一种弦波振动式辣椒仿生清选筛分装置及辣椒收获机

本发明属于工程仿生，具体涉及种弦波振动式辣椒仿生清选筛分装置及辣椒收获机，尤其涉及一种模仿鲢鱼双层鳃耙结构与过滤机理的弦波振动式辣椒清选筛分装置。

背景技术：

1、辣椒是我国重要的特色经济作物，全国种植面积广，年加工量大。辣椒采收过程必须经过清选筛分，去除枝干、叶片、泥沙、碎渣等杂质，才能进入后续加工环节，清选效果直接决定辣椒成品品质与市场价值。

2、现有辣椒清选技术以星形轮、分离辊、气流比重分选为主要技术路线，其中星形轮配合气力风选是当前田间机械化收获清选的主流方案，国内外研究多围绕分离元件结构、运行参数、风机工况等方向开展参数优化与机理探究，虽一定程度提升了清选作业效率，但整体仍未脱离几何尺寸筛分或密度差分选的传统逻辑，普遍存在对尺寸与辣椒相近的茎秆等杂质分离效果有限、物料堆积输送易夹带果实造成损失、清选精度与果实破损率难以兼顾、黏湿物料工况下易发生堵卡缠秆、对不同品种辣椒的作业适配性较差，往往需要更换核心分选构件。

3、鲢鱼鳃耙特有的复合过滤结构与滤食机制，与农业物料清选“高精度分离、防堵、连续作业”的核心需求高度契合，是淡水滤食性鱼类中适配筛分场景的最优选择。鲢鱼鳃耙并非普通鱼类的独立梳齿结构，而是演化出“融合式筛板+内层滤网”的复合过滤体系，可截留微米级细小颗粒；相邻鳃耙通过侧刺嵌合形成“入口宽、出口窄”的渐变间隙，配合鳃弓节律张合具备天然自清洁能力，能缓解易堵塞问题。其过滤模式可实现高效筛分，进一步提升清选洁净度。然而，目前尚无将鲢鱼鳃耙的分级过滤机制应用于辣椒清选筛分领域的相关技术报道。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有辣椒清选装置对尺寸与辣椒相近的茎秆等杂质分离效果有限、物料堆积输送易夹带果实造成损失、清选精度与果实破损率难以兼顾、黏湿物料工况下易发生堵卡缠秆、不同品种辣椒作业适配性较差等技术问题中的至少之一。为此，本发明提出一种弦波振动式辣椒仿生清选筛分装置及辣椒收获机，该装置通过模仿鲢鱼双层鳃耙的结构和过滤机理，结合弦波振动方式，能够有效改善辣椒清选筛分的效率和效果，降低物料损失率，同时具有结构简单、适应性强等优点。

2、鲢鱼鳃耙是淡水滤食性鱼类中适配筛分场景的优选仿生对象。鲢鱼作为我国四大家鱼，国内有一定研究基础，技术迁移风险低、落地性强。相较于鳙鱼筛分精度不足、海水滤食鱼类研究基础薄弱、大型滤食鱼类结构强度不足等缺陷，鲢鱼具备突出的工程仿生价值。鲢鱼鳃耙并非普通鱼类的独立梳齿结构，而是演化出“融合式筛板+内层滤网”的复合过滤体系。外层主鳃耙为平行梳齿结构，依靠耙间距实现初级粗滤功能；内层鳃耙网为细密网状开孔结构，依靠微小网孔实现精细滤食功能；相邻鳃耙通过侧刺嵌合形成“入口宽、出口窄”的渐变间隙，配合鳃弓节律张合具备天然自清洁能力。本发明借鉴鲢鱼双层鳃耙的结构特征和过滤机理，提供一种弦波振动式辣椒仿生清选筛分装置及辣椒收获机，提供了不同于传统硬接触筛分的清选思路，有利于可以改善杂质的分离效果，减物料堆积夹带造成的果实损失，物料与柔性结构接触能降低鲜椒表皮破损风险，可缓解黏湿物料黏附堵卡的问题，对不同品种辣椒的作业适配性也相对更优。

3、鲢鱼外层主鳃耙为平行梳齿结构，依靠耙间距实现初级粗滤功能，成鱼耙间距范围为0.008~0.020mm。本发明上层粗滤筛网采用与生物原型一致的平行排列逻辑，设计为长方形格结构，其中长方形格的间隙宽度对应生物原型的耙间距，设置为14~16mm；以生物原型平均耙间距为基准，本设计的横向间隙缩放比例约为1000~1140倍。长方形格的长度设置为100~120mm，同步匹配装置整体物料通行幅宽进行放大，完整保留了生物原型“平行梳齿导向、大间隙初滤”的结构特征。鲢鱼内层内鳃耙网为细密网状开孔结构，依靠微小网孔实现精细滤食功能，等效有效滤孔平均尺寸约0.006mm。本发明下层精滤筛网采用与生物原型一致的密布开孔逻辑，设计为均匀开孔的筛板结构，其中筛孔对应生物原型的鳃耙网孔；为降低物料堵塞风险，将筛孔设计为上大下小的锥形结构。入口孔径尺寸为6~7mm，下尺寸为5~6mm，以生物原型等效平均孔径为基准，本设计的孔径缩放比例约为830~1170倍，与上层筛网的缩放比例基本一致，维持了生物原型“孔径层级递减、精度逐级提升”的滤过特征。

4、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

5、一种弦波振动式辣椒仿生清选筛分装置，包括机架、料箱、双层仿生筛分机构、弦波振动式推进机构、进料机构、风选机构、抬升机构和出料机构；

6、所述料箱的后端铰接于机架上，所述抬升机构连接于料箱的前端与机架之间，用于驱动所述料箱绕其后端铰接点转动倾斜；

7、所述双层仿生筛分机构安装于所述料箱上，随所述料箱同步倾斜，双层仿生筛分机构包括上下布设的上层粗滤筛网和下层精滤筛网；所述上层粗滤筛网为仿鲢鱼外层主鳃耙的平行长方形格结构，平行长方形格结构包括多根等距平行排布连接的塑性条，用于拦截大体积杂质；所述下层精滤筛网为仿鲢鱼内层网状鳃耙的均匀开孔筛板结构，均匀开孔筛板结构的筛孔呈外扩内收的漏斗形，孔壁光滑钝化，用于滤除小微杂质并留存辣椒果实；

8、所述弦波振动式推进机构安装于机架上，弦波振动式推进机构与双层仿生筛分机构传动连接，用于驱动上层粗滤筛网和下层精滤筛网做弦波式往复振动；

9、所述进料机构安装于机架上，进料机构出料端设于双层仿生筛分机构的进料端上方，用于将待清选物料连续输送至上层粗滤筛网；

10、所述风选机构安装于料箱的侧壁上，风选机构出风口朝向上层粗滤筛网和下层精滤筛网的物料层，用于向物料层吹送气流以分离轻质杂质；

11、所述出料机构设于双层仿生筛分机构的出料端、且位于下层精滤筛网的下方，用于承接并分类排出由双层仿生筛分机构分离出的不同物料。

12、上述方案中，所述上层粗滤筛网和下层精滤筛网的四周边缘均分别通过卡箍与料箱可拆卸连接；

13、所述上层粗滤筛网和下层精滤筛网均沿物料前进方向向下倾斜设置，上层粗滤筛网和下层精滤筛网之间设有落料缓冲高度；各所述卡箍独立安装于所述料箱的侧壁上，并能够沿高度方向独立调节固定位置，通过将同一筛网的各卡箍调节至不同高度以改变该筛网的倾斜角度，通过将同一筛网的全部卡箍同步调节相同高度以改变该筛网的安装高度，通过分别调节所述上层粗滤筛网和所述下层精滤筛网各自卡箍的高度以改变两层筛网之间的落料缓冲高度。

14、上述方案中，所述弦波振动式推进机构包括驱动电机、偏心轮机构、支撑机构和连杆机构；

15、所述驱动电机安装于所述机架上，驱动电机的输出端与偏心轮机构传动连接，用于驱动偏心轮机构旋转；所述偏心轮机构与支撑机构抵接，所述偏心轮机构旋转时推动支撑机构上下往复运动；所述支撑机构与连杆机构抵接，用于推动连杆机构上下往复运动；所述连杆机构与上层粗滤筛网和下层精滤筛网连接，用于驱动上层粗滤筛网和下层精滤筛网做弦波式往复振动；所述偏心轮机构、支撑机构和连杆机构均设置两组，对称分布于双层仿生筛分机构的左右两端；两组偏心轮机构的运动方向相反；所述上层粗滤筛网的振动振幅大于所述下层精滤筛网的振动振幅。

16、进一步的，所述连杆机构包括连接座、固定端和碳纤维管；

17、所述连接座安装于料箱的侧壁上，并能够沿所述侧壁上下滑动，所述支撑机构与连接座抵接，所述偏心轮机构通过支撑机构驱动连接座沿料箱的侧壁上下往复滑动；

18、所述固定端通过锁紧螺丝与连接座可拆卸连接，松开所述锁紧螺丝后固定端可相对于连接座上下移动，拧紧后固定；

19、所述碳纤维管通过扎带与上层粗滤筛网和下层精滤筛网连接。

20、上述方案中，所述上层粗滤筛网和下层精滤筛网在弦波振动式推进机构驱动下的垂直振动位移沿物料输送方向满足以下运动学方程：

21、

22、其中，为沿物料输送方向的位置坐标，进料端处；为振动时间；为进料端初始振幅；为振幅沿输送方向的线性衰减率；为筛面振动的时间角频率；为筛面振动的空间波长。

23、上述方案中，所述进料机构为带传动输送机构，包括主动轴、从动轴、输送带和电机；

24、所述主动轴和从动轴分别可转动地安装于机架上，所述输送带环绕于主动轴和从动轴上，所述电机安装于机架上，所述电机的输出端与主动轴传动连接，用于驱动输送带回转运动；所述进料机构的出料端宽度小于所述上层粗滤筛网的宽度。

25、上述方案中，所述风选机构包括风机和连接装置；

26、所述风机设有两台，沿物料前进方向间隔布置于所述料箱的侧方，所述风机的出风口正对所述上层粗滤筛网和下层精滤筛网的物料层；所述连接装置安装于所述料箱的侧壁。

27、上述方案中，所述抬升机构包括电动推杆和箱固定座；

28、所述电动推杆设有两个，两个电动推杆对称布置于所述料箱的左右两侧；各所述箱固定座分别安装于所述料箱的两侧壁上；各所述电动推杆的一端与机架铰接，另一端通过箱固定座与料箱的侧壁铰接。

29、上述方案中，所述出料机构包括大杂质出料口、成品辣椒出料口和细杂质出料口；

30、所述大杂质出料口设于上层粗滤筛网的出料端，连接有第一倾斜板，用于排出被所述上层粗滤筛网拦截的大体积杂质；

31、所述成品辣椒出料口设于所述下层精滤筛网的出料端，通过第二倾斜板与果实收集箱连通，用于排出留存于所述下层精滤筛网上的辣椒果实；

32、所述细杂质出料口设于所述下层精滤筛网的正下方，与料箱的内部连通，用于排出穿过所述下层精滤筛网的小微杂质。

33、一种辣椒收获机，包括所述的弦波振动式辣椒仿生清选筛分装置。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

35、1.本发明结合鳃耙的形态筛分作用与流体穿过梳齿间隙形成的曳力作用，可对物料的形态、密度与表面运动特性进行多维度区分，有效提升与辣椒果实尺寸相近的细长茎秆、碎叶等杂质的分离能力，降低清选后物料含杂率。

36、2.本发明物料在振动与风机作用下呈流化悬浮状态通过分选区域，可使椒杂混合物充分离散，减少茎秆等杂质夹带辣椒果实一同排出的现象，降低清选工序的果实损失率。

37、3. 本发明物料以悬浮状态与柔性网接触，可降低鲜椒果实表皮破损风险，有利于缓解清选精度与果实破损率之间的参数矛盾。

38、4. 本发明弦波振动式筛网配合风机可减少黏湿鲜椒表皮黏液、田间泥土在分选构件上的黏附堆积，缓解黏湿工况下的堵卡、缠秆问题；同时仅通过调整筛网、风速与筛网倾角即可适配不同品种、不同含水率的辣椒物料，无需更换核心分选构件，装置通用性与作业稳定性更优。

39、5. 本发明无复杂微观加工工艺，普通激光切割、冲压、焊接即可实现量产，设备成本低；