第六章-脫粒機械

第六章脫粒機械第一節(jié)一般結構和工作原理第二節(jié)脫粒裝置及理論分析第三節(jié)分離裝置及理論分析第四節(jié)清糧裝置及理論分析

脫粒機械是收獲過程中最重要的機具之一，在分別收獲法中占主導地位，利用脫粒機械可使收獲周期比人工收獲縮短5~7天，在聯(lián)合收獲機上他作為核心部件，對整機的工作質量起到了決定性的作用。脫粒機械的類型一.按脫粒程度分類：簡易式脫粒機半復式脫粒機復式脫粒機二.按谷物喂入的方式分類：全喂入脫粒機半喂入脫粒機簡易式脫粒機——只有脫粒裝置，不能分離和清糧，處理結果為混合物，尚需后續(xù)加工處理。脫粒滾筒脫粒凹版機殼谷物長莖稈籽粒混合物半復式脫粒機——有脫粒、分離和清糧功能，能獲得比較干凈的籽粒，但脫粒不太徹底，仍有少量的混合物。復式脫粒機——除了有脫粒、分離、清糧功能外，還設有復脫、復清和分級裝置，能獲得不同級別的干凈籽粒。第一節(jié)一般結構和工作原理一.脫粒機的一般組成二.脫粒機的工作原理三.脫粒機的工藝流程一.脫粒機的一般組成谷物糧食短脫出物長莖稈籽粒雜余籽粒

脫粒機一般包括以下主要部分：脫粒裝置、分離裝置、清糧裝置、傳動裝置和機架等。其中，脫粒裝置、分離裝置、清糧裝置是脫粒機械的三大組成部分，也是本章的主要講述內容。二.脫粒機械的工作原理

被割谷物經脫粒機械的喂入口進入由脫粒滾筒和凹版組成的脫粒間隙進行打擊和搓擦后，短脫出物通過柵格狀凹版進入由清選篩和風機組成的清糧裝置進行清選。

長脫出物則進入分離裝置進行莖稈與籽粒的分離，長莖稈被排出機外，而籽粒等短脫出物則通過分離裝置上的篩孔進入下方的清糧裝置進行清選；在風機和清選篩的聯(lián)合作用下，穎殼等細小輕雜物被吹出機外，干凈的籽粒經由籽粒收集裝置進入集糧裝置。三.脫粒機的工藝流程谷物脫粒裝置短脫出物長脫出物分離機構清糧裝置莖稈雜余機外籽粒機外短脫出物70%籽粒

思考題1.脫粒機械的分類方式？2.脫粒機械的一般構成？3.脫粒機械的一般工作原理或工藝流程？第二節(jié)脫粒裝置及理論分析一.脫粒裝置的功用與技術要求二.谷物的脫粒特性與脫粒原理三.脫粒裝置的類型四.切流紋桿滾筒式脫粒裝置五.切流釘齒滾筒式脫粒裝置六.脫粒裝置的功率消耗一.脫粒裝置的功用與技術要求

脫粒裝置是脫粒機械和聯(lián)合收獲機上的核心工作部件，尤其是對于簡易式脫粒機而言更是核心的核心。脫粒裝置工作性能的優(yōu)劣對其他輔助工作部件的影響是很敏感的，在很大程度上決定了整個系統(tǒng)的工作質量和生產率，脫粒機械和聯(lián)合收獲機的設計與選型均是依據(jù)脫粒裝置的參數(shù)來確定的。1.脫粒裝置的功用

將谷粒從穗軸上脫離下來，并有一定的分離能力。2.質量要求脫粒干凈，脫凈率＞99%；破碎率小，破碎率＜0.5%；小麥不破皮水稻不脫殼功率消耗小，結構緊湊，通用性好。二.谷物的脫粒特性與脫粒原理1.谷物的脫粒特性谷物的脫粒特性——主要是指谷物的脫粒難易程度，這種難易程度主要取決于谷粒與谷穗之間的連接強度，而他們之間的連接強度與作物的品種、成熟度和濕度有直接的關系，隨著這些因素的改變，破壞谷粒與谷穗之間的連接所需要的能量也是不相同的。

脫粒的難易程度通常用脫下一顆籽粒所需要的功來表示。常用的方法有：牽拉法、沖擊法等。試驗結果表明，小麥的脫粒功A=30g.cm，小麥的脫粒功小于水稻的脫粒功。P2.谷物的脫粒原理⑴沖擊脫粒：靠脫粒元件與谷物穗頭的相互沖擊作用而進行脫粒。沖擊速度越高，脫粒能力越強，但破碎率也越大。⑵搓擦脫粒：靠脫粒元件與谷物之間，以及谷物與谷物之間的相互摩擦而使谷物脫粒。脫粒裝置的脫粒間隙的大小至關重要。⑶梳刷脫粒：靠脫粒元件對谷物施加拉力而進行的脫粒。⑷碾壓脫粒：靠脫粒元件對谷物施加擠壓力而進行的脫粒。此時作用在谷物上的力主要是沿谷粒表面的法向力。⑸振動脫粒：靠脫粒元件對谷物施加高頻振動而進行的脫粒。

上述幾種脫粒方式是在長期的生產實踐過程中總結而來的，不同的作物種類和作物品種、不同的貯存方式和后加工方式，其脫粒方法也不同，也就是說，選擇何種脫粒方法完全取決于作物的特性。例如：小麥與水稻的脫粒特性就有較大的差異。

小麥的籽粒在未成熟時被緊緊的包裹在穎殼里，而一旦成熟，穎殼就被張開，籽粒與穎殼之間的連接強度大大削弱，而且小麥的脫粒要求是獲得干凈的籽粒。收獲時，小麥的籽粒與穎殼之間的連接強度較弱，籽粒的外殼相對堅硬，不易破碎，因此，小麥的脫粒一般采取搓擦脫粒和沖擊脫粒為主。

水稻的脫粒特性與小麥不同，即便是在成熟度較高的時候，籽粒與穎殼之間的連接強度仍然很大，但谷粒與穗軸之間的連接比較脆弱。水稻的貯存方式也與小麥不同，水稻為帶殼貯存。如果裸存的話，存放時間很短。水稻的籽粒脆硬，容易破碎。因此，水稻收獲多采用梳刷脫粒。三.脫粒裝置的類型

脫粒裝置主要用來進行谷物的脫粒，由于谷物的脫粒是根據(jù)谷物的脫粒特性來確定脫粒方式的，因此，不同的脫粒原理決定了脫粒裝置也不同。一般有三種基本類型：紋桿滾筒式（切流式、軸流式）釘齒滾筒式（切流式、軸流式）弓齒滾筒式四.切流紋桿滾筒式脫粒裝置1.組成：紋桿滾筒、柵格狀凹版、間隙調節(jié)裝置等。切流紋桿滾筒式脫粒裝置的工作過程

谷物進入脫粒裝置，即受到紋桿多次沖擊，多數(shù)籽粒在凹板前端被脫下，隨著脫粒間隙的逐漸變小，以及靠近凹板表面的谷物運動較慢，而靠近紋桿的谷物運動較快等原因，谷物受到的揉搓作用愈來愈強，呈現(xiàn)起伏狀態(tài)向出口移動，同時產生高頻振動，脫下其余的籽粒。概括來說，在脫粒過程中前半部以沖擊為主，后半部以揉搓為主，80%左右的籽?？蓮陌及搴Y孔中分離出來，其余籽粒夾雜在莖稈中，從出口間隙拋出。2.特點：以搓擦脫粒為主、沖擊為輔，脫粒能力和分離能力強，斷稿率小，有利于后續(xù)加工處理，對多種作物有較強的適應能力，特別適用于小麥收獲，多用于聯(lián)合收獲機上。但當喂入不均勻、谷物濕度大時，脫粒質量明顯下降。1.紋桿2.中間支承圈3.幅盤4.滾筒軸5.紋桿座3.主要結構參數(shù)紋桿數(shù)量：m=6~8滾筒轉速：n=750~1400r/min凹版包角：α=100~1200脫粒間隙：入口16~22/

出口4~6

五.切流釘齒滾筒式脫粒裝置1.組成：釘齒滾筒和釘齒凹板2.特點：利用釘齒對谷物的強烈沖擊以及在脫粒間隙內的搓擦而進行脫粒。抓取能力強、對不均勻喂入和潮濕作物有較強的適應性。但由于斷稈率較高，分離效果較差，對分離裝置和清糧裝置的工作造成一定的困難。六.弓齒滾筒式脫粒裝置1.組成：弓齒滾筒，柵格狀凹版、夾持輸送裝置等。1.滾筒軸2.滾筒體3.梳整齒4.加強齒5.脫粒齒6.加強筋2.特點：工作時，谷物根部由夾持輸送裝置夾緊，沿滾筒軸向移動，僅使谷物穗頭部分進入脫粒間隙。在谷物沿滾筒軸向移動的過程中，谷穗不斷受到滾筒弓齒的梳刷和沖擊，谷粒被脫下。主要適用于水稻。七.脫粒裝置的功率消耗

脫粒裝置在工作時，在運轉穩(wěn)定性較好的條件下，其功率總耗用N由二部分組成：用于克服滾筒空轉而消耗的功率Nk（占總功率消耗的5%~7%）和用于脫粒阻力而消耗的功率Nt。

保障脫粒滾筒運轉穩(wěn)定性的條件：有足夠的轉動慣量；發(fā)動機有足夠的儲備功率和較靈敏的調速器。1.空轉功率消耗Nk式中：A——系數(shù)，Aω為克服軸承及傳動裝置的摩擦阻力的功率消耗，A=（0.2~0.3）×10ˉ3

。B——系數(shù)，Bω3為克服滾筒轉動時的空氣迎風阻力而消耗的功率，B=（0.48~0.68）×10ˉ6。2.脫粒功率消耗Nt

脫粒過程比較復雜，谷物首先是以較低的速度進入脫粒裝置入口處，與高速旋轉的脫粒滾筒接觸，然后被拖入脫粒間隙進行搓擦，既有打擊也有搓擦，研究的依據(jù)是動量守恒定率——沖量轉換為動量：設：P—沖擊力，△t—沖擊時間，△m—△t時間內脫粒元件抓取的谷物量，m/—單位時間喂入的谷物量，f—綜合搓擦系數(shù)，0.7~0.8，

V—滾筒的切向速度，m/s

。

思考題1.谷物有哪五種脫粒方式？小麥和水稻最適合哪一種？2.紋桿滾筒式脫粒裝置的工作特點是什么？第三節(jié)分離裝置及理論分析一.分離裝置的基本類型二.雙軸鍵式逐稿器的基本工作條件三.分離裝置的功率消耗

只有全喂入式脫粒裝置才設有分離裝置，分離裝置的功用就是將經脫粒裝置排除的長脫出物中夾帶的籽粒及斷穗頭分離出來，將長莖稈排出機外。由于分離原理不同，分離裝置類型也不同。一.分離裝置的基本類型

目前常用的分離裝置有：鍵式逐稿器、平臺式逐稿器、分離輪式逐稿器等。后兩種在脫粒機械或聯(lián)合收獲機上應用較少。1.利用拋揚原理進行分離

當分離機構對谷物莖稈層進行拋物體運動時，利用籽粒比重大、莖稈漂浮性能好的特性，將籽粒從松散的莖稈層中分離出來。雙軸鍵式逐稿器平臺式逐稿器β

曲柄連桿機構的回轉中心與連桿—逐稿器鉸鏈點連線方向為機構的震動方向線。轉輪式分離裝置前蘇聯(lián)“謝維爾”型脫粒系統(tǒng)中的轉輪分離裝置俄羅斯“威克－3”試驗型雙滾筒分離輪式聯(lián)合收獲機2.利用離心原理進行分離

脫出物通過高速旋轉的分離筒時，依靠比籽粒大許多倍的離心力將籽粒從莖稈層中通過分離筒周邊的分離孔徑向甩出。分離筒刮送螺旋3.目前分離裝置存在的問題⑴谷物分離損失大，主要表現(xiàn)在夾帶損失（要求0.5~1%）；⑵分離機構對負荷過于敏感；⑶分離機構尺寸太大（占3/4）。脫粒裝置分離裝置二.雙軸鍵式逐稿器的基本工作條件1.分離過程：鍵式逐稿器工作時，在曲柄連桿機構的驅動下整個鍵箱做平面運動，脫出物被拋離鍵面后在空中做拋物體運動，這時，莖稈層處于松散狀態(tài)，比莖稈比重較大的谷粒有較多的機會穿過莖稈層的空隙被分離出來。脫出物在拋扔過程中，長莖稈沿篩面向后輸送，直至排出機外。

很顯然，作拋物體運動的物料為了能使其分離的效果更好，要么增加拋扔高度，要么增加拋扔次數(shù)，而使脫出物能產生拋物體運動的基本條件是拋射速度和拋射角度。能使雙軸鍵式逐稿器發(fā)生拋物體運動的結構參數(shù)和運動參數(shù)必須滿足這一基本條件。1.逐稿輪2.前檔簾3.后檔簾4.鍵箱5.后曲軸6.前曲軸2.脫出物拋離鍵面的基本條件C/ABαrβ前后鍵面ωωtCDEmNmrω2mgβ

假設鍵面與水平面的夾角為β，曲柄半徑為r，由于曲柄連桿機構為平行四邊形機構運動，鍵面上任意一點C/的運動為以r為半徑的圓。若從曲柄與AE重合位置為曲柄的起始位置，則質量為m的脫出物在C/點的受力簡圖如上圖所示。C/ABαrβ前后鍵面ωωtCDEmNmrω2mgβ設:脫出物拋離鍵面的標志是鍵面對脫出物的支反力N=0，所有的合外力向N向投影，t時刻時有：令N=0，則有：整理得：令：為脫出物拋離鍵面的特征值。

他反映了脫出物做拋物體運動的速度大小，只要k≥cosβ，脫出物就能拋起，但拋起的方向不能確定。

只是定性地確定了脫出物沿篩面拋起的參數(shù)量，但沒有定量。實際上參數(shù)的不同，物體拋起的方向是不同的。問題：決定脫出物沿篩面拋起的主要參數(shù)是什么？如何定量的確定脫出物沿規(guī)定方向拋起的結構參數(shù)和運動參數(shù)？脫出物拋起的規(guī)定方向是什么？C/ABαrβ前后鍵面ωωtCDEmNmrω2mgβωtββANNVD脫出物在鍵面上任一曲柄轉角時的拋起方向ωtββANNVDβANNVDβ曲柄起始位置：ωt＝0

當ωt=β時，V⊥水平面，脫出物不能向后上方拋起，脫出物只能在原地運動，將造成堵塞現(xiàn)象。故ωt=β是最早拋起的條件。βANNωt=βDVωt=β時：βANNωt=900βVDβDVV∥鍵面不能拋離篩面不能拋離篩面

當ωt=π/2時，V∥鍵面，不可能拋起。當ωt＞π/2時，V壓向鍵面，更不可能拋起。故ωt=π/2是最晚拋起的條件。ωt=π/2時：

通過以上分析可得出：向后上方拋起的極限條件是：ωt≥β，β是已知量。為避免轉速過低，物料不能拋起，脫出物最晚拋起的極限轉角ωt≤π/2。

由此可得出曲柄四連桿機構的曲柄回轉角速度作用范圍是：雙軸鍵式逐稿器的基本工作條件：

將ωt的兩個極限轉角β和π/2分別代入脫出物拋起的基本條件公式rω2sinωt=gcosβ，可求得兩個ω值或n值，這就是保證脫出物向后上方拋起的曲柄旋轉速度范圍，鍵式逐稿器工作時如果超出這個范圍，就無法正常工作。理論分析結果的應用價值

一般情況下雙軸鍵式分離裝置的結構參數(shù)和運動參數(shù)為：r=50mm，n=170~220r/min,β=180，k=2~2.2三.分離裝置的功率消耗式中：Qf

—單位時間進入分離裝置的脫出物質量（kg/s）；

Nb—單位脫出物質量所需的功率（kW/kg/s）0.38~0.6；

η—分離能力系數(shù)，0.8~0.9。

思考題1.分離裝置的功用是什么？2.分離的原理有哪幾種？3.目前分離裝置存在的問題有哪些？4.如何確定雙軸鍵式逐稿器的工作條件？一.清糧原理二.清糧裝置的功率消耗三.脫出物在篩面上的運動分析第四節(jié)清糧裝置及理論分析一.清糧原理

經脫粒裝置脫下的和經分離裝置分離出的短脫出物中混有斷、碎莖稈、穎殼和灰塵等細小夾雜物。清糧裝置的功用就是將混合物中的籽粒分離出來，將其他混雜物排出機外，以得到清潔的籽粒。清糧原理：利用被清選對象各組成部分之間的物理機械性質的差異將他們分離開來。清糧裝置的類型主要有：氣流式、篩子式、氣流篩子組合式。1.氣流式清糧裝置：按照谷物混合物各組成部分的空氣動力特性的不同進行選別。一般用物料的飄浮速度Vp來表示。mgP物料的飄浮速度Vp——將物體置于垂直向上的氣流場內，當氣流對物體的作用力P等于該物體的重力mg而使該物體處于相對靜止的懸浮狀態(tài)時氣流所具有的速度（有時也稱為臨界速度）。式中：k—阻力系數(shù)，與物體的形狀和表面特性有關，小麥：0.184~0.265；

ρ—空氣密度，g/m3；

F—物體的迎風面積，m2；

V—氣流速度，m/s，小麥的Vp=8.09~11.5m/s。

利用這一原理進行清糧的機械有氣流型脫粒機，利用風機產生的氣流對谷物進行分離和選別。揚場機利用高速拋擲皮帶將混合物擲向空中，飄浮速度較大的籽粒擲的較遠，而飄浮速度較小的輕雜物將落在距揚場機較近的地方。氣流型脫粒機工作原理滾筒凹板風扇谷物攪龍滑板雜余2.篩子式清糧裝置；利用混合物各組成部分的尺寸特性的差異進行分離和選別。具體方法是：根據(jù)谷粒的大小、形狀，設計適當?shù)暮Y孔，以達到篩選的目的。3.氣流篩子組合式清糧裝置：利用混合物各組成部分的尺寸特性和空氣動力特性將篩子和風機配合進行分離選別。清糧效果好，在多數(shù)脫粒機和聯(lián)合收獲機上采用這種配合形式。篩子與風機配合的清糧裝置1.階梯板2.傳動機構3.上篩4.下篩5.尾篩6.雜余推運器7.籽粒推運器8.風機清糧裝置的機構簡圖4.篩子的類型：⑴編織篩：用金屬絲編織而成，制造簡單、氣流阻力小、有效面積大、生產率高，在多層篩子配置中宜作上篩。但平面強度小，易變形。⑵沖孔篩：在薄金屬板材上沖制具有特定形狀的篩孔。制造簡單、不易變形、但有效面積小、生產率低，一般用作下篩。⑶魚眼篩：在薄金屬板材上沖制出凸起的魚眼狀篩孔?；旌衔镌诤Y面上只能單向選別，向后推送的能力比較好，結構簡單，生產率低，宜作下篩。⑷魚鱗篩：是由沖壓而成的魚鱗篩片和魚鱗篩孔組合而成?？卓诖笮】烧{、不易堵塞、生產率高、適應性強。但結構復雜，在聯(lián)合收獲機上應用較多。5.風機的類型：離心風機：結構簡單，便于配置，控制面域大，但氣流分布不均勻。一般通過配置多個風機來均勻氣流。農用離心風扇與清選篩的配合關系BPBP軸流風機：氣流分布均勻、結構尺寸小，但控制面域小。橫流風機：又稱徑流風機，氣流為軸向吸入徑向排出，氣流在橫向上分布均勻，功率消耗小，結構復雜，制造成本高。二.清糧裝置的功率消耗式中：Qs

—單位時間進入清糧裝置的脫出物質量（kg/s）；

Np—單位脫出物質量清選篩所需的功率（kW/kg/s）

上篩：0.4~0.5，下篩：0.25～0.3；

η—選別能力系數(shù)，0.8~0.9。三.脫出物在篩面上的運動分析

短脫出物進入由清選篩和風機組成的清糧裝置后，利用風機的配合在篩面上做前后的往復運動，借以獲得更多的機會通過篩孔。一般來說篩子是由篩面、吊桿組成的四邊形機構和曲柄連桿機構構成，為了找出影響脫出物沿篩面運動性質的主要因素，我們假設篩子近似為一平行四邊形機構。

由于吊桿和連桿長度遠大于曲柄半徑，可近似認為篩子的運動是振幅為A=2r（r為曲柄半徑）的直線往復運動。α水平面oAωO/xεωto＋－－＋x振動方向設：曲柄的回轉中心o與篩架連桿連接點o/的連線的延長線oo/方向為篩子的振動方向，曲柄在左側與oo/重合位置為曲柄運動的起始位置，篩子的位移、速度、加速度與時間的關系為：

α水平面oAωO/xεωt前后o＋－－＋xα水平面oAωO/xεωt前后

假設篩面上有一質量為m的脫出物質點和篩子一起運動，在ωt=0~π/2和3π/2~2π區(qū)間（1、4區(qū)間）時，加速度a為正，慣性力u為負，方向沿x軸向左，脫出物有沿篩面向前滑動的趨勢。o＋－－＋xα水平面oAωO/xεωt前后

在ωt=π/2~3π/2區(qū)間（2、3區(qū)間）時，加速度a為負，慣性力u為正，方向沿x軸向右，脫出物有沿篩面向后滑動的趨勢。uαεmgN+x＋aFαεmgN+x－aFu

假設篩面上有一質量為m的脫出物質點和篩子一起運動，當脫出物沿篩面滑動時，作用在脫出物上的力，除了慣性力u外，還有重力mg、篩面的法向反力N和摩擦力F。1.脫出物沿篩面向前滑動的極限條件

當加速度為正值時，脫出物在慣性力的作用下有前滑的趨勢，由圖所示，全部外力向篩面投影得：uαεmgN+x＋aFφ—脫出物與篩面的摩擦角，小麥：25~360；水稻：23~320。將u和F代入并整理得：移項整理得：等式兩邊同乘以cosφ得：利用：整理得：令為篩子運