王　旭，李小燕，王全喜，王春光，翟改霞

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特　010019；2.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院 呼和浩特分院，呼和浩特　010010)

0　引言

重力分選是種子加工中的重要手段，主要是將種子按密度由小到大進(jìn)行排列分級，密度最小的種子群生命力弱，被劃入輕雜去除，密度最大部分種子群中往往有石子類的重物，被劃入重雜去除[1-3]。重力分選機(jī)種類很多，按氣流作用于重力工作臺面的方式分為正壓式和負(fù)壓式，按工作臺面形狀分為三角臺面和矩形臺面[4-6]。目前，種子重力分選機(jī)設(shè)備大，主要是為了滿足大型種子公司和糧食加工的需要，針對小粒種子(如牧草種子、煙草種子、花卉種子)的小型重力分選機(jī)市場上還很少，僅有的幾種機(jī)型加工性能差，清機(jī)不方便，使用調(diào)整繁瑣[7]。為此，本文對臺式重力分選機(jī)進(jìn)行了設(shè)計與試驗。

1　總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)

臺式重力分選機(jī)主要由振動箱體、三角臺面、振動系統(tǒng)、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、送風(fēng)系統(tǒng)、喂料裝置、出料系統(tǒng)、振動搖桿及機(jī)架等部分組成，如圖1所示。臺式重力分選機(jī)以機(jī)架為支撐，包含支撐臺面，在該臺面上固定有振動搖桿，搖桿的上端連接角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上固定振動箱體，振動箱體內(nèi)插裝三角臺面，三角臺面被出料裝置固定，在振動箱體的上部有喂料裝置。

1.振動箱體　2.三角臺面　3.振動系統(tǒng)　4.出料系統(tǒng) 5.送風(fēng)系統(tǒng)　6.機(jī)架　7.振動搖桿　8.角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)　9.喂料裝置

1.2工作原理

在一個具有振動給料器功能的篩網(wǎng)平面下，安裝有蜂窩狀的勻風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)通過它將風(fēng)均勻地分配給篩網(wǎng)平面的每一個角落，并由下向上通過篩網(wǎng)吹出。種子進(jìn)入到篩網(wǎng)的上面，在沒風(fēng)的情況下，被具有振動給料器功能的篩網(wǎng)從喂入點向前推送出去，但由于有風(fēng)的作用，篩網(wǎng)上的大部分種子被按密度吹起不同高度，最重的種子沒有被吹起。這時，重種子被篩網(wǎng)從喂入點向前推送出去，輕的被吹起的種子則原地不動；由于篩網(wǎng)平面向垂直于振動方向向下傾斜，被吹起的種子就會在氣墊的作用下由高點飄移滑落到低點，種子就會根據(jù)被吹起離開篩網(wǎng)的距離的不同，在“振動給料器”和“漂移滑落”兩種運動機(jī)理的作用下，被按密度分離開來。

2　主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1振動箱體

振動箱體是安裝三角臺面的容器，如圖2所示。振動箱體由箱框、臺面壓條、臺面擋條及進(jìn)料口等部分組成。為了減輕質(zhì)量和吸收振動，箱框整體為木質(zhì)結(jié)構(gòu)。振動箱體安裝在角度調(diào)節(jié)支架上，外形呈三棱柱形，內(nèi)部有安放三角臺面的滑道，頂部設(shè)計了臺面壓條和臺面擋條，用于壓住三角臺面和阻擋加工物料外溢。箱框底部中央有孔與風(fēng)機(jī)風(fēng)道相通，為三角臺面提供正壓空氣流。進(jìn)料口將喂料裝置落下的物料均勻輸送給三角臺面。

1.箱框　2.進(jìn)料口　3.臺面壓條　4.臺面檔條

2.2三角臺面

三角臺面與加工物料接觸，是重力分選機(jī)的工作臺面，如圖3所示。

1.勻風(fēng)篩　2.臺面框　3.蜂窩結(jié)構(gòu)條　4.編制網(wǎng)

三角臺面由臺面框、蜂窩結(jié)構(gòu)、編制網(wǎng)及勻風(fēng)篩等部分組成。基于振動箱體設(shè)計理念，臺面框為木質(zhì)結(jié)構(gòu)。三角臺面安裝在振動箱體的箱框滑道內(nèi)，外形呈三棱柱形，內(nèi)部設(shè)計有蜂窩結(jié)構(gòu)。蜂窩結(jié)構(gòu)的上部固定分選用的編制網(wǎng)，下部固定勻風(fēng)篩。蜂窩結(jié)構(gòu)和勻風(fēng)篩共同承擔(dān)三角臺面上的出風(fēng)方向和分布的均勻性。

2.3振動系統(tǒng)

振動系統(tǒng)為重力分選機(jī)提供振動動力，如圖4所示。振動系統(tǒng)主要采用曲柄連桿結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，由電動機(jī)、皮帶輪、傳動軸、偏心輥、偏心套及連桿等部分組成。電動機(jī)動力通過皮帶輪傳給傳動軸，帶動偏心輥和偏心套旋轉(zhuǎn)，偏心套的輸出軸上連接連桿，偏心套的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成連桿的往復(fù)運動，連桿與角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)下支架上的連接座相連，從而推動角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)振動。

1.電動機(jī)　2.皮帶輪　3.偏心套　4.偏心輥　5.傳動軸　6.連桿圖4　振動傳動系統(tǒng)

2.4角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)支撐振動箱體，并為其提供縱向傾角(振動方向)和橫向傾角(水平垂直于振動方向)的調(diào)節(jié)。角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由上支架、中支架及下支架等組成，如圖5所示。上支架支撐在中支架上，振動箱體固定在其上面，完成橫向傾角調(diào)節(jié)任務(wù)；中支架支撐在下支架上，完成縱向傾角調(diào)節(jié)任務(wù)；下支架是角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，與傾斜的振動搖桿連接，其上的連接座與振動系統(tǒng)的連桿鉸接。

2.5送風(fēng)系統(tǒng)

送風(fēng)系統(tǒng)為重力分選機(jī)加工物料提供懸浮力，結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。送風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、出風(fēng)管道、進(jìn)風(fēng)管道、帆布管道及風(fēng)門等部分組成。由于需要穩(wěn)定、連續(xù)、風(fēng)壓較大的風(fēng)力供給，風(fēng)機(jī)選離心式，葉輪采用多葉片型，葉片外形為弧形，葉片向旋轉(zhuǎn)方向彎曲，角度向旋轉(zhuǎn)方向傾斜。風(fēng)量大小通過風(fēng)機(jī)出風(fēng)管道上的風(fēng)門進(jìn)行控制。送風(fēng)系統(tǒng)是固定連接，與振動系統(tǒng)的風(fēng)道連接形式選用了軟連接的帆布管道。

1.上支架　2.中支架　3.下支架

1.帆布管道　2.出風(fēng)管道　3.風(fēng)機(jī)　4.進(jìn)風(fēng)管道　5.風(fēng)門圖6　送風(fēng)系統(tǒng)Fig.6 Air supply system

2.6喂料裝置

重力分選機(jī)正常工作的前提是喂料均勻，重力分選機(jī)的喂料裝置如圖7所示。

1.喂料斗　2.料門　3.振動給料器　4.支架　5.喂料支架

喂料裝置由喂料斗、料門、振動給料器及支架等部分組成。振動給料器上有振動料槽，振動料槽上方懸空安裝著喂料斗，喂料斗通過自身支架安裝在機(jī)架的喂料支架上。工作時，根據(jù)手動調(diào)節(jié)喂料斗出口處的料門開度和振動給料器振動量，實現(xiàn)喂料量大小的調(diào)節(jié)。

2.7出料系統(tǒng)

出料系統(tǒng)是將分選后的物料裝入不同容器的分料系統(tǒng)，如圖8所示。出料系統(tǒng)由分料器、料斗及固定連接件等部分構(gòu)成。根據(jù)分選后物料密度的分布，將分料器設(shè)計成沿三角臺面出料邊均勻分布的5個出口，分料器具有分料和三角臺面固定壓板的雙重作用，與振動箱體的箱框通過固定連接件連在一起。工作時，料斗放在分料器的下面，經(jīng)三角臺面分選好的物料經(jīng)分料器流入各自料斗。

1.分料器　2.固定連接件　3.料斗

2.8機(jī)架

機(jī)架將全部工作部件和零件連接在一起，構(gòu)成完整設(shè)備，如圖9所示。

1.喂料支架　2.支撐底　3.面板4.連接框　5.立支撐　6.下連接板

機(jī)架由喂料支架、支撐底板、面板、連接框、立支撐及下連接板等部分組成。機(jī)架整體呈四立方形。設(shè)備主要在室內(nèi)工作，機(jī)架應(yīng)簡單、輕巧。面板原料選用多層膠合板貼面，立支撐、連接框、下連接板、支撐底板和喂料支架原料選用冷軋鋼板。4個立支撐位于四角，上下分別與連接框和下連接板焊合。面板位于連接框的上面，并通過螺栓連接。支撐底板和喂料支架焊接在一起，安裝于面板中央。支撐底板上有固定木質(zhì)振動搖桿的連接座。

3　試驗

3.1試驗條件

試驗物料為苜蓿種子，凈度為85%～88%，含水率為12%～13%。試驗前，臺式重力分選機(jī)進(jìn)行空載運轉(zhuǎn)，根據(jù)設(shè)備使用說明書將設(shè)備調(diào)整到最佳狀態(tài)。

3.2試驗方案

對設(shè)備進(jìn)行性能試驗，性能指標(biāo)包括生產(chǎn)率、凈度、除輕雜率、除重雜率、獲選率、使用有效度及粉塵質(zhì)量濃度。試驗分9個批次重復(fù)進(jìn)行。待加工物料質(zhì)量每次為(70±3)kg，通過喂料裝置的振動給料器控制設(shè)備單位時間的喂料量。振動給料器振頻調(diào)節(jié)旋鈕由小到大設(shè)置9個試驗刻度，加工完成時記錄每次試驗的純工作時間，記錄凈度分析樣品質(zhì)量、凈度分析樣品凈種子質(zhì)量、中間出口中好種子質(zhì)量、輕雜出口中好種子質(zhì)量、重雜出口中好種子質(zhì)量及物料喂入口好種子質(zhì)量，檢測粉塵質(zhì)量濃度，記錄出現(xiàn)故障的時間。

3.3試驗方法

3.3.1生產(chǎn)率

稱量待加工物料的質(zhì)量。從加工開始至加工結(jié)束時止，記錄純工作時間，按照NYT 372-2010計算生產(chǎn)率。

3.3.2凈度

圖7中，中間3個料斗為獲選凈種子。在中間3個料斗的混合物中取樣，用四分法分樣，按GB/T3543.3-1995計算凈度。

3.3.3獲選率、除輕雜率、除重雜率

圖7中，5個料斗同時接料30s左右，中間3個料斗為獲選凈種子，左端料斗為輕雜，右端料斗為重雜。用四分法分樣，按NYT 372-2010計算獲選率、除輕雜率及除重雜率。

3.3.4度電生產(chǎn)率

在測定生產(chǎn)率的同時，用電能表測定耗電量，按GB/T21158-2007計算度電生產(chǎn)率。

3.3.5使用有效度

在全部試驗的時間內(nèi)，記錄各班次工作時間和各班次的故障時間，按NYT 372-2010計算使用有效度。

3.3.6粉塵質(zhì)量濃度

按JB/T12341-2015重力式種子分選機(jī)、GB/T21158-2007種子加工成套設(shè)備，機(jī)具正常作業(yè)時測定。進(jìn)出料口處為必測部位，此外可再選擇3個部位進(jìn)行測定。選擇測點距機(jī)具或進(jìn)出料口1m、距地面1.2m處，計算粉塵質(zhì)量濃度的平均值。

3.4結(jié)果及分析

性能試驗數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?、表2所示。生產(chǎn)率為橫坐標(biāo)，凈度、除輕雜率、除重雜率、獲選率、使用有效度為縱坐標(biāo)，繪制曲線如圖10所示。凈度為橫坐標(biāo)，生產(chǎn)率、除輕雜率、除重雜率、獲選率、使用有效度為縱坐標(biāo)，繪制曲線如圖11所示。獲選率為橫坐標(biāo)，生產(chǎn)率、凈度、除輕雜率、除重雜率、使用有效度為縱坐標(biāo)，繪制曲線如圖12所示。

表1　性能指標(biāo)測定結(jié)果

續(xù)表1

表2　性能指標(biāo)測定結(jié)果

圖10　性能指標(biāo)與生產(chǎn)率的關(guān)系曲線

圖11　性能指標(biāo)與凈度的關(guān)系曲線

圖12　性能指標(biāo)與獲選率的關(guān)系曲線

由圖10可以看出：①隨著生產(chǎn)率的增大，獲選率下降。其原因是：生產(chǎn)率增加物料在三角臺面上鋪層厚度增加，使得臺面振動頻率和風(fēng)量都需要增加，導(dǎo)致有好種子被當(dāng)成癟種子被吹向輕雜料口，密度與石塊接近的種子就會被卷入重雜中進(jìn)入重雜料口。另外，生產(chǎn)率提高后，需要加大三角臺面出料方向的傾斜角度，使種子在臺面上移動速度加快，好種子與癟種子分離的時間隨之縮短，造成分離不徹底，好種子被當(dāng)成雜質(zhì)去掉。②隨著生產(chǎn)率的增大，成品凈度下降。生產(chǎn)率增加，物料在篩面上鋪層厚度增加，風(fēng)力穿透種子層的能力下降，增大了輕的癟種子不能被風(fēng)力吹向表層的幾率。另外，生產(chǎn)率提高后，種子在三角臺面上移動速度需要加快，使得癟種子移向輕雜出料邊的時間減少，混入好種子流的幾率增加。③隨著生產(chǎn)率的增大，度電生產(chǎn)率增加。在試驗的生產(chǎn)率范圍內(nèi)，生產(chǎn)率增加時，種子加工線實際消耗的功率幾乎不增加，即加工線消耗功率沒有明顯變化。其原因是：加工線上需要電動機(jī)驅(qū)動的運動部件質(zhì)量遠(yuǎn)高于物料質(zhì)量，物料量的微小變化對生產(chǎn)負(fù)荷影響不大，度電生產(chǎn)率與生產(chǎn)率可以近似正比關(guān)系。④使用有效度與生產(chǎn)率無關(guān)。

由圖11可以看出：凈度大于89.9%之后，隨著凈度的增大，生產(chǎn)率和度電生產(chǎn)率下降，獲選率沒有明顯變化，使用有效度與凈度無關(guān)。

由圖12可以看出：獲選率大于90.5%之后，隨著獲選率的增大，生產(chǎn)率和度電生產(chǎn)率下降，凈度、除輕雜率和除重雜率變化不顯著，使用有效度與獲選率無關(guān)。在生產(chǎn)率不變的情況下，可以通過降低獲選率來提高種子的凈度。其原理為：種子加工時，被沿三角臺面由輕到重排列，較輕的種子與輕雜混合在一起，較重的種子與重雜混合在一起，為了提高種子加工凈度，想去掉更多雜質(zhì)，必然將更多的混在其中種子去掉，造成獲選率降低。從圖11和圖12綜合來看，當(dāng)凈度和獲選率都要求較高時，可以采用降低生產(chǎn)率的方法來實現(xiàn)。

3.4.1生產(chǎn)率

由表2可以看出：生產(chǎn)率為42.9～70.0kg/h時，對應(yīng)的種子加工凈度為98.9%～89.7%，種子獲選率為98.6%～90.8%，滿足設(shè)計要求，同時生產(chǎn)率也達(dá)到了不小于40kg/h的設(shè)計要求。

3.4.2凈度

生產(chǎn)率低于61.9kg/h時，各批次種子加工凈度穩(wěn)定在97.5%以上(見表2)。提高種子的凈度是種子加工的重要目的。由于重力分選機(jī)的設(shè)計生產(chǎn)率為40kg/h，設(shè)備可以在清選負(fù)荷較低的情況下工作，種子清選的品質(zhì)有保障。

3.4.3獲選率

生產(chǎn)率低于61.9kg/h時，各批次加工種子獲選率穩(wěn)定在96.2%以上(見表2)。重力分選機(jī)在去除種子中雜質(zhì)的同時，也會將好的種子作為雜質(zhì)去除。獲選率是在種子加工過程中對種子損失情況進(jìn)行有效評價的指標(biāo)。重力分選機(jī)能夠有較高獲選率的原因是設(shè)備對物料密度差異區(qū)分的精度高，使輕雜和重雜中混入的種子數(shù)量少，最大限度地防止雜質(zhì)的錯選，提高了種子加工的獲選率。

3.4.4度電生產(chǎn)率

生產(chǎn)率在42.9～70.0kg/h時，各批次加工度電生產(chǎn)率穩(wěn)定在134.6kg/kW·h以上(見表2)。重力分選機(jī)上的風(fēng)機(jī)是耗能的主要設(shè)備。風(fēng)機(jī)耗能與葉輪轉(zhuǎn)速是立方的關(guān)系，降低轉(zhuǎn)速能有效節(jié)省能耗，所以在風(fēng)壓滿足要求的情況下，采用了低轉(zhuǎn)速、多葉片的風(fēng)機(jī)設(shè)計，節(jié)能效果明顯。

3.4.5除重雜率

生產(chǎn)率低于61.9kg/h時，各批次加工種子除重雜率穩(wěn)定在95.9%以上(見表2)。重力分選機(jī)去除重雜原理是風(fēng)力將種子吹離臺面，減少了種子對臺面的壓力，使種子對與臺面接觸緊密的重雜移動阻力減弱，這樣臺面振動使重雜移動到距離入口更遠(yuǎn)的位置，從而重雜與種子分離。當(dāng)生產(chǎn)率小時，物料需要的風(fēng)力小(即風(fēng)壓和風(fēng)量都小)，重雜被吹起的可能性減小，重雜與臺面接觸壓力增大，分離能力增強(qiáng)，除重雜率提高。

3.4.6除輕雜率

生產(chǎn)率低于61.9kg/h時，各批次加工種子除輕雜率穩(wěn)定在95.8%以上(見表2)。重力分選機(jī)去除輕雜原理是：風(fēng)力將輕雜吹離臺面，使得臺面振動對其上面的輕雜推送作用力消失，導(dǎo)致輕雜沿臺面振動方向的移動距離非常小，幾乎為零；由于臺面向出料方向傾斜，輕雜在風(fēng)的作用下與下層物料或臺面的摩擦力減小或消失，很自然地由高點移動到輕雜出料口所處的地位，進(jìn)入輕雜出料口。當(dāng)生產(chǎn)率小時，物料需要的風(fēng)力小(即風(fēng)壓和風(fēng)量都小)，輕雜被吹起停在空中的可能性降低，輕雜靠自重下落速度加快，分離能力增強(qiáng)，除輕雜率提高。

3.4.7使用有效度

在試驗過程中，重力分選機(jī)使用有效度大于98.9% (見表2)，滿足不小于98%的設(shè)計要求。重力分選機(jī)常見的故障是三角臺面上的種子均勻鋪滿狀態(tài)發(fā)生改變。其主要原因是：物料中含有粒徑小于和接近臺面篩網(wǎng)孔徑的雜質(zhì)，落入振動箱體內(nèi)和堵塞篩孔，造成臺面振動軌跡的改變和臺面篩網(wǎng)出風(fēng)受阻，影響了物料正常的運動軌跡。為此，三角臺面使用的篩網(wǎng)是尼龍編制網(wǎng)，主要原因：一是孔徑小，阻斷了雜質(zhì)的通過；二是柔軟、小的雜質(zhì)不易卡在篩孔內(nèi)。另外，尼龍編制網(wǎng)的摩擦因數(shù)高于金屬編織網(wǎng)，有利于與臺面接觸物料的推送，分選精度明顯提高。

3.4.8粉塵濃度

在試驗過程中，重力分選機(jī)粉塵質(zhì)量濃度小于0.21mg/m3(見表2)，滿足不大于0.25mg/m3的設(shè)計要求。重力分選機(jī)主要的粉塵源是進(jìn)料口，因此在重力分選機(jī)上方配置了抽油煙機(jī)，避免灰塵擴(kuò)散，降低了粉塵濃度。

3.4.9相關(guān)系數(shù)的確定

重力分選機(jī)的生產(chǎn)率與設(shè)備特征參數(shù)有一定的相關(guān)性，在實際設(shè)備選型和使用中常被用來估算設(shè)備的生產(chǎn)率。經(jīng)驗公式為

Ec=kQ

式中Ec—生產(chǎn)率(kg/h)；

k—相關(guān)系數(shù)；

Q—特征參數(shù)。

試驗表明，重力分選機(jī)在凈度和獲選率滿足要求時，生產(chǎn)率為42.9～61.9kg/h。據(jù)此，可以在已知設(shè)備特征參數(shù)的情況下獲得設(shè)備的相關(guān)系數(shù)。重力分選機(jī)的特征參數(shù)是工作臺面積(0.11m2)，推算其相關(guān)系數(shù)取值范圍是390～563，如表3所示。

表3　相關(guān)系數(shù)表

4　結(jié)論

1)采用臺式結(jié)構(gòu)和可拆式三角臺面設(shè)計，滿足了加工臺面頻繁更換和清機(jī)方便的要求。另外，采用3層支架角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和雙偏心振動設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)三角臺面的雙向傾角和振幅的調(diào)節(jié)。

2)三角臺面上部的編制網(wǎng)、中部的蜂窩結(jié)構(gòu)及下部的勻風(fēng)篩設(shè)計，滿足了臺面工作對出風(fēng)方向和風(fēng)量的要求。

3)臺式重力分選機(jī)凈度、輕雜去除率、重雜去除率及獲選率等性能指標(biāo)高，使用可靠、有效，達(dá)到了設(shè)計要求，能夠滿足小粒種子重力分選的需要。

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