组合式轴流油葵脱粒装置的设计与试验

时间：2024-05-24

刘希光，韩长杰，葛鹏，张学军

(新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引言

油葵的脱粒装置是脱粒机的核心装置，决定了籽粒的未脱净损失率和破碎率[1]。郭树和[2]等人研制的组合式轴流油葵脱粒滚筒，一段由6根纹杆横置焊接于闭式滚筒表面，另一段由6块活动板连接于击禾杆，两段由连接盘连接；凹板由弧形侧板和直栅条组成。周江[3]等人研制的油葵脱粒滚筒，脱粒元件为U型螺旋齿并焊接于轴上。黄晓鹏[4]等人研制的开式脱粒滚筒，5根击禾杆均布于轴上，凹板为栅格弧形筛条式。李心平[5]等人研制的脱粒间隙自调的脱粒装置，4排圆柱形钉齿均布于滚筒，钉齿顶部为圆弧状，弧形冲孔式的凹板与机架用弹簧连接。根据当前葵籽的未脱净损失率高的情况，设计了组合式的油葵脱粒滚筒，其集两种脱粒元件的优点，以满足物料的脱粒性能要求[6-7]，并研究了不同滚筒转速对未脱净损失率、扭矩及功耗的影响，为低未脱净率的油葵脱粒装置的设计提供参考。

1 总体结构及工作原理

1.1 脱粒装置总体结构

油葵脱粒装置主要由脱粒滚筒、凹板、凹板调节机构及滚筒顶盖等组成。组合式的轴流脱粒装置由弓齿式和钉齿式两段组成，此两段可拆卸，脱粒时间长、脱净率高、分离能力强[8]；凹板为栅格式直筛条凹板，结构简单；机械式的凹板调节机构，通过调节螺母来调节脱粒间隙。滚筒顶盖一端焊接喂料斗，脱粒装置的动力通过电机由带传动机构传动，用变频器调节滚筒转速。

1.2 工作原理

工作时，葵盘由喂料斗喂入，采用切向喂入、轴向抛出的脱粒流程，葵盘先经弓齿式滚筒主要为搓擦脱粒。弓齿于滚筒呈螺旋排列，又有轴向输送功能，向钉齿式滚筒输送、脱粒，钉齿滚筒主要以打击的方式脱粒。按螺旋排列，齿端设计了后倾角[9]，既可防止钉齿头插入葵盘，又可沿滚筒轴向排出。最后，被脱下的葵籽和小块杂质通过凹板栅格间隙落于振动筛上。

2 脱粒装置的设计

2.1 滚筒的设计

为提高葵籽的脱净率、降低花盘的破碎率，脱粒滚筒设计成组合式，为开式滚筒。脱粒滚筒主要由滚筒轴、滚筒辐板、击禾杆、弓齿及钉齿等组成，如图1所示。

2.1.1 弓齿式滚筒的设计

1)弓齿式滚筒长度的设计。对于弓齿式滚筒，葵盘喂入方式为纵向喂入，可根据式[1](1)计算弓齿式滚筒长度，即

L1≥q1/q01

(1)

式中L1—弓齿式滚筒长度(m)；

q1—弓齿式滚筒的喂入量，取q1=0.8kg/s；

q01—弓齿式滚筒单位长度允许承担的喂入量，取q01=1.5kg/s·m。

代入相应数据，得出L1≥533mm。为保证弓齿式滚筒的喂入量，根据弓齿的结构及排列，最终取L1=562mm。

2)弓齿排数的设计。弓齿排数Z1的设计公式为

Z1≥πD1a/S1

(2)

式中Z1—弓齿排数；

D1a—弓齿式滚筒直径(mm)；

S1—弓齿排间距(mm)。

根据NJ105-75标准中规定的滚筒直径[1]，初步设定弓齿式滚筒直径D1a=400mm，弓齿齿排间距S1=210mm。经计算，弓齿排数Z1=6。

2.1.2 钉齿式滚筒的设计

1)钉齿数的设计。根据钉齿式滚筒的生产率，给出钉齿数的设计公式为

N≥(1-β)q2/0.6qd

(3)

式中N—钉齿式滚筒的钉齿数；

q2—钉齿式脱粒装置的喂入量，取q2=0.8kg/s；

β—谷草比，取β=0.52；

qd—每个钉齿的脱粒能力，取qd=0.02kg/s。

经计算，钉齿数N≥40。为保持组合式脱粒滚筒工作的稳定性，钉齿式滚筒的齿排数Z2=6，钉齿数N=42，即每排设置7个钉齿。

2)钉齿式滚筒长度的设计。钉齿式滚筒长度L2的设计公式[1]为

L2=a2(N/K-1)+2Δ

(4)

式中a2—齿迹距，取a2=40mm；

N—钉齿式滚筒的钉齿数，取N=42个；

K—螺旋头数，取K=3；

Δ—边齿到齿端板的距离，取Δ=23mm。

由组合式滚筒的结构尺寸L=L1+L2=1 090mm，最终取钉齿滚筒的长度L2=518mm，符合设计要求。

3)钉齿结构的设计。为减小钉齿对葵籽及花盘的破碎率，齿端向后倾30°，顶端呈圆弧面形，其结构示意图如图2所示。

图2 钉齿结构示意图

4)滚筒转速的设计。设计公式为

(5)

式中n—滚筒转速(r/min)；

v—齿顶圆线速度，取v=8～13m/s；

D—滚筒直径，取D=400mm。

滚筒转速为382～621r/min，而实际较佳的滚筒转速，由脱粒装置对未脱净率的影响试验给出。

5)脱粒生产率的理论计算。脱粒装置生产率用喂入量q来计算，公式为

(6)

式中q1—弓齿式滚筒的生产率(kg/s)；

n—滚筒转速，取n=550r/min；

Z1—弓齿排数，取Z1=6；

μ1—弓齿式脱粒元件顶部单位长度的脱粒能力，取μ1=0.018～0.024kg/m；

q2—钉齿式脱粒装置的喂入量，取q2=0.8kg/s。

弓齿式滚筒理论生产率为q1=0.82kg/s，钉齿式脱粒装置的喂入为q2=0.80kg/s，脱粒滚筒的理论喂入量为q=1.62kg/s，实际较优的喂入量由试验获取。

2.2 凹板的设计

凹板设计成栅格式直筛条凹板，主要由侧弧板、直筛条及侧弧板焊合组成，如图3所示。

1.直筛条 2.侧弧板 3.侧弧板焊合

凹板的主要结构参数如下:

凹板宽度/mm：1 090

凹板直径/mm：440

凹板弧长/mm：691

凹板包角/(°)：180

直筛条间隙/mm：20

侧弧板间隙/mm：37

直筛条直径/mm：8

脱粒间隙/mm：20～40(可调)

3 试验材料与方法

3.1 试验材料

试验于2018年3月5日使用自制的油葵脱粒清选装置试验台在新疆农业大学机电工程学院农业工程装备创新设计实验室完成。花盘于2017年9月购买米东地区“圣泽9号”品种的油葵，含水率为30%～34%，采用人工摘盘的方式收集葵盘，共800kg。试验器材包括施耐德ATV38HD12N4变频器、JM电子计数天平、TCS电子秤、CASIO计算器及圆筛。

3.2 试验方案

为得到脱粒装置具体的未脱净损失率，开展不同滚筒转速对未脱净损失率的试验研究[10]，从中选取低未脱净损失率的滚筒转速。试验参照GB/T 5982-2017《脱粒机试验方法》[11]，未脱净损失率的计算方法见式[12](7)。脱粒间隙的大小与葵盘的厚度有关，脱粒间隙调为20mm。在滚筒输入轴一端安装扭矩传感器，实时测定滚筒扭矩、转速及功耗，测定的路线图如图4所示。每组次试验用1kg的葵盘物料，试验方案如表1所示。

(7)

式中SW—未脱净损失率(%)；

WW—未脱净籽粒质量(g)；

W—籽粒总质量(g)。

图4 参数测定路线图

因滚筒转速用变频器调节，而扭矩传感器显示的滚筒转速会实时发生变化，很难给出确定的数值；而变频器可以准确地调节电机输入频率，可通过调节电机输入频率，确定滚筒转速。变频调速采用恒转矩的调速原理[13]：先改变电机转速，再由电机与滚筒的传动比(取1.778)得出滚筒的转速。因电机变频后转差率会变，可参考文献[14]中的变频调速。变频器调节频率(即电机的输入频率与滚筒转速的关系)为

(8)

式中f1g—变频器输入频率(Hz)；

n2g—滚筒转速(r/min)；

D2g—滚筒带轮直径，取D2g=160mm；

D1g—电机带轮直径，取D1g=90mm；

p—极对数，取p=2；

s0—额定转差率，取s0=0.0467；

f0—电动机额定频率，取f0=50Hz。

最后，由试验结果及分析，给出油葵较佳的脱粒速度范围。

4 试验结果与分析

4.1 试验结果

试验后对油葵籽粒进行人工分拣清选、称重测定，得到未脱净损失率，如表1表所示。滚筒转速对未脱净损失率、扭矩及功耗的影响如图5～图7所示。

表1 试验方案与结果

续表1

图5 滚筒转速对未脱净率的影响

图6 滚筒转速对扭矩的影响

图7 滚筒转速对功耗的影响

4.2 试验分析

1)由图5可知：滚筒转速在300～470r/min范围内时，随着滚筒转速的增加，未脱净损失率呈现出先减小、后增大的总体趋势；转速为300r/min时，未脱净损失率最大，最大值为2.07%；当滚筒转速为450r/min时，未脱净损失率最小，最小值为1.14%；当滚筒转速超过450r/min时，未脱净损失率开始增大，其最大值与最小值之差为0.93%，未脱净损失率的变化幅度不大。出现此现象的主要原因与物料的含水率有关，因试验的物料没有在较佳的含水率区间，籽粒容易脱掉，同时增加了清选的负荷，含杂率会偏高。综上可知，未脱净损失率SW≤1.5%的滚筒转速范围为410～470r/min。由公式(5)变形得出：脱粒速度的范围为8.58～9.84m/s，油葵较佳的脱粒速度范围为8.5～10.0m/s。

2)由图6可知：随着滚筒转速的增加，扭矩呈先增大、再减小，继而又增大、再减小的变化趋势，曲线呈波浪状；滚筒转速在300～470r/min区间时，扭矩最大值为556.95N·m，最小值为547.48N·m，最小值同时出现在滚筒转速为300r/min和450r/min时，最大值与最小值之差为9.47N·m。因此，滚筒转速在此区间内时，扭矩的波动范围不大，在547～557N·m之间。在低未脱净损失率的滚筒转速范围之内，所需扭矩的范围也为547～557N·m。

3)由图7可知：随着滚筒转速的增加，功耗也增加，滚筒功耗与转速呈正相关的关系，与文献[15]的研究一致，从这一点可用来判定较优组合。此试验区间的最小功率为17.20kW，最大功率为27.11kW，在低未脱净损失率的滚筒转速范围之内，滚筒功耗的范围为23.71～27.11kW，因此轴流式脱粒装置所耗功率较大。