花生除杂(清选)分级机的设计与研究

吕尚武，尚书旗，王东伟，何晓宁，赵泽龙，张亚栋

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109)

0 引言

花生荚果出口或进入超市，都需要经过严格的检验才能通过，如果花生里含有杂质为不合格。花生在收获后含有很多杂质，无机杂质包括土块、石子、沙土等，有机杂质包括茎秆、花生叶、子房柄、草屑等。这些杂质如果不清除不仅会影响剥壳工作，而且影响花生后续加工与花生品质。花生在销售过程中，花生的品质往往与花生荚果的大小有关，花生荚果越大价格越高。市场对花生荚果的品质与细分的需求，在花生产后处理过程中需要把混在一起的花生荚果进行除杂(清选)和大小分级[1]。

虽然我国是花生的生产大国和出口大国，但花生产后加工处理的体系不够完善，很多花生收获后只是进行简单的初加工或者人工挑选，由于花生收获后农民处于“三忙”时期，在农村劳动力严重短缺的状况下，人工挑选花生需要花费更加昂贵的人工成本与大量的时间，因此花生收获后的除杂(清选)分级机械的需求日益迫切[2-3}。

1 基本机构

花生除杂(清选)分级机主要由入料装置、除杂筛、大土块出口、除子房柄装置外壳、圆盘锯、分级装置外壳、圆筒筛、荚果归集装置、离心风机、除柄栅板、导向螺旋和大荚果出口以及机架等构成，如图1所示。各装置之间相对独立化和系列化，总体结构简洁明了，可靠性强、减震能力强、噪声低、运行平稳、运输和维修方便简单。

1.入料装置 2.除杂筛 3.大土块出口 4.除子房柄装置外壳 5.圆盘锯 6.分级装置外壳 7.圆筒筛 8.荚果归集装置 9.大荚果出口 10. 导向螺旋 11. 除柄栅板 12.离心风机图1 花生除杂(清选)分级机总体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of peanut sorting machine

2 工作过程及原理

夹带着杂质的花生荚果进入除杂装置，由偏心振动机构引起除杂筛的往复运动，细小的沙土会从筛孔中漏出。由于巴西果效应大的土块会向上运动从除杂筛的另一端大土块出口处排出，且在离心风机的作用下花生荚果中的轻杂质(叶子、根茎、草屑和灰尘等)被吸出排出机体外；随后，除去杂质的花生荚果进入除子房柄装置，在除柄栅板和高速旋转的圆盘锯共同作用下将花生的子房柄除掉；除掉子房柄的花生荚果在除柄栅板的往复运动下进入花生荚果分级装置。由于花生荚果在圆筒筛的转动和导向螺旋的共同作用下向前运动[4]，在运动的过程中花生荚果厚度小于筛孔宽度时漏下，进入花生荚果归集装置；大的花生荚果从大荚果地方出口排出，将花生荚果分级为小荚果、中等荚果和大荚果，从而实现一次性完成花生荚果的除杂、除子房柄和分级多道工序。其花生荚果除杂(清选)分级工作流程图如图2所示。

图2 花生荚果除杂(清选)分级工作流程Fig.2 Classification work process of peanut pod remval (cleaning)

3 主要技术参数及结构特点

3.1 入料装置倾斜角参数设计

入料装置外壁倾角的大小会影响花生荚果的稳定性[5]，外壁倾角如果过大，入料装置的容量会变小，要想保持容量不变的情况下，势必要增大入料装置的高度，不仅影响美观而且还会增加原材料造成资源浪费；外壁倾角如果过小，入料装置容易形成“死区”，造成入料不流畅。因此，外壁倾角选取对入料装置中花生荚果的稳定性至关重要。当入料装置进入花生荚果过多时，由于花生荚果相互之间有间隙，导致其他的花生荚果会嵌入其中，造成花生荚果之间相互堆积的现象，从而形成了花生荚果的堆积面和水平面的夹角。此时，这个坡面的花生荚果处于平衡状态，堆积面与水平面的夹角即为静堆积角。在设计过程中为了防止“死区”的发生，入料装置的斜侧壁的倾角必须大于花生荚果的逆息角β[6-7]。

方形入料装置，如图3所示。其不但考虑到外壁的斜倾角而且还要考虑四条棱与水平面的倾角，设计的意图是防止喂入量不均匀出现死料的堆积现象的发生，从而影响含杂的花生荚果下流的流畅性能和稳定性能[8]。如图3所示，方形入料装置的2个侧壁的斜倾角分别为α1和α2，方形入料装置的棱与水平面的夹角为η。

图3 方形入料装置结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the structure of a square feeding device

由图3可以得出

经计算得出

3.2 除杂筛结构参数化设计

除杂筛的尺寸是根据花生荚果尺寸和杂质的尺寸综合设计的，除杂筛的目的是将花生荚果的细小石子和小土沙颗粒从筛网漏下[9-10]，尺寸不能过大以免把花生荚果从筛网从下面漏出。分析花生荚果的三轴尺寸，极小值为8.38mm，细小石子和小土沙颗粒尺寸分布在2～6mm之间，因此在设计除杂筛的筛孔时筛孔的尺寸设计为7mm×7mm方孔，锰钢丝的直径2.5mm，这样细小石子和小土沙颗粒很容易从筛孔中漏出，最小的花生荚果也不会从筛孔中漏出。

3.3 离心风机风速参数化设计

采用离心风机进行分离花生荚果和杂质时，是根据花生荚果和杂质的空气动力学特性的不同分离，花生荚果和杂质的悬浮速度V是最主要的空气动力学特性[11]。所谓花生荚果和杂质的悬浮速度是指花生荚果与杂质在垂直气流的作用下，当气流对花生荚果和杂质的作用力等于花生荚果和杂质自身的重力而使花生荚果和杂质保持悬浮状态时，此时的气流速度即为花生荚果和杂质的悬浮速度。经分析，花生荚果和杂质的形状、尺寸、密度和质量等对花生荚果和杂质的悬浮速度影响较大。假设一个花生荚果或杂质处于速度为V向上运动的气流中，气流对谷粒的作用力为P，且方向与V相同，对花生荚果或杂质进行受力分析。

根据牛顿定理可知

P=Kρs(C-V)2

式中K—阻力系数；

ρ—空气密度(g/m2)；

C—花生荚果或杂质的绝对速度(m/s)；

V—花生荚果或杂质的相对速度(m/s)；

s—花生荚果或杂质相对气流速度方向的断面积(m2)。

根据气流对花生荚果或杂质的作用力P与mg之间的大小关系，可分析出花生荚果或杂质在气流中运动情况：当Pmg时，花生荚果或杂质上升；当P=mg时，花生荚果或杂质悬浮于气流中，即

P=KρsV2=mg

设此时花生荚果或杂质的悬浮速度为Vf，则

花生荚果和各种杂质由于密度、形状、质量各不同，其悬浮速度也不相同。经过分析计算可知，花生荚果、草屑、茎秆、叶子的相关悬浮速度如表1所示。

表1 花生荚果和杂质悬浮速度Table 1 Suspension rate of peanut pods and impurities

经过分析，花生荚果和杂质的悬浮速度可知，可以合理地控制离心风机的气流速度实现花生荚果与轻杂质包括草屑、茎秆和叶子等的分离。根据表1研究分析，把离心风机的气流风速控制在5～8m/s时，花生荚果除杂效果最佳。

3.4 除子房柄装置设计与参数化研究

为了进一步地提高花生荚果的洁净度，设计一种花生除子房柄机构，如图4所示。花生除子房柄由栅条、圆盘锯、圆盘锯轴和轴承等组成，栅条的宽度是根据花生荚果的长度设计，花生荚果长度的众数都在30mm左右。因此，设计的栅条的宽度为30mm，花生子房柄的直径在2mm左右，为了避免损伤花生荚果，有效地勾住花生子房柄，设计的圆盘锯的锯齿间距为2.5mm。

1.栅条 2.圆盘锯轴 3.圆盘锯 4.带座轴承图4 花生除子房柄结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the shank structure of peanuts

栅条板下方与振动偏心装置相连，可以同除杂筛一样上下左右反复运动，圆盘锯和圆盘锯轴相连并通过两端的带座轴承固定到机架上，通过电机带轮与链轮链条之间的传动，使其多排圆盘锯发生同步旋转运动；由除杂装置进来的带着子房柄的花生荚果会在栅条板上翻滚，当子房柄与圆盘锯中的锯齿相碰时，圆盘锯齿会瞬间将花生子房柄勾住，并使其切断，从而完成花生荚果除子房柄的工作

3.5 分级圆筒筛的筛孔形状设计与参数研究

依据花生荚果自身的外形特点，设计了以直槽孔式圆筒筛来分级花生荚果。以花生荚果的厚度分布情况作为分级筛孔的尺寸依据，设计的直槽孔的宽度为11mm和14mm，长度依据花生荚果的极大值作为尺寸依据，设计直槽孔的长度为55mm；把花生荚果分为3个等级，分别为11mm、11～14mm、14mm。为了更好地提高筛分效果，直槽孔的排布方式为交叉式。

花生荚果的圆筒筛分级装置由入料口、细孔圆筒筛、导向螺旋、粗孔圆筒筛、圆筒筛内部支架、带轮、圆筒筛外壳、花生荚果归集罩、小花生荚果出口、支撑轮、中等花生荚果出口、圆筒筛外支架及大花生荚果出口等组成，如5所示。花生荚果由除杂装置和除子房柄装置完成相应的作业流程后由入料口进入花生荚果圆筒筛分级装置，清洁的花生荚果在圆筒分级筛中随着圆筒筛的不断滚动而发生运动并不断调整自身的姿态。当花生荚果的厚度小于筛孔的宽度时从筛孔漏出；当花生荚果被筛孔卡住时，随着圆筒筛的旋转靠花生荚果的重力作用自行下落。为了让花生荚果向前推进进入下一个分级筛孔，在圆筒筛内安装导向螺旋结构，使其花生荚果实现平稳顺畅的分级作业。

1.入料口 2.细孔圆筒筛 3.导向螺旋 4.粗孔圆筒筛 5.圆筒筛内部支架 6.带轮 7.大花生荚果出口 8.圆筒筛外支架 9. 中等花生荚果出口 10.支撑轮 11.小花生荚果出口 12.花生荚果归集罩 13.圆筒筛外壳图5 花生荚果圆筒筛分级装置示意图Fig.5 Schematic diagram of a cylindrical sieve grading device for peanut pod

4 性能试验

通过关键装置的研究，在参数优化分析结果的基础上进行样机试制，包括花生荚果除杂装置、离心风机装置、花生除子房柄装置及花生荚果分级装置等部分。花生荚果在重力与驱动力综合作用下依次进入全部装置，进行花生荚果的除杂、除子房柄和分级工作。试验指标中的含杂率为物料经过全部装置后通过小荚果排出口、中等荚果排出口和大荚果排出口排出全部花生荚果中杂质的百分比[12]。 试验指标的破损率为排除的全部花生荚果中外壳破碎且露出果仁所占的百分比。试验指标的损失率为排出机外的花生荚果所占全部花生荚果的百分比。 分级合格率为3个分级出口的分级合格率的算术平均值。当花生喂入量为1 000kg/h、离心风机风速为6～7m/s、除杂筛与水平夹角为24°～25°、导向螺旋螺距为160mm、分级筛筒转速为35r/min时，试验结果最优。经试验测定的各试验指标结果如表2所示。

表2 试验结果Table 2 Test results %

5 结论

1)依据花生荚果的外形特点和重力特性，设定了编织筛的尺寸参数，分析了花生荚果和杂质的空气动力学特性，得到了花生荚果中杂质的最佳悬浮速度，并优化风机作业参数，确定离心风机的气流风速控制在5～8m/s时，花生荚果除杂效果最佳。

2)依据花生荚果自身的外形特点以及三轴尺寸，以花生荚果厚度的尺寸为分级依据，明确了以直槽孔作为圆筒筛的筛孔形状并进行合理排列分布，以11mm和14mm筛孔宽度分级作业参数，设计了新型花生荚果圆筒筛分级装置。

3)为了有效地解决我国花生荚果产后除杂处理难和分级机械化程度低等问题，研制了一种适应我国花生产后除杂(清选)与分级于一体的高效花生除杂(清选)分级机，填补了花生荚果在除杂和分级领域的空白。