花生清选机去柄装置设计与试验

孙千涛 李泽后 刘道奇 刘龙 钱凯 李秀杰

摘要：为在花生清选作业的同时，进一步去除滞留在花生莢果上的果柄，在深入研究花生果柄物理特性和现有花生清选装置的基础上，设计了花生清选去柄装置。通过对去柄振动筛和去柄锯片设计参数的分析，得出花生去柄装置中振动筛的主要设计参数和去柄锯片的最优设计参数，并利用ANSYS有限元分析软件对去柄锯片进行模态分析，得到其固有频率。结果表明，去柄率在98%以上，破损率为1.2%，去柄合格率为99.8%，作业噪音为78.0 dB（A），生产效率能够达到750.0 kg/h，完全符合花生清选作业要求。花生清选去柄装置能够满足对花生荚果最后一步的清选，满足农艺要求，同时能够为新型花生清选装置提供有力参考。

关键词：花生;果柄;清选机;物理特性;去柄振动筛;去柄锯片

中图分类号： S226.5  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）21-0212-05

收稿日期：2021-04-02

基金项目：国家花生产业技术体系建设专项（编号：CARS-14）;河南省科技攻关项目（编号：212102110225）。

作者简介：孙千涛（1991—），男，河南封丘人，硕士，助理研究员，主要从事花生机械研究。E-mail：1640696029@qq.com。

通信作者：李秀杰，博士，副研究员，主要从事作物保护研究。E-mail：lixiujie@126.com。

花生是我国主要的油料作物和经济作物，也是大宗的出口商品，总产量居世界首位，在国民经济中占有重要地位[1-2]。其中，2020年河南省花生种植面积达100万hm2，位列全国第一，总产量大于450万t，种植面积、总产量分别占全国的22%、27%，且种植面积逐年增高[3]。随着种植面积的逐渐增加，机械化收获清选装置工作效率有待进一步提高，而清选系统作为花生收获的一个重要环节，其清选的工作性能将直接影响到花生收获后荚果整体质量[4-8]。

现有花生清选装置一般都是采用振动筛+风机组合形式，实现了对花生摘果脱出物中泥土、瘪果、轻杂物的清除，虽在一定程度上提高了花生清选效率，但对滞留在花生荚果上的果柄没有清除，如此会造成后期花生荚果的整体质量低下，导致花生清选机清选效果不理想[9-10]。同时清选装置作为联合收获机整机的一部分，清选性能的好坏将直接影响到整机的作业性能和大面积推广使用，因此有必要对清选系统的机制进一步研究[11]。

1 去柄装置结构和工作原理

1.1 去柄装置结构

如图1所示，去柄装置结构包括机架、物料接收滑板、去柄振动筛、去柄锯片、2个变频电机（功率分别为1.0、1.5 kW）、交接杆、带轮组、杂质收集槽和振动筛固定滑轨等。

1.2 工作原理

作业时，将带柄花生荚果均匀铺洒在物料接收滑板上，在倾斜交接于机架上的去柄振动筛作用下将物料均匀向出料口输送，在向前输送的同时靠近去柄锯片的带柄花生荚果果柄被锯片齿槽捕获，通过锯片的旋转和去柄振动筛面的支持作用将花生果柄从花生荚果上扯下来;在利用单排去柄锯片有效安装间隙和多排去柄锯片有效安装距离来有效减少物料下滑速度的同时，增大齿槽捕获果柄的效率，提高去柄效率，最后将去除的花生果柄通过果柄收集槽进行收集处理，最终完成去柄清选工作。

2 关键部件设计

2.1 花生果柄主要物理特性的测定

2.1.1 仪器设备

试验所用测量仪器主要有MB27型数显式水分测定仪、数显式电子天平（精度为0.01 g）、数显游标卡尺（精度为0.01 mm）、WDW-IE 微机控制电子万能试验机、数码相机等。

2.1.2 试验材料及测量结果

以河南省大面积种植的典型主栽花生品种豫花37为试验对象，经2段收获后在晾晒场晾晒6～7 d，从晾晒现场随机挑取花生果柄连接处及花生柄无外力损伤的带柄花生荚果5 kg，含水率控制在8%～12%，适合花生清选作业。同时对花生果柄节点力进行拉力试验[12]。花生荚果（此处花生荚果直径是指花生腰部）和果柄物理特性测定结果如表1所示。

从表1可以看出，在相同含水率下，饱满花生荚果直径略有差异、长度相差悬殊，花生果柄直径差异较大、长度差异比较悬殊，果柄节点力要略小于花生果柄自身拉断力。其中花生荚果直径要远大于花生果柄最大直径，可以依靠适当的齿间距在不损伤花生荚果的前提下将花生果柄去除;同时由于花生果柄节点力要小于果柄自身拉断力，在采用锯片清除果柄时果柄从节点处断裂，能够保证去柄更彻底。

2.2 去柄振动筛参数的确定

去柄振动筛的主要功能是将物料向出料口输送物料的同时，配合去柄锯片将花生果柄予以清除处理。本装置去柄振动筛采用Q235B钢板材质，为配合去柄锯片安装，孔面采用长圆冲孔平面[13-14]，结构如图2所示。在考虑不夹塞花生荚果的情况下，椭圆形长孔的宽度应略大于花生荚果最小直径，最终椭圆形长孔筛设计为18 mm（长）×6 mm（宽）;同时在保证不损伤花生荚果的情况下，长圆孔间距应大于2个花生荚果的最大长度之和，故去柄槽间距设计为f=80 mm。

振动筛宽度（b）与花生清选装置的宽度相关，根据清选装置的参数[15-17]，将b设计为800 mm。振动筛长度（L）计算公式如下：

L=QSbqs=T（1-δk）bqs。（1）

式中：QS表示振动筛单位时间清选物料的质量，kg;T表示喂料斗单位时间喂入量，kg;qs表示筛网单位面积可承担的物料喂入量kg/m2;δ表示杂物占比物料总质量百分比，%;k表示脱离装置工作性能系数，一般为0.6～0.9。

将T=1.6 kg、δ=35%、k=0.7、b=800 mm、qs=0.89 kg/m2，带入公式（1）中，得L=1 697 mm≈1 700 mm。

2.3 去柄锯片结构参数的确定

去柄锯片材料采用价格低廉，硬度、耐磨性适中的常用材料弹簧钢（65 Mn）为材料[18-19]，安装固定孔采用圆形设计结构（图3）。要使去柄锯片不损伤花生荚果只要满足齿顶宽（E）大于花生荚果最小直径，齿根宽（B）大于花生果柄最大直径，查阅相关文献资料[20-22]，最终确定锯片主要设计参数，如表2所示。

由图3可知，去柄锯片齿顶宽（E）可近似计算为

E≈D+Dcosα+tanγ。（2）

将表2中数据代入公式（2），可得E≈5+2.58=7.58 mm，结合表1可知，E大于花生果柄最大直径小于花生荚果最小直径，满足设计要求。

2.4 去柄锯片模态分析

去柄锯片在机器工作中有固有频率，如果外部振动的频率和锯片的固有频率接近，则会使锯片产生共振现象，最终导致结构损坏。因此，分析出锯片的固有频率，减少共振的产生有重要意义。

去柄锯片是由圆形锯片构造而成，理论上圆形锯片具有无限多个离散的固有频率，但在实际工作中只有低频率振动具有较大的振动能量，因此笔者只研究圆形锯片的低阶固有频率[23-24]。在SolidWorks中建立去柄锯片有限元模型，导入ANSYS软件进行分析，分析步骤如下：定义模型材料、施加约束、网格划分、分析。

从图4可以看出，去柄锯片在前三阶的固有频率变化较小，四、五阶固有频率基本相同，第六阶变化较大。同时由于圆形锯片本身的结构特征使得振型符合中心堆成的变化规律[25]，根据前二阶的分析结果，可知二者的频率几乎一致，但是振动方向相反;根据第三阶的分析结果，可以看出去柄锯片振型仅呈现较小幅度的摆动，从第四阶起振型呈现多次弯曲变形，且频率越大，振动和弯曲变形越明显，因此锯片的转速不易过高。

2.5 果柄去除运动学分析

为保证花生下滑速度及去柄质量，结合参考文献[26]，取花生去柄装置安装角度为6°，将其固定在机架上。去尾装置中每一套花生去柄锯片采用圆形安装孔安装在旋转轴上且转向相同，靠同一台变频电机通过皮带驱动。当带柄花生荚果落到去柄振动筛网上时，由于振动筛的振动作用，使物料沿篩网倾斜向下运动，在运动的过程中，带柄花生荚果的果柄会被锯片齿槽捕获，经过锯片的转动和振动筛网面的支撑作用将花生果柄从花生荚果上摘下来，从而完成花生荚果去柄工作。去柄原理结构如图5所示。

3 试验与结果分析

3.1 试验基本条件

去柄装置性能试验于2021年3月27日于河南省农业科学院长垣分院进行。选取河南省农业科学院长垣分院大面积种植的豫花37作为试验材料。

为验证花生去柄装置的作业效果，每次取带柄花生荚果5 kg，连续重复3次试验，结果取平均值。每次试验结束后用集果箱将处理后的花生进行收集处理，由人工捡拾统计去柄前花生荚果总数量（N）和去柄后带柄花生荚果总数量（W），去柄率（Z）计算公式如下：

Z=N-WN×100%。

3.2 结果与分析

由图6、表3可知，所测花生品种去柄率在98%以上，破损率为1.2%;去柄率的标准差为0.26%，变异系数为2.4，合格率为99.8%，符合花生清选作业要求。噪音和生产效率试验结果表明，所设计的花生去柄装置能够满足花生清选作业要求。其中合格率、去柄率未达到100%，主要是花生荚果自身通过挤压破碎及花生果柄自身有断裂所致。不过该清选去柄装置的含杂率符合NY/T 502—2002《花生收获机作业质量》中含杂率不大于3.0%的标准，去柄效果好，可以为后续花生清选装置的设计提供技术参数支撑。

4 结论

（1）由试验结果可知，花生清选去柄装置能够有效改变花生荚果面相差，满足花生清选农艺、适用于花生清选作业等要求，通用性强，作业效率高。

（2）去柄装置主要由去柄振动筛和去柄锯片组成，能有效去除滞留在花生荚果上的果柄，进一步提高花生清选质量的同时，提高了花生清选效率。试验结果表明，去柄率在98%以上，破损率为1.2%，去柄合格率为99.8%，作业噪音为78.0 dB（A），生产效率能够达到750.0 kg/h，完全符合花生清选作业的要求。

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