耿令新,孫成龍,左杰文,金 鑫,孔令舉,姬江濤
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燕麥籽粒揉搓式除雜裝置設(shè)計(jì)
耿令新1,2,孫成龍1,左杰文1,金 鑫1,孔令舉2,姬江濤1,2※
(1. 河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院,洛陽(yáng) 471003; 2. 機(jī)械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,洛陽(yáng) 471003)
針對(duì)中國(guó)燕麥?zhǔn)斋@期同一植株上籽粒成熟不一致、低成熟度的籽粒脫皮難、帶皮(殼)籽粒較多導(dǎo)致雜余含量高,影響收獲質(zhì)量以及后續(xù)加工的難題,該研究根據(jù)其籽粒韌性強(qiáng)、不易破碎的特點(diǎn),結(jié)合耐揉搓的優(yōu)勢(shì),提出一種先揉搓后清選的燕麥籽粒除雜方案,設(shè)計(jì)出一種燕麥籽粒揉搓式除雜裝置。該文采用試驗(yàn)分析的方法,篩選有關(guān)影響因素,以滾筒轉(zhuǎn)速、吸雜口風(fēng)速、擋板長(zhǎng)度為影響因素,以清潔率和損失率為考察指標(biāo),進(jìn)行了單因素試驗(yàn)確定各因素較優(yōu)取值范圍;在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行多元回歸試驗(yàn),建立了試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)的多元回歸模型并優(yōu)化求解,并對(duì)優(yōu)化求解后的參數(shù)值進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明:影響裝置性能指標(biāo)的單因素較優(yōu)范圍滾筒轉(zhuǎn)速700~900 r/min、吸雜口風(fēng)速12~16 m/s、擋板長(zhǎng)度15~25 cm;多元回歸試驗(yàn)得出較優(yōu)的參數(shù)組合為:滾筒轉(zhuǎn)速816 r/min、吸雜口風(fēng)速13.8 m/s,擋板長(zhǎng)度20.5 cm,此時(shí)考察指標(biāo)清潔率99.23%,損失率1.53%,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后該優(yōu)化參數(shù)組合可信。該研究可對(duì)燕麥?zhǔn)斋@機(jī)械及后續(xù)燕麥?zhǔn)称芳庸C(jī)械的研制提供參考。
機(jī)械化;設(shè)計(jì);農(nóng)作物;立式錐形;揉搓式;燕麥雜余;負(fù)壓清選
燕麥屬禾本科雜糧作物,其產(chǎn)量較低,一般產(chǎn)量1 000~1 500 kg/hm2[1-3]。燕麥具有高營(yíng)養(yǎng)、高能量及很高的保健價(jià)值[4-9],這些優(yōu)良特性與人類健康關(guān)系密切[10]。因燕麥?zhǔn)斋@時(shí),位于同一植株上的籽粒成熟不一致、成熟度低的籽粒脫皮難、收獲后帶皮籽粒多,導(dǎo)致雜余量高達(dá)8%~12%,嚴(yán)重影響了收獲質(zhì)量[1]。
王啟陽(yáng)等[11-13]分別對(duì)如何提高玉米、水稻、小麥清選后的清潔率、降低損失率,進(jìn)行創(chuàng)新并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究,取得一定的成果;王志明等[14-15]通過(guò)差速脫粒、設(shè)計(jì)錐形風(fēng)機(jī)的方式提高了水稻收獲的清潔率,降低了損失率。李近人等[16-17]對(duì)糧食精選、除雜設(shè)備的合理使用及糧庫(kù)雜質(zhì)的處理方法進(jìn)行了闡述、分析、對(duì)比評(píng)價(jià)。韓向東等[18-21]針對(duì)國(guó)內(nèi)糧庫(kù)小麥現(xiàn)有雜質(zhì)清理設(shè)備存在的弊端和不足等問(wèn)題,根據(jù)除雜原理,對(duì)雜質(zhì)清除方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化,取得了較好的效果,但只能有效去除糧食中的癟殼、灰渣、根、莖、葉等輕雜,對(duì)燕麥籽粒中混雜的大量帶皮籽粒不能去除。趙楠等[22-27]先后對(duì)收獲后的燕麥籽粒韌性機(jī)械力學(xué)特性及相關(guān)的生理生化性質(zhì)進(jìn)行了研究,表明燕麥籽粒本身具有韌性強(qiáng)、耐揉搓、抗擠壓且不易損傷的優(yōu)點(diǎn),這與本研究前期試驗(yàn)現(xiàn)象一致。李心平等[28]為解決谷子脫粒后殘留谷碼多而導(dǎo)致清選含雜率和損失率較高的問(wèn)題,采用增加輥搓機(jī)構(gòu),通過(guò)先用揉搓輥揉搓去谷碼然后清選的方法對(duì)谷子進(jìn)行清選,其效果較好,但弊端是輥搓易使谷殼破裂,谷子易霉變、不耐儲(chǔ)存。
侯華銘等[29]對(duì)燕麥作物脫出物各成分懸浮速度進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果表明燕麥籽粒的懸浮速度可與其大部分輕雜物的懸浮速度區(qū)分開(kāi),但與其未脫皮籽的懸浮速度相接近,采用風(fēng)力篩選不易區(qū)分;且收獲后的凈燕麥顆粒與帶皮燕麥顆粒在外觀幾何尺寸上基本一樣,篩子分離的方法難以將其區(qū)分開(kāi)。因此無(wú)論采用風(fēng)選、篩選或風(fēng)、篩選結(jié)合清選都不能很好的將帶皮籽粒分離出來(lái),導(dǎo)致最終收獲的燕麥籽粒中含有大量的帶皮籽粒。宗望遠(yuǎn)等[30-31]采用揉搓原理對(duì)油菜和玉米進(jìn)行脫粒后具有較高的脫凈率和較低的損傷率,侯俊銘等[32]對(duì)蓖麻采用先滾搓脫殼后負(fù)壓氣吸的清選方式,具有脫凈率、清潔率高,損失率低、損傷小的優(yōu)點(diǎn)。
燕麥籽粒中的雜物不同于小麥等糧食,其雜物主要為帶皮籽粒,且燕麥產(chǎn)量低,需盡量降低損失得到較多的籽粒;與小麥、水稻等成熟期一致的大田作物相比,燕麥?zhǔn)斋@時(shí)籽粒成熟度不一致,因此前人研究的提高作物清潔率的方法對(duì)燕麥不適用。
目前尚未見(jiàn)有關(guān)燕麥籽粒清潔除雜的研究。針對(duì)上述問(wèn)題,本文結(jié)合前人的研究,利用韌性強(qiáng)、耐揉搓的優(yōu)點(diǎn)解決燕麥雜余(帶皮籽粒)、籽粒難分離的問(wèn)題,采用先揉搓籽粒去皮,后負(fù)壓清選的方法,設(shè)計(jì)一種燕麥籽粒揉搓式除雜裝置,采用立式錐形揉搓式滾筒對(duì)帶皮籽粒等進(jìn)行揉搓,負(fù)壓清選裝置對(duì)處理后混雜在燕麥籽粒中的雜物進(jìn)行清除,以期實(shí)現(xiàn)高凈度、低損失的目的。
燕麥籽粒揉搓式除雜裝置整體結(jié)構(gòu)由物料輸送裝置A、物料揉搓處理裝置B、物料清選裝置C等主要部件組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中物料輸送裝置主要由儲(chǔ)料箱、物料輸送槽、物料輸送刮板、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成;物料揉搓處理裝置主要由錐形揉搓滾筒及揉搓外殼、變速箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)架、試驗(yàn)臺(tái)支架等組成;物料清選裝置主要吸雜風(fēng)機(jī)、螺旋輸送器、清選室、接料盒、擋板、吸雜管道等組成,各裝置的驅(qū)動(dòng)方式均為電力驅(qū)動(dòng)。
1.儲(chǔ)料箱 2.輸送槽 3.電機(jī)1 4.揉搓滾筒 5.變速箱 6.吸雜風(fēng)機(jī) 7.電機(jī)2 8.電機(jī)3 9.電機(jī)架 10.試驗(yàn)臺(tái)支架 11.螺旋輸送器 12.清選室 13.接料盒 14.擋板 15.吸雜管道 A.輸送裝置 B.物料揉搓裝置 C.物料清選裝置
1.Storage box 2.Conveyor tank 3.Motor 1 4.Rubbing roller 5.Variable reducer 6.Suction fan 7.Motor 2 8.Motor 3 9.Motor rack 10.Test bench 11.Spiral conveyor 12.Cleaning room 13.Receiving box 14.Bezel 15.Suction pipe A.Conveying device B.Material rubbing device C. Material cleaning device
圖1 燕麥籽粒揉搓式除雜裝置三維結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.1 Three-dimensional structural diagram of oat-grains purification device with rubbing roller
如圖1所示,裝置整體整機(jī)固定在水平地面上,一定量的試驗(yàn)材料存放在物料輸送裝置A的儲(chǔ)料箱1中,刮板均勻的刮取、輸送物料,隨著輸送帶的運(yùn)動(dòng),物料被運(yùn)送到出料口后,此時(shí)依靠自身重力作用掉落到揉搓處理滾筒中;拋落下的物料均勻的落到錐形揉搓滾筒中。在滾筒螺旋導(dǎo)向條引導(dǎo)及自身重力作用下進(jìn)入揉搓過(guò)程,在揉搓筋的揉搓及向下推送作用使得帶皮籽粒脫皮,雜質(zhì)破碎并落下;緊接著依靠螺旋輸送器的水平推送力將落下的物料輸送到清選室進(jìn)行清選[33-34];清選室利用負(fù)壓原理結(jié)合脫出物各成分懸浮速度差異大的特性,輕雜物通過(guò)吸雜風(fēng)機(jī)吸走,干凈籽粒通過(guò)出糧口在小風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)下落到接料箱。
根據(jù)中國(guó)谷物收獲清潔率國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合燕麥實(shí)際生產(chǎn)需要,燕麥籽粒揉搓式除雜裝置的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
表1 燕麥籽粒揉搓式除雜裝置主要技術(shù)參數(shù)
本裝置的物料揉搓裝置立式錐形揉搓式滾筒,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,其結(jié)構(gòu)主要由螺旋喂入頭、錐形揉搓滾筒、編制篩揉搓外殼組成。
1.進(jìn)料口 2.上支撐板 3.編織篩網(wǎng) 4.導(dǎo)入螺旋 5.滾筒軸 6.揉搓筋 7.滾筒 8.滾筒外殼 9.出料間隙 10.下支撐板 11.出料口
1.Feed port 2.On support plate 3.Woven wire screen 4.Import spiral 5.Roller shaft 6.Rolled rebar 7.Roller 8. Roller housing 9.Discharge gap 10.Lower support plate 11.Discharge port
圖2 物料揉搓裝置結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.2 Structure diagram of material rubbing device
2.1.1 導(dǎo)入螺旋
為確保物料不堵塞、順暢進(jìn)到揉搓滾筒中進(jìn)行揉搓,導(dǎo)入螺旋豎直向下的推力要大于豎直向上的阻力。對(duì)導(dǎo)入螺旋上任一點(diǎn)的物料進(jìn)行受力分析(圖3a所示)。為保證物料的順利完成向下推送,需要滿足軸向向下推送力大于軸向向上的阻力,即滿足
可知螺旋葉片與物料之間存在摩擦力F和螺線葉片對(duì)物料的法向推力,及自身重力,三者合力與法向推力偏離一個(gè)角度1,1為物料與螺旋葉片的摩擦角,17°。由式(1)可得物料喂入的條件為:1<90°?1=73°,取1=60°。
則導(dǎo)入螺旋長(zhǎng)度為
式中為螺旋導(dǎo)程,取180 mm;為螺旋頭數(shù),取2。
由式(2)可得螺旋喂入頭長(zhǎng)度1=90 mm,導(dǎo)入螺旋為錐臺(tái)結(jié)構(gòu),錐角=60°,導(dǎo)入螺旋前端的直徑1=50 mm,后端直徑2=220 mm。
1.螺旋喂入口 2.螺旋葉片 3.錐形揉搓滾筒 4.揉搓筋
1.Spiral feed inlet 2.Spiral blades 3.Tapered rubbing roller 4. Rolled rebar
注:F為螺旋葉片與物料之間的摩擦力,N;為螺線葉片對(duì)物料的法向推力,N;為物料自身重力,N;1為物料與螺旋葉片的摩擦角,(°);1為螺旋葉片的螺旋角,(°);為螺旋導(dǎo)程,mm;1為導(dǎo)入螺旋長(zhǎng)度,mm;為螺旋頭數(shù);為錐角,(°);1為導(dǎo)入螺旋前端直徑,mm;2為導(dǎo)入螺旋末端直徑,mm;1為水平方向的摩擦阻力,N;2為螺旋方向向上的阻力,N;3為豎直方向的摩擦阻力,N;為阻力的合力,N;0為揉搓處理元件對(duì)物料的法向推力,N;0為0、的合力,N;2為錐形滾筒長(zhǎng)度,mm;1為滾筒上部直徑,mm;2為滾筒下部直徑,mm;2為物料與揉搓筋的摩擦角,(°);2為揉搓筋的螺旋角,(°)。
Note:Frepresents a friction between the spiral blade and the material, N;represents the legal thrust of the solech blade stomp on the material, N;representative material own gravity, N;1represents the friction angle of the material and the spiral blades, (°);1represents the helix angle of the spiral blades, (°);represents for spiral direction, mm;1stands for imported spiral length, mm;represents the number of spiral heads;is taper angle, (°);1stands for imported spiral front diameter, mm;2represents the diameter of leading screw end, mm;1is the frictional resistance in the horizontal direction, N;2is the upward resistance in the direction of the spiral, N;3is the frictional resistance in the vertical direction, N;is the force of resistance, N;0is the legal thrust of the kneading treatment element to the material, N;0is the combined force of0and, N;2is a tapered roller length, mm;1is the upper diameter of the roller, mm;2is the lower diameter of the roller, mm;2is the friction angle between the material and the rolled rebar, (°);2is the helix angle of the rolled rebar,(°).
圖3 物料揉搓裝置部件結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.3 Parts of structure diagram of material rubbing device
2.1.2 錐形揉搓滾筒
圖3b為錐形揉搓滾筒二維示意圖及物料在揉搓處理空間的受力分析,為整個(gè)揉搓裝置的核心部分,有錐形滾筒和焊接編織篩的外殼組成;根據(jù)需要錐形滾筒長(zhǎng)度2=500 mm,錐度=0.5時(shí),具有較好的揉搓效果,滾筒錐度計(jì)算式為[34]
式中為圓錐角,(°),計(jì)算得=28°,滾筒下部直徑2=250 mm,上部直徑1=220 mm;依據(jù)燕麥雜余單層厚度=3~4 mm,滾筒外殼直徑3=270 mm,得揉搓滾筒入口間隙1=25 mm,出口間隙2=5 mm。
揉搓處理對(duì)象為尺寸較小的燕麥帶皮籽粒等雜余,滾筒設(shè)計(jì)為封閉式;為增強(qiáng)對(duì)帶皮燕麥等雜余揉搓能力,揉搓元件為類紋桿螺旋向下排列的、直徑3=3 mm的螺紋鋼。
根據(jù)滾筒直徑確定螺紋鋼數(shù)量=6,為達(dá)到較好的揉搓效果,內(nèi)壁所焊接的編織篩自身要具有一定的強(qiáng)度,綜合考慮選取規(guī)格為12 mm×12 mm、鋼絲直徑4=1 mm、厚度5=2 mm的高強(qiáng)度編織篩,揉搓滾筒性能受滾筒轉(zhuǎn)速的影響,的計(jì)算式為[34]
不考慮空氣阻力以及其他無(wú)關(guān)因素,1、3分別為揉搓處理過(guò)程中的沿著滾筒內(nèi)壁上編制篩水平方向、豎直方向的摩擦阻力,2為螺旋式揉搓處理元件對(duì)物料沿螺旋方向向上的阻力,在合力、0共同作用下物料沿著特定方向在揉搓室內(nèi)運(yùn)動(dòng)。為保證能夠順利向下推送,必須滿足以下關(guān)系
式中2為物料與揉搓筋的摩擦角,取17°;2為揉搓筋的螺旋角,(°),且2<90°?2=73°,取2=60°,即揉搓筋的螺旋角2=60°。
清選裝置主要由清選室、吸雜風(fēng)機(jī)、吸雜管道等構(gòu)成,清選室和吸雜風(fēng)機(jī)都固定在機(jī)架上,兩者利用PVC吸雜管道連接,圖4a為清選裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
為增大清選室空間、充分利用風(fēng)機(jī)效率,清選室上部采用長(zhǎng)方體;為使散開(kāi)的物料聚攏便于收集,中部設(shè)計(jì)為錐形臺(tái)結(jié)構(gòu);為增大物料的散開(kāi)面積利于雜物的排出,物料入口、吸雜口都采用喇叭口形狀。吸雜口直徑影響清選室內(nèi)氣流場(chǎng)分布,是清選室的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),且清選室所需最小風(fēng)量與雜余含量有關(guān)[34],計(jì)算式如下
式中0為所需最小風(fēng)量,m3/s;為喂入量,取0.15 kg/s;為雜余所占比,籽粒與雜余按質(zhì)量比9∶1配比,雜余占10%;為空氣密度,取1.2 kg/m3;為攜帶雜質(zhì)氣流的混合濃度比,約0.2~0.3,取0.3。計(jì)算得0= 0.041 7 m3/s。
為保證雜余能夠由清選室吸雜口排出,吸雜口最小風(fēng)速不能低于雜余的最大懸浮速度。揉搓處理后燕麥籽?;旌衔飸腋∷俣葴y(cè)定表明籽粒為4.67~9.76 m/s,混合雜物為0.15~5.67 m/s,綜上為保證吸雜干凈,以混合雜物的最大懸浮速度為設(shè)計(jì)依據(jù),吸雜口最小直徑計(jì)算式如下
式中0為吸雜口最小直徑,m;1為吸雜口風(fēng)速,取值為5.67 m/s;計(jì)算得0=0.0967 m=96.7 mm,且吸雜管道直徑1≥0,綜合考慮管道通用性,取1=100 mm。在此條件下,吸雜口風(fēng)量1計(jì)算式如式(8)。
式中1為吸雜口風(fēng)量,m3/s;d為吸雜管道直徑,mm,計(jì)算得1=0.044 5 m3/s。
1.吸雜風(fēng)機(jī) 2.吸雜管道 3.進(jìn)料口 4.出雜口 5.清選箱 6.觀察口 7.支架 8.出糧口風(fēng)機(jī) 9.小電機(jī) 10.接料箱 11.出糧口 12.支架 13.物料撞擊擋板 14.進(jìn)料路線1 15.出糧路線2 16.進(jìn)風(fēng)路線3 17.出雜路線4 18.撞擊擋板 19.葉片 20.外殼 21.出口
1.Impurity suction fan 2.Impurity suction pipe 3.Feeding throat 4.Miscellaneous mouth 5.Cleaning box 6.Observation port 7. Bracket 8. Outlet fan 9.Small motor 10.Material box 11.Grain outlet 12.Bracket 13.Material impact bezel 14.Feed route 1 15.Grain out route 2 16.Air inlet route 3 17.Out of miscellaneous route 4 18.Impact bezel 19.Blade 20.Housing 21.Export
注:圖4b中,○為雜物,●為籽粒;A為進(jìn)料口,B為出糧口,C為吸雜口。
Note: In Fig.4b, ○ is sundries; ● is grain. A is feed port, B is grain outlet, C is suction outlet.
圖4 清選裝置結(jié)構(gòu)及物料運(yùn)動(dòng)軌跡
Fig.4 Structure of clearing device and trajectory of material movement
圖4b是對(duì)清選室內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)軌跡的分析,可知處理后混合物在螺旋輸送器推送力的作用下從進(jìn)料口A沿著進(jìn)料路線1進(jìn)入清選室,物料依靠運(yùn)動(dòng)慣性撞擊到擋板18上,使得成束狀的物料流散開(kāi),充分在清選室內(nèi)拋撒開(kāi),同時(shí)擋板的存在將清選室上部一分為二,使物料運(yùn)動(dòng)軌跡近“U”型。由于橫截面積的突然增大,使混合物料受自身重力下落,物料流沿著進(jìn)料路線1運(yùn)動(dòng),由于物料中各成分的懸浮速度不同,其輕雜物懸浮速度不超過(guò)5~6 m/s,籽粒懸浮速度8~10 m/s,籽粒在經(jīng)過(guò)路線1最下端時(shí)由于重力較大,便沿著進(jìn)料路線2沉降下去,經(jīng)出糧口B落到接料盒。最下端小風(fēng)機(jī)的緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)使進(jìn)風(fēng)均勻、落料順暢。底端空氣流沿著進(jìn)風(fēng)路線3進(jìn)入,其他小輕雜物沿著出雜路線4運(yùn)動(dòng)到清選室上口,通過(guò)管道被吸雜風(fēng)機(jī)吸出。
圖4c為出糧裝置,通過(guò)調(diào)控風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速滿足其進(jìn)風(fēng)和出糧需求,由外殼和帶6片葉片(夾角60°)的風(fēng)機(jī)軸組成,為保證進(jìn)風(fēng)的均勻性和穩(wěn)定性,出糧口開(kāi)口角度應(yīng)小于風(fēng)機(jī)葉片夾角,同時(shí)保證出糧的順暢,出糧口角度為45°。
本裝置物料輸送裝置有2種類型,分別為刮板輸送器和螺旋式輸送器。
2.3.1 刮板輸送器
圖5a為刮板式輸送系統(tǒng),為了保證雜余物料的輸送的均勻性以及穩(wěn)定性,輸送器采用刮板式輸送槽。刮板式輸送槽傾斜放置,采用鏈條傳動(dòng),輸送槽里安裝有帶有刮板輸送皮帶,輸送槽入口固定在儲(chǔ)料箱內(nèi),出料口固定在錐形揉搓滾筒上方,安裝有主動(dòng)傳動(dòng)鈾,傳動(dòng)鏈輪安裝在主動(dòng)傳動(dòng)軸上;主動(dòng)輥和被動(dòng)輥之間有中間支撐輥從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送皮帶的張緊。根據(jù)需要輸送槽長(zhǎng)2 000 mm,傾斜角度為30°,根據(jù)物料喂入量0.15 kg/s,選定皮帶寬度100 mm,刮板間隔80 mm、高度30 mm。
2.3.2 螺旋輸送器
螺旋輸送器的作用是將經(jīng)過(guò)揉搓滾筒處理后落下的物料及時(shí)的輸送到清選室內(nèi),因此只要滿足其推運(yùn)量≥0.15 kg/s的喂入量,輸送間隙≥3 mm即可[34-35],其結(jié)構(gòu)如圖5b所示。
1.物料入口 2.輸送皮帶 3.被動(dòng)輥 4.刮板 5.輸送槽殼體 6.輸送槽蓋板 7.中間支撐輥 8.輸送槽支架 9.輸送槽觀察口 10.低速電機(jī)調(diào)速器 11.低速電機(jī) 12.傳動(dòng)鏈條 13.主動(dòng)輥 14.物料出口
1.Material entrance 2.Conveyor belt 3.Passive roller 4.Scraper 5.Conveyor tank shell 6.Conveyor groove cover 7.Intermediate support roller 8.Conveyor groove bracket 9.Conveyor groove observation port 10.Low speed motor governor 11.Low speed motor 12.Transmission chain 13.Active roller 14.Material export
注:為螺旋角度,25°;為螺距,70 mm;D為攪龍外徑,90 mm;為攪龍內(nèi)徑,25 mm;為輸送間隙,5 mm;為螺旋葉片長(zhǎng)度,420 mm
Note:is spiral angle, 25°;is screw pitch, 70 mm;Dis the outside diameter of auger , 90 mm;is the inside diameter of auger, 25 mm;is transmission clearance, 5 mm;is spiral blade length, 420 mm.
圖5 輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.5 Structure diagram of conveyor device
以生長(zhǎng)在山西右玉地區(qū)的右玉4號(hào)燕麥品種,機(jī)收后雜余含量8%~12%且晾曬至含水量10%~15%(可入庫(kù)儲(chǔ)存)的燕麥籽粒為試驗(yàn)材料,試驗(yàn)前的物料成分組成主要為干凈籽粒、帶皮籽粒、破碎莖稈、種皮、殼、輕小雜物,且?guī)ぷ蚜U紦?jù)了雜余含量的85%以上。表2為各成分懸浮速度[29]。可知物料處理前根據(jù)籽粒和雜物懸浮速度的差異性,籽粒與大部分雜物能夠區(qū)分開(kāi),但燕麥籽粒的懸浮速度與其未脫皮籽粒的懸浮速度相接近,常規(guī)風(fēng)篩式清選難以使得雜物清理出來(lái)。
表2 物料各成分的懸浮速度
本試驗(yàn)采用先揉搓去皮,再利用懸浮速度值相差較大、負(fù)壓原理將輕雜物清選干凈。先分析、篩選相關(guān)因素,進(jìn)行單因素試驗(yàn)選定因素取值范圍,后采用多因素確定較優(yōu)參數(shù)組合并驗(yàn)證的方法進(jìn)行研究[36-37],圖6為燕麥籽粒除雜裝置實(shí)物圖。
圖6 燕麥籽粒揉搓式除雜裝置實(shí)物圖
依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)及前期預(yù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上,進(jìn)行了試驗(yàn)因素的選取和取值范圍確定:為保證較好的揉搓能力且籽粒不破損條件下,滾筒轉(zhuǎn)速范圍為400~1 000 r/min;清選室吸雜口風(fēng)速、擋板長(zhǎng)度影響清選效果及裝置的作業(yè)質(zhì)量,根據(jù)物料各成分的懸浮速度確定吸雜口風(fēng)速范圍為6~20 m/s;依據(jù)清選室的大小確定清選室擋板長(zhǎng)度范圍為0~30 cm。除雜裝置性能的好壞以清潔率和損失率2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
本試驗(yàn)以揉搓滾筒轉(zhuǎn)速、清選室吸雜口風(fēng)速、清選室擋板長(zhǎng)度為試驗(yàn)因素,以清潔率與損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn),計(jì)算公式如下
式中y為清潔率,%;y為損失率,%;0為出糧口物料總質(zhì)量,g;1為喂入物料總質(zhì)量,g;2為出糧口燕麥籽粒總質(zhì)量,g。
3.3.1 單因素試驗(yàn)
為給多元優(yōu)化試驗(yàn)提供準(zhǔn)確的參數(shù)范圍,本文對(duì)所選試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn),吸雜口風(fēng)變化速是通過(guò)調(diào)節(jié)離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn),固定擋板長(zhǎng)度為15 cm,吸雜口風(fēng)速在1.5~20 m/s之間連續(xù)、隨機(jī)取18個(gè)風(fēng)速值,每個(gè)風(fēng)速值重復(fù)試驗(yàn)3次取均值,得到吸雜口風(fēng)速與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線,如圖7a所示。由圖7a分析,隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大,單位時(shí)間內(nèi)從吸雜口吸進(jìn)更多的空氣,氣體流速加大,表現(xiàn)為吸雜口風(fēng)速、風(fēng)量的不斷增大。在已知吸雜口風(fēng)速的情況下可由式(11)計(jì)算吸雜口風(fēng)量Q。
式中Q為風(fēng)量,m3/s;D為吸雜口直徑,mm;v為吸雜口風(fēng)速,m/s;式(12)、(13)分別為吸雜口風(fēng)速、風(fēng)量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系的擬合方程,可知吸雜口風(fēng)速、風(fēng)量均與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速成一次正相關(guān)函數(shù),可以根據(jù)函數(shù)關(guān)系通過(guò)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風(fēng)速,為下一步試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)和提供便捷。
圖7b為揉搓滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)雜余處理效果的影響,固定擋板長(zhǎng)度為15 cm,吸雜口風(fēng)速14 m/s,滾筒轉(zhuǎn)速在400~1 000 r/min的范圍選取7個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)揉搓滾筒的揉搓性能進(jìn)行評(píng)價(jià),以揉搓后凈籽粒含量、籽粒破損量為標(biāo)準(zhǔn)。由圖7b知揉搓滾筒轉(zhuǎn)速在400~700 r/min增加時(shí),其對(duì)物料的揉搓能力逐漸增強(qiáng),凈籽粒量迅速增加,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到700 r/min時(shí)再繼續(xù)增大,其凈籽粒量增加緩慢、基本不再增加;且轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 r/min時(shí),有極少量的破損籽粒出現(xiàn),其量可忽略。綜合考慮且在保證籽粒沒(méi)有破損的情況下,其揉搓滾筒轉(zhuǎn)速在700~900 r/min的范圍具有較好的工作性能。
圖7c為吸雜口風(fēng)速與清選性能的關(guān)系圖,設(shè)定揉搓滾筒轉(zhuǎn)速為800 r/min,擋板長(zhǎng)度為15 cm,考察吸雜口風(fēng)速與清選性能的關(guān)系,由圖看出清潔率和損失率均隨著風(fēng)速的增大而上升。吸雜口風(fēng)速在6~10 m/s時(shí),由于此時(shí)風(fēng)速較小,空氣流速較低,吸雜能力較弱,因此損失率較低且增加緩慢,但較輕的雜物可以被不斷地吸走,因此清潔率能夠迅速增加。吸雜口風(fēng)速10~16 m/s時(shí),隨著風(fēng)速的增大和空氣流速的上升,較小的籽粒開(kāi)始被吸走造成損失,而此時(shí)輕雜物已被吸走,開(kāi)始吸走較大的雜物,因此吸走較困難,速率增加變慢。吸雜口風(fēng)速16~20 m/s時(shí),風(fēng)速的繼續(xù)增大使得空氣流速繼續(xù)上升,籽粒更易被吸走,造成籽粒損失迅速增大,而雜物基本上都被吸走,剩余極少的雜物難以被吸走從而隨籽粒落下。綜合分析吸雜口風(fēng)速與清選性能的關(guān)系,其風(fēng)速在12~16 m/s范圍內(nèi)時(shí),裝置的清選性能較好。
圖7d為清選室擋板長(zhǎng)度與清選性能的關(guān)系,設(shè)定滾筒轉(zhuǎn)速為800 r/min,吸雜口風(fēng)速14 m/s,可知在清選室擋板長(zhǎng)度在0~30 cm時(shí),由于擋板長(zhǎng)度的增加延長(zhǎng)了物料運(yùn)動(dòng)路程,物料更易直接從出料口出來(lái),而不是直接被吸雜口吸走,因此損失率一直降低。清潔率在擋板長(zhǎng)度為0~25 cm范圍內(nèi),擋板的增長(zhǎng)逐漸將清選室分為2個(gè)部分,此時(shí)清選室單個(gè)部分的風(fēng)速增大,雜物更易被吸走,清潔率上升。擋板長(zhǎng)度繼續(xù)增加時(shí),在延長(zhǎng)了物料運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)距離同時(shí),一些雜質(zhì)更易直接從出料口落下,而不是直接被吸雜口吸走,因此清潔率降低。只有當(dāng)清選室擋板長(zhǎng)度恰當(dāng)時(shí),才有最佳的清選效果,因此選擇擋板長(zhǎng)度為15~25 cm。
注:圖7a中,擋板長(zhǎng)度為15 cm;圖7b中,擋板長(zhǎng)度為15 cm,吸雜口風(fēng)速為14 m·s-1;圖7c中,揉搓滾筒轉(zhuǎn)速800 r·min-1,擋板長(zhǎng)度為15 cm;圖7d中,滾筒轉(zhuǎn)速800 r·min-1,吸雜口風(fēng)速為14 m·s-1。
Note: In Fig.7a, the length of the bezel is 15 cm; In Fig.7b, the length of the bezel is 15 cm, the suction port wind speed is 14 m·s-1; In Fig.7c, the speed of rubbing roller is 800 r·min-1, the length of the bezel is 15 cm; In Fig.7d, the roller speed is 800 r·min-1, the suction port wind speed is 14 m·s-1.
圖7 單因素試驗(yàn)結(jié)果
Fig.7 Single factor test results
3.3.2 二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)
在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)進(jìn)行多因素試驗(yàn),各因素取值如下:1為滾筒轉(zhuǎn)速700~900 r/min;2為吸雜口風(fēng)速12~16 m/s;3為擋板長(zhǎng)度15~25 cm。
在其范圍內(nèi)進(jìn)行三因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn),建立滾筒轉(zhuǎn)速、吸雜口風(fēng)速及清選室擋板長(zhǎng)度與清潔率、損失率之間的回歸方程,優(yōu)化確定最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)組合,利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design-Expert10.0進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)[35-40]。表3為因素編碼表,表4為試驗(yàn)結(jié)果。
表3 因素與水平
對(duì)表中試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析(表5為方差分析)得出吸雜口風(fēng)速、滾筒轉(zhuǎn)速與清潔率y、損失率y之間的回歸方程為
y=98.937 6+1.210 971?0.577 9272+0.584 83+
0.308 0512+0.176 913+0.042 723?
1.772 7512?1.097 9922?2.085 4632(14)
y=1.451 25+0.160 0931?0.156 4932+0.058 12463+
0.052 97512?0.067 52513?0.019 77523+
0.091 548 812+0.101 67822+0.048 09732(15)
表4 多因素試驗(yàn)結(jié)果
由回歸方程及表5可知,三因素對(duì)清潔率、損失率2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)都有較顯著的影響,由顯著性檢驗(yàn)可知清潔率、損失率回歸方程模型顯著、失擬不顯著,回歸方程與實(shí)際擬合較好。因此采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的該回歸方程能夠很好的對(duì)該裝置的工作性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。
表5 多因素試驗(yàn)方差分析
由表5方差分析可知,模型中3個(gè)交互項(xiàng)對(duì)清潔率和損失率均有顯著影響(<0.05)。
3.3.3 交互因素對(duì)裝置性能的影響
圖8、圖9分別為交互因素對(duì)燕麥籽粒揉搓式除雜裝置清潔率、損失率的影響。
圖8a、9a中,擋板長(zhǎng)度為20 cm時(shí),滾筒轉(zhuǎn)速、吸雜口風(fēng)速的增大,裝置作業(yè)清潔率先上升后趨于平緩,分析可知隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大,滾筒揉搓元件對(duì)物料的揉搓力、沖擊力增大,對(duì)帶皮籽粒的沖擊力加強(qiáng),使帶皮籽粒脫皮量增加,凈籽粒量增加;吸雜口風(fēng)速的增加,小的輕雜物更易被吸走,因此清潔率先上升;接著繼續(xù)增大吸雜口風(fēng)速,清潔率已經(jīng)在99%左右,基本不再上升,然由于風(fēng)速太大,使一些籽粒易被吸雜口吸走造成損失,損失率基本上處于上升狀態(tài)。
圖8b、9b中,吸雜口風(fēng)速為14 m/s時(shí),裝置作業(yè)清潔率呈現(xiàn)先上升后下降,分析可知隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大,產(chǎn)生的凈籽粒量也在增加,但隨著擋板長(zhǎng)度始增加,清選室被分割開(kāi)來(lái),面積減小,風(fēng)速增大,清潔率增大,擋板長(zhǎng)度繼續(xù)增大時(shí),使雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)路線延長(zhǎng)較多,雜質(zhì)不易被吸走,更易從出糧口落下降低清潔率;當(dāng)擋板太短時(shí),籽粒易直接被吸走,損失增加,后來(lái)隨著擋板長(zhǎng)度繼續(xù)增大,籽粒難以被吸走,損失率降低逐漸下降后基本不變。
圖8 交互因素對(duì)清潔率的影響
圖9 交互因素對(duì)損失率的影響
圖8c、9c中,滾筒轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí),裝置作業(yè)清潔率先上升后下降,損失率一直下降,分析可知擋板長(zhǎng)度增加時(shí)清潔率增加,繼續(xù)增加清潔率降低,損失率減少,原因同對(duì)圖8b、9b的分析,而吸雜口風(fēng)速的增加也使得雜物容易被吸走,清潔率增加,但由于擋板達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)雜物易從出糧口落下,清潔率降低;在擋板長(zhǎng)度和吸雜口風(fēng)速的雙重作用下,損失率則一直下降并趨于平緩。
3.3.4 裝置參數(shù)優(yōu)化
清潔率和損失率是2個(gè)評(píng)價(jià)裝置性能的重要指標(biāo),因此要對(duì)兩指標(biāo)合理分配權(quán)重,采用加權(quán)綜合評(píng)分法處理,由于兩指標(biāo)對(duì)裝置性能的評(píng)價(jià)同等重要,擬定清潔率權(quán)重為0.5,損失率權(quán)重0.5,以加權(quán)值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。以目標(biāo)函數(shù)值越大越好,損失率權(quán)重前加“-”。
目標(biāo)函數(shù)
邊界條件
式中(1,2,3)為加權(quán)值。
利用Design-Expert10.0軟件的自動(dòng)優(yōu)化求解功能,得出最佳參數(shù)組合為:滾筒轉(zhuǎn)速816 r/min,即線速度10.04 m/s,吸雜口風(fēng)速13.8 m/s,即風(fēng)量0.1083 m3/s,擋板長(zhǎng)度20.5 cm,此時(shí)清潔率99.23%,損失率1.53%。
3.3.5 驗(yàn)證試驗(yàn)
為考察優(yōu)化得到的參數(shù)準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn),采用優(yōu)化求解得到的參數(shù)值,即滾筒轉(zhuǎn)速816 r/min,吸雜口風(fēng)速13.8 m/s,擋板長(zhǎng)度20.5 cm,在此條件下進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)并計(jì)算平均值,表6為驗(yàn)證結(jié)果,其接近參數(shù)優(yōu)化值,在允許的試驗(yàn)誤差3%內(nèi),試驗(yàn)結(jié)果可信。
表6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果
1)本文針對(duì)中國(guó)燕麥?zhǔn)斋@后含雜(帶皮籽粒)多的問(wèn)題,結(jié)合燕麥耐揉搓的優(yōu)良特性,提出了一套先揉搓后除雜的燕麥籽粒除雜的方案,設(shè)計(jì)了一種燕麥籽粒揉搓式除雜試驗(yàn)裝置并進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明該裝置具有很好的除雜效果。
2)進(jìn)行了風(fēng)速與轉(zhuǎn)速的標(biāo)定,確定了吸雜口風(fēng)速、風(fēng)量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系;進(jìn)行了物料各成分處理前后懸浮速度的對(duì)比試驗(yàn),證實(shí)了所提出方案的正確性及裝置設(shè)計(jì)的合理性。
3)單因素試驗(yàn)確定了揉搓性能較好時(shí)滾筒轉(zhuǎn)速700~900 r/min,清選性能較好時(shí)的吸雜風(fēng)速12~16 m/s、擋板長(zhǎng)度15~25 cm。多因素優(yōu)化試驗(yàn)得到了裝置的較優(yōu)組合參數(shù):揉搓滾筒轉(zhuǎn)速816 r/min,吸雜口風(fēng)速13.8 m/s,擋板長(zhǎng)度20.5 cm,此時(shí)清潔率99.23%,損失率1.53%,驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明在允許的試驗(yàn)誤差3%內(nèi),試驗(yàn)結(jié)果可信。
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Design on oat-grains purification device with rubbing roller
Geng Lingxin1,2,Sun Chenglong1, Zuo Jiewen1, Jin Xin1, Kong Lingju2, Ji Jiangtao1,2※
(1.,,471003,; 2.,471003,)
Oats have been paid more and more attention because of their high nutritional value and economic benefits. In view of the inconsistency of grain maturation in the same plant caused low maturity of grains is difficult to desquamate, so the content of grains with skin (shell) is high, which affects the harvest quality and subsequent processing. The oat-grains are strong and tough, are not easy to break, this paper according to the special characteristics of oat-grains, combined with the advantages of rubbing resistance, put forward a scheme to purify oat-grains. The scheme used the advantages of strong toughness and rubbing resistance to rub and remove the shell (peel) of the oat-grains first, then cleaned the grains with negative pressure clearance. It could avoid the disadvantages of miscellaneous surplus and separate the grain easier. This paper used the principle of rubbing grain peel (shell) and negative pressure clearance, designed a high degree of clarity and low loss oat grain purification device to solve the problem of high clutter content of oat grain caused by the large grains with shell. The device used a vertical conical rubbing roller to rub and treat the miscellaneous residues of oat leather grain and so on, and used the negative pressure cleaning room to clear and remove the clutter in the oat grain. The device could achieve the high cleanliness and low loss result, improve the quality of oat grains harvesting, and avoid the loss of grains, finally achieved the goal of increasing harvest yield and improving grain quality. In this study, the factors affecting including the speed of rubbing roller, the air speed of miscellany expert and the bezel length were analyzed and screened, and the clean ratio and loss ratio were used as the evaluation indicators. A single factor test was carried out to determine the range of optimal values for each influencing factor, and multivariate regression test was carried out on the basis of the single factor test. The multivariate regression model of test factors and evaluation indicators were established and solved, and the response surface analysis of the influence of 2 factors on the evaluation index was processed. The parameter values after optimization were validated. The test results showed that the single factor affecting the performance index of the device was 700-900 r/min of the roller speed, the air speed of miscellany expert was 12-16 m/s, the bezel length was 15-25 cm. The multivariate regression test results in a better combination of parameters: the roller speed was 816 r/min, the air speed of miscellany expert was 13.8 m/s, the bezel length was 20.5 cm, then the clean ratio of the index was 99.23% and the loss ratio was 1.53%. When the optimization parameter combination condition was pressed, the verification test results were trusted within the allowed test error within 3%. This study provides a reference and experimental basis for improving the technical level of oat harvesting machinery in China and the development of subsequent oat food processing machinery.
mechanization; design; crops; vertical conical; rubbing type; oat miscellaneous; negative pressure clearance
2019-01-22
2019-05-27
“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0701800、2016YFD0701805-1)
耿令新,副教授,博士,研究方向?yàn)楣任锫?lián)合收獲機(jī)的研究。Email:genglingxin@163.com
姬江濤,教授,博士,研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程方向。Email:jjt0907@163.com
10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.005
S226.5
A
1002-6819(2019)-11-0038-10
耿令新,孫成龍,左杰文,金 鑫,孔令舉,姬江濤. 燕麥籽粒揉搓式除雜裝置設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2019,35(11):38-47. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.005 http://www.tcsae.org
Geng Lingxin, Sun Chenglong, Zuo Jiewen, Jin Xin, Kong Lingju, Ji Jiangtao. Design on oat-grains purification device with rubbing roller[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 38-47. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.005 http://www.tcsae.org