灵武长枣机械式分级装置的设计

王子文ａ，王春秀ａ，慕松ａ，ｂ

（宁夏大学，ａ．机械工程学院；ｂ．新能源研究中心，银川７５００２１）

摘要：针对目前灵武长枣筛选存在的问题，设计出一种小型自动化机械用于灵武长枣的筛选。以灵武长枣长短和粗细作为筛选标准，通过两次筛选，最终筛选出基于长短、粗细两个指标的四个等级的长枣，完成了灵武长枣的分级筛选。理论情况下，以筛选效率为10%计算，该设计每小时至少可以筛选出四个等级共计738.2 kg灵武长枣。

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关键词：灵武长枣；机械式；分级装置

中图分类号：Ｓ２２６．５；Ｓ６６５．１文献标识码：Ａ文章编号：０４３９－８１１４（２０１５）０１－０196－０３

ＤＯＩ：１０．１４０８８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ０４３９－８１１４．２０１５．０１．０51

Ｄｅｓｉｇｎｓ of ＭａｃｈｉｎｅｒｙＧｒａｄｉｎｇＤｅｖｉｃｅｏｆＬｉｎｇｗｕＬｏｎｇＪｕｊｕｂｅ

ＷＡＮＧＺｉ－ｗｅｎａ，ＷＡＮＧＣｈｕｎ－ｘｉｕａ，ＭＵＳｏｎｇａ，ｂ

（ＮｉｎｇｘｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ａ．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｂ．ＮｅｗＥｎｅｒｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，Ｙｉｎｃｈｕａｎ７５００２１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Based on ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎＬｉｎｇｗｕｌｏｎｇｊｕｊｕｂｅｓｃｒｅｅｎｉｎｇ，ａｎｅｗｋｉｎｄｏｆｓｍａｌｌａｕｔｏｍａｔｉｃｍａｃｈｉｎｅｆｏｒｔｈｅｓｃｒｅｅｎｉｎｇｏｆＬｉｎｇｗｕｌｏｎｇｊｕｊｕｂｅｗａｓ designed． UsｉｎｇｔｈｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆＬｉｎｇｗｕｌｏｎｇｊｕｊｕｂｅａｓｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｗｏｓｔｅｐｓｓｃｒｅｅｎｉｎｇ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｏｆｌｏｎｇｊｕｊｕｂｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓｃｏｕｌｄｂｅ screened．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ condition，ｆｏｕｒｌｅｖｅｌｓｏｆｔｏｔａｌ７３８．２ｋｇｌｏｎｇｊｕｊｕｂｅｃａｎｂｅｓｃｒｅｅｎｅｄｏｕｔｂｙｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｗｈｅｎｔｈｅｓｃｒｅｅｎｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓ１０％．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｉｎｇｗｕｌｏｎｇｊｕｊｕｂｅ；ｍａｃｈｉｎｅｒｙ；ｇｒａｄｉｎｇｄｅｖｉｃｅ

收稿日期：２０１４－０１－１０

基金项目：宁夏科技攻关项目（ＹＫＸ－１１－２０６）

作者简介：王子文（１９９１－），男，安徽阜阳人，在读硕士研究生，研究方向为机械设计与制造，（电话）１５５９５２２２４１２（电子信箱）１１６２１２６３６６＠ｑｑ．ｃｏｍ；

通信作者，王春秀（１９６４－），女，教授，主要从事先进制造技术研究，（电话）１５６０９５０５１６６（电子信箱）ｃｈｕｎｘｗａｎｇ＠ｎｘｕ．ｅｄｕ．ｃｍ。

灵武长枣作为宁夏回族自治区特有的产物，一直受到市场的青睐，畅销全国各地。随着宁夏回族自治区对地方特色产业扶植力度的加大，灵武长枣产业经历了较快的发展，市场需求旺盛。目前灵武长枣一般采用人工挑选的方法进行筛选和分离，工作量较大，工作效率较低，分级质量浮动性较大，这种人工筛选分级方式越来越难以满足市场需求。为此，基于市场需求，拟设计一种新型的灵武长枣分级装置，采用机械筛选分离的方式实现对灵武长枣的筛选分级。

１分级方案简介

常见的分离方法有以下3种：机械筛选分离法、风力筛选法和光电筛选分离法［１］，目前市场上较为常见的为光电筛选分离法。光电筛选分离法，即通过光学成像，通过微机与样本进行大小以及颜色比较，归一化被分离物的应属标准范围，然后通过后续执行机构执行相关动作，使同一标准范围内的被筛分物执行相同操作，从而达到分离的效果［２］。光电分离法综合运用到光学、微机学、运动学等综合学科的内容，其结构、控制部分较为复杂，但其分级准确度较高。

综合考虑设计要求，以及各筛选方案的优缺点、应用对象和应用条件等因素，设计选用振动筛作为以灵武长枣直径为筛选标准的第一步筛选的筛选机构；选用风力筛选法为以灵武长枣长短为筛选标准的第二步筛选的筛选方案。通过两次筛选，最终实现筛选出基于长短、粗细两个指标的不同等级的灵武长枣，完成灵武长枣的分级筛选。

２分级方案的设计

２．１水平振动筛工作原理及运动分析

水平振动筛的运动原理为曲柄摇杆机构［３－５］，曲柄做圆周运动，通过连杆的连接，带动摇杆做周期性往复摆动。

图１为水平振动筛运动机构原理图。图１中ＡＤ、ＢＣ为曲柄与筛体间连杆，ＡＢ为筛体，－Ｘ—＋Ｘ为水平面，Ｍ为被筛选物体，θ为振动筛摆动最大夹角，α为筛体本身与水平面夹角，ε为筛子摆动方向与水平方向夹角。

由于被筛物相对于筛面的摩擦角？渍为一定值，通过合理设置筛面倾斜角α、筛子摆动方向与水平方向夹角ε和筛体摆动频率ｆ，被筛物Ｍ在筛面上的有3种运动状态：相对于筛面向下运动、相对于筛面静止和相对于筛面向上运动。为尽可能多地让枣子与筛面接触，提高筛选准确率，所以必须令参数α<？渍，使枣子相对于筛面向上运动。

假定筛体两端吊杆长度相等，且其长度远大于筛子的摆幅，则可知筛子上所有点的运动轨迹均为一圆弧，且可将此圆弧视为一直线段，因此可将筛体ＡＢ的运动状态视为简谐运动。通过运动分析和受力分析得到：

式中，ｗ为曲柄转动角速度；ｋ１为被筛物枣子能否沿斜面上移的筛体运动体制界限指标；ｇ为重力加速度。

对筛体具有负加速度时运动状态进行受力分析得，被筛物沿筛面向下移动的筛体运动限界指标ｋ２为：

式中，ｋ２为被筛物枣子能否沿斜面下移的筛体运动体制界限指标。

当ｋ≤ｋ２、ｋ≤ｋ１时，仅向下运动；当ｋ＞ｋ１＞ｋ２时，被筛物在筛面上可向上和向下运动，其中向下运动大于向上运动；当ｋ２＞ｋ＞ｋ１时，仅向上运动；当ｋ＞ｋ２＞ｋ１时，可向上和向下运动，且向上运动大于向下运动。当ｋ＝ｋ1＝ｋ２时，被筛物在筛面上相对静止［６］。

在灵武长枣经过筛面筛选的过程中，灵武长枣相对于筛面的姿势是不断变化的，能否保证所有灵武长枣在结束前以合适的姿态经过筛选，是需要解决的问题。通过试验发现，灵武长枣在筛面上运动与筛面接触的过程中，由于受到筛面筛网的作用，其姿态在短暂时间内就发生改变。由最开始的任意姿态，矫正为一合适的姿态经过筛面筛孔的筛选。直径小于筛孔间隙的灵武长枣便落下筛网，直径大于筛孔间隙的灵武长枣则一直留在筛面上，直至最后从尾端筛出，完成第一步的筛选［７］。灵武长枣姿态矫正过程示意图如图２。

２．２水平振动筛的设计

灵武长枣果实外形呈长椭圆形，平均纵径４０ｍｍ，最大纵径７０ｍｍ，平均横径２１ｍｍ，最大横径４３ｍｍ（灵武长枣特大枣占总产量的０．５％），纵、横径比较其他红枣品种大；平均单果重２５ｇ，最大达４０ｇ。在计算过程中，取灵武长枣的平均纵径４０ｍｍ，平均横径２１ｍｍ，平均单果重２５ｇ。

筛面尺寸：筛面横向尺寸１０００ｍｍ，纵向尺寸１５００ｍｍ。实际状态下，由于每排灵武长枣间存在一定间隙，当筛面上布满灵武长枣时，总共可放置１６２４个左右。则理想状态下筛面上的灵武长枣重４０．６ｋｇ。计算过程中，定筛体与水平方向的夹角α＝５°，被筛物灵武长枣相对于筛面的摩擦角？渍＝３０°通过计算，令ｋ＝ｋ１＝ｋ２，得ｋ＝ｋ１＝ｋ２＝０．５９，ε＝－２０°；调节ε＝－３５°，得ｋ１＝０．５７，ｋ2＝０．８；ｋ2＞ｋ＞ｋ１。被筛物灵武长枣沿筛面相对向上运动的曲柄限界转速ｎ１≈５１ｒ／ｍｉｎ。当ｎ＞ｎ１时，被筛物灵武长枣将沿筛面相对向上运动，取转速ｎ＝１００ｒ／ｍｉｎ。

设筛体在右侧位移为正，左侧位移为负，被筛物在筛面上向上位移为正，向下位移为负。对灵武长枣在筛体上右向时限、左向时限内的相对运动情况分别进行受力分析。图３为使灵武长枣得到加速度，并使之沿斜面向上移动的受力分析图。

由牛顿第二定律，对筛面上运动的红枣进行受力分析得：

ｍａ１＝ｕｃｏｓ（ε＋α）－ｍｇｓｉｎα－Ｆ（３）

式中，ｍ为灵武长枣质量；ａ１为灵武长枣在筛面上的加速度；ｕ为灵武长枣惯性力大小；Ｆ为被筛物与筛面的摩擦力。

代入数据得ｍａ１＝３９０４．０２Ｎ。筛子的质量为２５．６ｋｇ，此状态下筛子的惯性力ｕ１＝５６０Ｎ。根据设计要求，理想状态下筛面上灵武长枣的质量为４０．６ｋｇ，其惯性力ｕ２＝８９０Ｎ。则吊杆所受拉力为灵武长枣和筛子离心力之和Ｆ总＝１４５０Ｎ；则本设计中，曲柄转矩Ｔｎ＝７２．５Ｎ·ｍ；两层水平振动筛所需功率Ｐ＝１．５２ｋＷ。

在满载荷情况下，要求电动机的功率至少为１．５２ｋＷ。功率为１．５２ｋＷ的电机目前市场上较易获得，且体积较小，完全能够满足设计要求。因此从动力和理论设计方面，第一步筛选是完全可行的［８，９］。

２．３风力筛选的设计

在第一步筛选中，筛选出直径在一定范围内的灵武长枣。第二步便筛选出长度在一定范围内的灵武长枣。长度方面的差异，最直接的体现是灵武长枣的轴向最大截面积和质量的不同。通过假设论证，采用了风选的方法，以灵武长枣长短为筛选标准进行筛选分离。图４为风力筛选原理图。

经过第一步的筛选，假设灵武长枣直径相同，且灵武长枣两端椭圆部分大小是相同的，仅在中间部位的长短方面有差别。设计中，将较长灵武长枣抽象为两部分：两端为半椭球，中间为圆柱体。示意图如图５。

得出抽象后较长灵武长枣最大截面积和体积：

式中，S为椭圆最大截面积；A为椭圆的长轴长；B为椭圆的短轴长；V为椭球体积；C为椭球高；l为较基本红枣多出的长度。

长度较长的灵武长枣其最大截面积较大，在同一环境下接受的风力也较大，但是其质量也较大。经数学建模分析得，灵武长枣在风力作用方向的位移大小仅与水平方向加速度有关。就风力作用下灵武长枣加速度大小进行分析，分析l与加速度的关系如公式（６）所示。

式中，Ｐ为风机产生的风压；？籽为红枣密度；ａ２（l）为红枣水平方向加速度；a为椭圆的长半轴长；b为椭圆的短半轴长；c为椭球高的一半。

对公式（６）求导得：

ａ２’（l）＜０（７）

由公式（７）得：随l的增加，灵武长枣的水平加速度是减小的。即长度越大其位移越小，长度越短其位移越大。选取灵武长枣的平均参数为计算数据，并将其记为基本灵武长枣参数。取纵径为４０ｍｍ，横径为２1 ｍｍ。记灵武长枣姿势矫正过程中初始下落高度为ｈ０＝０ｍｍ，风选过程中灵武长枣的下落高度为ｈ１＝１０Ｂ＝２００ｍｍ。在竖直方向上，该下落过程时间ｔ＝０．２ｓ。

Δ＝Ｌ１－Ｌ０（８）

式中，Δ为筛选分辨度；Ｌ１为较短灵武长枣风力作用方向上的位移；Ｌ０为较长灵武长枣风力作用方向上的位移。

根据公式