聶慶亮，郝建軍，龍思放，宋亞輝，張賀斌，韓 鵬，馬志凱，趙建國

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院 糧油作物研究所，河北 石家莊 050035；3.河北省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，河北 石家莊 050035）

花生所含營養(yǎng)價值高，是我國廣泛種植的油料作物和經(jīng)濟作物之一，在世界范圍花生種植具有舉足輕重的地位［1-3］?；ㄉN子分級是花生播種前的重要環(huán)節(jié)，大小均勻的花生種子是保證出苗時間一致、出苗整齊一致，達到平衡增產(chǎn)的關(guān)鍵因素［4］。

目前花生分級機多采用滾筒式、振動式和斜階輥式3種分級機構(gòu)。滾筒式、振動式分級機構(gòu)，依據(jù)花生外形設(shè)計多級篩孔，在滾筒篩轉(zhuǎn)動或振動篩板振動作用下使花生通過各級篩孔實現(xiàn)分級［5］，如呂尚武等設(shè)計的花生除雜分級機［6-7］、馮金友等設(shè)計的水平振動花生果篩選機［8］、薛然等設(shè)計的花生莢果圓筒篩分試驗樣機［9］、劉敏基等設(shè)計的柵條滾筒式花生分級機構(gòu)［10-11］等均屬于滾筒式或振動式分級機構(gòu)，該2類機型工作時易造成篩孔堵塞；斜階輥式分級機構(gòu)，花生在重力作用下沿傾斜的階梯輥滑動，并在對應(yīng)間隙處落入接料箱中［12］，但利用該機型分級時，因花生運動速度不便控制而易造成花生竄級，影響分級精確率。針對上述花生種子分級機構(gòu)存在的篩孔堵塞、花生竄級、分級精確率低及花生小區(qū)播種時播種量小、品種多、種子大小不一等問題，本研究設(shè)計了1種雙輥式花生種子分級機構(gòu)，并對其工作參數(shù)進行優(yōu)化，旨在實現(xiàn)花生種子的精準分級，以滿足花生小區(qū)播種需求。

1 分級機構(gòu)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙輥式小區(qū)花生種子分級機構(gòu)主要由進料、分級和傳動三部分組成，如圖1-a所示。其中進料部分由料斗支撐架、直線電機和振動料斗組成；分級部分由光軸定輥、螺旋轉(zhuǎn)輥、分級輥支撐架和接料斗組成。其工作過程如下：花生種子經(jīng)振動料斗送入分級部分，螺旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)動并通過其上的螺旋條帶使花生種子沿軸線推進，使花生種子從軸段分級間隙條落入對應(yīng)的接料斗，實現(xiàn)花生種子的分級。

由圖1-b所示，能實現(xiàn)5級花生種子分級，L1、L2、L3、L4和L5分別表示第1級至第5級分級間隙寬度，其值分別為9、10、11、12和16 mm，使粒徑超過12 mm的花生全部落入最后一級接料斗中。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Hierarchical structure

1.2 進料部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2所示，直線電機移動位移X1與振動料斗轉(zhuǎn)動角度β滿足公式（1），選用具有高頻短程往復(fù)運動特點的直線電機做激振源［13］，直線電機輸出軸做往復(fù)運動，使振動料斗繞鉸鏈做擺轉(zhuǎn)運動，通過控制直線電機的轉(zhuǎn)動速度調(diào)節(jié)振動料斗的擺動頻率，從而實現(xiàn)花生種子的喂入速率發(fā)生改變。

1.3 分級雙輥結(jié)構(gòu)設(shè)計

分級雙輥由光軸定輥和螺旋轉(zhuǎn)輥組成，如圖3所示。兩分級輥安裝時預(yù)留分級間隙，依據(jù)花生種子分級標(biāo)準設(shè)定每分級輥軸段花生種子分級間隙條寬度，并沿花生種子軸向前進方向間隙寬度依次增加。螺旋輥起輸送花生種子的作用，與光輥組成分級間隙條孔，螺旋轉(zhuǎn)輥上設(shè)計螺旋條帶，螺旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)動并通過其上的螺旋條帶使花生種子沿軸線推進并從分級間隙條中落入對應(yīng)接料斗中，實現(xiàn)花生種子的分級。為盡可能減少對花生種子的機械傷害，螺旋條帶設(shè)計為半球狀，如圖3中所示。

圖2 進料部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the feeding part

式中，X1—直線電機輸出軸移動位移，mm；

β—振動料斗轉(zhuǎn)動角度，°；

t—運動時間，s；

n—直線電機頻率改變系數(shù)。

圖3 分級雙輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of graded double roll structure

參照傾斜階梯對輥式花生莢果分級機構(gòu)［11］及結(jié)合整機尺寸，設(shè)計光軸定輥直徑為90 mm，螺旋轉(zhuǎn)輥分級大端軸段直徑D同為90 mm，且各分級軸段直徑依次遞減為88、86、84和76 mm，每段軸段長度為200 mm。為保證花生能夠沿軸向有效推進且保證花生分級的精確率，本試驗依據(jù)花生種子長度，螺旋轉(zhuǎn)輥上螺旋條帶螺距至少為18 mm，選取螺距為20 mm，經(jīng)前期仿真試驗分析，所在螺旋轉(zhuǎn)輥上螺旋條帶直徑在小于8 mm、螺旋輥轉(zhuǎn)速取值小于90 r/min時對分級精確率和分級效率幾乎無影響，選取螺旋條帶直徑為6 mm，初選螺旋輥轉(zhuǎn)速取值為120 r/min。

2 分級仿真分析

EDEM是國際通用的基于離散單元法模擬和分析顆粒系統(tǒng)過程處理和生產(chǎn)操作的CAE軟件，目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已取得了廣泛的應(yīng)用［14-15］。分級過程中，每粒花生種子都可以看作是1個獨立運動的顆粒，是離散形式的，故在研究花生種子的分級仿真運動中，采用離散元方法更為合適，本研究選用EDEM軟件進行仿真，由于機架、電動推桿、振動料斗、電機等部件對仿真結(jié)果無影響，因此在離散元仿真分析時，只保留光軸定輥，螺旋轉(zhuǎn)輥和接料斗作為仿真對象，建立離散元仿真模型（如圖4示）。

圖4 仿真模型Fig.4 Simulation model

在探究花生種子分級仿真運動并分析該機構(gòu)分級花生種子的可行性時采用Hertz-Mindlin模型［16］作為花生與分級雙輥（鋼）之間的接觸模型，仿真參數(shù)如表1所示［17-19］。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameter

用于仿真的花生粒徑（如圖5所示）分別為8.5、9.5、10.5、11.5和12.5 mm，每種花生顆粒各100粒。所得花生分級仿真各顆粒運動軌跡如圖6所示，花生顆粒粒徑從小至大，自左至右分別落入對應(yīng)的接料斗中，實現(xiàn)對不同粒徑的花生顆粒進行分級。

圖5 花生種子及其顆粒模型Fig.5 Peanut seed and grain model

圖6 花生分級運動軌跡Fig.6 Peanut grading movement track

3 分級機構(gòu)性能測試與分析

3.1 試驗因素與方案

由公式（2）可知螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度及其轉(zhuǎn)速對花生種子的分級精確率有重要影響。若螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度過長，會使花生種子分級機構(gòu)體積過大，延長花生種子分級時間，降低分級效率;若螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度過短，由于花生種子落入分級輥間隙時瞬間獲得一定的水平初速度，在分級的過程中極易產(chǎn)生竄級現(xiàn)象，影響分級精確率。若螺旋轉(zhuǎn)輥的轉(zhuǎn)速過大，會使花生種子獲得較大的水平速度易造成竄級，降低花生的分級精度;若轉(zhuǎn)速過小，延長分級時間，降低分級效率。

其中，V—花生在分級輥上的軸向速度，mm/s;

ω—螺旋分級輥的角速度，rad/s;

B—螺旋轉(zhuǎn)輥螺距，mm。

由于螺旋轉(zhuǎn)輥上設(shè)計的螺旋條帶及螺旋條帶螺距在設(shè)計范圍內(nèi)對花生損傷影響小，本研究忽略螺旋輥對花生損傷的影響，以分級精確率和分級效率2項指標(biāo)，作為本研究設(shè)計的花生種子小區(qū)分級機構(gòu)工作參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)，分級效率通過分級耗時加以衡量，分級精確率通過花生種子正確落入接料箱中的數(shù)目占總數(shù)目的百分比加以定義。由上文分析可知，螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度和螺旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速的取值會影響分級結(jié)果，而花生種子喂入速率越大，易造成花生種子在分級軸段間隙處堆積，影響分級精確率，速率越小則延長分級時間，降低分級效率。為優(yōu)化分級機構(gòu)工作參數(shù)，設(shè)計Box-Behnken試驗，試驗因素A為螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度、B為螺旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速、從C為喂入速率，試驗響應(yīng)值為分級精度Y1、分級耗時Y2為試驗結(jié)果，每組試驗改變仿真模型的參數(shù)并導(dǎo)入 EDEM，經(jīng)數(shù)值模擬得出試驗結(jié)果。前期仿真分析所得因素水平表如表2所示，表3為Box-Behnken 試驗方案與結(jié)果。

表2 試驗因素編碼Table 2 Test factors and levels

表3 Box-Behnken 試驗方案與結(jié)果Table 3 Box-Behnken Test scheme and result

每個試驗仿真結(jié)束后記錄分級耗時，EDEM分析界面內(nèi)在各收集料斗中創(chuàng)建Bin group域，如圖7所示，對創(chuàng)建的Bin group域進行顆粒統(tǒng)計分析，統(tǒng)計各收料斗中不同顆粒的數(shù)目，依據(jù)公式（3）計算分級精確率。

其中，n—正確落入目標(biāo)收料斗的總數(shù)目，個；

N—試驗總的顆粒數(shù)目，個；

θ—分級精率，%。

圖7 花生運動仿真數(shù)目統(tǒng)計Fig.7 Peanut movement simulation process

3.2 結(jié)果與分析

依據(jù)表3，使用State-East公司的Design-Expert V8.0.6.1軟件對試驗結(jié)果進行方差分析。

結(jié)果如表4、5所示，所得分級精確率Y1和分級耗時Y2關(guān)于顯著項的回歸模型為式（4）和式（5）。

表4 分級精確率試驗結(jié)果采用通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計回歸方程方差分析Table 4 The results of grading time-consuming test using universal rotation combination design regression equation analysis of variance

表5 分級耗時試驗結(jié)果采用通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計回歸方程方差分析Table 5 The results of grading time-consuming test using universal rotation combination design regression equation analysis of variance

據(jù)表4可知，模型顯著性檢驗P＜0.001，失擬項的p值為0.062 8，說明回歸模型極顯著，失擬不顯著，回歸有效。由方差分析表可知，對分級精確率的影響，A極顯著、B極顯著、C極顯著、A2極顯著，影響顯著順序為A＞B＞C＞A2。

據(jù)表5可知，模型顯著性檢驗P＜0.001,失擬項的p值為0.066 7，說明回歸模型極顯著，失擬不顯著，回歸有效。由方差分析表可知，對分級精確率的影響，A極顯著、B顯著、C極顯著、AC顯著，且A項與C項對分級耗時有交互作用的影響，影響顯著順序為C＞A＞AC＞B。

為得到分級機構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合，在Design-Expert軟件中以分級精確率高且分級耗時短為目標(biāo)求解雙輥式小區(qū)花生種子分級機構(gòu)工作參數(shù)為：螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度為171.9 mm，螺旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速為149.52 r/min，喂入速率為5.82粒/s，對應(yīng)分級精確率為93.69%。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計了1種雙輥式花生種子分級機構(gòu)并對其關(guān)鍵部件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用EDEM軟件，以光軸定輥、螺旋轉(zhuǎn)輥和接料斗作為仿真對象，采用Hertz-Mindlin模型作為花生與鋼之間的接觸模型，分析了分級作業(yè)時花生種子的運動情況，并依據(jù)花生顆粒的運動軌跡分析驗證了雙輥式花生種子分級機構(gòu)可行性。

（2）螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度、螺旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速及喂入速率影響分級精確率和分級效率，通過3因素Box-Behnken 試驗，利用Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進行方差分析，建立了顯著項的回歸模型。以分級精確率高且分級耗時短為目標(biāo)優(yōu)化的分級工藝參數(shù)為：螺旋轉(zhuǎn)輥軸段長度為171.9 mm，螺旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速為149.52 r/min，喂入速率為5.82粒/s。