6NG-16 型重力式谷糙分離機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

徐兵，晁東，崔清亮

（030801 山西省 晉中市 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院）

0 引言

我國(guó)的稻谷品種混雜、粒度長(zhǎng)短不一，需要對(duì)稻谷與糙米進(jìn)行分離，谷糙分離是大稻米加工過(guò)程中最關(guān)鍵的一步，谷糙分離質(zhì)量的好壞，分離效率的高低，都直接關(guān)系影響著大米的質(zhì)量及企業(yè)廠家的收益[1-2]。重力式谷糙分離機(jī)根據(jù)稻谷和糙米在比重、粒度和摩擦系數(shù)等物理特性上的不同，谷糙在雙向傾斜的篩板上往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生自動(dòng)分層，在篩板凸臺(tái)推動(dòng)作用下依層分離[3]。盧琦[4]等人設(shè)計(jì)了一種往復(fù)式振動(dòng)篩，分析了谷物在篩面上的運(yùn)動(dòng)特性，利用ADAMS 對(duì)振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，求解出不同狀態(tài)下谷物在篩面上的運(yùn)動(dòng)特征值,為各物振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)；康少波[5]等人創(chuàng)建多倍體水稻的稻谷和糙米的顆粒模型，利用EDEM 進(jìn)行谷糙分離仿真研究，為優(yōu)化多倍體稻谷的谷糙分離工藝參數(shù)提供理論支持。英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)對(duì)篩分機(jī)理進(jìn)行研究，建立振動(dòng)分離板上谷糙分離運(yùn)動(dòng)的離散元模型，并使用高速攝像機(jī)高頻拍攝模擬出稻谷與糙米在分離板上的運(yùn)動(dòng)軌跡—比糙米粒徑大、比重小的水稻向自由表面移動(dòng)，水稻向分離板的下端移動(dòng)，糙米向高端移動(dòng)[6]；泰國(guó)拉賈曼加拉理工學(xué)院開(kāi)發(fā)一種稻谷分離設(shè)備，并針對(duì)當(dāng)?shù)毓任镅芯坎煌壤墓炔诨旌衔锛皟A斜傾角對(duì)分離效果的影響，結(jié)果表明，具有較高橫向傾角有利于提高分離率和效率，在96 r/min 的速度進(jìn)行分離時(shí)，以5°傾角時(shí)獲得最高分離效果，每層分離率達(dá)到42.83 kg/h[7]。

本研究設(shè)計(jì)了一種重力式谷糙分離機(jī)，對(duì)傳動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，為谷糙分離機(jī)樣機(jī)的研制提供了一定的理論參考。

1 結(jié)構(gòu)及原理

如圖1 所示，重力式谷糙分離機(jī)由上出料裝置1、進(jìn)勻料裝置2、篩體3、支撐調(diào)節(jié)裝置4、傳動(dòng)系統(tǒng)5、電動(dòng)機(jī)6、下出料裝置7、機(jī)架8 等工作部件組成。支撐體通過(guò)兩側(cè)50，142 mm 的腿架連接在機(jī)架上，固定篩體縱向傾斜角度6°，可由旋轉(zhuǎn)螺桿升降支撐體的高度，從而調(diào)節(jié)篩分箱體振動(dòng)方向角度。

圖1 6NG-16 型重力式谷糙分離機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of 6NG-16 gravity roughage separator

工作中，谷糙分離機(jī)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整，帶動(dòng)偏置180°雙偏心輪連桿作平面運(yùn)動(dòng)，連桿通過(guò)圓柱銷(xiāo)與篩體連接進(jìn)行連接，帶動(dòng)篩體運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)到篩體的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。設(shè)有凸點(diǎn)并具有傾斜角度的16 層篩板使得谷糙在重力作用下發(fā)生自動(dòng)分層，使比重較大的糙米下沉形成糙米層，而粒度較大但比重較小的稻谷上浮形成稻谷層。糙米在具有長(zhǎng)方體錐形凸臺(tái)的往復(fù)推動(dòng)的作用下向上流出上方出料口，稻谷受重力作用滑至下方出料口，從而達(dá)到谷糙分離的效果[8]。

2 偏心輪滑塊機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

動(dòng)力經(jīng)過(guò)皮帶輪傳送到主軸上，帶動(dòng)偏心輪滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，將主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹Y體的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。采用偏心輪可避免曲柄帶動(dòng)的兩連桿與主軸發(fā)生碰撞干涉的問(wèn)題。

依據(jù)獲得最小傳動(dòng)角的最大值設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)偏心輪滑塊機(jī)構(gòu)。通過(guò)圖解分析法得出各夾角之間的關(guān)系，并分析最小傳動(dòng)角的變化規(guī)律，得出最小傳動(dòng)角的變化范圍，從而獲得最大值[9]。

如圖2 所示，將偏心輪滑塊機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)副縮小可簡(jiǎn)化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。主軸在作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，滑塊運(yùn)動(dòng)到左極限位置A 處，右極限位置B 處。當(dāng)曲柄運(yùn)動(dòng)到相反偏置方向底部位置時(shí)，此時(shí)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)夾角γ最小。

圖2 偏心輪滑塊機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of eccentric slider mechanism

如圖3 所示，設(shè)偏心輪的回轉(zhuǎn)距離為a，滑塊處于C 位置時(shí)的連桿CD 長(zhǎng)度為b，則OB 長(zhǎng)度為（a+b）。A、B 屬于滑塊所處的兩個(gè)極限位置，之間的距離為H。在ΔAOB 中，令∠ABO=α，∠AOB=θ為該機(jī)構(gòu)的極位夾角，回轉(zhuǎn)中心O 到AB 的垂直距離為偏置距e。當(dāng)曲柄處于OD 位置時(shí)，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角γ的值最小。

圖3 偏心輪滑塊機(jī)構(gòu)分析圖Fig.3 Analysis diagram of eccentric slider mechanism

運(yùn)用正弦定理可得如下關(guān)系：

處理后可得：

由以上各式可知機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角與極位夾角θ、α間的數(shù)學(xué)關(guān)系。令橫軸α在0～（90-θ）°變化，極位夾角θ在10°，15°，20°，25°，30°間隔變化，利用軟件[10]分析不同極位夾角情況下最小傳動(dòng)角隨α夾角的變化曲線，如圖4 所示。

由圖4 可以看到，最小傳動(dòng)角γ在不同極位夾角情況下隨α夾角的關(guān)系呈拋物線狀變化，隨著極位夾角θ的增加，曲線的頂點(diǎn)位置下移；最小傳動(dòng)角最大值逐漸降低，可知在分離機(jī)對(duì)偏心輪滑塊機(jī)構(gòu)沒(méi)有急回特性要求時(shí)，盡量讓極位夾角小些，以保證最小傳動(dòng)角獲得最大值。由此可以在確定分離機(jī)極位夾角后，找到頂點(diǎn)位置的α角，從而獲得最小傳動(dòng)角γ的最大值。

圖4 不同極位夾角情況下最小傳動(dòng)角與α 角關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between minimum transmission angle and α angle under different extreme position angles

當(dāng)旋轉(zhuǎn)中心與執(zhí)行部件在同一水平面時(shí)，機(jī)構(gòu)不存在極位夾角，而篩體具有一定的傾斜角度與支撐高度，則需要具有一定的偏置距離，此時(shí)機(jī)構(gòu)則存在極位夾角[11]。分離篩體在兩個(gè)行程中均有分離效果，對(duì)急回特性沒(méi)有嚴(yán)格要求，為獲得最佳傳動(dòng)角度，初取行程速比系數(shù)K=1.1。

由式（9）可得θ=8.57°。

我國(guó)大部分重力式谷糙分離機(jī)的篩板做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的幅度為50～100 mm 時(shí)，會(huì)有較好的分離效果，取H=90 mm[12]，并找到K=1.1 時(shí)，曲線頂點(diǎn)位置的α角度及最小傳動(dòng)角的最大值。可知，當(dāng)α=0.197 rad=11.29°時(shí)，最小傳動(dòng)角的最大值為58.9°，滿足最小傳動(dòng)角大于40°的要求，此時(shí)分離機(jī)具有最好的傳動(dòng)效果。將α=11.29°，θ=8.57°，H=90mm 代入式（5）—式（8）可得：a=43.47，b=161.71，e=40.17。

3 ADAMS 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為獲得谷糙分離機(jī)構(gòu)篩體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)參數(shù)建立機(jī)構(gòu)的ADAMS 模型，如圖5 所示。

圖5 谷糙分離機(jī)構(gòu)ADAMS 模型Fig.5 ADAMS model of grain roughage separation mechanism

谷糙分離機(jī)偏心輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為256 r/min。對(duì)ADAMS 模型添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行仿真模型，得到篩面的加速度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖6 所示。由圖6 可知，偏心輪以256 r/min 勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，篩面加速度在-4.0×104～2.7×104mm/s2范圍內(nèi)變化，曲線變化平緩且無(wú)明顯拐點(diǎn)，表明谷糙分離機(jī)工作中無(wú)劇烈振動(dòng)現(xiàn)象。

圖6 篩體加速度時(shí)變曲線Fig.6 Acceleration curve of screen surface

4 結(jié)論

介紹了重力式谷糙分離機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，重點(diǎn)對(duì)偏心輪滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，分析了偏心輪滑塊機(jī)構(gòu)在不同極位夾角情況下最小傳動(dòng)角最大值和α角的關(guān)系。分析結(jié)果表明，機(jī)構(gòu)具有良好的傳動(dòng)特性，運(yùn)用ADAMS 建立谷糙分離機(jī)構(gòu)仿真模型并分析篩面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本研究為谷糙分離機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)的選擇提供了理論依據(jù)。