振動篩式紅棗多層除雜分級機的設計與試驗

魯 兵，胡 燦,3，王旭峰,3，牛瑞坤，張攀峰

(1.塔里大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區普通高等學校 現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300；3.中國農業大學 工學院，北京 100083)

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振動篩式紅棗多層除雜分級機的設計與試驗

魯 兵1,2，胡 燦1,2,3，王旭峰1,2,3，牛瑞坤1,2，張攀峰1,2

(1.塔里大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區普通高等學校 現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300；3.中國農業大學 工學院，北京 100083)

為解決紅棗收獲后的除雜分級作業問題，設計了一種振動篩式紅棗多層除雜分級機。運用 AutoCAD和SolidWorks對整機及關鍵部件進行設計，利用正交試驗確定該型紅棗除雜分級機的各項結構參數。試驗結果表明：在作業效率為142kg/h、風選除雜裝置的風速為14m/s、振動式除雜分級裝置的傾斜角度為11°、振動篩的振動頻率為20Hz時，除雜分級作業后的紅棗含雜率為1.53%、分級合格率為94.8%、損傷率為3.1%。該機工作效率高，作業質量穩定，可同時完成收獲后紅棗雜質的去除與紅棗尺寸的分級作業。

紅棗；除雜；分級；振動篩

0 引言

世界上90%的紅棗產自中國，而中國最好的紅棗產自南疆[1]。因地域氣候因素(日照時間較長，晝夜溫差大)，南疆紅棗含糖量高、品質與口感好、營養價值高，這些特點奠定了其成為南疆最具代表性的林果之一的地位[2]。然而，隨著紅棗種植規模的不斷擴大與對紅棗機械化作業加工的不斷追求，紅棗機械收獲與加工技術的滯后已經成為制約南疆紅棗產業發展的瓶頸。在南疆地區，紅棗果園普遍采用矮化密植種植模式[3]，紅棗收獲時采取對落地紅棗進行撿拾的收獲方式，收獲后的紅棗混雜有大量的雜物，初加工時需要進行除雜處理；另外，為提高果品的品質，按紅棗尺寸對其進行分級處理。因此，研發紅棗除雜分級機械對于促進紅棗產業發展具有重要意義。在現有的紅棗除雜分級設備中，常采用單獨的設備對紅棗進行除雜與分級作業，工作效率較低[4]。同時，除雜設備對果品的機械損傷較大，對果品的品質產生了較大的影響，據阿克蘇地區紅棗加工廠的數據表明：紅棗除雜與分級對果品的機械損傷達到5%。根據用戶對不同品種紅棗的除雜分級要求，研制出工作效率高、能對不同品種紅棗進行除雜分級作業的機械，以解決人工分級效率低、分級質量不穩定的弊端和常見紅棗除雜分級機械對于外形尺寸相差較大的不同品種紅棗分級作業適用性差、除雜與分級作業分開、效率低的難題。研發出工作效率高、集紅棗除雜與分級作業功能于一體、除雜分級作業質量穩定、對于尺寸相差較大的不同品種紅棗分級適用性強及調整容易的紅棗除雜分級作業機械，以滿足不同用戶對不同品種紅棗的除雜分級要求。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗時間為2015年9月28日-10月20日，地點為塔里木大學土槽實驗室。使用樣機對第一師阿拉爾市十團的駿棗進行試驗，經處理紅棗的平均含水率為32%～40%，紅棗中混雜有土塊、石子及棗樹葉等雜質。

1.2 整機結構

振動篩式紅棗多層除雜分級機主要由料斗、均勻喂料裝置、風選除雜裝置、振動式除雜分級裝置、振動篩傾斜角度調節裝置、導流裝置、集果箱、傳動裝置、電機及機架等組成。針對撿拾收獲的紅棗中存在的雜物主要為土塊、石子和棗樹葉，振動篩式紅棗多層除雜分級機設計了兩道除雜工序。該設備可同時完成對紅棗的除雜與外形尺寸分級工作，具體結構如圖1所示。

工作時，料斗中的紅棗在重力作用下進入均勻喂料裝置，均勻喂料裝置在電機的驅動下勻速運轉，對振動式除雜分級裝置進行均勻喂料；紅棗從均勻喂料裝置運動到紅棗除雜分級裝置的途中經過風選除雜裝置產生的氣流區域，利用氣流作用實現紅棗與棗樹葉的分離；分離后的棗樹葉等輕質雜質從導流裝置一側離開振動篩式紅棗多層除雜分級機，紅棗則繼續沿振動式除雜分級裝置向前運動；振動式除雜分級裝置由特級、一級、二級、三級共4個級別的除雜分級振動篩組成，4個級別的除雜分級振動篩的篩縫間隙依次減小。紅棗在各級除雜分級振動篩的振動作用下繼續向前移動，在移動的過程中外形尺寸大于該級紅棗除雜分級振動篩篩縫間隙的紅棗繼續向前移動進入導流裝置，外形尺寸小于該級紅棗除雜分級振動篩篩縫間隙的紅棗進入下一級紅棗除雜分級振動篩；最終各級紅棗沿導流裝置進入對應的集果箱，由于土塊、石子等雜質與導流裝置的摩擦因數大于紅棗與導流裝置之間的摩擦因數，導致土塊、石子等雜質的下滑速度小于紅棗下滑速度，在不斷振動篩選的過程中土塊、石子從振動式除雜裝置的各級篩網縫隙依次落入下一級篩網，最終土塊、石子等雜質從最低級篩網縫隙與紅棗分離，完成各級紅棗的分級與除雜工序。

1.機架 2.集果箱 3.導流裝置 4.振動篩傾斜角度調節裝置 5.電機 6.振動式除雜分級裝置 7.傳動裝置 8.風選除雜裝置 9.均勻喂料裝置 10.料斗圖1 振動篩式紅棗多層除雜分級機結構示意圖

1.3 關鍵部件的設計

1.3.1 均勻喂料裝置

為保證紅棗分級裝置的載荷恒定和運行平穩，要求分級裝置的喂料裝置能夠實現均勻喂料[5]。對于振動篩式紅棗多層除雜分級機，其對喂料裝置喂料的均勻性有著更為苛刻的要求。喂料過多，振動式除雜分級裝置對紅棗不能進行充分的除雜分級處理，造成紅棗除雜效果不徹底和分級作用后的紅棗出現“串級”現象；喂料較少會降低工作效率。為此，設計了一種基于圓周運動的均勻喂料裝置，該裝置不僅能夠實現對振動式除雜分級裝置的均勻喂料還能有效地防止紅棗在喂料口因擠壓造成喂料口堵塞。均勻喂料裝置主要由喂料器型腔外殼、五葉轉軸、喂料器型腔端蓋及防卡導流板4部分組成，如圖2所示。工作過程中，帶輪帶動五葉轉軸以一定的速度勻速轉動，五葉轉軸與喂料器型腔外殼形成5個容積大小相等的型腔，各型腔中都裝有體積相等的紅棗；當五葉轉軸的某一型腔與喂料器型腔外殼的下端出口相對時，即實現均勻喂料器對振動式除雜分級裝置的均勻持續喂料。

1.喂料器型腔外殼 2.五葉轉軸 3.喂料器型腔端蓋 4.防卡導流板

1.3.2 振動式除雜分級裝置

1)各級篩網間隙的確定。不同品種的紅棗其外形尺寸分級標準相差較大，如表1所示。振動篩式紅棗多層除雜分級機主要利用各級篩網間隙的不同對紅棗進行尺寸分級[6-8]，各級篩網間隙根據對應等級紅棗外形尺寸范圍的下限值進行確定。

表1 不同品種紅棗的尺寸分級標準

2)分離式篩網?，F有的按尺寸對紅棗進行分級的機械主要包括機械式和機器視覺型[9-10]。滾筒式和滾杠式是我國目前機械式紅棗分級機械的兩種主要形式，滾筒式和滾杠式紅棗分級機械的分級機構調整困難，對于不同品種的紅棗分級適用性差。振動篩式紅棗多層除雜分級機的分級篩網裝置采用篩網與篩網框架分離式結構，篩網與篩網框架采用壓板螺栓連接，如圖3所示。采用分離式篩網結構工作效率高、適用性好，更換不同間隙的篩網可適用不同品種紅棗的除雜分級工作。另外，分離式篩網不需人工調整分級間距，采用專業廠家按統一標準生產的分離式篩網，分級作用后的紅棗等級標準統一。

1.緊定螺栓 2.壓板 3.篩網 4.篩網框架

1.3.3 風選除雜裝置

目前，人工撿拾的紅棗主要存在土塊、石子和棗樹葉等雜質。振動式除雜分級裝置主要是對紅棗的分級和紅棗中的土塊、石子等雜質進行處理，而對于紅棗中混雜的棗樹葉除雜處理效果不明顯。為此，在紅棗出均勻喂料裝置之后進入振動式除雜分級裝置之前，增加風選除雜裝置對紅棗中混雜的棗樹葉進行單獨的除雜處理。物料在經過風選除雜裝置產生的氣流區域時，其受力情況如圖4所示。

圖4 物料經過風選氣流區域的受力分析

物料在風選除雜過程中受氣流作用力及在x軸方向的分力為

R=KPFV2

(1)

Rx=Rsinβcosα

(2)

式中 R—物料因風選除雜裝置產生的氣流作用而受到的作用力(N)；

K—阻力系數；

P—空氣密度(kg/m3)；

F—物料的受風面積(m3)；

V—物料與氣流之間的相對速度(m/s)；

Rx—作用力R在x軸方向上的分力(N)；

β—力R與z軸方向的夾角(°)；

α—力R在x-y平面的投影與x軸的夾角(°)。

風選除雜裝置因氣流作用對物料產生的作用力R在z軸上的分力Rz與重力G方向相反，減小了物料在重力方向上的加速度，為紅棗與棗樹葉的分離增加作業時間，進一步保障了除雜作業的可靠性。紅棗與棗樹葉因氣流作用在x軸方向的分力只與其受風面積有關。由實際統計得：棗樹葉的受風面積比紅棗的受風面積大。根據式(1)可得出結論：在相同氣流條件下，棗樹葉因風選除雜裝置氣流作用在x軸方向上的分力比紅棗在該方向上承受的分力大。另外，由棗樹葉的質量小于紅棗的質量和加速度定律可得：在相同氣流條件下，棗樹葉在x軸方向上的加速度遠大于紅棗在該方向上的加速度。利用上述結論可較好地實現紅棗與棗樹葉的有效分離。

1.3.4 篩網傾斜角度調節裝置

紅棗在振動篩網上的作業時間對紅棗的除雜分級效果有直接影響[11]。作業時間較短，容易導致除雜分級作用后紅棗含雜率較高、“串級”現象嚴重；增加作用時間，能降低紅棗含雜率，減少“串級”現象，但降低了工作效率。紅棗在振動篩上以一定的加速度向下滑動，其沿篩網平面下滑方向的加速度與振動篩網的傾斜角度有著密切關系。對紅棗在振動篩網上的受力情況進行分析，其具體的受力分析如圖5所示。

圖5 紅棗在振動篩網上的受力分析

紅棗在振動篩網上加速下滑的加速度為

ax=gsinγ-μgcosγ

(3)

式中 ax—紅棗沿振動篩網下滑方向的加速度(m/s2)；

g—重力加速度，取9.8m/s2；

γ—振動篩網的傾斜角度(°)；

μ—紅棗與振動篩網之間的摩擦因數。

紅棗含水率不同導致紅棗與振動篩網之間的摩擦因數μ發生相應的變化，影響紅棗沿振動篩網下滑方向加速度的大小。由運動學基本原理可知，保證紅棗在振動篩網上的作用時間可通過保證下滑加速度ax來實現。由式(3)可知：摩擦因數μ發生變化可通過改變振動篩網的傾斜角度γ來保證ax恒定，因而設計振動篩網傾斜角度調節裝置來改變振動篩的傾斜角度。

2 結果與分析

2.1 樣機試驗

2.1.1 試驗目的

通過試驗確定影響振動篩式紅棗多層除雜分級機除雜效果和分級合格率的各項參數的最優組合。

2.1.2 試驗的測定依據

1)紅棗的含雜率。紅棗除雜分級作業過程中仍然存在除雜不徹底現象。以紅棗含雜率來確定紅棗除雜干凈程度，其測定為

(4)

式中 Q1—含雜率(%)；

C1—除雜分級作用后紅棗中所含雜質的質量(g)；

S—試驗樣品的總質量(g)。

2)紅棗分級的合格率。在實際作業過程中，對各級除雜分級作業后的紅棗進行抽樣檢查，各級紅棗的隨機抽樣樣本容量為50，對各個紅棗的外形尺寸進行測量，參照相應的紅棗外形尺寸標準對各個紅棗的合格與否進行判定，其分級合格率為

(5)

式中 Q2—紅棗分級的合格率(%)；

C2—各級紅棗尺寸分級合格的紅棗總數(個)。

2.2 試驗方案及結果分析

2.2.1 試驗方案及結果

采用正交試驗對樣機進行多因素試驗，確定風選除雜裝置的風速V、振動式除雜分級裝置的傾斜角度γ、振動篩的振動頻率f為正交試驗的3個因素，選取紅棗含雜率(土塊、石子等雜質對應的含雜率和棗樹葉對應的含雜率)和紅棗分級的合格率為試驗的評價指標，具體的試驗方案如表2、表3所示。

表2 試驗因素水平

表3 正交試驗方案與試驗結果

續表3

2.2.2 試驗結果分析

試驗結果表明：根據各評價指標不同水平平均值確定各因素的優化水平組合，在保證紅棗中土塊、石子等雜質的含雜率時，其優化水平組合是A3B1C2；在保證紅棗中棗樹葉的含雜率時，其優化水平組合是A3B3C2；在保證紅棗的合格率時，其優化水平組合為A3B1C3。由含雜率評價指標和合格率評價指標單獨分析出的優化條件不一致。結合極差分析確定各因素的影響主次，綜合考慮得出最優水平組合為A3B1C2，即裝置的最佳工藝參數為風選除雜裝置的風速14m/s、振動式除雜分級裝置的傾斜角度為11°、振動篩網的振動頻率20Hz。

3 討論

振動篩式紅棗多層除雜分級機采用分離式篩網結構，可通過更換不同間隙的篩網實現對外形尺寸相差較大的不同品種紅棗的除雜分級作業。該機型與現有的同類產品相比，具有以下幾方面的優點：

1)該機型能同時實現紅棗中混雜的雜質與紅棗的有效分離和紅棗尺寸分級作業，作業效率高、作業質量穩定。

2)該機型針對撿拾收獲紅棗中存在雜質的特點，設計風選除雜裝置和篩網除雜分級裝置，使紅棗除雜效果更佳。

3)該機型采用分離式篩網結構，可適用于外形尺寸相差較大的不同品種紅棗的除雜分級作業。另外，分離式篩網結構與通過調整機構改變分級間隙相比，其效率更高，所分級的紅棗外形尺寸標準統一。

4 結論

1)振動篩式紅棗多層除雜分級機可通過篩網傾斜角度調節裝置調節不同的傾斜角度以適應不同含水率紅棗的除雜分級作業，篩網的傾斜角度調節范圍為11°～23°。

2)分離式篩網設計使振動篩式紅棗多層除雜分級機可適用于不同品種干果的除雜分級作業，擴大了機具的使用范圍。

3)均勻喂料裝置解決了紅棗分級機常見的喂料口堵塞和喂料不均勻的難題，同時保證了除雜分級作業質量的穩定性。

4)振動篩式紅棗多層除雜分級機可同時實現對紅棗中雜質的去除與紅棗尺寸的分級作業，在機具作業效率為142kg/h、風選除雜裝置的風速為14m/s、振動式除雜分級裝置的傾斜角度為11°、振動篩的振動頻率為20Hz時，除雜分級作用后的紅棗含雜率為1.53%、紅棗分級合格率為94.8%、紅棗損傷率3.1%，滿足紅棗除雜分級要求。

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Design and Experiment on Vibrating Sieve Type Jujube Multilayer Purification and Grader Machine

Lu Bing1,2, Hu Can1,2，3, Wang Xufeng1,2,3, Niu Ruikun1,2, Zhang Panfeng1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300,China; 2.The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Alar 843300, China; 3.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

In order to solve the problem of purification and grader after jujube harvesting, a vibrating Sieve Type Jujube Multilayer Purification and Grader Machine was designed. Using AutoCAD and SolidWorks to design the overall structure and primary operation components of the machine, ultimately the structure parameters were determined by means of orthogonal experiment. The experiments shown that when the working efficiency is 142kg/h, the wind speed of air classification device is 14m/s, the frame angle of vibrating type purification device is 11o，the vibration frequency of vibrating sieve is 20Hz, the trash content of jujube is 1.53%, the qualification rate of jujube grader is 94.8%, the percentage damage of jujube is 3.1% after operating of the machine. The machine exhibits advantages of high working efficiency and fine operating stability, it can finish jujube purification and grader at the same time.

jujube； purification； grader；vibrating sieve

2015-12-02

國家自然科學基金項目(11562019)；塔里木大學校長基金項目(TDZKQN201510)；塔里木大學研究生科研創新項目(TDGRI201514)

魯 兵(1991-)，男，湖北黃岡人，碩士研究生，(E-mail)1170027843@qq.com。

胡 燦(1983-)，男，湖南益陽人，講師，(E-mail)hucanboy1@qq.com。

S226.5

A

1003-188X(2017)01-0152-06