花生莢果氣力輸送設備參數優化與試驗

魏　海，謝煥雄，胡志超，顏建春，劉敏基，徐弘博（農業部南京農業機械化研究所，南京 210014）

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花生莢果氣力輸送設備參數優化與試驗

魏海，謝煥雄※，胡志超，顏建春，劉敏基，徐弘博
（農業部南京農業機械化研究所，南京 210014）

摘要：針對現有氣力輸送設備對花生莢果輸送損耗大、裂莢、破碎率高等問題，改進關鍵部件結構，在分離筒內壁安裝硅膠緩沖板，改進鎖氣器。通過對比，改進后鎖氣器能更好適應莢果輸送。根據花生莢果在輸送過程中受力破損機理，選取分離筒內壁硅膠緩沖板厚度、風機轉速、花生莢果含水率三因素，以白沙花生為原料進行氣力輸送正交優化試驗，考察上述三因素對莢果生產效率、裂莢率、破碎率的影響。結果表明，硅膠緩沖板厚度對目標因素影響最大，風機轉速次之，花生莢果含水率影響最小。當硅膠緩沖板厚度為5 mm，風機轉速2 700 r/min，花生莢果含水率10%時輸送效果最佳，裂莢、破碎率降低明顯。該研究可為花生氣力輸送設備的結構優化提供參考。

關鍵詞：機械化；優化；農作物；氣力輸送；花生莢果；低損；試驗分析

魏海，謝煥雄，胡志超，顏建春，劉敏基，徐弘博. 花生莢果氣力輸送設備參數優化與試驗[J]. 農業工程學報，2016，32（2）：6－12.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.002http://www.tcsae.org

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0　引　言

花生作為極具國際競爭力的優質油料作物和經濟作物，其價值早已引起國家的高度重視，并作為重要出口創匯、農業結構調整重點發展和扶持的農產品[1-3]。在花生收獲及加工過程中，輸送設備的優劣是影響花生質量和自動化程度的主要因素之一[4-7]。

目前，花生主要采用帶式、斗式及螺旋等方式輸送，但由于輸送環境條件及配套作業機具結構復雜多樣，上述輸送方式不能有效滿足作業場合需求，而國外上世紀80年代從冶金、化工領域發展起來的氣力輸送技術[8]，因其結構簡單、配置靈活、易操作，已廣泛應用于稻谷、小麥、玉米等主要顆粒散料輸送[9-13]。但由于花生自身物料屬性的原因，氣力輸送設備作業原理對花生莢果損傷較大，不僅對后期生產造成影響，更會在儲運過程中增加霉變風險，極易產生黃曲霉毒素[14-16]，因此氣力輸送未能在花生輸送領域得到有效應用。在國內外農產品輸送領域未見花生莢果氣力輸送的相關報道。

本文通過改進分離筒內壁材料配置、鎖氣器結構并通過正交試驗，分析影響花生莢果損傷的重要參數，確定使花生莢果裂莢率、破碎率和生產效率加權最優的結構參數和作業參數，以期為花生莢果氣力輸送設備設計提供參考。

1　氣力輸送裝置及花生莢果損傷原因

1.1氣力輸送設備構造及工作原理

氣力輸送設備由機架、高壓風機、變頻調節器、風量調節閥、分離筒（旋風式分離器）、重力門（翻板式鎖氣器）、連接管路、輸送管路、卸料器及控制箱等關鍵部件組成，主要結構及性能參數見表1，氣力輸送設備結構圖如圖1所示。

表1　氣力輸送設備結構及性能參數表Table 1　Structure and performance parameter for pneumatic conveying

工作原理：打開控制開關，電機帶動風機，通過變頻調速器調節電機轉速（調節范圍0～3 100 r/min）及輸送管內風速。負壓氣流經過吸嘴、輸入管路將物料吸入，通過分離筒由過濾篩網筒將空氣與物料分離，物料在分離筒壁旋轉下降落入重力門，當達到設定質量時重力門打開，物料下落至風機出風口處，由正壓氣流通過輸出管路壓送到卸料器，卸料器將物料與空氣二次分離后卸出。

圖1　氣力輸送設備結構圖Fig.1　Structure schematic of pneumatic conveying

1.2莢果損傷的因素及機理

從力學角度來看，輸送設備采用旋風式分離器，花生莢果進入分離筒后會受到比較明顯的撞擊與擠壓作用；莢果在管道內被輸送時，受到物料與管壁的撞擊與摩擦作用；還有物料與物料之間產生的撞擊與摩擦作用。這些作用構成了花生莢果之間的壓力和剪切力，當這些壓應力和剪切應力超過花生莢果的許可應力時，莢果就會產生破損。

1.3影響花生莢果損傷因素

在氣力輸送過程中，由于花生莢果外殼易破損的幾何形態和生物力學特性，在攜帶氣流作用下，莢果與機具內壁、莢果之間劇烈碰撞，鎖氣器作業時對莢果的剪切作用，極易產生裂莢和破碎，故影響莢果損傷的主要因素有莢果形狀、輸送氣流速度（風量）、莢果與分離筒內壁產生的撞擊力、莢果含水率及受壓強度、鎖氣器結構原理。

1.3.1莢果形狀

莢果幾何形狀對裂莢、破碎率的影響比較明顯，衡量物料形狀的參數主要是球形度φw為顆粒物料等體積球體表面積/顆粒物料表面積。φw值越大，物料顆粒表面的曲線越復雜，在輸送過程中更容易破碎。

通過試驗對比白沙和4粒紅2種花生品種，白沙莢果長度集中在30～35 mm，寬度為10～14 mm，厚度為11.3～14.0 mm，果殼厚度范圍為0.5～1.3 mm，平均為0.94 mm；4粒紅莢果長度集中在33.3～50.0 mm，寬度為12～14 mm，厚度為12～14 mm，果殼厚度范圍為0.8～1.7 mm，平均為1.28 mm。為得出設備最優工作參數，選用顆粒表面曲線復雜、果殼較薄的白沙品種作為試驗物料。

1.3.2輸送氣流速度

用于輸送物料的氣流速度是影響花生莢果裂莢和破碎率的最重要的參數。氣流速度越高，被輸送物料的運動速度就越高。根據已有的研究資料記載，物料速度和破碎率成冪次關系[2，4]，其關系式的具體參數主要是由顆粒的物理性質、輸送管道的管徑、管道路徑、輸送方式等參數決定。從能量角度分析，顆粒物料的速度越快，啟動能就越大，在顆粒物料與分離筒發生碰撞時，顆粒物料的動能很容易達到破碎所需能量，從而發生破碎。

1.3.3莢果與分離筒內壁產生的撞擊力

在輸送過程中，由于負壓作用，輸送管路風速高，莢果通過進料管進入分離筒時運動速度極快，與分離筒壁撞擊接觸時間短，產生撞擊大，直接導致莢果裂莢、破碎。

為降低莢果與筒壁之間撞擊，在分離筒內壁粘貼硅膠緩沖板，既降低莢果進入筒內時產生的撞擊力，也減少物料下落過程中與筒壁之間產生的摩擦。在轉速2 700 r/min、莢果含水率40%的條件下進行試驗。與未粘貼硅膠緩沖板相比，粘貼5 mm厚硅膠緩沖板，花生莢果裂莢率由15.33%降低至8.41%，降低了45%；破碎率由10.37%降低至4.83%，降低了53.5%，表明在分離筒內壁粘貼硅膠緩沖板可有效降低花生莢果破損，提高輸送機作業性能。

1.3.4莢果含水率及耐壓強度

含水率是決定輸送過程中莢果受壓能力的重要參數，壓力越低，輸送過程莢果越容易破損。采用深圳三思縱橫WDW-200型微機控制電子萬能試驗機，對烘干前含水率約40%，晾曬過程中含水率約25%和烘干后含水率約10%的花生莢果進行受壓試驗分析，得出水分含量越高，受壓能力越強，當莢果受壓力達到峰值時，莢果破碎。圖2為不同含水率花生莢果受壓能力測試結果圖（采用試驗機對不同含水率花生進行受壓能力試驗，沒有其他因素固定值）。

圖2　不同含水率對花生莢果受壓能力的影響Fig.2　 Influence of different moisture content on peanut pods compressive resistance

1.3.5鎖氣器結構及工作原理

鎖氣器是氣力輸送設備的關鍵組成部件，主要是為了在輸送過程中防止氣流回流、定量供料和卸料。鎖氣器的選擇也直接影響氣力輸送花生莢果的整體效果。

現有農作物氣力輸送設備主要采用閉風器（旋轉式鎖氣器），多用于稻谷、小麥、玉米等外形規則、表殼堅硬的顆粒物料。閉風器內主要采用葉輪旋轉進行物料輸送，為防止葉輪與機殼產生磨損，兩者之間留有間隙，葉輪旋轉過程中會對物料產生擠壓，旋轉到與機殼相切位置時，還會對物料產生較大的剪切作用。這種作業原理極易導致花生莢果裂莢和破碎，不適用于花生莢果氣力輸送。

根據力平衡原理，采用翻板式重力回轉機構，研發設計重力門鎖氣器，作業時對物料無擠壓作用，還有效降低對物料產生的剪切作用，結構如圖3所示。輸送前調節平衡調節錘，輸送過程中物料通過輸入管路進入分離筒，當分離筒內莢果質量達到設定質量后，重力門自動打開，物料通過重力門下落至輸出管路，再由風機將物料吹出。重力門主要采用重力板開閉進行物料輸送，為防止重力門半開閉狀態及莢果摩擦自鎖造成物料擁堵，在設計中將重力門倉室和出料口尺寸優化，既降低風壓壓差，避免重力門出現半開閉狀態；又防止花生莢果之間摩擦造成物料擁堵。輸送過程中，當莢果質量達到設定值時，重力門才會打開，既減少重力板開閉對莢果產生的剪切力，又能避免機械能對莢果產生擠壓作用。當輸送物料量不穩定時，重力門可調節輸送量，避免輸出過程中氣料混配比減小，加速度增大，在卸料器內產生撞擊，造成花生莢果二次破損。重力門結構及性能參數見表2。

圖3　重力門結構圖Fig.3　Structure schematic of gravity door

表2　重力門結構及性能參數表Table 2　Structure and performance parameter for gravity door

2　試驗方法

2.1試驗因素

根據上述分析，風機轉速影響輸送氣流速度，決定物料在輸送機內部動能大小；硅膠緩沖板厚度影響物料與筒壁之間撞擊緩沖程度；莢果含水率影響花生抗壓能力。因此控制該三因素，從損傷機理方面可有效降低莢果裂莢率和破碎率。選擇花生品種白沙作為試驗材料。選擇分離筒內壁粘貼硅膠緩沖板厚度、風機轉速和莢果含水率作為試驗因素，探討這些因素對花生莢果破損的影響規律，并在降低裂莢率和破碎率的基礎上減少對輸送設備生產效率的影響。

2.2試驗方法

通過對比試驗考察不同鎖氣器對不同含水率花生莢果裂莢、破碎率的影響。采用正交試驗分析硅膠緩沖板厚度、風機轉速和莢果含水率對裂莢、破碎及生產效率加權最優的試驗參數組合。參考目前生產上采用的參數值，試驗因素變化范圍為：粘貼硅膠緩沖板厚度3～7 mm；風機轉速3 100～2 700 r/min；含水率10%～40%。

2.3試驗測試內容

試驗前對花生進行清選，去除裂莢和破碎莢果后稱質量，每批次試驗用量100 kg；采用烘箱法測試花生莢果含水率；使用西門子6SE6420變頻調速器和優利德UT371轉速計調節測試風機轉速。在試驗過程中需要測定的參數有風機轉速、氣流速度和花生莢果輸送生產率等。花生莢果氣力輸送參數表如表3所示。

試驗測試過程：接通電源，將變頻調速器調節至最小，緩慢調節頻率，使電機轉速逐漸加大，到達設定轉速后讓風機工作平穩；測定進、出料口風速；通過吸嘴將花生莢果吸入輸送設備，同時用計時器計時，測定輸送時間，完成試驗后計算生產率（設備生產率2.5～3 t/h）。

表3　花生莢果氣力輸送參數表Table 3　Parameter for peanut pods pneumatic conveying

由表3可知，輸送氣速由風機轉速控制，轉速越高，氣速越快。在設定的4個轉速下，只有轉速≥2 700 r/min時，實際生產率符合設備生產率2.5～3 t/h要求，滿足正常生產需要。

2.4性能評價指標

為評價輸送效果，以生產效率、裂莢率、破碎率作為評價指標，各指標參數具體定義如下。

1）生產效率

2）莢果裂莢率

3）莢果破碎率

2.5氣力輸送設備關鍵參數正交優化試驗

根據上文選定的試驗因素，確定如表4所示的因素和水平表，每組試驗隨機取5個試樣，重復3次取平均值，選用L9（34）正交表進行試驗。

表4　花生莢果氣力輸送試驗因素水平表Table 4　Experimental scheme of peanut pods pneumatic conveying

3　試驗結果及分析

3.1不同鎖氣器輸送試驗結果對比分析

不同鎖氣器對不同含水率花生莢果輸送試驗結果評價指標值如表5所示。

表5　不同鎖氣器對不同含水率花生莢果裂莢率和破碎率的影響Table 5　Comparison of different air locks effect on dehiscence and broken rate of peanut pods with different moisture contents

由表5可知，與閉風器式鎖氣器相比，采用重力門式鎖氣器花生莢果裂莢率降低了4.86%～9.25%，破碎率降低了2.57%～7.42%，表明采用重力門進行花生莢果氣力輸送試驗具有較好的適應性。

3.2花生莢果氣力輸送正交優化試驗結果與分析

由于該試驗屬于多指標正交試驗，為便于數據分析，選用綜合加權評分法將多個性能指標的試驗結果轉化為一個單指標的試驗結果，然后利用單指標試驗結果的分析方法進行分析。

3.2.1確定各項試驗指標的權值

根據各項指標的重要性，設定莢果輸送生產效率、裂莢率、破碎率的權重W1、W2、W3分別為0.1、0.4、0.5。

3.2.2統一各項指標值的變化趨勢

為保證綜合加權平均值越大越好，應將變化趨勢越小越好的指標值轉化為越大越好，為此在其值前加以負號，如式（1）所示。對于花生莢果裂莢率和破碎率其值越小越好。

式中y2 j為花生莢果裂莢率指標第j號試驗的評分值；y3 j為花生莢果破碎率指標第j號試驗的評分值。

3.2.3統一各指標數量級和量綱

為了消除各指標數量級和量綱對其加權評分值的影響，使各指標的加權評分值具有可比性，需統一各指標的數量級和量綱。由式（2）可得到各指標的數量級、無量綱的評分值。

3.3試驗結果分析

各項指標的綜合加權評分結果如表6所示。將綜合加權評分結果作為各次試驗的結果進行方差分析，方差分析結果如表7所示：3個因素對氣力輸送花生莢果生產效率、裂莢率和破碎率影響程度順序依次是A＞B＞C，即是否在分離筒內壁粘貼硅膠緩沖板對花生莢果輸送效果的影響最大，風機轉速次之，花生莢果含水率影響最小；由表6極差分析可知氣力輸送花生莢果效果最佳的組合方案是A2B3C3，即硅膠緩沖板為5 mm，風機轉速2 700 r/min，花生莢果含水率10%時輸送效果最佳。

3.4驗證試驗與分析

根據正交試驗結果，硅膠緩沖板為5 mm，風機轉速2 700 r/min，花生莢果含水率10%時進行驗證試驗，每組試驗隨機取5個試樣，重復3次取平均值，試驗測得生產效率為89.42%、裂莢率為0.738%、破碎率為0.185%，通過綜合加權評分得值為91.135%，試驗結果明顯優于正交試驗結果90.115%，因此A2B3C3為最優組合。

表6　花生莢果氣力輸送正交試驗結果Table 6　Results of orthogonal experiment of peanut pod pneumatic conveying

表7　花生莢果氣力輸送方差分析結果Table 7　Results of analysis of variance of peanut pods pneumatic conveying

4　結　論

1）與閉風器式鎖氣器相比，采用重力門式鎖氣器花生莢果裂莢率降低了4.86%～9.25%，破碎率降低了2.57%～7.42%，表明重力門式鎖氣器能有效適應花生莢果氣力輸送。

2）對影響輸送效果的關鍵結構參數和運動參數進行正交優化試驗，輸送結果表明：3個因素對花生莢果低損氣力輸送效果影響程度由大到小的順序為硅膠緩沖板厚度、風機轉速、莢果含水率；在硅膠緩沖板厚度為5 mm，風機轉速為2 700 r/min，花生莢果含水率10%時，花生莢果氣力輸送損失最小。

3）與采用閉風器式鎖氣器、風機轉速2 700 r/min、不粘貼硅膠緩沖板時，含水率10%的花生莢果輸送效果相比，采用最優組合A2B3C3方案時，裂莢率從15.326%降低至0.738%，破碎率從10.375%降低至0.185%。

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Parameter optimization and test of pneumatic conveying equipment for peanut pods

Wei Hai, Xie Huanxiong※, Hu Zhichao, Yan Jianchun, Liu Minji, Xu Hongbo
（Nɑnjing Reseɑrch Institute of Agriculturɑl Mechɑnizɑtion， Ministry of ɑgriculture， Nɑnjing 210014， Chinɑ）

Abstract:As the internationally competitive oil crop and cash crop， peanuts have attracted great attention in China， and become an important export commodity and the key to the agricultural structure adjustment. Transportation equipment has directly affected the peanut quality after harvest and the degree of automation. Nowadays， people are increasingly concerned about food safety， and the quality risk of peanut pods during the process of conveying， such as dehiscence and break， has drawn more attention. Due to various factors， the peanut pods are easy to break in the process of conveying， which not only affects the later production， but also increases the risk of aflatoxin in the process of transportation and storage. Pneumatic conveying has great advantages for granular materials because of its simple structure， flexible operation and stable production efficiency and so on， which is widely used in the areas of agricultural product processing. Aiming at the problems of power loss， peanut pod’s dehiscence and break， crushing rate and unstable production efficiency， the structure and parameters of the existing pneumatic conveying equipment were improved and optimized. Besides， the experiments were conducted in main production areas of peanut. Through analyzing， the pod’s damage elements， including pod physical characteristics， fan speed，pod moisture content and air lock structure， were determined respectively. In the process of conveying， the impact of various forces on peanut pods would cause damage easily. To avoid these damages， the silicone buffer plate was installed on the wall of separate cylinder， which reduced the force between the material and the separate cylinder effectively. In order to adjust airflow velocity， the frequency conversion governor was installed on the conveyor equipment to control the fan speed， which could reduce the impact force to achieve the best conveying effect without the decrease of production efficiency and the break of peanut pods， when materials entered the equipment. By using WDW-200 type computer-controlled electronic universal testing machine， the compression capabilities of different peanut varieties were contrasted， and we selected white sand peanuts as the test materials， whose shells are coarse and thin. Then， we measured the moisture content of this kind of peanut in different drying periods. Afterwards， the rotate plank type air lock was designed to replace the original rotation type air lock，which would remain to be closed until the weight of peanut pods reached the set value. This kind of air lock could not only reduce the shear force to the pods when the gravity plate was opening and closing， but also avoid the squeezing action to the peanuts. At the same time， when the conveyed material quantity was unstable， the gravity door of the air lock could adjust the conveying quantity， which avoided the reduction of gas material mix proportion and the increase of peanut pod’s acceleration，and thus avoided the second break by relieving the strike of peanut pods in the unloader. According to the contrast test， the rotate plank type air lock caused a minor injury compared with the rotation type air lock. On this basis， pneumatic conveying orthogonal optimization test was conducted with the improved equipment. The influences of silicone buffer plate thickness， fan speed and peanut pod moisture content on productivity， dehiscence rate and broken rate were considered respectively. According to the comprehensively weighted evaluation and variance analysis， the results showed that the silicone buffer plate thickness had the most obvious influence， followed by the fan speed and peanut pod moisture content. When the thickness of silicone buffer plate was 5 mm， the fan speed was 2 700 r/min and the moisture content of peanut was 10%， the dehiscence and broken rate of peanut pods reached the minimum， which achieved the best conveying effect. This study can provide reliable evidence for structure optimization of pneumatic conveying equipment of peanuts.

Keywords:mechanization; optimization; crops; pneumatic conveying; peanut pods; reduce breakage; test analysis

通信作者：※謝煥雄，男，廣西浦北人，研究員，主要從事農產品加工技術與裝備研究。南京農業部南京農業機械化研究所，210014。

作者簡介：魏海，男，甘肅蘭州人，助理研究員，主要從事農產品加工技術與裝備研究。南京農業部南京農業機械化研究所，210014。

基金項目：國家花生產業技術體系專項基金（CARS-13-產后加工機械）；中國農業科學院科技創新工程（農產品分級與貯藏裝備創新團隊）；公益性行業（農業）科研專項（201203037）

收稿日期：2015-07-22

修訂日期：2015-12-09

中圖分類號：S229＋.2

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-02-0006-07

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.002