新型谷物輸送-分離-清選復合裝置

師清翔，許澤宇，耿令新，王升升，駱恒光

(河南科技大學 農(nóng)業(yè)裝備工程學院，河南 洛陽 471003)

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新型谷物輸送-分離-清選復合裝置

師清翔，許澤宇，耿令新，王升升，駱恒光

(河南科技大學 農(nóng)業(yè)裝備工程學院，河南 洛陽 471003)

針對小型谷物聯(lián)合收獲機清選系統(tǒng)體積龐大和振動強烈等問題，研制出一種用于谷物脫出物輸送、分離和清選的復合裝置。該裝置融合了螺旋輸送、篩孔分離和氣流清選等功能，體積小、振動弱，可實現(xiàn)谷物脫出物在輸送過程中有效分離莖稈，清選裝置的清選能力得到提升。通過室內(nèi)試驗，得出復合裝置最優(yōu)工作參數(shù)。在最優(yōu)參數(shù)下，復合裝置的籽粒破碎率為0.27%，清選損失率為0.18%，夾帶損失率為0.45%，清潔率高于98%，清選能力可達977.4 kg/h。

聯(lián)合收獲機；分離；清選系統(tǒng)；氣流清選；復合裝置；谷物輸送

0　引言

清選系統(tǒng)是谷物聯(lián)合收獲機的重要組成部分，清選性能的優(yōu)劣直接影響到整機作業(yè)效果[1-3]。目前，大型谷物聯(lián)合收獲機上廣泛采用振動篩與風機相結(jié)合的清選系統(tǒng)。該清選系統(tǒng)體積龐大、結(jié)構(gòu)復雜、振動劇烈且能耗高[4-7]，不適宜配置到小型谷物聯(lián)合收獲機上。小型谷物聯(lián)合收獲機廣泛采用無篩簡易風選系統(tǒng)或旋風分離清選系統(tǒng)[8-10]。無篩簡易風選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但清選質(zhì)量低下[11-13]。文獻[14-17]研制的旋風分離清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、清選性能穩(wěn)定，并已成功配置于小型谷物聯(lián)合收獲機上，初步解決了小型谷物聯(lián)合收獲機缺乏適宜清選系統(tǒng)的難題，但該清選系統(tǒng)不能處理長莖稈。為了防止清選系統(tǒng)堵塞，采用了較高的揚谷器轉(zhuǎn)速和風機轉(zhuǎn)速，使籽粒破碎率增加、振動加大、可靠性降低。文獻[18-21]的清選系統(tǒng)中清選部件的進料口較小，當喂入量過大時，物料過于集中，籽粒與雜物的分離更加困難，清選損失迅速增加。

本文提出了一種新型谷物輸送-分離-清選復合裝置，以螺旋攪龍代替揚谷器，完成脫出物向清選部件的輸送。將螺旋攪龍貫穿于篩孔分離筒內(nèi)，不僅可以清除長莖稈，而且可以有效減弱振動。采用清選箱周邊下落物料、中心向上吸氣的清選方式，清選效果好，對風機的能力要求低，裝置可靠性高。通過計算確定裝置各部件運動參數(shù)范圍，通過室內(nèi)試驗測試了裝置各項性能指標。在選定的結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)下，該裝置能夠較好地完成復合作業(yè)，各項性能指標均達到較優(yōu)水平。

1　復合裝置結(jié)構(gòu)及工作過程

新型谷物輸送-分離-清選復合裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該復合裝置主要由接料斗、螺旋輸送攪龍、篩孔分離筒、物料導流罩、負壓清選室、吸雜管道和清選風機等組成。由輸送帶運送物料，變頻電機驅(qū)動螺旋輸送攪龍，角度調(diào)節(jié)桿調(diào)節(jié)裝置傾角。

復合裝置的工作過程是：經(jīng)滾筒脫粒作用后的谷物脫出物，由輸送帶運送至接料斗，物料進入接料斗后由螺旋輸送攪龍輸送入分離筒。在輸送過程中，由于分離筒的作用，物料被分離為兩個部分：一部分為長莖稈和部分短莖稈，此部分繼續(xù)由螺旋輸送攪龍將其推送至分離筒末端，排出機外；另一部分為籽粒、穎糠和剩余的短莖稈，此部分物料穿過分離篩孔，自然下落到物料導流罩中。在導流罩中，物料經(jīng)導流板的疏導作用，均勻分布于負壓清選室兩側(cè)。在清選氣流的作用下，物料中的穎糠和莖稈經(jīng)過吸雜管道被清選風機抽出，并排出機外，籽粒則自然下落到接料箱內(nèi)，完成了工作過程。

1.篩孔分離筒；2.物料導流罩；3.導流板；4.負壓清選室；5.吸雜管道；6.清選風機；7.氣流調(diào)節(jié)板；8.接料箱；9.螺旋輸送攪龍；10.接料斗；11.輸送帶；12.變頻電機；13.角度調(diào)節(jié)桿。圖1　新型谷物輸送-分離-清選復合裝置結(jié)構(gòu)圖

2　主要參數(shù)的確定

2.1輸送間隙的確定

螺旋輸送攪龍葉片外徑與輸送管內(nèi)徑之間的輸送間隙，由谷物籽粒的長度尺寸決定。間隙過大，輸送過程中物料容易滑落，造成輸送效率低下，甚至無法完成輸送；間隙過小，則容易造成攪龍葉片對籽粒的損傷，使破碎率增大。由于小麥、水稻等谷物的籽粒平均長度為5.4～7.3 mm，而輸送間隙宜略小于平均長度的最大值，故確定輸送間隙為7.0 mm，可防止破碎的產(chǎn)生，同時也保證了正常輸送。

2.2螺旋輸送攪龍主要參數(shù)的確定

攪龍螺距由谷物脫出物中莖稈的平均長度決定，螺距過大會造成輸送裝置體積增大，不利于裝置的復合和小型化；螺距過小則不利于物料的喂入，造成喂入封閉，且輸送效率低下。谷物經(jīng)滾筒脫粒作用后，脫出物中的莖稈長度絕大部分在80 mm左右，為了防止輸送過程中莖稈對攪龍葉片的纏繞和堵塞，攪龍的螺距S應大于80 mm；但過大的螺距將導致輸送裝置體積的增大，故確定攪龍的螺距S為80 mm。

按照小型半喂入收獲機收割2～4行、機進速度0.5 m/s、小麥每667 m2產(chǎn)400 kg的收獲量計算，得出輸送器推運量P為0.308～0.616 kg/s。為了增強裝置的適應性，在計算時選擇推運量的最大值0.616 kg/s(即P=6.037 N/s)進行計算。

攪龍葉片外半徑R取值為：

(1)

螺旋輸送器推運量P計算公式為：

(2)

其中：L為莖稈的平均長度，mm；P為輸送器的推運量，N/s；γ為輸送物料的容重，N/m3；Kt為輸送器傾斜安裝時生產(chǎn)率降低因數(shù)，輸送器安裝傾角為45°，此時Kt=0.5；ψt為輸送器內(nèi)物料的充滿因數(shù)，一般為0.30～0.40，計算時取ψt=0.35；R為攪龍葉片外半徑，mm；r為攪龍葉片內(nèi)半徑，根據(jù)實際生產(chǎn)需要，取r=15 mm；n為攪龍轉(zhuǎn)速，r/min；S為攪龍的螺距，取S=80 mm。

由式(1)和式(2)計算出攪龍葉片外半徑R的取值為55～95 mm，相應的攪龍轉(zhuǎn)速為406～129 r/min。由于攪龍轉(zhuǎn)速高時,籽粒的分離時間短，容易造成損失；轉(zhuǎn)速低時,葉片半徑過大，使裝置體積變大?？紤]到實際生產(chǎn)需要，選用內(nèi)徑為150 mm的輸送管，由于輸送間隙為7 mm，故螺旋葉片外半徑R為68 mm。將以上數(shù)據(jù)代入式(2)，得出攪龍的轉(zhuǎn)速為258 r/min。至此，螺旋輸送攪龍的主要參數(shù)均已得出。

2.3篩孔分離筒尺寸的確定

分離筒中分離孔的直徑尺寸直接影響分離效果和清選裝置的工作負荷?？讖竭^大，不利于輸送和清選工作，且不易將長莖稈從物料中分離出來，喪失處理莖稈的能力，使清潔率降低；孔徑過小，則增加了分離筒長度，增大了體積，且不利于分離出籽粒，使損失增加。為了減小清選負擔，防止莖稈進入篩孔，分離孔直徑的最大值一般不超過30 mm。為保證正常分離和減少損失，由小麥、水稻的籽粒長度和攪龍轉(zhuǎn)速，根據(jù)牛頓運動定律，計算出分離孔直徑的最小值為14 mm。基于以上考慮，選取分離孔尺寸為22 mm進行試驗，可以保證輸送工作和分離工作正常進行。在試驗時取分離筒長度為 1 000 mm 進行測試。

2.4清選裝置試驗參數(shù)的確定

圖2　清選裝置縱向橫切面示意圖

清選裝置縱向橫切面的示意圖如圖2所示。從圖2中可以看出：經(jīng)分離裝置分離后的物料混合物，自然下落分布到負壓清選室“n”形內(nèi)芯的兩側(cè)，物料混合物在清選室進氣口處由兩側(cè)向上的清選氣流進行清選；物料混合物中的穎糠和短莖稈被清選氣流帶入到吸雜管道，經(jīng)風機排出，而籽粒則自然下落至接料裝置，從而得到干凈的籽粒。

(3)

查閱風機手冊后，取模型風機的參數(shù)為：空氣流量Q0=2 664～5 268 m3/h，葉片外徑D0=360 mm，風機轉(zhuǎn)速n0=2 900 r/min。在設計試驗中選用清選風機的主要參數(shù)如表1所示。

表1　清選風機的主要參數(shù)

將以上數(shù)值帶入式(3)中，計算出風機轉(zhuǎn)速n′的取值為1 065～2 130 r/min。由于風機轉(zhuǎn)速過高會造成清選損失率的增加，轉(zhuǎn)速過低則不利于清選工作，造成清潔率的下降。故在試驗中，選取風機轉(zhuǎn)速的因素水平值分別為：1 100 r/min、1 300 r/min、1 500 r/min、1 700 r/min、1 900 r/min 和2 100 r/min。

3　性能試驗

3.1風機轉(zhuǎn)速與氣流調(diào)節(jié)板傾角對清選性能影響的試驗

反映清選性能的指標是清潔率和清選損失率。在本試驗中，影響清選性能的因素是風機轉(zhuǎn)速和氣流調(diào)節(jié)板傾角。對風機轉(zhuǎn)速和氣流調(diào)節(jié)板傾角進行試驗研究，可為提高復合裝置清潔率和降低清選損失率提供數(shù)據(jù)參考。

試驗時，選用經(jīng)滾筒脫粒作用后的小麥脫出物為試驗物料，物料由籽粒、穎糠和莖稈組成。試驗前，測得籽粒含水率為13%～14%，穎糠和莖稈含水率為14%～16%，物料含雜率為30%，穎糠和莖稈的質(zhì)量比為10∶1，莖稈長度為5～12 cm。

試驗中，風機轉(zhuǎn)速的因素水平值分別為：1 100 r/min、1 300 r/min、1 500 r/min、1 700 r/min、1 900 r/min 和2 100 r/min。氣流調(diào)節(jié)板傾角是指調(diào)節(jié)板平面與豎直方向的夾角，傾角過小時，不能造成側(cè)向氣流；傾角過大時，則起不到集中氣流的作用。故將氣流調(diào)節(jié)板傾角的試驗因素選取5個水平值：0°、15°、30°、45°和60°。對風機轉(zhuǎn)速和氣流調(diào)節(jié)板傾角的不同參數(shù)組合進行試驗，用接料箱收集清選后的物料，用網(wǎng)罩收集風機出口處的物料。試驗結(jié)束后清選并稱量接料箱內(nèi)干凈籽粒的質(zhì)量和被風機排出機外的籽粒質(zhì)量，計算出清潔率和清選損失率，試驗結(jié)果如表2所示。

表2　清選性能試驗結(jié)果

分別以清潔率和清選損失率為性能指標，使用數(shù)學分析軟件對試驗結(jié)果進行方差分析。影響清潔率的方差分析結(jié)果如表3所示，影響清選損失率的方差分析結(jié)果如表4所示。從表3和表4可以看出：風機轉(zhuǎn)速和氣流調(diào)節(jié)板傾角對試驗指標的影響顯著。

表3　影響清潔率的方差分析

表4　影響清選損失率的方差分析

分別以清潔率QJ和清選損失率QS為目標函數(shù)，以風機轉(zhuǎn)速x1和氣流調(diào)節(jié)板傾角x2為自變量，建立數(shù)學模型。利用數(shù)學軟件處理試驗數(shù)據(jù)后，得出回歸方程：

QJ= 41.370 886 2+0.052 034 753 77x1+0.072 380 133 29x2-0.000 011 776 351 547x12-0.000 825 386 552 9x22-0.000 009 894 818 790x1x2；

(4)

QS= 0.011 797 830 21-0.000 099 577 140 43x1+0.001 028 595 023 9x2+0.000 000 068 549 556 61x12-0.000 020 675 961 164x22+0.000 000 173 675 382 86x1x2。

(5)

對兩個回歸方程的擬合情況進行檢驗，結(jié)果分別見表5和表6。由檢驗結(jié)果可知：兩個回歸方程均顯著。其中:清潔率回歸方程QJ的相關系數(shù)R為0.995 6;清選損失率回歸方程QS的相關系數(shù)R為0.958 7，表明該模型擬合程度好。

表5　QJ回歸方程檢驗

表6　QS回歸方程檢驗

繪制不同風機轉(zhuǎn)速下，調(diào)節(jié)板傾角對清潔率和清選損失率的影響曲線，如圖3和圖4所示。從圖3和圖4中可以看出：風機轉(zhuǎn)速高的情況下，清潔率變化不明顯；風機轉(zhuǎn)速低時，清潔率變化較明顯。由于氣流調(diào)節(jié)板有集中氣流和造成側(cè)向清選氣流的作用，當調(diào)節(jié)板傾角逐漸增大時，側(cè)向清選氣流的作用越來越明顯，清潔率得到提升，同時也略微增大了清選損失；當調(diào)節(jié)板傾角繼續(xù)增大時，調(diào)節(jié)板失去了集中氣流和造成側(cè)向清選氣流的作用，因而清潔率和清選損失率均有所下降。通過計算，得出氣流調(diào)節(jié)板的最優(yōu)傾角為42.6°。在此傾角條件下，在清潔率大于98%時，計算出風機轉(zhuǎn)速的取值是1 764.5～2 176.4 r/min。

圖3試驗因素對清潔率的影響

圖4試驗因素對清選損失率的影響

3.2復合裝置的性能測試試驗

由清選損失率的回歸方程(5)可知：復合裝置在清選風機轉(zhuǎn)速的取值范圍內(nèi)工作時，清選損失率始終處于較低水平。清選風機的轉(zhuǎn)速越高，清潔率會明顯提高。為了使復合裝置的性能得到提升，選取風機轉(zhuǎn)速為2 150 r/min來進行復合裝置的性能測試。同時，將氣流調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié)到最優(yōu)傾角42.6°來進行試驗。

表7　性能測試試驗結(jié)果

試驗時，將輸送帶的供料速率依次調(diào)節(jié)為200 g/s、300 g/s、400 g/s和500 g/s，進行對比測試。試驗所需的小麥物料成分與上文試驗相同。試驗后，計算出復合裝置的清潔率、清選損失率、夾帶損失率和籽粒破碎率，試驗結(jié)果如表7所示。

對得出數(shù)據(jù)進行分析并建立回歸方程，然后對回歸方程進行擬合檢驗。得出的回歸方程如下：

清潔率，

y=-8×10-6x2- 0.001x+ 99.81；

清選損失率，y= -4×10-7x2+ 0.044；

夾帶損失率，y= -1×10-6x2+ 0.001x+ 0.112；

籽粒破碎率，y= -7×10-7x2+ 0.066，

其中：y為對應各因素的性能指標，%；x為物料的供料速率，即復合裝置的喂料量，g/s，x<408 g/s。

通過檢驗得出以上回歸方程均不失擬，檢驗之后對回歸方程進行計算。得出在清潔率指標高于98%的條件下，復合裝置的最大物料清選量為387.9 g/s，清選損失率為0.18%，夾帶損失率為0.45%，籽粒破碎率為0.27%。復合裝置的清選損失率、夾帶損失率和籽粒破碎率的總和為 0.90%，處于較優(yōu)水平。由谷物脫出物的成分構(gòu)成比例，可以計算出復合裝置每秒可清選出271.5 g的干凈籽粒，即復合裝置的清選能力為977.4 kg/h。

4　結(jié)論

(1)篩孔分離筒與螺旋輸送攪龍相結(jié)合的輸送-分離方式，縮小了裝置體積，在輸送時將莖稈排出機外，解決了小型谷物收獲機上難以處理長莖稈和短莖稈的問題，并減輕了清選裝置負擔，減弱了機器振動。

(2)清選裝置進氣口處安裝的傾斜氣流調(diào)節(jié)板，可在不改變裝置工作參數(shù)的條件下，使清潔率得到有效提升，具有重要的實用價值。

(3)清選性能試驗表明：氣流調(diào)節(jié)板的最優(yōu)傾角為42.6°，在此傾角條件下，風機轉(zhuǎn)速為1 764.5～2 176.4 r/min時，裝置的清潔率能達到98%以上。

(4)復合裝置性能測試試驗表明：當氣流調(diào)節(jié)板的傾角為42.6°，風機轉(zhuǎn)速為2 150 r/min時，復合裝置的清潔率達到98%以上，清選損失率為0.18%，夾帶損失率為0.45%，籽粒破碎率為0.27%，清選能力為977.4 kg/h。

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河南省重點科技攻關計劃基金項目(152102210276);河南省產(chǎn)學研合作基金項目(2015HNCXY008);河南科技大學實驗技術開發(fā)基金項目(SY1516010)

師清翔(1957-),男,河南孟州人,教授,碩士,博士生導師,主要從事谷物聯(lián)合收割機的研究和新產(chǎn)品開發(fā).

2016-03-15

1672-6871(2017)01-0061-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.01.013

S225.3

A