蒲公英種子與絨毛脫分機設(shè)計與試驗

摘要：

針對蒲公英的種子與絨毛分離困難，分離過程中勞動量大、人工成本高等問題，設(shè)計兩級脫分的蒲公英種子與絨毛脫分機。整機結(jié)構(gòu)由一級脫分裝置、二級脫分裝置、負壓除雜裝置、傳動裝置以及進料口組成。對一級脫分和二級脫分的篩網(wǎng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算，得出設(shè)計參數(shù)：一級錐形篩網(wǎng)高度為277 mm，母線長為320 mm，頂圈篩孔個數(shù)為87個，底圈篩孔的個數(shù)為185個，二級沖孔篩的直徑為520 mm，篩孔數(shù)為6 928個。以喂入量和毛刷轉(zhuǎn)速為試驗因素，以蒲公英種子的脫凈率、破損率為試驗指標進行試驗，得到脫分機的最佳工作狀態(tài)：當(dāng)毛刷轉(zhuǎn)速為320 r/min、喂入量為0.003 7 kg/s時，脫凈率為87.6%，破損率為2.8%。蒲公英種子與絨毛脫分機整體結(jié)構(gòu)合理、運行狀況穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：蒲公英種子；絨毛脫分機；毛刷；篩網(wǎng)

中圖分類號：S226.1

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 04-0079-06

Symbol`@@收稿日期：2022年9月22日" 修回日期：2022年11月11日

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2019YFD1002602）；河南省科技攻關(guān)項目（242102110378）

第一作者：屈哲，男，1988年生，河南漯河人，博士，副教授；研究方向為智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)。E-mail： 458365685@qq.com

通訊作者：丁力，男，1989年生，河南安陽人，博士，講師；研究方向為農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與性能試驗。E-mail： 604295294@qq.com

Design and experiment of dandelion seed and pappus separation machine

Qu Zhe， Ma Aobo， Han Minghui， Shao Haihao， Lu Qi， Ding Li

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Henan Agricultural University， Zhengzhou， 450002， China）

Abstract：

Aiming at the problems that it is difficult to separate dandelion seeds from the pappus， and the separation process involves a large amount of labor and high labor costs， the two-stage dandelion seed and pappus separation machine is designed. The overall machine structure consists of a primary separation unit， a secondary separation unit， a negative pressure impurity separation device， a transmission unit and a feeding port. In this article， the structural design and calculations for the sieve screens of the primary and secondary separation units are carried out. The design parameters are determined as follows： the height of the primary conical sieve screen is 277 mm， the base length is 320 mm， the number of top ring sieve holes is 87， and the number of bottom ring sieve holes is 185. The secondary perforated sieve has a diameter of 520 mm with a total of 6928 sieve holes. The experiment is conducted with the feeding amount and brush speed as the experimental factors， and the threshing rate and damaged rate of dandelion seeds as the experimental indicators. The optimal working state of the separator is obtained as follows： when the brush speed is 320 r/min and the feeding amount is 0.0037 kg/s， the threshing rate is 87.6% and the damaged rate is 2.8%. The overall structure of the dandelion seed and pappus separation machine is reasonable， and the operating condition is stable， which can meet the design requirements.

Keywords：

dandelion seed； pappus separation machine； brush； sieve screen

0 引言

蒲公英味苦、甘、性寒，有抗病毒、抗感染、抗腫瘤、預(yù)防心血管疾病的作用，還具有散結(jié)消腫、解毒清熱、通淋利尿的功效，其干燥的根具有降低血脂、抗氧化、保肝等多種藥理活性［1-3］。蒲公英種子表面帶有絨毛，會導(dǎo)致播種時出現(xiàn)互相粘連、流動性差、漏播、重播等現(xiàn)象，人工脫分勞動強度大、成本高［4］。影響精準播種，嚴重影響大規(guī)模播種的效率和效果［5］。

國內(nèi)對于蒲公英種子的研究大都集中在種子收獲機上。雷然等［6］發(fā)明了一種新型蒲公英絨毛種子分離裝置，該裝置有上下兩級揉搓裝置組成，提高了分離的效率。張金汕等［7］發(fā)明的一種循環(huán)式棉籽脫絨機，包括第一滾筒、第二滾筒和磨砂層；待處理的棉籽經(jīng)過多個鋼刷和多個尼龍刷的刷洗和摩擦，棉籽表面的絨毛脫落，再經(jīng)過磨砂層的磨砂輸送，使殘留的絨毛進一步脫落，脫落的絨毛以及破碎殼粒被吸風(fēng)機吸走，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。初科學(xué)［8］發(fā)明的一種智能醫(yī)療藥材蒲公英種子收獲機的分離裝置，通過分離轉(zhuǎn)輪和切割分離盤的轉(zhuǎn)動，能夠?qū)⒎N子上的絨毛切割下來，提高了種子的加工效率。張良萌等［9］發(fā)明的一種蒲公英種子收獲裝置，通過吸氣的方式把蒲公英種子收集到分離桶內(nèi)，電機帶動毛刷滾筒使得毛刷與分離筒間的摩擦及鋸齒形刀片對種子和絨毛進行分離，分離后的種子和絨毛經(jīng)螺旋導(dǎo)向片從出料口排出，吹風(fēng)機可把質(zhì)量較小的絨毛及雜質(zhì)吹離，過濾網(wǎng)可對種子二次過濾。賈生活［10］發(fā)明的一種脫絨清選機，在彈性尼龍攪龍的推動作用下，使種子與脫絨筒壁、種子與種子之間相互摩擦去除種子表面的絨毛。同時一部分小種子、破碎種子通過圓簡表面的篩孔被分離出來，從集雜口排出機體，脫下的絨毛經(jīng)過吸風(fēng)道，被風(fēng)機吸走，沉降到除塵布袋里，達到初步清選的目的。

針對蒲公英種子與絨毛脫分困難、勞動強度大、人工成本高等問題，設(shè)計一種蒲公英種子與絨毛脫分機，對其關(guān)鍵部件進行設(shè)計和分析，并通過試驗驗證，得到脫分機最佳的工作狀態(tài)。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

蒲公英種子與絨毛脫分機由一級脫分裝置、二級脫分裝置、負壓除雜裝置、傳動裝置以及進料口組成，如圖1所示。

一級脫分裝置由一級毛刷、錐形篩網(wǎng)和擊爪組成；二級脫分裝置由二級毛刷、沖孔篩和擊齒組成；負壓除雜裝置包括風(fēng)機、排雜口和集種箱，蒲公英種子與絨毛脫分后的脫出物及籽粒中的輕雜質(zhì)由其進行除雜處理，并對脫出干凈的蒲公英種子進行收集；傳動裝置由電機和傳動軸組成；脫粒機上設(shè)計有進料口，可以將種子與絨毛的混合物順利的填入機體內(nèi)，保證脫粒機能夠連續(xù)進行脫分作業(yè)［11-13］。

1.2 工作原理

蒲公英種子與絨毛脫分機作業(yè)時，首先由電機帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動軸上裝有限位軸承，能夠防止其上下移動，傳動軸帶動毛刷轉(zhuǎn)動，整個裝置進行作業(yè)。然后，當(dāng)種子和絨毛混合物經(jīng)進料口進入裝置內(nèi)部時，裝置上端的擊爪通過高速旋轉(zhuǎn)，將積聚成團的蒲公英種子與絨毛的混合物擊散，落到錐形篩網(wǎng)上，一級脫分裝置的毛刷與錐形篩網(wǎng)進行擠壓、搓擦作業(yè)，將蒲公英種子從絨毛上脫離出來，并通過錐形篩網(wǎng)和沖孔篩上的篩孔落入到下部的集種箱里。最后，經(jīng)過第一次脫分的種毛混合物會隨著一級毛刷的梳刷作用向下落去，安裝在下層的擊齒將它們再次擊散開，被擊散的混合物會散落到?jīng)_孔篩與二級毛刷之間，通過二級毛刷的高速轉(zhuǎn)動，將第一次未脫分干凈的混合物再次脫分，脫分后的蒲公英種子通過沖孔篩上的篩孔落入到集種箱內(nèi)。負壓風(fēng)機通過電力驅(qū)動，可以調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。通過風(fēng)機高速轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生負壓環(huán)境，將脫分的絨毛吸出機外，完成蒲公英種子與絨毛脫分作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 錐形篩網(wǎng)

錐形篩網(wǎng)是種子與絨毛分離的主要結(jié)構(gòu)部件，如圖2所示，種毛混合物沿著進料口喂入裝置內(nèi)部，沿著篩面逐漸向下運動。該分離篩網(wǎng)設(shè)計成錐形并且在接近進料口處直徑變小，不僅能利于蒲公英種子混合物向下運動，也利于增加種毛混合物與篩面的接觸時間，更有利于種子和絨毛的分離，提高脫凈率，篩孔設(shè)計成橢圓形狀，空間利用率較高，節(jié)省材料，節(jié)約成本，同時采用錐形篩網(wǎng)可以降低工作噪聲，簡化機器結(jié)構(gòu)使用的可靠性與穩(wěn)定性，其材質(zhì)選用Q235鋼［14］。

在本文中，將下底面半徑R設(shè)計為200 mm，上底面半徑r設(shè)計成40 mm，篩網(wǎng)的錐角過小時，混合物容易堆積，錐角過大時，減小了與篩網(wǎng)的接觸時間，毛刷發(fā)揮不充分，分離效果變差。通過測量的蒲公英種子的滑動摩擦角，所選材質(zhì)的角度為31.45°，又考慮到為了計算和加工方便，將錐角θ設(shè)置成60°，錐形篩網(wǎng)的高度按式（1）計算，其母線長按式（2）計算。

tanθ=HR-r

（1）

cosθ=R-rL

（2）

式中：

H——錐形篩網(wǎng)的高度，mm；

L——錐形篩網(wǎng)的母線長，mm。

計算得出錐形篩網(wǎng)的高度H為277mm，母線長L為320mm。蒲公英種子的長軸尺寸約在2.6～3.5 mm之間，短軸尺寸約在0.6～1.3 mm之間，篩孔的排列方式應(yīng)該均勻分布，有較好的適應(yīng)性，如圖3所示。滿足種子數(shù)量較多時的分離需求，為了加工方便，在錐形篩網(wǎng)上設(shè)計篩孔時將上下留出一些空隙，大小為10 mm。

將橢圓形篩孔的長軸尺寸a設(shè)計為4 mm，短軸尺寸b設(shè)計為2 mm，相鄰兩個篩孔的水平中心距a1設(shè)計為3 mm，豎直中心距a2設(shè)為6mm，則篩孔的行數(shù)可以用式（3）計算。

n=L-2L0a2=50

（3）

式中：

L0——篩網(wǎng)上下邊緣留出的間距，mm；

n——篩孔的行數(shù)。

錐形篩網(wǎng)展開面與等腰梯形相似，等腰梯形的腰長即為錐形篩網(wǎng)的母線長，上底長度為錐形篩網(wǎng)的上底面周長，下底長度為錐形篩網(wǎng)的下底面周長。每一行篩孔的水平長度可以用數(shù)學(xué)公式中的等差數(shù)列來表示，如式（4）所示，每一行篩孔的個數(shù)用式（5）計算。

Cn=2πr+2［L0+a+（n-1）a2］cosθ

（4）

Mn=Cna1

（5）

式中：

Cn——第n行篩孔的周長，mm；

Mn——第n行篩孔的個數(shù)。

計算得出頂圈的篩孔個數(shù)取87個，底圈的篩孔的個數(shù)取185個，錐形篩網(wǎng)參數(shù)如表1所示。

2.2 一級毛刷

蒲公英種子質(zhì)量比較輕，體積比較小，硬的毛刷相對于軟毛刷，錐形篩網(wǎng)的擠壓和搓擦作業(yè)的強度會加大，使蒲公英種子暗傷和破碎，導(dǎo)致增加種子的破損率。將毛刷設(shè)置成軟毛刷，軟毛刷對蒲公英種子的梳刷、揉搓相對比較柔和，損傷降低很多。一級毛刷的排列平面與水平面的夾角應(yīng)和錐形篩網(wǎng)的錐角相等，使毛刷能很好地對種子進行梳刷作業(yè)，使種子與絨毛徹底分離。

將毛刷固定的旋轉(zhuǎn)體的下底面內(nèi)直徑2R1設(shè)為440 mm，上底面內(nèi)直徑2r1設(shè)為40 mm，同樣根據(jù)式（1）、式（2）計算出旋轉(zhuǎn)體的高度H2為346 mm，旋轉(zhuǎn)體的母線長L2為400 mm；毛刷的排列平面應(yīng)大于錐形篩網(wǎng)的母線長，將毛刷的排列平面的長度設(shè)計為340 mm，排列平面的寬度設(shè)計為20～40 mm；且毛刷應(yīng)與錐形篩網(wǎng)的篩面接觸，所以將毛刷的寬度設(shè)計為40 mm。一級毛刷三維圖如圖4（a）所示。因為需要毛刷附著在外層旋轉(zhuǎn)體內(nèi)表面自上而下裝置，并且在使用時能緊貼內(nèi)層裝置，選擇長方體的條刷；毛刷與毛刷之間以固定的寬度間隔；毛刷的運動軌跡跟隨著外層旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動。選用尼龍1010刷絲作為種子與絨毛分離裝置的刷絲，選擇的毛刷實物圖如圖4（b）所示。

2.3 沖孔篩

農(nóng)業(yè)物料清選分離裝置中常用的篩面類型有編織篩、魚鱗篩、魚眼篩和平面沖孔篩［15， 16］。平面沖孔篩是在薄鋼板上沖制孔眼而成，常用的篩孔有長方孔和圓孔兩種，圓孔篩只有一個量度，即篩孔直徑，易于加工且能減少種子的損傷。沖孔篩的篩片堅固耐用，不易變形，工作時通過與二級毛刷擠壓、搓擦作業(yè)來分離種子與絨毛，并使種子順利落入到集種箱內(nèi)，沖孔篩安裝在集種箱內(nèi)部，直徑D為520mm，固定小圓直徑D1為60mm，材質(zhì)選用Q235鋼。該部件的三維圖如圖5所示。

同時為了降低作業(yè)加工難度，減少作業(yè)工序，將沖孔篩的篩孔制成圓形。根據(jù)對種子尺寸的測量，將沖孔篩上的圓形篩孔直徑d設(shè)計為4 mm，相鄰兩個篩孔水平方向的中心距f2設(shè)為6 mm，將上下相鄰三個篩孔中心點之間的連線所圍成的角度β設(shè)為60°，如圖6所示。

2.4 二級毛刷

二級毛刷是二級脫分裝置的主要工作部件，主要與沖孔篩進行搓擦作業(yè)，將未脫分干凈的蒲公英種子與絨毛再次進行脫分；同樣的，將二級毛刷設(shè)置層軟毛刷。由于沖孔篩設(shè)置在集種箱內(nèi)部，并與底面平行，而毛刷需要與沖孔篩接觸，所以毛刷應(yīng)豎直設(shè)計，即垂直于沖孔篩篩面，且毛刷的最大豎直高度至少超過沖孔篩安裝在集種箱內(nèi)的深度，因此，在該設(shè)計中將毛刷的最大高度設(shè)計成80 mm，其高度由外到內(nèi)依次減小，如圖7所示。在毛刷選型方面，二級毛刷同樣選用前面所述的尼龍毛刷。

3 試驗驗證

3.1 試驗條件

試驗于2022年6月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)試驗基地進行，如圖8所示。全世界約有2 000多種蒲公英，我國常見的有75種［17］，試驗對象為華蒲公英，又名堿地蒲公英［18］。試驗儀器有電子秤、秒表、試驗記錄表、ST-100A薄膜快速水分測定儀等，測量蒲公英種子含水率平均值為5.9%。

3.2 試驗方法

選取毛刷轉(zhuǎn)速和喂入量兩個試驗因素，開展單因素的蒲公英種子與絨毛的脫分試驗，每個因素6個水平，將脫凈率、破損率作為試驗指標，每種處理方式重復(fù)3次取平均值。

3.2.1 脫凈率計算

在蒲公英種子與絨毛的脫分試驗中，脫凈率能夠說明脫分效果的優(yōu)良，脫凈率越高，表明整機的脫分的性能越好，對每種處理方式進行統(tǒng)計，對脫凈率進行計算，如式（15）所示。

Y=W1W1+W2×100%

（15）

式中：

W1——脫凈的種子質(zhì)量，g；

W2——未脫分的種子質(zhì)量，g；

Y——脫凈率，%。

3.2.2 破損率計算

在蒲公英種子與絨毛脫分試驗中，破損率代表著對所脫分種子的損傷的比重，破損率越高，表示對所脫分的種子損傷越多，對整機的脫分性能起到制約的影響，對脫凈后的種子抽取樣本，找出破碎的種子，計算破損率，如式（16）所示。

X=W3W4×100%

（16）

式中：

W3——樣本破損的種子質(zhì)量，g；

W4——樣本的種子質(zhì)量，g；

X——破損率，%。

3.3 單因素試驗

以GB/T 5982《脫粒機試驗方法》進行試驗研究，根據(jù)脫分農(nóng)藝要求和實踐結(jié)合，毛刷轉(zhuǎn)速和喂入量這兩個因素對脫分機的生產(chǎn)作業(yè)影響較大，采用這兩個因素進行單因素試驗。

3.3.1 毛刷轉(zhuǎn)速對性能指標的影響

當(dāng)喂入量為0.003 7 kg/s時，毛刷轉(zhuǎn)速分別為80 r/min、160 r/min、240 r/min、320 r/min、400 r/min、480 r/min，進行試驗研究，試驗結(jié)果如表3所示。

從表3可得，隨著毛刷轉(zhuǎn)速升高，在單位時間內(nèi)，毛刷與種毛混合物的接觸增加，搓擦作業(yè)相對加強，脫凈率一直增加，破損率也一直增加，脫凈率越高，脫分性能越好，但破損率制約著脫分的性能，綜合考量得出，在喂入量為0.003 7 kg/s的條件下，整機性能在毛刷轉(zhuǎn)速為320 r/min時較好，脫凈率為87.7%、破損率為2.7%。

3.3.2 喂入量對性能指標的影響

當(dāng)毛刷轉(zhuǎn)速為320 r/min時，喂入量0.001 7 kg/s、0.002 7 kg/s、0.003 7 kg/s、0.004 7 kg/s、0.005 7 kg/s、0.006 7 kg/s，進行試驗研究，試驗結(jié)果如表4所示。

從表4可得，隨著喂入量增加，在單位時間內(nèi)，每一部分的種毛混合物與篩網(wǎng)和毛刷的接觸會減少，搓擦作業(yè)相對減少，脫凈率一直降低，破損率也一直降低，綜合考量得出，在毛刷轉(zhuǎn)速為320 r/min的條件下，整機性能在喂入量為0.003 7 kg/s時較好，脫凈率為87.6%、破損率為2.8%。

4 結(jié)論

1）" 設(shè)計一款蒲公英種子與絨毛脫分機，整機結(jié)構(gòu)包括一級脫分裝置、二級脫分裝置、負壓除雜裝置、傳動裝置以及進料口組成，滿足蒲公英種子與絨毛的脫分要求。

2）" 對一級脫分和二級脫分的篩網(wǎng)和毛刷做了詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算，一級錐形篩網(wǎng)高度為277 mm，母線長為320 mm，錐角為60°，頂圈篩孔個數(shù)為87個，底圈篩孔的個數(shù)為185個，毛刷的長度設(shè)計為340 mm，寬度設(shè)計為40 mm，錐角60°；二級沖孔篩的直徑為520 mm，篩孔數(shù)為6928個，二級毛刷的最大高度為80 mm。

3）" 通過對蒲公英種子與絨毛脫分機試驗結(jié)果的分析，在毛刷轉(zhuǎn)速為320 r/min、喂入量為0.003 7 kg/s時，脫凈率為87.6%，破損率為2.8%，整機結(jié)構(gòu)簡單、工況穩(wěn)定、脫分效果好。

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