王可新

(黑龙江省农业机械工程科学研究院 绥化分院，黑龙江 绥化 152054)

0 引言

近年来，随着国家惠民政策推广实施，农业生产得到飞速发展，薯类产业规模不断扩大，薯类作物营养丰富，富含淀粉、 膳食纤维、 维生素及矿物元素等成分，经济实惠， 在改善居民膳食营养结构， 提高全民健康素质，保障国家粮食安全等做出了重要贡献。2014 年，中国薯类种植面积约为1 100万hm2，总产量达1.64亿t[1]。目前，中国薯类(甘薯、马铃薯)的种植面积和产量均居世界首位。薯类作物在种植面积和产量提高的同时，薯类产业也实现不断发展，薯类加工业的发展对促进中国农业持续增效、农民持续增收及现代农业可持续发展具有不可替代的作用[2]。薯类作物的收获期时间短、工作紧，任务繁重，而清洗工作在薯类产业中是必不可少的环节，这一环节对薯类产品的后续加工和品质保障非常重要，如何提高薯类清洗质量这一研究越来越受到人们的重视。市场现有的薯类清洗机动力消耗大，效率低，清洗效果差，急需研究、生产一种新型高效的薯类清洗机。

1 工作原理和主要参数

1.1 工作原理

螺旋薯类清洗机主要包括电机、减速器、轴承座、滚筒组合、接杂架、机架和传动机构。图1为螺旋薯类清洗机结构主视图，图2为螺旋薯类清洗机结构侧视图，其中滚筒组合包括：滚筒轴、滚子链、内挡板、筛孔滚筒、外挡板、集杂滚筒、支撑梁、加强板。图3为螺旋薯类清洗机滚筒组合结构主视图，图4为螺旋薯类清洗机滚筒组合结构侧视图。

1.电机;2.减速器;3.轴承座;4.滚筒组合;5.接杂架;6.机架图1 螺旋薯类清洗机结构主视图

1.电机;2.减速器;3.轴承座;4.滚筒组合;5.接杂架;6.机架图2 螺旋薯类清洗机结构侧视图

1.滚筒轴;2.滚子链;3.内挡板;4.筛孔滚筒;5.外挡板;6.集杂滚筒图3 螺旋薯类清洗机滚筒组合结构主视图

1.滚筒轴;2.滚子链;3.内挡板;4.筛孔滚筒;5.外挡板;6.集杂滚筒;7.支撑梁;8.加强板图4 螺旋薯类清洗机滚筒组合结构侧视图

螺旋薯类清洗机由电机提供动力，通过电机轴和减速器输入轴上的皮带轮带动减速器，减速后由减速器输出轴上装配的链轮与滚筒组合上固定的滚子链啮合，带动滚筒组合旋转运动。工作时，薯类作物经水流输送进入螺旋薯类清洗机进行清洗。直径小于筛孔滚筒圆孔的杂物和直径大的杂物，分别在筛孔滚筒外挡板和内挡板的作用下，逆水流方向前进并落入集杂滚筒，还有一小部分落入集杂滚筒外的杂物通过集杂滚筒外的弹性刮板刮入集杂滚筒；所有收集的杂物汇集经接杂架一同排除，工作性能稳定，清洗效率高、操控方便，节约作业成本。

1.2 主要参数

外型尺寸: 2 645 mm×2 704 mm×2 400 mm；

配套电机动力:2.2 kW；

滚筒组合转速:36 r·min-1；

工作效率:150 t·h-1；

洗净率:≥95%。

2 性能特点

研究设计了一种螺旋薯类清洗机，通过对清洗机的结构设计和优化配置，具有以下工作性能：

1)该机采用了结构化设计理念，由主要工作部件组装而成，有利于部件的安装和调整，使加工更合理并能提高稳定性。

2)动力配置合理。由电机提供动力传递主工作部件的动力传递方式。动力传递性平稳，可靠性准确，有效避免动力散失。

3)结构紧凑，受力均衡，提高机具的使用寿命。

4)通过杂物大小分序清洗薯类作物，工作性能稳定，清洗效率高、操控方便，节约作业成本。

3 关键部件结构设计

3.1 机架设计

机架采用框架结构，包括电机、减速器架和滚筒组合主架，主要用于固定电机、减速器、滚筒、接杂架。电机和减速器先后固定于机架左前方，电机提供动力通过皮带轮带动减速器，并与减速器输出轴上的链轮与滚筒组合上固定的滚子链啮合，带动滚筒组合及各工作部件运转，衔接紧凑，性能稳定、可靠。

机架通过型钢和钢板焊接而成，滚筒组合主架上端面由角钢焊制边框，边框左右两端角钢上方焊接方管，滚筒组合与轴承座装配后固定在方管上，前、后两侧和底部焊接一大一小两块半圆筒型挡板，用于挡住滚筒组合漏下的直径小于筛孔滚筒圆孔的杂物，落到筛孔滚筒外的杂物通过水流被汇集到集杂滚筒下方的半圆筒挡板后，集杂滚筒旋转作业时由集杂滚筒上焊接的弹性刮板予以排除，圆筒的右端面下侧固定有侧板，侧板设计有薯类作物入口，材料为钢板，薯类作物通过水流冲洗送入清洗机入口侧板。电机、减速器架焊接在滚筒组合主架左前方，电机、减速器架的上端面为电机减速器的座梁，由槽钢和钢板焊合而成，座梁上方固定电机和减速器，座梁下方焊接电机、减速器架的支撑梁，由角钢结构组合构成。

3.2 滚筒组合设计

滚筒组合主要由滚筒轴、滚子链、内挡板、筛孔滚筒、外挡板、集杂滚筒、支撑梁、加强板组成，如图3、图4所示，滚筒组合的筛孔滚筒焊合和集杂滚筒焊为一体，筛孔滚筒为表面带有圆孔的圆筒，其内、外部分别焊接均布螺旋结构内挡板和外挡板，筛孔滚筒通过内挡板和外挡板结构作用，逆水流方向前进运送杂物；集杂滚筒焊有隔板、外收集槽、滚筒侧板、滚筒围板和弹性刮板，螺旋薯类清洗机集杂滚筒结构如图5所示,滚筒侧板和滚筒围板焊接成圆筒型滚筒，外收集槽均布焊接在滚筒侧面，其中直径小于筛孔滚筒圆孔的杂物漏到筛孔滚筒外，在筛孔滚筒外挡板的作用下，逆水流方向前进落入外收集槽后被汇集排除；隔板均布焊接在滚筒内侧，可以把筛孔滚筒外挡板和内挡板收集的杂物在集杂滚筒内运送并汇集，经接杂架一同排除。弹性刮板焊接在集杂滚筒上的刮杂口处，在滚筒围板上设有均布的矩形型孔，弹性刮板的材料是弹簧钢，弹性刮板与集杂滚筒的焊接点与集杂滚筒切线角度为30°，有利于收集小部分落入集杂滚筒外的杂物并排除。

1.弹性刮板;2.滚筒侧板;3.隔板;4.外收集槽;5.滚筒围板图5 螺旋薯类清洗机集杂滚筒结构图

滚筒轴通过加强板和支撑梁焊接在滚筒组合中心，并且滚筒轴两外端面分别与滚筒组合的筛孔滚筒、集杂滚筒两外端面垂直距离相等，滚筒组合通过滚筒轴的两侧轴承径分别与轴承座装配后，固定于机架两侧方梁上。

滚子链的链节依次首尾挂接并焊接在滚筒组合的筛孔滚筒的左端圆筒外侧，焊后的滚子链与筛孔滚筒的左端面平行。

滚筒组合内挡板为弹性扁钢，共3件均布螺旋焊接在筛孔滚筒内侧，并与滚筒组合中心成34°3′焊合，内挡板的首端点与外挡板的尾端点连线与滚筒组合中心平行。

滚筒组合外挡板为弹性扁钢，共3件均布螺旋焊接在筛孔滚筒外侧，并与滚筒组合中心成32°11′焊合，外挡板尾端对着集杂滚筒外杂口。

4 传动机构设计

传动机构主要由电机、皮带轮、减速器、链轮、滚子链组成。螺旋薯类清洗机由电机提供动力，通过电机轴和减速器输入轴上的皮带轮带动减速器，减速后由减速器输出轴上装配的链轮与滚筒组合上固定的滚子链啮合，带动滚筒组合旋转运动。清洗机搅拌器运转率，即滚筒组合消耗功率P。

搅拌器运转功率计算

P=ξm×ρ×n×di

(1)

式中ξm—常数项；

ρ—液体密度，kg·m-3；

n—叶片转速， r·min-1；

di—叶片直径，mm。

取ξm=0.000 32，ρ=1 000 kg·m-3，n=36 r·min-1，di=0.16 m，代入公式(1)计算得P=1.84 kW。

电机功率计算

PN=(P+PS)/η

(2)

式中PN—电动机功率， kW；

P—搅拌器功率， kW；

PS—轴封装置的摩擦损失功率， kW；

η—传动装置的机械效率。

取PS=0.05 kW，η=0.87，代入公式(2)计算得PN=2.17 kW。

实际值要大于理论值比较可靠，而且根据计算出来的功率大小，来查找匹配的三相异步电动机，选择电机功率为 2.2 kW 的比较合理。

影响搅拌器功率的因素有介质浓度、叶片直径、叶片角度、叶片转速。一般情况下介质浓度、叶片直径、叶片角度固定不变，叶片转速即滚筒组合的转速直接影响搅拌器运转功率，从而影响电机功率。用滚筒组合转速作为试验因素对洗净率和功率的影响关系进行测试，测试的期望值是洗净率高且功率低，经综合实验与理论计算取其综合值最佳时，其作业效果最优，选择最理想的电机。如图6为螺旋薯类清洗机滚筒组合转速对洗净率、功率的影响图。

图6 螺旋薯类清洗机滚筒组合转速对洗净率、功率的影响

由图6可知，滚筒组合转速24 r·min-1时，螺旋薯类清洗机洗净率85%,功率1.6 kW；滚筒组合转速28 r·min-1时，螺旋薯类清洗机洗净率89%，功率1.9 kW；滚筒组合转速32 r·min-1时，螺旋薯类清洗机洗净率93%，功率2.1 kW；滚筒组合转速36 r·min-1时，螺旋薯类清洗机洗净率95%,功率2.2 kW；滚筒组合转速40 r·min-1时，螺旋薯类清洗机洗净率94%,功率2.3 kW；之后随着转速提高洗净率逐渐降低，消耗功率逐渐升高。滚筒组合转速在24～56 r·min-1范围增速时，洗净率逐渐上升，达到峰值后，再下降，功率不断上升，滚筒组合转速为36 r·min-1时，洗净率升到最高值95%，功率达到2.2 kW,此时，清洗效果最好，功率较高。

5 作业参数的影响因素分析

优化作业参数可提升作业可靠性和适应性，通过螺旋薯类清洗机滚筒组合转速对洗净率和工作效率的影响规律，得到符合作业要求的作业参数。用滚筒组合转速作为试验因素对洗净率及工作效率的影响关系进行测试，测试目标是提升洗净率和工作效率，经综合实验与理论计算取其综合值最佳时，其作业效果最优。图7为螺旋薯类清洗机滚筒组合转速对洗净率、工作效率的影响。

图7 螺旋薯类清洗机滚筒组合转速对洗净率、工作效率的影响

由图7可知，滚筒组合转速24 r·min-1时，螺旋薯类清洗机洗净率85%,工作效率82 t·h-1；滚筒组合转速28 r·min-1时，螺旋薯类清洗机洗净率89%,工作效率96 t·h-1；滚筒组合转速32 r·min-1时，螺旋薯类清洗机洗净率93%,工作效率133 t·h-1；滚筒组合转速36 r·min-1时，螺旋薯类清洗机洗净率95%,工作效率150 t·h-1；滚筒组合转速40 r·min-1时，螺旋薯类清洗机洗净率94%,工作效率163 t·h-1；之后随着转速提高，虽工作效率逐渐升高，但洗净率逐渐降低。滚筒组合转速从24～56 r·min-1，洗净率先上升再下降，工作效率不断上升，滚筒组合转速为36 r·min-1时，洗净率升到最高值95%，工作效率达到150 t·h-1,此时洗净率和工作效率接近，清洗效果最好，工作效率较高。

6 结论

研究设计了一种螺旋薯类清洗机，通过对清洗机关键部件的结构设计和主要工作部件的优化设计、试验，并对试验结果汇总分析，完成整机的结构布局和设计,经试验和理论分析，获得了如下结论：

1)螺旋薯类清洗机可以将薯类作物表面的泥土进行分序清洗，经输送、汇集后一同排出，显著降低劳动强度和提高劳动生产率，减轻薯类前期加工的繁重工作压力，有利于促进后续加工和品质保障。

2) 转速配置合理，整体结构优化设计，适应多种作业条件，洗净率高，减少环境污染，油耗小，作业质量高，可靠性好，是薯类作业理想的配套农具。

3)通过试验和分析，当螺旋薯类清洗机的滚筒组合转速为36 r·min-1时，洗净率95%，工作效率达到150 t·h-1，清洗效果最好，可靠性高，综合各方面条件最优。