小型谷物清選機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫繼君

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

隨著國(guó)家政策調(diào)整、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變及農(nóng)業(yè)機(jī)械水平的不斷提升,我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式發(fā)生了較大的變化。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化、標(biāo)準(zhǔn)化的不斷發(fā)展,以及人民對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的逐漸提升,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加注重谷物品質(zhì)。提高谷物清選效率為后續(xù)谷物運(yùn)輸、存儲(chǔ)、銷售和種子制備提供良好的基礎(chǔ)條件,因此,優(yōu)化谷物清選機(jī)裝置對(duì)于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義[1-2]。

谷物清選是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一,谷物收獲后會(huì)存在草籽、秸稈殘茬、泥沙及不飽滿谷粒等,經(jīng)過(guò)谷物清選后可以獲得質(zhì)量較高且顆粒飽滿的谷物,對(duì)于提高谷物存儲(chǔ)、銷售和播種質(zhì)量有一定的促進(jìn)作用[3]。

1 谷物清選機(jī)工作原理與分類

谷物清選機(jī)分為常規(guī)清選方式和電分離方式兩種。常規(guī)谷物清選方法主要是基于谷物集合尺寸和空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行清選,主要包括風(fēng)篩法、比重法和窩眼清選法等;電分離法主要是利用谷物的生物學(xué)特性,如種子發(fā)芽率和種子活力等,進(jìn)行谷物清選,目前主要應(yīng)用于水稻、菜籽和油料等種子的清選[4]。

目前,市面上常見(jiàn)的谷物清選機(jī)包括風(fēng)篩式、比重式、窩眼式和復(fù)式清選裝置4種類型。風(fēng)篩式谷物清選機(jī)使用不同尺寸和規(guī)格的篩片對(duì)不同谷物進(jìn)行清選,同時(shí)可以利用懸浮速度去除草籽和秸稈殘茬等雜質(zhì),具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、振動(dòng)幅度較大、工作穩(wěn)定性較高、通用性較強(qiáng)的特點(diǎn),適用于小麥、大麥、玉米、水稻和豆類等作物;比重式谷物清選機(jī)工作原理是谷物在空氣壓力作用下由于質(zhì)量不同產(chǎn)生分層,進(jìn)而達(dá)到谷物清選的目的,具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)效率較高,凈度較高的特點(diǎn),適用于小麥、玉米、水稻等作物;窩眼式谷物清選機(jī)工作原理是在進(jìn)行谷物清選時(shí),谷物在窩眼中做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),利用谷物與其他雜質(zhì)運(yùn)行軌跡的不同實(shí)現(xiàn)谷物清選,具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清選效率較高、高能低耗、易于日常維護(hù)的特點(diǎn),適用于小麥、燕麥和豆類等作物;復(fù)式谷物清選機(jī)在進(jìn)行清選作業(yè)時(shí),首先利用吸風(fēng)道截面積的差異分離雜質(zhì),然后再進(jìn)行窩眼清選,實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步清選,具有可靠性較高,谷物清選效果好,適用范圍較廣的特點(diǎn),通用性較高,能夠適用于不同谷物的清選。

2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題

2.1 研究進(jìn)展

谷物清選裝置研究起步較早,發(fā)展較快。目前,國(guó)外谷物清選裝置具有智能化水平高、制作工藝精良和運(yùn)行穩(wěn)定等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。谷物清選裝置主要包括機(jī)械式和液壓調(diào)解式兩種,操作靈活并且易于控制。目前國(guó)外谷物清選技術(shù)主要向光電技術(shù)發(fā)展,可以根據(jù)谷物表面不同的色澤進(jìn)行清選,或者基于高壓靜電技術(shù),根據(jù)谷物極化帶電等特性進(jìn)行谷物清選。我國(guó)對(duì)谷物清選機(jī)的研究始于20世紀(jì)50年代,最初是從蘇聯(lián)和匈牙利等國(guó)家進(jìn)行設(shè)備引進(jìn),并開(kāi)展相關(guān)研究。20世紀(jì)90年代后,我國(guó)逐漸開(kāi)始了各種類型的谷物清選機(jī)的研發(fā)[5]。

2.2 存在問(wèn)題

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研和研究進(jìn)展可知,目前谷物清選機(jī)存在清選性能不穩(wěn)定、通用性較差等問(wèn)題,我國(guó)在谷物清選機(jī)自主研發(fā)過(guò)程中存在加工工藝落后,整體裝備質(zhì)量不高等問(wèn)題,導(dǎo)致在種子清選機(jī)使用過(guò)程中振動(dòng)幅度大且技術(shù)水平低。谷物清選機(jī)生產(chǎn)企業(yè)較多,部分企業(yè)生產(chǎn)的谷物清選機(jī)多為國(guó)外仿制產(chǎn)品,缺乏相關(guān)理論研究和技術(shù)積累,自主研發(fā)的產(chǎn)品處于低水平重復(fù)狀態(tài),影響了我國(guó)谷物清選機(jī)的提高與發(fā)展。

3 小型谷物清選機(jī)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)

本研究提出一種小型谷物清選機(jī)的設(shè)計(jì)方案,主要包括進(jìn)料斗、機(jī)架、清選風(fēng)機(jī)、振動(dòng)篩版、傳動(dòng)裝置等組成。采用電驅(qū)動(dòng)方式,谷物首先進(jìn)入前方的振動(dòng)篩板進(jìn)行風(fēng)選,質(zhì)量較輕的雜質(zhì)被清選風(fēng)機(jī)吹出,然后谷物進(jìn)入后方的振動(dòng)篩板進(jìn)行二次清選,主要工作流程如圖1所示。

圖1 種子清選機(jī)工作流程示意圖

3.2 進(jìn)料斗的參數(shù)設(shè)計(jì)

進(jìn)料斗主要包括前板、后板和分流板等關(guān)鍵部件。為了保證谷物清選機(jī)能夠穩(wěn)定和連續(xù)的工作,應(yīng)保證谷物能夠連續(xù)不斷地進(jìn)入振動(dòng)篩版,并且均勻地分布在篩板中,因此,進(jìn)料斗的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)于保證清選穩(wěn)定性具有重要意義。本研究進(jìn)料斗口的寬度為350 mm,長(zhǎng)度為705 mm。

3.3 偏心輪的參數(shù)設(shè)計(jì)

谷物清選機(jī)主要是通過(guò)偏心齒輪實(shí)現(xiàn)持續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng),偏心輪的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了谷物清選頻率f,計(jì)算公式如式(1)所示

f=n/60

(1)

式中n—偏心輪轉(zhuǎn)速,r·min-1。

扇形偏心塊的面積A和偏心距r0計(jì)算公式如式(2)和式(3)所示

(2)

(3)

式中R1,R2—齒輪半徑,mm;

θ1—扇形大圓弧半中心角,(°);

θ2—扇形小圓弧中心角,(°)。

3.4 清選風(fēng)機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)

1)清選機(jī)氣流Q的設(shè)計(jì)如式(4)所示

Q=q0/(u·ρ)

(4)

式中q0—進(jìn)入清糧室的谷?；旌衔镔|(zhì)量,

kg·s-1,取q0=0.28 kg·s-1;

u—重量濃度比,一般取0.8左右;

ρ—空氣密度,kg·m-3,取ρ=1.2 kg·m-3。

2)壓力P計(jì)算公式如式(5)所示

P=Px+Pd

(5)

式中Pd—?dú)饬鞒隹趧?dòng)壓,Pa。

3.5 振動(dòng)篩的參數(shù)設(shè)計(jì)

振動(dòng)篩板主要由上、中、下三層分離篩組成,可以保證較高的谷物清選效果。每層分離篩由兩塊篩板組成。目前,市面上振動(dòng)分離篩種類較多,主要包括平面篩、圓筒篩和圓錐篩。本研究以水稻和小麥顆粒的外形為參考,對(duì)篩板篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,篩板結(jié)構(gòu)尺寸為長(zhǎng)度190 cm,寬度150 cm,厚度為2 mm,兩個(gè)篩板之間的距離為40 mm。

4 試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)方法

谷物清選作業(yè)時(shí),在喂料口取樣,重復(fù)3次,每次取料重量>1 kg;在排料口接取谷物,重復(fù)3次,每次取料重量>1 kg;在雜余口接取雜質(zhì),重復(fù)3次,每次取料重量>1 kg。

4.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

1)純工作小時(shí)生產(chǎn)率

Ec=Wq/Tc

(7)

式中Ec—純工作小時(shí)生產(chǎn)率,t·h-1;

Wq—測(cè)定時(shí)間內(nèi)喂入谷物的重量,t;

Tc—測(cè)定時(shí)間,h。

2)單位功率生產(chǎn)率

Ed=Wq/Q

(8)

式中Ed—單位功率生產(chǎn)率,t·(kW·h)-1;

Q—測(cè)定時(shí)間耗電量,kW·h。

3)單位篩片面積生產(chǎn)率

Es=Ec/S

(9)

式中Es—單位篩片面積生產(chǎn)率,t·(m2·h)-1;

S—清選機(jī)篩片總面積,m2。

4)清選每噸谷物消耗風(fēng)量

Ef=G/Ec

(10)

式中Ef—清選每噸谷物消耗風(fēng)量,M3·t-1;

G—清選機(jī)風(fēng)機(jī)每小時(shí)風(fēng)量,M3·h-1。

5)獲選率

a=W·μ/(Wq·μq)

(11)

式中a—獲選率,%;

W—主排出口排出的清選后谷物重量,t;

μ—清選后谷物凈度,%;

μq—清選前谷物凈度,%。

6)除雜率

(12)

式中β—除雜率,%;

vq—清選前谷物含雜率,%;

v—清選后谷物含雜率,%;

4.3 結(jié)果與分析

在上述條件下,基于本研究自主設(shè)計(jì)的小型谷物清選機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),選取谷物生產(chǎn)率、凈度、功率等作為評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)果如表1所示。

表1 小型谷物清選機(jī)性能指標(biāo)

5 結(jié)論與展望

本文介紹了一種小型谷物清選機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。該清選機(jī)主要由送料裝置、清選部件、除塵部件和電氣控制系統(tǒng)組成。試驗(yàn)結(jié)果表明,該清選機(jī)具有較高的清選效率和良好的除塵效果,可以有效去除谷物中的雜質(zhì)和灰塵,保證谷物的質(zhì)量和安全性。

雖然本文設(shè)計(jì)的小型谷物清選機(jī)已經(jīng)具有較高的清選效率和除塵效果,但仍然存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步改進(jìn)。例如,可以通過(guò)優(yōu)化清選部件的結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)送料裝置的穩(wěn)定性來(lái)提高清選機(jī)的清選效率和工作穩(wěn)定性。此外,可以采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和智能控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)清選機(jī)的自動(dòng)化控制和優(yōu)化運(yùn)行?？傊?未來(lái)的研究可以進(jìn)一步完善小型谷物清選機(jī)的設(shè)計(jì)和性能,以滿足市場(chǎng)需求和谷物加工的實(shí)際需求。