林蜀云 刘伟 张明

摘要 贵州省油菜种植以坡地小地块种植为主，同时一般都是冬季至春耕插秧闲置阶段种植，所以种植较为分散，这导致了油菜机械化种植难度大、中大型机械难以推广等问题。设计了一种小型油菜脱粒机，油菜脱粒机由脱粒滚筒组件、风机、振动筛、动力及传动组件等组成。该小型油菜脱粒机结构简单，重量轻，田间转移方便，作业效果良好，具有较高的推广价值。

关键词 油菜;脱粒机;柴油机;滚筒

中图分类号 S226.1文献标识码 A文章编号 0517-6611（2021）07-0208-04

Abstract The rape planting in Guizhou is mainly planted in small plots on sloping land， and it is generally planted in the stage of winter to spring， so the planting is scattered. This leads to large difficulty of mechanized planting of rape and the promotion difficulty of medium and large machinery. A small rape thresher was designed， including threshing drum assembly， fan， vibrating screen， power and transmission components and so on.The small rape thresher has the advantages of simple structure， light weight， convenient field transfer， good operation effect and high practical value.

Key words Rape;Thresher;Diesel engine;Drum

作者简介 林蜀云（1989—），男，重庆人，工程师，硕士，从事特色经济作物机械化收获研究。*通信作者，高级工程师，从事油菜全程机械化研究。

我国由于人口基数大，所以油料消耗较大，所以我国也是油菜生产大国，种植面积约占全世界油料种植总面积的32%。贵州省2020年油菜播种面积44.57万hm.2，产量达到77.25万t，但贵州以坡地小地块种植为主，同时一般都是冬季至春耕插秧闲置阶段种植[1]，所以种植分散，这导致了油菜机械化种植难度大、中大型机械难以推广等问题。由于油菜籽成熟期不一致，在这种背景下采用分段收获[2]。笔者设计了一款小型可移动油菜脱粒机，以期提升油菜的收获效率，降低劳动力成本。

1 脱粒机的工作原理及方案

1.1 脱粒机的工作原理

脱粒装置工作过程中的物理现象是比较复杂的，归纳起来，主要靠冲击﹑揉搓、梳刷等原理进行脱粒。结合油菜的脱粒特性，许江平[3]对2种不同脱粒分离装置进行了研究，在实际工作中油菜的脱粒方式宜采用冲击脱粒和揉搓脱粒相结合的脱离方式。

笔者设计的油菜脱粒机主要由喂入口、脱粒滚筒组件、风机、振动筛、动力及传动组件、机架等组件组成（图1），被割下的油菜经过一定时间的晾晒从脱粒机的喂入口喂入脱粒机的脱粒装置内，在由脱粒滚筒与凹板组成的脱粒间隙里受到反复的冲击与揉搓进行脱粒，被脱粒后的油菜籽和细小秸秆以及果荚壳通过凹板筛孔掉入由振动筛与风机组成的清选装置，进行清选。较大的秸秆和果荚以及夹带的一些油菜籽则通过机械的排出口排出，小杂余及夹带的油菜籽经排出口上的筛孔掉入下面的清选装置，与从凹板筛孔掉下的脱出物一同经受风机和振动筛的作用，进行清粮，小杂余被风机吹出机外，油菜籽进入集粮装置，排出口上的大脱出物被排出机外。

1.2 技术参数

外形尺寸长、宽、高分别为1 600、1 600、1 200 mm;配套动力3.3 kW（柴油发动机）;

喂入量0.2 kg/s;滚筒转速750 r/min。

2 关键零部件设计

2.1 传动设计

2.1.1 传动方案分析。

V带传动具有容易安装、占地面积小、有弹性、能够缓和冲击、吸收震动等一些优点，因此能适应农用机械工作环境恶劣、载荷变化大的情况，所以选用V带传动可使脫粒机工作平稳，同时可以降低噪音。如图2所示，原动机通过V带把动力传送到滚筒轴的一端，带动滚筒的转动进行脱粒做功，同时滚筒的另一端装有V带轮，把动力传到风机和振动筛，进行清选。

2.1.2 驱动功率估算。

脱粒装置在工作时，在运转稳定性较好，其功率总耗用N由三部分组成：其一用于克服滚筒空转而消耗的功率，其二用于脱粒功率，其三用于清选功率。总功率计算公式如下：

（1）脱粒功率消耗。

估算轴流式滚筒脱粒机滚筒消耗的功率为10 kW/（kg·s）[3]，该机设计的喂入量为0.2 kg/s。

选择由于脱粒机能在场上可以移动，所以不能用一般的电动机来作动力，而是要用柴油机或者汽油机来做动力，用KM-173F柴油发动机作为动力，其额定功率为3.3 kW。

2.2 脱粒滚筒结构设计

2.2.1 脱粒滚筒布置方式。

脱粒部分是整个脱粒机械的核心部分之一，油菜的脱粒效果及清选的难易程度与这一部分有关，这方面包含脱粒装置的类型、滚筒的形式、滚筒上脱粒元件的形式以及凹板的形式及包角、滚筒的尺寸及转速等。现在脱分装置的形式主要有轴流式和切流式2种。所谓切流式的脱粒是指作物从滚筒的切向喂入，脱粒后又从滚筒的切向排出，而轴流式脱分装置脱粒时则是作物沿轴向流动，从一端喂入，从另外一端排出杂质等（图3）。切流式脱分装置的优点是结构比较简单，能耗相对小，但脱净率不高。为便于作业及田间转场，采用径向喂入，径向排出作为脱粒装置布置形式。

2.2.2 脱粒滚筒结构设计。

滚筒直径直接影响脱粒的效果，若直径太小容易缠绕作物[4]，也使凹板分离面积减小，滚筒直径大则能适应大的喂入量。此次设计采用杆齿作为脱粒元件，在实际计算中要考虑到喂入油菜的茎秆包裹滚筒的包角α，应该满足以下条件：

α2π×πd≥Ld≥2Lα（6）

结合生产经验可知，喂入滚筒的长度（L）一般为400～650 mm，考虑到贵州油菜湿度大，这里设计取600 mm[5]。对于包角α，其大小与脱粒的质量和功耗有关。在一定范围内，包角α越大，脱粒效果越好，但脱粒的功耗增大，其中包角一般为150°～240°，以180°居多，故而：

d≥2Lα=2×600π=382 mm（7）

根據设计经验及贵州种植油菜作物特性[4]，选择滚筒直径为500 mm。脱粒间隙也是影响脱粒效果的重要因素之一，间隙小分离能力强，但茎秆破碎多，难分离，间隙大则有相反的优缺点，结合油菜的植株特点（其茎干直径一般为20 mm左右）和实际生产经验，确定此次设计的脱粒间隙为20 mm。

脱粒滚筒组件结构如图4所示。为避免脱粒的重量太大，滚筒的形式采用开式滚筒，由3个辐盘支撑，上面均匀分布6条横板，横板用螺栓固定在辐板上，横板上布置有脱粒杆齿，经比较发现采用圆柱杆齿较为合适，滚筒上的杆齿按螺旋线排列，同时确定杆齿的螺线头数为3，齿迹距为40 mm，齿距为80 mm，脱粒杆齿高度为60 mm，直径为12 mm。

2.2.3 栅条阻尼筛的结构设计。

阻尼筛决定了生产效率，决定喂入速度。此次设计采用栅格式凹板，主要由螺旋板、侧弧板和筛条等组成。栅条阻尼筛如图5所示。根据凹板直径与生产率的关系和实际生产情况，结合滚筒直径和脱粒间隙，此次设计选取的凹板直径为700 mm。

2.3 多级清选组件结构设计

清选装置的作用是将经过脱粒装置脱下和分离装置分出来的谷物混合物中的颖壳、碎茎等清除干净，将细小杂物排出机外，得到清洁的谷粒[6]。目前主要有气流式清选装置、风扇筛子式清选装置以及气流清选筒等。如图6所示，风扇筛子式清选装置主要包含风机和振动筛部分，振动筛与离心风机用于清除从滚筒中落下的油菜籽中细杂余，结合蔡婷婷等[4]对油菜分段收获脱粒清选实验以及稻麦脱粒机的清选装置，此次设计决定采用双层振动筛加离心风机的方法，振动筛及风机的各种参数根据油菜籽及杂余的参数进行设计。

2.3.1 双级清选筛结构设计。

油菜籽直径极小，虽然不同品种间存在差异，但直径不足1.5 mm，为取得较好的分离效果，设计为双层的振动筛上、下2层配置，参考徐立章等[7]及甘元芳[8]对油菜脱粒分离装置的研究成果，此次设计的上层筛子为开度10 mm的鱼鳞筛，下筛为直径4 mm的圆孔筛。上筛主要将破秸秆和残穗等分离出来，起粗筛的作用;下筛主要选出干净的油菜籽，起精筛作用，2层筛间隔100 mm。如图7所示，振动筛的一端和曲轴连接，另一端用吊杆连接在机架上，通过曲轴的转动来实现振动筛架的往复运动。

振动筛面积设计：

A=BL=Qs/qs（8）

式中，B为筛的宽度，对于横轴流滚筒脱粒机，B接近于脱离装置的宽度，这里取800 mm;

Qs为进入清粮装置谷粒混合物料的重量，为0.2 kg/s;

L为筛子的长度，单位为mm;

qs为筛面可以承担谷粒混合物的喂入量，单位为kg/s;可调鱼鳞筛直径为1.5～2.0 mm，不可调筛子则为可调筛子的50%。

代入数据，得到A=0.5。

由此可确定上筛鱼鳞筛长为650 mm，下筛一般比上筛略短（500 mm）。

根据上述结果确定吊杆长度为100 mm，综合考虑振动幅度可知曲柄的长度（r）一般为23～30 mm，试验取25 mm，而连杆长度大于筛网长度，故而曲轴半径远小于连杆长度，因此可认为筛子做直线摆动。

为保证有较好的清选效果，筛网倾斜角度应小于油菜种子的休止角（摩擦角），查阅相关资料可以确定油菜种子休止角最小为16.0°，考虑到效率取13°[9]。

2.3.2 风机选型计算。

通过测定油菜脱出物中各物料的悬浮速度可知，角果壳的悬浮速度为5.4～6.1 m/s，低于油菜籽的悬浮速度

（6.3～7.0 m/s），而短茎秆的悬浮速度（65～7.3 m/s）大于油菜籽的悬浮速度（6.3～7.0 m/s），但短茎秆直径大，可以通过一级振动筛清洗分选，角果壳可以通过二级振动筛分离。鉴于以上情况，最佳气流速度为5～6 m/s。

风选机构采用农机中广泛使用的农用型风机，双面进气，叶片平直，外形为切角矩形，这样能使气流沿出口宽度方向的不均匀性别得到改善，壳体采用圆筒形。

2.4 机架结构设计及模态分析

设计机架采用40 mm×40 mm×3 mm方形管焊接成型，由于振动筛为曲柄驱动，并且也将产生周期波动载荷。为了保证机架寿命[10]，对机架进行模态分析，一、二、三、四、五、六、七、八阶频率分别为31476、41.342、50.149、62.158、73.662、78.821、93.853、97724 Hz。在模态分析中，低阶模态所占权重最大，高阶模

态能量占比较低，因此对该机架前8阶模态重点分析（图8）。最高自有频率为97.724 Hz，而振动筛工作频率最低为350 Hz，故而不易发生共振。

3 结论

笔者根据贵州生产状计及山地丘陵特色的情况，设计了小型油菜脱粒机，结构简单，重量轻，田间转移方便，作业效果良好。脱粒结合大量前人设计经验，清选采用二级振动筛配合风选的方式[11]，技术成熟，保证了作业效果，具有较高的推广价值，且生产成本相对较低。

参考文献

[1] 刘敏，张明.5TG-100型油菜脱粒机的改进及性能测试[J].农机化研究，2016，38（1）：155-158.

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[3] 许江平.油菜脱粒分离装置的研究及参数优化[D].镇江：江苏大学，2007.

[4] 蔡婷婷，王生财，李骅，等.脱粒后油菜物理参数的测定分析[J].江西农业学报，2013，25（7）：105-107.

[5] 陈亦开，汪萌生，李佳玲，等.小型家用油菜脱粒机的设计[J].湖州师范学院学报，2016，38（2）：31-34.

[6] 郝俊发，韩增德，刘贵明，等.玉米脱粒机清选装置的研究现状及发展趋势[J].安徽农业科学，2016，44（5）：322-324，330.

[7] 徐立章，李耀明，马朝兴，等.4LYB1-2.0型油菜联合收获机主要部件的设计[J].农业机械学报，2008，39（8）：54-57，88.

[8] 甘元芳.小型可移动式油菜脱粒机研究[D].长沙：湖南农业大学，2016.

[9] 杨洋.4LZY-7型油菜联合收获机的设计与研究[D].兰州：甘肃农业大学，2019.

[10] 汪泽.TD-48型油菜脱粒机[J].农业装备技术，2009，35（4）：53.

[11] 汤庆，吴崇友，王刚，等.油菜联合收获脱粒损失试验研究[J].农机化研究，2019，41（6）：205-208.