□ 李 戰(zhàn) □ 閻樹田 □ 張得儉

1.蘭州理工大學(xué) 機電工程學(xué)院 蘭州 730050

2.甘肅省機械科學(xué)研究院 蘭州 730030

國外啤酒花收獲機械的生產(chǎn)主要以大機械長生產(chǎn)線為主，造價比較高而且不是很適應(yīng)中國的作物特性和種植模式。國內(nèi)機械存在著結(jié)構(gòu)粗糙、生產(chǎn)周期長、效率低等一系列問題。

啤酒花所含有的甲酸是啤酒產(chǎn)業(yè)中必不可少的原料之一［1］，目前我國每年有相當(dāng)量的原料進(jìn)口，制約其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素之一是啤酒花收獲機械的性能不夠理想。針對我國啤酒花品種（青島大花）的物理性能，由甘肅省機械科學(xué)研究院改良設(shè)計的金科源生產(chǎn)的5PZX-600啤酒花收獲清選機組，摘花性能和清選效果都滿足了一定的要求，但是在生產(chǎn)實踐中，鑒于啤酒花最佳采摘期的時間及生產(chǎn)過程中各項試驗數(shù)據(jù)表明，該機型還是存在一些問題［2］，如生產(chǎn)率低、夾帶損失過大等。因此，在基于5PZX-600型機械的基礎(chǔ)上，提出整體式啤酒花收獲機械［4、5］的優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高清選性能等目的。

1 工作原理

啤酒花收獲機械的工作原理已基本成熟，摘花方式有彈片扣花和彈齒滾筒扣花等，清選主要是風(fēng)選［3］。

針對目前各種機械存在的問題，以及我國大部分種植品種和種植模式，設(shè)計方案如圖1所示。

2 主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化分析

2.1 采摘結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析及設(shè)計

▲圖1 設(shè)計方案圖

▲圖2 采摘功能結(jié)構(gòu)工作簡圖

本設(shè)計采用比較成熟的彈齒滾筒扣花方式，功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和相關(guān)工作原理，物料經(jīng)喂入結(jié)構(gòu)進(jìn)入采摘機構(gòu)，滾筒轉(zhuǎn)速n1、n2有一定的差速，通過這個差速，滾筒上的彈齒之間作相對運動，從而達(dá)到摘花的功能。

計算相關(guān)參數(shù)，確定采摘機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸。

式中：ρ為喂入量；Q為采摘生產(chǎn)率；B為喂入寬度；v為喂入速度；h為喂入厚度；△V為自然狀態(tài)花果體積；k為配套系數(shù)，取1.1～1.2；△t為喂入沖擊花果時間；△q為△t采摘花果量；q為單位時間采摘量；z為摘花彈齒排數(shù)；s為彈齒周節(jié)；D為摘花滾筒直徑；F1為機器采摘力；F2為輸送莖桿的力；F為總力大??；A為系數(shù)，?。?.2～0.3）×10-3與轉(zhuǎn)動方式和軸承有關(guān)；B為系數(shù)，取（0.48～0.68）×10-6與共同轉(zhuǎn)動時物料濕度有關(guān)；N為摘花總功率；N0為空載功率；Nt為摘花功率；γ為摘花系數(shù)，實驗研究表明，取0.7～0.8；ω為摘花滾筒角速度。各物理單位未標(biāo)注的均取ST單位。

在一定的生產(chǎn)率要求下，當(dāng)ρ、B一定，改變v，適當(dāng)調(diào)節(jié)h，可決定彈齒滾筒的直徑大小。彈齒滾筒直徑的大小也和其旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，其直徑是隨著轉(zhuǎn)速的提高而減小，實驗證明，彈齒滾筒的旋轉(zhuǎn)速度會影響啤酒花在采摘時的破損率，其破損率隨著彈齒滾筒的轉(zhuǎn)速提高而增大。因此，根據(jù)所要求的參數(shù)不同，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸會有一定的差異，通過試驗及分析，進(jìn)一步優(yōu)化整體的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.2 清選機構(gòu)的參數(shù)設(shè)計及優(yōu)化

清選方式采用風(fēng)選，其功能結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，清選結(jié)構(gòu)的主要尺寸由圖3中的尺寸決定其大小，當(dāng)物料從采摘系統(tǒng)進(jìn)入清選系統(tǒng)時具有一定的速度v1x，自上而下計算各輸送帶的參數(shù)。

第1條輸送帶：

式中：△vi為第 i條輸送帶的線速度（i=1、2、3，…）；g 為重力加速度；△L1s為物料在輸送帶上且在△t1時間的滑動距離；η1為不同物料在輸送帶1上對應(yīng)的摩擦因數(shù)。

如果皮帶長度△L1充分大于△L1s，即物料速度減速到零仍然未運動到輸送帶1的端點，此時物料將跟隨輸送帶前進(jìn)；否則物料則拋落到第2條輸送帶，此時速度為：，方向與 v1′同向，此時滿足：

▲圖3 清選功能結(jié)構(gòu)簡圖

與第1條輸送帶的物料拋落到第2條輸送帶上的相同原理，那些隨著輸送帶2運動的物料將在輸送帶盡頭飛出，為了使物料能夠落在第3條輸送帶上，則：

式中：vi′為物料到達(dá)第i條輸送帶時，沿第i條輸送帶方向的速度；v1x、v1y為vi在坐標(biāo)X、Y方向的速度分量；vi為物料到達(dá)第i條輸送帶時的速度；θi為vi與豎直方向的夾角；βi為vi與第i條輸送帶的夾角的余角；△Li為物料到達(dá)第i條輸送帶的位置與其最近端點的距離；vi風(fēng)為對應(yīng)第i條輸送帶所處風(fēng)場的風(fēng)速；αi為第i條輸送帶與水平方向的夾角；Hi為從物料開始掉入下一個輸送帶與到達(dá)該輸送帶位置的垂直距離；△S3s為物料在落到第3條輸送帶上之前沿著輸送帶3方向在t3時間內(nèi)的滑翔距離。

若△S3s大于輸送帶3在這個方向?qū)?yīng)的長度，物料將直接跳過第3條輸送帶，也就少了一道清選工序，必然影響清選質(zhì)量。試驗數(shù)據(jù)表明，第3條在這個方向的有效長度比物料滑翔距離長出2/3的長度時，清選效果較好。

物料的清選能夠達(dá)到理想的清選效果，除了以上條件還應(yīng)滿足以下情況：

由于不同的物料相對于輸送帶的摩擦因數(shù)不同，由以上計算和分析，必須滿足以下約束條件：

式中：μ1為花果的滾動摩擦因數(shù)；μ2為葉蔓藤條等滑動摩擦因數(shù)；T為設(shè)計系數(shù) （取1/3～2/3）；Hi為物料從一輸送帶到相鄰輸送帶下落垂直距離，mm。

由以上公式以及相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)表明：輸送帶的α角一般的取值范圍為 23.75～45°（優(yōu)選取 23.75～35.34°），輸送帶的長度L取1 000～1 700 mm具有良好的清選效果。通過相關(guān)信息優(yōu)化分析得到幾組較優(yōu)解，見表1。

表1 輸送帶的幾組較優(yōu)解

通過以上參數(shù)的確定，對整體機器的參數(shù)規(guī)格進(jìn)行了計算，同時考慮到安全系數(shù)和材料的加工工藝以及機器的可維修性，由此對本新型啤酒花收獲機械的整體機構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。

花瓣回收振動裝置，是在分離出花果之后根據(jù)不同的啤酒花品種選用的裝置，一般情況下，青島大花在采摘的時候花瓣脫落較多，需要使用該裝置，其它品種可以根據(jù)實際生產(chǎn)情況選擇。該裝置主要采用振動篩，根據(jù)花瓣與花葉碎片的尺寸大小來決定篩網(wǎng)孔的尺寸，利用振動和重力的作用完成花瓣和花葉的分離。

本設(shè)計的優(yōu)點和創(chuàng)新是使得花瓣與花葉分離能夠與整個生產(chǎn)過程相融合，從而提高了本設(shè)計機械的整體自動化程度。

2.3 其它結(jié)構(gòu)的參數(shù)確定

其它結(jié)構(gòu)主要包括：采摘向清選過渡的連接部位、雜物分離部位。此類設(shè)計基本不影響總體布局和規(guī)格尺寸的變化，主要根據(jù)生產(chǎn)工藝進(jìn)行確定，在此不作贅述。

3 結(jié)論

本設(shè)計是基于5PZX-600型機械進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過改變原有機型的工作布局和部分結(jié)構(gòu)，從根本上減短了生產(chǎn)流程及生產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效益，減少了勞動力的投入，降低了制造成本和生產(chǎn)成本。由此可見，具有良好的發(fā)展前景。

［1］ 啤酒花及啤酒原料進(jìn)出口統(tǒng)計表［J］.啤酒科技，2012（4）:70.

［2］ 陳建東,郭輝,郭峰,等.啤酒花自動采摘機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及機理分析［J］.農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備,2010（1）:11-13.

［3］ Adolf,Liepold,Schwarzenbruck,DT.Self-propelled Hop Harvesting Machine ［P］.United States Patent：3962851,1976-06-15.

［4］ 楊靜,張得儉,寇明杰 ,等.5PZX-600型啤酒花清選機結(jié)構(gòu)方案的確定［J］.鑿巖機械氣動工具,2008（4）:10-13.

［5］ 寇明杰,張得儉,韓少平.淺析啤酒花自動采摘機的結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.機械研究與應(yīng)用,2005（4）:5.