基于下樁采摘的干后青花椒脫粒裝置研究

李秋生 李成松 王麗紅 曹烈旺 張聰

摘要：重慶地區(qū)大部分青花椒生產(chǎn)均為小規(guī)模農(nóng)戶家庭種植經(jīng)營模式，針對“主枝回縮采摘技術(shù)”即下樁采摘烘干后的青花椒物料，設計一種結(jié)構(gòu)緊湊且功耗小的沖擊式脫粒裝置。對喂料部件、脫粒部件、攪料齒桿裝置等關鍵部件進行設計分析，確定裝置各部分結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)。使用ANSYS Workbench軟件對脫粒裝置進行有限元分析，機架受到的振動影響較??；對裝置喂料機構(gòu)的伸縮扒齒進行靜力學分析，滿足強度要求。并對樣機進行正交試驗，在脫粒轉(zhuǎn)速為170 r/min、輸入速度為13 m/min、分段式套筒脫粒元件形式下，物料的脫凈率為94.01%，含雜率為6.33%，達到較優(yōu)的脫粒效果。

關鍵詞：下樁采摘；青花椒；脫粒裝置；正交試驗

中圖分類號：S226.1

文獻標識碼：A

文章編號：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）屬于蕓香科，是一種常見的香料和油料作物［1］。我國花椒產(chǎn)量位居世界第一，根據(jù)資料顯示，2015—2019年花椒消費年均增長4.39%，產(chǎn)量年均增長4.92%。需求量年均增長3.81%［24］?；ń飞a(chǎn)加工過程中機械化程度較低，《中國花椒產(chǎn)業(yè)調(diào)查分析報告》［5］指出，花椒生產(chǎn)加工全產(chǎn)業(yè)鏈過程中機械使用占比僅20%。

花椒具有極高營養(yǎng)價值和藥用價值［67］。花椒根據(jù)果實成熟后的顏色分為青花椒和紅花椒［89］，青花椒主要產(chǎn)于南方，紅花椒在北方居多［10］。重慶江津區(qū)青花椒基地是全國最大的青花椒種植區(qū)，其中大部分的青花椒生產(chǎn)均為小規(guī)模的農(nóng)戶家庭種植經(jīng)營［11］。以重慶青花椒種植區(qū)域為代表創(chuàng)新提出“主枝回縮采摘技術(shù)”，采摘時將帶果枝條連同青花椒一起剪下，即下樁采摘法［12］?，F(xiàn)有的青花椒脫粒工作主要以人工勞動為主［13］，采摘的帶枝青花椒經(jīng)烘干后用竹條或木棍輕輕敲打?qū)崿F(xiàn)脫粒［1415］，效率較低。較大型生產(chǎn)工廠通過大型的滾打式脫粒滾筒進行脫粒初選工作，但消耗功率較高、結(jié)構(gòu)復雜龐大。不便于在農(nóng)戶家庭中推廣使用。

脫粒過程的具體實現(xiàn)是比較復雜的，往往同時包含多種脫粒原理［16］。脫粒裝置常以沖擊式原理為主導，結(jié)合揉搓、振動等原理來輔助脫粒。連枷獨特的結(jié)構(gòu)、柔性擴大擊打面積的特性，有利于實現(xiàn)農(nóng)作物的沖擊脫粒。孫虎等［17］對連枷的工作過程進行分析，提出連枷脫粒整個過程利用敲桿慣性和離心力加大打擊力度，使物料受到較大沖擊以及振動實現(xiàn)脫粒。

基于青花椒脫粒作業(yè)現(xiàn)狀，本文擬設計一種青花椒脫粒裝置，該裝置需要結(jié)構(gòu)簡單緊湊且能同時實現(xiàn)帶枝青花椒的喂料、脫粒、輸送收集等作業(yè)，便于在農(nóng)戶家庭中推廣使用。

1青花椒脫粒裝置總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1青花椒物料特性

為了保證脫粒裝置結(jié)構(gòu)的合理性，結(jié)合前期課題組的研究［18］，首先對下樁采摘烘干后的青花椒的部分物料特性進行了測試，得到的相關物料特性參數(shù)值見表1。

1.2青花椒脫粒裝置總體結(jié)構(gòu)

脫粒裝置總體結(jié)構(gòu)分為喂料部件、脫粒部件、攪料齒桿裝置、輸送收集裝置四部分。該裝置主要由喂料滾筒、伸縮齒桿、料斗、網(wǎng)孔輸送機、機架、出料口、偏心盤、電機安裝架、攪料齒桿、脫粒元件、脫粒轉(zhuǎn)軸以及驅(qū)動電機等組成，如圖1所示。

在對青花椒物料特性的研究基礎上，以緊湊性和方便安裝拆卸及調(diào)整等要求設計整機機架、喂料料斗、滾筒以及輸送帶的結(jié)構(gòu)尺寸，在一定限制下設計出輸送機的轉(zhuǎn)動半徑，根據(jù)工藝加工水平和工作效率要求設計了輸送機的輸送速度在7.5～15 m/min，為使進料均勻勻速，因此進料滾筒的基準轉(zhuǎn)速設計為8.3 r/min。輸送機主、從動軸上均設有尼龍輥繃緊網(wǎng)孔帶以防止網(wǎng)孔堵塞物料。脫粒軸上設有若干柔性齒條對物料高速拍擊。為實現(xiàn)充分脫粒，該裝置在物料前進方向上交錯布置兩排脫粒軸與兩根攪料齒桿轉(zhuǎn)軸。表2為青花椒脫粒裝置主要技術(shù)參數(shù)。

1.3青花椒脫粒裝置工作原理

該脫粒裝置在喂料部件控制下等速均勻進料，烘干的青花椒枝被輸入網(wǎng)孔輸送機后，脫粒裝置的脫粒元件對其高速沖擊，同時攪料齒桿裝置輔以翻攪物料的作用，脫粒裝置脫粒齒條的沖擊力超過花椒和枝條的連接力，花椒從枝條上脫落下來。脫落的花椒從網(wǎng)孔輸送帶的網(wǎng)孔落料到下層最后從出料口1實現(xiàn)收集。花椒枝條離開輸送帶從出料口2排出留待進一步處理。

2脫粒裝置的關鍵部件設計

2.1喂料部件

喂料部件主要由伸縮扒齒機構(gòu)、滾筒和料斗組成，工作時三者緊密結(jié)合實現(xiàn)物料均勻等速喂入網(wǎng)孔輸送帶繼續(xù)向后輸送。

2.1.1伸縮扒齒機構(gòu)及運動軌跡分析

伸縮扒齒機構(gòu)主要由滾筒、偏心軸、伸縮扒齒、尼龍三通、定位套筒、導向套、軸承、主動鏈輪組成，伸縮齒桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

伸縮扒齒機構(gòu)在滾筒周向上均勻設有3排共12根軸向上交錯的伸縮扒齒以充分勻速進料，由電機驅(qū)動開始工作時，主動鏈輪帶動滾筒驅(qū)動伸縮扒齒，使伸縮扒齒逐漸向滾筒外延伸和收縮，相對于滾筒面呈周期性伸縮。送料結(jié)束后，伸縮扒齒逐漸縮回筒面避免花椒枝條被帶回?？梢酝ㄟ^修改偏心軸和機架連接處的約束來調(diào)節(jié)偏心軸所在的相位。從機械原理上看，該機構(gòu)屬于轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)。當伸縮扒齒轉(zhuǎn)回滾筒時，為防止扒齒的端部受到磨損以及扒齒過短掉入筒內(nèi)，設計伸縮扒齒在筒外保留10 mm的安全長度，即lmin=10 mm；扒齒轉(zhuǎn)向前方時，為使花椒枝條喂入充分，設計扒齒伸出筒外的長度lmax=140～150 mm。伸縮扒齒在工作時的運動軌跡及偏移量如圖3所示，圖中d為滾筒直徑，L為伸縮扒齒長度，e為偏心距。

由圖3可知

2.1.2伸縮扒齒的動力學分析

滾筒勻速轉(zhuǎn)動，以伸縮扒齒和偏心軸連接處O點為平面直角坐標系原點，使扒齒在x軸，分析扒齒的受力時，O點的鉸鏈的摩擦力很小，對機構(gòu)運動影響較小可以忽略。伸縮扒齒導向套的軸線和伸縮扒齒軸線的交點為點M，導向套固定于滾筒上驅(qū)動扒齒實現(xiàn)周向伸縮旋轉(zhuǎn)運動。

工作過程扒齒受力如圖4所示，扒齒受到的力主要有滾筒上導向套的驅(qū)動力Fd；花椒枝條對扒齒主要位于端部N點的阻力Fr，該力分解為花椒枝條對扒齒的軸線方向力Fx和對扒齒的垂直作用力Fy；另外還存在伸縮扒齒在支點O處受到的支反力FR，該力的方向可由力矩平衡條件確定。

由此得到花椒枝條對扒齒的軸線方向力Fx和對扒齒的垂直作用力Fy之間存在較明顯的關系且主要受伸縮扒齒長度和伸縮扒齒與滾筒的相對位置影響。另外，二者的具體大小受到物料喂入量、物料特性、運動參數(shù)等因素影響。

2.2脫粒部件

2.2.1脫粒部件結(jié)構(gòu)形式

脫粒部件主要由轉(zhuǎn)軸和脫粒元件組成。由于型材及其配套零件具有良好的拆卸性和調(diào)整性，因此用連接兩端軸的型材作為轉(zhuǎn)軸，在軸上裝配脫粒元件方便可行。

圖5所示為脫粒部件轉(zhuǎn)軸的主要結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)軸由主動端軸、膨脹螺絲、角件、型材軸和從動端軸以及綁定在角件上的脫粒元件（圖6）組成，脫粒元件以高速回轉(zhuǎn)的尼龍?zhí)淄瞾韺崿F(xiàn)對物料的沖擊脫粒。脫粒裝置的傳動形式為鏈傳動。

為充分實現(xiàn)對輸送帶上花椒枝條的沖擊脫粒效果，在脫粒轉(zhuǎn)軸上布置4～5組齒條。脫粒元件沖擊側(cè)端部與網(wǎng)孔輸送帶的距離設計為15 mm，這其中考慮了能否實現(xiàn)充分的沖擊以及是否會帶回物料纏繞轉(zhuǎn)軸等因素。脫粒元件工作時對脫粒轉(zhuǎn)軸的振動和受力影響較大，因此脫粒元件在軸向與軸向的排列應避免干涉且作業(yè)時對物料不會漏脫、重脫且使脫粒轉(zhuǎn)軸運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。因此采用對稱螺旋線的排列方式以減少轉(zhuǎn)軸所受的沖擊負載，降低轉(zhuǎn)軸的振動和受力，提高其使用壽命。由此得到的脫粒元件在型材轉(zhuǎn)軸周向4個面上的排列方式見圖7。

2.2.2沖擊力計算與脫粒轉(zhuǎn)速初步確定

為初步確定脫粒部件的轉(zhuǎn)速，需要對脫粒元件的沖擊力的影響因素進行理論分析。結(jié)合Buckingham原理［19］，根據(jù)Hertz碰撞公式［20］可以得到脫粒元件沖擊力的計算模型，如式（6）所示。

經(jīng)過試驗測得尼龍件（撞擊體）、花椒顆粒（被撞擊物體）的物料特性參數(shù)見表3。

尼龍件質(zhì)量為35.87 g，計算可得該尼龍件形式下脫粒沖擊力Fmax=6.058V2。因此，只要當脫粒軸轉(zhuǎn)速確定時，即可求得最大沖擊力的理論值。結(jié)合前期用彈簧測力計簡易測試以及其它物料連接力（蕎麥、水稻）的參考，干后青花椒的連接力約為2～6 N。為使物料充分脫粒，脫粒軸轉(zhuǎn)速初步確定在120 r/min以上，此時最大沖擊力可達到60 N，遠遠大于干花椒與枝梗的分離力。

2.3攪料齒桿裝置

攪料齒桿裝置主要由曲柄搖桿機構(gòu)組成，通過輸送機主動軸驅(qū)動，搖桿構(gòu)件為焊接有齒桿的擺動軸。輸送機主動軸通過偏心盤和連桿與攪料擺動軸組成曲柄搖桿機構(gòu)，使得攪料齒桿具有一定的擺角，以充分翻攪物料。

曲柄搖桿機構(gòu)決定了齒桿的擺角幅度，基于前期對花椒物料特性的相關研究，考慮實現(xiàn)物料的攪動且不致堵料導致無法連續(xù)工作，齒桿最低點與網(wǎng)孔輸送帶距離的最大值和最小值分別為50 mm和35 mm，由此設計齒桿的擺角幅度α=42°。結(jié)合到空間結(jié)構(gòu)因素，考慮曲柄的長度不超過40 mm。為保證攪料強度，可使齒桿回程平均速度略大于推程，設計行程速比系數(shù)K=1.2；此外為保證機構(gòu)的傳力性能，需保證傳動角不能過小。

按行程速比法設計鉸鏈四桿機構(gòu)，AM和AN為焊接在轉(zhuǎn)軸上的齒桿的兩極限位置，齒桿是直接作用在物料上的元件，AB和AD對應該機構(gòu)的搖桿兩極限位置。搖桿和齒桿在該機構(gòu)中屬于為同一構(gòu)件，圖8為該機構(gòu)設計原理圖。

設計時，根據(jù)行程速比設計值先確定極位夾角θ，擬定搖桿某一數(shù)值，根據(jù)行程速比法結(jié)合表3設計要求利用AutoCAD軟件作圖求解得到機架點的位置范圍（對應圖中虛線大圓），然后根據(jù)齒桿與曲柄處機架的相對位置并考慮機構(gòu)的急回特性，得出最后的曲柄和機架的連接點G。

為使物料得到充分翻攪，兩擺動軸上的齒桿在軸向上是交錯的，且每根軸上的齒桿都是均布的，間距為200 m

式（14）為結(jié)構(gòu)頻率特征值分析的基本方程，在進行模態(tài)分析時，如果要考慮結(jié)構(gòu)無應力和有應力狀態(tài)下的剛度變化，則需要在剛度矩陣K中加入應力剛度，然后再進行結(jié)構(gòu)各階頻率和陣型的計算求解。

由于機架結(jié)構(gòu)較大并且機架上工作部件較多，為確保其可靠性，防止另外的工作零部件工作導致機架發(fā)生共振，需要對機架進行模態(tài)分析。一般來講，低階態(tài)的頻率對結(jié)構(gòu)影響較大，破壞性也最大。對機架模型進行簡化，忽略對分析結(jié)果影響不大的因素，如：型材倒角等細微幾何特征。由機架得到的三維模型，轉(zhuǎn)為x_t格式導入ANSYSWorkbench軟件，設定機架為AL6063.T5相關材料屬性見表4。利用六面體網(wǎng)格生成方法并通過尺寸設置得到細化規(guī)整的網(wǎng)格來提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，設定約束，由此求解得到機架的前6階固有頻率見表5。前六階模態(tài)陣型結(jié)果如圖10所示。

由結(jié)果得到，該型材架的前6階模態(tài)固有頻率范圍為20～38 Hz，與實際工況下主要工作部件產(chǎn)生的激勵頻率（10 Hz以下）相差較大，機架受到整機工作產(chǎn)生的振動影響較小。

3.2伸縮扒齒靜力學分析

喂料部件中，伸縮扒齒是與物料直接接觸并推送物料的構(gòu)件，需要保證該構(gòu)件具有足夠強度和剛度，因此對伸縮扒齒進行靜力學分析。該桿的材料為Q235，它的另一端連接件為尼龍三通。二者的材料屬性見表6。

對伸縮扒齒模型增加兩平面以施加載荷，自由端平面施加力為物料阻力，另一平面則施加滾筒對伸縮扒齒的驅(qū)動力。由此得到伸縮扒齒的劃分網(wǎng)格后的有限元分析模型如圖11所示，該模型網(wǎng)格質(zhì)量達到了0.8以上，滿足有限元分析要求。利用Supports下displacement方式取代force方式施加載荷，最后于該位置利用probe探測所受力的大小，得到相同載荷仿真下的分析結(jié)果。

經(jīng)過前期的測試，伸縮扒齒勻速轉(zhuǎn)動時，物料對伸縮扒齒的阻力遠小于350 N，對應于滾筒對伸縮扒齒的推力遠小于520 N。仿真分析得到伸縮扒齒自由端受到阻力為347.18 N時，該極限工況下得到的變形云圖和極限應力云圖如圖12所示。

由應力分布云圖12可知，該桿的應力極限值在桿端與尼龍件連接處，且最大值為197.22 MPa，小于屈服極限235 MPa，故滿足喂料機構(gòu)的強度要求。

4脫粒性能試驗

研制的脫粒裝置樣機在重慶榮昌的一個青花椒加工工廠進行試驗，試驗對象為花椒含水率為8%～10%的烘干后的青花椒枝條。

青花椒脫粒效果與諸多因素有關，如含水率、物料速度、脫粒軸轉(zhuǎn)速等。根據(jù)前期分析，青花椒在含水率達到10%左右且略低于該值時，有利于物料的脫落并且保留干花椒較好的品質(zhì)。本研究脫粒效果的主要影響因子包括：物料喂入速度、脫粒元件形式、脫粒轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。

在前期的預實驗中，發(fā)現(xiàn)U型齒條容易對枝條物料纏繞、聯(lián)結(jié)在一起，影響后續(xù)脫粒效果。因此正式試驗采用直齒條式和該基礎上對尼龍?zhí)淄卜止?jié)后的分段式脫粒元件對物料進行脫粒試驗。裝置物料喂入速度主要取決于輸送機輸送速度，輸送機速度過慢會影響脫粒效率，過快會影響脫粒效果，需要進行重脫。在單因素試驗脫粒過程中，發(fā)現(xiàn)脫粒轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速在140～200 r/min 時，青花椒脫粒效果較明顯，椒葉、刺、細梗等雜質(zhì)含量較小且物料較為穩(wěn)定。因此設定脫粒轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速分別為140 r/min、170 r/min、200 r/min進行試驗。由于烘干后的青花椒不易損壞花椒品質(zhì)因而該評價指標效果不明顯。本研究選取脫凈率和含雜率作為試驗評價指標，并以脫凈率為主要評價指標，使脫凈率和含雜率以8∶2的權(quán)值計算綜合性能評分。脫凈率和含雜率計算公式分別如式（13）和式（14）所示。

通過試驗極差分析，得到最優(yōu)組合為C1B2A3，在脫粒轉(zhuǎn)速為170 r/min，輸入速度為13 m/min，分段式脫粒元件形式最優(yōu)組合下，進行試驗驗證，結(jié)果表明，該裝置脫凈率為94.01%，含雜率為6.33%。與現(xiàn)有測量計算得到的滾打式脫粒滾筒的脫凈率92.8%、含雜率7.71%相比較，本文設計的脫粒裝置達到了較好的脫粒效果。

5結(jié)論

1）? 針對下樁采摘烘干后的青花椒脫粒作業(yè)強度較大，目前缺少有效的機械設備輔助生產(chǎn)。本文設計了一種沖擊式脫粒裝置，該裝置能實現(xiàn)穩(wěn)定均勻喂入花椒枝、花椒脫粒、攪料、物料初篩等花椒脫粒作業(yè)。對喂料部件、脫粒部件、攪料齒桿等主要部分進行了結(jié)構(gòu)設計分析，試制出整機尺寸為2 260 mm×1 200 mm×1 500 mm、功耗為2～3 kW的樣機。

2）? 對裝置的機架進行了模態(tài)分析，分析結(jié)果表明：機架的前六階固有頻率范圍為20.435～38.714 Hz，與驅(qū)動電機產(chǎn)生的激勵頻率不在同一區(qū)間內(nèi)，機架受到的振動影響較小。對裝置喂料機構(gòu)的伸縮扒齒進行靜力學分析，結(jié)果表明：物料對桿的阻力達到350 N的極限工況時，伸縮扒齒的最大應力值為197.22 MPa，滿足Q235材料的強度要求。

3）? 通過脫粒性能正交試驗，得到了較優(yōu)工作參數(shù)組合，并進行試驗驗證，結(jié)果表明脫粒裝置在170 r/min、輸入速度為13 m/min、分段式脫粒元件形式下，脫凈率為94.01%，含雜率為6.33%，達到了較好的脫粒效果。

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