晾曬谷物收集小車的設(shè)計

李巖舟，潘榮安，郭　寧，梁　甲

(廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，南寧　530004)

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晾曬谷物收集小車的設(shè)計

李巖舟，潘榮安，郭寧，梁甲

(廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，南寧530004)

摘要：通過對現(xiàn)有曬場收谷機械性能進行分析比較，提出從廣西實際出發(fā)，在現(xiàn)有曬場收谷機械的基礎(chǔ)上，利用吸塵器抽吸的原理，設(shè)計出一種晾曬谷物收集小車。介紹了晾曬谷物收集小車整體結(jié)構(gòu)、工作原理及關(guān)鍵零部件的設(shè)計。同時，利用仿真軟件ANSYS對相應(yīng)部件三維模型進行仿真分析，驗證了該晾曬谷物收集小車的應(yīng)力分布和變形均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，進一步確定了設(shè)計的可靠性。研究結(jié)果表明：該晾曬谷物收集小車結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，減輕了曬場谷物收集裝袋工作的負擔(dān)，能滿足接地工作的要求。

關(guān)鍵詞：晾曬谷物收集小車；零部件設(shè)計；仿真分析

0引言

目前，廣西農(nóng)村的多數(shù)農(nóng)民選擇通過曬場晾曬的方式干燥谷物，傳統(tǒng)的方法是用刮板將谷物聚攏再將谷物裝進糧袋中，收谷過程繁瑣、勞動量大。隨著農(nóng)村勞動力的不斷轉(zhuǎn)移，在農(nóng)忙季節(jié)，勞工價格高甚至出現(xiàn)請不到工人的現(xiàn)象。另外，在南方丘陵地區(qū)收獲季節(jié)容易遇雷雨等惡劣天氣，人工作業(yè)不能及時地收集大量的谷物，會造成谷物霉?fàn)€變質(zhì)及不可預(yù)見的經(jīng)濟損失。目前，對曬場晾曬谷物收集的機具大多存在收集效率低、收糧不干凈及工作性能不可靠等缺陷。為此，本文研究設(shè)計了一種基于吸塵器原理的晾曬谷物收集小車，旨在克服傳統(tǒng)的谷物收集機具的弊端，使其具有工作效率高、收糧干凈、性能可靠的特點。該機收集谷物時可減少勞動量和谷物收集時間，減少干燥的谷物因淋雨霉?fàn)€而造成的經(jīng)濟損失。

1機構(gòu)組成及工作原理

晾曬谷物收集小車主要由吸嘴、輸糧管、集糧箱、篩網(wǎng)、旋轉(zhuǎn)卸料器、抽氣管、風(fēng)機、螺旋上料機構(gòu)、自減速器電機及四輪移動車架組成，如圖1所示。其中，吸嘴安裝于四輪移動車架前端；集糧箱安裝于四輪移動車架的前上端，集糧箱前端有輸糧管接口，后端有抽氣管的接口，輸糧管接于吸嘴及集糧箱前端的輸糧管接口，抽氣管接于集糧箱后端的抽氣管接口及風(fēng)機之間；集糧箱內(nèi)有安裝有分隔谷物與空氣的篩網(wǎng)，集糧箱的下端出口處安裝有旋轉(zhuǎn)卸料器，旋轉(zhuǎn)卸料器下端安裝有螺旋上料機構(gòu)，自減速電機安裝于四輪移動車架底板上；自減速電機主軸上安裝皮帶輪1，旋轉(zhuǎn)卸料器上安裝有皮帶輪3；螺旋上料機構(gòu)主軸焊接有萬向節(jié)，萬向節(jié)另一端上安裝有皮帶輪2，皮帶2連接皮帶輪2與皮帶輪3，皮帶1連接皮帶輪1與皮帶輪2。

1.吸嘴　2.皮帶1　3.皮帶輪2　4.調(diào)節(jié)螺桿　5.皮帶2

工作原理：啟動風(fēng)機及自減速器電機，風(fēng)機、旋轉(zhuǎn)卸料器和螺旋上料機構(gòu)運轉(zhuǎn)；風(fēng)機在吸嘴處產(chǎn)生負壓，推動小車往曬有谷物的曬場移動，曬場上谷物在吸嘴處負壓的作用下被吸起通過輸糧管進入集糧箱；集糧箱內(nèi)的篩網(wǎng)分隔空氣與谷物使谷物落下，空氣從集糧箱后端抽氣管經(jīng)風(fēng)機排出，落下的谷物由旋轉(zhuǎn)卸料器排出，再由螺旋上料機構(gòu)將谷物送到套在螺旋抬升機出口的糧袋中，實現(xiàn)收集的工作。其具體工作流程如圖2所示。

圖2　工作原理流程圖

2關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1　葉輪外圓半徑設(shè)計計算

設(shè)旋轉(zhuǎn)星形卸料器的卸料量Q=2.4t/h,則

Q=60nφρθ

V=L(R-r)[π(R+r)-Zδ]

其中，n為葉輪轉(zhuǎn)速，n=30r/min；φ為葉輪格腔的裝滿系數(shù)，φ=0.6；ρ為谷物堆積密度，ρ=0.38t/m3；L為葉輪格腔的長度(m)，初取長度L=0.180m；R為葉輪外緣半徑(m)；r為葉輪轉(zhuǎn)軸半徑，r=0.020m；Z為葉片數(shù)，Z=6；δ為葉片厚度，δ=0.003m。帶入公式，可求得葉輪外圓半徑R=0.112m。

2.2　葉輪轉(zhuǎn)軸扭矩設(shè)計計算

1)谷物與卸料平臺摩擦所形成的阻力矩M1。

其中，σ為平臺所受谷物的有效壓應(yīng)力，σ=0.012MPa；f1為谷物與平臺的摩擦因數(shù)，f1=0.2。解得M21=0.015N/mm。

2)葉片所受切割阻力而形成的阻力矩M2。

其中，fσ為內(nèi)剪力因數(shù),fσ=0.3；σw為切削比阻力，σw=1.12；h1為葉片頂端高度，h1=92mm；有效壓應(yīng)力區(qū)在x方向的最大尺寸為L1=R2-x2=54mm。解得M2=0.627N/mm。

3)谷物內(nèi)剪切力所形成的阻力矩M3。

解得M3=0.022N/mm。

4)葉輪軸承的摩擦力矩M4。

M4=1.05GkWkr4

其中，Gk為葉輪、輪軸的質(zhì)量，Gk=2kg；Wk為角接觸軸承阻力系數(shù)，Wk=0.0016；r4為支撐環(huán)的平均半徑，r4=0.02m。

解得M4=0.068N/mm，所以轉(zhuǎn)軸受的總扭矩M總=M1+M2+M3+M4=0.073 2N/mm。

設(shè)計結(jié)論：旋轉(zhuǎn)卸料器(見圖3)葉輪外圓半徑R=112mm，轉(zhuǎn)軸直徑d=20mm。

R-葉輪外緣半徑　X-有效壓應(yīng)力長度

2.3　螺旋上料機構(gòu)的設(shè)計

螺旋輸送機總的軸功率P歸納為包括谷物運行所需的功率P1、空載運轉(zhuǎn)所需的功率P2和由傾斜引起的附加功率P3這3個部分，計算公式為

P=P1+P2+P3

P1=QLμ/367

P2=DL/367

P3=QH/367

其中，Q為自動上料機輸送量，Q=1.2m3/h；L為自動上料機長度，L=1m；μ為摩擦因數(shù)，取μ=3.1；D為螺旋體直徑，D=0.108m；H為傾斜高度，H=0.05m。

求得總功率P=0.012 1kW。螺旋上料機主軸扭矩為T=9549P/n，因轉(zhuǎn)速n=30r/min，解得T=38.52N/mm。

軸直徑設(shè)計為

取A0=112，解得軸最小處直徑d=17.82mm。由于與之配合萬向節(jié)的軸徑為20mm，因此取d=20mm。

螺旋葉片外徑設(shè)計為

其中，K為特性系數(shù)，取0.064 5；Q為輸送能力，Q=1.2m3/h；φ為物料填充系數(shù)，取φ=0.3；ρ為物料堆積密度，ρ=380kg/m3；C為傾角系數(shù)，取C=1.0，可求得螺旋葉片外徑D=102mm。螺旋上料機構(gòu)零件陣列如圖4所示。

1.螺旋上料機筒　2.軸承端蓋　3.螺旋軸　4.軸承　5.萬向節(jié)接頭

旋轉(zhuǎn)卸料器主軸的應(yīng)力分析仿真圖如圖5所示，螺旋上料機主軸的應(yīng)力分析如圖6所示。

圖5　旋轉(zhuǎn)卸料器主軸的應(yīng)力分析仿真圖

圖6　螺旋上料機主軸的應(yīng)力分析圖

由分析可知：在受到總扭矩M總=0.073 2N/mm時，受最大剪應(yīng)力處為軸安裝帶輪端，安裝軸承的軸頸部最大剪應(yīng)力τ=1.539×10-3MPa。通過查表，采用45鋼材料抗剪強度為25~45MPa，所以所設(shè)計的軸是安全的。

由分析可知：在受到總扭矩T=38.52N/mm時，受最大剪應(yīng)力處為安裝軸承軸頸部最大剪應(yīng)力τ=0.075 9MPa。通過查表，采用45鋼材料抗剪強度為25~45MPa，所以所設(shè)計軸安全。

2.4　輸糧管管徑設(shè)計計算

通過對實驗數(shù)據(jù)與實際調(diào)查結(jié)果的分析，取晾曬谷物收集效率G=1.2t/h。

2.4.1谷物輸送氣流速度的確定

對懸浮吸送式來說，在規(guī)定生產(chǎn)率條件下，如選定的混合比m值大，則所需風(fēng)量小，因而可用管徑較小和容量較小的分離除塵設(shè)備，且單位能耗也能低。由于本裝置的氣力輸送量小于3t/h，且體積小、輸送距離短，在氣力輸送工程上屬于低真空輸送系統(tǒng)，取m=8。輸料管起始段輸送物料所需的空氣流量Qac(m3/min)為

其中，G為計算生產(chǎn)率(t/h)；γα為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣重度，取γα=11.77N/m3。將數(shù)值帶入，求得Qac=4.167m3/min。由于星型卸料器的漏氣量通常約占總風(fēng)量的10%~15%，故氣源機械的風(fēng)量應(yīng)加上星型卸料器的漏氣量為Qin=4.567m3/min；懸浮速度的值主要與稻谷和空氣的混合比、稻谷密度、粒度、形狀、表面狀態(tài)以及輸料管直徑、空氣密度等有關(guān)。合理的輸送氣流速度是關(guān)系到裝置工作的可靠性和經(jīng)濟性的及其重要的一環(huán)?？紤]到稻谷在氣力輸送過程中的輸送氣流速度受到風(fēng)機工作性能的變化、管系漏氣及氣象條件的變化等諸多因素的影響，采用理論計算與實驗數(shù)據(jù)檢驗相結(jié)合的方法確定適合的輸送氣流速度為

式中Va—輸送氣流速度(m/s)；

α—與被輸送物料粒度有關(guān)的系數(shù)，查表利用插值法計算得稻谷取α=17.15；

γs—稻谷的重度，γs=gρ=9.81×1020=10006.2N/m3；

β—與被輸送物料特性有關(guān)系數(shù)，β=(2~5)×10-5,對干燥的粉狀物取較小值；

L—輸送距離(m)。

由于本裝置的L≤100m，故上式右邊第2項很小，忽略不計。將數(shù)據(jù)帶入，求得理論輸送氣流速度Vac=17.16m/s 。通過實驗測得吸嘴風(fēng)速為21.5m/s，符合使用要求。在氣力輸送中，被運物料顆粒的運動速度比氣流的運動速度慢，兩者存在速度差，氣流繞過顆粒運行的速度差產(chǎn)生阻力，這便是促使稻谷運動的空氣動力。通過對本裝置進行分析，稻谷經(jīng)吸嘴被吸上后以幾乎垂直的方向進入到橡膠輸料管中，為方便計算，將輸料管近似看作鉛垂管，故谷物達到穩(wěn)定運動時的速度Vs可近似取為

Vs1≈Va-V0

式中Va—氣流速度(m/s)；

V0—物料懸浮速度(m/s)。

代入數(shù)據(jù)求得:Vs1=14.0m/s。

處于鉛垂加速段稻谷顆粒速度Vs可根據(jù)參數(shù)m確立，則

其中，h為鉛垂輸料管高度(m)。經(jīng)測定，取管道高度為0.8m；V0/Va的值查表得出。查表計算得：Vs2=7.74m/s。

2.4.2輸料管內(nèi)徑D的設(shè)計計算

輸料管起始段(或吸嘴內(nèi)管內(nèi)徑)D(mm)可按下式確定，即

式中Qca—計算風(fēng)量(m3/min)；

Va—輸送空氣速度(m/s)；

n—1個吸送系統(tǒng)同時工作的輸料管數(shù)目，取n=1，帶入數(shù)據(jù)求得D=67.29mm。

3管系壓力損失的計算

純氣流產(chǎn)生的壓力損失：流動中壓力變化是由速度變化引起的。對于氣體，通常認為很容易壓縮,但當(dāng)它做低速運動時,壓力變化不大,密度變化也較小，所以在低速條件下，可把空氣看作不可壓縮流體，計算域包括吸嘴、吸嘴與輸料管連接彎頭、輸料管直管、輸料管彎頭、輸料管與集糧箱接口處、集糧箱與彎管接口處、彎管彎頭。輸料管與彎管材料為塑料軟管，其余均為塑料。

直管沿程的壓力損失：計算域為輸料管直管。對于本裝置，由于真空度變化不大，氣體沿管道運動時其密度變化很小，故可把空氣重度近似地視為常數(shù)，因此對輸料管直管段可按等容過程計算沿程摩擦壓力損失，可按達西公式計算，即

式中λα—純氣流摩擦阻力系數(shù)；

L—管道長，取L=0.6m；

D—管徑(m)；

ρα—氣體密度(kg/m3)，ρα=1.205kg/m3。

局部摩擦力損失：方法計算域為吸嘴、吸嘴與輸料管連接彎頭、輸料管彎頭、輸料管與集糧箱接口處及篩網(wǎng)、集糧箱與彎管接口處及彎管彎頭。

彎頭處包括輸料管彎頭、彎管彎頭和吸嘴與輸料管連接彎頭，則

其中，ξα為氣流局部阻力系數(shù)，取不同值；輸料管彎頭、彎管彎頭均為90°彎角，查表得ξα1=0.0175；吸嘴與輸料管連接彎頭彎角為120°，查表得ξα2=0.14，代入數(shù)據(jù)求得ΔPαo=ΔPαo1+ΔPαo2=9.3+37.2=46.5Pa。

接口處：輸料管與集糧箱接口處形狀為漸擴型，故可按突擴管的局部阻力損失公式進行計算，則

A1—輸料管和彎管的截面面積，A1=3525.7mm2；

A2—集糧箱截面面積，A2=70685.8mm2。

故取ξ=0.90，g=9.81m/s2。代入數(shù)據(jù)，求得Hf1=20.2Pa。

集糧箱與彎管接口處為突縮型，故按突縮管局部壓力損失計算公式計算，即

式中Cc—收縮系數(shù)。

由于A1/A2=0.5，查表得Cc=0.25 。帶入數(shù)據(jù)，求得Hf2=5.6Pa，Hf=Hf1+Hf2=37.6Pa。

吸嘴為扁嘴型，為方便計算，將其轉(zhuǎn)換為當(dāng)量直徑，在通過漸擴型進行計算，可以按下述公式進行計算，即

式中a—橢圓長半軸,a=200mm；

b—橢圓短半軸,b=10mm。

帶入數(shù)據(jù)，求得de=29.6mm。

按漸擴型計算，則

查表得ξ=0.24，帶入數(shù)據(jù)求得ΔPa1=5.4Pa。

氣流通過篩網(wǎng)處的壓力損失實驗測定原理：考慮無篩網(wǎng)時與有篩網(wǎng)時兩種狀態(tài)下的壓力損失hξ1、hξ2，并進行對比，求出篩網(wǎng)壓力損失的近似值，即

ΔPξ=hξ2-hξ1

如圖7所示，初始條件為集糧箱右端接一風(fēng)機，在右端抽氣管處接一小管，小管與水槽垂直放置。

圖7　無篩網(wǎng)時的系統(tǒng)壓力損失測試圖

無篩網(wǎng)時的系統(tǒng)壓力損失由伯努利方程可知

對于吸管處，則

P0=P1+ρ水gh

實驗測量得h=128mm，V1=16.7m/s，帶入數(shù)據(jù)求得hξ1=1087.7Pa。

有篩網(wǎng)時的系統(tǒng)壓力損失測試如圖8所示。

由伯努利方程可知

對于吸管處，則

P0=P1+ρ水gh

實驗測量得h=135mm，V2=16.2m/s，帶入數(shù)據(jù)求得hξ2=1 166.4Pa。所以，篩網(wǎng)的壓力損失為ΔPξ=hξ2-hξ1=78.7Pa。故而整個系統(tǒng)在純空氣的狀態(tài)下的壓力損失為：ΔP總=ΔPζ+ΔPa1+Hf+ΔPa0+Δpaf=251.5Pa。

圖8　有篩網(wǎng)時的系統(tǒng)壓力損失測試圖

4實驗結(jié)果及分析

實驗結(jié)果如表1所示。由表1可知：谷物以相同質(zhì)量、相同的晾曬厚度實驗4次，取4次實收谷速度的平均值1.03t/h，此平均值為小車初設(shè)計的收谷速度1.20t/h的86%?？紤]人力推動小車速度不定等因素的影響，該小車設(shè)計基本合格。

表1　實驗結(jié)果

5結(jié)論

該晾曬谷物收集小車結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好，能較快捷地將曬谷場上晾曬谷物收集裝袋，填補了農(nóng)村曬場收谷機械的空白，具有一定的推廣價值。

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Abstract ID:1003-188X(2016)10-0123-EA

The Design of Drying Grain Collecting Car

Li Yanzhou, Pan Rongan, Guo Ning, Liang Jia

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Naning 530004, China)

Abstract：The mechanical properties of existing Shaichang income valley were analyzed and compared, from Guangxi proposed reality, in the prior bleachery income valley machinery based on the use of the principle of suction vacuum cleaner, designed a drying grain collected car. First introduced dry cereal collection trolley overall structure and operating principle, design of key components, and finally the use of simulation software ANSYS three-dimensional model of the corresponding components simulation analysis, validate the drying grain collected car stress distribution and deformation are in the range of standards inside, to further determine the reliability of the design. The results show that the simple grain drying collect the car structure, easy operation, reducing the burden of the collection of grain drying yard bagging work, to meet the requirements of the ground work.

Key words：drying grain collected car; parts design; simulation

中圖分類號：S229+.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0123-05

作者簡介：李巖舟(1979-)，男，河北易縣人，副教授，博士，(E-mail)lyz197916@126.com。

基金項目：廣西教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃項目(2015C343)；新世紀(jì)廣西高等教育教學(xué)改革工程項目(2015JGB120)；廣西自然科學(xué)基金項目(2014GXNSFBA118260)；南寧市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目(20155183)

收稿日期：2015-09-13