花生清選機去柄裝置設計與試驗

孫千濤 李澤后 劉道奇 劉龍 錢凱 李秀杰

摘要：為在花生清選作業的同時，進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有花生清選裝置的基礎上，設計了花生清選去柄裝置。通過對去柄振動篩和去柄鋸片設計參數的分析，得出花生去柄裝置中振動篩的主要設計參數和去柄鋸片的最優設計參數，并利用ANSYS有限元分析軟件對去柄鋸片進行模態分析，得到其固有頻率。結果表明，去柄率在98%以上，破損率為1.2%，去柄合格率為99.8%，作業噪音為78.0 dB（A），生產效率能夠達到750.0 kg/h，完全符合花生清選作業要求。花生清選去柄裝置能夠滿足對花生莢果最后一步的清選，滿足農藝要求，同時能夠為新型花生清選裝置提供有力參考。

關鍵詞：花生;果柄;清選機;物理特性;去柄振動篩;去柄鋸片

中圖分類號： S226.5? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）21-0212-05

收稿日期：2021-04-02

基金項目：國家花生產業技術體系建設專項（編號：CARS-14）;河南省科技攻關項目（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，主要從事作物保護研究。E-mail：lixiujie@126.com。

花生是我國主要的油料作物和經濟作物，也是大宗的出口商品，總產量居世界首位，在國民經濟中占有重要地位[1-2]。其中，2020年河南省花生種植面積達100萬hm2，位列全國第一，總產量大于450萬t，種植面積、總產量分別占全國的22%、27%，且種植面積逐年增高[3]。隨著種植面積的逐漸增加，機械化收獲清選裝置工作效率有待進一步提高，而清選系統作為花生收獲的一個重要環節，其清選的工作性能將直接影響到花生收獲后莢果整體質量[4-8]。

現有花生清選裝置一般都是采用振動篩+風機組合形式，實現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量低下，導致花生清選機清選效果不理想[9-10]。同時清選裝置作為聯合收獲機整機的一部分，清選性能的好壞將直接影響到整機的作業性能和大面積推廣使用，因此有必要對清選系統的機制進一步研究[11]。

1 去柄裝置結構和工作原理

1.1 去柄裝置結構

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

1.2 工作原理

作業時，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行收集處理，最終完成去柄清選工作。

2 關鍵部件設計

2.1 花生果柄主要物理特性的測定

2.1.1 儀器設備

試驗所用測量儀器主要有MB27型數顯式水分測定儀、數顯式電子天平（精度為0.01 g）、數顯游標卡尺（精度為0.01 mm）、WDW-IE 微機控制電子萬能試驗機、數碼相機等。

2.1.2 試驗材料及測量結果

以河南省大面積種植的典型主栽花生品種豫花37為試驗對象，經2段收獲后在晾曬場晾曬6～7 d，從晾曬現場隨機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。同時對花生果柄節點力進行拉力試驗[12]。花生莢果（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，果柄節點力要略小于花生果柄自身拉斷力。其中花生莢果直徑要遠大于花生果柄最大直徑，可以依靠適當的齒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點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點處斷裂，能夠保證去柄更徹底。

2.2 去柄振動篩參數的確定

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，為配合去柄鋸片安裝，孔面采用長圓沖孔平面[13-14]，結構如圖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略大于花生莢果最小直徑，最終橢圓形長孔篩設計為18 mm（長）×6 mm（寬）;同時在保證不損傷花生莢果的情況下，長圓孔間距應大于2個花生莢果的最大長度之和，故去柄槽間距設計為f=80 mm。

振動篩寬度（b）與花生清選裝置的寬度相關，根據清選裝置的參數[15-17]，將b設計為800 mm。振動篩長度（L）計算公式如下：

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量，kg;T表示喂料斗單位時間喂入量，kg;qs表示篩網單位面積可承擔的物料喂入量kg/m2;δ表示雜物占比物料總質量百分比，%;k表示脫離裝置工作性能系數，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 去柄鋸片結構參數的確定

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計結構（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，查閱相關文獻資料[20-22]，最終確定鋸片主要設計參數，如表2所示。

由圖3可知，去柄鋸片齒頂寬（E）可近似計算為

E≈D+Dcosα+tanγ。（2）

將表2中數據代入公式（2），可得E≈5+2.58=7.58 mm，結合表1可知，E大于花生果柄最大直徑小于花生莢果最小直徑，滿足設計要求。

2.4 去柄鋸片模態分析

去柄鋸片在機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，則會使鋸片產生共振現象，最終導致結構損壞。因此，分析出鋸片的固有頻率，減少共振的產生有重要意義。

去柄鋸片是由圓形鋸片構造而成，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，導入ANSYS軟件進行分析，分析步驟如下：定義模型材料、施加約束、網格劃分、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構特征使得振型符合中心堆成的變化規律[25]，根據前二階的分析結果，可知二者的頻率幾乎一致，但是振動方向相反;根據第三階的分析結果，可以看出去柄鋸片振型僅呈現較小幅度的擺動，從第四階起振型呈現多次彎曲變形，且頻率越大，振動和彎曲變形越明顯，因此鋸片的轉速不易過高。

2.5 果柄去除運動學分析

為保證花生下滑速度及去柄質量，結合參考文獻[26]，取花生去柄裝置安裝角度為6°，將其固定在機架上。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軸上且轉向相同，靠同一臺變頻電機通過皮帶驅動。當帶柄花生莢果落到去柄振動篩網上時，由于振動篩的振動作用，使物料沿篩網傾斜向下運動，在運動的過程中，帶柄花生莢果的果柄會被鋸片齒槽捕獲，經過鋸片的轉動和振動篩網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。去柄原理結構如圖5所示。

3 試驗與結果分析

3.1 試驗基本條件

去柄裝置性能試驗于2021年3月27日于河南省農業科學院長垣分院進行。選取河南省農業科學院長垣分院大面積種植的豫花37作為試驗材料。

為驗證花生去柄裝置的作業效果，每次取帶柄花生莢果5 kg，連續重復3次試驗，結果取平均值。每次試驗結束后用集果箱將處理后的花生進行收集處理，由人工撿拾統計去柄前花生莢果總數量（N）和去柄后帶柄花生莢果總數量（W），去柄率（Z）計算公式如下：

Z=N-WN×100%。

3.2 結果與分析

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%;去柄率的標準差為0.26%，變異系數為2.4，合格率為99.8%，符合花生清選作業要求。噪音和生產效率試驗結果表明，所設計的花生去柄裝置能夠滿足花生清選作業要求。其中合格率、去柄率未達到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《花生收獲機作業質量》中含雜率不大于3.0%的標準，去柄效果好，可以為后續花生清選裝置的設計提供技術參數支撐。

4 結論

（1）由試驗結果可知，花生清選去柄裝置能夠有效改變花生莢果面相差，滿足花生清選農藝、適用于花生清選作業等要求，通用性強，作業效率高。

（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，進一步提高花生清選質量的同時，提高了花生清選效率。試驗結果表明，去柄率在98%以上，破損率為1.2%，去柄合格率為99.8%，作業噪音為78.0 dB（A），生產效率能夠達到750.0 kg/h，完全符合花生清選作業的要求。

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