（机械设计及理论专业论文）水稻单株脱粒计数仪的研制.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 时间： 伊7 嘲辆 莎加| ? 年马l 婚 草6 黾c 嫱 关于论文知识产权和使用授权的说明 本论文的知识产权为沈阳农业大学所有。本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使 用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可 以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。 学位论文中的所有内容不经沈阳农业大学授权不得以任何方式擅自对外发表。 研究生签名：立莲生 一名：泐绔 穸钞 德叫 钐 ：l铱彳 签 名 生 签 究 师 彩 副 日 i - 日u “彰 柙 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 在进行水稻的考种或测产过程中，因目前没有专用的设备，通常是科研人员对水稻 进行人工脱粒和检测每穗粒数。人工脱粒、计数存在许多问题，如脱粒时稻穗上的毛刺 经常会划破手指，耗费时间较长。计数时由于长时间的观察、计数，容易引起视觉及大 脑的疲劳，进而影响计数的准确率。此外人工计数效率较低，影响了整个试验的进程。 本研究的目的是为专门从事水稻研究的科研人员提供一种准确、高效的单株水稻脱粒计 数仪，该机可以完成水稻的单株脱粒并同时检测出脱下的全部稻粒数。 本文从仪器所要实现的功能出发，对相关的技术和理论进行了研究和分析，对脱粒 对象( 稻穗) 和计数对象( 稻粒) 的结构尺寸和物理机械特性进行了测量与分析，得到 一些与设计有关的重要数据。依此为基础之一提出了不同的仪器设计方案，对设计方案 进行了分析比较后，最终确定最佳方案。 样机的总体设计包括了水稻脱粒装置，分种装置和光电计数系统的设计三部分。对 各部分进行了结构及性能分析、参数设计，并进行各部件的加工与制作。 在仪器的研制过程中应用了计算机虚拟技术对样机进行了建模与运动学仿真分析， 以此检查整机的空间配置和运动干涉情况。对研制的第一代样机进行了性能试验，试验 发现在脱粒过程中，稻穗的断穗严重、稻粒的破碎率高、存在籽粒飞溅、除杂装置除杂 效果不好等问题。在分析了问题的产生原因后，进行了结构上的改进，使其达到了设计 要求。申请了国家新型技术专利。 在机器性能试验中，测试了未脱净率、计数效率和计数准确性三个指标。利用方差 分析了喂入量与脱粒滚筒转速两个因素对该机未脱净率的影响，结果表明喂入量对未脱 净率的影响显著，仪器的脱粒效率可达8 4 x 1 0 4 k g r a i n ( 每穗3 s 一4 s ) ，该机分种盘转 速在5 0 r m i n 时，计数效率达到最高值，为7 7 0 掘2 m i n 。计数准确率可达到9 9 3 。研 究结论认为，该机器能够较好的完成水稻的单株脱粒与计数作业。 关键词：水稻；单株脱粒；分种器；电子计数器 英文摘要 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so f m e a s u r i n ga n de x a m i n es e e d ，t h er e s e a r c h e ru s u a l l yn e e dt h r e s h i n gt h e r i c es oh ec a nc o u n tt h eg r a i no fe a c hs p i k e i nt h i sp r o c e s s ，e v e r y t h i n gb ed o n eu s u a l l yb y m a n u a ll a b o r , b e c a u s et h e r ei sn os p e c i a le q u i p m e n t b u tt h e r eh a v es o m ep r o b l e m sb y m a n u a ll a b o r , w h e nt h r e s h i n gt h er i c e ，h a n dm a yb e e nw o u n d ，a n di ti sat i m e - w a s t i n gj o b w h e nc o u n t i n gt h eg r a i n ，t h er e s u l tc a l ln o ta l w a y sb ee x a c tb e c a u s ev i s i o na n dh e a di st i r e d a i t e rt h el o n gt i m eo fo b s e r v i n ga n dc o u n t i n g 1 1 1 ee f f i c i e n c yi sl o w n e s sw h e nc o u n t i n gb y m a n u a ll a b o r t h em a i np u r p o s eo ft h i sd e s i g ni st op r o v i d ead e v i c ef o rt h er e s e a r c h e ro f r i c e - r e s e a r c h , s ot h e j o bo f t h r e s h i n gt h er i c e ，c o u n t i n gt h eg r a i nc a l lb ed o n ei no n c et i m ea n d t h er e s u l tc a nb ee x a c tw i t hh i g he f f i c i e n c y i nt h eb a s eo ff u n c t i o no ft h i sd e v i c e m i st h e s i sa n a l y z ea n dr e s e a r c ht h ei n t e r r e l a t e d t e c h n i q u ea n dt h e o r y , a n a l y z e da n dm e a s u r et h et h r e s h i n go b j e c t ( r i c ee a r ) a n dt h ec o u n t i n g o b j e c t ( r i c ee a r ) p h y s i c a lc h a r a c t e r , a d v a n c es o m ed i f f e r e n tp r o j e c t ，a n dc o n f i r mt h eb e s t p r o j e c ta c c o r d i n gt h er e q u i r eo f d e s i g n t h ew h o l ed e v i c ew h i c hb ed e t e r m i n e di n c l u d et h ed e s i g no ft h r e s h i n gd e v i c e ，d e s i g no f t h ed i v i d e dd e v i c ea n dt h ed e s i g no f t h ee l e c t r o n i c a l l yc o u n t e rs y s t e m m a n yd e f e r e n td e s i g n s o f t h i st h r e ep a r t sb ec o n s i d e r e d ，e a c hd e s i g nb ea n a l y z e di nt h es t r u c t u r ea n dt h ep e r f o r m a n c e ， a n dd e t e r m i n ee v e r yp a r t so f p r e p a y m e n t s w h e na c c o m p l i s ht h ed e s i g n , t h ew h o l em a c h i n eb es i m u l a t e db yc o m p u t e r , s p a c e c o n f i g u r ea n dl o c o m o t i o ni n t e r v e n eb e e nc h e c k e d e x a m i n a t i o nb em a d ew h e nt h ed e v i c eb e p r o d u c e d s o m ep r o b l e m sw h i c hd i dn o tb ef o rs e e db ef o u n d ，f o re x a m p l e ，t h er a t eo f b r o k e n s p i k ei sh i g h ，a n dt h er a t eo fb r o k e ns e e di sh i g h ，g r a i ns p l a s h i n g ，t h ed e v i c eo fr e m o v i n g m i s c e l l a n e o u sd i dn o tw o r kw i l l a f t e ra n a l y z e dt h ec a u s eo ft h i sp r o b l e m ，t h ea m e l i o r a t eb e m a d ea n dt h ee x a m i n a t i o nb ed o n e ，t h er e s u l ti sw e l l ，a n dw h i c hf u l f i l lt h er e q u i r eo ft h e d e s i g n a p p l i c a t i o nf o rt h en e wt y p et e c h n i c a lp a t e n t0i no l l rc o u n h - y e x a m i n eo f t h r e s h i n ga n dc o u n t i n go f w h o l eb em a d e ，t h ee f f i c i e n c yo f t h r e s h i n g ，t h er a t e c l e a n , t h ee f f i c i e n c yo fc o u n t i n g , t h ee x a c to fc o u n t i n gb ec h e c k e d t h er e s u l ti n d i c a t et h a t e v e r yi n d e xc a ns a r i s f yt h er e q u i r e k e yw o r d s ：r i c e ；s i n g l ep l a n tt h r e s h i n g ；d i v i d e r ；e l e c t r o nc o u n t e r 2 沈阳农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研制水稻单株脱粒计数仪器的目的和意义 水稻科研人员在考种或测产过程中，通常要进行单株水稻脱粒以便检测每穗粒数， 有时还要对种子计数以便测量千粒重等。由于目前没有专用的仪器设备，通常采用人工 脱粒、记数，人工脱粒计数耗费时间较长，记数不准确。人力物力消耗较大。 本课题的主要目的是要设计并制造一种体积较小、结构简单、使用方便、精度较高、 通用性强、成本较低的水稻单株脱粒并同时对脱下的稻粒进行计数的装置。为相关科研 人员在考种及测产等工作提供技术支持。本研究成果将使脱粒与计数工作实现机械化、 自动化，降低科研人员劳动强度、降低试验成本、提高检测精度。 1 2 国内外脱粒与计数器研究概况及存在的主要问题 1 2 1 现有脱粒机的脱粒机理 使稻粒脱离穗轴，达到脱粒且的，有多种原理可以实现。主要有打击、梳刷，揉搓 震动、碾压等原理。它们都是通过对稻穗施加不同方式作用来破坏稻粒和穗轴之间的连 接。目前脱粒机理的研究主要集中以不同脱粒方式脱粒时对作物作用情况的分析上，主 要有以下几个方面。 ( 1 ) 冲击脱粒一靠脱粒组件与谷物穗头的相互冲击作用而使谷物脱粒，冲击强度增 加，可以提高生产率和保证脱粒干净，但易使谷粒破碎和损伤。降低冲击强度能够减少 谷粒的破裂和损伤，但是为了将作物脱的较干净，需要增加脱粒时间，这样降低了生产 率。在纹杆滚筒、钉齿滚筒脱粒过程中主要就是应用这种脱粒机理。如在纹杆滚筒脱 粒中，当谷物进入滚筒时，首先受到纹杆的打击，被拉入工作间隙，然后以变化的速度 在间隙中移动，在纹杆的表面和移动的谷物间永远存在着滑动，而凹板对谷物也有阻碍 和减速的作用这样，在作间隙中纹杆相对于件物的速度是变化的，同时谷物相对于凹 板的移动速度也是变化的。结果谷物将被纹杆打击多次使人量的谷粒脱下来。 ( 2 ) 挤搓脱粒靠作物与脱粒组件之间的摩擦而使谷物脱粒。脱净的利度与摩擦力的 大小有关，增强对谷物的搓擦，可以提高生产率和脱粒率，但会使谷粒脱皮和脱壳。在 脱粒装置中改变滚筒与凹板之间的间隙大小，能调整搓擦作用的强度。在钉齿滚筒脱粒 装置的工作间隙中谷物先受到滚筒齿侧面的强力搓擦，使谷物脱粒。在纹杆脱粒过程中 3 第一章绪论 因谷物与纹杆、凹板速度不同也会造成谷穗间的相互搓擦和穗头与凹板格条表面之间的 搓擦。 ( 3 ) 梳刷脱粒一利用脱粒元件对谷穗施加的冲击拉力将籽粒脱下。籽粒与穗轴的连 接强度决定了脱粒的难易程度，而连接强度又与作物的品种、成熟度、湿度有关。脱粒 时容易发生果柄脱落。梳刷脱粒当工作部件很窄，在谷穗之间通过时，就形成了梳刷脱 粒。实际它也是打击。通常在梳刷中茎干不动或少量的纵向运动。在梳刷脱粒部件从谷 穗间通过时，与穗头作用时间较长，作用也较“柔和”，脱粒过程主要是梳刷部件对籽粒 的“拉”，这种“拉力”要比传统脱粒的冲击力”小的多。 ( 4 ) 碾压脱粒碾压脱粒靠脱粒组件对谷穗的挤压而将谷粒脱粒。在碾压过程中会使 谷粒与穗柄之间产生横向相对位移，而通常谷粒与穗轴的抗剪能力较弱，上述相对位移 就形成了剪切破坏其连接。在此同时碾压会造成相邻谷层之间的移动，这也能破坏谷粒 的连接力。这种情况下，附加在谷粒上的力主要沿谷粒表面的法向，切向力很小，并且 附加的压力对谷粒不产生很大的冲击，所以碾压脱粒不易使谷粒破碎和脱皮。用辊子碾 压铺在场院的谷层进行脱粒是有效方法之一。 ( 5 ) 振动脱粒谷物在脱粒滚筒中，脱粒部件对通过间隙的谷物层连续打击会形成强 迫的径向振动，谷物自身会产生自激振动。研究表明：当是脱粒机具产生的激振频率恰 落在作物有穗头系统的共振带之内，而又避开作物无穗系统的固有频率时，显然不仅可 以获得好的脱粒效果，而且能减少无用功的消耗。 一般来说，脱粒装置工作时并不是单纯按照一种脱粒原理，而是以某一原理为主， 其它原理为辅的综合效果的脱粒。 1 2 2 常见脱粒装置的类型和特点 脱粒装置的种类和型式很多，大致分类如下： ( 1 ) 按喂入方式分：全喂入式和半喂入式、谷物全部进入脱粒装置的称为全喂入式、 谷物的穗部进入、茎秆部分不进入脱粒装置的称为半喂入式。 ( 2 ) 按作物分：稻麦脱粒机、杂粮脱粒机、种子脱粒机。 ( 3 ) 按结构分：简易脱粒机：仅有脱粒装置( 只能将谷粒从谷穗上脱下来) 、半复式脱 粒机：具有脱粒装置和简单的分离清选装置( 除了脱下谷粒外，还能对脱出物进行分离和 清选) 、复式脱粒机：具有完备的脱粒、分离和清选装置( 能将脱下的谷粒进行分离、清 选并初步分级。 ( 4 ) 按脱粒元件的形式及结构又可分为：纹杆式、板齿式、杆齿式、钉齿式、弓齿式、 叶轮式和组合式。 ( 5 ) 按谷物流向可分为：轴流式和切流式。谷物从滚筒一端喂入，顺滚筒轴线方向运 动，从滚筒另一端被抛出，称为轴流式。谷物顺滚筒圆周方向的，称为切流式。 4 沈阳农业大学硕士学位论文 1 2 3 计数器的研究概况 计数器从工作原理上可以分为机械式计数器和电子计数器。 机械计数器可以用来测量各类机的转数，测量生产产品的长度、流量，以及测量深 度和高度等。广泛用于机械、冶金、轻工、印染等行业。是流量和记录的工具。属于简 易经济型计数器。优点是抗电磁干扰性强。 机械式计数器比较典型的如j 卜- 5 型五位拉动计数器，结构如图1 - 1 所示： 图1 - 1j s - 5 型五位拉动计数器 f 垃1 - 1 j - - 5s p o r “p u l h e c lc o u n t e r j s 5 型五位拉动计数器主要用于累加记录机械往复运动的次数。不带回零装置，当 记满5 位9 9 9 9 9 时再计数，计数自动翻转到0 0 0 0 0 。从0 起始，进行下一循环它采用3 轮进行加法计数。0 推板方法推动字轮转动。当转动计数器右边印拐臂时。与拐臂相联 的推进机构使计数，此计数器主要应用于高压开关电器产品。以及试验设备、印刷、机 械设备等。 电子计数器是最早出现的数字仪器之一。它利用电子学方法，测出一定时间内输入 脉冲的数目，并以将结果以数字的形式显示出来。电子计数器按应用电路的形式来分， 可分为模拟式与数字式两类。因为数字计数器具有测量精度高、速度快、操作简单、容 易实现自动化等优点，所以目前多采用的是数字计数器。 通常电子计数器按照它的功能可分为以下三类： ( 1 ) 通用计数器：通常指多功能计数器。它可以用于测量频率、频率比、周期、时 间间隔和累加计数等，如配以适当的插件，还可以测量相位、电压等电量。 ( 2 ) 频率计数器：其功能为测频和计数。测频范围很宽，在高频和微波范围内的计 数器均属于此类。 ( 3 ) 计算计数器：带有微处理器、具有计算功能。它除具有计数器功能外，还熊进 行数学运算、求解比较复杂的方程式，能依靠程控进行测量、计算和显示等全部工作。 电子计数器中比较典型的如d s 8 0 0 0 系列电子计数器，如图1 2 所示： 5 第一章绪论 图1 - 2d s 8 0 0 0 系列电子计数器 f i g 1 - zd s s 0 0 0e l e c t r i c a lc o u n t e r 计数器设有拨码开关或键盘作数字设定，能进行计数的预置控制。具有体积小巧、 操作方便、可靠性高、用途广等特点。可应用于科研或生产过程中对物体的数量进行预 置控制，也可将其它物理参量经适当的数字量变换后进行预置数量控制。 1 2 4 试验用水稻脱粒机与种子计数器存在的主要问题 根据市场调查，和对中国国家知识产权局及万方数据等网站的检索，发现目前尚未 有此类能对水稻进行单株脱粒与计数的试验用的装置。 试验用的微型电动水稻脱粒机目前国内还是空白。现有的水稻脱粒机多为大型、中 小型的农用脱粒机，多采用全喂入和半喂入方式进行脱粒，与水稻单株脱粒与计数仪所 须的脱粒机相比，功率过高体、积庞大、整机重量大、而且存在严重的籽粒飞溅、脱粒 机脱粒后机体内有滞存的稻粒、根本无法随身携带、无法在实验中应用。 常用的农用脱粒机如图1 3 所示： 图1 - 3 典型水稻脱粒机 f i g 1 - 3t h e t y p i c a lh c ht h r e s h e r 现有的试验用的种子计数器有型孔盘式，和量筒式两种。型孔盘式计数器结构示意 图如图1 - 8 所示： 6 沈阳农业大学硕士学位论文 2 1 型孔2 盘体 闰1 - 4 型孔盘结构示意图 f i g 1 4s k e t c ho f t h ec o u n t i n gp l a t e 当进行对种子进行计数时，先将型孔盘水平放置，然后将水稻种子铺于型孔盘上， 这时由于重力的作用有些种子会落入型孔之中。人工将没有落入型孔之中的种子沿着种 盘表面来回移动，直至种盘上的型孔全部被种子填满。由于每个型孔只能容纳一粒种子， 而种盘上的型孔数目已知，依此可知填入到种盘之中的种子个数。按着这种方式可以计 出要计算的种子数。 此种计数器自动化程度不高，种子填满型孔的周期较长，计数效率较低。由于人工 操作，费时费力。 量筒式计数器结构示意图如图1 5 所示： 2 1 t 筒2 厩屋 田1 - 5 量筒计数器结构示意图 f i g 1 - 5s k e t c ho f t h em e a s u r i n gc y l i d e r 当进行计数时，把计数器竖直放好，把要计数的种子装入到计数器之中，之后量出 种子水平线到达的刻度，把测量值和标准值进行比较既可以计算出种子的粒数。 此种计数器特点，结构简单、计数方便，但是由于计数种子和标准种子之间大小尺 寸之间存在差异，难以保证计数的准确性。 7 第一章绪论 1 3 本课题主要研究的内容 本课题主要研究的内容是 ( 1 ) 提出几种水稻单株脱粒计数器的总体设计方案，对设计方案进行分析与选择。 ( 2 ) 依据总体设计方案，设计水稻单株脱粒机和水稻粒子的计数器，并将二者有机结 合起来使其能完成水稻单株脱粒并且能对脱下的稻粒进行计数。 ( 3 ) 绘制样机的零件图和装配图，进行零件的加工和样机的装配。 ( 4 ) 进行样机试验和提出改进方案，重新进行样机的零件设计、加工和样机装配。 ( 5 ) 进行样机的性能试验。 1 4 拟解决的关键问题 ( 1 ) 微型水稻脱粒机的喂入机构要方便喂入和防止粒子飞溅，确保人身安全。 ( 2 ) 脱粒机的机体结构要简单、体积要小，脱粒效率要高、脱净率要高破碎率要低。 ( 3 ) 除杂质装置要有合理的结构尺寸，除杂快速干净。 ( 4 ) 计数器要结构简单、计数快速、方便、准确。 ( 5 ) 整机结构要简单，体积要小便于携带。 1 5 课题研究的技术路线 课题研究的技术路线如图i - 6 所示： 8 圈1 - 6 技术路线图 f 嘧1 6t e c h n o l o g i c a lr o u t ec h a r t 沈阳农业大学硕士学位论文 1 6 本章小结 本章分析了脱粒机理、和现有的脱粒装置，为水稻单株脱粒计数器的设计奠定了理 论基础。分析了现有脱粒机在水稻单株脱粒方面存在的不足，如体积和重量过大、功率 过高、存在子粒飞溅等。分析了现有的种子计数器，及其在计数方面存在的不足，如自 动化程度不高、计数效率低下、计数不准确等问题。提出了设计水稻单株脱粒计数器的 必要性，确定了课题的研究内容，技术路线和拟解决的关键问题。 9 第二章基础参数的试验研究 第二章基础参数的试验研究 农业物料的基本物性参数是机械设计及产品分析中不可缺少的最基本的原始数据 和重要的工程参数。水稻脱粒相关的物性参数的研究是水稻单株脱粒机研制与开发的基 础，它使所设计的机械能更好地满足作物的农艺要求。 2 1 稻粒和稻穗的外形分析与尺寸的测量 稻穗的结构和尺寸是设计脱粒机的喂入机构和脱粒室的重要依据，关系到喂入机构 和脱粒室的结构和尺寸。稻穗的形状结构如图2 - 1 所示： 分。 1 0 田2 - 1 稻穗结构图 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo f r i c es p i k e 稻穗从结构上可以分为杆茎、稻穗两大部分，稻穗又可以分为稻梗和稻粒等几部 随机选取了1 0 株辽梗9 3 1 的稻穗进行了其长度和宽度的测量，结果如表2 1 所示： 沈阳农业大学硕士学位论文 表2 - 1 稻穗测量表 t a b 2 - 1s u r v e yt or i c es p i k e 重复 长度 宽度 l o 平均值方差 丽1 丽了而 1 52 0 49 3 7 1 6 01 5 51 7 l 2 12 52 3 其中测量的水稻穗的长度为其从穗头到穗尾的直线距离，稻穗的宽度为其在自然摆 放的状态下，整个稻穗从稻头到稻尾的最大宽度。 由上表可知稻穗长度最大值为1 7 6 r a m 、最小值1 5 5 m m 、平均值为1 6 5 7 m m 、方差 为7 5 6 。稻穗宽度最大值为2 5 m m ，最小值1 5 m m ，平均值为2 0 4 m m 、方差为9 3 7 。 稻粒的结构和尺寸是设计脱粒机筛板和分种器型孔的依据。稻粒的结构整体呈椭球 型如图2 - 2 所示： 图2 - 2 稻粒结构 f i g 2 - 2s l r g t a r eo f t h er i c eg r a s n 随机抽取了1 0 粒稻粒进行了长度宽度和高度方向的测量，结果如表2 3 所示： 衰2 - 2 稻粒测量裹 t a b l e2 - 2m c e s u r eo f t h er i c eg r a i n 次数 长度 宽度 高度 l 7 0 0 3 5 0 2 0 7 4567891 0 平均值方差 7 4 67 6 68 1 47 4 68 3 46 6 78 ，0 07 6 30 2 9 3 ，0 53 0 23 ，1 03 3 43 0 02 5 43 0 43 0 7o 0 6 2 2 1 02 1 22 0 62 1 62 1 42 0 621 42 1 20 0 0 3 4 从表中可以得出，稻粒长度最大值为8 3 4 m m 、最小值为6 6 7m i l l 、平均值7 6 3n l n l 、 方差为o 2 9 。 稻粒的宽度最大值3 5 0 r a m 、最小值2 5 4 m m 、平均值3 0 7 r a m 、方差0 0 6 2 。 稻粒厚度最大值2 1 6 m m 、最小值2 0 6 r a m 、平均值2 1 2 m m 、方差0 0 0 3 4 。 2 2 稻粒与穗轴连接特性的试验 稻粒与穗轴连接特性对设计脱粒机的脱粒叶片，动力装置和喂入方式有一定的指导 意义。本试验目的是研究稻穗上不同位置的谷粒与穗轴的连接特性。 稻粒在穗轴上所处的不同部位，对稻粒与穗轴连接力表现出很大的差异，因此每3 咖取一个带有完整稻粒的稻穗作为测试样品。共取6 段，即表示距离稻穗末端分别为：3 。 6 ，9 ，1 2 ，1 5 ，1 8c n l 的位置。试验在l d s 数字式材料试验机上进行，其分辨率为0 0 1 n 。 l l 翳燕 n | 蚴描三傅姗 第二章基础参数的试验研究 首先将穗轴的末端固定在试验机植物纤维束头上，谷粒用下夹板夹持固定，运行试验机 以l o m m s 的加速度平稳加载，当稻粒与穗轴分离时试验机的读数即为要测定的稻粒与 穗轴连接力的大小。试验采用单因素重复试验方法。每个因素重复进行1 0 次试验，读 取试验数据如表2 - 3 所示： 表2 - 3 稻粒与穗轴连接力试验测定值刷 t a b l e2 - 3a s s a ym e a s u r eo f t h ef o r c eb e t w e e nt h eg r a i na n dt h es p i k ea r b o r n 距轴末端的 距离( c m ) 重复次数 12 3 45 67891 0 96 51 0 ，2 il1 ，0 21 1 8 61 2 1 11 2 4 01 0 7 5 1 3 3 51 2 7 21 05 4 9 4 21 0 1 01 0 5 81 1 5 61 1 9 21 2 1 31 0 4 81 2 9 71 2 4 29 8 4 9 2 1 9 5 21 0 2 61 0 9 51 0 5 71 1 9 59 7 91 2 4 11 1 9 89 5 1 8 7 99 2 19 2 81 0 1 21 0 5 31 1 2 49 5 41 1 5 71 1 2 3 8 2 4 8 ，5 38 3 58 9 79 8 69 6 s1 0 8 78 7 81 08 41 08 48 1 0 7 8 78 2 48 1 09 2 09 1 49 8 78 5 498 69 8 57 6 7 试验中发现，稻粒与穗轴连接力随稻粒所处位置不同有明显变化的趋势，对试验数 据进行处理，结果如图2 3 所示： z1 2 羹1 1 5 蓄1 1 嚣1 0 5 l o 9 5 9 8 5 8 03691 21 51 82 l 距穗轴末端距离e m 图2 3 稻粒与穗轴连接力和其所处位置的关系 f k 山5 r e l a t i o n s h i p o f s p i k e c o d e rc o n j u n c t i o ns t r e n g t hs a d p o i t l o n 对试验数据进行回归分析，得回归方程为： y = 1 2 0 8 9 0 1 7 4 8 x 其中相关系数为r 2 = 0 9 9 0 3 ，说明稻粒与穗轴的连接力和其所处的位置有很强的线 性相关性。由图2 3 可知：稻粒与穗轴连接力随稻粒所处穗轴部位呈线性关系，直线斜 率为0 1 7 4 8 。越向顶部，连接力越小，其差值最大为3 n 左右，相关性分析表明，稻粒 所处部位对稻粒与穗轴连接力的影响是显著的。这是因为稻穗的分枝系统和小穗的分化 发育是由穗基开始向顶部推移的，水稻在幼穗分化过程中首先发育的一级枝梗，随着其 1 2 鎏里查些奎堂堡主兰竺堡苎 他器官的分化发育穗轴与一级植梗逐渐增粗，谷穗上不同部位的穗粒分化不同。这种生 理特性决定了不同部位穗粒与穗轴连接力明显差异。 2 3 本章小结 本章对稻粒的形状结构进行了分析与测量，得知稻粒大体呈椭球形，稻粒长度最大 值为8 3 4 m m 、最小值为6 6 7m i l l 、平均值7 6 3t u r n 、方差为o 2 9 。对稻穗结构，形状 和基本尺寸进行了分析和测量。稻穗宽度最大值为2 5 m m ，最小值1 5 m m ，平均值2 0 4 m m 、 方差为9 3 7 。对稻粒和穗轴连接的力学特性进行了试验测量。发现稻穗与穗轴连接力随 穗粒所处穗轴部位呈线性关系，直线斜率为o 1 7 4 8 。越向顶部，连接力越小，其差值最 大为3 n 左右。这些关键的参数是设计仪器的重要的依据。 1 3 第三章单株水稻脱粒计数仪的总体设计 3 1 设计依据 第三章水稻单株脱粒计数仪的设计 ( 1 ) 符合现阶段生产科研的实际需要，现阶段都是人工进行水稻脱粒计数即费时又 费力，所以实际急需机器来代替人工来完成脱粒计数工作。 ( 2 ) 现代水稻脱粒技术，传器感技术，电子计数技术方面都比较成熟，能为仪器的 设计提供足够的理论基础和物质基础。 3 2 设计要求 ( 1 ) 喂入机构：喂入快速方便，在脱粒过程中没有子粒飞溅，确保人身安全； ( 2 ) 脱粒机：结构紧凑、脱尽率高、清种速度快、清种干净； ( 3 ) 杂质去除机构：有合理的结构与尺寸，杂质去除效果好； ( 4 ) 子粒计数系统：计数快速、方便、准确； ( 5 ) 机架：结构合理便于安装仪器的各个部件； 3 3 仪器总体设计方案的选择与分析 水稻单株脱粒计数仪主要功能是进 行单株水稻脱粒和对脱下来的稻粒计数。 该机仪器以质量轻、体积小、操作简单、 高效可靠为前提。按着设计要求本研究提 出了两种设计方案。 按着第一种方案，整个仪器由脱粒 机、加速风机和计数器三部分构成，结构 如图3 1 所示： 1 4 1 压电陶瓷传感器2 机壳3 稻粒加速室4 脱粗缔板5 脱粒室 6 稻穗喂入口7 脱粒滚筒8 电机9 皮带1 0 带轮1 l 电子计藏嚣 1 2 机槊1 3 风扇1 4 稻粒 图3 - 1 第一方案结构简图 f i g 3 - 1 s k e t c h o f t h e f i r s t p r o g r a m m e 沈阳农业大学硕士学位论文 工作流程如图3 - 2 所示： 围3 - 2 第一方粟工作流程图 h 晷3 2t h ef l o wp r o c e s sc h a r to f t h ef i r s tp r o g r a n m e 当仪器工作时稻穗从稻穗喂入e l6 喂入，在脱粒室5 完成脱粒。稻粒和杂质由于重 力和脱粒室的约束会落入稻粒加速室3 。加速室3 整体成锥形，在锥口尺寸较小，在锥 底部装有细细的筛网，在筛网的外侧装有加速风机用于给稻粒加速，稻粒经过加速风机 加速获得一定的动能，利用获得一定速度的稻粒冲击压电陶瓷传感器，传感器将信号传 入到电子计数器即可实现计数。 在脱粒过程中难免有些稻粒被脱壳，实际落到加速室内的稻粒会混有稻壳，稻米和 稻梗，由于没有除杂装置除去杂质，稻壳和稻梗也会打击传感器从而产生计数信号，但 是稻壳子和稻梗本身质量和稻予和稻米相比较小，在传感器上产生的信号强度和稻粒所 引起的信号强度相比会有差异，利用这种差异可以滤除稻壳子和稻梗产生的信号，可以 保证计数的准确性。 稻粒运动方向和压电陶瓷传感器要有合适的角度，防止粒子反弹，反复冲击传感器 造成重复计数。当水稻粒子速度较低或打击传感器不够充分时，传感器的输出信号强度 将受到影响，可能造成漏计。 传感器和电子计数器的灵敏度和计数频率要高，防止空间间隔较小的稻粒撞击传感 器时产生的信号被漏计。 第二种方案，此种方案下水稻单株脱粒计数仪主要由脱粒装置，分种装置和光电传 感器和电子计数部分组成。机器工作流程如图3 3 所示：结构如图3 4 所示： 田3 - 3 第二方案工作流程图 f i g 3 - 3t h ef l o wp r o c e s sc h a r to f t h es e c o n dp r o g r a u m e 1 5 第三章单株水稻脱粒计数仪的总体设计 1 喂入口2 稻穗3 挡板4 ，机壳5 滚筒6 筛扳7 杂质承接嚣8 杂质9 光电传摩嚣 l o 计数器1 1 稻粒承接器1 2 减速电机1 3 风机h 电机1 5 一1 6 皮带 围3 - 4 水稻单株脱粒计数仪结构简图 f i g 3 - 4s k e t c ho f t h es i n g l er i c ef r i n g et h r e s h i n ga n dc o u n t i n gd e v i c e 当仪器工作时，由喂入口1 喂入水稻稻穗，脱粒滚筒对其进行脱粒，当稻粒和杂质 从筛板6 落下时，清选风扇1 5 对稻粒中的杂质进行清除，稻粒经过清选机构后落入分 种器种盒中，分种器1 3 将稻粒经由分种口依次排出，然后由安装在分种口的光电传感 器9 和电子计数器1 0 完成计数。 考虑到仪器的调试难度，本研究用了第二种设计方案。在第二种方案下，整个仪器 的设计分为脱粒机的设计，清选装置的设计，分种器的设计，光电计数系统的设计及控 制电路的设计和机架的设计几部分。 3 4 脱粒机的设计 根据设计要求，脱粒机的设计包括喂入机构、脱粒滚筒、脱粒室、筛板、脱粒机传 动系统、脱粒机动力系统、清选部分的设计等。 3 4 1 喂入机构的设计与选择 根据喂入机构的设计要求本研究提出了两种设计方案。在第一种方案下其结构示意 图如图3 5 所示： 1 6 沈阳农业大学硕士学位论文 i 2 3 1 毛捌2 嚷入口3 机壳4 滑杆 图3 - 5 喂入机构结构示意围 f i g 3 - 5 t h es k e t c h o f t h e h a l f - f e e d d e v i c e 喂入机构整体呈盒型，柔性毛刷均匀地安装在喂入口四周，和喂入壳体形成封闭的 空间。脱粒机整体结构中的喂入机构结构示意图如图3 - 6 ： 1 脱粒机壳2 复位弹簧 图3 - 6 整体结构中的喂如机构 f i g 3 - 6t h es k e t c ho f t h ef e e dd e v i c e 当脱粒时，水稻稻穗由人工从喂入口喂入，接下来推动喂入机构向下移动，同时拉 动稻秆使稻穗和脱粒叶片接触实现脱粒。稻穗通过毛刷时毛刷受到压发生变形，可以使 稻穗通过，当稻穗经过毛刷后毛刷恢复原位，恢复原位的毛刷和脱粒室可以形成封闭的 空间防止籽粒飞溅到脱粒室。从而保证了人身的安全和计数的准确性。脱粒结束后，在 复位弹簧的作用下喂入机构回到原来的位置为下一次稻穗的喂入作好准备。 本机构可以实现设计要求，但是机构复杂增加零件的加工成本和整机的复杂程度。 第二种喂入机构充分利用了脱粒机壳，从而实现了喂入机构的简化，机构结构示意 图如图3 7 所示： 1 7 第三章单株水稻脱粒计数仪的总体设计 4 5 1 喂入机盖2 转轴3 喂入c l4 脱粒机壳5 毛刷 固3 7 喂入机构结构示意图 f i g 3 - 7 t h es k e t c ho f t h e f e e dd e v i c e 当脱粒时把机盖1 打开将水稻稻穗沿着喂入口放入到喂入机构之中。然后合上盖子， 拉动稻穗进行脱粒，在拉动稻穗时由于毛刷受到挤压发生变形，可以使稻穗通过，当稻 穗经过毛刷后毛刷恢复原位，恢复原位的毛刷和脱粒室可以形成封闭的空间防止籽粒飞 溅到脱粒室。在上挡板和脱粒钉齿之间有一段距离便于水稻稻穗和脱粒叶片的接触。 试验证明本种结构不仅能实现设计功能，而且可以使整机结构简化，本研究的水稻 单株脱粒计数仪采用此种喂入机构。 3 4 2 脱粒机机壳的设计 脱粒机机壳支撑和连接着各个部件是脱粒机的骨架。脱粒机机壳的结构和尺寸关系 到脱粒的效果和整机的结构和尺寸，是整机设计的核心部件之一。脱粒机机壳的大小在 满足脱粒功能的前提下，尽可能减小尺寸以减小仪器整体的尺寸，本仪器的机壳根据稻 穗的结构尺寸和脱粒滚筒的结构和尺寸以及除杂需求来设计的。 本研究的脱粒机机壳结构示意图如图3 _ 8 所示，整体呈方形包括脱粒室和除杂室， 为了观察脱粒机的工作情况，机壳材料采用玻璃钢材料。 1 8 沈阳农业大学硕士学位论文 1 板形脱粒机壳2 定位孔3 安装孔4 安装孔5 条形脱粒机壳6 筛板安装孔7 轴孔 围3 - 8 脱粒室结构示意图 f i g j - 8t h es k e t c ho f t h et h r e s h i n gh o m e 整个脱粒机机壳由四个部件构成，在机壳1 上设计有轴承孔，用于安装脱粒机传动 轴，四个角打上设有螺纹孔用于机壳部件的空间定位，在部件5 上有安装孔4 ，4 用于 把脱粒机安装在机架上的安装孔，部件5 上设有安装孔6 用于安装筛板。 3 4 3 脱粒滚筒的设计 脱粒滚筒的设计包括滚筒的辊子的设计，脱粒叶片的设计等。 脱粒辊子连接着脱粒叶和传动轴，把来自传动轴的动力传递给脱粒叶片，为了便于 加工和安装采用了玻璃钢材料，结构示意图如图3 - 9 所示： 1 叶片安装罗纹孔2 叶片安装檀3 安装端面4 安装轴孔 图3 - 9 脱粒辊于的结构示意图 f i g 3 - 9 t h es k e t c ho f t h e t h r m h f n gr o l l e r 叶片安装罗孔和安装槽用于安装和固定叶片，这样的安装槽和罗孔共有8 个，相 互成3 0 度角呈周相排列。这样的结构便于更换叶片，利于脱粒机的研究。 1 9 釜三兰兰堡查塑些塾生墼堡塑璺堡堡生 由于脱粒室的空间限制和出于加工和安装的需要，本脱粒叶片初步定为叶片式，结 构示意图如图3 1 0 所示： 1 为脱粒叶片2 安装孔3 叶片侧翼 图3 1 0 脱粒叶片结构示意图 f i g 3 - 1 0 t h es k e t c h o f t h e t h r e s h i n g n n 整个叶片由两个部分构成，1 为脱粒叶片主体，3 为脱粒叶片侧翼，在侧翼上打有 定位孔，2 和3 用于安装和定位。 组装完成的脱粒滚筒结构示意图如图3 1 1 所示： 3 4 4 筛板的设计与选择 图3 - 11 脱粒滚筒结构示意图 f 1 9 3 - 1 1t h es k e t c ho f t h et h r e s h i n gr j t t i e r 脱粒装置将稻粒从稻梗上脱下。其中夹杂着带有稻粒的稻枝子，这种带有稻粒的稻 枝子的存在不仅影响计数的精度，而且会堵塞分种器的型孔使稻粒无法下落，导致计数 沈阳农业大学硕士学位论文 器无法正常工作，如果要解决此项问题必须将带有稻粒的稻枝上的稻粒完全脱下，为此 在脱粒滚筒的下方安装了筛板，筛板的设计提出了两种方案。 第一种方案设计一种高速抖动的筛板，筛板的整体结构为圆弧形和滚筒的外径相匹 配。在筛板上有大小合适的孔利于稻粒的下落，而又能保留住下落到其表面的稻枝子。 在偏心轮的转动下筛板不停地抖动，下落到筛板上的带有稻子的稻枝被反复弹起，弹起 之后会被脱粒叶片的反复抽打，直至完全脱粒。整个结构如图3 1 2 所示： 2 3 4 1 轴孔2 筛板3 筛孔4 偏心轮 图3 - 1 2 第一种筛板结构示意图 f i g 3 - 1 2t h es k e t c ho f t h ef i r s te t h m o mp l a t e 试验发现只要筛板和脱粒滚筒之间有合适的距离，在高速稻粒的带动下落到上的带 有稻子的稻枝会重新被脱粒叶片抽打，直至完全脱粒。第二种筛板结构示意图如图3 一1 2 所示； 1 2 3 1 砰曩2 雨动捆3 矸孔 图3 - 1 3 第：种筛板示意图 f j g 3 - 1 3 t h es k e t c ho f t h et i n te t b m o i dp l a t e 第二种筛板和第一种筛板结构相似，不同的是除去了偏心轮机构增加了滑动槽，除 去偏心轮简化了筛板结构，滑动槽的增加便于调整筛板和脱粒滚筒之间的距离。为了简 化脱粒机结构，和考虑到整机的紧凑性，本研究采用第二种筛板。 2 l 第三章单株水稻脱粒计数仪的总体设计 3 4 5 脱粒机传动系统的设计 传动系统起着传递动力的作用，传动系统的设计包括脱粒机传动轴，轴承，轴承盖， 键，套简及连轴器的设计，脱粒机的传动轴连接着各个部件，起着辅助定位和传递动力 的作用，是脱粒机中的重要部件，本研究把脱粒电机主轴和脱粒机的传动轴用连轴器直 接相连。 考虑到轴承的形状尺寸，和脱粒滚筒的空间结构等因素，传动轴设为阶梯轴的结构 如图3 1 4 所示： 田3 1 4 传动轴 f i g 3 - 1