篩揉組合式平貝母高效分離裝置設(shè)計與試驗(yàn)*

宋江，田帥，張強(qiáng)，王磊，衣淑娟，孫鏡博

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院,黑龍江大慶,163319)

0 引言

平貝母為百合科兩年生草本植物[1]。其藥用價值主要為地下鱗莖,形狀呈扁圓盤狀,鱗莖在3～30 mm之間,挖掘深度為70～100 mm[2]。平貝母是我國較為名貴的傳統(tǒng)大宗藥材,更是我國出口創(chuàng)匯的重要商品,在國內(nèi)外中藥材市場上頗受青睞。平貝母人工種植主要分布于大、小興安嶺和東北長白山地區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計,2020年東北地區(qū)平貝母種植面積達(dá)到14 khm2,每年為藥農(nóng)創(chuàng)造數(shù)十億元的經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。收獲是平貝母勞動強(qiáng)度最大的生產(chǎn)環(huán)節(jié),而平貝母—土壤分離是平貝母機(jī)械化收獲的核心部分,當(dāng)前,國內(nèi)平貝母的分離裝置存在篩凈低(篩上物含土率高)的問題,故少見推廣應(yīng)用。

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于平貝母分離的研究較少,王金輝等[5]利用振動原理和曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計了一種實(shí)現(xiàn)平貝母分級的篩分機(jī),并確定了篩面傾角、曲柄轉(zhuǎn)速。宋江等[6]設(shè)計了振動式平貝母篩分機(jī),通過對其理論分析和傳動機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,確定其結(jié)構(gòu)參數(shù),該機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢,分離效果顯著,破損率低。宋江等[2]利用解析作圖法對振動篩串聯(lián)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,確定平貝母和土壤團(tuán)聚物順利通過篩面的轉(zhuǎn)速范圍。宋江等[7]改進(jìn)振動篩結(jié)構(gòu),利用正交試驗(yàn)設(shè)計分析振動篩曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角和篩面長度對平貝母篩分效率的影響,試驗(yàn)表明:與改進(jìn)前相比,破損率和損失率均明顯降低。馬川等[8]以平貝母收獲機(jī)擺動式分離篩的挖掘深度、篩網(wǎng)傾角、運(yùn)行速度為自變量,采用響應(yīng)曲面法,研究各自變量及其交互作用對收獲損失率和破碎率的影響。王密[9]對滾筒物料的運(yùn)動軌跡進(jìn)行了理論分析,正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)分析喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速和滾筒長度對篩分效率和破碎率的影響,建立回歸方程,優(yōu)化主要參數(shù)。

除平貝母之外,相似的地下小塊莖收獲主要有元胡、半夏。鄭德聰?shù)萚10]根據(jù)半夏塊莖的尺寸及其在土壤中的分布規(guī)律,采用滾筒分離裝置分離半夏,并進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化。尤德紅[11]設(shè)計了單層強(qiáng)制抖動分離篩及“Z”形篩組成的元胡收獲機(jī),并進(jìn)行參數(shù)設(shè)計,試驗(yàn)表明:該機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)元胡的一次性挖掘、分離和清選分裝作業(yè)。呂美巧[12]模擬滾筒分離篩在三種不同轉(zhuǎn)速、傾斜角度的影響下A、B兩個觀測點(diǎn)加速度的變化曲線,分析了轉(zhuǎn)速、傾斜角對半夏收獲效果的影響。劉麗敏等[13]設(shè)計開發(fā)了一種小型元胡收獲機(jī),對鏈?zhǔn)綎艞l網(wǎng)篩分離結(jié)構(gòu)及抖動輪和果粒初步收攏裝置等關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計,試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)能滿足元胡收獲的作業(yè)要求,效果良好。綜上,前人關(guān)于小粒徑分離的研究主要集中在篩分裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和篩分裝置工作參數(shù)對篩分效率、機(jī)械破碎的試驗(yàn)研究上,有效地提高了地下小塊莖篩分效率(篩下物料質(zhì)量與入篩小于篩孔尺寸的物料質(zhì)量比),但平貝母分離后,篩上仍然存在一定數(shù)量的土壤團(tuán)聚體,篩凈率依然較低,成為制約平貝母機(jī)械化收獲的關(guān)鍵問題之一。

為此,本文以平貝母、土壤團(tuán)聚物物理、力學(xué)特性試驗(yàn)為切入點(diǎn),揭示平貝母、土壤團(tuán)聚物破碎規(guī)律,制定篩揉分離方案,設(shè)計和試驗(yàn)優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù),以期達(dá)到高效分離。這對于提高小塊莖類收獲機(jī)的技術(shù)水平,豐富小塊莖類和土壤團(tuán)聚物分離的相關(guān)理論,推動我國小塊莖類收獲機(jī)械行業(yè)技術(shù)進(jìn)步等方面具有重要的理論意義和參考價值。

1 平貝母、土壤三軸尺寸分析與擠壓力學(xué)試驗(yàn)

1.1 平貝母、土壤三軸尺寸的統(tǒng)計分析

平貝母按其性狀可分為以“扁平形”平貝母、“紡錘形”平貝母,因其大小有明顯差異(“扁平形”平貝母>>“紡錘形”平貝母),通常采用篩分方式去除“扁平形”平貝母中混有的“紡錘形”平貝母,但篩分后篩上物中含土率較高,需要通過試驗(yàn)確定造成這一現(xiàn)象的原因。

試驗(yàn)時隨機(jī)取樣“扁平形”平貝母與土壤混合物若干,使用篩孔直徑不同的標(biāo)準(zhǔn)篩對其進(jìn)行篩分處理,對篩分后篩上的平貝母和土壤團(tuán)聚體隨機(jī)取樣各50粒,并使用游標(biāo)卡尺測量的X軸長度尺寸(L)、Z軸寬度尺寸(B)、Y軸厚度尺寸(H)。

圖1 平貝母軸測圖Fig. 1 Axonometric diagram of FUM

通過對50組篩上物平貝母和土壤團(tuán)聚體三軸尺寸的方差分析,如表1～表3所示,在顯著性水平為0.05的條件下,兩者總體不顯著。如圖2～圖4所示,平貝母與土壤團(tuán)聚體的三軸尺寸變化范圍接近。

表1 平貝母與土壤團(tuán)聚體Y軸尺寸總體方差分析Tab. 1 Overall variance analysis of Y-axis size of FUM and soil aggregates

表2 平貝母與土壤團(tuán)聚體Z軸尺寸總體方差分析Tab. 2 Overall variance analysis of Z-axis size of FUM and soil aggregates

表3 平貝母與土壤團(tuán)聚體X軸尺寸總體方差分析Tab. 3 Overall variance analysis of X-axis size of FUM and soil aggregates

圖2 篩上平貝母與土壤團(tuán)聚體Y軸尺寸箱線圖Fig. 2 Box diagram of Y-axis size of FUM on sieve and soil aggregate

圖3 篩上平貝母與土壤團(tuán)聚體Z軸尺寸箱線圖Fig. 3 Box diagram of Z-axis size of FUM on sieve and soil aggregate

圖4 篩上平貝母與土壤團(tuán)聚體X軸尺寸箱線圖Fig. 4 Box diagram of X-axis size of FUM on sieve and soil aggregate

由平貝母與土壤團(tuán)聚體的三軸尺寸統(tǒng)計分析可知:造成篩上平貝母篩凈率低的原因是存在篩上相似大小的土壤團(tuán)聚體與平貝母混合物,故難以分離。

1.2 平貝母與土壤團(tuán)聚體的擠壓力學(xué)試驗(yàn)

如圖5所示為平貝母與土壤團(tuán)聚體擠壓應(yīng)力曲線。

圖5 擠壓應(yīng)力隨位移變化曲線Fig. 5 Curve of extrusion stress with displacement

以“扁平形”平貝母、“紡錘形”平貝母、篩上土壤團(tuán)聚物、篩下土壤團(tuán)聚物 4種物料,在平貝母含水率66.1%,土壤含水率28.1%時,正放(X軸方向),側(cè)放(Z軸方向),立放(Y軸方向)3種放置方式作為因素水平,各自進(jìn)行50次獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn)。測得3種放置方式的臨界破損壓力平均值如表4所示。

表4 平貝母與土壤團(tuán)聚體臨界破損壓力值Tab. 4 Critical damage pressure values of FUM and soil aggregates

平貝母與土壤團(tuán)聚體的臨界破損壓力值存在明顯差異。在X、Y、Z的擠壓方向上物料的臨界破損壓力值的關(guān)系為:“扁平形”平貝母>“紡錘形”平貝母>土壤團(tuán)聚體,其中“扁平形”平貝母與篩上土壤團(tuán)聚體的臨界擠壓壓力值差異最大。觀測“扁平形”平貝母和土壤團(tuán)聚體的形態(tài)結(jié)構(gòu),平貝母三軸擠壓力破碎情況如圖6所示,土壤團(tuán)聚體經(jīng)三軸擠壓力破碎情況如圖7所示。

圖6 平貝母三軸方向擠壓后破裂情況Fig. 6 Fracture of FUM after triaxial extrusion

圖7 土壤團(tuán)聚體三軸方向擠壓后破裂情況Fig. 7 Fracture of soil aggregates after triaxial compression

平貝母和土壤團(tuán)聚體的破裂情況表明:平貝母破裂規(guī)律為,兩側(cè)瓣鱗片先與中心鱗片鏈接處先發(fā)生斷裂,而后瓣鱗片發(fā)生破裂。由此可知平貝母破裂最薄弱部位在鱗葉與中心鱗片的連接處;當(dāng)前含水率下大部分土壤團(tuán)聚體在擠壓力的作用下發(fā)生破碎。

基于土壤平貝母、土壤三軸尺寸的統(tǒng)計分析與擠壓力學(xué)試驗(yàn)結(jié)論,提出采用破碎和分離結(jié)合的方法來提高平貝母和土壤團(tuán)聚體的分離效率,該方法把土壤團(tuán)聚體的破碎過程分為擠壓和揉搓兩個環(huán)節(jié)如圖8所示。

圖8 土壤團(tuán)聚體破碎過程示意圖Fig. 8 Diagram of the process of soil aggregates crushing

2 篩揉組合式平貝母高效分離裝置的設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

篩揉組合式平貝母高效分離裝置主要是由輸送篩和揉搓裝置兩部分構(gòu)成,如圖9所示。

圖9 揉搓板和輸送篩工作原理圖Fig. 9 Working principle diagram of kneading plate and conveying screen1.揉搓板 2.傳動軸 3.鏈輪 4.擋板 5.鏈條 6.電機(jī) 7.分撥器 8.篩網(wǎng)

揉搓裝置是由分撥器與揉搓板組成并通過螺栓固定于輸送篩擋板上,工作時通過鏈條將電機(jī)動力傳遞到傳動軸,傳動軸旋轉(zhuǎn)帶動篩網(wǎng)運(yùn)動,篩網(wǎng)將貝土混合物運(yùn)輸至揉搓裝置,由分撥器將物料分散分流,隨后在揉搓板的揉搓作用下將貝土混合物中的土壤團(tuán)聚體捻碎并通過篩孔落入篩下,平貝母則通過輸送篩運(yùn)至收料口處收集,裝袋。

2.2 篩揉組合式平貝母高效分離裝置關(guān)鍵部件的參數(shù)設(shè)計

2.2.1 輸送篩線速度的設(shè)計

實(shí)際生產(chǎn)中貝土的喂入量為0.24～1.03 kg/s即為輸送篩單位時間的喂入量Q。根據(jù)輸送篩工作量的計算公式

(1)

式中:Q——輸送篩單位時間內(nèi)的輸送量,kg/s;

v——輸送篩的線速度,m/s;

h——擋板的高度,h=0.12 m;

B——輸送篩寬度,B=0.8 m;

θ——輸送篩傾角,θ=3°～7°;

α——平貝母混合物休止角,α=32°;

L——兩個擋板的間距,L=0.8 m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)計算得輸送篩線速度的取值范圍為0.188～0.668 m/s。

2.2.2 輸送篩篩孔的設(shè)計

試驗(yàn)隨機(jī)收獲的“扁球形”平貝母與“紡錘形”平貝母取樣各50粒,進(jìn)行三軸尺寸統(tǒng)計并繪制頻率分布圖,如圖10所示。圖10上交點(diǎn)對應(yīng)尺寸為15.98 mm,為了便于實(shí)際生產(chǎn)則初選用篩網(wǎng)篩孔大小為15 mm、16 mm及17 mm,將三個篩孔的值對應(yīng)的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分試驗(yàn),測得的結(jié)果如表5所示。

圖10 “扁球形”平貝母與“紡錘形”平貝母三軸尺寸概率分布圖Fig. 10 Three-axis probability distribution of flat bulb and Fusiform bulb size

從表5可知,在理想條件下,在輸送篩篩孔為16 mm×16 mm的正方形篩孔能夠獲得較高的“扁平形”平貝母含量的同時盡量減低“紡錘形”平貝母含量。理論上可以篩留97.9%的“扁球形”平貝母,篩分出91.87%的“紡錘形”平貝母,分離效率最高。

表5 不同篩孔下篩上平貝母的含量Tab. 5 Content of FUM on the screen under different mesh

2.2.3 揉搓板主要參數(shù)的設(shè)計

揉搓板如圖11所示,長、寬、高分別為800 mm、100 mm、40 mm。

圖11 揉搓板三維簡圖Fig. 11 Three-dimensional sketch of kneading board1.調(diào)節(jié)面 2.作用面 3.梳齒

通過土壤的三軸最大尺寸均值確定梳齒寬度為25 mm,梳齒長度為80 mm,由擠壓力學(xué)試驗(yàn)可知,搓揉裝置的揉搓力為20～40 N,根據(jù)式(2)計算確定揉搓單體厚度H的取值范圍為2～4 mm,既該厚度下能夠保證良好的碎土效果同時保證較低的破損率。

橡膠受切向力時,在壓力P的方向上的變形[14]

(2)

式中:K——剛度,K=[AL·j·m]/H;

m——形狀系數(shù),m=1/[1+0.29(H/L)2];

AL——承載面面積,AL=l×b;

j——橡膠的剪切模量,1.36×105kg/m2;

H——梳齒厚度,m;

b——梳齒寬度,b=0.025 m;

l——梳齒長度,l=0.08 m;

E——橡膠的彈性模量,E=4.1×104kg/m2。

3 篩揉組合式平貝母高效分離裝置試驗(yàn)與分析

3.1 裝置搭建

在對平貝母高效分離裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行理論分析后,根據(jù)其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計對整機(jī)的零件進(jìn)行加工并組裝了樣機(jī),樣機(jī)參數(shù)為:輸送篩篩孔為16 mm×16 mm的正方形篩孔,揉搓板整體尺寸800 mm×100 mm×40 mm,梳齒寬度為25 mm,梳齒長度為80 mm,揉搓板材料選用厚度3 mm彈性橡膠,動力來源于直流變頻電機(jī)(電壓12 V,功率500 W),電機(jī)供電來源于拖拉機(jī)啟動電瓶,如圖12所示。

圖12 平貝母高效分離裝置樣機(jī)Fig. 12 Prototype of efficient separation device for FUM

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

3.2.1 篩凈率

篩凈率是評價平貝母高效分離裝置的篩分效率的重要指標(biāo),表示篩分后平貝母質(zhì)量占篩上顆粒的總質(zhì)量的百分率,因此篩凈率的表達(dá)式如式(3)所示。

(3)

式中:Y1——篩凈率,%;

Mg——輸送篩篩上平貝母顆粒的質(zhì)量,kg;

Mp——輸送篩篩上顆粒的總質(zhì)量,kg。

3.2.2 破碎率

破碎率是以平貝母不完整、破裂為標(biāo)準(zhǔn),凡是有破瓣或者碎裂的均定義為破碎,計算如式(4)所示。

(4)

式中:Y2——破碎率,%;

Mh——篩分后破碎的平貝母質(zhì)量,kg;

Ms——篩分后收集的平貝母質(zhì)量,kg。

3.3 正交試驗(yàn)

為了驗(yàn)證平貝母高效分離裝置設(shè)計的合理性,以及不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)下的工作性能,以喂入量、輸送篩線速度、揉搓力為影響因素,以篩凈率和破碎率為目標(biāo)函數(shù),采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)其因素水平編碼如表6所示。

表6 因素水平編碼表Tab. 6 Factor level coding table

進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。X1、X2、X3為因素編碼值。

1) 篩凈率回歸模型的建立與檢驗(yàn)。篩凈率Y1與喂入量X1、輸送篩線速度X2及揉搓力X3的影響結(jié)果如表8所示。模型P值=0.018 2<0.05且失擬項(xiàng)P值=0.018 2>0.05,該模型合理。模型中X1、X12、X22對Y1的影響極顯著,X3、X1X2對Y1影響顯著,篩凈率的回歸方程為

表8 篩凈率方差分析Tab. 8 Variance analysis of screening rate

Y1=77.25-1.45X1+0.035X3-1.45X1X2-1.36X12-0.98X22

(5)

2) 破碎率回歸模型的建立與檢驗(yàn)。破碎率Y2與喂入量X1、輸送篩線速度X2及施加的力X3的影響結(jié)果如表9所示。

表9 破碎率方差分析Tab. 9 Analysis of variance of damage rate

由表9可知,模型P值=0.000 2<0.05且失擬項(xiàng)P值=0.391 9>0.05,該模型合理。模型中X1、X22對Y2的影響極顯著,X3、X1X3、X1X2、X12對Y2影響顯著,X32對Y2有影響。破碎率的回歸方程為

Y2=13.62-0.71X1+0.32X3-0.41X1X2-0.54X1X3+0.29X12+0.70X22+0.28X32

(6)

根據(jù)Design-Expert.V8.0.6數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊,其數(shù)學(xué)模型如式(7)所示。

(7)

利用Design-Expert.V8.0.6軟件進(jìn)行各參數(shù)優(yōu)化,得到各因素與目標(biāo)值的最優(yōu)解:當(dāng)喂入量0.68 kg/s、輸送篩線速度0.38 m/s,揉搓力36 N,篩凈率為80.4%,破碎率為12.5%。

3.4 田間試驗(yàn)驗(yàn)證

2021年7月2日在黑龍江省伊春市豐林縣平貝母育種基地進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證,土壤含水率26%,拖拉機(jī)型號為時風(fēng)554,樣機(jī)作業(yè)速度為1 km/h。以每塊畦田設(shè)定為一個試驗(yàn)單位(畦田長50 m,寬1.2 m),其中前5 m設(shè)置為入土非穩(wěn)定區(qū),后5 m設(shè)置成出土非穩(wěn)定區(qū),中間40 m為試驗(yàn)測定區(qū)域。試驗(yàn)裝置的工作參數(shù)為:喂入量0.68 kg/s,輸送篩線速度0.4 m/s,滾筒轉(zhuǎn)速30 r/min。測得平貝母高效分離裝置5次作業(yè)后的數(shù)據(jù)如表10所示,篩凈率為79.18%,破碎率為13.34%,與理論分析結(jié)果相符合,滿足平貝母收獲的要求,驗(yàn)證了該參數(shù)優(yōu)化的正確性。

表10 田間試驗(yàn)測量結(jié)果Tab. 10 Field test measurement results

由表10可知,該平貝母高效分離裝置的篩凈率及破碎率均滿足農(nóng)藝要求,平貝母高效分離裝置可提高兩段式平貝母收獲機(jī)的篩凈率,減少人工收獲成本,增加經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1) 驗(yàn)證了在顯著性水平為0.05的條件下,篩上平貝母的三軸尺寸與土壤團(tuán)聚體的三軸尺寸總體不顯著;在X、Y、Z的三個方向上受壓力差異交大,物料的臨界破損壓力值的大小關(guān)系為:“扁球形”平貝母>“紡錘形”平貝母>土壤團(tuán)聚體,其中“扁球形”平貝母最小臨界破損壓力(67 N)與篩上土壤團(tuán)聚體的最小臨界破損壓力(28 N)差異顯著。

2) 確定輸送篩線速度的取值范圍為0.188～0.668 m/s;篩孔大小為16 mm×16 mm;揉搓裝置施加的整體尺寸長、寬、高分別為800 mm、100 mm、40 mm,材料為2～4 mm厚度的天然橡膠。

3) 正交試驗(yàn)得到各因素與目標(biāo)值的最優(yōu)解:當(dāng)喂入量0.68 kg/s、輸送篩線速度0.38 m/s、揉搓力36 N時,此時篩凈率為80.4%,破碎率為12.64%;通過田間試驗(yàn)證明該分離裝置篩凈率為79.18%,破碎率在13.34%,與正交試驗(yàn)結(jié)果相近,滿足農(nóng)藝要求。

4) 該裝置主要為解決平貝母與土壤團(tuán)聚體形狀相似時,平貝母與土壤團(tuán)聚物分離困難的問題,但對平貝母中混有石子這樣的雜質(zhì)時,分離效果有限,下一步應(yīng)對去除平貝中石子進(jìn)行深入研究。平貝母破碎率是平貝母收獲的重要性指標(biāo),目前平貝母篩分過程中破碎率仍然較高,未來應(yīng)在降低破碎率方面,深入研究。