風篩式清選裝置篩下物料分布規(guī)律研究*

樊榮，崔清亮，盧琦，鄭德聰，王嘉偉

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)工程學院，山西太谷，030801； 2. 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京市，100083)

0 引言

我國雜糧的種植面積和產(chǎn)量均居于世界第二位，雜糧機械化收獲已成為制約雜糧產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大因素[1]。作為雜糧主產(chǎn)區(qū)的山西省近幾年一直致力于雜糧全程機械化生產(chǎn)的研究和實踐[2-5]。目前，清選損失率高、含雜率高是雜糧機械化收獲過程中存在的突出問題。優(yōu)化振動篩結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)、設(shè)計新型高效清選設(shè)備，是提高雜糧清選作業(yè)質(zhì)量的重點，是促進雜糧產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效發(fā)展的關(guān)鍵[6]。

清選裝置是谷物聯(lián)合收獲機的核心組成部分之一[7-9]，其性能優(yōu)劣直接影響整機的工作性能[10-11]。風篩式清選裝置以其機構(gòu)簡單、清選效率較高受到農(nóng)機設(shè)計工作者及消費者的青睞。但該裝置對蕎麥脫出混合物的適應(yīng)性不好，其清選含雜率過高，極不利于蕎麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，急需系統(tǒng)地研究清選過程、研制適應(yīng)蕎麥的清選裝置。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，多采用籽粒含雜率對篩下物料的清選質(zhì)量進行評價，但篩下物料的分布規(guī)律可以更直觀地反映清選裝置的工作性能。衣淑娟[12]、田偉[13]曾在自制的縱軸流風篩式清選裝置上進行不同參數(shù)下水稻脫出混合物的篩下物料分布試驗，該研究對水稻清選裝置的設(shè)計有一定指導作用。但水稻脫出混合物篩下物料的分布規(guī)律不具有普遍性。王傳根[14]對清選篩下玉米籽粒的長度和密度分布進行了研究，結(jié)果表明篩下縱向區(qū)域內(nèi)玉米籽粒的平均長度、密度呈現(xiàn)不同的變化趨勢。Wang等[15]對內(nèi)外滾筒蕎麥脫離裝置下脫出物沿滾筒軸向分布進行了分析，研究表明當外滾筒轉(zhuǎn)動時，脫出物料主要聚集在滾筒前端，即清選篩前端負荷較大；當內(nèi)、外滾筒相向轉(zhuǎn)動時，脫出物中含雜程度較低。

上文中雖提到了部分篩下物料分布的研究，但關(guān)于雜糧的相關(guān)報道較少，難以為現(xiàn)有雜糧清選裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供相應(yīng)的依據(jù)[11]。本文以蕎麥脫出混合物為試驗對象，進行不同風機轉(zhuǎn)速、風向角、曲柄直徑、曲柄轉(zhuǎn)速條件下清選臺架試驗，揭示篩下物料分布隨清選裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)、運動參數(shù)的變化規(guī)律，以期為蕎麥乃至雜糧清選裝置的設(shè)計、研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 清選裝置總體結(jié)構(gòu)

清選裝置采用黑龍江農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院研制的谷物清選試驗臺(QXS-3.0)，其主要由離心風機、階梯狀抖動板、料斗、傳動機構(gòu)、篩架、籽粒收集箱、機架、電控系統(tǒng)等部分組成。該試驗臺部分工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)可按需調(diào)整。如：通過更換曲柄間接實現(xiàn)對篩面振幅的調(diào)整；通過調(diào)整離心風機與機架固結(jié)位置可實現(xiàn)風機風向角的調(diào)整；篩面振動頻率、離心風機轉(zhuǎn)速可通過控制相應(yīng)的調(diào)速電機來實現(xiàn)。篩面下方采用小方格結(jié)構(gòu)的籽粒收集箱，可以進行篩下物料分布規(guī)律及清選質(zhì)量研究。該試驗臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 清選試驗臺

1.2 試驗材料

本試驗材料取自山西省太谷區(qū)申奉雜糧試驗地，品種為紅山蕎麥。蕎麥經(jīng)縱軸流脫粒裝置后得到蕎麥脫出混合物。該物料中含有大量籽粒、短莖稈和極少量葉子、灰塵等。清選環(huán)節(jié)將脫出混合物中除籽粒外的其他物質(zhì)統(tǒng)稱為雜余。對脫出混合物進行物性分析可知：籽粒含水率為14.8%，容重為561 g/L，幾何平均直徑為4.99 mm；雜余含水率為29.4%，容重為489 g/L?；旌衔镏凶蚜?、雜余的重量之比約為2.03∶1，按該比例配備試驗材料各2 000 g，即蕎麥籽粒1 340 g，雜余660 g。

1.3 試驗方法

根據(jù)清選物料尺寸關(guān)系，上、下清選篩面均采用沖孔篩，篩孔分別為8 mm、6 mm。上、下篩面傾角分別為2°、1.5°。試驗時，啟動清選試驗臺，設(shè)置喂入量為0.5 kg/s，待試驗臺運行平穩(wěn)后，將試驗物料裝入料斗。依次進行不同風機轉(zhuǎn)速(450、500、550、600、650 r/min)、風機風向角(20°、25°、30°、35°、40°)、曲柄長度(20、25、30、35、40 mm)、曲柄轉(zhuǎn)速(450、500、550、600、650 r/min)條件下單因素清選試驗。物料經(jīng)喂料輥進入階梯狀抖動板，階梯狀抖動板將物料均勻地送至振動篩上進行清選。篩選后的谷物(含一定雜質(zhì))落到籽粒收集箱(尺寸為2 000 mm×1 200 mm)中。

預(yù)試驗結(jié)果顯示約在篩面縱向1 500 mm之后，籽粒收集箱中絕大多數(shù)都為雜余，只有極少籽粒，這是由于該試驗臺存在下篩面過長問題，直接導致了本該排出機外的雜余進入了籽粒收集箱。故在本試驗中，縱向方向上只考慮篩面縱向前1 500 mm區(qū)域內(nèi)物料分布。物料分布范圍見示意圖2。

圖2 篩下物料分布范圍(籽粒收集箱俯視示意圖)

采用固定于籽粒收集箱上方含有編碼的布匹收集篩下物料(圖3(a))。布匹受物料重力作用下沉一定尺寸，正好用于盛放物料(圖3(b))。這樣一方面避免了籽粒收集箱笨重，物料不易收集的問題，另一方面，容易實現(xiàn)物料的對號收集分析。試驗結(jié)束后，對布匹上每格物料進行人工收集、清選、稱重。篩下物料含雜率的計算見式(1)。每組試驗進行2次，所得數(shù)據(jù)取平均值后進行統(tǒng)計分析。

H=ma/(ma+mb)×100%

(1)

式中：H——含雜率，%；

ma——篩下籽粒重量，g；

mb——篩下雜余重量，g。

(a) 籽粒收集箱排序編號

按上述試驗方法分別進行不同風機轉(zhuǎn)速、風機風向角、曲柄轉(zhuǎn)速、曲柄直徑條件下清選篩下物料分布試驗。采用Origin9.0繪制的篩下物料三維分布見圖4。

(a) 篩下籽粒分布圖

2 結(jié)果與分析

2.1 不同曲柄直徑條件下清選效果

在風機轉(zhuǎn)速550 r/min、風機風向角30°、曲柄轉(zhuǎn)速550 mm時，開展不同曲柄直徑條件下清選試驗，其篩下物料及含雜率沿篩面橫向、縱向分布分別見圖5、圖6。

2.1.1 篩下物料橫向分布

由圖5(a)～圖5(c)可知，物料主要集中在橫向?qū)挾?00～900 mm區(qū)域內(nèi)，且在橫向中間位置600 mm附近分布最多。

(a) 篩下籽粒重量橫向分布

隨著曲柄直徑的增大，圖5(a)、圖5(c)中各曲線的峰值逐漸變小。篩下籽粒的橫向分布曲線和篩下總物料的相似。曲柄直徑為20、25、30、35 mm 時物料總重、籽粒重的峰值分別是40 mm時峰值的1.08倍、1.10倍、1.07倍、1.04倍。這是因為隨著曲柄直徑的增大，篩面對物料的運輸速度增加，物料越來越快地被輸出機外，實際發(fā)生透篩并進入籽粒收集箱的物料的量在減少，即損失增加。

在圖5(b)中，篩下雜余量橫向分布曲線近似“人”字形，即中間含雜量較大，兩側(cè)較小。這主要是受風機布置影響。該清選裝置中風選系統(tǒng)采用2個并聯(lián)的離心風機(橫向方向上存在約150 mm的間隙)，并聯(lián)風機的中間風力較弱，故間隙的正前方雜余量較大；而兩個風機出風口的正前方處風力較強，此處雜余量相對較小。另外，當曲柄直徑為20 mm時，雜質(zhì)含量明顯高于其他曲柄直徑條件下的。這是因為曲柄直徑增大，篩面輸送能力增強，物料更容易被輸送出機外。

在圖5(d)中，橫向含雜率曲線近似呈“w”形，在300 mm、900 mm附近有較小的含雜率；在橫向中間位置、兩邊沿處有稍大含雜率。這主要是離心風機的并聯(lián)安裝導致的。當曲柄直徑為20 mm時，含雜率在橫向?qū)挾壬隙驾^大，整體清選質(zhì)量較差。曲柄直徑為30 mm 時，含雜率曲線相對平緩，整個橫向?qū)挾壬虾s率均低于3.6%，籽粒的含雜率較低，清選效果較優(yōu)。

2.1.2 篩下物料縱向分布

由圖6(a)、圖6(c)可發(fā)現(xiàn)，籽粒、篩下總物料分布極不均勻，出現(xiàn)1個高峰值，且高峰的位置隨著曲柄直徑的增大在縱向方向上后移，兩者的分布規(guī)律相近。這是因為曲柄直徑增大，物料在篩面的運動加快，物料在當前位置的透篩幾率降低，越來越多的物料被輸送至篩體后端進行透篩。

圖6(b)中，雜余量在不同曲柄直徑條件下的增加趨勢相近。在0～1 200 mm區(qū)域內(nèi)，雜余量增加緩慢；在1 200～1 500 mm區(qū)域內(nèi)，風力較弱，一些輕小雜余在該區(qū)域發(fā)生透篩，導致雜余量猛增。

含雜率變化規(guī)律與雜余量變化相近(圖6(b)、圖6(d))，不同之處為含雜率在100～300 mm位置處有明顯波動，這是由于清選篩前端風力微弱，部分剛進入篩面的雜余在重力作用下直接透篩所致。值得注意的是在籽粒收集箱1 200 mm以后，物料含雜率急劇增大，這主要是因為該區(qū)域雜余量太大導致的。但該區(qū)域籽粒含量很小，可以考慮增加篩面以提高籽粒的清潔率。

(a) 篩下籽粒重量縱向分布

2.2 不同曲柄轉(zhuǎn)速(振動頻率)條件下清選效果

在風機轉(zhuǎn)速550 r/min、風機風向角30°、曲柄長度25 mm時，開展不同曲柄轉(zhuǎn)速條件下清選試驗，其篩下物料及含雜率沿篩面橫向、縱向分布分別見圖7、圖8。

(a) 篩下籽粒重量橫向分布

2.2.1 篩下物料橫向分布規(guī)律

在橫向?qū)挾壬?，籽粒重和篩下物料總重的分布規(guī)律相近，見圖7(a)、圖7(c)。物料集中分布在橫向中間區(qū)域內(nèi)，峰值、較小值分別出現(xiàn)在橫向700 mm、100 mm 和1 200 mm位置處。曲柄轉(zhuǎn)速為450、500、550、600 r/min時，篩下物料總重和籽粒重的高峰值分別是650 r/min時高峰值的1.08倍、1.10倍、1.07倍、1.04倍，且隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增大，兩者在橫向上的總量減小。

產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是，隨著曲柄轉(zhuǎn)速增加，即篩子振動頻率增大，物料受到的推送運輸作用增強，而透篩物料有所減少，相應(yīng)的損失則會增大。

不同曲柄轉(zhuǎn)速下，篩下雜余量、含雜率的橫向分布規(guī)律顯著，見圖7(b)、圖7(d)。在橫向?qū)挾?00～700 mm 區(qū)域內(nèi)雜余量較多，而在兩端100 mm和1 200 mm位置處分布較少。隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增加，含雜率曲線上的雙波谷趨于平緩，含雜率在顯著降低。其分布規(guī)律與不同曲柄直徑條件下的相近，主要是受并聯(lián)風機的影響。

2.2.2 篩下物料縱向分布規(guī)律

由圖8(a)、圖8(c)可知，籽粒重和篩下物總重沿篩面的縱向分布規(guī)律相近。在籽粒收集箱長度方向分布極不均勻，出現(xiàn)1個高峰值，且出現(xiàn)高峰的位置隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增大同時沿篩面縱向后移。這是因為隨著曲柄轉(zhuǎn)速增大，物料在篩面上的運動多樣性增加，物料在向后輸送的同時透篩率稍有增大，故峰值在后移，但各轉(zhuǎn)速下的峰值差別不大，均約為230 g。

由圖8(b)、圖8(d)可知，篩下雜余量較大，分布不均，且在縱向1 200 mm 以后區(qū)域內(nèi)，雜余量、篩下物料含雜率激增。這主要是因為該區(qū)域風力微弱，不能有效清除雜余，可以考慮在試驗臺尾端配置貫流風機，擴大對篩尾的風力作用，以降低該區(qū)域內(nèi)物料的含雜率。

(a) 篩下籽粒重量縱向分布 (b) 篩下雜余重量縱向分布

2.3 不同離心風機轉(zhuǎn)速條件下清選效果

在風機風向角30°、曲柄長度25 mm、曲柄轉(zhuǎn)速550 r/min時，開展不同風機轉(zhuǎn)速條件下清選試驗，其篩下物料及含雜率沿篩面橫向、縱向分布分別見圖9、圖10。

2.3.1 物料橫向分布規(guī)律

由圖9(a)、圖9(c)可知，篩下物料總重、籽粒重兩者分布規(guī)律相近。各圖中的曲線走勢基本相同，各曲線清晰可辨，僅在900 mm區(qū)域后有較少相交。各曲線在橫向?qū)挾?00 mm位置附近達到峰值；在篩體橫向兩端100 mm和1 200 mm位置處出現(xiàn)較小值。隨著離心風機轉(zhuǎn)速的增加，篩下物料總重、籽粒重分布曲線的峰值、總值均減少，這是因為風機轉(zhuǎn)速越大，物料受到的風力作用越強，物料被吹出清選室的幾率越高，落入籽粒收集箱的物料減少，意味著損失增加。此時，應(yīng)優(yōu)先考慮損失率，即應(yīng)在損失率較小的前提下再考慮含雜率較低、分布較均勻的工作參數(shù)。

由圖9(b)可知，隨著風機轉(zhuǎn)速的增加，各區(qū)域上的雜余量、橫向上的雜余總量呈減少趨勢，曲線越來越平緩，即峰值越來越不明顯。這主要是并聯(lián)風機風力作用的結(jié)果。隨著風速的增大，雜余被吹散、吹跑，但雜余含量較多處依然是兩并聯(lián)風機間隙的正前方。

因受風機轉(zhuǎn)速及風機布局的影響，含雜率曲線近似呈“w”形分布，見圖9(d)。含雜率隨風機轉(zhuǎn)速的增大而降低；在籽粒收集箱兩端出現(xiàn)較高值；在橫向?qū)挾?00～1 100 mm區(qū)域內(nèi)，峰值出現(xiàn)在600 mm位置附近，兩個波谷分別出現(xiàn)在400 mm、1 100 mm附近。兩并聯(lián)風機的正前方篩下物料含雜率較低，表明在此位置處(兩波谷)風力較足，清選質(zhì)量較高。隨著風速的加大，波峰、波谷區(qū)別不再明顯，含雜率曲線逐漸趨于平緩。整體而言，風速轉(zhuǎn)速較高時的清選效果明顯優(yōu)于風機轉(zhuǎn)速較小時的。

(a) 篩下籽粒重量橫向分布

2.3.2 物料縱向分布規(guī)律

由圖10(a)、圖10(c)可知，篩下物料總重、籽粒重沿籽粒收集箱長度方向分布極不均勻，出現(xiàn)1個高峰值，且出現(xiàn)高峰的位置隨著風機轉(zhuǎn)速的增大在縱向方向上后移。這是因為隨著風機轉(zhuǎn)速的增大，物料受風力作用變大，被動向后輸送能力增強，故峰值在后移的同時并減小。另外，篩下各物料的總重也隨著風機轉(zhuǎn)速的增大而減小。

(a) 篩下籽粒重量縱向分布

由圖10(b)可知，雜余量在不同曲柄轉(zhuǎn)速條件下的增加趨勢相近。在縱向長度0～400 mm區(qū)域內(nèi)，雜余量稍有增加；在縱向長度400～1 500 mm區(qū)域內(nèi)，雜余量增幅變大，且在篩尾處達到最大值。隨著風機轉(zhuǎn)速的增大，雜余總量、各區(qū)域的雜余量是逐漸減小的。在圖10(d)中，在100～300 mm區(qū)域內(nèi)含雜率稍有波動，這是由于部分剛進入篩面的小雜余在重力作用下直接透篩所致。在300～1 100 mm區(qū)域內(nèi)，5條曲線近似重合且含雜率很小，說明在該區(qū)域內(nèi)，所取風機轉(zhuǎn)速條件下均可獲得較好的清選質(zhì)量。值得注意的是在籽粒收集箱1 200 mm以后，物料含雜率急劇增大，但各區(qū)域的含雜率隨風機轉(zhuǎn)速的增大而明顯減小，這說明在該區(qū)域內(nèi)，風機轉(zhuǎn)速對清選效果影響顯著。若要降低該區(qū)域的含雜率，可以考慮擴大風機作用范圍。

2.4 不同離心風機風向角條件下清選效果

在風機轉(zhuǎn)速550 r/min、曲柄長度25 mm、曲柄轉(zhuǎn)速550 r/min時，開展不同風機風向角條件下清選試驗，其篩下物料及含雜率沿篩面橫向、縱向分布分別見圖11、圖12。

2.4.1 物料橫向分布規(guī)律

由圖11(a)、圖11(c)可以看出，篩下籽粒重、篩下物料總重的分布規(guī)律基本一致。物料主要集中在篩面中間位置，在700 mm位置附近出現(xiàn)最大值；在篩面橫向左右兩端處出現(xiàn)較小值。各篩下物料總重、篩下籽粒重分布曲線幾乎重合，表明所選范圍內(nèi)離心風機風向角對篩下物料總重、篩下籽粒重橫向分布影響不大。

由圖11(b)、圖11(d)可以看出，雜余量、含雜率曲線上的波峰、波谷分布明顯，且隨著風機風向角的增大，曲線趨于平緩。風機風向角在20°～40°范圍內(nèi)增大時，篩下含雜量是先降低后增大。這是因為隨著風機風向角的增大，間接增大了風力對篩面的作用范圍，故雜余量有明顯減少，但在風機風向過大時，如40°時，風力作用范圍較小，實際作用在篩面上的風力較弱，故雜余量有所增加。圖11(d)中，各含雜率曲線由兩個波谷三個波峰組成，近似呈“w”形。該現(xiàn)象主要是風機的并聯(lián)安裝所致。隨著風機風向角的增大，各曲線上波峰、波谷差距變小，曲線趨于平緩。由圖11(d)可知當離心風機出口傾角為35°時含雜率最低，清選效果最好。

(a) 篩下籽粒重量橫向分布 (b) 篩下雜余重量橫向分布

2.4.2 物料縱向分布規(guī)律

由圖12(a)、圖12(c)可知，篩下物料總重、籽粒重沿篩面縱向分布極不均勻，出現(xiàn)1個高峰值，且峰值的位置隨風機風向角的增大而后移、減小。這是因為風機風向角增大，風力的作用位置后移，故物料后移，當前位置的物量減小。

由圖12(b)可知，雜余量在不同風機風向角條件下的增加趨勢不盡相同。當風向角為25°、30°時，雜余量在200～1 200 mm區(qū)域上增加明顯。而其他風向角條件下，該區(qū)域雜余量增加緩慢。但在1 200～1 500 mm區(qū)域內(nèi)，各風機風向角條件下的雜余量增加迅速，且在篩尾處達到最大值。值得注意的是，當風機風向角為35°時雜余量明顯低于其他風向角條件下，說明該風向角條件下，清選質(zhì)量較好。

(a) 篩下籽粒重量縱向分布

在圖12(d)中，各風機風向角下的含雜率變化規(guī)律相近。在300～1 100 mm區(qū)域內(nèi)，5條曲線近似重合，說明在該區(qū)域內(nèi)，所取風機風向角條件下均可獲得較好的清選質(zhì)量。值得注意的是在籽粒收集箱1 200 mm 以后區(qū)域內(nèi)，物料含雜率急劇增大，說明該區(qū)域內(nèi)，風機風向角對清選過程影響顯著。當風向角為35°時含雜率明顯低于其他風向角條件下，說明該條件下清選質(zhì)量較好。如要降低1 200 mm以后區(qū)域的含雜率，可以考慮擴大風機作用范圍，如在清選篩的尾部配置合適的貫流風機。

3 結(jié)論

1) 不同參數(shù)對篩下物料分布的影響程度不盡相同。但總體而言，橫向方向上，主要受風機布局影響，在篩體兩端、并聯(lián)風機中間位置的正前方雜余分布較多，含雜率較高，雜余近似呈“人”字形分布，含雜率近似呈“w”字形分布；在縱向方向上，物料主要集中在籽粒收集箱的中間位置，篩體末端雜余量較大，含雜率較高。

2) 沿篩面橫向，隨著曲柄直徑、離心風機轉(zhuǎn)速的增加，篩下籽粒重、雜余重的峰值、總重減少，含雜率降低。沿篩面縱向，篩下籽粒重、雜余重、物料總重的峰值隨曲柄直徑、風機轉(zhuǎn)速的增大在縱向方向上后移并減小，同時，含雜率降低。當曲柄直徑為30 mm時，含雜率曲線相對平緩，整個橫向上含雜率均低于3.6%。

3) 離心風機風向角對篩下籽粒重、物料總重的橫向分布沒有太大影響，但對雜余量、含雜率影響顯著。在縱向上，隨著風機風向角的增大，籽粒重、物料總重的峰值后移并減小。當風機風向角為35°時，沿篩面橫向、縱向的雜余量最小，含雜率也最低，此時，清選質(zhì)量較高。隨曲柄轉(zhuǎn)速的增大，篩下物料總重和籽粒重在橫向上的峰值逐漸變小，其縱向上的峰值在增大的同時逐漸后移。當曲柄轉(zhuǎn)速大于600 r/min時，清選篩下籽?？傊孛黠@降低，意味著損失增加。