沈曉凱 阿力木·買買提吐爾遜 李謙緒 徐玉龍 師邀兵

摘要：

針對辣椒收獲中辣椒未脫凈率較高的問題，設計一種辣椒復脫裝置，可有效將椒稈與果實分離。對裝置關鍵部分進行設計與分析，確定復脫滾筒與釘齒的結構參數(shù)，分析復脫裝置工作時物料的受力情況。以主動滾筒轉速、釘齒排布間隙、釘齒長度為試驗因素，辣椒未脫凈率為試驗指標，設計Box-Behnken試驗；分析表明當主動滾筒轉速268r/min、釘齒排布間隙114mm、釘齒長度78mm時工作效果最佳，在此條件下進行驗證試驗，辣椒未脫凈率為4.91%，滿足行業(yè)要求。

關鍵詞：辣椒；復脫滾筒；差速；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號：S226.5

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 12008007

Design and experiment of pepper re-removal device

Shen Xiaokai1， Alimu Maimaitituerxun1，2， Li Qianxu2， Xu Yulong2， Shi Yaobing2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830052， China;

2. Xinjiang Xinyan Moshine Science & Technology Co.， Ltd.， Urumqi， 830063， China）

Abstract：

Aiming at the problem of high unpeeled rate of peppers in pepper harvesting， a pepper re-removal device was designed to effectively separate pepper stalks from fruits. The key parts of the device were designed and analyzed， the structural parameters of the reverting drum and nail teeth were determined， and the force of the material during the working of the reverting device was analyzed. The Box-Behnken test was designed with active drum speed， nail tooth arrangement gap and nail tooth length as the test factors， and the unpeeled rate of pepper as the test index. The analysis showed that the working effect was best when the active drum speed was 268 r/min， the nail tooth arrangement gap was 114 mm， and the nail tooth length was 78 mm， and the verification test was carried out under these conditions， and the unpeeled rate of pepper was 4.91%， which met the industry requirements.

Keywords：

pepper; re-release drum; differential speed; parameter optimization

0 引言

辣椒是我國重要的經濟作物，一般作為蔬菜和調味品，也是重要的色素原料。2014—2020年期間我國辣椒種植面積及產量均呈逐年增長態(tài)勢，2020年我國辣椒種植面積為814khm2，產量為19600kt，新疆辣椒產量居全國首位［1］。由于新疆獨特的地理環(huán)境，本地區(qū)辣椒收獲機多采用滾筒式采摘臺［2］，而滾筒式采摘會造成辣椒含雜率較高，對后續(xù)除雜與復脫部分有較高的要求［3］，采摘后的物料中會帶有辣椒、椒葉、椒稈、少量雜草和灰塵，處理不當會使辣椒發(fā)生霉變、腐爛，造成減產［4］。

近年來為解決辣椒復脫問題，趙永滿等設計一種動齒和定齒相結合的復脫裝置，其動定齒間隙大于椒稈，小于辣椒，通過動定齒相對運動使辣椒從椒稈上脫落，果柄斷裂呈現(xiàn)隨機性。鄒道鐘等設計了一種雙聯(lián)復脫器，由兩個滾筒和底部凹板組成，其上裝有鉤齒，與莖稈脫離的辣椒通過凹板間隙掉入輸送裝置。但復脫效果欠佳，破損率較高。

針對現(xiàn)有辣椒收獲機在新疆地區(qū)作業(yè)后辣椒未脫凈率較高的問題，設計三滾筒加定齒結構，可以有效將椒稈和果實分離，降低未脫凈率，提高機采辣椒經濟效益，對推動辣椒機械化采收有積極意義。

1 總體結構和工作原理

1.1 總體結構

辣椒復脫裝置結構如圖1所示，主要由復脫器蓋板、釘齒、復脫器護板、定齒、復脫滾筒1、復脫滾筒2、復脫滾筒3等組成。裝置動力源由4JB-3600B辣椒收獲機發(fā)動機提供。

1.2 工作原理

復脫裝置搭載在牧神4JZ-3600B型辣椒機上，由辣椒收獲機發(fā)動機提供動力，裝置進口與出口處有一定間隙的清選輪片，采摘臺采摘的辣椒通過清選輪進入復脫裝置，復脫滾筒1與復脫滾筒2逆時針轉動，由于復脫滾筒1旋轉速度較高，對辣椒莖稈形成一個向右的拉力，使辣椒向右方運動；同時復脫滾筒1、2之間有速度差，旋轉方向相同，其上釘齒的線速度相反，產生剪切現(xiàn)象，對辣椒莖稈形成一個剪切力，而釘齒間隙較大，辣椒莖稈出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，將莖稈上的辣椒捋落。如圖2所示，辣椒復脫過程主要分為三個階段，在A區(qū)域，此時物料從清選輪喂入，以1.2m/s的初始速度進入B區(qū)域中。

在B區(qū)域，物料進入復脫滾筒，復脫滾筒作回轉運動時，進行辣椒復脫工作。在C區(qū)域，經復脫后的辣椒和莖稈被拋出復脫器，進入具有一定間隙的清選輪中，隨著清選輪的轉動，辣椒掉入下方運輸裝置中，辣椒莖稈隨星形輪轉動排出收獲機。

2 關鍵部件設計

2.1 復脫滾筒

復脫滾筒是辣椒復脫裝置的核心工作部件，作業(yè)時復脫滾筒作回轉運動，利用不同滾筒之間的速度差［5］，依靠復脫滾筒上釘齒對物料進行剪切、撕扯將辣椒從莖稈上脫離。因此釘齒的結構形式和排布方式等因素對復脫效果有直接影響［6］。

2.1.1 滾筒

復脫滾筒長度與物料喂入量有關，滾筒越長，單位時間內可以處理的物料就越多［7］。為滿足辣椒復脫要求，以牧神4JZ-3600B型辣椒機最大采摘量的50%為目標值對復脫滾筒進行設計，滾筒長度計算公式［8］如式（1）所示。

式中：

L——復脫滾筒長度，m；

q——最大采摘量的50%，取2.1kg/s；

q1——復脫滾筒單位長度可承擔喂入量，取2.0kg/（s·m）。

計算可得，復脫滾筒長度為1.5m。

復脫滾筒直徑過小會纏繞辣椒莖稈，過大會使復脫功耗增加。設滾筒周長大于辣椒植株平均高度，則復脫滾筒直徑［9］

式中：

L1——辣椒植株長度，取500～800mm。

計算可得，復脫滾筒直徑為191～306mm，本文取Dp=265mm。

2.1.2 釘齒

目前針對辣椒莖稈分離的復脫齒齒形如圖3（a）所示，復脫齒末端呈一定角度，便于抓取莖稈上的果實并向后拋送，但現(xiàn)有齒形與復脫裝置本身結構容易造成辣椒破損，且復脫效果并不好。

結合實際要求設計直指形復脫釘齒，如圖3（b）所示，直指型結構簡單，不會對辣椒造成大的傷害，且復脫效果好。新疆地區(qū)辣椒收獲時含水量在40%左右，此時辣椒恢復系數(shù)較低，受力時會出現(xiàn)塑性變形造成辣椒破損，因此釘齒前端設計為圓頭，為防止釘齒被銹蝕，表面做鍍鋅處理。設計齒座安裝釘齒，齒座焊接到復脫滾筒上。兩者以螺紋連接，齒座形狀如圖3（c）所示。

釘齒排列方式主要有均勻排布、螺旋排布［10］等形式，其中均勻排布相較于其他排布方式對辣椒的剪切力小，復脫時辣椒破損率較低，且任意一對釘齒之間的軸向距離相同，可減少裝配誤差。裝配如圖4所示，根據(jù)辣椒物理特性及裝置結構要求設計各關鍵尺寸。b為復脫滾筒一齒間距，z為復脫滾筒二齒間距，齒間距范圍為100～130mm，d為兩滾筒之間最小齒跡距，k為最大齒跡距，齒跡距范圍為50～90mm，h為兩滾筒表面間距擬定為300mm。

2.2 復脫過程力學分析

2.2.1 單滾筒作用分析

對于單滾筒來講，其對辣椒作用大致有三種類型，第一種釘齒接觸辣椒果柄處、第二釘齒接觸辣椒果實、第三種釘齒接觸莖稈，如圖5所示。

復脫過程不僅要將辣椒從莖稈上脫落，還要保證辣椒不被釘齒損傷，三種采摘類型中，釘齒直接接觸辣椒果實對辣椒傷害最大，此時釘齒變形足夠微小，視為剛體，辣椒會有一定的小位移，根據(jù)能量守恒定律［13］得

Δ（Ud+Ul）=0（3）

式中：

Ud——釘齒在此時刻損失的機械能，kW；

Ul——辣椒在此時刻增加的機械能，kW。

式中：

T——釘齒在工作位置的動能，J；

Fd——辣椒受到的最大沖擊力，N；

K——40%含水量辣椒的彈性模量，MPa。

由式（3）、式（4）可得

化簡公式得

當釘齒質量為m′，釘齒受力點線速度為v時，此時釘齒動能

由式（6）、式（7）得

在復脫滾筒工作時需保證釘齒對辣椒的沖擊力大于果柄連接力，小于果皮損傷力。

Fr

式中：

Fr——果柄連接力；

Fs——果皮損傷力。

釘齒線速度

式中：

r——復脫滾筒中心到工作位置的距離，mm；

n——復脫滾筒轉速，r/min。

由式（8）～式（10）得

經分析可知辣椒受到的最大沖擊力與滾筒轉速呈現(xiàn)線性關系，滾筒轉速越高，釘齒齒端線速度就越高，辣椒所受最大沖擊力也越高。辣椒所受沖擊力的大小也與自身彈性模量有關，含水率直接影響彈性模量，經研究辣椒含水率在40%左右時處于最佳采收時期?？紤]復脫裝置結構要求與辣椒物理特性，知主動滾筒轉速應在250～400r/min之間。

2.2.2 雙滾筒受力分析

復脫滾筒之間存在速度差，當物料進入復脫系統(tǒng)時，任意兩滾筒對辣椒進行剪切與撕扯，從辣椒物料進入復脫系統(tǒng)到完成復脫被拋出，任意兩組滾筒對辣椒物料均處于動態(tài)支撐狀態(tài)［14］。隨著復脫滾筒的轉動，釘齒會在物料中較長的莖稈上產生滑移現(xiàn)象，莖稈彎曲變形，直至碰到帶有辣椒的果柄，不同滾筒的釘齒相互配合，將辣椒從莖稈上撕落，受力示意如圖6所示。

由于辣椒物料在復脫系統(tǒng)中處于動態(tài)支撐狀態(tài)，辣椒果柄被拉斷瞬間，莖稈和辣椒仍然留在釘齒上并保持原有運動狀態(tài)，此時辣椒果柄保持受力平衡。以垂直重力方向為x軸，重力反方向為y軸，O為坐標原點，建立如圖6所示直角坐標系xOy。

式中：

Fx——在x軸上的合力，N；

Fy——在y軸上的合力，N；

Fe——離心力，N；

F1——滾筒1釘齒對物料的支持力，N；

F2——滾筒2釘齒對物料的支持力，N；

f1——滾筒1釘齒對物料的摩擦力，N；

f2——滾筒2釘齒對物料的摩擦力，N；

μ——釘齒與物料之間的摩擦力，N；

m——物料質量，kg；

ω2——滾筒2角速度；

R2——釘齒回轉半徑。

對式（12）求解得

辣椒果柄的受力情況直接影響辣椒的復脫質量，當釘齒材質確定后，釘齒與果柄的摩擦因數(shù)為定值。由式（13）可知，離心力Fe增大時，F(xiàn)1減小，F(xiàn)2增大；當F1與重力的夾角θ和F2與x軸的夾角α增大時，F(xiàn)1、F2均增大。F1、F2越大，越有利于辣椒的復脫作業(yè)，同時辣椒的破損率也會上升。

2.3 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)由三個復脫滾筒間的轉速各不相同，兩兩滾筒間有速度差。

主動輪1與從動輪1傳動比

主動輪1與從動輪2傳動比

式中：

n1——主動輪1的轉速，r/min；

n4——從動輪1的轉速，r/min；

n5——從動輪2的轉速，r/min；

z1——主動輪1的齒數(shù)；

z4——從動輪1的齒數(shù)；

z5——從動輪2的齒數(shù)。

復脫裝置在工作時，各滾筒速度比為2∶3∶4。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

為研究辣椒復脫裝置田間作業(yè)性能，于2021年9月在新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣（42°16′N，86°46′E）開展田間試驗，搭載在牧神4JZ-3600B型辣椒機，試驗田長度400m，寬度為3.3m，試驗板椒為紅龍23，試驗器材有游標卡尺（精度0.02mm）、TCS電子秤（精度0.01kg）、CASIO fx-95CN X科學函數(shù)計算器、卷尺（精度1mm）。測量板椒生物特性如表1所示。

機具作業(yè)速度為6km/h，作業(yè)幅寬為3.6m，利用本文設計的辣椒復脫裝置進行復脫試驗，以主動滾筒轉速、釘齒排布間隙、釘齒長度為試驗因素，參考農業(yè)機械推廣鑒定大綱《DG/T 114—2019》中測定辣椒收獲機指標的方法與要求［15］，以未脫凈率γ為評價指標，設計單因素試驗和Box-Behnken試驗確定較優(yōu)參數(shù)。未脫凈率

式中：

M——板椒物料總質量；

m1——未脫凈莖稈質量。

3.2 單因素試驗

根據(jù)設計要求與機器可調范圍，單因素試驗的因素取值區(qū)間為：主動滾筒轉速250～380r/min、釘齒排布間隙105～125mm、釘齒長度60～90mm、試驗因素對未脫凈率的影響如圖8所示。

主動滾筒轉速對未脫凈率的影響如圖8（a）所示。隨著主動滾筒轉速的增大，辣椒未脫凈率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，這是因為當滾筒轉速低于250r/min時，會發(fā)生堆料甚至堵塞，當滾筒轉速增加到350r/min以上，物料在裝置內部停留時間過低，導致未脫凈率快速增加。因此，選取主動滾筒轉速范圍為250～350r/min。

釘齒排布間隙對未脫凈率的影響如圖8（b）所示。隨著釘齒排布間隙的增大，辣椒未脫凈率呈現(xiàn)增大的趨勢，當排布間隙低于110mm時，復脫滾筒的齒跡距過小，辣椒會發(fā)生大量破損，當排布間隙高于120mm時，滾筒齒跡距過大導致未脫凈率增幅明顯。因此，選取釘齒排布間隙范圍為110～120mm。

釘齒長度對未脫凈率的影響如圖8（c）所示。隨著釘齒長度的增大，辣椒未脫凈率呈現(xiàn)減小的趨勢，當釘齒長度小于70mm時，相對滾筒齒跡距相交部位面積較低，工作區(qū)域面積較低導致未脫凈率過高，當釘齒長度大于80mm時，會發(fā)生斷齒現(xiàn)象，因此，選取釘齒長度范圍為70～80mm。

3.3 Box-Behnken試驗

根據(jù)單因素試驗得到各因素的合理取值范圍，探究釘齒排布間隙、主動滾筒轉速、釘齒長度對辣椒未脫凈率的影響，進行Box-Behnken試驗。因素編碼值如表2所示，試驗方案如表3所示，A、B、C為試驗因素編碼值。試驗采用連續(xù)喂入方式，共計15組試驗，每組試驗重復8次，辣椒未脫凈率取試驗平均值。

在回歸方程中，系數(shù)絕對值的大小體現(xiàn)了試驗因素對辣椒未脫凈率影響的大小，可以得到三個因素對辣椒未脫凈率的顯著性順序由大到小為C、A、B。對表2所示的試驗結果進行方差分析，得到辣椒未脫凈率回歸模型方差分析結果，如表4所示。

由表4可知，未脫凈率回歸模型顯著性P=0.001 5<0.01，回歸模型顯著說明試驗因素對未脫凈率存在顯著的二次關系，失擬項P=0.2286>0.05，失擬項不顯著說明模型擬合效果好，試驗數(shù)據(jù)可靠。釘齒長度和主動滾筒轉速對未脫凈率的影響都為極顯著，釘齒排布間隙有影響但并不顯著；交互項中釘齒長度和主動滾筒轉速的交互影響顯著，其余交互項影響不顯著。二次項中釘齒長度影響為極顯著，主動滾筒轉速影響顯著。將不顯著的因素剔除，進行方差分析，得到各因素與未脫凈率的回歸方程為

γ=5.25+0.3A-0.63C+0.2AC+0.32A2+0.27C2

3.4 響應曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到辣椒未脫凈率與各試驗因素的響應曲面如圖9所示。由圖9（a）可知，當主動滾筒轉速固定在某一值時，隨著釘齒排布間隙從110mm增加到120mm，未脫凈率緩慢上升，說明兩者之間呈正相關關系，這是由于釘齒之間的齒跡距增大，位于復脫空間內的物料受到剪切和撕扯的作用減弱，辣椒和莖稈受到的剪切力減小，辣椒未脫凈率上升。

由圖9（b）可知，釘齒長度從70mm增加至80mm，未脫凈率逐漸減小，由于釘齒長度增長，其齒端線速度增大，在復脫空間內物料所受的最大沖擊也就隨之增加，撕扯作用就越強，辣椒就越易從莖稈上脫離；當釘齒長度為定值時，隨著主動滾筒轉速從250r/min至350r/min，辣椒未脫凈率呈現(xiàn)先減小后上升的趨勢，隨著復脫滾筒轉速的升高，對物料的沖擊也逐漸增大，未脫凈率逐漸下降；當滾筒轉速升至270r/min后，板椒在復脫裝置空間內停留的時間過短，未脫凈率逐漸升高。

由圖9（c）可知，當釘齒排布間隙固定在某一水平時，隨著釘齒長度的增加，未脫凈率逐漸減小，表明釘齒長度與未脫凈率呈負相關關系。

3.5 參數(shù)優(yōu)化及驗證試驗

利用Design-Expert 8.0.6的Optimization功能，以降低辣椒未脫凈率為目標，根據(jù)辣椒復脫裝置的工作要求和實驗條件，進行數(shù)值優(yōu)化分析，其約束函數(shù)為

優(yōu)化求解得三因素較優(yōu)組合參數(shù)：主動滾筒轉速為267.55r/min、釘齒排布間隙為113.91mm、釘齒長度為78mm，此時辣椒未脫凈率預測值為4.82%。

為進一步驗證上述最優(yōu)參數(shù)組合，結合實際條件將設備參數(shù)固定為主動滾筒轉速268r/min、釘齒排布間隙114mm、釘齒長度78mm，并在此條件下進行田間驗證試驗；進行5次試驗求取平均值以減少誤差，得到在最優(yōu)參數(shù)組合下辣椒未脫凈率為4.91%，與軟件模擬值之間的相對誤差僅為1.86%，可以得出該參數(shù)組合滿足辣椒復脫的實際要求。

4 結論

1） 設計了辣椒復脫裝置，闡述了該裝置的工作原理，確定了復脫滾筒長度等主要結構參數(shù)，建立辣椒復脫過程的受力模型。

2） 設計正交旋轉試驗，得到釘齒長度和主動滾筒轉速對未脫凈率的影響都為極顯著，釘齒排布間隙有影響但并不顯著；交互項中釘齒長度和主動滾筒轉速的交互影響顯著，其余交互項影響不顯著。二次項中釘齒長度影響為極顯著，主動滾筒轉速影響顯著。

3） 通過Design-Expert 8.0.6軟件優(yōu)化結構參數(shù)，結合實際條件將設備參數(shù)固定為主動滾筒轉速268r/min、釘齒排布間隙114mm、釘齒長度78mm，并在此條件下進行田間驗證試驗，得到在較優(yōu)參數(shù)組合下辣椒未脫凈率為4.91%，與軟件模擬值之間的誤差僅為1.86%，可以得出該參數(shù)組合滿足辣椒復脫的實際要求。

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