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中 北 大 学
毕业设计开题报告

学 生 姓 名：

学 号：

学 院、系：
机械工程与自动化学院 机械工程系
专 业：
机械设计制造及其自动化
设 计 题 目：
谷子脱粒装置的设计

指导教师:

2009年 3 月 18 日
毕 业 设 计 开 题 报 告
1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：
文 献 综 述
1　课题研究的背景和意义
我国是一个农业大国，农业在国民经济中占有很重要的地位。山西省地处黄土高原，气候差异较大，发展小杂粮有得天独厚的优势。素有“小杂粮王国”之誉，是全国主产区之一，所产小杂粮粒大、色鲜，质优，在国内外市场上享有盛誉。谷子是山西省种植的主要杂粮之一。近年来，谷子的种植面积达125万hmZ，山西省的谷子种植面积达30万mhZ，占到全国种植面积的24%[1]，而且汾州香、沁州黄等优良品种更是畅销，一些谷子加工企业利用品牌效应，通过企业加农户来推动谷子种植业向规模化发展。由于现有种植生产模式，仍然沿用传统的手工操作，生产效率低，经营分散，不适应现代农业生产的要求。如谷子收割后脱粒，仍沿用场上碾压等方式，劳动强度大，作业质量差，造成破碎率和含杂(石)率高，影响谷子成品品质的提高。再者收获过程中有时碰上阴雨天气，很容易造成籽粒发芽降低谷子品质，严重制约谷子产业化的发展。谷子脱粒装置的研究，在国内外尚属空白，为了提高谷子种植生产机械化水平，提高农业生产效率，发展山西农业及农村经济，减轻劳动强度，进行此项研究非常必要。对谷子生产的规模化发展和脱粒装置的技术进步具有重要的现实意义[2]。
2　国内外研究现状
2．1国外稻谷轴流装置脱粒机理的研究现状
对轴流脱粒与分离机理的研究，已有200多年的发展历史，早在1785年英国的温劳（Willam Winlaw）就发明了水力驱动的立式锥型轴流脱粒机。
1977年卢里耶A·G格罗姆切夫斯基在《农业机械的设计和计算》一书中提出了切流型脱粒装置理论基本公式[4]，这一公式也一直用于研究轴流脱粒装置中，但他认为脱粒空间内稻谷的运动速度等于滚筒的圆周速度。实践证明稻谷的运动速度仅为滚筒的圆周速度的20%～50%[3]。
1981年Peter Wacker进行了室内轴流脱粒分离装置的台架试验，测定绘制了籽粒、颖杂、茎秆沿轴向分布曲线，并对轴流滚筒的功率消耗进行了研究，其结果是：轴流滚筒的单位功耗随着滚筒速度的增加基本呈线性增加，随非籽粒部分喂入量的增加而增加。
1997年P.I.Miu等人分析了轴流脱粒与分离装置的工作原理，提出了轴流脱粒装置在脱粒分离过程的数学模型，并且用MATLAB软件进行了仿真，绘制出未脱籽粒、分离籽粒和自由籽粒的变化曲线，所建立的数学模型为后面工作者研究提供了借鉴参考[4]。
李升拨、川村登在假设物料在脱粒空间内质量保持不变，且忽略了物料层之间的相对滑移条件下建立了轴流脱粒空间中物料的运动微分方程，但模型是针对钉齿式滚筒[5]。
2．2国内稻谷轴流装置脱粒机理的研究现状
国内轴流滚筒的研究始于60年代，在我国不少地区已对轴流滚筒进行研究和应用。
1977-1980年东北农学院对大型卧式纵置式轴流滚筒（纵置式圆柱型）最佳配置方案和最佳参数进行试验研究，对工作原理进行探讨，得出了谷物分离量分布曲线及谷粒分离累计曲线，提出生产率概算公式及谷物轴流速度经验公式，认为轴流滚筒对我国杂粮地区的机械化收获是适宜的。探讨了轴流滚筒载荷分布规律，对小麦、大豆进行正交试验，分析了滚筒线速度、凹板间隙、导筒板等参数对功耗的影响，提出了收获小麦、大豆、水稻和玉米的有关较优的结构和运动参数。
1998年张认成在研究钉齿式轴流脱粒与分离装置时，经分析和论证后提出了以下假设：（1）正常脱粒过程中，稻谷连续均匀喂入，不考虑稻谷湿度的影响；（2）稻谷紧贴凹板或盖板表面而作定常连续流动忽略稻谷层间的相对滑动；（3）脱出的籽粒在脱粒的瞬间从凹板分离出去，其速度等于滚筒的圆周速度；（4）脱粒空间内任一点的脱粒率仅是滚筒轴向坐标的函数。在假设基础上，应用变质量系统基本原理，建立了轴流脱粒空间内稻谷运动、动力模型，并在计算机上进行动态仿真[6~7]。
2006年中国农业机械化科学研究院李杰等针对新型的纵向轴流联合收割机，研究了其脱粒装置关键部件的工作过程，从整体的、概率的角度建立了脱粒装置的数学模型，并在计算机上进行了模拟仿真和性能参数的预测。通过仿真分析表明此模型较好地反映了脱粒装置的工作过程，验证了脱粒装置的脱净率和分离率与滚筒长度成指数函数的关系，在滚筒长度达到1.8m时脱粒装置的脱分率最高，较好地满足了技术要求[8]。
3　脱粒装置的结构形式
目前研究的轴流型脱粒装置按滚筒的形式分主要有纹杆式、弓齿式、钉齿式、螺旋叶片板齿组合式、双滚筒式，现对弓齿式和钉齿式分别介绍如下：
1、钉齿滚筒式脱粒装置
钉齿滚筒式脱粒装置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、对不均匀喂入和潮湿作物有较强的适应性。但由于断穗率较高，分离效果较差，对分离装置和清粮装置的工作造成一定的困难。
2、弓齿滚筒式脱粒装置
弓齿滚筒式脱粒装置，稻谷沿滚筒轴向移动过程中，谷穗不断受到滚筒弓齿的疏刷和冲击，谷粒被脱下。主要适用于水稻，功率消耗少，但生产率低。

图1 钉齿滚筒式脱粒装置 图2 弓齿滚筒式脱粒装置
4　小结
谷子茎秆与谷穗的生物力学性质差别较大，谷草比很大，目前采用联合收获的难度大，因此谷子收获主要沿用传统的分段收获法，即切穗、脱粒和清选分别进行。谷子脱粒过程中，既要考虑籽粒与谷穗之间的分离，又要避免谷子去皮碾成米的现象，现有脱粒装置很难适应这种脱粒要求，如适用于小麦脱粒的切流式纹杆滚筒式脱粒装置，由于打击速度高，揉搓作用强谷粒的破裂和损伤，钉齿式滚筒脱粒装置，尽管分离作用强，但对谷瓣上籽粒的分离作用差，难以达到理想的效果，因此脱粒装置设计时，应满足以下要求：
（1）采用半喂入方式，只对谷穗部分进行操作。
（2）采用以碾压为主的脱粒原理，避免对籽粒的损伤。
（3）考虑谷瓣与谷穗分离之后的二次脱粒，采用轴流式钉齿滚筒复脱分离装置。
（4）采用气流式清选装置。

参考文献：
[1]山西农业科学院主编.中国谷子栽培学[M].北京:中国农业出版社，1988.
[2]李军.谷子脱粒装置的设计与研究.硕士学位论文.
[3]琦春雄,等著.半喂入联合收割机性能研究(曹崇文等,译者).中国农业机械出版社，1981，37～38
[4]Petre I.Miu.Mathematical Model of Threshing Process in an Axial Unit with Tangential Feeding[J].CSAE Paper，1997（2）：217～219
[5]李升揆，川村登.轴流スレシセに关する研究（第二报）被脱谷物のこざ室内での运动解析[J]，农业机械学会誌，1986，48（1）：33～41
[6]张认成，桑正中.轴流脱粒空间谷物运动仿真研究.农业机械学报，2000，31（1）：55～57
[7]张认成，桑正中.轴流脱粒空间稻谷动力学仿真.农机化研究，2000，11（4）：36～40
[8]李杰，阎楚良，杨方飞．纵向轴流脱粒装置的理论模型与仿真．江苏大学学报，2006，27(4)：299~302．
[9]孙福田.农业机械化对农业发展的贡献及农业机械化装备水平的研究.博士学位论文
[10]王志强，初尔庄，等.脱粒机械与脱粒装置简介.农村牧区机械化，2005（1）：60～60
[11]付亚平，王旭.浅谈我国水稻收获机械现状及推广前景.现代化农业，2005，（01）：134～135
[12]王国臣.脱粒装置类型和工作特点.农机使用及维修，2003，（05）：13～13
[13]H.P.Harrison.Rotor Power and Losses of anAxial Flow Combin.Transactions of theASAE，1991，34（1）：60～64
[14]李升揆，川村登.轴流スレシセに关する研究（第二报）被脱谷物のこざ室内での运动解析[J]，农业机械学会誌，1986，48（1）：33～41
[15]仁那沃依斯基著.曹崇文，吴春江译.收获机械[J].北京:中国农业机械出版社，1983，17~18.

毕 业 设 计 开 题 报 告
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：
1　本课题研究要解决的问题
（1）了解脱粒机机构设计的基本原理和谷子脱粒的工艺流程；
（2）研究现有脱粒装置的性能、优缺点及适应性，确定谷子脱粒装置总体结构方案；
（3）利用三维设计软件完成谷子脱粒装置主要零件三维造型、虚拟装配。
2　本课题拟采用的研究手段
（1）谷子脱粒装置的工作原理：谷穗在碾压辊的运动的过程中被带入间隙实现对谷子的挤压脱粒，同时部分籽粒通过振动筛的筛孔落入抖动板，而谷穗在碾压辊带动的作用下进入钉齿滚筒分离装置中，谷穗在钉齿和螺旋导向板的作用下，作螺旋式输送，夹带在谷穗中的谷子和未脱净的谷瓣通过凹板分离出来落入清选装置，谷穗秸杆及杂余从排草口排出，落入到抖动板的脱出物经过风扇筛子的清选，颖壳和细碎秸草等轻杂质混合物被气流吹出机外，谷粒和长的碎秸杆沿筛面向后移动，谷粒在移动过程中自筛孔漏入谷粒搅龙中，然后由螺旋推运器推出出粮口，碎秸秆由筛后排出。
（2）谷子脱粒机的总体结构如图3所示，主要由喂入台、喂入口、由压送脱粒装置、轴流式钉齿滚筒复脱分离装置、风扇筛子二次分离装置，传动系统、螺旋输送器和机架等组成。

1-喂入台 2-碾压脱粒装置 3-轴流式钉齿滚筒复脱分离装置 4-清粮筛
5-螺旋输送器 6-风机 7-机架 8-传动系统 9-电机 10-振动台
图3谷子脱粒机总体结构示意图
1）喂入台和喂入口装置：谷穗沿喂入台滑入喂入口，进入压送脱粒装置。喂入口同时有防止手臂伸入脱粒装置的作用。
2)压送脱粒装置:由碾压辊、链轮、链条、振动台、弹簧、偏心块和壳体组成，谷穗在碾压辊和振动台的配合下，实现谷子的碾压脱粒，在偏心块的驱动下，使得脱下来的谷粒尽快从筛孔中分离出去。
压送脱粒部件结构由主动链轮、从动链轮、碾压辊、振动台、弹簧、偏心块和壳体等组成。碾压辊的直径为Φ60mm，宽度为500 mm，以间距ｌ(ｌ＝4t＝152 mm)布置，共16个。
3)轴流式钉一齿滚筒复脱分离装置:由凹板、钉齿滚筒和顶盖组成。凹板和顶盖合抱钉齿滚筒形成一个封闭圆筒，作物在其中作螺旋运动。一端与压送脱粒装置的出口相连，另一端沿顶盖顶部的切向方向有出秸口，脱粒后的秸秆受离心力的作用排出钉齿滚筒复脱分离装置。钉齿滚筒的形式有圆柱型和圆锥型，此处采用开式圆柱型轴流滚筒，采用径向喂入与径向排出。
4)风扇筛子清粮装置:风机采用4叶片离心式，动力通过电机传动，当籽粒经由凹板筛孔落入清粮筛上，在风扇和筛子的配合作用下，将杂余物(短茎秆、糠颖壳)山出糠口排出机外，籽粒沿滑板及螺旋输送器从出粮口流出。钉齿滚筒的形式有圆柱型和圆锥型，此处采用开式圆柱型轴流滚筒，采用径向喂入与径向排出。风扇筛子式清选装置主要由清选筛、输送谷粒混合物的抖动板、风扇和传动机构组成。主要是利用气流吹浮作用并辅以筛子抖动作用将混杂在谷粒中的大小杂质清除排走。工作时，清选筛与抖动板作往复运动，谷粒混合物不断地由抖动板送往筛面，装于清选筛前下方的风扇产生的气流把谷粒混合物吹散，颖壳和细碎秸草等轻杂质混合物被气流吹出机外，谷粒和长的碎秸杆沿筛面向后移动，谷粒在移动过程中自筛孔漏入谷粒搅龙中，然后由螺旋推运器推出出粮口，碎秸杆由筛后排出。
5)传动系统及配套动力:为了缩小传动系统的结构尺寸和提高传动效率，采用采用高转速到低转速，大功率传到小功率的原则设计。
6)机架:机架由4丫角钢焊合而成。
（3）计算机辅助设计的主要方法有:二维建模、三维建模、参数化建模和特征建模。目前，较为先进的计算机辅助设计软件主要有:501记works(美国Solidworks公司)、UG-(II美国UG公司)、Pro/E(美国PTC参数化公司)。从总体功能上看UG一H，Pro/E软件在机械制造业中的一般设计，模具行业，NC数控加工，模拟加工等方面具有优势;CATIA属机械辅助设计软件家族中的贵族，它价格昂贵，但其功能也非同一般，它不但具有SolidworkS，UG一H，Pro/E软件的功能，而且还融合有电气控制，人机工程辅助设计的功能，它的曲面造型功能相当强大，在机械运动仿真中零件之间是以完全运动副的形式组合，而不是单纯的几何约束，目前该软件主要用在汽车和航空航天领域，501记works可以方便建立三维模型，并可由尺寸驱动来修改模型，该系统还具有三维模型渲染，将三维模型转化为二维图等功能，该系统的数据库将零件体、装配体和工程图连为一体，对零件的修改可直接导致装配体和工程图中该零件的改动，从而实现动态设计的目的。

毕业设计课程工作进度计划：
时间安排
任务
2月23日-3月20日
熟悉课题、搜集资料，进行设计构思，
写出开题报告并进行相关论文的英文翻译
3月21日-4月10日
进行结构分析，初步确定设计方案
4月11日-5月1日
完成成套图纸
5月2日-5月10日
优化设计方案，完成最终设计
5月11日-6月1日
撰写设计说明书等
6月2日-6月10日
查漏补缺
6月11日-6月20日
论文答辩

毕 业 设 计 开 题 报 告
指导教师意见：

指导教师：
年 月 日
所在系审查意见：

系主任：
年 月 日