本科毕业论文（设计）
多功能脱粒机总体设计及其 题 目 脱粒装置改进设计
学 院 工程技术学院
专 业
年 级
学 号 姓 名
指导教师
成 绩
农业机械化及其自动化 2009 级 [**************] 陈传兵 李庆东
二○一三年五月
目录
摘要 ............................................................................................................................... 3
Abstract ........................................................................................................................ 4
0 文献综述 ................................................................................................................... 5
0.1 小型多功能农业机械简介、用途及分类 ..................................................... 5
0.2脱粒机的发展现状 .......................................................................................... 6
0.3脱粒机行业中目前存在的主要问题 .............................................................. 6
1 引言 ......................................................................................................................... 8
2 多功能脱粒机总体设计 ........................................................................................... 9
2.1 脱离滚筒电动机的选择 ............................................................................... 10
2.1.1齿条上脱粒齿的转速 .......................................................................... 10
2.1.2 脱粒机所需的功率 ........................................................................... 10
2.1.3 电动机的功率 ................................................................................... 10
2.1.4 电动机的转速 ................................................................................... 11
2.2滚筒部分电动机选择 .................................................................................... 11
2.3 最终电动机的确定 ....................................................................................... 12
2.4传动方式的选择 ............................................................................................ 12
2.5皮带的选择 .................................................................................................... 13
2.5.1各种传动方式的特点 .......................................................................... 13
2.5.2 皮带的定型 ....................................................................................... 13
2.6 皮带轮的选择 ............................................................................................... 13
2.6.1电动机和中间轴之间带轮各种参数的确定 ...................................... 13
2.6.2 中间轴和清洗装置之间带轮各种参数的确定 ................................. 14
2.6.3 电动机和脱粒机之间带轮各种参数的确定 ................................... 15
3 脱粒装置的改进设计 ........................................................................................... 16
3.1 脱粒滚筒的结构 ........................................................................................... 18
3.2脱粒方式的比较 ............................................................................................ 19
3.3 脱粒滚筒运转的稳定性 ............................................................................... 19
3.4 滚筒及各零部件的设计 ............................................................................... 20
4 切片切碎装置 ....................................................................................................... 21
4.1 切片切碎装置的可行性分析 ..................................................................... 21
4.2 切片切碎装置的结构与工作原理 ............................................................. 22
4.2.1 切碎装置的结构 ............................................................................... 22
4.2.2 切碎装置零部件设计及材料选择 ................................................... 24
5 薯类清洗装置 ....................................................................................................... 24
5.1 工作原理 ..................................................................................................... 24
5.2 滚筒速度的确定 ......................................................................................... 25
5.3 进出料口设计 ............................................................................................. 27
6 总结 ....................................................................................................................... 27
参考文献 ..................................................................................................................... 28
致谢 ............................................................................................................................. 29
多功能脱粒机总体设计及脱粒装置改进设计
陈传兵
西南大学工程技术学院，重庆 400715
摘要：针对西南丘陵区农作物的机械化收割，就现阶段技术而言，最好的收获方式就是
分段收割。对于稻麦两种常见的农作物，分段收割最主要的两个部分就是切割和脱粒。
市场上现有脱粒机，功能单一。脱粒机只能脱粒农作物，导致脱粒机全年会闲置四分之
三的时间，大大的降低了脱粒机的利用率。本课题的研究目的就是改进脱粒滚筒的结构
和功能，充分利用滚筒端面与内部，使之不仅适用于农作物的脱粒作业，还可以利用滚
筒端面切碎青饲料，利用滚筒内部制作成薯类清洗装置，实现一机多用。脱粒机在提高
的利用率的同时也给了农民更多的实惠，以致于增加脱粒机销量，从而促进农村机械化。 关键词：脱粒机 多功能 切片装置 清洗装置
Design Of Multi-function Threshers Threshing Roller
Chen Chuanbing
College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China
Abstract：For mechanized harvesting of crops in Southwest hilly area, and is now in the
technology, the best harvest is segmented with the harvest. For rice and wheat two common for
crops, the main two parts of segmentation harvest is cutting part and threshing parts. Just now
in the market for the threshing, than a function. A threshing can only threshing crops， Led to
threshers annual idle time three-fourths, reduced utilization of the thresher. Research purpose
of this project is to improve the structure of threshing and features, full use of roller surface
and internal ,make it apply not only to the threshing of crops, but also make use of the drum
end chopped forage and drum made into potato cleaning device and Thresher in increase
utilization and also give farmers more benefits，that increase thresher sales, so as to promote
rural mechanization.
Key words：threshing；multi-function；slicing device；cleaning device
0 文献综述
0.1 小型多功能农业机械简介、用途及分类
农业机械是指在作物种植业和畜牧业生产过程中，以及农、畜产品初加工和处理过程中所使用的各种机械。农业机械包括农用动力机械、农田建设机械、土壤耕作机械、种植和施肥机械、植物保护机械、农田排灌机械、作物收获机械、农产品加工机械、畜牧业机械和农业运输机械等。广义的农业机械还包括林业机械、渔业机械和蚕桑、养蜂、食用菌类培植等农村副业机械。
改革开放以来，我国的农机发展取得了辉煌的成就，农机产品种类和过去比较发生了根本变化，更新换代的速度也大大加快。但一直以来都没有一个明确的分类标准，生产企业往往根据自己的理解来分类，一些程度上造成了一定的混乱。虽然我们有一个农机机具型号编制规则，但随着社会的发展，更多的农机产品并没有按照该标准执行。
农业机械分为：
（1）田间管理机械 农作物及草坪、果树生长过程中的管理机制，包括中耕、植保和修剪机械；
（2）收获后处理机械 对收获的作物进行脱粒，清选、干燥、仓储及种子加工的机械与设备；
（3）农用搬运机械 符合农业生产特点的运输和装卸机械
（4）畜牧水产养殖机械 畜牧养殖和水产养殖生产过程中所需的饲料加工、饲料及畜产品采集加工机械[1]。
0.2 脱粒机的发展现状
脱粒机是用于对小麦、水稻、玉米、高粱、大豆及其它杂粮等作物进行脱粒作业的重要收获机械，在我国农村广泛使用于机械化分段收获。脱粒机在我国生产使用已有数十年的历史，目前据不完全统计，我国生产各类脱粒机的企业约有200余家，年产量在30万台左右。脱粒机是实施生产许可证的农机产品之一，截止2009年底，己
领取生产许可证的企业数约为200家。生产企业遍布全国各地，其中，以长江以北的麦类产区分布较多，产量较大，尤其山东、河南、河北、江苏四省生产以脱麦为主的脱粒机企业较多，每省有30家左右。东北地区主要是生产以脱玉米、豆类及杂粮为主的脱粒机。在长江以南的地区，大都为生产人工踩踏或动力带动的梳刷式水稻脱粒机。在西南、西北等地也有一些以生产水稻、小麦类脱粒机为主的企业，杂粮类脱粒机占有较小比例。生产脱粒机的企业，大都为中小型企业，尤以小型企业所占比例较大，其企业经济性质多为国有和集体企业，但乡镇和个体企业也为数不少，也有少数的大型生产企业生产脱粒机，但脱粒机产品不是该企业主导产品。目前生产脱粒机的企业大致可分为三种类型：一是有较好的工艺和工装设备条件，企业领导注重研究市场需求动态，人员素质和管理水平都较高的企业，生产批量较大，年产量均在1万台以上，有的高达3万台。这些企业是生产脱粒机的骨干企业。如河北邱县机械厂是国内目前生产脱粒机数量最大的企业之一，1997年的年产量近4万台，1998年在2.7万台左右。湖北佳华机械有限公司是国内生产水稻脱粒机数量最大的企业之一，年产量约在2万台以上。二是生产脱粒机历史虽然很长，但近几年产品型号、管理水平和生产规模变化不大，仅占领部分市场份额的老企业，其生产批量多在几千台左右。三是生产条件较差、人员素质低、管理水平不高的一些乡镇或个体企业，虽然每个企业的生产批量不是很大，有的产量仅为几百台，甚至几十台，但这类企业占有相当的数量。从产品的结构和类型来看，目前脱麦类的简式脱粒机机型占领了大部分市场份额，半复式脱粒机占有少量比例，复式脱粒机产量则很少。产品结构大都为十几年一贯制的老产品。近几年随着市场需求的变化，一些企业开始研制出一些新机型或改进型脱粒机，颇受用户青睐，如山西晋城市西巷农机厂1998年新研究成功的与农用三轮车配套的装袋式简式脱粒机，一上市就受到农民的欢迎，具有较好的市场前景，但这类机型目前在市场所占的份额还不大。水稻用脱粒机在南方水稻产区生产销售较多，但仍以简易的动力带动或人工踩踏的梳刷式滚筒脱粒机较多，其产品结构、技术水平均未有较大的突破。玉米、豆类及其它杂粮类脱粒机近几年己开始进入市场，此类机具在东北地区发展较快。
0.3 脱粒机行业中目前存在的主要问题
（1）不少企业坚持低水平单品种生产，导致恶性循环。
脱粒机生产在我国虽已有数十年历史，但不少企业仍延袭十几年以前的生产方式进行生产和管理，企业管理水平相对落后。全国200多家企业中，至今只有1家企业进行了质量保证体系认证就足以说明这一问题。此外，产品品种单一，产品更新换代适应不了市场的需求，一些产品多年存在的性能问题，如风扇型脱粒机存在的对作物干湿度适应性差的问题一直得不到解决，原因就是多数企业经济效益欠佳，拿不出更多的资金和技术力量用于科研和开发新产品；也有的是由于企业领导急功近利，对开发新产品的重要性认识不足。然而产品更新换代的越慢，越难占领市场，企业效益越差，从而使不少企业的生产陷入了恶性循坏。
（2）不少企业未能形成适度规模生产，导致经济效益不理想。
目前脱粒机生产企业产量最大的为3万多台，最少的仅几十台，不少企业的生产未能形成适度的规模。这主要是因为脱粒机是季节性很强的产品，产品销售往往仅在１个月或者十几天的时间，资金周转时间长，不少企业明知进行技术改造形成适度规模生产能降低成本，提高经济效益，但苦于流动资金不足或贷款困难，无力进行适度规模生产，再加上近几年脱粒机行业活动和信息交流不畅，不能根据市场变化及时调整生产结构、产品品种及生产数量，从而导致经济效益不理想。
（3）市场上存在的无序竞争，扰乱了脱粒机行业的健康发展。
时下，一些条件较差的小型企业或个体企业，受经济利益驱使和利用农忙季节一些农民购机器心切的愿望，逃避生产鉴定和生产许可证的检查验收，随意组织生产。这些企业大部分分布在一些名牌产品的正规企业周围，仿制名牌产品，但偷工减料，并假冒名牌产品以低价竞销。虽然这些企业的产量不大，但严重扰乱了市场正常竞争秩序，对正规企业的生产形成了冲击。如河北望都县农机厂、高阳县五金厂生产的脱粒质量较好，受到了用户欢迎，但近几年在其周边地域，尤其是唐县一带各乡镇个体企业及修理企业，紧跟他们产品更新换代的步子，随时仿造，不经鉴定和领取生产许可证，通过非正常渠道直接向农村销售。类似这样无序竞争的现象在河北邱县机械厂、山东高密农机厂、河南临颖机械厂等生产脱粒机质量较好的企业周围普遍存在，而且近几年出现愈演愈烈的趋势。
（4）产品售后服务适应不了形势要求。
由于小麦脱粒机集中在夏收期间使用，使用时间短，作业负荷重。虽然不少企业在夏收期间组织了大量人力、物力进行产品售后服务，但因企业的规模小，力量有限，
产品的“三化”牗通用化、标准化、系列化牘差，加之多数企业又未能建立有效的服务网络体系，故使得售后服务质量不到位，一些承诺不兑现，作业中出现的质量问题得不到及时或彻底解决，农民消费者对此很有意见[2-3]。
1 引言
我国是农业生产大国，尤其是水稻和小麦，又是我国最为重要的农作物，水稻种植面积约4.5亿亩。全国水稻种植面积占粮食作物面积的35%。在全世界水稻产业中，我国单产和总产都处于世界前列。。从杂交水稻到超级水稻，我国水稻栽培技术一直处于世界前列。水稻用脱粒机在南方地区尤为重要。但仍以简易的动力机构带动或者人力带动，其产品结构和技术水平并没有较大的突破。而且功能过于单一。因此，多功能脱粒机的开发与研究尤为重要
我国生产脱粒机的企业大都数是中小型企业，存在一部分生产条件差，人员素质低。管理水平低的情况，从而使得产品结构没有更新，随着市场需求的变化，一些多功能的脱粒机也颇受用户青睐。
近年来，随着联合收割机的使用，将水稻和小麦的收割、脱粒，包括清选，干燥一体化，对脱粒机市场造成了一定冲击，但根据研究发现，我国南方大部分地区有60%以上的水稻仍是用动力和人力脱粒机进行脱粒，小麦有30%是是用脱粒机进行脱粒。此外，我国地域辽阔，各地区的地理条件并不一样，在丘陵、半山区，脱粒机的是用最为广泛。
根据最新统计数据，中国目前有8亿农民，其中约有5亿为丘陵地区农民。如果5亿丘陵地区农民中，每5人组成一个家庭，仍有1亿农民家庭，按照购买农机率20%计算，则有2千万台。同时，由于农机的高损坏率，高折旧率，今后这一市场的补充、维修与升级市场空间将极为开阔。
本课题的研究内容是设计一个脱粒机械，不仅要解决丘陵地区主要农作物（水稻和小麦）的收获，还要增加一定的功能增加销量。主要部件脱粒滚筒采用类似弓齿的钢片进行排列，以实现在不更换滚筒的情况下能够脱粒水稻和小麦。同时多功能问题，本课题还有一个目标：将滚筒的端面与内部合理的利用，提高脱粒机的利用率。针对这一目的，在滚筒端面增加一个切碎切片的装置，对薯类进行切片和切碎青饲料，在滚筒内部增加清洗装置清洗薯类，从而达到一机多用。
2 多功能脱粒机总体设计
本设计在查阅丘陵地区水稻生产周期的基础上，在市场上比较了几种脱粒机的优缺点，做出了优化方案。要求脱粒机实现体积小，重量轻，方便运输，脱粒效率高，功能多的特点。适用于丘陵、山地、梯田等地形地貌。对于西南片区脱粒机现状的考察和调研中，我发现很多地区习惯采用电力作为田间机械的动力，如重庆垫江地区就将老式的脚踏式脱粒机上装上皮带轮进而以电动机带动进行谷物脱粒。加之柴油和汽油价格较高，因此，此次设计中选取电动机作为动力。然而电动机作业的缺点也显而易见那就是不适合场上作业，但分段收获对此并没有特别要求，在很多地区都是将谷物运到固定场地进行脱粒清选的。
根据水稻脱粒机相关资料的介绍，有关脱粒装置的参考设计数据如下：脱粒滚筒转速为850-1000r/min，在滚筒上有20根弧形钢条，弧长42.8mm，厚50mm，起固定作用，滚筒直径为400mm，长800mm，预计生产率为1000~1200kg/h。
1.机架 2.切碎装置 3.脱粒装置 4.清洗机构 5.电动机 6.清洗水槽
图2.1 脱粒机总体图
Fig. 2.1 thresher overall figure
2.1 脱离滚筒电动机的选择
根据差的数据得知，水稻脱粒机每个齿的平均受力约为20N[4]当脱粒机正常工作时滚筒上的齿条及脱粒齿快速旋转。其中均有十条脱粒齿条受水稻施加的切向力，参加工作的齿数为10个，而另外十条是空行程。因此：
F=N·M=20×10=200N (2-1)
即脱粒机正常工作时，受到的切向力为300N
式中：N—脱粒齿的平均受力，N
M—参加工作的脱粒齿数
2.1.1齿条上脱粒齿的转速
当脱粒机的脱粒滚筒高速转动时，其齿条上的脱粒齿同样具有一定转速，这个转速源于主轴的转速和脱粒齿与轴心的距离，即：
V=π⨯N⨯D
60⨯1000=π⨯850⨯400
60⨯1000=17.79m/s (2-2)
式中：V—脱粒齿转速，r/min
N—主轴转速，r/min
D—脱粒滚筒直径，mm
2.1.2 脱粒机所需的功率
脱粒机所需的功率P，应由脱粒机的工作阻力和运动参数确定，即
P=F×V，计算求得： 1000
P=F⨯V200⨯17.79==3.56kW (2-3) 10001000
2.1.3 电动机的功率
PW 电动机的功率由Pa=ηa来确定，其中ηa是脱粒机传动装置的总效率，是组成传
动装置的哥哥部件运动服的效率之积，其中η1、η2分别为每个传动副的效率，选取传动副的效率如下：
滚动轴承（每对）：.98-0.995，取η1=0.99
V带传动：0.94-0.97，取η2=0.97
滚动转动：因为脱粒齿和滚筒之间是固定的， ηa=η1⨯η2=0.99×0.97=0.96
由此可得电动机的功率Pa
Pa=PW
ηa=3.56=3.71 kW （2-4） 0.96
2.1.4 电动机的转速
在脱粒机中，对于转速的要求是适中转速，转速太大容易造成谷物破碎率的增大，转速太小，将导致谷物不能脱离干净，一般情况下，要求滚筒转速在850-1000r/min之间。该多功能脱粒机采用的是带传动，根据机械设计手册，推荐的带传动的传动比的合理取值范围取i=2-4，即可以满足电动机的转速与主轴的转速相匹配，故电动机的转速范围可选为：
na=i×n=（2-4）×（850-1000）=1700-4000 r/min （2-5）
2.2滚筒部分电动机选择
额定功率≥工作要求的功率
Pd=Pw/η
Pd−工作机实际需要的电动机输出功率，kW；
Pw−工作机所需输入功率，kW；
η−电动机至工作机之间传动装置的总效率。 qv2
Pw=N0+NT=Aω+Bω+（kW） （2-6） 1000(1-f)3
式中 ω—滚筒角速度为89（s-1）；
v—滚筒圆周速度为17.8（m/s）；
A—系数，与轴承种类、传动方式有关，取为0.3⨯10-3；
B—系数，与滚筒转动时的迎风面积有关，取为0.6⨯10-6；
q—喂入量取为2.5（kg/s）；
f—搓擦系数，与圆周速度、凹板间隙、喂入量、谷物湿度等有关，根据经验取0.7。
最后算得脱粒装置所需的功率为3.9kW。
电动机至脱离滚筒之间传动装置的总效率：
Pd=Pw/η=3.9/0.9603=4.06kW （2-7） 电动机可选转速范围：n=inw
nw为脱离滚筒转速，r/min, nw=60⨯1000⨯v60⨯1000⨯17.5 ==836r/min （2-8）πDπ⨯400
i为带传动的传动比范围，按《机械设计课程设计手册》知带传动常取i为2-4，,选取其适中值i=3
∴ n=3⨯856r/min=2568 r/min
2.3 最终电动机的确定
要使功率满足以上要求，即P=P2=4.1kW
转速在2568 r/min左右，查阅机械设计手册可得，选择电动机Y132S1-2电动机，额定功率5.5 kW。转速2900r/min。
2.4传动方式的选择
常见的机械传动方式有皮带传动：链传动、齿轮传动、蜗杆传动、螺纹(丝杆)传动、齿轮齿条传动和皮带传动。
其中，皮带传动的特点是结构简单，可以传动的中心距较大，传动中不产生震动，滑动系数大，传动功率较小。
根据这个特点，我们在该多功能脱粒机上采用皮带传动。
2.5 皮带的选择
2.5.1 各种传动方式的特点
普通梯形皮带的传动比一般小于10，最佳带速为20m/s，传动效率为85%-95%，带两侧与轮槽附着较好，当量摩擦因数较大，允许包角小，传动较大中间距较小，预紧力较小，传动功率可达700kW。
综上所述，我们选择该多功能脱粒机用普通梯形皮带传动。
2.5.2 皮带的定型
此处选用A型皮带。
所以，得出电动机和脱离滚筒之间的皮带参数b=13mm，bp=11mm，h=8mm。
2.6 皮带轮的选择
清洗机的转速为56.27r/min，而电动机为2900 r/min，所以有中间轴的减速传动比为 i=2900/56.27=52
2.6.1电动机和中间轴之间带轮各种参数的确定
(1)所选的V带型号为A型，查阅资料可得：A型带的V带最小基准直径为75mm，所以小带轮的基准直径取90mm
(2)计算V带的速度
v=nπD =13.66m/s （2-9）60
V带传动速度不宜过高，一般在5-25m/s,此处为13.66m/s，符合要求。
(3)计算大带轮的基准直径
大带轮的直径计算公式为d2=id1，此处i为传动比
i1=i/i2=52/8=6.5 （2-10）
式中：i、i2分别为总传动比和中间轴到滚筒主轴的传动比。
所以d2=6.5×90=585mm （2-11）
查阅机械设计可得，确定大带轮的基准直径为630mm。所以i1=7，i2=52/7=7.4。
(4)确定中心距
两带轮之间的中心距直接影响平稳性和传动效率，中心距稍大，可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命。但是如果中心距过大，则会加剧带的波动，降低带的平稳性。一般选带传动的中心距为
（2-12）
所以,取中心距为600mm
(5)计算带长
（2-13）
带入数据计算得L=2452mm，取带长为2500mm
(6)验算包角
小带轮的包角小于打带轮上的包角，股小带轮上的总摩擦力也小于大带轮上的总摩擦力。因此打滑的情况最先应出现在小带轮上，所以只需要验算小带轮上的包角，使其满足条件即可，为了提高传动带的工作能力，应使包角满足以下条件
（2-14）
即：α1 =128度大于90度
所以，满足V带传动的包角要求。
2.6.2 中间轴和清洗装置之间带轮各种参数的确定
(1)小带轮的数据与电动机一样，所以小带轮的基准直径取90mm。
(2)计算V带的速度
v=nπD =13.66m/s （2-15）60
V带传动速度不宜过高，一般在5-25m/s,此处为13.66，符合要求。
(3)计算大带轮的基准直径
大带轮的直径计算公式为d12=id12，此处i为传动比7.4
i2=i/i1=52/7=7.4 （2-16）
所以 d2=7.4×90=666mm （2-17）
查阅机械设计可得，确定大带轮的基准直径为710mm。
(4)确定中心距
两带轮之间的中心距直接影响平稳性和传动效率，中心距稍大，可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命。但是如果中心距过大，则会加剧带的波动，降低带的平稳性。一般选带传动的中心距为
（2-18）
所以，取中心距为600mm
(5)计算带长
（2-19）
带入数据算的L=2616mm。
查阅机械设计，取带长为2800mm。
(6)验算包角
小带轮的包角小于打带轮上的包角，股小带轮上的总摩擦力也小于大带轮上的总摩擦力。因此打滑的情况最先应出现在小带轮上，所以只需要验算小带轮上的包角，使其满足条件即可，为了提高传动带的工作能力，应使包角满足以下条件
（2-20）
即 α1 =121度大于90度
所以，满足V带传动的包角要求。
2.6.3 电动机和脱粒机之间带轮各种参数的确定
(1)所选型号与以上相同，且小带轮参数一样
(2)计算V带的速度
v=nπD（2-21） =13.66m/s 60
V带传动速度不宜过高，一般在5-25m/s,此处为13.66，符合要求。
(3)计算大带轮的基准直径
大带轮的直径计算公式为d12=id12，此处i为传动比7.4
i=n1/2=2900/836=3.5 （2-22）
所以d2=3.5×90=315mm （2-23）
查阅机械设计可得，确定大带轮的基准直径为315mm。
(4)确定中心距
两带轮之间的中心距直接影响平稳性和传动效率，中心距稍大，可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命。但是如果中心距过大，则会加剧带的波动，降低带的平稳性。一般选带传动的中心距为
（2-24）
所以，取中心距为600mm
(5)计算带长
（2-25）
带入数据算的L=1857mm。
查阅机械设计，取带长为2000mm。
(6)验算包角
小带轮的包角小于打带轮上的包角，股小带轮上的总摩擦力也小于大带轮上的总摩擦力。因此打滑的情况最先应出现在小带轮上，所以只需要验算小带轮上的包角，使其满足条件即可，为了提高传动带的工作能力，应使包角满足以下条件
（2-26）
即： 1 =159度大于90度
所以，满足V带传动的包角要求。
3 脱粒装置的改进设计
脱粒机指能够将农作物籽粒与茎秆分离的机械，主要指粮食作物的收获机械。根据作粮物的不同，脱粒机种类不同。如“打稻机”适用于水稻脱粒；用于玉米脱粒的称为“玉米脱粒机”等等。打稻机俗称“打谷机”，为最常见水稻脱粒机械。需要先将水稻收割以后，通过这种机械将水稻谷粒与茎秆分离。打稻机分为二类，一类依靠人力驱
动，称为“人力打稻机”，为半机械化工具；将打稻机改为动力驱动，则称为“动力打稻机”。打稻机的出现大大降低了水稻收割的劳动强度，同时也改善了农业生产力。
脱粒装置是脱粒机上最主要的装置，它的结构不仅决定了它的功能，而且还决定了它的效率。
（1）对脱粒装置的要求
脱粒装置最重要的技术要求就是 脱净率高， 破碎率低，性用性能好，通用性好，能适应多种农作物和多种条件，功率消耗低，如果需要，能保证秸秆的完整性。
上述技术要求和谷物本身的脱粒特性是形成各种型式脱粒装置的基础。脱粒难易程度与作物品种、成熟度和湿度等有密切关系。成熟度差、湿度大的就难脱。湿度大、秆草（包括杂草）含量多时会显著地降低脱粒装置的分离性能。
实践表明，即使在同一穗上的农作物脱粒的难以程度也不一样，以水稻为例，水稻顶部最先成熟，中部次之，底端最后成熟。这样就对脱粒装置有了更严格的要求。
（2）脱粒装置的工作原理
为了使谷粒脱离穗轴，可以有多种原理来实现，但主要有下述四种：
a．打击
靠工作部件对穗进行打击，使果实和秸秆之间有不同的速度，靠工作部件的打击，达到分离的效果。
b．梳刷
当工作部件很窄，在谷穗之间通过时，就形成了梳刷脱粒。实际上它也是打击。通常在梳刷中茎秆不动或少量的纵向运动。
c．揉搓或搓擦
它是指谷层在挤压状态下在层内出现挫动而使谷粒脱落，发生在钉齿或纹杆滚筒的脱粒间隙中。它取决于揉搓的松紧度（强度），也就是间隙的大小和谷层的疏密。
因为，打击脱粒必须要有部件与谷粒间较大的相对速度这一个条件，所以这种脱粒通常出现在茎秆静止（如半喂入式）或运动速度很低(如纹杆、钉齿滚筒的喂入口处）的时候。而揉搓则不同，它发生在已经获得较大运动速度（如在脱粒间隙的后段）的谷层内部，由于相对揉搓而脱粒。
d．碾压
脱粒元件对谷穗的挤压造成脱粒，在碾压过程中会使谷粒与穗柄之间产生横向相对位移，而通常谷粒与穗轴的抗剪能力是较弱的，上述相对位移就形成了剪切破坏其连结。在此同时碾压会造成相邻谷层之间的移动，这也能破坏谷粒的连结力。
因此，用辊子碾压铺在场院的谷层进行脱粒是有效方法之一。
脱粒滚筒的结构不但决定了脱粒机的效率，而且还决定了适用农作物的类型。就现在市场上出现的脱粒机而言，主要是单功能脱粒，不能兼合多种农作物的需求，这就是脱粒滚筒的结构决定的。本文我们主要是设计和开发一种脱粒滚筒，使之适用于水稻和小麦的收获，因为，水稻、小麦是西南地区主要的农作物[5] 。
3.1 脱粒滚筒的结构
水稻脱粒滚筒主要采用的是弓齿脱粒滚筒。弓齿滚筒式脱离装置属于半喂入式脱离装置。工作时谷物根部由夹持输送装置夹紧，沿滚筒轴向移动，使谷物的穗头进入脱离滚筒中，在谷物随着输送装置移动的过程中，由弓齿对穗头进行击打和梳刷，达到脱粒的目的。这种脱粒滚筒上面有多种弓齿：梳整齿、加强齿和脱粒齿（如图3.1）。
（b） （a）
图3.1 弓齿的种类 （a）加强齿 （b） 脱粒齿
Fig. 3.1 Bow tooth type
3.2脱粒方式的比较
根据滚筒和谷物的位置不同，脱粒方式有倒挂侧脱、平喂上脱，平喂下脱等三种方式，如图3.2所示。
（a） （b） （c）
（a）倒挂侧脱 （b）平喂上脱 （c）平喂下脱
图3.2 脱粒方式
Fig. 3.2 Threshing way
倒挂侧脱主要用于卧式割台，因为卧式割台的茎杆呈水平状，只需要将夹持住谷物的根部，在倒挂起来，即能实现倒挂侧脱。平喂上脱和平喂下脱主要用于立式割台。 根据这三种脱粒装置的特点，我们初步选用（a）倒挂側脱。
3.3 脱粒滚筒运转的稳定性
在脱离滚筒运转的过程中，由于杂物或者谷物产量的不同，喂入的不均匀， 使得脱粒机或者联合收割机的工作负荷不断变化。这将使得脱离滚筒运转不平稳。 假设发动机给滚筒的功率为Nt及脱粒所需要的功率N1.分别为：
0= Nt=N-N2N-ωA-ωB （3-1）
mV2mR2ω2
= Nt= （3-2） 1000(1-f)1000(1-f)
显然，由于发动机发动机提供的功率，滚筒空转的功率及脱粒需要的功率不平衡。根据功率方程，则有：
N-N0-Nt=1dω （3-3） Jω1000dt
式中:J—滚筒的转动惯量，kg/m2
式(3-3)左边，表示滚筒输入功率和输出功率之差，即滚筒加速度消耗的功率，用Ny表示。设滚筒的平均速度为ωp，那么滚筒转速的不均匀度为 1jωωp。 1000
由此可知，要使滚筒稳定运转，滚筒应具有足够和适量的转动惯量。依靠自身储藏或释放能量。使转速的波动不至于过大。另外，发动机也应具有足够的功率储备和灵敏的调速器。
3.4 滚筒及各零部件的设计
通过以上对滚筒原理及结构的学习，下面将对多功能脱粒机的滚筒和各零部件进行设计。
因为现设计的滚筒既要用于脱粒，也要用作清洗机的滚筒，所以我以重庆大学设计的一台脱粒机为模板，只改变它构成的钢条数，由原先的四根变为20根，每根的弧长42.8mm，以保证滚筒内清洗物不掉出来，其它设置都和原机一样。
轴承和轴定型：在此，脱粒滚筒和秸秆切碎装置中都以用到轴承和轴，在考虑到成本的情况下，同时分析两处的轴和轴承受到的受力情况很相似，工作条件和工作要求也很相似，所以考虑这两处采用相同的轴和轴承。
轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。
轴的结构尺寸主要取决于以下几个方面的因素：轴在机器中的安装位置；安装在轴上零件的类型、尺寸及数量；载荷的性质、大小及方向包括轴的加工工艺等。
根据轴的扭转强度来初步计算及确定其最小直径，用公式
轴的材料取20CrMnTi号钢，因为脱粒中轴要承受转矩、弯矩，扭矩等的综合作用，所以轴还需经过调制处理，使其硬度达到220-250HB，查阅机械设计手册可得A0=118，于是算出dmin=29.8mm。
输出轴的最小直径显然与带轮的内孔配合，用来安装皮带轮，所以轴上有键槽，为了使开键槽不影响输出轴的强度，可以使轴的直径增加5%，这样增加输出轴的尺寸，
可以提高轴的强度，即
d=dmin(1+5%)=29.8×（1+5%）=31.45mm
所以，输出轴的最小直径为32mm，因为此轴段与皮带轮的内控配合，此段轴的直径应该和带轮内孔的直径一样，带轮内孔的直径为29mm，所以此段轴的直径也应该为28mm。在轴的两端必须装有轴承，轴承主要是一个支承轴的零件，它可以引导轴承的旋转，也可以承受轴上空转的零件，此两处选用的轴承型号是6206，深沟球滚子轴承。 4 切片切碎装置
4.1 切片切碎装置的可行性分析
遵循农业机械发展的技术要求，针对西南广大丘陵地区难以采用大型联合收割机，大部分地区只能采用分段收获的特点，特别设计出适用于分段收获的脱粒机的配套机械装置切片切碎装置。由于大多脱粒机搬运困难且在一年之中的闲置时间较长，大约只工作一个季度，这样导致机器推广困难。为了使广大农民接受并乐意使用脱粒机械，制作简单操作方便和可利用度高是必不可少的条件，而切片切碎装置不仅制作简单操作方便实用性还强，正是改善状况的一个好方法。
切片切碎装置的实用性如下所见：第一种作为秸秆切碎装置，作物秸秆的切碎，在有条件的地区大中型联合收割机切碎，并抛洒田间，留在地里的部分可用带切断装置的微耕机或切碎机切碎并与土壤混合，但在丘陵地区，大中型农业机械，特别是联合收割机的使用受到限制，大部分的秸秆并没有留在田间，而是采用分段收获带回家里。一般小型农业户都有喂养家畜，而秸秆可以当做家畜过冬的被子，切碎的秸秆被家畜踩过并混上家畜的粪便后又是很好的绿色肥料，既环保又安全，还能节约金钱。第二种作为薯类切片机械，在农村，大部分的薯类加工还是手工操作，既费时又费力，还需要专门的工具。而切片切碎装置效率高，又省力，本身装在脱粒机上还不占空间，除了对切片不太精细，容易损坏薯类结构外没有什么缺点，但在农村需要进行的薯类加工都是作为家畜的饲料，对切片质量要求并不高，所以确实是一种实用装置。第三种作为青饲料切碎装置，其原理同农村正在使用切碎机相同，都是高速旋转的刀片将饲料绞碎，但此装置可以选择两种不同的转速，所以实用性更好。第四种是只有这种型号才有的功能，因为脱粒机滚筒内部设计为清洗机，而切片切碎装置刚好安在清洗
机的出料口，当撤掉清洗机出料口活动挡板时可顺便对清洗物进行切片。以上四种功用说明了在脱粒机上加上切片切碎装置的可行性与实用性。
4.2 切片切碎装置的结构与工作原理
4.2.1 装置的结构
该设备由进料口、排料口及滚筒、切刀和机架组成。与脱粒机的动力机构配套使用。切碎机由进料口、出料口及滚筒、切刀和机架组成，进料口自然通畅。切刀与滚筒的安装有几个方面的要求，以保证对秸秆进行有效地剪切，以利于减小冲击振动和附加载荷。在进料口还设有单向挡板，其作用一是防止操作者的手进入喂料口，确保安全；二是防止切碎秸秆返出[6-8]
(1)工作原理
发动机通过皮带轮带动滚筒旋转，转速为700-900r/min。滚筒主轴上的动刀片与机架上的定刀片（可活动，由能调整间隙的钢片组成）之间有一定的剪切角。秸秆和薯类进入机内的同时，动刀片与定刀片将秸秆切碎。并利用滚筒刀片和切割物自身重力将切碎后的短秸秆沿切线方向从排料口排出。如图4.1，秸秆或者青饲料从喂入斗（喂入斗有一定宽度，配有专门设计的推手向里面推送物料，以保证安全）中进入，从3进入切割装置内部，在由连在滚筒上的刀片1作为动刀片，可以在一定程度上调整间隙以控制秸秆长度的活动挡板2作为定刀片进行切割，再由出料口4（长480mm，宽200mm的长方形）。而在背面既是与滚筒相接的一面，整个切割装置厚度200mm（既前端面到清洗机出料口的距离），切割装置只有半圆部分被封闭，下半部分有活动挡板挡住以控制清洗物在滚筒内部的时间。
1.切割刀片 2.活动挡板 3.喂料口 4.出料口
图4.1 切割装置结构图
Fig. 4.1 cutting diagram
（2）旋转刀片的切割分析
根据切碎装置的结构和工作原理，电动机由滚筒主轴将力传递到切割刀片。当切割刀片与秸秆接触时，使秸秆偏移，就会产生滑切效果，使其受力如4.2所示。
图4.2 切割受力分析
Fig. 4.2 the cutting force analysis
如图4.2所示 N2cosa+P=N1这是纵向力平衡，但还有沿水平方向N2sina没有平衡，这样就会形成水平速度，会与刀刃有相对移动，就形成了滑切条件，降低了功耗[9-10]。
4.2.2 切割装置零部件设计及材料选择
如图4.1所示，图示中阴影部分切割装置箱体，作用是提供刀片和秸秆运转空间，其中箱体两端的圆形幅板采用整体式钢板，箱体周围的圆柱形钢材采用Q195号钢弯曲而成。根据GB/T700-1988中Q195塑性好，常用其扎制薄板、拉制线材和焊接钢管。所以此处采用Q195钢材。箱体内部由刀架筒和动刀片焊接组成，刀架是连接刀片和轴的部件，整体采用两端封闭的空心圆柱形式，两端封闭的端盖上开有轴孔，方便和轴进行连接，取刀架内径为29mm，与皮带轮一样，则此处的轴直径为28mm，此处连接形式为平键连接。参照GB/T700-1988可得钢板厚度小于16mm时，Q235号钢的屈服强度（σs/MPa）为235，抗拉强度（σb/MPa）为375-460，伸长率（σ5/%）为26。适用于金属结构构件，心部强度要求不高的渗碳或碳氮共渗零件，吊钩，拉杆，套圈，气缸，齿轮，螺栓，螺母，连杆，轮轴，盖及焊接件。此种碳素结构钢可适用于制做定刀片和动刀片。制做出的刀片先退火，然后进行渗碳（渗碳深度为0.4-0.6mm，表面硬度为55-65HRC）。
5 薯类清洗装置
近几年，薯类在农村已成为不可缺少的饲料。然而在没有大型饲养场的农户中，对于薯类的清洗完全靠手工清洗。由于作为饲料的薯类对清洁度要求并不高，只需要清理表面的泥土、泥沙就能使用。因此针对这种情况改进了脱粒机使它有这种清洗功能，以供广大小型农业户使用。
5.1 工作原理
该清洗装置的清洗原理见图5.1。滚筒的直径为40cm在滚筒的内侧有螺旋带2以方便物料的轴向移动。物料5被送入滚筒1后，随滚筒一起转动，由于重力的作用，当物料转到一定的高度后，就会重新落在毛刷3（直径240mm）与滚筒1之间（毛刷的旋转方向与滚筒相同），物料被转动的滚筒内壁螺旋带和毛刷摩擦清洗，经过反复的升起与落下并刷洗，将表面清洗干净。
1.滚筒外壁 2.螺旋带 3.毛刷 4.清洗水槽 5.物料
图5.1 滚筒内部工作原理图
Fig. 5.1 roller schematic
由于滚筒内有螺旋带2，使物料5随滚筒转动的同事，向前移动实现自动排料。但由于小型脱粒机滚筒的长度有限，又要保证物料被清洗干净，所以在出料口加上钢片限制自动排料，在一段时间后在拿掉，使其手动排料【11-13】
5.2 滚筒速度的确定
物料在清洗的过程中，会随着滚筒一起做匀速圆周运动。当滚筒的速度过高，物料的离心力会大于本身重力，这时物料将紧贴着滚筒转动，每转过一周才可以清洗一次，其洗刷效果明显不够理想。要使物料被多次洗刷，应使物料随滚筒运转一段行程后重新落下。经实验证明物料在与滚筒水平轴线的夹角为200时，落下最为合适。但脱粒机滚筒直径较小，而毛刷安在主轴上，所以取45度(如图5.2所示)，使物料重新落到滚筒与毛刷之间。这样当物料随滚筒向上运动时受水（水槽用螺钉连载机架上，可拆卸，便于水槽与脱粒机的筛网交换）冲洗，向下落体时又受毛刷的洗刷和滚筒的摩擦清洗，达到良好的清洗效果。
图5.2 物料运动轨迹图
Figure 5.2 material trajectory chart
要使物料在与滚筒水平轴线的夹角为45度时落下，可计算滚筒的转速如下。已知滚筒的直径为400mm，物料在滚筒运动时所受重力为P,离心力F和壳体法向反力N的作用。因为物料做匀速圆周运动，有：
V2
加速度 an==Rω2 R
离心力 F=man
A点物料法向取平衡力系，
有 N+Psinα-F=0
如果物料脱离滚筒壁落下，则N=0，有
ω=gsinα (5-1) R
式5-1即为物料的脱离角与角速度和滚筒半径之间的关系式。从中可以看出若滚筒直径确定，则角速度越小，脱离角也越小。
若α=450，已知R=0.2m，g=9.8，
代入式5-1得 ω=5.89rad/s
滚筒的转速 n=ω60=56.27r/min (5-2) 2π
切向速度
V=πDn=3.14⨯0.4⨯56.27=70.68m/min=1.18m/s (5-3)
5.3 进出料口设计
如图5-3所示，由滚筒的一端进料，由于滚筒的端面只有几根钢片作为支架，所以四分之三的范围要由机架上的挡板挡住，只留下第一象限接上进料斗进料。而滚筒的另一端作为出料口并且连着切碎装置，由于要限制物料在滚筒内的时间，所以在出料的三四象限要装上活动的挡板，并且要求在出料口的切碎刀片能够自由的取下来，这样就能保证清洗过后的物料是否需要直接加工【14-15】
1.进料口 2.出料口 3.活动挡板
图5.3 进出料口示意图
Fig. 5.3 sketch of feeding
6 结论
西南丘陵区农作物机械化收割的主要方式是分段收割。对于稻麦两种常见的农作物，分段收割最主要的两个部分就是切割和脱粒。市场上现有脱粒机，通常只能脱粒农作物，功能单一，导致脱粒机全年闲置四分之三的时间，降低了脱粒机的利用率。
本设计按照任务书的要求，改进脱粒滚筒的结构和功能，充分利用滚筒端面与内部，使之不仅适用于农作物的脱粒作业，还可以利用滚筒端面对薯类切片机切碎青饲料，利用滚筒内部制作成薯类清洗装置实现一机多用，提高脱粒机的利用率，给农民
更多的实惠，促进农村机械化。设计实现了以下目标：
(1)对滚筒端面进行改进，设计成为切片切碎机；
(2)整合现有设计方案，对滚筒内部改进设计，使其可以清洗薯类；
(3)使多功能滚筒与脱粒机较好结合，达到一机多用，增加了脱粒机的实用性，有助于推进农业机械化发展。
参考文献
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[15]国外收获机械（第二集）[R].科学文献出版社，1977.
致 谢
本学位论文是在指导老师李庆东的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到论文的最终完成，李老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持，并且在耐心指导论文之余，李老师仍不忘拓展我们的文化视野，让我们再次感受到了学习的美妙与乐趣。值得一提的是，李老师虽工作繁忙，不能对我们时刻监督，但善于启发学生，不慕荣利，对学生认真负责，在他的身上，我们可以感受到一个学者的严谨和务实，这些都让我们获益菲浅，并且将终生受用无穷。毕竟“经师易得，人师难求”，希望借此机会向李老师表示最衷心的感谢！
本文最终得以顺利完成，也是与工学院其他老师的帮助分不开的，虽然他们没有直接参与我的论文指导，但在开题时也给我提供了不少的意见，提出了一系列可行性的建议，在此向他们表示深深的感谢！
四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。
最后要感谢的是我的父母，他们不仅培养了我对中国传统文化的浓厚的兴趣，让我在漫长的人生旅途中使心灵有了虔敬的归依，而且也为我能够顺利的完成毕业论文提供了巨大的支持与帮助。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答他们！
陈传兵
2013年4月30号
本科毕业论文（设计）
多功能脱粒机总体设计及其 题 目 脱粒装置改进设计
学 院 工程技术学院
专 业
年 级
学 号 姓 名
指导教师
成 绩
农业机械化及其自动化 2009 级 [**************] 陈传兵 李庆东
二○一三年五月
目录
摘要 ............................................................................................................................... 3
Abstract ........................................................................................................................ 4
0 文献综述 ................................................................................................................... 5
0.1 小型多功能农业机械简介、用途及分类 ..................................................... 5
0.2脱粒机的发展现状 .......................................................................................... 6
0.3脱粒机行业中目前存在的主要问题 .............................................................. 6
1 引言 ......................................................................................................................... 8
2 多功能脱粒机总体设计 ........................................................................................... 9
2.1 脱离滚筒电动机的选择 ............................................................................... 10
2.1.1齿条上脱粒齿的转速 .......................................................................... 10
2.1.2 脱粒机所需的功率 ........................................................................... 10
2.1.3 电动机的功率 ................................................................................... 10
2.1.4 电动机的转速 ................................................................................... 11
2.2滚筒部分电动机选择 .................................................................................... 11
2.3 最终电动机的确定 ....................................................................................... 12
2.4传动方式的选择 ............................................................................................ 12
2.5皮带的选择 .................................................................................................... 13
2.5.1各种传动方式的特点 .......................................................................... 13
2.5.2 皮带的定型 ....................................................................................... 13
2.6 皮带轮的选择 ............................................................................................... 13
2.6.1电动机和中间轴之间带轮各种参数的确定 ...................................... 13
2.6.2 中间轴和清洗装置之间带轮各种参数的确定 ................................. 14
2.6.3 电动机和脱粒机之间带轮各种参数的确定 ................................... 15
3 脱粒装置的改进设计 ........................................................................................... 16
3.1 脱粒滚筒的结构 ........................................................................................... 18
3.2脱粒方式的比较 ............................................................................................ 19
3.3 脱粒滚筒运转的稳定性 ............................................................................... 19
3.4 滚筒及各零部件的设计 ............................................................................... 20
4 切片切碎装置 ....................................................................................................... 21
4.1 切片切碎装置的可行性分析 ..................................................................... 21
4.2 切片切碎装置的结构与工作原理 ............................................................. 22
4.2.1 切碎装置的结构 ............................................................................... 22
4.2.2 切碎装置零部件设计及材料选择 ................................................... 24
5 薯类清洗装置 ....................................................................................................... 24
5.1 工作原理 ..................................................................................................... 24
5.2 滚筒速度的确定 ......................................................................................... 25
5.3 进出料口设计 ............................................................................................. 27
6 总结 ....................................................................................................................... 27
参考文献 ..................................................................................................................... 28
致谢 ............................................................................................................................. 29
多功能脱粒机总体设计及脱粒装置改进设计
陈传兵
西南大学工程技术学院，重庆 400715
摘要：针对西南丘陵区农作物的机械化收割，就现阶段技术而言，最好的收获方式就是
分段收割。对于稻麦两种常见的农作物，分段收割最主要的两个部分就是切割和脱粒。
市场上现有脱粒机，功能单一。脱粒机只能脱粒农作物，导致脱粒机全年会闲置四分之
三的时间，大大的降低了脱粒机的利用率。本课题的研究目的就是改进脱粒滚筒的结构
和功能，充分利用滚筒端面与内部，使之不仅适用于农作物的脱粒作业，还可以利用滚
筒端面切碎青饲料，利用滚筒内部制作成薯类清洗装置，实现一机多用。脱粒机在提高
的利用率的同时也给了农民更多的实惠，以致于增加脱粒机销量，从而促进农村机械化。 关键词：脱粒机 多功能 切片装置 清洗装置
Design Of Multi-function Threshers Threshing Roller
Chen Chuanbing
College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China
Abstract：For mechanized harvesting of crops in Southwest hilly area, and is now in the
technology, the best harvest is segmented with the harvest. For rice and wheat two common for
crops, the main two parts of segmentation harvest is cutting part and threshing parts. Just now
in the market for the threshing, than a function. A threshing can only threshing crops， Led to
threshers annual idle time three-fourths, reduced utilization of the thresher. Research purpose
of this project is to improve the structure of threshing and features, full use of roller surface
and internal ,make it apply not only to the threshing of crops, but also make use of the drum
end chopped forage and drum made into potato cleaning device and Thresher in increase
utilization and also give farmers more benefits，that increase thresher sales, so as to promote
rural mechanization.
Key words：threshing；multi-function；slicing device；cleaning device
0 文献综述
0.1 小型多功能农业机械简介、用途及分类
农业机械是指在作物种植业和畜牧业生产过程中，以及农、畜产品初加工和处理过程中所使用的各种机械。农业机械包括农用动力机械、农田建设机械、土壤耕作机械、种植和施肥机械、植物保护机械、农田排灌机械、作物收获机械、农产品加工机械、畜牧业机械和农业运输机械等。广义的农业机械还包括林业机械、渔业机械和蚕桑、养蜂、食用菌类培植等农村副业机械。
改革开放以来，我国的农机发展取得了辉煌的成就，农机产品种类和过去比较发生了根本变化，更新换代的速度也大大加快。但一直以来都没有一个明确的分类标准，生产企业往往根据自己的理解来分类，一些程度上造成了一定的混乱。虽然我们有一个农机机具型号编制规则，但随着社会的发展，更多的农机产品并没有按照该标准执行。
农业机械分为：
（1）田间管理机械 农作物及草坪、果树生长过程中的管理机制，包括中耕、植保和修剪机械；
（2）收获后处理机械 对收获的作物进行脱粒，清选、干燥、仓储及种子加工的机械与设备；
（3）农用搬运机械 符合农业生产特点的运输和装卸机械
（4）畜牧水产养殖机械 畜牧养殖和水产养殖生产过程中所需的饲料加工、饲料及畜产品采集加工机械[1]。
0.2 脱粒机的发展现状
脱粒机是用于对小麦、水稻、玉米、高粱、大豆及其它杂粮等作物进行脱粒作业的重要收获机械，在我国农村广泛使用于机械化分段收获。脱粒机在我国生产使用已有数十年的历史，目前据不完全统计，我国生产各类脱粒机的企业约有200余家，年产量在30万台左右。脱粒机是实施生产许可证的农机产品之一，截止2009年底，己
领取生产许可证的企业数约为200家。生产企业遍布全国各地，其中，以长江以北的麦类产区分布较多，产量较大，尤其山东、河南、河北、江苏四省生产以脱麦为主的脱粒机企业较多，每省有30家左右。东北地区主要是生产以脱玉米、豆类及杂粮为主的脱粒机。在长江以南的地区，大都为生产人工踩踏或动力带动的梳刷式水稻脱粒机。在西南、西北等地也有一些以生产水稻、小麦类脱粒机为主的企业，杂粮类脱粒机占有较小比例。生产脱粒机的企业，大都为中小型企业，尤以小型企业所占比例较大，其企业经济性质多为国有和集体企业，但乡镇和个体企业也为数不少，也有少数的大型生产企业生产脱粒机，但脱粒机产品不是该企业主导产品。目前生产脱粒机的企业大致可分为三种类型：一是有较好的工艺和工装设备条件，企业领导注重研究市场需求动态，人员素质和管理水平都较高的企业，生产批量较大，年产量均在1万台以上，有的高达3万台。这些企业是生产脱粒机的骨干企业。如河北邱县机械厂是国内目前生产脱粒机数量最大的企业之一，1997年的年产量近4万台，1998年在2.7万台左右。湖北佳华机械有限公司是国内生产水稻脱粒机数量最大的企业之一，年产量约在2万台以上。二是生产脱粒机历史虽然很长，但近几年产品型号、管理水平和生产规模变化不大，仅占领部分市场份额的老企业，其生产批量多在几千台左右。三是生产条件较差、人员素质低、管理水平不高的一些乡镇或个体企业，虽然每个企业的生产批量不是很大，有的产量仅为几百台，甚至几十台，但这类企业占有相当的数量。从产品的结构和类型来看，目前脱麦类的简式脱粒机机型占领了大部分市场份额，半复式脱粒机占有少量比例，复式脱粒机产量则很少。产品结构大都为十几年一贯制的老产品。近几年随着市场需求的变化，一些企业开始研制出一些新机型或改进型脱粒机，颇受用户青睐，如山西晋城市西巷农机厂1998年新研究成功的与农用三轮车配套的装袋式简式脱粒机，一上市就受到农民的欢迎，具有较好的市场前景，但这类机型目前在市场所占的份额还不大。水稻用脱粒机在南方水稻产区生产销售较多，但仍以简易的动力带动或人工踩踏的梳刷式滚筒脱粒机较多，其产品结构、技术水平均未有较大的突破。玉米、豆类及其它杂粮类脱粒机近几年己开始进入市场，此类机具在东北地区发展较快。
0.3 脱粒机行业中目前存在的主要问题
（1）不少企业坚持低水平单品种生产，导致恶性循环。
脱粒机生产在我国虽已有数十年历史，但不少企业仍延袭十几年以前的生产方式进行生产和管理，企业管理水平相对落后。全国200多家企业中，至今只有1家企业进行了质量保证体系认证就足以说明这一问题。此外，产品品种单一，产品更新换代适应不了市场的需求，一些产品多年存在的性能问题，如风扇型脱粒机存在的对作物干湿度适应性差的问题一直得不到解决，原因就是多数企业经济效益欠佳，拿不出更多的资金和技术力量用于科研和开发新产品；也有的是由于企业领导急功近利，对开发新产品的重要性认识不足。然而产品更新换代的越慢，越难占领市场，企业效益越差，从而使不少企业的生产陷入了恶性循坏。
（2）不少企业未能形成适度规模生产，导致经济效益不理想。
目前脱粒机生产企业产量最大的为3万多台，最少的仅几十台，不少企业的生产未能形成适度的规模。这主要是因为脱粒机是季节性很强的产品，产品销售往往仅在１个月或者十几天的时间，资金周转时间长，不少企业明知进行技术改造形成适度规模生产能降低成本，提高经济效益，但苦于流动资金不足或贷款困难，无力进行适度规模生产，再加上近几年脱粒机行业活动和信息交流不畅，不能根据市场变化及时调整生产结构、产品品种及生产数量，从而导致经济效益不理想。
（3）市场上存在的无序竞争，扰乱了脱粒机行业的健康发展。
时下，一些条件较差的小型企业或个体企业，受经济利益驱使和利用农忙季节一些农民购机器心切的愿望，逃避生产鉴定和生产许可证的检查验收，随意组织生产。这些企业大部分分布在一些名牌产品的正规企业周围，仿制名牌产品，但偷工减料，并假冒名牌产品以低价竞销。虽然这些企业的产量不大，但严重扰乱了市场正常竞争秩序，对正规企业的生产形成了冲击。如河北望都县农机厂、高阳县五金厂生产的脱粒质量较好，受到了用户欢迎，但近几年在其周边地域，尤其是唐县一带各乡镇个体企业及修理企业，紧跟他们产品更新换代的步子，随时仿造，不经鉴定和领取生产许可证，通过非正常渠道直接向农村销售。类似这样无序竞争的现象在河北邱县机械厂、山东高密农机厂、河南临颖机械厂等生产脱粒机质量较好的企业周围普遍存在，而且近几年出现愈演愈烈的趋势。
（4）产品售后服务适应不了形势要求。
由于小麦脱粒机集中在夏收期间使用，使用时间短，作业负荷重。虽然不少企业在夏收期间组织了大量人力、物力进行产品售后服务，但因企业的规模小，力量有限，
产品的“三化”牗通用化、标准化、系列化牘差，加之多数企业又未能建立有效的服务网络体系，故使得售后服务质量不到位，一些承诺不兑现，作业中出现的质量问题得不到及时或彻底解决，农民消费者对此很有意见[2-3]。
1 引言
我国是农业生产大国，尤其是水稻和小麦，又是我国最为重要的农作物，水稻种植面积约4.5亿亩。全国水稻种植面积占粮食作物面积的35%。在全世界水稻产业中，我国单产和总产都处于世界前列。。从杂交水稻到超级水稻，我国水稻栽培技术一直处于世界前列。水稻用脱粒机在南方地区尤为重要。但仍以简易的动力机构带动或者人力带动，其产品结构和技术水平并没有较大的突破。而且功能过于单一。因此，多功能脱粒机的开发与研究尤为重要
我国生产脱粒机的企业大都数是中小型企业，存在一部分生产条件差，人员素质低。管理水平低的情况，从而使得产品结构没有更新，随着市场需求的变化，一些多功能的脱粒机也颇受用户青睐。
近年来，随着联合收割机的使用，将水稻和小麦的收割、脱粒，包括清选，干燥一体化，对脱粒机市场造成了一定冲击，但根据研究发现，我国南方大部分地区有60%以上的水稻仍是用动力和人力脱粒机进行脱粒，小麦有30%是是用脱粒机进行脱粒。此外，我国地域辽阔，各地区的地理条件并不一样，在丘陵、半山区，脱粒机的是用最为广泛。
根据最新统计数据，中国目前有8亿农民，其中约有5亿为丘陵地区农民。如果5亿丘陵地区农民中，每5人组成一个家庭，仍有1亿农民家庭，按照购买农机率20%计算，则有2千万台。同时，由于农机的高损坏率，高折旧率，今后这一市场的补充、维修与升级市场空间将极为开阔。
本课题的研究内容是设计一个脱粒机械，不仅要解决丘陵地区主要农作物（水稻和小麦）的收获，还要增加一定的功能增加销量。主要部件脱粒滚筒采用类似弓齿的钢片进行排列，以实现在不更换滚筒的情况下能够脱粒水稻和小麦。同时多功能问题，本课题还有一个目标：将滚筒的端面与内部合理的利用，提高脱粒机的利用率。针对这一目的，在滚筒端面增加一个切碎切片的装置，对薯类进行切片和切碎青饲料，在滚筒内部增加清洗装置清洗薯类，从而达到一机多用。
2 多功能脱粒机总体设计
本设计在查阅丘陵地区水稻生产周期的基础上，在市场上比较了几种脱粒机的优缺点，做出了优化方案。要求脱粒机实现体积小，重量轻，方便运输，脱粒效率高，功能多的特点。适用于丘陵、山地、梯田等地形地貌。对于西南片区脱粒机现状的考察和调研中，我发现很多地区习惯采用电力作为田间机械的动力，如重庆垫江地区就将老式的脚踏式脱粒机上装上皮带轮进而以电动机带动进行谷物脱粒。加之柴油和汽油价格较高，因此，此次设计中选取电动机作为动力。然而电动机作业的缺点也显而易见那就是不适合场上作业，但分段收获对此并没有特别要求，在很多地区都是将谷物运到固定场地进行脱粒清选的。
根据水稻脱粒机相关资料的介绍，有关脱粒装置的参考设计数据如下：脱粒滚筒转速为850-1000r/min，在滚筒上有20根弧形钢条，弧长42.8mm，厚50mm，起固定作用，滚筒直径为400mm，长800mm，预计生产率为1000~1200kg/h。
1.机架 2.切碎装置 3.脱粒装置 4.清洗机构 5.电动机 6.清洗水槽
图2.1 脱粒机总体图
Fig. 2.1 thresher overall figure
2.1 脱离滚筒电动机的选择
根据差的数据得知，水稻脱粒机每个齿的平均受力约为20N[4]当脱粒机正常工作时滚筒上的齿条及脱粒齿快速旋转。其中均有十条脱粒齿条受水稻施加的切向力，参加工作的齿数为10个，而另外十条是空行程。因此：
F=N·M=20×10=200N (2-1)
即脱粒机正常工作时，受到的切向力为300N
式中：N—脱粒齿的平均受力，N
M—参加工作的脱粒齿数
2.1.1齿条上脱粒齿的转速
当脱粒机的脱粒滚筒高速转动时，其齿条上的脱粒齿同样具有一定转速，这个转速源于主轴的转速和脱粒齿与轴心的距离，即：
V=π⨯N⨯D
60⨯1000=π⨯850⨯400
60⨯1000=17.79m/s (2-2)
式中：V—脱粒齿转速，r/min
N—主轴转速，r/min
D—脱粒滚筒直径，mm
2.1.2 脱粒机所需的功率
脱粒机所需的功率P，应由脱粒机的工作阻力和运动参数确定，即
P=F×V，计算求得： 1000
P=F⨯V200⨯17.79==3.56kW (2-3) 10001000
2.1.3 电动机的功率
PW 电动机的功率由Pa=ηa来确定，其中ηa是脱粒机传动装置的总效率，是组成传
动装置的哥哥部件运动服的效率之积，其中η1、η2分别为每个传动副的效率，选取传动副的效率如下：
滚动轴承（每对）：.98-0.995，取η1=0.99
V带传动：0.94-0.97，取η2=0.97
滚动转动：因为脱粒齿和滚筒之间是固定的， ηa=η1⨯η2=0.99×0.97=0.96
由此可得电动机的功率Pa
Pa=PW
ηa=3.56=3.71 kW （2-4） 0.96
2.1.4 电动机的转速
在脱粒机中，对于转速的要求是适中转速，转速太大容易造成谷物破碎率的增大，转速太小，将导致谷物不能脱离干净，一般情况下，要求滚筒转速在850-1000r/min之间。该多功能脱粒机采用的是带传动，根据机械设计手册，推荐的带传动的传动比的合理取值范围取i=2-4，即可以满足电动机的转速与主轴的转速相匹配，故电动机的转速范围可选为：
na=i×n=（2-4）×（850-1000）=1700-4000 r/min （2-5）
2.2滚筒部分电动机选择
额定功率≥工作要求的功率
Pd=Pw/η
Pd−工作机实际需要的电动机输出功率，kW；
Pw−工作机所需输入功率，kW；
η−电动机至工作机之间传动装置的总效率。 qv2
Pw=N0+NT=Aω+Bω+（kW） （2-6） 1000(1-f)3
式中 ω—滚筒角速度为89（s-1）；
v—滚筒圆周速度为17.8（m/s）；
A—系数，与轴承种类、传动方式有关，取为0.3⨯10-3；
B—系数，与滚筒转动时的迎风面积有关，取为0.6⨯10-6；
q—喂入量取为2.5（kg/s）；
f—搓擦系数，与圆周速度、凹板间隙、喂入量、谷物湿度等有关，根据经验取0.7。
最后算得脱粒装置所需的功率为3.9kW。
电动机至脱离滚筒之间传动装置的总效率：
Pd=Pw/η=3.9/0.9603=4.06kW （2-7） 电动机可选转速范围：n=inw
nw为脱离滚筒转速，r/min, nw=60⨯1000⨯v60⨯1000⨯17.5 ==836r/min （2-8）πDπ⨯400
i为带传动的传动比范围，按《机械设计课程设计手册》知带传动常取i为2-4，,选取其适中值i=3
∴ n=3⨯856r/min=2568 r/min
2.3 最终电动机的确定
要使功率满足以上要求，即P=P2=4.1kW
转速在2568 r/min左右，查阅机械设计手册可得，选择电动机Y132S1-2电动机，额定功率5.5 kW。转速2900r/min。
2.4传动方式的选择
常见的机械传动方式有皮带传动：链传动、齿轮传动、蜗杆传动、螺纹(丝杆)传动、齿轮齿条传动和皮带传动。
其中，皮带传动的特点是结构简单，可以传动的中心距较大，传动中不产生震动，滑动系数大，传动功率较小。
根据这个特点，我们在该多功能脱粒机上采用皮带传动。
2.5 皮带的选择
2.5.1 各种传动方式的特点
普通梯形皮带的传动比一般小于10，最佳带速为20m/s，传动效率为85%-95%，带两侧与轮槽附着较好，当量摩擦因数较大，允许包角小，传动较大中间距较小，预紧力较小，传动功率可达700kW。
综上所述，我们选择该多功能脱粒机用普通梯形皮带传动。
2.5.2 皮带的定型
此处选用A型皮带。
所以，得出电动机和脱离滚筒之间的皮带参数b=13mm，bp=11mm，h=8mm。
2.6 皮带轮的选择
清洗机的转速为56.27r/min，而电动机为2900 r/min，所以有中间轴的减速传动比为 i=2900/56.27=52
2.6.1电动机和中间轴之间带轮各种参数的确定
(1)所选的V带型号为A型，查阅资料可得：A型带的V带最小基准直径为75mm，所以小带轮的基准直径取90mm
(2)计算V带的速度
v=nπD =13.66m/s （2-9）60
V带传动速度不宜过高，一般在5-25m/s,此处为13.66m/s，符合要求。
(3)计算大带轮的基准直径
大带轮的直径计算公式为d2=id1，此处i为传动比
i1=i/i2=52/8=6.5 （2-10）
式中：i、i2分别为总传动比和中间轴到滚筒主轴的传动比。
所以d2=6.5×90=585mm （2-11）
查阅机械设计可得，确定大带轮的基准直径为630mm。所以i1=7，i2=52/7=7.4。
(4)确定中心距
两带轮之间的中心距直接影响平稳性和传动效率，中心距稍大，可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命。但是如果中心距过大，则会加剧带的波动，降低带的平稳性。一般选带传动的中心距为
（2-12）
所以,取中心距为600mm
(5)计算带长
（2-13）
带入数据计算得L=2452mm，取带长为2500mm
(6)验算包角
小带轮的包角小于打带轮上的包角，股小带轮上的总摩擦力也小于大带轮上的总摩擦力。因此打滑的情况最先应出现在小带轮上，所以只需要验算小带轮上的包角，使其满足条件即可，为了提高传动带的工作能力，应使包角满足以下条件
（2-14）
即：α1 =128度大于90度
所以，满足V带传动的包角要求。
2.6.2 中间轴和清洗装置之间带轮各种参数的确定
(1)小带轮的数据与电动机一样，所以小带轮的基准直径取90mm。
(2)计算V带的速度
v=nπD =13.66m/s （2-15）60
V带传动速度不宜过高，一般在5-25m/s,此处为13.66，符合要求。
(3)计算大带轮的基准直径
大带轮的直径计算公式为d12=id12，此处i为传动比7.4
i2=i/i1=52/7=7.4 （2-16）
所以 d2=7.4×90=666mm （2-17）
查阅机械设计可得，确定大带轮的基准直径为710mm。
(4)确定中心距
两带轮之间的中心距直接影响平稳性和传动效率，中心距稍大，可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命。但是如果中心距过大，则会加剧带的波动，降低带的平稳性。一般选带传动的中心距为
（2-18）
所以，取中心距为600mm
(5)计算带长
（2-19）
带入数据算的L=2616mm。
查阅机械设计，取带长为2800mm。
(6)验算包角
小带轮的包角小于打带轮上的包角，股小带轮上的总摩擦力也小于大带轮上的总摩擦力。因此打滑的情况最先应出现在小带轮上，所以只需要验算小带轮上的包角，使其满足条件即可，为了提高传动带的工作能力，应使包角满足以下条件
（2-20）
即 α1 =121度大于90度
所以，满足V带传动的包角要求。
2.6.3 电动机和脱粒机之间带轮各种参数的确定
(1)所选型号与以上相同，且小带轮参数一样
(2)计算V带的速度
v=nπD（2-21） =13.66m/s 60
V带传动速度不宜过高，一般在5-25m/s,此处为13.66，符合要求。
(3)计算大带轮的基准直径
大带轮的直径计算公式为d12=id12，此处i为传动比7.4
i=n1/2=2900/836=3.5 （2-22）
所以d2=3.5×90=315mm （2-23）
查阅机械设计可得，确定大带轮的基准直径为315mm。
(4)确定中心距
两带轮之间的中心距直接影响平稳性和传动效率，中心距稍大，可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命。但是如果中心距过大，则会加剧带的波动，降低带的平稳性。一般选带传动的中心距为
（2-24）
所以，取中心距为600mm
(5)计算带长
（2-25）
带入数据算的L=1857mm。
查阅机械设计，取带长为2000mm。
(6)验算包角
小带轮的包角小于打带轮上的包角，股小带轮上的总摩擦力也小于大带轮上的总摩擦力。因此打滑的情况最先应出现在小带轮上，所以只需要验算小带轮上的包角，使其满足条件即可，为了提高传动带的工作能力，应使包角满足以下条件
（2-26）
即： 1 =159度大于90度
所以，满足V带传动的包角要求。
3 脱粒装置的改进设计
脱粒机指能够将农作物籽粒与茎秆分离的机械，主要指粮食作物的收获机械。根据作粮物的不同，脱粒机种类不同。如“打稻机”适用于水稻脱粒；用于玉米脱粒的称为“玉米脱粒机”等等。打稻机俗称“打谷机”，为最常见水稻脱粒机械。需要先将水稻收割以后，通过这种机械将水稻谷粒与茎秆分离。打稻机分为二类，一类依靠人力驱
动，称为“人力打稻机”，为半机械化工具；将打稻机改为动力驱动，则称为“动力打稻机”。打稻机的出现大大降低了水稻收割的劳动强度，同时也改善了农业生产力。
脱粒装置是脱粒机上最主要的装置，它的结构不仅决定了它的功能，而且还决定了它的效率。
（1）对脱粒装置的要求
脱粒装置最重要的技术要求就是 脱净率高， 破碎率低，性用性能好，通用性好，能适应多种农作物和多种条件，功率消耗低，如果需要，能保证秸秆的完整性。
上述技术要求和谷物本身的脱粒特性是形成各种型式脱粒装置的基础。脱粒难易程度与作物品种、成熟度和湿度等有密切关系。成熟度差、湿度大的就难脱。湿度大、秆草（包括杂草）含量多时会显著地降低脱粒装置的分离性能。
实践表明，即使在同一穗上的农作物脱粒的难以程度也不一样，以水稻为例，水稻顶部最先成熟，中部次之，底端最后成熟。这样就对脱粒装置有了更严格的要求。
（2）脱粒装置的工作原理
为了使谷粒脱离穗轴，可以有多种原理来实现，但主要有下述四种：
a．打击
靠工作部件对穗进行打击，使果实和秸秆之间有不同的速度，靠工作部件的打击，达到分离的效果。
b．梳刷
当工作部件很窄，在谷穗之间通过时，就形成了梳刷脱粒。实际上它也是打击。通常在梳刷中茎秆不动或少量的纵向运动。
c．揉搓或搓擦
它是指谷层在挤压状态下在层内出现挫动而使谷粒脱落，发生在钉齿或纹杆滚筒的脱粒间隙中。它取决于揉搓的松紧度（强度），也就是间隙的大小和谷层的疏密。
因为，打击脱粒必须要有部件与谷粒间较大的相对速度这一个条件，所以这种脱粒通常出现在茎秆静止（如半喂入式）或运动速度很低(如纹杆、钉齿滚筒的喂入口处）的时候。而揉搓则不同，它发生在已经获得较大运动速度（如在脱粒间隙的后段）的谷层内部，由于相对揉搓而脱粒。
d．碾压
脱粒元件对谷穗的挤压造成脱粒，在碾压过程中会使谷粒与穗柄之间产生横向相对位移，而通常谷粒与穗轴的抗剪能力是较弱的，上述相对位移就形成了剪切破坏其连结。在此同时碾压会造成相邻谷层之间的移动，这也能破坏谷粒的连结力。
因此，用辊子碾压铺在场院的谷层进行脱粒是有效方法之一。
脱粒滚筒的结构不但决定了脱粒机的效率，而且还决定了适用农作物的类型。就现在市场上出现的脱粒机而言，主要是单功能脱粒，不能兼合多种农作物的需求，这就是脱粒滚筒的结构决定的。本文我们主要是设计和开发一种脱粒滚筒，使之适用于水稻和小麦的收获，因为，水稻、小麦是西南地区主要的农作物[5] 。
3.1 脱粒滚筒的结构
水稻脱粒滚筒主要采用的是弓齿脱粒滚筒。弓齿滚筒式脱离装置属于半喂入式脱离装置。工作时谷物根部由夹持输送装置夹紧，沿滚筒轴向移动，使谷物的穗头进入脱离滚筒中，在谷物随着输送装置移动的过程中，由弓齿对穗头进行击打和梳刷，达到脱粒的目的。这种脱粒滚筒上面有多种弓齿：梳整齿、加强齿和脱粒齿（如图3.1）。
（b） （a）
图3.1 弓齿的种类 （a）加强齿 （b） 脱粒齿
Fig. 3.1 Bow tooth type
3.2脱粒方式的比较
根据滚筒和谷物的位置不同，脱粒方式有倒挂侧脱、平喂上脱，平喂下脱等三种方式，如图3.2所示。
（a） （b） （c）
（a）倒挂侧脱 （b）平喂上脱 （c）平喂下脱
图3.2 脱粒方式
Fig. 3.2 Threshing way
倒挂侧脱主要用于卧式割台，因为卧式割台的茎杆呈水平状，只需要将夹持住谷物的根部，在倒挂起来，即能实现倒挂侧脱。平喂上脱和平喂下脱主要用于立式割台。 根据这三种脱粒装置的特点，我们初步选用（a）倒挂側脱。
3.3 脱粒滚筒运转的稳定性
在脱离滚筒运转的过程中，由于杂物或者谷物产量的不同，喂入的不均匀， 使得脱粒机或者联合收割机的工作负荷不断变化。这将使得脱离滚筒运转不平稳。 假设发动机给滚筒的功率为Nt及脱粒所需要的功率N1.分别为：
0= Nt=N-N2N-ωA-ωB （3-1）
mV2mR2ω2
= Nt= （3-2） 1000(1-f)1000(1-f)
显然，由于发动机发动机提供的功率，滚筒空转的功率及脱粒需要的功率不平衡。根据功率方程，则有：
N-N0-Nt=1dω （3-3） Jω1000dt
式中:J—滚筒的转动惯量，kg/m2
式(3-3)左边，表示滚筒输入功率和输出功率之差，即滚筒加速度消耗的功率，用Ny表示。设滚筒的平均速度为ωp，那么滚筒转速的不均匀度为 1jωωp。 1000
由此可知，要使滚筒稳定运转，滚筒应具有足够和适量的转动惯量。依靠自身储藏或释放能量。使转速的波动不至于过大。另外，发动机也应具有足够的功率储备和灵敏的调速器。
3.4 滚筒及各零部件的设计
通过以上对滚筒原理及结构的学习，下面将对多功能脱粒机的滚筒和各零部件进行设计。
因为现设计的滚筒既要用于脱粒，也要用作清洗机的滚筒，所以我以重庆大学设计的一台脱粒机为模板，只改变它构成的钢条数，由原先的四根变为20根，每根的弧长42.8mm，以保证滚筒内清洗物不掉出来，其它设置都和原机一样。
轴承和轴定型：在此，脱粒滚筒和秸秆切碎装置中都以用到轴承和轴，在考虑到成本的情况下，同时分析两处的轴和轴承受到的受力情况很相似，工作条件和工作要求也很相似，所以考虑这两处采用相同的轴和轴承。
轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。
轴的结构尺寸主要取决于以下几个方面的因素：轴在机器中的安装位置；安装在轴上零件的类型、尺寸及数量；载荷的性质、大小及方向包括轴的加工工艺等。
根据轴的扭转强度来初步计算及确定其最小直径，用公式
轴的材料取20CrMnTi号钢，因为脱粒中轴要承受转矩、弯矩，扭矩等的综合作用，所以轴还需经过调制处理，使其硬度达到220-250HB，查阅机械设计手册可得A0=118，于是算出dmin=29.8mm。
输出轴的最小直径显然与带轮的内孔配合，用来安装皮带轮，所以轴上有键槽，为了使开键槽不影响输出轴的强度，可以使轴的直径增加5%，这样增加输出轴的尺寸，
可以提高轴的强度，即
d=dmin(1+5%)=29.8×（1+5%）=31.45mm
所以，输出轴的最小直径为32mm，因为此轴段与皮带轮的内控配合，此段轴的直径应该和带轮内孔的直径一样，带轮内孔的直径为29mm，所以此段轴的直径也应该为28mm。在轴的两端必须装有轴承，轴承主要是一个支承轴的零件，它可以引导轴承的旋转，也可以承受轴上空转的零件，此两处选用的轴承型号是6206，深沟球滚子轴承。 4 切片切碎装置
4.1 切片切碎装置的可行性分析
遵循农业机械发展的技术要求，针对西南广大丘陵地区难以采用大型联合收割机，大部分地区只能采用分段收获的特点，特别设计出适用于分段收获的脱粒机的配套机械装置切片切碎装置。由于大多脱粒机搬运困难且在一年之中的闲置时间较长，大约只工作一个季度，这样导致机器推广困难。为了使广大农民接受并乐意使用脱粒机械，制作简单操作方便和可利用度高是必不可少的条件，而切片切碎装置不仅制作简单操作方便实用性还强，正是改善状况的一个好方法。
切片切碎装置的实用性如下所见：第一种作为秸秆切碎装置，作物秸秆的切碎，在有条件的地区大中型联合收割机切碎，并抛洒田间，留在地里的部分可用带切断装置的微耕机或切碎机切碎并与土壤混合，但在丘陵地区，大中型农业机械，特别是联合收割机的使用受到限制，大部分的秸秆并没有留在田间，而是采用分段收获带回家里。一般小型农业户都有喂养家畜，而秸秆可以当做家畜过冬的被子，切碎的秸秆被家畜踩过并混上家畜的粪便后又是很好的绿色肥料，既环保又安全，还能节约金钱。第二种作为薯类切片机械，在农村，大部分的薯类加工还是手工操作，既费时又费力，还需要专门的工具。而切片切碎装置效率高，又省力，本身装在脱粒机上还不占空间，除了对切片不太精细，容易损坏薯类结构外没有什么缺点，但在农村需要进行的薯类加工都是作为家畜的饲料，对切片质量要求并不高，所以确实是一种实用装置。第三种作为青饲料切碎装置，其原理同农村正在使用切碎机相同，都是高速旋转的刀片将饲料绞碎，但此装置可以选择两种不同的转速，所以实用性更好。第四种是只有这种型号才有的功能，因为脱粒机滚筒内部设计为清洗机，而切片切碎装置刚好安在清洗
机的出料口，当撤掉清洗机出料口活动挡板时可顺便对清洗物进行切片。以上四种功用说明了在脱粒机上加上切片切碎装置的可行性与实用性。
4.2 切片切碎装置的结构与工作原理
4.2.1 装置的结构
该设备由进料口、排料口及滚筒、切刀和机架组成。与脱粒机的动力机构配套使用。切碎机由进料口、出料口及滚筒、切刀和机架组成，进料口自然通畅。切刀与滚筒的安装有几个方面的要求，以保证对秸秆进行有效地剪切，以利于减小冲击振动和附加载荷。在进料口还设有单向挡板，其作用一是防止操作者的手进入喂料口，确保安全；二是防止切碎秸秆返出[6-8]
(1)工作原理
发动机通过皮带轮带动滚筒旋转，转速为700-900r/min。滚筒主轴上的动刀片与机架上的定刀片（可活动，由能调整间隙的钢片组成）之间有一定的剪切角。秸秆和薯类进入机内的同时，动刀片与定刀片将秸秆切碎。并利用滚筒刀片和切割物自身重力将切碎后的短秸秆沿切线方向从排料口排出。如图4.1，秸秆或者青饲料从喂入斗（喂入斗有一定宽度，配有专门设计的推手向里面推送物料，以保证安全）中进入，从3进入切割装置内部，在由连在滚筒上的刀片1作为动刀片，可以在一定程度上调整间隙以控制秸秆长度的活动挡板2作为定刀片进行切割，再由出料口4（长480mm，宽200mm的长方形）。而在背面既是与滚筒相接的一面，整个切割装置厚度200mm（既前端面到清洗机出料口的距离），切割装置只有半圆部分被封闭，下半部分有活动挡板挡住以控制清洗物在滚筒内部的时间。
1.切割刀片 2.活动挡板 3.喂料口 4.出料口
图4.1 切割装置结构图
Fig. 4.1 cutting diagram
（2）旋转刀片的切割分析
根据切碎装置的结构和工作原理，电动机由滚筒主轴将力传递到切割刀片。当切割刀片与秸秆接触时，使秸秆偏移，就会产生滑切效果，使其受力如4.2所示。
图4.2 切割受力分析
Fig. 4.2 the cutting force analysis
如图4.2所示 N2cosa+P=N1这是纵向力平衡，但还有沿水平方向N2sina没有平衡，这样就会形成水平速度，会与刀刃有相对移动，就形成了滑切条件，降低了功耗[9-10]。
4.2.2 切割装置零部件设计及材料选择
如图4.1所示，图示中阴影部分切割装置箱体，作用是提供刀片和秸秆运转空间，其中箱体两端的圆形幅板采用整体式钢板，箱体周围的圆柱形钢材采用Q195号钢弯曲而成。根据GB/T700-1988中Q195塑性好，常用其扎制薄板、拉制线材和焊接钢管。所以此处采用Q195钢材。箱体内部由刀架筒和动刀片焊接组成，刀架是连接刀片和轴的部件，整体采用两端封闭的空心圆柱形式，两端封闭的端盖上开有轴孔，方便和轴进行连接，取刀架内径为29mm，与皮带轮一样，则此处的轴直径为28mm，此处连接形式为平键连接。参照GB/T700-1988可得钢板厚度小于16mm时，Q235号钢的屈服强度（σs/MPa）为235，抗拉强度（σb/MPa）为375-460，伸长率（σ5/%）为26。适用于金属结构构件，心部强度要求不高的渗碳或碳氮共渗零件，吊钩，拉杆，套圈，气缸，齿轮，螺栓，螺母，连杆，轮轴，盖及焊接件。此种碳素结构钢可适用于制做定刀片和动刀片。制做出的刀片先退火，然后进行渗碳（渗碳深度为0.4-0.6mm，表面硬度为55-65HRC）。
5 薯类清洗装置
近几年，薯类在农村已成为不可缺少的饲料。然而在没有大型饲养场的农户中，对于薯类的清洗完全靠手工清洗。由于作为饲料的薯类对清洁度要求并不高，只需要清理表面的泥土、泥沙就能使用。因此针对这种情况改进了脱粒机使它有这种清洗功能，以供广大小型农业户使用。
5.1 工作原理
该清洗装置的清洗原理见图5.1。滚筒的直径为40cm在滚筒的内侧有螺旋带2以方便物料的轴向移动。物料5被送入滚筒1后，随滚筒一起转动，由于重力的作用，当物料转到一定的高度后，就会重新落在毛刷3（直径240mm）与滚筒1之间（毛刷的旋转方向与滚筒相同），物料被转动的滚筒内壁螺旋带和毛刷摩擦清洗，经过反复的升起与落下并刷洗，将表面清洗干净。
1.滚筒外壁 2.螺旋带 3.毛刷 4.清洗水槽 5.物料
图5.1 滚筒内部工作原理图
Fig. 5.1 roller schematic
由于滚筒内有螺旋带2，使物料5随滚筒转动的同事，向前移动实现自动排料。但由于小型脱粒机滚筒的长度有限，又要保证物料被清洗干净，所以在出料口加上钢片限制自动排料，在一段时间后在拿掉，使其手动排料【11-13】
5.2 滚筒速度的确定
物料在清洗的过程中，会随着滚筒一起做匀速圆周运动。当滚筒的速度过高，物料的离心力会大于本身重力，这时物料将紧贴着滚筒转动，每转过一周才可以清洗一次，其洗刷效果明显不够理想。要使物料被多次洗刷，应使物料随滚筒运转一段行程后重新落下。经实验证明物料在与滚筒水平轴线的夹角为200时，落下最为合适。但脱粒机滚筒直径较小，而毛刷安在主轴上，所以取45度(如图5.2所示)，使物料重新落到滚筒与毛刷之间。这样当物料随滚筒向上运动时受水（水槽用螺钉连载机架上，可拆卸，便于水槽与脱粒机的筛网交换）冲洗，向下落体时又受毛刷的洗刷和滚筒的摩擦清洗，达到良好的清洗效果。
图5.2 物料运动轨迹图
Figure 5.2 material trajectory chart
要使物料在与滚筒水平轴线的夹角为45度时落下，可计算滚筒的转速如下。已知滚筒的直径为400mm，物料在滚筒运动时所受重力为P,离心力F和壳体法向反力N的作用。因为物料做匀速圆周运动，有：
V2
加速度 an==Rω2 R
离心力 F=man
A点物料法向取平衡力系，
有 N+Psinα-F=0
如果物料脱离滚筒壁落下，则N=0，有
ω=gsinα (5-1) R
式5-1即为物料的脱离角与角速度和滚筒半径之间的关系式。从中可以看出若滚筒直径确定，则角速度越小，脱离角也越小。
若α=450，已知R=0.2m，g=9.8，
代入式5-1得 ω=5.89rad/s
滚筒的转速 n=ω60=56.27r/min (5-2) 2π
切向速度
V=πDn=3.14⨯0.4⨯56.27=70.68m/min=1.18m/s (5-3)
5.3 进出料口设计
如图5-3所示，由滚筒的一端进料，由于滚筒的端面只有几根钢片作为支架，所以四分之三的范围要由机架上的挡板挡住，只留下第一象限接上进料斗进料。而滚筒的另一端作为出料口并且连着切碎装置，由于要限制物料在滚筒内的时间，所以在出料的三四象限要装上活动的挡板，并且要求在出料口的切碎刀片能够自由的取下来，这样就能保证清洗过后的物料是否需要直接加工【14-15】
1.进料口 2.出料口 3.活动挡板
图5.3 进出料口示意图
Fig. 5.3 sketch of feeding
6 结论
西南丘陵区农作物机械化收割的主要方式是分段收割。对于稻麦两种常见的农作物，分段收割最主要的两个部分就是切割和脱粒。市场上现有脱粒机，通常只能脱粒农作物，功能单一，导致脱粒机全年闲置四分之三的时间，降低了脱粒机的利用率。
本设计按照任务书的要求，改进脱粒滚筒的结构和功能，充分利用滚筒端面与内部，使之不仅适用于农作物的脱粒作业，还可以利用滚筒端面对薯类切片机切碎青饲料，利用滚筒内部制作成薯类清洗装置实现一机多用，提高脱粒机的利用率，给农民
更多的实惠，促进农村机械化。设计实现了以下目标：
(1)对滚筒端面进行改进，设计成为切片切碎机；
(2)整合现有设计方案，对滚筒内部改进设计，使其可以清洗薯类；
(3)使多功能滚筒与脱粒机较好结合，达到一机多用，增加了脱粒机的实用性，有助于推进农业机械化发展。
参考文献
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[15]国外收获机械（第二集）[R].科学文献出版社，1977.
致 谢
本学位论文是在指导老师李庆东的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到论文的最终完成，李老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持，并且在耐心指导论文之余，李老师仍不忘拓展我们的文化视野，让我们再次感受到了学习的美妙与乐趣。值得一提的是，李老师虽工作繁忙，不能对我们时刻监督，但善于启发学生，不慕荣利，对学生认真负责，在他的身上，我们可以感受到一个学者的严谨和务实，这些都让我们获益菲浅，并且将终生受用无穷。毕竟“经师易得，人师难求”，希望借此机会向李老师表示最衷心的感谢！
本文最终得以顺利完成，也是与工学院其他老师的帮助分不开的，虽然他们没有直接参与我的论文指导，但在开题时也给我提供了不少的意见，提出了一系列可行性的建议，在此向他们表示深深的感谢！
四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。
最后要感谢的是我的父母，他们不仅培养了我对中国传统文化的浓厚的兴趣，让我在漫长的人生旅途中使心灵有了虔敬的归依，而且也为我能够顺利的完成毕业论文提供了巨大的支持与帮助。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答他们！
陈传兵
2013年4月30号