基于下桩采摘的干后青花椒脱粒装置研究

李秋生 李成松 王丽红 曹烈旺 张聪

摘要：重庆地区大部分青花椒生产均为小规模农户家庭种植经营模式，针对“主枝回缩采摘技术”即下桩采摘烘干后的青花椒物料，设计一种结构紧凑且功耗小的冲击式脱粒装置。对喂料部件、脱粒部件、搅料齿杆装置等关键部件进行设计分析，确定装置各部分结构和工作参数。使用ANSYS Workbench软件对脱粒装置进行有限元分析，机架受到的振动影响较小；对装置喂料机构的伸缩扒齿进行静力学分析，满足强度要求。并对样机进行正交试验，在脱粒转速为170 r/min、输入速度为13 m/min、分段式套筒脱粒元件形式下，物料的脱净率为94.01%，含杂率为6.33%，达到较优的脱粒效果。

关键词：下桩采摘；青花椒；脱粒装置；正交试验

中图分类号：S226.1

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 03-0108-09

Abstract： Most of the production of Chinese prickly ash in Chongqing is based on the family planting and operation mode of smallscale farmers. In view of the “main branch retraction picking technology”， that is， the green Zanthoxylum material after branch is picked and dried， an impact threshing device with compact structure and low power consumption is designed. The key components such as feeding component， threshing component and stirring gear rod device were designed and analyzed to determine the structure and working parameters of each part of the device. The finite element analysis of the threshing device was carried out using ANSYS Workbench software， and the vibration of the frame was less affected. The static analysis of the telescopic teeth of the feeding mechanism of the device was carried out to meet the strength requirements. The prototype was manufactured and assembled， and the orthogonal test was carried out on the prototype. Under the condition of the threshing speed of 170 r/min， the input speed of 13 m/min， and the segmented sleeve threshing element， the threshing rate of the material reached 94.01%， and the impurity rate was 6.33%， thus the better threshing effect was achieved.

Keywords： branch picking; green Zanthoxylum; threshing device; orthogonal test

0引言

花椒（Zanthoxylum schinifolium Sieb.et Zucc）屬于芸香科，是一种常见的香料和油料作物［1］。我国花椒产量位居世界第一，根据资料显示，2015—2019年花椒消费年均增长4.39%，产量年均增长4.92%。需求量年均增长3.81%［24］。花椒生产加工过程中机械化程度较低，《中国花椒产业调查分析报告》［5］指出，花椒生产加工全产业链过程中机械使用占比仅20%。

花椒具有极高营养价值和药用价值［67］。花椒根据果实成熟后的颜色分为青花椒和红花椒［89］，青花椒主要产于南方，红花椒在北方居多［10］。重庆江津区青花椒基地是全国最大的青花椒种植区，其中大部分的青花椒生产均为小规模的农户家庭种植经营［11］。以重庆青花椒种植区域为代表创新提出“主枝回缩采摘技术”，采摘时将带果枝条连同青花椒一起剪下，即下桩采摘法［12］。现有的青花椒脱粒工作主要以人工劳动为主［13］，采摘的带枝青花椒经烘干后用竹条或木棍轻轻敲打实现脱粒［1415］，效率较低。较大型生产工厂通过大型的滚打式脱粒滚筒进行脱粒初选工作，但消耗功率较高、结构复杂庞大。不便于在农户家庭中推广使用。

脱粒过程的具体实现是比较复杂的，往往同时包含多种脱粒原理［16］。脱粒装置常以冲击式原理为主导，结合揉搓、振动等原理来辅助脱粒。连枷独特的结构、柔性扩大击打面积的特性，有利于实现农作物的冲击脱粒。孙虎等［17］对连枷的工作过程进行分析，提出连枷脱粒整个过程利用敲杆惯性和离心力加大打击力度，使物料受到较大冲击以及振动实现脱粒。

基于青花椒脱粒作业现状，本文拟设计一种青花椒脱粒装置，该装置需要结构简单紧凑且能同时实现带枝青花椒的喂料、脱粒、输送收集等作业，便于在农户家庭中推广使用。

1青花椒脱粒装置总体结构与工作原理

1.1青花椒物料特性

为了保证脱粒装置结构的合理性，结合前期课题组的研究［18］，首先对下桩采摘烘干后的青花椒的部分物料特性进行了测试，得到的相关物料特性参数值见表1。

1.2青花椒脱粒装置总体结构

脱粒装置总体结构分为喂料部件、脱粒部件、搅料齿杆装置、输送收集装置四部分。该装置主要由喂料滚筒、伸缩齿杆、料斗、网孔输送机、机架、出料口、偏心盘、电机安装架、搅料齿杆、脱粒元件、脱粒转轴以及驱动电机等组成，如图1所示。

在对青花椒物料特性的研究基础上，以紧凑性和方便安装拆卸及调整等要求设计整机机架、喂料料斗、滚筒以及输送带的结构尺寸，在一定限制下设计出输送机的转动半径，根据工艺加工水平和工作效率要求设计了输送机的输送速度在7.5～15 m/min，为使进料均匀匀速，因此进料滚筒的基准转速设计为8.3 r/min。输送机主、从动轴上均设有尼龙辊绷紧网孔带以防止网孔堵塞物料。脱粒轴上设有若干柔性齿条对物料高速拍击。为实现充分脱粒，该装置在物料前进方向上交错布置两排脱粒轴与两根搅料齿杆转轴。表2为青花椒脱粒装置主要技术参数。

1.3青花椒脱粒装置工作原理

该脱粒装置在喂料部件控制下等速均匀进料，烘干的青花椒枝被输入网孔输送机后，脱粒装置的脱粒元件对其高速冲击，同时搅料齿杆装置辅以翻搅物料的作用，脱粒装置脱粒齿条的冲击力超过花椒和枝条的连接力，花椒从枝条上脱落下来。脱落的花椒从网孔输送带的网孔落料到下层最后从出料口1实现收集。花椒枝条离开输送带从出料口2排出留待进一步处理。

2脱粒装置的关键部件设计

2.1喂料部件

喂料部件主要由伸缩扒齿机构、滚筒和料斗组成，工作时三者紧密结合实现物料均匀等速喂入网孔输送带继续向后输送。

2.1.1伸缩扒齿机构及运动轨迹分析

伸缩扒齿机构主要由滚筒、偏心轴、伸缩扒齿、尼龙三通、定位套筒、导向套、轴承、主动链轮组成，伸缩齿杆机构的结构示意图如图2所示。

伸缩扒齿机构在滚筒周向上均匀设有3排共12根轴向上交错的伸缩扒齿以充分匀速进料，由电机驱动开始工作时，主动链轮带动滚筒驱动伸缩扒齿，使伸缩扒齿逐渐向滚筒外延伸和收缩，相对于滚筒面呈周期性伸缩。送料结束后，伸缩扒齿逐渐缩回筒面避免花椒枝条被带回。可以通过修改偏心轴和机架连接处的约束来调节偏心轴所在的相位。从机械原理上看，该机构属于转动导杆机构。当伸缩扒齿转回滚筒时，为防止扒齿的端部受到磨损以及扒齿过短掉入筒内，设计伸缩扒齿在筒外保留10 mm的安全长度，即lmin=10 mm；扒齿转向前方时，为使花椒枝条喂入充分，设计扒齿伸出筒外的长度lmax=140～150 mm。伸缩扒齿在工作时的运动轨迹及偏移量如图3所示，图中d为滚筒直径，L为伸缩扒齿长度，e为偏心距。

由图3可知

2.1.2伸缩扒齿的动力学分析

滚筒匀速转动，以伸缩扒齿和偏心轴连接处O点为平面直角坐标系原点，使扒齿在x轴，分析扒齿的受力时，O点的铰链的摩擦力很小，对机构运动影响较小可以忽略。伸缩扒齿导向套的轴线和伸缩扒齿轴线的交点为点M，导向套固定于滚筒上驱动扒齿实现周向伸缩旋转运动。

工作过程扒齿受力如图4所示，扒齿受到的力主要有滚筒上导向套的驱动力Fd；花椒枝条对扒齿主要位于端部N点的阻力Fr，该力分解为花椒枝条对扒齿的轴线方向力Fx和对扒齿的垂直作用力Fy；另外还存在伸缩扒齿在支点O处受到的支反力FR，该力的方向可由力矩平衡条件确定。

由此得到花椒枝条对扒齿的轴线方向力Fx和对扒齿的垂直作用力Fy之间存在较明显的关系且主要受伸缩扒齿长度和伸缩扒齿与滚筒的相对位置影响。另外，二者的具体大小受到物料喂入量、物料特性、运动参数等因素影响。

2.2脱粒部件

2.2.1脱粒部件结构形式

脱粒部件主要由转轴和脱粒元件组成。由于型材及其配套零件具有良好的拆卸性和调整性，因此用连接两端轴的型材作为转轴，在轴上装配脱粒元件方便可行。

图5所示为脱粒部件转轴的主要结构，转轴由主动端轴、膨胀螺丝、角件、型材轴和从动端轴以及绑定在角件上的脱粒元件（图6）组成，脱粒元件以高速回转的尼龙套筒来实现对物料的冲击脱粒。脱粒装置的传动形式为链传动。

为充分实现对输送带上花椒枝条的冲击脱粒效果，在脱粒转轴上布置4～5组齿条。脱粒元件冲击侧端部与网孔输送带的距离设计为15 mm，这其中考虑了能否实现充分的冲击以及是否会带回物料缠绕转轴等因素。脱粒元件工作时对脱粒转轴的振动和受力影响较大，因此脱粒元件在轴向与轴向的排列应避免干涉且作业时对物料不会漏脱、重脱且使脱粒转轴运转平稳。因此采用对称螺旋线的排列方式以减少转轴所受的冲击负载，降低转轴的振动和受力，提高其使用寿命。由此得到的脱粒元件在型材转轴周向4个面上的排列方式见图7。

2.2.2冲击力计算与脱粒转速初步确定

为初步确定脱粒部件的转速，需要对脱粒元件的冲击力的影响因素进行理论分析。结合Buckingham原理［19］，根据Hertz碰撞公式［20］可以得到脱粒元件冲击力的计算模型，如式（6）所示。

经过试验测得尼龙件（撞击体）、花椒颗粒（被撞击物体）的物料特性参数见表3。

尼龙件质量为35.87 g，计算可得该尼龙件形式下脱粒冲击力Fmax=6.058V2。因此，只要当脱粒轴转速确定时，即可求得最大冲击力的理论值。结合前期用弹簧测力计简易测试以及其它物料连接力（荞麦、水稻）的参考，干后青花椒的連接力约为2～6 N。为使物料充分脱粒，脱粒轴转速初步确定在120 r/min以上，此时最大冲击力可达到60 N，远远大于干花椒与枝梗的分离力。

2.3搅料齿杆装置

搅料齿杆装置主要由曲柄摇杆机构组成，通过输送机主动轴驱动，摇杆构件为焊接有齿杆的摆动轴。输送机主动轴通过偏心盘和连杆与搅料摆动轴组成曲柄摇杆机构，使得搅料齿杆具有一定的摆角，以充分翻搅物料。

曲柄摇杆机构决定了齿杆的摆角幅度，基于前期对花椒物料特性的相关研究，考虑实现物料的搅动且不致堵料导致无法连续工作，齿杆最低点与网孔输送带距离的最大值和最小值分别为50 mm和35 mm，由此设计齿杆的摆角幅度α=42°。结合到空间结构因素，考虑曲柄的长度不超过40 mm。为保证搅料强度，可使齿杆回程平均速度略大于推程，设计行程速比系数K=1.2；此外为保证机构的传力性能，需保证传动角不能过小。

按行程速比法设計铰链四杆机构，AM和AN为焊接在转轴上的齿杆的两极限位置，齿杆是直接作用在物料上的元件，AB和AD对应该机构的摇杆两极限位置。摇杆和齿杆在该机构中属于为同一构件，图8为该机构设计原理图。

设计时，根据行程速比设计值先确定极位夹角θ，拟定摇杆某一数值，根据行程速比法结合表3设计要求利用AutoCAD软件作图求解得到机架点的位置范围（对应图中虚线大圆），然后根据齿杆与曲柄处机架的相对位置并考虑机构的急回特性，得出最后的曲柄和机架的连接点G。

为使物料得到充分翻搅，两摆动轴上的齿杆在轴向上是交错的，且每根轴上的齿杆都是均布的，间距为200 m

式（14）为结构频率特征值分析的基本方程，在进行模态分析时，如果要考虑结构无应力和有应力状态下的刚度变化，则需要在刚度矩阵K中加入应力刚度，然后再进行结构各阶频率和阵型的计算求解。

由于机架结构较大并且机架上工作部件较多，为确保其可靠性，防止另外的工作零部件工作导致机架发生共振，需要对机架进行模态分析。一般来讲，低阶态的频率对结构影响较大，破坏性也最大。对机架模型进行简化，忽略对分析结果影响不大的因素，如：型材倒角等细微几何特征。由机架得到的三维模型，转为x_t格式导入ANSYSWorkbench软件，设定机架为AL6063.T5相关材料属性见表4。利用六面体网格生成方法并通过尺寸设置得到细化规整的网格来提高网格划分质量，设定约束，由此求解得到机架的前6阶固有频率见表5。前六阶模态阵型结果如图10所示。

由结果得到，该型材架的前6阶模态固有频率范围为20～38 Hz，与实际工况下主要工作部件产生的激励频率（10 Hz以下）相差较大，机架受到整机工作产生的振动影响较小。

3.2伸缩扒齿静力学分析

喂料部件中，伸缩扒齿是与物料直接接触并推送物料的构件，需要保证该构件具有足够强度和刚度，因此对伸缩扒齿进行静力学分析。该杆的材料为Q235，它的另一端连接件为尼龙三通。二者的材料属性见表6。

对伸缩扒齿模型增加两平面以施加载荷，自由端平面施加力为物料阻力，另一平面则施加滚筒对伸缩扒齿的驱动力。由此得到伸缩扒齿的划分网格后的有限元分析模型如图11所示，该模型网格质量达到了0.8以上，满足有限元分析要求。利用Supports下displacement方式取代force方式施加载荷，最后于该位置利用probe探测所受力的大小，得到相同载荷仿真下的分析结果。

经过前期的测试，伸缩扒齿匀速转动时，物料对伸缩扒齿的阻力远小于350 N，对应于滚筒对伸缩扒齿的推力远小于520 N。仿真分析得到伸缩扒齿自由端受到阻力为347.18 N时，该极限工况下得到的变形云图和极限应力云图如图12所示。

由应力分布云图12可知，该杆的应力极限值在杆端与尼龙件连接处，且最大值为197.22 MPa，小于屈服极限235 MPa，故满足喂料机构的强度要求。

4脱粒性能试验

研制的脱粒装置样机在重庆荣昌的一个青花椒加工工厂进行试验，试验对象为花椒含水率为8%～10%的烘干后的青花椒枝条。

青花椒脱粒效果与诸多因素有关，如含水率、物料速度、脱粒轴转速等。根据前期分析，青花椒在含水率达到10%左右且略低于该值时，有利于物料的脱落并且保留干花椒较好的品质。本研究脱粒效果的主要影响因子包括：物料喂入速度、脱粒元件形式、脱粒转轴转速。

在前期的预实验中，发现U型齿条容易对枝条物料缠绕、联结在一起，影响后续脱粒效果。因此正式试验采用直齿条式和该基础上对尼龙套筒分节后的分段式脱粒元件对物料进行脱粒试验。装置物料喂入速度主要取决于输送机输送速度，输送机速度过慢会影响脱粒效率，过快会影响脱粒效果，需要进行重脱。在单因素试验脱粒过程中，发现脱粒转轴转速在140～200 r/min 时，青花椒脱粒效果较明显，椒叶、刺、细梗等杂质含量较小且物料较为稳定。因此设定脱粒转轴转速分别为140 r/min、170 r/min、200 r/min进行试验。由于烘干后的青花椒不易损坏花椒品质因而该评价指标效果不明显。本研究选取脱净率和含杂率作为试验评价指标，并以脱净率为主要评价指标，使脱净率和含杂率以8∶2的权值计算综合性能评分。脱净率和含杂率计算公式分别如式（13）和式（14）所示。

通过试验极差分析，得到最优组合为C1B2A3，在脱粒转速为170 r/min，输入速度为13 m/min，分段式脱粒元件形式最优组合下，进行试验验证，结果表明，该装置脱净率为94.01%，含杂率为6.33%。与现有测量计算得到的滚打式脱粒滚筒的脱净率92.8%、含杂率7.71%相比较，本文设计的脱粒装置达到了较好的脱粒效果。

5结论

1）  针对下桩采摘烘干后的青花椒脱粒作业强度较大，目前缺少有效的机械设备辅助生产。本文设计了一种冲击式脱粒装置，该装置能实现稳定均匀喂入花椒枝、花椒脱粒、搅料、物料初筛等花椒脱粒作业。对喂料部件、脱粒部件、搅料齿杆等主要部分进行了结构设计分析，试制出整机尺寸为2 260 mm×1 200 mm×1 500 mm、功耗为2～3 kW的样机。

2）  对装置的机架进行了模态分析，分析结果表明：机架的前六阶固有频率范围为20.435～38.714 Hz，与驱动电机产生的激励频率不在同一区间内，机架受到的振动影响较小。对装置喂料机构的伸缩扒齿进行静力学分析，结果表明：物料对杆的阻力达到350 N的极限工况时，伸缩扒齿的最大应力值为197.22 MPa，满足Q235材料的强度要求。

3）  通过脱粒性能正交试验，得到了较优工作参数组合，并进行试验验证，结果表明脱粒装置在170 r/min、输入速度为13 m/min、分段式脱粒元件形式下，脱净率为94.01%，含杂率为6.33%，达到了较好的脱粒效果。

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