多功能水稻脱壳机的优化设计与创新技术分析

0引言

随着农业现代化的推进,多功能水稻脱壳机在农业生产中的作用日益重要。由于地理位置、环境和经济条件的不同,不同地区水稻加工自动化程度差异较大,江苏、湖南、黑龙江等水稻主产省机械化率达75%以上,而西南山区因地形限制仍依赖传统设备,机械化率不足40%;受限于资金和技术培训,云南、贵州等地仍大量使用半机械化设备,脱壳效率低。目前,部分设备对高湿度或特种稻(如黑稻)加工适应性差,单位能耗仍高于国际先进水平;中小型设备多缺乏数据采集和远程控制功能。

国内对多功能水稻脱壳机进行了多方面的研究、改进,比如从滚筒转速、筛网角度、摩擦材料(橡胶或聚氨酯)、降低碎米率、提高脱壳效率方面进行优化设计;也有企业设计带有湿度检测传感器、压力反馈系统的智能脱壳机,实现参数自动调节,可以按照稻谷的湿度调节脱壳压力,减少手动干预;也有研究将柔性脱壳技术(如气流分段技术)应用在大米加工机械上,以降低米粒损伤程度,气流辅助脱壳可使碎米率不超过3%,整精米率提高,可增加产品附加值,更多地保留营养元素。

为解决当前水稻脱壳机在脱壳率、能耗、适应性、通用性、环境等参数方面还有待提升的问题,本文通过改进多功能水稻脱壳机的设计,使多功能水稻脱壳机的脱壳率更高、能耗更低、更加绿色环保,在不同区域及不同水稻品种的农业生产中均能使用。本文利用现代建模仿真技术、智能化控制技术,并在新材料应用方面进行探究,提出了脱壳效率高、能耗低的环境友好型多功能水稻脱壳机优化设计方案,后期拟逐步与A,和大数据结合,实现预测性维护、稻麦作业机具加工参数智能推荐、稻壳资源化利用、稻壳发电、稻壳制备生物炭等循环农业技术的应用,进而建设循环农业。

1 多功能水稻脱壳机工作原理

1.1 基本工作流程

多功能水稻脱壳机主要工作过程为进仓、脱壳、清选、分量、调节和控制。稻谷被装入进料斗,经过压辊和脱壳轮的挤压、摩擦,稻壳和糙米分开。经过振动清选筛筛出小颗粒、碎壳等杂质,经过风筒的风力把稻壳和糙米分开,通过调整压辊和脱壳轮的间隙大小来适应不同稻米品种,脱壳率一般高于98%。

1.2 基本结构

如图1所示,机架支撑着整个机器的结构,稻谷首先由进料斗运输进入机器内部;运输带将进入进料斗的稻谷运输到脱壳区域,进而由振动清选筛筛选出小颗粒及碎壳等各种杂质,从而提高出米率;之后压辊给予稻谷一定的压力使稻壳与糙米分离;随后泄壳板使稻壳脱离糙米;脱壳轮通过旋转与压辊相配合,完成稻谷脱壳;齿轮变速箱带动整台机器运转;滚筒进一步分离稻壳和糙米;凹板与滚筒相配合对稻谷进行冲击,从而完成脱壳;最后,在风筒的帮助下,将稻壳吹走,完成糙米与稻壳的分离。

2 多功能水稻脱壳机的创新优化设计

2.1整体设计

通过solidworks建模、3Dmax渲染、Inventor动画与应力分析等方法来设计模型。参考多种农机的建模,分析典型模型的不足,按缺什么补什么的宗旨来创建模型。在技术路线的设计中,增加环保节电理念,优化机器的结构、生产工艺,提高材料的利用率,降低能耗,减少废弃物的排放,最终实现水稻脱壳机绿色制造。设计过程中,着重提高稻壳的脱壳净度和完整度,降低稻谷破碎率;利用自动化技术提高生产效率,优化能耗比例,降低运营成本;提高设备的耐久性和可靠性,使脱壳机操作方便安全。多功能水稻脱壳机整体设计如图2所示。

2.2 关键部件设计

对脱壳装置、分离装置、输送装置、刀具系统、装填装置等关键部件进行优化设计,确保其在高负荷运行下的稳定性和耐久性。

2.2.1脱壳装置创新设计

脱壳装置如图3所示。

脱壳装置可能面临磨损和冲击I而且稻壳硬度差异大I籼稻硬度为HV2~3I粳稻则为HV3~4I高湿度(15%~25%)也会导致磨损加剧。因此I一方面I优化动力与传动系统I高硬度粳稻匹配高转速(1200r/min)I而低硬度籼稻匹配低转速(800r/min)I以减少破碎I采用永磁同步电机加矢量控制实现500~ 1500r/min范围转速调节I使转矩波动小于2%I能耗降低15%[1];另一方面I利用负载自适应算法实现基于电流反馈的转速实时调整I确保脱壳扭矩稳定在20~35 N.m[2]。

脱壳装置材料采用氧化锆增韧氧化铝(ZTA)陶瓷I硬度18~20 GpaI断裂韧性8~10 Mpa. √mI比传统铸铁耐磨性提高5倍;其成本相比传统材料确实较高I但其性价比需结合具体应用场景综合评估。ZTA与传统材料的成本对比如表1所示。

经比较可知IZTA的初始采购成本是铸铁的40~75倍I但寿命可达其10~16倍I综合性价比反而更高。年产糙米10 t以上的生产线可使ZTA成本下降20%~30%;通过原料回收、工艺革新和规模化生产I未来5年内ZTA成本有望降至500~800元/kgI从而进一步推动其在农机领域的普及应用。且通过粉末冶金制备外层ZTA陶瓷加内层球墨铸铁的复合辊体梯度结构设计I可以实现减重30%。

另外I不同水稻品种的谷粒尺寸会有所差异I籼稻长宽比为3.2~3.5I粳稻2.0~2.5I这将导致固定间隙脱壳稻壳易破损或残留。液压同步调节机构通过伺服电机驱动双螺杆机构I实现脱壳辊间隙动态调整I范围0.8~2.5 mmI精度±0.05 mm[3]。同时I实现品种数据库联动I以预设不同水稻品种的最佳间隙参数I如籼稻1.2 mm、粳稻1.8 mmI扫码识别后自动匹配。

2.2.2分离装置创新设计

分离装置如图4所示。

分离装置存在稻壳与糙米密度差小、分离效率低的问题I采用新材料碳化硅多孔陶瓷筛板进行优化后I其孔隙率为45%~50%I透气性达200 L/(m2 .s)I分离效率提升至98.5%[4];螺旋导流板基于流体力学计算设计I并采用3D打印制造工艺优化I使得风速均匀性偏差小于5%。

2.2.3输送装置创新设计输送装置如图5所示。

输送装置需要耐磨和轻量化I当稻谷含杂率高于3%时I会导致链式输送器磨损速率达0.5 mm/kh。通过玄武岩纤维增强尼龙66(BFR—pA66)新材料优化方案,使输送器拉伸强度达120 Mpa,耐磨性比普通pA66提高4倍[5];通过磁控溅射DLC涂层制造工艺方案,使输送链表面沉积厚2~5μm的金刚石膜,摩擦系数降至0.08。

2.2.4刀具系统创新设计

刀具系统有限元分析结果如图6所示。

刀具系统需要高硬度和韧性,刀片刃口钝化速率快,每处理50 t水稻需更换。利用微波烧结优化技术制备梯度硬质合金刀具,表层Co含量6%、芯部10%,抗热震性提高2倍[6]。湖南农大实测试验数据表明,优化刀具处理量达80 t/组,稻米裂纹率小于0.5%。

2.2.5装填装置创新设计

进料斗有限元分析结果如图7所示。

装填机构设计主要关注高精度和耐高温。稻谷高粘度致装填率不稳定,波动范围达±15%。采用新材料液态金属Ga-In-sn轴承改进,可将摩擦扭力波动范围控制在5%以内,工作温度控制在-20~150 ℃[7];碳纳米管或硅橡胶柔性料斗可在0.1~10 Mpa范围内调节拉伸模量,实现自适应形变[8]。

2.2.6创新技术整合

智能感知系统集成光纤光栅传感器,实时监测脱壳辊温度,精度波动范围在±0.5℃ ,形变分辨率1μm[9];基于声发射技术检测刀具磨损状态,预警准确率大于90%[10]。稻壳气化发电系统能源回收设计可实现1t稻壳发电800kw.h,满足设备30%能耗。针对偏远地区电力不稳定问题,可采用兼容柴油机、电动机甚至太阳能动力的多模式动力输入,结构上采用双输入轴设计,通过电磁离合器切换动力源,响应时间小于0.5 s。

3讨论与结论

在农业智能化发展及政策推动的背景下,为应对人工缺失及成本攀升、保护环境及可持续发展需求,对自身技术优势及国内外同行业同类产品的性能进行对比分析,得出以下结论:水稻多功能脱壳机以其高脱壳率(≥98%)、可加工各类品种稻、减少碳排放、实现稻壳发电为主要优势,未来可在国内市场占有15%~20%的份额,年销12 000台以上;在东南亚市场占有10%~15%的份额,成为区域内的名牌产品;边际利润可达35%~40%,较传统农机的边际利润25%~30%,能有效增加行业利润,有望拉动水稻加工业由传统“成本竞争”模式向“价值竞争”模式转变,成为我国农业现代化进程中必备的机械化设备。

受陶瓷材料氧化锆的影响,ZTA陶瓷国际市场价格变动较大,需建立战略性库存6个月,确保供货稳定;在国内市场要切实发挥政策扶持作用,积极申请成为中国农机补贴目录产品,争取攻破粮食主产省市场。

本文优化设计了一款多功能水稻脱壳机,其整机效率、适用性和环保性均得到大幅提升。新设计兼顾不同地域农情,适用于农业现代化对粮食生产的安全保障。对水稻脱壳装备采用了材料—结构—工艺—智能四维融合设计创新方法,使原机型寿命由5000 h提升至10 000 h,吨加工能耗由5.6 kw.h/t降低至3.6kw.h/t,减少35.7%;稻米完整率不小于99%,高于国际标准的97%。后续工作中应更多地聚焦生物可降解复合材料、数字孪生驱动的基于状态的预测性维护,努力使水稻脱壳装备进一步向绿色化、智能化方向发展。

[参考文献]

[1]龚金龙,邢志鹏,胡雅杰,等.籼、粳超级稻氮素吸收利用与转运差异研究 [J].植物营养与肥料学报,2014,20(4):796-810.

[2] 吕星昊,赵瑞川,李勇.基于带电流截止负反馈的单闭环直流调速控制系统的计算与仿真[J].电子测试,2013(23):8-9.

[3]赵祖乾.双螺杆驱动伺服压力机同步控制策略研究与实现[D].武汉:华中科技大学,2013.

[4] 陈松.微米孔径碳化硅多孔陶瓷的制备及性能研究[D].武汉:武汉工程大学,2022.

[5]谈丽姿,聂祥樊,罗楚养,等.3D打印连续纤维增强尼龙复合材料冲击性能 [J].工程塑料应用,2023,51 (12):64-71.

[6]鲍瑞,易健宏.微波烧结技术在硬质合金制备中的应用[J].中国有色金属学报,2014,24(6):1544-1561.

[7]程军,于源,朱圣宇,等.多功能室温液态金属在不同摩擦副条件下的润滑性能研究 [J].摩擦学学报,2017,37(4):435-441.

[8] 宁蕙,黄建栋,谭志勇,等.石英纤维/硅橡胶柔性复合材料超弹性本构模型构建及实验验证 [J].材料工程,2024,52(12):111-121.

[9]英宇,易钦杰,高治军.级联聚合物光纤光栅用于温度和应变测量[J/0L].光通信研究,2024:1-10.(2024-11-11)[2025-04-29].https://kns.cnki.net/kcms2/articLe/abstract?v=hQucc5bkppp-ujkVNQLBsh00L0uI8mB6ZWQb-X3ADW3Ey15j2Abws-XMGwjpsepmXR-wxutpzZkrR6DALEmBG-6y4FWfusxoByZvkkr0pa01Etb21pZ3Z46Ihu-3i-3LubBmnf-0dcf8-BWhMyxfmcVR9MecIja5usa5Fn6AwK046V2vFJ-h3LR-kw==&unipLatform=NZKpT&Language=chs.

[10]雷洱乙.基于深度学习的铣削刀具磨损状态分类及剩余寿命预测[D].成都:电子科技大学,2025.

《机电信息》2025年第16期第11篇