双辊式花生种子分级机构设计与优化

聂庆亮，郝建军，龙思放，宋亚辉，张贺斌，韩 鹏，马志凯，赵建国

（1.河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001；2.河北省农林科学院 粮油作物研究所，河北 石家庄 050035；3.河北省农业技术推广总站，河北 石家庄 050035）

花生所含营养价值高，是我国广泛种植的油料作物和经济作物之一，在世界范围花生种植具有举足轻重的地位［1-3］。花生种子分级是花生播种前的重要环节，大小均匀的花生种子是保证出苗时间一致、出苗整齐一致，达到平衡增产的关键因素［4］。

目前花生分级机多采用滚筒式、振动式和斜阶辊式3种分级机构。滚筒式、振动式分级机构，依据花生外形设计多级筛孔，在滚筒筛转动或振动筛板振动作用下使花生通过各级筛孔实现分级［5］，如吕尚武等设计的花生除杂分级机［6-7］、冯金友等设计的水平振动花生果筛选机［8］、薛然等设计的花生荚果圆筒筛分试验样机［9］、刘敏基等设计的栅条滚筒式花生分级机构［10-11］等均属于滚筒式或振动式分级机构，该2类机型工作时易造成筛孔堵塞；斜阶辊式分级机构，花生在重力作用下沿倾斜的阶梯辊滑动，并在对应间隙处落入接料箱中［12］，但利用该机型分级时，因花生运动速度不便控制而易造成花生窜级，影响分级精确率。针对上述花生种子分级机构存在的筛孔堵塞、花生窜级、分级精确率低及花生小区播种时播种量小、品种多、种子大小不一等问题，本研究设计了1种双辊式花生种子分级机构，并对其工作参数进行优化，旨在实现花生种子的精准分级，以满足花生小区播种需求。

1 分级机构设计

1.1 总体结构设计

双辊式小区花生种子分级机构主要由进料、分级和传动三部分组成，如图1-a所示。其中进料部分由料斗支撑架、直线电机和振动料斗组成；分级部分由光轴定辊、螺旋转辊、分级辊支撑架和接料斗组成。其工作过程如下：花生种子经振动料斗送入分级部分，螺旋转辊转动并通过其上的螺旋条带使花生种子沿轴线推进，使花生种子从轴段分级间隙条落入对应的接料斗，实现花生种子的分级。

由图1-b所示，能实现5级花生种子分级，L1、L2、L3、L4和L5分别表示第1级至第5级分级间隙宽度，其值分别为9、10、11、12和16 mm，使粒径超过12 mm的花生全部落入最后一级接料斗中。

图1 结构示意图Fig.1 Hierarchical structure

1.2 进料部分结构设计

如图2所示，直线电机移动位移X1与振动料斗转动角度β满足公式（1），选用具有高频短程往复运动特点的直线电机做激振源［13］，直线电机输出轴做往复运动，使振动料斗绕铰链做摆转运动，通过控制直线电机的转动速度调节振动料斗的摆动频率，从而实现花生种子的喂入速率发生改变。

1.3 分级双辊结构设计

分级双辊由光轴定辊和螺旋转辊组成，如图3所示。两分级辊安装时预留分级间隙，依据花生种子分级标准设定每分级辊轴段花生种子分级间隙条宽度，并沿花生种子轴向前进方向间隙宽度依次增加。螺旋辊起输送花生种子的作用，与光辊组成分级间隙条孔，螺旋转辊上设计螺旋条带，螺旋转辊转动并通过其上的螺旋条带使花生种子沿轴线推进并从分级间隙条中落入对应接料斗中，实现花生种子的分级。为尽可能减少对花生种子的机械伤害，螺旋条带设计为半球状，如图3中所示。

图2 进料部分结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the feeding part

式中，X1—直线电机输出轴移动位移，mm；

β—振动料斗转动角度，°；

t—运动时间，s；

n—直线电机频率改变系数。

图3 分级双辊结构示意图Fig.3 Schematic diagram of graded double roll structure

参照倾斜阶梯对辊式花生荚果分级机构［11］及结合整机尺寸，设计光轴定辊直径为90 mm，螺旋转辊分级大端轴段直径D同为90 mm，且各分级轴段直径依次递减为88、86、84和76 mm，每段轴段长度为200 mm。为保证花生能够沿轴向有效推进且保证花生分级的精确率，本试验依据花生种子长度，螺旋转辊上螺旋条带螺距至少为18 mm，选取螺距为20 mm，经前期仿真试验分析，所在螺旋转辊上螺旋条带直径在小于8 mm、螺旋辊转速取值小于90 r/min时对分级精确率和分级效率几乎无影响，选取螺旋条带直径为6 mm，初选螺旋辊转速取值为120 r/min。

2 分级仿真分析

EDEM是国际通用的基于离散单元法模拟和分析颗粒系统过程处理和生产操作的CAE软件，目前在农业领域已取得了广泛的应用［14-15］。分级过程中，每粒花生种子都可以看作是1个独立运动的颗粒，是离散形式的，故在研究花生种子的分级仿真运动中，采用离散元方法更为合适，本研究选用EDEM软件进行仿真，由于机架、电动推杆、振动料斗、电机等部件对仿真结果无影响，因此在离散元仿真分析时，只保留光轴定辊，螺旋转辊和接料斗作为仿真对象，建立离散元仿真模型（如图4示）。

图4 仿真模型Fig.4 Simulation model

在探究花生种子分级仿真运动并分析该机构分级花生种子的可行性时采用Hertz-Mindlin模型［16］作为花生与分级双辊（钢）之间的接触模型，仿真参数如表1所示［17-19］。

表1 仿真参数Table 1 Simulation parameter

用于仿真的花生粒径（如图5所示）分别为8.5、9.5、10.5、11.5和12.5 mm，每种花生颗粒各100粒。所得花生分级仿真各颗粒运动轨迹如图6所示，花生颗粒粒径从小至大，自左至右分别落入对应的接料斗中，实现对不同粒径的花生颗粒进行分级。

图5 花生种子及其颗粒模型Fig.5 Peanut seed and grain model

图6 花生分级运动轨迹Fig.6 Peanut grading movement track

3 分级机构性能测试与分析

3.1 试验因素与方案

由公式（2）可知螺旋转辊轴段长度及其转速对花生种子的分级精确率有重要影响。若螺旋转辊轴段长度过长，会使花生种子分级机构体积过大，延长花生种子分级时间，降低分级效率;若螺旋转辊轴段长度过短，由于花生种子落入分级辊间隙时瞬间获得一定的水平初速度，在分级的过程中极易产生窜级现象，影响分级精确率。若螺旋转辊的转速过大，会使花生种子获得较大的水平速度易造成窜级，降低花生的分级精度;若转速过小，延长分级时间，降低分级效率。

其中，V—花生在分级辊上的轴向速度，mm/s;

ω—螺旋分级辊的角速度，rad/s;

B—螺旋转辊螺距，mm。

由于螺旋转辊上设计的螺旋条带及螺旋条带螺距在设计范围内对花生损伤影响小，本研究忽略螺旋辊对花生损伤的影响，以分级精确率和分级效率2项指标，作为本研究设计的花生种子小区分级机构工作参数优化的依据，分级效率通过分级耗时加以衡量，分级精确率通过花生种子正确落入接料箱中的数目占总数目的百分比加以定义。由上文分析可知，螺旋转辊轴段长度和螺旋转辊转速的取值会影响分级结果，而花生种子喂入速率越大，易造成花生种子在分级轴段间隙处堆积，影响分级精确率，速率越小则延长分级时间，降低分级效率。为优化分级机构工作参数，设计Box-Behnken试验，试验因素A为螺旋转辊轴段长度、B为螺旋转辊转速、从C为喂入速率，试验响应值为分级精度Y1、分级耗时Y2为试验结果，每组试验改变仿真模型的参数并导入 EDEM，经数值模拟得出试验结果。前期仿真分析所得因素水平表如表2所示，表3为Box-Behnken 试验方案与结果。

表2 试验因素编码Table 2 Test factors and levels

表3 Box-Behnken 试验方案与结果Table 3 Box-Behnken Test scheme and result

每个试验仿真结束后记录分级耗时，EDEM分析界面内在各收集料斗中创建Bin group域，如图7所示，对创建的Bin group域进行颗粒统计分析，统计各收料斗中不同颗粒的数目，依据公式（3）计算分级精确率。

其中，n—正确落入目标收料斗的总数目，个；

N—试验总的颗粒数目，个；

θ—分级精率，%。

图7 花生运动仿真数目统计Fig.7 Peanut movement simulation process

3.2 结果与分析

依据表3，使用State-East公司的Design-Expert V8.0.6.1软件对试验结果进行方差分析。

结果如表4、5所示，所得分级精确率Y1和分级耗时Y2关于显著项的回归模型为式（4）和式（5）。

表4 分级精确率试验结果采用通用旋转组合设计回归方程方差分析Table 4 The results of grading time-consuming test using universal rotation combination design regression equation analysis of variance

表5 分级耗时试验结果采用通用旋转组合设计回归方程方差分析Table 5 The results of grading time-consuming test using universal rotation combination design regression equation analysis of variance

据表4可知，模型显著性检验P＜0.001，失拟项的p值为0.062 8，说明回归模型极显著，失拟不显著，回归有效。由方差分析表可知，对分级精确率的影响，A极显著、B极显著、C极显著、A2极显著，影响显著顺序为A＞B＞C＞A2。

据表5可知，模型显著性检验P＜0.001,失拟项的p值为0.066 7，说明回归模型极显著，失拟不显著，回归有效。由方差分析表可知，对分级精确率的影响，A极显著、B显著、C极显著、AC显著，且A项与C项对分级耗时有交互作用的影响，影响显著顺序为C＞A＞AC＞B。

为得到分级机构的最优参数组合，在Design-Expert软件中以分级精确率高且分级耗时短为目标求解双辊式小区花生种子分级机构工作参数为：螺旋转辊轴段长度为171.9 mm，螺旋转辊转速为149.52 r/min，喂入速率为5.82粒/s，对应分级精确率为93.69%。

4 结论

（1）设计了1种双辊式花生种子分级机构并对其关键部件进行了结构设计。采用EDEM软件，以光轴定辊、螺旋转辊和接料斗作为仿真对象，采用Hertz-Mindlin模型作为花生与钢之间的接触模型，分析了分级作业时花生种子的运动情况，并依据花生颗粒的运动轨迹分析验证了双辊式花生种子分级机构可行性。

（2）螺旋转辊轴段长度、螺旋转辊转速及喂入速率影响分级精确率和分级效率，通过3因素Box-Behnken 试验，利用Design-Expert软件对试验结果进行方差分析，建立了显著项的回归模型。以分级精确率高且分级耗时短为目标优化的分级工艺参数为：螺旋转辊轴段长度为171.9 mm，螺旋转辊转速为149.52 r/min，喂入速率为5.82粒/s。