藜麥脫出物空氣動(dòng)力學(xué)特性測試與分析

海 梅，杜文亮，吳英思，趙子龍

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程院，呼和浩特 010018)

0 引言

藜麥(Chenopodium quinoa willd)為藜科藜屬草本植物，具有耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿等特性，很適合我國北方種植，目前在我國內(nèi)蒙古、山西、陜西、浙江、青海和四川等地種植[1-2]，面積達(dá)到3 333hm2，產(chǎn)量達(dá)到2 025～4 500kg/hm2[3]。據(jù)調(diào)查，目前收獲藜麥的方式包括人工收獲、分段收獲及聯(lián)合收獲等，收獲藜麥的專用聯(lián)合收獲機(jī)較少，使用其他谷物的聯(lián)合收獲機(jī)收獲藜麥，清潔效果很不理想，毛糧含雜率高達(dá)34%。為此，針對聯(lián)合收獲機(jī)收獲后含雜率高等問題，對藜麥的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究分析，在QXS-3.0型清選試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)，旨在對后期藜麥聯(lián)合收獲機(jī)參數(shù)優(yōu)化及改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 藜麥脫出物的懸浮速度測定

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所使用的藜麥為內(nèi)蒙古烏蘭察布市涼城縣種植的“蒙藜1號”，千粒質(zhì)量為2.27～2.35g，含水率為8%，密度為680kg/m3。藜麥脫出物如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

測定藜麥脫出物料懸浮速度主要儀器包括物料懸浮速度實(shí)驗(yàn)臺、BWY-1500/2500型補(bǔ)償式微壓計(jì)、L/s-6-800型皮托管、調(diào)壓器、連接軟管及臺桌，如圖2所示。

圖1 藜麥脫出物

1.懸浮速度試驗(yàn)臺 2.皮托管 3.連接軟管 4.補(bǔ)償式微壓計(jì) 5.臺桌圖2 物料懸浮速度測定裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)過程

農(nóng)產(chǎn)品物料懸浮速度測試的原理：在測試設(shè)備上構(gòu)建一個(gè)垂直向上的流場，讓物料籽粒在流場中懸浮，此時(shí)測得的氣流速度即為籽粒的懸浮速度[4]。

試驗(yàn)前將各儀器設(shè)備正確連接，將藜麥脫出物籽粒各自分組放進(jìn)物料懸浮速度試驗(yàn)臺的垂直管道中，使用調(diào)壓器調(diào)節(jié)電壓改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制氣流，在透明垂直管道中觀察物料的籽粒懸浮狀態(tài)，于試驗(yàn)臺圓柱形觀察管某一部位。此時(shí)，皮托管測得圓柱形觀察管下端截面的流體動(dòng)壓，并通過微壓計(jì)顯示。記錄此時(shí)各參數(shù)，經(jīng)過換算后可以得到懸浮速度。每個(gè)樣本試驗(yàn)3次。轉(zhuǎn)換其公式得[5]

(1)

式中V—風(fēng)速(m/s)

k—皮托管系數(shù)，本測試使用的皮托管系數(shù)為k=1.01；

ΔΡ—通過皮托管的測得的動(dòng)壓(Pa)；

ρ—流體密度(kg/m3)。

1.4 測試結(jié)果

藜麥脫出物懸浮速度如表1所示。

表1 藜麥脫出物懸浮速度

2 試驗(yàn)

2.1 清選試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)原理

藜麥?zhǔn)斋@期使用某型小麥聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行收獲。由于對藜麥物料的機(jī)械性能研究不足，導(dǎo)致聯(lián)合收獲機(jī)收獲的藜麥脫出物含雜率較高。藜麥屬于莧科類植物，脫粒過程中大部分帶殼藜麥的穎殼脫落輕雜物較多，使用篩選效果不如風(fēng)選。風(fēng)選是根據(jù)物料的空氣動(dòng)力學(xué)特性不同進(jìn)行清選，確定氣流風(fēng)選影響藜麥含雜率的因素，降低藜麥含雜率和損失率。某型小麥聯(lián)合收獲機(jī)清選室結(jié)構(gòu)與QXS-3.0型清選試驗(yàn)臺很接近。清選試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)屬于雙風(fēng)機(jī)雙層振動(dòng)篩清選裝置，主要由料斗、抖動(dòng)版、離心風(fēng)機(jī)、振動(dòng)篩、接料箱、機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)和傳感器等組成。

清選試驗(yàn)臺工作原理：離心風(fēng)機(jī)工作時(shí)，清選室有一定氣流速度的正壓流場，藜麥脫出物料從料斗出，落在抖動(dòng)板上，抖動(dòng)板把物料均勻的送向篩面進(jìn)行清選；篩面底部的接料箱，采用多組小方格箱，用以分析清選后物料分布的規(guī)律。

2.2 氣流對物料的受力分析

首先建立坐標(biāo)系，以物料進(jìn)入傾斜氣流場為原點(diǎn)，垂直方向?yàn)閥軸，水平方向?yàn)閤軸，氣流與水平方向夾角為α，速度為v,物料的速度為u與垂直方向夾角為β，絕對速度為V，如圖3所示。把v看作空氣對物料的牽連速度，則物料相對速度u即為物料的絕對速度V與氣流速度v的向量之差，則

u=V-v

圖3 質(zhì)點(diǎn)受力分析

氣流對物料的垂直作用力為

(2)

式中F—?dú)饬鲗|(zhì)量點(diǎn)的作用力(N)；

VP—漂浮速度(m/s)；

m—物料的質(zhì)量(kg)；

u—?dú)饬飨鄬τ谫|(zhì)點(diǎn)的相對速度(m/s)。

質(zhì)點(diǎn)受到氣流的作用力F和重力G，建立動(dòng)力學(xué)微分方程為[6]

轉(zhuǎn)換成解析形式微分方程為

根據(jù)圖(3)，將v分解到水平和垂直方向可得

同樣ux和uy可以表達(dá)為

ux=Vx-vx=Vx+vsinα

uy=Vy-vy=Vy+vcosα

因而得到

(Vy+vsinα)-g

(Vy-vcosα)

分析物料速度u可以分解為

ux=ucos(2π-β)=ucosβ

uy=usin(2π-β)=-usinβ

由上式可知：物料在氣流中運(yùn)動(dòng)時(shí)與懸浮速vp、氣流速度v、氣流方向角α、物料進(jìn)入清選室的速度u和方向β有關(guān)。

3 單因素試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)指標(biāo)為含雜率R(%)與清選損失率S(%)。

計(jì)算公式為

(3)

(4)

式中Wz—出糧口取小樣中雜質(zhì)質(zhì)量(g)；

Wi—出糧口取小樣質(zhì)量(g)；

Ws—清選損失籽粒的質(zhì)量(g)；

Wj—接樣取內(nèi)所接籽粒的總質(zhì)量(g)。

3.2 單因素的選擇

因素表如表2所示。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對清選性能的影響

根據(jù)藜麥脫出物的懸浮速度范圍，采用變頻器對離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以獲得不同篩面氣流速度。試驗(yàn)條件：喂入量0.2kg/s,魚鱗篩開口度5mm,魚鱗篩的振動(dòng)頻率10.6Hz,離心風(fēng)機(jī)傾斜角35°，抖動(dòng)板抖動(dòng)次數(shù)200/min。

表2 因素表

離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與清選效率的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知：當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為567r/min左右時(shí)，把大部分莖稈和帶殼癟谷、癟谷、穎殼吹走，所以此轉(zhuǎn)速下的相對含雜率低，損失率??；當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于567r/min左右時(shí)，小部分帶殼癟谷、莖稈被吹走，相對含雜率高；當(dāng)離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于567r/min時(shí)，風(fēng)速大于一些藜麥的懸浮速度，此轉(zhuǎn)速下雖然含雜率低，但損失率也增大了。

圖4 離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與清選效率的關(guān)系

3.3.2 抖動(dòng)板抖動(dòng)次數(shù)對清選性能的影響

為調(diào)整方便，采用變頻器對抖動(dòng)板轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，把頻率轉(zhuǎn)換成抖動(dòng)板的抖動(dòng)次數(shù)；當(dāng)抖動(dòng)板抖動(dòng)次數(shù)為157次/min時(shí)，物料無法進(jìn)入清選室，往外移動(dòng)。試驗(yàn)條件：喂入量0.2kg/s,魚鱗篩開口度5mm,魚鱗篩的振動(dòng)頻率10.6Hz,離心風(fēng)機(jī)傾斜角35°，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為497r/min。

抖動(dòng)板抖動(dòng)抖動(dòng)次數(shù)與清選效率的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知：通過不同抖動(dòng)板的頻率，改變藜麥脫出物料的初始速度。頻率低、初始速度相對較低，此時(shí)的含雜率低，損失率較高；隨著抖動(dòng)板的頻率加大，含雜率提高，損失率也提高；抖動(dòng)板抖動(dòng)次數(shù)219/min左右時(shí)，含雜率和損失率相對低。

圖5 抖動(dòng)板抖動(dòng)抖動(dòng)次數(shù)與清選效率的關(guān)系

3.3.3 喂入量對清選性能的影響

為調(diào)整方便，采用變頻器對模擬給料機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以獲得不同喂入量。試驗(yàn)條件：魚鱗篩開口度5mm,魚鱗篩的振動(dòng)頻率10.6Hz,離心風(fēng)機(jī)傾斜角35，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為497r/min，抖動(dòng)板抖動(dòng)次數(shù)為200/min。

喂入量與清選效率的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知：通過改變模擬給料機(jī)轉(zhuǎn)速，得到不同的喂入量。隨著喂入量的提高，含雜率也在提高，但損失率降低。

圖6 喂入量與清選效率的關(guān)系

3.3.4 離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口角度對清選性能的影響

調(diào)整離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口傾斜角，離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口傾斜角范圍20°～40°。試驗(yàn)條件：喂入量0.2kg/s,抖動(dòng)板抖動(dòng)次數(shù)200/min,魚鱗篩開口度5mm,魚鱗篩的振動(dòng)頻率10.6Hz,離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為497r/min。離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口傾斜角與清選效果的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知：離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口傾斜角30°具有較好的清選效果。

圖7 離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口傾斜角與清選效果的關(guān)系

4 結(jié)論

1)測定了蒙藜1號藜麥的含水率、千粒質(zhì)量和密度，利用物料懸浮速度實(shí)驗(yàn)臺測定了藜麥脫出物各組分中帶殼藜麥、藜麥、帶殼癟谷、癟谷、長莖稈、短秸稈和穎殼的懸浮速度范圍。

2)在QXS-3.0清選試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：抖動(dòng)板219次/min時(shí)，損失率2.83%，含雜率11.32%；離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，含雜率降低，損失率增加；離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口角度為30°時(shí)，含雜率11.74%，損失率0.94%；隨著喂入量的增加，含雜率增大，損失率降低。

3)藜麥脫出混合物料與藜麥的懸浮速度有部分重疊，風(fēng)選很難分開，需要其他分離方法參與清選。