花生清選機(jī)去柄裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫千濤 李澤后 劉道奇 劉龍 錢凱 李秀杰

摘要：為在花生清選作業(yè)的同時，進(jìn)一步去除滯留在花生莢果上的果柄，在深入研究花生果柄物理特性和現(xiàn)有花生清選裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了花生清選去柄裝置。通過對去柄振動篩和去柄鋸片設(shè)計(jì)參數(shù)的分析，得出花生去柄裝置中振動篩的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和去柄鋸片的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并利用ANSYS有限元分析軟件對去柄鋸片進(jìn)行模態(tài)分析，得到其固有頻率。結(jié)果表明，去柄率在98%以上，破損率為1.2%，去柄合格率為99.8%，作業(yè)噪音為78.0 dB（A），生產(chǎn)效率能夠達(dá)到750.0 kg/h，完全符合花生清選作業(yè)要求?；ㄉ暹x去柄裝置能夠滿足對花生莢果最后一步的清選，滿足農(nóng)藝要求，同時能夠?yàn)樾滦突ㄉ暹x裝置提供有力參考。

關(guān)鍵詞：花生;果柄;清選機(jī);物理特性;去柄振動篩;去柄鋸片

中圖分類號： S226.5? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）21-0212-05

收稿日期：2021-04-02

基金項(xiàng)目：國家花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（編號：CARS-14）;河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號：212102110225）。

作者簡介：孫千濤（1991—），男，河南封丘人，碩士，助理研究員，主要從事花生機(jī)械研究。E-mail：1640696029@qq.com。

通信作者：李秀杰，博士，副研究員，主要從事作物保護(hù)研究。E-mail：lixiujie@126.com。

花生是我國主要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物，也是大宗的出口商品，總產(chǎn)量居世界首位，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位[1-2]。其中，2020年河南省花生種植面積達(dá)100萬hm2，位列全國第一，總產(chǎn)量大于450萬t，種植面積、總產(chǎn)量分別占全國的22%、27%，且種植面積逐年增高[3]。隨著種植面積的逐漸增加，機(jī)械化收獲清選裝置工作效率有待進(jìn)一步提高，而清選系統(tǒng)作為花生收獲的一個重要環(huán)節(jié)，其清選的工作性能將直接影響到花生收獲后莢果整體質(zhì)量[4-8]。

現(xiàn)有花生清選裝置一般都是采用振動篩+風(fēng)機(jī)組合形式，實(shí)現(xiàn)了對花生摘果脫出物中泥土、癟果、輕雜物的清除，雖在一定程度上提高了花生清選效率，但對滯留在花生莢果上的果柄沒有清除，如此會造成后期花生莢果的整體質(zhì)量低下，導(dǎo)致花生清選機(jī)清選效果不理想[9-10]。同時清選裝置作為聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)的一部分，清選性能的好壞將直接影響到整機(jī)的作業(yè)性能和大面積推廣使用，因此有必要對清選系統(tǒng)的機(jī)制進(jìn)一步研究[11]。

1 去柄裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 去柄裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示，去柄裝置結(jié)構(gòu)包括機(jī)架、物料接收滑板、去柄振動篩、去柄鋸片、2個變頻電機(jī)（功率分別為1.0、1.5 kW）、交接桿、帶輪組、雜質(zhì)收集槽和振動篩固定滑軌等。

1.2 工作原理

作業(yè)時，將帶柄花生莢果均勻鋪灑在物料接收滑板上，在傾斜交接于機(jī)架上的去柄振動篩作用下將物料均勻向出料口輸送，在向前輸送的同時靠近去柄鋸片的帶柄花生莢果果柄被鋸片齒槽捕獲，通過鋸片的旋轉(zhuǎn)和去柄振動篩面的支持作用將花生果柄從花生莢果上扯下來;在利用單排去柄鋸片有效安裝間隙和多排去柄鋸片有效安裝距離來有效減少物料下滑速度的同時，增大齒槽捕獲果柄的效率，提高去柄效率，最后將去除的花生果柄通過果柄收集槽進(jìn)行收集處理，最終完成去柄清選工作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 花生果柄主要物理特性的測定

2.1.1 儀器設(shè)備

試驗(yàn)所用測量儀器主要有MB27型數(shù)顯式水分測定儀、數(shù)顯式電子天平（精度為0.01 g）、數(shù)顯游標(biāo)卡尺（精度為0.01 mm）、WDW-IE 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等。

2.1.2 試驗(yàn)材料及測量結(jié)果

以河南省大面積種植的典型主栽花生品種豫花37為試驗(yàn)對象，經(jīng)2段收獲后在晾曬場晾曬6～7 d，從晾曬現(xiàn)場隨機(jī)挑取花生果柄連接處及花生柄無外力損傷的帶柄花生莢果5 kg，含水率控制在8%～12%，適合花生清選作業(yè)。同時對花生果柄節(jié)點(diǎn)力進(jìn)行拉力試驗(yàn)[12]?；ㄉv果（此處花生莢果直徑是指花生腰部）和果柄物理特性測定結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，在相同含水率下，飽滿花生莢果直徑略有差異、長度相差懸殊，花生果柄直徑差異較大、長度差異比較懸殊，果柄節(jié)點(diǎn)力要略小于花生果柄自身拉斷力。其中花生莢果直徑要遠(yuǎn)大于花生果柄最大直徑，可以依靠適當(dāng)?shù)凝X間距在不損傷花生莢果的前提下將花生果柄去除;同時由于花生果柄節(jié)點(diǎn)力要小于果柄自身拉斷力，在采用鋸片清除果柄時果柄從節(jié)點(diǎn)處斷裂，能夠保證去柄更徹底。

2.2 去柄振動篩參數(shù)的確定

去柄振動篩的主要功能是將物料向出料口輸送物料的同時，配合去柄鋸片將花生果柄予以清除處理。本裝置去柄振動篩采用Q235B鋼板材質(zhì)，為配合去柄鋸片安裝，孔面采用長圓沖孔平面[13-14]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。在考慮不夾塞花生莢果的情況下，橢圓形長孔的寬度應(yīng)略大于花生莢果最小直徑，最終橢圓形長孔篩設(shè)計(jì)為18 mm（長）×6 mm（寬）;同時在保證不損傷花生莢果的情況下，長圓孔間距應(yīng)大于2個花生莢果的最大長度之和，故去柄槽間距設(shè)計(jì)為f=80 mm。

振動篩寬度（b）與花生清選裝置的寬度相關(guān)，根據(jù)清選裝置的參數(shù)[15-17]，將b設(shè)計(jì)為800 mm。振動篩長度（L）計(jì)算公式如下：

L=QSbqs=T（1-δk）bqs。（1）

式中：QS表示振動篩單位時間清選物料的質(zhì)量，kg;T表示喂料斗單位時間喂入量，kg;qs表示篩網(wǎng)單位面積可承擔(dān)的物料喂入量kg/m2;δ表示雜物占比物料總質(zhì)量百分比，%;k表示脫離裝置工作性能系數(shù)，一般為0.6～0.9。

將T=1.6 kg、δ=35%、k=0.7、b=800 mm、qs=0.89 kg/m2，帶入公式（1）中，得L=1 697 mm≈1 700 mm。

2.3 去柄鋸片結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

去柄鋸片材料采用價格低廉，硬度、耐磨性適中的常用材料彈簧鋼（65 Mn）為材料[18-19]，安裝固定孔采用圓形設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)（圖3）。要使去柄鋸片不損傷花生莢果只要滿足齒頂寬（E）大于花生莢果最小直徑，齒根寬（B）大于花生果柄最大直徑，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[20-22]，最終確定鋸片主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如表2所示。

由圖3可知，去柄鋸片齒頂寬（E）可近似計(jì)算為

E≈D+Dcosα+tanγ。（2）

將表2中數(shù)據(jù)代入公式（2），可得E≈5+2.58=7.58 mm，結(jié)合表1可知，E大于花生果柄最大直徑小于花生莢果最小直徑，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 去柄鋸片模態(tài)分析

去柄鋸片在機(jī)器工作中有固有頻率，如果外部振動的頻率和鋸片的固有頻率接近，則會使鋸片產(chǎn)生共振現(xiàn)象，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。因此，分析出鋸片的固有頻率，減少共振的產(chǎn)生有重要意義。

去柄鋸片是由圓形鋸片構(gòu)造而成，理論上圓形鋸片具有無限多個離散的固有頻率，但在實(shí)際工作中只有低頻率振動具有較大的振動能量，因此筆者只研究圓形鋸片的低階固有頻率[23-24]。在SolidWorks中建立去柄鋸片有限元模型，導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行分析，分析步驟如下：定義模型材料、施加約束、網(wǎng)格劃分、分析。

從圖4可以看出，去柄鋸片在前三階的固有頻率變化較小，四、五階固有頻率基本相同，第六階變化較大。同時由于圓形鋸片本身的結(jié)構(gòu)特征使得振型符合中心堆成的變化規(guī)律[25]，根據(jù)前二階的分析結(jié)果，可知二者的頻率幾乎一致，但是振動方向相反;根據(jù)第三階的分析結(jié)果，可以看出去柄鋸片振型僅呈現(xiàn)較小幅度的擺動，從第四階起振型呈現(xiàn)多次彎曲變形，且頻率越大，振動和彎曲變形越明顯，因此鋸片的轉(zhuǎn)速不易過高。

2.5 果柄去除運(yùn)動學(xué)分析

為保證花生下滑速度及去柄質(zhì)量，結(jié)合參考文獻(xiàn)[26]，取花生去柄裝置安裝角度為6°，將其固定在機(jī)架上。去尾裝置中每一套花生去柄鋸片采用圓形安裝孔安裝在旋轉(zhuǎn)軸上且轉(zhuǎn)向相同，靠同一臺變頻電機(jī)通過皮帶驅(qū)動。當(dāng)帶柄花生莢果落到去柄振動篩網(wǎng)上時，由于振動篩的振動作用，使物料沿篩網(wǎng)傾斜向下運(yùn)動，在運(yùn)動的過程中，帶柄花生莢果的果柄會被鋸片齒槽捕獲，經(jīng)過鋸片的轉(zhuǎn)動和振動篩網(wǎng)面的支撐作用將花生果柄從花生莢果上摘下來，從而完成花生莢果去柄工作。去柄原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)基本條件

去柄裝置性能試驗(yàn)于2021年3月27日于河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院長垣分院進(jìn)行。選取河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院長垣分院大面積種植的豫花37作為試驗(yàn)材料。

為驗(yàn)證花生去柄裝置的作業(yè)效果，每次取帶柄花生莢果5 kg，連續(xù)重復(fù)3次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。每次試驗(yàn)結(jié)束后用集果箱將處理后的花生進(jìn)行收集處理，由人工撿拾統(tǒng)計(jì)去柄前花生莢果總數(shù)量（N）和去柄后帶柄花生莢果總數(shù)量（W），去柄率（Z）計(jì)算公式如下：

Z=N-WN×100%。

3.2 結(jié)果與分析

由圖6、表3可知，所測花生品種去柄率在98%以上，破損率為1.2%;去柄率的標(biāo)準(zhǔn)差為0.26%，變異系數(shù)為2.4，合格率為99.8%，符合花生清選作業(yè)要求。噪音和生產(chǎn)效率試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的花生去柄裝置能夠滿足花生清選作業(yè)要求。其中合格率、去柄率未達(dá)到100%，主要是花生莢果自身通過擠壓破碎及花生果柄自身有斷裂所致。不過該清選去柄裝置的含雜率符合NY/T 502—2002《花生收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》中含雜率不大于3.0%的標(biāo)準(zhǔn)，去柄效果好，可以為后續(xù)花生清選裝置的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)支撐。

4 結(jié)論

（1）由試驗(yàn)結(jié)果可知，花生清選去柄裝置能夠有效改變花生莢果面相差，滿足花生清選農(nóng)藝、適用于花生清選作業(yè)等要求，通用性強(qiáng)，作業(yè)效率高。

（2）去柄裝置主要由去柄振動篩和去柄鋸片組成，能有效去除滯留在花生莢果上的果柄，進(jìn)一步提高花生清選質(zhì)量的同時，提高了花生清選效率。試驗(yàn)結(jié)果表明，去柄率在98%以上，破損率為1.2%，去柄合格率為99.8%，作業(yè)噪音為78.0 dB（A），生產(chǎn)效率能夠達(dá)到750.0 kg/h，完全符合花生清選作業(yè)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張艷婷. 花生高產(chǎn)栽培及病蟲害防治技術(shù)探討[J]. 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2021（1）：183-184.

[2]沙 琴，郭 婷，沈 一，等. “一帶一路”背景下農(nóng)業(yè)科研院所經(jīng)濟(jì)作物“走出去”現(xiàn)狀分析與路徑建議——以江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所為例[J]. 農(nóng)業(yè)科技管理，2021，40（1）：70-75，89.

[3]河南省統(tǒng)計(jì)局. 國家統(tǒng)計(jì)局河南調(diào)查總隊(duì)數(shù)據(jù)[EB/OL].[2021-1-1]. https：//www.ha.stats.gov.cn/.

[4]朱志民，占志國，宋亞輝，等. 花生機(jī)械化收獲技術(shù)及其展望[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2020，10（4）：20-22.

[5]賈珍珍. 花生機(jī)械化收獲模式及機(jī)具研究[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2020（6）：23-24，27.

[6]陸 榮，劉志俠，高連興，等. 立錐式小區(qū)花生脫殼機(jī)氣吸清選裝置研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36（21）：23-30.

[7]鄭亞麗. 氣吸式鮮花生清選除雜裝置試驗(yàn)研究[D]. 沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2019：5-19.

[8]于昭洋，胡志超，曹明珠，等. 切流式花生全喂入聯(lián)合收獲機(jī)清選機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35（9）：29-37.

[9]王東偉. 花生聯(lián)合收獲機(jī)關(guān)鍵裝置的研究[D]. 沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013：125-161.

[10]李獻(xiàn)奇. 雙吸風(fēng)口振動式花生摘果機(jī)清選裝置研究[D]. 沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015：24-48.

[11]劉春亞，王升升，師清翔，等. 花生聯(lián)合收獲機(jī)清選系統(tǒng)試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2018，40（12）：91-95.

[12]關(guān) 萌，沈永哲，高連興，等. 花生起挖晾曬后的果柄機(jī)械特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30（2）：87-93.

[13]王 敏，楊然兵，尚書旗，等. 全喂入花生摘果機(jī)關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2021，43（3）：141-145.

[14]關(guān) 萌. 全喂入花生摘果試驗(yàn)裝置與摘果機(jī)關(guān)鍵部件研究[D]. 沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016：54-55.

[15]陳亞哲，姚紅良，劉 剛. 振動參數(shù)對篩分效率影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，40（8）：1122-1126.

[16]盧 琦，徐 兵，劉 蕓，等. 基于ADAMS的往復(fù)式谷物振動篩設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，39（2）：98-104.

[17]王立軍，崔友強(qiáng)，鄭招輝，等. 振動篩不同運(yùn)動形式對顆粒群篩分的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2019，50（6）：119-129.

[18]黃 虎. 冷鋸機(jī)鋸片的鋸齒結(jié)構(gòu)和鋸切工藝參數(shù)研究[D]. 包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2014.

[19]王文豪，雙遠(yuǎn)華，王 琛，等. 鋸片齒形參數(shù)對鋸齒鋸剪性能的影響[J]. 鍛壓技術(shù)，2020，45（7）：132-139.

[20]葉德軍，任培龍. 基于Pro/E的圓形鋸片結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)分析[J]. 機(jī)電信息，2011（15）：133，135.

[21]楊 昆，張明新，聶盼紅，等. 圓盤鋸片齒寬與齒距的視覺測量研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（9）：4-6，10.

[22]張 珂，張立奇，趙德宏. 圓鋸片鋸切加工曲面過程中干涉檢查算法研究[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，35（5）：922-928.

[23]吳佳賓. 基于有限元法的金屬圓鋸片動態(tài)特性研究[D]. 天津：河北工業(yè)大學(xué)，2005：36-44.

[24]蔣連瓊. 基于ANSYS/LS-DYNA的圓鋸片鋸切過程仿真研究[D]. 南寧：廣西大學(xué)，2013：56-62.

[25]李 陽. 金剛石圓鋸片的力學(xué)性能研究及工藝優(yōu)化[D]. 濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2017：41-42.

[26]鮑起靜. 干花生清選特性與篩選裝置運(yùn)動參數(shù)分析及仿真研究[D]. 沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018：22-23.