水稻泥浆育秧双齿辊筛分式制浆机的设计与试验_郭龙涛.pdf

第 50 卷第 1 期农业工程与装备2023 年 2 月Vol.50No.1AGRICULTURAL ENGINEERINGAND EQUIPMENTFeb.2023水稻泥浆育秧双齿辊筛分式制浆机的设计与试验郭龙涛，谢方平*(湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128)摘要：针对水稻育秧环节缺乏专用制浆设备的问题，设计并研制了一种固定式双齿辊筛分式制浆机。该机型主要由碎土搅拌和筛分装置组成，经过详细计算得出，碎土搅拌装置需要的传动功率为 5.2 kW，筛分装置需要的传动功率为 2.5 kW。在确定两个装置结构尺寸的基础上搭建了筛分装置试验台，通过试验证明，该型制浆机振动筛的最优作业组合参数为导轨倾角 30，转速 2.0 r/s，振幅 0.18 m，能提供高品质的水稻育秧泥浆，全面提升水稻育秧的机械化水平。关键词：水稻；泥浆育秧；筛分式；制浆机中图分类号：S223.13文献标志码：A文章编号：20968736(2023)01000106Design and experimental of double tooth roller screening pulpingmachine for rice seedling raising with slurryGUO Longtao,XIE Fangping*(College of Mechanical and Electrical Engineering,Hunan Agricultural University,Changsha,Hunan 410128,China)【Abstract】Given the lack of special pulping equipment in rice seedling breeding,a fixed double-tooth roller screeningpulping machine mainly composed of soil crushing mixing and screening devices was developed.After determining thetraditional system of the machine,the power required for the transmission of soil crushing mixing and screening devicewas calculated to be 5.2kW and 2.5kW respectively.Based on a detailed calculation of the structural dimensions of thetwo devices,the screening device test bench was built.The optimum parameter combination of the vibrating screen of thepulping machine was determined through the experiment as follows:the inclination of the guide rail is 30,the rotationspeed is 2.0 r/s,and the amplitude is 0.18 m.The research provided a reference for providing high-quality rice seedlingmud and improving the mechanization level of rice seedling raising.【Keywords】rice;seedling raising with mud;sieve type;pulping machine水稻是我国主要的粮食作物，近年来随着我国水稻种植技术的不断提高，水稻产量获得了持续性增长1。水稻育秧是水稻生产中的重要环节，育秧质量直接影响到水稻后续的生长情况和产量。泥浆育秧是常用的水稻育秧方式之一，将土壤和水按照固定比例进行混合，通过筛分得到的泥浆可作为秧苗生长的载体，相比基质育秧具有用时少、成本低、育秧质量好等优点。基金项目：国家重点研发计划项目(2017YFD0301500)。作者简介：郭龙涛（1982），男，四川富顺人，大学本科，主要研究方向为农业工程与信息技术。*通信作者：谢方平（1970），男，湖南沅江人，博士生导师，教授，主要研究方向为农业机械性能创新设计。制浆能为秧苗生长提供基质，是泥浆育秧的关键环节。目前，国内有关育秧的专用制浆设备研究较少，孙国栋等2为了解决育秧泥浆提升和输送的问题，设计了一种螺旋式泥浆提升和输送装置，并通过试验确定了输送性能最优、功耗最低的参数组合。谢宇等3针对目前制浆设备作业效率不高的问题，通过正交试验对不同参数刀片的匀浆效果和功率损耗进行了测试，确定了制浆效果最好、作业功耗最低的作业参数；张数标等4设计了一种制浆专用的滤泥器，能够破碎和过滤大土块，有效提升了制浆质量。针对目前育秧制浆设备存在的作业效率低，应用2农业工程与装备2023 年 2 月范围有限等问题，结合实际需求设计了一款双齿辊筛分式制浆机。该机型主要由碎土搅拌装置和筛分装置组成，通过设计与计算可确定装置中关键部件的尺寸和参数，以保证育秧泥浆制备的质量和效率。1整体方案的确定1.1制浆机类型的选择制浆机分为固定式和自走式，固定式相较于自走式有一定优势，可以实现自动化制浆，能有效提高工作效率，降低劳动强度和生产成本5。为提高制浆效率和质量，给幼苗提供优质的生长基质，结合水稻育秧的实际需求，选择带筛分系统的固定式机型。该机型主要由碎土搅拌装置、传动装置、动力装置以及筛分装置等组成，为提高碎土效率，碎土搅拌装置选用双齿辊结构。为了方便覆盖个体农户，采用小型化结构设计，其外形尺寸为：长(1.5m)宽(0.6m)高(1.2m)，碎土效率为 0.3 t/h。为了防止秧爪取苗时卡入颗粒物，筛分颗粒直径4mm，结构如图 1 所示6。1曲柄滑块振动筛；2碎土搅拌装置；3碎土搅拌装置外壳；4传动齿轮；5电机。图 1固定式制浆机结构1.2传动系统的选择固定式制浆机主要有筛分装置和碎土搅拌装置两个动力输出部分，为保证设备的正常运行，首先需要做好传动方案的设计，以实现输入电机功率的分配和整合。1.2.1碎土搅拌装置传动方案设计碎土装置主要由搅拌轴的旋转运动带动轴上叶片完成碎土的搅拌，故对搅拌轴进行分析和设计十分关键。考虑到制浆机为电机单输入，拟设定输出轴通过链传动将动力输送到 轴，利用齿轮外啮合输送到 轴，再由 轴齿轮外啮合送达 轴，达到逐级减速的目的，最后 轴通过链传动将动力输送到其中一个搅拌轴，实现两轴的相对运动，即可达到搅拌碎土的目的，碎土搅拌装置的传动方案如图 2 所示。1电机；2链传动；3碎土搅拌装置输入轴 I；4碎土搅拌装置输入轴 II。图 2碎土搅拌装置传动方案1.2.2筛分装置传动方案设计由于筛分装置的旋转运动与碎土搅拌装置存在差异，因此需要改变输入轴的旋转方向，为了降低成本和保证传动的稳定性，通过对比蜗轮蜗杆传动、锥齿轮传动以及斜齿轮传动的优缺点之后，选用锥齿轮传动方案，将筛分装置与碎土搅拌装置的传动方案进行结合，便可得出总传动方案，如图 3所示10。1电机；2链传动；3碎土搅拌装置输入轴 I；4碎土搅拌装置输入轴 II；5锥齿轮；6 筛分轴。图 3总传动方案1.3传动功耗计算1.3.1碎土搅拌装置功率的估算由于泥浆是非均质的水土混合物7，阻尼比不第 50 卷第 1 期郭龙涛等水稻泥浆育秧双齿辊筛分式制浆机的设计与试验3确定，密度不均匀，当碎土搅拌装置进行旋转运动时，难以对其进行实际受力分析，故只能对装置受力进行估算。根据参考文献7，水稻种植土密度介于粘土与砂土之间，假设其密度为 1.9 g/cm3，按照种植土与水 2:1 的配比，确定泥浆的密度为 1.6g/cm3。由于泥浆属于非牛顿流体8，所以当搅拌轴转速达到临界速度时，搅拌装置所产生的离心力约等于泥浆的重力9，如公式：Rmvmg1=(1)式中，m 为泥浆质量(kg)；v1为搅拌轴临界线速度(m/s)；R 为搅拌机箱半径(mm)。依据公式(1)可得其搅拌轴临界线速度 v1为12m/svRg=(2)工作线速度 v2为临界线速度 v1的 2/3，即：m/s33.13212=vv(3)假设碎土搅拌装置机箱容积可容纳 0.2 m3的泥浆，另外考虑到搅拌机的容积利用率在 0.5 至 0.52之间，选取 0.5 作为参考值，则机器需要承受的力F1为：115680N2gVF=(4)式中，为泥浆密度(g/cm3)；V 为机箱有效利用的泥浆体积(m3)。碎土搅拌装置单齿辊所需功率 P1为：1212.6kW1000F vP=(5)由于本机型为双齿辊筛分式制浆机，则碎土搅拌装置所需总功率 P2为：2125.2kWPP=(6)1.3.2筛分装置功率估算为了剔除泥浆成分中影响水稻幼苗生长的如石块等有害物质，设计了一种由曲柄滑块机构带动运转的筛分装置，并设定筛分装置可存储 0.02 m3的泥浆。在不考虑自身重量的前提下，筛板受到泥浆的压力 F2为：N6.31312=gVF(7)式中，V1为筛板存储泥浆体积(m3)。将筛分滑块与摇杆看作一个整体进行受力最大值估算，即当曲柄达到临界速度时，F3等于离心力，此时有：rmvF33=(8)式中，v3为曲柄的临界速度(m/s)；r 为曲柄长度(m)。取曲柄长度为 0.16 m，依据公式(8)可得曲柄旋转临界线速度 v3为 1.57 m/s。联立公式(8)可得筛分装置的功率 P3为：3332.5kW1000F vP=(9)1.3.3电机选型依据传动方案和不同部件的功率磨损情况来进行电机选型。首先对碎土搅拌装置的传动效率进行分析，动力由电机到达搅拌轴会经过两个链传动和两个齿轮外啮合，由于搅拌轴 I 经过齿轮外啮合将动力输送到搅拌轴 II，搅拌轴 I 与搅拌轴 II 的传动效率损失不同，所以需要分别进行计算。搅拌轴 I：222a1230.833=(10)式中，a为搅拌轴 I 总效率；1为圆柱齿轮传动效率；2为滚子链传动效率；3为滚动轴承传动效率。根据 机械设计手册 可知：1=0.97；2=0.96；3=0.99。搅拌轴 II：792.0533221b=(11)式中，b为搅拌轴 II 总效率。碎土搅拌装置电机需要输出功率为：114ab6.40kWPPP=+(12)式中：P4为搅拌碎土装置需要电机输出的功率。随后对于筛分装置的效率损耗进行分析，根据总传动方案，电机驱动筛分装置需要经过链传动，圆柱齿轮传动以及圆锥齿轮传动，由此可知筛分装置总效率为：876.033421=c(13)式中，c为筛分装置总效率；4为圆锥齿轮传动效率，依据 机械设计手册 可知传动效率为0.97。4农业工程与装备2023 年 2 月所以对于筛分装置，电机需要输出的功率 P5为：352.85kWcPP=(14)可得出电机需要的总功率 P 为：459.25kWPPP=+=(15)考虑到制浆机作业环境复杂，选取 Y 系列三相异步电机，可防止作业时石块或泥浆等杂物溅入设备内部，电机型号为 Y180L-8，额定功率为 11 kW，同步转速为 750 r/min，满载转速为 730 r/min。1.4碎土搅拌装置的设计1.4.1机箱设计依据碎土搅拌机构功率估算机箱有效利用的泥浆体积为 0.1 m3，并且设定其容积利用率为 0.5，则至少需要设计出容积为 0.2 m3的机箱。根据需求，确定碎土搅拌装置的机箱三轴尺寸为 10.60.4 m，容积 V3为：330.2 0.2 1 0.2 0.4 10.206 mV=+(16)同时，考虑到泥浆需要从机箱尾部排出，因此设计了一个底长 d 为 0.14 m，高为 0.485 m 的等腰三角形开口，开口面积 S1为：210.140.485 0.50.034 m2dhS=(17)1.4.2碎土装置的设计碎土装置由碎土轴和碎土叶片两部分组成。其中碎土轴如图 4 所示，碎土轴长 615mm，图 4(a)所示轴左端部分直径为 30 mm，长度为 50 mm，中间部分直径为 50 mm，长度为 338 mm，右端阶梯部分直径为 40mm，长度为 7mm，右端带键槽部分长度为 220 mm，直径为 30 mm。(a)碎土轴正视图(b)碎土轴侧式图图 4碎土轴正视以及侧视由于碎土装置的功能主要是碎土，所以其叶片与搅拌螺旋叶片有一定的差别。物料输送装置输送的物料是种植土，强度不高，易切割，故采用的碎土叶片如图 5 所示。图 5碎土叶片根据碎土作业需求，需要叶片从不同的角度对种植土进行动力输出，以达到预期的碎土效果。设定碎土装置的长度为 1 m，碎土轴长度为 615 mm，除去与两轴相配合的长度，可知留给叶片安装的预留长度为 343mm。为保证叶片安装的合理性和作业的稳定性，需要进行关键参数计算，以此确定叶片的安装数量和安装间距。假设叶片的间距为 20mm，按照转角度变化为60，基于叶片厚度的考虑，可得叶片的最大数量N 为：330/(205)13.72N=+=(18)考虑尺寸限制，叶片数量定为 13 片，碎土轴的装配如图 6 所示。图 6碎土轴1.4.3搅拌装置的设计搅拌装置除了需具备搅拌功能外，还需要将泥浆送入筛分装置，故采用螺旋叶片，如图 7 所示11。根据机箱尺寸确定螺旋叶片螺距为 100 mm，高度为 70 mm，搅拌轴直径为 50 mm，总共装配螺旋叶片 6 个，叶片宽 5 mm，搅拌轴总长 657 mm。在搅拌装置一侧开有直径为 30 mm，深度为 50 mm 的安装孔，以实现与碎土装置一侧轴的过盈配合，在便于装配的同时，保证了作业的稳定性。第 50 卷第 1 期郭龙涛等水稻泥浆育秧双齿辊筛分式制浆机的设计与试验51中心轴；2螺旋叶片。图 7搅拌装置结构1.4.4碎土搅拌轴转速的计算泥浆输出量的计算根据公式：()2214DdSQbhL-|=-|(19)式中，D 为螺旋外径(mm)；d 为螺旋内径(mm)；S 为螺距(mm)；b 为螺牙厚度(mm)；L1为螺牙的平均长度(mm)；为泥浆密度(g/mm3)；为此螺旋机构的填充系数；h 为螺牙深度(mm)。根据资料可知，螺牙的平均长度 L1为 390 mm，在种植土介于砂土与粘土之间时，可以取值为0.25。根据公式(17)可计算出搅拌装置单齿辊单圈排泥量 Q1为 978 g。搅拌装置的单圈排泥量 Q2为：gQQ19569782212=(20)泥浆输出口为等腰三角形，而机箱输出口的面积 S2为：220.20.20.20.40.206mS=+(21)所以输出口面积占比 K 为：120.165SKS=(22)实际排泥量 Q 为：gKQQ3231956165.02=(23)依据作业要求，制浆机的工作效率为 0.3 t/h，因此碎土搅拌装置的最低转速需要达到：min/5.15minrQnc=(24)式中，nmin为碎土搅拌装置的转速；c为碎土搅拌装置的工作效率。1.5筛分装置设计筛分装置主要由筛网完成筛出作业，筛网规格为长度 2.5mm 的正方形，筛分直径 4 mm，其对角线长度小 4 mm。为有效剔除筛网中的杂质，在筛网下装有曲柄滑块机构，利用该机构特有的急回特性，加上机构的上下振动，对泥浆进行翻转和颠簸，从而达到去除杂质的目的12。为保证筛分效果，确定曲柄长度为 0.16 m，曲柄转速为 120 r/min，滑块与水平的夹角为 30，筛分装置结构如图 8 所示。图 8筛分装置图中 OA 为曲柄，AD 为连杆，BC 为导杆，D为滑块，连杆上放置筛网，通过曲柄的转动和滑块的移动使得筛网能上下往复运动。2筛分试验为了模拟泥浆机筛分装置的工作环境，搭建了筛分装置试验台，如图 9 所示。1杂质收集箱；2机架；3定位板；4轴承座；5导轨；6筛面架；7漏斗架；8漏斗；9筛网；10从动链轮；11导轨连杆；12链轮轴；13曲柄；14内轴；15链条；16主动链轮；17电机；18泥浆收集箱。图 9筛分试验台该试验台泥浆机振动筛的安装高度为 0.45 m，依据连杆的长度值，确定导轨倾角范围为 1040，曲柄长度为 0.080.2 m，依据作业需求，转速范围为 0.53.5 r/s。试验过程中的固定参数和变化参数如表 1 所示，试验材料为含水率 50%的泥浆和尺寸252010mm 的石块。6农业工程与装备2023 年 2 月表 1振动筛模拟参数设置固定变量影响因素曲柄长度 0.1m、转速 1r/s导轨倾角()：10、15、20、25、30、35、40曲柄长度 0.1m、导轨倾角 20转速(r/s)：0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5转速 1r/s、导轨倾角 20曲柄长度(m)：0.08、0.1、0.12、0.14、0.16、0.18、0.2在固定变量的条件下，研究影响因素变化对除杂率产生的影响，结果如图 10 所示。(a)(b)(c)图 10不同影响因素对除杂率产生的影响通试验数据可得出该曲柄滑块振动筛的最优参数组合，导轨倾角为 30，转速为 2.0 r/s，振幅为0.18 m。3总结与展望(1)双齿辊筛分式制浆机利用曲柄滑块特性对粘性泥浆进行筛分，提高了制浆效率和质量。其中搅拌碎土装置采用一体化设计，同轴进行碎土和搅拌，减小了机具尺寸，提升了装置的实用性。(2)通过试验确定了制浆机振动筛最优参数组合，导轨倾角为 30，转速为 2.0 r/s，振幅为 0.18 m，为制备高质量育秧泥浆，提升水稻育秧机械化水平提供了参考。(3)由于残留在筛面上的杂质种类较多，试验仅选取了占比最多的石块为研究对象，后续可针对残留在筛面上的其他杂质进行深入研究，以进一步提升振动筛的实用性。参考文献1国家统计局关于 2020 年粮食产量数据的公告J.现代面粉工业,2021,35(1):15-18.2孙国栋,马旭,齐龙,等.螺旋式泥浆提升和输送装置的设计与试验J.农机化研究,2018,40(6):86-96.3谢宇,任金波,张翔.水稻秧盘育秧制浆刀片匀浆过程分析及其优化设计J.中国农业大学学报,2020,25(2):85-94.4张数标,吴华聪,张琳.机插水稻的稀泥育秧技术J.福建稻麦科技,2012,30(4):32-75.5郭洪江,马旭,齐龙,等.一种水稻田间育秧泥浆铺设试验台的研究A.中国农业工程学会(CSAE).中国农业工程学会 2011 年学术年会论文集C.中国农业工程学会(CSAE):中国农业工程学会,2011:4.6陈辉.秧床稀泥摊铺机的设计与研究D.福建农林大学,2020.7李宝筏.农业机械学M.北京:中国农业出版社,2003.8庞昌乐,鄂卓茂.气吸式水稻播种机泥浆铺土装置的设计研究J.中国农业大学学报,2000(6):40-42.9邹祥.双卧轴混凝土搅拌机功率和能耗计算J.建筑机械,2020(7):55-58.10 孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理(第八版)M.北京:高等教育出版社,2013.11 中国农业机械研究院.农业机械设计手册(上册)M.北京:中国农业科学技术出版社,2017.12 康家鑫,刘大为,李旭,等.育秧泥浆处理装置曲柄滑块振动筛设计与参数优选J.中国农业科技导报,2020(10):85-92.责任编辑：阳湘晖英文编辑：唐琦军