油菜清選裝置篩面氣流場的分布規(guī)律研究

唐倫，官春云，吳明亮*，羅海峰，湯楚宙

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.國家油料改良中心 湖南分中心，湖南 長沙 410128）

清選裝置是聯(lián)合收割機(jī)的關(guān)鍵部件之一。目前，國內(nèi)聯(lián)合收割機(jī)所使用的清選裝置主要有風(fēng)機(jī)加振動篩和風(fēng)機(jī)加圓筒篩兩類，其中以雙風(fēng)機(jī)加雙層振動篩的清選方式使用最為廣泛[1-2]。清選室內(nèi)氣流場的分布以及振動篩的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)對清潔率和損失率有著重要影響；因此，對氣流場進(jìn)行研究，了解氣流在清選篩面上的分布規(guī)律，對風(fēng)機(jī)和清選裝置的運(yùn)動和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)具有重要參考價值[3]。林恒善[4]運(yùn)用流體工程仿真軟件對氣流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，繪制了氣流速度分布等值線圖和矢量圖，研究了氣流對清選效果的影響。成芳等[5]通過畢托管將篩面上測得的動壓值換算成風(fēng)速，對篩面上的氣流場進(jìn)行了研究。從已有研究[6-8]看，目前對清選室內(nèi)氣流場的研究基本處于定性分析階段，對清選室內(nèi)理想氣流場的分布規(guī)律還沒有準(zhǔn)確描述。筆者利用風(fēng)速測量儀對通過上篩面的風(fēng)速進(jìn)行測定，得到了上篩面氣流分布的曲面方程，并采用Matlab軟件對曲面方程進(jìn)行繪圖，對上篩面氣流場的分布規(guī)律進(jìn)行了分析。

1 清選裝置構(gòu)成與清選理論分析

1.1 清選裝置構(gòu)成

清選裝置中振動篩的常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要有曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)2種類型。本試驗(yàn)研究的碧浪-160型油菜聯(lián)合收割機(jī)清選裝置所采用的驅(qū)動機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。該清選裝置主要由曲柄、逐稿器、下篩、連桿、上篩、推送板、滑塊、滑軌及離心風(fēng)機(jī)等組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。其中上篩為長640 mm、寬960 mm的魚鱗篩，下篩為篩孔6 mm×6 mm、長490 mm、寬960 mm的編織篩，篩面與水平面夾角θ= 5°，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與水平面夾角α= 25°，離心風(fēng)機(jī)葉輪長1 m，外殼直徑為400 mm。

圖1 清選裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure schematic of cleaning device

1.2 清選理論分析

理論上，進(jìn)行油菜清選時籽粒與雜物之間的空氣動力學(xué)特性以及物理特性不同，單獨(dú)依靠氣流或振動篩的作用難以實(shí)現(xiàn)籽粒與雜物之間很好的分離[9-11]。為了使籽粒與雜物有較好的分離，要求在振動篩的前部脫出物向后滑動和躍起較大，而在篩面的后部躍起較小；在氣流分布上，由于振動篩前端物料層較厚，為了保證能將物料層吹散以及將輕質(zhì)雜物直接吹出機(jī)外，前部所需的氣流量和風(fēng)速較大。在篩子中部，隨著脫出物不斷向后輸送，物料層逐漸變薄，為避免中部風(fēng)速過高將油菜籽粒吹出機(jī)外造成損失，中段風(fēng)速應(yīng)相應(yīng)有所下降。在振動篩尾部由于大部分都為大雜質(zhì)，為避免風(fēng)速降低雜質(zhì)進(jìn)入回收機(jī)構(gòu)，篩子尾部風(fēng)速應(yīng)有所提高[12]?？偟臍饬鞣植紤?yīng)呈前端高，中部有所下降，尾部再次提高的趨勢[13]。

2 篩面風(fēng)速測定

2.1 測量設(shè)備

泰儀電子股份有限公司生產(chǎn)的 AVM-05/AVM-07型風(fēng)速風(fēng)量測量儀。該測量儀具有單點(diǎn)法、2/3最大值法和平均測量法3種測量方法。

2.2 測定方法

為研究風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對上篩面氣流場的影響，在風(fēng)機(jī)傾角 20°、振動篩無負(fù)荷工作、魚鱗篩開度和振動篩的上下篩面組合方式不變的情況下，根據(jù)清選裝置實(shí)際工作中風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為925，1 055 和1 190 r/min時，采用單點(diǎn)測量法對通過篩面的風(fēng)速進(jìn)行測定。測定前首先將上篩沿橫向方向均分10等份，沿縱向方向均分6等份，定義第5列向右為x軸正方向，上篩前端緣沿橫向方向向上為y軸正方向，上篩面45個測點(diǎn)的分布及坐標(biāo)系如圖2所示。測量時將風(fēng)速測量儀綁定在一根帶有刻度的木棒上，根據(jù)圖2中定義的坐標(biāo)系及木棒上的刻度，將測量儀依次放在上篩面的各測量點(diǎn)上，1 min 后，在電腦的程序界面上直接讀取該測量點(diǎn)1 min內(nèi)的風(fēng)速平均值。

圖2 測點(diǎn)分布圖Fig.2 Measuring point distributing

2.3 測量結(jié)果

不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下各測點(diǎn)的測量結(jié)果列于表1。由于上篩面第1行測量點(diǎn)被擋板擋住，測量時數(shù)據(jù)全為零，在表中沒有給出, 并且第1列和第9列比較靠邊，風(fēng)速值與同行其他列的風(fēng)速值相比普遍有所下降，清選時可能對清潔率及損失率造成一定的影響。

表1 不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下各測點(diǎn)的風(fēng)速值Table 1 The wind speed's value of every measure points under different rotate speed m/s

從表1可以看出，橫向氣流基本保持穩(wěn)定，相差最大的時候出現(xiàn)在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 190 r/min時的第4行，最大差值為1.01 m/s?？偟膩砜?，各行的風(fēng)速大小依次為第5行、第3行、第2行和第4行。

3 篩面風(fēng)速方程擬合

分別在3種風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，在1stOpt軟件中輸入“data；”命令，將篩面上第1個測點(diǎn)到第36個測點(diǎn)的x，y坐標(biāo)值以及對應(yīng)的風(fēng)速值依次輸入軟件中，采用準(zhǔn)牛頓法和通用全局優(yōu)化法對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速公式擬合搜索，得到的風(fēng)速擬合方程為：

其中，z為風(fēng)速值；x為測點(diǎn)的行坐標(biāo)值；y為測點(diǎn)的列坐標(biāo)值；λi為擬合方程系數(shù)值。把不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速情況下擬合方程中λ1～λ9的系數(shù)值取小數(shù)點(diǎn)后4位代入擬合方程（1），得出在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速925、1 055和1 190 r/min時的風(fēng)速曲面方程分別為：

從得到的擬合方程可看出，3種不同轉(zhuǎn)速情況下的擬合方程具有相同的形式，不同的只是方程系數(shù)，且變量y前面的系數(shù)都較小，表明函數(shù)值z的大小沿篩面橫向方向變化不大，主要沿篩面縱向方向起伏變化。采用Matlab軟件對3個風(fēng)速曲面方程繪圖[14]（圖3）。

圖3 篩面風(fēng)速函數(shù)擬合曲面Fig.3 Shaker surface wind speed function fitting surface

從圖3可看出，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，整個上篩面的風(fēng)速隨著增大，且都保持前高、中部有所下降和尾部再次提升的趨勢，即風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速主要影響篩面上風(fēng)速的大小，而對整個氣流場的分布規(guī)律幾乎沒有影響。

4 結(jié) 論

a. 振動篩上篩面橫向氣流基本保持穩(wěn)定，相差的最大值為1.01 m/s．前部氣流量和風(fēng)速較大，能保證將物料層吹散以及將輕質(zhì)雜物直接吹出機(jī)外，在篩子中部，物料層逐漸變薄，中段風(fēng)速相應(yīng)有所下降，而在篩子尾部由于大部分為較大雜質(zhì)，因此篩子尾部風(fēng)速有所提高，各行風(fēng)速從大到小依次為第5行、第3行、第2行和第4行，與理想氣流場的分布基本吻合。

b. 利用 1stOpt軟件的準(zhǔn)牛頓法和通用全局優(yōu)化法進(jìn)行快速公式擬合搜索得到了不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下上篩面的風(fēng)速函數(shù)方程。

c. 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速主要影響篩面上風(fēng)速大小，而對整個氣流場的分布規(guī)律影響甚微。

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英文編輯：羅文翠