基于自循環水的紅棗清洗裝置設計與優化控制

張洪洲，王憲磊，劉媛杰，李 勇，周 丹，侯寶華，肖豪杰，鄭 浩

(塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

紅棗，別名大棗，富含維生素，屬于溫帶鼠李目植物。新疆地區是紅棗的主產區之一，目前南疆地區紅棗種植面積已經超過5.3萬hm2，紅棗種植業迅速發展。紅棗農業已經成為新疆生產建設兵團轄區內農民的主要收入之一，是紅棗企業創收的重要來源及兵團稅收的主要來源[1-3]。紅棗加工的主要形式有制干加工、塑封加工、棗夾葡萄干加工和棗夾核桃加工等。因此，紅棗的清洗是紅棗加工之前必不可少的工序。隨著新疆生產建設兵團內農業產業結構的調整，紅棗農業迅猛發展，矮化密植紅棗被大面積種植，紅棗的產量大幅度增加。另外，南疆地區鄰近沙漠地帶，由于沙塵暴氣候的影響，紅棗表面浮沉等污濁物較多，這些因素給紅棗的清洗帶來了一定的困難。

新疆地區紅棗加工企業多采用滾動毛刷式、噴霧式、超聲波空化技術等對產地紅棗進行清洗。王莉等對將蔬菜淹沒于水中的清洗方法進行了研究；高英武等利用振動原理研發了振動式蔬菜清洗機；丁小明等利用氣泡清洗原理對蔬菜進行了清洗研究與試驗；李云飛等研究了蔬菜清洗中氣流對蔬菜清洗的影響；劉曉娟等對爆氣式蔬菜清洗技術進行了研究；馬少輝、裴玖玲等利用超聲波空化作用原理對紅棗清洗設備進行了研制與試驗研究；王海鷗等設計了超聲清洗槽[4-13]。以上清洗技術多是針對帶葉蔬菜等物料，清洗效果較好；但對于紅棗表面污濁物的清洗，效率不高，清洗效果一般。

針對紅棗表面污濁物清洗效果不佳、紅棗清洗工作量大、效率低下，以及現有的清洗設備自動化水平不高的現狀，本文融合農機技術和自動化技術，研發了一款紅棗清洗裝置，解決了原有紅棗清洗機存在的問題，達到了節水、高清洗率的效果，減少了生產成本[14-30]。紅棗清洗試驗表明：該紅棗清洗機具有較強的實用性，清洗效果符合紅棗初加工的要求，為南疆地區紅棗清洗作業提供了可行性參考。

1 紅棗清洗裝置的設計原理及機構

1.1 設計原理

針對我國新疆南部地區浮塵天氣較多、紅棗的清洗工作量比較大，以及覆蓋在紅棗表面的灰塵、泥土等不易被清洗等問題，設計開發了紅棗清洗裝置。紅棗清洗裝置結構，如圖1所示。該裝置主要由紅棗清洗部分、自循環水部分和滾筒控制部分組成。

工作時，將水槽中注入水槽體積1/2的水，通過鍵盤設定水溫，將紅棗從進/出料口裝入滾筒，確保裝入的紅棗體積不大于滾筒體積的2/3，將進/出料口閉合；裝置啟動，CPU初始化，控制升降機使滾筒懸于水槽正上方，升降機開始下降至滾筒完全侵入水面以下，升降機停止；步進電機轉動，帶動滾筒轉動，水通過滾筒表面的孔洞進入滾筒，清洗滾筒內的紅棗，滾筒轉動5min后，升降機將滾筒升起，將進/出料口打開，取出清洗后的紅棗；在水槽下端有一個細過濾網，將濾掉污濁物，水泵啟動，使水槽內的水循環，利于凈化。

1.支架 2.水溫控制部件 3.粗孔 4.水槽 5.中央控制器 6.升降機 7.電機 8.進/出料口 9.橋臂 10.滾筒 11.水管 12.水泵 13.細質過濾網

1.2 紅棗清洗槽部分

紅棗清洗槽部分包含支架、水槽和水溫控制部件。水溫控制由溫度傳感器18B20實時檢測水槽內水溫，送至中央控制器，中央控制器對水溫信號進行處理，與預設的溫度值進行對比，確定電阻絲加熱的步進量，控制熱電阻加熱，使水槽內水溫達到預設值。

1.3 循環水部分

循環水部分包含噴頭、水管、水泵和細質過濾網。在水槽的左下端位置裝有出水管，在出水管內裝有細質過濾網，在中央控制器部分設定水泵工作時間和工作周期。清洗工作時，當達到設定的水泵工作時間時，中央控制器發出命令，控制水泵進行抽水工作，污水經細質過濾網后，重新進入水槽；當水泵一個工作周期時間到時，中央控制器發出命令，使水泵停止工作；如此反復循環，實現自循環水。

1.4 滾筒控制部分

滾筒部分由帶粗孔和進/出料口的滾筒、電機、橋臂、升降機、傳送帶、轉輪和中央控制器等組成?？刂撇糠质且詥纹瑱C為核心的升降、旋轉、速度調整控制器，主要由單片機、鍵盤、顯示屏、電源變換電路、電機驅動器、位置傳感器、電機以及角速度傳感器等組成。中央控制器系統框圖，如圖2所示。系統軟件采用匯編語言編程，軟件流程圖如圖3所示。

圖2 中央控制器系統框圖

2 試驗結果與分析

2.1 試驗條件及依據

試驗地點為新疆生產建設兵團農一師聚天紅紅棗加工廠。試驗時，以清洗率和破損率為考核指標，進行紅棗清洗試驗，試驗因素為水槽水溫T、滾筒轉速W和紅棗加載量M。3個參數的詳細指標，如表1所示。

表1 主要參數指標

2.2 正交試驗與數據分析

進行組合試驗，每次清洗5min，測定其清洗率和破損率。將試驗結果指標依次填入正交表中，如表2所示。

表2 正交試驗數據表

由表2中可以看出：當水槽水溫為303K、滾筒轉速為100r/min、紅棗加載量為60%時，紅棗清洗效果最佳。

3 結論

通過試驗驗證了所設計的紅棗清洗裝置的有效性，為紅棗的清洗機及其加工提供了參考。

參考文獻：

[1] 胡強,萬素梅.保護性耕作措施對棗園土壤水分及紅棗產量的影響[J].新疆農業科學, 2017(6):750-753.

[2] 崔健，張惠明，坎雜，等.自激振動力補償紅棗振動采收試驗裝置設計[J].農機化研究，2017，39 (10)：18-23．

[3] 李琳琳，王麗紅，坎雜，等.矮化密植紅棗收獲機騎跨式機架的有限元分析[J]．農機化研究，2017，39(1)：25-31．

[4] 丁小明，王莉.氣泡清洗方式清洗葉類蔬菜的試驗研究[J].農機化研究，2007(12)：119-123.

[5] 王莉.淹沒水射流清洗機清洗蔬菜的作用原理與運動分析[J]. 農業工程學報，2007，23(6)：130-135.

[6] 高英武，劉毅君，任述光，等.振動噴淋式蔬菜清洗機的研究[J].農業工程學報，2000，16(6)：92-95.

[7] 王莉，丁小明.淹沒水射流方式清洗蔬菜的探索研究[J].農業工程學報，2007，23(12)：124-130.

[8] 王莉.蔬菜清洗機不同清洗模式的節水比較[J]. 農業工程學報，2008，24(9)：103-107.

[9] 王莉，陳勤超.淹沒水射流方式清洗櫻桃番茄的試驗研究[J].農業工程學報，2007，23(9)：86-90.

[10] 李云飛，張青，錢麗麗，等.蔬菜清洗中氣流強化作用研究(英文)[J].農業工程學報，2001，17(1)：101-104.

[11] 趙長濱，劉曉娟，林君堂，等.爆氣擾水式蔬菜清洗機的研究設計[J].農機化研究，2008(8)：95-97.

[12] 王海鷗，胡志超，王建楠，等.換能器與槽體連接方式對超聲清洗槽聲場分布的影響[J].農業工程學報，2011，27(14)：26-31.

[13] 馬少輝，張學軍.超聲波紅棗清洗機工作參數優化[J].農業工程學報，2012，28(15)：215-220.

[14] 管世鋒，李紅軍，邢偉峰，等．新型異性纖維清理設備[J]．中國棉花加工，2009(1)：10-11．

[15] 王澤武．籽棉異纖清理機的開發[J]．中國棉花加工，2009(3)：6-7．

[16] 坎雜，郭文松，張若宇．網狀滾筒式機采籽棉殘膜分離機的設計[J]．農業工程學報，2011，27(6)：95-99．

[17] 張洪洲.南疆機采棉除雜現狀分析及發展趨勢探究[J].農機化研究, 2015,37(1):242-245.

[18] 張洪洲,張風旗,張亞江,等.機采棉荷電系統優化控制[J].江蘇農業科學, 2014,42(7):409-410.

[19] 張洪洲,張亞江,張風旗,等.基于單片機的機采棉除雜系統優化喂料控制[J].江蘇農業科學, 2014,42(6):387-388.

[20] 張洪洲,白建國,張風旗,等.機采棉除雜機的穩壓電源設計與試驗[J].江蘇農業科學, 2014,42(12):448-449.

[21] 李碧丹,丁天懷,郟東耀.皮棉異性纖維剔除系統設計[J].農業機械學報,2006,37(1):107-110.

[22] 趙海軍,史建新.殘膜回收工藝探討[J].中國農機化,2004(6):68-71.

[23] 汪海濤,朱邦太,李勛.基于機器視覺技術的棉紡異性清除系統[J].河南科技大學學報:自然科學版,2009, 3(1):14-17.

[24] 周功明,周陳琛.基于AT89S51 單片機的數控電源設計[J].綿陽師范學院學報,2012,31(5):18-23.

[25] 朱貴憲.基于單片機的數控穩壓電源設計[J].自動化與儀表,2011(6):50-53.

[26] 祝敏.直流數控可調穩壓電源的設計[J].電子元器件應用,2008,10(4):62-64.

[27] 許艷惠.一種智能化高精度數控直流電源的設計與實現[J].微計算機信息,2007,32(11-2):136-138.

[28] 鄧堅,楊燕翔,齊剛.數控直流穩壓電源設計[J].計算機測量與控制,2007(12):1991-1993.

[29] 赫建國,鄭燕,薛延霞.單片機在電子電路設計中的應用[M].北京:清華大學出版社,2006.

[30] 蔡振江.單片機原理及應用[M].北京：電子工業出版社, 2011.