氣吹式糧油作物脫出物清選懸浮速度測量裝置設計與試驗

侯華銘，崔清亮，郭玉明，張燕青，孫 燈，來思彤，劉俊麗

（山西農業大學工學院，太谷 030801）

0 引 言

農業物料的懸浮速度是指農業物料在豎直向上氣流的作用下懸浮在某一高度時相對于氣流的速度，其數值與氣流的絕對速度數值相等。農業物料的懸浮速度是后續對其進行機械清選所必需的基礎數據。國內學者通常采用 2種方法獲得懸浮速度，一種是根據經驗公式計算獲得，另一種是借助試驗裝置測量獲得。在物料懸浮速度理論計算研究方面，趙學篤等利用阻力系數和升力系數研究短莖稈在氣流中的運動規律[1]，但其所作的短莖稈不發生轉動的假設使其具有一定的局限性。呂子劍等利用分區懸浮速度公式計算球形顆粒的懸浮速度[2]，李驥等采用分區粒徑判斷法，借助VC++6.0開發工具實現對球形物料顆粒懸浮速度的快速計算[3]，劉娟等利用 Matlab軟件中的Simulink組件和模糊邏輯控制器分析了球形顆粒物料在氣流中的運動規律[4]。利用理論公式、編程語言和軟件等工具計算物料懸浮速度具有快速、方便的優點，但農業物料個體差異性大，理想化的假設往往使計算不準確，實際應用具有一定的局限性。

在裝置測量研究方面，國內學者利用懸浮速度試驗裝置測量農業物料的懸浮速度。試驗裝置主要由風機、風速調節裝置、流場管路和測量裝置組成，按其工作原理可分為吸氣式和吹氣式 2類。吸氣式試驗裝置管路均豎直布置，風機位于裝置上部，物料由裝置下方被吸入管路內。風機多采用軸流風機，王維等采用離心風機[5]。使用的風速調節裝置有可控硅直流調速裝置[6]、百葉窗式風量調節機構[6-11]、單片機和電機驅動器組成的控制系統[12-14]、變頻器[5]。使用的測量裝置有畢托管和壓力計組成的動壓測量裝置[6-11]、加野 KA31風速儀[15]、TES-1341熱線式風速儀[5]。吸氣式試驗裝置風機置于上部，裝置整體過高，調節不便，結構繁復，調節、測量精度有限，功耗大。吹氣式試驗裝置風機置于下部，管路結構有“L”型和豎直型兩種。風機多采用離心風機，裴克等采用軸流風機[16]。使用的風速調節裝置有可控硅整流器[17]、節氣門[16]、變頻器[18-22]。使用的測量裝置有風速探針[17]、畢托管和微壓計[16-17]或高靈敏微差壓變送器組成的動壓測量裝置[18-19]、智能壓力風速儀[20-22]。物料在氣流吹動下的懸浮狀態與實際機械清選工況相接近，測量更貼合實際，且功耗小，但現有的吹氣式試驗裝置還存在管路曲折、調節、測量裝置功能單一、結構復雜的問題。

為獲取研究雜糧機械清選技術及裝備所需的基礎數據，鑒于現有試驗裝置存在的問題，本文設計了一種吹氣式的農業物料懸浮速度試驗裝置，并使用該裝置測量了谷子、蕎麥、燕麥經聯合收獲脫粒后的待清選脫出物各組分的懸浮速度。

1 試驗裝置整體結構及工作原理

1.1 整體結構與技術參數

農業物料懸浮速度試驗裝置主要由風力及其調控部件、流場結構部件和測試部件 3部分組成，流場結構為豎直型，風力及其調控部件與流場結構部件在豎直方向上相連，測試部件安裝于流場結構部件上，如圖1所示，風力及其調控部件由離心風機、變頻器、流場接頭和保護網組成。流場結構部件由格柵管、整流格柵、法蘭、盛料網、投料門、接料板、下穩流管、錐形觀察管、上穩流管、阻料網等組成。測試部件由 L型畢托管、畢托管支架、智能壓力風速風量儀、空氣導管、懸浮高度標尺、觀察臺等組成。

裝置主要技術參數如下：

外形尺寸（長×寬×高）：1.8 m×1.1 m×4.2 m

配套動力：7.5 kW

流速范圍：≤ 40 m/s

下穩流管內徑：240 mm

上穩流管內徑：380 mm

錐形觀察管傾角：4°

保護網、盛料網、阻料網規格為20目尼龍網

圖1 試驗裝置結構圖Fig.1 Structure diagram of testing device

1.2 工作原理

測量時，待測物料置于下穩流管內的盛料網上，啟動風機，調節風機轉速，使物料穩定懸浮于錐形觀察管內某一高度范圍內，風速儀測得錐形觀察管下端的流速，通過懸浮高度標尺測得懸浮高度范圍，換算可得該物料的懸浮速度。

2 關鍵零部件設計

2.1 風力及其調控部件的設計

常用的風機種類包括：軸流式風機、離心式風機和貫流式風機3種，軸流式風機風力分散，轉速不宜過高，轉速調節精度有限；貫流式風機形狀過長；離心式風機風力集中，轉速上限高，可精確調節轉速[23-25]，綜上選擇離心式風機。通常根據所需的壓力和流量選擇風機型號，離心風機的全壓：

式中ptF為風機全壓，Pa；ps2為風機出口處靜壓，Pa；pd2為風機出口處動壓，Pa；psF為風機靜壓，Pa；ε為管道固有阻力系數；v為流速，m/s；ρ為氣體密度，kg/m3，20℃大氣壓的空氣，ρ取1.2 kg/m3；qv為流量，m3/h；A為管道截面積，m2。

為測量多種農業物料的懸浮速度，設計最大流速vmax= 40 m/s，代入式（3）可得pd2= 960 Pa；根據流場管路結構參數和風機手冊計算公式[26]計算可得ε= 1.65，代入式（2）可得ps2= 1 584 Pa；將pd2和ps2取值代入式（1）可得風機全壓ptF= 2 544 Pa。設計與風機相連的管道內徑為240 mm，則管道截面積A= 4.52×10–2m2，將A的取值與vmax代入式（4）得流量qv= 6 509 m3/h。根據所需的全壓ptF和流量qv并考慮風機形狀尺寸后選定 4-72 No 4.5A右90°型離心風機，配用7.5 kW變頻調速三相異步電動機。采用變頻器調節風機轉速，根據電機功率選擇7.5 kW變頻器，所選變頻器具有實時顯示電機轉速的功能，便于調節[27]。由于風機出風口為長方形，設計方變圓流場接頭用于連接風機與流場管路。在風機進風口處設置 2層保護網，可避免漏撒在環境中的待測物料及雜質被吸入風機而影響氣流的平穩，且可保障人員安全。根據待測物料的形狀尺寸選用20目尼龍網作為保護網，阻擋物料及雜質的同時不會對風力造成較大影響。

2.2 流場結構部件的設計

流場結構部件主要由格柵管、下穩流管、錐形觀察管和上穩流管在豎直方向上依次通過法蘭連接而構成，上述 4管均為法蘭與圓管焊接在一起的組合管，均采用有機玻璃制成。考慮到農業物料的個體差異性大，設計錐形觀察管有利于同種物料穩定懸浮在其內的某一高度范圍內。考慮到物料進行機械清選時的漂浮距離在2～3 m范圍內，設計下穩流管、錐形觀察管和上穩流管長度各為1 m。人工分選測量機械收獲谷子、蕎麥、燕麥的脫出物的形狀尺寸后，設計下穩流管內徑D= 240mm，可滿足物料懸浮的空間要求。在下穩流管下端開設投料口，設置曲面門通過合頁與管壁相連，投料門采用扁嘴搭扣鎖閉。下穩流管與錐形觀察管下端相連，為避免流速變化過大，錐形觀察管傾角不宜過大，設計其傾角θ =4°，則根據空間幾何原理計算后設計錐形觀察管上端內徑為380 mm。錐形觀察管上端與上穩流管相連。

為避免風機出風口處出現旋渦而影響氣流的平穩，流場接頭上接內置圓形整流格柵的格柵管，如圖2所示，該格柵采用有機玻璃板制成。根據風機手冊中的標準格柵要求[26]，格柵高度h= 45%×D，圓整后設計h= 100 mm；為避免格柵對空氣的阻力過大，設計格柵孔邊長S=30 mm，格柵板厚度為2 mm。整流格柵安裝在格柵管內。

圖2 整流格柵結構圖Fig.2 Structure diagram of airflow-smoothing grille

格柵管上接下穩流管，在格柵管與下穩流管之間的法蘭連接處設置盛料網，盛料網采用20目尼龍網。在上穩流管上端設置阻料網，阻擋物料飄出而污染環境，阻料網同樣采用20目尼龍網。設計接料板用于回收物料。

2.3 測試部件的設計

根據差壓法測流速的原理[28]，采用L型畢托管[29]和DP2000-11型智能壓力風速風量儀測量管路內的流速，將畢托管進氣端伸入下穩流管內，其的全壓和靜壓接頭通過空氣導管與智能壓力風速風量儀相連。智能壓力風速風量儀固定在畢托管下方的下穩流管管壁上，測量時其可實時顯示溫度、濕度、壓力、流速和流量。在錐形觀察管外設置懸浮高度標尺以觀察懸浮高度范圍，標尺長度與錐形觀察管高度相等。在風速風量儀和標尺正對面設置觀察臺以便于觀察及記錄數據。

畢托管進氣端經測試孔伸入下穩流管內，其進氣孔朝下。測試孔位于下穩流管上端管壁上。在測試孔外設置畢托管支架，將畢托管管身置于支架的滑槽內并固定。畢托管將沿滑槽移動以測量管內橫截面上不同位置處的流速。采用等面積圓環法確定測點位置，并在畢托管管身上標記刻線。根據相關測量標準[30]要求，因為D<300 mm，所以取測點數N= 6，如圖3所示，將管道橫截面等分為 3部分，測點位于每部分的面積等分線上，根據測點位置在畢托管上標記刻線。在每條等分線上取 2點即為測點，設等分線序號為i，則等分線半徑

式中Ri為等分線半徑，mm，i取1,2…n；R0為下穩流管橫截面半徑，mm；n為下穩流管橫截面等分數。

圖3 測點及刻線位置Fig.3 Positions of measuring points and marking lines

3 試驗測量與分析

試驗材料取自稻麥聯合收割機收獲谷子、蕎麥、燕麥時的待清選脫出物，該脫出物由籽粒和多種輕雜物組成，不包含長莖稈。谷子品種為晉谷21號，蕎麥品種為黑豐一號，燕麥品種為晉燕18號。迅速對收獲后的脫出物進行人工挑選分類，如圖4所示，并裝入保鮮袋封存，測得脫出物各組分的含水率及籽粒形狀尺寸和千粒質量如表1所示。

圖4 3種作物脫出物各組分Fig.4 Each component of threshed materials of three crops

表1 3種作物脫出物各組分基本物性Table 1 Basic physical properties of threshed materials’components of three crops

由表 1可知，燕麥待清選脫出物中含有未脫皮籽，未脫皮籽不是輕雜物，應對其進行復脫以獲得清潔籽粒。

參照種子懸浮速度測試標準[30]，鑒于同種物料個體質量不同，設計了分段懸浮試驗：分別稱取脫出物各組分10 g，裝袋封存并編號；測量環境溫度和濕度并記錄；接通電源，將待測物料均勻鋪撒在盛料網上，關閉投料門，將畢托管移至測點位置。懸浮第一階段：緩慢轉動變頻器旋鈕，觀察錐形觀察管內懸浮情況，待大約三分之一待測物料懸浮在觀察管內某一高度范圍時，停止轉動旋鈕；記錄風機轉速、流速v0和物料密集懸浮的高度范圍[x1，x2]，如圖5所示；依次將畢托管移至不同的測點，并記錄流速。對不同測點所測的流速取平均值，記為；根據流量一定的原則，觀察管內某一高度下的流速

式中vf為錐形觀察管內某一高度處的流速，其數值等于物料的懸浮速度值，m/s；為所測流速的平均值，m/s；R為錐形觀察管小端內半徑，其值與下穩流管橫截面半徑值相等，mm；H為物料在錐形觀察管內的懸浮高度，mm；θ為錐形觀察管傾角，(°)。

將懸浮高度x1、x2代入式（6）可得物料懸浮速度范圍。測完全部測點后，將畢托管移至初始測點。懸浮第二階段：繼續轉動變頻器旋鈕，待大約三分之二的物料懸浮至錐形觀察管內某一高度范圍時，重復前述操作。懸浮第三階段：最后繼續轉動變頻器旋鈕，待全部物料懸浮至錐形觀察管內某一高度范圍時，重復前述操作。測量完畢后，將接料板經投料口伸入下穩流管內，回轉變頻器旋鈕至零位，使用板刷將落至接料板上的已測物料清理出下穩流管。試驗結果如表2所示。

圖5 試驗測量示意圖Fig.5 Schematic diagram of test measurement

表2 3種作物脫出物各組分懸浮速度Table 2 Suspension velocities of each component of three crops’ threshed materials (m·s–1)

由表 2可知，谷子脫出物籽粒、穗瓣、莖稈、葉子的懸浮速度分別是：4.29～8.88、1.03～6.48、1.71～6.09、1.03～3.09 m/s。蕎麥脫出物籽粒、分枝、莖稈、葉子的懸浮速度分別是：4.47～10.18、1.85～5.18、2.80～8.37、0.76～2.99 m/s。燕麥脫出物籽粒、種皮、分枝、莖稈、葉子、未脫皮籽的懸浮速度分別是：4.35～11.01、0.62～1.71、1.62～4.52、1.14～6.28、0.91～3.56、3.24～9.48 m/s。谷子、燕麥脫出物中的籽粒與輕雜物在前兩懸浮階段的懸浮速度可以區分開；在懸浮第三階段：谷子籽粒與其穗瓣和莖稈的懸浮速度有部分重疊，燕麥籽粒與其莖稈的懸浮速度有部分重疊；表明谷子、燕麥籽粒的懸浮速度可與其大部分輕雜物的懸浮速度區分開。谷子穗瓣上出現的脫不凈或夾帶籽粒的情況從側面揭示了其與籽粒懸浮速度部分重疊的原因；燕麥籽粒的懸浮速度與其未脫皮籽的懸浮速度相接近，應對燕麥脫出物進行復脫或研制專用脫粒裝置以獲得清潔籽粒。蕎麥脫出物中的籽粒與輕雜物在第一階段的懸浮速度可以區分開；在后兩階段：蕎麥籽粒與其莖稈、分枝的懸浮速度有部分重疊；表明蕎麥籽粒的懸浮速度可與其小部分輕雜物的懸浮速度區分開。綜上分析，葉子較輕，3種作物籽粒的懸浮速度均可與其葉子的懸浮速度區分開。莖稈較重，3種作物籽粒的懸浮速度均不能與其莖稈的懸浮速度完全區分開。

4 結 論

1）本文設計了一種吹氣式的農業物料懸浮速度試驗裝置，風機直接與流場管路豎直相連，管路緊湊；管路內置整流格柵，并采用錐形觀察管，流場平穩，可使物料穩定懸浮；該裝置可用于作物經機械收獲脫粒后的待清選脫出物各組分懸浮速度的測量。

2）試驗測得收獲期谷子、蕎麥、燕麥經稻麥聯合收割機收獲后的待清選脫出物各組分的懸浮速度：谷子脫出物籽粒、穗瓣、莖稈、葉子的懸浮速度分別是：4.29～8.88、1.03～6.48、1.71～6.09、1.03～3.09 m/s；蕎麥脫出物籽粒、分枝、莖稈、葉子的懸浮速度分別是：4.47～10.18、1.85～5.18、2.80～8.37、0.76～2.99 m/s；燕麥脫出物籽粒、種皮、分枝、莖稈、葉子、未脫皮籽的懸浮速度分別是：4.35～11.01、0.62～1.71、1.62～4.52、1.14～6.28、0.91～3.56、3.24～9.48 m/s。3種作物籽粒的懸浮速度均可與其葉子、種皮的懸浮速度區分開，但均不能與其他脫出物的懸浮速度完全區分開。

3）試驗表明，谷子、燕麥籽粒的懸浮速度可與其大部分輕雜物的懸浮速度區分開，燕麥籽粒的懸浮速度與其未脫皮籽的懸浮速度相接近，應對其脫出物復脫或研制專用脫粒裝置以獲得清潔籽粒；蕎麥籽粒的懸浮速度可與其小部分輕雜物的懸浮速度區分開；3種作物脫出物中的籽粒均不能僅通過風選與輕雜物完全區分開，需附加篩分裝置輔助清選。

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