立锥式小区花生脱壳机气吸清选装置研制

陆 荣，刘志侠，高连兴，杨德旭

立锥式小区花生脱壳机气吸清选装置研制

陆 荣1,2，刘志侠1，高连兴3※，杨德旭1

（1. 沈阳农业大学工程学院，沈阳 110866；2. 辽宁生态工程职业学院，沈阳 110122；3.吉林农业大学工程技术学院，长春 130118）

在花生育种栽培和植保等科研实践中，需要进行大量的小区试验，每个试验小区花生均需进行独立收获、脱壳和清选。由于没有相应的小区花生脱壳与清选设备，仅人工作业效率低下且容易出现“混杂”问题。为此该研究在已研制的立锥式小区花生脱壳机及脱壳装置基础上，设计了三通道横流气吸清选装置。通过试验获得了花生脱壳后物料主要成分的漂浮速度和空气动力因数，分析了花生脱出物在水平横吸气流场中的受力和运动轨迹分析，并据此进行清选装置关键部件结构、参数设计和样机研制。以四粒红花生为试验对象，进行了花生脱壳与清选装置性能试验。性能试验结果表明，当转速为1 200 r/min、喂入量为15 kg/min时，吸风口高度为80 mm时的综合清选性能较好，损失率为2.01%、含杂率为0.98%，优于行业标准。该研究填补了国内小区花生脱壳清选装置的空白，对进一步开展花生科研和检验等小型专用花生脱壳清选设备研究具有一定参考价值。

农业机械；收获；脱壳机；花生；小区；气吸清选；立锥式

0 引 言

花生是世界重要的粮油与经济作物。中国是花生生产大国，常年种植面积约4.6×106hm2，总产量1.75×107t，花生也是中国重要出口创汇农产品[1-3]。花生育种、栽培和植保等技术研究对促进花生生产发展、提高花生及其制品国际竞争力十分重要。花生科研需要进行大量的小区试验，每个小区的花生需要单独收获、晾晒、脱壳和清选。其中，脱壳和清选是2个关系密切的重要环节。脱壳容易造成花生果仁损伤、损失和脱不净等问题，清选容易造成果仁损失和含杂率高等问题，不仅影响小区试验结果的准确性，也造成了试验材料的浪费。同时，脱壳和清选效率影响每个环节作业后的清种时间，进而影响总体作业时间，也增大了小区花生之间混杂的几率。由于没有令人满意的小区花生脱壳和清选设备，目前国内主要靠人工进行小区花生脱壳和清选处理，操作环节多、效率低、周期长且容易造成区间混杂和损失等问题。

目前用于榨油和食品加工的商用花生脱壳、清选等机械技术已比较成熟，以大型高效为特点，脱壳后的花生脱出物通过振动筛和上吸式气力清选组合装置进行清选[4-5]。关于小区花生脱壳与清选设备，美国起步于20世纪60年代。美国州政府作为第三方检验机构，进行花生称量、取样和验质定级，实时取样。要求快速除杂、脱壳、清选以便进行脱出物成分分析。为满足上述需求，美国研制了小型样本花生脱壳清选设备，并应用于花生科研的小区脱壳和清选[6-7]。目前，美国主要有2种小区花生脱壳清选设备，一种是由各自独立的往复式脱壳装置和上吸式风筛组合清选装置构成，另一种是由并列三滚筒式花生脱壳装置和独立的上吸式气力清选装置组合而成[8-10]。中国与美国国情不同，国内尚未开展花生收购环节的质量检验，因而没有样本花生脱壳清选机需求。由于应用范围有限，而且其功能需满足小区作业的要求，使得小区花生脱壳与清选设备外形结构尺寸有限，脱壳与清选一体化结构相对复杂，相关研究起步较晚。但随着国内对小区花生科研装备的逐步重视，对小区花生脱壳清选设备的研究陆续开展。其中，高连兴等研究了三滚式小区花生脱壳清选机，采用与脱壳分体的上吸式气力清选装置[11]，刘明国等研究了不进行清选的立锥式小型花生脱壳机[12]，陆荣等进行了立锥式小区花生脱壳机总体设计及脱壳装置优化等[13-14]，但未对清选装置进行深入研究与试验。农业物料的空气动力特性[15-19]、基于上吸和气吹风力清选原理的风筛组合式清选技术正广泛应用于生产实践[20-23]，然而并不适用于空间有限的小区花生果仁的清选。针对花生果仁的基于横流气吸分离原理的清选装置理论分析、参数设计以及花生脱壳机试验方面的研究目前也未有相关报道。本文针对国内花生科研试验的需要，在立锥式小区花生脱壳机初步研究基础上，进行了花生脱出物的横流气吸清选特性试验、临界条件和参数分析，基于小区花生脱壳与清选一体化设想，进行了横流三通道气吸清选装置设计与性能试验，以期为小区脱壳清选机的研制提供一种有效的方案，促进小区花生科研发展。

1 小区花生脱壳机总体结构与工作原理

立锥式小区花生脱壳机总体结构如图1所示，主要由喂料装置、锥滚筒脱壳装置、气吸清选装置、减速传动装置、电机、机架等构成。脱壳机各工作装置沿同一铅垂轴、自上而下同轴布置，使物料借助自身重力自上而下完成喂入、脱壳和清选作业过程，主要结构及作业参数见表1。

1.喂料斗 2.喂入量调节板 3.上盖 4.间隙调整连接盘 5锥凹板 6.锥滚筒 7.输出轴 8.联轴器 9.减速器 10.出料口 11.风机箱 12.排杂口 13.传动带 14.机座 15.电机 16.分离仓 17.导流盘 18.集料仓 19.脱壳仓 20.均布锥

表1 立锥式小区花生脱壳机主要参数

清选装置是脱壳机的核心部件，主要由离心风机、集料仓、分离仓、出料口及下方的吸风口和出料槽等构成（图2），其中脱壳仓、集料仓、分离仓和风机箱自上而下同轴排列。集料仓内设有三向导流盘，在仓壁下部沿圆周均匀开有3个出料口，将透过脱壳锥凹板的花生脱出物汇集并分3路流向3个出料口；分离仓安装于风机壳上，底部与风机上端盖的进风口相通，其仓壁沿圆周对应出料口下方开有3个吸风口，与风机进风口相通形成3个吸风通道。当电机经传动装置带动风机轴及叶轮、减速器和脱壳滚筒一起旋转时，来自脱壳装置的花生脱出物落入集料仓并沿导流盘从3个出料口流出，流经3个吸风口处时，花生壳等轻质物料经分离仓被风机吸入并从排杂口排出，较重的花生果仁等沿出料槽流出，实现横流三通道气吸清选，主要结构和作业参数见表2。

1.减速器 2.出料口 3.吸风口 4.调节螺栓 5.出料槽（吸风口调节板） 6.风机叶片 7.风机壳 8.带轮 9.排杂口 10.花生壳 11.花生果仁

表2 三通道气吸清选装置主要结构参数

2 临界气流速度和吸风口高度的确定

本研究的小区花生脱壳机清选装置采用横流气吸清选原理，花生脱出物从出料口向下流经分离仓吸风口过程中，恰好与吸风口处的水平吸气流（横流）交汇，气流吸力作用将花生壳等较轻杂质经过分离仓吸入清选风机并随一起排出。吸风口的气流速度和吸风口的高度是影响横流气吸清选效果的关键参数。若吸风口处的气流速度过小，花生壳等轻杂质会随花生果仁等密度较大成分一起流下，不能实现清选；相反，如果气流速度过大，花生果仁等将会随花生壳一起经分离仓吸入清选风机而排出。吸风口高度决定了花生脱出物经历吸风口的时间，即受气流吸力作用的时间长短，若吸风口高度过小，花生脱出物受气流作用时间过短，花生壳与花生果仁等横向（水平）位差过小，难以将花生壳从花生果仁等成分中分离；相反，吸风口高度越大，脱出物受气流作用时间越长，花生壳与花生果仁等水平位移差异越大，花生壳越容易被气流吸入分离仓。在气流速度和吸风口宽度不变情况下，吸风口高度越大则通过吸风口的气流流量越大。因此分析花生脱出物各成分在横吸气流作用下的受力与运动规律，求解其在不同气流速度作用下水平位移与吸风口高度的关系，确定满足气吸清选的最小气流速度（临界气流速度）和吸风口高度，是清选风机参数选择和其他关键部件设计的依据。

2.1 横吸气流对花生脱出物的吸力

为了分析花生脱出物在气流作用下的运动规律，首先需知道其所受的气流吸力大小。根据空气动力学基本原理，物料在气流中作相对运动时，受到的气流吸力为

=(v−)2（1）

式中为物料的空气阻力系数，与物料形状、表面性质和雷诺数有关；为空气密度，kg/m3；为物料迎风面积，即物料在气流方向的投影面积，m2；v为气流绝对速度，m/s；为物料绝对速度，m/s。

引入空气动力因数R，即R=RρS，则物料受到的气流吸力为

=R(v−)2（2）

根据物料漂浮速度定义[24]，当气流作用力与物料自身重力相同时，物料在气流中的相对速度即为物料的漂浮速度v，即

式中k为漂浮系数，将R=RρS引入公式（3），有：

R=/v2（4）

即

R=mk（5）

可见，物料在气流场中的动力因数R与漂浮系数k成正比，而与漂浮速度v2成反比。据此，可通过花生脱出物各成分（完整果仁、破损半仁、花生壳和未脱荚果）的漂浮速度试验求得相应的空气动力因数。

漂浮速度试验在沈阳农业大学工程学院的PS-20型物料漂浮速度试验台（如图3所示）上进行，试验样本为四粒红品种，脱壳后物料包含完整果仁、破损半仁、花生壳和未脱荚果，物料来自脱壳作业现场，分别按尺寸大小分成3组（花生壳不分组）[24]。试验前试空载运行PS-20型物料漂浮速度试验台，待运转正常后将试验样本分批放入试验台物料入口，接通风机电源并重新开启PS-20型物料漂浮速度试验台，此时试验台顶部风机产生一定吸力，将试验样本吸入试验区。通过调整叶片（风门）开度角的旋钮，使试验样本集中在漂浮物料可视区的某一刻度范围内，读取试验样本较为集中的区间值、叶片开度指针刻度和压力计读数。

图3 PS-20型物料漂浮速度试验台

将试验得到的叶片开度角和相应的可视区内压强数值，对照物料在可视区间内的分布曲线（即L-K曲线[24]），根据PS-20型物料漂浮速度试验台使用说明书上标定的漂浮速度计算公式，计算出漂浮速度。试验方法、过程和步骤等参见文献[24]。根据公式（3）和公式（5），计算得到漂浮速度转换为空气动力因数。通过试验和计算，获得花生脱出物主要成分的漂浮速度和空气动力因数，如表3。由表3可知，花生壳的空气动力因数最高，为0.483～1.331 g/m，其次为饱满花生荚果，为0.131～0.376，其余成分的空气动力因数依次为花生半仁0.038～0.116 g/m和花生整仁0.037～0.088 g/m。

表3 花生脱出物主要成分的漂浮速度和空气动力因数

2.2 花生脱出物的运动规律分析

花生脱出物各成分（完整果仁、两瓣果仁（半仁）、花生壳和未脱花生荚果）在气流吸力作用下运动时，物料之间存在碰撞、摩擦等。为了便于深入分析主要影响因素，对下落的脱出物作如下假设：作用于花生脱出物各成分的气流方向水平且速度不变；忽略物料之间的相互碰撞和摩擦等影响；各种成分物料为相互独立的自由质点。

如图4a所示，花生脱出物在横吸气流场中仅受到自身重力和水平气流吸力作用，合力使其向下运动过程中随水平气流向吸风口内运动以花生脱壳机分离仓的吸风口上端为坐标原点建立直角坐标系（图4b），轴代表物料水平位移、轴为物料的垂直位移（下落高度）；设物料质量为，气流速度为v，花生脱出物各成分运动到某一点时的速度为(m/s)，在轴和轴的速度分量分别为v和v，分析花生脱出物各成分在水平气流中的受力和运动轨迹。

注：G为物料自身重力，N；F为水平气流吸力，N；P为合力，N；va为气流速度，m·s-1；v为物料运动速度，m·s-1；vx为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。

根据质点动力学原理，花生脱出物各成分沿方向的质点运动微分方程为

由于出料口和吸风口上下相连，物料经过吸风口上端时的v非常小，为方便计算忽略v2，则式（6）变为

同时，由于集料仓高度小且锥形导流盘具有收集物料作用，花生脱出物料流出出料口的初速度可忽略不计，即当=0时，0=0，即v0=0，v0=0，此时位移=0，则花生脱出物的质点速度方程为

质点位移方程为

2.3 横吸气流作用下花生脱出物的水平位移

分析和比较横吸气流场中花生脱出物各成分运动轨迹，掌握横吸气流速度、物料水平位移和垂直位移三者关系，是确定气吸清选装置吸风口的气流速度和高度的重要依据。参照各物料漂浮速度试验结果，首先选取花生半仁和花生壳漂浮速度中间值即3 m/s作为初始气流速度，将花生脱出物各成分质量和空气动力因数带入质点位移方程式（9），获得相应成分的水平和垂直位移，绘制运动轨迹曲线（图5a）。

从图5a中可知，当气流速度为3 m/s时，花生壳因质量轻、空气动力因数大，其运动轨迹近似一条抛物线；花生果仁、半仁和未脱荚果因质量相对较大、空气动力因数相对较小，运动轨迹近似直线且几乎重合；当下落高度分别为4和10 cm时，花生壳水平位移量分别是8.421和15.8 cm，而花生半仁为0.854和2.00 cm、花生果仁和荚果同为0.284和0.365 cm，花生壳水平位移远超过花生荚果、果仁和花生半仁的水平位移，表明花生壳等轻杂质下落初始即可被气流吸入分离室并随气流排出。

吸风口处气流速度直接决定了清选风机流量的选择，不同流量的风机结构和能耗不同。为确定吸风口临界气流速度，将气流速度v分别降至2.5、2.0和1.5 m/s，比较花生壳和其他3种成分运动轨迹和水平位移。由于气流速度减小后，花生果仁、半仁和未脱荚果水平位移量将更小，因此只分析花生壳的运动轨迹和水平位移（图5b）。从不同气流速度下的花生壳运动轨迹看出，当气流速度v降至2.5、2和1.5 m/s时，花生壳下落至6 cm时水平位移分别为8.5、6和4 cm，下落至10 cm时水平位移分别为12.5、9和5.8 cm。由于小区花生脱壳机属小型设备，整机结构有一定限定，作业空间有限，为此，分析了物料下落高度为10 cm时，花生壳水平位移与气流速度的变化关系（图5c）。由图5c可知，气流速度增大，物料的水平位移持续增大。

图5 花生脱出物在水平气流中的位移

分析结果表明，在花生脱出物下落高度为10 cm情况下，花生壳水平位移为6～8 cm时可基本满足清选要求，对应的吸风口临界气流速度范围为1.5～2.0 m/s。

3 气吸清选装置关键部件设计

3.1 吸风口、出料槽及分离仓

吸风口是实现气吸清选的关键部位，根据上述花生脱出物各成分水平位移分析结果，当在花生脱出物下落高度为10 cm时，花生壳水平位移为6～8 cm，对应的临界气流速度范围为1.5～2.0 m/s，考虑到花生品种和含水率等差异，确定吸风口高度为(10±4) cm，即可在6～14 cm范围内调节。吸风口宽度主要根据脱壳装置脱壳效率设计，基于已有脱壳装置的结构尺寸[14]并保持集料仓出料口和分离仓吸风口宽度相等，设计出风口宽度为10 cm（图6）。

出料槽具由可上下滑动的风量调节板和一定倾斜角的接料槽构成，其位于吸风口下端，其作用一是用来接取花生果仁等较重物料并将其引导至接料筒，二是可实现上下滑动及转动，调节吸风口高度从而调节气流速度。根据花生脱出物各成分在气吸作用下的水平位移，出料槽上端需伸入吸风口内3 cm水平距离，倾角为30°～45°。

3个吸风口按圆周均布开设在分离仓筒壁上，根据吸风口最大高度即14 cm，设计分离仓高度为16 cm。分离仓外圆直径和集料仓、脱壳仓相等为45 cm（图6）。

1.集料仓 2.导流盘 3.吸风口 4.分离仓 5.风机箱 6.出料槽（吸风口调节板）

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

注：为吸风口高度，mm；为吸风口宽度，mm。

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

图6 分离仓与吸风口结构示意图

Fig.6 Schematic diagram of separating bin and suction outlet

3.2 清选风机选型

清选风机是气吸清选装置的空气动力来源。根据小区花生脱壳机整体结构布局，清选风机置于花生脱壳机最底部，风机上端盖与分离仓相连，进风口通过分离仓与周向均布的3个吸风口相通。

根据吸风口临界气流速度范围，考虑到不同品种花生脱出物和含水率差异等因素，确定吸风口最大气流速度为2.0 m/s。基于设计的3个吸风口面积变化范围和气流速度，计算风机流量为2.16～5.04 m3/m。考虑到实际脱壳清选作业时的气流速度调节余量，选取风机流量为6 m3/min。据此，本文选用整体径向直叶片叶轮的单吸气口小型离心风机，风机转速1 200 r/min、流量6 m3/min。

3.3 集料仓与导流盘

花生脱壳后的物料落入集料仓内，通过三通道导流盘均匀流至3个出料口。相比单通道导流盘，不会出现花生脱出物堵塞和流动不畅问题，也有利于在吸风口处形成薄层流动；导流盘下部空间安装行星轮式减速器，实现风机叶轮和脱壳滚筒绕同轴差速传动。导流盘的倾角将直接影响物料下落的效果，需要通过脱出物在导流盘上的力学分析确定导流盘倾角的合理范围。

花生脱出物在导流盘上的受力如图7，包括物料自身重力、导流盘对物料的支持力，物料在下滑过程中受到的导流盘摩擦力F。以导流盘面方向为轴，垂直导流盘面方向为轴建立坐标系，为导流盘与轴线夹角，则物料受力方程为

F、F分别为物料在轴和轴方向所受合力，物料在导流盘表面的摩擦力F=，为物料在导流盘上的滑动摩擦系数，=tan，为物料摩擦角。则物料下滑条件为

由式（10）～（11）可得>，花生脱出物从导流盘自由流至出料口的条件为导流盘的倾斜角度大于花生脱出物的滑动摩擦角。根据文献[13]，花生果仁和花生壳与钢制导流板之间的滑动摩擦角分别为12°和24°，同时考虑整机结构及尺寸，初步设计导流盘倾角为50°，其边缘与集料仓内壁相贯。

注：G为物料自身重力，N；Ff为物料在导流板上受到的摩擦力，N；N为导流板对物料的支持力，N；α为导流盘与竖直方向的夹角，(°)。

4 气吸清选装置性能试验

4.1 试验材料与方法

根据设计结果试制样机，为了检验横流三通道清选装置的清选性能，同时验证其与脱壳装置的脱壳效率匹配情况，为进一步改进设计奠定基础，进行了清选性能试验。当滚筒转速一定时，吸风口高度的变化决定气流速度，直接影响花生脱出物的位移，因此以吸风口高度为试验因素进行单因素试验。

试验在沈阳农业大学工程学院学科试验室进行，主要试验仪器有SFY60型红外线快速水分测定仪（深圳市冠亚电子科技有限公司，水份测定范围为0.01%～100%，称量范围0～60 g，精度0.01 g）、双杰牌电子秤（量程15 kg，精度0.5 g）等，检测花生含水率和物料质量等。选取辽宁省铁岭市主栽花生四粒红为试验对象，脱壳前进行尺寸分级，选取长度为32～34 mm，直径为8～12 mm的花生荚果，果仁含水率为9%～11%。按照清选装置设计功能要求，结合GB/T 5262—2008《农业机械试验条件测定方法的一般规定》[25]进行作业性能试验（图8）。选取花生清选损失率、含杂率为清选性能测试指标，同时考察集料仓出料口是否堵塞、排杂口是否堵塞。

试验前荚果装袋备用，机器空载运行稳定后从喂料斗喂入花生荚果，调整喂入量调节板控制喂入量。根据经验喂入量按15 kg/min保持喂入、连续作业3 min，试验重复5次，结果取平均值。每组试验完成后立刻收集未脱净花生荚果、花生果仁、半仁和花生壳等各种脱出物成分并进行称量，根据式（12）计算花生清选损失率1和清选含杂率2。

式中W1为排杂口接料袋中花生果仁的质量，g；W2为出料槽接料袋中花生果仁的质量，g；N1为为出料槽接料袋中杂质的质量，g；N2为出料槽接料袋中物料的总质量，g。

4.2 试验结果及分析

调节出料槽（即吸风口调节板）改变吸风口高度，使脱壳物料受到的气流速度发生变化。试验结果如表4。

表4 不同吸风口高度的清选性能试验结果

试验结果表明，在试验水平范围内，随着吸风口高度增大，吸风口面积增大，导致吸风口气流速度减小，部分较大果壳和空瘪果未能吸出，造成含杂率上升，当吸风口高度增大至140 mm时，花生清选损失率降低至约0.93%，但含杂率上升至约1.32%；当吸风口高度减小时，进入吸风口的气流速度增大，部分较小的花生果仁随同花生碎壳和空瘪果一同吸出，使花生清选损失率上升，吸风口高度减小至60 mm时，花生清选含杂率降至约0.53%，清选损失率相应地增至2.87%。吸风口高度为80 mm时，清选损失率为2.01%、含杂率为0.98%，能够较好地实现对小区花生脱壳的清选分离，优于行业标准。清选装置与脱壳装置匹配良好，能够完成花生脱出物的清选，无堵塞现象。

5 结 论

1）提出了横流气吸清选原理和立锥式小区花生脱壳机的三通道气吸清选方案，根据物料漂浮特性试验提出了物料空气动力因数概念，并探寻了其与物料漂浮速度的关系，得到了“四粒红”品种花生脱出物的空气动力因数，其花生荚果、饱满果仁、破损果仁和花生壳的动力因数分别为0.131～0.369、0.37～0.88、0.038～0.116、0.483～1.331，为花生清选装置的设计和研究提供理论依据。

2）根据花生脱出物自动下滑条件设计了集料仓三向导流盘，确定导流盘倾角为50°；基于物料空气动力因数，建立了花生脱出物空气的横流气吸过程的力学及运动学方程，分析了分离仓吸风口处各物料成分在水平气流中的运动轨迹和规律，建立了横流气吸临界条件，即临界气流速度取2 m/s、吸风口临界高度为100 mm，确定了吸风口高度及调节范围为(100±40) mm、宽度100 mm，分离仓的高度为160 mm；根据临界气流速度及调节余量，选择径向直叶片叶轮的单吸气口小型离心风机，风机转速1 200 r/min、流量6 m3/min。

3）以脱壳机整机为基础进行了横流三通道气吸清选装置的性能试验，初步试验结果表明，横流三通道气吸清选装置工作性能稳定，与整机一体化的锥滚筒脱壳装置基本匹配。清选损失率和清选含杂率与吸风口高度有关，随着吸风口高度的增加，清选损失率降低，含杂率升高。当转速为1 200 r/min、喂入量为15 kg/min时，吸风口高度为80 mm时有较好的综合清选性能，损失率为2.01%、含杂率为0.98%，优于行业标准。

[1] Foreign Agricultural Service. World Agricultural Production[R]. Washington：United States Department of Agriculture, 2020.

[2] National Agricultural Statistics Service. Crop production[R]. Washington：United States Department of Agriculture, 2019.

[3] Foreign Agricultural Service. Oileseeds: World Markets and Trade - Feb 2019[R]. Washington: United States Department of Agriculture, 2019.

[4] 陆荣，高连兴，刘志侠，等. 中国花生脱壳机技术发展现状与展望[J]. 沈阳农业大学学报，2020，51(5)：621-630.

Lu Rong, Gao Lianxing, Liu Zhixia, et al. Development and prospect of technology on peanut sheller of China[J]. Journal of Huazhong AgricultureUniversity, 2020, 51(5): 621-630. (in Chinese with English abstract)

[5] 陈中玉，高连兴，Chen Charles，等. 中美花生收获机械化技术现状与发展分析[J]. 农业机械学报，2017，48(4)：1-23.

Chen Zhongyu, Gao Lianxing, Chen Charles, et al. Analysis on technology status and development of peanut harvest mechanization of China and United States[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(4): 1-23. (in Chinese with English abstract)

[6] 陆荣，高连兴，Chen Charls，等. 美国花生脱壳加工技术特点及启示[J]. 农业工程学报，2019，35(11)：287-298.

Lu Rong, Gao Lianxing, Chen Charles, et al. Technology and characteristics of peanut shelling of America and enlightenment to China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 287-298. (in Chinese with English abstract)

[7] 高连兴，陈中玉，Chen Charles，等. 美国花生收获机械化技术衍变历程及对中国的启示[J]. 农业工程学报，2017，33(12)：1-9.

Gao Lianxing, Chen Zhongyu, Chen Charles, et al. Development course of peanut harvest mechanization technology of theUnited States and enlightenment to China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 1-9. (in Chinese with English abstract)

[8] Lamb M C, Blankenship P D. The capacity and efficiency of official grade shellers[J]. Peanut Science, 2005, 32(2): 132-135.

[9] 陆荣，刘志侠，高连兴，等. 美国花生脱壳机研究现状及发展分析[J]. 华中农业大学学报，2020，39(2)：170-180.

Lu Rong, Liu Zhixia, Gao Lianxing, et al . Technology status and development analysis on peanut shellers of the United States[J]. Journal of Huazhong AgricultureUniversity, 2020, 39(2): 170-180. (in Chinese with English abstract)

[10] Butts C L, Sorensen R B, Lamb M C. Evaluation of a small-scale peanut sheller[J]. Peanut Science, 2016, 43(1): 67-73.

[11] 高连兴，回子健，董华山，等. 三滚式小区育种花生脱壳机设计与试验[J]. 农业机械学报，2016，47(7)：159-165.

Gao Lianxing, Hui Zijian, Dong Huashan, et al. Design and experiment of peanut sheller with three drums for plot breeding[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 159-165. (in Chinese with English abstract)

[12] 刘明国. 花生脱壳与损伤机理及立锥式脱壳机研究[D]. 沈阳：沈阳农业大学，2011.

Liu Mingguo. Study on Peanut Damage Mechanism and Development of the Vertical Cone Type Shelling Machine[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[13] 陆荣，杨德旭，高连兴，等. 直立锥滚筒式小区花生脱壳机设计与试验[J]. 农业机械学报，2019，50(5)：114-123.

Lu Rong, Yang Dexu, Gao Lianxing, et al. Design and test on plot peanut sheller with vertical tapered drum[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(5): 114-123. (in Chinese with English abstract)

[14] 陆荣，刘志侠，高连兴，等. 立锥式小区花生脱壳装置的优化与试验[J]. 沈阳农业大学学报，2020，51(2)：192-198.

Lu Rong, Liu Zhixia, Gao Lianxing, et al. Optimization and experiment on peanut shelling device with vertical tapered drum for test plots[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2020, 51(2): 192-198. (in Chinese with English abstract)

[15] 邓春香，陶栋材，高静萍. 气流请旋风车中谷物的动力学特性和影响因素的研究[J]. 农业工程学报，2006，22(4)：121-125.

Deng Chunxiang, Tao Dongcai, Gao Jingping. Dynamic characteristics and factors affecting performance of air-stream cleaning windmill[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(4): 121-125. (in Chinese with English abstract)

[16] 盖玲、赵匀. 谷物扬场机分离过程物料的空间运动学和动力学分析[J]. 农业工程学报，1998，14(2)：94-98.

Gai Ling, Zhao Yun. Dynamics analysis on grain-chaff separation of winnowing machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1998, 14(2): 94-98. (in Chinese with English abstract)

[17] 陈翠英，王志华，李青林. 油菜脱出物在气流中的运动分析[J]. 农业机械学报，2004，35(5)：90-93.

Chen Cuiying, Wang Zhihua, Li Qinglin. Analysis of aerodynamic properties of rape extractions[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2004, 35(5): 90-93. (in Chinese with English abstract)

[18] 高学梅，魏海，刘敏基，等. 我国花生气力输送技术与应用现状[J]. 中国农机化学报，2019，40(3)：102-107.

Gao Xuemei, Wei Hai, Liu Minji, et al. Reserch and application situation of pneumatic conveying of peanut in China[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2019, 40(3): 102-107. (in Chinese with English abstract)

[19] 徐立章，李洋，李耀明，等. 谷物联合收获机清选技术与装置研究进展[J]. 农业机械学报，2019，50(10)：1-16.

Xu Lizhang, Li Yang, Li Yaoming, et al. Research progress on cleaning technology and device of grain combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(10): 1-16. (in Chinese with English abstract)

[20] 李革，赵匀，俞高红. 倾斜气流清选装置中物料的动力学特性、轨迹和分离研究[J]. 农业工程学报，2001，17(6)：22-25.

Li Ge, Zhao Yun, Yu Gaohong. Dynamical property, loci and separating of materials in inclined airflow device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2001, 17(6): 22-25. (in Chinese with English abstract)

[21] 周璇，王志明，陈霓，等. 圆锥形风机清选室气流场数值模拟与试验[J]. 农业机械学报，2019，50(3)：91-100.

Zhou Xuan, Wang Zhiming, Chen Ni, et al. Numerical simulation and experiment of airflow field of cleaning room under action of conical fan[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(3): 91-100. (in Chinese with English abstract)

[22] 高连兴，李献奇，关萌，等. 双吸风口振动式花生荚果清选装置设计与试验[J]. 农业机械学报，2015，46(3)：110-117.

Gao Lianxing, Li Xianqi, Guan Meng, et al. Design and test on cleaning device of peanut pods with double air-suction inlets with vibration screen[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(3): 110-117. (in Chinese with English abstract)

[23] 侯华铭，崔清亮，郭玉明，等. 气吹式粮油作物脱出物清选悬浮速度测量装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(16)：43-49.

Hou Huaming, Cui Qingliang, Guo Yuming, et al. Design and test of air-sweepingsuspension velocity testing device for cleaning threshed materials of grain and oil crops[J]. Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(16): 43-49. (in Chinese with English abstract)

[24] 高连兴，张文，杜鑫，等. 花生脱壳机脱出物的漂浮系数试验[J]. 农业工程学报，2012，28(23)：289-292.

Gao Lianxing, Zhang Wen, Du Xin, et al. Experiment on aerodynamic characteristics of threshed mixtures of peanut shelling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(23): 289-292. (in Chinese with English abstract)

[25] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会. 农业机械试验条件测定方法的一般规定：GB/T 5262-2008[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

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

陆荣，刘志侠，高连兴，等. 立锥式小区花生脱壳机气吸清选装置研制[J]. 农业工程学报，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

国家重点研发计划项目（2016YFD0702102）；国家自然科学基金项目（51575367、50775151）

陆荣，博士生，讲师，主要从事农产品收获与加工机械研究。Email：lurong1025@126.com

高连兴，特聘教授，博士生导师，主要从事农产品收获与加工机械研究。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