孫繼君

(黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

隨著國家政策調整、農業(yè)生產模式轉變及農業(yè)機械水平的不斷提升,我國農業(yè)生產模式發(fā)生了較大的變化。隨著農業(yè)生產集約化、標準化的不斷發(fā)展,以及人民對農業(yè)生產要求的逐漸提升,農業(yè)生產更加注重谷物品質。提高谷物清選效率為后續(xù)谷物運輸、存儲、銷售和種子制備提供良好的基礎條件,因此,優(yōu)化谷物清選機裝置對于提高農業(yè)生產效率具有重要意義[1-2]。

谷物清選是農業(yè)生產的重要環(huán)節(jié)之一,谷物收獲后會存在草籽、秸稈殘茬、泥沙及不飽滿谷粒等,經過谷物清選后可以獲得質量較高且顆粒飽滿的谷物,對于提高谷物存儲、銷售和播種質量有一定的促進作用[3]。

1 谷物清選機工作原理與分類

谷物清選機分為常規(guī)清選方式和電分離方式兩種。常規(guī)谷物清選方法主要是基于谷物集合尺寸和空氣動力學特性進行清選,主要包括風篩法、比重法和窩眼清選法等;電分離法主要是利用谷物的生物學特性,如種子發(fā)芽率和種子活力等,進行谷物清選,目前主要應用于水稻、菜籽和油料等種子的清選[4]。

目前,市面上常見的谷物清選機包括風篩式、比重式、窩眼式和復式清選裝置4種類型。風篩式谷物清選機使用不同尺寸和規(guī)格的篩片對不同谷物進行清選,同時可以利用懸浮速度去除草籽和秸稈殘茬等雜質,具有設備結構簡單、振動幅度較大、工作穩(wěn)定性較高、通用性較強的特點,適用于小麥、大麥、玉米、水稻和豆類等作物;比重式谷物清選機工作原理是谷物在空氣壓力作用下由于質量不同產生分層,進而達到谷物清選的目的,具有設備結構簡單,生產效率較高,凈度較高的特點,適用于小麥、玉米、水稻等作物;窩眼式谷物清選機工作原理是在進行谷物清選時,谷物在窩眼中做高速旋轉運動,利用谷物與其他雜質運行軌跡的不同實現(xiàn)谷物清選,具有設備結構簡單、清選效率較高、高能低耗、易于日常維護的特點,適用于小麥、燕麥和豆類等作物;復式谷物清選機在進行清選作業(yè)時,首先利用吸風道截面積的差異分離雜質,然后再進行窩眼清選,實現(xiàn)進一步清選,具有可靠性較高,谷物清選效果好,適用范圍較廣的特點,通用性較高,能夠適用于不同谷物的清選。

2 國內外研究進展及存在的問題

2.1 研究進展

谷物清選裝置研究起步較早,發(fā)展較快。目前,國外谷物清選裝置具有智能化水平高、制作工藝精良和運行穩(wěn)定等應用優(yōu)勢。谷物清選裝置主要包括機械式和液壓調解式兩種,操作靈活并且易于控制。目前國外谷物清選技術主要向光電技術發(fā)展,可以根據(jù)谷物表面不同的色澤進行清選,或者基于高壓靜電技術,根據(jù)谷物極化帶電等特性進行谷物清選。我國對谷物清選機的研究始于20世紀50年代,最初是從蘇聯(lián)和匈牙利等國家進行設備引進,并開展相關研究。20世紀90年代后,我國逐漸開始了各種類型的谷物清選機的研發(fā)[5]。

2.2 存在問題

通過對國內外文獻調研和研究進展可知,目前谷物清選機存在清選性能不穩(wěn)定、通用性較差等問題,我國在谷物清選機自主研發(fā)過程中存在加工工藝落后,整體裝備質量不高等問題,導致在種子清選機使用過程中振動幅度大且技術水平低。谷物清選機生產企業(yè)較多,部分企業(yè)生產的谷物清選機多為國外仿制產品,缺乏相關理論研究和技術積累,自主研發(fā)的產品處于低水平重復狀態(tài),影響了我國谷物清選機的提高與發(fā)展。

3 小型谷物清選機結構及設計

3.1 整體結構

本研究提出一種小型谷物清選機的設計方案,主要包括進料斗、機架、清選風機、振動篩版、傳動裝置等組成。采用電驅動方式,谷物首先進入前方的振動篩板進行風選,質量較輕的雜質被清選風機吹出,然后谷物進入后方的振動篩板進行二次清選,主要工作流程如圖1所示。

圖1 種子清選機工作流程示意圖

3.2 進料斗的參數(shù)設計

進料斗主要包括前板、后板和分流板等關鍵部件。為了保證谷物清選機能夠穩(wěn)定和連續(xù)的工作,應保證谷物能夠連續(xù)不斷地進入振動篩版,并且均勻地分布在篩板中,因此,進料斗的參數(shù)設計對于保證清選穩(wěn)定性具有重要意義。本研究進料斗口的寬度為350 mm,長度為705 mm。

3.3 偏心輪的參數(shù)設計

谷物清選機主要是通過偏心齒輪實現(xiàn)持續(xù)往復運動,偏心輪的轉速決定了谷物清選頻率f,計算公式如式(1)所示

f=n/60

(1)

式中n—偏心輪轉速,r·min-1。

扇形偏心塊的面積A和偏心距r0計算公式如式(2)和式(3)所示

(2)

(3)

式中R1,R2—齒輪半徑,mm;

θ1—扇形大圓弧半中心角,(°);

θ2—扇形小圓弧中心角,(°)。

3.4 清選風機的參數(shù)設計

1)清選機氣流Q的設計如式(4)所示

Q=q0/(u·ρ)

(4)

式中q0—進入清糧室的谷?；旌衔镔|量,

kg·s-1,取q0=0.28 kg·s-1;

u—重量濃度比,一般取0.8左右;

ρ—空氣密度,kg·m-3,取ρ=1.2 kg·m-3。

2)壓力P計算公式如式(5)所示

P=Px+Pd

(5)

式中Pd—氣流出口動壓,Pa。

3.5 振動篩的參數(shù)設計

振動篩板主要由上、中、下三層分離篩組成,可以保證較高的谷物清選效果。每層分離篩由兩塊篩板組成。目前,市面上振動分離篩種類較多,主要包括平面篩、圓筒篩和圓錐篩。本研究以水稻和小麥顆粒的外形為參考,對篩板篩網結構進行優(yōu)化,篩板結構尺寸為長度190 cm,寬度150 cm,厚度為2 mm,兩個篩板之間的距離為40 mm。

4 試驗與分析

4.1 試驗方法

谷物清選作業(yè)時,在喂料口取樣,重復3次,每次取料重量>1 kg;在排料口接取谷物,重復3次,每次取料重量>1 kg;在雜余口接取雜質,重復3次,每次取料重量>1 kg。

4.2 測定指標與方法

1)純工作小時生產率

Ec=Wq/Tc

(7)

式中Ec—純工作小時生產率,t·h-1;

Wq—測定時間內喂入谷物的重量,t;

Tc—測定時間,h。

2)單位功率生產率

Ed=Wq/Q

(8)

式中Ed—單位功率生產率,t·(kW·h)-1;

Q—測定時間耗電量,kW·h。

3)單位篩片面積生產率

Es=Ec/S

(9)

式中Es—單位篩片面積生產率,t·(m2·h)-1;

S—清選機篩片總面積,m2。

4)清選每噸谷物消耗風量

Ef=G/Ec

(10)

式中Ef—清選每噸谷物消耗風量,M3·t-1;

G—清選機風機每小時風量,M3·h-1。

5)獲選率

a=W·μ/(Wq·μq)

(11)

式中a—獲選率,%;

W—主排出口排出的清選后谷物重量,t;

μ—清選后谷物凈度,%;

μq—清選前谷物凈度,%。

6)除雜率

(12)

式中β—除雜率,%;

vq—清選前谷物含雜率,%;

v—清選后谷物含雜率,%;

4.3 結果與分析

在上述條件下,基于本研究自主設計的小型谷物清選機進行試驗,選取谷物生產率、凈度、功率等作為評價指標,結果如表1所示。

表1 小型谷物清選機性能指標

5 結論與展望

本文介紹了一種小型谷物清選機的設計和試驗。該清選機主要由送料裝置、清選部件、除塵部件和電氣控制系統(tǒng)組成。試驗結果表明,該清選機具有較高的清選效率和良好的除塵效果,可以有效去除谷物中的雜質和灰塵,保證谷物的質量和安全性。

雖然本文設計的小型谷物清選機已經具有較高的清選效率和除塵效果,但仍然存在一些問題需要進一步改進。例如,可以通過優(yōu)化清選部件的結構和加強送料裝置的穩(wěn)定性來提高清選機的清選效率和工作穩(wěn)定性。此外,可以采用先進的傳感器技術和智能控制算法來實現(xiàn)清選機的自動化控制和優(yōu)化運行?？傊?未來的研究可以進一步完善小型谷物清選機的設計和性能,以滿足市場需求和谷物加工的實際需求。