陸 榮，劉志俠，高連興，楊德旭

立錐式小區(qū)花生脫殼機(jī)氣吸清選裝置研制

陸 榮1,2，劉志俠1，高連興3※，楊德旭1

（1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110866；2. 遼寧生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院，沈陽 110122；3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130118）

在花生育種栽培和植保等科研實(shí)踐中，需要進(jìn)行大量的小區(qū)試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)花生均需進(jìn)行獨(dú)立收獲、脫殼和清選。由于沒有相應(yīng)的小區(qū)花生脫殼與清選設(shè)備，僅人工作業(yè)效率低下且容易出現(xiàn)“混雜”問題。為此該研究在已研制的立錐式小區(qū)花生脫殼機(jī)及脫殼裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三通道橫流氣吸清選裝置。通過試驗(yàn)獲得了花生脫殼后物料主要成分的漂浮速度和空氣動(dòng)力因數(shù)，分析了花生脫出物在水平橫吸氣流場(chǎng)中的受力和運(yùn)動(dòng)軌跡分析，并據(jù)此進(jìn)行清選裝置關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計(jì)和樣機(jī)研制。以四粒紅花生為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了花生脫殼與清選裝置性能試驗(yàn)。性能試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、喂入量為15 kg/min時(shí)，吸風(fēng)口高度為80 mm時(shí)的綜合清選性能較好，損失率為2.01%、含雜率為0.98%，優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該研究填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)小區(qū)花生脫殼清選裝置的空白，對(duì)進(jìn)一步開展花生科研和檢驗(yàn)等小型專用花生脫殼清選設(shè)備研究具有一定參考價(jià)值。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；收獲；脫殼機(jī)；花生；小區(qū)；氣吸清選；立錐式

0 引 言

花生是世界重要的糧油與經(jīng)濟(jì)作物。中國(guó)是花生生產(chǎn)大國(guó)，常年種植面積約4.6×106hm2，總產(chǎn)量1.75×107t，花生也是中國(guó)重要出口創(chuàng)匯農(nóng)產(chǎn)品[1-3]?；ㄉN、栽培和植保等技術(shù)研究對(duì)促進(jìn)花生生產(chǎn)發(fā)展、提高花生及其制品國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力十分重要。花生科研需要進(jìn)行大量的小區(qū)試驗(yàn)，每個(gè)小區(qū)的花生需要單獨(dú)收獲、晾曬、脫殼和清選。其中，脫殼和清選是2個(gè)關(guān)系密切的重要環(huán)節(jié)。脫殼容易造成花生果仁損傷、損失和脫不凈等問題，清選容易造成果仁損失和含雜率高等問題，不僅影響小區(qū)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，也造成了試驗(yàn)材料的浪費(fèi)。同時(shí)，脫殼和清選效率影響每個(gè)環(huán)節(jié)作業(yè)后的清種時(shí)間，進(jìn)而影響總體作業(yè)時(shí)間，也增大了小區(qū)花生之間混雜的幾率。由于沒有令人滿意的小區(qū)花生脫殼和清選設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)主要靠人工進(jìn)行小區(qū)花生脫殼和清選處理，操作環(huán)節(jié)多、效率低、周期長(zhǎng)且容易造成區(qū)間混雜和損失等問題。

目前用于榨油和食品加工的商用花生脫殼、清選等機(jī)械技術(shù)已比較成熟，以大型高效為特點(diǎn)，脫殼后的花生脫出物通過振動(dòng)篩和上吸式氣力清選組合裝置進(jìn)行清選[4-5]。關(guān)于小區(qū)花生脫殼與清選設(shè)備，美國(guó)起步于20世紀(jì)60年代。美國(guó)州政府作為第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行花生稱量、取樣和驗(yàn)質(zhì)定級(jí)，實(shí)時(shí)取樣。要求快速除雜、脫殼、清選以便進(jìn)行脫出物成分分析。為滿足上述需求，美國(guó)研制了小型樣本花生脫殼清選設(shè)備，并應(yīng)用于花生科研的小區(qū)脫殼和清選[6-7]。目前，美國(guó)主要有2種小區(qū)花生脫殼清選設(shè)備，一種是由各自獨(dú)立的往復(fù)式脫殼裝置和上吸式風(fēng)篩組合清選裝置構(gòu)成，另一種是由并列三滾筒式花生脫殼裝置和獨(dú)立的上吸式氣力清選裝置組合而成[8-10]。中國(guó)與美國(guó)國(guó)情不同，國(guó)內(nèi)尚未開展花生收購環(huán)節(jié)的質(zhì)量檢驗(yàn)，因而沒有樣本花生脫殼清選機(jī)需求。由于應(yīng)用范圍有限，而且其功能需滿足小區(qū)作業(yè)的要求，使得小區(qū)花生脫殼與清選設(shè)備外形結(jié)構(gòu)尺寸有限，脫殼與清選一體化結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，相關(guān)研究起步較晚。但隨著國(guó)內(nèi)對(duì)小區(qū)花生科研裝備的逐步重視，對(duì)小區(qū)花生脫殼清選設(shè)備的研究陸續(xù)開展。其中，高連興等研究了三滾式小區(qū)花生脫殼清選機(jī)，采用與脫殼分體的上吸式氣力清選裝置[11]，劉明國(guó)等研究了不進(jìn)行清選的立錐式小型花生脫殼機(jī)[12]，陸榮等進(jìn)行了立錐式小區(qū)花生脫殼機(jī)總體設(shè)計(jì)及脫殼裝置優(yōu)化等[13-14]，但未對(duì)清選裝置進(jìn)行深入研究與試驗(yàn)。農(nóng)業(yè)物料的空氣動(dòng)力特性[15-19]、基于上吸和氣吹風(fēng)力清選原理的風(fēng)篩組合式清選技術(shù)正廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐[20-23]，然而并不適用于空間有限的小區(qū)花生果仁的清選。針對(duì)花生果仁的基于橫流氣吸分離原理的清選裝置理論分析、參數(shù)設(shè)計(jì)以及花生脫殼機(jī)試驗(yàn)方面的研究目前也未有相關(guān)報(bào)道。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)花生科研試驗(yàn)的需要，在立錐式小區(qū)花生脫殼機(jī)初步研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行了花生脫出物的橫流氣吸清選特性試驗(yàn)、臨界條件和參數(shù)分析，基于小區(qū)花生脫殼與清選一體化設(shè)想，進(jìn)行了橫流三通道氣吸清選裝置設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)，以期為小區(qū)脫殼清選機(jī)的研制提供一種有效的方案，促進(jìn)小區(qū)花生科研發(fā)展。

1 小區(qū)花生脫殼機(jī)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

立錐式小區(qū)花生脫殼機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由喂料裝置、錐滾筒脫殼裝置、氣吸清選裝置、減速傳動(dòng)裝置、電機(jī)、機(jī)架等構(gòu)成。脫殼機(jī)各工作裝置沿同一鉛垂軸、自上而下同軸布置，使物料借助自身重力自上而下完成喂入、脫殼和清選作業(yè)過程，主要結(jié)構(gòu)及作業(yè)參數(shù)見表1。

1.喂料斗 2.喂入量調(diào)節(jié)板 3.上蓋 4.間隙調(diào)整連接盤 5錐凹板 6.錐滾筒 7.輸出軸 8.聯(lián)軸器 9.減速器 10.出料口 11.風(fēng)機(jī)箱 12.排雜口 13.傳動(dòng)帶 14.機(jī)座 15.電機(jī) 16.分離倉 17.導(dǎo)流盤 18.集料倉 19.脫殼倉 20.均布錐

表1 立錐式小區(qū)花生脫殼機(jī)主要參數(shù)

清選裝置是脫殼機(jī)的核心部件，主要由離心風(fēng)機(jī)、集料倉、分離倉、出料口及下方的吸風(fēng)口和出料槽等構(gòu)成（圖2），其中脫殼倉、集料倉、分離倉和風(fēng)機(jī)箱自上而下同軸排列。集料倉內(nèi)設(shè)有三向?qū)Я鞅P，在倉壁下部沿圓周均勻開有3個(gè)出料口，將透過脫殼錐凹板的花生脫出物匯集并分3路流向3個(gè)出料口；分離倉安裝于風(fēng)機(jī)殼上，底部與風(fēng)機(jī)上端蓋的進(jìn)風(fēng)口相通，其倉壁沿圓周對(duì)應(yīng)出料口下方開有3個(gè)吸風(fēng)口，與風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口相通形成3個(gè)吸風(fēng)通道。當(dāng)電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)風(fēng)機(jī)軸及葉輪、減速器和脫殼滾筒一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，來自脫殼裝置的花生脫出物落入集料倉并沿導(dǎo)流盤從3個(gè)出料口流出，流經(jīng)3個(gè)吸風(fēng)口處時(shí)，花生殼等輕質(zhì)物料經(jīng)分離倉被風(fēng)機(jī)吸入并從排雜口排出，較重的花生果仁等沿出料槽流出，實(shí)現(xiàn)橫流三通道氣吸清選，主要結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)見表2。

1.減速器 2.出料口 3.吸風(fēng)口 4.調(diào)節(jié)螺栓 5.出料槽（吸風(fēng)口調(diào)節(jié)板） 6.風(fēng)機(jī)葉片 7.風(fēng)機(jī)殼 8.帶輪 9.排雜口 10.花生殼 11.花生果仁

表2 三通道氣吸清選裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 臨界氣流速度和吸風(fēng)口高度的確定

本研究的小區(qū)花生脫殼機(jī)清選裝置采用橫流氣吸清選原理，花生脫出物從出料口向下流經(jīng)分離倉吸風(fēng)口過程中，恰好與吸風(fēng)口處的水平吸氣流（橫流）交匯，氣流吸力作用將花生殼等較輕雜質(zhì)經(jīng)過分離倉吸入清選風(fēng)機(jī)并隨一起排出。吸風(fēng)口的氣流速度和吸風(fēng)口的高度是影響橫流氣吸清選效果的關(guān)鍵參數(shù)。若吸風(fēng)口處的氣流速度過小，花生殼等輕雜質(zhì)會(huì)隨花生果仁等密度較大成分一起流下，不能實(shí)現(xiàn)清選；相反，如果氣流速度過大，花生果仁等將會(huì)隨花生殼一起經(jīng)分離倉吸入清選風(fēng)機(jī)而排出。吸風(fēng)口高度決定了花生脫出物經(jīng)歷吸風(fēng)口的時(shí)間，即受氣流吸力作用的時(shí)間長(zhǎng)短，若吸風(fēng)口高度過小，花生脫出物受氣流作用時(shí)間過短，花生殼與花生果仁等橫向（水平）位差過小，難以將花生殼從花生果仁等成分中分離；相反，吸風(fēng)口高度越大，脫出物受氣流作用時(shí)間越長(zhǎng)，花生殼與花生果仁等水平位移差異越大，花生殼越容易被氣流吸入分離倉。在氣流速度和吸風(fēng)口寬度不變情況下，吸風(fēng)口高度越大則通過吸風(fēng)口的氣流流量越大。因此分析花生脫出物各成分在橫吸氣流作用下的受力與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求解其在不同氣流速度作用下水平位移與吸風(fēng)口高度的關(guān)系，確定滿足氣吸清選的最小氣流速度（臨界氣流速度）和吸風(fēng)口高度，是清選風(fēng)機(jī)參數(shù)選擇和其他關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2.1 橫吸氣流對(duì)花生脫出物的吸力

為了分析花生脫出物在氣流作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，首先需知道其所受的氣流吸力大小。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)基本原理，物料在氣流中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到的氣流吸力為

=(v?)2（1）

式中為物料的空氣阻力系數(shù)，與物料形狀、表面性質(zhì)和雷諾數(shù)有關(guān)；為空氣密度，kg/m3；為物料迎風(fēng)面積，即物料在氣流方向的投影面積，m2；v為氣流絕對(duì)速度，m/s；為物料絕對(duì)速度，m/s。

引入空氣動(dòng)力因數(shù)R，即R=RρS，則物料受到的氣流吸力為

=R(v?)2（2）

根據(jù)物料漂浮速度定義[24]，當(dāng)氣流作用力與物料自身重力相同時(shí)，物料在氣流中的相對(duì)速度即為物料的漂浮速度v，即

式中k為漂浮系數(shù)，將R=RρS引入公式（3），有：

R=/v2（4）

即

R=mk（5）

可見，物料在氣流場(chǎng)中的動(dòng)力因數(shù)R與漂浮系數(shù)k成正比，而與漂浮速度v2成反比。據(jù)此，可通過花生脫出物各成分（完整果仁、破損半仁、花生殼和未脫莢果）的漂浮速度試驗(yàn)求得相應(yīng)的空氣動(dòng)力因數(shù)。

漂浮速度試驗(yàn)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院的PS-20型物料漂浮速度試驗(yàn)臺(tái)（如圖3所示）上進(jìn)行，試驗(yàn)樣本為四粒紅品種，脫殼后物料包含完整果仁、破損半仁、花生殼和未脫莢果，物料來自脫殼作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，分別按尺寸大小分成3組（花生殼不分組）[24]。試驗(yàn)前試空載運(yùn)行PS-20型物料漂浮速度試驗(yàn)臺(tái)，待運(yùn)轉(zhuǎn)正常后將試驗(yàn)樣本分批放入試驗(yàn)臺(tái)物料入口，接通風(fēng)機(jī)電源并重新開啟PS-20型物料漂浮速度試驗(yàn)臺(tái)，此時(shí)試驗(yàn)臺(tái)頂部風(fēng)機(jī)產(chǎn)生一定吸力，將試驗(yàn)樣本吸入試驗(yàn)區(qū)。通過調(diào)整葉片（風(fēng)門）開度角的旋鈕，使試驗(yàn)樣本集中在漂浮物料可視區(qū)的某一刻度范圍內(nèi)，讀取試驗(yàn)樣本較為集中的區(qū)間值、葉片開度指針刻度和壓力計(jì)讀數(shù)。

圖3 PS-20型物料漂浮速度試驗(yàn)臺(tái)

將試驗(yàn)得到的葉片開度角和相應(yīng)的可視區(qū)內(nèi)壓強(qiáng)數(shù)值，對(duì)照物料在可視區(qū)間內(nèi)的分布曲線（即L-K曲線[24]），根據(jù)PS-20型物料漂浮速度試驗(yàn)臺(tái)使用說明書上標(biāo)定的漂浮速度計(jì)算公式，計(jì)算出漂浮速度。試驗(yàn)方法、過程和步驟等參見文獻(xiàn)[24]。根據(jù)公式（3）和公式（5），計(jì)算得到漂浮速度轉(zhuǎn)換為空氣動(dòng)力因數(shù)。通過試驗(yàn)和計(jì)算，獲得花生脫出物主要成分的漂浮速度和空氣動(dòng)力因數(shù)，如表3。由表3可知，花生殼的空氣動(dòng)力因數(shù)最高，為0.483～1.331 g/m，其次為飽滿花生莢果，為0.131～0.376，其余成分的空氣動(dòng)力因數(shù)依次為花生半仁0.038～0.116 g/m和花生整仁0.037～0.088 g/m。

表3 花生脫出物主要成分的漂浮速度和空氣動(dòng)力因數(shù)

2.2 花生脫出物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

花生脫出物各成分（完整果仁、兩瓣果仁（半仁）、花生殼和未脫花生莢果）在氣流吸力作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，物料之間存在碰撞、摩擦等。為了便于深入分析主要影響因素，對(duì)下落的脫出物作如下假設(shè)：作用于花生脫出物各成分的氣流方向水平且速度不變；忽略物料之間的相互碰撞和摩擦等影響；各種成分物料為相互獨(dú)立的自由質(zhì)點(diǎn)。

如圖4a所示，花生脫出物在橫吸氣流場(chǎng)中僅受到自身重力和水平氣流吸力作用，合力使其向下運(yùn)動(dòng)過程中隨水平氣流向吸風(fēng)口內(nèi)運(yùn)動(dòng)以花生脫殼機(jī)分離倉的吸風(fēng)口上端為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系（圖4b），軸代表物料水平位移、軸為物料的垂直位移（下落高度）；設(shè)物料質(zhì)量為，氣流速度為v，花生脫出物各成分運(yùn)動(dòng)到某一點(diǎn)時(shí)的速度為(m/s)，在軸和軸的速度分量分別為v和v，分析花生脫出物各成分在水平氣流中的受力和運(yùn)動(dòng)軌跡。

注：G為物料自身重力，N；F為水平氣流吸力，N；P為合力，N；va為氣流速度，m·s-1；v為物料運(yùn)動(dòng)速度，m·s-1；vx為物料水平方向分速度，m·s-1；vy物料垂直方向分速度，m·s-1。

根據(jù)質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)原理，花生脫出物各成分沿方向的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)微分方程為

由于出料口和吸風(fēng)口上下相連，物料經(jīng)過吸風(fēng)口上端時(shí)的v非常小，為方便計(jì)算忽略v2，則式（6）變?yōu)?/p>

同時(shí)，由于集料倉高度小且錐形導(dǎo)流盤具有收集物料作用，花生脫出物料流出出料口的初速度可忽略不計(jì)，即當(dāng)=0時(shí)，0=0，即v0=0，v0=0，此時(shí)位移=0，則花生脫出物的質(zhì)點(diǎn)速度方程為

質(zhì)點(diǎn)位移方程為

2.3 橫吸氣流作用下花生脫出物的水平位移

分析和比較橫吸氣流場(chǎng)中花生脫出物各成分運(yùn)動(dòng)軌跡，掌握橫吸氣流速度、物料水平位移和垂直位移三者關(guān)系，是確定氣吸清選裝置吸風(fēng)口的氣流速度和高度的重要依據(jù)。參照各物料漂浮速度試驗(yàn)結(jié)果，首先選取花生半仁和花生殼漂浮速度中間值即3 m/s作為初始?xì)饬魉俣?，將花生脫出物各成分質(zhì)量和空氣動(dòng)力因數(shù)帶入質(zhì)點(diǎn)位移方程式（9），獲得相應(yīng)成分的水平和垂直位移，繪制運(yùn)動(dòng)軌跡曲線（圖5a）。

從圖5a中可知，當(dāng)氣流速度為3 m/s時(shí)，花生殼因質(zhì)量輕、空氣動(dòng)力因數(shù)大，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似一條拋物線；花生果仁、半仁和未脫莢果因質(zhì)量相對(duì)較大、空氣動(dòng)力因數(shù)相對(duì)較小，運(yùn)動(dòng)軌跡近似直線且?guī)缀踔睾?；?dāng)下落高度分別為4和10 cm時(shí)，花生殼水平位移量分別是8.421和15.8 cm，而花生半仁為0.854和2.00 cm、花生果仁和莢果同為0.284和0.365 cm，花生殼水平位移遠(yuǎn)超過花生莢果、果仁和花生半仁的水平位移，表明花生殼等輕雜質(zhì)下落初始即可被氣流吸入分離室并隨氣流排出。

吸風(fēng)口處氣流速度直接決定了清選風(fēng)機(jī)流量的選擇，不同流量的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)和能耗不同。為確定吸風(fēng)口臨界氣流速度，將氣流速度v分別降至2.5、2.0和1.5 m/s，比較花生殼和其他3種成分運(yùn)動(dòng)軌跡和水平位移。由于氣流速度減小后，花生果仁、半仁和未脫莢果水平位移量將更小，因此只分析花生殼的運(yùn)動(dòng)軌跡和水平位移（圖5b）。從不同氣流速度下的花生殼運(yùn)動(dòng)軌跡看出，當(dāng)氣流速度v降至2.5、2和1.5 m/s時(shí)，花生殼下落至6 cm時(shí)水平位移分別為8.5、6和4 cm，下落至10 cm時(shí)水平位移分別為12.5、9和5.8 cm。由于小區(qū)花生脫殼機(jī)屬小型設(shè)備，整機(jī)結(jié)構(gòu)有一定限定，作業(yè)空間有限，為此，分析了物料下落高度為10 cm時(shí)，花生殼水平位移與氣流速度的變化關(guān)系（圖5c）。由圖5c可知，氣流速度增大，物料的水平位移持續(xù)增大。

圖5 花生脫出物在水平氣流中的位移

分析結(jié)果表明，在花生脫出物下落高度為10 cm情況下，花生殼水平位移為6～8 cm時(shí)可基本滿足清選要求，對(duì)應(yīng)的吸風(fēng)口臨界氣流速度范圍為1.5～2.0 m/s。

3 氣吸清選裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 吸風(fēng)口、出料槽及分離倉

吸風(fēng)口是實(shí)現(xiàn)氣吸清選的關(guān)鍵部位，根據(jù)上述花生脫出物各成分水平位移分析結(jié)果，當(dāng)在花生脫出物下落高度為10 cm時(shí)，花生殼水平位移為6～8 cm，對(duì)應(yīng)的臨界氣流速度范圍為1.5～2.0 m/s，考慮到花生品種和含水率等差異，確定吸風(fēng)口高度為(10±4) cm，即可在6～14 cm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。吸風(fēng)口寬度主要根據(jù)脫殼裝置脫殼效率設(shè)計(jì)，基于已有脫殼裝置的結(jié)構(gòu)尺寸[14]并保持集料倉出料口和分離倉吸風(fēng)口寬度相等，設(shè)計(jì)出風(fēng)口寬度為10 cm（圖6）。

出料槽具由可上下滑動(dòng)的風(fēng)量調(diào)節(jié)板和一定傾斜角的接料槽構(gòu)成，其位于吸風(fēng)口下端，其作用一是用來接取花生果仁等較重物料并將其引導(dǎo)至接料筒，二是可實(shí)現(xiàn)上下滑動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)吸風(fēng)口高度從而調(diào)節(jié)氣流速度。根據(jù)花生脫出物各成分在氣吸作用下的水平位移，出料槽上端需伸入吸風(fēng)口內(nèi)3 cm水平距離，傾角為30°～45°。

3個(gè)吸風(fēng)口按圓周均布開設(shè)在分離倉筒壁上，根據(jù)吸風(fēng)口最大高度即14 cm，設(shè)計(jì)分離倉高度為16 cm。分離倉外圓直徑和集料倉、脫殼倉相等為45 cm（圖6）。

1.集料倉 2.導(dǎo)流盤 3.吸風(fēng)口 4.分離倉 5.風(fēng)機(jī)箱 6.出料槽（吸風(fēng)口調(diào)節(jié)板）

1. Collecting bin 2.Guide plate 3.Suction outlet 4.Separating bin 5.Fan case 6. Discharge chute (Adjustable plate of suction outlet)

注：為吸風(fēng)口高度，mm；為吸風(fēng)口寬度，mm。

Note:is height of suction outlet, mm;is width of suction outlet, mm.

圖6 分離倉與吸風(fēng)口結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.6 Schematic diagram of separating bin and suction outlet

3.2 清選風(fēng)機(jī)選型

清選風(fēng)機(jī)是氣吸清選裝置的空氣動(dòng)力來源。根據(jù)小區(qū)花生脫殼機(jī)整體結(jié)構(gòu)布局，清選風(fēng)機(jī)置于花生脫殼機(jī)最底部，風(fēng)機(jī)上端蓋與分離倉相連，進(jìn)風(fēng)口通過分離倉與周向均布的3個(gè)吸風(fēng)口相通。

根據(jù)吸風(fēng)口臨界氣流速度范圍，考慮到不同品種花生脫出物和含水率差異等因素，確定吸風(fēng)口最大氣流速度為2.0 m/s?；谠O(shè)計(jì)的3個(gè)吸風(fēng)口面積變化范圍和氣流速度，計(jì)算風(fēng)機(jī)流量為2.16～5.04 m3/m?？紤]到實(shí)際脫殼清選作業(yè)時(shí)的氣流速度調(diào)節(jié)余量，選取風(fēng)機(jī)流量為6 m3/min。據(jù)此，本文選用整體徑向直葉片葉輪的單吸氣口小型離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200 r/min、流量6 m3/min。

3.3 集料倉與導(dǎo)流盤

花生脫殼后的物料落入集料倉內(nèi)，通過三通道導(dǎo)流盤均勻流至3個(gè)出料口。相比單通道導(dǎo)流盤，不會(huì)出現(xiàn)花生脫出物堵塞和流動(dòng)不暢問題，也有利于在吸風(fēng)口處形成薄層流動(dòng)；導(dǎo)流盤下部空間安裝行星輪式減速器，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉輪和脫殼滾筒繞同軸差速傳動(dòng)。導(dǎo)流盤的傾角將直接影響物料下落的效果，需要通過脫出物在導(dǎo)流盤上的力學(xué)分析確定導(dǎo)流盤傾角的合理范圍。

花生脫出物在導(dǎo)流盤上的受力如圖7，包括物料自身重力、導(dǎo)流盤對(duì)物料的支持力，物料在下滑過程中受到的導(dǎo)流盤摩擦力F。以導(dǎo)流盤面方向?yàn)檩S，垂直導(dǎo)流盤面方向?yàn)檩S建立坐標(biāo)系，為導(dǎo)流盤與軸線夾角，則物料受力方程為

F、F分別為物料在軸和軸方向所受合力，物料在導(dǎo)流盤表面的摩擦力F=，為物料在導(dǎo)流盤上的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，=tan，為物料摩擦角。則物料下滑條件為

由式（10）～（11）可得>，花生脫出物從導(dǎo)流盤自由流至出料口的條件為導(dǎo)流盤的傾斜角度大于花生脫出物的滑動(dòng)摩擦角。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，花生果仁和花生殼與鋼制導(dǎo)流板之間的滑動(dòng)摩擦角分別為12°和24°，同時(shí)考慮整機(jī)結(jié)構(gòu)及尺寸，初步設(shè)計(jì)導(dǎo)流盤傾角為50°，其邊緣與集料倉內(nèi)壁相貫。

注：G為物料自身重力，N；Ff為物料在導(dǎo)流板上受到的摩擦力，N；N為導(dǎo)流板對(duì)物料的支持力，N；α為導(dǎo)流盤與豎直方向的夾角，(°)。

4 氣吸清選裝置性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與方法

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果試制樣機(jī)，為了檢驗(yàn)橫流三通道清選裝置的清選性能，同時(shí)驗(yàn)證其與脫殼裝置的脫殼效率匹配情況，為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，進(jìn)行了清選性能試驗(yàn)。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，吸風(fēng)口高度的變化決定氣流速度，直接影響花生脫出物的位移，因此以吸風(fēng)口高度為試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

試驗(yàn)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院學(xué)科試驗(yàn)室進(jìn)行，主要試驗(yàn)儀器有SFY60型紅外線快速水分測(cè)定儀（深圳市冠亞電子科技有限公司，水份測(cè)定范圍為0.01%～100%，稱量范圍0～60 g，精度0.01 g）、雙杰牌電子秤（量程15 kg，精度0.5 g）等，檢測(cè)花生含水率和物料質(zhì)量等。選取遼寧省鐵嶺市主栽花生四粒紅為試驗(yàn)對(duì)象，脫殼前進(jìn)行尺寸分級(jí)，選取長(zhǎng)度為32～34 mm，直徑為8～12 mm的花生莢果，果仁含水率為9%～11%。按照清選裝置設(shè)計(jì)功能要求，結(jié)合GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》[25]進(jìn)行作業(yè)性能試驗(yàn)（圖8）。選取花生清選損失率、含雜率為清選性能測(cè)試指標(biāo)，同時(shí)考察集料倉出料口是否堵塞、排雜口是否堵塞。

試驗(yàn)前莢果裝袋備用，機(jī)器空載運(yùn)行穩(wěn)定后從喂料斗喂入花生莢果，調(diào)整喂入量調(diào)節(jié)板控制喂入量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)喂入量按15 kg/min保持喂入、連續(xù)作業(yè)3 min，試驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取平均值。每組試驗(yàn)完成后立刻收集未脫凈花生莢果、花生果仁、半仁和花生殼等各種脫出物成分并進(jìn)行稱量，根據(jù)式（12）計(jì)算花生清選損失率1和清選含雜率2。

式中W1為排雜口接料袋中花生果仁的質(zhì)量，g；W2為出料槽接料袋中花生果仁的質(zhì)量，g；N1為為出料槽接料袋中雜質(zhì)的質(zhì)量，g；N2為出料槽接料袋中物料的總質(zhì)量，g。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

調(diào)節(jié)出料槽（即吸風(fēng)口調(diào)節(jié)板）改變吸風(fēng)口高度，使脫殼物料受到的氣流速度發(fā)生變化。試驗(yàn)結(jié)果如表4。

表4 不同吸風(fēng)口高度的清選性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)，隨著吸風(fēng)口高度增大，吸風(fēng)口面積增大，導(dǎo)致吸風(fēng)口氣流速度減小，部分較大果殼和空癟果未能吸出，造成含雜率上升，當(dāng)吸風(fēng)口高度增大至140 mm時(shí)，花生清選損失率降低至約0.93%，但含雜率上升至約1.32%；當(dāng)吸風(fēng)口高度減小時(shí)，進(jìn)入吸風(fēng)口的氣流速度增大，部分較小的花生果仁隨同花生碎殼和空癟果一同吸出，使花生清選損失率上升，吸風(fēng)口高度減小至60 mm時(shí)，花生清選含雜率降至約0.53%，清選損失率相應(yīng)地增至2.87%。吸風(fēng)口高度為80 mm時(shí)，清選損失率為2.01%、含雜率為0.98%，能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)花生脫殼的清選分離，優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。清選裝置與脫殼裝置匹配良好，能夠完成花生脫出物的清選，無堵塞現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

1）提出了橫流氣吸清選原理和立錐式小區(qū)花生脫殼機(jī)的三通道氣吸清選方案，根據(jù)物料漂浮特性試驗(yàn)提出了物料空氣動(dòng)力因數(shù)概念，并探尋了其與物料漂浮速度的關(guān)系，得到了“四粒紅”品種花生脫出物的空氣動(dòng)力因數(shù)，其花生莢果、飽滿果仁、破損果仁和花生殼的動(dòng)力因數(shù)分別為0.131～0.369、0.37～0.88、0.038～0.116、0.483～1.331，為花生清選裝置的設(shè)計(jì)和研究提供理論依據(jù)。

2）根據(jù)花生脫出物自動(dòng)下滑條件設(shè)計(jì)了集料倉三向?qū)Я鞅P，確定導(dǎo)流盤傾角為50°；基于物料空氣動(dòng)力因數(shù)，建立了花生脫出物空氣的橫流氣吸過程的力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，分析了分離倉吸風(fēng)口處各物料成分在水平氣流中的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)律，建立了橫流氣吸臨界條件，即臨界氣流速度取2 m/s、吸風(fēng)口臨界高度為100 mm，確定了吸風(fēng)口高度及調(diào)節(jié)范圍為(100±40) mm、寬度100 mm，分離倉的高度為160 mm；根據(jù)臨界氣流速度及調(diào)節(jié)余量，選擇徑向直葉片葉輪的單吸氣口小型離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200 r/min、流量6 m3/min。

3）以脫殼機(jī)整機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行了橫流三通道氣吸清選裝置的性能試驗(yàn)，初步試驗(yàn)結(jié)果表明，橫流三通道氣吸清選裝置工作性能穩(wěn)定，與整機(jī)一體化的錐滾筒脫殼裝置基本匹配。清選損失率和清選含雜率與吸風(fēng)口高度有關(guān)，隨著吸風(fēng)口高度的增加，清選損失率降低，含雜率升高。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、喂入量為15 kg/min時(shí)，吸風(fēng)口高度為80 mm時(shí)有較好的綜合清選性能，損失率為2.01%、含雜率為0.98%，優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

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Development of air suction cleaning device of vertical conical peanut sheller for plot planting

Lu Rong1,2, Liu Zhixia1, Gao Lianxing3※, Yang Dexu1

(1,,110866,; 2.,110122,; 3.,,130118,)

Peanut shelling for scientific research and sample inspection presents the special characteristics: small amount, multiple varieties, treatments and batches. A separate shelling is required, where the shelled peanuts cannot be mixed. After shelling, the seeds are also required to be quickly cleaned. At present, manual operations are still used to shell and separate the peanuts in the absence of shelling and separating equipment, leading to the low efficiency and the problem of “mixing”. A kind of special peanut shelling equipped with the separating equipment is highly demanding in small scale to meet the above requirements. Compared with the commercial peanut shellers, the study on the special peanut sheller with a separating device is lacking, particularly for the peanut scientific research and sample inspection. In this study, the cross-flow air-suction separating was proposed to establish a three-channel air-suction cleaning scheme in a vertical peanut sheller, in order to improve the separation performance of special peanut sheller. Taking “four red” variety of peanuts as an example, the aerodynamic factor of material was proposed, according to the floating characteristic test, thereby to explore the relationship with the floating speed of material. According to the automatic sliding condition of materials after peanut shelling, three guide plates were designed in the collection bin, where the inclination angle of guide plates was set as 50°. The mechanics and kinematics equations were established for the cross-flow air-suction process after peanut shelling, using the aerodynamic factor of materials. The movement trajectories and laws of material components were established at the suction port of separation bin in the horizontal airflow, with emphasis on the criticality of cross-flow suction. The optimal condition was that the critical air velocity was 2 m/s, and the critical height of suction port was 100mm, where the adjustment range for the height of suction port was determined to be (100±40) mm, the width was 100 mm, and the height of separation bin was 160 mm. According to the critical air velocity and its adjustment, a single-intake small centrifugal fan was chosen with a radial straight blade impeller, where the fan speed was 1 200 r/min, and the flow rate was 6 m3/min. In the performance test, the results show that a stable working performance was achieved in the cross-flow three-channel air suction separating device, matching with the tapered drum shelling device in an integrated whole machine. The separating loss rate and impurity rate were related to the height of suction port. Specifically, the separating loss rate decreased, while, the impurity rate increased, as the height of suction port increased. When the speed was 1 200 r/min, and the feed rate was 15 kg/min, the comprehensive separating performance was the best, where the height of suction port was 80 mm, the loss rate was 2.01%, and the impurity rate was 0.98%, indicating that better performance than that of the industry standard. The finding can offer a certain reference for the further development of small-scale peanut shelling and separating equipment, particularly for the scientific research and insection on peanut products.

agricultural machinery; harvest; sheller; peanut; plot; air suction cleaning; vertical conical

陸榮，劉志俠，高連興，等. 立錐式小區(qū)花生脫殼機(jī)氣吸清選裝置研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(21)：23-30. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.003 http://www.tcsae.org

Lu Rong, Liu Zhixia, Gao Lianxing, et al. Development of air suction cleaning device of vertical conical peanut sheller for plot planting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 23-30. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.003 http://www.tcsae.org

2020-09-19

2020-10-18

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0702102）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51575367、50775151）

陸榮，博士生，講師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品收獲與加工機(jī)械研究。Email：lurong1025@126.com

高連興，特聘教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品收獲與加工機(jī)械研究。Email：lianxing_gao@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.003

S225.7+3; S226

A

1002-6819(2020)-21-0023-08