花生除雜(清選)分級(jí)機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

呂尚武，尚書(shū)旗，王東偉，何曉寧，趙澤龍，張亞棟

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

0 引言

花生莢果出口或進(jìn)入超市，都需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢驗(yàn)才能通過(guò)，如果花生里含有雜質(zhì)為不合格。花生在收獲后含有很多雜質(zhì)，無(wú)機(jī)雜質(zhì)包括土塊、石子、沙土等，有機(jī)雜質(zhì)包括莖稈、花生葉、子房柄、草屑等。這些雜質(zhì)如果不清除不僅會(huì)影響剝殼工作，而且影響花生后續(xù)加工與花生品質(zhì)。花生在銷(xiāo)售過(guò)程中，花生的品質(zhì)往往與花生莢果的大小有關(guān)，花生莢果越大價(jià)格越高。市場(chǎng)對(duì)花生莢果的品質(zhì)與細(xì)分的需求，在花生產(chǎn)后處理過(guò)程中需要把混在一起的花生莢果進(jìn)行除雜(清選)和大小分級(jí)[1]。

雖然我國(guó)是花生的生產(chǎn)大國(guó)和出口大國(guó)，但花生產(chǎn)后加工處理的體系不夠完善，很多花生收獲后只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的初加工或者人工挑選，由于花生收獲后農(nóng)民處于“三忙”時(shí)期，在農(nóng)村勞動(dòng)力嚴(yán)重短缺的狀況下，人工挑選花生需要花費(fèi)更加昂貴的人工成本與大量的時(shí)間，因此花生收獲后的除雜(清選)分級(jí)機(jī)械的需求日益迫切[2-3}。

1 基本機(jī)構(gòu)

花生除雜(清選)分級(jí)機(jī)主要由入料裝置、除雜篩、大土塊出口、除子房柄裝置外殼、圓盤(pán)鋸、分級(jí)裝置外殼、圓筒篩、莢果歸集裝置、離心風(fēng)機(jī)、除柄柵板、導(dǎo)向螺旋和大莢果出口以及機(jī)架等構(gòu)成，如圖1所示。各裝置之間相對(duì)獨(dú)立化和系列化，總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了，可靠性強(qiáng)、減震能力強(qiáng)、噪聲低、運(yùn)行平穩(wěn)、運(yùn)輸和維修方便簡(jiǎn)單。

1.入料裝置 2.除雜篩 3.大土塊出口 4.除子房柄裝置外殼 5.圓盤(pán)鋸 6.分級(jí)裝置外殼 7.圓筒篩 8.莢果歸集裝置 9.大莢果出口 10. 導(dǎo)向螺旋 11. 除柄柵板 12.離心風(fēng)機(jī)圖1 花生除雜(清選)分級(jí)機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of peanut sorting machine

2 工作過(guò)程及原理

夾帶著雜質(zhì)的花生莢果進(jìn)入除雜裝置，由偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)引起除雜篩的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，細(xì)小的沙土?xí)暮Y孔中漏出。由于巴西果效應(yīng)大的土塊會(huì)向上運(yùn)動(dòng)從除雜篩的另一端大土塊出口處排出，且在離心風(fēng)機(jī)的作用下花生莢果中的輕雜質(zhì)(葉子、根莖、草屑和灰塵等)被吸出排出機(jī)體外；隨后，除去雜質(zhì)的花生莢果進(jìn)入除子房柄裝置，在除柄柵板和高速旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)鋸共同作用下將花生的子房柄除掉；除掉子房柄的花生莢果在除柄柵板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)下進(jìn)入花生莢果分級(jí)裝置。由于花生莢果在圓筒篩的轉(zhuǎn)動(dòng)和導(dǎo)向螺旋的共同作用下向前運(yùn)動(dòng)[4]，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中花生莢果厚度小于篩孔寬度時(shí)漏下，進(jìn)入花生莢果歸集裝置；大的花生莢果從大莢果地方出口排出，將花生莢果分級(jí)為小莢果、中等莢果和大莢果，從而實(shí)現(xiàn)一次性完成花生莢果的除雜、除子房柄和分級(jí)多道工序。其花生莢果除雜(清選)分級(jí)工作流程圖如圖2所示。

圖2 花生莢果除雜(清選)分級(jí)工作流程Fig.2 Classification work process of peanut pod remval (cleaning)

3 主要技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 入料裝置傾斜角參數(shù)設(shè)計(jì)

入料裝置外壁傾角的大小會(huì)影響花生莢果的穩(wěn)定性[5]，外壁傾角如果過(guò)大，入料裝置的容量會(huì)變小，要想保持容量不變的情況下，勢(shì)必要增大入料裝置的高度，不僅影響美觀(guān)而且還會(huì)增加原材料造成資源浪費(fèi)；外壁傾角如果過(guò)小，入料裝置容易形成“死區(qū)”，造成入料不流暢。因此，外壁傾角選取對(duì)入料裝置中花生莢果的穩(wěn)定性至關(guān)重要。當(dāng)入料裝置進(jìn)入花生莢果過(guò)多時(shí)，由于花生莢果相互之間有間隙，導(dǎo)致其他的花生莢果會(huì)嵌入其中，造成花生莢果之間相互堆積的現(xiàn)象，從而形成了花生莢果的堆積面和水平面的夾角。此時(shí)，這個(gè)坡面的花生莢果處于平衡狀態(tài)，堆積面與水平面的夾角即為靜堆積角。在設(shè)計(jì)過(guò)程中為了防止“死區(qū)”的發(fā)生，入料裝置的斜側(cè)壁的傾角必須大于花生莢果的逆息角β[6-7]。

方形入料裝置，如圖3所示。其不但考慮到外壁的斜傾角而且還要考慮四條棱與水平面的傾角，設(shè)計(jì)的意圖是防止喂入量不均勻出現(xiàn)死料的堆積現(xiàn)象的發(fā)生，從而影響含雜的花生莢果下流的流暢性能和穩(wěn)定性能[8]。如圖3所示，方形入料裝置的2個(gè)側(cè)壁的斜傾角分別為α1和α2，方形入料裝置的棱與水平面的夾角為η。

圖3 方形入料裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of a square feeding device

由圖3可以得出

經(jīng)計(jì)算得出

3.2 除雜篩結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)

除雜篩的尺寸是根據(jù)花生莢果尺寸和雜質(zhì)的尺寸綜合設(shè)計(jì)的，除雜篩的目的是將花生莢果的細(xì)小石子和小土沙顆粒從篩網(wǎng)漏下[9-10]，尺寸不能過(guò)大以免把花生莢果從篩網(wǎng)從下面漏出。分析花生莢果的三軸尺寸，極小值為8.38mm，細(xì)小石子和小土沙顆粒尺寸分布在2～6mm之間，因此在設(shè)計(jì)除雜篩的篩孔時(shí)篩孔的尺寸設(shè)計(jì)為7mm×7mm方孔，錳鋼絲的直徑2.5mm，這樣細(xì)小石子和小土沙顆粒很容易從篩孔中漏出，最小的花生莢果也不會(huì)從篩孔中漏出。

3.3 離心風(fēng)機(jī)風(fēng)速參數(shù)化設(shè)計(jì)

采用離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行分離花生莢果和雜質(zhì)時(shí)，是根據(jù)花生莢果和雜質(zhì)的空氣動(dòng)力學(xué)特性的不同分離，花生莢果和雜質(zhì)的懸浮速度V是最主要的空氣動(dòng)力學(xué)特性[11]。所謂花生莢果和雜質(zhì)的懸浮速度是指花生莢果與雜質(zhì)在垂直氣流的作用下，當(dāng)氣流對(duì)花生莢果和雜質(zhì)的作用力等于花生莢果和雜質(zhì)自身的重力而使花生莢果和雜質(zhì)保持懸浮狀態(tài)時(shí)，此時(shí)的氣流速度即為花生莢果和雜質(zhì)的懸浮速度。經(jīng)分析，花生莢果和雜質(zhì)的形狀、尺寸、密度和質(zhì)量等對(duì)花生莢果和雜質(zhì)的懸浮速度影響較大。假設(shè)一個(gè)花生莢果或雜質(zhì)處于速度為V向上運(yùn)動(dòng)的氣流中，氣流對(duì)谷粒的作用力為P，且方向與V相同，對(duì)花生莢果或雜質(zhì)進(jìn)行受力分析。

根據(jù)牛頓定理可知

P=Kρs(C-V)2

式中K—阻力系數(shù)；

ρ—空氣密度(g/m2)；

C—花生莢果或雜質(zhì)的絕對(duì)速度(m/s)；

V—花生莢果或雜質(zhì)的相對(duì)速度(m/s)；

s—花生莢果或雜質(zhì)相對(duì)氣流速度方向的斷面積(m2)。

根據(jù)氣流對(duì)花生莢果或雜質(zhì)的作用力P與mg之間的大小關(guān)系，可分析出花生莢果或雜質(zhì)在氣流中運(yùn)動(dòng)情況：當(dāng)Pmg時(shí)，花生莢果或雜質(zhì)上升；當(dāng)P=mg時(shí)，花生莢果或雜質(zhì)懸浮于氣流中，即

P=KρsV2=mg

設(shè)此時(shí)花生莢果或雜質(zhì)的懸浮速度為Vf，則

花生莢果和各種雜質(zhì)由于密度、形狀、質(zhì)量各不同，其懸浮速度也不相同。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算可知，花生莢果、草屑、莖稈、葉子的相關(guān)懸浮速度如表1所示。

表1 花生莢果和雜質(zhì)懸浮速度Table 1 Suspension rate of peanut pods and impurities

經(jīng)過(guò)分析，花生莢果和雜質(zhì)的懸浮速度可知，可以合理地控制離心風(fēng)機(jī)的氣流速度實(shí)現(xiàn)花生莢果與輕雜質(zhì)包括草屑、莖稈和葉子等的分離。根據(jù)表1研究分析，把離心風(fēng)機(jī)的氣流風(fēng)速控制在5～8m/s時(shí)，花生莢果除雜效果最佳。

3.4 除子房柄裝置設(shè)計(jì)與參數(shù)化研究

為了進(jìn)一步地提高花生莢果的潔凈度，設(shè)計(jì)一種花生除子房柄機(jī)構(gòu)，如圖4所示。花生除子房柄由柵條、圓盤(pán)鋸、圓盤(pán)鋸軸和軸承等組成，柵條的寬度是根據(jù)花生莢果的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，花生莢果長(zhǎng)度的眾數(shù)都在30mm左右。因此，設(shè)計(jì)的柵條的寬度為30mm，花生子房柄的直徑在2mm左右，為了避免損傷花生莢果，有效地勾住花生子房柄，設(shè)計(jì)的圓盤(pán)鋸的鋸齒間距為2.5mm。

1.柵條 2.圓盤(pán)鋸軸 3.圓盤(pán)鋸 4.帶座軸承圖4 花生除子房柄結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the shank structure of peanuts

柵條板下方與振動(dòng)偏心裝置相連，可以同除雜篩一樣上下左右反復(fù)運(yùn)動(dòng)，圓盤(pán)鋸和圓盤(pán)鋸軸相連并通過(guò)兩端的帶座軸承固定到機(jī)架上，通過(guò)電機(jī)帶輪與鏈輪鏈條之間的傳動(dòng)，使其多排圓盤(pán)鋸發(fā)生同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；由除雜裝置進(jìn)來(lái)的帶著子房柄的花生莢果會(huì)在柵條板上翻滾，當(dāng)子房柄與圓盤(pán)鋸中的鋸齒相碰時(shí)，圓盤(pán)鋸齒會(huì)瞬間將花生子房柄勾住，并使其切斷，從而完成花生莢果除子房柄的工作

3.5 分級(jí)圓筒篩的篩孔形狀設(shè)計(jì)與參數(shù)研究

依據(jù)花生莢果自身的外形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以直槽孔式圓筒篩來(lái)分級(jí)花生莢果。以花生莢果的厚度分布情況作為分級(jí)篩孔的尺寸依據(jù)，設(shè)計(jì)的直槽孔的寬度為11mm和14mm，長(zhǎng)度依據(jù)花生莢果的極大值作為尺寸依據(jù)，設(shè)計(jì)直槽孔的長(zhǎng)度為55mm；把花生莢果分為3個(gè)等級(jí)，分別為11mm、11～14mm、14mm。為了更好地提高篩分效果，直槽孔的排布方式為交叉式。

花生莢果的圓筒篩分級(jí)裝置由入料口、細(xì)孔圓筒篩、導(dǎo)向螺旋、粗孔圓筒篩、圓筒篩內(nèi)部支架、帶輪、圓筒篩外殼、花生莢果歸集罩、小花生莢果出口、支撐輪、中等花生莢果出口、圓筒篩外支架及大花生莢果出口等組成，如5所示。花生莢果由除雜裝置和除子房柄裝置完成相應(yīng)的作業(yè)流程后由入料口進(jìn)入花生莢果圓筒篩分級(jí)裝置，清潔的花生莢果在圓筒分級(jí)篩中隨著圓筒篩的不斷滾動(dòng)而發(fā)生運(yùn)動(dòng)并不斷調(diào)整自身的姿態(tài)。當(dāng)花生莢果的厚度小于篩孔的寬度時(shí)從篩孔漏出；當(dāng)花生莢果被篩孔卡住時(shí)，隨著圓筒篩的旋轉(zhuǎn)靠花生莢果的重力作用自行下落。為了讓花生莢果向前推進(jìn)進(jìn)入下一個(gè)分級(jí)篩孔，在圓筒篩內(nèi)安裝導(dǎo)向螺旋結(jié)構(gòu)，使其花生莢果實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)順暢的分級(jí)作業(yè)。

1.入料口 2.細(xì)孔圓筒篩 3.導(dǎo)向螺旋 4.粗孔圓筒篩 5.圓筒篩內(nèi)部支架 6.帶輪 7.大花生莢果出口 8.圓筒篩外支架 9. 中等花生莢果出口 10.支撐輪 11.小花生莢果出口 12.花生莢果歸集罩 13.圓筒篩外殼圖5 花生莢果圓筒篩分級(jí)裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of a cylindrical sieve grading device for peanut pod

4 性能試驗(yàn)

通過(guò)關(guān)鍵裝置的研究，在參數(shù)優(yōu)化分析結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行樣機(jī)試制，包括花生莢果除雜裝置、離心風(fēng)機(jī)裝置、花生除子房柄裝置及花生莢果分級(jí)裝置等部分。花生莢果在重力與驅(qū)動(dòng)力綜合作用下依次進(jìn)入全部裝置，進(jìn)行花生莢果的除雜、除子房柄和分級(jí)工作。試驗(yàn)指標(biāo)中的含雜率為物料經(jīng)過(guò)全部裝置后通過(guò)小莢果排出口、中等莢果排出口和大莢果排出口排出全部花生莢果中雜質(zhì)的百分比[12]。 試驗(yàn)指標(biāo)的破損率為排除的全部花生莢果中外殼破碎且露出果仁所占的百分比。試驗(yàn)指標(biāo)的損失率為排出機(jī)外的花生莢果所占全部花生莢果的百分比。 分級(jí)合格率為3個(gè)分級(jí)出口的分級(jí)合格率的算術(shù)平均值。當(dāng)花生喂入量為1 000kg/h、離心風(fēng)機(jī)風(fēng)速為6～7m/s、除雜篩與水平夾角為24°～25°、導(dǎo)向螺旋螺距為160mm、分級(jí)篩筒轉(zhuǎn)速為35r/min時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定的各試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results %

5 結(jié)論

1)依據(jù)花生莢果的外形特點(diǎn)和重力特性，設(shè)定了編織篩的尺寸參數(shù)，分析了花生莢果和雜質(zhì)的空氣動(dòng)力學(xué)特性，得到了花生莢果中雜質(zhì)的最佳懸浮速度，并優(yōu)化風(fēng)機(jī)作業(yè)參數(shù)，確定離心風(fēng)機(jī)的氣流風(fēng)速控制在5～8m/s時(shí)，花生莢果除雜效果最佳。

2)依據(jù)花生莢果自身的外形特點(diǎn)以及三軸尺寸，以花生莢果厚度的尺寸為分級(jí)依據(jù)，明確了以直槽孔作為圓筒篩的篩孔形狀并進(jìn)行合理排列分布，以11mm和14mm篩孔寬度分級(jí)作業(yè)參數(shù)，設(shè)計(jì)了新型花生莢果圓筒篩分級(jí)裝置。

3)為了有效地解決我國(guó)花生莢果產(chǎn)后除雜處理難和分級(jí)機(jī)械化程度低等問(wèn)題，研制了一種適應(yīng)我國(guó)花生產(chǎn)后除雜(清選)與分級(jí)于一體的高效花生除雜(清選)分級(jí)機(jī)，填補(bǔ)了花生莢果在除雜和分級(jí)領(lǐng)域的空白。