雙圓臺錐式蓖麻脫殼清選機設計與試驗

侯俊銘 白晶波 何 濤 楊 勇 李金澎 姚恩超

(沈陽農業大學工程學院， 沈陽 110866)

0 引言

蓖麻脫殼是蓖麻產業加工過程中極其重要的一環，隨著蓖麻產量的增加，蓖麻脫殼機械發揮的作用越來越大。國內現有蓖麻脫殼機械脫凈率低、破損率高，難以保證質量要求[1-2]。因此，開發高效的蓖麻脫殼設備將有利于推動蓖麻產業的發展。

目前，較為成熟的脫殼裝置多為機械脫殼形式，包括旋轉篩網式、擠壓式、揉搓式、仿生式、滾筒刮板式、沖擊式、碾壓式等。如洪都拉斯已應用旋轉篩網式脫殼裝置對蓖麻籽進行脫殼處理。LIM等[3-5]設計了一種擠壓式蓖麻籽脫殼機，采用4對輥擠壓的方式對蓖麻蒴果進行脫殼處理,此裝置能使蓖麻充分脫殼，但結構較為復雜，維修困難。ROMULI等[6-7]使用改良式磨盤機，利用響應面法分析其對脫殼率以及能耗的影響，此方法可以對蓖麻籽進行預分組，顯著提高了脫凈率。曹玉華等[8-9]利用蓖麻蒴果現有物理及機械特性，對蓖麻蒴果脫殼關鍵部件進行了優化，將擠壓式對輥的梳刷改進為螺旋槽。曹成茂等[10]采用柔性揉搓板與柔性柵欄相配合的方式，設計了一種柔性揉搓式板栗剝苞機。擠壓和揉搓的方式能大大提高蓖麻脫凈率。但因蓖麻蒴果大小不均，其在脫殼間隙內更加容易損傷。李心平等[11-12]模擬雞喙，根據玉米種子抗壓特性設計了一種玉米種子仿生脫粒機，試驗結果表明，該種脫粒方式能顯著減小對玉米籽粒的損傷。劉明政等[13]設計了柔性帶剪切擠壓式核桃破殼取仁分離裝置。高連興等[14-15]先后采用雙滾筒氣力循環式和三滾式設計對花生進行脫殼處理。張黎驊等[16]設計了滾筒柵條式銀杏果脫殼機，這種打擊揉搓脫殼方式適應性強，且柔性柵條能對物料起到一定的保護作用。姜楠等[17]利用釘齒的沖擊作用對谷穗實現了脫殼處理。鄭甲紅等[18]通過偏心輥打擊作用實現了核桃破殼，該種沖擊脫殼方式對不同種物料適應性較強。李軍[19]采用碾壓輥與振動臺相結合方式設計了碾壓式谷子脫粒機。王升升等[20]設計了一種半喂入式谷子脫粒裝置，由于物料進給不均勻，碾壓式脫粒機在運行過程中易造成阻塞，脫粒效率有待提高。

國內大部分蓖麻種植地區依然采用手工方式脫殼，勞動量巨大。為增加蓖麻利用率，提高蓖麻脫殼效率，本文在滾搓式脫殼原理基礎上，設計一種可調式蓖麻脫殼清選一體裝置。該裝置采用滾搓式脫殼機理與振動吸風清選相結合，脫殼裝置采用立錐分段式設計，以保證脫殼室內蓖麻能充分脫殼。

1 整體結構設計與原理

1.1 整體結構設計

設計的蓖麻脫殼清選一體裝置由傳動系統、脫殼機構、清選機構、機架等組成。整機采用臥式布局，可增大與地面接觸面積，降低整機的振動幅度；蓖麻蒴果在整機構內由上至下、由左至右運動，在運動過程中始終受到重力作用，運動平穩順暢；電機轉速、脫殼滾筒出料口間隙、振動篩傾角、振動篩特征值等可調，對不同品種的蓖麻蒴果適應性高，如圖1所示。

圖1 蓖麻脫殼清選一體裝置結構簡圖Fig.1 Structural diagram of castor shelling and clearing device1.電機 2.脫殼裝置 3.進料口 4.吸風機 5.出料口 6.振動篩

1.2 工作原理

蓖麻蒴果經喂料口進入脫殼室，上脫殼滾筒內層殼體有轉速差，蓖麻蒴果在滾筒間隙內不斷受到擠壓與滾搓雙重作用，對蓖麻蒴果進行預脫殼。達到上脫殼滾筒底部直徑最大處后，落入下脫殼滾筒內外層殼體組成的脫殼機構中進行脫殼處理。脫殼后的蓖麻籽及其外皮碎屑經排料口至接料板，在重力作用下，通過圓形沖孔篩。尺寸小于圓孔的碎屑被篩至碎屑板，其余脫出物繼續沿篩面下滑，達到吸風箱時，較大的碎屑及干癟蓖麻籽由高壓離心風機吸出，排出裝置外；剩余脫殼質量良好的蓖麻籽經由出料口排出裝置外，可進行采集包裝等后續處理。

2 關鍵部件設計

2.1 脫殼裝置整體結構

該脫殼裝置采用雙圓臺結構作為脫殼滾筒的內層殼體，同時在其外部機架裝配有兩個錐形脫殼滾筒，與之配合形成間隙逐漸變小的脫殼工作區間。上脫殼滾筒對蓖麻蒴果進行壓裂，下脫殼滾筒實現蓖麻蒴果脫殼。兩個階段工作部件串聯在同一軸上，采用立式布局，如圖2所示。

圖2 脫殼裝置結構原理圖Fig.2 Shelling device schematic1.帶輪 2.主軸 3.外層滾筒 4.內層滾筒 5.喂料口 6.上脫殼滾筒間隙 7.下脫殼滾筒間隙

2.2 脫殼裝置設計

2.2.1上脫殼滾筒內層殼體錐角

脫殼滾筒錐角的大小，直接關系到蓖麻蒴果能否順利進入到脫殼滾筒內外層間隙，同時也是影響脫殼滾筒直徑、整機大小的重要參數。蓖麻蒴果進入脫殼滾筒時的臨界狀態如圖3所示。

圖3 錐角設計示意圖Fig.3 Taper angle design diagram

蓖麻蒴果處于臨界狀態時，受到重力mg、上脫殼滾筒內層對其的反作用力P1及上脫殼滾筒外層對其的反作用力P2，此時

mgcosα=P1+P2cos(2β-α)

(1)

mgsinα=P2sin(2β-α)

(2)

式中α——上脫殼滾筒錐角，(°)

β——蓖麻蒴果球心與上脫殼滾筒內層外表面夾角，(°)

要實現蓖麻蒴果順利進入上脫殼滾筒內外層間隙，則

mgsinα>P1sinαtanφ+P2sin(2β-α)+
P2cos(2β-α)tanφ

(3)

式中φ——蓖麻蒴果與鐵質材料摩擦角，(°)

化簡得

α>φ

即若實現蓖麻蒴果順利進入上脫殼滾筒內外層間隙，應使得上脫殼滾筒錐角大于蓖麻蒴果與鐵質材料的摩擦角。

2.2.2脫殼滾筒位置與脫殼間隙關系

分析研究脫殼機構中任意位置間隙，有利于求解蓖麻蒴果及蓖麻籽在脫殼機構中的受力及變形。以上脫殼滾筒內層殼體錐角頂點為原點O，以上脫殼滾筒內層殼體最大直徑方向為x軸，建立直角坐標系，如圖4所示。

圖4 上滾筒間隙分析Fig.4 Upper roller gap analysis

由幾何關系可知

(4)

式中h——上脫殼滾筒內層殼體任意點到上脫殼滾筒外層殼體距離，mm

x——蓖麻蒴果在上脫殼滾筒x方向投影長度，mm

R——上脫殼滾筒內層殼體最大直徑，mm

l——上脫殼滾筒出料口最小間隙，mm

γ——上脫殼滾筒外層殼體錐角，(°)

由式(4)可知，脫殼機構間隙隨著蓖麻蒴果在脫殼機構中的位置而不斷變化，脫殼機構間隙逐漸減小，使得蓖麻蒴果在脫殼過程中所受的擠壓與滾搓作用逐漸增大。同時在設計內層殼體時，其表面覆有一層具有緩沖作用的柳葉紋橡膠皮墊，在壓裂蓖麻蒴果的同時對蓖麻籽起到一定的保護作用，避免產生隱性內部損傷。

2.3 清選機構設計

該脫殼裝置清選機構采用振動篩選與氣吸相結合的結構方式，包括振動篩、連桿、振動篩動力發生裝置、吸風箱、風機等，振動篩如圖5所示。振動篩兩側分別通過連桿與機架相連，構成具有雙搖桿的平行四桿機構，相對于地面有一定傾角；振動篩的動力由偏心輪的回轉運動提供，偏心輪帶有凸臺結構，凸臺結構與振動篩之間具有移動副，帶動振動篩做簡諧運動；吸風箱由調整箱嵌入固定箱內，便于調整吸風口與振動篩的相對位置。

圖5 振動篩結構示意圖Fig.5 Schematic of upper and outer shelling drum1.偏心輪結構 2.連桿 3.振動篩

2.4 傳動系統設計

該脫殼清選一體裝置傳動系統設計應滿足傳動平穩、結構簡單、動力分配合理的原則。不僅使機器各個部分獲得適宜的工作速度，還需保證各部件安裝位置協調，滿足蓖麻脫殼要求。樣機傳動示意圖如圖6所示。

圖6 蓖麻脫殼清選一體裝置傳動系統示意圖Fig.6 Schematic of transmission system of ramie shelling and cleaning device1.電機 2.脫殼裝置 3.振動篩

傳動系統由電機將動力傳入Ⅰ軸并通過帶輪進行減速，Ⅰ軸帶動上、下脫殼滾筒內層殼體轉動，與脫殼滾筒外層殼體具有差速，實現脫殼；同時，Ⅰ軸上安裝有清選主動輪，通過帶傳動將動力傳至Ⅱ軸，帶動清選從動輪轉動，清選從動輪為偏心輪結構，與振動篩之間由轉動副連接，帶動振動篩做簡諧運動。

3 蓖麻脫殼過程仿真分析

蓖麻蒴果在脫殼室內運動規律復雜。為了研究蓖麻蒴果在脫殼過程中位移、速度隨時間變化規律，利用ADAMS對蓖麻蒴果在脫殼室內的運動進行仿真分析。

3.1 幾何模型建立

圖7為通蓖5號、通蓖6號、通蓖7號蓖麻蒴果球度分布曲線。仿真試驗以通蓖7號蓖麻蒴果為研究對象，取通蓖7號蓖麻蒴果球度為0.95。

圖7 球度分布曲線Fig.7 Spheroidal distribution curve

通蓖7號蓖麻蒴果三軸尺寸如圖8所示。

圖8 通蓖7號蓖麻蒴果三軸尺寸Fig.8 TongBi No.7 castor three-week size

前期試驗測得500個通蓖7號蓖麻蒴果三軸尺寸結果，x方向最大直徑16.96 mm，y方向最大直徑15.91 mm，z方向最大直徑17.01 mm。根據球度及三軸尺寸測量結果，建立蓖麻蒴果仿真模型如圖9a所示。根據已設計好的參數建立脫殼裝置仿真模型，如圖9b所示。

圖9 動力學仿真模型Fig.9 Simulation model of shelling institutions

為降低計算量，便于對蓖麻蒴果進行動力學模擬，脫殼裝置仿真模型建立過程中需進行相關簡化，僅保留關鍵部件。包括：空心軸，上、下脫殼滾筒內層殼體，柳葉橡膠涂層，上、下脫殼滾筒外層殼體，將模型導入ADAMS中。

3.2 邊界條件及材料參數設置

蓖麻蒴果脫殼分為壓裂階段與脫殼階段，因此對兩種情況分別進行動力學仿真分析。壓裂階段采用蓖麻蒴果模型進行模擬，將其分別與上脫殼滾筒內、外層殼體及柳葉橡膠建立接觸力。脫殼階段采用蓖麻籽模型，將其分別與下脫殼滾筒內、外層殼體及柳葉橡膠建立接觸力。空心軸、脫殼滾筒外層殼體與地設置為固定連接。脫殼滾筒內層殼體與空心軸建立旋轉副并添加動力。柳葉橡膠隨脫殼滾筒內層殼體轉動，兩者采用固定連接。以此對脫殼機構的工作狀況進行模擬。材料參數設置如表1所示。

表1 材料參數Tab.1 Material parameter

3.3 壓裂階段仿真分析

3.3.1壓裂階段運動學分析

傳感器在0.56 s時終止了仿真進程，此時蓖麻蒴果受到47 N的接觸力，達到破裂條件。由圖10可得，蓖麻蒴果首先在上脫殼滾筒內層殼體凸臺的帶動下做螺旋線運動，運動平穩，速度逐漸增加并逐漸向脫殼滾筒間隙運動；在0.42 s時，蓖麻蒴果鉛垂方向的位移曲線斜率增加，表明其進入脫殼滾筒內，由于其與橡膠的摩擦因數大于與鐵質材料的摩擦因數，蓖麻蒴果進入滾筒后速度大幅增加；至蓖麻蒴果壓裂為止，其總位移為103.41 mm，沿鉛垂方向向下運動了44.57 mm，速度達到1 014.07 mm/s。

3.3.2間隙對壓裂階段的影響

保持脫殼滾筒轉速為300 r/min，采用10、11、12、13、14 mm間隙進行仿真模擬，分別在0.54、0.55、0.56、0.57、0.58 s時終止仿真進程，表明蓖麻蒴果達到所需破殼力為47 N；隨著間隙的增加，蓖麻蒴果到達特定壓裂位置的時間延后。由圖11可知，在間隙10、11、12、13、14 mm下，蓖麻蒴果在鉛錘方向的位移分別37.10、40.82、44.57、48.31、51.16 mm，總位移分別為90.90、94.37、97.09、120.26、 99.59 mm；隨著滾筒間隙的增加，蓖麻蒴果到達破殼條件時的位移增加。

圖10 壓裂階段仿真結果Fig.10 Simulation results of cracking phase

圖11 壓裂階段不同間隙仿真結果Fig.11 Simulation results of cracking phase with different clearances

圖12 脫殼階段仿真結果Fig.12 Simulation results of shelling phase

3.4 脫殼階段仿真分析

3.4.1脫殼階段運動學分析

根據圖12，蓖麻籽在重力及下脫殼滾筒內層殼體摩擦力作用下，沿下脫殼滾筒外層殼體向下做螺旋線運動，運動平穩，速度逐漸增加并逐漸向脫殼滾筒間隙運動；其總位移為121.22 mm，沿鉛垂方向運動250.37 mm，速度達到1 358.62 mm/s。

3.4.2間隙對脫殼階段的影響

保持脫殼滾筒轉速為300 r/min，采用5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 mm間隙進行仿真模擬，分別在0.24、0.24、0.25、0.25、0.26 s時終止了仿真進程，表明蓖麻籽達到所需破殼力為40 N；隨著間隙的增加，蓖麻籽到達特定脫殼位置的時間延后。由圖13a、13b可知，在間隙5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 mm下，蓖麻蒴果在鉛垂方向的位移分別為220.59、226.36、250.37、264.41、289.84 mm，總位移分別為96.19、114.64、121.22、124.52、128.96 mm；隨著滾筒間隙的增加，蓖麻籽到達破殼條件時的位移增加。由圖13c可知，在間隙5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 mm下，蓖麻蒴果運動速度分別為1 082.87、1 172.25、1 358.62、1 399.46、1 131.65 mm/s；在下脫殼滾筒間隙小于6.5 mm時，蓖麻籽的運動速度主要受重力影響，隨著間隙的增大，蓖麻籽達到特定脫殼間隙時間延后，導致其速度增大，在下脫殼滾筒間隙大于6.5 mm時，其受到下脫殼滾筒最大轉速限制，速度略有下降。

圖13 脫殼階段不同間隙仿真結果Fig.13 Simulation results of shelling phase with different clearances

4 試驗

通過轉速和出料口間隙的單因素仿真試驗可知，滾筒轉速和脫殼間隙是影響蓖麻蒴果在脫殼室內運動的重要因素。為提高脫殼效率，得到脫殼裝置最佳參數，以滾筒轉速、上滾筒出料口間隙、下滾筒出料口間隙為試驗因素，脫凈率(脫殼后脫凈蓖麻占總蓖麻數的百分比)m和破損率(損傷蓖麻占總蓖麻數百分比)n為試驗指標進行正交試驗。

4.1 試驗材料與設備

試驗在沈陽農業大學工程學院農業物料力學特性實驗室進行，如圖14。試驗材料為通遼市農業科學院晾曬的通篦5號蓖麻蒴果。試驗設備包括：可調式蓖麻脫殼清選一體裝置；冠亞快速水分測定儀(通用SFY-20A型，量程0.5～90 g，稱量精度0.001 g)；雙杰牌電子秤(TC-60K型，最大稱量60 kg)。

圖14 蓖麻脫殼試驗Fig.14 Ramie shelling test

4.2 試驗結果與分析

根據Box-Benhnken試驗設計方案，因素編碼如表2所示。

表2 因素編碼Tab.2 Test factors and code

表3為試驗方案和結果，A、B、C為因素編碼值。

表3 試驗設計方案與結果Tab.3 Test design and results

4.2.1脫凈率方差及響應面分析

表4為脫凈率方差分析結果，由表4可知，模型P<0.001，表明脫凈率與各因素的回歸方程顯著，三因素對脫凈率的影響為極顯著，由均方得其影響程度大小為：C、A、B；滾筒轉速與下脫殼滾筒出料口間隙的交互作用、上脫殼滾筒出料口間隙的平方項對脫凈率影響極顯著，影響程度大小為：AC、B2；滾筒轉速與上脫殼滾筒出料口間隙的交互作用、上脫殼滾筒出料口間隙與下脫殼滾筒出料口間隙的交互作用、滾筒轉速的平方項對脫凈率影響顯著，其影響程度大小為：AB、BC、A2；其余項對其影響不顯著。脫凈率與試驗因素的回歸關系為

m=90.19+0.29A+6.49B-2.48C-6.1×10-3AB-
0.02AC-0.24BC-1.2×10-4A2-0.15B2

(5)

圖15為各因素交互作用對脫凈率的影響結果。

表4 脫凈率方差分析Tab.4 Variance analysis of detachment rate

注：*表示顯著(P<0.05); ** 表示極顯著(P<0.000 1)。

圖15 各因素交互作用對脫凈率影響的響應面Fig.15 Response surfaces of interaction for various factors on detachment rate

由圖15a可知，在下脫殼滾筒出料口間隙不變時，脫凈率隨著滾筒轉速的增加及上脫殼滾筒出料口間隙的減小而提高；由圖15b可知，在上脫殼滾筒出料口間隙不變時，脫凈率隨著滾筒轉速的增加及下脫殼滾筒出料口間隙的減小而提高；由圖15c可知，在滾筒轉速不變時，脫凈率隨著上、下脫殼滾筒出料口間隙的減小而增加。

根據回歸模型對脫凈率進行工作參數優化，當轉速為357.99 r/min、上脫殼滾筒出料口間隙為10.06 mm、下脫殼滾筒出料口間隙為5.05 mm時，脫凈率最高，為96.16%。

4.2.2破損率響應面分析

圖16為各因素交互作用對破損率的影響結果。

由圖16a可知，在下脫殼滾筒出料口間隙不變時，破損率隨著滾筒轉速的增加及上脫殼滾筒出料口間隙的減小而增大；由圖16b可知，在上脫殼滾筒出料口間隙不變時，破損率隨著滾筒轉速的增加及下脫殼滾筒出料口間隙的減小而增大。

圖16 各因素交互作用對破損率影響的響應面Fig.16 Response surfaces of interaction for various factors on damage rate

根據回歸模型對破損率進行工作參數優化，得到當轉速為257.68 r/min、上脫殼滾筒出料口間隙為13.97 mm、下脫殼滾筒出料口間隙為7.01 mm時，破損率最低，為2.78%。

4.2.3雙目標參數優化及試驗驗證

根據以上試驗結果，以脫凈率最大、破損率最小為優化目標，取脫凈率加權因子0.6，破損率加權因子0.4，對脫殼裝置的工作參數進行優化，優化所得參數：滾筒轉速為270 r/min、上脫殼滾筒出料口間隙為13.54 mm、下脫殼滾筒出料口間隙為5 mm時，脫凈率為92.44%，破損率為2.85%。

根據優化結果，將脫殼機工作參數調整為優化試驗得到的最優參數，進行3次獨立的重復試驗，脫凈率均值為92.03%，破損率均值為3.1%，試驗指標均值與優化預測值差異較小，滿足工作要求。

5 結論

(1) 為提高蓖麻脫殼效率，提出了一種基于滾搓式的脫殼方法。并對脫殼裝置、清選裝置、傳動系統以及不對稱雙圓臺結構的錐角進行了設計，確定了各關鍵作業部件結構。經試驗驗證，蓖麻脫殼清選一體裝置符合蓖麻脫殼要求。

(2) 建立不同階段脫殼滾筒內任意位置與脫殼間隙的數學模型，利用動力學分析軟件ADAMS，對蓖麻蒴果在脫殼滾筒內的不同階段進行了動力學仿真，得到了蓖麻蒴果在不同階段位移、速度的變化規律，并分析不同轉速及脫殼出料口間隙對蓖麻蒴果脫殼的影響。

(3) 以脫殼滾筒轉速、上脫殼滾筒出料口間隙、下脫殼滾筒出料口間隙為因素，以脫凈率、破損率為指標，利用響應面法分析各因素對試驗指標的影響，并對脫殼裝置參數進行優化。結果表明：三因素對脫凈率、破損率均為顯著性影響；滾筒轉速與下脫殼滾筒出料口間隙、滾筒轉速與上脫殼滾筒出料口間隙、上脫殼滾筒出料口間隙與下脫殼滾筒出料口間隙的交互作用對脫凈率影響顯著；滾筒轉速與下脫殼滾筒出料口間隙、滾筒轉速與上脫殼滾筒出料口間隙的交互作用對破損率影響顯著。經雙目標優化，取滾筒轉速為270 r/min、上脫殼滾筒出料口間隙為13.54 mm、下脫殼滾筒出料口間隙為5 mm，此時脫殼裝置工作性能最佳，脫凈率為92.03%，破損率為3.1%。