脚踏式玉米脱粒机设计_毕业设计

摘要

本次设计玉米脱粒机工作原理就是利用板齿和脱粒辅助轴之间的相互挤搓实现脱粒，板齿安装在滚筒上，滚筒的主轴通过曲柄连杆机构和脚踏板相连。脱粒辅助轴是用于抵住玉米棒，并利于玉米棒在板齿和辅助轴之间滚动和滑动，从而实现脱粒。本设计重点是曲柄连杆机构的设计，以达到最优工况；滚筒、主轴、板齿和脱粒辅助轴的设计，还有排芯区和喂料装置——漏斗的设计。

设计各项参数达到预期目标，脱净率高、破碎率低、经济性好，尤其适合南方小面积种植农户使用。对减轻劳动强度，提高生产效率，减轻农民负担，增加收入有很大的意义。

关键词：脱粒机脱粒滚筒脱粒辅助轴漏斗

abstract

Design maize sheller operation principle to utilize board tooth and thresh, assist to crowd to rub with the hands and realize threshing each other axle this time, the board tooth is installed on the cylinder, the main shaft of the cylinder links up with the running-board through the crank connecting rod organization. Thresh, assist axle used for, support, live in maize to be excellent, benefit maize to be excellent in board tooth assisting axle roll and slip, thus realize threshing. This design focus is the design of a crank connecting rod organization, in order to reach the optimum operating mode; Cylinder, main shaft, board tooth and threshing to assist the design of the axle, still arrange the core district and feed the material device --Design of the funnel.

Design every parameter reach re-set target, take off net rate high, broken rate low, economy is fine, especially suitable for the little area in the South and plant peasant households to use. To lightening labour intensity, improve production efficiency, lighten peasant's burden, increase incomes and have very great meanings.

Keywords: Sheller Cylinder threshing Extracts seeds the auxiliary axis

Funnel

引言 (2)

一.玉米脱粒机的工作原理 (4)

二.玉米脱粒机驱动机构的型式与最优工况的选择 (5)

2．1 驱动机构的作用与型式 (5)

2．2 驱动机构最优工况及曲柄最佳位值的选择 (8)

三.玉米脱粒机驱动机构设计技术要求 (8)

3．1 驱动机构各构件的相对位置必须满足省力的要求 (8)

3．2踏板行程S和摆角φ的设计要求 (8)

3．3行程速比系数K和极位夹角θ (9)

3．4 机架高度H (9)

3．5 踏板位置的确定 (9)

3．6 小齿轮中心位置的确定 (10)

3．7 摇杆、连杆和曲柄之间的相对位置确定 (10)

四．玉米脱粒机滚筒及脱粒部件的设计分析 (10)

4．1 玉米脱粒机的运动特点 (10)

4．2 玉米脱粒机的静力平衡 (11)

4．3 滚筒动力学分析 (12)

4.4 脱粒滚筒转速 (12)

4.5 滚筒直径及滚筒主轴轴径和齿轮传动比的选择 (13)

4．6 滚筒板齿的相关设计 (13)

4.7 玉米脱粒辅助轴的设计 (14)

4.8 辅助轴的的一些安装位置 (15)

4.9 排芯区的设计 (16)

4.10 漏斗的设计和安装 (17)

五．玉米脱粒机的主要工作部件的强度校核 (17)

5.1 玉米脱粒机大齿轮主轴的校核 (17)

5．2玉米脱粒机大齿轮偏心轴的校核 (21)

结束语 (23)

参考文献 (24)

在我省广大农村，特别是丘陵地区和山区，在很长的一段时间内，农业生产和部分农产品加工还须人力来完成。如玉米脱粒、花生收获和加工，油菜的脱粒和清选等。如果有一种以人力为动力（有条件的地方可配用小动力）的多用机具，为山区和丘陵地区农民服务，对减轻劳动强度，提高生产效率，减轻农民负担，增加收入有很大的意义。提高农村经济水平、提高劳动生产率加速农村和谐社会的发展做出贡献。

目前市场上还没有针对丘陵地区而又多功能的小型机具，并且要求其价格十分低廉，本项目是通过对农村普遍使用的脚踏式人力水稻脱粒机改进而来，使其有多功能，可以进行玉米、油菜、花生脱粒，它具有结构简单重量轻，价格低廉，可在田间移动，完成不同作业时更换工作部件容易。本设计主要针对玉米脱粒机。

目前市场上玉米的脱粒大多采用打击原理设计的普通脱粒机，各种传统普通机型的滚筒转速都在700r/min以上，滚筒外缘线速度均大于8m/s，是靠钉齿高速打击玉米果穗实现脱粒的，对玉米籽粒伤害较大。

而现在发达国家如美国已将以打击原理为主的玉米脱粒机淘汰,用一种挤搓脱粒技术原理脱粒机取代,并已得到推广应用。这种技术符合脱净率高、破碎率低的要求，全面克服了老式脱粒机存在的缺点。新机型脱粒损失至少比老机型减少0.5%，而且对种子玉米和普通玉米均适合。

玉米含水率对生产率和脱粒有一定的影响。含水率在13%-20%范围内，技术性能指标比较稳定；含水率超过20%，则脱净率和破碎率指标下降，夹带量上升，净度指标下降，风选效果和清选质量也会下降。

我国的挤搓玉米脱粒技术的研究工作于2000年开始起步，并且取得了快速进展，参考国外技术进行研究阶段已基本完成，在设计和制造中对主要部件又进行了改进完善，使其结构更加趋于合理，性能又得到进一步提高。现已初步掌握了该项技术的系列设计及确定基本技术参数的方法，目前正进行此项技术的完善、深入研究、系列化及推广工作。本项目利用已有的脚踏式人力水稻脱粒机，运用挤搓原理设计而成。各项参数达到预期目标，脱净率高、破碎率低、经济性好，尤其适合南方小面积种植农户使用。对减轻劳动强度，提高生产效率，减轻农民负担，增加收入有很大的意义。

一.玉米脱粒机的工作原理

该玉米脱粒机工艺是仿生技术的一种应用,模仿人工用手搓玉米的动作。滚筒上安装有板齿，滚筒带动板齿转动,与玉米挤搓而脱粒，如图1.1

图1 脱粒机的工作原理图

图2 带冠板齿

当玉米从进料区送入(如图1.3)，玉米就受到板齿的挤搓力，并受往左的推力，所以玉米果穗是边脱粒边往排芯区滑动，这样的话就有利于下一个玉米脱粒的连续性，可同时脱粒好几根玉米，提高了脱粒的效率。

图3 脱粒机的工作简图

在脱粒区内，滚筒板齿拨动果穗沿着脱粒辅助轴作圆周运动，由于板齿与滚筒轴心成一定的夹角,所以同时也将果穗向排芯口推动,实际上玉米果穗的运动轨迹是螺旋线。其中一部分板(如图1.2)所示，设计成顶部带冠形状（二至三处凸起），其作用如同人工用竹签子（过去北方农村用于人工脱玉米籽粒的工具），先将玉米果穗上的局部籽粒挤掉，以便后面挤搓板顺利。由于脱粒辅助轴上也有一些小小的像挫刀一样的齿纹，这样一来玉米棒就不会被滚筒挤到脱粒辅助轴外，二来增大了玉米、滚筒上的板齿及脱粒辅助的摩擦。玉米在这些力的的作用下既滚动又滑动，以达到挤搓脱粒的效果。

二.玉米脱粒机驱动机构的型式与最优工况的选择

2．1 驱动机构的作用与型式

驱动机构的作用是把人脚一定行程的往复运动，转变成曲柄的转动，通过大小齿轮啮合增速后，把转动传给小齿轮，从而带动工作部件转动。使工作部件具有足够的线速度达到满足工作的要求。能满足上述要求而广泛使用的机构为曲柄

摇杆机构。根据结构形式的不同，我们把曲柄摇杆机构分为三种形式：

a ）.拉杆式 摇杆和踏板支杆为一直杆，统称总摇杆, 是最早统型第737型（图2.1.1）。该机构为左右两套驱动机构。这个摇杆的支点在它的一个端点。

工作时，连杆受拉力作用，总摇杆受拉力。总摇杆长等于力臂长。即2/sin 2)1(θi s L +=,其中L 为总摇杆长度，S 为踏板行程，Φ为踏板摇角。

该机构的特点是摇杆很长，操作省力，各支点及铰接点受力小，耐磨。其缺点是受结构限制摇杆支点位于禾斗壁上，不耐磨易松动。而双面传动由于制造精度低很难达到同时传动的目的，也造成结构复杂成本高。

b ）压杆式 摇杆和踏板仍为一直杆，支点在中间的直杆形，又称跷跷板形（图 2.1.2）。工作时连杆受压。总摇杆等于力臂长与重臂长之和，即

2

/sin 2)1(θi s L += , 其中i 为力臂比,它等于力臂长与重臂长之比。 该机构的特点是把摇杆支点从禾斗移出，装在机架上，采用单边传动，简化结构，降低成本。其缺点是摇杆短小费力，连杆为压杆不稳定易变形，各支点及铰接点受力大，磨损快，现很少采用。

c ）摆杆式 摇杆和踏板杆不是一直杆,而成一定角度，摇杆和踏板为曲杆, 支点在一端（图 2.1.3）。工作时连杆受拉，而总摇杆长等于力臂长与重臂

长之和，即2

/sin 2)1(θi s L +=。

图4 支点在一端的直杆式

图5 支点在中间的直杆式

图6 踏板和摇杆为曲杆式

图7 驱动构设计

上述三种机构，在保证摆角Φ和一定的踏板行程S的情况下，支点在一端的总摇杆长度最短。

它的特点是，该机构的特点是单边传动，把摇杆支点移到机架上，连杆为拉杆，各支点和铰接点受力较小，踏板也较长，也省力。因此，该机构是目前比较理想的一种形式。

2．2 驱动机构最优工况及曲柄最佳位值的选择

当确定了踏板和摇杆为曲杆这种形式后，我们再选择该种机构的最优工况。因为人力机具是以人力为动力，所设计的驱动机构一定要把省力、减少疲劳为目标，即当踏力一定时能产生最大的驱动力矩，这就要求传动角接近900，各构件支点和铰接点受力最小。能满足上述要求的工况是当踏板位于水平位置时，连杆与摇杆和曲柄相垂直。

当确定了最佳工况后，就要确定在满足最佳工况下曲柄的最佳位置（即曲柄与水平面的夹角）。为分析方便，在图4中，过A点作直线AC

，平行与BC交CD

3

于C3。使∠DAC3＝∠EDC＝α。设曲柄AB长a，支点距AD长为d，则连杆长b = d cosα，摇杆长 C = a ＋ d sinα。从满足曲柄存在条件来看，应使 a ＋ d ＜b ＋ c，即 a ＋ d＜d cosα＋ a ＋ d sinα，化简后得出：cosα＋sinα＞1，从数学中知，cosα＋sinα的最大值是当α= 450时，因此曲柄与水平的夹角α为45度。

三.玉米脱粒机驱动机构设计技术要求

由于脚踏式玉米脱粒机是以人力为动力进行脱粒，因此在设计驱动机构时必须满足省力、人体不易疲劳等要求。所以，所设计的驱动机构踏板脚踏频率不能高，踏板行程不能大，踏板在最低位置应接近不动的脚底，滚筒转速应均匀，脚踏应省力等。因此，在设计驱动机构时应满足如下要求[4]：

3．1 驱动机构各构件的相对位置必须满足省力的要求

如图（2.1.3）所示，当踏板向下运动过程为做功行程，在做功行程内做功是不均匀的，当在做功中段附近，踏板近水平位置时，人易用力，作用力也大，而且力臂也大，所产生的驱动力矩也大，因此希望当踏板近水平位置时，摇杆能和曲柄平行并与连杆垂直，使得此时传动角γ接近90○，以产生最大的驱动力矩。

3．2踏板行程S和摆角φ的设计要求

由图(2.1.3)看出，踏板行程S是指踏板在两个极端位置时，踏板最端点的垂直距离。踏板行程过大，脚提得过高易疲劳，过小则做功小，用不上力，根据

实际使用情况看，最合适的踏板行程一般在180～220

mm范围内。踏板行程确定后，踏板摆角越小，连杆和摇杆的夹角越接近于90○，越有利于传动，但摆角越小，摆杆支杆必然要加长，引起结构不紧凑，同时踏板支杆的刚性也差，工作一段时间后，踏板易倾斜，造成齿轮偏磨。摆角过大，脚面与踏板接触面小易疲劳，脚上有泥时也容易打滑伤腿，所以一般情况下摆角在30○～35○内比较合适。

3．3行程速比系数K和极位夹角θ

极位夹角是当摇杆处在上下极限位置时，即曲柄为上下死点位置时，连杆相对应的夹角。

K=180°+θ/180°-θ

K—行程速度变化系数θ—极位夹角

脱粒机工作时，当踏板由上死点向下运动时，人脚用力踏下是一个做功过程，当踏板由下死点向上运动时，人脚不能做功，依靠滚筒转动惯量一面完成脱粒做功，一面带动踏板向上运动。当k＞1时机构有急回作用，即踏板由下死点向上运动到上死点时，大齿轮的工作转角小，有利于做功和滚筒的运动平稳，有利于力量的发挥，也可提高工作效率；但k过大即极位夹角过大会产生冲脚现象，所谓冲脚是指踏板向上运动速度太快，人脚尚未提起，踏板就打在脚板下方，使人产生疲劳，因此在选择极位夹角时，应保证不产生明显冲脚前提下尽量取大值。

有关资料表明 1.1≥K>1,即θ≤8.5°时不会产生明显的冲象,因此,在选择极位夹角时,应保证在不产生明显冲脚的的现象的提条件下,尽量取较大值。

3．4 机架高度H

当脱粒机工作时，当机架过高不易投入料(玉米),机架过低要弯腰也易疲劳。因此。机架高度应以人的高度来衡量，一般情况下，H = 450～550mm范围为宜。

3．5 踏板位置的确定

太大，工作时踏板运动到上止点时，踏板最远端至集果箱后档板的距离L

1

操作人员弯腰幅度较易疲劳，太短则膝盖可能碰到集果箱后档板，为了保证操作人员操作方便、舒适，一般合适的距离

L

为170mm左右。

1

3．6 小齿轮中心位置的确定

小齿轮中心至集果箱后档板的距离过大，工作时操作人员手外伸太远易疲劳过小则影响整机结构，该距离大小取决于滚筒直径、板齿的高低及板齿与档板的的适宜值一般270毫米左右。

间隙。L

2

3．7 摇杆、连杆和曲柄之间的相对位置确定

由于受冲击的影响，人力脱粒机脱粒时其做功是不均匀的，在作功中段附近，踏板近水平位置时，操作人员较易使用力气，作用力也大。脚踏板在行程极限位置附近，一方面不容易使用力气,另一方面连杆拉力对曲柄中心距(即力臂)小,在相同大小力的作用F所产生的驱动力矩小。只有在作功行程中部时，用力方便、力臂大，所产生驱动力矩最大。因此，当脚踏板近似于水平位置时，摇杆和曲柄平行并与连杆垂直，产生最大的驱动力臂。经对不同的工况进行分析，发现该工况下具有以下优点：连杆受力小，各铰接点支反力小，传动角大，损失小。

基于上述分析，可以确定摇杆、连杆和曲柄之间的最佳相对位置，即当脚踏板位于水平位置时，摇杆和曲柄平行并与连杆相垂直。

四．玉米脱粒机滚筒及脱粒部件的设计分析4．1 玉米脱粒机的运动特点

①．玉米脱粒机是以人为动力，而人每分钟对踏板动的次数为一定值，不能过高和过低，一般人每分钟踏动次数最高可达120次，最少80多次，常久使用时可达90～100次。

②．滚筒在每一转中其各点的速度也是一个变值，当脚踏由上止点向下作功行程开始点其速度最小，随着脚踏板的向下运动作功的增大，转速增高。当脚踏板达到最低位置时，转速大致最高值。当脚踏板从下止点向上运动是空行程，转速逐渐降低，当大致上止点时，转速达到最低值。按每分钟脚踏板的运动次数所换算的大齿轮转速可看作平均值，最高转速与最低转速差别不应过大，否则运转不稳定甚至不能正常工作。

4．2 玉米脱粒机的静力平衡

设脱粒时脱粒阻力为Pt 作用于滚筒切线方向(图2.1.3),脚踏力为P 取脚踏板支杆为分离体,从支杆受力平衡得出:

P ·ED=P 1·CD iP CD ED P

P ==1 式中: P 1——连杆受力 i ——力臂比 取大齿轮为分离体，根据受力平衡得出：

11R P a P Z =

式中： P Z ——大齿轮圆周力 a ——曲柄半径

R 1——大齿轮节圆半径 取滚筒（包括小齿轮）为分离体，根据受力平衡得出：

r P R P Z t = R

R iPar R r P P Z t 1== 设 i r R '=1，代入上式，则 ia

R i P P t '= …………（1） 式中： R ——滚筒半径； r ——小齿轮节圆半径;

i ’——大小齿轮齿数比。

从运动关系知，滚筒线速度在设计时认为是一常量，大齿轮角速度ψ1取决

于踏板每分钟运动次数（正常工作中踏板运动次数n 为常量，常取90∽100次），则：

301πωn = ，而r R ωω=11 111ωωωi r R '==

式中：ω1——大齿轮角速度 ω——滚筒角速度（小齿轮角速度） 而滚筒线速度： R i R C 1ωω'== ，所以 R C i 1

ω=' 最后得出：a

in C P a i C P Ria CR P P t t t πωω3011=== (2)

（2）表明踏力大小及影响因素，从式中看出，踏力的大小与所选择的脱粒速度C和脱粒阻力Pt成正比，与曲柄半径a和力臂i 成反比，与滚筒半径大小无关。上述结论只有选定C后，改变大小齿轮的传动比i使踏板每分钟有一定转速n的情况下才是正确的，如不考虑脱粒线速度C，正如式（1）所示踏力的大小与传动比和滚筒半径正比。当按选定所必需的脱粒速度后，为了减小脚踩力P，只有适当地增大力臂比i和曲柄半径a。

4．3 滚筒动力学分析

为了便于分析，取大齿轮为分离体。把滚筒和小齿轮的转动惯量

换算到大齿轮上，小齿轮对大齿轮的作用，用换算阻力M=PtR

代替，滚筒空转阻力矩用M0表示。连杆对大齿轮的作用，用P1表示，连杆在运动中对大齿轮作用近似地看作与地面垂直。

设作功过程开始点——上止点。转速为ω，作功结束点——下止点，转速为

ω

0，在作功行程内P

1

力作的功为：

a

P

a

P

A n

1

01

2

sin=

=?α

在作功行程内，根据能量守恒定律：

A=（M+M）л+1/2Jω-1/2Jω

2

2Pa=(M+M

)л+1/2J(ω2-ω

2)

在空行程内,根据能量守恒定律得出

1/2-J(ω2-ω

2)=(M+M

)л

将上式代入作功A的公式得出

P

1

a=(M+M

)л (3)

4.4 脱粒滚筒转速

脱粒线速度是保证脱粒质量的主要参数。滚筒上安装有板齿，滚筒滚筒是带

动板齿转动，板齿推动玉米果穗作螺旋运动。由动力分析知，脚踏板踏力的大小与滚筒线速度成正比，为了减少踏力不宜选取高的线速度，但从另一方面为了保证运动的稳定性，必须有足够的动能，滚筒线速度不能低。滚筒转速由滚筒外缘（板齿顶部）线速度决定，滚筒外缘线速度是以保证不伤害玉米籽粒为前提条件，由试验数据获得的。用籽粒含水率为13%（因籽粒含水率较低，相对比较容易破碎）左右的玉米穗做试验,查阅资料得出滚筒外缘（板齿顶部）线速度应小于或

等于4m/s。但滚筒外缘线速度不能过低，否则会影响生产率。根据试验数据，确认线速度值在3.2～3.9 m/s之间最佳。

4.5 滚筒直径及滚筒主轴轴径和齿轮传动比的选择

1 滚筒直径

滚筒设计的主要要求是工作时省力，要有足够的转动动能来保证运转的稳定性。现从两方面分析如下：

从动力学分析知，滚筒的转动动能为: A=1/2Jω2

而滚筒的转动惯量J近似地认为: J=mR2

式中:m—滚筒(包括齿板和弓齿压盘等)质量； R—滚筒半径；

将J值代入转动动能A式则得出:

A=1/2Jω2=1/2mR2=1/2mc2

由上式看出:当滚筒线速度确定后,想提高滚筒的动能,只有增加滚筒质量,而与直径大小无关。

再从动力学分析知,踏力的大小为: P=PtC/iω

1

a

由此式看出,当脱粒阻力Pt为一定值时,踏力P与所选择的滚筒线速度有关,与选取的半径无关。综合以上分析看出，半径的选取与动力参数无关，通过数据及试验结果取滚筒直径D=280+b/2=292㎜。

2 滚筒轴轴径

由于小齿轮与滚筒间的动力传输不是靠键付给主轴的,所以它不受扭矩,只是承受来自脱粒时的径向力,所以也不需特别的要求, 可根据实际功率负荷计算扭矩，确定轴径。根据已有的脱粒机的主轴数据取20㎜.

3齿轮传动比的选择

从运动分析知： C=iω

1R 故R= C/iω

1

ω

1

为大齿轮角速度，它与踏板每分钟踏动次数有关，一般情况下踏板踏动

次数为90～100次，相应ω

1

为8.38～9.42°/秒,当滚筒线速度C选定后,半径的大小仅取决大小齿轮速比i表示了不同线速度,不同传动比情况下的半径值.计算时滚筒线速度为板齿齿顶线速度,而一般指滚筒半径是指齿板半径,因而计算出的半径值应减去板齿高h。

4．6 滚筒板齿的相关设计

板齿有规律地安装在滚筒轴上，其作用是拨动玉米穗沿辅助轴作复杂运动（玉米穗本身既滚动又滑动，同时沿脱粒辅助轴作不规则螺旋运动），也推动玉米穗向排芯口方向移动。

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4.9 排芯区的设计

在排芯区内（如下图）板齿离辅助性轴的最小距离应大于玉米芯，所以得大于40㎜，而滚筒的是不变的，只能在这区域内减小辅助轴的直径，由几何关系可知：a>40-S ，而 S=30㎜，则a>10㎜，在这取10㎜。由此可得排芯区内，辅助轴的直径为40㎜。

4.10 漏斗的设计和安装

根据工作简图 1.3可知,玉米棒得先从右边放入,这样的话才能保证有足够的工作区来脱粒,否则可能存在脱粒不净的现象。另一方面，板齿离脱粒辅助轴的间隙比玉米棒小，再加上辅助轴的也就比玉米棒大些，如没有漏斗的话，玉米棒喂入时可能掉到辅助轴的外侧。鉴于这些，设计漏斗如图 4.10.1。漏斗有支撑架用螺栓栓在脱粒机机架上。