒的藜麥籽粒和顆粒狀雜質(zhì)混在一起，需要通過篩選系統(tǒng)進行篩選分離。振動篩設(shè)計時，應(yīng)使篩板的傳動機構(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行分離，應(yīng)保證振幅較大，藜麥籽粒和雜質(zhì)在往復振動的作用下平攤在振動篩內(nèi)往后移動，物料經(jīng)過振動篩尾部的分離篩網(wǎng)進行分離，藜麥籽粒從出料口排出，其余較大顆粒雜質(zhì)從振動篩尾部排出。

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

圖6 篩選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.6 風選系統(tǒng)設(shè)計藜麥脫粒生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一部分重量較輕的雜質(zhì)，如果不進行清除分離會造成雜質(zhì)過多，影響篩選分離效果，因此在藜麥脫粒機上設(shè)計了專門的風選系統(tǒng)。

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

圖7 風選系統(tǒng)示意圖

為了保證藜麥籽粒不被吸風口吸走，同時適應(yīng)不同品種藜麥的風選要求，吸風口與振動篩篩面的距離可調(diào)，并且在風機上設(shè)計有調(diào)節(jié)風量大小的調(diào)節(jié)門，可以進行靈活調(diào)整，保證風選效果。

3 性能參數(shù)及特點

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

3.2 藜麥脫粒機的特點經(jīng)濟適用，適合于多種種植模式的推廣應(yīng)用。具有較高的脫凈率，避免脫粒過程中的浪費。脫粒破碎率較低，保證品質(zhì)，降低損失。能根據(jù)適用環(huán)境要求適配多種動力源。結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，后期維護簡單。

4 田間試驗

4.1 田間試驗結(jié)論藜麥脫粒機的樣機試制成功之后，在甘肅省臨夏州東鄉(xiāng)回族自治縣鎖南鎮(zhèn)馬場村等多個藜麥種植示范基地進行了藜麥脫粒試驗，參與脫粒試驗的藜麥品種有隴藜1 號、隴藜5 號等多個品種。現(xiàn)場脫粒加工試驗取得了較好的脫粒效果，根據(jù)試驗結(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%，總體試驗結(jié)果較為滿意，得到了用戶的一致認可，同時根據(jù)現(xiàn)場使用的耐久性結(jié)果，對脫粒機上容易疲勞損傷的構(gòu)件進行了設(shè)計修改。

4.2 主要故障分析及解決辦法具體見表1。

表1 主要故障及故障排除辦法

移動式藜麥脫粒機通過對脫粒輥、脫粒室、篩選系統(tǒng)和風選系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，能夠在保證藜麥脫凈率的同時降低破碎率，保證藜麥脫粒后的商品性，該型藜麥脫粒機適用于各種種植模式及各種藜麥品種脫粒加工，田間脫粒試驗及用戶反饋表明，該型移動式藜麥脫粒機針對藜麥脫粒效果較好。