篩揉組合式平貝母高效分離裝置設計與試驗*

宋江，田帥，張強，王磊，衣淑娟，孫鏡博

(黑龍江八一農墾大學工程學院,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大宗藥材,更是我國出口創匯的重要商品,在國內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。據不完全統計,2020年東北地區平貝母種植面積達到14 khm2,每年為藥農創造數十億元的經濟效益[3-4]。收獲是平貝母勞動強度最大的生產環節,而平貝母—土壤分離是平貝母機械化收獲的核心部分,當前,國內平貝母的分離裝置存在篩凈低(篩上物含土率高)的問題,故少見推廣應用。

國內外學者關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構設計了一種實現平貝母分級的篩分機,并確定了篩面傾角、曲柄轉速。宋江等[6]設計了振動式平貝母篩分機,通過對其理論分析和傳動機構優化設計,確定其結構參數,該機運轉順暢,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四桿機構進行分析,確定平貝母和土壤團聚物順利通過篩面的轉速范圍。宋江等[7]改進振動篩結構,利用正交試驗設計分析振動篩曲柄轉速、篩面傾角和篩面長度對平貝母篩分效率的影響,試驗表明:與改進前相比,破損率和損失率均明顯降低。馬川等[8]以平貝母收獲機擺動式分離篩的挖掘深度、篩網傾角、運行速度為自變量,采用響應曲面法,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]對滾筒物料的運動軌跡進行了理論分析,正交旋轉試驗分析喂入量、滾筒轉速和滾筒長度對篩分效率和破碎率的影響,建立回歸方程,優化主要參數。

除平貝母之外,相似的地下小塊莖收獲主要有元胡、半夏。鄭德聰等[10]根據半夏塊莖的尺寸及其在土壤中的分布規律,采用滾筒分離裝置分離半夏,并進行了參數設計與優化。尤德紅[11]設計了單層強制抖動分離篩及“Z”形篩組成的元胡收獲機,并進行參數設計,試驗表明:該機能夠實現元胡的一次性挖掘、分離和清選分裝作業。呂美巧[12]模擬滾筒分離篩在三種不同轉速、傾斜角度的影響下A、B兩個觀測點加速度的變化曲線,分析了轉速、傾斜角對半夏收獲效果的影響。劉麗敏等[13]設計開發了一種小型元胡收獲機,對鏈式柵條網篩分離結構及抖動輪和果粒初步收攏裝置等關鍵部件進行了設計,試驗結果表明該機能滿足元胡收獲的作業要求,效果良好。綜上,前人關于小粒徑分離的研究主要集中在篩分裝置的結構設計和篩分裝置工作參數對篩分效率、機械破碎的試驗研究上,有效地提高了地下小塊莖篩分效率(篩下物料質量與入篩小于篩孔尺寸的物料質量比),但平貝母分離后,篩上仍然存在一定數量的土壤團聚體,篩凈率依然較低,成為制約平貝母機械化收獲的關鍵問題之一。

為此,本文以平貝母、土壤團聚物物理、力學特性試驗為切入點,揭示平貝母、土壤團聚物破碎規律,制定篩揉分離方案,設計和試驗優化關鍵參數,以期達到高效分離。這對于提高小塊莖類收獲機的技術水平,豐富小塊莖類和土壤團聚物分離的相關理論,推動我國小塊莖類收獲機械行業技術進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試驗

1.1 平貝母、土壤三軸尺寸的統計分析

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,需要通過試驗確定造成這一現象的原因。

試驗時隨機取樣“扁平形”平貝母與土壤混合物若干,使用篩孔直徑不同的標準篩對其進行篩分處理,對篩分后篩上的平貝母和土壤團聚體隨機取樣各50粒,并使用游標卡尺測量的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,平貝母與土壤團聚體的三軸尺寸變化范圍接近。

表1 平貝母與土壤團聚體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

由平貝母與土壤團聚體的三軸尺寸統計分析可知: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聚體與平貝母混合物,故難以分離。

1.2 平貝母與土壤團聚體的擠壓力學試驗

如圖5所示為平貝母與土壤團聚體擠壓應力曲線。

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

以“扁平形”平貝母、“紡錘形”平貝母、篩上土壤團聚物、篩下土壤團聚物 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,各自進行50次獨立重復試驗。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系為:“扁平形”平貝母>“紡錘形”平貝母>土壤團聚體,其中“扁平形”平貝母與篩上土壤團聚體的臨界擠壓壓力值差異最大。觀測“扁平形”平貝母和土壤團聚體的形態結構,平貝母三軸擠壓力破碎情況如圖6所示,土壤團聚體經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

平貝母和土壤團聚體的破裂情況表明:平貝母破裂規律為,兩側瓣鱗片先與中心鱗片鏈接處先發生斷裂,而后瓣鱗片發生破裂。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;當前含水率下大部分土壤團聚體在擠壓力的作用下發生破碎。

基于土壤平貝母、土壤三軸尺寸的統計分析與擠壓力學試驗結論,提出采用破碎和分離結合的方法來提高平貝母和土壤團聚體的分離效率,該方法把土壤團聚體的破碎過程分為擠壓和揉搓兩個環節如圖8所示。

圖8 土壤團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計

2.1 結構與工作原理

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 7.分撥器 8.篩網

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動力傳遞到傳動軸,傳動軸旋轉帶動篩網運動,篩網將貝土混合物運輸至揉搓裝置,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聚體捻碎并通過篩孔落入篩下,平貝母則通過輸送篩運至收料口處收集,裝袋。

2.2 篩揉組合式平貝母高效分離裝置關鍵部件的參數設計

2.2.1 輸送篩線速度的設計

實際生產中貝土的喂入量為0.24～1.03 kg/s即為輸送篩單位時間的喂入量Q。根據輸送篩工作量的計算公式

(1)

式中:Q——輸送篩單位時間內的輸送量,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。

將相關數據代入式(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 輸送篩篩孔的設計

試驗隨機收獲的“扁球形”平貝母與“紡錘形”平貝母取樣各50粒,進行三軸尺寸統計并繪制頻率分布圖,如圖10所示。圖10上交點對應尺寸為15.98 mm,為了便于實際生產則初選用篩網篩孔大小為15 mm、16 mm及17 mm,將三個篩孔的值對應的篩網進行篩分試驗,測得的結果如表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 揉搓板主要參數的設計

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.調節面 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,由擠壓力學試驗可知,搓揉裝置的揉搓力為20～40 N,根據式(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,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與分析

3.1 裝置搭建

在對平貝母高效分離裝置關鍵部件進行理論分析后,根據其結構參數設計對整機的零件進行加工并組裝了樣機,樣機參數為: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(電壓12 V,功率500 W),電機供電來源于拖拉機啟動電瓶,如圖12所示。

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

3.2 試驗指標

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,表示篩分后平貝母質量占篩上顆粒的總質量的百分率,因此篩凈率的表達式如式(3)所示。

(3)

式中:Y1——篩凈率,%;

Mg——輸送篩篩上平貝母顆粒的質量,kg;

Mp——輸送篩篩上顆粒的總質量,kg。

3.2.2 破碎率

破碎率是以平貝母不完整、破裂為標準,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量,kg;

Ms——篩分后收集的平貝母質量,kg。

3.3 正交試驗

為了驗證平貝母高效分離裝置設計的合理性,以及不同結構參數和工作參數下的工作性能,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函數,采用二次回歸正交旋轉的方法進行試驗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

進行二次回歸正交旋轉試驗試驗結果如表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。篩凈率Y1與喂入量X1、輸送篩線速度X2及揉搓力X3的影響結果如表8所示。模型P值=0.018 2<0.05且失擬項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。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Design-Expert.V8.0.6數據優化模塊,其數學模型如式(7)所示。

(7)

利用Design-Expert.V8.0.6軟件進行各參數優化,得到各因素與目標值的最優解:當喂入量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 田間試驗驗證

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行田間試驗驗證,土壤含水率26%,拖拉機型號為時風554,樣機作業速度為1 km/h。以每塊畦田設定為一個試驗單位(畦田長50 m,寬1.2 m),其中前5 m設置為入土非穩定區,后5 m設置成出土非穩定區,中間40 m為試驗測定區域。試驗裝置的工作參數為:喂入量0.68 kg/s,輸送篩線速度0.4 m/s,滾筒轉速30 r/min。測得平貝母高效分離裝置5次作業后的數據如表10所示,篩凈率為79.18%,破碎率為13.34%,與理論分析結果相符合,滿足平貝母收獲的要求,驗證了該參數優化的正確性。

表10 田間試驗測量結果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藝要求,平貝母高效分離裝置可提高兩段式平貝母收獲機的篩凈率,減少人工收獲成本,增加經濟效益。

4 結論

1) 驗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系為:“扁球形”平貝母>“紡錘形”平貝母>土壤團聚體,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) 正交試驗得到各因素與目標值的最優解:當喂入量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%;通過田間試驗證明該分離裝置篩凈率為79.18%,破碎率在13.34%,與正交試驗結果相近,滿足農藝要求。

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