陸 榮 楊德旭 高連興 劉志俠 劉明國 沈永哲

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽 110866； 2.遼寧生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院， 沈陽 110122； 3.遼寧省農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展中心， 沈陽 110034)

0 引言

花生是中國乃至世界的重要油料作物與經(jīng)濟作物。中國雖是世界花生生產(chǎn)大國但非花生加工強國[1]，特別是脫殼裝備技術(shù)水平低，脫殼損傷不僅直接造成產(chǎn)量的損失，而且由于果仁容易失油、污染、霉變和被黃曲霉毒素侵染等導(dǎo)致品質(zhì)的下降，也影響后續(xù)的儲藏與加工[2]。除少量可帶殼銷售的煮、烤花生外，我國需要機械脫殼加工的花生約占總產(chǎn)量的90%，由此可見花生脫殼技術(shù)的提升對我國花生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展影響重大。作為技術(shù)的先行者和引領(lǐng)者，科研用小區(qū)花生脫殼機性能不僅影響脫殼工作的效率，也直接影響研究的準確性。

美國是花生脫殼裝備研究與應(yīng)用最早、也是花生脫殼技術(shù)最先進的國家。其商用花生脫殼裝備以臥式、滾筒式的花生脫殼機為總體構(gòu)型，脫殼部件以開式滾筒、柵篩凹板為基本構(gòu)型，聯(lián)合清選、去石、分選用等設(shè)備逐漸實現(xiàn)了脫殼裝備的大型化、功能單元化和工廠化，使單機脫殼作業(yè)效率達到23 t/h[3-6]。我國在消化和吸收國外先進設(shè)備基礎(chǔ)上，從20世紀90年代后期開始在脫殼原理、脫殼方式、脫殼機構(gòu)結(jié)構(gòu)與參數(shù)、脫殼部件材料，以及脫殼技術(shù)路線、花生脫殼特性、損傷機理等方面做了大量研究，研制了多種類型花生脫殼機[7-12]，促進我國實現(xiàn)了花生脫殼機械化。目前，我國商用花生脫殼機種類繁多、型號各異，但其結(jié)構(gòu)原理基本相同，均為臥式、開式滾筒和鋼筋式凹板篩脫殼機構(gòu)，脫殼破損率和損傷率普遍高于6%。未見適用于科研的小區(qū)花生脫殼機等研究報道。本文從脫殼機構(gòu)的構(gòu)型、原理和關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面進行探索，研制一種適宜科研使用的小區(qū)花生脫殼直立式錐滾筒花生脫殼裝置，從而實現(xiàn)低損、高效的小區(qū)花生脫殼。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

國內(nèi)現(xiàn)有花生脫殼機均為臥式、打桿滾筒和半圓凹板篩脫殼機構(gòu)[7-12]，雖然結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整和操作要求不高，但花生脫殼損傷與損失嚴重、適應(yīng)性差。主要因為滾筒打桿在對花生莢果進行打擊和擠壓的同時，花生果仁因受到機械作用而產(chǎn)生損傷；半圓形凹板篩構(gòu)成的脫殼室和有效分離面積小，導(dǎo)致花生脫殼與分離效率不高；通過提高滾筒轉(zhuǎn)速和減小脫殼間隙的方式提高脫殼效率將導(dǎo)致脫殼質(zhì)量下降。

圖1 直立錐滾筒式小區(qū)花生脫殼機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagrams of peanut sheller with vertical tapered drum1.喂料斗 2.流量調(diào)節(jié)板 3.上蓋 4.間隙調(diào)整連接盤 5.柵條式錐形凹板篩 6.錐滾筒 7.輸出軸 8.聯(lián)軸器 9.減速器 10.出仁口 11.風(fēng)機箱 12.排雜口 13.傳動帶 14.機架 15.電機 16.分離倉 17.導(dǎo)流盤 18.集料倉 19.脫殼筋 20.均布錐 21.均布分流片 22.脫殼倉

針對以上問題，設(shè)計一種整周回轉(zhuǎn)脫殼的直立錐滾筒式花生脫殼機(圖1)，主要由均布喂料裝置、錐形脫殼裝置、氣吸清選裝置、動力及減速傳動裝置、組合式機架等構(gòu)成。總體結(jié)構(gòu)由各裝置從上到下布局，花生莢果從上部喂入、脫殼、清選，花生果仁從下部流出。主要工作原理如下：

(1)均布喂入原理

花生脫殼機啟動后，花生莢果從喂料斗喂入，落到錐滾筒頂部的均布錐上，繼而在重力和均布錐分流片摩擦和導(dǎo)流作用下，滑入錐滾筒和柵條式錐形凹板篩(簡稱錐凹板)之間的空隙(即脫殼間隙)。為有利于花生莢果順利喂入和向下流動，脫殼間隙沿軸向自上而下由大變小。

(2)脫殼原理

錐凹板固定不動，封閉錐滾筒隨輸出軸轉(zhuǎn)動，外表面按螺旋線均布脫殼筋。錐滾筒和錐凹板的錐角略有不同，脫殼間隙上大下小。喂入的花生莢果在旋轉(zhuǎn)的錐滾筒脫殼筋導(dǎo)引下隨之旋轉(zhuǎn)并向下運動，與固定的錐凹板柵條、脫殼筋和其他花生莢果相互擠搓、摩擦和剪切，在合力作用下果殼開裂、破碎，果仁及碎殼從錐凹板柵隙流出。隨著花生莢果的不斷喂入，脫殼間隙中未脫殼和脫殼不徹底的花生莢果在重力作用及脫殼筋導(dǎo)向作用下繼續(xù)向下運動，逐漸進入更加狹窄的脫殼區(qū)間，受到的脫殼作用隨之增強，直至最終脫殼。按螺旋線固定的橡膠脫殼筋可避免對花生莢果的剛性沖擊，控制和減緩花生莢果群的快速向下流動，形成“薄層”脫殼并保證充分的脫殼作用和時間。

(3)氣吸清選原理

脫殼倉下方為集料倉，倉中置有三向?qū)Я鞅P，倉底部依導(dǎo)流盤位置開有3個集料口，經(jīng)脫殼倉脫殼的花生碎殼和果仁等脫出物經(jīng)導(dǎo)流盤引至3個集料口；集料倉下方的分離倉開有3個圓周均布的出仁口，方位與集料口相同；分離倉下為風(fēng)機箱，風(fēng)機上端蓋設(shè)有進風(fēng)口直接與分離倉相連，與分離倉的出仁口相通，形成3個支路吸風(fēng)道。電機經(jīng)帶傳動裝置適當(dāng)減速后帶動風(fēng)機軸和葉輪旋轉(zhuǎn)吸風(fēng)，從集料口流出的脫出物受到風(fēng)機氣吸作用，輕質(zhì)的花生碎殼和秸稈等被吸入3個支路吸風(fēng)道并經(jīng)風(fēng)機箱匯合從排雜口吹出，較重的果仁沿出仁口流出。

直立錐滾筒式花生脫殼機結(jié)構(gòu)特點：①脫殼滾筒和凹板篩構(gòu)成的錐環(huán)形的脫殼室沿整個圓周分布，增大了脫殼室有效容積。②上大下小的“倒圓錐”式脫殼結(jié)構(gòu)，使花生脫殼后殼仁分離面積增大、分離效率提高。③脫殼間隙自上而下逐漸變小，使未脫殼的莢果進入更小的脫殼間隙脫殼，多層莢果逐漸變?yōu)閱螌忧v果，實現(xiàn)“薄層”脫殼，提高脫殼率。④封閉滾筒上的螺旋脫殼筋在對花生莢果施加剪切與摩擦作用同時，也控制花生莢果向下運動，變打擊和擠壓為主的脫殼原理為剪切與摩擦為主的脫殼原理，減輕因沖擊和擠壓而造成的損傷。⑤整機上下結(jié)構(gòu)和傳動裝置使清選風(fēng)機和脫殼錐滾筒各自獲得適當(dāng)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機軸垂直吸風(fēng)口朝上，有利于吸氣清選。⑥該設(shè)計便于實現(xiàn)脫殼機全封閉結(jié)構(gòu)，從而改善脫殼作業(yè)條件、減輕環(huán)境污染，同時使整機結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

直立式錐滾筒花生脫殼機關(guān)鍵部件主要包括錐滾筒與錐凹板構(gòu)成的花生脫殼裝置、去除花生碎殼等雜質(zhì)獲得干凈花生果仁的氣吸清選系統(tǒng)和將電動機動力轉(zhuǎn)遞給各工作裝置的傳動系統(tǒng)等。

2.1 錐滾筒脫殼裝置

2.1.1脫殼受力分析與基本參數(shù)確定

脫殼裝置由錐滾筒和錐凹板構(gòu)成(圖2)，錐滾筒和錐凹板的共用錐角(簡稱錐角)2β和脫殼筋螺旋傾角α不僅直接影響脫殼筒篩的幾何尺寸，對脫殼效果也有一定影響。β過小或過大均達不到錐滾筒脫殼機構(gòu)的預(yù)想效果，螺旋傾角α對脫殼的影響效果也需要探討，為此，需要進行花生莢果脫殼過程的受力分析，以便從理論上確定錐角和筋條傾角的基本范圍。

圖2 錐滾筒脫殼裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Structure diagram of tapered drum hulling device1.均布錐 2.脫殼筋條 3.錐滾筒 4.錐篩 5.花生莢果 6.脫出物

花生莢果在筒篩之間下落過程中受到的篩條和滾筒筋條作用力較復(fù)雜，初落入脫殼筒篩之間(圖2中A處)時，筒篩間隙較大，花生莢果落于篩條上，還未隨滾筒一起旋轉(zhuǎn)，此時需要保證莢果能夠沿著篩條下落；當(dāng)莢果下落后在錐滾筒筋條的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向作用下隨滾筒一起旋轉(zhuǎn)，此時需要保證莢果在受到脫殼力的同時仍能夠順利下落，以減少在脫殼區(qū)間停留的時間。

(1)剛落入筒篩縫隙未隨錐滾筒旋轉(zhuǎn)時莢果受力分析

莢果剛落于固定篩子上，未與筋條接觸前，不受筋條作用力，未開始脫殼，只受到重力G、篩條支撐力N、篩條摩擦力Ffs作用，受力如圖3a，在花生莢果處于靜止瞬間有平衡方程

(1)

式中β——篩/筒傾角(即半錐角)，(°)

μ——花生莢果與篩條摩擦因數(shù)

φ——花生莢果與篩條摩擦角

解得

cotβ=tanφ=cot(90°-φ)

為使莢果在與篩條接觸后向下滑落，即Ffs-Gcosβ<0，則有β<90°-φ，即半錐角需小于花生莢果/花生仁的摩擦角φ的余角。根據(jù)前期試驗可知花生莢果與篩條的摩擦角φ=24°，故β<66°。

圖3 花生脫殼受力分析Fig.3 Stress analysis charts in peanut shelling

(2)莢果隨錐滾筒旋轉(zhuǎn)時受力分析

莢果隨滾筒旋轉(zhuǎn)時的受力和運動情況較為復(fù)雜。為便于深入分析進行以下簡化：將花生莢果簡化為質(zhì)點并取分離體，假設(shè)所受各力均作用于花生質(zhì)心一點；錐凹板的柵條及其柵隙與錐滾筒母線平行，同時不考慮篩條間隙的影響；由于錐滾筒和錐凹板的錐角相差不大而近似地視為角度相同；因錐滾筒呈倒錐形，故只考慮錐凹板對花生莢果的摩擦力等。簡化后的花生脫殼受力及其坐標系如圖3b所示。

在脫殼區(qū)間的軸向剖面內(nèi)的直角坐標系中，x軸與凹板篩面垂直，y軸與凹板篩母線平行?；ㄉ芰ΠㄥF凹板的摩擦力Ffs，筋條的沖擊力FJ，錐凹板與錐滾筒對花生的壓力差N，以及花生的自身重力G和花生莢果隨滾筒運動的慣性力Fa。

花生在x軸與y軸上的受力平衡方程為

(2)

其中

G=mgFa=mω2rω=2πn/60

式中m——受分析的花生莢果質(zhì)量，kg

ω——滾筒旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

n——滾筒轉(zhuǎn)速，r/min

r——花生所處位置的回轉(zhuǎn)半徑，mm

以脫殼間隙中的花生莢果能否在克服離心力、摩擦力后自動下滑為極限條件，即∑Fy<0，則

(3)

從受力分析可知，花生莢果、果仁和果殼的受力和運動不斷變化，不但與錐滾筒轉(zhuǎn)速n、半錐角β、脫殼筋傾角α有關(guān)，也與莢果所處錐滾筒半徑r及相應(yīng)脫殼間隙有關(guān)。初隨滾筒旋轉(zhuǎn)，位于較上部分的花生莢果因脫殼間隙和錐滾筒轉(zhuǎn)動線速度較大，花生莢果所受摩擦力和慣性力較大，為主要的脫殼作用；隨著花生脫殼的進行，果仁和碎殼等在以螺旋線軌跡向下方運動過程中及時、不斷地分離出錐凹板篩，未脫殼花生莢果繼續(xù)下移；因脫殼間隙逐漸變小，錐滾筒回轉(zhuǎn)半徑變小而慣性力Fa逐漸減弱，擠搓、剪切和摩擦脫殼作用增強，花生進一步脫殼，花生果仁和殼及時分離，既增強了脫殼作用又減小了損傷機率。

由平衡方程(2)可知，錐滾筒轉(zhuǎn)速n越大，莢果所受摩擦力和慣性力越大，但過大的慣性力阻礙花生莢果向下移動，脫殼減慢且果仁破損幾率增大，初步選取轉(zhuǎn)速n為300～400 r/min。錐滾筒半錐角β過大時，因花生莢果在自上而下逐漸變小的脫殼間隙中下移減慢而降低了脫殼效率，接近水平方向的慣性力不利于果仁透過錐凹板而分離；錐滾筒半錐角β過小時，效果相反。因此，初步選取半錐角β的區(qū)間為30°～50°。脫殼筋傾角α主要控制脫殼間隙中物料的下落速度，同時也使花生莢果在脫殼時產(chǎn)生一定的水平轉(zhuǎn)動，有利于均勻脫殼，減輕脫殼損傷，初步選取為30°～60°。

2.1.2錐滾筒

錐滾筒脫殼部件設(shè)計為倒圓錐形，由錐滾筒體和錐筒蓋(喂料均布器)構(gòu)成，如圖4所示?？紤]到轉(zhuǎn)動慣量和整機質(zhì)量，為保證機器穩(wěn)定性將滾筒設(shè)計為空心。錐滾筒外表面是脫殼工作面，其上固定有均勻布置的螺旋脫殼筋(圖5)。為減少脫殼損傷，筋條截面設(shè)計為梯形，采用橡膠材質(zhì)，故可選用柔性的A型V帶作為脫殼筋條。筋條數(shù)量參照臥式打桿滾筒脫殼機[13-14]，一般打桿數(shù)量為4，考慮錐滾筒實際大小，設(shè)計4根均布螺旋筋條。錐滾筒頂部為圓錐形喂料均布器(圖6)，其上均布螺旋導(dǎo)流片，除起到封閉作用外，使從喂料斗進入的花生莢果均分布到圓周形脫殼間隙中，提高脫殼間隙利用率。

圖4 錐滾筒主視圖Fig.4 Main view of tapered drum1.連接圓盤 2.脫殼筋 3.軸套 4.錐形筒

為結(jié)合試驗探尋最優(yōu)參數(shù)，在以上分析得出的半錐角β范圍基礎(chǔ)上設(shè)計3組不同錐角的筒/篩組合。結(jié)合現(xiàn)有臥式雙滾筒花生脫殼機脫殼裝置的參數(shù)，設(shè)計立式錐滾筒高為300 mm，下圓直徑均為130 mm，相應(yīng)的上圓直徑分別為290、350、410 mm，即選取半錐角為30°、40°、50°。

圖5 錐滾筒Fig.5 Tapered drum

圖6 均布器Fig.6 Uniform machine

2.1.3環(huán)楔形脫殼間隙的確定

錐滾筒脫殼筋外圓與錐凹板內(nèi)圓的距離為脫殼間隙，由脫殼間隙所構(gòu)成的空間即為脫殼室，是花生莢果受力、果殼破裂和破碎、花生果仁擺脫果殼約束過程發(fā)生的空間，因此脫殼間隙是花生脫殼機構(gòu)中最重要的參數(shù)，也是花生脫殼質(zhì)量與效率的決定性因素之一。

對臥式花生脫殼機，打桿滾筒兩端半徑相等且轉(zhuǎn)動時為柱形，而凹板篩位于滾筒下部且為半圓桶形，二者構(gòu)成切向略有楔形的半環(huán)形間隙，有效脫殼室僅為下部圓環(huán)形的一小部分，而且兩端脫殼間隙一致。對于直立式錐滾筒花生脫殼機，一方面，脫殼間隙呈圓周分布，脫殼室容積成倍數(shù)增大，為加速花生脫殼及使果仁和碎殼等及時透過錐凹板篩條創(chuàng)造了條件；另一方面，若將脫殼間隙自上而下逐漸變小而形成一定環(huán)楔形，則較小和難脫花生莢果將向下流入間隙更小脫殼區(qū)，在更強的機械作用下完成脫殼。

鑒于上述分析，在滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，脫殼間隙設(shè)計主要考慮的因素為：便于花生莢果順利喂入，有利于形成薄層流入和薄層脫殼；脫殼間隙自上而下逐漸變小，提高一次脫殼率，減輕脫殼損傷，提高脫殼質(zhì)量和效率。

為保證花生莢果沿錐滾筒頂部的均布錐順利進入脫殼間隙，凹板篩上邊緣要高出錐滾筒均布錐與脫殼工作面的棱線5～7 cm；頂部脫殼間隙為3～4倍的花生莢果直徑(厚度)或1.0～1.2倍花生莢果長度，以容納和保證花生莢果喂入后形成流動層；錐滾筒和錐凹板底端脫殼間隙為果仁的長軸尺寸t。經(jīng)綜合分析，最終確定錐滾筒脫殼機構(gòu)的環(huán)楔形脫殼間隙為：底部脫殼間隙t1為t，頂部脫殼間隙t2為4t。根據(jù)不同品種花生、花生莢果等級和外形尺寸，設(shè)計錐凹板參數(shù)系列，底部脫殼間隙分別為8、9、10、12、14 mm，頂部脫殼間隙分別為30、32、34、36、38 mm。

2.1.4錐凹板

錐凹板可從常用的沖孔篩、編織篩、柵條篩中選擇。柵條篩由鋼筋或鋼板按一定縫隙焊合而成，其具有沖孔篩和編織篩綜合特點，對花生莢果剪切力較大且有利于花生殼與果仁快速分離。因此，本方案中選用圓鋼筋柵條錐凹板篩。為減輕脫殼損傷和提高效率，錐凹板篩柵隙隨著脫殼間隙漸小而相應(yīng)地變小，同時有利于小而難脫的花生莢果在能夠分離而不損傷情況下脫殼；柵條應(yīng)盡量與花生莢果運動方向垂直，以便提高剪切脫殼效果。為使花生莢果可靠地留在脫殼間隙之中脫殼，脫殼后的果仁和花生殼及時透過錐凹板篩，柵隙t應(yīng)小于莢果直徑(厚度)、略大于花生仁直徑，即

dp

(4)

式中dp——花生莢果直徑，mm

dk——花生果仁直徑，mm

由于花生莢果和果仁外形、直徑等幾何參數(shù)因品種、種植地域和不同等級而存在差異，為減少脫殼損傷并提高脫殼效率，應(yīng)該配置一系列不同縫隙的錐凹板篩，以便針對具體脫殼花生情況加以選擇。本文在已有研究結(jié)果[15-16]基礎(chǔ)上，設(shè)計筋條直徑為10 mm，筋條之間上間隙為7～10 mm，下間隙為6～9 mm，一組4個級別的錐凹板，每個級別的柵隙相差1 mm，可根據(jù)花生品種等莢果情況選用和及時更換。因錐凹板篩為上大下小倒圓臺形狀，為使柵條之間的間隙基本相等，鋼筋柵條不能與錐凹板母線平行，需要先將鋼筋柵條加工成扇形片狀，然后再焊合成完整的錐凹板篩筒(圖7)。

圖7 錐凹板Fig.7 Intaglio screen

基于錐滾筒筒體、脫殼筋結(jié)構(gòu)尺寸和脫殼間隙，錐凹板的總體結(jié)構(gòu)尺寸也隨之相應(yīng)變化而成系列。為試制樣機，選取3組半錐角相差10°的筒、篩組合加工，具體參數(shù)見表1。

2.2 氣吸清選系統(tǒng)設(shè)計

清選裝置是花生脫殼裝置的重要組成部分，性能優(yōu)劣直接影響脫出果仁質(zhì)量和后續(xù)加工品質(zhì)。本文采用氣吸式清選原理，為達到最佳清選效果，氣流速度可方便調(diào)節(jié)。通過PS-20型物料飄浮速度試驗臺測出花生各成分漂浮速度，本文以白沙1016和四粒紅為例，測得飽滿莢果、空癟果、果仁及果殼的漂浮速度范圍分別為11.04～12.83 m/s、7.01～8.92 m/s、8.52～10.30 m/s、1.26～1.85 m/s。所以脫殼風(fēng)機清選的風(fēng)速介于4～6 m/s之間時最佳。

表1 不同半錐角篩、筒參數(shù)Tab.1 Parameter design of cone and griddle

根據(jù)漂浮速度試驗結(jié)果，選取單進風(fēng)口的離心式風(fēng)機。3個圓周均布的吸風(fēng)口可避免喂入量大時脫出物相互擠壓而造成果仁損傷。當(dāng)花生碎殼和果仁等從吸風(fēng)道正上方的出仁口下落時，輕質(zhì)的花生碎殼和秸稈等被吸入并經(jīng)風(fēng)機吹送從排雜口排出(圖8)。調(diào)整出仁口處的調(diào)節(jié)板高度，即可調(diào)節(jié)吸風(fēng)口處的吸風(fēng)量(氣流速度)，提高清選質(zhì)量與清選效果。

圖8 氣吸式清選系統(tǒng)Fig.8 Air suction type cleaning system1.出料口 2.進風(fēng)口 3.調(diào)節(jié)鈕 4.出仁口 5.風(fēng)扇葉片 6.蝸殼 7.帶輪 8.排雜口 9.花生殼 10.花生仁

2.3 電機選擇及傳動系統(tǒng)設(shè)計

清選和脫殼裝置是花生脫殼機兩個關(guān)鍵部分，氣力清選系統(tǒng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速較高，即900～1 000 r/min，而脫殼滾筒轉(zhuǎn)速相對較低，即400 r/min 以下[17-22]，二者轉(zhuǎn)速差別較大?，F(xiàn)行臥式花生脫殼機或由一臺電機通過多級傳動帶和鏈傳動驅(qū)動，或選用兩臺各自獨立的電動機驅(qū)動，不僅經(jīng)濟性差且整機結(jié)構(gòu)較大。本文以直立結(jié)構(gòu)設(shè)計花生脫殼機，將所有工作裝置按同一垂直軸線布置，既可簡化傳動路線也使整機結(jié)構(gòu)緊湊，具體傳動系統(tǒng)構(gòu)成及傳動路線如圖9所示。傳動路線為：電動機通過帶傳動將動力傳遞給風(fēng)機軸即一級傳動；通過清選風(fēng)機的伸長軸、下聯(lián)軸器、行星輪式減速器和上聯(lián)軸器，將動力傳遞給錐滾筒軸，實現(xiàn)了二級減速傳動。

圖9 直立錐滾筒花生脫殼機傳動系統(tǒng)布置圖Fig.9 Transmission diagram of vertical tapper drum of peanut sheller1.喂料均布錐 2.錐滾筒 3.錐凹板 4.脫殼軸 5、7.聯(lián)軸器6.行星減速器 8.風(fēng)機軸 9.風(fēng)機葉輪 10.傳動帶 11.電機

設(shè)計的花生脫殼機屬小區(qū)用小型機械，體積小且功率不大，所以選擇便于接220 V民用電壓的YL100L-4型單相雙值電容異步電動機，額定功率2.2 kW、額定轉(zhuǎn)速1 420 r/min。帶傳動選用2根B型V帶，減速器選用減速比為4∶1、額定扭矩100 N·m的PX110N004S0型行星輪式減速器。連接兩軸之間的聯(lián)軸器除具有連接、減振性能及對中功能之外，也可使之具有安全防護等功能，選擇SL10-D65型聯(lián)軸器中的撓性梅花形彈性聯(lián)軸器，額定負載為95 N·m。

3 脫殼性能試驗

3.1 試驗樣機與儀器設(shè)備

圖10 直立錐滾筒小區(qū)花生脫殼機Fig.10 Plot peanut sheller with vertical tapered drum

研制的直立錐滾筒小區(qū)花生脫殼機樣機如圖10所示，其主要參數(shù)見表2。以遼寧省鐵嶺市主栽花生“四粒紅”為試驗對象，果仁含水率為9%～11%，脫殼前進行尺寸分級，脫殼試驗前經(jīng)粗略清選，選取長度為32～34 mm，直徑為8～12 mm的花生(圖11)。試驗設(shè)備為自制的直立錐滾筒花生脫殼機樣機、SFY60型紅外線快速水分測定儀(深圳市冠亞電子科技有限公司)、DT2236 型數(shù)顯轉(zhuǎn)速表、恒泰 HT1000F 型變頻器和雙杰牌電子秤等。

3.2 試驗因素與方案

試驗主要考核樣機脫殼損傷、脫凈程度和清選質(zhì)量及其影響因素，因此選擇花生果仁損傷率、脫凈率為性能試驗指標，以錐滾筒轉(zhuǎn)速、錐滾筒半錐角和最小脫殼間隙為主要試驗因素，因素編碼見表3。

表2 脫殼機主要參數(shù)Tab.2 Parameters of plot peanut sheller with vertical tapered drum

圖11 清選前后的四粒紅花生莢果Fig.11 Silihong peanut pods before and after cleaning

編碼試驗因素錐滾筒轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)錐滾筒半錐角β/(°)最小脫殼間隙t1/mm-13003080350401014005012

按照試驗因素水平要求，通過HT1000F型變頻器改變電動機轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)脫殼滾筒實際轉(zhuǎn)速；因錐滾筒的錐角無法調(diào)整，特制了一整套不同錐角的錐滾筒和相應(yīng)的錐凹版篩，以保證錐滾筒角度試驗因素水平要求；錐滾筒上的脫殼筋傾角和布置規(guī)律可進行調(diào)整，本次試驗選用脫殼筋傾角為45°；最小脫殼間隙靠增減錐滾筒底部墊片、改變錐滾筒堅直方向?qū)崿F(xiàn)?？紤]到各試驗因素之間的交互效應(yīng)關(guān)系，采用響應(yīng)面分析法(RSM)進行試驗設(shè)計與分析[23]。根據(jù)Box-Behnken Design(BBD)的中心組合試驗設(shè)計原理，采用三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計。

為保證脫殼室中充滿花生莢果且形成層流、連續(xù)脫殼，每次試驗將5 kg花生莢果喂入到喂料斗中，以花生莢果不溢出為準，通過喂料調(diào)節(jié)板控制流量。每組脫殼試驗結(jié)束后，分別測出脫殼果仁總質(zhì)量，包括完整果仁質(zhì)量、破碎仁質(zhì)量、損傷仁質(zhì)量、未脫殼莢果質(zhì)量，算得脫殼后的脫凈率(y1)和損傷率(y2)，試驗結(jié)果見表4，表中A、B、C為因素編碼值。

表4 試驗方案與結(jié)果Tab.4 Results of orthogonal experiment

3.3 試驗結(jié)果分析

3.3.1脫凈率及影響因素分析

表5為脫凈率方差分析，從表5可知，脫凈率模型P<0.000 1，表明脫凈率與各因素回歸方程的關(guān)系極為顯著，3個因素及錐滾筒轉(zhuǎn)速和最小脫殼間隙交互項、錐滾筒轉(zhuǎn)速平方項、錐滾筒半錐角平方項、最小脫殼間隙平方項對脫凈率的影響都極為顯著，影響程度由大到小依次為B、A、C、AC、B2、C2、A2；錐滾筒轉(zhuǎn)速與錐滾筒半錐角的交互作用對脫凈率影響顯著；錐滾筒半錐角與最小脫殼間隙交互項影響不顯著。脫凈率與試驗因素的回歸關(guān)系為

y1=89.69+0.07n+0.21β-0.71t1-9.45×10-4nβ+0.01nt1-0.01βt1-

注:*表示影響顯著(P<0.05);** 表示影響極顯著(P<0.01)，下同。

圖12為各因素交互作用對脫凈率的影響曲面。由圖12a可知，在最小脫殼間隙不變時，脫凈率隨著錐滾筒轉(zhuǎn)速的增加及錐滾筒半錐角的減小而提高; 由圖12b可知，在錐滾筒半錐角不變時，脫凈率隨著錐滾筒轉(zhuǎn)速的增加及最小脫殼間隙的減小而提高。

3.3.2損傷率及影響因素分析

表6為損傷率方差分析結(jié)果，由表6可知，模型P<0.000 1，表明損傷率與各因素回歸方程的關(guān)系極為顯著，3個因素及錐滾筒轉(zhuǎn)速和最小脫殼間隙交互項、錐滾筒轉(zhuǎn)速平方項、最小脫殼間隙平方項對損傷率的影響極為顯著，影響程度由大到小依次為B、C、A、A2、C2、AC；錐滾筒轉(zhuǎn)速與錐篩筒半錐角的交互作用、半錐角平方項對脫凈率影響顯著；錐滾筒半錐角與最小脫殼間隙交互項影響不顯著。損傷率與試驗因素的回歸關(guān)系為

y2=85.26-0.26n-0.55β-5.40t1+
6.50×10-4nβ+6.20×10-4nt1-4.13×10-3βt1+
2.69×10-4n2+2.85×10-3β2+0.16t12

圖12 試驗因素交互作用對脫凈率的影響Fig.12 Impact of test factors on removal rate

表6 損傷率方差分析Tab.6 Variance analysis of breakage rate

圖13為各因素交互作用對損傷率的影響結(jié)果。由圖13a可知，最小脫殼間隙不變時，損傷率隨錐滾筒轉(zhuǎn)速降低及錐滾筒半錐角增大而降低；由圖13b可知，錐滾筒錐角不變時，損傷率隨錐滾筒轉(zhuǎn)速的降低及最小脫殼間隙增加而降低；由圖13c可知，在錐滾筒轉(zhuǎn)速不變時，損傷率隨著半錐角的增加和最小脫殼間隙的增加而降低。

3.4 最優(yōu)參數(shù)組合確定及驗證

根據(jù)以上試驗結(jié)果，以脫凈率最大、損傷率最小為優(yōu)化目標，對相關(guān)脫殼參數(shù)進行優(yōu)化，得到直立錐滾筒花生脫殼機最佳性能參數(shù)為錐滾筒轉(zhuǎn)速339.4 r/min、錐滾筒半錐角為39.2°、最小脫殼間隙為9.56 mm，此時花生脫凈率為98.36%，損傷率為2.81%。

圖13 試驗因素交互作用對損傷率的影響Fig.13 Impact of test factors on breakage rate

將優(yōu)化后參數(shù)圓整為錐滾筒轉(zhuǎn)速340 r/min、錐滾筒半錐角40°、最小脫殼間隙10 mm，以此參數(shù)選取相應(yīng)的錐滾筒和錐凹板進行驗證試驗。試驗方法與前述相同，進行3 次重復(fù)試驗，最終試驗結(jié)果為花生脫凈率均值為97.84%，損傷率均值為2.97%(表7)，驗證試驗的指標均值與優(yōu)化預(yù)測值差異較小，結(jié)果優(yōu)于行業(yè)標準[24]。

表7 優(yōu)化參數(shù)組合及驗證試驗結(jié)果Tab.7 Optimization parameter combination and result of verification test

4 結(jié)論

(1)基于花生莢果的層流流動和薄層脫殼原理，提出了立式錐滾筒脫殼機構(gòu)原理并設(shè)計了直立式錐滾筒小區(qū)花生脫殼機。整機自上而下由脫殼機構(gòu)、導(dǎo)流裝置、氣吸清選裝置和直立式同軸傳動機構(gòu)等構(gòu)成，利用行星齒輪減速裝置同時滿足了高轉(zhuǎn)速風(fēng)機和低轉(zhuǎn)速花生脫殼需要，使脫殼機結(jié)構(gòu)小巧，清種便捷可靠，適用于小區(qū)花生脫殼。

(2)采用剪切和搓擦式脫殼原理設(shè)計了倒錐式脫殼部件。錐環(huán)形的脫殼室呈圓周分布，增大了脫殼室有效容積，提高了殼仁分離效率，上大下小的脫殼間隙實現(xiàn)了“薄層”脫殼，增加了脫殼率和品種適應(yīng)性；將滾筒上的螺旋脫殼筋打擊和擠壓為主的脫殼原理轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟信c摩擦為主的脫殼原理，減輕因沖擊和擠壓造成的損傷。通過對花生莢果在脫殼區(qū)間內(nèi)受力的理論分析，結(jié)合試驗確定了錐滾筒和錐凹板篩的滾筒錐角、筋條螺旋傾角、環(huán)形脫殼間隙、錐凹板篩的篩條間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍。

(3)以脫殼轉(zhuǎn)速、錐滾筒半錐角和最小脫殼間隙為因素，以損傷率和脫凈率為指標進行了最小脫殼性能試驗，并經(jīng)雙目標優(yōu)化及試驗驗證表明，在脫殼轉(zhuǎn)速為340 r/min、錐滾筒半錐角為40°、最小脫殼間隙為10 mm時脫殼綜合指標最優(yōu)，脫凈率為97.84%，損傷率為2.97%，均優(yōu)于行業(yè)標準。