花生聯合收獲機清選系統試驗臺的設計

劉春亞，王升升，師清翔，耿令新，楊 芳

(河南科技大學 農業裝備工程學院，河南 洛陽 471003)

0 引言

花生在我國有著悠久的種植歷史，是我國主要的經濟與油料作物之一，內含豐富的脂肪、蛋白質等多種營養物質[1-2]。我國的花生種植分布范圍很廣，種植面積常年在400萬hm2以上，約占世界種植總面積的20%，居世界第2位[3]。但是，花生的收獲問題一直困擾著我國花生產業的發展，而機械化聯合收獲可一次性完成所有的花生收獲作業環節，不僅省時省力，而且收獲速度快、效率高，是未來花生收獲的主要研究方向[4-5]。

清選裝置作為花生聯合收獲機的重要組成部分，直接影響到整機的作業性能及花生的后續儲藏加工[6-7]。花生摘果脫出物主要包括花生莢果、斷稈、輕雜物和土塊等。其中，莢果與斷稈的空氣動力學特性差異較小，給花生清選帶來了很大困難。目前，花生收獲機普遍采用的簡易風選或風篩配合清選方式，均不能有效地清除待清選物料中的斷稈，普遍存在著清潔率低、損失率大及適應性差等問題[8-9]。

因此，在研究花生摘果脫出物清選特性參數的基礎上，本文提出了一種新的花生聯合收獲機清選系統，并對其進行了參數設計與理論分析。同時，設計制造了室內試驗臺，通過室內試驗模擬實際工作狀況，研究其結構運動參數對清選性能的影響規律，優化確定其最優參數組合。

1 花生摘果脫出物清選特性參數

花生摘果脫出物主要包括莢果、斷稈、輕雜物和土塊等，其清選特性表現在形態、物理、空氣動力學等方面。為了給花生聯合收獲機清選系統的設計提供理論參考依據，本文選取河南省種植較多的豫花15作為試驗花生品種，從其摘果脫出物中隨機抽取20份樣本，統計了其與收獲機清選系統設計相關的主要特性參數，如表1所示。

表1 花生摘果脫出物清選特性參數Table 1 Cleaning characteristic parameters of peanut mixture

2 總體結構與工作原理

室內試驗臺主要由物料輸送帶、清選裝置及接料裝置等部分組成，如圖1所示。其中，清選裝置由輕雜物清理裝置構和斷稈分離裝置兩部分構成：前者由喂料斗、滑板、橫流風機等構成；后者由若干對相向轉動的分離輥、導料板、齒輪傳動機構及螺紋調節桿等構成。

清選裝置采用氣吸和對輥分離組合式清選原理。工作時，待清選物料由物料輸送帶定量、穩定地輸送到清選裝置的喂料斗中，然后沿著傾斜的滑板下滑；由于滑板上布滿通氣孔，在物料下滑過程中，輕雜物及部分短莖稈受到經過滑板通氣孔進入橫流風機進氣口的高速氣流作用,被吸入橫流風機，并從橫流風機出氣口排入網袋，從而實現輕雜物及部分短莖稈與花生莢果的分離；剩余的物料則通過滑板下端的落料口下落至斷稈分離裝置上，相向轉動的分離輥將物料中的斷稈夾住并送至斷稈分離裝置的下方，落入接稈箱；位于斷稈分離裝置上方的花生莢果經出果口滑落至接果箱，完成花生的清選。

Ⅰ.輕雜物清理裝置 Ⅱ.斷稈分離裝置 1.物料輸送帶 2.喂料斗 3.滑板 4.殼體 5.分離輥 6.導料板 7.接果箱 8.螺紋調節桿 9.接稈箱 10.試驗臺架 11.網袋 12.橫流風機

3 關鍵部件設計

3.1 滑板主要參數確定

滑板由一大一小兩塊組成，二者的尺寸(長×寬)分別為600mm×580mm、600mm×200mm,其上均布滿通氣孔，借助該通氣孔可為橫流風機進氣口提供氣體。根據試驗的需要，滑板的長度、位置及傾角均可進行調節，以此改變落料口寬度、滑板到風機葉輪的距離和物料沿滑板下滑速度等相關參數。

在確保物料下滑過程中不發生壅堵的條件下，根據花生莢果的摩擦及運動特性，通過試驗確定滑板的傾角為40°。

3.2 橫流風機主要參數確定

在該清選系統中，橫流風機是作為吸氣風機使用的。由于橫流風機擁有著獨特的結構與工作原理，使其擁有許多其他類型風機所不具備的優點，如特性系數高、沿風機軸向寬度均勻配風及雜物自清理能力強等，從而為橫流風機作為吸雜部件使用提供了可能[10-11]。

本文所設計的橫流風機主要由殼體和葉輪組成，葉輪葉片前傾，殼體采用偏心圓近似方案設計，如圖2所示。其主要設計參數有：葉輪外徑D2=260mm，內外徑比D1/D2=0.7，葉片數Z=24，葉片進口安裝角β1=90°，葉片出口安裝角β2=25°，蝸殼間隙e1=15mm，蝸舌間隙e2=10mm。葉片的曲率半徑R、葉片圓心的定位半徑R0及葉片弧長所對應的圓心角φ的計算公式為

φ=φ2-φ1

式中R1—葉輪內半徑；

R2—葉輪外半徑。

將數據代入上述公式中，計算可得：葉片的曲率半徑R=36.58mm，葉片圓心的定位半徑R=98.07mm，葉片弧長所對應的圓心角R=77.83°。

3.3 斷稈分離裝置運動特性與關鍵參數設計

斷稈分離裝置作為清選系統的核心工作部件之一，直接決定著該清選系統的作業清選效果。若要實現斷稈與莢果順利分離，則必須考慮分離輥的間隙和直徑。

3.3.1 斷稈及莢果受力分析

斷稈分離裝置與水平面呈一定角度安裝在機架上，且該角度通過螺紋調節桿在一定范圍內可以調節，以改變物料的下滑速度；每一對分離輥轉向相反，分離輥之間采用外嚙合齒輪傳遞動力。當斷稈及莢果落到分離裝置上時，由于自重G的作用，會沿著分離輥的軸向下滑，同時被導料板引導進入每一對相向轉動的分離輥所形成的凹槽內。為了便于分析，假設斷稈和莢果均為規則的圓柱狀，被分離輥抓取時，分別受到分離輥作用于抓取部位的支反力N、Ng和抓取力T、Tg。其受力分析如圖3所示。

1.殼體 2.葉輪 3.葉片 4.底殼 5.進氣口 6.舌部 7.出氣口

圖3 受力分析Fig.3 Diagram of force analysis

正常工作的分離輥應滿足能夠抓取斷稈但不抓取花生莢果的要求[12]。在忽略重力影響的情況下，要使分離輥能夠抓取斷稈，應滿足在y軸上的合力是沿負方向的，即

Tcosαj-Nsinαj>0

(1)

cosαj-Nsinαj>0

(2)

由于T=Nμj，代入式(1)化簡得到

tanαj<μj

式中μj—分離輥與斷稈的摩擦因數；

αj—分離輥與斷稈的起始抓取角；

dj—斷稈直徑；

D—分離輥直徑；

h—分離輥間隙。

同理，要使莢果不被分離輥擠壓破碎，必須滿足以下的條件，即

tanαg>μg

式中μg—分離輥與莢果的摩擦因數；

αg—分離輥與莢果的起始抓取角。

設分離輥與斷稈和莢果的摩擦角分別為φj、φg，則μj=tanφj,μg=tanφg。分離輥的工作條件是：αj<φj、αg>φg。綜上所述，需要滿足的條件如下：分離輥對斷稈的起始抓取角αj應小于分離輥與斷稈的摩擦角φj，分離輥對花生莢果的起始抓取角αg應大于分離輥與花生莢果的摩擦角φg。

3.3.2 分離輥主要參數確定

分離輥的參數主要包括分離輥的材料、直徑D、長度l、間隙h及轉速v等。這些參數直接決定著斷稈分離裝置的分離效果，在保證分離效果的同時應盡量使分離輥的能耗小，使用壽命長。

分離輥均采用尼龍棒加工制成，兩端鑲嵌鋼制軸頭。依據上述的分離輥正常工作條件，即分離輥對斷稈的起始抓取角αj應小于分離輥與斷稈的摩擦角φj，分離輥對花生莢果的起始抓取角αg應大于分離輥與花生莢果的摩擦角φg，由式(2)可推導出分離輥直徑的取值范圍為

(3)

式中dj—莢果直徑。

分離輥的間隙h的選取是否合理直接影響分離性能。間隙過小會使分離輥無法抓取斷稈或分離效果較差，過大則容易損傷破碎莢果甚至造成莢果損失，所以設計的分離輥間隙調節范圍在2～4mm之間。

由表1可知：花生莢果的寬度和厚度極為相近，可近似將莢果看成圓柱體，其直徑為8.6～17.5mm，斷稈直徑為1.3～5.2mm，莢果與斷稈和分離輥的摩擦因數分別為0.42、0.45。將數據代入式(3)中,可計算出分離輥直徑的取值范圍為34～60mm。出于對分離輥的對數、結構強度及使用壽命的考慮，通過試驗考察，確定分離輥直徑為40mm。

4 斷稈分離試驗

由于本試驗是在輕雜物清理試驗之后進行的，故依據前面試驗結果，選擇橫流風機轉速為920r/min，落料口寬度為50mm，滑板到風機葉輪的距離為100mm，待清選物料的喂入量為1kg/s。

本試驗選定分離輥轉速與分離裝置傾角作為試驗因素，以清潔率為試驗指標進行雙因素試驗。在本試驗中，由于測得花生果與分離輥的摩擦角為25°，考慮到傾角過大時物料下滑速度太快會導致分離時間變短，可能達不到很好的分離效果，所以將分離裝置傾角的取值定為25°、30°、35°、40°這4個水平值，分離輥轉速的因素水平取值為200、300、400、500r/min。試驗方案及結果如表2所示。

對試驗結果進行方差分析，結果如表3所示。從方差分析表中可以看出，分離裝置傾角和分離輥轉速對花生莢果的清潔率都非常顯著的影響。

表2 雙因素試驗方案及結果Table 2 Test methods and results

方差分析Table 3 Variance analysis

以清潔率Q為目標函數，以分離裝置傾角X1和分離輥轉速X2為自變量，建立數學模型。通過MatLab數據處理軟件對試驗結果進行分析處理，得到二次多項式回歸方程為

回歸方程的相關系數R=0.981 8，剩余標準差為0.196 1，表明該回歸方程擬合程度較好。對回歸方程進行方差分析可知，該回歸模型非常顯著。繪制分離裝置傾角、分離輥轉速與清潔率之間的響應曲面，如圖4所示。

從圖4中可以看出：在試驗范圍內，隨著分離裝置傾角與分離輥轉速的增大，清潔率均呈現先增大后減小的趨勢。這是由于傾角較小時，物料下滑速度慢，容易堆積導致斷稈分離效果較差；隨著傾角的增大，清潔率得到了提高, 但是傾角過大時，下滑速度過快，分離輥對物料的作用時間變短致使清潔率略有下降。同時，由于分離輥上加工有螺旋推送槽，對物料具有推送作用，轉速增大時，能增大物料下滑速度以及分離輥對物料的作用頻率,從而清潔率會有提升；轉速過大時，會使物料的速度太快，分離輥對物料的作用時間減短，導致清選效果有所下降。

圖4 分離裝置傾角和分離輥轉速對清潔率的影響Fig.4 Response-surface of cleaning rate with the separating device angle and roller speed

由響應曲面可以看出：當分離裝置傾角與分離輥轉速分別為33°、412r/min時，清選效果最好，清潔率到達99.38%。

5 結論

1) 花生收獲機清選系統試驗臺主要由輕雜物清理裝置與斷稈分離裝置組成，采用氣吸和對輥分離組合式清選原理，初步解決了花生莢果的清選問題，結構簡單。

2) 試驗臺的滑板、橫流風機和斷稈分離裝置等主要工作部件的結構運動參數均可進行調節，能夠滿足不同工作條件的清選試驗要求，最大可能模擬真實田間作業環境。

3) 根據斷稈分離試驗可知：在不改變試驗臺其他工作參數條件下，分離裝置傾角和分離輥轉速在33°、

412r/min清選效果達到最好，清潔率為99.38%，達到了國家對花生聯合收獲機作業的清選質量要求。