李心平 孟亞娟 張家亮 耿令新 姬江濤

(河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院， 洛陽 471003)

0 引言

清選裝置作為谷子聯(lián)合收獲機(jī)的重要組成部分，直接影響整機(jī)的工作性能[1-3]。清選是谷子收獲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，清選系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及谷子初脫后物料特性均對(duì)清選損失、含雜產(chǎn)生重要影響，已有文獻(xiàn)對(duì)谷子機(jī)械物理性能和空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究[4-8]。

常用的清選方式有風(fēng)篩式清選和氣流式清選，目前多使用風(fēng)機(jī)振動(dòng)篩式清選裝置[9-10]。關(guān)于振動(dòng)篩篩分性能的研究方面，王成軍等[11]利用離散元仿真軟件EDEM進(jìn)行模擬試驗(yàn)，研究了三自由度振動(dòng)篩形式，大幅提高了篩分效率；李菊等[12]利用顆粒離散單元法(DEM)研究并優(yōu)選出四維振動(dòng)形式(3T-1R)，提高了透篩性。此裝置應(yīng)用于谷子清選工作效率高，但具有結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、振動(dòng)大、可靠性差、濕分性能低等缺點(diǎn)。風(fēng)機(jī)圓筒篩清選系統(tǒng)[13]主要工作部件為風(fēng)機(jī)和圓筒篩，運(yùn)用氣流清選原理，依據(jù)漂浮特性及空氣動(dòng)力學(xué)理論，結(jié)合物料特性，利用篩面的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)力的作用將物料清選分離，此裝置應(yīng)用于谷子清選作業(yè)可簡化谷物清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高喂入量且有效提高濕分性能。為優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)和參數(shù)， BELLOCQ等[14]研究表明，旋轉(zhuǎn)篩對(duì)粒狀且具有濕軟團(tuán)聚現(xiàn)象的物料篩分效率較高； LAWINSKA等[15]在篩孔堵塞的機(jī)理層面，使用振動(dòng)裝置和具有錐形篩的旋轉(zhuǎn)篩鼓篩進(jìn)行篩孔間歇性篩查、連續(xù)篩查的堵塞識(shí)別；IVANOV等[16]研究籽粒在篩面上的分離過程，獲得圓筒篩孔中顆粒的運(yùn)動(dòng)微分方程，并且得到籽粒透過篩孔的條件；周學(xué)建等[17]采用圓筒篩機(jī)構(gòu)配以橫流風(fēng)機(jī)，通過優(yōu)化技術(shù)，探討了圓筒篩清選機(jī)構(gòu)參數(shù)與性能的關(guān)系；師清翔等[18]在試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立圓筒篩清選機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，通過調(diào)整離心風(fēng)機(jī)、橫流風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)來適應(yīng)離心風(fēng)機(jī)位置參數(shù)變化，得到離心風(fēng)機(jī)最佳位置參數(shù)。

由以上研究可知，適用于谷物清選的風(fēng)機(jī)圓筒篩清選裝置已對(duì)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面進(jìn)行了深入研究，風(fēng)機(jī)圓筒篩清選系統(tǒng)應(yīng)用于谷子清選可有效將谷子與雜余分離，且濕分性能較好。由于谷子與谷碼的連接力強(qiáng)，分離較為困難，谷子初脫后物料中殘留較多谷碼，導(dǎo)致谷子清選裝置清潔率明顯下降。如何在清選前分離脫去殘留谷碼是清選裝置亟待解決的問題[19]。

針對(duì)谷子清選裝置谷碼殘留、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、濕分性能低的問題，本文結(jié)合谷子初脫后物料特性，基于先脫谷碼后清選的原理，設(shè)計(jì)一種適用于谷子清選的輥搓圓筒篩式谷子清選裝置，以期在清選裝置內(nèi)消除殘留谷碼影響，增強(qiáng)濕分性能，降低籽粒含雜率和清選裝置總損失率。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)和工作流程

因谷子收獲季節(jié)性強(qiáng)，且作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，為此設(shè)計(jì)了輥搓圓筒篩式谷子清選裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由谷碼輥搓裝置、圓筒篩裝置、橫流風(fēng)機(jī)、離心風(fēng)機(jī)、螺旋輸送裝置、機(jī)架和電動(dòng)機(jī)等部件組成。

圖1 輥搓圓筒篩式谷子清選裝置原理圖Fig.1 Principle diagram of cleaning device for roller rubbing cylinder sieve of millet1.機(jī)架 2.離心風(fēng)機(jī) 3.谷碼輥搓裝置 4.橫流風(fēng)機(jī) 5.大圓筒篩 6.中圓筒篩 7.小圓筒篩 8.螺旋輸送器

待清選谷子初脫后物料由喂料口喂入，首先進(jìn)入谷碼輥搓裝置，谷子初脫后物料中殘留谷碼被搓擦分離成籽粒和穎殼，隨后谷子輥搓后物料被分層拋揚(yáng)至清選室的圓筒篩篩面上，3個(gè)圓筒篩同向旋轉(zhuǎn)將谷子輥搓后物料連續(xù)拋揚(yáng)，同時(shí)受到橫流風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)氣流清選分離作用，穎糠和短莖稈等輕雜物被橫流風(fēng)機(jī)氣流作用吸出，長莖稈和部分輕雜物被離心風(fēng)機(jī)氣流吹至后方糠槽，籽粒透過圓筒篩漏下落至螺旋輸送裝置，在螺旋輥輸出端排出，完成清選作業(yè)。由于本裝置清選時(shí)先搓擦分離了谷碼，并且延長了谷子輥搓后物料在清選室與氣流接觸的時(shí)間，因此降低了籽粒含雜率并且提高了濕分性能。

1.2 工作原理

谷子初脫后物料經(jīng)輸送帶勻速均勻喂入喂料口，在自身重力和喂料口摩擦力下沿喂料口斜面均勻有序滑落至谷碼輥搓裝置，首先進(jìn)入壓緊輥與橡膠帶組成的分離空間，利用壓緊輥和橡膠帶的差速運(yùn)動(dòng)和擠壓作用搓擦谷碼，谷碼受到壓緊輥和橡膠帶相反的搓擦力、擠壓力和自身重力，使殘留谷碼分離成籽粒和穎殼；分離后的籽粒和穎殼隨同原谷子初脫后物料中籽粒、短莖稈及穎糠等分層拋揚(yáng)至清選室的圓筒篩篩面上，通過3個(gè)圓筒篩連續(xù)旋轉(zhuǎn)拋揚(yáng)作用使谷子輥搓后物料懸浮在清選室內(nèi)，利用籽粒和其它雜物重量不同、漂浮速度不同的空氣動(dòng)力學(xué)特性，在離心風(fēng)機(jī)和橫流風(fēng)機(jī)形成的氣流場中，借助氣體介質(zhì)清選分離籽粒和雜物，在圓筒篩和雙風(fēng)機(jī)的共同作用下完成低損失、低含雜的清選作業(yè)。

2 部件設(shè)計(jì)

2.1 谷碼輥搓裝置

每個(gè)谷穗有60～150個(gè)谷碼，谷碼多以螺旋形輪生在谷穗上，谷碼由分枝、小穗、小花和剛毛組成，有球形、三角形以及長圓錐形等多種形態(tài)，經(jīng)測定：谷碼平均長度為20.6 mm，平均寬度10.66 mm，平均厚度9.8 mm，生物形態(tài)見圖2。

圖2 谷穗和谷碼生物形態(tài)圖Fig.2 Graincode biomorphology map1.谷穗 2.谷碼

谷穗與谷碼之間的連接力相對(duì)較小，而谷子與谷碼的連接力強(qiáng)，因此，谷穗易與谷碼分離，但谷子與谷碼的分離較為困難，受谷子脫凈率所限，往往谷子初脫后物料中殘留很多谷碼，進(jìn)入清選裝置后嚴(yán)重影響籽粒含雜率，因此需要設(shè)計(jì)一種在清選前清除殘留谷碼的裝置。

谷碼輥搓裝置結(jié)構(gòu)見圖3，由喂料斗、主動(dòng)輥、壓緊輥、從動(dòng)輥、防濺板、橡膠傳送帶、托板和機(jī)架等組成。工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輥轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輥通過傳送帶帶動(dòng)從動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)，谷子初脫后物料從喂料斗進(jìn)入，在物料自身重力和喂料斗對(duì)物料的摩擦力作用下落至橡膠帶與壓緊輥組成的分離空間內(nèi)，谷碼在壓緊輥和橡膠帶的搓擦與擠壓下分離，谷子輥搓后物料被拋射出去并在托板和防濺板導(dǎo)流下落至清選室內(nèi)，進(jìn)行下步清選。

圖3 谷碼輥搓裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of grain roller rubbing device1.橡膠傳送帶 2.主動(dòng)輥 3.喂料斗 4.壓緊輥 5.從動(dòng)輥 6.防濺板 7.托板 8.機(jī)架 9.分離空間

為適應(yīng)最大喂入量作業(yè)需求同時(shí)適配清選室尺寸，結(jié)合谷物分層拋揚(yáng)原理，傳送帶線速度應(yīng)在2～5 m/s，且壓緊輥直徑對(duì)搓擦效果影響較小，主動(dòng)輥、從動(dòng)輥和壓緊輥的寬度均選取為570 mm，直徑均選取為200 mm。為保證谷子初脫后物料準(zhǔn)確落入分離空間，喂料斗寬度應(yīng)略小于壓緊輥的寬度，選取為540 mm。主動(dòng)輥和被動(dòng)輥的軸心水平距離為600 mm，主動(dòng)輥和被動(dòng)輥軸心連線與水平面的角度為66°。壓緊輥設(shè)計(jì)成可移動(dòng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)谷子初脫后物料含水率變化范圍改變拋射角，調(diào)整清除谷碼的效果。谷子初脫后物料含水率在39.7%～46.5%之間時(shí)，谷碼的靜滑動(dòng)摩擦角變化區(qū)間為27.4°～30.5°，故谷碼輥搓裝置物料拋射角γ取30°～35°。

為確保谷碼輥搓裝置達(dá)到理想的清谷碼效果，結(jié)合谷碼的生物特性，對(duì)谷碼進(jìn)行力學(xué)特性分析。谷碼受力分析如圖4所示，圖中γ為谷碼輥搓裝置物料拋射角，G為谷碼自身重力，N1為橡膠帶對(duì)谷碼的擠壓力，N2為壓緊輥對(duì)谷碼的擠壓力，f1為壓緊輥與橡膠帶差速產(chǎn)生的搓擦力，f2為橡膠帶對(duì)谷碼的搓擦力，谷碼在分離空間內(nèi)受到來自橡膠帶與壓緊輥兩個(gè)大小相等方向相反的擠壓力N1和N2，擠壓力使谷粒與穗柄之間產(chǎn)生橫向相對(duì)位移，產(chǎn)生剪切破壞其連接實(shí)現(xiàn)分離，根據(jù)谷碼蓬松結(jié)構(gòu)被破壞的極限載荷68.6 N，為使谷碼被正常分離，設(shè)計(jì)擠壓力N1和N2滿足條件：N168.6 N時(shí)，產(chǎn)生剪切破壞；同時(shí)谷碼受到橡膠帶搓擦力f2和壓緊輥與橡膠帶差速產(chǎn)生的搓擦力f1及自身重力G，搓擦力使谷粒與穗柄產(chǎn)生切向相對(duì)位移，造成連接斷裂實(shí)現(xiàn)谷碼分離，分離的程度與摩擦力大小有關(guān)，增強(qiáng)對(duì)谷物的搓擦力f1及f2，可提高分離率；搓擦力f1和f2滿足條件：f2+Gsinγ>f1，此時(shí)物料沿橡膠帶運(yùn)動(dòng)方向下滑。

圖4 谷碼輥搓裝置受力示意圖Fig.4 Schematic diagram of force on roller rubbing device

2.2 圓筒篩裝置

2.2.1圓筒篩結(jié)構(gòu)及工作原理

谷子輥搓后物料成分主要有穎殼、短莖稈、長莖稈、籽粒等，其各成分漂浮速度：穎殼為0.6～5 m/s、短莖稈為5.0～6.0 m/s、長莖稈為6.0～8.0 m/s、谷子籽粒為9.8～11.8 m/s；經(jīng)測量谷子平均三軸尺寸為1.36 mm×1.48 mm×1.66 mm，短莖稈平均尺寸為4.28 mm×7.12 mm，長莖稈平均尺寸為4.86 mm×11.34 mm。

本裝置選用圓筒型編織篩。圓筒篩由輻板、編織篩網(wǎng)等圍合成圓筒型組成，編織篩用鐵絲編織而成，具有結(jié)構(gòu)簡單,重量輕、篩孔有效面積大、篩漏能力強(qiáng)和生產(chǎn)率高等特點(diǎn)。圓筒篩利用離心力將谷子輥搓后物料拋離篩面，使輥搓后物料分散在清選室內(nèi)，增加了氣流的作用面積，減少了潮濕的雜物粘在篩面上的不利情況，有利于谷子籽粒透過篩孔，分離效果顯著。同時(shí)，根據(jù)谷子輥搓后物料生物特性中各成分的尺寸參數(shù)，選取篩孔為5 mm×5 mm的編織篩網(wǎng)，圓筒篩結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 圓筒篩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of cylinder screen1.輻板 2.編織篩網(wǎng)

由于谷子輥搓后物料含水率較高，輥搓后物料結(jié)塊且與篩面黏結(jié)較多，清選過程中難以分離，為了提高清選裝置籽粒含雜率，降低輥搓后物料含水率對(duì)清選裝置總損失率的影響，優(yōu)化清選工作方式，選用大、中、小3個(gè)不同直徑的圓筒篩等間距平行排列的設(shè)計(jì)方式[20]，且為適應(yīng)喂入量0.56 kg/s的清選作業(yè)需求,圓筒篩寬度同時(shí)與清選室寬度700 mm以及谷碼輥搓裝置寬度匹配。本裝置3個(gè)圓筒篩選取同樣寬度，大圓筒篩喂入量由生產(chǎn)率Q[21]表征，生產(chǎn)率為篩子的透篩能力，其中

(1)

式中Z——篩孔總數(shù)，取16 112個(gè)

δ——1 s從篩孔掉下的谷子初脫后物料系數(shù)(一般為0.01～0.025),取0.015

m1——谷子初脫后物料質(zhì)量，kg

故取3個(gè)圓筒篩寬度B=660 mm。

圓筒篩裝置結(jié)構(gòu)及工作示意圖如圖6所示。

圖6 圓筒篩裝置結(jié)構(gòu)及工作示意圖Fig.6 Cylinder screen device structure and working diagram1.大圓筒篩 2.籽粒 3.中圓筒篩 4.小圓筒篩 5.穎殼 6.短莖稈

谷子輥搓后物料首先被谷碼輥搓裝置拋揚(yáng)落至大圓筒篩落料區(qū)域S1內(nèi)的右側(cè)篩面上，在大圓筒篩旋轉(zhuǎn)對(duì)谷子輥搓后物料產(chǎn)生的摩擦力作用下被傳送到篩面落料區(qū)域S1左側(cè)，隨后在離心力作用下被拋揚(yáng)至中圓筒篩落料區(qū)域S2內(nèi)的右側(cè)篩面上，并同樣在摩擦力和離心力作用下沿旋轉(zhuǎn)方向依次拋送至小圓筒篩落料區(qū)域S3內(nèi)，工作過程中，圓筒篩裝置上方形成一層蓬松的物料流，使質(zhì)量較大的籽粒向下運(yùn)動(dòng)透過篩面而質(zhì)量較小的短莖稈和穎糠等向上運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)分離，通過使谷子輥搓后物料在3個(gè)圓筒篩篩面上的連續(xù)傳送，延長了谷子輥搓后物料在清選室內(nèi)懸浮時(shí)間，多次拋揚(yáng)，增加了氣流場對(duì)輥搓后物料作用機(jī)會(huì)，降低了含水率，提高了篩分和濕分性能，優(yōu)化了清選效果。

2.2.2谷子輥搓后物料受力分析

圖7所示為圓筒篩裝置物料受力分析圖，在進(jìn)行受力分析過程中，假設(shè)物料為一質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)，不考慮籽粒間的摩擦。

圖7 圓筒篩裝置谷子輥搓后物料受力分析圖Fig.7 Analysis diagram of force of material after drum roll of drum screen device

(1)大圓筒篩

工作時(shí)，谷子輥搓后物料在圓筒篩裝置上會(huì)有前滑、后滑和拋揚(yáng)3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)谷子輥搓后物料從谷碼輥搓裝置中拋落至大圓筒篩的過程中，受到托板和防濺板的約束作用，不會(huì)出現(xiàn)前滑和后滑現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)大圓筒篩時(shí)，只需要求谷子輥搓后物料能被拋揚(yáng)到中圓筒篩上即可，其滿足的函數(shù)關(guān)系為

(2)

式中fy1——物料在大圓筒篩上的摩擦力，N

θ1——物料在大圓筒篩上的位置角，(°)

Fn1——物料在大圓筒篩上受到的支撐力，N

Fx1——物料在大圓筒篩上受到的向心力，N

μ——物料在圓筒篩上的摩擦因數(shù)

v1——物料在大圓筒篩篩面上的線速度，m/s

R1——大圓筒篩半徑，mm

m——落至圓筒篩篩面的谷子輥搓后物料質(zhì)量

化簡可得

(3)

(2)中圓筒篩

工作時(shí)，谷子輥搓后物料在中圓筒篩上可能會(huì)出現(xiàn)前滑和后滑，運(yùn)動(dòng)條件如下：

物料前滑時(shí)

(4)

物料后滑時(shí)

(5)

式中fy2、f3——物料在中圓筒篩上的摩擦力，N

θ2、θ3——物料在中圓筒篩上的位置角，(°)

Fn2、Fn3——物料在中圓筒篩上受到的支撐力，N

Fx2——物料在中圓筒篩上受到的向心力，N

v2——物料在中圓筒篩篩面上的線速度，m/s

R2——中圓筒篩半徑，mm

化簡可得：

物料前滑時(shí)

(6)

物料后滑時(shí)

(7)

式中α——谷子輥搓后物料的摩擦角

(3)小圓筒篩

2.3 橫流風(fēng)機(jī)

在收割后期清選負(fù)荷加大，造成谷子輥搓后物料在圓筒篩面上堆積，使物料來不及分離而落入籽粒輸送器，籽粒含雜率明顯上升，為減輕圓筒篩清選負(fù)荷，增強(qiáng)物料在圓筒篩裝置上方形成的分層效果，更有效地清除物料中短莖稈及穎糠等輕雜物，降低物料含水率，在圓筒篩裝置上部設(shè)計(jì)了一個(gè)橫流風(fēng)機(jī)。

橫流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作示意圖如圖8所示。該橫流風(fēng)機(jī)主要由葉輪、殼體和渦舌等組成。殼體是兩端封閉、徑向開口式的結(jié)構(gòu)，葉輪葉片前傾。橫流風(fēng)機(jī)主要清除谷子輥搓后物料中的短莖稈及穎糠，工作時(shí)，穎糠和短莖稈被吸入進(jìn)氣葉柵，隨后從出氣口排出。

圖8 橫流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作示意圖Fig.8 Working diagram of cross flow fan1.短莖稈 2.穎殼 3.葉輪 4.殼體 5.渦舌

2.4 離心風(fēng)機(jī)

離心風(fēng)機(jī)的主要作用是將圓筒篩篩面上的長莖稈、篩體中部分短莖稈和穎糠清選出機(jī)外；并且谷子輥搓后物料在被谷碼輥搓裝置分層拋揚(yáng)過程中，由于防濺板和托板的存在，影響分層效果，離心風(fēng)機(jī)的工作氣流利用物料中各成分空氣動(dòng)力學(xué)特性的差異，可進(jìn)一步增加物料的分層效果，從而達(dá)到清除長莖稈等幾何尺寸較大的輕雜物，降低籽粒含雜率的目的。

離心風(fēng)機(jī)主要由葉輪、殼體和風(fēng)量調(diào)節(jié)閥等組成，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。風(fēng)機(jī)工作時(shí)，動(dòng)力傳至風(fēng)機(jī)軸上，使葉輪高速旋轉(zhuǎn)，空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)兩側(cè)的進(jìn)氣口吸入，進(jìn)入葉輪的空氣和葉輪一起旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，被排出機(jī)殼。

圖9 離心風(fēng)機(jī)工作示意圖Fig.9 Working diagram of centrifugal fan1.短莖稈 2.長莖稈 3.風(fēng)量調(diào)節(jié)閥 4.殼體 5.葉輪

由于圓筒篩對(duì)氣流有一定阻礙作用，為了保證圓筒篩上篩面及部分落至圓筒篩篩筒內(nèi)部的長莖稈和穎糠能被及時(shí)有效地吹出機(jī)外, 必須保證離心風(fēng)機(jī)能夠產(chǎn)生足夠的動(dòng)壓。設(shè)計(jì)離心風(fēng)機(jī)時(shí)，主要通過確定谷子輥搓后物料長莖稈的漂浮速度來得到離心風(fēng)機(jī)氣流工作速度為v=18 m/s，從而取得離心風(fēng)機(jī)全壓力為p1=432.6 Pa，參照模型離心風(fēng)機(jī)無因次曲線性能參數(shù)，結(jié)合實(shí)際工作條件，選取離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸：葉輪內(nèi)徑180 mm，葉輪外徑420 mm。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)材料：物料選用河南省洛陽市孟津縣文公村自然成熟谷子機(jī)收之后的初脫后物料，品種為豫谷18，籽粒含雜率約為41.2%，將籽粒、莖稈、穎糠按照質(zhì)量比6∶3∶1混合而成，總質(zhì)量4.48 kg；其各成分的含水率分別為33.23%、39.46%和41.42%。清選喂入量為0.56 kg/s，取樣時(shí)間為8 s。

輥搓圓筒篩式谷子清選裝置如圖10所示。

其他設(shè)備：變頻電動(dòng)機(jī)(YTSP100L-4-2.2 kW型)、干燥箱(DZG-6050SBD型)、電子秤等。

圖10 輥搓圓筒篩式谷子清選裝置實(shí)物圖Fig.10 Physical drawing of millet cleaning device with roller rubbing cylinder sieve

3.2 試驗(yàn)參數(shù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)谷子輥搓后物料在清選室清選過程中受力分析及空氣動(dòng)力學(xué)特性分析結(jié)果，確定離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機(jī)角度、橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速以及3個(gè)圓筒篩轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)研究的7個(gè)主要參數(shù)。

綜合試驗(yàn)臺(tái)工作的實(shí)際情況，各清選部件的轉(zhuǎn)速可調(diào)，進(jìn)行單因素預(yù)試驗(yàn)，確定各因素變化范圍，以谷子清選過程中的籽粒含雜率y1、清選裝置總損失率y2作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

籽粒含雜率

(8)

清選裝置總損失率

(9)

式中n1——臺(tái)架作業(yè)處理完成后籽粒輸出裝置內(nèi)所含雜余質(zhì)量

N0——臺(tái)架作業(yè)處理完成后籽粒螺旋輸送器內(nèi)所接樣品質(zhì)量

n2——臺(tái)架作業(yè)開始時(shí)喂料斗喂入籽粒質(zhì)量

3.3 試驗(yàn)方案

綜合試驗(yàn)臺(tái)工作的實(shí)際情況，對(duì)選取的7個(gè)因素進(jìn)行七因素三水平的正交試驗(yàn)，即選用正交表L18(37)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析，其因素水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平Tab.1 Experimental factors and levels

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)極差確定籽粒含雜率、清選裝置總損失率影響因素的主次關(guān)系，極差分析結(jié)果如表2所示。A、B、C、D、E、F、G為因素水平值。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，進(jìn)而確定試驗(yàn)指標(biāo)在不同試驗(yàn)因素水平組合下的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果方差分析如表3所示。

綜合極差分析與方差分析結(jié)果可知，谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機(jī)角度、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、3個(gè)圓筒篩轉(zhuǎn)速及橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)試驗(yàn)臺(tái)清選性能的影響是不同的。并且，根據(jù)方差分析的結(jié)果可知，除橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速外，所選試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)性能指標(biāo)具有顯著影響，因此所選因素范圍是合理的，且所選因素是影響該試驗(yàn)臺(tái)性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素。

3.4.1大圓筒篩、中圓筒篩轉(zhuǎn)速對(duì)清選性能的影響

在所選的7個(gè)參數(shù)中，大圓筒篩轉(zhuǎn)速、中圓筒篩轉(zhuǎn)速對(duì)籽粒含雜率、清選裝置總損失率均有顯著影響。并且，大、中圓筒篩轉(zhuǎn)速越快，谷子輥搓后物料和篩面接觸面積與頻率越大，圓筒篩面與輥搓后物料接觸次數(shù)增多，進(jìn)而導(dǎo)致輥搓后物料被清選次數(shù)增加，清選面積增加，因此，導(dǎo)致籽粒含雜率降低；且大、中圓筒篩轉(zhuǎn)速越快，谷子輥搓后物料被拋揚(yáng)次數(shù)隨之增多，同時(shí)，經(jīng)過風(fēng)力清選次數(shù)增加，進(jìn)而導(dǎo)致清選裝置總損失率升高。反之，籽粒含雜率增加，清選裝置總損失率降低。

3.4.2離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機(jī)角度對(duì)清選性能的影響

離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機(jī)角度對(duì)清選裝置總損失率影響不顯著，但對(duì)籽粒含雜率均具有顯著影響，且風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，角度越大，籽粒含雜率越低，清選裝置總損失率越高。原因在于，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，谷子輥搓后物料所受風(fēng)力增大，輥搓后物料在清選室呈懸浮狀態(tài)，風(fēng)力大于部分輕雜物漂浮速度，進(jìn)而導(dǎo)致物料中被吹走輕雜物增多，導(dǎo)致籽粒含雜率降低;清選室內(nèi)風(fēng)力增加，部分不飽滿籽粒所受風(fēng)力大于其漂浮速度，即隨風(fēng)力被吹送至后方糠槽，進(jìn)而導(dǎo)致清選裝置總損失率增加。

3.4.3小圓筒篩轉(zhuǎn)速、谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)清選性能的影響

小圓筒篩轉(zhuǎn)速、谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)清選裝置總損失率具有非常顯著的影響，但對(duì)籽粒含雜率影響不顯著，且谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增加，谷碼受到谷碼輥搓裝置分離空間擠壓搓擦力增加，進(jìn)而谷碼分離率增加，且谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增加，對(duì)谷子輥搓后物料拋揚(yáng)分層能力增加，結(jié)合風(fēng)力影響，對(duì)輥搓后物料中輕雜物清選效果越好，進(jìn)而導(dǎo)致籽粒含雜率降低，但由于谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增加，對(duì)物料拋揚(yáng)作用增加，部分籽粒與圓筒篩篩面產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊力，籽粒未能有效及時(shí)通過篩面落至籽粒輸送器，進(jìn)而導(dǎo)致清選裝置總損失率升高；小圓筒篩轉(zhuǎn)速增加，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)尾部作業(yè)性能影響顯著，小圓筒篩篩面上輥搓后物料被拋揚(yáng)次數(shù)增加，且與篩面相對(duì)滑動(dòng)增多，進(jìn)而輥搓后物料與小圓筒篩篩面相對(duì)接觸面積減少及接觸頻率增加，進(jìn)而被篩選次數(shù)增加，因此，籽粒含雜率降低；且拋揚(yáng)初速度增加，輥搓后物料中所夾帶籽粒受空氣阻力減小，速度大于其漂浮速度，因此，所夾帶籽粒隨輕雜物一起被拋揚(yáng)到試驗(yàn)臺(tái)尾部糠槽增多，進(jìn)而導(dǎo)致清選裝置總損失率升高。

進(jìn)而通過極差和方差分析，綜合考慮各試驗(yàn)因素對(duì)清選性能指標(biāo)的影響，確定影響籽粒含雜率的主次因素順序?yàn)椋褐袌A筒篩轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、大圓筒篩轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機(jī)角度、小圓筒篩轉(zhuǎn)速、谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；影響清選裝置總損失率的主次因素順序?yàn)椋褐袌A筒篩轉(zhuǎn)速、谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、大圓筒篩轉(zhuǎn)速、小圓筒篩轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機(jī)角度、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test schemes and results

由以上分析可知，兩試驗(yàn)指標(biāo)的最佳組合不同，且正交試驗(yàn)籽粒含雜率最優(yōu)組合均為試驗(yàn)因素水平的上限組合，正交試驗(yàn)清選裝置總損失率最優(yōu)水平絕大多數(shù)為試驗(yàn)因素水平的下限，因此籽粒含雜率與清選裝置總損失率變化規(guī)律呈相反趨勢(shì)，故利用多指標(biāo)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的綜合平衡法對(duì)因素進(jìn)行綜合比較和分析，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，作出兩種指標(biāo)的趨勢(shì)圖(圖11、12)。

對(duì)于籽粒含雜率，因素A取A3最好，對(duì)于清選裝置總損失率，因素A取A1最好，從圖11中可以看出，A取A2和A3時(shí)，清選裝置總損失率相差較大，且上升趨勢(shì)明顯，從圖12中可以看出，A取A2和A3時(shí)，籽粒含雜率相差不大，且下降趨勢(shì)不明顯，綜合以上分析，因素A取A2。

對(duì)于清選裝置總損失率，因素B取B2最好，對(duì)于籽粒含雜率，因素B取B3最好，從圖11中可以看出，B取B2和B3時(shí)，清選裝置總損失率相差較大，且上升趨勢(shì)明顯，從圖12中可以看出，B取B2和B3時(shí)，籽粒含雜率相差不大，且下降趨勢(shì)不明顯，綜合以上分析，因素B取B2。

對(duì)于清選裝置總損失率，因素C取C1最好，對(duì)于籽粒含雜率，因素C取C3最好，從圖11中可以看出，C取C1和C3時(shí)，清選裝置總損失率相差較大，且上升趨勢(shì)明顯，從圖12中可以看出，C取C1和C3時(shí)，籽粒含雜率相差不大，且下降趨勢(shì)不明顯，綜合以上分析，因素C取C1。因素D、E、F和因素C具有類似趨勢(shì)，因此分別取D1、E1、F1。

表3 清選性能指標(biāo)方差分析Tab.3 Analysis of variance of cleaning performance indicators

注：*表示影響顯著，** 表示影響非常顯著。

圖11 清選裝置總損失率隨7 個(gè)因素的變化曲線Fig.11 Changing curves of total loss rate of cleaning device with seven factors

圖12 籽粒含雜率隨7 個(gè)因素的變化曲線Fig.12 Variation curves of grain impurity ratio with seven factors

對(duì)于清選裝置總損失率，因素G取G2最好，對(duì)于籽粒含雜率，因素G取G3最好，從圖11中可以看出，G取G2和G3時(shí)，清選裝置總損失率相差不大，且上升趨勢(shì)不明顯，從圖12中可以看出，G取G2和G3時(shí)，籽粒含雜率相差較大，且下降趨勢(shì)明顯，綜合以上分析，因素G取G3。

從而確定了F1G3E1A2C1D1B2為較優(yōu)參數(shù)組合,即谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為250 r/min，離心風(fēng)機(jī)角度為3°，小圓筒篩轉(zhuǎn)速為60 r/min，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min，中圓筒篩轉(zhuǎn)速為60 r/min，大圓筒篩轉(zhuǎn)速為70 r/min，橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min。

3.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證參數(shù)匹配的可靠性，且由于較優(yōu)組合大部分發(fā)生在所選參數(shù)取值的邊緣處，故采用已優(yōu)選出的最佳參數(shù)組合，進(jìn)行重復(fù)性驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Verification test results

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在參數(shù)組合F1G3E1A2C1D1B2下，谷子在清選過程中的籽粒含雜率為1.64%，清選裝置總損失率為0.86%。由1號(hào)驗(yàn)證試驗(yàn)，保持G3E1A2C1D1B2不變，谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速取200 r/min(最小轉(zhuǎn)速)，試驗(yàn)結(jié)果籽粒含雜率為1.88%，清選裝置總損失率為1.05%，可見籽粒含雜率和清選裝置總損失率均有所提高，因此根據(jù)清選性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)原則，判定谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速250 r/min優(yōu)于200 r/min；由2號(hào)驗(yàn)證試驗(yàn)，保持F1G3E1A2D1B2不變，中圓筒篩轉(zhuǎn)速降低至50 r/min(最小轉(zhuǎn)速)，試驗(yàn)結(jié)果籽粒含雜率為1.78%，清選裝置總損失率為0.78%，可見清選裝置總損失率有所降低，但籽粒含雜率提高了0.14個(gè)百分點(diǎn)，因此判定谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速60 r/min優(yōu)于50 r/min；由3號(hào)驗(yàn)證試驗(yàn)，保持F1G3E1A2C1B2不變，大圓筒篩轉(zhuǎn)速取60 r/min(最小轉(zhuǎn)速)，試驗(yàn)結(jié)果籽粒含雜率為1.85%，清選裝置總損失率為0.84%，可見清選裝置總損失率略微下降，但籽粒含雜率卻有所上升，原因是，大圓筒篩轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其上谷子輥搓后物料不能有效地拋送至清選空間，進(jìn)而影響籽粒與輕雜物的分離效果。因此綜合考慮之后，判定大圓筒篩轉(zhuǎn)速70 r/min，優(yōu)于60 r/min。

綜上，驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在F1G3E1A2C1D1B2參數(shù)組合下，籽粒含雜率和清選裝置總損失率最低，為谷子清選裝置的最優(yōu)作業(yè)性能參數(shù)組合。

為進(jìn)一步驗(yàn)證輥搓圓筒篩式谷子清選裝置清選性能，將本清選裝置與傳統(tǒng)型風(fēng)機(jī)圓筒篩式清選裝置以及國內(nèi)市場常用的風(fēng)機(jī)振動(dòng)篩式清選裝置進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。其中傳統(tǒng)型風(fēng)機(jī)圓筒篩式清選裝置采用雙風(fēng)機(jī)雙圓筒篩物料外流式；風(fēng)機(jī)振動(dòng)篩式清選裝置采用風(fēng)機(jī)振動(dòng)篩及凹板篩結(jié)構(gòu)，初脫后物料透過凹板篩均勻掉落至振動(dòng)篩前部，離心風(fēng)機(jī)工作氣流將輕雜物吹出機(jī)外。兩種清選裝置實(shí)物如圖13所示。

圖13 谷子清選裝置實(shí)物圖Fig.13 Physical drawings of millet cleaning device

試驗(yàn)物料仍然選用河南省洛陽市孟津縣文公村自然成熟谷子機(jī)收之后的初脫后物料，品種為豫谷18，脫出物籽粒含雜率41.2%，喂入量0.56 kg/s，取樣時(shí)間為8 s的相同條件下進(jìn)行。并選取各清選裝置最優(yōu)參數(shù)組合，傳統(tǒng)型風(fēng)機(jī)圓筒篩式清選裝置最佳離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 158 r/min，橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為893 r/min，前、后圓筒篩轉(zhuǎn)速分別為93、63.5 r/min，以及離心風(fēng)機(jī)最佳傾角為5°；風(fēng)機(jī)振動(dòng)篩式清選裝置最佳性能參數(shù)：離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及傾角分別為1 787 r/min、17°，振動(dòng)篩曲柄轉(zhuǎn)速及振幅分別為404 r/min、30 mm；同時(shí)，在輥搓圓筒篩式谷子清選裝置最優(yōu)作業(yè)性能參數(shù)組合下，以籽粒含雜率和清選裝置總損失率作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行三者對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)型風(fēng)機(jī)圓筒篩式清選裝置籽粒含雜率為1.94%，清選裝置總損失率為0.98%，風(fēng)機(jī)振動(dòng)篩式清選裝置籽粒含雜率為1.85%，清選裝置總損失率為0.96%，輥搓圓筒篩式谷子清選裝置相對(duì)于傳統(tǒng)型風(fēng)機(jī)圓筒篩式清選裝置籽粒含雜率降低了0.3個(gè)百分點(diǎn)，清選裝置總損失率降低了0.12個(gè)百分點(diǎn)；且輥搓圓筒篩式谷子清選裝置籽粒含雜率相對(duì)于風(fēng)機(jī)振動(dòng)篩式清選裝置降低了0.21個(gè)百分點(diǎn)，清選裝置總損失率降低了0.1個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)于谷子清選收獲，籽粒含雜率和清選裝置總損失率均越低越好，該清選裝置具有低損失和低含雜的優(yōu)勢(shì)。因此相對(duì)于其它清選裝置，該清選裝置性能更好、更具有實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)谷子初脫后物料在清選過程中的力學(xué)特性分析，設(shè)計(jì)了輥搓圓筒篩式谷子清選裝置，該裝置在消除殘留谷碼影響的同時(shí)，增強(qiáng)了濕分性能，降低了籽粒含雜率和清選裝置總損失率。其中，谷碼輥搓裝置運(yùn)用搓擦原理實(shí)現(xiàn)了清選前清除殘留谷碼的效果，降低了籽粒含雜率；三圓筒篩裝置延長了谷子輥搓后物料清選路徑，風(fēng)機(jī)氣流清選較為充分，物料粘結(jié)減少，從而在提高篩分效率的同時(shí)，降低了清選裝置總損失率和籽粒含雜率。

(2)通過正交試驗(yàn)確定了影響清選裝置清選性能指標(biāo)的7個(gè)因素主次順序。影響籽粒含雜率的主次因素順序?yàn)椋褐袌A筒篩轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、大圓筒篩轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機(jī)角度、小圓筒篩轉(zhuǎn)速、谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；影響清選裝置總損失率的主次因素順序?yàn)椋褐袌A筒篩轉(zhuǎn)速、谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、大圓筒篩轉(zhuǎn)速、小圓筒篩轉(zhuǎn)速、離心風(fēng)機(jī)角度、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。經(jīng)極差和方差分析確定了最優(yōu)組合：谷碼輥搓裝置主動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為250 r/min，離心風(fēng)機(jī)角度為3°，小圓筒篩轉(zhuǎn)速為60 r/min，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min，中圓筒篩轉(zhuǎn)速為60 r/min，大圓筒篩轉(zhuǎn)速為70 r/min，橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min。

(3)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，這一組合確為最優(yōu)組合，在該條件下，谷子清選裝置的籽粒含雜率為1.64%，清選裝置總損失率為0.86%，滿足小型農(nóng)戶谷子收獲脫粒之后的清選需求，為谷子清選裝置設(shè)計(jì)提供了參考，但在聯(lián)合收獲機(jī)上的清選作業(yè)效果仍需田間試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。相對(duì)于傳統(tǒng)型風(fēng)機(jī)圓筒篩式以及風(fēng)機(jī)振動(dòng)篩式清選裝置，輥搓圓筒篩式谷子清選裝置的籽粒含雜率降低了0.21～0.3個(gè)百分點(diǎn)，總損失率降低了0.1～0.12個(gè)百分點(diǎn)，具有籽粒含雜率低、清選裝置總損失率低、實(shí)用價(jià)值高等特點(diǎn)。