磨盘式花生脱壳机的设计及优化.pdf
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摘要针对目前花生脱壳机械中普遍存在的花生荚果破壳率低,花生米粒损伤率高,清洁度差,机械通用性差等问题,本文采用机械设计、仿真优化、试验分析等手段,设计了一台磨盘式花生脱壳机,主要工作内容和研究成果如下:
(1)通过查阅资料分析了国内典型花生脱壳机械的工作原理及存在问题,通过实地调研,分析了河北省花生脱壳机械使用现状。
(2)确定了磨盘式花生脱壳机整机结构方案。
完成了脱壳机构、送料机构的设计及其相关部件设计计算与结构优化,利用Inventor完成整机建模,并进行磨盘式脱壳机构样机试制。
(3)通过分析花生荚果受力情况,确定了磨盘转速和磨盘与花生荚果间的摩擦系数是影响花生荚果脱壳率的主要因素;运用EDEM对脱壳过程进行仿真分析,获得了花生荚果在脱壳过程中的受力值。
(4)运用高速摄像机分析了脱壳过程中花生米粒的受损原因、位置及影响因素,利用EDEM仿真分析了花生荚果在磨盘式花生脱壳机中的运动轨迹。
根据上述分析结果,完成了对磨盘、挡板等相关部件的改进设计。
(5)利用单因素试验和正交试验方法,借助Design-Expert和Matlab软件分析了磨盘转速、磨盘与花生荚果间的摩擦系数、花生米粒含水率对花生荚果破壳率及花生米粒损伤率的影响,建立了花生荚果破壳率和花生米粒损伤率的线性回归方程,优化了磨盘式花生脱壳机的工作参数。
(6)为进一步提高花生机械化生产效率,设计了带有双辊式分级机构的磨盘式花生脱壳分级一体机。
利用Inventor构建整机三维模型,运用EDEM软件对分级机构进行仿真,确定了分级辊工作的最佳转速,及其最佳转速条件下的分级准确率和工作效率等参数。
关键词:
关键词:
磨盘式;花生脱壳机;EDEM仿真优化;花生脱壳分级一体机DesignandOptimizationofGrindingDiscGroundnutShellerAuthor:
ZhangHebinMajor:
agriculturalengineeringSupervisor:
HaoJianjunAbstractAtpresent,groundnutpodbreakingrateislow,groundnutgraindamagerateishigh,cleanlinessispoor,andmachinetooluniversalityispoor.Inthispaper,agrindingdiscgroundnutshellerisdesignedbymeansofmechanicaldesign,simulationoptimizationandexperimentalanalysis.Themainworkandresearchresultsareasfollows:
(1)Byconsultingdata,theworkingprincipleandexistingproblemsoftypicalgroundnutshellingmachinesinChinawerecompared.Throughfieldinvestigation,thepresentsituationofgroundnutshellingproductioninHebeiProvincewasanalyzed.
(2)Thestructureschemeofthegrindingdiscgroundnutshellerwasdetermined.Thedesignofshellingmechanismandfeedingmechanism,calculationandstructuraloptimizationofrelatedcomponentswerecompleted.ThewholemachinewasmodeledbyInventor,andtheprototypeofgrindingdiscshellingmechanismwastrial-produced.(3)Byanalyzingtheforceofgroundnutpods,themainfactorsaffectinggroundnutpodsshellingratearetherotationalspeedofthegrindingdiscandthesurfaceroughnessofthegrindingdisc.EDEMisusedtosimulatetheshellingprocess,andtheforcevalueofgroundnutpodsintheshellingprocessisobtained.(4)Thedamagereason,locationandinfluencingfactorsofgroundnutgrainduringshellingprocesswereanalyzedbyusinghigh-speedcamera.ThemovementtrackofgroundnutpodingrindingdiscgroundnutshellerwassimulatedbyEDEM.Accordingtotheaboveanalysisresults,theimproveddesignofthegrindingdisc,baffleandotherrelatedcomponentshasbeencompleted.(5)Usingsinglefactortestandorthogonaltest,theeffectsofgrindingdiscspeed,grindingdiscsurfaceroughnessandwatercontentofgroundnutgrainongroundnutpodbreakagerateandgroundnutgraindamageratewereanalyzedbyDesign-ExpertandMatlabsoftware.Thelinearregressionequationofgroundnutpodbreakagerateandgroundnutgraindamageratewasestablished,andtheworkingparametersofthegrindingdiscgroundnutshellerwereoptimized.(6)Inordertofurtherimprovetheproductionefficiencyofgroundnutmechanization,agrindingdisctypegroundnutshellingandgradingmachinewithtwo-rollgradingmechanismwasdesigned.Inventorisusedtobuildthethree-dimensionalmodelofthewholemachine,EDEMsoftwareisusedtosimulatethegradingmechanism,andtheoptimumspeedofthegradingroll,thegradingaccuracyandefficiencyundertheoptimumspeedconditionsaredetermined.Keywords:
Grindingdisctype;Groundnutsheller;EDEMsimulationoptimization;Groundnutshellerclassifier目录第1章绪论.11.1花生生产概况.11.1.1世界花生生产概况.11.1.2我国花生生产概况.21.1.3河北省花生生产概况.31.1.4花生全程机械化生产概况.41.2花生脱壳机研究现状.51.2.1国外脱壳机研究现状.51.2.2国内脱壳机研究现状.61.2.3河北省花生脱壳典型机械.91.3研究意义和研究内容.101.3.1研究意义.101.3.2研究内容.10第2章磨盘式花生脱壳机的设计.112.1磨盘式脱壳机整机模型.112.2脱壳机构的设计.112.2.1磨盘的设计.122.2.2电机的选取.152.2.3带传动的设计.162.3送料机构的设计.182.3.1送料机构的设计.182.3.2链传动的设计.192.4本章小结.20第3章脱壳机的仿真分析与优化.223.1花生荚果脱壳机理探究.223.1.1花生荚果在磨盘中的受力分析.223.1.2基于EDEM的花生荚果受力分析.233.2基于EDEM仿真的部件优化.253.3部件优化.283.4本章小结.31第4章磨盘式花生脱壳机脱壳性能试验.324.1试验方案的设计.324.1.1试验指标的确定.324.1.2实验器材.324.2磨盘式花生脱壳机单因素实验.334.2.1影响因素的选定.334.2.2转动磨盘转速对花生荚果破壳率和花生米粒损伤率的影响.334.2.3摩擦系数对花生荚果破壳率和花生米粒损伤率的影响.354.2.4花生壳含水率对花生荚果破壳率和花生米粒损伤率的影响.364.3磨盘式花生脱壳机构多因素实验.374.4本章小结.45第5章磨盘式花生脱壳分级一体机设计.475.1花生分级机研究现状.475.1.1国外研究现状.475.1.2国内研究现状.475.2整机设计.495.2.1分级机构的设计.505.2.2分级辊的设计.525.3分级部分仿真.535.3.1基于EDEM的运动仿真.535.3.2探究转速对分级准确率及分级效率的影响.545.4本章小节.56第6章总结与展望.576.1总结.576.2展望.58参考文献.59作者简历.63致谢.641第1章绪论花生含有丰富的蛋白质和脂肪,是世界上广泛种植的重要油料作物、经济作物1。
它不仅可以为我们提供油料和植物蛋白2,还可以制作成花生酱、油炸花生、甜食等各种食物3供人们日常食用。
我国的花生种植历史悠久,史料记载,早在千年之前,智慧的中国人民便开始在肥沃的中华大地上种植花生。
作为花生的原产地之一,我国的花生种植在世界花生种植史中占据重要地位4。
时至今日,花生依然是我国重要的油料作物,也为我国持续稳定地创造外汇收入5。
1.1花生生产概况1.1.1世界花生生产概况根据联合国粮食及农业组织(FAO)数据(截止更新日期为2019年3月11日)6,2017年,世界花生收获面积为2.79105km2,平均单产量为1686kg/hm2,总产量为4.71107t,表1-1为2015-2017世界花生收获面积、单产量、总产量统计数据。
表1-12015-2017世界花生生产情况Tab.1-1Worldgroundnutproductionfrom2015to2017年份收获面积(km2)单产量(kg/km2)总产量(t)2015264941.101675100443814732016279551.431606500449094292017279402.60168560047097498中国、印度、尼日利亚、印度尼西亚、美国等国家是花生的主要生产国。
表1-2显示了2017年世界花生主产国花生收获面积、单产量、总产量统计数据。
表1-22017年花生主产国花生生产统计Tab.1-2Groundnutproductionstatisticsofmaingroundnutproducingcountriesin2017收获面积(km2)单产量(kg/km2)总产量(t)世界279402.6016860047097498中国46080.0037090017092000印度53000.001732009179000尼日利亚28200.00858002420000苏丹20148.72814001641011美国7185.70456600328111021.1.2我国花生生产概况我国自新中国成立以来花生的种植面积呈现波动增长态势,花生种植总面积由1949年的1.254104km2增长到2017年的4.608104km2,花生总产量由1949年的126.83万吨增长到2017年的1709万吨7。
图1-1为20082017年我国花生种植面积变化8。
图1-120082017年我国花生种植面积Fig.1-1Groundnutplantingareainchinafrom2008to2017目前,我国主要的花生产区包括黄淮海花生产区,长江流域花生产区,华南花生产区和东北花生产区。
西北地区拥有良好的光照热量条件,加之天山等高山区具有良好的雪水灌溉条件,未来有希望成为我国花生主产区之一9。
近年来,我国花生产区集中度显著提高。
2014年黄淮海产区花生种植面积为2.212104km2,约为长江、华南、东北三个产区种植面积总和的2倍。
2017年,河南和山东两省花生产量占全国花生产量的49.3%。
此外,吉林、河北、广东、辽宁、湖北、安徽等省份也是我国花生生产的主要产区。
目前,我国花生产量前八的省份占全国花生产量比例为80.9%。
表1-3为2015-2017我国花生主产省花生种植面积、单产量、总产量情况。
4100004200004300004400004500004600004700002008200920102011201220132014201520162017种植面积/km年份3表1-32015-2017我国部分省份花生生产情况Tab.1-3groundnutproductioninsomeprovincesofchinafrom2015to2017年份:
2015省份播种面积(km2)单产量(kg/km2)总产量(t)河南10746.1451615485.31山东7404.4431370319.40河北3428.7371609127.41吉林1734.232232755.90广东3659.1297999109.04年份:
2016河南11281.7451341509.19山东7397.4434687321.56河北3422.5378987129.71吉林2066.932321666.81广东3690.2303324111.93年份:
2017河南11519.3459937529.81山东7092.3442067313.53河北2667.9387603103.41吉林3326.5328488109.27广东3191.030842398.42“十三五”期间,随着农业供给侧结构性改革的推进,我国花生种植面积、总产量、单产单、生产效率等都有所提升10。
1.1.3河北省花生生产概况河北省是我国花生的主产省之一,年播种面积稳定在3500km2左右,花生是河北省主要的油料作物,被纳入河北省10个大类27个特色优质农产品之列11。
十年来,河北省的花生种植面积呈现出下降趋势,2007年,全省花生播种面积为3915km2,2017年则为2667.9km2,降幅明显。
单产量2007年的333760kg/km2,上涨到2017年的387603kg/km2,涨幅显著12。
唐山、保定、石家庄是河北花生产量排名前三的地区。
图1-2为河北省各地市花生产量占全省花生产量比重。
4图1-2河北省各地市花生产量占全省花生产量比重Fig.1-2Provinceaccountsfortheproportionofgroundnutyieldinthewholeprovince1.1.4花生全程机械化生产概况花生机械化生产主要包括耕整地、播种、田间管理、收获、产后加工等环节。
花生生产机械化流程如图1-3所示。
耕整地播种收获产后加工田间管理图1-3花生生产机械化流程Fig.1-3Mechanizedgroundnutproductionprocess花生播种前的耕整地基本要求与小麦玉米等大田作物大致相同。
耕整地作业机械主要有翻转犁、旋耕机和深松机等13。
在耕整地作业中,自动导航、激光平地等先进耕整地装备正在逐步推广应用。
花生的机械化播种可以赋予花生种子最佳的水、肥、温、气、光照以及预防病虫害等出苗生长条件14。
花生田间管理主要包括病虫害防治、化控调节和排灌等环节。
其中,病虫害防治是主要环节15。
病虫害防治、化控调节的药液喷施主要采用喷雾机或弥雾机完成。
机械喷雾可实现药液雾化粒度均匀、喷量均匀适宜,具有省药、省时、高效等特点。
花生收获包括挖掘、捡拾、摘果等过程16。
目前,我国普遍使用的花生收获机械主要包括振动筛选式、抖动升运链式、滚筒式、夹持链式等种类的花生收获机,另外还有花生联合收获机、花生摘果机械等。
花生产后加工包括花生干燥、花生脱壳、清选分级、深加工等工艺过程17。
产后加工的机械化程度以及机械化作业质量,在一定程度上影响花生产业的发展态势,对花生保产增值起到重要作用。
15%25%6%10%9%20%0%6%2%7%2017年河北省各地市花生产量比重年河北省各地市花生产量比重石家庄唐山秦皇岛邯郸邢台保定张家口承德51.2花生脱壳机研究现状花生脱壳是花生生产中的重要环节,人工脱壳效率低、耗费时间,花生脱壳机能够有效得代替人力进行花生脱壳。
使用机械脱壳的效率是人工剥壳效率的20-60倍。
目前我国的花生脱壳机已十分普及,但无论是机械普及率还是机械先进程度都和欧美发达国家存在较大差距18。
1.2.1国外脱壳机研究现状尼日利亚的奥卢沃尔等人19研制了离心式花生脱壳机,该机由漏斗单元、脱壳单元和动力传动单元三个主要单元组成。
离心式花生脱壳机采用冲击技术,能有效地剥除花生壳。
该机在最佳工作状态下的花生荚果脱壳率和花生米粒损伤率分别为83.2%和17.4%,每小时可以处理75000个花生荚果。
埃及的黑马等人20研制了往复式花生脱壳机,该机是一种能将花生、大豆等多种作物进行脱壳作业的机器。
通过改进其送料机构(输送带)、增大脱粒箱摩擦面积、用橡胶强化脱粒等方法,可将花生荚果脱壳率提高到98.85%,同时花生米粒损伤率只有1.36%。
罗斯塔米等人21研制了一台拥有四级(4m/s、5m/s、6m/s、7m/s)滚筒转速和四级(8mm、12mm、16mm、20mm)滚筒与凹板间隙的花生脱壳机,该机的最大特点是在一定范围内,花生荚果脱壳率随脱壳速度的增加而提高,但花生米粒损伤率无明显升高。
马德旺等人22研制了一台集花生的干燥、清洁和脱壳等功能于一身的花生联合收割机。
该机采用改性花生联合收割机对花生进行脱粒处理,该花生联合收割机的花生荚果脱壳率达到99%。
美国是花生脱壳机械技术水平较高的国家。
早在20世纪60年代,美国就开始研究花生脱壳机械。
美国花生脱壳机的普遍特征为花生荚果脱壳率较高、花生米粒损伤率较低,且得到了广泛应用。
在20世纪80年代早期,尤昂开发了一种花生脱壳机,该机能够在花生脱壳作业之前,根据花生荚果的尺寸对花生进行分级,然后再对分级之后的花生荚果进行破壳,破壳完成后,采用变形控制技术引导脱壳后的花生向特定的收集装置运动,做到精准脱壳;皮特尝试用激光切割花生荚果,用激光切割逐个切割花生荚果,花生米粒的损伤率接近为0;普鲁士和韦尔马研制了一台基于碰撞机理的花生脱壳机。
美国的新型花生脱壳机机械正在朝着在线检测、预测等方向发展23。
除了机械脱壳,古列维奇梅西纳等人24曾研究运用改性天然沸石催化花生壳原位热解,以此完成花生脱壳。
阿罗拉等人25运用生物技术对花生壳进行分解,他们采用微波辅助热稀碱预处理花生荚果,并利用生物质进一步酶解花生外壳。
运用生物、化学方法进行花生脱壳,基本可以做到花生米粒的零损伤。
61.2.2国内脱壳机研究现状我国自1965年开始研制花生脱壳机,但投入用于花生脱壳机械研制的资金有限,自20世纪90年代开始,我国花生脱壳技术停滞不前,花生脱壳性能没有实质性的提高27。
脱壳性能差主要表现在花生米粒损伤率较大,损伤后的花生只能用于榨油和食用,无法满足种用花生的要求。
这一现状严重制约了我国花生产业的发展。
此外,人工脱壳在花生脱壳作业中仍然占较大比重,花生脱壳机械普及程度依然不高26。
近年来,我国花生脱壳机械研究不断深入,花生脱壳机种类不断丰富,出现气爆式、滚筒式、刮板式等多种依据不同脱壳原理设计的花生脱壳机28。
(1)气爆式花生脱壳机291998年,王延耀等人对气爆式花生脱壳机进行了深入研究。
气爆式花生脱壳机属真空法脱壳,气爆式花生脱壳机的理论基础为花生壳本身具有通透性这一特征。
机器工作时先将花生荚果放置在密封容器内,然后对花生荚果进行充气以此来完成加压,使花生荚果内外压力在一段时间内达到标准值,保持容器内的压强,一段时间后,突然打开容器使花生荚果与大气接触,花生荚果在内外压差的作用下造成破坏。
图1-4为气爆式花生脱壳机1.空气压缩机2.高压胶管3.试验容器4.压力表5.活门6.开口布袋7.机架1.Aircompressor2.Highpressurerubberhose3.Testcontainer4.Pressuregauge5.Valve6.Openbag7.Frame图1-4气爆式花生脱壳机Fig.1-4Airexplosiongroundnutsheller
(2)双滚筒气力循环式花生脱壳机30,312011年,高连兴、杜鑫等人研发了双滚筒气力循环花生剥壳机。
双滚筒气力循环花生剥壳机属于打击式花生脱壳机。
该机的脱壳部件为两个脱壳滚筒和两个相对应的凹板筛,其整体结构配置如图1-5示。
71.胶带轮12.机架3.输送风机4.振动筛5.吊杆机构6.未脱花生回收斗7.链轮组合8.二次脱壳滚筒9.二次脱壳喂料斗10.一次脱壳喂料斗11.一次脱壳滚筒12.分选风机13.胶带轮214.电动机1.Beltwheel12.Frame3.Conveyorfan4.Vibratingscreen5.Suspendermechanism6.Unpeeledpeanutrecoverybucket7.Sprocketcombination8.Secondarypeelingdrum9.Secondarypeelingfeedingbucket10.Primarypeelingfeedingbucket11.Primarypeelingdrum12.Separatingfan13.Beltwheel214.Motor图
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