联合作业打瓜取籽机关键部件的设计与研究

马 振，胡 斌，陈 永，王科杰，李俊虹

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)



联合作业打瓜取籽机关键部件的设计与研究

马 振，胡 斌，陈 永，王科杰，李俊虹

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

打瓜是新疆地区的主要经济作物，其生产过程机械化程度低，严重制约了新疆大田生产的发展。为此，拟定了一种将打瓜破碎和分离清选的设计方案，阐述了破碎装置的工作原理、结构组成和结构尺寸的设计。通过取样试验测得打瓜样本的平均值，设计了对辊破碎机构的间隙极限值，间隙极限值分别为dmax=100mm，dmin=20mm。阐述了籽瓤分离装置的工作过程、结构布局和结构尺寸的设计，设计了一种双滚筒式分离清选装置。通过取样试验测得新疆地区打瓜籽的三轴尺寸样本平均值，确定了内外筛网孔的尺寸，内外尺寸分别为20mm≤D1≤25mm，5mm≤D2≤8mm。通过对破碎、分离清选装置的设计，提高了打瓜取籽机的工作效率，降低了破损率，对大面积种植模式，尤其是新疆地区具有促进作用。

打瓜；对辊；破碎；籽瓤分离；双滚筒

0 引言

籽瓜，俗称打瓜，是葫芦科西瓜属普通西瓜的栽培变种。种植籽瓜主要是为了获取瓜籽，是一种极具地域特色的农产品。新疆是我国籽瓜的主要种植区，其种植面积已经达到20万hm2，因其气候和土壤条件，极适宜种植籽瓜。籽瓜具有抗旱、投入成本低、经济效益高等优点，已经成为新疆农民主要增收的作物之一。籽瓜生产过程中收获环节主要靠人工捡拾、列条列堆、人工喂入、机械脱粒，这些工作环节耗时长、用工量大、劳动强度高、效率低下，严重制约了新疆大田生产的发展。随着农业产业结构调整，籽瓜的种植规模越来越大，人力投入及生产成本的消耗等问题日益突出，新疆地区的籽瓜收获机械已无法满足大面积种植的需求。

1 工作原理及关键部件

1.1 工作原理

联合作业打瓜取籽机的工作部分包括捡拾装置、破碎装置、籽瓤分离装置及收集装置等，如图1所示。该机通过牵引式拖拉机作为动力，捡拾装置通过与机身的连接向前运动；捡拾机构通过缠绕瓜藤，将瓜扎起等方式将打瓜向上输送，当打瓜运送至取瓜机构位置时，打瓜被喂入破碎装置；然后，通过咬合、挤压的方式将打瓜破碎；接着，通过输送机构将被破碎的打瓜送入籽瓤分离装置进行籽瓤分离，最后将分离出的籽收集在收集箱内。

图1 联合作业打瓜取籽机样机

1.2 关键部件

联合作业打瓜取籽机是将捡拾、破碎、分离、收集功能集于一体的联合收获机。本文研究的关键部件是破碎装置和籽瓤分离装置。打瓜破碎是实现籽瓤分离的前提和关键，提高打瓜的破碎程度有利于打瓜的籽瓤分离，设计一种高效的籽瓤分离装置是设计的最终目标。本文对破碎装置和籽瓤分离装置这两个关键部件进行设计。打瓜取籽机工艺流程如图2所示。

图2 工艺流程图

2 破碎装置的设计及分析

2.1 对辊破碎机构的工作原理

对辊破碎机构又称双辊式破碎机构，通常由两个圆柱形滚筒作为主要的工作机构，工矿企业应用较多。对辊破碎机构工作时，两个辊子相向旋转，打瓜从两辊上方给入，在辊子表面摩擦力的作用下，将给入的物料卷入两辊所形成的破碎腔内被破碎；破碎的小块在重力作用下，从两个辊子之间的间隙排出。该间隙的大小决定了破碎产品的最大粒度。

2.2 对辊破碎机构的设计

将打瓜破碎是联合作业打瓜取籽机的重要环节之一。为了更好地实现打瓜破碎、降低籽的破损率，结合工矿企业的对辊破碎机构的工作原理，设计了一种锥形和圆柱形相结合，并具备螺旋推进功能的对辊破碎机构,能够实现打瓜的破碎功能，且降低了瓜籽的破损率。

图3为对辊破碎机构的正视示意图。其两个辊子在同一水平面上，左端为锥形，右端为圆柱形。打瓜的破碎分为两个阶段：第1阶段，左端的捡拾装置将捡拾的打瓜从上方投入到对辊机构中，打瓜落入后首先接触的是一对锥形辊；两个锥形辊相向旋转，通过表面齿的摩擦力，咬合打瓜并将打瓜向右端推进，在推进的过程中，两锥形辊之间的间隙减小，打瓜被挤压、破碎。第2阶段，被破碎的打瓜进入圆柱辊段，将打瓜进一步破碎，并随着螺旋部件推进的方向运动。两个圆柱辊间距决定了打瓜的破碎程度，破碎的小块从间隙落下，输送机构将细小块打瓜送入籽瓤分离装置端口，进行籽瓤分离。图4为对辊破碎机构俯视示意图。

（三）重师权，轻民主。在实验操作的过程中，会出现很多的实验数据记录和处理，这些数据直接决定了实验的结论，教师进行实验数据和结论的时候，经常会出现教师霸权主义，教师缺乏科学的精神。

图3 对辊破碎机构正视示意图

图4 对辊破碎机构俯视示意图

2.3 对辊破碎机构间隙尺寸的确定

通过查阅相关文献和对农八师石河子周边团场的调研，从田地中随机抽取20个大小均匀、无破损、无虫害的打瓜作为样本进行测量。打瓜物理参数如表1所示。

表1 打瓜物理参数

由表1可知：农八师石河子周边团场中的所取打瓜样本长径平均值为128mm，短径平均值为114mm，质量平均值为1.261kg。为了保证打瓜有效的破碎，同时通过打瓜的受力分析(见图5)，最大间隙值取dmax=100mm。

图5 打瓜受力简图

新疆地区主要种植的打瓜品种为内蒙大片、内蒙中片、内蒙小片。石河子大学胡斌教授团队的成员选取在新疆地区种植的3类种子各300粒，用精度0.02的游标卡尺分别测量长、宽、厚3个方向的尺寸，得出内蒙大片的三轴尺寸为17.6mm×11.6mm×3.8mm；内蒙中片的三轴尺寸为15.5mm×10.4mm×3.8mm；内蒙小片的三轴尺寸为13.28mm×7.76 mm×2.75mm。因此，为了降低籽的破损率同时又提高打瓜的破碎率，最小间隙值取dmin=20mm。

3 籽瓤分离装置的设计及分析

3.1 工作过程分析

本文设计了一种双滚筒式分离清选装置，如图6所示。与其他分离装置的不同之处在于本设计采用了两级分离筛选，根据打瓜籽粒的大小分别设置了内外滚筒上筛网孔的大小，同时两个筛选装置在同一轴上工作。

图6 双滚筒式分离清选装置示意图

首先，被破碎的打瓜从内滚筒的右端开口处进入，电机带动轴顺时针转动，固定在轴上的弧形刮片将瓜皮和瓤籽向左推进；在推进的过程中，籽和瓤在重力的作用下通过内滚筒的大口径筛网落入到外滚筒中，内滚筒中的瓜皮继续向左运动，最后被排出。

当籽瓤落入外滚筒时，籽瓤随着外滚筒的转动被焊接在外滚筒内侧的螺旋刮片向右推进；籽瓤在向右运动的过程中瓤通过筛网的小口径孔排出，剩下的籽继续向右运动，最后下方的出口落入收集装置。图7为外滚筒内部结构示意图。

图7 外滚筒内部结构示意图

3.2 内外筛网孔尺寸的确定

为了使双滚筒分离清选装置在新疆地区更具有适应性，通过上述的打瓜籽取样分析，可知3种打瓜籽品种的类型，其长度范围主要其中在14～19mm，宽度主要集中在8～13mm，厚度主要集中在3～4mm。因此，为了保证籽瓤能够从内滚筒筛网上落入外滚筒，内筛网的孔直径应取为20mm≤D1≤25mm，为了保证瓤通过外滚筒筛网排出，同时又保证籽不被排出，外筛网的孔直径应取为5mm≤D2≤8mm。

4 结论

1)通过分析国内外打瓜取籽机的研究现状，结合对辊破碎机构的原理，设计了一种锥形和圆柱形相结合的对辊破碎机构。该机构具有螺旋推进的功能，满足了打瓜破碎的需要。

2)通过田间随机取样测量打瓜的尺寸，测得打瓜样本长径平均值为128mm，短径平均值为114mm，确定最大间隙值取dmax=100mm；通过对新疆地区种植的3类打瓜种子取样测量，确定最小间隙值取dmin=20mm。

3)设计了一种双滚筒式分离清选装置，通过两级筛选的方式进行瓜皮、瓤、籽的逐步分离，并对新疆地区打瓜籽的取样测量三轴尺寸，确定了内外筛网孔的尺寸。

[1] 李景彬,王曌鹏,田绪顺,等.打瓜机械化收获技术研究现状及发展对策[J].作物杂志,2011(1):126-128.

[2] 刘军,黄晓鹏.国内籽瓜收获及初级加工机械研究现状[J].农业科技与信息,2015(17):33-34.

[3] 王亚鸽,王维新.兵团籽瓜机械化收获技术现状分析[J].新疆农机化,2011(3):33-35，57.

[4] 朱宗光,吴劲锋,黄晓鹏,等.籽瓜破碎取籽机皮瓤分离装置试验研究[J].南京农业大学学报,2014(5):159-166.

[5] 毛成果,周靖阳,李阳.对辊式破碎机设计研究[J].煤矿机械,2012(8):24-26.

[6] 张鹏,邓小雷,陈致衡,等.新型非圆柱式对辊破碎机的设计[J].矿山机械,2014(5):73-76.

[7] P·威勒特利,向平,肖力子.辊筒非圆柱形对辊破碎机的破碎原理[J].国外金属矿选矿,2002(6):40-44.

[8] 王亚鸽,王维新,徐守志,等.籽瓜脱籽清选装置的设计与分析[J].农机化研究,2012,34(4):88-91.

[9] 阎洪山,杨怀君,薛理,等. 4ZBL-2背负式籽瓜联合收获机的设计[J]. 安徽农业科学,2012,19:10331-10333.

[10] 李苗苗,陈玉龙,胡斌,等.气吸式打瓜穴播器对不同尺寸种子排种适应性的研究[J].农机化研究,2015,37(3):179-182.

[11] Sandra Martinsa，Olinda Pinto Carnideb，Carlos Ribeiro de Carvalhob，et al.Assessing Genetic Diversity in Landraces of Cucurbita spp.Using a Morphological and Molecular Approaches[J].Procedia Environmental Sciences，2015，29：68-69.

[12] 郭强,闫继密.4GZ-300型自走式打瓜联合收获机的开发[J].新疆农机化,2012(4):19-20.

[13] 王学农,牛长河,陈发,等.新型籽瓜捡拾脱籽联合作业机研制[J].新疆农机化,2008(3):25-26.

[14] 黄晓鹏,万芳新,同长虹,等.籽瓜挖瓤机瓜瓤细碎度试验[J].机械设计与研究,2014(6):5-7，12.

[15] 刘军,黄晓鹏.国内籽瓜收获及初级加工机械研究现状[J].农业科技与信息,2015(17):33-34.

[16] 牛长河,王学农,刘旋峰.基于打瓜力学特性的破碎装置研究与分析[J].新疆农业科学,2012(11):2108-2115.

[17] 毛剑峰.一种牵引式自捡拾滚筒籽瓜取籽机：中国，CN104904431A[P].2015-09-16.

Research and Design on the Key Components of Combined Operation Seed Taking Machine of Seed Melon

Ma Zhen, Hu Bin, Chen Yong, Wang Kejie, Li Junhong

(Machinery and Electricity Engineering College, Shihezi University, Shihezi 832000,China)

Seed melon is one of the main economic crops in Xinjiang, and the mechanization degree of seed melon production process is low which restricts the development of Xinjiang large field production severely. According to these problems, this paper develops a design scheme on melon breaking and separation cleaning. It expounds the working principle of crushing device, structure parameters and size design. It measured seed melon samples and get the average by sampling experiment, the average is 128mm. By the results of sampling experiment, we design clearance limit value of double roller crusher mechanism, clearance limit values are dmax=100mm，dmin=20mm. It expounds the working process of seed-flesh separation device, structure layout and size design that designs a kind of double drum separating and cleaning device. It measured three-axis of seed melon samples and get the internal and external dimensions of screen mesh, the internal and external dimensions are 20mm≤D1≤25mm，5mm≤D2≤8mm, respectively. Through the design of crushing and separating cleaning devices, the work efficiency of the seed taking machine is improved, and reduces the rate of seed damage which is of great promotion to the large area planting pattern, especially in Xinjiang.

seed melon; double roller; crusher; seed-flesh separation; double drum

2016-06-06

国家自然科学基金项目(51265045)

马 振(1993-)，男，安徽马鞍山人，硕士研究生，(E-mail)18255183270@163.com。

胡 斌(1968-)，男，湖北英山人，教授，硕士生导师，(E-mail)hb_mac@shzu.edu.cn。

S226.4；S225

A

1003-188X(2017)07-0121-04