灵武长枣机械式分级装置的设计

王子文　王春秀　慕松

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。

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

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：

■=k1=■ （1）

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：

k2=■ （2）

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40 mm，最大纵径70 mm，平均横径21 mm，最大横径43 mm（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25 g，最大达40 g。在计算过程中，取灵武长枣的平均纵径40 mm，平均横径21 mm，平均单果重25 g。

筛面尺寸：筛面横向尺寸1 000 mm，纵向尺寸1 500 mm。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1 624个左右。则理想状态下筛面上的灵武长枣重40.6 kg。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≈51 r/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=100 r/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：endprint

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=3 904.02 N。筛子的质量为25.6 kg，此状态下筛子的惯性力u1=560 N。根据设计要求，理想状态下筛面上灵武长枣的质量为40.6 kg，其惯性力 u2=890 N。则吊杆所受拉力为灵武长枣和筛子离心力之和F总=1 450 N；则本设计中，曲柄转矩Tn=72.5 N·m；两层水平振动筛所需功率P=1.52 kW。

在满载荷情况下，要求电动机的功率至少为1.52 kW。功率为1.52 kW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：

S=πAB+Bl （4）

V=■πABC+■（5）

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。

a2（l）=■（6）

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40 mm，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=0 mm，风选过程中灵武长枣的下落高度为h1=10 B=200 mm。在竖直方向上，该下落过程时间t=0.2 s。

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

Q=40S1×■ （9）

式中，Q为风的流量；S1为出风口截面积。

代入数据t=0.2 s；当Δ=30 mm时，P=187.5 Pa，v=17.3 m/s，Q=1.73 m3/s。

风速v=17.3 m/s，相当于七级风力，流量为Q=1.73 m3/s 的风力可由4-2×7268E双吸离心式风机提供。因此，第二步采用风力筛选的方法，对灵武长枣以长短作为筛选标准进行筛选，从设计思路到数学建模，理论计算和动力提供等方面均具有较大可行性。

图6为筛选机的三维模型。理论条件下，该筛选机每小时可筛选7 381.8 kg灵武长枣，考虑到在第一步筛选过程中灵武长枣的相互碰撞以及滑落，以筛选效率为10%计算，则每小时至少可以筛选出四种等级共计738.2 kg灵武长枣。

3 小结

设计方案经过小型样机的原理性验证，方案可行，并且具有较好的筛选效果和筛选能力，能够满足对灵武长枣筛选的要求。该装置不仅可以用于灵武长枣的筛选，其筛选原理和方法同样可以用于其他类似物品的筛选，并且可为其他机构的设计提供一定的参考。

参考文献：

[1] 郭年琴，匡永江.振动筛国内外研究现状及发展[J].世界有色金属，2009（5）：26-27.

[2] 贺晓光，何建国，王松磊.灵武长枣自动分级机输送系统的研制[J].宁夏农林科技，2008（6）：12-15.

[3] 孙 恒，陈作模.机械原理[M].第八版.北京：高等教育出版社，2008.

[4] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].第七版.北京：高等教育出版社，2001.

[5] 邹慧君.机械运动方案设计手册[M].上海：上海交通大学出版社，1994.

[6] 朱典想.刨花水平振动筛选机的运动机理研究[J].林业机械与木工设备，2000（12）：12-15.

[7] 吴宗泽.机械结构设计[M].北京：机械工业出版社，1998.

[8] 成大仙.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1993.

[9] 刘鸿文.材料力学[M].第四版.北京：高等教育出版社，2004.endprint