大白菜種子脫出物空氣動力學(xué)特性試驗研究

耿令新,楊 芳,王升升,韓 瑞,胡金鵬

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

0 引言

我國的大白菜常年種植面積約263萬hm2,產(chǎn)量約11 281萬t,均居世界首位[1]。然而,目前我國還沒有專門的大白菜種子收獲機,針對大白菜種子聯(lián)合收獲清選裝置的研究更是一片空白。大白菜種子的收獲主要依靠人力來解決,勞動強度大,作業(yè)成本高,效率低[2]。大白菜種子作為我國種子產(chǎn)業(yè)的重要組成部分,機械化收獲水平很低,大部分環(huán)節(jié)嚴(yán)重依賴人工作業(yè),嚴(yán)重制約了大白菜種子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3]。近年來,隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,農(nóng)村青壯年勞動力大量向城市轉(zhuǎn)移,農(nóng)業(yè)勞動力缺乏,農(nóng)村人口老齡化加劇[4],用工成本越來越高,實現(xiàn)種子機械化采收的需求越來越明顯[5]。對大白菜種子實行機械化采收,具有省工、省時、快速、高效及大幅降低生產(chǎn)成本的優(yōu)勢[6],因此開發(fā)適用于大白菜種子聯(lián)合收獲的機械迫在眉睫。

目前,聯(lián)合收獲機上普遍采用風(fēng)篩式清選裝置,是根據(jù)谷物與雜余的空氣動力學(xué)特性差異來和幾何特性差異來實現(xiàn)分離[7]。大白菜種子顆粒小、單粒質(zhì)量輕且脫粒分離物組份特性復(fù)雜,為了設(shè)計出適合大白菜種子清選的清選裝置,本文對大白菜種子脫出物的空氣動力學(xué)特性進(jìn)行研究,為后續(xù)大白菜種子聯(lián)合收獲機的研究奠定基礎(chǔ)。

大白菜種子脫出物是指大白菜成熟植株經(jīng)脫粒裝置后進(jìn)入清選裝置的混合物,主要籽粒、短莖稈、果莢殼及輕雜物等。本文研制了一種用于測定農(nóng)業(yè)物料懸浮速度的試驗裝置,對不同幾何形體參數(shù)、不同含水率條件下的大白菜種子脫出物各成分進(jìn)行空氣動力學(xué)特性試驗研究,測算出不同脫出物的懸浮速度,根據(jù)測定結(jié)果分析其對清選裝置工作性能的影響,并在內(nèi)流式圓筒篩清選裝置試驗臺上進(jìn)行試驗驗證。

1 物料懸浮速度測量原理

在氣流清選狀態(tài)下,物料的空氣動力學(xué)特性主要是指其懸浮速度。懸浮速度是指某物料在垂直氣流的作用下,當(dāng)氣流對物料的作用力等于該物料本身的重力而使物料保持懸浮狀態(tài)時氣流的速度[8]。物料懸浮速度受力圖如圖1所示。

圖1 籽粒懸浮受力圖Fig.1 Grain suspension stress diagram

根據(jù)牛頓定律可知

P=Kρs(C-V)2

(1)

式中K—阻力系數(shù);

ρ—空氣密度(g/m2);

C—籽粒的絕對速度(m/s);

V—籽粒對氣流的相對速度(m/s);

s—籽粒相對氣流速度方向的斷面積(m2)。

針對氣流對籽粒的作用力P與mg之間的大小關(guān)系,可以判斷籽粒在氣流中運動情況:當(dāng)Pmg時,籽粒上升;當(dāng)P=mg,籽粒懸浮于氣流中,即

P=KρsV2=mg

(2)

設(shè)此時籽粒的懸浮速度為Vf,則

(3)

通過測定該物料懸浮處的氣流速度,即可得到該物料的懸浮速度Vf。

2 物料懸浮速度測定試驗

2.1 試驗裝置

懸浮速度試驗裝置主要由調(diào)速電機驅(qū)動的風(fēng)機、風(fēng)道、風(fēng)門、錐形管、收斂筒、穩(wěn)壓筒和支架等組成,如圖2所示。

1.錐形管 2.畢托管測速處 3.投料口 4.穩(wěn)壓筒 5.支架 6.風(fēng)機 7.風(fēng)道 8.風(fēng)門 9.收斂筒圖2 測試裝置示意圖Fig.2 Sketch of measuring equipment

錐形管是有機玻璃制成的,便于觀察物料被吹起時的穩(wěn)定高度[9];穩(wěn)壓筒和收斂筒的作用是產(chǎn)生均勻的穩(wěn)定氣流。該裝置配套動力5.5kW,電機轉(zhuǎn)速300～1 000r/min,錐形管小端直徑81mm,錐角5.5,所能測量的懸浮速度不超過20m/s。

2.2 試驗材料及處理

試驗中,大白菜品種為早熟長江5號,取自河南省濟(jì)源市王屋鎮(zhèn)前茶房。將完熟的大白菜種子植株在自制的橫軸流式脫粒分離裝置上對其進(jìn)行脫粒,收集經(jīng)凹板分離出的大白菜種子脫出物,人工篩選得到脫出物的4種成分(籽粒、果莢殼、短莖稈和輕雜物),將這4種成分作為研究對象。試驗物料如圖3所示。

圖3 大白菜種子脫出物各成分試樣Fig.3 Samples of Chinese cabbage seeds extraction componenets

用種子粒徑測量桶[10]進(jìn)行測量,得到粒徑為1.0～1.5mm、1.5～2.0mm、2.0～2.5mm的3組籽粒,依次編號為①～③,用于大白菜種子籽粒懸浮速度與其粒徑關(guān)系的試驗研究。

將果莢殼按長度分為3組,分別為20～30mm、30～40mm、40～50mm,依次編號①～③,用于果莢殼懸浮速度與其長度關(guān)系的試驗研究。

將籽粒、短莖稈、果莢殼、輕雜物4種脫出物進(jìn)行浸泡、晾置、烘干,調(diào)節(jié)含水率由低到高依次為9%、15%、25%、35%,用于研究不同脫出物懸浮速度與含水率的關(guān)系。

2.3 試驗方法

試驗前,將畢托管與智能壓力風(fēng)速儀相連,將畢托管插入畢托管測速處,調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速調(diào)至最小;然后,將物料從投料口放入測試裝置內(nèi)的阻尼網(wǎng)上,關(guān)閉投料口[11];開啟變頻器啟動按鈕和冷風(fēng)機啟動按鈕,調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速使風(fēng)量逐步增加,直至阻尼網(wǎng)上的物料被完全提升起來,處于比較理想的懸浮狀態(tài);記下智能壓力風(fēng)速儀上的讀數(shù),即為被測物料的懸浮速度。試驗過程中,畢托管與智能壓力風(fēng)速儀相連,直接讀出氣流速度。物料漂浮特性測定測定裝置實物圖如圖4所示,智能壓力風(fēng)速儀如圖5所示。

1.錐形管 2.畢托管測速處 3.投料口 4.穩(wěn)壓筒 5.支架 6.風(fēng)門 7.風(fēng)機 8.控制柜圖4 測試裝置實物圖Fig.4 Physical diagram of measuring equipment

圖5 智能壓力風(fēng)速儀Fig.5 Intelligent pressure anemometer

3 試驗結(jié)果分析

3.1 籽粒懸浮速度與粒徑的關(guān)系

飽滿的大白菜種子籽粒球形度較好,可看作球狀[12]。試驗大白菜種子籽粒含水率在9.45%～9.93%之間,接近完熟大白菜種子籽粒的含水率。大白菜種子籽粒的千粒質(zhì)量為3.36g,粒徑越大,千粒質(zhì)量越大。從每組籽粒中隨機取5份試樣,每份試樣質(zhì)量為2g,進(jìn)行5次懸浮速度試驗,并取均值,試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同粒徑范圍大白菜種子籽粒懸浮速度Table 1 Suspension velocities of Chinese cabbage seeds within a range of different particle sizes

不同粒徑范圍籽粒的含水率接近時,密度也十分接近,在0.996～1.066g/cm3之間。由式(3)可知:大白菜種子籽粒懸浮速度大小主要取決于籽粒的質(zhì)量,籽粒粒徑越大,質(zhì)量越大,懸浮速度也越大。實際上,籽粒在氣流中會產(chǎn)生復(fù)合運動,會使其懸浮速度下降,且迎風(fēng)面發(fā)生改變,但可視為球形的大白菜種子籽粒迎風(fēng)面積并未改變[13],試驗中籽粒在觀察管內(nèi)上下擺動的幅度很小。由表1可以看出:大白菜種子籽粒的懸浮速度隨粒徑的增加而升高。

3.2 果莢殼懸浮速度與長度的關(guān)系

大白菜種子的果莢殼長短不一,在自制的橫軸流式脫粒分離裝置脫粒元件的打擊、揉搓等作用下,一個完整的果莢殼炸裂成兩片莢殼。從每組果莢殼中隨機取5份試樣,每份試樣質(zhì)量為10g,含水率在25%～35%之間,接近完熟大白菜種子果莢殼的含水率。進(jìn)行5次懸浮速度試驗,并取均值,試驗數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知:當(dāng)果莢殼的含水率相近時,大白菜種子的果莢殼長度對其懸浮速度沒有顯著影響。

3.3 不同脫出物懸浮速度與含水率的關(guān)系

從不同脫出物每組物料中隨機取5份試樣,每份籽粒質(zhì)量4g,短莖稈質(zhì)量10g,果莢殼質(zhì)量5g,輕雜物質(zhì)量2g,進(jìn)行5次懸浮速度試驗,取均值為不同脫出物懸浮速度。黃熟期大白菜種子含水率較高,莖稈含水率甚至高達(dá)70%[14];完熟期大白菜種子含水率則相對較低,聯(lián)合收獲作業(yè)通常在大白菜種子完熟期進(jìn)行。試驗中,籽粒、果莢殼、短莖稈和輕雜物含水率范圍9%～35%。不同含水率條件下大白菜種子脫出物中各成分的懸浮速度如表3所示。

表3 大白菜種子脫出物各成份懸浮速度Table 3 Suspension velocities of Chinese cabbage seeds extractions

由表3可以看出:籽粒懸浮速度在6.68～7.42m/s之間,短莖稈懸浮速度在6.56～7.25m/s之間,果莢殼懸浮速度在4.49～6.05m/s之間,輕雜物懸浮速度在2.51～3.23m/s之間;不同脫出物的懸浮速度均隨含水率增加而升高。輕雜物與籽粒的懸浮速度相差較大,利用氣流清選可有效分離出去;短莖稈與籽粒的懸浮速度雖沒有重疊部分,但差異不大,利用氣流清選可分離出去部分果莢殼;短莖稈與籽粒的懸浮速度較為接近,利用氣流清選難以將其分離出去。由于果莢殼、短莖稈與籽粒外形幾何尺寸差異明顯,可利用圓筒篩實現(xiàn)這二者與籽粒的有效分離。

3.4 清選試驗驗證

清選試驗是在內(nèi)流式圓筒篩清選試驗裝置上進(jìn)行的。試驗臺主要由螺旋輸送攪龍、外部安裝有螺旋葉片的圓筒篩、清選風(fēng)道、橫流風(fēng)機和傳感器等組成,如圖6所示。試驗時,攪龍轉(zhuǎn)速150r/min,圓筒篩轉(zhuǎn)速45r/min,橫流風(fēng)機轉(zhuǎn)速600～750r/min,試驗物料的含水率為25%。該裝置先由圓筒篩分離出短莖稈和大部分果莢殼,再由橫流風(fēng)機分離出輕雜物和剩余部分果莢殼。

1.喂料口 2.內(nèi)流式圓筒篩 3.橫流風(fēng)機 4.機架 5.電動機圖6 內(nèi)流式圓筒篩清選裝置Fig.6 Internal flow cylinder screen cleaning device

試驗結(jié)果如表4所示。

表4 各轉(zhuǎn)速下的風(fēng)速范圍及大白菜種子的清潔率和損失率Table 4 Wind speed and cleaning rate and loss rate of Chinese cabbage seeds at different speeds

當(dāng)橫流風(fēng)機轉(zhuǎn)速700r/min、風(fēng)道內(nèi)氣流速度為7.12m/s時,大部分雜余被吸走,只有極少數(shù)小籽粒被吸走,此轉(zhuǎn)速下的清潔率相對最高,損失率最小;當(dāng)橫流風(fēng)機轉(zhuǎn)速小于700r/min、風(fēng)道內(nèi)氣流速度低于雜余的懸浮速度時,雜余沒有被全部吹走,清潔率相對較低;當(dāng)橫流風(fēng)機轉(zhuǎn)速大于700r/min、風(fēng)道內(nèi)氣流速度高于籽粒懸浮速度的最大值時,部分籽粒被橫流風(fēng)機吸走,造成損失率增加。

4 結(jié)論

1) 含水率接近時,大白菜種子籽粒的懸浮速度隨粒徑的增加而升高;果莢殼長度對懸浮速度的影響不顯著;脫出物的含水率越高,懸浮速度越大。

2) 大白菜種子脫出物中各成分含水率范圍在9%～35%時,籽粒懸浮速度在6.68～7.42m/s之間,短莖稈懸浮速度在6.56～7.25m/s之間,果莢殼懸浮速度在4.49～6.05m/s之間,輕雜物懸浮速度在2.51～3.23m/s之間。

3) 在內(nèi)流式圓筒篩清選試驗裝置上進(jìn)行了驗證,結(jié)果表明:橫流風(fēng)機轉(zhuǎn)速為700r/min(即風(fēng)道內(nèi)氣流速度為7.12m/s)時清選效果最好,清潔率為97.91%,損失率為0.42%。