耿端陽 蘇國粱,2 魏忠彩,2 譚德蕾 李學強 劉 洋,2
(1.山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院,淄博 255091;2.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術研究中心,德州 253600;3.山東希成農(nóng)業(yè)機械科技有限公司,德州 253600)
在我國北方馬鈴薯主產(chǎn)區(qū),田間散布有大小不一、形狀各異的石塊,這給聯(lián)合收獲后的馬鈴薯清選和分選帶來了諸多問題。在馬鈴薯機械化收獲過程中,僅依靠桿條式分離篩難以達到理想的薯石分離效果[1-2]。在馬鈴薯清選階段,聯(lián)合收獲后的物料需輔以人工進行分選,其勞動強度大、耗時較長,難以實現(xiàn)人工分選與機械化收獲的協(xié)同配合[3-4]。同時,馬鈴薯混雜石塊還會影響收獲機關鍵部件的工作可靠性。
馬鈴薯清選機是對聯(lián)合收獲機收獲后的薯石混合物進行清選、分離的設備[5-6],其結(jié)構形式多為輥式和網(wǎng)篩式結(jié)構,主要根據(jù)馬鈴薯的外形尺寸進行清選分離[7-8]。呂金慶等[9]設計了差動式馬鈴薯分級機,采用改變固定輥和浮動輥間隙的方式實現(xiàn)了馬鈴薯分級,并確定了分級效果最優(yōu)的工作參數(shù)。宋言明等[10]設計了滾刷式馬鈴薯聯(lián)合收獲機,通過毛刷清刷馬鈴薯表層,實現(xiàn)土雜與馬鈴薯的分離。國外對馬鈴薯清選機研究較早,但主要集中在馬鈴薯與硬雜物及秧蔓的分離方面[11-17],如MISENER等[18]對刷篩組合式、電子分離式和沖擊輥式薯雜分離裝置進行了研究,分析、優(yōu)化了3種裝置的作業(yè)參數(shù)。德國GRIMME公司開發(fā)了智能馬鈴薯清選機,該機可實現(xiàn)土石圖像識別、定向去雜、機械分選、清洗、輸送和包裝等功能[19],但與國內(nèi)農(nóng)藝需求貼合度較低,難以適應我國北方地區(qū)馬鈴薯“防凍搶收入庫”的生產(chǎn)實際需求。
針對多石工況下馬鈴薯清選過程中的石塊剔除問題,本文設計一種馬鈴薯氣力懸浮薯石分離裝置,確定馬鈴薯氣力懸浮和振動分層分離相結(jié)合的薯石分離裝置的具體結(jié)構,以期提高馬鈴薯的選出率和清選潔凈率,并提高清選效率。
氣力懸浮薯石分離裝置結(jié)構如圖1a所示,主要包括離心風機、氣流管道、喂料裝置、排雜裝置、振動篩、連桿和落料口開閉裝置。其實物如圖1b所示。
氣力懸浮薯石分離裝置的振動裝置結(jié)構如圖2所示,主要包括偏心輪、連桿、擋料板、振動篩、側(cè)連接板和支臂。落料口通過調(diào)整擋料板實現(xiàn)落料口開閉:系統(tǒng)工作時開啟,利于石塊的順利排出;非工作時關閉,避免懸浮區(qū)殘留馬鈴薯落入排雜裝置造成浪費。
氣力懸浮薯石分離裝置作業(yè)時,開啟離心風機的電機,為薯石分離提供特定速度的氣流,喂料裝置的輸送帶向振動篩輸送薯石混合物,振動篩在偏心輪驅(qū)動下往復擺動,馬鈴薯和石塊在重力作用下落在振動篩面;隨著振動篩擺動,馬鈴薯被拋離篩面并借助氣流作用以懸浮狀態(tài)送至出料端,而石塊在重力和振動篩的振動作用下滑落至排雜裝置,達到薯石分離的目的。氣力懸浮薯石分離裝置主要參數(shù)如表1所示。
表1 氣力懸浮薯石分離裝置參數(shù)
氣力懸浮薯石分離裝置采用氣力與振動相結(jié)合的方式實現(xiàn)薯石的懸浮分離,其空氣動力學特性對參數(shù)選擇和分離效果有較大的影響。
氣力懸浮薯石分離是利用薯石密度差異借助振動篩作用實現(xiàn)薯石分層分布,利用馬鈴薯與石塊懸浮速度差異,借助高速氣流作用實現(xiàn)馬鈴薯的懸浮、輸送,達到薯塊與石塊分離的目的。薯石分離過程的運動分析如圖3所示,圖中vp、ve分別為馬鈴薯和石塊在氣力和振動篩的作用下的運動速度。
當薯石混合物均勻落在振動篩篩面后,隨著振動篩的抖動,由于薯石密度差異出現(xiàn)分層趨勢;進一步在氣流作用下,由于馬鈴薯懸浮速度小于石塊的懸浮速度,處于上層的馬鈴薯借助氣流作用脫離篩面,并在氣流作用下以懸浮狀態(tài)向出料口運動,且馬鈴薯氣流速度小于石塊懸浮速度,處于下層的石塊則在抖動過程逐漸向排雜裝置運動,最終通過排雜裝置排出。根據(jù)氣固兩相流分離理論,氣流推力為[20]
(1)
式中Ft——氣流推力,N
C——物料阻力系數(shù)
A——物料迎風面積,m2
ρs——物料密度,kg/m3
vs——氣流速度,m/s
氣流場分為3個區(qū)域:粘性摩擦阻力區(qū)、過渡區(qū)和牛頓區(qū)。不同的區(qū)域?qū)煌膽腋∷俣扔嬎愎剑瑸榇_定計算馬鈴薯和石塊所使用的懸浮速度公式,需首先確定馬鈴薯和石塊阻力系數(shù)C所屬的區(qū)域。一般通過比較物料粒徑尺寸和計算因子T之間關系的方式,即粒徑法[20]來間接確定阻力系數(shù)C所屬的區(qū)域,計算因子公式為
(2)
式中T——計算因子,mm
μ——空氣動力粘度,按20℃取1.81×10-5Pa·s
ρa——空氣密度,1.2 kg/m3
實測馬鈴薯密度為1 171~1 199 kg/m3,取平均值1 185 kg/m3,其計算因子Ta為6.13×10-2mm。實測石塊密度2 400~2 800 kg/m3,取平均值2 600 kg/m3,其計算因子Tb為4.72×10-2mm。
由流體力學可知[20],適用于各流場區(qū)域粒徑與計算因子T的關系分別為:
粘性摩擦阻力區(qū)
dp≤2.2T
(3)
過渡區(qū)
2.2T (4) 牛頓區(qū) 20.4T (5) 式中dp——物料粒徑,mm 根據(jù)北方常見馬鈴薯的塊莖尺寸[21],以確保所有馬鈴薯均可達到懸浮狀態(tài)為目的,此處取馬鈴薯的平均當量粒徑dpa=45 mm。由于收獲機輸送分離篩的尺寸限制[22],收獲后的石塊尺寸大于等于35 mm。為保證所有石塊不脫離振動篩篩面,取石塊最小粒徑dpb=35 mm,顯然馬鈴薯及石塊的阻力系數(shù)均處于牛頓區(qū),其懸浮速度公式為[20] (6) 式中vp——物料懸浮速度,m/s S——物料修正系數(shù) 由于馬鈴薯和石塊的阻力系數(shù)處于牛頓區(qū),阻力系數(shù)為常數(shù),即C=0.44[20]。 馬鈴薯形狀差別較大,一般呈不規(guī)則橢球形,采用不規(guī)則橢圓體的形狀修正系數(shù)代替,Sa=1.1[20]。則計算得馬鈴薯懸浮速度vpa=34.40 m/s。石塊形狀非常復雜,但多為不規(guī)則的棱形體或類球形體,為簡化分析,采用不規(guī)則球體的形狀修正系數(shù)代替,Sb=1.2[20],計算得懸浮速度vpb=43.32 m/s。 由上述分析可知,馬鈴薯最大懸浮速度小于石塊最小懸浮速度,滿足氣力分離的基本要求。由此確定了系統(tǒng)氣流速度即馬鈴薯和石塊的落料口的氣流速度,取出料口最大氣流速度為35 m/s。離心風機具有風力集中、轉(zhuǎn)速上限高和可精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的優(yōu)勢[23],更適合該裝置頻繁的氣流速度調(diào)節(jié),其全壓[20]為 pqa=psa+pda (7) (8) 式中pqa——離心風機全壓,Pa psa——離心風機出口處靜壓,Pa pda——離心風機出口處動壓,Pa psf——離心風機靜壓,Pa ε——管道固有阻力系數(shù) va——氣流速度,m/s 根據(jù)伯努利方程得出的氣流速度-風壓關系,離心風機的動壓為 (9) 氣流速度與風量換算關系為 qa=3 600vaZ (10) 式中qa——離心風機風量,m3/h Z——氣流管道截面積,m2 風機出口氣流速度va為35 m/s,代入式(9)可得pda=735 Pa;根據(jù)氣流管道形狀和結(jié)構,管道固有阻力系數(shù)為ε=1.25[22],代入式(8)得psa=918.75 Pa;將psa和pda代入式(7)得風機全壓pqa=1 653.75 Pa。與風機連接的氣流管道長度為1 000 mm,其截面為657 mm×575 mm的矩形,則管道截面積Z=0.378 m2,將Z與va代入式(10),計算得離心風機風量qa=47 628 m3/h。選取4-72 NO.8A型右旋0°的離心風機(德州億沃特風機有限公司),并匹配15 kW可變頻調(diào)速的三相異步電動機。根據(jù)一般變頻器的選用需求,變頻器的功率應稍大于電機功率,選用功率為18 kW的變頻器。 振動裝置是薯石懸浮分離機的核心部件,其結(jié)構如圖4所示??紤]薯石懸浮分離技術是借用薯石懸浮速度差異實現(xiàn)馬鈴薯懸浮、石塊不離篩面的原理進行分離,所以為了確保馬鈴薯的懸浮效果,減小懸浮過程石塊等對其造成的影響,設計了振動裝置使薯石混合物自動分層,即密度較小的馬鈴薯處于上層,而密度較大的石塊處于下層;且在石塊遮擋篩孔作用下會使氣流速度增大,更有利于馬鈴薯的懸浮輸送。 振動裝置的整體結(jié)構為曲柄連桿帶動平行四連桿往復運動的形式,曲柄連桿裝置的曲柄長度和曲柄轉(zhuǎn)速會影響振動篩的振幅、頻率和振動篩運動的加速度。借鑒谷物收獲機中清選裝置結(jié)構參數(shù)的確定方法[24],結(jié)合薯石混雜物的具體情況,選取偏心輪偏心距即曲柄半徑R=15 mm,擺動桿長度即連桿長度L1=540 mm,并取支臂間距L2=200 mm,支臂L3=150 mm。 振動篩對馬鈴薯與石塊分層以及往復運動具有很大的影響,其外形尺寸盡量與風機風道寬度接近;篩孔結(jié)構選取結(jié)構簡單的矩形孔,其尺寸和排列方式如圖5所示。 根據(jù)與風機連接的氣流管道的截面尺寸和結(jié)構設計需求,確定振動篩的尺寸為490 mm×470 mm,并在篩面上開有15 mm×9 mm的矩形孔。 薯石混合物進入薯石分離腔后,并不會瞬間完成分離,而是首先落于振動篩之上,在氣流的懸浮作用和振動篩的振動組合作用之下,最終馬鈴薯沿水平方向朝向出料端運動,石塊在振動篩的振動作用下沿振動篩的方向落入排雜裝置。薯石分離過程的4個關鍵狀態(tài)如圖6所示。 薯石分離過程可分為:薯石輸送、薯石觸篩、薯石分層和薯石分離。分析可知,馬鈴薯和石塊的混合物在薯石輸送和薯石觸篩的瞬間其狀態(tài)均為無序排列;薯石混合物接觸分離篩后,在振動篩的振動作用下,馬鈴薯和石塊完成分層,即呈現(xiàn)出“馬鈴薯在上,石塊在下”的狀態(tài);馬鈴薯和石塊分層后,馬鈴薯被拋離篩面并在氣力作用下達到懸浮狀態(tài)并向出料口方向輸送,石塊不會達到懸浮狀態(tài),并在振動篩的振動下,沿篩面向排雜裝置方向滑動,并最終落入排雜裝置,完成薯石分離。 薯石混合物進入薯石分離腔后,薯石混合物到達振動篩并完成分層,借助振動篩振動和氣力的共同作用,馬鈴薯被拋離篩面、達到懸浮狀態(tài)并朝出料口方向運動,石塊沿振動篩方向朝向排雜裝置滑動,最終落入排雜裝置。物料在接觸振動篩的瞬間受力分析如圖7所示。薯石混合物被拋離振動篩的瞬間,其受到的力為物料自身的重力mg、氣力fq、慣性力u、篩面的法向反力FN和摩擦力f,因曲柄長度遠小于連桿長度,加之篩面是由4根等長同相位支臂組成的平行四桿機構支撐,所以篩面運動規(guī)律完全相同,即可看作篩面沿OB方向做往復直線運動。以OB方向為x軸,與OB垂直的方向為y軸建立直角坐標系。則篩面上任意一點的加速度a可表示為 a=Rω2cos(ωt) (11) 式中ω——曲柄角速度,rad/s 薯石混合物和篩面一起運動,當ωt在0~π/2和3π/2~2π區(qū)間(1、4象限)時(圖7a),加速度a為正,慣性力u為負,薯石混合物有沿篩面向后滑動的趨勢。當ωt在π/2~3π/2區(qū)間(2、3象限)時(圖7b),加速度a為負,慣性力u為正,薯石混合物有沿篩面向后滑動的趨勢。 對于石塊,理想的運動狀態(tài)是其沿傾斜篩面向后滑落直至落入排雜裝置,且在運動過程中不能被拋離篩面。 當加速度為正(圖7a)時,石塊可以沿篩面向后滑動的條件為 megsin(β-φ)+meRω2cos(ωt)cos(γ-β+φ)- (12) 式中me——石塊質(zhì)量,kg β——篩面傾角(振動篩與水平方向夾角),(°) γ——擺動桿與水平方向夾角,(°) α——氣流運動方向與水平方向夾角,(°) φ——石塊與篩面摩擦角,(°) 石塊不被拋離篩面的條件為 megcosβ<0 (13) 當加速度為負(圖7b)時,石塊可以沿篩面向后滑動的條件為 megsin(β+φ)-meRω2cos(ωt)cos(γ-β-φ)- (14) 石塊不被拋離篩面的條件為FN>0,即 megcosβ<0 (15) 對于馬鈴薯,理想的運動狀態(tài)是其接觸篩面后被拋離篩面并達到懸浮狀態(tài)向前輸送至出料口。物料拋離篩面的臨界條件為FN=0,則當加速度為正時(圖7a),馬鈴薯被拋離篩面的條件為 mpgcosβ≥0 (16) 式中mp——馬鈴薯質(zhì)量,kg 當加速度為負時(圖7b),馬鈴薯被拋離篩面的條件為 mpgcosβ≥0 (17) 為最大程度保證馬鈴薯的清選效果,應盡量減少清選過程中與薯土分離腔中部件機械接觸的時間和次數(shù),以防輸送過程中與篩面石塊的撞傷。當馬鈴薯懸浮輸送最低點與擺動篩往復運動的最高點無運動干涉,馬鈴薯才不會出現(xiàn)因運動干涉而造成損傷,薯篩碰撞分析如圖8所示,其中,W1為馬鈴薯拋離篩面前的初始位置,W2為馬鈴薯懸浮輸送的最低位置,h為馬鈴薯由W1位置懸浮至W2位置的距離,即馬鈴薯的懸浮高度。根據(jù)氣固兩相流壓力損失理論,將馬鈴薯提升h需要克服摩擦壓力損失和提升阻力損失[20],即 Δps=Δpf+Δpc (18) (19) (20) 式中 Δps——提升馬鈴薯的壓力損失,Pa Δpf——摩擦壓力損失,Pa Δpc——提升阻力損失,Pa λa——氣體摩擦因數(shù) D——管道直徑,m n——薯石混合物中薯石質(zhì)量比 根據(jù)式(1)和式(9),氣流將馬鈴薯提升高度h后的氣流推力損失ΔFt為 (21) 分析可知,氣流推力Ft在豎直方向分力Ftsinα不僅要使馬鈴薯達到懸浮狀態(tài),且要使其升至距離篩面高度h處進行懸浮輸送的條件是:Ftsinα不小于馬鈴薯的重力和氣動推力損失之和,故Ftsinα需增大至可以彌補提升馬鈴薯至高度h處的損失,表達式為 (22) 式(22)即為馬鈴薯達到懸浮狀態(tài)并不與振動篩產(chǎn)生二次跌落碰撞的條件。 根據(jù)薯石分離工況和分層分離設計需求,取連桿與水平方向夾角γ=18°,為保證馬鈴薯既可以達到豎直方向上的懸浮效果,又可以在水平輸送過程中不產(chǎn)生擁堵和淤積,需確定氣力與水平方向夾角α的取值,根據(jù)前期的單因素試驗并結(jié)合實際經(jīng)驗,此處取氣力與水平方向夾角α=53°。結(jié)合前述分析,薯石分離主要受氣流速度vs、曲柄角速度ω和篩面傾角β的影響。 采用自制的氣力懸浮薯石分離試驗臺進行試驗。其他主要儀器有:轉(zhuǎn)速儀(廣州市速為電子科技有限公司),電子秤(廣州市威衡電子有限公司),數(shù)字式氣流速度表(?,攦x表有限公司)和卷尺。試驗在山東希成農(nóng)業(yè)機械科技有限公司進行,試驗現(xiàn)場如圖9所示。 根據(jù)馬鈴薯清選工藝以及作業(yè)損失限制要求,該裝置適用的作業(yè)工況是聯(lián)合收獲后的待加工的淀粉薯清選,故破皮率不作為評價指標[25-26],此處定義馬鈴薯清選的主要評價指標有:馬鈴薯選出率Y1和清選潔凈率Y2,計算式為 (23) 式中Q1——清選后物料中馬鈴薯質(zhì)量,kg Q2——清選前馬鈴薯總質(zhì)量,kg (24) 式中U1——清選后物料中石塊質(zhì)量,kg U2——清選前石塊總質(zhì)量,kg 對薯石清選分離試驗用的馬鈴薯和石塊密度采用排水法進行測定,結(jié)果分別為1 185、2 600 kg/m3。 為驗證氣流速度vs、篩面傾角β和曲柄角速度ω對氣力懸浮薯石分離過程中馬鈴薯選出率和清選潔凈率的影響規(guī)律,獲取較優(yōu)參數(shù)組合,采用三因素三水平正交試驗方案,在前期單因素試驗的基礎上,分別開展不同氣流速度(15~35 m/s)、篩面傾角(14°~22°)和曲柄角速度(10~30 rad/s)下的馬鈴薯清選機氣力懸浮薯石分離試驗。試驗中喂料速度60 t/h,取石薯質(zhì)量比為0.1。 通過對試驗結(jié)果進行分析,得出各個因素對試驗結(jié)果影響的顯著性,最終得到各因素較優(yōu)的水平組合。試驗因素水平如表2所示。 表2 試驗因素水平 正交試驗方案及結(jié)果如表3所示,A、B、C為因素水平值。對正交試驗的結(jié)果進行方差與極差分析,結(jié)果如表4、5所示。 表3 正交試驗方案與結(jié)果 表4 極差分析結(jié)果 由方差分析結(jié)果可知,該試驗中馬鈴薯選出率和清選潔凈率兩模型的顯著性均為極顯著,試驗結(jié)果可靠。氣流速度對馬鈴薯選出率和清選潔凈率均有顯著影響;篩面傾角對馬鈴薯選出率有顯著影響,對清選潔凈率有極顯著影響;曲柄角速度對馬鈴薯選出率無顯著影響,對清選潔凈率有顯著影響。 根據(jù)極差分析結(jié)果,馬鈴薯選出率對應的較優(yōu)因素水平組合為A3B1C3,清選潔凈率對應的較優(yōu)因素水平組合為A1B3C3。 當氣流速度為15、25、35 m/s時,馬鈴薯選出率分別為63.88%、73.10%和90.02%,即選出率隨氣流速度的增大而增大,較優(yōu)因素水平為A3;這是因為在氣流速度增大時,馬鈴薯會達到更好的懸浮效果,從而增大了馬鈴薯選出率。清選潔凈率分別為90.90%、88.93%和71.32%,即清選清潔率隨氣流速度的增大而減小,較優(yōu)因素水平為A1;當氣流速度增大時,石塊受到的氣力增大,石塊便會有向前滑動和拋離篩面的可能,當氣流速度增大到一定數(shù)值,石塊向前滑動或拋離篩面,清選潔凈率降低。但在實際生產(chǎn)中,馬鈴薯選出率為首要評價指標,這是由于過多的馬鈴薯和石塊一同流向石塊輸出方向,損失率升高并增加后續(xù)處理負擔[4],且由表4分析可知氣流速度并不是影響清選潔凈率的主要因素,因此此處選取A3作為較優(yōu)因素水平。 當篩面傾角為14°、18°和22°時,馬鈴薯選出率分別為87.55%、83.68%和55.77%,即選出率隨篩面傾角的增大而減小,較優(yōu)因素水平為B1;清選潔凈率分別為71.09%、80.07%和100%,隨篩面傾角的增大而增大,較優(yōu)因素水平為B3。當篩面傾角增大時,無論是對于馬鈴薯還是石塊,其重力沿篩面方向的分力均會增大,故馬鈴薯和石塊沿篩面向后滑動的趨勢增加,當篩面傾角增大到一定數(shù)值時,馬鈴薯和石塊沿篩面向后滑動,導致馬鈴薯選出率降低,而清選潔凈率增大。由表5分析可知,篩面傾角對兩個指標均有顯著影響且對兩個指標的影響趨勢相反,且馬鈴薯選出率的較優(yōu)因素水平為B1,清選潔凈率的較優(yōu)因素水平B3,因此選取B2作為較優(yōu)因素水平。 表5 方差分析結(jié)果 當曲柄角速度為10、20、30 rad/s時,馬鈴薯選出率分別為74.93%、75.85%和76.22%,即選出率隨曲柄角速度的變化無較明顯變化,與極差和方差分析結(jié)果相符,較優(yōu)因素水平為C3;清選潔凈率分別為77.57%、78.06%和95.53%,隨曲柄角速度的增大而增大,較優(yōu)因素水平為C3。根據(jù)式(11)分析可知,當曲柄角速度增大時,石塊沿篩面向后滑動的趨勢增加,且石塊更加不會被拋離篩面,從而清選潔凈率增大,因此選取C3作為較優(yōu)因素水平。 因此,馬鈴薯清選機氣力懸浮薯石分離裝置的較優(yōu)因素組合為A3B2C3,即氣流速度為35 m/s,篩面傾角為18°,曲柄角速度為30 rad/s。 驗證試驗的試驗條件和測試方法與正交試驗完全相同,按照較優(yōu)因素組合A3B2C3進行試驗,重復3次試驗取平均值,驗證結(jié)果如表6所示,經(jīng)過試驗得出馬鈴薯選出率均值為96.71%,清選潔凈率均值為98.34%,證明了較優(yōu)組合選取的合理性,也滿足了馬鈴薯清選的作業(yè)要求。 表6 驗證試驗結(jié)果 (1)研究了基于氣力懸浮、振動分層的薯石分層分離和基于懸浮輸送的氣力懸浮薯石分離機理,基于氣力懸浮薯石分離技術,設計了馬鈴薯清選機氣力懸浮薯石分離裝置,并探究不同參數(shù)調(diào)整條件下的薯石分離清選特性。 (2)進行了氣力懸浮薯石分離正交試驗,對試驗結(jié)果進行了極差和方差分析,并進行了驗證試驗。結(jié)果表明:當氣流速度為35 m/s、篩面傾角為18°、曲柄角速度為30 rad/s時,馬鈴薯選出率均值為96.71%,清選潔凈率均值為98.34%。該裝置滿足薯石清選作業(yè)的要求,各指標符合相關國家標準要求。2.2 振動裝置設計
3 薯石分離過程及運動特性分析
3.1 薯石分離過程分析
3.2 薯石分離運動特性分析
4 試驗設計與結(jié)果分析
4.1 試驗設備及試驗條件
4.2 試驗參數(shù)和評價指標
4.3 試驗方法
4.4 試驗結(jié)果及分析
4.5 驗證試驗
5 結(jié)論