筛揉组合式平贝母高效分离装置设计与试验*

宋江，田帅，张强，王磊，衣淑娟，孙镜博

(黑龙江八一农垦大学工程学院,黑龙江大庆,163319)

0 引言

平贝母为百合科两年生草本植物[1]。其药用价值主要为地下鳞茎,形状呈扁圆盘状,鳞茎在3～30 mm之间,挖掘深度为70～100 mm[2]。平贝母是我国较为名贵的传统大宗药材,更是我国出口创汇的重要商品,在国内外中药材市场上颇受青睐。平贝母人工种植主要分布于大、小兴安岭和东北长白山地区。据不完全统计,2020年东北地区平贝母种植面积达到14 khm2,每年为药农创造数十亿元的经济效益[3-4]。收获是平贝母劳动强度最大的生产环节,而平贝母—土壤分离是平贝母机械化收获的核心部分,当前,国内平贝母的分离装置存在筛净低(筛上物含土率高)的问题,故少见推广应用。

国内外学者关于平贝母分离的研究较少,王金辉等[5]利用振动原理和曲柄连杆机构设计了一种实现平贝母分级的筛分机,并确定了筛面倾角、曲柄转速。宋江等[6]设计了振动式平贝母筛分机,通过对其理论分析和传动机构优化设计,确定其结构参数,该机运转顺畅,分离效果显著,破损率低。宋江等[2]利用解析作图法对振动筛串联四杆机构进行分析,确定平贝母和土壤团聚物顺利通过筛面的转速范围。宋江等[7]改进振动筛结构,利用正交试验设计分析振动筛曲柄转速、筛面倾角和筛面长度对平贝母筛分效率的影响,试验表明:与改进前相比,破损率和损失率均明显降低。马川等[8]以平贝母收获机摆动式分离筛的挖掘深度、筛网倾角、运行速度为自变量,采用响应曲面法,研究各自变量及其交互作用对收获损失率和破碎率的影响。王密[9]对滚筒物料的运动轨迹进行了理论分析,正交旋转试验分析喂入量、滚筒转速和滚筒长度对筛分效率和破碎率的影响,建立回归方程,优化主要参数。

除平贝母之外,相似的地下小块茎收获主要有元胡、半夏。郑德聪等[10]根据半夏块茎的尺寸及其在土壤中的分布规律,采用滚筒分离装置分离半夏,并进行了参数设计与优化。尤德红[11]设计了单层强制抖动分离筛及“Z”形筛组成的元胡收获机,并进行参数设计,试验表明:该机能够实现元胡的一次性挖掘、分离和清选分装作业。吕美巧[12]模拟滚筒分离筛在三种不同转速、倾斜角度的影响下A、B两个观测点加速度的变化曲线,分析了转速、倾斜角对半夏收获效果的影响。刘丽敏等[13]设计开发了一种小型元胡收获机,对链式栅条网筛分离结构及抖动轮和果粒初步收拢装置等关键部件进行了设计,试验结果表明该机能满足元胡收获的作业要求,效果良好。综上,前人关于小粒径分离的研究主要集中在筛分装置的结构设计和筛分装置工作参数对筛分效率、机械破碎的试验研究上,有效地提高了地下小块茎筛分效率(筛下物料质量与入筛小于筛孔尺寸的物料质量比),但平贝母分离后,筛上仍然存在一定数量的土壤团聚体,筛净率依然较低,成为制约平贝母机械化收获的关键问题之一。

为此,本文以平贝母、土壤团聚物物理、力学特性试验为切入点,揭示平贝母、土壤团聚物破碎规律,制定筛揉分离方案,设计和试验优化关键参数,以期达到高效分离。这对于提高小块茎类收获机的技术水平,丰富小块茎类和土壤团聚物分离的相关理论,推动我国小块茎类收获机械行业技术进步等方面具有重要的理论意义和参考价值。

1 平贝母、土壤三轴尺寸分析与挤压力学试验

1.1 平贝母、土壤三轴尺寸的统计分析

平贝母按其性状可分为以“扁平形”平贝母、“纺锤形”平贝母,因其大小有明显差异(“扁平形”平贝母>>“纺锤形”平贝母),通常采用筛分方式去除“扁平形”平贝母中混有的“纺锤形”平贝母,但筛分后筛上物中含土率较高,需要通过试验确定造成这一现象的原因。

试验时随机取样“扁平形”平贝母与土壤混合物若干,使用筛孔直径不同的标准筛对其进行筛分处理,对筛分后筛上的平贝母和土壤团聚体随机取样各50粒,并使用游标卡尺测量的X轴长度尺寸(L)、Z轴宽度尺寸(B)、Y轴厚度尺寸(H)。

图1 平贝母轴测图Fig. 1 Axonometric diagram of FUM

通过对50组筛上物平贝母和土壤团聚体三轴尺寸的方差分析,如表1～表3所示,在显著性水平为0.05的条件下,两者总体不显著。如图2～图4所示,平贝母与土壤团聚体的三轴尺寸变化范围接近。

表1 平贝母与土壤团聚体Y轴尺寸总体方差分析Tab. 1 Overall variance analysis of Y-axis size of FUM and soil aggregates

表2 平贝母与土壤团聚体Z轴尺寸总体方差分析Tab. 2 Overall variance analysis of Z-axis size of FUM and soil aggregates

表3 平贝母与土壤团聚体X轴尺寸总体方差分析Tab. 3 Overall variance analysis of X-axis size of FUM and soil aggregates

图2 筛上平贝母与土壤团聚体Y轴尺寸箱线图Fig. 2 Box diagram of Y-axis size of FUM on sieve and soil aggregate

图3 筛上平贝母与土壤团聚体Z轴尺寸箱线图Fig. 3 Box diagram of Z-axis size of FUM on sieve and soil aggregate

图4 筛上平贝母与土壤团聚体X轴尺寸箱线图Fig. 4 Box diagram of X-axis size of FUM on sieve and soil aggregate

由平贝母与土壤团聚体的三轴尺寸统计分析可知:造成筛上平贝母筛净率低的原因是存在筛上相似大小的土壤团聚体与平贝母混合物,故难以分离。

1.2 平贝母与土壤团聚体的挤压力学试验

如图5所示为平贝母与土壤团聚体挤压应力曲线。

图5 挤压应力随位移变化曲线Fig. 5 Curve of extrusion stress with displacement

以“扁平形”平贝母、“纺锤形”平贝母、筛上土壤团聚物、筛下土壤团聚物 4种物料,在平贝母含水率66.1%,土壤含水率28.1%时,正放(X轴方向),侧放(Z轴方向),立放(Y轴方向)3种放置方式作为因素水平,各自进行50次独立重复试验。测得3种放置方式的临界破损压力平均值如表4所示。

表4 平贝母与土壤团聚体临界破损压力值Tab. 4 Critical damage pressure values of FUM and soil aggregates

平贝母与土壤团聚体的临界破损压力值存在明显差异。在X、Y、Z的挤压方向上物料的临界破损压力值的关系为:“扁平形”平贝母>“纺锤形”平贝母>土壤团聚体,其中“扁平形”平贝母与筛上土壤团聚体的临界挤压压力值差异最大。观测“扁平形”平贝母和土壤团聚体的形态结构,平贝母三轴挤压力破碎情况如图6所示,土壤团聚体经三轴挤压力破碎情况如图7所示。

图6 平贝母三轴方向挤压后破裂情况Fig. 6 Fracture of FUM after triaxial extrusion

图7 土壤团聚体三轴方向挤压后破裂情况Fig. 7 Fracture of soil aggregates after triaxial compression

平贝母和土壤团聚体的破裂情况表明:平贝母破裂规律为,两侧瓣鳞片先与中心鳞片链接处先发生断裂,而后瓣鳞片发生破裂。由此可知平贝母破裂最薄弱部位在鳞叶与中心鳞片的连接处;当前含水率下大部分土壤团聚体在挤压力的作用下发生破碎。

基于土壤平贝母、土壤三轴尺寸的统计分析与挤压力学试验结论,提出采用破碎和分离结合的方法来提高平贝母和土壤团聚体的分离效率,该方法把土壤团聚体的破碎过程分为挤压和揉搓两个环节如图8所示。

图8 土壤团聚体破碎过程示意图Fig. 8 Diagram of the process of soil aggregates crushing

2 筛揉组合式平贝母高效分离装置的设计

2.1 结构与工作原理

筛揉组合式平贝母高效分离装置主要是由输送筛和揉搓装置两部分构成,如图9所示。

图9 揉搓板和输送筛工作原理图Fig. 9 Working principle diagram of kneading plate and conveying screen1.揉搓板 2.传动轴 3.链轮 4.挡板 5.链条 6.电机 7.分拨器 8.筛网

揉搓装置是由分拨器与揉搓板组成并通过螺栓固定于输送筛挡板上,工作时通过链条将电机动力传递到传动轴,传动轴旋转带动筛网运动,筛网将贝土混合物运输至揉搓装置,由分拨器将物料分散分流,随后在揉搓板的揉搓作用下将贝土混合物中的土壤团聚体捻碎并通过筛孔落入筛下,平贝母则通过输送筛运至收料口处收集,装袋。

2.2 筛揉组合式平贝母高效分离装置关键部件的参数设计

2.2.1 输送筛线速度的设计

实际生产中贝土的喂入量为0.24～1.03 kg/s即为输送筛单位时间的喂入量Q。根据输送筛工作量的计算公式

(1)

式中:Q——输送筛单位时间内的输送量,kg/s;

v——输送筛的线速度,m/s;

h——挡板的高度,h=0.12 m;

B——输送筛宽度,B=0.8 m;

θ——输送筛倾角,θ=3°～7°;

α——平贝母混合物休止角,α=32°;

L——两个挡板的间距,L=0.8 m。

将相关数据代入式(1)计算得输送筛线速度的取值范围为0.188～0.668 m/s。

2.2.2 输送筛筛孔的设计

试验随机收获的“扁球形”平贝母与“纺锤形”平贝母取样各50粒,进行三轴尺寸统计并绘制频率分布图,如图10所示。图10上交点对应尺寸为15.98 mm,为了便于实际生产则初选用筛网筛孔大小为15 mm、16 mm及17 mm,将三个筛孔的值对应的筛网进行筛分试验,测得的结果如表5所示。

图10 “扁球形”平贝母与“纺锤形”平贝母三轴尺寸概率分布图Fig. 10 Three-axis probability distribution of flat bulb and Fusiform bulb size

从表5可知,在理想条件下,在输送筛筛孔为16 mm×16 mm的正方形筛孔能够获得较高的“扁平形”平贝母含量的同时尽量减低“纺锤形”平贝母含量。理论上可以筛留97.9%的“扁球形”平贝母,筛分出91.87%的“纺锤形”平贝母,分离效率最高。

表5 不同筛孔下筛上平贝母的含量Tab. 5 Content of FUM on the screen under different mesh

2.2.3 揉搓板主要参数的设计

揉搓板如图11所示,长、宽、高分别为800 mm、100 mm、40 mm。

图11 揉搓板三维简图Fig. 11 Three-dimensional sketch of kneading board1.调节面 2.作用面 3.梳齿

通过土壤的三轴最大尺寸均值确定梳齿宽度为25 mm,梳齿长度为80 mm,由挤压力学试验可知,搓揉装置的揉搓力为20～40 N,根据式(2)计算确定揉搓单体厚度H的取值范围为2～4 mm,既该厚度下能够保证良好的碎土效果同时保证较低的破损率。

橡胶受切向力时,在压力P的方向上的变形[14]

(2)

式中:K——刚度,K=[AL·j·m]/H;

m——形状系数,m=1/[1+0.29(H/L)2];

AL——承载面面积,AL=l×b;

j——橡胶的剪切模量,1.36×105kg/m2;

H——梳齿厚度,m;

b——梳齿宽度,b=0.025 m;

l——梳齿长度,l=0.08 m;

E——橡胶的弹性模量,E=4.1×104kg/m2。

3 筛揉组合式平贝母高效分离装置试验与分析

3.1 装置搭建

在对平贝母高效分离装置关键部件进行理论分析后,根据其结构参数设计对整机的零件进行加工并组装了样机,样机参数为:输送筛筛孔为16 mm×16 mm的正方形筛孔,揉搓板整体尺寸800 mm×100 mm×40 mm,梳齿宽度为25 mm,梳齿长度为80 mm,揉搓板材料选用厚度3 mm弹性橡胶,动力来源于直流变频电机(电压12 V,功率500 W),电机供电来源于拖拉机启动电瓶,如图12所示。

图12 平贝母高效分离装置样机Fig. 12 Prototype of efficient separation device for FUM

3.2 试验指标

3.2.1 筛净率

筛净率是评价平贝母高效分离装置的筛分效率的重要指标,表示筛分后平贝母质量占筛上颗粒的总质量的百分率,因此筛净率的表达式如式(3)所示。

(3)

式中:Y1——筛净率,%;

Mg——输送筛筛上平贝母颗粒的质量,kg;

Mp——输送筛筛上颗粒的总质量,kg。

3.2.2 破碎率

破碎率是以平贝母不完整、破裂为标准,凡是有破瓣或者碎裂的均定义为破碎,计算如式(4)所示。

(4)

式中:Y2——破碎率,%;

Mh——筛分后破碎的平贝母质量,kg;

Ms——筛分后收集的平贝母质量,kg。

3.3 正交试验

为了验证平贝母高效分离装置设计的合理性,以及不同结构参数和工作参数下的工作性能,以喂入量、输送筛线速度、揉搓力为影响因素,以筛净率和破碎率为目标函数,采用二次回归正交旋转的方法进行试验其因素水平编码如表6所示。

表6 因素水平编码表Tab. 6 Factor level coding table

进行二次回归正交旋转试验试验结果如表7所示。X1、X2、X3为因素编码值。

1) 筛净率回归模型的建立与检验。筛净率Y1与喂入量X1、输送筛线速度X2及揉搓力X3的影响结果如表8所示。模型P值=0.018 2<0.05且失拟项P值=0.018 2>0.05,该模型合理。模型中X1、X12、X22对Y1的影响极显著,X3、X1X2对Y1影响显著,筛净率的回归方程为

表8 筛净率方差分析Tab. 8 Variance analysis of screening rate

Y1=77.25-1.45X1+0.035X3-1.45X1X2-1.36X12-0.98X22

(5)

2) 破碎率回归模型的建立与检验。破碎率Y2与喂入量X1、输送筛线速度X2及施加的力X3的影响结果如表9所示。

表9 破碎率方差分析Tab. 9 Analysis of variance of damage rate

由表9可知,模型P值=0.000 2<0.05且失拟项P值=0.391 9>0.05,该模型合理。模型中X1、X22对Y2的影响极显著,X3、X1X3、X1X2、X12对Y2影响显著,X32对Y2有影响。破碎率的回归方程为

Y2=13.62-0.71X1+0.32X3-0.41X1X2-0.54X1X3+0.29X12+0.70X22+0.28X32

(6)

根据Design-Expert.V8.0.6数据优化模块,其数学模型如式(7)所示。

(7)

利用Design-Expert.V8.0.6软件进行各参数优化,得到各因素与目标值的最优解:当喂入量0.68 kg/s、输送筛线速度0.38 m/s,揉搓力36 N,筛净率为80.4%,破碎率为12.5%。

3.4 田间试验验证

2021年7月2日在黑龙江省伊春市丰林县平贝母育种基地进行田间试验验证,土壤含水率26%,拖拉机型号为时风554,样机作业速度为1 km/h。以每块畦田设定为一个试验单位(畦田长50 m,宽1.2 m),其中前5 m设置为入土非稳定区,后5 m设置成出土非稳定区,中间40 m为试验测定区域。试验装置的工作参数为:喂入量0.68 kg/s,输送筛线速度0.4 m/s,滚筒转速30 r/min。测得平贝母高效分离装置5次作业后的数据如表10所示,筛净率为79.18%,破碎率为13.34%,与理论分析结果相符合,满足平贝母收获的要求,验证了该参数优化的正确性。

表10 田间试验测量结果Tab. 10 Field test measurement results

由表10可知,该平贝母高效分离装置的筛净率及破碎率均满足农艺要求,平贝母高效分离装置可提高两段式平贝母收获机的筛净率,减少人工收获成本,增加经济效益。

4 结论

1) 验证了在显著性水平为0.05的条件下,筛上平贝母的三轴尺寸与土壤团聚体的三轴尺寸总体不显著;在X、Y、Z的三个方向上受压力差异交大,物料的临界破损压力值的大小关系为:“扁球形”平贝母>“纺锤形”平贝母>土壤团聚体,其中“扁球形”平贝母最小临界破损压力(67 N)与筛上土壤团聚体的最小临界破损压力(28 N)差异显著。

2) 确定输送筛线速度的取值范围为0.188～0.668 m/s;筛孔大小为16 mm×16 mm;揉搓装置施加的整体尺寸长、宽、高分别为800 mm、100 mm、40 mm,材料为2～4 mm厚度的天然橡胶。

3) 正交试验得到各因素与目标值的最优解:当喂入量0.68 kg/s、输送筛线速度0.38 m/s、揉搓力36 N时,此时筛净率为80.4%,破碎率为12.64%;通过田间试验证明该分离装置筛净率为79.18%,破碎率在13.34%,与正交试验结果相近,满足农艺要求。

4) 该装置主要为解决平贝母与土壤团聚体形状相似时,平贝母与土壤团聚物分离困难的问题,但对平贝母中混有石子这样的杂质时,分离效果有限,下一步应对去除平贝中石子进行深入研究。平贝母破碎率是平贝母收获的重要性指标,目前平贝母筛分过程中破碎率仍然较高,未来应在降低破碎率方面,深入研究。