新型玉米脫粒機的設計與實現

王旖旎 李逢振 黃通靈

（湖南環境生物職業技術學院，湖南 衡陽 421005）

0 引言

玉米是重要的糧食作物和飼料作物[2]，也是全世界總產量較高的農作物之一，其種植面積和總產量僅次于水稻和小麥。玉米一直都被譽為健康食品，含有豐富的蛋白質、脂肪、維生素、微量元素和纖維素等，具有開發高營養、高生物學功能食品的巨大潛力。一直以來我國各地都有種植，尤以東北、華北和西南各省較多，是我國重要的糧食作物之一，僅次于水稻。近些年來，隨著農村產業結構的調整和玉米品種的改善，南方各地也開始種植玉米且逐漸形成規模。玉米收獲的季節，玉米脫粒成了種植農戶最常見又最繁重的勞作方式之一。因此玉米脫粒設備一直受到人們普遍關注。為了提高農業生產效率，減輕勞動者負擔，國內很多相關學者投入農機領域的研制與推廣應用中。隨著科學技術的快速發展和農機研發的不斷深入，農業機械化水平日益提高，各種農機設備不斷出現，玉米脫粒設備領域推陳出新。原先玉米手工脫粒已逐漸被半自動化、自動化機械脫粒所代替，節省了時間，提高了效率。但是，就當前市面上使用的玉米脫粒機來看，小型玉米脫粒機雖然機型小巧、結構簡單，但是玉米脫粒時產生的灰塵較多，影響操作者身體健康。而且單個家庭使用工作時間長，勞動強度大，脫粒又不夠干凈；大型商用玉米脫粒機雖然效率高，脫粒效果好，但其體積龐大、成本高[1]、工作時產生的噪聲較大。因此，2種玉米脫粒機不太適合單個普通農戶使用，很難普及。

基于此，我們從經濟實用性、衛生安全性和高效普適性等方面綜合考慮，通過整合前述玉米脫粒機的優缺點，加以創新，設計了一款新型玉米脫粒機，既能像小型玉米脫粒機一樣簡便、輕巧，又能像大型玉米脫粒機那樣脫粒效率高、脫粒效果好，同時又能降噪除塵，具有很好的實用意義[1]。

1 新型玉米脫粒機的設計

1.1 總體結構設計

新型玉米脫粒機總體結構設計如圖1所示。主要由進料斗、打粒裝置、篩分裝置、驅動電機、吸風風機、布袋除塵器、玉米粒出料槽、玉米棒芯出料槽和機殼等部分組成。

圖1 玉米脫粒機總體結構圖

其中，進料斗位于脫粒機最上方，通過第一軸承與打粒裝置、上端連接。打粒裝置包括第一打粒筒和第二打粒筒，2個打粒筒外側均固定有皮帶輪，驅動電機通過皮帶與第一打粒筒連接，第二打粒筒通過皮帶與第一打粒筒連接。打粒裝置下端與第二軸承相連接，第二軸承固定在機殼內的機架上。篩分裝置設置在第二軸承正下方，篩分裝置上端固定在靠近機殼內壁的擋板上，篩分裝置和擋板下方設有玉米粒出料槽。驅動電機固定在連接板上，連接板垂直焊接在機殼內側。吸風風機固定在殼體內的機架上，吸風風機通過塑料軟管與布袋除塵器連接，布袋除塵器下方設有玉米棒芯出料槽。

1.2 關鍵零部件設計

1.2.1 進料斗和玉米粒出料槽的設計

進料斗位于玉米脫粒機最上端，是玉米棒進入脫粒機的入口。進料快慢直接影響著脫粒質量。當進料速度太慢時，玉米棒不能充滿整個打粒筒，脫粒元件與玉米棒接觸不充分，棒與棒之間的摩擦少，導致脫粒不完全；當進料速度太快時，隨著玉米棒不斷補充，玉米棒很快就會充滿整個打粒筒，玉米棒與脫粒元件、棒與棒的接觸頻率會加快，在一定程度上會增加脫粒效率，但是同時玉米粒也會受到脫粒元件多余的機械力，額外受損，破碎率上升；當玉米棒不斷補充達到某種程度時，有些未脫凈的玉米棒會被擠至筒底，造成脫粒不徹底。要使玉米粒能夠在筒內進行充分脫粒，必須保證玉米棒填滿整個打粒筒，在打粒筒的帶動下，一方面打粒元件對玉米粒施加機械力，同時棒與棒之間的碰撞作用都會使玉米粒從棒上脫離。

該設計進料斗形狀為“V”形，入口傾斜度為45°～50°，覆蓋1個帶缺口（進料口）的透明有機玻璃蓋（圖中未畫出），用來觀察筒內打粒情況，隨時調節玉米棒進料速度以獲得滿意的打粒效果；此外，玻璃蓋的設置，還有防止玉米粒飛濺傷人，且在一定程度上起到防塵的作用。

玉米粒出料槽，是將脫粒完并除塵去雜后的玉米粒收集起來，輸送至機外。傾斜度設為55°左右。

進料斗和玉米粒出料槽均與玉米粒直接接觸，制造材料的選取直接影響著玉米粒的安全衛生。從這點出發，為使玉米粒不受污染，進料斗和玉米粒出料槽都采用不銹鋼板制成，厚度為2 mm[2]。

1.2.2 打粒裝置的設計

在玉米脫粒機中，打粒裝置的作用是將玉米粒和玉米棒芯等雜余分離開來以達到脫粒的目的。玉米脫粒過程中，打粒裝置起著最關鍵的作用，直接影響脫粒效率，其設計好壞直接決定玉米脫粒機的質量。

打粒過程實質是電能轉化為機械能的過程。為了對打粒裝置進行優化改進，該脫粒機在傳統單一滾筒的基礎上增設1個打粒筒（圖1）。打粒筒內壁設有若干打粒凸塊，呈圓周陣列分布（圖2）。該裝置通過2個高速旋轉的打粒筒帶動內壁的打粒凸塊對玉米棒進行擊打和揉搓，從而達到玉米脫粒的目的。如果不考慮其他因素的影響，在相同功率相同轉速下，相同時間內雙筒比單筒消耗和轉化的能量多一倍，產生的效率亦提高一倍，從而達到高效脫粒的目的。

圖2 打粒裝置結構圖

這種結構的設置，增加了打粒過程中玉米棒與打粒裝置的接觸面積，使打粒更充分，從而快速脫粒、干凈脫粒。

為保證玉米粒的衛生安全，打粒筒、凸塊均采用不銹鋼板制成。

打粒筒在打粒過程中需要承受較大的沖擊力，厚度設置為3 mm～4 mm。這樣可以保證打粒筒的機械強度。

凸塊表面采用氮化處理，以提高表面硬度，減少磨損。

1.2.3 皮帶傳動的設計

根據玉米脫粒機的具體傳動要求，驅動電機與第一打粒筒、第二打粒筒與第一打粒筒之間都選用“V”形皮帶傳動，“V”形皮帶本身是一個撓性件，它的彈性可以吸收振動、緩和沖擊，對脫粒機在運行時起到一定的保護作用[5]，避免對機體產生損壞，使傳動平穩、噪聲小，能夠滿足玉米脫粒機的傳動要求。除此之外，皮帶及皮帶輪的制作和安裝比較簡單，易于后期維修和保養，因此選用“V”形皮帶傳動經濟、合理。

1.2.4 吸風風機的設計

在玉米清選過程中，要完成玉米粒與灰塵泥土等雜質的分離[4]，風機是很關鍵的部件。風機吹出的風量和風速直接影響著清選質量的高低，為此，裝置內設有吸風風機（圖1），其風速可調，即可根據打粒過程中的實際需要，隨時調節風力大小。

風機右側設有不銹鋼細網罩，細網罩的孔徑小于玉米粒尺寸。這樣保證了玉米粒不被吸入吸風風機中，玉米粒的產率不會受到影響。

1.2.5 布袋除塵器的設計

布袋除塵器如圖1所示，是一種干式除塵裝置。它將捕集打粒過程中產生的各種灰塵、泥沙顆粒等雜質。稍大一點的顆粒由于自身重力的作用自然沉降下來，小顆粒和灰塵在風機作用下，遇布袋被阻留，不會飛揚到空氣中，這樣減少了粉塵污染。

1.2.6 機殼、機架及吸音棉的設計

如圖1所示，機殼呈圓筒型，用鋼板焊接而成，板厚約2mm，材料為Q235[3]。為防止機殼表面生銹，內、外表面均須進行防銹處理。

機架是脫粒機的重要支撐部件，它將各機構連接組成一個整體。該脫粒機的機架包括機殼內與第二軸承相連的機架（以下稱上機架）、與吸風風機相連的機架（以下稱下機架）以及機殼，上機架支撐2個打粒筒、軸承及待打粒的玉米棒，下支架支撐吸風風機，因此設計機架時需要保證整個設備結構穩定，即確保脫粒機正常工作過程中不會晃動或倒塌等。該設計的機架采用厚14mm，寬40mm的扁鋼焊接而成，第二軸承直接焊接在上機架上，吸風風機則通過螺栓等緊固件安裝在下機架上。

機殼內側還設有吸音棉。吸音棉是一種人造無機纖維，它將聲能轉化成熱能，起消音的作用。這樣設置，主要用來吸收玉米脫粒過程中機器產生的噪聲，減少了噪聲污染。

1.2.7 篩分裝置的設計

圖1中的篩分裝置呈斜坡放置，斜坡水平角度為30°。玉米棒芯出料槽設置在篩分裝置左下方，玉米粒出料槽設置在篩分裝置正下方。

篩分裝置由數條不銹鋼管焊接而成，如圖3所示。鋼管等距分布，鋼管之間的間距要小于玉米棒芯直徑，同時大于玉米粒的尺寸。打粒時玉米粒通過鋼管之間掉落到下方的玉米粒出料槽中，經玉米粒出料槽流出，玉米芯則從左側玉米芯棒出料槽滾落出來，將玉米粒和雜質分隔開。這樣，實現了玉米粒與玉米棒芯的自動分離，無需人工去雜，在一定程度上減少了操作者的勞動強度[6]。

圖3 篩分裝置結構圖

1.3 工作原理

操作人員手持玉米棒不斷地從進料斗送入，玉米棒從進料斗進入脫粒裝置中，上部玉米棒將下部玉米棒往下推送。驅動電機通過皮帶輪帶動2個打粒筒轉動。打粒裝置內設置若干打粒凸塊，在打粒凸塊打擊和擠搓下，玉米棒開始脫粒。在打粒筒的快速轉動下，凸塊撥動玉米棒在筒內做圓周運動，玉米棒繼續被打擊和擠搓，此時大量的玉米粒從玉米棒脫下，脫粒產物有玉米粒、玉米棒芯和雜質。由于重力的作用，所以上部玉米將脫粒產物往下壓。脫粒產物下落時，灰塵等雜質因本身重量輕，在吸風風機的風力作用下，通過細網罩，吸入風機并排入布袋除塵器中，較重的玉米粒和玉米棒芯則落入篩分裝置上。篩分裝置等距分布若干圓鋼，圓鋼與圓鋼之間的間距要小于玉米棒芯的直徑，同時大于玉米粒的尺寸。玉米粒由于重力的作用從篩分裝置的圓鋼之間的間隙落下，并從玉米粒出料槽排出。玉米棒芯由于重力的作用從篩分裝置上向左側滾動，從玉米棒芯出料槽排出。驅動電機、打粒裝置、吸風風機等產生的噪聲大部分被機殼內側的吸音棉所吸收，實現減噪效果。脫粒流程如圖4所示。

圖4 脫粒流程圖

2 設計創新點

與現有技術相比，該玉米脫粒機具有以下創新點：1）操作者可以連續不斷地投送玉米棒，驅動電機帶動2個打粒筒快速脫粒，沒有等待的過程，出粒速度快，提高了工作效率。2）打粒筒內部設置打粒凸塊，玉米脫粒更加充分，避免了玉米棒芯上還殘留有玉米粒。3）采用篩分裝置和吸風風機，收料穩定，玉米粒與玉米棒芯等雜余自動分離，不需要人工手動除雜，節省了勞力。4）采用吸音棉設計，吸收了機器產生的噪聲。5）機殼內的驅動電機、打粒裝置、吸風風機和篩分裝置等設計緊湊，機型小巧美觀，易于移動。

3 結語

該設計是針對小規模種植農戶玉米脫粒的作業需求，以目前市面上使用的玉米脫粒機為研究基礎，以農業生產技術進步為契機，以滿足該類農戶需求、減少操作者的勞動強度為根本目標，為該類農戶提供的一種性價比高又普適的產品。

通過結構優化，該玉米脫粒機操作方便、脫粒速度快、脫粒效果好、經濟又環保。經預測，該產品具有很好的實用意義，市場推廣前景廣闊[1]。

該裝置為我國玉米脫粒機的研制提供良好參考，促進玉米脫粒技術的新發展，加強國內玉米脫粒新模式的推廣與應用。

為了降低玉米粒破損率，該設計在考慮打粒筒的轉速、打粒凸塊的形狀、數量等參數方面有待進一步研究。