-6-1緒論1.1研究目的意義中國是一個農業(yè)大國，但中國農業(yè)現代化與機械化卻不在世界領先行列，因此滯后的農業(yè)技術引起了國家的重視。農業(yè)作為國家的立足之本，近些年來，農業(yè)機械技術的更新與裝備的普及讓越來越多的農民勞動強度降低，在我國隨著農用裝備的大面積普及，農用機械的發(fā)明和制造都有非?？捎^的市場，農業(yè)機械化代表著先進的農業(yè)生產力REF_Ref25600\r\h[1]。目前，全球農業(yè)機械化存在較大的差距，歐美與日本等發(fā)達的地區(qū)的農業(yè)裝備在自動化等方面都比較發(fā)達，誕生出諸如美國的約翰迪爾，CHN，日本的久保田等。而中國的農機公司卻鮮有出現在榜，這說明我國的農機研究目前處于平穩(wěn)期，近年來對于玉米收獲裝置長期處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)[2-4]。玉米脫粒裝置是我國糧食主要收獲機械之一，我國農業(yè)機械的發(fā)展離不開玉米脫粒裝置的開發(fā)。目前來說，玉米脫粒裝置仍然是農民收獲玉米收納柜用率最高的機械，我國對于玉米脫粒裝置的研究以及制造已經有幾十年的歷史了，國內有幾百家玉米脫粒裝置的生產廠家，它們分布在全國各地。對于大型玉米脫粒裝置的生產制造，這些工廠主要集中在東北三省，生產的產品有著結構設計較為合理、技術穩(wěn)定性高、實現多功能等特點，適用于大規(guī)模商品化玉米脫粒生產。小型玉米脫粒裝置大都是由我國南方地區(qū)的農機企業(yè)生產的，其結構較為簡單，技術含量比較低，適用于庭院或田間地頭等脫粒作業(yè)環(huán)境[5-6]。但無論是大型收割機械還是小型脫粒裝置，清選率低，損失率高一直是國內機械主要的問題。同樣的，我國玉米收獲機與玉米收割機的工作效率較低，且發(fā)展緩慢，使用機型以背負式為主，工藝落后、生產效率低、收獲損失大等問題已經成為制約我國玉米生產的主要因素之一。截止至2021年，我國玉米收割機機收水平為78.89%，對比小麥與水稻的98%與95%來說，仍然有著較大的進步空間。然而，美國、德國、日本等發(fā)達國家早在20世紀60年代初期已經基本實現了玉米收獲的全程機械化并朝著大型化、自動化、現代化和精準化方向發(fā)展[7-9]。與其他糧食作物相比，玉米的產量更高，對環(huán)境要求更低。在我國北方，尤其是在東北地區(qū)，玉米的種植面積占全國的31.2%，在黑龍江省，玉米的種植面積更是達到了50%左右。在全國范圍內，玉米的種植面積也僅是低于水稻。我國作為農業(yè)大國，在國際上出口的玉米量是十分巨大的，相鄰國家如日本、韓國等因環(huán)境與地理位置等因素導致玉米產量無法滿足需求，因此它們存在巨大的玉米供需缺口，成為著名的玉米進口地區(qū)。同時，我國的玉米單產量仍然有巨大提升空間。由于我國自然環(huán)境優(yōu)越，適合玉米生長，而且玉米生產成本比較低REF_Ref26048\r\h[10]。隨著玉米產量的增加，對于玉米脫粒裝置的工作負擔也是逐漸加重，對于已經收獲的玉米應該進行及時的脫粒，防止玉米堆積造成部分籽粒的發(fā)霉變質，受潮發(fā)芽等情況的發(fā)生，造成農戶的經濟損失，對于東北地區(qū)，尤其是黑龍江省來說進行玉米脫粒裝置的改良勢在必行，在黑龍江省有7成以上的農戶家中有玉米圖脫粒裝置，制造出除雜率更高的脫粒裝置對于黑龍江省的農業(yè)有著相當積極的作用。國外關于玉米脫粒裝置的研究已經趨于完整，對于玉米的播種到收獲已經有一套成熟完整的自動化過程，對于不同的情況，國外脫粒裝置是通過控制下凹板的間隙與滾筒的轉速來調節(jié)脫粒過程[11-12]。而對于國外的機械也不能直接適用在我國的田間情況，對于一些大型的機械來說并不適用于我國農村中田間狹窄的道路，同時價格方面也很昂貴，不利于進行大規(guī)模的使用。因此考慮到上述情況，為農戶設計一種有效分離玉米梗與玉米粒，并能有效除雜和清選的脫粒裝置。目前國內的戶用玉米脫粒裝置大多數都沒有考慮到移動便捷，所以本次設計的玉米脫粒裝置應盡量做到輕便，移動方便，操作簡單等，適用于農戶使用的特點[13-15]。1.2玉米脫粒裝置的國內外現狀（1）國外研究現狀19世紀中葉，國外已經出現了玉米脫粒裝置的技術，當時美國和歐洲的一些國家開始設計和制造用于農業(yè)生產的玉米脫粒裝置。隨著時代的進步，科技的發(fā)展，國外的玉米脫粒裝置已經做到了有人工向全自動的轉變。目前，國外的玉米脫粒裝置以裝配GPS,農田管理技術，遙感技術等，可以應付多地形，多情況，甚至部分地區(qū)已經可以做到低人工甚至是零人工REF_Ref30117\r\h[16]。下面介紹幾款國外比較具有代表性的玉米脫粒裝置機型1）JohnDeere玉米脫粒裝置約翰迪爾是著名的農業(yè)機械制造商，生產玉米脫粒裝置用于高效收獲玉米。生產的脫粒裝置采用較為先進的技術并且玉米具有自動化控制系統(tǒng)，能快速分離玉米粒，同時人力資源消耗的較低，被廣大農民與農場主所青睞。同時，耐用性與高適用性也是他們玉米脫粒裝置的一大特點。總之，約翰迪爾在國內外都是很受歡迎的農業(yè)機械廠商。圖1-1為該廠生產的Y215型玉米聯合收割機。圖1-1Y215型玉米聯合收割機2）CaseIHAxial-Flow玉米脫粒裝置CaseIH是另一家知名的農業(yè)機械制造商，其Axial-Flow玉米脫粒裝置是一款用于玉米收獲的設備，它使用了先進的軸流技術。和約翰迪爾公司相同的是它們都有自動控制式的脫粒系統(tǒng)，也可以根據不同條件調節(jié)脫粒速度和效率，從而提高生產效率并減少能源消耗。這個型號的脫粒裝置也有著優(yōu)秀的頭部收獲與清理裝置，同樣在國外農機市場較受歡迎。型號如圖1-2：圖1-2IH軸流2188-通用機型國內研究現狀a)手動式玉米脫粒裝置b)電動式玉米脫粒裝置c)柴油式玉米脫粒裝置脫粒裝置在中國已廣泛應用數十年，年產量約30萬臺。全國有超過500家生產脫粒裝置的企業(yè)。大型玉米和水稻脫粒裝置主要生產在東北三省，這些脫粒裝置結構合理、技術含量高，適合商業(yè)化作業(yè)。小型稻麥和玉米脫粒裝置多生產在南方，通常是簡易脫粒裝置升級版，結構簡單，技術含量低，適用于個體農戶工作。我國在20世紀70年代時研制出第一款玉米脫粒裝置，到80年代初引進的種子加工設備，隨后開發(fā)出了揉搓式和擠搓式。2007年，沈陽農業(yè)大學還成功研發(fā)了差速式玉米脫粒裝置。近些年來，我國脫粒裝置的樣式主要集中在手動式，電動式，汽油（柴油）式，結構如圖1-3：圖1-3國產玉米脫粒機種類隨著科技的發(fā)展，我國同樣出現許多知名的農業(yè)機械公司如：1）中國一拖牌玉米脫粒裝置：這是中國一拖集團生產的玉米脫粒裝置，具有穩(wěn)定的性能和高效的脫粒能力。2）東風牌玉米脫粒裝置：由東風農業(yè)機械集團設計制造，具有簡單易操作的特點，適用于不同規(guī)模的農田玉米收獲。3）云南紅牛玉米脫粒裝置：云南紅牛機械有限公司生產的玉米脫粒裝置，適用于云南地區(qū)的玉米種植環(huán)境，具有良好的適應性和性能穩(wěn)定性。（3）國內研究存在問題通過對國內外玉米脫粒裝置的分析來看，可以發(fā)現目前國內采用的研究方法包括高速攝影、仿真分析和試驗分析等先進技術REF_Ref30241\r\h[17]，盡管如此，這些方法對比國外還是有很大的差距。我認為問題主要出現在以下幾個方面：1）研究方法急需創(chuàng)新；在我們目前在設計玉米脫粒裝置或是聯合收割機時，不論是設計思路，還是設計的過程都缺乏新意，主要還是依靠我國目前的思路并結合國際現有的步驟來制造。2）設備的精確度不夠：雖然說我們與國外用了類似的方法，例如高速攝影，仿真模擬等，但在設備的精確度方面，以及仿真軟件的全面性，便捷性方面甚至于可靠性對比國外方面還是有很多不足的，在試驗分析上往往做很多無效功，應盡早提煉出有影響的因素，降低試驗次數與成本REF_Ref30597\r\h[18]?？傊衩酌摿Ｑb置的研究與開發(fā)仍需進一步的創(chuàng)新和精細化。即使已經使用了相似的硬件和軟件，但研究方法仍然局限。在未來進行制造的過程中，我們應該盡量提高數據的精確度，并降低成本，以及盡量做到低能耗，低污染，爭取做到制造出適應多種環(huán)境，不同的玉米脫粒裝置。1.3研究內容在綜合研究國內外玉米脫粒裝置研究現狀的基礎上，針對我國小型玉米脫粒裝置種類不足的問題，設計一種紋桿式的玉米脫粒裝置，其能夠保證在脫粒過程中降低玉米粒的破損，提高脫粒效率。本文其主要研究內容及方法如下：（1）玉米脫粒裝置的脫粒部分的研究與設計。在了解玉米脫粒裝置的脫粒過程及脫粒紋桿和脫粒滾筒的脫粒原理后，利用solidworks進行整機設計，并對關鍵部件脫粒滾筒，脫粒原件，下凹板進行了設計研究。（2）對關鍵部位脫粒元件以及脫粒滾筒進行有限元分析。通過觀察關鍵部件的受力分布狀況，進而優(yōu)化其結構理論設計，確定應力與變形狀況是否滿足該機構設計要求；工作過程中的震動是否會導致紋桿的變形損壞。（3）對脫粒滾筒進行模態(tài)分析，驗證在脫粒裝置工作產生振動時，脫粒滾筒是否會發(fā)生共振的現象，導致滾筒整體發(fā)生變形，驗證滾筒能否正常工作。1.4研究的技術路線本文研究的技術路線如圖1-4所示。圖1-4研究的技術路線圖

2玉米脫粒裝置的種類與工作原理市面上的玉米脫粒裝置種類的分類方式大體分為以下四種；果穗的相對運動情況、脫粒工作元件、脫粒原理、機器規(guī)格。2.1按機器規(guī)格分類2.1.1微型玉米脫粒裝置在微型玉米脫粒裝置的工作過程中，操作人員需要將經過剝皮處理的單個玉米果穗手動或自動地送入機器入口。隨后，這些玉米果穗會被送入脫粒箱進行脫粒操作，處理完成后排出。因此，這種類型的玉米脫粒裝置也被稱為單穗玉米脫粒裝置[19-20]。因此這種類型的玉米脫粒裝置也會被稱作是單穗玉米脫粒裝置。微型玉米脫粒裝置結構如圖2-1：圖2-1微型玉米脫粒裝置2.1.2小型玉米脫粒裝置在小型玉米脫粒裝置的工作過程中，通常使用電機作為動力源。相較于微型玉米脫粒裝置，小型玉米脫粒裝置已經具備了清選的功能REF_Ref26217\r\h[21]。由于其結構簡單，更容易在工作過程中因操作人員疏忽造成俺去那事故，因此需要在脫粒裝置工作過程中更加注意安全。小型玉米脫粒裝置結構如圖2-2：圖2-2小型玉米脫粒2.1.3中型玉米脫粒裝置中型玉米脫粒裝置在進行脫粒作業(yè)時，通常需要人工喂入玉米果穗到入料斗，經過脫粒、清選、分離等處理后排出。這種機器通常用于大面積的玉米種植區(qū)域，尤其被廣泛應用于東北地區(qū)的玉米種植中，與微型與小型相比有更高的工作效率，更少的人力資源。但在操作過程中會產生極高的噪音，并且籽粒破碎率較高REF_Ref26309\r\h[22]。結構如圖2-3：圖2-3中型玉米脫粒裝置2.1.4大型玉米脫粒裝置大型玉米脫粒裝置是一種專門用于玉米脫粒作業(yè)的設備，通常適用于大規(guī)模的玉米種植區(qū)域REF_Ref26919\r\h[23]。它通常具有更高的處理能力和效率，能夠快速而有效地完成玉米脫粒、清選和分離等工作。然而，與中型玉米脫粒裝置相比，大型玉米脫粒裝置的投資和運行成本通常更高。結構如圖2-4：圖2-4大型玉米脫粒裝置2.2按脫粒原理分類脫粒原理可以按照幾種類型分類：打擊原理玉米脫粒裝置、碾壓原理玉米脫粒裝置、擠搓原理玉米脫粒裝置REF_Ref24457\r\h[24]等。以下是幾個例子：2.2.1打擊式玉米脫粒裝置打擊式玉米脫粒裝置是令玉米果穗通過旋轉的打粒裝置，包括錘片或打桿等，通過旋轉產生的大的沖擊將籽粒從果穗上打落，從而實現脫粒，此方法脫凈率相對較高，但在脫粒過程中會對玉米種子產生巨大的傷害，也會導致種子的破損率高。圖2-5為兩種打擊式脫粒裝置。（1）紋桿式（2）軸流式圖2-5打擊式玉米脫粒裝置2.2.2碾壓式玉米脫粒裝置玉米穗經脫粒裝置入料口進入后，經過一對旋轉的輥子，其中一個是凹凸不平的輥子，另一個是平滑的輥子。這兩個輥子之間的間隙可以調節(jié)。當玉米穗通過這對輥子時，輥子的旋轉會將玉米穗中的玉米粒與玉米殼分離開來。凹凸不平的輥子上的凸起部分會將玉米穗中的玉米粒擠壓出來，而平滑的輥子則幫助將玉米殼留在輥子間隙中?？偟膩碚f，是通過以擠壓的方式，使鮮食玉米果穗的籽粒與芯棒間產生相對移動，使外部壓力超過二者的連接力，實現脫粒。這種方法只適用于含水量較低的種子脫粒，對于含水量較高的種子，該方法會導致種子更容易破損REF_Ref27138\r\h[25]。結構如圖2-6所示。2.2.3切削式玉米脫粒裝置當果穗進入脫粒裝置后，切割裝置中的刀片會進行旋轉，而切削式脫粒裝置的脫粒部分包括刀片和切割板，當刀片將果穗切成塊狀后，切割板會將玉米殼和玉米粒相分離，從而實現分離。總的來說,通過切削作用，切削式玉米脫粒裝置能夠高效地將玉米粒與玉米殼分離，實現快速脫粒的過程。結構如圖2-7。圖2-6碾壓式玉米脫粒裝置圖2-7切削式玉米脫粒裝置2.3按玉米果穗在脫粒滾筒內運動方向分類按照玉米果穗相對玉米脫粒裝置的脫粒滾筒的運動方式，可以對玉米脫粒裝置進行如下分類，可以分為圓錐螺旋型玉米脫粒裝置、圓柱螺旋型玉米脫粒裝置、軸流型玉米脫粒裝置以及切流型玉米脫粒裝置這幾種不同的類型。2.3.1切流式玉米脫粒裝置切向流滾筒式脫粒裝置在使用過程中穗稈都是沿滾筒圓周的切線方向流動。包括三種紋桿滾筒式；釘齒滾筒式；雙滾筒式。脫粒和分離質量較好，谷粒的損傷也很少。但構造復雜，所需功率大，莖稈斷碎也多。由于切流式脫粒裝置出現的相對較早REF_Ref27246\r\h[26]，因此，與其他類型玉米脫粒裝置相比，這種切流型玉米脫粒裝置仍然存在著脫凈率低，分離效果差的問題，為了應對這種問題，采取了增加風扇等除凈裝置，進一步增加除凈率。切流型玉米脫粒裝置的結構如圖2-8所示。2.3.2軸流式玉米脫粒裝置軸流式軸流滾筒式脫粒裝置則在其滾筒的頂蓋或外殼內設有螺旋導板，當穗稈喂入后，一面隨滾筒作圓周運動，一面在導板的引導下沿滾筒作軸向移動。因此，與切流式玉米脫粒裝置相比，軸流式玉米脫粒裝置的脫粒時間更長，因此其脫粒和分離的效果更好。在裝有這種脫粒裝置的玉米聯合收獲機上，不需要單獨設立分離裝置，可以減少聯合收割機的體積，降低成本REF_Ref27318\r\h[27]。結構如圖2-9所示。圖2-8切流型玉米脫粒裝置圖2-9軸流型玉米脫粒裝置2.3.3圓錐螺旋型玉米脫粒裝置脫粒裝置的工作原理是通過螺旋輸送器將玉米穗輸送至機殼內部，通過機殼內的脫粒裝置實現將玉米粒與玉米棒料分離。脫粒裝置通常由旋轉的擠壓輥和對輥組成，通過壓榨和摩擦的方式將玉米粒從玉米棒上脫落。這個類型的玉米脫粒裝置廣泛應用于農業(yè)生產中的玉米脫粒環(huán)節(jié)，分離的效果更好，提高工作效率[28]。結構如圖2-10所示2.3.4圓柱螺旋形玉米脫粒裝置圓柱螺旋形玉米脫粒裝置在工作時，當玉米穗進入脫粒裝置時，圓柱螺旋型玉米脫粒裝置利用鼓筒和螺旋輸送器的作用下分別進行軸向運動與切向運動，將玉米穗與玉米粒進行有效分離。與圓錐螺旋型相似的是，圓柱螺旋型可以實現自動入料，排料。其次，這種玉米脫粒裝置也可以同時實現喂料，脫粒，篩選等操作，實現操作的簡便性。由于設備脫粒的簡單性，因此在工作時可以節(jié)約能耗。但這種脫粒方式會導致玉米在脫粒時，籽粒收到設備給的分離的力會很大，導致玉米粒受損較大，導致損失較多。同時，破碎的籽粒會將篩口堵住，導致設備不能正常的工作REF_Ref29496\r\h[29]。圓柱螺旋形脫粒裝置分為軸向喂入式與徑向喂入式。結構如圖2-11所示：圖2-10圓錐螺旋型玉米脫粒裝置圖2-11圓柱螺旋型玉米脫粒裝置2.4按工作元件分類在農戶進行的玉米脫粒過程中，玉米粒的低破損率，以及較高的除雜率是很有必要的，因此一個良好的脫粒原件是實現這些條件的基礎。接下來將介紹一下紋桿式滾筒玉米脫粒裝置以及釘齒式玉米脫粒裝置REF_Ref29806\r\h[30]。2.4.1釘齒式玉米脫粒裝置釘齒式玉米脫粒裝置是一種軸流式的玉米脫粒裝置械，通過釘齒滾筒的旋轉，結合錘片和釘齒的碰撞摩擦，對玉米進行擠搓作用，實現玉米棒的脫粒過程。同時鮮食玉米果穗之間由于脫粒滾筒的旋轉運動可以相互進行擠搓，從而實現鮮食玉米籽粒與芯棒的分離。這種脫粒裝置可以大幅度降低人力資源，提高工作效率，多適用于農戶農田的脫離工作。滾筒結構見圖2-12圖2-12釘齒式玉米脫粒裝置釘齒滾筒簡圖2.4.2紋桿式玉米脫粒裝置紋桿式玉米脫粒裝置出現的時間很早，早在18世紀，紋桿式玉米脫粒裝置就已經被人們投入使用。紋桿式脫粒滾筒玉米脫粒裝置在工作過程中，脫粒紋桿對玉米棒同時進行了揉搓和打擊，在兩力的作用下，玉米粒會從玉米棒上脫落，并且隨著紋桿的轉動玉米粒會掉落在下面的下凹板，玉米會從下面掉落。同時，在玉米脫粒過程中，玉米棒之間會進行相互擠壓，加快脫粒的速度，從而實現玉米籽粒與芯棒的分離。滾筒結構見圖2-13：圖2-13紋桿式玉米脫粒裝置板齒滾筒簡圖2.5本章小結本節(jié)介紹了玉米脫粒裝置分別按照機械規(guī)格、脫粒原理、玉米果穗在脫粒滾筒內運動方向以及工作元件這四方面進行分類，分別介紹了各種脫粒裝置的工作過程以及優(yōu)缺點。為后面玉米脫粒裝置的設計提供思路與方向。

3玉米脫粒裝置的結構設計本次設計的玉米脫粒裝置的結構要求是在對玉米棒的打擊與搓擦中保證強度適中。就是在脫粒的過程中，既要保證玉米粒與玉米棒分離的過程中玉米粒能被完整的脫下，又要保證玉米粒不會受力過大導致玉米粒被擠碎，總之要保證玉米棒與玉米粒的完整。本文玉米脫粒裝置的脫粒部分由脫粒滾筒以及上面的脫粒釘齒和脫粒紋桿組合而成。當玉米穗從入料口進入，到達脫粒部分后，首先經過脫粒紋桿，在經過脫粒釘齒進行脫離過程。玉米棒與紋桿頂部產生搓擦、玉米棒與釘齒產生搓擦、玉米棒與凹板產生搓擦、玉米棒之間產生搓擦，實現玉米粒與玉米棒的分離。玉米粒通過下凹板進入出料口，下凹板等裝置后排出，玉米棒則會隨著滾筒的轉動，從上凹板處的出穗口離開玉米脫粒裝置。綜合現有玉米脫粒裝置，脫凈率低，破碎率高等問題，確定本文玉米脫粒裝置以脫粒結構完成脫粒，是對玉米脫粒裝置進行的優(yōu)化和設計。3.1高水分玉米脫粒滾筒裝置的組成及工作原理3.1.1紋桿式玉米脫粒裝置的結構設計基于對國內外玉米脫粒裝置的研究，對于國內玉米脫粒裝置出現的在玉米脫離過程中由于擠搓，打擊，搓擦等受力過大導致破損率高，脫凈率低等情況，本次設計采用由人工喂入并采用紋桿與釘齒復合式的脫粒方式的玉米脫粒裝置進行脫粒。本次設計的玉米脫粒裝置，主要有入料口、大小帶輪、電機、主軸、脫粒滾筒、下凹板、上下凹板、出料口等部件組成。電機通過螺栓鏈接，固定在機架的底部；同時，電機在傳輸動力的過程中，通過帶傳動與脫粒裝置的主軸相連，而脫粒滾筒通過主軸進行轉動，完成動力的傳輸。脫粒裝置的工作過程：當玉米通過入料口進入到脫粒部分時，首先玉米棒料會先于前端的D型紋桿接觸，此時玉米棒受到脫粒的力，玉米粒與玉米穗在此處分離，玉米粒由于離心力會掉到下方的下凹板處，而玉米穗就會隨著脫粒齒的轉動被運送到出穗口處，從出穗口排出，對于那些沒有脫凈的玉米棒，后面的釘齒會提供更大的力使玉米粒與玉米穗分離。對于已經脫下來的玉米粒會通過下面的下凹板進行篩選，將種皮等廢料留在脫粒裝置內，玉米粒則通過出料口落入收集玉米粒的裝置內。本次設計的機架與市面上有所不同的是，在承裝電機平臺的下方，加入了四個腳輪，同時腳輪上也設計了控制裝置，能夠保證在工作時，整個機構不會因為震動或者環(huán)境等因素產生移動，同時在機架上也加入了扶手，能夠更好的移動脫粒裝置，起到節(jié)約人力的效果。具體機構如圖3-1：1.入料口2.大帶輪3.主軸4.小帶輪5.電機6.上凹板7.脫粒滾筒8.下凹板9.出料口10.機架圖3-1玉米脫粒裝置的三維總裝實例3.1.2工作原理玉米脫粒裝置工作時，是以電機作為主動力原件，通過帶傳動，將動力傳導至脫粒裝置的夾持部分，當玉米的前端進入脫粒裝置時，由與脫粒紋桿的上端呈現齒形，同時，隨著脫粒滾筒的轉動，紋桿頂部會插入進玉米粒之間的縫隙，將玉米粒與玉米棒部分進行分離，此時玉米粒會因為旋轉產生的離心力而離開紋桿結構，從下凹板出分離開，未脫凈的玉米穗會繼續(xù)與脫粒釘齒相接觸，繼續(xù)進行脫粒過程，脫下來的玉米粒會通過下凹板掉入到出料裝置，同時出料口前設置的篩板會對玉米粒與種皮碎屑等雜物進行進一步的分離。同時本次設計的脫粒裝置的凹板很大，脫完粒的玉米棒會受到周向分布的脫粒元件給它的軸向力，隨著滾筒的轉動，從上凹板的排芯口離開。3.2主要部件的參數3.2.1動力配套裝置的選擇對于紋桿式玉米脫粒裝置，首先要選擇脫粒裝置電機的型號，經查閱《農業(yè)機械設計手冊》得到生產率與配套電機功率如表3-1:表3-1生產率與配套電機功率關系生產率/t/h5101828配套電機功率/kw5.511.018.522本次設計的玉米脫粒裝置面向的是農戶個體，因此設計的結構均以簡便，體積小，操作靈活為目的，因此電機的功率最好在500w到1500w之間，而具體功率的選擇，以農戶家庭需要進行玉米脫粒的頻率以及脫粒的數量有關。同時對于紋桿式玉米脫粒裝置來說，主軸的轉速一般在300~800r/min之間。因此，本次設計選用生產率為10t/h,因此配套電機功率為11.0Kw。根據網上查得資料，選擇主軸轉速為600r/min,按照《機械設計》關于帶與帶輪設計方面中，傳動比的合理選用可知，本次設計可以取V帶傳動比的區(qū)間是2~5，即可令電動機的轉速與帶輪的轉速相匹配，因此電動機轉速的范圍可為：nd==(2~5)×600=1200~1500r/min。因此，可選擇三相異步電動機，型號為Y160L-4、1460r/min、15kw的電機。3.2.2帶與帶輪的設計本次設計的玉米脫粒裝置，傳動方式選擇電動機與主軸之間進行V帶與帶輪的傳動，選擇V帶傳動的原因有以下幾點V帶傳動的適應性較強，可以按照設備的安裝地點不同進行相應調整，而本次設計的小型玉米脫粒裝置就能根據不同用戶對于脫粒裝置不同的需求進行設計。與其他傳動方式相比，V帶傳動的結構更加簡單，制造也更簡單同時成本也很低，更適合大規(guī)模生產。同時V帶的傳動過程更加平穩(wěn)，能緩和載荷沖擊，能盡量防止在脫粒過程中發(fā)生嚴重的安全事故。V帶的另一個重要功能是過載保護，V帶在帶輪上工作時會發(fā)生打滑，從而起到過載安全的功能。因此，結合以上幾點，選擇帶傳動作為本次設計的傳動方式。而對于V帶傳動的設計，應從V帶的型，長度，根數的選取，再到確定帶輪的材料，結構與參數（輪寬，直徑，槽數等），以及傳動的中心距等。V帶的設計1)計算傳動功率由《帶輪工作情況系數表》可查得KA取為1.1故： Pca=KA×P （3-1）其中KA——工作情況系數 P——電動機功率（Kw）上文已取KA=1.1，因此Pca=1.1×11=12.1Kw2）選擇V帶的型號由剛算得的Pca=1.1KW，以及在帶傳動中小帶輪的轉速與電動機一致，為1460r/min。查閱《機械設計》，選擇B型帶作為傳動帶。3）這里先令小帶輪的直徑為dd1,查閱《機械設計》，根據《普通V帶基準直徑》及《V帶輪最小基準直徑》可得D≥125mm。4）計算V帶的速度V由V帶帶速計算公式公式： =10.7m/s （3-2）由結果可知V帶速度在5~30m/s之間，經檢驗速度符合要求。計算電機與主軸之間的傳動比： i===2.4 （3-3）5）計算從動帶輪的直徑dd2 =334mm （3-4）6）確定傳動中心距和帶長令帶傳動的中心距為a0,由《機械設計》中可得： 0.7（dd1+dd2)≤a0≤2（dd1+dd2） （3-5）即0.7（140+336)≤a0≤2（140+336）即333.2≤a0≤952，因此取a0=800mm帶長：由帶長計算公式： =2347.76mm （3-6）查閱《機械設計》取Ld為2500mm實際中心距：=876mm （3-7）7）驗算小帶輪上的包角： 167.17°>120° （3-8）因此滿足小帶輪包角要求。8）計算V帶的根數a.計算單根V帶的額定功率Pr由dd1=140mm,n1=1460r/min,查《單根普通V帶的基本額定功率》可知，P0=2.83Kw根據n1=1460r/min，i=2.4，B型帶，查《單根V帶額定功率增量》可知=0.46Kw同時分別查表即可得Ka=0.96,Kl=1.01因此 Pr=(P0+?P0)×Kab.計算V帶根數z Z===3.79 （3-10）因此z取4根。 9）確定帶的初拉力F0由表《V帶的單位長度質量》可得B型帶的單位長度質量為q=0.170,因此： =243N （3-11）式中：F0——帶的初拉力（N）Pca——計算功率（Kw）z——V帶根數v——V帶速度（m/s）10）計算壓軸力Fp按照壓軸力計算公式： =1875.14N （3-12）(2)小帶輪的設計1）小帶輪的材料選擇在V帶的設計中，V帶的速度v=10.7m/s<25m/s,相對來說轉速較低，因此在材料選擇方面，選擇灰鑄鐵HT150作為主要材料。2）小帶輪的結構選擇查閱《機械設計》可知，對于帶輪來說，不同的基準直徑對應著不同的形狀，圖3-2為不同基準直徑下帶輪的樣式。a.實心式b.腹板式c.孔板式d.輪輻式圖3-2V帶輪的結構根據小帶輪的基準直徑dd1=140mm,并且電機的型號為Y160L-4，網上可查出電機軸的直徑d=42mm,按照經驗公式D1≥（2.5~3）×d1=105~126mm≤300mm,可選擇實心式或者腹板式，而由于實心式的成本更高且重量更大，不符合本次設計低成本、輕便的要求，因此，小帶輪的樣式選用腹板式。表3-2小帶輪的基本參數3）帶輪參數的選擇由《機械設計》中《輪槽的截面尺寸》可以確定小帶輪的參數槽型f(mm)e(mm)ha(mm)hf(mm)bd(mm)δ(mm)φB121941114.07.534°帶輪的寬度計算公式： B=(Z-1)×e+2×f=81mm （3-13）帶輪的具體結構見圖3-3圖3-3小帶輪三維圖（3）大帶輪的設計1）大帶輪的材料選擇，由于大帶輪的轉速： ==608.3r/min<25m/s （3-14）符合要求，因此材料同樣選擇灰鑄鐵，牌號為HT150。2）大帶輪的結構設計大帶輪的選擇結果根據小帶輪的基準直徑與傳動比來確定 dd2=dd1×i=336mm （3-15）因此300<dd2<500,大帶輪的結構選擇孔板式3）大帶輪的參數設計除基準直徑外，其余參數參考《機械設計》中的經驗公式求得即可，而大帶輪得槽孔直徑與脫粒裝置主軸得短軸頭處相關，此部分參數在設計主軸得部分會給出，此處不予說明。表3-3大帶輪的結構參數槽型f(mm)e(mm)ha(mm)hf(mm)bd(mm)δ(mm)φB121941114.01034°大帶輪具體結構見圖3-4圖3-4大帶輪的三維圖3.2.3主軸的設計玉米脫粒裝置的主軸作為其中重要的零件之一，起著承受傳動過程中傳遞的彎矩扭矩以及轉矩等各個方向的力矩，同時它也起到確定軸向零件位置的作用。與其他裝備的軸類零件相比，玉米脫粒裝置的主軸會在工作時受到更頻繁的瞬時力矩，因此在設計的過程中對于軸強度的校核是很關鍵的。在日常使用的傳動軸的結構內，常見的有光軸，階梯軸，實心軸，空心軸等，本次設計的結構是階梯軸的形式。為達到制作的簡單和輕便，脫粒滾筒的主軸主要由分別在兩側的長軸頭，短軸頭以及中間整條的軸筒組成。圖3-5為軸的三維圖:圖3-5軸的三維圖本次設計的軸由于短軸端處需要與帶輪進行配合，因此軸的材料選擇45鋼，這種型號的碳素鋼有以下幾種優(yōu)點具有較好的可塑性與可焊性，因此不論是加工整條軸，又或是運用焊接兩端軸頭的方式進行制作，加工都會較為便利。抗拉和抗彎等軸的強度表現上較好，由于本次設計的主軸要承受較大的力矩，因此應該選擇力學性能較好的軸的材料。較好的耐磨性，在脫粒裝置工作的過程中，持續(xù)的轉動對于軸與軸套，軸承，脫粒滾筒之間的磨損是相當大的，因此在材料的選擇中，耐磨型也是主要的考察因素之一。在軸的尺寸上長軸頭為250mm,短軸頭為150mm，總長為1500mm。3.2.4脫粒原件的選用市面上常見的脫粒原件的種類，包括：紋桿式，釘齒式以及板齒式，在不同的環(huán)境要求以及不同的使用工況的條件下是不同的。因此，選擇合適的脫粒原件是玉米脫粒裝置中最為重要的因素。三種脫粒原件的外型如圖3-6：a.紋桿式b.板齒式c.釘齒式圖3-6脫粒原件（1）紋桿式：對于紋桿式脫粒原件來說，操作較為簡單，能較快理解操作原理；它的成本較低，一般常用于小型農戶的使用方向，同時它的適用性很廣，對于一些大型的聯合收獲機械，也同樣適用。但它脫粒的破碎率較高，同時效率較低也是較為嚴重的問題。（2）釘齒式與紋桿式相比，釘齒式有著更好的脫凈率，更高的效率，在實際的操作當中，釘齒能夠實現更高的自動化，花費更少的人力。然而，對于釘齒式，它的能耗要高于紋桿式，同時它的成本更高，尤其是對于小型農戶來說，這種消耗是負擔不起的。（3）板齒式和釘齒式類似，它同樣有著效率高，分離率高，等優(yōu)點。同樣的，成本高，能耗較大，也是板齒式急需解決的問題。結合上述三點，本次設計的脫粒滾筒將不再單一的使用其中一種脫粒原件，而是將紋桿式與釘齒式相結合。設計的目的是在保證低成本的前提下，制作一款低破碎率，高脫凈率的一種脫粒滾筒。3.2.5脫粒原件參數的設計由與本次脫粒的對象是玉米，因此在進行脫粒工作時，玉米會給脫粒滾筒較大的沖擊力，因此，為保證脫粒過程的正常進行，脫粒原件與脫粒滾筒之間的鏈接選擇的是焊接，同時應保證脫粒原件有著較好的耐震性、耐沖性等性能。對于釘齒來說，材料選擇45#鋼調制處理。調質后的鋼材有著更好的綜合機械性能，包括可塑性、韌性、強度等，同時調制后的45#鋼的硬度在HRC25~HRC30之間，表面硬度適中。釘齒的整體形狀設計為圓柱型，同時在釘齒的頂部設計成圓弧的形狀，在釘齒與玉米棒相接觸的時候，盡量減少玉米粒的破碎，同時能夠更好的到達玉米穗上進行脫粒。整體的尺寸：長度80mm，直徑16mm,對于其強度的校核會在后續(xù)仿真中進行。對于紋桿來說，種類選擇D型紋桿，材料選擇高錳鋼Mn13，材料具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，適合用于擠壓、揉搓等脫粒作業(yè)。每兩排釘齒之間和紋桿之間的間隙為85mm,由于本次設計的脫粒滾筒上為紋桿由釘齒的交錯排列，因此，紋桿與釘齒間的間隙就選擇很重要，本次設計的間隙范圍在70~90mm之間，過小的間隙就會導致相近的紋桿和釘齒會對同一區(qū)域的玉米進行反復的脫粒，這樣不僅會增加脫粒次數，導致玉米的破碎率增加，而且會令脫粒原件的工作更為頻繁，導致磨損更快。而過大的間隙就會導致在脫粒過程中，玉米棒的部分區(qū)域沒有完全的進行脫粒，導致玉米的脫離率較低，使得玉米的損失增加，生產率降低。3.2.6脫粒原件在脫粒滾筒上的排列分布對于脫粒原件來說，參數設計是一方面，進行合理的排布也能讓脫粒過程進行的事半功倍[24]。目前，常見的分布類型有交錯排列，螺旋排列，密集排列，間隙排列等。本次設計盡量要保證工作過程中減少震動，沖擊，盡量避免故障的發(fā)生。設計要求為以下幾點保證工作過程中脫離元件會給主軸均勻的力，避免主軸發(fā)生形變甚至是斷裂。保證脫粒原件的均勻分布，即軸向與周向要分別保證分布的均勻。保證在玉米從入料口進入脫粒部分時，玉米要與脫粒齒接觸上，避免由于排列不當造成的脫粒不充分。本次的脫粒裝置采用兩種脫粒原件成螺旋形分布在脫粒滾筒上，前端布置的是脫粒較為柔和的紋桿，在進行剛開始進行玉米脫粒時，由脫粒效果較為柔和的紋桿先于玉米棒進行接觸。優(yōu)先布置紋桿的目的，首先就是先對玉米進行一個擠壓和揉搓，將玉米粒與玉米穗之間的連接變得松動，再將那些易分離的玉米粒從玉米棒上脫離，同時，螺旋分布的紋桿也會給玉米棒一個橫向的推動力，使得玉米棒向后繼續(xù)運動。當玉米棒通過紋桿的作用后，到達了釘齒脫粒的區(qū)域。與紋桿不同的是，釘齒能提供更大的作用力，使得玉米粒與玉米穗更高效的分離，在玉米棒上殘留的玉米粒就會受到釘齒的作用，與棒料分離。這樣安排的好處是，可以實現分段的脫粒過程，脫粒的效果更好。同時，也解決了紋桿式的脫凈率低以及釘齒式的能耗高的問題。脫粒原件采用螺旋排列，周向兩相鄰原件夾角30°，在脫粒過程中，既可以給到玉米足夠的作用力，也可以帶動玉米棒向后移動，增大了脫粒效率。脫粒原件的排布，如圖3-7，脫粒滾筒材料選擇為灰鑄鐵。圖3-7軸上脫粒原件的分布3.2.7下凹板的設計下凹板是本次設計的脫粒裝置中的重要組成部位之一，下凹板在脫粒過程中，主要起到以下幾個作用。分離作用，在玉米從入料口進入脫粒裝置的時候，不可避免的會將秸稈等雜物帶進脫粒裝置，因此下凹板就會將玉米粒和秸稈等質量不同的雜質相分離。過濾作用，盡管秸稈等雜質會被隔離在下凹板的上面，但玉米表面會帶有其他細小雜質，如殘渣等，而當玉米粒經過下凹板時，下凹板會通過摩擦等接觸玉米粒的方式，將上面細小的雜質清除，從而使進入出料口內的玉米粒更加干凈。調節(jié)作用，可以通過調整下凹板上孔徑的分布以及孔徑的大小來控制玉米出料的效率，可以幫助脫粒裝置適應不同種類的玉米。結合上述下凹板的集中特點，本次設計的下凹板的形狀主要為沖孔式，但是傳統(tǒng)的沖孔式下凹板篩孔率僅有25%~30%,因此本次設計的下凹版采用雙排孔成交錯分布，下凹角度為180°，雖然會略微增加加工的難度，但是篩孔率有著顯著的提升，在脫粒的過程中，隨著玉米棒的送入，脫粒滾筒下面的玉米粒會逐漸積累，但同時，上層的玉米粒會擠壓著下層，使得下層的玉米粒更快的通過下凹板上的孔洞，而由于本次設計的下凹板孔洞排列較為密集，且為交錯分布，因此，很少會出現玉米掉落在孔洞之間的間隙情況。由于大多數玉米的籽粒直徑在10mm左右，于是本次設計的篩孔的直徑為14mm左右，與大部分玉米的直徑相似，既避免籽粒在篩孔上堵塞，又能產生良好的脫凈效果，篩孔率會增加，玉米脫粒的效率也大大提高了。下凹板的三維圖見圖3-8:圖3-8下凹版的三維模型凹板的設計過程:需要確定凹板的面積S，和弧長L S=BL≥(B?L)Q0.6Qa 式中：B——凹板寬度(m)L——凹板弧長(m)Q——脫粒裝置喂入量(kg/s)Qa——單位凹板面積允許負擔的喂入量，體積較小的脫粒裝置取1~4，聯合收割機取5~8。其中凹板寬度B等于滾筒長度l=1100mm，可以求出凹板弧長L求出：L≥875.8mm,取L=880mm則凹板面積S=BL=0.968m2凹板包角=180°3.3其余部分的設計3.3.1上凹板本次設計的脫粒裝置外殼主要由上凹板與下凹板通過螺栓連接，材料上選擇HT150，上凹板的主要作用為下面兩個方面。防止脫離過程中玉米粒和其他廢料飛出，對操作人員造成傷害。本次設計的上凹板，在脫粒滾筒的一側設計了出穗口，這里既解決了脫粒裝置出穗的問題，又可以減少上凹板的材料用量，降低重量，節(jié)約成本。為防止出穗口處會有玉米粒飛出，導致籽粒浪費，因此在出穗口處設計了一個彈性擋板，在非工作狀態(tài)下關閉，當脫粒裝置開始工作時，玉米棒料會將擋板頂開，從而實現出穗的效果。上凹板的具體結構見圖3-9:圖3-9上凹板的三維圖3.3.2喂入方式的確定市面上的玉米脫粒裝置常用的喂入方式有兩種，即軸向脫粒和側向脫粒。軸向喂入法是指在脫粒裝置的軸心上，按一個接一個地喂入玉米果穗。玉米穗是從該設備的前端進入到該脫粒鼓和上蓋板以及下凹板之間的間隙中，再由該脫粒滾筒將玉米棒與該玉米粒分開，玉米棒在軸向力的作用下從脫料板的后部排出。側向喂入模式是指從脫粒裝置的一側地送入玉米穗，隨后豎直地進入脫粒滾筒和上蓋板以及下凹板間的空隙，就像側向送進一樣，最終在滾筒的作用力下，沿軸線方向從滾筒尾部排出。兩種玉米穗的入料方法都有各自的優(yōu)點和缺點。橫喂法的喂料量雖大，但易引起穗粒分配不均勻；而軸向給藥方式，其穗粒分布較為均勻，但喂料量偏少，制造成本也偏高。為此，本設計采用了玉米穗側饋的方法，既能兼顧喂入量，又能保證穗的均勻分布。具體結構圖見圖3-10：a.側向喂入b.軸向喂入圖3-10玉米棒不同的喂入方式3.3.3入料口的設計本次設計的玉米脫粒裝置的入料口主要與上凹板相連，材料選擇Q235-A，厚度為3mm左右，制作過程是通過鋼板焊接得來，保證了入料過程能過平穩(wěn)的進行，并且與上凹板鏈接的部分也是用焊接的部分完成，相比與螺栓鏈接，焊接既沒有過多的損傷上凹板的表面，也有著很好的連接效果。在入料時，玉米棒沿著入料口的內壁滑入脫粒裝置，在此過程中，玉米的初速度不適宜過大，避免在進入脫粒裝置時，與脫粒原件發(fā)生較大的碰撞。因此，對于入料口角度的選擇，也在本次設計的考慮之內。同時入料口設置了擋板的結構，在進行工作時，將擋板插入可以防止玉米粒從出料口彈出，產生安全隱患。本次設計入料口角度為135°，下半部分尺寸為350×350×180mm，上半部則由長度為350mm的鋼板焊接成。入料口具體結構見圖3-11：圖3-11入料口的具體結構3.3.4出料裝置的設計出料裝置在玉米脫粒機的作用是將經過脫粒處理的玉米籽粒從脫粒機中排出，為后續(xù)的收集等操作提供便利。出料裝置通常包括出料口、輸送裝置和排放裝置等部件，通過這些部件將脫粒后的玉米籽粒順利地傳送到下一個處理環(huán)節(jié)或容器中。這樣可以保證玉米脫粒機的連續(xù)作業(yè)，提高生產效率。在玉米脫粒機中，出料裝置還需要根據玉米籽粒的性質和產量進行設計，以確保順暢的出料和高效的生產。本次設計的出料裝置在出料口的前端加上了篩板，可以對玉米籽粒進行二次清選，將玉米粒上殘余的雜質留在篩板的一側，使得出來的玉米粒上的雜質更少，更干凈。出料裝置的詳細的結構見圖3-12：圖3-12出料裝置的具體結構3.3.5整體機架的設計機架在脫粒裝置中，主要起支撐整個脫粒裝置，電機的安放的作用。由于機架承擔了脫粒裝置主要的重量，因此，機架在剛度上以及強度上，都應該得到保證。只有機架足夠穩(wěn)定后，脫粒裝置在進行工作時，才能保證穩(wěn)定，安全。本次機架在整個裝置的后方設計了扶手，并在機架的底部設計了四個腳角輪，設計的目的是可以更方便的移動玉米脫粒裝置。機架整體尺寸為1140×325×545mm，用45鋼焊接成。機架的具體結構見圖3-13:a.機架b.腳輪圖3-13機架的結構3.4本章小結本章闡述了玉米脫粒裝置的機構組成及工作原理，對主要工作部件的結構及參數進行了設計，對脫粒裝置的動力原件（V帶傳動與電機）進行詳細的設計，設計了轉動主軸，脫粒釘齒與脫粒紋桿，脫粒滾筒，下凹板等。通過查閱資料確定了玉米脫粒裝置的轉速范圍在600~800r/min之間；將市面上現有的脫粒原件及其排列方式進行了分析，確定了本次設計的玉米脫粒裝置采用釘齒與紋桿塊組合且沿著滾筒周向交錯排列；將釘齒設計成頂部為圓弧形，并確定紋桿塊的類型為D型，確定了釘齒和紋桿塊的材料，同時對脫粒原件的排列密度進行查詢，進而確定了玉米脫粒裝置脫粒元件的數量為84個，分別比較了橫向喂入與徑向喂入方式的優(yōu)缺點，并選用了橫向喂入的方式進行物料喂入。對裝置的其他部位進行參數設計，確定了入料口的角度，對出料口，上下凹板，機架進行設計，保證脫粒裝置的各個部件實現良好的配合，保證脫粒裝置的精準性。

4玉米脫粒裝置的結構仿真分析4.1引言對于目前常用的玉米收獲機械來說，玉米脫粒裝置是市面上較為常見的。而在玉米脫粒裝置中最重要的部分就是脫粒機構，脫粒機構設計的是否合理，會影響到玉米籽粒的脫凈率，破碎率，從而間接影響到玉米的產量，對農業(yè)生產有著較大的影響。因此，對脫粒結構進行仿真分析是勢在必行的。4.2基于solidworks的simulation模塊對玉米脫粒裝置有限元分析4.2.1目的玉米脫粒裝置在工作過程中由于電機動力的輸出整體機構會產生震動，從而導致脫粒滾筒產生共振現象，導致滾筒產生形變，從而整個脫粒裝置的損壞，增大了人力物力的消耗，還會產生安全隱患，增大操作人員的操作難度，導致工作過程中出現安全事故。因此使用solidworks的simulation模塊對脫粒部分進行有限元分析，包括對脫粒滾筒上的脫粒元件（D型紋桿與釘齒）施加外載荷和對整個脫粒滾筒（包括脫粒元件）進行模態(tài)分析，確保在工作過程中不會發(fā)生共振現象導致脫粒滾筒形變，無法正常工作。4.2.2仿真軟件選用solidworks的simulation模塊有限元分析CAE軟件中的一種。目前雖然ANSYS是較為常用的有限元分析軟件之一，但與其相比，solidworks的simulation模塊對于solidworks模型的導入以及網格劃分等操作都較為簡便，同時它們的計算模塊能夠分析模型的結構，并且能將得到的結果用梯度，彩色等值線，圖像等輸出為圖片的方式呈現出來[31-32]，因此在結果的可靠性方面與ansys也是很接近的，但它的缺點是只適用與solidworks出的模型，對與其他軟件的模型都無法使用，受用的范圍不廣。由于本次設計的繪圖軟件使用的是solidworks，因此在有限元軟件的選擇上，使用simulation模塊是很方便的。4.2.3有限元的技術路線圖有限元的分析流程圖見圖4-1：圖4-1有限元分析流程圖

4.2.4脫粒元件的靜力學分析（1）紋桿塊的有限元分析1）紋桿模型的建立用solidworks對紋桿進行建模，點擊左上角文件，選擇在工程圖中建立裝配體，將脫粒滾筒的模型導入，配和成一個裝配體，選擇最上面一排的選項設置，將simulation模塊導入。之后選擇simulation模塊中的靜力分析功能，將模型導入。如圖4-2：圖4-2脫粒滾筒與紋桿裝配的模型在脫粒裝置進行工作的過程中，電機會帶動主軸從而帶動脫粒滾筒進行轉動，而滾筒上的脫粒元件就會隨著轉動給玉米穗一個擠壓揉搓的力，由于玉米粒與玉米棒之間鏈接的力較大，因此，在工作過程中，脫粒元件會受到較大的阻力以及在做圓周運動時產生的離心力，因此為保證元件的正常工作，選擇一個合適的材料是重要的。本次設計中，選擇Q235-A作為脫粒元件的材料。在前文的設計中確定了釘齒的材料為45#鋼，紋桿的材料為Mn13，而與這兩者相比Q235-A的屈服強度與抗拉強度都是相近的，因此，使用Q235-A作為有限元分析的材料具有切實的可信性。Q235-A的材料特性如表4-1。表4-1Q235-A材料特性材料名稱材料特性具體參數單位Q235-A彈性模量2.11E+11N/m2泊松比0.288抗剪模量8.24E+10N/m2張力強度3.90E+08N/m2屈服強度2.35E+08N/m2密度7.85E-06Kg/mm32)選擇紋桿和脫粒滾筒的材料選擇紋桿材料為Q235-A，脫粒滾筒材料選擇為灰鑄鐵。3)夾具類型的選擇在進行靜力分析時，夾具是起到固定和支撐作用的裝置，用于固定待測物體或工件，以確保它們在受力過程中保持穩(wěn)定位置。夾具的作用包括以下幾個方面：a.固定工件：夾具可以將待測物體或工件牢固地固定在特定位置，防止其在受力時發(fā)生位移或變形，確保測試或分析的準確性。b.提供支撐：夾具可以在待測物體或工件的受力點提供支撐，避免其發(fā)生過度變形或破壞，保護工件不受損壞。c.保持邊界條件：夾具可以提供邊界條件，限制待測物體或工件的運動方向，確保在力學分析中符合設定的條件。d.確保實驗重復性：通過使用夾具固定工件，可以確保實驗或測試的重復性，使得不同實驗之間的比較和分析更加準確可靠?？偟膩碚f，夾具在力學分析中扮演著非常重要的角色，能夠保證待測物體或工件在受力過程中穩(wěn)定、準確地進行測試和分析。在本次設計中，兩個端面的夾具選擇固定幾何體，此種夾具可以提供x,y,z三個方向的約束，保證端面是靜止不動的。軸面上選擇固定鉸鏈，這種夾具能保證軸在軸向上不會移動。夾具具體示意圖見圖4-3：圖4-3夾具的類型3）在紋桿塊上添加外部載荷紋桿用焊接的方式與滾筒相連接。在脫粒裝置進行工作時，紋桿塊會受到玉米給到的切向力與隨著滾筒進行圓周運動時產生的離心力。在前面設置好夾具之后，在紋桿上添加外部載荷，先選擇紋桿塊的半徑方向施加一個力F1,由公式 （4-1） （4-2） （4-3）式中：F1——X方向的向心力,單位：（N）m1——紋桿塊的質量，單位：（kg）a1——紋桿塊的向心加速度，單位：（m/s——滾筒的角速度，單位：（rad/s）r——滾筒的半徑，單位：（mm）n——滾筒的轉速，單位：（r/s）根據第三章可知，本次設計的脫粒裝置采用600r/min的轉速，紋桿塊的質量為0.5kg，滾筒的半徑為155mm，經計算F1=0.31N。因此，在紋桿與滾筒接觸的面添加一個方向遠離軸心，大小為0.31N的離心力。同時，在脫粒裝置的工作過程中，在紋桿塊與玉米粒進行接觸時，玉米粒會給紋桿一個反作用力，方向沿著脫粒滾筒的周向，指向脫粒紋桿，在查閱文獻后,發(fā)現市面上的脫粒元件的受力情況從幾十牛到幾百牛不等，本文使用作用力為640N，又考慮到互為接觸面和目標面，這里選擇兩倍與紋桿與玉米粒之間的力施加在紋桿上1280N。受力情況見圖4-4：圖4-4紋桿塊上的受力情況4）網格的劃分在網格模塊，如果選擇劃分網格并運行，就會令劃分的網格的質量不夠好，導致在靜力分析時，得到的結果不是很準確。因此，應自主設計網格的質量。在計算機條件允許下，選擇網格的質量為良好，由于是在軸上建立網格，因此在網格參數上選擇基于曲率建立網格，與普通網格相比，這種網格能夠更好的分割圓柱面。生成的網格見圖4-5：圖4-5紋桿塊與滾筒裝配體的網格劃分5）結果的分析點擊靜力分析進行數據的運算，處理，可得紋桿的應力分析圖，與位移分析圖，具體見圖片4-6、4-7，從圖中可以看出，紋桿塊的最大應力主要集中在在滾筒和紋桿塊的焊接處，從形變圖可以看出，脫粒紋桿的上部的形變量是較大的。應力的最大值為7.13MPa,應變的最大值為2.27×10-5m,與上文中的材料性質相比受力與位移均在工作時無法造成影響，因此紋桿塊可以正常使用。圖4-6紋桿應力圖圖4-7(a)紋桿應變圖圖4-7(b)紋桿合位移圖釘齒的有限元分析釘齒模型導入用solidworks對釘齒進行建模，點擊左上角文件，選擇在工程圖中建立裝配體，將脫粒滾筒的模型導入，配和成一個裝配體，選擇最上面一排的選項設置，將simulation模塊導入。之后選擇simulation模塊中的靜力分析功能，將模型導入。如圖3-8：圖4-8釘齒裝配圖2）選擇紋桿和脫粒滾筒的材料選擇紋桿材料為Q235-A，脫粒滾筒材料選擇為灰鑄鐵。3）夾具類型的選擇在選擇夾具前，應該先用分割指令將脫粒滾筒的圓柱面分割成兩個部分。分割的目的是在圓柱面上做受力分析或者是添加夾具的時候不會添加在整個圓柱面上，只會添加在需要的面上。本次有限元分析所用的夾具是固定鉸鏈，能夠固定滾筒圓柱不在x,y,z軸上移動。見圖4-9：圖4-9脫粒滾筒夾具設計4）在釘齒上添加外部載荷釘齒用焊接的方式與滾筒相連接。在脫粒裝置進行工作時釘齒會受到玉米給到的切向力與隨著滾筒進行圓周運動時產生的離心力。在前面設置好夾具之后，在釘齒上添加外部載荷，先選擇紋桿塊的半徑方向施加一個力F2,由公式 （4-4） （4-5） （4-6）式中：F2——X方向的向心力,單位：（N）m2——釘齒的質量，單位：（kg）a2——釘齒的向心加速度，單位：（m/s2——滾筒的角速度，單位：（rad/s）r——滾筒的半徑，單位：（mm）n——滾筒的轉速，單位：（r/s）根據第三章可知，本次設計的脫粒裝置采用600r/min的轉速，釘齒的質量為0.5kg，滾筒的半徑為155mm，經計算F1=0.31N。因此，在釘齒與滾筒接觸的面添加一個方向遠離軸心，大小為0.31N的離心力。同時，在脫粒裝置的工作過程中，在釘齒與玉米粒進行接觸時，玉米粒會給紋桿一個反作用力，方向沿著脫粒滾筒的周向，指向釘齒，在查閱文獻后,發(fā)現市面上的脫粒元件的受力情況從幾十牛到幾百牛不等，本文使用作用力為640N,可以應對大多數情況，又考慮到互為接觸面和目標面，這里選擇兩倍與紋桿與玉米粒之間的力施加在紋桿上1280N。釘齒整體的受力情況見圖4-10：圖4-10釘齒的受力圖5）網格劃分在網格模塊，如果選擇劃分網格并運行，就會令劃分的網格的質量不夠好，導致在靜力分析時，得到的結果不是很準確。因此，應自主設計網格的質量。在計算機條件允許下，選擇網格的質量為良好，由于是在軸上建立網格，因此在網格參數上選擇基于曲率建立網格，與普通網格相比，這種網格能夠更好的分割圓柱面。生成的網格見圖4-11。圖4-11釘齒與滾筒裝配體的網格劃分6）靜力學結果分析點擊靜力分析進行數據的運算，處理，可得紋桿的應力分析圖，與位移分析圖，具體見圖片4-12、4-13、4-14，從圖中可以看出，釘齒的最大應力主要集中在在滾筒和脫粒釘齒的焊接處，從形變圖可以看出，脫粒釘齒的根部部的形變量是較大的。應力的最大值為37.81MPa,應變的最大值為m,與上文中的材料性質相比受力與位移均在工作時無法造成影響，因此紋桿塊可以正常使用。圖4-12脫粒釘齒的應力圖圖4-13脫粒釘齒的應變圖圖4-14脫粒釘齒的合位移圖4.2.5脫粒滾筒的模態(tài)分析模態(tài)分析的意義模態(tài)分析在結構動力學中扮演著重要角色，它旨在深入研究結構在不同振動模態(tài)下的響應和動態(tài)特性。通過將結構視為由多個振動模態(tài)組成，并針對每個模態(tài)的振型和頻率進行分析，模態(tài)分析可提供有關結構振動特性的關鍵信息，包括振動模態(tài)、振型、頻率以及在每個模態(tài)下的位移、速度和加速度等動態(tài)響應數據。模態(tài)分析在工程領域中被廣泛應用，可以用于評估結構的抗震性能、疲勞壽命、振動響應等方面。通過模態(tài)分析，工程師可以優(yōu)化結構設計、改進結構性能，并確保結構在設計工況下的安全可靠性REF_Ref32667\r\h[34]。本次對脫粒滾筒進行模態(tài)分析,目的是驗證在玉米脫粒裝置工作的過程中，防止脫粒滾筒與整機發(fā)生共振現象，導致滾筒發(fā)生形變，出現安全隱患。玉米脫粒裝置模態(tài)分析過程模型導入在solidworks的繪圖模塊中，將脫粒滾筒的3D模型建立后，為了分析結果的便捷，僅導入脫粒滾筒即可，具體見圖4-15。圖4-15脫粒滾筒的三維圖材料選擇右鍵點擊脫粒滾筒，選擇編輯材料至全部零件，選擇Q235-A。選擇夾具在進行夾具選擇時，由于想要確定滾筒是否會發(fā)生共振現象，因此這里選擇在滾筒的兩個端面添加固定幾何體夾具。這樣添加夾具的目的是能夠保證在模擬工作震動的過程中，兩個端面會隨主軸一起轉動，不會產生形變，具體見圖4-16：圖4-16脫粒滾筒的夾具模態(tài)結果分析每個物體都有自己的固有頻率，根據靜力學原理，施加靜態(tài)力會導致平板發(fā)生靜態(tài)變形。在玉米脫粒裝置的幾個部件上施加載荷，進行模態(tài)分析并得到結果。在本次仿真中，本次設計選擇了5階固有頻率進行模態(tài)仿真分析，振型結果通過圖像展示，固有頻率如下表所示。一階結果分析圖4-17脫粒滾筒一階振型結果從振型分析可知，在震動頻率為30.461Hz時，滾筒整體略微發(fā)生形變，在滾筒的兩端發(fā)生彎曲，在滾筒上的脫粒釘齒與脫粒紋桿的上端發(fā)生形變，且形變量為圖中最大，用紅色來表示。具體圖形見圖4-17：二階結果分析從振型分析可知，在震動頻率為192.03Hz,滾筒兩端沒有發(fā)生明顯形變，滾筒的中間區(qū)域分別沿著兩個坐標軸分別進行膨脹與緊縮，但膨脹與緊縮的程度都不大，形變程度較大的部分用綠色來表示，兩個型變量中間的面用藍色表示，證明中間形變量并不大。滾筒整體變形較大，無法正常工作。具體結果見圖4-18：圖4-18脫粒滾筒二階振型結果三階結果分析從振型分析可知，在頻率為210.34Hz的震動下，脫粒滾筒兩端發(fā)生了彎曲變形，用藍色和綠色表示，玉米脫粒裝置紋桿塊和釘齒的交界處發(fā)生了扭轉變形，且發(fā)生變形的幅度大，標為紅色，方向延軸向方向來回擺動，在徑向有凸起的態(tài)勢。滾筒整體變形較大，無法正常工作。具體結果見圖4-19：圖4-19脫粒滾筒的三階振型結果四階結果分析從振型分析可知，在震動頻率為388.86Hz的震動下，脫粒滾筒兩端發(fā)生了彎曲變形，用藍色和綠色表示，脫粒滾筒上的脫粒紋桿與脫粒釘齒交界的地方應變最大，在振幅圖上標為紅色，方向為沿軸向來回抖動，與三階的不同，四階圖像主要呈現中間凹陷的情況，同時有部分同時存在扭轉變形與彎曲變形。滾筒整體變形較大，無法正常工作。具體結果見圖4-20：圖4-20脫粒滾筒的四階振型結果五階模態(tài)分析3從振型分析可知，在震動頻率為536.84Hz的震動下，脫粒滾筒兩端發(fā)生了彎曲變形，用藍色和綠色表示，同時脫粒滾筒上脫粒紋桿與脫粒釘齒相接處的地方發(fā)生較大的形變，同時在這個區(qū)域的紋桿和釘齒的頂端也有較大的形變，同紅色和黃色標出。脫粒滾筒整體呈彎曲趨勢，在軸向方向來回擺動，整個滾筒發(fā)生彎曲與扭轉變形，整體變形較大，無法正常工作。具體見圖4-21：圖4-21脫粒滾筒的五階振型結果本次玉米脫粒裝置設計的轉速為400~600r/min，由電機產生的震動約8~20Hz之間[35]，而脫粒滾筒發(fā)生形變的最小頻率為30Hz左右，因此，在正常工作中，脫粒滾筒不會發(fā)生形變。詳細的頻率數據可見表4-2。表4-2玉米脫粒裝置各階模態(tài)固有頻率階次固有頻率/Hz130.462192.033210.344388.865536.844.3本章小結（1）利用solidworkssimulation模塊對紋桿塊和釘齒靜力學分析，得出紋桿塊和釘齒在玉米脫粒滾筒的應力應變圖，應力圖中顯示應力最大值主要集中分布在脫粒元件和滾筒的焊接點處，紋桿塊與滾筒相連的應力最大值為7.13MPa，低于Q235鋼的許用應力375MPa。釘齒與滾筒相連的應力最大值為37.81MPa，低于375MPa。分析比較，釘齒承受的應力值比紋桿塊的應力值略大，原因可能為紋桿塊的受力面積更大，在同等的作用力下釘齒的受力自然就大于釘齒，而在紋桿塊與釘齒在工作過程中，由于紋桿塊脫粒的破損率要大于釘齒，因此在正常工作時，紋桿塊應該被設計為，產生脫粒的力小于釘齒產生的，由此也能得出釘齒的力大于紋桿塊的。（2）利用solidworkssimulation模塊對玉米脫粒裝置的脫粒滾筒進行模態(tài)分析，調節(jié)網格設置以及夾具設置，使模態(tài)分析的結果更準確，更可靠。分析玉米脫粒裝置脫粒的脫粒滾筒部分得到的5階振型得到模態(tài)振型圖和固有頻率圖，玉米脫粒裝置的電機產生的振頻率小于最低階的頻率，因此在脫粒裝置工作時，裝置不會發(fā)生共振，設計合理。

5結論與展望5.1結論本次設計首先了解了國內外玉米脫粒裝置的現狀與存在的問題并對玉米脫粒裝置進行研究和設計，通過solidworks軟件對玉米脫粒裝置完成建模，并通過Solidworks的Simulation模塊對玉米脫粒滾筒進行靜力學分析和模態(tài)分析，對有限元結果進行分析，保證與脫粒元件在工作時不會發(fā)生形變，保證脫粒裝置在工作時產生的震動不會導致脫粒滾筒變形，保證脫粒裝置能夠正常工作。通過網上查閱國內外相關資料，清楚了解了國內外玉米脫粒裝置的研究現狀，對比分析了國內玉米脫粒裝置的優(yōu)缺點。通過solidworks軟件對脫粒裝置完成建模，完成脫粒裝置的設計，選擇了釘齒與紋桿相混合的脫粒元件，確定了脫粒原件呈螺旋分布的排列方式，完成了其他部件的設置，完成了裝置二維工程圖的設計。（2）通過solidworks的simulation模塊完成了玉米脫粒元件的靜力學仿真，得到了紋桿塊和釘齒的應力圖、總位移圖、應變圖，應力圖顯示，應力主要集中在脫粒元件和脫粒滾筒的焊接位置上，紋桿塊所受到的最大應力為7.13MPa，釘齒受到的最大應力為37.81MPa。根據材料特性，Q235-A所能承受的許用應力為375Mpa，滿足強度校核。（3）通過Solidworks的Simulation模塊完成脫粒滾筒的模態(tài)分析，根據振型結果圖可知，當滾筒上施加30Hz的頻率時，滾筒即將開始變形,而正常工作時電機產生的振動頻率為8~20Hz，因此分析得到整個裝置在工作過程中不會發(fā)生共振，滿足設計要求。5.2展望在本次設計的過程中，由于我是第一次設計農機方面的機械，與以往設計的減速器等課程設計不同，農機應該更