碾压式种子硬实处理装置的结构设计与开发

张 琴，王保爱，张克盛，谢晓丽，丁晓斌，卢佳成

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006）

苜蓿种植面积广，是一种优良的牧草。目前，苜蓿种植存在的一个较大的问题是产量相对较低并且常伴有不稳定性，并且播前环节的机械化程度很低。经调查研究发现，苜蓿种子存在硬实现象是产量低的一个很重要的原因[1，2]，我国目前对于利用机械设备解除种子种皮硬实的研究甚少，甘肃农业大学孙步功等设计了一种摩擦式硬实处理装置，主要利用摩擦盘与螺旋式输料装置之间的摩擦磨损产生的揉搓力进行解除种皮硬实，效果较好[3]。段慧敏等以现有的5种脱壳处理机作为研究对象，通过科学的评价指标进行了系统的分析，研究表明：摩擦式处理机对于解除硬实效果最好[4]。

笔者以苜蓿种子的生物力学特性参数为依据，重点对硬实处理装置的碾压部分进行设计计算，并对其他部分进行结构设计。本装置的设计解决了传统人工解除硬实耗时费力效率低下的问题，为后期机械化解除硬实提供了参考价值。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

根据本设计要求和工作目的设计一种碾压式硬实处理装置[5]，本设计主要完成进料、碾压、出料、分离工作，图1为本设计结构简图。该结构主要完成种子的进料、碾压、出料、分离和收集工作。

1.2 工作原理

如图2所示，电动机输入动力，经过传动装置带动转轴22绕自身旋转并带动拉架13、辊子14、料板17和料刷16旋转，种子由进料口进入后，经导种管喂入辊子前端，经一定时间碾压后，先后由料板17推入碾压台边缘的料槽，由料刷16清理至出料口，再经过筛板分离和输送，最后收集。

2 主要工作部件的设计

2.1 进料部件设计

喂料斗外形设计为圆锥形，进量大小设计为可调，如图3所示，动板3可以在移动槽1内分别对应3个不同的位置，分别对应3种不同的进料口大小，进而调节3种喂料量的大小。工作时辊子做圆周运动，为了保证连续工作，设计导种管同辊子做同步转动，保证导种管将种子喂入辊子前端，进料部分1（图1）位于装置中心处固定不变，本结构设计进料口与导种管的连接处用轴承相连接，如图3所示，导种管5上端设计有销孔，通过销4连接与固定于进料斗下端的轴承2内圈的伸长套筒相连接，轴承外圈与进料斗固定连接，内圈焊接伸长套筒与导种管5连接；导种管下端设计为陡坡扩口形状，保证种子在喂入辊子前最大程度平铺于碾台上，使种子碾压时受力均匀。

2.2 碾压部件设计

如图4所示，电机通过皮带轮及换向锥齿轮传递将动力传给转轴，转轴绕自身旋转，转轴上端固定连接的拉架随着转轴转动，拉架带动辊子做圆周运动完成对种子表皮的碾压。

要达到解除硬实的目的，即：碾压部分工作时辊子与碾压台之间作相互运动，产生摩擦力作用于苜蓿种子表面的同时不能破坏种子条件[6]，辊子对种子的摩擦力大小应满库仑定律Ff=μN，参照苜蓿种子三轴尺寸：长度L=2.33 mm、宽度B=1.49 mm、厚度H=0.85 mm。假设进入稳定工作后种子喂入量的大小为5 000粒/s，（碾压台尺寸的设计也由种子喂入亮进行设计）则辊子对种子的正压力大小应满足公式：

式中：N——辊子质量（N）；ρ——辊子材料的密度；L——辊子轴向长度（mm）；R——辊子圆周半径（mm）；g——重力加速度（m/s2）；x——近似承受辊子压力的种子群体数量；f——苜蓿种子承受正压力（N）。

带入相应数据得N≤28.8kg。设计主轴转速为97 r/min，则中心转轴需要功率为：Ff=μMg+μ2（xm+M）g，与功率公式P=Fv=FωR=μN·ωR式中摩擦系数μ取系数达0.861[7]，粗略可得功率约为1.56kW；按轴受纯扭矩并降低需用用力值得方法得到轴的设计公式为：

式中：d——受扭矩段最小直径（mm）；C——决定于许用扭转切应力的系数；P——轴传递功率（kW）；n——轴的转速（r/min）。

代入可得中心转轴最小直径d=26.36～31.30 mm；取中心转轴最小直径为28 mm。考虑中心转轴的输入、输出动力、中间连接部分安装。设计碾压台的直径为580 mm。

2.3 出料部件和分离部件设计

如图5所示，分离部分由分离筛板和螺旋输送器组成，种子由出料口流出落下至分离筛板，分离筛板作往复摆动，摆动过程中沙子从筛板上的孔眼落下至螺旋输送器进而至硬实处理装置侧面的出口进行收集，种子在分离筛板的上表面随分离筛板的往复运动最终由出料口10进行收集。

本设计在结构尺寸的设计是针对种子群体进行设计，设计破坏力也是考虑种子群体均匀受力，但在工作中没有办法保证种子群体为均匀受力，因此设计种子在解除硬实前与砂子进行混合，这样在碾压等解除硬实过程中可以进一步增大种子种皮的摩擦磨损同时砂子的硬度相对较大可以对种子进行一定程度的保护（见图6），辊子重力作用下对种子产生外力F向下挤压:由于砂子硬度较大，可以防止碾辊继续下压，进而避免苜蓿种子被过度损伤而降低发芽率。

本研究设计，体积小质量轻，操作方便，工作中较好地利用了传统石碾的摩擦磨损工作原理，以苜蓿种子破坏性能作为参考依据，理论角度来说较好的解决了已有机械化解除硬实存在的种子伤损率较高的现象，同时也解决了传统人工解除硬实耗时费力的问题。

3 结束语

本文以苜蓿种子生物力学特性参数作为设计依据，结合北方石碾碾压原理及力学分析计算，设计了一种碾压式苜蓿种子硬实处理装置，并对其他辅助部件进行结构的设计计算，以苜蓿种子破坏性能作为设计依据，为后期的种子解除硬实研究与硬实处理装置的设计提供一定的参考。