氣吹式糧油作物脫出物清選懸浮速度測量裝置設(shè)計與試驗

侯華銘，崔清亮，郭玉明，張燕青，孫 燈，來思彤，劉俊麗

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，太谷 030801）

0 引 言

農(nóng)業(yè)物料的懸浮速度是指農(nóng)業(yè)物料在豎直向上氣流的作用下懸浮在某一高度時相對于氣流的速度，其數(shù)值與氣流的絕對速度數(shù)值相等。農(nóng)業(yè)物料的懸浮速度是后續(xù)對其進(jìn)行機(jī)械清選所必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。國內(nèi)學(xué)者通常采用 2種方法獲得懸浮速度，一種是根據(jù)經(jīng)驗公式計算獲得，另一種是借助試驗裝置測量獲得。在物料懸浮速度理論計算研究方面，趙學(xué)篤等利用阻力系數(shù)和升力系數(shù)研究短莖稈在氣流中的運動規(guī)律[1]，但其所作的短莖稈不發(fā)生轉(zhuǎn)動的假設(shè)使其具有一定的局限性。呂子劍等利用分區(qū)懸浮速度公式計算球形顆粒的懸浮速度[2]，李驥等采用分區(qū)粒徑判斷法，借助VC++6.0開發(fā)工具實現(xiàn)對球形物料顆粒懸浮速度的快速計算[3]，劉娟等利用 Matlab軟件中的Simulink組件和模糊邏輯控制器分析了球形顆粒物料在氣流中的運動規(guī)律[4]。利用理論公式、編程語言和軟件等工具計算物料懸浮速度具有快速、方便的優(yōu)點，但農(nóng)業(yè)物料個體差異性大，理想化的假設(shè)往往使計算不準(zhǔn)確，實際應(yīng)用具有一定的局限性。

在裝置測量研究方面，國內(nèi)學(xué)者利用懸浮速度試驗裝置測量農(nóng)業(yè)物料的懸浮速度。試驗裝置主要由風(fēng)機(jī)、風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置、流場管路和測量裝置組成，按其工作原理可分為吸氣式和吹氣式 2類。吸氣式試驗裝置管路均豎直布置，風(fēng)機(jī)位于裝置上部，物料由裝置下方被吸入管路內(nèi)。風(fēng)機(jī)多采用軸流風(fēng)機(jī)，王維等采用離心風(fēng)機(jī)[5]。使用的風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置有可控硅直流調(diào)速裝置[6]、百葉窗式風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[6-11]、單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動器組成的控制系統(tǒng)[12-14]、變頻器[5]。使用的測量裝置有畢托管和壓力計組成的動壓測量裝置[6-11]、加野 KA31風(fēng)速儀[15]、TES-1341熱線式風(fēng)速儀[5]。吸氣式試驗裝置風(fēng)機(jī)置于上部，裝置整體過高，調(diào)節(jié)不便，結(jié)構(gòu)繁復(fù)，調(diào)節(jié)、測量精度有限，功耗大。吹氣式試驗裝置風(fēng)機(jī)置于下部，管路結(jié)構(gòu)有“L”型和豎直型兩種。風(fēng)機(jī)多采用離心風(fēng)機(jī)，裴克等采用軸流風(fēng)機(jī)[16]。使用的風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置有可控硅整流器[17]、節(jié)氣門[16]、變頻器[18-22]。使用的測量裝置有風(fēng)速探針[17]、畢托管和微壓計[16-17]或高靈敏微差壓變送器組成的動壓測量裝置[18-19]、智能壓力風(fēng)速儀[20-22]。物料在氣流吹動下的懸浮狀態(tài)與實際機(jī)械清選工況相接近，測量更貼合實際，且功耗小，但現(xiàn)有的吹氣式試驗裝置還存在管路曲折、調(diào)節(jié)、測量裝置功能單一、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。

為獲取研究雜糧機(jī)械清選技術(shù)及裝備所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，鑒于現(xiàn)有試驗裝置存在的問題，本文設(shè)計了一種吹氣式的農(nóng)業(yè)物料懸浮速度試驗裝置，并使用該裝置測量了谷子、蕎麥、燕麥經(jīng)聯(lián)合收獲脫粒后的待清選脫出物各組分的懸浮速度。

1 試驗裝置整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

農(nóng)業(yè)物料懸浮速度試驗裝置主要由風(fēng)力及其調(diào)控部件、流場結(jié)構(gòu)部件和測試部件 3部分組成，流場結(jié)構(gòu)為豎直型，風(fēng)力及其調(diào)控部件與流場結(jié)構(gòu)部件在豎直方向上相連，測試部件安裝于流場結(jié)構(gòu)部件上，如圖1所示，風(fēng)力及其調(diào)控部件由離心風(fēng)機(jī)、變頻器、流場接頭和保護(hù)網(wǎng)組成。流場結(jié)構(gòu)部件由格柵管、整流格柵、法蘭、盛料網(wǎng)、投料門、接料板、下穩(wěn)流管、錐形觀察管、上穩(wěn)流管、阻料網(wǎng)等組成。測試部件由 L型畢托管、畢托管支架、智能壓力風(fēng)速風(fēng)量儀、空氣導(dǎo)管、懸浮高度標(biāo)尺、觀察臺等組成。

裝置主要技術(shù)參數(shù)如下：

外形尺寸（長×寬×高）：1.8 m×1.1 m×4.2 m

配套動力：7.5 kW

流速范圍：≤ 40 m/s

下穩(wěn)流管內(nèi)徑：240 mm

上穩(wěn)流管內(nèi)徑：380 mm

錐形觀察管傾角：4°

保護(hù)網(wǎng)、盛料網(wǎng)、阻料網(wǎng)規(guī)格為20目尼龍網(wǎng)

圖1 試驗裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of testing device

1.2 工作原理

測量時，待測物料置于下穩(wěn)流管內(nèi)的盛料網(wǎng)上，啟動風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使物料穩(wěn)定懸浮于錐形觀察管內(nèi)某一高度范圍內(nèi)，風(fēng)速儀測得錐形觀察管下端的流速，通過懸浮高度標(biāo)尺測得懸浮高度范圍，換算可得該物料的懸浮速度。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計

2.1 風(fēng)力及其調(diào)控部件的設(shè)計

常用的風(fēng)機(jī)種類包括：軸流式風(fēng)機(jī)、離心式風(fēng)機(jī)和貫流式風(fēng)機(jī)3種，軸流式風(fēng)機(jī)風(fēng)力分散，轉(zhuǎn)速不宜過高，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)精度有限；貫流式風(fēng)機(jī)形狀過長；離心式風(fēng)機(jī)風(fēng)力集中，轉(zhuǎn)速上限高，可精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速[23-25]，綜上選擇離心式風(fēng)機(jī)。通常根據(jù)所需的壓力和流量選擇風(fēng)機(jī)型號，離心風(fēng)機(jī)的全壓：

式中ptF為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；ps2為風(fēng)機(jī)出口處靜壓，Pa；pd2為風(fēng)機(jī)出口處動壓，Pa；psF為風(fēng)機(jī)靜壓，Pa；ε為管道固有阻力系數(shù)；v為流速，m/s；ρ為氣體密度，kg/m3，20℃大氣壓的空氣，ρ取1.2 kg/m3；qv為流量，m3/h；A為管道截面積，m2。

為測量多種農(nóng)業(yè)物料的懸浮速度，設(shè)計最大流速vmax= 40 m/s，代入式（3）可得pd2= 960 Pa；根據(jù)流場管路結(jié)構(gòu)參數(shù)和風(fēng)機(jī)手冊計算公式[26]計算可得ε= 1.65，代入式（2）可得ps2= 1 584 Pa；將pd2和ps2取值代入式（1）可得風(fēng)機(jī)全壓ptF= 2 544 Pa。設(shè)計與風(fēng)機(jī)相連的管道內(nèi)徑為240 mm，則管道截面積A= 4.52×10–2m2，將A的取值與vmax代入式（4）得流量qv= 6 509 m3/h。根據(jù)所需的全壓ptF和流量qv并考慮風(fēng)機(jī)形狀尺寸后選定 4-72 No 4.5A右90°型離心風(fēng)機(jī)，配用7.5 kW變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)。采用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)電機(jī)功率選擇7.5 kW變頻器，所選變頻器具有實時顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速的功能，便于調(diào)節(jié)[27]。由于風(fēng)機(jī)出風(fēng)口為長方形，設(shè)計方變圓流場接頭用于連接風(fēng)機(jī)與流場管路。在風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處設(shè)置 2層保護(hù)網(wǎng)，可避免漏撒在環(huán)境中的待測物料及雜質(zhì)被吸入風(fēng)機(jī)而影響氣流的平穩(wěn)，且可保障人員安全。根據(jù)待測物料的形狀尺寸選用20目尼龍網(wǎng)作為保護(hù)網(wǎng)，阻擋物料及雜質(zhì)的同時不會對風(fēng)力造成較大影響。

2.2 流場結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計

流場結(jié)構(gòu)部件主要由格柵管、下穩(wěn)流管、錐形觀察管和上穩(wěn)流管在豎直方向上依次通過法蘭連接而構(gòu)成，上述 4管均為法蘭與圓管焊接在一起的組合管，均采用有機(jī)玻璃制成?？紤]到農(nóng)業(yè)物料的個體差異性大，設(shè)計錐形觀察管有利于同種物料穩(wěn)定懸浮在其內(nèi)的某一高度范圍內(nèi)?？紤]到物料進(jìn)行機(jī)械清選時的漂浮距離在2～3 m范圍內(nèi)，設(shè)計下穩(wěn)流管、錐形觀察管和上穩(wěn)流管長度各為1 m。人工分選測量機(jī)械收獲谷子、蕎麥、燕麥的脫出物的形狀尺寸后，設(shè)計下穩(wěn)流管內(nèi)徑D= 240mm，可滿足物料懸浮的空間要求。在下穩(wěn)流管下端開設(shè)投料口，設(shè)置曲面門通過合頁與管壁相連，投料門采用扁嘴搭扣鎖閉。下穩(wěn)流管與錐形觀察管下端相連，為避免流速變化過大，錐形觀察管傾角不宜過大，設(shè)計其傾角θ =4°，則根據(jù)空間幾何原理計算后設(shè)計錐形觀察管上端內(nèi)徑為380 mm。錐形觀察管上端與上穩(wěn)流管相連。

為避免風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處出現(xiàn)旋渦而影響氣流的平穩(wěn)，流場接頭上接內(nèi)置圓形整流格柵的格柵管，如圖2所示，該格柵采用有機(jī)玻璃板制成。根據(jù)風(fēng)機(jī)手冊中的標(biāo)準(zhǔn)格柵要求[26]，格柵高度h= 45%×D，圓整后設(shè)計h= 100 mm；為避免格柵對空氣的阻力過大，設(shè)計格柵孔邊長S=30 mm，格柵板厚度為2 mm。整流格柵安裝在格柵管內(nèi)。

圖2 整流格柵結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of airflow-smoothing grille

格柵管上接下穩(wěn)流管，在格柵管與下穩(wěn)流管之間的法蘭連接處設(shè)置盛料網(wǎng)，盛料網(wǎng)采用20目尼龍網(wǎng)。在上穩(wěn)流管上端設(shè)置阻料網(wǎng)，阻擋物料飄出而污染環(huán)境，阻料網(wǎng)同樣采用20目尼龍網(wǎng)。設(shè)計接料板用于回收物料。

2.3 測試部件的設(shè)計

根據(jù)差壓法測流速的原理[28]，采用L型畢托管[29]和DP2000-11型智能壓力風(fēng)速風(fēng)量儀測量管路內(nèi)的流速，將畢托管進(jìn)氣端伸入下穩(wěn)流管內(nèi)，其的全壓和靜壓接頭通過空氣導(dǎo)管與智能壓力風(fēng)速風(fēng)量儀相連。智能壓力風(fēng)速風(fēng)量儀固定在畢托管下方的下穩(wěn)流管管壁上，測量時其可實時顯示溫度、濕度、壓力、流速和流量。在錐形觀察管外設(shè)置懸浮高度標(biāo)尺以觀察懸浮高度范圍，標(biāo)尺長度與錐形觀察管高度相等。在風(fēng)速風(fēng)量儀和標(biāo)尺正對面設(shè)置觀察臺以便于觀察及記錄數(shù)據(jù)。

畢托管進(jìn)氣端經(jīng)測試孔伸入下穩(wěn)流管內(nèi)，其進(jìn)氣孔朝下。測試孔位于下穩(wěn)流管上端管壁上。在測試孔外設(shè)置畢托管支架，將畢托管管身置于支架的滑槽內(nèi)并固定。畢托管將沿滑槽移動以測量管內(nèi)橫截面上不同位置處的流速。采用等面積圓環(huán)法確定測點位置，并在畢托管管身上標(biāo)記刻線。根據(jù)相關(guān)測量標(biāo)準(zhǔn)[30]要求，因為D<300 mm，所以取測點數(shù)N= 6，如圖3所示，將管道橫截面等分為 3部分，測點位于每部分的面積等分線上，根據(jù)測點位置在畢托管上標(biāo)記刻線。在每條等分線上取 2點即為測點，設(shè)等分線序號為i，則等分線半徑

式中Ri為等分線半徑，mm，i取1,2…n；R0為下穩(wěn)流管橫截面半徑，mm；n為下穩(wěn)流管橫截面等分?jǐn)?shù)。

圖3 測點及刻線位置Fig.3 Positions of measuring points and marking lines

3 試驗測量與分析

試驗材料取自稻麥聯(lián)合收割機(jī)收獲谷子、蕎麥、燕麥時的待清選脫出物，該脫出物由籽粒和多種輕雜物組成，不包含長莖稈。谷子品種為晉谷21號，蕎麥品種為黑豐一號，燕麥品種為晉燕18號。迅速對收獲后的脫出物進(jìn)行人工挑選分類，如圖4所示，并裝入保鮮袋封存，測得脫出物各組分的含水率及籽粒形狀尺寸和千粒質(zhì)量如表1所示。

圖4 3種作物脫出物各組分Fig.4 Each component of threshed materials of three crops

表1 3種作物脫出物各組分基本物性Table 1 Basic physical properties of threshed materials’components of three crops

由表 1可知，燕麥待清選脫出物中含有未脫皮籽，未脫皮籽不是輕雜物，應(yīng)對其進(jìn)行復(fù)脫以獲得清潔籽粒。

參照種子懸浮速度測試標(biāo)準(zhǔn)[30]，鑒于同種物料個體質(zhì)量不同，設(shè)計了分段懸浮試驗：分別稱取脫出物各組分10 g，裝袋封存并編號；測量環(huán)境溫度和濕度并記錄；接通電源，將待測物料均勻鋪撒在盛料網(wǎng)上，關(guān)閉投料門，將畢托管移至測點位置。懸浮第一階段：緩慢轉(zhuǎn)動變頻器旋鈕，觀察錐形觀察管內(nèi)懸浮情況，待大約三分之一待測物料懸浮在觀察管內(nèi)某一高度范圍時，停止轉(zhuǎn)動旋鈕；記錄風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、流速v0和物料密集懸浮的高度范圍[x1，x2]，如圖5所示；依次將畢托管移至不同的測點，并記錄流速。對不同測點所測的流速取平均值，記為；根據(jù)流量一定的原則，觀察管內(nèi)某一高度下的流速

式中vf為錐形觀察管內(nèi)某一高度處的流速，其數(shù)值等于物料的懸浮速度值，m/s；為所測流速的平均值，m/s；R為錐形觀察管小端內(nèi)半徑，其值與下穩(wěn)流管橫截面半徑值相等，mm；H為物料在錐形觀察管內(nèi)的懸浮高度，mm；θ為錐形觀察管傾角，(°)。

將懸浮高度x1、x2代入式（6）可得物料懸浮速度范圍。測完全部測點后，將畢托管移至初始測點。懸浮第二階段：繼續(xù)轉(zhuǎn)動變頻器旋鈕，待大約三分之二的物料懸浮至錐形觀察管內(nèi)某一高度范圍時，重復(fù)前述操作。懸浮第三階段：最后繼續(xù)轉(zhuǎn)動變頻器旋鈕，待全部物料懸浮至錐形觀察管內(nèi)某一高度范圍時，重復(fù)前述操作。測量完畢后，將接料板經(jīng)投料口伸入下穩(wěn)流管內(nèi)，回轉(zhuǎn)變頻器旋鈕至零位，使用板刷將落至接料板上的已測物料清理出下穩(wěn)流管。試驗結(jié)果如表2所示。

圖5 試驗測量示意圖Fig.5 Schematic diagram of test measurement

表2 3種作物脫出物各組分懸浮速度Table 2 Suspension velocities of each component of three crops’ threshed materials (m·s–1)

由表 2可知，谷子脫出物籽粒、穗瓣、莖稈、葉子的懸浮速度分別是：4.29～8.88、1.03～6.48、1.71～6.09、1.03～3.09 m/s。蕎麥脫出物籽粒、分枝、莖稈、葉子的懸浮速度分別是：4.47～10.18、1.85～5.18、2.80～8.37、0.76～2.99 m/s。燕麥脫出物籽粒、種皮、分枝、莖稈、葉子、未脫皮籽的懸浮速度分別是：4.35～11.01、0.62～1.71、1.62～4.52、1.14～6.28、0.91～3.56、3.24～9.48 m/s。谷子、燕麥脫出物中的籽粒與輕雜物在前兩懸浮階段的懸浮速度可以區(qū)分開；在懸浮第三階段：谷子籽粒與其穗瓣和莖稈的懸浮速度有部分重疊，燕麥籽粒與其莖稈的懸浮速度有部分重疊；表明谷子、燕麥籽粒的懸浮速度可與其大部分輕雜物的懸浮速度區(qū)分開。谷子穗瓣上出現(xiàn)的脫不凈或夾帶籽粒的情況從側(cè)面揭示了其與籽粒懸浮速度部分重疊的原因；燕麥籽粒的懸浮速度與其未脫皮籽的懸浮速度相接近，應(yīng)對燕麥脫出物進(jìn)行復(fù)脫或研制專用脫粒裝置以獲得清潔籽粒。蕎麥脫出物中的籽粒與輕雜物在第一階段的懸浮速度可以區(qū)分開；在后兩階段：蕎麥籽粒與其莖稈、分枝的懸浮速度有部分重疊；表明蕎麥籽粒的懸浮速度可與其小部分輕雜物的懸浮速度區(qū)分開。綜上分析，葉子較輕，3種作物籽粒的懸浮速度均可與其葉子的懸浮速度區(qū)分開。莖稈較重，3種作物籽粒的懸浮速度均不能與其莖稈的懸浮速度完全區(qū)分開。

4 結(jié) 論

1）本文設(shè)計了一種吹氣式的農(nóng)業(yè)物料懸浮速度試驗裝置，風(fēng)機(jī)直接與流場管路豎直相連，管路緊湊；管路內(nèi)置整流格柵，并采用錐形觀察管，流場平穩(wěn)，可使物料穩(wěn)定懸??；該裝置可用于作物經(jīng)機(jī)械收獲脫粒后的待清選脫出物各組分懸浮速度的測量。

2）試驗測得收獲期谷子、蕎麥、燕麥經(jīng)稻麥聯(lián)合收割機(jī)收獲后的待清選脫出物各組分的懸浮速度：谷子脫出物籽粒、穗瓣、莖稈、葉子的懸浮速度分別是：4.29～8.88、1.03～6.48、1.71～6.09、1.03～3.09 m/s；蕎麥脫出物籽粒、分枝、莖稈、葉子的懸浮速度分別是：4.47～10.18、1.85～5.18、2.80～8.37、0.76～2.99 m/s；燕麥脫出物籽粒、種皮、分枝、莖稈、葉子、未脫皮籽的懸浮速度分別是：4.35～11.01、0.62～1.71、1.62～4.52、1.14～6.28、0.91～3.56、3.24～9.48 m/s。3種作物籽粒的懸浮速度均可與其葉子、種皮的懸浮速度區(qū)分開，但均不能與其他脫出物的懸浮速度完全區(qū)分開。

3）試驗表明，谷子、燕麥籽粒的懸浮速度可與其大部分輕雜物的懸浮速度區(qū)分開，燕麥籽粒的懸浮速度與其未脫皮籽的懸浮速度相接近，應(yīng)對其脫出物復(fù)脫或研制專用脫粒裝置以獲得清潔籽粒；蕎麥籽粒的懸浮速度可與其小部分輕雜物的懸浮速度區(qū)分開；3種作物脫出物中的籽粒均不能僅通過風(fēng)選與輕雜物完全區(qū)分開，需附加篩分裝置輔助清選。

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