油菜脫出物雙向切流喂入式旋風(fēng)分離清選裝置的設(shè)計與試驗

沈宇峰 ,羅海峰 ,吳明亮,官春云

(1.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410124; 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,湖南 長沙 410128; 3.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南 長沙 410128)

油菜是我國重要的糧油作物和經(jīng)濟作物,加快推進油菜機械化生產(chǎn)有助于提高農(nóng)民收益、減輕勞動強度[1-2],也是實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的一部分。油菜收獲機械化是油菜生產(chǎn)全程機械化的重要環(huán)節(jié),其收獲效果直接影響油菜籽粒的品質(zhì)[3]。清選裝置作為收獲機械的重要組成部分,其清選性能直接影響收獲機械的工作質(zhì)量[4]。油菜收獲機械清選裝置的作業(yè)對象為油菜脫出物,油菜脫出物含水率高、成分復(fù)雜、籽粒細小,清選難度大[5]。傳統(tǒng)的風(fēng)篩組合式清選裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、功耗較高,主要用于大型聯(lián)合收獲機清選裝置[6-7]。我國南方是油菜主產(chǎn)區(qū),占全國油菜種植面積的90%以上,其中山地丘陵地帶種植占主要部分,發(fā)展小型油菜聯(lián)合收獲機可以滿足小田塊機械化收獲作業(yè),當(dāng)前小型聯(lián)合收獲機的清選分離裝置以旋風(fēng)式為主,旋風(fēng)分離清選裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低等優(yōu)勢在丘陵地區(qū)的小型收獲機械上被大量使用[8]。目前很多學(xué)者對旋風(fēng)式分離裝置開展了大量的研究,高春艷等[9]以微型聯(lián)合收割機旋風(fēng)分離清選裝置為研究對象,探究了結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)對微型聯(lián)合收割機清選性能的影響;倪長安等[10]通過正交試驗, 找到了無導(dǎo)向片式旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)各部分的結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)的最優(yōu)組合;耿令新等[11]設(shè)計了一種錐頂蝸殼式旋風(fēng)分離清選裝置,并進行了試驗參數(shù)優(yōu)化;師清翔等[12]以小麥為試驗對象,進行了雙揚谷器旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)試驗與參數(shù)優(yōu)化;袁華杰等[13]利用吸雜口偏置型旋風(fēng)分離清選裝置試驗臺, 研究了吸雜口偏移位置參數(shù)對清選性能的影響規(guī)律;廖慶喜等[14]對油菜聯(lián)合收獲機旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)進行了設(shè)計與試驗。以上研究大多是以稻谷和小麥為試驗對象進行的試驗研究,對油菜旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)和雙向切入式旋風(fēng)分離方面的研究未見報道。相對于單向切入式而言,雙向切入式旋風(fēng)分離裝置使得物料對稱切向喂入,加劇了籽粒和雜物的旋轉(zhuǎn)分離,清選效果倍增。為此,創(chuàng)新設(shè)計了一種雙向切入式旋風(fēng)分離清選裝置,進行了理論分析和室內(nèi)臺架試驗,以期為油菜小型聯(lián)合收獲機旋風(fēng)分離清選提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 結(jié)構(gòu)簡圖與工作原理

雙向切入式旋風(fēng)分離清選裝置如圖1所示,主要由圓筒篩、雙向輸送絞龍、落料管、拋料板、旋風(fēng)分離筒、吸雜風(fēng)機等結(jié)構(gòu)組成。工作時利用旋轉(zhuǎn)的圓筒篩完成物料的一次清選,物料進入到圓筒篩以后,籽粒及細小輕雜質(zhì)自篩孔落下,未能通過篩孔的大雜質(zhì)沿導(dǎo)草條(圖2中已標出)排出機外;在圓筒篩上方安裝固定毛刷,固定毛刷與圓筒篩產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動,可實時清理篩孔內(nèi)部的雜質(zhì),防止篩孔堵塞;一次清選后的物料在雙向輸送絞龍和左右拋料板的作用下將物料雙向切向喂入旋風(fēng)分離筒內(nèi)部,在其內(nèi)部完成物料的二次清選。利用吸雜風(fēng)機的抽風(fēng)作用,使得旋風(fēng)筒內(nèi)形成一定的負壓,結(jié)合切向喂入的物料流,在旋風(fēng)分離筒內(nèi)部形成旋轉(zhuǎn)氣流場,從而使得較重的籽粒在離心力和重力的作用下沿筒壁螺旋向下運動至落料口,輕雜物在徑向力的作用下向分離筒的中心運動,并沿吸雜管道經(jīng)吸風(fēng)機排出機體外。

1,物料喂入口;2,固定毛刷;3,圓筒篩軸;4,圓筒篩;5,雙向輸送絞龍;6,落料管;7,吸雜口;8,拋料板;9,切向入口;10,旋風(fēng)分離筒;11,落料口; 12,出風(fēng)口;13,吸雜風(fēng)機;14,吸雜管道;15,排雜口。1, Material feed inlet; 2, Fixed brush; 3, Cylinder screen shaft; 4, Cylinder screen; 5, Two-way conveying auger; 6, Blanking pipe; 7, Suction port; 8, Throwing plate; 9, Tangential inlet; 10, Cyclone separator; 11, Blanking port; 12, Air outlet; 13, Suction fan; 14, Suction pipe; 15, Miscellaneous discharge port.圖1 雙向切入式旋風(fēng)分離清選裝置Fig.1 Structure diagram of bidirectional cyclone separation and cleaning system

圖2 圓筒篩的展開圖Fig.2 Expanded view of cylinder screen

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 圓筒篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圓筒篩的作用是完成一次粗選,去除體積較大的雜質(zhì),其展開圖如圖2所示。圓筒篩內(nèi)部的導(dǎo)草條呈螺旋排列,圓筒篩旋轉(zhuǎn)時將未通過篩孔的大雜質(zhì)沿導(dǎo)草條排出機外。為保證篩孔在工作過程中不變形,分離物料精確,篩孔采用圓形沖孔篩,圓形沖孔篩的直徑應(yīng)大于油菜籽粒的直徑。為合理設(shè)計圓筒篩篩孔孔徑,需要對油菜籽粒直徑分布進行測量統(tǒng)計,隨機選取100粒油菜籽粒(成熟度達90%的湘油1613品種)進行直徑測定,其實驗結(jié)果如圖3所示。對所得的實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,可得油菜籽粒的平均直徑為1.839 mm,標準方差值為0.044 mm,由此可推算出,油菜籽粒的直徑分布范圍為1.707～1.971 mm。

圖3 油菜籽粒直徑變化曲線Fig.3 Variation curve of rape grain diameter

為保證自由分離且減少損失,參考平面篩的設(shè)計(農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊[15]),篩孔直徑應(yīng)稍大于油菜籽粒的最大直徑(2.2 mm),小于雜質(zhì)的最小方向尺寸(5 mm)[16]。為此,選取篩孔的孔徑為4 mm,篩孔按照等邊三角形排列,孔距為6 mm。

2.2 雙向輸送絞龍的結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙向輸送絞龍的作用是將物料從中間向兩邊推送,兩邊螺旋葉片采用旋向反向設(shè)計。對螺旋葉片上任一點O處的物料進行受力分析,如圖4所示。由圖4可得,螺旋葉片上的物料主要受摩擦力Ff和法向推力Ft,二者所受的合力為F。合力F與法向推力Ft之間的夾角α為物料與螺旋葉片之間的摩擦角,法向推力Ft與絞龍軸中心線之間的夾角β為螺旋葉片的升角。為保證物料能夠軸向推送,需滿足軸向水平推力大于軸向水平阻力,如式(1)所示:

圖4 物料受力分析圖Fig.4 Analysis diagram of material stress

Ftcosβ>Ffsinβ。

(1)

其中:Ff=Fttanα。

(2)

由式(1)、(2)可得:β<90°-α。

由參考文獻[16]可得α=17.7°,則β<72.3°,選取螺旋葉片的螺旋角β為60°。

螺旋葉片的直徑D(m)可按式(3)計算[17]。

(3)

式中:Q為輸送絞龍的生產(chǎn)率(t·h-1),設(shè)計值0.3;φ為物料的填充系數(shù),取0.2;β為影響系數(shù),水平輸送取1;k為螺距S與螺旋葉片直徑D的比例系數(shù),取0.7;g為重力加速度,g=9.8 m·s-2;ρ為輸送物料的堆積密度(kg·m-3),油菜籽粒為728 kg·m-3;n為螺旋葉片的轉(zhuǎn)速,取50 r·min-1。

由式(3)計算可得:D=0.105 m,取D=100 mm則螺距S=0.7D=70 mm,螺旋軸的直徑:d=0.2～0.55S,由上式可得d=14～38.5 mm,取d=20 mm。

2.3 雙向切入式旋風(fēng)分離筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙向切入式旋風(fēng)分離筒的結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。為加速物料的旋轉(zhuǎn),雙向切入口呈軸向?qū)ΨQ分布;為增加物料的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和清選時間,在旋風(fēng)分離筒內(nèi)部安裝螺旋式導(dǎo)向板。雙向切入式旋風(fēng)分離筒清選時所需的風(fēng)量可由式(4)計算。

圖5 雙向切入式旋風(fēng)分離筒結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Structure diagram of bidirectional cut-in cyclone separator

V0=0.5Q1β1/μ1ρ1。

(4)

式中:Q1—油菜脫出物的喂入量,為2Q=0.17 kg·s-1(輸送絞龍的單邊輸送生產(chǎn)率Q設(shè)計值為0.3 t·h-1,由于脫出物料自中間向兩邊分別推送至旋風(fēng)分離筒內(nèi)部,假定兩邊推送的物料一樣,則進入到旋風(fēng)分離筒內(nèi)部的脫出物喂入量Q1=2Q=0.6 t·h-1=0.17 kg·s-1);β1為雜質(zhì)占喂入量的比例,取0.2;μ1為攜帶雜質(zhì)氣流的混合濃度比,取0.3;ρ1為空氣密度,取1.2 kg·m-3;0.5為雙向切入式系數(shù)。

由式(4)計算可得V0=0.094 m3·s-1

吸雜口的最小直徑可由式(5)計算。

(5)

式中:v1為吸雜口處的氣流速度,為使輕雜物能夠順利排出而籽粒不被排出,v1應(yīng)大于輕雜物的懸浮速度(2.21～3.23 m·s-1),稍小于籽粒的懸浮速度(6.52～7.46 m·s-1),取6.5 m·s-1。

由式(5)計算可得d1=0.136 m,取d1=150 mm。

在此條件下,吸雜風(fēng)機的風(fēng)量可由式(6)計算。

(6)

重新計算V0=0.115 m3·s-1。

落料口直徑d2可由式(7)計算。

(7)

式中:v2為落料口的氣流速度,為使籽粒能夠順利下落,籽粒的重力應(yīng)大于籽粒的氣流阻力,即v2應(yīng)小于籽粒的懸浮速度(6.52～7.46 m·s-1);同時為使雜物不被夾雜在下行的籽粒中,v2應(yīng)大于雜物的懸浮速度(2.21～3.23 m·s-1);為提高籽粒的清潔率,v2的值應(yīng)在可選范圍內(nèi)取值越大越好。綜上,v2取6 m·s-1。

由式(7)計算可得d2=0.156 m,取d2=150 mm。

由參考文獻[18]可得,在旋風(fēng)分離筒內(nèi)部,氣流明顯分為四周低速區(qū)和中間高速區(qū),旋風(fēng)分離筒的筒體直徑d0可由式(8)計算。

(8)

式中:vn為筒體內(nèi)部高速區(qū)的氣流速度(大于輕雜物的懸浮速度),參考輕雜物的懸浮速度取為 4 m·s-1;vw為筒體內(nèi)部低速區(qū)的氣流速度(小于籽粒的懸浮速度),參考籽粒的懸浮速度取為2 m·s-1

由式(8)計算可得d0=0.225 m,參考吸雜口處直徑和落料出口的直徑,為布局合理,取d0=300 mm。

為使籽粒能夠在分離筒下錐段自由下滑,下錐角應(yīng)大于油菜籽粒的摩擦角,參照油菜籽粒的摩擦角(17.7°)[16],取β1=45°,為制造安裝方便,選取上錐角α1=β1=45°。

2.4 吸雜風(fēng)機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

徑向直葉片風(fēng)機由于結(jié)構(gòu)簡單、制作方便,在農(nóng)業(yè)上常用作清選風(fēng)機[19],故本文選擇徑向直葉片風(fēng)機作為吸雜風(fēng)機。風(fēng)機的全壓P可由式(9)、(10)、(11)計算[20-21]。

P=Pd+Pj;

(9)

(10)

Pj=Pd。

(11)

式中:Pd為風(fēng)機動壓;Pj為風(fēng)機靜壓,直葉片風(fēng)機,動壓與靜壓相等;vx為風(fēng)機的工作速度,參照吸雜口處的氣流速度,忽略管道的風(fēng)能損失,取為6.5 m·s-1;ρ1為空氣密度,取1.2 kg·m-3。

由式(9)、(10)、(11)計算可得P=50.7 Pa。

風(fēng)機葉片的葉輪外徑可由式(12)、(13)計算。

(12)

D1=60u1/πn1。

(13)

式中:u1為葉輪出口處的圓周速度;Kp為壓力系數(shù),徑向直葉片取1.0;n1為風(fēng)機轉(zhuǎn)速,取1 000 r·min-1。

由式(12)、(13)計算可得D1=0.176 m,取D1=200 mm。葉片寬度B=0.1～0.3D1,B=20 mm。

輕雜物主要從吸雜風(fēng)機排出,因而其葉片的數(shù)量不宜過多,本文選取葉片數(shù)量為3。

3 室內(nèi)臺架試驗

3.1 試驗材料與方法

試驗材料選用湘油1 613油菜(成熟度達90%)經(jīng)5TY-100型油菜脫粒機脫粒滾筒脫粒后由凹板篩落下的油菜脫出物。測量儀器為廣東衡新hx-t2電子天平和欣寶接觸式轉(zhuǎn)速表DT2235A。試驗時,將油菜脫出物混合均勻地喂入,待工作結(jié)束后,分別稱取落料口和吸雜風(fēng)機口的物料質(zhì)量,試驗7次,選取7次的試驗平均值作為試驗結(jié)果。為尋求雙向切流喂入式旋風(fēng)分離清選裝置較優(yōu)的參數(shù)組合,選取對清選性能影響較大的喂入量、拋料板轉(zhuǎn)速和吸雜風(fēng)機轉(zhuǎn)速為試驗因素進行臺架試驗,試驗臺架如圖6所示。通過單因素試驗探明喂入量、拋料板轉(zhuǎn)速和吸雜風(fēng)機轉(zhuǎn)速的較優(yōu)范圍,在較優(yōu)范圍內(nèi)開展正交試驗得出較優(yōu)參數(shù)組合,最后在較優(yōu)參數(shù)組合下進行驗證試驗。

圖6 雙向切入式旋風(fēng)分離清選試驗臺Fig.6 Two way cut-in cyclone separation and cleaning test bed

3.2 評價指標

清選裝置是以籽粒的清潔率和損失率作為評價指標[15],其清潔率和損失率可由式(14)、(15)計算。

(14)

(15)

式中:Yq為籽粒的清潔率,%;Ys為籽粒的損失率,%;m2為落料口落下的純籽粒的質(zhì)量,g;m1為落料口落下的總物料質(zhì)量,g;m3為吸雜風(fēng)機口排出的純籽粒質(zhì)量,g。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 單因素試驗結(jié)果與分析

4.1.1 喂入量對清選性能的影響

事先將4 kg油菜脫出物混合均勻地平鋪在物料喂入板上,緩緩調(diào)節(jié)物料喂入板的傾斜角度,經(jīng)過多次試驗,分別保證物料在100、80、67、57、50 s喂入完畢,從而保證其喂入量分別為0.04、0.05、0.06、0.07、0.08 kg·s-1(當(dāng)喂入量超過0.08 kg·s-1時,旋風(fēng)分離筒將堵塞),其試驗結(jié)果如圖7所示。由圖7可得,隨著喂入量的增大,籽粒損失率逐漸增大,而籽粒清潔率逐漸減小,這是由于隨著喂入量的增加,下降的籽粒夾帶雜質(zhì)和上升的輕雜物夾帶籽粒的機會將大大增加。參照國家標準,為保證其籽粒清潔率達94%以上,清選損失率控制在8%以下,油菜脫出物的喂入量應(yīng)不超過0.07 kg·s-1。

圖7 不同喂入量對清選性能指標的影響Fig.7 Effect of different feeding rate on cleaning performance index

4.1.2 拋料板轉(zhuǎn)速對清選性能的影響

分別設(shè)定拋料板的轉(zhuǎn)速為400、500、600、700、800 r·min-1進行單因素試驗,其試驗結(jié)果如圖8所示。由圖8可得,隨著拋料板轉(zhuǎn)速的增大,籽粒清潔率和損失率均先增大后減小,這是由于拋料板的轉(zhuǎn)速較小時,油菜脫出物進入旋風(fēng)分離筒內(nèi)的初速度較低,所受的離心力較小,物料更容易進入到中間的氣流高速區(qū)而排出機外,且初速度較小時,物料旋轉(zhuǎn)圈數(shù)減少,清選時間縮短。綜合考慮清潔率和損失率的要求,拋料板的轉(zhuǎn)速應(yīng)為600～800 r·min-1。

圖8 不同拋料板轉(zhuǎn)速對清選性能指標的影響Fig.8 Effect of different speeds of throwing plate on cleaning performance index

4.1.3 吸雜風(fēng)機轉(zhuǎn)速對清選性能的影響

設(shè)置吸雜風(fēng)機的轉(zhuǎn)速為1 500、1 600、1 700、1 800、1900 r·min-1進行單因素試驗,其試驗結(jié)果如圖9所示。由圖9可得,隨著吸雜風(fēng)機轉(zhuǎn)速的增大,籽粒清潔率和損失率均逐步增加,這是由于吸雜風(fēng)機轉(zhuǎn)速的提高,吸風(fēng)口的速度提高,物料更容易經(jīng)吸雜風(fēng)口排出機外。綜合考慮清潔率和損失率的要求,吸雜風(fēng)機的轉(zhuǎn)速應(yīng)為1 600～1 800 r·min-1。

圖9 不同吸雜風(fēng)機轉(zhuǎn)速對清選性能指標的影響Fig.9 Effect of different speeds of suction fan on cleaning performance index

4.2 正交試驗

單因素試驗結(jié)果表明,喂入量、拋料板轉(zhuǎn)速和吸雜風(fēng)機轉(zhuǎn)速對油菜脫出物的清選性能均有影響,喂入量為0.05～0.07 kg·s-1、拋料板的轉(zhuǎn)速為600～800 r·min-1、吸雜風(fēng)機的轉(zhuǎn)速為1 600～1 800 r·min-1時,清選性能較好。基于此,設(shè)計了如表1所示的三因素三水平正交試驗,采用計算清潔率與損失率隸屬度和綜合評分的方法來評價試驗結(jié)果,評分越高,清選性能越好。由于實際生產(chǎn)中,清潔率和損失率的權(quán)重不同,擬定清潔率的權(quán)重為0.35,損失率的權(quán)重0.65[14],加權(quán)評分的總和即為綜合評分。

表1 正交試驗因素和水平Table 1 Orthogonal experimental factors and levels

正交試驗結(jié)果如表2所示。由極差分析結(jié)果(表3)可得,影響清選性能的主次因素依次為:吸雜風(fēng)機轉(zhuǎn)速、喂入量、拋料板轉(zhuǎn)速,優(yōu)化參數(shù)組合為A2B2C3。

表2 正交試驗因素結(jié)果Table 2 Orthogonal test factor results

表3 極差分析結(jié)果Table 3 Results of range analysis

4.3 驗證性試驗

事先保證油菜脫出物的喂入量為0.06 kg·s-1,設(shè)定拋料板的轉(zhuǎn)速為700 r·min-1,吸雜風(fēng)機轉(zhuǎn)速1 800 r·min-1進行驗證性試驗,得到的籽粒清潔率為97.1%,損失率為4.8%,遠超國家標準要求,清選性能較優(yōu)。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種油菜脫出物雙向切入式旋風(fēng)分離清選裝置,對清選裝置的圓筒篩、雙向輸送絞龍、雙向切入式旋風(fēng)分離筒、吸雜風(fēng)機等關(guān)鍵部件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)確定。

(2)單因素試驗結(jié)果表明,油菜脫出物雙向切入式旋風(fēng)分離清選裝置工作范圍為:喂入量不超過0.07 kg·s-1,拋料板轉(zhuǎn)速為600～800 r·min-1、吸雜風(fēng)機的轉(zhuǎn)速為1 600～1800 r·min-1時,清選性能較好。

(3)正交試驗結(jié)果表明,影響清選性能的主次因素依次為:吸雜風(fēng)機轉(zhuǎn)速、喂入量、拋料板轉(zhuǎn)速,優(yōu)化參數(shù)組合為喂入量0.06 kg·s-1、拋料板轉(zhuǎn)速700 r·min-1,吸雜風(fēng)機轉(zhuǎn)速1 800 r·min-1,在優(yōu)化參數(shù)組合條件下進行試驗驗證,其籽粒清潔率為97.1%,損失率為4.8%,遠超國家標準要求,清選性能較優(yōu)。