雙輥式花生種子分級機(jī)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

聶慶亮，郝建軍，龍思放，宋亞輝，張賀斌，韓 鵬，馬志凱，趙建國

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院 糧油作物研究所，河北 石家莊 050035；3.河北省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，河北 石家莊 050035）

花生所含營養(yǎng)價值高，是我國廣泛種植的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物之一，在世界范圍花生種植具有舉足輕重的地位［1-3］。花生種子分級是花生播種前的重要環(huán)節(jié)，大小均勻的花生種子是保證出苗時間一致、出苗整齊一致，達(dá)到平衡增產(chǎn)的關(guān)鍵因素［4］。

目前花生分級機(jī)多采用滾筒式、振動式和斜階輥式3種分級機(jī)構(gòu)。滾筒式、振動式分級機(jī)構(gòu)，依據(jù)花生外形設(shè)計多級篩孔，在滾筒篩轉(zhuǎn)動或振動篩板振動作用下使花生通過各級篩孔實現(xiàn)分級［5］，如呂尚武等設(shè)計的花生除雜分級機(jī)［6-7］、馮金友等設(shè)計的水平振動花生果篩選機(jī)［8］、薛然等設(shè)計的花生莢果圓筒篩分試驗樣機(jī)［9］、劉敏基等設(shè)計的柵條滾筒式花生分級機(jī)構(gòu)［10-11］等均屬于滾筒式或振動式分級機(jī)構(gòu)，該2類機(jī)型工作時易造成篩孔堵塞；斜階輥式分級機(jī)構(gòu)，花生在重力作用下沿傾斜的階梯輥滑動，并在對應(yīng)間隙處落入接料箱中［12］，但利用該機(jī)型分級時，因花生運動速度不便控制而易造成花生竄級，影響分級精確率。針對上述花生種子分級機(jī)構(gòu)存在的篩孔堵塞、花生竄級、分級精確率低及花生小區(qū)播種時播種量小、品種多、種子大小不一等問題，本研究設(shè)計了1種雙輥式花生種子分級機(jī)構(gòu)，并對其工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，旨在實現(xiàn)花生種子的精準(zhǔn)分級，以滿足花生小區(qū)播種需求。

1 分級機(jī)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙輥式小區(qū)花生種子分級機(jī)構(gòu)主要由進(jìn)料、分級和傳動三部分組成，如圖1-a所示。其中進(jìn)料部分由料斗支撐架、直線電機(jī)和振動料斗組成；分級部分由光軸定輥、螺旋轉(zhuǎn)輥、分級輥支撐架和接料斗組成。其工作過程如下：花生種子經(jīng)振動料斗送入分級部分，螺旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)動并通過其上的螺旋條帶使花生種子沿軸線推進(jìn)，使花生種子從軸段分級間隙條落入對應(yīng)的接料斗，實現(xiàn)花生種子的分級。

由圖1-b所示，能實現(xiàn)5級花生種子分級，L1、L2、L3、L4和L5分別表示第1級至第5級分級間隙寬度，其值分別為9、10、11、12和16 mm，使粒徑超過12 mm的花生全部落入最后一級接料斗中。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Hierarchical structure

1.2 進(jìn)料部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2所示，直線電機(jī)移動位移X1與振動料斗轉(zhuǎn)動角度β滿足公式（1），選用具有高頻短程往復(fù)運動特點的直線電機(jī)做激振源［13］，直線電機(jī)輸出軸做往復(fù)運動，使振動料斗繞鉸鏈做擺轉(zhuǎn)運動，通過控制直線電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度調(diào)節(jié)振動料斗的擺動頻率，從而實現(xiàn)花生種子的喂入速率發(fā)生改變。

1.3 分級雙輥結(jié)構(gòu)設(shè)計

分級雙輥由光軸定輥和螺旋轉(zhuǎn)輥組成，如圖3所示。兩分級輥安裝時預(yù)留分級間隙，依據(jù)花生種子分級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定每分級輥軸段花生種子分級間隙條寬度，并沿花生種子軸向前進(jìn)方向間隙寬度依次增加。螺旋輥起輸送花生種子的作用，與光輥組成分級間隙條孔，螺旋轉(zhuǎn)輥上設(shè)計螺旋條帶，螺旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)動并通過其上的螺旋條帶使花生種子沿軸線推進(jìn)并從分級間隙條中落入對應(yīng)接料斗中，實現(xiàn)花生種子的分級。為盡可能減少對花生種子的機(jī)械傷害，螺旋條帶設(shè)計為半球狀，如圖3中所示。

圖2 進(jìn)料部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the feeding part

式中，X1—直線電機(jī)輸出軸移動位移，mm；

β—振動料斗轉(zhuǎn)動角度，°；

t—運動時間，s；

n—直線電機(jī)頻率改變系數(shù)。

圖3 分級雙輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of graded double roll structure

參照傾斜階梯對輥式花生莢果分級機(jī)構(gòu)［11］及結(jié)合整機(jī)尺寸，設(shè)計光軸定輥直徑為90 mm，螺旋轉(zhuǎn)輥分級大端軸段直徑D同為90 mm，且各分級軸段直徑依次遞減為88、86、84和76 mm，每段軸段長度為200 mm。為保證花生能夠沿軸向有效推進(jìn)且保證花生分級的精確率，本試驗依據(jù)花生種子長度，螺旋轉(zhuǎn)輥上螺旋條帶螺距至少為18 mm，選取螺距為20 mm，經(jīng)前期仿真試驗分析，所在螺旋轉(zhuǎn)輥上螺旋條帶直徑在小于8 mm、螺旋輥轉(zhuǎn)速取值小于90 r/min時對分級精確率和分級效率幾乎無影響，選取螺旋條帶直徑為6 mm，初選螺旋輥轉(zhuǎn)速取值為120 r/min。

2 分級仿真分析

EDEM是國際通用的基于離散單元法模擬和分析顆粒系統(tǒng)過程處理和生產(chǎn)操作的CAE軟件，目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已取得了廣泛的應(yīng)用［14-15］。分級過程中，每?；ㄉN子都可以看作是1個獨立運動的顆粒，是離散形式的，故在研究花生種子的分級仿真運動中，采用離散元方法更為合適，本研究選用EDEM軟件進(jìn)行仿真，由于機(jī)架、電動推桿、振動料斗、電機(jī)等部件對仿真結(jié)果無影響，因此在離散元仿真分析時，只保留光軸定輥，螺旋轉(zhuǎn)輥和接料斗作為仿真對象，建立離散元仿真模型（如圖4示）。

圖4 仿真模型Fig.4 Simulation model

在探究花生種子分級仿真運動并分析該機(jī)構(gòu)分級花生種子的可行性時采用Hertz-Mindlin模型［16］作為花生與分級雙輥（鋼）之間的接觸模型，仿真參數(shù)如表1所示［17-19］。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameter

用于仿真的花生粒徑（如圖5所示）分別為8.5、9.5、10.5、11.5和12.5 mm，每種花生顆粒各100粒。所得花生分級仿真各顆粒運動軌跡如圖6所示，花生顆粒粒徑從小至大，自左至右分別落入對應(yīng)的接料斗中，實現(xiàn)對不同粒徑的花生顆粒進(jìn)行分級。

圖5 花生種子及其顆粒模型Fig.5 Peanut seed and grain model

圖6 花生分級運動軌跡Fig.6 Peanut grading movement track

3 分級機(jī)構(gòu)性能測試與分析

3.1 試驗因素與方案

由公式（2）可知螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度及其轉(zhuǎn)速對花生種子的分級精確率有重要影響。若螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度過長，會使花生種子分級機(jī)構(gòu)體積過大，延長花生種子分級時間，降低分級效率;若螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度過短，由于花生種子落入分級輥間隙時瞬間獲得一定的水平初速度，在分級的過程中極易產(chǎn)生竄級現(xiàn)象，影響分級精確率。若螺旋轉(zhuǎn)輥的轉(zhuǎn)速過大，會使花生種子獲得較大的水平速度易造成竄級，降低花生的分級精度;若轉(zhuǎn)速過小，延長分級時間，降低分級效率。

其中，V—花生在分級輥上的軸向速度，mm/s;

ω—螺旋分級輥的角速度，rad/s;

B—螺旋轉(zhuǎn)輥螺距，mm。

由于螺旋轉(zhuǎn)輥上設(shè)計的螺旋條帶及螺旋條帶螺距在設(shè)計范圍內(nèi)對花生損傷影響小，本研究忽略螺旋輥對花生損傷的影響，以分級精確率和分級效率2項指標(biāo)，作為本研究設(shè)計的花生種子小區(qū)分級機(jī)構(gòu)工作參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)，分級效率通過分級耗時加以衡量，分級精確率通過花生種子正確落入接料箱中的數(shù)目占總數(shù)目的百分比加以定義。由上文分析可知，螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度和螺旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速的取值會影響分級結(jié)果，而花生種子喂入速率越大，易造成花生種子在分級軸段間隙處堆積，影響分級精確率，速率越小則延長分級時間，降低分級效率。為優(yōu)化分級機(jī)構(gòu)工作參數(shù)，設(shè)計Box-Behnken試驗，試驗因素A為螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度、B為螺旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速、從C為喂入速率，試驗響應(yīng)值為分級精度Y1、分級耗時Y2為試驗結(jié)果，每組試驗改變仿真模型的參數(shù)并導(dǎo)入 EDEM，經(jīng)數(shù)值模擬得出試驗結(jié)果。前期仿真分析所得因素水平表如表2所示，表3為Box-Behnken 試驗方案與結(jié)果。

表2 試驗因素編碼Table 2 Test factors and levels

表3 Box-Behnken 試驗方案與結(jié)果Table 3 Box-Behnken Test scheme and result

每個試驗仿真結(jié)束后記錄分級耗時，EDEM分析界面內(nèi)在各收集料斗中創(chuàng)建Bin group域，如圖7所示，對創(chuàng)建的Bin group域進(jìn)行顆粒統(tǒng)計分析，統(tǒng)計各收料斗中不同顆粒的數(shù)目，依據(jù)公式（3）計算分級精確率。

其中，n—正確落入目標(biāo)收料斗的總數(shù)目，個；

N—試驗總的顆粒數(shù)目，個；

θ—分級精率，%。

圖7 花生運動仿真數(shù)目統(tǒng)計Fig.7 Peanut movement simulation process

3.2 結(jié)果與分析

依據(jù)表3，使用State-East公司的Design-Expert V8.0.6.1軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析。

結(jié)果如表4、5所示，所得分級精確率Y1和分級耗時Y2關(guān)于顯著項的回歸模型為式（4）和式（5）。

表4 分級精確率試驗結(jié)果采用通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計回歸方程方差分析Table 4 The results of grading time-consuming test using universal rotation combination design regression equation analysis of variance

表5 分級耗時試驗結(jié)果采用通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計回歸方程方差分析Table 5 The results of grading time-consuming test using universal rotation combination design regression equation analysis of variance

據(jù)表4可知，模型顯著性檢驗P＜0.001，失擬項的p值為0.062 8，說明回歸模型極顯著，失擬不顯著，回歸有效。由方差分析表可知，對分級精確率的影響，A極顯著、B極顯著、C極顯著、A2極顯著，影響顯著順序為A＞B＞C＞A2。

據(jù)表5可知，模型顯著性檢驗P＜0.001,失擬項的p值為0.066 7，說明回歸模型極顯著，失擬不顯著，回歸有效。由方差分析表可知，對分級精確率的影響，A極顯著、B顯著、C極顯著、AC顯著，且A項與C項對分級耗時有交互作用的影響，影響顯著順序為C＞A＞AC＞B。

為得到分級機(jī)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合，在Design-Expert軟件中以分級精確率高且分級耗時短為目標(biāo)求解雙輥式小區(qū)花生種子分級機(jī)構(gòu)工作參數(shù)為：螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度為171.9 mm，螺旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速為149.52 r/min，喂入速率為5.82粒/s，對應(yīng)分級精確率為93.69%。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計了1種雙輥式花生種子分級機(jī)構(gòu)并對其關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用EDEM軟件，以光軸定輥、螺旋轉(zhuǎn)輥和接料斗作為仿真對象，采用Hertz-Mindlin模型作為花生與鋼之間的接觸模型，分析了分級作業(yè)時花生種子的運動情況，并依據(jù)花生顆粒的運動軌跡分析驗證了雙輥式花生種子分級機(jī)構(gòu)可行性。

（2）螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度、螺旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速及喂入速率影響分級精確率和分級效率，通過3因素Box-Behnken 試驗，利用Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，建立了顯著項的回歸模型。以分級精確率高且分級耗時短為目標(biāo)優(yōu)化的分級工藝參數(shù)為：螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度為171.9 mm，螺旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速為149.52 r/min，喂入速率為5.82粒/s。