藜麥混合物清選效果的試驗(yàn)與分析

蘇日嘎拉圖,杜文亮,馬一銘,康立菲,陳 震

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

0 引言

藜麥 (Chenopodium quinoa)又稱南美藜、藜谷、奎奴亞藜等,屬于藜科藜屬雙子葉植物,無限花序,主梢和側(cè)枝都結(jié)籽,自花授粉。谷物聯(lián)合收獲機(jī)收獲后的藜麥混合物主要由藜麥、帶殼藜麥、癟藜麥、長(zhǎng)莖稈、短莖稈、穎殼和輕雜組成,其中帶殼藜麥由穎殼和藜麥籽粒組成。

藜麥的原產(chǎn)地為安第斯山區(qū),大約有5 000～7 000多年的食用和種植歷史。我國(guó)于1987年由西藏農(nóng)牧學(xué)院和西藏農(nóng)科院開始引種試驗(yàn)研究[1-3],1988年內(nèi)蒙古農(nóng)牧學(xué)院引進(jìn)藜麥試種,近幾年才開始大面積的藜麥種植。

我國(guó)對(duì)藜麥加工方面的研究剛剛起步,在藜麥的收獲、清選等機(jī)械化作業(yè)方面,國(guó)內(nèi)的研究報(bào)道較少[4]。藜麥產(chǎn)后沒有專用的清選設(shè)備,藜麥?zhǔn)斋@后的初加工工藝還處于探索改進(jìn)階段。隨著種植面積的擴(kuò)大,藜麥?zhǔn)斋@初步實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化,但谷物聯(lián)合收獲機(jī)收獲藜麥時(shí),從糧倉(cāng)卸下的藜麥含雜多,給后期的初加工帶來很大困難。目前有的地方用人工,以傳統(tǒng)方式去除其中的大雜,再借用其他谷物清選機(jī)械清選?，F(xiàn)有的清選設(shè)備清選效果不理想,生產(chǎn)率低,清選后的藜麥仍然含雜較多,清選過程中籽粒損失又多,嚴(yán)重制約了藜麥后續(xù)的進(jìn)一步加工。為此,以內(nèi)蒙古新選育品種“蒙藜2號(hào)”為試驗(yàn)品種,進(jìn)行藜麥混合物中大雜的清選試驗(yàn),旨在為后期改進(jìn)與優(yōu)化清選設(shè)備或研制藜麥專用清選機(jī)械提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 藜麥混合物的特性

藜麥混合物的清理特性主要包括混合物的組成成分比例、物理性狀、空氣動(dòng)力學(xué)特性等,通過試驗(yàn)測(cè)定得出與清選有關(guān)的藜麥混合物特性[5],具體清理特性參數(shù)如表1所示。

由表1可知:通過對(duì)藜麥與癟藜麥外形尺寸的測(cè)量,直徑方向差值為0.20mm,厚度方面差值為0.31mm,僅從籽粒尺寸角度對(duì)藜麥進(jìn)行清選,難度較大。帶殼藜麥、癟藜麥、莖稈和輕雜的滑動(dòng)摩擦因數(shù)均比藜麥的滑動(dòng)摩擦因數(shù)大,這將影響清選篩分過程中雜質(zhì)的排出。此外,由于藜麥與帶殼藜麥的懸浮速度有交集,故利用空氣動(dòng)力學(xué)特性差異進(jìn)行清選,難以實(shí)現(xiàn)藜麥與帶殼藜麥的分離。通過占比測(cè)定,原料中的雜質(zhì)占比高達(dá)35.38%。由此可見,常規(guī)的清選工藝很難實(shí)現(xiàn)藜麥與雜質(zhì)的分離。

2 物料在往復(fù)式振動(dòng)篩上的運(yùn)動(dòng)分析

對(duì)于曲柄連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的往復(fù)振動(dòng)篩,其運(yùn)動(dòng)規(guī)律為直線往復(fù)簡(jiǎn)諧振動(dòng),振動(dòng)體沿振動(dòng)方向的位移、速度、加速度分別表示為[6]

X=rsinωt

(1)

u=ωrcosωt

(2)

a=-ω2rsinωt

(3)

式中r—曲柄半徑(mm);

ω—角速度(rad/s);

t—時(shí)間(s)。

表1 藜谷混合物的特性表Table 1 Characteristics table of Quinoa Mixture

研究藜麥混合物沿振動(dòng)面的相對(duì)運(yùn)動(dòng),取單顆粒藜麥為研究對(duì)象,分析其在振動(dòng)面上的受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。設(shè)振動(dòng)面傾角為α,振動(dòng)方向角為β,物料與振動(dòng)面的靜摩擦角為φ。建立動(dòng)坐標(biāo)Oxy固接于振動(dòng)面上,x軸沿振動(dòng)面方向向左為正,y軸垂直于振動(dòng)面方向,向上為正。單位質(zhì)量的藜麥籽粒的受力有:顆粒自身重力G=mg,振動(dòng)面給顆粒的支撐反力FN,振動(dòng)面給顆粒的摩擦力F=FNtanφ,系統(tǒng)慣性力FP=mω2rsinωt。

1)藜麥顆粒沿振動(dòng)篩面相對(duì)下滑的運(yùn)動(dòng)分析如圖1所示。要使藜麥顆粒相對(duì)于振動(dòng)面下滑,必須滿足條件,即

FΡcosβ+mgsinα>F

FΝ+FΡsinβ=mgcosα

FΡcosα+mgsinα>(mgcosα-FΡsinβ)FΝtanφ

圖1 藜麥顆粒沿振動(dòng)篩面相對(duì)下滑的運(yùn)動(dòng)分析

將FP=mω2rsinωt代入上式,得

ω2rsinωtcos(β-α)>gsin(φ-α)

(4)

式(4)即為藜麥顆粒能相對(duì)振動(dòng)面下滑的條件。

2)藜麥顆粒沿振動(dòng)篩面相對(duì)上滑的運(yùn)動(dòng)分析如圖2所示,要使藜麥顆粒相對(duì)于振動(dòng)面上滑,必須滿足

FΡcosβ-mgsinα>F

圖2 藜麥顆粒沿振動(dòng)篩面相對(duì)上滑的運(yùn)動(dòng)分析

若藜麥顆粒相對(duì)于振動(dòng)面無跳動(dòng),則

FΝ=mgcosα+FΡsinβ

即

FΡcosα-mgsinα>FΝtanφ

將FN及FP的表達(dá)式代入得

為保證上式有意義,對(duì)cos(β+α)取絕對(duì)值代入,并取|sinωt|max=1代入上式,得

(5)

式(5)即為藜麥顆粒能相對(duì)振動(dòng)面上滑的條件。

3)振動(dòng)篩已知參數(shù):振動(dòng)轉(zhuǎn)速n= 500r/min,曲柄半徑r= 10 mm,篩面傾角α=3.8°,物料與篩面間的靜摩擦角φ= 18.9°,振動(dòng)方向角β= 15°。將給定條件代入上述運(yùn)動(dòng)分析,則

滿足下滑的條件為

同時(shí)也滿足上滑條件,即

由此說明,藜麥在運(yùn)動(dòng)過程中呈現(xiàn)出下行狀態(tài),藜麥顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受篩面傾角、振動(dòng)方向角、振動(dòng)轉(zhuǎn)速等參數(shù)的影響,從而進(jìn)一步影響物料在篩面上的分布和振動(dòng)篩篩分效果。

3 藜麥混合物篩理試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)物料

試驗(yàn)所采用的物料為內(nèi)蒙古烏蘭察布察右中旗藜麥種植專業(yè)合作社種植的“蒙藜2號(hào)”品種。

3.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為QXS-3.0清選試驗(yàn)臺(tái)(哈爾濱博納科技有限公司研制),主要參數(shù)為:離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速600～1 000min,曲柄轉(zhuǎn)速200～400r/min,曲柄半徑10、20、30mm等;上層篩是魚鱗篩,下層篩是編織篩,篩孔尺寸為4、6、8、10、12目,替換了原試驗(yàn)臺(tái)用的沖孔篩。其中,離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩曲柄轉(zhuǎn)速通過變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)[7]。清選試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按照GB/T5983-2013《種子清選機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行[8]。

3.4 試驗(yàn)指標(biāo)

本試驗(yàn)指標(biāo)為清潔率Q(%)與清選損失率S(%),計(jì)算公式為

(6)

(7)

式中m0—篩下物總質(zhì)量(g);

m1—篩下物中藜麥籽粒質(zhì)量(g);

m0—出雜口中藜麥籽粒質(zhì)量(g)。

1.進(jìn)料斗 2.氣流室 3.上振動(dòng)篩 4.下振動(dòng)篩 5.接料箱 6.離心風(fēng)機(jī) 7.曲柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 8.階梯抖動(dòng)板 9.變頻電動(dòng)機(jī) 10.控制臺(tái)

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)因素的選擇

選取對(duì)清選性能影響較大的編織篩篩孔尺寸、振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速、上振動(dòng)篩傾角和下振動(dòng)篩傾角,作為試驗(yàn)的4個(gè)因素。其它主要試驗(yàn)參數(shù)為:喂入量0.2 kg /s,抖動(dòng)板振動(dòng)頻率14.2Hz,離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速550 r/min,篩面寬度977mm,篩面長(zhǎng)度1 800 mm,曲柄半徑為10mm,離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口傾角30°,如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素表

4.2 結(jié)果與分析

4.2.1 編織篩篩孔尺寸試驗(yàn)

為降低試驗(yàn)中存在的隨機(jī)誤差,每個(gè)水平重復(fù)3次進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)編織篩篩孔尺寸的5個(gè)水平進(jìn)行單因素試驗(yàn),取算術(shù)平均值作為試驗(yàn)值,取振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速250r/min、上振動(dòng)篩傾角為3°、下振動(dòng)篩傾角3.8°作為初選值,改變編織篩篩孔尺寸進(jìn)行藜麥混合物清選試驗(yàn),并處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),得到清選性能隨編織篩篩孔尺寸的變化,如圖4所示。

圖4 編織篩篩孔尺寸與清選性能的關(guān)系

由圖4可以看出:隨著編織篩篩孔尺寸的減小,清潔率連續(xù)增大,損失率整體上呈現(xiàn)增大趨勢(shì);編織篩篩孔尺寸越小,大雜質(zhì)透篩率減小,但篩面上物料層變厚,同樣減少了藜麥籽粒穿過篩孔的機(jī)會(huì),使損失率增大。

4.2.2 振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

選取編織篩篩孔尺寸12目、上振動(dòng)篩傾角為3°、下振動(dòng)篩傾角3.8°為試驗(yàn)初選值,每個(gè)振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速重復(fù)3次進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速5個(gè)水平進(jìn)行單因素試驗(yàn),取算術(shù)平均值作為試驗(yàn)值。通過改變振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速進(jìn)行藜麥混合物清選試驗(yàn),并處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),可得到清選性能隨振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速的變化,如圖5所示。

圖5 振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速與清選性能的關(guān)系

由圖5可以看出:隨著振動(dòng)轉(zhuǎn)速的逐漸增大,清潔率有明顯的增大,后有所減小,損失率先增大后減小;轉(zhuǎn)速越大,藜麥混合物和篩面接觸的機(jī)會(huì)增加,藜麥籽粒穿過篩孔的概率增大;另外,氣流的作用也得到充分利用,使清潔率增大、損失率減小。

4.2.3 上振動(dòng)篩傾角試驗(yàn)

選取編織篩篩孔尺寸12目、振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速250r/min、下振動(dòng)篩傾角3.8°為試驗(yàn)初選值,對(duì)上振動(dòng)篩傾角的4個(gè)水平進(jìn)行單因素試驗(yàn),每個(gè)水平重復(fù)3次,取算術(shù)平均值作為試驗(yàn)值。通過改變上振動(dòng)篩傾角進(jìn)行藜麥混合物清選試驗(yàn),并處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),可得到清選性能隨上振動(dòng)篩傾角的變化,如圖6所示。

圖6 上振動(dòng)篩傾角與清選性能的關(guān)系

由圖6可以看出:隨著上振動(dòng)篩傾角的逐漸增大,清潔率和損失率連續(xù)減小;上篩傾角越大,篩面上物料堆積,增加了藜麥籽粒和小雜質(zhì)穿過篩孔的機(jī)會(huì),清潔率和損失率都減小。

4.2.4 下振動(dòng)篩傾角試驗(yàn)

選取編織篩篩孔尺寸12目、振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速250r/min、上振動(dòng)篩傾角3°為試驗(yàn)初選值,對(duì)下振動(dòng)篩傾角的4個(gè)水平進(jìn)行單因素試驗(yàn),每個(gè)水平重復(fù)3次進(jìn)行試驗(yàn),取算術(shù)平均值作為試驗(yàn)值。通過改變下振動(dòng)篩傾角進(jìn)行藜麥混合物清選試驗(yàn),處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),可得到清選性能隨下振動(dòng)篩傾角的變化,如圖7所示。

圖7 下振動(dòng)篩傾角與清選性能的關(guān)系

由圖7可以看出:隨著下振動(dòng)篩傾角的逐漸增大,清潔率先增大后持續(xù)減小,損失率連續(xù)減小;下篩傾角越大,物料沿篩面的輸送受阻,物料堆積,同樣增加了藜麥籽粒和小雜質(zhì)穿過篩孔的機(jī)會(huì),使清潔率和損失率減小。

4.2.5 對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)表如表3所示。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)表

由表3可知:編織篩篩孔尺寸為12目、上層振動(dòng)篩傾角為1°、下層振動(dòng)篩傾角為2.8°、振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速為300r/min時(shí),清潔效果最好,清潔率達(dá)91.8%;編織篩篩孔尺寸為6目、上層振動(dòng)篩傾角為4°、下層振動(dòng)篩傾角為1.8°、振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速為225r/min時(shí),清潔率最低。

5 結(jié)論

1)當(dāng)含雜較多時(shí),藜麥混合物清選首先采用編織篩是適合的。

2)試驗(yàn)表明:當(dāng)編織篩篩孔尺寸為12目、上層振動(dòng)篩傾角為1°、下層振動(dòng)篩傾角為2.8°、振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速為300r/min時(shí),清潔率達(dá)91.8%,結(jié)果為藜麥混合物的進(jìn)一步精選打下較好的基礎(chǔ)。