多功能水稻脫殼機的優(yōu)化設計與創(chuàng)新技術(shù)分析

關(guān)鍵詞：水稻脫殼機；脫殼裝置；分離裝置；智能化控制；節(jié)能環(huán)保；農(nóng)業(yè)機械化中圖分類號：S226 文獻標志碼：A文章編號：1671-0797（2025）16-0042-05D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.16.011

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進，多功能水稻脫殼機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用日益重要。由于地理位置、環(huán)境和經(jīng)濟條件的不同，不同地區(qū)水稻加工自動化程度差異較大，江蘇、湖南、黑龍江等水稻主產(chǎn)省機械化率達 75% 以上，而西南山區(qū)因地形限制仍依賴傳統(tǒng)設備，機械化率不足 40% ；受限于資金和技術(shù)培訓，云南、貴州等地仍大量使用半機械化設備，脫殼效率低。目前，部分設備對高濕度或特種稻（如黑稻）加工適應性差，單位能耗仍高于國際先進水平；中小型設備多缺乏數(shù)據(jù)采集和遠程控制功能。

國內(nèi)對多功能水稻脫殼機進行了多方面的研究、改進，比如從滾筒轉(zhuǎn)速、篩網(wǎng)角度、摩擦材料（橡膠或聚氨酯）、降低碎米率、提高脫殼效率方面進行優(yōu)化設計；也有企業(yè)設計帶有濕度檢測傳感器、壓力反饋系統(tǒng)的智能脫殼機，實現(xiàn)參數(shù)自動調(diào)節(jié)，可以按照稻谷的濕度調(diào)節(jié)脫殼壓力，減少手動干預；也有研究將柔性脫殼技術(shù)（如氣流分段技術(shù)）應用在大米加工機械上，以降低米粒損傷程度，氣流輔助脫殼可使碎米率不超過 3% ，整精米率提高，可增加產(chǎn)品附加值，更多地保留營養(yǎng)元素。

為解決當前水稻脫殼機在脫殼率、能耗、適應性、通用性、環(huán)境等參數(shù)方面還有待提升的問題，本文通過改進多功能水稻脫殼機的設計，使多功能水稻脫殼機的脫殼率更高、能耗更低、更加綠色環(huán)保，在不同區(qū)域及不同水稻品種的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中均能使用。本文利用現(xiàn)代建模仿真技術(shù)、智能化控制技術(shù)，并在新材料應用方面進行探究，提出了脫殼效率高、能耗低的環(huán)境友好型多功能水稻脫殼機優(yōu)化設計方案，后期擬逐步與AI和大數(shù)據(jù)結(jié)合，實現(xiàn)預測性維護、稻麥作業(yè)機具加工參數(shù)智能推薦、稻殼資源化利用、稻殼發(fā)電、稻殼制備生物炭等循環(huán)農(nóng)業(yè)技術(shù)的應用，進而建設循環(huán)農(nóng)業(yè)。

1多功能水稻脫殼機工作原理

1.1 基本工作流程

多功能水稻脫殼機主要工作過程為進倉、脫殼、清選、分量、調(diào)節(jié)和控制。稻谷被裝入進料斗，經(jīng)過壓輥和脫殼輪的擠壓、摩擦，稻殼和糙米分開。經(jīng)過振動清選篩篩出小顆粒、碎殼等雜質(zhì)，經(jīng)過風筒的風力把稻殼和糙米分開，通過調(diào)整壓輥和脫殼輪的間隙大小來適應不同稻米品種，脫殼率一般高于 98% 。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，機架支撐著整個機器的結(jié)構(gòu)，稻谷首先由進料斗運輸進入機器內(nèi)部；運輸帶將進入進料斗的稻谷運輸?shù)矫摎^(qū)域，進而由振動清選篩篩選出小顆粒及碎殼等各種雜質(zhì)，從而提高出米率；之后壓輥給予稻谷一定的壓力使稻殼與糙米分離；隨后泄殼板使稻殼脫離糙米；脫殼輪通過旋轉(zhuǎn)與壓輥相配合，完成稻谷脫殼；齒輪變速箱帶動整臺機器運轉(zhuǎn)；滾筒進一步分離稻殼和糙米；凹板與滾筒相配合對稻谷進行沖擊，從而完成脫殼；最后，在風筒的幫助下，將稻殼吹走，完成糙米與稻殼的分離。

2多功能水稻脫殼機的創(chuàng)新優(yōu)化設計

2.1 整體設計

通過Solidworks建模、3Dmax渲染、Inventor動畫與應力分析等方法來設計模型。參考多種農(nóng)機的建模，分析典型模型的不足，按缺什么補什么的宗旨來創(chuàng)建模型。在技術(shù)路線的設計中，增加環(huán)保節(jié)電理念，優(yōu)化機器的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝，提高材料的利用率，降低能耗，減少廢棄物的排放，最終實現(xiàn)水稻脫殼機綠色制造。設計過程中，著重提高稻殼的脫殼凈度和完整度，降低稻谷破碎率；利用自動化技術(shù)提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化能耗比例，降低運營成本；提高設備的耐久性和可靠性，使脫殼機操作方便安全。多功能水稻脫殼機整體設計如圖2所示。

2.2 關(guān)鍵部件設計

對脫殼裝置、分離裝置、輸送裝置、刀具系統(tǒng)、裝填裝置等關(guān)鍵部件進行優(yōu)化設計，確保其在高負荷運行下的穩(wěn)定性和耐久性。

2.2.1 脫殼裝置創(chuàng)新設計

脫殼裝置如圖3所示。

1—遮陽棚;2—駕駛室;3—輸送倉；4—運輸帶;5—傳動帶;6—撥禾輪；7—動刀片;8—護刃器；9—定刀片;10—滾筒;11—履帶； 12—驅(qū)動輪；13—齒輪變速箱;14—散熱窗；15—泄殼板;16—脫殼輪;17—壓輥;18—風筒;19—凹板;20—振動清選篩。

圖2整體三維圖

圖1整體結(jié)構(gòu)圖

圖3脫殼裝置

脫殼裝置可能面臨磨損和沖擊，而且稻殼硬度差異大，稻硬度為 HV2～3 ，粳稻則為 HV3～4 ，高濕度（ （15%～25%） 也會導致磨損加劇。因此，一方面，優(yōu)化動力與傳動系統(tǒng)，高硬度粳稻匹配高轉(zhuǎn)速C 1200r/min） ，而低硬度稻匹配低轉(zhuǎn)速 （800r/min） ，以減少破碎，采用永磁同步電機加矢量控制實現(xiàn)500～1500r/min 范圍轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)矩波動小于2% ，能耗降低 15% 1；另一方面，利用負載自適應算法實現(xiàn)基于電流反饋的轉(zhuǎn)速實時調(diào)整，確保脫殼扭矩穩(wěn)定在 20～35N^-m^[2] 。

脫殼裝置材料采用氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）陶瓷，硬度 18～20GPa ，斷裂韌性 ，比傳統(tǒng)鑄鐵耐磨性提高5倍；其成本相比傳統(tǒng)材料確實較高，但其性價比需結(jié)合具體應用場景綜合評估。ZTA與傳統(tǒng)材料的成本對比如表1所示。

經(jīng)比較可知，ZTA的初始采購成本是鑄鐵的40～75 倍，但壽命可達其 10～16 倍，綜合性價比反而更高。年產(chǎn)糙米10t以上的生產(chǎn)線可使ZTA成本下降20%～30% ；通過原料回收、工藝革新和規(guī)模化生產(chǎn)，未來5年內(nèi)ZTA成本有望降至 500～800 元 'kg ，從而進一步推動其在農(nóng)機領(lǐng)域的普及應用。且通過粉末冶金制備外層ZTA陶瓷加內(nèi)層球墨鑄鐵的復合輥體梯度結(jié)構(gòu)設計，可以實現(xiàn)減重 30% 。

另外，不同水稻品種的谷粒尺寸會有所差異，燦稻長寬比為 3.2～3.5 ，粳稻 2.0～2.5 ，這將導致固定間隙脫殼稻殼易破損或殘留。液壓同步調(diào)節(jié)機構(gòu)通過伺服電機驅(qū)動雙螺桿機構(gòu)，實現(xiàn)脫殼輥間隙動態(tài)調(diào)整，范圍 0.8～2.5mm ，精度 ±0.05mm^[3] 。同時，實現(xiàn)品種數(shù)據(jù)庫聯(lián)動，以預設不同水稻品種的最佳間隙參數(shù)，如粘稻 1.2mm 、粳稻 1.8mm ，掃碼識別后自動匹配。

2.2.2 分離裝置創(chuàng)新設計

分離裝置如圖4所示。

分離裝置存在稻殼與糙米密度差小、分離效率低的問題，采用新材料碳化硅多孔陶瓷篩板進行優(yōu)化后，其孔隙率為 45%～50% ，透氣性達 200L/ （m²?_S） ，分離效率提升至 98.5%^[4] ；螺旋導流板基于流體力學計算設計，并采用3D打印制造工藝優(yōu)化，使得風速均勻性偏差小于 5% 。

2.2.3 輸送裝置創(chuàng)新設計

輸送裝置如圖5所示。

輸送裝置需要耐磨和輕量化，當?shù)竟群s率高于 3% 時，會導致鏈式輸送器磨損速率達 0.5mm/kh 。通過玄武巖纖維增強尼龍66（BFR-PA66）新材料優(yōu)化方案，使輸送器拉伸強度達 120MPa ，耐磨性比普通PA66提高4倍[5]；通過磁控濺射DLC涂層制造工藝方案，使輸送鏈表面沉積厚 2～5μm 的金剛石膜，摩擦系數(shù)降至0.08。

表1ZTA與傳統(tǒng)材料性價比對比

1—凹板；2—輸送裝置;3—振動篩；4—風筒;5—壓輥；6—滾筒。 圖4分離裝置

圖5輸送裝置

2.2.4 刀具系統(tǒng)創(chuàng)新設計

刀具系統(tǒng)有限元分析結(jié)果如圖6所示。

圖6刀具有限元分析結(jié)果

刀具系統(tǒng)需要高硬度和韌性，刀片刃口鈍化速率快，每處理50t水稻需更換。利用微波燒結(jié)優(yōu)化技術(shù)制備梯度硬質(zhì)合金刀具，表層Co含量 6% 、芯部10% ，抗熱震性提高2倍[。湖南農(nóng)大實測試驗數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化刀具處理量達 80t/ 組，稻米裂紋率小于 0.5%

2.2.5 裝填裝置創(chuàng)新設計

進料斗有限元分析結(jié)果如圖7所示。

圖7進料斗有限元分析結(jié)果

裝填機構(gòu)設計主要關(guān)注高精度和耐高溫。稻谷高粘度致裝填率不穩(wěn)定，波動范圍達 ±15% 。采用新材料液態(tài)金屬Ga-In-Sn軸承改進，可將摩擦扭力波動范圍控制在 5% 以內(nèi)，工作溫度控制在 -20～150^°C^[7] 碳納米管或硅橡膠柔性料斗可在 0.1～10MPa 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)拉伸模量，實現(xiàn)自適應形變[8]。

2.2.6 創(chuàng)新技術(shù)整合

智能感知系統(tǒng)集成光纖光柵傳感器，實時監(jiān)測脫殼輥溫度，精度波動范圍在 ±0.5^°C ，形變分辨率1μm^[9] ；基于聲發(fā)射技術(shù)檢測刀具磨損狀態(tài)，預警準確率大于 90%^[10] 。稻殼氣化發(fā)電系統(tǒng)能源回收設計可實現(xiàn)1t稻殼發(fā)電 800kW?h ，滿足設備 30% 能耗。針對偏遠地區(qū)電力不穩(wěn)定問題，可采用兼容柴油機、電動機甚至太陽能動力的多模式動力輸入，結(jié)構(gòu)上采用雙輸入軸設計，通過電磁離合器切換動力源，響應時間小于 0.5s 。

3 討論與結(jié)論

在農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展及政策推動的背景下，為應對人工缺失及成本攀升、保護環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展需求，對自身技術(shù)優(yōu)勢及國內(nèi)外同行業(yè)同類產(chǎn)品的性能進行對比分析，得出以下結(jié)論：水稻多功能脫殼機以其高脫殼率 （?98% 、可加工各類品種稻、減少碳排放、實現(xiàn)稻殼發(fā)電為主要優(yōu)勢，未來可在國內(nèi)市場占有 15%～20% 的份額，年銷12000臺以上；在東南亞市場占有 10%～15% 的份額，成為區(qū)域內(nèi)的名牌產(chǎn)品；邊際利潤可達 35%～40% ，較傳統(tǒng)農(nóng)機的邊際利潤 25%～30% ，能有效增加行業(yè)利潤，有望拉動水稻加工業(yè)由傳統(tǒng)“成本競爭\"模式向“價值競爭”模式轉(zhuǎn)變，成為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程中必備的機械化設備。

受陶瓷材料氧化鋯的影響，ZTA陶瓷國際市場價格變動較大，需建立戰(zhàn)略性庫存6個月，確保供貨穩(wěn)定；在國內(nèi)市場要切實發(fā)揮政策扶持作用，積極申請成為中國農(nóng)機補貼目錄產(chǎn)品，爭取攻破糧食主產(chǎn)省市場。

本文優(yōu)化設計了一款多功能水稻脫殼機，其整機效率、適用性和環(huán)保性均得到大幅提升。新設計兼顧不同地域農(nóng)情，適用于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化對糧食生產(chǎn)的安全保障。對水稻脫殼裝備采用了材料一結(jié)構(gòu)一工藝一智能四維融合設計創(chuàng)新方法，使原機型壽命由5000h提升至 10 000h ，噸加工能耗由 5.6kW?h/t 降低至 3.6kW?h/t ，減少 35.7% ；稻米完整率不小于99% ，高于國際標準的 97% 。后續(xù)工作中應更多地聚焦生物可降解復合材料、數(shù)字孿生驅(qū)動的基于狀態(tài)的預測性維護，努力使水稻脫殼裝備進一步向綠色化、智能化方向發(fā)展。

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收稿日期：2025-05-09作者簡介：王新隴（1973一），女，甘肅蘭州人，副教授，研究方向：數(shù)控技術(shù)。