小型水稻脱粒机设计【半喂入、弓齿式滚筒脱粒机脱粒】
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小型水稻脱粒机设计【半喂入、弓齿式滚筒脱粒机脱粒】,小型,水稻,脱粒机,设计,半喂入,弓齿式,滚筒,脱粒
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湖 南 农 业 大 学全日制普通本科生毕业设计 小型水稻脱粒机设计THE DESIGN OF SMALL RICE THRESHER 学生姓名：汪佳堰 学 号：200940615109 年级专业及班级：2009级农业机械化及其自动化(1)班 指导老师及职称：翁伟 讲师 学 院：工学院 湖南长沙 提交日期：2013年05月 湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日 目 录 摘要1 关键词1 1前言1 1.1课题研究的和意义2 1.2小型水稻脱粒机的现状2 1.3本设计的创新思路3 1.4主要计算参数3 2总体方案确定4 2.1脱粒机的工作原理4 2.2设计目的4 2.3 设计任务4 2.4 系统功能描述和功能分解5 2.4.1喂入部分5 2.4.2 脱粒部分5 2.4.3 筛选部分5 2.5总体方案的设计和求解6 3脱粒装置设计6 3.1脱粒原理6 3.2 脱粒装置类型选择7 3.3 脱粒滚筒转速计算8 3.4 滚筒直径计算8 3.5 脱粒滚筒长度确定9 3.6 滚筒脱粒齿确定9 3.6.1弓齿形状选择9 3.6.2弓齿排列9 3.6.3相关参数计算10 4清选装置设计10 4.1清选原理10 4.2 清选装置类型选择10 4.3 风机参数计算10 4.3.1风机参数选择11 4.3.1风机计算11 4.4振动筛设计12 4.4.1振动筛设计12 4.5凹版设计12 4.5.1凹版类型确定12 4.5.2凹版直径确定12 4.5.3凹版与滚筒之间间隙确定12 5动力选择12 5.1整机消耗的功率计算12 5.1.1脱粒装置的消耗的功率计算13 5.1.2清选装置的消耗的功率13 5.2电动机选择14 6传动装置的设计14 6.1传动路线14 6.2确定传动装置的传动比14 6.3确定传动装置的动力参数14 6.4皮带轮的设计与计算15 6.4.1带型确定15 6.4.2带轮直径与带速确定15 6.4.3带的基准长度和轴间距确定16 6.5验算小带轮的包角16 6.6确定V带的根数16 6.7单根V带预警力计算16 6.8计算压轴力17 7圆柱齿轮的设计与计算17 7.1材料的选择及许用应力确定17 7.2按轮齿接触强度计算17 7.3按齿根弯曲强度计算18 8轴设计与计算19 8.1轴的材料选择19 8.2轴的最小直径确定19 8.3轴结构设计19 9键连接选择20 10滚动轴承选用20 11主要部件校核20 11.1圆柱齿轮校核20 11.2轴校核20 11.2.1轴上载荷计算21 11.2.2按弯扭合成应力校核轴的强度21 11.2.3精确校核轴的疲劳强度21 11.3键强度校核22 11.4滚动轴承校核22 11.4.1当量动载荷计算22 11.4.2计算所需的径向基本额定动载荷22 11.4.3 验算轴承的寿命23 12 结论23 参考文献23 致谢24 小型水稻脱粒机学 生：汪佳堰指导老师：翁 伟(湖南农业大学工学院，长沙 410128) 摘 要： 为了满足湖南农村水稻脱粒生产的需要，设计一种针对湖南市场的水稻脱粒机已迫在眉睫，该水稻脱粒机可一次性完成脱粒、筛选、分离和装袋作业。该机体积小、重量轻，操作灵活，通过性与适应性好，较好地解决了丘陵、山区和水田水稻收获的难题。该机采用半喂入、弓齿式滚筒脱粒机脱粒，确保脱粒干净、破碎率低，分离性能好。关键词：水稻脱粒机；脱粒；分离；清选The Design of Small Rice ThresherStudent:Wang JiayanTutor:Weng Wei(College of Engineering , Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract:In order to meet the needs of rural Hunan threshing rice,design of a rice thresher for The Hunan market has been imminent, this rice thresher can complete threshing, separation, screening and packaging operation. This machine has the advantages of small volume, light weight, flexible operation, though and good adaptability,can solve the problems of hills, mountains, and paddy rice harvest. The machine uses half- feeding, bow roller gear threshers threshing, ensure threshing clean, broken rate is low, good separation performance. Key Words: Rice thresher; Thresh ;Separate；Clean1 前言水稻在三大粮食作物面积和产量仅次于小麦，多于玉米。亚洲的水稻种植面积占世界的90%以上，中国的水稻的总产量和面积位于世界第一位和第二位。目前中国的水稻种植面积达4.3亿亩，水稻作为我国第一大粮食作物，约占粮食总产量的。水稻生产不仅担负着确保我国粮食安全的重任，还肩负实现种粮增效、稻农增收和全面推进新农村建设的重大使命。但是和西方的发达国家相比较，我国的水稻收获的机械化程度严重偏低，收获过程中粮食的损失大，制约着我国农村产业结构调整和农民收入水平的增长。1.1 课题研究意义 水稻是我国第一大粮食作物，不到30%的种植面积，生产了约占世界总产量40%左右的粮食，近些年水稻种植面积处于稳步上升的状态。在目前水稻收获机械多种形式并存条件下，为了满足广大用户茎杆需求量的不断提高，在消化吸收国内外同类机型的基础上，设计一种水稻半喂入脱粒机械，该机采用半喂入、轴流开式滚筒、风扇清选等机构，使其具有结构简单、体积小、重量轻、脱粒质量好等特点。该机也适合小麦的脱粒。近几年，随着联合收割机易地作业范围的不断扩大，联合收割机发展十分迅速 使脱粒机市场受到一定冲击。在这种形势下联合收割机、脱粒机和割晒机将如何发展脱粒机还没有发展前途 这是脱粒机生产企业和经营部门普遍关注的问题。据不完全统计 目前我国种植面积基本稳定在 3 000 万 hm 2 以 1998 年为例 全国小麦机收面积为 1 800万 hm 2 其中联合收割机收获面积为 800 万 hm 2 由割晒机收割后脱粒的收获面积为 1000 万 hm 2 。联合收割机和割晒机的收获面积分别占小麦种植面积的 26. 7 和 33. 3 。此外还有1 200 万 hm 2 的山区和丘陵小块地的小麦收获 还全靠人工收割后 由脱粒机械进行脱粒加工。因此脱粒机械的作业量目前仍占全国小麦种植面积的70左右。综上所述，尽管近几年联合收割机的发展迅猛 , 但由于我国地域辽阔 , 气候和地理条件以及栽培品种、种植方式有较大的差异,加上经济发展不平衡 , 有些联合收获机械的性能和部分关键技术尚不成熟 ,在今后一段时间内, 小型脱粒机在我国的粮食收获作业中, 特别是在山区、丘陵小块地、间作套种和杂粮种植地区仍是不可缺少的作业机具1。1.2 国内研究现状 按“因地制宜、分类指导、重点突破、全面推进”的原则，抓关键环节和适用技术，大力推广水稻收获机械，积极做好组织服务工作，提高水稻机收水平。机械化收获是水稻生产的一个主要环节，也是推进水稻生产全程机械化的难点之一。针对水稻生产机械化中存在的某些技术难题，各地农机部门积极立项研究，大胆探索试验，对小型收获机械的改进与推广，对气吸式水稻播种机的研制，对动力脱粒清选机的开发等，为选择、推广水稻生产机械及技术提供了科学依据。 广东省在推进水稻生产机械化的过程中虽然做了大量工作，但由于原来的基础薄弱，受一些深层次的因素影响较大，导致水稻生产主要环节的机械化水平仍然较低，栽植、烘干机械很难推广，耕种收综合机械化水平远远低于全国平均水平，处于中下游位置，与先进的省份相比差距较大。 我国对中小型脱粒机的应用还不是很全面和完善，本着这个宗旨我选择了这个课题以增强和提高我国在小型脱粒机方面的技术。以满足人均耕地面积少、缺乏先进适用机具广大的农民。1.3 本设计的创新思路本次设计的主要目的是针对现存的小型水稻脱粒结构进行了优化、对其存在的一些缺点进行改进；首先在原理上，主要以梳刷脱粒为主，打击原理为辅两者相互结合的脱离方式对水稻进行脱粒，这主要体现在脱离滚筒的齿的设计上。其次，清选方面是采用风机和筛子结合进行清选，在一定方面上提高了稻粒和杂质的分离，提高了稻粒的纯净度。1.4. 主要计算参数在水稻籽粒含水13%-18%，其技术参数为： 单位功率生产率 ：240kg/(kwh)； 脱净率：95%； 破碎率: 3%； 转速：600/min； 入口间隙: 20-30mm； 出口间隙: 4-10 mm； 滚筒直径：400mm； 喂入方式：半喂入； 外型尺寸：13009501100mm； 整机重量：60kg。 2 总体方案确定2.1 脱粒机工作原理4被割谷物经脱粒机械经人工由喂入口进入由脱粒滚筒和凹版组成的脱粒装置进行打击和搓擦后，短脱出物通过栅格状凹版进入由振动筛筛和风机组成的清粮装置进行清选；在风机和清选筛的联合作用下，颖壳等细小轻杂物被吹出机外，干净的籽粒经由籽粒收集装置进入集粮装置，然后由出粮口排出机外。2.2 设计目的进一步加深学生对大学所学理论知识的理解，培养学生运用理论知识独立解决有关本课程实际问题的能力，使学生对设计有一完整和系统的概念；同时通过毕业设计，培养学生计算，使用技术资料及绘制图形的工程设计能力，为今后的工作打下坚实的基础。2.3 设计任务 1）传动装置的设计； 2）脱粒装置的设计； 3）清选装置的设计； 4）动力的匹配。要求：1)输送流畅； 2)生产效率:1吨/时； 3)要求机构设计方案合理、结构紧凑，体积小，质量轻，噪音小、无污染，使用方便； 4)完成3张A0图纸（折合），并要求CAD绘制； 5)撰写设计说明书，文字在1.01.5万字间，条理清楚，计算有据，翻译一定数量的英文（摘要）； 6)设计说明书的内容包括：课题的目的、意义、国内外动态；研究的主要内容；总体方案的拟定和主要参数的设计计算；传动方案的确定及设计计算，主要工作部件的设计；主要零件分析计算和校核；参考文献，鸣谢。2.4 系统的功能描述和功能分解2.4.1 喂入部分喂入部位与弓齿滚筒的弓齿部位存在一定的间隙，将已割下来的水稻经过人工从喂入口进入，水稻的穗部分进入脱粒部位，即弓齿滚筒和编织式凹板之间，进行脱粒。2.4.2 脱粒部分 脱粒部分主要是由弓齿滚筒、栅格板式凹板构成。水稻穗在弓齿滚筒和栅格式凹板之间进行脱粒，将已脱下的谷粒从栅格式凹板的缝隙漏下，落到下滑板，经过振动筛和风机的清选，由出粮口排出机体之外2。2.4.3 筛选部分筛选部分主要是由栅格式凹板、风机、振动筛完成，当水稻穗进入脱粒部分后，经过弓齿滚筒的脱粒，水稻脱粒之后，再将谷粒经过编织式凹板，从凹板的缝隙漏出。谷粒顺着斜滑板，在振动筛和风机的综合作用下，将谷粒和杂质分开3。本设计要求实现水稻的脱粒以及水稻茎秆的分离，其主要功能是脱粒，机构的脱粒需要动力，这就涉及到动力的选择与安装，为机构的动力功能；脱粒机的工作还需要控制，这是脱粒机的控制功能。根据上述分析，绘制的机构功能构成图4如图1所示图1 水稻脱粒机的机构功能构成Fig 1 Rice thresher body function structure figure为了实现脱粒机的脱粒功能，脱粒机需要动力，从发动机输出的动力经过皮带轮传递给脱粒滚筒；根据不同的条件，脱粒滚筒需要不同的转速，这要求脱粒机需要调节控制功能。2.5 总体方案设计和求解分析可知，脱粒机包括动力部分、脱粒部分、传动部分，根据功能可以寻求其功能载体，根据功能载体可以形成形态学矩阵，如表1所示5。表1 水稻脱粒机的形态学矩阵Table 1 Rice thresher morphological matrix 分功能 功能解 1 2 3 4A 驱动 水冷柴油机 汽油机 电动机 风机冷柴油机B 脱粒 全喂入 半喂入C 传动 带传动 链传动 圆柱齿轮传动 同步带传动D 清选 气流式 风扇筛子式 气流清选筒 根据形态学矩阵可知，本设计共有4243=96种方案可以供选择。根据设计说明书的要求，水稻脱粒机要输送流畅，动力足够且稳定性好，以及结合农村的具体情况考虑，经过综合分析，选用A3B2C1D2。动力经发动机输出，通过V带将动力三部分输出，一部分给脱粒滚筒，一部分给分离装置 ，一部分给清选装置。3 脱粒装置设计3.1 脱粒原理 1）冲击脱粒：靠脱粒元件与谷物穗头的相互冲击作用而进行脱粒。冲击速度越高，脱粒能力越强，但破碎率也越大。 2）搓擦脱粒：靠脱粒元件与谷物之间，以及谷物与谷物之间的相互摩擦而使谷物脱粒。脱粒装置的脱粒间隙的大小至关重要。 3）梳刷脱粒：靠脱粒元件对谷物施加拉力而进行的脱粒。 4）碾压脱粒：靠脱粒元件对谷物施加挤压力而进行的脱粒。此时作用在谷物上的力主要是沿谷粒表面的法向力。 5）振动脱粒：靠脱粒元件对谷物施加高频振动而进行的脱粒。上述几种脱粒方式是在长期的生产实践过程中总结而来的，水稻为带壳贮存。如果裸存的话，存放时间很短。水稻的籽粒脆硬，容易破碎。因此，本设计采用梳刷脱粒为主，打击脱粒为辅，两者配合完成脱粒6。3.2 脱粒装置类型选择 脱粒装置按不同的方式分有不同的类型，按喂入方式可分为：全喂入和半喂入6；按脱粒齿形可分为： 1)切流纹杆滚筒式脱粒装置，其由纹杆滚筒、栅格状凹版、间隙调节装置等组成。以搓擦脱粒为主、冲击为辅，脱粒能力和分离能力强，断穗率小。但当喂入不均匀、谷物湿度大时，脱粒质量明显下降。是全喂入脱粒装置的一种形式。2)切流钉齿滚筒式脱粒装置，其由钉齿滚筒和钉齿凹板组成。利用钉齿对谷物的强烈冲击以及在脱粒间隙内的搓擦而进行脱粒。抓取能力强、对不均匀喂入和湿作物有较强的适应性。但断秆率较高，分离效果较差。是全喂入切线式脱粒装置。3)双滚筒脱粒装置，采用两个滚筒串联工作。第一个滚筒的转速较低，可以把成熟的好、饱满的籽粒先脱下来。第二个滚筒的转速较高，间隙较小，可使前一滚筒未脱净的谷粒完全脱粒。是钉齿式滚筒和纹杆式滚筒两个滚筒串联。 4)轴流滚筒脱粒装置，轴流式滚筒功率耗用受作物物理机械特性影响较大，比传统型更为敏感，喂入作物长度、含水率的影响均较大。5)弓齿滚筒式脱粒装置，适用脱粒水稻，也可以兼脱小麦。脱粒仅穗头进入滚筒，脱粒后能保证茎杆完整；凹板筛分离物含杂率小有利于后续的清选；绝大部分谷粒能够由凹板筛分离出来，谷粒的破碎和损伤很少，功率消耗小。但是只适应脱粒梢部接穗的作物，不适应矮杆作物，对作物的适应性差。弓齿滚筒式脱粒装置是一种半喂入式切流型脱粒装置。考虑到成本和农村稻田等因素，水稻脱粒主要适用半喂入式，本设计采用的是弓齿滚筒半喂入脱粒装置。脱粒方式分为上脱、下脱和侧脱三种形式。上脱式分离效果好，滚筒位置低，喂入性能差，适用于一般半喂入脱粒机和联合收割机；下脱式分离性能差，断穗和带柄少；侧脱式分离性能和喂入性能较好，适用于卧式联合收割机。本设计采用的是上脱式。3.3 脱粒滚筒转速计算滚筒的转速一般根据滚筒的有效直径来计算。当滚筒速度增加时，脱净率增加，水稻带柄率减少，但破碎率和断茎率都会增加，当圆周速度大于12米/秒时，水稻脱净率在99以上，但如果圆周速度过大，脱离效率提高并不显著，仅使谷粒在滚筒上跳动加剧，增加谷粒的抛散损失7。当滚筒的圆周速度太小时，弓齿对穗的冲击力减弱，从而延长脱粒时间而降低生产率。通常情况下对于水稻来说：。根据圆周速度V可以求得滚筒的转速。 （1) 式中： D滚筒直径（不包括弓齿高度）； H弓齿的高度，弓齿高度，取， 滚筒转速 取。3.4 滚筒直径计算 滚筒圈直径D由防止滚筒缠草和滚筒对茎秆的最大允许包角两个条件确定8, 其计算公式为： 其中 L下作物的长度mm； l作物喂入深度, 一般大于400mm9； 所包围滚筒的允许包角,一般为12010。 一般况下, 选用较大直径为有利, 其原因是：作物喂得深, 未进未脱损失少；喂入口弧度大, 可以提高喂入性能；滚筒不易缠草, 对作物品种和湿度的适应性好；凹板筛面积大, 分离能力强；引转动惯量大, 运转平稳, 适应超负荷的性能良好；凹板曲率小,喂进脱粒室的茎秆折断少, 有利于减少功率消耗11。L取1200mm，l取300mm。则由上式可得：，由上式可得：。根据角及喂入长度，求得滚筒直径。滚筒直径一般为(按齿顶计算）12，齿根处直径一般为。由于本次设计中的采用的是半喂入式脱粒装置，因此进入脱粒装置的只是作物的穗头部分，故不用担心茎杆缠绕的问题，可以取滚筒直径为400mm13 (不含弓齿高）。 3.5 脱粒滚筒长度确定 它与喂入速度和弓齿总数有关14。半喂入脱粒机工作时作物潮湿, 工作量大,一般选为600-1000mm,本机设计滚筒长度定为700mm15.3.6 滚筒脱粒齿设计3.6.1 弓齿形状选择 弓齿的形状有“V”字形及“U”字形两种。试验结果表明“V”字形弓齿顶角为22时，消耗的功率和断穗率都最少。“U”字形弓齿圆弧大的功率消耗小，断穗率也小。本设计滚筒上脱粒齿采用三重齿，它们能够提高梳刷、脱粒质量，并且滚筒不易缠草。弓齿用65钢制造，淬火部位的硬度为HRC 45-5516。3.6.2 弓齿的排列在长期的生产实践中证明，半喂入式的脱粒滚筒的弓齿排列，按一定的螺旋排列是能够获得满意的脱粒性能的。弓齿依螺旋排列的目地除了达到脱粒时负荷均匀外，而且还能促使杂余沿轴向流动。所以，选择弓齿的排列按照螺旋线分区的排列、选择螺旋线头数为3，分为三个区段且螺旋线的方向是顺着喂入方向向后倾斜。 第一区段为梳整区，约占滚筒全长的，梳整齿选材为68mm 的钢丝，对作梳导和推送，梳整齿安装在滚筒喂入端的锥形面上。靠近喂入口的第一个齿是小型的，高度也低，第二、第三个齿较大，高度也逐渐增加，齿迹逐渐增加；齿顶多为圆弧型，齿的强度较大，以适应刚喂入的较大符合。梳整齿一般高h为3560毫米，齿根宽为60110毫米，齿面与滚筒的回转方向偏，排列较稀，以利于导禾秆进入滚筒，并将谷穗加以梳整脱粒。第二区段为脱粒区，约占滚筒全长的7075。钢丝直径56mm，它又分前后两区。前区约占全长的4045。由于谷物刚进入脱粒间隙，脱粒量较大，安装了加强齿。为避免打断茎杆，齿的排列较稀，齿迹距也较大（约2536毫米），齿顶也略低，约60毫米以保持稍大的脱粒间隙，后区约占全长的30，安装着脱粒齿，主要用来将难脱的籽粒脱净。所以弓齿排列较密，齿迹距为1525毫米，脱粒齿高约6575毫米，以保持较小的脱粒间隙，齿脚的跨距较小，约35毫米左右，齿形较尖。第三区为排稿区，只占滚筒全长的810，钢丝直径56mm，为加强排草能力，齿距较密，为60毫米左右，齿形与脱粒齿相同17。3.6.3 由螺旋排列法计算各参数 螺旋排列的列数：。 弓齿轴向间距：。 相邻二圆周弓齿沿圆周方向对应错开的弧长：弓齿数：17 4 清选装置设计4.1 清选原理经脱粒装置脱下的和经分离装置分离出的短脱出物中混有断、碎茎秆、颖壳和灰尘等细小夹杂物。清选装置的功用就是将混合物中的籽粒分离出来，将其他混杂物排出机外，以得到清洁的籽粒。清选原理大致可以分为两类：一类是按照谷粒的空气动力特性（悬浮速度）进行清选。另一类是利用气流和筛子配合进行清选。4.2 清选装置类型的选择 清粮装置的类型主要有：气流式、筛子式和气流筛子组合式18。 (1)气流式清选装置：按照谷物混合物各组成部分的空气动力特性的不同进行选别。根据这一原理，可利用相关机械将混合物掷向空中，或利用风机产生的气流对谷物进行分离和选别，飘浮速度小的轻杂物吹的较远，而飘浮速度大的籽粒将落在距风机较近的地方。(2)筛子式清选装置；利用混合物各组成部分的尺寸特性的差异进行分离和选别。具体方法是：根据谷粒的大小、形状，设计适当的筛孔，以达到筛选的目的。 (3)气流筛子组合式清选装置：利用混合物各组成部分的尺寸特性和空气动力特性将筛子和风机配合进行分离选别。清粮效果好，在多数脱粒机和联合收获机上采用这种配合形式。本设计采用第三种清选装置，气流筛子式清选装置。4.3 风机参数的选择和计算4.3.1 风机参数的选择 本设计中的风机采用的是农机中广泛采用的农用型风机,叶片采用直叶,外形为切角的矩形,以改善风机出口气流的不均匀性,壳体为蜗壳形外壳,据试验饱满谷粒的悬浮速度为之间,比重/cm3,选取风机的风速为。因为风机转速一般比脱粒滚筒转速大，所以设定风机转速1000r/min。 (1)假设轻质夹杂物的质量为， 轻质杂质量与空气量之比的系数，通常，则空气的流量为=0.050/0.25=0.20 m3/s(2) 风机的全压力为： 风扇的静压根据工作条件选定，一般双筛机构为2025毫米水柱，单筛结构为15毫米水柱左右，本设计采用单筛结构。 =+=2/2+15=720.1+15=19.9/2 4.3.2 风机计算 (1)风机叶轮叶轮的外径D1， (2)其中：压力系数，一般取=0.35。 代入上式得：23.61(m/s) = =60/(3.14650)23.61=0.69m 取=0.70m。 （2)风扇进风口的直径 叶轮进口利用指数，0.550.85；气流收缩系数，0.81；风扇进口直径与叶轮内径之比，一般；系数，可取0.420.46，代入公式可得=0.637,取0.65 (3)风扇宽度 ，取B=0.60m。 (4)风机出风口高度 ，取0.25m。(5) 风扇功率,为传动效率，=0.950.98 (3) (6)叶轮内径 ,取0.340.70=0.24m (7)叶片数的确定 ,取片。4.4 振动筛设计4.4.1 振动筛设计 振动筛是机器的主要部件,筛体内有13层筛子,大多数为两层,上下配置,本设计采用两层筛,筛框上方是一层方形孔筛,筛孔较大,清除谷粒中的断穗和碎径;下方装有孔直径为2.5mm的圆形孔筛，筛孔较小，对谷粒进一步清选。4.5 凹板的设计4.5.1 凹板类型的确定凹板有编织筛式和栅格式两种。栅格式凹板筛孔宽约12-15mm,筛孔长20-30mm, 刚性好，夹带损失小、湿脱适好，但较多断穗，带柄较多，结构和制造工艺复杂，一般用于与纹杆滚筒配合的全喂入装置中。编织筛凹板钢丝直径约2.5mm,处理断穗能力很强，筛网的有效面积大，夹带损失小、湿脱适好，分离谷物的能力较强，但湿脱性能差，易堵塞易磨损，容易变形，多在半喂入脱粒机上实用，考虑本设计是一种半喂入式脱粒机和编织式凹版结构和制造工艺复杂，本设计采用栅格式凹板筛。4.5.2 凹板直径的确定 凹板直径是决定生产率的主要参数（在限制滚筒转速的情况下，凹板直径是决定生产率的唯一参数），凹板直径与生产率成正比，但不是一次性线性关系。根据凹板直径与生产率的关系和实际生产情况，本设计现选取凹板直径D为490mm，对水稻脱粒机来说，其脱粒间隙就是滚筒齿顶圆与凹板圆钢之间的间隙。 4.5.3 凹板与滚筒之间间隙的确定 滚筒与凹板入口间隙和出口间隙的比值为3:4。出入口间隙小则凹板分离能力强，但过小易产生堵塞。入口间隙过大（30mm）则滚筒抓取作物的能力和凹板前端的分离能力减弱。取入口的间隙为30mm，则出口的间隙为10mm，脱粒间隙从喂入口到出口从30mm逐渐减至10mm，在脱粒区为3-8mm，取6mm。5 动力的选择5.1 整机消耗的功率计算5.1.1 脱粒装置的功率消耗的计算 脱粒装置在工作时，在运转稳定性较好（保障脱粒滚筒运转稳定性的条件：有足够的转动惯量；发动机有足够的储备功率和较灵敏的调速器）的条件下，其功率总耗用N 由两部分组成：一部分用于克服滚筒空转而消耗的功率（占总功率消耗的5%-7%），一部分用于克服脱粒阻力而消耗的功率（占总功率消耗的93%-95%），所以 脱粒装置的功率消耗为： N =+ （kW ） (4) 1)其中空转功率消耗: =+ 式中：系数，为克服轴承及传动装置的摩擦阻力的功率消耗， ； B系数，为克服滚筒转动时的空气迎风阻力而消耗的功率， 。2)其中脱粒功率消耗:这个过程比较复杂，水稻首先是以较低的速度进入脱粒装置入口处，与高速旋转的脱粒滚筒接触，然后被拖入脱粒间隙进行脱粒，既有梳刷也有打击，研究的依据是动量守恒定律： 冲量转换为动量： ， （5) 单位时间喂入的谷物量； 综合搓擦系数，0.7-0.8； 滚筒的切向速度，15m / s。 将数据代入N =+ 得： N= 0.52+1.5=2.02（）5.1.2 清选装置的功率消耗的计算 清选装置消耗的功率由下式可求得： (6) 其中：单位时间进入清选装置的脱出物质量（）； 单位脱出物质量清选筛所需的功率（），上筛：0.4-0.5，下筛：0.25-0.3； 选别能力系数，0.8-0.9。 代入数据可得消耗的功率： 1.75（） 5.2 电动机的选择 通过上面的计算，可以知道整个脱粒机消耗的功率，其消耗的总功率为： 0.043+2.02+1.75+1=4.813（） 查机械设计手册19可得，选取广泛用于农业上的Y系列的三相异步电机，选取型号为：Y160M2-8，其额定功率为5.5，满载转速为.满足水稻脱粒机的动力的需求。6 传动装置设计 传动系统可分为主传动轴，风机轴，电机轴，振动筛轴，电动机一方面输出的功率通过电机轴传动给主轴，主轴再传动给振动筛轴，另一方面通过风机轴把功率传动给风机，使风机转动，脱粒机满负荷作业时，输出轴转速均按理想状态运行。分配传动比1）电机轴传动给主轴的传动比=1.1。2）电动机轴传给风机轴的传动比=0.72。3）主轴传给振动筛轴的传动比=3.2。6.3 传动装置动力参数的计算 电动机输出轴额定转速为 1）各轴功率 电机轴轴 振动筛轴 式中 -带传动效率；查表19取值0.92。 2）各轴转矩 振动筛轴 主传动轴轴 6.4 皮带轮的设计与计算6.4.1 带型的选定 根据总体方案的选择，选用的是Y160M2-8电动机，其额定功率为5.5，转速为。查机械设计手册19的工况系数。可得计算功率为： (8) 根据计算功率和电动机的转速，查手册19选择采用SPZ型皮带。6.4.2 带轮直径与带速的确定 小带轮的直径通过查机械设计手册19，有，其中是V带的最小基准直径，过小，会降低皮带的使用寿命。；反过来，虽然可以延长皮带的使用寿命，但是带传动的外形尺寸随之增大。V带的最小基准直径参考值如下表所示。表3 V带轮的最小基准直径Table 3 V belt wheel diameter minimum standards 类型 Y Z SPZ A SPA B SPB C SPC D E 20 50 63 75 90 125 140 200 224 355 500 选取小带轮的直径。 大带轮的基准直径，取。 上式中是V带传动的滑动率，值很小，在计算中可以忽略不计。 带速的计算：代入数据得 对于普通的V带，太小传递的功率小，太大则离心力过大，计算的结果在合理范围内，符合设计要求。6.4.3 带的基准长度和轴间距的确定由公式 （9) 代入数据得 所需带的基准长度为： 代入数据得 则实际的轴间距为 代入数据的实际的轴间距为 。6.5 验算小带轮的包角 由下式可求带轮包角： 一般，最小不低于，小带轮包角合适，不需要使用张紧轮。6.6 确定V带根数 V带根数可由以下公式计算： (10) 其中 功率增量，考虑传动比时，在大带轮上的弯曲应力较小，在寿命相同的条件下，可以增大传递的功率。 包角修正系数，考虑包角不等于时对传动能力的影响； 带长修正系数，考虑包角不为特定长度时对传动能力的影响； 单根V带的基本额定功率。 查机械设计手册20可得：，=0.99，=0.97，= 圆整后取V带根数6.7 单根V带预紧力的计算 根据公式 (11) = =6.8 计算压轴力根据公式 (12) (13) 其中为正常预紧力的1.5倍。 代入数据 7 圆柱齿轮的设计与计算7.1 材料的选择及许用应力的确定根据设计方案，本设计采用的是直齿圆柱齿轮传动，传递的功率为,考虑到脱粒机功率较大，故大、小齿轮都选用硬齿面。选取大、小齿轮的材料均为40Cr，并经调质及表面淬火，齿面硬度为4855HRC。因采用表面淬火，轮齿的变形不大，不需要磨削，故初选7级精度。7.2 按轮齿接触强度的计算 根据公式 (14) 确定公式内的各计算数值 1）试选载荷系数； 2)计算小齿轮传递的转矩: 3）由机械设计手册20选取齿宽系数； 4）由手册20查得材料的弹性影响系数5）按齿面硬度中间值查手册20得大、小齿轮得接触疲劳强度极限 6）计算应力循环次数 7)查设计手册19得接触疲劳寿命系数 8）计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1，安全系数S1，得 计算1）试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 (15) 2）计算圆周速度 3）计算齿宽 4）计算齿宽与齿高之比 模数 齿高 5）计算载荷系数 根据，7级精度，由手册21查得动载系数; 假设,由手册21查得齿间载荷分配系数； 由手册21查得使用系数； 由表4查得接触强度计算用齿向载荷分布系数； 由机械设计手册21查得弯曲疲劳强度计算用齿向载荷分布系数. 故载荷系数 6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，得 7）计算模数 7.3 按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公式为 (16)确定公式内的各计算数值 1）由手册21得大、小齿轮的弯曲疲劳强度极限； 2）由手册21查得弯曲疲劳寿命系数；。 3）计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数S1.4，得 4）计算载荷系数K 5）查取齿形系数 由手册21查得齿形系数 。 6）查取应力校正系数 由手册21得应力校正系数 。 7）计算大小齿轮的并加以比较 小齿轮的数值大。设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m略大于由齿根疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得得模数1.64，就近圆整为标准值m2mm，按接触强度算得的分度圆直径，。取 取 几何尺寸计算 1）计算分度圆直径 2）计算中心距 ，取a=90mm。 3）计算齿轮宽度 验算 符合要求。8 轴的设计与计算8.1 轴的材料选择 脱粒机在工作时，脱粒轴的转速很高，而且传递的扭矩很大，综合考虑，轴的材料选择45钢调质处理，硬度为195-290，其接触疲劳强度极限，弯曲疲劳极限取。8.2 轴的最小直径确定 由公式 (17) 其中 该轴传递的功率，； 该轴的转速，； 指轴的材料和承载情况确定常数。 已知 =2.02，查机械设计手册21可得C=128，代入上式可得 选。8.3 轴的结构设计 为了便于轴上零件的拆卸，经常把轴做成阶梯形。轴的直径从轴端逐渐向中间增大，可依次将齿轮和带轮等从轴的上端装拆，为了使轴上的零件便于安装，轴端及各轴的端部应有倒角。轴上磨削的轴段应有砂轮越程槽，车制螺纹轴段应有退刀槽。各段轴的直径，如有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径，安装轴承、齿轮等标准件的轴径，应符合各标准件的内径系列规定。采用的套筒、螺母、轴端挡圈作轴向固定时，应把装零件的轴段长度做的比零件轮毂短，以确保螺母等紧靠零件端面。9 键连接选择 键连接可分为平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。 平键按用途分有三种：普通平键、导向平键和滑键。平键的两侧面为工作面，平键连接是靠键和键槽侧面挤压传递转矩，键的上表面和轮毂槽底之间留有间隙。平键连接具有结构简单、装拆方便、对中性好等优点，因而应用广泛。本设计采用的是平键连接 。 查表机械设计手册21表4-1分别选择轴1、2段平键bhL=8mm7mm27mm、bhL=10mm8mm25mm。材料为45钢，其许用挤压应力，取其平均值，。10 滚动轴承选用 已知装轴承处轴径，转速，查机械设计手册22，选用深沟球轴承（GB/T 276-1994摘录）,选型号为6008，其基本尺寸参数为，安装尺寸。基本额定动载荷，额定静载荷。11 主要部件校核11.1 圆柱齿轮校核 齿面接触接触疲劳强度校核，公式如下： (18) 上述式中：齿数比； 弹性影响系数；区域系数;为轮齿的转矩； 齿轮宽度;分度圆直径；为载荷系数。 代入数据得： 符合要求，齿轮安全。11.2 轴的校核11.2.1 轴上载荷的计算 求轴承上的支反力 垂直面内： 水平面内： 画受力简图与弯矩图，如图8所示 图8 受力简图和弯矩图Fig 8 Force diagram and bending moment diagram据第四强度理论且忽略键槽影响 表4 受力分析Table 4 Stress analysis载荷 水平面H 垂直面V 支反力F 弯矩M 总弯矩 扭矩T 11.2.2 按弯扭合成应力校核轴强度进行校核时，只校核轴承上承受弯矩和扭矩最大的截面强度，取=0.6,轴的计算应力为： 前已选定轴材料为45号钢,调质处理,由机械设计23表15-1查得=60Mpa 因此S=1.5 故安全11.3 键强度校核 在本设计中脱粒轴传递的扭矩最大，根据要求，需对脱粒轴的键连接进行强度校核，因载荷均匀分布，根据平键连接的挤压强度公式： (19) 式中：T为转矩（Nmm）； 为轴径（mm）； 为键的高度（mm）； 为键的工作长度（mm）； 为许用挤压应力（MPa）。 代入数据得 可以实现设计要求。11.4 滚动轴承校核 根据上述数据，可计算：圆周力径向力轴向力 11.4.1 当量动载荷计算该深沟球轴承受和的作用，必须求出当量动载荷P。由下式可求： （20) 其中，分别为径向系数和轴向系数，载荷系数，一般取1 ,采取插入法，e取0.27因为 0.27所以X取1，Y取0所以 11.4.2 计算所需的径向基本额定动载荷 对于深沟球轴承6008，其径向基本额定载荷 (21) 式中温度系数，查表2311取=1； 当量动载荷，N； 基本额定寿命24，本机预设寿命=8000h； 轴承转速，650； 寿命指数25，对滚子轴承=3。8000h由寿命校核结果可以看出两轴承的寿命均大于设计寿命，故所选轴承合格。12 结论本设计能够有效的对稻谷进行脱粒、分离作业，具有结构紧凑，体积小，质量轻，噪音小、无污染、操作灵活轻便等特点。在设计过程中，受条件的限制，部分设计还是理论上的，要进行实际的运用，还有待于样机的制作，对其进行不断的改进，使之趋于完善。参考文献1 张维安，王利斌，于猛，赵亚君.小型水稻脱粒机的设计.农业机械，2007（2）：7273.2 杨新春，张文毅，袁钊和.我国水稻化生产的现状与前景J.中国农机化，2001（1）2021.3 姬长英，尹文庆.农业机械学（下册）M.北京：中国农
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