青稞作物脫粒物料清選試驗(yàn)

劉 凱，崔清亮，侯華銘，涂 也，張燕青，孫 燈

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

0 引言

我國(guó)青稞種植主要分布在西藏、青海、四川甘孜和阿壩等地區(qū)。目前，還沒(méi)有成熟的專用于青稞作物的聯(lián)合收獲機(jī)。采用稻麥聯(lián)合收獲機(jī)收獲青稞作物，存在芒莖分離不清、清選損失率和含雜率高等問(wèn)題[1]。國(guó)內(nèi)專門針對(duì)青稞收獲機(jī)械的研究較少，王保愛(ài)等[2]設(shè)計(jì)了一種穗莖分流雙層收獲割臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了青稞機(jī)械化莖穗分離收獲。有學(xué)者采用風(fēng)篩式清選裝置 對(duì)振動(dòng)篩上水稻脫粒物料運(yùn)動(dòng)進(jìn)行CFD-DEM數(shù)值模擬，探尋振動(dòng)篩的最佳運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，以期達(dá)到提高籽粒透篩效率并減少清選損失的目的[3-6]。楊洋等[7]和徐立章等[8-9]針對(duì)全喂入聯(lián)合收獲機(jī)田間試驗(yàn)費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、諸多參數(shù)無(wú)法調(diào)整和數(shù)據(jù)獲取困難等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了軸流式脫粒-清選室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)。寧小波等[10]利用CFD技術(shù)，對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)多風(fēng)道清選裝置的氣流場(chǎng)分布與風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。本文主要測(cè)試分析青稞作物脫粒物料各組分與清選相關(guān)的物料特性和懸浮速度，開(kāi)展青稞作物脫粒物料清選試驗(yàn)研究，以期為自走式青稞聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論和技術(shù)支持。

1 物性測(cè)量與試驗(yàn)分析

1.1物性測(cè)量

青稞物料于2019年10月22日取自甘肅甘南州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所青稞生產(chǎn)示范基地，選取甘青4號(hào)青稞植株，以及經(jīng)脫粒和分離長(zhǎng)秸稈后待清選的混合物料。隨機(jī)取25株青稞植株，測(cè)得其平均株高87.3 cm，平均麥穗長(zhǎng)6.7 cm，麥穗平均粒數(shù)為40.6粒，千粒質(zhì)量49.20 g，草谷比為0.84。隨機(jī)取1 000 g混合物料，對(duì)其中的籽粒、麥芒、穎殼、斷穗、短莖稈和碎葉各組分進(jìn)行分揀、分類，并測(cè)量各自相關(guān)物料特性參數(shù)，為清選裝置結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)，如表1所示。

表1 各組分相關(guān)物性參數(shù)

1.2懸浮速度測(cè)試

物料懸浮速度是研究物料清選技術(shù)及裝備的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，針對(duì)青稞作物經(jīng)脫粒后的待清選脫出物的特點(diǎn)，根據(jù)物料懸浮原理及清選工況特點(diǎn)，依照相關(guān)的懸浮速度測(cè)量國(guó)標(biāo)要求，利用課題組自制的氣吹式農(nóng)業(yè)物料清選懸浮速度測(cè)量試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了分段(3段)懸浮試驗(yàn)[11-14]。測(cè)得青稞作物脫粒物料中籽粒、麥芒和穎殼、斷穗、短莖稈、碎葉等各組分的懸浮速度分別為7.07～12.51、1.29～4.08、2.23～6.32、1.82～8.16、1.29～3.65 ms，如表2所示。

2 清選試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)原理及裝置

青稞作物脫粒物料清選是利用混合物中籽粒、麥芒、穎殼、斷穗、短莖稈和碎葉等各組分在形狀、尺寸、表面特性和空氣動(dòng)力學(xué)特性等方面的差異，對(duì)青稞籽粒進(jìn)行篩分。首先青稞作物脫粒物料由輸送帶輸送至清選室內(nèi)，在振動(dòng)篩網(wǎng)上對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)篩分和風(fēng)力清選，在清選過(guò)程中，青稞籽粒穿過(guò)篩網(wǎng)落入集糧器中，麥芒、穎殼和碎葉等被清選氣流帶離清選室，較重的短莖稈、斷穗等通過(guò)篩面滑落至尾料收集器。至此，實(shí)現(xiàn)了青稞籽粒與輕雜物的分離，完成清選過(guò)程。

表2 各組分懸浮速度

Tab.2 Suspension speed of each component 單位：ms

表2 各組分懸浮速度

組分第1階段第2階段第3階段總體籽粒7.07～9.128.26～10.649.48～12.517.07～12.51麥芒和穎殼1.29～2.582.23～3.413.41～4.081.29～4.08斷穗2.23～3.162.88～3.875.00～6.322.23～6.32短莖稈1.82～3.414.08～5.775.47～8.161.82～8.16碎葉1.18～1.822.23～3.413.16～3.651.18～3.65

本試驗(yàn)采用風(fēng)篩式清選試驗(yàn)裝置，主要由風(fēng)機(jī)、風(fēng)速風(fēng)向調(diào)節(jié)器、籽粒收集器、尾料收集器、振動(dòng)篩箱體和物料輸送器等組成，如圖1所示。

2.2單因素試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)因素水平

清選試驗(yàn)裝置的工作參數(shù)很大程度上決定著試驗(yàn)清選效果，分別以離心式風(fēng)機(jī)風(fēng)速和風(fēng)向、振動(dòng)篩頻率和振幅為試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，尋求合理的清選工作參數(shù)水平范圍，為正交試驗(yàn)因素水平的選擇提供依據(jù)。試驗(yàn)因素水平如表3所示。

表3 單因素試驗(yàn)水平

2.2.2試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)測(cè)定各項(xiàng)作業(yè)性能指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果取3次試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)的平均值[15-16]。清選試驗(yàn)指標(biāo)籽粒清潔率、清選損失率的計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中I——籽粒清潔率， %

L——清選損失率， %

ma——籽粒收集器內(nèi)青稞籽粒質(zhì)量，g

mb——籽粒收集器內(nèi)青稞物料質(zhì)量，g

mc——尾料收集器內(nèi)籽粒質(zhì)量，g

2.2.3結(jié)果分析

為了探究各因素對(duì)青稞清選效果的影響，在以離心式風(fēng)機(jī)風(fēng)速和風(fēng)向、振動(dòng)篩頻率和振幅為試驗(yàn)因素進(jìn)行的單因素試驗(yàn)中，統(tǒng)一設(shè)置試驗(yàn)條件：喂入量0.5 kgs，上、下兩層篩網(wǎng)孔徑分別是8 mm×8 mm、7 mm×7 mm[17-18]。單因素清選試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

在以風(fēng)機(jī)風(fēng)速為單因素的清選試驗(yàn)(圖2a)中，其他參數(shù)設(shè)置：風(fēng)機(jī)風(fēng)向35°、振動(dòng)篩頻率190 rmin、振動(dòng)篩振幅30 mm。其清選試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著風(fēng)速的增大，篩面清選氣流變大，籽粒清潔率提高，但清選損失率也會(huì)相應(yīng)變大。當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速在8.0～8.5 ms時(shí)，可獲得較好的清選效果。

在以風(fēng)機(jī)風(fēng)向?yàn)樽兞康膯我蛩厍暹x試驗(yàn)(圖2b)中，其他參數(shù)設(shè)置：風(fēng)機(jī)風(fēng)速8 ms、振動(dòng)篩頻率190 rmin、振動(dòng)篩振幅30 mm。其清選試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)向傾角的增大，篩面氣流流場(chǎng)發(fā)生改變，籽粒清潔率先增高后降低，損失率先減小后增大。當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)向傾角在30°～35°時(shí)，可獲得較好的清選效果。

在以振動(dòng)篩振幅為變量的單因素清選試驗(yàn)(圖2c)中，其他參數(shù)設(shè)置：風(fēng)機(jī)風(fēng)速8 ms、風(fēng)機(jī)風(fēng)向35°、振動(dòng)篩頻率190 rmin。其清選試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著振幅的增大，篩面青稞物料運(yùn)動(dòng)幅度變大，籽粒清潔率提高，清選損失率變大。當(dāng)振動(dòng)篩振幅在25～30 mm時(shí)，可獲得較好的清選效果。

在以振動(dòng)篩頻率為變量的單因素清選試驗(yàn)(圖2d)中，其他參數(shù)設(shè)置：風(fēng)機(jī)風(fēng)速8 ms、風(fēng)機(jī)風(fēng)向35°、振動(dòng)篩振幅30 mm。其清選試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著振動(dòng)篩頻率的增加，篩面青稞物料運(yùn)動(dòng)速度變快，籽粒清潔率提高的同時(shí)清選損失率也在增大。在保證低清選損失率的情況下，振動(dòng)篩頻率在190～210 rmin時(shí)，可獲得較好的清選效果。

2.3正交試驗(yàn)

2.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以單因素試驗(yàn)的結(jié)果為參考，將篩選出優(yōu)水平的風(fēng)機(jī)風(fēng)速、風(fēng)機(jī)風(fēng)向、振動(dòng)篩振幅和振動(dòng)篩頻率作為試驗(yàn)因素，進(jìn)行4因素4水平正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)正交表L16(44)進(jìn)行[19-20]。因素水平如表4所示，清選試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。探究影響清選效果的主次因素及最優(yōu)參數(shù)組合。

2.3.2極差分析

通過(guò)極差分析，根據(jù)極差大小，得出：影響清選裝置籽粒清潔率的主次順序依次為風(fēng)機(jī)風(fēng)速>風(fēng)機(jī)風(fēng)向>振動(dòng)篩頻率>振動(dòng)篩振幅；影響清選裝置清選損失率的主次順序依次為風(fēng)機(jī)風(fēng)速>振動(dòng)篩頻率>振動(dòng)篩振幅>風(fēng)機(jī)風(fēng)向。

表4 正交試驗(yàn)因素水平

2.3.3方差分析

用SAS 9.0軟件分析正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在不考慮各因素之間交互作用的情況下，檢驗(yàn)因素風(fēng)機(jī)風(fēng)速、風(fēng)機(jī)風(fēng)向、振動(dòng)篩振幅、振動(dòng)篩頻率對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)清潔率和損失率的影響是否顯著，做3次重復(fù)試驗(yàn)[21]。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，在清潔率指標(biāo)方面，風(fēng)機(jī)風(fēng)速P值﹤0.01，風(fēng)機(jī)風(fēng)速的改變對(duì)清潔率的影響極顯著；風(fēng)機(jī)風(fēng)向P值﹤0.05，風(fēng)機(jī)風(fēng)向的改變對(duì)含雜率有顯著影響；振動(dòng)篩頻率0.05

表6 清潔率方差分析

由表7可知，在損失率指標(biāo)方面，風(fēng)機(jī)風(fēng)速P值﹤0.01，風(fēng)機(jī)風(fēng)速的改變對(duì)損失率的影響極顯著；振動(dòng)篩頻率P值﹤0.05，振動(dòng)篩頻率的改變對(duì)含雜率有顯著影響；振動(dòng)篩振幅0.05

表7 損失率方差分析

2.3.4加權(quán)分析

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于需要在保證低損失率的情況下達(dá)到最優(yōu)清潔率。所以進(jìn)行加權(quán)處理，設(shè)清選損失率L權(quán)重60%，籽粒清潔權(quán)重40%為試驗(yàn)綜合分?jǐn)?shù)。每個(gè)試驗(yàn)的綜合分為R=[0.4(1-I)+0.6L]×100，橫坐標(biāo)為因素水平，縱坐標(biāo)為綜合分，各因素對(duì)清選效果影響的趨勢(shì)如圖3示。

高清潔率、低失率為理想效果，綜合分越低，則清選效果越好，所以取各因素最小值對(duì)應(yīng)的水平，風(fēng)機(jī)風(fēng)速最優(yōu)水平為水平3，風(fēng)機(jī)風(fēng)向最優(yōu)水平為水平2，振動(dòng)篩振幅最優(yōu)水平為2，篩子頻率的最優(yōu)水平為2，因此最優(yōu)方案為A3B2C2D2，即風(fēng)速8.5 ms，風(fēng)機(jī)風(fēng)向35°，振幅30 mm，振動(dòng)篩頻率190 rmin時(shí)，相對(duì)于其他15組清選參數(shù)組合，達(dá)到最優(yōu)的清選效果。

將青稞清選試驗(yàn)裝置調(diào)整至此參數(shù)組合下進(jìn)行試驗(yàn)，做3次重復(fù)試驗(yàn)，清選試驗(yàn)結(jié)果取平均值，得到所調(diào)參數(shù)后的清選結(jié)果為其籽粒清潔率為97.32%，損失率為3.73%，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證效果優(yōu)于其他15組已做試驗(yàn)。

3 結(jié)論

(1)本試驗(yàn)測(cè)定了甘青4號(hào)青稞作物的草谷比、含水率、千粒質(zhì)量，以及該品種青稞脫粒物料各組分的含水率、三維尺寸。利用氣吹式農(nóng)業(yè)物料懸浮速度測(cè)量裝置，測(cè)得青稞作物脫粒物料中籽粒、麥芒和穎殼、斷穗、短莖稈、碎葉的懸浮速度分別為7.07～12.51、1.29～4.08、2.23～6.32、1.82～8.16、1.18～3.65 ms。

(2)以離心式風(fēng)機(jī)的風(fēng)速和風(fēng)向、振動(dòng)篩振幅和頻率為試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素清選試驗(yàn)，探究其對(duì)籽粒清潔率、清選損失率兩項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，單因素清選試驗(yàn)的主要目的是發(fā)現(xiàn)該因素對(duì)清選效果的影響規(guī)律和最佳清選范圍。試驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)風(fēng)速在8.0～8.5 ms，風(fēng)機(jī)風(fēng)向在30°～35°，振動(dòng)篩振幅在30～35 mm，振動(dòng)篩頻率在190～210 rmin時(shí)，獲得的清選效果較好。

(3)以單因素試驗(yàn)的結(jié)果為參考，將篩選出優(yōu)水平的風(fēng)機(jī)風(fēng)速、風(fēng)機(jī)風(fēng)向、振動(dòng)篩振幅和振動(dòng)篩頻率作為試驗(yàn)因素，進(jìn)行正交試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果加權(quán)分析得出風(fēng)機(jī)風(fēng)速8.5 ms、風(fēng)向35°、振動(dòng)篩振幅30 mm、頻率190 rmin時(shí)獲得最優(yōu)清選效果，此時(shí)的籽粒清潔率為97.32%，損失率為3.73%。