振动筛式红枣多层除杂分级机的设计与试验

鲁 兵，胡 灿,3，王旭峰,3，牛瑞坤，张攀峰

(1.塔里大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆维吾尔自治区普通高等学校 现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；3.中国农业大学 工学院，北京 100083)



振动筛式红枣多层除杂分级机的设计与试验

鲁 兵1,2，胡 灿1,2,3，王旭峰1,2,3，牛瑞坤1,2，张攀峰1,2

(1.塔里大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆维吾尔自治区普通高等学校 现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；3.中国农业大学 工学院，北京 100083)

为解决红枣收获后的除杂分级作业问题，设计了一种振动筛式红枣多层除杂分级机。运用 AutoCAD和SolidWorks对整机及关键部件进行设计，利用正交试验确定该型红枣除杂分级机的各项结构参数。试验结果表明：在作业效率为142kg/h、风选除杂装置的风速为14m/s、振动式除杂分级装置的倾斜角度为11°、振动筛的振动频率为20Hz时，除杂分级作业后的红枣含杂率为1.53%、分级合格率为94.8%、损伤率为3.1%。该机工作效率高，作业质量稳定，可同时完成收获后红枣杂质的去除与红枣尺寸的分级作业。

红枣；除杂；分级；振动筛

0 引言

世界上90%的红枣产自中国，而中国最好的红枣产自南疆[1]。因地域气候因素(日照时间较长，昼夜温差大)，南疆红枣含糖量高、品质与口感好、营养价值高，这些特点奠定了其成为南疆最具代表性的林果之一的地位[2]。然而，随着红枣种植规模的不断扩大与对红枣机械化作业加工的不断追求，红枣机械收获与加工技术的滞后已经成为制约南疆红枣产业发展的瓶颈。在南疆地区，红枣果园普遍采用矮化密植种植模式[3]，红枣收获时采取对落地红枣进行捡拾的收获方式，收获后的红枣混杂有大量的杂物，初加工时需要进行除杂处理；另外，为提高果品的品质，按红枣尺寸对其进行分级处理。因此，研发红枣除杂分级机械对于促进红枣产业发展具有重要意义。在现有的红枣除杂分级设备中，常采用单独的设备对红枣进行除杂与分级作业，工作效率较低[4]。同时，除杂设备对果品的机械损伤较大，对果品的品质产生了较大的影响，据阿克苏地区红枣加工厂的数据表明：红枣除杂与分级对果品的机械损伤达到5%。根据用户对不同品种红枣的除杂分级要求，研制出工作效率高、能对不同品种红枣进行除杂分级作业的机械，以解决人工分级效率低、分级质量不稳定的弊端和常见红枣除杂分级机械对于外形尺寸相差较大的不同品种红枣分级作业适用性差、除杂与分级作业分开、效率低的难题。研发出工作效率高、集红枣除杂与分级作业功能于一体、除杂分级作业质量稳定、对于尺寸相差较大的不同品种红枣分级适用性强及调整容易的红枣除杂分级作业机械，以满足不同用户对不同品种红枣的除杂分级要求。

1 材料与方法

1.1 材料

试验时间为2015年9月28日-10月20日，地点为塔里木大学土槽实验室。使用样机对第一师阿拉尔市十团的骏枣进行试验，经处理红枣的平均含水率为32%～40%，红枣中混杂有土块、石子及枣树叶等杂质。

1.2 整机结构

振动筛式红枣多层除杂分级机主要由料斗、均匀喂料装置、风选除杂装置、振动式除杂分级装置、振动筛倾斜角度调节装置、导流装置、集果箱、传动装置、电机及机架等组成。针对捡拾收获的红枣中存在的杂物主要为土块、石子和枣树叶，振动筛式红枣多层除杂分级机设计了两道除杂工序。该设备可同时完成对红枣的除杂与外形尺寸分级工作，具体结构如图1所示。

工作时，料斗中的红枣在重力作用下进入均匀喂料装置，均匀喂料装置在电机的驱动下匀速运转，对振动式除杂分级装置进行均匀喂料；红枣从均匀喂料装置运动到红枣除杂分级装置的途中经过风选除杂装置产生的气流区域，利用气流作用实现红枣与枣树叶的分离；分离后的枣树叶等轻质杂质从导流装置一侧离开振动筛式红枣多层除杂分级机，红枣则继续沿振动式除杂分级装置向前运动；振动式除杂分级装置由特级、一级、二级、三级共4个级别的除杂分级振动筛组成，4个级别的除杂分级振动筛的筛缝间隙依次减小。红枣在各级除杂分级振动筛的振动作用下继续向前移动，在移动的过程中外形尺寸大于该级红枣除杂分级振动筛筛缝间隙的红枣继续向前移动进入导流装置，外形尺寸小于该级红枣除杂分级振动筛筛缝间隙的红枣进入下一级红枣除杂分级振动筛；最终各级红枣沿导流装置进入对应的集果箱，由于土块、石子等杂质与导流装置的摩擦因数大于红枣与导流装置之间的摩擦因数，导致土块、石子等杂质的下滑速度小于红枣下滑速度，在不断振动筛选的过程中土块、石子从振动式除杂装置的各级筛网缝隙依次落入下一级筛网，最终土块、石子等杂质从最低级筛网缝隙与红枣分离，完成各级红枣的分级与除杂工序。

1.机架 2.集果箱 3.导流装置 4.振动筛倾斜角度调节装置 5.电机 6.振动式除杂分级装置 7.传动装置 8.风选除杂装置 9.均匀喂料装置 10.料斗图1 振动筛式红枣多层除杂分级机结构示意图

1.3 关键部件的设计

1.3.1 均匀喂料装置

为保证红枣分级装置的载荷恒定和运行平稳，要求分级装置的喂料装置能够实现均匀喂料[5]。对于振动筛式红枣多层除杂分级机，其对喂料装置喂料的均匀性有着更为苛刻的要求。喂料过多，振动式除杂分级装置对红枣不能进行充分的除杂分级处理，造成红枣除杂效果不彻底和分级作用后的红枣出现“串级”现象；喂料较少会降低工作效率。为此，设计了一种基于圆周运动的均匀喂料装置，该装置不仅能够实现对振动式除杂分级装置的均匀喂料还能有效地防止红枣在喂料口因挤压造成喂料口堵塞。均匀喂料装置主要由喂料器型腔外壳、五叶转轴、喂料器型腔端盖及防卡导流板4部分组成，如图2所示。工作过程中，带轮带动五叶转轴以一定的速度匀速转动，五叶转轴与喂料器型腔外壳形成5个容积大小相等的型腔，各型腔中都装有体积相等的红枣；当五叶转轴的某一型腔与喂料器型腔外壳的下端出口相对时，即实现均匀喂料器对振动式除杂分级装置的均匀持续喂料。

1.喂料器型腔外壳 2.五叶转轴 3.喂料器型腔端盖 4.防卡导流板

1.3.2 振动式除杂分级装置

1)各级筛网间隙的确定。不同品种的红枣其外形尺寸分级标准相差较大，如表1所示。振动筛式红枣多层除杂分级机主要利用各级筛网间隙的不同对红枣进行尺寸分级[6-8]，各级筛网间隙根据对应等级红枣外形尺寸范围的下限值进行确定。

表1 不同品种红枣的尺寸分级标准

2)分离式筛网。现有的按尺寸对红枣进行分级的机械主要包括机械式和机器视觉型[9-10]。滚筒式和滚杠式是我国目前机械式红枣分级机械的两种主要形式，滚筒式和滚杠式红枣分级机械的分级机构调整困难，对于不同品种的红枣分级适用性差。振动筛式红枣多层除杂分级机的分级筛网装置采用筛网与筛网框架分离式结构，筛网与筛网框架采用压板螺栓连接，如图3所示。采用分离式筛网结构工作效率高、适用性好，更换不同间隙的筛网可适用不同品种红枣的除杂分级工作。另外，分离式筛网不需人工调整分级间距，采用专业厂家按统一标准生产的分离式筛网，分级作用后的红枣等级标准统一。

1.紧定螺栓 2.压板 3.筛网 4.筛网框架

1.3.3 风选除杂装置

目前，人工捡拾的红枣主要存在土块、石子和枣树叶等杂质。振动式除杂分级装置主要是对红枣的分级和红枣中的土块、石子等杂质进行处理，而对于红枣中混杂的枣树叶除杂处理效果不明显。为此，在红枣出均匀喂料装置之后进入振动式除杂分级装置之前，增加风选除杂装置对红枣中混杂的枣树叶进行单独的除杂处理。物料在经过风选除杂装置产生的气流区域时，其受力情况如图4所示。

图4 物料经过风选气流区域的受力分析

物料在风选除杂过程中受气流作用力及在x轴方向的分力为

R=KPFV2

(1)

Rx=Rsinβcosα

(2)

式中 R—物料因风选除杂装置产生的气流作用而受到的作用力(N)；

K—阻力系数；

P—空气密度(kg/m3)；

F—物料的受风面积(m3)；

V—物料与气流之间的相对速度(m/s)；

Rx—作用力R在x轴方向上的分力(N)；

β—力R与z轴方向的夹角(°)；

α—力R在x-y平面的投影与x轴的夹角(°)。

风选除杂装置因气流作用对物料产生的作用力R在z轴上的分力Rz与重力G方向相反，减小了物料在重力方向上的加速度，为红枣与枣树叶的分离增加作业时间，进一步保障了除杂作业的可靠性。红枣与枣树叶因气流作用在x轴方向的分力只与其受风面积有关。由实际统计得：枣树叶的受风面积比红枣的受风面积大。根据式(1)可得出结论：在相同气流条件下，枣树叶因风选除杂装置气流作用在x轴方向上的分力比红枣在该方向上承受的分力大。另外，由枣树叶的质量小于红枣的质量和加速度定律可得：在相同气流条件下，枣树叶在x轴方向上的加速度远大于红枣在该方向上的加速度。利用上述结论可较好地实现红枣与枣树叶的有效分离。

1.3.4 筛网倾斜角度调节装置

红枣在振动筛网上的作业时间对红枣的除杂分级效果有直接影响[11]。作业时间较短，容易导致除杂分级作用后红枣含杂率较高、“串级”现象严重；增加作用时间，能降低红枣含杂率，减少“串级”现象，但降低了工作效率。红枣在振动筛上以一定的加速度向下滑动，其沿筛网平面下滑方向的加速度与振动筛网的倾斜角度有着密切关系。对红枣在振动筛网上的受力情况进行分析，其具体的受力分析如图5所示。

图5 红枣在振动筛网上的受力分析

红枣在振动筛网上加速下滑的加速度为

ax=gsinγ-μgcosγ

(3)

式中 ax—红枣沿振动筛网下滑方向的加速度(m/s2)；

g—重力加速度，取9.8m/s2；

γ—振动筛网的倾斜角度(°)；

μ—红枣与振动筛网之间的摩擦因数。

红枣含水率不同导致红枣与振动筛网之间的摩擦因数μ发生相应的变化，影响红枣沿振动筛网下滑方向加速度的大小。由运动学基本原理可知，保证红枣在振动筛网上的作用时间可通过保证下滑加速度ax来实现。由式(3)可知：摩擦因数μ发生变化可通过改变振动筛网的倾斜角度γ来保证ax恒定，因而设计振动筛网倾斜角度调节装置来改变振动筛的倾斜角度。

2 结果与分析

2.1 样机试验

2.1.1 试验目的

通过试验确定影响振动筛式红枣多层除杂分级机除杂效果和分级合格率的各项参数的最优组合。

2.1.2 试验的测定依据

1)红枣的含杂率。红枣除杂分级作业过程中仍然存在除杂不彻底现象。以红枣含杂率来确定红枣除杂干净程度，其测定为

(4)

式中 Q1—含杂率(%)；

C1—除杂分级作用后红枣中所含杂质的质量(g)；

S—试验样品的总质量(g)。

2)红枣分级的合格率。在实际作业过程中，对各级除杂分级作业后的红枣进行抽样检查，各级红枣的随机抽样样本容量为50，对各个红枣的外形尺寸进行测量，参照相应的红枣外形尺寸标准对各个红枣的合格与否进行判定，其分级合格率为

(5)

式中 Q2—红枣分级的合格率(%)；

C2—各级红枣尺寸分级合格的红枣总数(个)。

2.2 试验方案及结果分析

2.2.1 试验方案及结果

采用正交试验对样机进行多因素试验，确定风选除杂装置的风速V、振动式除杂分级装置的倾斜角度γ、振动筛的振动频率f为正交试验的3个因素，选取红枣含杂率(土块、石子等杂质对应的含杂率和枣树叶对应的含杂率)和红枣分级的合格率为试验的评价指标，具体的试验方案如表2、表3所示。

表2 试验因素水平

表3 正交试验方案与试验结果

续表3

2.2.2 试验结果分析

试验结果表明：根据各评价指标不同水平平均值确定各因素的优化水平组合，在保证红枣中土块、石子等杂质的含杂率时，其优化水平组合是A3B1C2；在保证红枣中枣树叶的含杂率时，其优化水平组合是A3B3C2；在保证红枣的合格率时，其优化水平组合为A3B1C3。由含杂率评价指标和合格率评价指标单独分析出的优化条件不一致。结合极差分析确定各因素的影响主次，综合考虑得出最优水平组合为A3B1C2，即装置的最佳工艺参数为风选除杂装置的风速14m/s、振动式除杂分级装置的倾斜角度为11°、振动筛网的振动频率20Hz。

3 讨论

振动筛式红枣多层除杂分级机采用分离式筛网结构，可通过更换不同间隙的筛网实现对外形尺寸相差较大的不同品种红枣的除杂分级作业。该机型与现有的同类产品相比，具有以下几方面的优点：

1)该机型能同时实现红枣中混杂的杂质与红枣的有效分离和红枣尺寸分级作业，作业效率高、作业质量稳定。

2)该机型针对捡拾收获红枣中存在杂质的特点，设计风选除杂装置和筛网除杂分级装置，使红枣除杂效果更佳。

3)该机型采用分离式筛网结构，可适用于外形尺寸相差较大的不同品种红枣的除杂分级作业。另外，分离式筛网结构与通过调整机构改变分级间隙相比，其效率更高，所分级的红枣外形尺寸标准统一。

4 结论

1)振动筛式红枣多层除杂分级机可通过筛网倾斜角度调节装置调节不同的倾斜角度以适应不同含水率红枣的除杂分级作业，筛网的倾斜角度调节范围为11°～23°。

2)分离式筛网设计使振动筛式红枣多层除杂分级机可适用于不同品种干果的除杂分级作业，扩大了机具的使用范围。

3)均匀喂料装置解决了红枣分级机常见的喂料口堵塞和喂料不均匀的难题，同时保证了除杂分级作业质量的稳定性。

4)振动筛式红枣多层除杂分级机可同时实现对红枣中杂质的去除与红枣尺寸的分级作业，在机具作业效率为142kg/h、风选除杂装置的风速为14m/s、振动式除杂分级装置的倾斜角度为11°、振动筛的振动频率为20Hz时，除杂分级作用后的红枣含杂率为1.53%、红枣分级合格率为94.8%、红枣损伤率3.1%，满足红枣除杂分级要求。

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Design and Experiment on Vibrating Sieve Type Jujube Multilayer Purification and Grader Machine

Lu Bing1,2, Hu Can1,2，3, Wang Xufeng1,2,3, Niu Ruikun1,2, Zhang Panfeng1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300,China; 2.The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Alar 843300, China; 3.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

In order to solve the problem of purification and grader after jujube harvesting, a vibrating Sieve Type Jujube Multilayer Purification and Grader Machine was designed. Using AutoCAD and SolidWorks to design the overall structure and primary operation components of the machine, ultimately the structure parameters were determined by means of orthogonal experiment. The experiments shown that when the working efficiency is 142kg/h, the wind speed of air classification device is 14m/s, the frame angle of vibrating type purification device is 11o，the vibration frequency of vibrating sieve is 20Hz, the trash content of jujube is 1.53%, the qualification rate of jujube grader is 94.8%, the percentage damage of jujube is 3.1% after operating of the machine. The machine exhibits advantages of high working efficiency and fine operating stability, it can finish jujube purification and grader at the same time.

jujube； purification； grader；vibrating sieve

2015-12-02

国家自然科学基金项目(11562019)；塔里木大学校长基金项目(TDZKQN201510)；塔里木大学研究生科研创新项目(TDGRI201514)

鲁 兵(1991-)，男，湖北黄冈人，硕士研究生，(E-mail)1170027843@qq.com。

胡 灿(1983-)，男，湖南益阳人，讲师，(E-mail)hucanboy1@qq.com。

S226.5

A

1003-188X(2017)01-0152-06