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小型水稻脱粒机设计,小型,水稻,脱粒机,设计
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小型水稻脱粒机设计SMALL RICE THRESHER DESIGN 摘要随着国家的发展，农村土地改革不断深入，粮食的耕作方式也在与时俱进。在平原地带，大型联合收割机已经成为主要的农用机械，这是一种集收割，脱粒，清选，集粮为一体的大型农用机械。但是，在我国南部的许多丘陵山区，由于地势低洼不平，狭隘，所以导致这种机械无法使用。出于对实际情况的考察，决定设计一种应用于丘陵地区的水稻脱粒装置。本次设计通过比较分析不同脱粒方式的优缺点，又综合考虑到因地域位置不同所带来的气候，粮食品种，经济情况等等不同因素，并通过各部件的理论计算完成了水稻脱粒机的理论基础。本次设计的水稻脱粒机脱粒装置采用了弓齿滚筒，该装置能够最大限度的保证脱粒质量的同时，降低了断穂率。除此之外，还进行了齿轮的设计，轴和键的选择，风机的参数确定等等一系列的理论计算。本次设计出来的水稻脱粒机完全适用于丘陵山区的水稻脱粒作业，解决了大型农用机械不能在山区作业的问题，也为农民进行相关作业提供了一种新的选择。关键词 水稻；滚筒；脱粒；转速Abstract With the development of the country, the rural land reform has continued to deepen, and the farming methods of grain are also advancing with the times. In the plain area, large combine harvesters have become the main agricultural machinery, which is a large-scale agricultural machinery that integrates harvesting, threshing, cleaning and grain gathering. However, in many hilly and mountainous areas in the south of China, this kind of machinery cannot be used because of the low and uneven terrain. Based on the investigation of the actual situation, it was decided to design a rice threshing device for use in hilly areas. This design compares the advantages and disadvantages of different threshing methods, and takes into account different factors such as climate, grain variety, economic situation and so on due to different geographical locations, and completes the rice thresher by theoretical calculation of each component. Theoretical basis. The designed rice thresher threshing device adopts a bow tooth roller, which can ensure the threshing quality to the utmost extent and reduce the breaking rate. In addition to this, a series of theoretical calculations such as gear design, shaft and key selection, fan parameter determination, etc. were carried out. The designed rice thresher is completely suitable for rice threshing operation in hilly mountainous areas, solves the problem that large agricultural machinery can not work in mountainous areas, and provides a new choice for farmers to carry out related operations.Keywords rice; drum; threshing; rotation speedIII目 录摘要IAbstractII1 前言11.1 课题研究的意义11.2 小型水稻脱粒机的现状和前景11.3 本设计的创新思路22 确定总体设计方案32.1 设计初步方案32.2 功能分解32.3 结构及工作原理32.3.1 基本结构42.3.2 工作原理42.3.3 传动系统42.4 功能分类42.4.1 喂入部分42.4.2 脱粒部分42.4.3 筛选部分53 脱粒机的设计与计算63.1 脱粒装置设计63.1.1脱粒装置类型选择63.1.2 脱粒滚筒直径计算83.1.3 脱粒滚筒长度确定93.1.4 脱粒滚筒转速计算93.1.5 滚筒脱粒齿设计103.2清选装置设计113.2.1 清选原理113.2.2 清选装置类型的选择113.2.3 风机参数的选择和计算123.2.4 筛板的设计133.3动力装置设计133.3.1功率消耗的相关计算133.3.2 电动机的选择143.4传动装置设计153.4.1 传动路线153.4.2 确定传动装置的传动比153.4.3 传动装置动力参数的计算153.4.4 皮带轮的设计与计算163.4.5 验算小带轮的包角173.4.6 确定带根数183.4.7 单根带预紧力的计算183.4.8 计算压轴力183.5圆柱齿轮的设计与计算183.5.1 齿轮材料的选择及精度的确定183.5.2 圆柱齿轮接触强度的计算193.5.3 齿根弯曲强度设计203.6轴的设计与计算213.6.1 轴的材料选择213.6.2 轴的最小直径的确定213.7键连接选择223.8滚动轴承选用224 主要部件校核234.1 圆柱齿轮校核234.2 轴的校核234.2.1 轴上载荷的计算234.2.2 通过弯扭合成应力校核轴的强度244.2.3 轴的疲劳强度的校核计算244.3 连接键的强度校核254.4 滚动轴承校核264.4.1 当量动载荷计算264.4.2 计算所需的径向基本额定动载荷264.4.3 验算轴承的寿命26结论28致谢29参考文献30371 前言民以食为天，从古至今，水稻就是中国最重要的粮食产物。在我国，人们的一日三餐中，大米是不可或缺的。水稻生产不仅担负着保障我国粮食安全的重任，而且有助于促进粮食与粮食的协同作用，落实农民增收的主要任务，全面实施新农村建设。然而，相对于发达国家和农村西部地区的农民而言，中国粮食收获期间粮食结构的增长严重限制了稻米收获从而导致了机械化的低收入。1.1 课题研究的意义新中国成立之初，粮食生产严重不足，自从袁隆平发明了杂交水稻之后，粮食产量日益增长，但是粮食产量的上升也带来了水稻脱粒效率低的问题。现在，大米是中国最大的粮食作物。种植面积不足30%，却占世界粮食总产量的40%。近年来，水稻种植面积稳步增长。各种形式的机械收割水稻的共流满足了广大用户日益增长的需求，在国内外同类模型的消化吸收中，设计了一种半喂入式的机器。机器的结构并不复杂，重量也比较轻，而且在保证脱粒质量的同时也做到了方便快捷。随着科技的发展，人们在农业机械方面的研究成果越来越多。现如今，越来越多的大型农用收割机被制造出来，农民秋收的工作强度被大大降低。但是，在许多丘陵山区，人们由于缺少先进的农用机械，许多粮食作业不得不通过原始的方法，这样工作效率就会极其低下。据不完全统计，我国种植面积基本稳定在3000万平方公顷，几乎趋于稳定。 1998年，全国水稻获面积为1800万平方公顷。联合收割机的收获面积为800万平方公顷。收获面积为1000万平方公顷。26.7%水稻种植面积的水稻是由联合收割机收获的%。此外，在人工采伐后，使用脱粒机收获了1200万平方公顷的丘陵和山地小麦地块。因此，相对应脱粒机械的数量大约占我国小麦种植面积的70。在我国，农业机械化水平尚不高，水稻的机械化收获面积也只是占到了总种植面积的一小部分，而大部分的粮食作物还是人工的低效率的收获方式。目前，中国生产的大多数水稻收割机只具有采摘，去皮，切碎而没有脱粒的功能。谷物的脱粒是独立完成的。在国家一级，超过80的作物收获和收获是由脱粒机和劳动力共同进行的。综上所述，尽管我国的农用机械发展迅速，许多大型联合收割机都已经被广泛应用，但是还有许多地方因为气候和地理条件不同导致发展不平衡，农业机械化水平也不高，而且大型农用机械还有关键技术未曾突破，所以小型水稻脱粒机在农用机械市场还是有一席之地的，特别是在山区，丘陵和多样化的粮食种植区。1.2 小型水稻脱粒机的现状和前景1800年，“固体型谷机”被广泛用于美国，运用了脱粒和分离手动的结构，生产出具有抖动特性的分离装置。 1850年后，自动进料，分拆，谷物加工等功能逐渐出现并发展起来。在此之前，收割和脱粒两个工序是在人们看来是完全独立的。在本世纪，降低成本和减少工作时间的要求已提交，预计合并和脱粒装置可以结合起来。这个想法被记录在美国超过140年前，它是110年前制造出来，70年前发展成开始使用具有发动机的收割机。自从新中国改革开放以来，我国不断从国外吸取成功的经验和失败的教训。从国外引进先进的机械装置，在此基础上不断完善创新，加快了我国水稻农用机械的发展，大大提高了水稻的生产效率。随着全世界人口的不断增多，现有的耕地已经满足不了粮食生产的需求。目前，全球可供开耕的土地中，仅仅30%的土地被开垦过，剩余的一大部分由于气候原因尚未开发。据统计，我国平原地区的耕地面积仅仅只占我国总种植面积的一小半，而这一小半的区域就生产了全国70 %左右的粮食。为了应对人口剧烈增长所带来的粮食短缺，丘陵地区的水稻生产量的提升已经成了迫在眉睫的问题。在这样的情况下，小型水稻脱粒机的市场就显现出来了。大型农用机械无法在丘陵山区进行作业，脱粒工作要想顺利完成，只能依赖于小型水稻脱粒，因此小型水稻脱粒机的设计就显得极其重要。1.3 本设计的创新思路主要目的是优化既有的水稻脱粒结构，改善其中尚不完善的地方。首先，主要设计部分是脱粒结构，梳刷脱粒和打击脱粒两种方式相互结合。滚筒中的齿的设计是体现脱粒机脱粒方法的主要部分。其次，通过清除吹风机和筛子的组合，能够将脱出混合物中的谷粒分离出来，很大程度上提高了谷粒的纯净率，也大大方便了之后的收粮作业。 2 确定总体设计方案2.1 设计初步方案本次设计出来的小型水稻脱粒机主要用于进行水稻脱粒作业。据此，抽象设计如图2-1所示：图2-1 抽象设计图2.2 功能分解为了分离出谷粒，脱粒机必须具有执行机构装置，将能量输入到马达从而驱动执行机构。经过大致分析，得以下到脱粒机的功能分解图，如图2-2所示： 图2-2 功能分解图2.3 结构及工作原理2.3.1 基本结构小型水稻脱粒机的主要结构包括入料口、脱粒滚筒、风机、主轴、机架、 传动机构以及排料口，总体结构如图2-3所示。图2-3 总体结构1入料口 2脱粒滚筒 3风扇 4出杂口 5出料口 6电机2.3.2 工作原理脱谷对象从入料口进入脱谷滚筒下面，当滚筒转动时，脱粒谷物反复不断地受到滚筒的冲击。在巨大的冲击力之下，脱粒谷物末端的稻粒和茎秆之间的连接被打破从而进行脱粒，之后脱下的谷粒和其他混合物由于惯性被送到清选装置进行分离。在风机和筛子的共同作用下，轻杂物被风扇产生的气流沿风道吹走，而谷粒靠重力穿过气流和筛孔流入出粮口。2.3.3 传动系统在水稻脱粒机中，需要转动的只有滚筒和风机。在本次设计中，我们采用了V带轮传动。在整个工作过程中，发动机将动力传送到电机带轮上，再通过电机带轮将动力传送到滚筒轴上的带轮。2.4 功能分类2.4.1 喂入部分脱粒机的喂入部分是指滚筒的钉齿与底部凹板之间的间隙，将脱粒谷物从入料口放入到其中，开启滚筒之后开始进行脱粒。2.4.2 脱粒部分 脱粒部分是由钉齿滚筒和底部凹板组成，脱粒谷物放入之后受到滚筒冲击，谷物脱离到凹板之上，从筛式凹板的缝隙中进入到筛选部分。2.4.3 筛选部分筛选部分是由风机和筛板共同组成，谷物脱离之后先经过筛板的一道分离清选，初步的分离出来一部分无用物质，然后再通过风机的作用进行二次筛选。脱出混合物经过这两道程序之后，已经能够大致筛选出干净的籽粒。3 脱粒机的设计与计算3.1 脱粒装置设计3.1.1脱粒装置类型选择脱粒装置的选择可以分为两部分：入料方式的选择和脱粒方式的选择；1入料方式迄今为止，大多数的水稻脱粒机采用的入料方式可分为两种：全喂入式和半喂入式。（1）全喂入式：将水稻割下后全部放入到脱粒机中，随着脱粒机地滚筒转动，水稻茎秆被全部打碎，然后经过分离装置的工作将水稻籽粒与其他杂物分开进而完成作业。这种喂入方式不需要进行过多的人工操作就能完成整个过程，操作简单。但是这种方式动力消耗较大，而且传动系统和分离装置过于复杂，所以现在这种喂入方式大多应用在大型联合收割机上。（2）半喂入式：收割之后的水稻通过人工夹持其尾部将水稻的稻穗一端送入到脱粒装置中，启动脱粒滚筒，水稻谷粒脱下，在惯性力的作用下进入到清选装置。这种喂入方式在可以保存完整的茎秆的同时能够消耗比较少的动力，弥补全喂入式在功耗方面地缺陷。这种方式在某种程度上减小了清选分离的难度，变相的简化了整体的结构，减轻了重量。在家庭式小型机中半喂入是一种较常见的喂入方式，应用广泛。脱粒干净，分离率高，破碎少，体积小，功耗少，成本低等等是其特点。结合上面对两种喂入方式优缺点的分析，再考虑到本设计中的实际情况，决定采取半喂入式的入料方式。2脱粒方式脱粒机的基本原理就是利用外部机械装置所产生的外力作用在谷粒与茎秆之间，破坏两者之间的连接，从而达到脱离的目的。由于地区不同，种类不同，那么收割时的成熟度，空气的湿度也就不同，导致谷粒与茎秆之间的连接力度不尽相同。面对以上的不同情况，人们研究出来几种不同的脱粒的方式，大致分为冲击，梳刷，揉搓以及碾压四种。（1）冲击：冲击方式是指脱粒机钉齿滚筒的高速旋转冲击稻穗，利用巨大的冲击力破坏谷粒与茎秆之间的连接力，从而达到脱离的目的。这种方式是目前脱粒机主要的脱粒方式，它的脱粒效果主要取决与冲击力的大小。但是单一的冲击方式并不能做到完全脱粒，因为冲击力的大小难以控制。当冲击力过大时，茎秆的末梢由于受到超过自身承载能力的力而被打碎，谷粒中的杂物增多，清选难度加大，谷粒也容易被击碎。当冲击力过小时，谷粒与茎秆之间的连接力不足以被破坏，从而有部分稻粒会残留在茎秆上面，脱粒不完全导致水稻的生产率降低。鉴于以上分析，现有的脱粒机大多不会采取单一的冲击方式进行脱粒，常常和其他的脱粒方式混合使用。冲击钉齿滚轴如图3-1所示 图3-1 冲击钉齿滚轴结构图（2）揉搓：揉搓的方式是指脱粒机利用螺纹滚筒与带间隙的纹板两者相互配合对待脱粒的谷物进行揉搓作用来使籽粒脱离茎秆。揉搓方式的脱粒效果主要取决于两个因素：揉搓的强度和谷物自身的疏密程度。这种方式的优点很明显，就是经过揉搓脱粒的谷物脱粒十分干净，但是缺点也很明显，这种方式的能耗较大。因此，使用这种方式的关键就是把握好揉搓的强度。（3）梳刷：梳刷滚筒结构就是在工作部件在动力部件的带动下转动时，会像梳头发一样从谷穗之间通过，在一定的拉力作用下使谷物脱离茎秆从而达到脱粒的目的。梳刷方式的脱粒效果取决于钉齿与谷粒之间的摩擦力。由于水稻与其他谷物不同，籽粒与钉齿之间的摩擦力较小，所以这种方式大多应用在小麦之类的谷物。这里，我们将其作为一种辅助脱粒方式加入到设计中去。梳刷滚轴如图3-2所示图3-2 梳刷滚筒结构（4）碾压：利用碾压滚轮反复碾压水稻，在这个过程中，在谷粒和穗柄之间会有一对相对的拉力，在这个拉力的作用下谷粒与穂柄之间的连接会被破坏从而达到水稻脱粒的目的。碾压法虽然便于脱谷，但是耗费时间较多，而且这种方式大多是由人工所完成的，不符合设计的初衷。碾压滚轮结构如图3-3所示图3-3 碾压滚轮结构以上四种脱粒方式是现在主要的脱粒方式，它们每一种都有其优缺点和适用的范围。经对上述三种原理的比较于分析，出于对小型化及结构的简单化的设计要求的考虑，碾压脱粒不能满足要求，所以本次设计不会采用这种方式。其余三种脱粒方式独立使用都不能达到工作效率的最大化，所以要尽可能的将三种方式组合在一起设计一种全新的脱粒装置。经过综合比较分析，我们设计出了名为弓齿轴流式的脱粒装置。脱粒时，进入到滚筒的仅仅是穗头部分，这样脱粒之后能最大程度的保证茎杆部分的完整。凹板筛对于分离脱出混合物有着较好的效果，大大方便了之后的清选集粮工作。绝大部分谷粒都能够通过凹板筛给分离出来，这样脱粒的谷粒破碎率和损伤率都很低，而且功耗低。这种装置在集合了三种方式优点的同时还做到了结构的简单化。脱粒滚筒如下图3-4所示 图3-4 脱粒滚筒结构3.1.2 脱粒滚筒直径计算滚筒圈直径D通常都要考虑到两个方面：第一要确保滚筒不会被水稻茎秆缠绕进而影响脱粒机工作，第二就是要考虑到脱粒机滚筒的最大被允许包角。由此我们得出以下两个计算公式：（3-1）（3-2）其中 L表示待脱粒作物的长度；l表示待脱粒作物放入的深度, 一般大于； 表示待脱粒作物包围滚筒的允许包角,一般为。L取，l取。则由上式可得：，由上式可得：。一般情况下，我们会优先选取较大的值作为滚筒直径。选择较大的直径有如下优点：待脱粒作物能够最大程度的放入到脱粒滚筒下方，减少了脱粒损失；滚筒直径大就导致入料口的弧度变大，这样就可以提高脱粒机的喂入效率；直径较大的滚筒滚筒不易被杂草缠住, 能够适应不同的作物品种和湿度；滚筒直径加大，滚筒下方的筛子就会加大，有利于脱粒之后脱出产物的分离，筛选出干净的谷粒；直径加大，滚筒的质量跟着增加，转动惯量变大从而确保脱粒机运行的稳定，能够超负荷运行的性能也越好；直径加大，滚筒表面的曲率减小从而水稻茎秆不易被折断，减小了茎秆的破碎率，降低了之后的分离清选的工作难度。在按齿顶计算的情况下，滚筒直径一般设置在，齿根处直径一般设置在。本次设计，我们取滚筒直径为，因为我们的水稻脱粒机选取的是半喂入式的入料方式，只要将水稻有稻穗的一端放到滚筒下方，一端由人工夹持，所以不需要考虑滚筒钉齿被茎秆缠绕影响脱粒机工作的问题。3.1.3 脱粒滚筒长度确定脱粒机的滚筒长度无法通过具体的公式进行计算，所以这里我们通过查阅资料和分析来确定滚筒的长度。脱粒机的滚筒长度取决于入料速度和钉齿的数量。首先，由于是人工夹持进料，所以不需要考虑进料速度。然后，在脱粒机工作时，大部分的作物都比较潮湿，工作量比较大，所以钉齿的数量要增加，所以长度一般选为之间。这里，我们取滚筒长度为。3.1.4 脱粒滚筒转速计算滚筒转速是决定小型水稻脱粒机脱粒效果的重要因素之一。随着滚筒转速不断加快，水稻脱粒效果会也来越好，与此同时水稻茎秆的破碎率和断茎率也会不断上升。据资料显示，在脱粒机滚筒线速度达到12米/秒时，水稻的脱粒率会达到99%。但是，不是滚筒转速越大越好，过大的转速只会让水稻受到更大的冲击力从而让茎秆被破碎谷粒被击碎，加大水稻的损失率。当脱粒滚筒转速过低时，钉齿的冲击力就会减小从而导致脱离时间增加，生产率下降。 （3-3) 式中 D表示滚筒直径； H表示弓齿的高度，取。由上面公式（2-1）可知，脱粒机滚筒转速由滚筒直径和滚筒线速度共同决定的。一般情况下，滚筒线速度在14米/秒到17米/秒之间，这里我们取。另外，取滚筒直径,取弓齿的高度。综上所述，我们利用公式可以求得滚筒转速，这里取。3.1.5 滚筒脱粒齿设计1.弓齿的形状选择:现存的水稻脱粒机中，弓齿滚筒上面的弓齿大多数都分两种，一种是字形，另外一种是字形，经过大量资料的查阅，我们得到如下结论：字形弓齿顶角的大小不能太高也不能太低，要不然都不能发挥这种弓齿的最大效率，只有在顶角大小为时，水稻的破碎率和断茎率才会降低到最小；字形弓齿没有太大优点也没有明显的缺点，这种弓齿由于顶端的弧度较大，所以在进行脱粒时弓齿受到的摩擦力较小，能耗相较上一种偏低一点，同样这样的设计也使其断茎率降低。综合比较分析上面两种方案的优缺点，我们设计出来了一种三重齿的弓齿，这种弓齿不仅能够提高脱粒效率，最大限度的降低了破碎率和断茎率，而且减小了弓齿与水稻的摩擦力，降低了能耗，有效防止滚筒被茎秆缠绕从而影响脱粒机工作。弓齿用钢制造，淬火部位为。2.弓齿的顺序排列:如果半喂入式的脱粒滚筒的齿按斜排列，那么会具有工作平稳，生率高的特点。所以，我们在设计方案中采的是螺旋斜线列方式。弓齿依旋排列的目有两个：a.脱粒时负荷均匀，b.使杂质沿轴向流动。选择弓的排列按螺旋线分进行排列。分区主要三个区，第一区段为理区，约占滚筒全长的，梳整齿材为的钢丝，有于稻穗的梳和推送，梳整齿安在滚筒喂入的锥形面上。第二区段为脱区，约占滚筒全长的，它又前后两区。前区约占全长的。由于谷物进入脱粒间，脱粒较大，所以安装了加强齿。第三区为出区，只占滚筒全长的，为加强草能力，齿距缩小为左右，齿形与粒齿相同。3.相关参数的计算: 旋排列的列数：。 齿轴向间距：。 弓齿数：。3.2清选装置设计3.2.1 清选原理水稻在经过脱粒装置脱离之后，在使谷粒脱离了茎秆的同时，也在脱出物中夹杂了大量被击碎的茎秆，稻壳和灰尘等夹杂物。清选装置的作用就是将水稻籽粒与其他的杂物分离开来以保证最后出来的是干净的籽粒。从现有的小型水稻脱粒机来看，它们的清选原理一般有两种：一种是利用谷粒与其他夹杂物在体积上面的差异不同，通过制作相应规格的筛子来进行水稻的清选分离工作，第二种就是在风机产生的强劲的气流下，利用不同物质其质量不同在气流中的悬浮特性不同的特点来进行清选分离。3.2.2 清选装置类型的选择根据清选原理的介绍，我们可以得到三种清选装置的设计方案，分别是：气流式清选装置，气流筛子组合式和清选装置筛子式清选装置。(1) 气流式清选装置：这种装置是利用不同物质其质量不同在气流中的悬浮特性不同的特点来进行清选分离的。在风机的作用下，细小的灰尘等杂物和轻飘飘的稻壳以及破碎的茎秆被吹走，而相比之下质量较大的谷粒则在重力的作用下被分离出来。(2) 筛子式清选装置：这种装置的工作原理就是利用待分离混合物中个成分大小不同来进行区分谷粒与杂质。根据谷物颗粒的大小制作出相应规格的筛子，然后将从脱粒装置中出来的脱出混合物传送到筛子上，小的杂质从孔中落下，而大的稻粒则留在筛子上，从而以达到筛选的目的。(3) 气流筛子组合式清选装置：这种装置的结构最为复杂，但是它的效果确实是最好的。气流筛子组合式清选装置结合了上面两种装置的原理，在筛子和风机配合下，利用混合物各组成部分的大小不同和悬浮特性不同进行分离选别，提高了谷粒的纯净率，清选效果较好。综合考虑，我们在本设计中采用第三种清选装置，其结构如下图3-5所示图3-5 风扇筛子式清选装置3.2.3 风机参数的选择和计算1.风机计算:(1）风机叶轮叶轮的外径的计算公式：（3-4）其中表示压力系数，一般取，代入上式得： 取。(2）风扇进风口的直径的计算公式：取。(3）风扇宽度的计算公式：取。(4）风机出风口高度的计算公式：取。(5)风扇功率的计算公式：(6)叶轮内径的计算公式：取(7）叶片数的确定：,取片。2.风机参数的选择:此次设计中的风机，我们采用了市面上应用最广泛的农用吹风机。这种吹风机的数据最易获取，而且能够较好的达到清选的目的。我们经过多次试验之后，测出饱满谷粒的悬浮速度在之间,比重,最后选取风机的风速为。(1)空气流量的计算公式：（3-5）其中表示轻质夹杂物的质量假设轻质夹杂物的质量为，表示轻质杂质量与空气量之比的系数，通常取，则空气的流量为(2)风机全压力的计算公式：3.2.4 筛板的设计1.筛板类型的确定筛板有编织筛式和栅格式两种，其比较如表3-1所示。 表3-1 编织筛式与栅格式凹板的对比筛板类型 优点 缺点 能够应对断茎较多的情况 极易产生形变编织型筛板 结构简单，极易制造 对作物的湿度要求较高 寿命较长清选效率高 结构复杂，制作成本高栅格型筛板 对作物湿度适应度高 断穂处理较为困难经过综合比较，本设计采用栅格型筛板。2.筛板直径的确定筛板的直径没有直接的计算公式，我们可以从要求的生产率反过来确定筛板的直径，因为筛板直径是确定生产率的主要因素，筛板直径越大，生产率就越高，但是有一个极限状态。在查阅大量资料，又考虑到筛板直径与生产率之间的关系之后，我们决定筛板直径为。3.3动力装置设计3.3.1功率消耗的相关计算1.脱粒装置的功率消耗:脱粒机运行的稳定性需要一定的条件，在脱粒滚筒转动时，如果能够有足够的转动惯量以及发动机有足够的储备功率和较灵敏的调速器，就可以保障脱粒滚筒运转的稳定性，也就可以确保机器运转的稳定性较好。此时其功率总耗的计算可以分成两部分：一部分是在待脱离作物还未放入到脱粒装置中时，脱粒滚筒空转所消耗的功率，这一部分我们可以记为，这部分占比较小仅为总功率的；另外一部分是脱粒装置在正常情况下，因为脱粒所消耗的功率，这部分我们可以记为，这部分是主要的消耗量，占到全部消耗量的，所以脱粒装置功率消耗的计算公式为：(1)空转功率的计算公式:（3-6）其中 表示系数，为脱粒滚筒克服轴承及传动装置的摩擦阻力而消耗的功率表示系数，为脱粒装置克服滚筒动时的空气迎阻力而消耗的功率取，。(2)脱粒功率的计算公式: （3-7）其中 表示在单位时间内投放到脱粒装置的谷物数量；表示综合揉搓系数，通常；表示滚筒的切向速度，这里取。从上面的公式不难看出，这个计算过程比较复杂。首先，水稻通过人工夹持以较低的速度被送到脱粒滚筒的下方，然后与高速旋转的滚筒相碰进行脱粒，最后我们通过动量守恒定律计算脱粒所消耗的功率。(3)将上面两个公式所求的数据代入中得：2.清选装置的功率消耗:清选装置功率消耗的计算公式：（3-8）其中 表示在单位时间内从脱粒装置中脱出的所有脱出物的总质量；表示清选分离单位脱出物质量所消耗的的功率；表示选清选能力系数，通常。代入上面数据到公式可得消耗的功率：3.3.2 电动机的选择通过上面详细的计算，我们可以得到脱粒机的总消耗功率，总消耗功率的计算公式为：通过查阅了大量的相关资料，我们选取了一种在农业上运用广泛的农用电动机，选取型号为：，其额定功率为，满载转速为，这种电动机不仅满足水稻脱粒机的动力需求，而且保养经济性好，维修方便。3.4传动装置设计3.4.1 传动路线主传动轴脱粒滚筒第2传动轴风机主传动轴 第1传动轴曲柄摇杆3.4.2 确定传动装置的传动比总传动比的计算公式：（3-9）其中 表示电动机在满载时的转速，这里取。代入上面数据到公式可得传动装置的总传动比：经过翻阅资料可以得知V带的传动比，上式求到的值介于之间，达到资料上的要求。分配各级传动系统的传动比：(1)取带传动系统传动比为，(2)取第1传动轴传动比，(3)取第2传动轴传动比。3.4.3 传动装置动力参数的计算由电动机型号可知电动机的相关参数可知，电动机输出轴的额定转速为, 当脱粒机满负荷作业时,输出轴转速将会一直稳定在倍额定转速左右。(1)计算各装置轴的转速主传动轴与动力输出轴直联，轴的转速的计算公式为：传动比为的第1传动轴，带传动按的效率计算,得到转速，其计算公式为： 其中 表示带传动效率，通常取。脱粒滚筒转速为，带传动按的效率计算,其计算公式为：传动比为的第2传动轴，带传动按的效率计算，得到转速，其计算公式为：由于风机直接安装在第2传动轴上，那么风机的转速上与第2传动轴相等，所以：(2)计算各装置轴的功率主传动轴的功率的计算公式：第1传动轴的功率的计算公式：其中 表示带传动效率，通常取。(3)计算各装置轴的转矩第1传动轴的计算公式：第2传动轴的计算公式：3.4.4 皮带轮的设计与计算1.带型的选定:已知本次设计中选用的是型号的电动机，由此我们可以得到该电动机的相关参数，再次基础上可以算出电动机的运行功率，其计算公式为：（3-10）其中 表示工况系数，表示电动机的额定功率。取，代入上面数据到公式可得：根据上面求到的电动机的运行功率和电动机自身的转速再结合机械设计手册上面的表格，我们最终决定选择采用型皮带来做皮带轮的皮带。2.带轮直径的确定:通过查阅大量机械专业相关的资料，我们可以得到小带轮直径与带最小基准直径的不等关系：（3-11）其中 表示小带轮直径， 表示带的最小基准直径。小带轮的直径的大小不是随意确定的，当直径过小时，皮带的寿命会减少；当直径过大时，虽然可以增加皮带的寿命，但是皮带的尺寸也会变大，所以我们找到了各类型皮带最小基准直径参考表，如下表3-2所示表3-2 V带轮的最小基准直径 类型 Y Z SPZ A SPA B SPB C SPC D E 20 50 63 75 90 125 140 200 224 355 500由上表我们可以确定小带轮直径大带轮的基准直径的计算公式：（3-12）取。其中 表示带轮传动的滑动率，通常滑动率的值很小，所以在计算中可以忽略不计。3. 带速的计算：带轮速度的计算公式：代入上面数据到公式可得对于普通的带，带速的最大值在之间，当带轮的速度过小时，带轮传输的功率就会太小，发动机工作效率就会降低，当带轮的速度过大时，带轮的离心力就会过大。上面的计算结果在要求的范围内，因此符合设计要求。4.带的基准长度和轴间距的计算:带的轴间距范围不等式：这里我们取。所需带的基准长度的计算公式为：（3-13）其中 表示带的基准长度。代入上面数据到公式可得则实际的轴间距的计算公式为：其中 表示实际的轴间距。代入数据可得实际的轴间距为。3.4.5 验算小带轮的包角带轮包角的计算公式： （3-14）其中 表示带轮包角，通常，最小要大于等于。3.4.6 确定带根数带根数的计算公式为：（3-15）其中 表示功率增量，在这里我们要适当地增加传动的功率，因为在带轮寿命一样的情况下以及传动比时，功率越大，作用在大带轮上的弯曲应力就越小。表示包角修正系数，表示带长修正系数，表示单根带的基本额定功率。通过咨询老师和查阅相关书籍，这里我们取：，代入上面数据到公式可得带根数。3.4.7 单根带预紧力的计算单根带预紧力的计算公式：（3-16）代入上面数据到公式可得。3.4.8 计算压轴力压轴力的计算公式：（3-17）（3-18）其中 表示压轴力的大小，表示压轴力的最大值，通常情况下为正常预紧力的1.5倍。代入上面已知的数据到公式中可得3.5圆柱齿轮的设计与计算3.5.1 齿轮材料的选择及精度的确定在这次的设计中，由于我们的传动方式是直齿圆柱齿轮传动，传动的功率较大，达到了，所以我们的齿轮均由制造，前后经过调质以及表面淬火两道工序，齿面硬度达到。精度的选择由于轮齿没有产生太大的变形，不需要进行磨削，所以只需要选择7级精度。3.5.2 圆柱齿轮接触强度的计算通过查询资料可以得到齿轮接触强度的计算公式：（3-19）1.确定上述公式内的各参数的数值(1)根据查找机械设计手册相关资料可知试选载荷系数；(2)小齿轮传递的转矩可以通过下方的计算公式求出:(3)根据查找机械设计手册等相关资料可知齿宽系数；(4)根据查找机械设计手册等相关资料可以查得材料的弹性影响系数；(5)已知齿轮表面硬度的中间值，查找机械设计手册等相关书籍可以得到两个齿轮的接触疲劳强度极限的值：(6)应力循环次数的计算公式：(7)根据查找相关的资料可以查得接触疲劳寿命系数：，(8)接触疲劳许用应力的计算公式：取失效概率为1，安全系数S1，得2.将数值带入到公式计算：(1)试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值：(2)计算圆周速度：(3)计算齿宽：(4)计算齿高：(5)计算齿宽与齿高之比：(6)计算模数：(6)载荷系数的计算：根据以及7级精度两个条件，查找机械设计手册等相关书籍查得动载系数；如果条件成立，我们可以通过查阅相关书籍得到齿间的载荷分配系数：；同样，我们也可以得到接触强度计算用齿向载荷分布系数；以及弯曲疲劳强度计算用齿向载荷分布系数载荷系数的计算公式：将上面已知的数据带入到公式中可得到。(7)通过实际的载荷系数进行校正之后所得的分度圆直径的计算公式：(8)模数计算公式:3.5.3 齿根弯曲强度设计齿根弯曲强度设计的计算公式为：（3-20）1.确定上述公式内的各参数的数值：(1)根据查找机械设计手册等相关资料我们可以得到两个齿轮的弯曲疲劳强度极限：；(2)根据查找机械设计手册等相关资料得到弯曲疲劳寿命系数；(3)在弯曲疲劳安全系数的前提下进行弯曲疲劳许用应力的计算，计算公式为： (4)载荷系数计算公式：(5)通过查找机械设计手册等相关资料得到齿形系数；(6)通过查找机械设计手册等相关资料得到应力校正系数；(7)大小齿轮的的计算公式：通过计算结果的对比，确定小齿轮的数值较大。将上面已知的数据带入到公式中可以得到设计计算的结果：将得到的计算结果进行对比，我们可以根据齿面接触疲劳强度计算的模数大于根据齿根疲劳强度计算的模数这一条件推算出弯曲强度，就近取整为标准。然后通过接触强度可以算得的小的分度圆直径，再由小分度圆直径计算出小齿轮的齿数，取整后。大齿轮的齿数的计算可以通过下面计算公式获得：，取整后。2.按疲劳强度计算的几何尺寸：(1)分度圆直径的计算公式：(2)中心距的计算公式：(3)齿轮宽度的计算公式：验算：经验算求得的值符合要求。3.6轴的设计与计算3.6.1 轴的材料选择脱粒机的基本原理是通过轴的高速旋转带动滚筒进行脱粒，所以在脱粒机工作时，轴的转速会非常高，与此同时传递的扭矩会加大。根据以上的条件，我们决定在本次设计中号钢作为脱粒轴的选材，硬度为，接触疲劳强度极限，弯曲疲劳极限取。 3.6.2 轴的最小直径的确定最小直径的条件公式：（3-21）其中 表示脱粒轴在运行过程中传递的功率； 表示脱粒轴的转速； 表示根据轴的材料不同和承载情况不同来确定的常数。从上面的计算中我们可以知道，通过查找机械设计手册等相关资料得到。将上面已知的数据带入到公式中可以得到：取整数。3.7键连接选择从我们学习过的机械设计课程中，我们知道键的连接方式由四种，分别是：平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。在平键连接中，按用途分又分三种，分别是普通平键、导向平键和滑垒键。平键的工作面为它的两个侧面，平键连接的工作原理是靠键和键槽侧面挤压来传递转矩。平键连接的优点是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。所以本设计中采用的是平键连接 。通过查找机械设计手册等相关资料，我们一共选择了两个不同规格的平键，分别是：、。键的选材为号钢，其许用挤压应力，取其平均值，。3.8滚动轴承选用由前面的计算我们已知轴承安装处的轴径为，转速为，由这两个条件我们查阅了包括机械设计手册，机械原理等相关书籍，最后选用型号为的圆锥滚子轴承。其基本参数为，基本额定动载荷。4 主要部件校核4.1 圆柱齿轮校核齿面接触疲劳强度校核的计算公式：（4-1）其中： 表示齿数比；表示弹性影响系数；表示区域系数;为轮齿的转矩；表示齿轮宽度;表示分度圆直径；表示载荷系数。将上面已知的数据带入到公式中可以得到：齿面接触疲劳强度达到要求，所以齿轮是安全的。4.2 轴的校核4.2.1 轴上载荷的计算先求得轴承上的支反力：垂直面内轴承上的支反力：，；水平面内轴承上的支反力：，。轴承上的具体受力分析见表4-1表4-1 受力分析载荷 水平面H 垂直面V 支反力F 弯矩M 总弯矩 扭矩T 载荷强度均符合要求，轴安全。轴承的受力简图与弯矩图，如图4-1所示：图4-1 受力简图和弯矩图4.2.2 通过弯扭合成应力校核轴的强度因为进行校核时，我们只需要校核最大值是否符合要求，所以我们只校核该轴承上承受弯矩和扭矩最大的截面强度，取。轴应力的计算公式：（4-2）前面我们已选定号钢为轴的材料,经过调质处理,查得，由此可知,故轴是安全的。4.2.3 轴的疲劳强度的校核计算抗弯截面系数的计算公式：抗扭截面系数的计算公式：截面上弯矩应力的计算公式：截面上扭矩应力的计算公式：我们已知轴的材料为号钢，而且经过调质处理，通过查找机械设计手册等相关资料得到。有效应力集中系数的计算公式为：通过查找机械设计手册等相关资料我们可以得到尺寸系数,以及扭转尺寸系数；通过查找机械设计手册等相关资料我们可以得到表面质量系数：因为轴的表面没有进行过强化处理，所以取，那么综合系数的值可以通过以下的计算公式求得：通过查找机械设计手册等相关资料我们又可以得到碳钢的特性系数：这里我们取，；安全系数的计算公式：通过以上的计算结果，我们可以确定轴是安全的。4.3 连接键的强度校核因为在本设计中，脱粒滚筒需要高速旋转，所以脱粒轴需要传递最大的扭矩，根据强度校核的要求，要对脱粒轴的键连接进行强度校核的计算。因为载荷均匀分布，所以我们可以得到平键连接的挤压强度的计算公式：（4-3）其中：T表示轴的转矩； 表示轴径； 表示键的高度； 表示键的工作长度； 表示许用挤压应力； 将上面已知的数据带入到公式中可以得到：通过上面的计算结果可知轴的强度满足设计要求。4.4 滚动轴承校核圆周力的
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