郭關(guān)柱 張易楷 羅亞南 毛韋迪

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 昆明 650201； 2.云南朝展農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司， 昆明 650504)

0 引言

花椒是應(yīng)用較廣的調(diào)味品，我國云南、重慶和陜西等地具有悠久的種植歷史，2021年僅云南種植花椒面積就達(dá)1.5×106hm2、總產(chǎn)量8.8×104t[1]?；ń凡扇∩降胤N植導(dǎo)致了分散的產(chǎn)地初加工模式。成熟的花椒連帶細(xì)枝粗葉采收后，需即時(shí)進(jìn)行干燥→打碎→篩選→分裝等產(chǎn)地初加工工序。篩選作為關(guān)鍵工序，需分別將花椒殼和花椒籽從細(xì)梗碎葉和粗大枝葉的混合物中篩選出來，篩選效率和篩凈率對(duì)工序效能和產(chǎn)品品質(zhì)具有重要影響。

篩分裝置原理與方法方面，劉曉飛等[2]基于綜合平衡法，研究了三自由度篩選裝置，得出篩面寬度方向的振幅對(duì)篩分速度影響最大，風(fēng)速對(duì)含雜率影響最大的結(jié)論；王立軍等[3]和丁振軍[4]基于顆粒非線性跳動(dòng)理論，研究了平面往復(fù)、三移動(dòng)一擺動(dòng)及三移動(dòng)兩轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)篩篩板的可行性與合理性；鄧嘉鳴等[5]提出了淺凹坑型、波浪型等非平面篩面的多維透篩原理并驗(yàn)證了其可行性；WEI等[6]和張敏等[7]建立了最大沖擊加速度和振動(dòng)幅度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過響應(yīng)面建立分離篩的振動(dòng)頻率和運(yùn)行速度，試驗(yàn)證明提出的模型能夠反映損失率和分離性能；LIU等[8]采用虛擬裝配技術(shù)提高裝配質(zhì)量和效率，建立了虛擬樣機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)環(huán)境下篩分狀況模擬。

振動(dòng)篩模態(tài)方面，盧峻達(dá)等[9]利用有限元仿真分析方法，分析了BF142型刨花振動(dòng)篩模態(tài)及瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)，結(jié)果表明振動(dòng)篩工作頻率避開振動(dòng)篩固有頻率后，工作過程中不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象；張濤等[10]開展了刨花振動(dòng)篩運(yùn)轉(zhuǎn)工況下主結(jié)構(gòu)振動(dòng)應(yīng)變測試與分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)加大和振動(dòng)強(qiáng)度提高后，會(huì)出現(xiàn)工作頻率低、動(dòng)態(tài)平衡性差和疲勞壽命短等問題；沈高飛等[11]采用模態(tài)分析方法，獲得振動(dòng)篩固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)，分析出振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)存在問題；祝兆帥等[12]對(duì)斜齒對(duì)輥擠壓式杏核破殼裝置的破殼壓輥進(jìn)行了模態(tài)分析，得到破殼輥?zhàn)畹碗A固有頻率為17.3 Hz，遠(yuǎn)大于工況激勵(lì)頻率5.8～7.5 Hz，不會(huì)產(chǎn)生共振。

近年來，兼顧篩選效率與篩選質(zhì)量，提升篩選裝置的疲勞壽命，成為篩選機(jī)械主要發(fā)展方向[13-15]。就花椒篩選而言，分散式加工要求篩選機(jī)械體積小和質(zhì)量輕，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大。隨著小型篩選機(jī)技術(shù)進(jìn)步，適宜分散式使用的二層或三層篩集成式花椒篩選機(jī)得到發(fā)展，基于偏心振動(dòng)原理，每層篩篩選一種雜質(zhì)，篩選擺動(dòng)頻率為4～5 Hz，篩凈率和篩選效率為70%和200 kg/h。受篩面層數(shù)和擺動(dòng)不平衡性限制，二層或三層篩式花椒篩選機(jī)難于提高篩選效率和篩凈率。

針對(duì)花椒篩選實(shí)際需求，從篩選機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性、篩板層數(shù)與結(jié)構(gòu)形式方面入手，文獻(xiàn)[16-17]設(shè)計(jì)了一種四層篩式花椒篩選機(jī)，利用每層篩篩選一種粒度物質(zhì)來提高篩凈率，頂層篩與第2層篩連接、第3層篩與底層篩連接，2套連接裝置由偏心輪驅(qū)動(dòng)和連桿牽引擺動(dòng)時(shí)互為反向運(yùn)動(dòng)，減小擺動(dòng)不平衡力矩，提升篩選最高擺動(dòng)頻率。本文基于整機(jī)結(jié)構(gòu)與篩選工作原理，確定關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)，開展篩選機(jī)的穩(wěn)定性及篩選性能試驗(yàn)。

1 篩選工作原理

四層篩式花椒篩選機(jī)的篩選工作原理如圖1所示。偏心輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)上連桿和下連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿推拉篩板擺動(dòng)，篩板繞懸掛擺桿的支點(diǎn)進(jìn)行擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)幅度由連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)距離決定。由于上連桿和下連桿與偏心輪連接處分別位于最大偏心距正反2個(gè)方向，使得頂層篩和第2層篩的擺動(dòng)方向與第3層篩和底層篩正好相反，從而達(dá)到篩選裝置自身擺動(dòng)平衡的目的。

圖1 篩選機(jī)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic of screening mechanism 1、10.偏心輪 2.上連桿 3.頂層篩 4.第2層篩 5.上懸掛擺桿 6.下懸掛擺桿 7.第3層篩 8.底層篩 9.下連桿

花椒篩選目的是獲得潔凈的花椒殼和花椒籽，四層篩式花椒篩選機(jī)工作時(shí)，花椒混合物由落料位置進(jìn)入頂層篩，按圖2所示的花椒篩選運(yùn)動(dòng)路線來篩選。頂層篩用于篩選出混合物中粗大枝葉，第2層篩將花椒殼篩出移至底層篩面，第3層篩篩出花椒籽并將其中細(xì)梗碎葉移走，底層篩篩除花椒殼中細(xì)梗碎葉，從而獲得潔凈的花椒殼。根據(jù)不同品種花椒干燥后花椒殼和花椒籽粒徑變化，每層篩篩孔尺寸需作適應(yīng)性調(diào)整。

圖2 花椒篩選運(yùn)動(dòng)路線圖Fig.2 Schematic of screening movement of zanthoxylum

圖3 花椒篩選機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of zanthoxylum screening machine1.電機(jī) 2.下懸掛擺桿 3.偏心輪軸 4.下連桿 5.上連桿 6.進(jìn)料調(diào)整板 7.打碎給料艙 8.頂層篩 9.上懸掛擺桿 10.第2層篩 11.第3層篩 12.底層篩 13.機(jī)架

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 篩選機(jī)總體結(jié)構(gòu)

四層篩式花椒篩選機(jī)主要由機(jī)架、擺動(dòng)裝置和篩分裝置組成，如圖3所示。其中擺動(dòng)裝置主要由偏心輪軸、上連桿、上懸掛擺桿、下連桿、下懸掛擺桿等構(gòu)成；篩分裝置主要由頂層篩、第2層篩、第3層篩和底層篩等組成。頂層篩與第2層篩連接，由上擺桿懸掛到機(jī)架上，經(jīng)上連桿與偏心輪連接；第3層篩與底層篩連接，通過下擺桿懸掛到機(jī)架上，由下連桿與偏心輪連接。

2.2 機(jī)架設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析

2.2.1機(jī)架結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

篩選機(jī)機(jī)架用于安裝固定偏心輪、連桿、懸掛擺桿、篩面、打碎給料艙及電機(jī)等部件。花椒篩選時(shí)，篩選機(jī)構(gòu)擺動(dòng)會(huì)對(duì)機(jī)架形成沖擊，造成篩面抖動(dòng)從而影響篩選性能，解決措施是提高機(jī)架剛度和固有振動(dòng)頻率。

從提高剛度和限制質(zhì)量角度考慮，機(jī)架選用壁厚4 mm，截面40 mm×40 mm方形管，材質(zhì)為Q235鋼，為實(shí)現(xiàn)各部件安裝固定，機(jī)架由20根方形管焊接構(gòu)成。篩選機(jī)需人工搬運(yùn)進(jìn)出房間，受房間門寬度限制，機(jī)架寬度應(yīng)不超出900 mm，設(shè)計(jì)取845 mm。

機(jī)架長度和高度增加，有利于篩選裝置和篩面布置，但會(huì)降低剛度和增加質(zhì)量。為實(shí)現(xiàn)偏心輪、懸掛擺桿、連桿機(jī)構(gòu)、篩板和電機(jī)等安裝，經(jīng)反復(fù)修改核算，確定機(jī)架長度和高度分別為1 745 mm和900 mm。距機(jī)架左側(cè)長和高均為400 mm處，焊接固定篩選擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩根縱梁和橫向支撐平臺(tái)，機(jī)架底部安裝3個(gè)可自鎖支撐滾輪。篩選機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖4所示，機(jī)架自身質(zhì)量為90 kg，符合設(shè)計(jì)需求。

圖4 篩選機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic of rack of screening machine

2.2.2機(jī)架振動(dòng)模態(tài)仿真分析

利用NX 10.0軟件對(duì)篩選機(jī)機(jī)架進(jìn)行三維建模，將三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件分析機(jī)架模態(tài)頻率特性。采用四面體實(shí)體單元的補(bǔ)丁適形算法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將機(jī)架劃分為40 473個(gè)單元和82 476個(gè)節(jié)點(diǎn)。機(jī)架材料為Q235鋼，彈性模量為207 GPa，泊松比為0.29，密度為7 850 kg/m3。

分析機(jī)架振動(dòng)模態(tài)，分別獲得1、2、3、4階振型，機(jī)架的1階振動(dòng)頻率約為9.7 Hz，2階振動(dòng)頻率約為11.6 Hz，3階振動(dòng)頻率約為29.8 Hz，4階振動(dòng)頻率約為27.7 Hz。篩選機(jī)構(gòu)擺動(dòng)頻率與機(jī)架1、2階振動(dòng)頻率較為接近，圖5為機(jī)架1階和2階振動(dòng)模態(tài)圖。

圖5 機(jī)架振動(dòng)模態(tài)圖Fig.5 Vibration modal diagram of screening machine frame

圖5a中，機(jī)架的1階振動(dòng)頻率為9.646 8 Hz，機(jī)架最大變形出現(xiàn)在安裝動(dòng)力裝置的另一端。圖5b中，機(jī)架的2階振動(dòng)頻率為11.572 Hz，發(fā)生2階振動(dòng)時(shí)，機(jī)架最大變形出現(xiàn)在安裝動(dòng)力裝置一側(cè)。

2.3 篩選擺動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

篩選擺動(dòng)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)篩選的關(guān)鍵部件，由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)組成，如圖6所示，主要包括偏心輪軸、連桿、連接架及懸掛擺桿等。篩分裝置由4根懸掛擺桿懸掛在機(jī)架上，僅能整體繞懸掛點(diǎn)擺動(dòng)移動(dòng)，故擺動(dòng)機(jī)構(gòu)可視為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

圖6 篩選擺動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)分析圖Fig.6 Parameters analysis diagram of screening swing mechanism

依據(jù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解析法，得到篩選裝置加速度a為

(1)

其中

(2)

式中ω——偏心輪軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

θ1——偏心輪旋轉(zhuǎn)角，(°)

ωB——篩選裝置擺動(dòng)角速度，rad/s

ε——偏心輪偏心距，m

L3——懸掛擺桿長度，m

L4——偏心輪軸到懸掛擺桿支點(diǎn)間距離，m

θB——懸掛擺桿與懸掛支點(diǎn)到偏心輪中心點(diǎn)連線BE間夾角，(°)

懸掛擺桿擺幅遠(yuǎn)小于其長度，擺動(dòng)加速度起主要作用，離心加速度影響極小，擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率主要由篩選裝置慣性力所決定。故有

(3)

其中

TB=(mU+mD)ω2ε2cos(ωt)

(4)

式中mU——上部篩選裝置質(zhì)量，kg

mD——下部篩選裝置質(zhì)量，kg

P——電機(jī)功率，W

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s

TB——偏心輪軸旋轉(zhuǎn)力矩，N·m

i——電機(jī)轉(zhuǎn)速與偏心輪軸轉(zhuǎn)速之比

花椒具有分散式種植特點(diǎn)，四層篩式花椒篩選機(jī)單個(gè)部件需便于兩個(gè)人搬運(yùn)，單個(gè)部件最大設(shè)計(jì)質(zhì)量不超過90 kg?？紤]篩選機(jī)篩選擺動(dòng)順暢，估算篩選擺動(dòng)參數(shù)時(shí)，上、下部篩選裝置質(zhì)量取值略低于最大質(zhì)量，為85 kg。

篩選機(jī)需滿足單相220 V交流電驅(qū)動(dòng)，依據(jù)JB/T 9542雙值電容異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件，確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，為使篩選機(jī)能輸出最大篩選能力，設(shè)計(jì)選取該類電機(jī)最大功率為3.0 kW。出于降低噪聲和減小振動(dòng)目的，篩選機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與偏心輪軸采用V帶傳動(dòng)連接。防止篩選機(jī)構(gòu)擺動(dòng)激發(fā)機(jī)架共振，最大篩選擺動(dòng)頻率應(yīng)低于機(jī)架1階振動(dòng)頻率9.7 Hz(偏心輪轉(zhuǎn)速582 r/min)，由于安裝部件對(duì)機(jī)架固有振動(dòng)頻率影響，以及試驗(yàn)測試范圍需要，考慮機(jī)架2階振動(dòng)頻率11.6 Hz(偏心輪轉(zhuǎn)速696 r/min)，設(shè)計(jì)取偏心輪最大轉(zhuǎn)速略高于2階振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速,為750 r/min，則帶傳動(dòng)傳動(dòng)比為2。

上述參數(shù)代入式(3)、(4)，求出偏心輪偏心距為0.006 04 m，設(shè)計(jì)取值為6 mm。

連桿是連接偏心輪與篩分裝置的關(guān)鍵部件，相同轉(zhuǎn)速條件下，連桿越長則偏心輪軸旋轉(zhuǎn)形成的離心力越小，但連桿越長承受拉壓穩(wěn)定性越差。偏心輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，上、下連桿承受的拉壓力FB為

(5)

機(jī)架相應(yīng)安裝空間內(nèi)，連桿長度確定為215 mm。按偏心輪最大轉(zhuǎn)速750 r/min，依據(jù)式(5)，連桿承受最大拉壓力為3 320 N。懸掛擺桿長度確定為125 mm，偏心輪軸到懸掛擺桿懸掛軸心間距離由連桿、懸掛擺桿和篩選裝置的安裝空間決定，確定為455 mm。

2.4 篩板設(shè)計(jì)與振動(dòng)模態(tài)分析

2.4.1篩孔設(shè)計(jì)

圖7 試驗(yàn)青花椒粒度分布Fig.7 Particle size distribution of experimental green zanthoxylum

四層篩式花椒篩選機(jī)擬用青花椒開展測試，采摘成熟的云南昭通魯?shù)榍嗷ń犯稍?，從中任意選取0.5 kg干花椒，其混合物粒度如圖7所示，花椒殼粒度分布在3.5～6.0 mm，花椒籽粒度主要分布在2.5～3.2 mm，花椒葉粒度多為6.0～20.0 mm，夾雜部分細(xì)小碎葉，花椒梗粒度分布為直徑0.5～3.0 mm和長10～40 mm細(xì)長狀。

針對(duì)擬篩選花椒形狀特征和每層篩功能，頂層篩篩孔設(shè)計(jì)為直徑7 mm圓形孔，以利于花椒殼、花椒籽和細(xì)碎枝葉快速落至第2層篩，將粗大枝葉篩除；第2層篩篩孔設(shè)計(jì)為直徑3.5 mm圓形孔，孔徑與較小粒徑花椒殼相當(dāng)，比較大粒徑花椒籽大0.3 mm，以利于花椒籽掉落到第3層篩，防止落入花椒殼影響篩選性能。

花椒籽表面易粘連細(xì)梗碎葉，為提高篩選效果，第3層篩篩孔直徑為2.5 mm圓形孔，與較小花椒籽外徑相當(dāng)，利于篩除花椒籽中細(xì)梗碎葉。底層篩篩孔為寬度2.5 mm和長度43.5 mm腰形孔，可將花椒殼中細(xì)碎葉及細(xì)長梗篩除，從而獲得潔凈的花椒殼。設(shè)計(jì)四層篩板篩孔尺寸及分布如圖8所示。

圖8 四層篩板篩孔分布Fig.8 Sieve hole distribution diagram of four-layer sieve plate

扣除兩側(cè)機(jī)架和篩板支撐部分，考慮打碎進(jìn)料艙底部落料供料寬度，篩面有效寬度設(shè)計(jì)為660 mm，篩面板厚度為1 mm。篩面安裝在機(jī)架內(nèi)，依據(jù)機(jī)架框架內(nèi)空間和篩選功能需要，確定頂層篩長度為1 450 mm，第2層篩長度為1 070 mm，第3層篩長度為730 mm，底層篩長度為1 290 mm。

2.4.2篩面傾角與擺角設(shè)計(jì)

篩選機(jī)篩選時(shí)，物料拋擲運(yùn)動(dòng)的理論平均速度，等于單位時(shí)間內(nèi)拋擲運(yùn)動(dòng)的相對(duì)擺動(dòng)位移，故有

(6)

式中v——花椒在篩板上運(yùn)動(dòng)速度，m/s

f——篩板擺動(dòng)頻率，Hz

D——拋擲指數(shù)iD——拋離系數(shù)

A0——擺動(dòng)幅度，m

δ——拋起時(shí)相位角，(°)

θ——篩面傾角，(°)

篩選拋起相位角與篩面傾角相關(guān)，依據(jù)花椒受力平衡(牛頓運(yùn)動(dòng)定律)，確定篩面傾角應(yīng)滿足

(7)

其中

φm=arctanμ

式中μ——篩面與花椒之間的摩擦因數(shù)，取0.28

φm——最大摩擦角，(°)

篩選時(shí)，花椒沿篩板表面做拋擲相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度取決于篩擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)幅度，為保證花椒在篩面上正常移動(dòng)，拋擲指數(shù)須大于1。由式(7)確定篩面傾角應(yīng)不超過14.51°。依據(jù)篩選機(jī)偏心距、連桿和懸掛擺桿長度等參數(shù)，得到懸掛擺桿擺角為2.77°。頂層篩的篩選能力決定了篩選效率，由于花椒篩選對(duì)篩凈率要求高且進(jìn)料位置不能太高，篩面傾角調(diào)整為6.95°，其擺動(dòng)方向角為10.25°，拋起時(shí)相位角為25.00°，拋擲指數(shù)為3.45，拋離系數(shù)為0.92[18]?？紤]篩選機(jī)機(jī)架及篩面穩(wěn)定性，篩選擺動(dòng)頻率略低于1階頻率，為9.0 Hz，相關(guān)參數(shù)代入式(6)，得到花椒篩選運(yùn)動(dòng)速度為0.24 m/s。

第2層篩面用于落下花椒籽和細(xì)梗碎葉，將花椒殼阻擋并移動(dòng)到底層篩。為保證花椒籽和細(xì)梗碎葉能完全落下，調(diào)低篩面傾角為5.23°，則擺動(dòng)方向角為1.92°。第3層篩面篩除花椒籽中細(xì)梗碎葉，花椒籽為規(guī)則球形較易運(yùn)動(dòng)，調(diào)低篩面傾角為2.43°，則擺動(dòng)方向角為5.73°。底層篩面起到篩除花椒殼中細(xì)梗碎葉的作用，其細(xì)長形篩孔可獲得較好篩除效果，篩面傾角調(diào)整為8.12°，篩選擺動(dòng)方向角為11.42°。

2.4.3振動(dòng)模態(tài)仿真

篩板越厚剛度越好，但質(zhì)量越大。頂層篩與第2層篩連接，第3層篩與底層篩連接，基于拆裝和搬運(yùn)需要控制部件質(zhì)量不超過90 kg。綜合權(quán)衡剛度與質(zhì)量，確定篩板厚度為1.0 mm，由此，設(shè)計(jì)出的頂層與第2層篩連接后質(zhì)量為88 kg，第3層篩與底層篩連接后質(zhì)量80 kg。

篩面振動(dòng)會(huì)影響篩選性能。利用NX 10.0軟件對(duì)篩板進(jìn)行三維建模，將三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件分析篩面模態(tài)頻率特性，分析篩面受激穩(wěn)定性。采用四面體實(shí)體單元的補(bǔ)丁適形算法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將頂層篩篩板網(wǎng)格劃分為431 015個(gè)單元及1 046 111個(gè)節(jié)點(diǎn)，第2層篩篩板網(wǎng)格劃分為712 151個(gè)單元和1 673 021個(gè)節(jié)點(diǎn)，第3層篩篩板網(wǎng)格劃分為942 318個(gè)單元和2 172 806個(gè)節(jié)點(diǎn)，底層篩篩板網(wǎng)格劃分為211 687個(gè)單元和515 200個(gè)節(jié)點(diǎn)。篩板材料選用Q235鋼。

分析四層篩振動(dòng)模態(tài)，獲得頂層篩的1、2、3、4階振型振動(dòng)頻率分別為9.9、15.9、21.6、23.4 Hz；第2層篩1、2、3、4階振型振動(dòng)頻率分別為11.7、16.0、19.8、28.0 Hz；第3層篩1、2、3、4階振型振動(dòng)頻率則為9.3、14.3、24.3、25.1 Hz；底層篩1、2、3、4階振型振動(dòng)頻率則為9.4、14.0、21.6、22.8 Hz。上述分析表明，影響篩面穩(wěn)定性主要是1階和2階振型，3階和4階振型頻率較高，影響較小。圖9為四層篩的1、2階振動(dòng)模態(tài)圖。

圖9 四層篩振動(dòng)模態(tài)圖Fig.9 Vibration modal diagram of four-layer sieve plate

頂層篩1階振動(dòng)頻率為9.9 Hz，篩面最大變形出現(xiàn)在正中部(圖9a)；頂層篩2階振動(dòng)頻率為15.9 Hz，篩面最大變形出現(xiàn)在左側(cè)(圖9b)。

第2層篩1階振動(dòng)頻率為11.7 Hz，篩面最大變形出現(xiàn)在右側(cè)(圖9c)；第2層篩2階振動(dòng)頻率為16.0 Hz，篩面最大變形出現(xiàn)在右側(cè)(圖9d)。

第3層篩1階振動(dòng)頻率為9.3 Hz，篩面最大變形出現(xiàn)在左側(cè)(圖9e)；第3層篩2階振動(dòng)頻率為14.3 Hz，篩面最大變形出現(xiàn)在右側(cè)(圖9f)。

底層篩1階振動(dòng)頻率為9.4 Hz，篩面最大變形出現(xiàn)在右側(cè)(圖9g)；底層篩2階振動(dòng)頻率為14.0 Hz，篩面最大變形出現(xiàn)在右側(cè)(圖9h)。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

圖10 花椒篩選機(jī)篩選性能試驗(yàn)裝置Fig.10 Screening performance test chart of zanthoxylum screening machine1.機(jī)架 2.下擺桿 3.偏心輪 4.下連桿 5.打碎給料艙 6.上連桿 7.三向加速度計(jì) 8.頂層篩 9.上擺桿 10.第2層篩 11.第3層篩 12.底層篩 13.單向加速度計(jì) 14.數(shù)據(jù)采集儀 15.測試計(jì)算機(jī)

四層篩式花椒篩選機(jī)總質(zhì)量為380 kg，如圖10所示，單向加速度計(jì)和三向加速度計(jì)分別安裝在篩面測試位置，傳感器與數(shù)據(jù)采集儀連接，采集數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)分析儀。動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況下，測試花椒篩選機(jī)機(jī)體及篩板的篩選振動(dòng)頻率等振動(dòng)特性，分析篩選機(jī)不同的振動(dòng)頻率特性和機(jī)架運(yùn)行穩(wěn)定性及其篩選性能[19-20]。

3.2 篩選穩(wěn)定性試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)方法

四層篩式花椒篩選機(jī)處于正常狀態(tài)，篩選相關(guān)參數(shù)調(diào)定如下：擺角為2.77°，頂層、第2層、第3層和底層篩面傾角分別為6.95°、5.23°、2.43°和8.12°，擺動(dòng)方向角分別為10.25°、1.92°、5.73°和11.42°。

前述分析已知，供電頻率50.0 Hz時(shí)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，偏心輪轉(zhuǎn)速為750 r/min，篩選擺動(dòng)頻率為12.5 Hz。對(duì)比已有花椒篩選機(jī)的擺動(dòng)頻率 5.0 Hz，四層篩式花椒篩選機(jī)擺動(dòng)頻率應(yīng)高于已有花椒篩選機(jī)，故確定擺動(dòng)頻率試驗(yàn)范圍為6.0～12.5 Hz，電機(jī)供電頻率與轉(zhuǎn)速成正比，由此得到電機(jī)供電頻率為16.0～50.0 Hz。

試驗(yàn)時(shí)，供電頻率由24.0 Hz開始逐漸提高，通過增大電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度來提升偏心輪軸轉(zhuǎn)速，增加篩選機(jī)構(gòu)擺動(dòng)頻率。由篩選機(jī)篩板布置的加速度計(jì)測試篩面不同擺動(dòng)頻率時(shí)的擺動(dòng)加速度，觀察并記錄擺動(dòng)頻率和加速度幅值等參數(shù)。

圖11 篩面擺動(dòng)測試結(jié)果Fig.11 Oscillation test results of machine sieve plate

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果

篩選擺動(dòng)頻率增加到8.8、9.0、11.6、11.8 Hz時(shí)，篩選裝置擺動(dòng)加速度如圖11所示。

圖11a中，篩選擺動(dòng)頻率為8.8 Hz，篩面振動(dòng)能量分布集中于頻率分別為8.8、108.0、216.0 Hz附近，其最大振動(dòng)加速度達(dá)到10.8、7.3、9.4 m/s2。

圖11b中，篩選擺動(dòng)頻率為9.0 Hz，篩面振動(dòng)能量分布集中于頻率分別為9.0、112.0、224.0 Hz處，其最大振動(dòng)加速度達(dá)到13.3、9.4、7.4 m/s2。

圖11c中，篩選擺動(dòng)頻率為11.6 Hz，篩面振動(dòng)能量主要集中于頻率11.6 Hz處，其最大振動(dòng)加速度達(dá)到24.9 m/s2，在頻率32.0、216.0 Hz附近，其最大振動(dòng)加速度2.1、1.8 m/s2。

圖11d中，篩選擺動(dòng)頻率為11.8 Hz，篩面振動(dòng)能量分布集中于頻率分別為11.6、20.0、114.0、164.0、192.0、216.0、226.0、252.0、295.0 Hz處，其最大振動(dòng)加速度達(dá)到26.4、16.2、6.4、6.6、8.2、7.6、6.7、5.5、10.0 m/s2。

3.2.3結(jié)果分析

從圖11可以看出，篩選擺動(dòng)頻率的穩(wěn)定范圍為9.0～11.6 Hz。在此期間，篩面振動(dòng)能量集中于擺動(dòng)頻率附近，篩選擺動(dòng)較為平穩(wěn)。

擺動(dòng)頻率低于9.0 Hz或高于11.6 Hz時(shí)，篩選裝置左右往復(fù)擺動(dòng)平穩(wěn)性差，高頻振動(dòng)加速度與擺動(dòng)頻率附近加速度較為接近，篩面擺動(dòng)不平穩(wěn)，難于獲得穩(wěn)定的篩選性能。

擺動(dòng)頻率為11.8 Hz時(shí)，從低頻到高頻期間，振動(dòng)加速度均較高，呈現(xiàn)出典型的共振現(xiàn)象。前述模態(tài)分析表明，機(jī)架的2階振動(dòng)頻率為11.6 Hz，第2層篩的1階振型振動(dòng)頻率為11.7 Hz，接近于篩選擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的激振頻率。考慮理論仿真分析存在一定誤差，整機(jī)固有頻率應(yīng)為11.8 Hz。

3.3 篩選性能試驗(yàn)

3.3.1試驗(yàn)條件

篩選性能測試用花椒為云南省昭通市魯?shù)楫a(chǎn)青花椒，取2.000 kg干花椒，將其放入烤箱，加熱至120℃干燥1 h，測量干燥后質(zhì)量為1.848 kg。花椒干燥前后質(zhì)量差除以花椒干燥前質(zhì)量，得到花椒含水率為7.6%。

按質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)測試用青花椒，其中，花椒殼占比為38.4%，花椒籽占比為24.3%，花椒枝梗占比為17.1%，花椒葉占比為20.2%?；ń窔ち６确植挤矫?，小于3.5 mm花椒殼占比為3.0%，3.5～4.0 mm花椒殼占比為9.4%，4.0～6.0 mm花椒殼占比為87.6%?；ń纷蚜６确植挤矫妫?.6～2.8 mm花椒籽占比為24.4%，2.8～3.0 mm花椒籽占比為47.2%，3.0～3.5 mm花椒籽占比為28.4%。

花椒篩選機(jī)試驗(yàn)調(diào)定相關(guān)參數(shù)：擺角為2.77°，頂層、第2層、第3層和底層篩面傾角分別為6.95°、5.23°、2.43°和8.12°，擺動(dòng)方向角分別為10.25°、1.92°、5.73°和11.42°。

3.3.2試驗(yàn)與計(jì)算方法

花椒混合物放入打碎給料艙，調(diào)整進(jìn)料調(diào)整板控制花椒混合物落入頂層篩的間隙寬度，不斷增加間隙寬度，觀察花椒混合物在頂層篩面的移動(dòng)，測量單位時(shí)間落入頂層篩花椒剛好能全部實(shí)現(xiàn)篩選而不堵塞的最大量，即為最大喂入量。最大喂入量ζM為

(8)

式中u1——打碎給料艙內(nèi)初始花椒體積，m3

u2——打碎給料艙內(nèi)剩余花椒體積，m3

ρ——花椒混合物堆積密度，kg/m3

Δt——篩選時(shí)間，h

由低至高選取篩選裝置典型擺動(dòng)頻率，不同擺動(dòng)頻率條件下，測試篩選效率、篩凈率和篩選損失率。篩選效率為單位時(shí)間內(nèi)篩出花椒殼和花椒籽質(zhì)量，以篩出花椒殼及花椒籽質(zhì)量與篩選時(shí)間之比來計(jì)算。其中花椒籽粒篩凈率ψ1和籽粒損失率ψ2為

(9)

(10)

式中m0——篩選后收集到花椒籽粒脫出物質(zhì)量，kg

m1——篩選后收集到篩出花椒籽粒質(zhì)量，kg

m2——喂入物料中花椒籽粒質(zhì)量，kg

試驗(yàn)采用視屏拍攝來測試分析花椒篩選運(yùn)動(dòng)速度，用稱量法來測量篩選前后各物料質(zhì)量，分析篩選效果和性能。

3.3.3試驗(yàn)結(jié)果

選取前面分析較為典型篩選頻率，實(shí)施篩選性能試驗(yàn)?；ń坊旌衔锝?jīng)過篩選后，被篩分為花椒殼、花椒籽、花椒葉、細(xì)梗碎葉和花椒枝。篩選頻率為9.0 Hz時(shí)，花椒混合物篩選前后如圖12所示。

圖12 花椒篩選前后圖像Fig.12 Images before and after zanthoxylum screening

篩選頻率分別為6.4、8.0、9.0、10.0、11.0、11.6 Hz時(shí)，最大喂入量、篩選效率、篩凈率和損失率測試結(jié)果如表1所示。

表1 花椒篩選性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of screening performance test of zanthoxylum

3.3.4結(jié)果分析

由表1可知，當(dāng)篩選頻率為6.4 Hz時(shí)，最大喂入量和篩選效率分別為324、229 kg/h，花椒殼和花椒籽篩凈率分別為98.2%和94.8%，損失率分別為2.2%、3.5%；篩選頻率為8.0 Hz時(shí)，最大喂入量和篩選效率快速增加到720、508 kg/h，篩凈率和損失率基本不變；篩選頻率為10.0 Hz時(shí)，最大喂入量和篩選效率達(dá)到900、635 kg/h，篩凈率有所下降，損失率急劇增大；篩選頻率為11.6 Hz時(shí)，最大喂入量和篩選效率分別為1 188、839 kg/h，篩凈率有所下降，損失率急劇增大。

試驗(yàn)結(jié)果表明，篩選擺動(dòng)頻率達(dá)到10.0 Hz及以上時(shí)，花椒殼及花椒籽的損失率隨擺動(dòng)頻率提高而急劇增大。結(jié)合花椒混合物的組成物粒度分布，以及篩選時(shí)摻雜進(jìn)入花椒枝、細(xì)梗碎葉中的花椒殼及花椒籽形態(tài)與粒度情況，損失率急劇增大原因，是篩面受激振動(dòng)加劇，造成部分花椒殼跳動(dòng)混入花椒枝內(nèi)，球狀花椒籽受到振動(dòng)磨損后進(jìn)入細(xì)梗碎葉中造成的。

兼顧篩選效率和篩凈率條件下，四層篩式花椒篩選機(jī)的較優(yōu)篩選參數(shù)如下：篩選頻率為9.0 Hz，篩選最大喂入量達(dá)792 kg/h，篩選效率為559 kg/h，花椒殼篩凈率及損失率分別為98.1%和3.1%，花椒籽篩凈率及損失率分別為94.1%和4.2%。針對(duì)擬篩選花椒粒度分布，適當(dāng)調(diào)整篩孔孔徑，可有效提高篩凈率。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)二層及三層篩式花椒篩選機(jī)的篩選擺動(dòng)頻率、篩凈率及篩選效率低等問題，設(shè)計(jì)出四層篩式花椒篩機(jī)，頂層與第2層篩連接、第3層與底層篩連接，且篩選時(shí)相互為反向運(yùn)動(dòng)的自平衡來減小篩選擺動(dòng)不平衡慣性力矩，篩選擺動(dòng)最高頻率提升至11.6 Hz。

(2)基于四層篩式花椒篩機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件參數(shù)，開展了機(jī)架及四層篩的振動(dòng)模態(tài)仿真，分析了機(jī)架與篩面穩(wěn)定性、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)、篩面傾角與擺角。其機(jī)架、頂層篩、第2層篩、第3層和底層篩的1階振動(dòng)頻率分別為9.7、9.9、11.7、9.3、9.4 Hz，2階、3階和4階振動(dòng)模態(tài)的固有頻率高于1階。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明，四層篩式花椒篩選機(jī)整機(jī)固有振動(dòng)頻率約為11.8 Hz，篩選頻率越高則最大喂入量及篩選效率越大，篩選頻率超過10.0 Hz后，篩凈率下降，損失率急劇增加。篩選懸掛擺桿擺角為2.77°、頂層及底層篩傾角分別為6.95°和8.12°時(shí)，最優(yōu)篩選頻率為9.0 Hz，篩選最大喂入量為792 kg/h，篩選效率為559 kg/h，花椒殼篩凈率和損失率分別為98.1%和3.1%，花椒籽篩凈率和損失率分別為94.1%和4.2%。