高偌霖，王明旭，2，符 記，晏 麗，李永祥

(1.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450001； 2.小麥和玉米深加工國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001)

隨著我國(guó)油料工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)油料作物深加工產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，而油料作物含雜是影響其品質(zhì)的關(guān)鍵因素[1]。若雜質(zhì)隨油料作物一起加工，雜質(zhì)的存在將會(huì)使油脂產(chǎn)品純度降低、灰分提高，造成油脂產(chǎn)品質(zhì)量降低[2-3]。在油料作物加工前期，由于受到收割方式、晾曬場(chǎng)地、運(yùn)輸裝卸、收獲機(jī)與清理機(jī)無(wú)法有機(jī)結(jié)合等因素的影響，油料作物含雜率遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值[4]。

國(guó)外現(xiàn)有清理設(shè)備有Westrup LA-LS風(fēng)篩清選機(jī)、Westrup LA-K比重清選機(jī)、肖邦NSP清理除雜機(jī)、肖邦QuatuorⅡ全自動(dòng)除雜清理分級(jí)機(jī)、Carter-Day清理除雜機(jī)、德國(guó)Labofix小型清理分級(jí)機(jī)等[5]，雖然種類(lèi)較多，但功能普遍相對(duì)單一，集成度不高，特別是國(guó)內(nèi)的小型油料作物專(zhuān)用清理設(shè)備生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品很少，難以滿(mǎn)足生產(chǎn)企業(yè)的需要。從市場(chǎng)發(fā)展和國(guó)外著名企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)來(lái)看，清理設(shè)備應(yīng)由單機(jī)向組合機(jī)方向發(fā)展[6-7]，將風(fēng)、篩、比重單機(jī)優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化和多功能化[8-9]，綜合考慮清理機(jī)工作環(huán)境、能源消耗等問(wèn)題，結(jié)合糧食機(jī)械的發(fā)展方向，循環(huán)風(fēng)式組合多功能清理篩將成為新的發(fā)展方向[10]。國(guó)外諸如雷諾、波通等品質(zhì)分析儀器設(shè)備企業(yè)、國(guó)內(nèi)各油脂企業(yè)對(duì)清理設(shè)備有一定的需求量，所以小型、與油料作物收獲機(jī)有機(jī)結(jié)合、確保油料作物收獲后直接得到清理的組合式清理篩的研究和設(shè)計(jì)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

本文擬采用集成與模塊化設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)對(duì)斗式提升機(jī)、圓筒清理篩等設(shè)備的有機(jī)整合，以期獲得可以與大豆等油料作物收獲機(jī)結(jié)合工作并且實(shí)現(xiàn)糧食產(chǎn)后的加工、儲(chǔ)藏環(huán)節(jié)全程不落地，解決糧食收獲后含雜率偏高、雜質(zhì)多樣不能滿(mǎn)足儲(chǔ)藏和加工要求問(wèn)題的一種移動(dòng)式組合圓筒清理篩。

1 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的結(jié)構(gòu)

移動(dòng)式組合圓筒清理篩的結(jié)構(gòu)主要包括斗式提升機(jī)、多層圓筒清理篩、風(fēng)機(jī)、旋風(fēng)除塵器、風(fēng)網(wǎng)管道和移動(dòng)機(jī)架。移動(dòng)式組合圓筒清理篩結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動(dòng)式組合圓筒清理篩結(jié)構(gòu)

1.1.1 斗式提升機(jī)

斗式提升機(jī)主要由機(jī)頭、機(jī)筒、機(jī)座、傳動(dòng)裝置、螺旋張緊裝置、畚斗帶和畚斗等部分組成。進(jìn)料口設(shè)計(jì)成專(zhuān)用大口進(jìn)糧斗，保證移動(dòng)式組合圓筒清理篩勻速提料。

(1)機(jī)頭。由驅(qū)動(dòng)頭輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、逆止器、機(jī)頭外殼和可調(diào)回流淌板等組成。機(jī)頭外殼設(shè)有觀察窗，以便觀察調(diào)整回流淌板的位置，防止物料回流。驅(qū)動(dòng)頭輪采用覆膠輪，頭輪軸裝有雙列球面滾子軸承，并配有軸承座高度調(diào)節(jié)墊片，以保證水平面的平行度要求。

(2)機(jī)筒。由鋼板采用咬邊結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)機(jī)筒剛性和密封性。機(jī)筒兩端焊有聯(lián)接法蘭，各段法蘭之間加密封墊，當(dāng)用螺栓緊固后可保證機(jī)殼的密封性能。檢修機(jī)筒有螺栓聯(lián)接兩邊均可拆開(kāi)檢修，檢修方便。

(3)機(jī)座。由張緊底輪、螺旋張緊裝置、機(jī)座外殼和進(jìn)料口等組成。底輪軸通過(guò)兩個(gè)支座安裝在張緊裝置的滑板上。

(4)傳動(dòng)裝置。由電機(jī)、減速器及尼龍柱銷(xiāo)聯(lián)軸器來(lái)傳動(dòng)頭輪軸。

(5)螺旋張緊裝置。為螺桿式結(jié)構(gòu)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿而帶動(dòng)底輪軸的上下移動(dòng)，從而使畚斗帶的松緊度及跑偏現(xiàn)象得到調(diào)整。

(6)畚斗帶。畚斗帶為提升機(jī)的牽引構(gòu)件，環(huán)繞于頭輪和底輪之間，畚斗按一定距離固定在畚斗帶上，用外殼將畚斗帶密封起來(lái)。

1.1.2 多層圓筒清理篩

多層圓筒清理篩的結(jié)構(gòu)主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、篩筒、機(jī)體、篩面清理機(jī)構(gòu)、吸風(fēng)口等結(jié)構(gòu)組成。

(1)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。主要由減速機(jī)、鏈輪、鏈條、十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器及托輪組成。

(2)篩筒。由篩架、篩板及導(dǎo)向葉片組成；篩筒的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器和托輪完成；篩筒角度的調(diào)整通過(guò)調(diào)節(jié)托輪間距實(shí)現(xiàn)。

(3)機(jī)體。由框架、側(cè)封門(mén)、端封門(mén)和邊、中立柱組成；框架是用鋼板折彎焊接而成，其中一側(cè)的中立柱通過(guò)螺栓與框架連接在一起，其目的是便于拆卸篩筒；側(cè)、端封門(mén)的密封采用箱式貨車(chē)的密封式，外形美觀、密封性能好。

(4)篩面清理機(jī)構(gòu)。由刷帚和刷架組成。刷帚是用通過(guò)化學(xué)藥劑處理后的鵝毛筒編制而成，經(jīng)處理后的鵝毛筒耐磨而不易折斷；刷帚裝在可調(diào)的刷架內(nèi)，通過(guò)調(diào)整刷架可使刷帚和篩面有效地接觸從而清理堵塞在篩孔上的物料及雜質(zhì)，保證篩孔的通暢。

(5)吸風(fēng)口[11]。吸風(fēng)口在機(jī)體頂蓋的中部，其作用是吸走部分飛揚(yáng)在機(jī)體內(nèi)的灰塵和輕雜質(zhì)，同時(shí)機(jī)內(nèi)形成負(fù)壓，抑制粉塵外揚(yáng)。

1.1.3 風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)位于旋風(fēng)除塵器的后方，主要由風(fēng)輪、機(jī)殼和電機(jī)組成。對(duì)篩子進(jìn)行吸風(fēng)，抽走一部分輕雜及粉塵，并使之體內(nèi)形成負(fù)壓，防止粉塵外揚(yáng)。

1.1.4 旋風(fēng)除塵器及風(fēng)網(wǎng)管道

旋風(fēng)除塵器[12]采用下旋55型除塵器沉降風(fēng)機(jī)吸出輕雜及粉塵，除塵效果好。

1.1.5 移動(dòng)機(jī)架

機(jī)架下方四角設(shè)置有行走輪，其中兩只為萬(wàn)向輪，方便該機(jī)組的牽引與移動(dòng)。

1.2 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的工作原理

油料作物從收獲機(jī)的排料斗直接落入斗式提升機(jī)的接料斗，然后勻速提至圓筒清理篩的進(jìn)料口，通過(guò)布筒進(jìn)入喂料箱的散料板上，錐形漏斗可以旋轉(zhuǎn)使得物料正確地落在散料板中間，進(jìn)料箱隨著篩體的振動(dòng)，物料均勻地撒在進(jìn)料箱底板上，并沿底板流到整個(gè)篩面，若進(jìn)料在整個(gè)進(jìn)料箱底板上不均勻，調(diào)節(jié)分料板使喂料達(dá)到理想狀態(tài)。

在喂料箱與篩面的聯(lián)接處安裝了一個(gè)壓力門(mén)，可使物料流均勻分散成同一高度，物料通過(guò)壓力門(mén)后布滿(mǎn)第一層篩面，第一層篩面的篩下物落到第二層篩面上，篩上物(大雜)由旁邊的出料口導(dǎo)出。第二層篩面的篩下物(小雜)落到底板上，從位于中部的出料口導(dǎo)出。第二層篩面的篩上物經(jīng)過(guò)壓力門(mén)導(dǎo)出到垂直吸風(fēng)分離器進(jìn)行風(fēng)選。垂直吸風(fēng)道可通過(guò)調(diào)節(jié)手柄使風(fēng)門(mén)板旋轉(zhuǎn)至合適位置，達(dá)到最佳分離狀態(tài)。一部分輕質(zhì)雜質(zhì)及部分灰塵則由風(fēng)機(jī)吸走，經(jīng)過(guò)旋風(fēng)除塵器沉降后排出。

2 移動(dòng)式組合圓筒清理篩結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

對(duì)移動(dòng)式組合圓筒清理篩結(jié)構(gòu)在重力加速度作用下的靜力進(jìn)行了計(jì)算，獲得了板材厚度在5 mm時(shí)的應(yīng)力云圖。最大應(yīng)力值為108 MPa。最大應(yīng)力的位置如圖2所示的支撐圓筒篩的支撐，建議此處板的厚度取10 mm。同時(shí)方便時(shí)增加加強(qiáng)筋。

圖2 靜力作用下的應(yīng)力云圖

3 移動(dòng)式組合圓筒清理篩結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)實(shí)際建立有限元分析模型如圖3所示，共劃分46 282個(gè)單元，22 872個(gè)節(jié)點(diǎn)。定義材料屬性，彈性模量2.1E11，密度7 800 kg/m3，泊松比0.3，板材厚度取5 mm。

圖3 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的有限元分析模型

計(jì)算獲得的前12階模態(tài)及應(yīng)力云圖如圖4～圖15所示。表1為該移動(dòng)式組合圓筒清理篩前12階模態(tài)頻率及最大應(yīng)力值。

圖4 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的第一階模態(tài)

圖5 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的第二階模態(tài)

圖6 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的第三階模態(tài)

圖7 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的第四階模態(tài)

圖8 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的第五階模態(tài)

圖9 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的第六階模態(tài)

圖10 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的第七階模態(tài)

圖11 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的第八階模態(tài)

圖12 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的第九階模態(tài)

圖13 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的第十階模態(tài)

圖14 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的第十一階模態(tài)

圖15 移動(dòng)式組合圓筒清理篩的第十二階模態(tài)

模態(tài)階數(shù)頻率/Hz最大應(yīng)力/MPa模態(tài)階數(shù)頻率/Hz最大應(yīng)力/MPa第一階02.7735.5第七階 29.09102.0第二階02.8321.8第八階 29.25049.9第三階06.1367.8第九階 32.92087.3第四階07.7970.2第十階 34.24072.5第五階17.8955.8第十一階35.23183.0第六階21.6353.7第十二階39.29167.0

由表1知，結(jié)構(gòu)發(fā)生的最大應(yīng)力值為183 MPa。結(jié)構(gòu)所選用的材料為Q235，能夠滿(mǎn)足要求，應(yīng)力發(fā)生最大位置、集中位置分別為圖16、圖17所顯示位置，即剎克龍與圓筒清理篩支撐件連接位置、剎克龍彎管與下端連接位置，該部分設(shè)計(jì)時(shí)，需進(jìn)行加強(qiáng)，建議增加加強(qiáng)筋。另一處應(yīng)力集中位置在斗式提升機(jī)卸料與圓筒清理篩銜接位置，如圖18所示，建議設(shè)計(jì)時(shí)需要局部加強(qiáng)。移動(dòng)式組合圓筒清理篩的4個(gè)支撐立柱是產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置，建議局部加強(qiáng)，建議4個(gè)支撐的設(shè)計(jì)厚度應(yīng)在8～10 mm。

圖16 應(yīng)力最大位置

圖17 應(yīng)力集中位置

圖18 應(yīng)力集中位置

板材厚度取10 mm時(shí)的各階模態(tài)應(yīng)力及頻率見(jiàn)表2。

表2 板材厚度取10 mm時(shí)的各階模態(tài)應(yīng)力及頻率

由表2知，增加板材厚度，使得結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力明顯降低，但提高了結(jié)構(gòu)的固有頻率。因此，建議僅在結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的位置做加強(qiáng)支撐，提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞特性。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)清理篩的工作原理分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及對(duì)現(xiàn)有成熟設(shè)備的優(yōu)化組合，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種用于大豆等油料作物初清的移動(dòng)式組合圓筒清理篩，其將配合油料作物收割機(jī)提高油料作物收獲的效率，達(dá)到油料作物產(chǎn)后加工、儲(chǔ)藏環(huán)節(jié)全程不落地的目的，進(jìn)而提高油料作物收獲后的純凈度以滿(mǎn)足儲(chǔ)藏和加工要求。解決了目前大豆等油料作物產(chǎn)后由于缺少相關(guān)清理設(shè)備與收獲機(jī)的有機(jī)結(jié)合，使得生產(chǎn)和倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)需要二次清理，造成大量不必要的人力和物力浪費(fèi)的突出問(wèn)題。

(2)通過(guò)對(duì)移動(dòng)式組合圓筒清理篩的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析，得到了結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的位置以及結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，支撐組合清理篩的4個(gè)支撐立柱是產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置，通過(guò)局部加強(qiáng)，4個(gè)支撐的設(shè)計(jì)厚度應(yīng)在8～10 mm以?xún)?yōu)化薄弱環(huán)節(jié)。