輥搓圓筒篩式谷子清選裝置設計與試驗
2018-10-20 06:43:32李心平孟亞娟張家亮耿令新姬江濤
農業機械學報 2018年10期
李心平 孟亞娟 張家亮 耿令新 姬江濤
(河南科技大學農業裝備工程學院， 洛陽 471003)
0 引言
清選裝置作為谷子聯合收獲機的重要組成部分，直接影響整機的工作性能[1-3]。清選是谷子收獲的關鍵環節，清選系統的結構參數、運動參數及谷子初脫后物料特性均對清選損失、含雜產生重要影響，已有文獻對谷子機械物理性能和空氣動力學特性進行了研究[4-8]。
常用的清選方式有風篩式清選和氣流式清選，目前多使用風機振動篩式清選裝置[9-10]。關于振動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進行模擬試驗，研究了三自由度振動篩形式，大幅提高了篩分效率；李菊等[12]利用顆粒離散單元法(DEM)研究并優選出四維振動形式(3T-1R)，提高了透篩性。此裝置應用于谷子清選工作效率高，但具有結構較為復雜、振動大、可靠性差、濕分性能低等缺點。風機圓筒篩清選系統[13]主要工作部件為風機和圓筒篩，運用氣流清選原理，依據漂浮特性及空氣動力學理論，結合物料特性，利用篩面的運動和風力的作用將物料清選分離，此裝置應用于谷子清選作業可簡化谷物清選系統結構，提高喂入量且有效提高濕分性能。為優化裝置結構和參數， BELLOCQ等[14]研究表明，旋轉篩對粒狀且具有濕軟團聚現象的物料篩分效率較高； LAWINSKA等[15]在篩孔堵塞的機理層面，使用振動裝置和具有錐形篩的旋轉篩鼓篩進行篩孔間歇性篩查、連續篩查的堵塞識別；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動微分方程，并且得到籽粒透過篩孔的條件；周學建等[17]采用圓筒篩機構配以橫流風機，通過優化技術，探討了圓筒篩清選機構參數與性能的關系；師清翔等[18]在試驗基礎上建立圓筒篩清選機構數學模型，通過調整離心風機、橫流風機運動參數來適應離心風機位置參數變化，得到離心風機最佳位置參數。
由以上研究可知，適用于谷物清選的風機圓筒篩清選裝置已對整體結構優化方面進行了深入研究，風機圓筒篩清選系統應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，分離較為困難，谷子初脫后物料中殘留較多谷碼，導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]。
針對谷子清選裝置谷碼殘留、結構復雜、濕分性能低的問題，本文結合谷子初脫后物料特性，基于先脫谷碼后清選的原理，設計一種適用于谷子清選的輥搓圓筒篩式谷子清選裝置，以期在清選裝置內消除殘留谷碼影響，增強濕分性能，降低籽粒含雜率和清選裝置總損失率。
1 結構與工作原理
1.1 結構和工作流程
因谷子收獲季節性強，且作業環境復雜，為此設計了輥搓圓筒篩式谷子清選裝置，其結構如圖1所示，由谷碼輥搓裝置、圓筒篩裝置、橫流風機、離心風機、螺旋輸送裝置、機架和電動機等部件組成。
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.機架 2.離心風機 3.谷碼輥搓裝置 4.橫流風機 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至清選室的圓筒篩篩面上，3個圓筒篩同向旋轉將谷子輥搓后物料連續拋揚，同時受到橫流風機和離心風機氣流清選分離作用，穎糠和短莖稈等輕雜物被橫流風機氣流作用吸出，長莖稈和部分輕雜物被離心風機氣流吹至后方糠槽，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。由于本裝置清選時先搓擦分離了谷碼，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動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至清選室的圓筒篩篩面上，通過3個圓筒篩連續旋轉拋揚作用使谷子輥搓后物料懸浮在清選室內，利用籽粒和其它雜物重量不同、漂浮速度不同的空氣動力學特性，在離心風機和橫流風機形成的氣流場中，借助氣體介質清選分離籽粒和雜物，在圓筒篩和雙風機的共同作用下完成低損失、低含雜的清選作業。
2 部件設計
2.1 谷碼輥搓裝置
每個谷穗有60～150個谷碼，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，經測定：谷碼平均長度為20.6 mm，平均寬度10.66 mm，平均厚度9.8 mm，生物形態見圖2。
圖2 谷穗和谷碼生物形態圖Fig.2 Graincode biomorphology map1.谷穗 2.谷碼
谷穗與谷碼之間的連接力相對較小，而谷子與谷碼的連接力強，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，進入清選裝置后嚴重影響籽粒含雜率，因此需要設計一種在清選前清除殘留谷碼的裝置。
谷碼輥搓裝置結構見圖3，由喂料斗、主動輥、壓緊輥、從動輥、防濺板、橡膠傳送帶、托板和機架等組成。工作時，電動機帶動主動輥轉動，主動輥通過傳送帶帶動從動輥旋轉，谷子初脫后物料從喂料斗進入，在物料自身重力和喂料斗對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，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流下落至清選室內，進行下步清選。
圖3 谷碼輥搓裝置結構示意圖Fig.3 Structure diagram of grain roller rubbing device1.橡膠傳送帶 2.主動輥 3.喂料斗 4.壓緊輥 5.從動輥 6.防濺板 7.托板 8.機架 9.分離空間
為適應最大喂入量作業需求同時適配清選室尺寸，結合谷物分層拋揚原理，傳送帶線速度應在2～5 m/s，且壓緊輥直徑對搓擦效果影響較小，主動輥、從動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確落入分離空間，喂料斗寬度應略小于壓緊輥的寬度，選取為540 mm。主動輥和被動輥的軸心水平距離為600 mm，主動輥和被動輥軸心連線與水平面的角度為66°。壓緊輥設計成可移動結構，根據谷子初脫后物料含水率變化范圍改變拋射角，調整清除谷碼的效果。谷子初脫后物料含水率在39.7%～46.5%之間時，谷碼的靜滑動摩擦角變化區間為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到理想的清谷碼效果，結合谷碼的生物特性，對谷碼進行力學特性分析。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為橡膠帶對谷碼的擠壓力，N2為壓緊輥對谷碼的擠壓力，f1為壓緊輥與橡膠帶差速產生的搓擦力，f2為橡膠帶對谷碼的搓擦力，谷碼在分離空間內受到來自橡膠帶與壓緊輥兩個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生橫向相對位移，產生剪切破壞其連接實現分離，根據谷碼蓬松結構被破壞的極限載荷68.6 N，為使谷碼被正常分離，設計擠壓力N1和N2滿足條件：N1
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圓筒篩結構及工作原理
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、編織篩網等圍合成圓筒型組成，編織篩用鐵絲編織而成，具有結構簡單,重量輕、篩孔有效面積大、篩漏能力強和生產率高等特點。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，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，根據谷子輥搓后物料生物特性中各成分的尺寸參數，選取篩孔為5 mm×5 mm的編織篩網，圓筒篩結構見圖5。
圖5 圓筒篩結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of cylinder screen1.輻板 2.編織篩網
由于谷子輥搓后物料含水率較高，輥搓后物料結塊且與篩面黏結較多，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清選裝置總損失率的影響，優化清選工作方式，選用大、中、小3個不同直徑的圓筒篩等間距平行排列的設計方式[20]，且為適應喂入量0.56 kg/s的清選作業需求,圓筒篩寬度同時與清選室寬度700 mm以及谷碼輥搓裝置寬度匹配。本裝置3個圓筒篩選取同樣寬度，大圓筒篩喂入量由生產率Q[21]表征，生產率為篩子的透篩能力，其中
(1)
式中Z——篩孔總數，取16 112個
δ——1 s從篩孔掉下的谷子初脫后物料系數(一般為0.01～0.025),取0.015
m1——谷子初脫后物料質量，kg
故取3個圓筒篩寬度B=660 mm。
圓筒篩裝置結構及工作示意圖如圖6所示。
圖6 圓筒篩裝置結構及工作示意圖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落至大圓筒篩落料區域S1內的右側篩面上，在大圓筒篩旋轉對谷子輥搓后物料產生的摩擦力作用下被傳送到篩面落料區域S1左側，隨后在離心力作用下被拋揚至中圓筒篩落料區域S2內的右側篩面上，并同樣在摩擦力和離心力作用下沿旋轉方向依次拋送至小圓筒篩落料區域S3內，工作過程中，圓筒篩裝置上方形成一層蓬松的物料流，使質量較大的籽粒向下運動透過篩面而質量較小的短莖稈和穎糠等向上運動實現分離，通過使谷子輥搓后物料在3個圓筒篩篩面上的連續傳送，延長了谷子輥搓后物料在清選室內懸浮時間，多次拋揚，增加了氣流場對輥搓后物料作用機會，降低了含水率，提高了篩分和濕分性能，優化了清選效果。
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，在進行受力分析過程中，假設物料為一質量為m的質點，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，谷子輥搓后物料在圓筒篩裝置上會有前滑、后滑和拋揚3種運動狀態。當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，不會出現前滑和后滑現象，因此設計大圓筒篩時，只需要求谷子輥搓后物料能被拋揚到中圓筒篩上即可，其滿足的函數關系為
(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
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量
化簡可得
(3)
(2)中圓筒篩
工作時，谷子輥搓后物料在中圓筒篩上可能會出現前滑和后滑，運動條件如下：
物料前滑時
(4)
物料后滑時
(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
(6)
物料后滑時
(7)
式中α——谷子輥搓后物料的摩擦角
(3)小圓筒篩
2.3 橫流風機
在收割后期清選負荷加大，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荷，增強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計了一個橫流風機。
橫流風機結構及工作示意圖如圖8所示。該橫流風機主要由葉輪、殼體和渦舌等組成。殼體是兩端封閉、徑向開口式的結構，葉輪葉片前傾。橫流風機主要清除谷子輥搓后物料中的短莖稈及穎糠，工作時，穎糠和短莖稈被吸入進氣葉柵，隨后從出氣口排出。
圖8 橫流風機結構及工作示意圖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 離心風機
離心風機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外；并且谷子輥搓后物料在被谷碼輥搓裝置分層拋揚過程中，由于防濺板和托板的存在，影響分層效果，離心風機的工作氣流利用物料中各成分空氣動力學特性的差異，可進一步增加物料的分層效果，從而達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。
離心風機主要由葉輪、殼體和風量調節閥等組成，其結構如圖9所示。風機工作時，動力傳至風機軸上，使葉輪高速旋轉，空氣經風機兩側的進氣口吸入，進入葉輪的空氣和葉輪一起旋轉，在離心力的作用下，被排出機殼。
圖9 離心風機工作示意圖Fig.9 Working diagram of centrifugal fan1.短莖稈 2.長莖稈 3.風量調節閥 4.殼體 5.葉輪
由于圓筒篩對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部的長莖稈和穎糠能被及時有效地吹出機外, 必須保證離心風機能夠產生足夠的動壓。設計離心風機時，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機氣流工作速度為v=18 m/s，從而取得離心風機全壓力為p1=432.6 Pa，參照模型離心風機無因次曲線性能參數，結合實際工作條件，選取離心風機結構尺寸：葉輪內徑180 mm，葉輪外徑420 mm。
3 試驗及結果分析
3.1 試驗條件
試驗材料：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、穎糠按照質量比6∶3∶1混合而成，總質量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，取樣時間為8 s。
輥搓圓筒篩式谷子清選裝置如圖10所示。
其他設備：變頻電動機(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物圖Fig.10 Physical drawing of millet cleaning device with roller rubbing cylinder sieve
3.2 試驗參數和評價指標
根據谷子輥搓后物料在清選室清選過程中受力分析及空氣動力學特性分析結果，確定離心風機轉速、離心風機角度、橫流風機轉速、谷碼輥搓裝置主動輥轉速以及3個圓筒篩轉速為試驗研究的7個主要參數。
綜合試驗臺工作的實際情況，各清選部件的轉速可調，進行單因素預試驗，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作為試驗評價指標。
籽粒含雜率
(8)
清選裝置總損失率
(9)
式中n1——臺架作業處理完成后籽粒輸出裝置內所含雜余質量
N0——臺架作業處理完成后籽粒螺旋輸送器內所接樣品質量
n2——臺架作業開始時喂料斗喂入籽粒質量
3.3 試驗方案
綜合試驗臺工作的實際情況，對選取的7個因素進行七因素三水平的正交試驗，即選用正交表L18(37)進行試驗設計與分析，其因素水平如表1所示。
表1 試驗因素水平Tab.1 Experimental factors and levels
3.4 試驗結果與分析
根據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系，極差分析結果如表2所示。A、B、C、D、E、F、G為因素水平值。對試驗結果進行方差分析，進而確定試驗指標在不同試驗因素水平組合下的變化規律，試驗結果方差分析如表3所示。
綜合極差分析與方差分析結果可知，谷碼輥搓裝置主動輥轉速、離心風機角度、離心風機轉速、3個圓筒篩轉速及橫流風機轉速對試驗臺清選性能的影響是不同的。并且，根據方差分析的結果可知，除橫流風機轉速外，所選試驗指標對性能指標具有顯著影響，因此所選因素范圍是合理的，且所選因素是影響該試驗臺性能指標的關鍵因素。
3.4.1大圓筒篩、中圓筒篩轉速對清選性能的影響
在所選的7個參數中，大圓筒篩轉速、中圓筒篩轉速對籽粒含雜率、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增多，進而導致輥搓后物料被清選次數增加，清選面積增加，因此，導致籽粒含雜率降低；且大、中圓筒篩轉速越快，谷子輥搓后物料被拋揚次數隨之增多，同時，經過風力清選次數增加，進而導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離心風機轉速、離心風機角度對清選性能的影響
離心風機轉速、離心風機角度對清選裝置總損失率影響不顯著，但對籽粒含雜率均具有顯著影響，且風機轉速越大，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，風機轉速越大，谷子輥搓后物料所受風力增大，輥搓后物料在清選室呈懸浮狀態，風力大于部分輕雜物漂浮速度，進而導致物料中被吹走輕雜物增多，導致籽粒含雜率降低;清選室內風力增加，部分不飽滿籽粒所受風力大于其漂浮速度，即隨風力被吹送至后方糠槽，進而導致清選裝置總損失率增加。
3.4.3小圓筒篩轉速、谷碼輥搓裝置主動輥轉速對清選性能的影響
小圓筒篩轉速、谷碼輥搓裝置主動輥轉速對清選裝置總損失率具有非常顯著的影響，但對籽粒含雜率影響不顯著，且谷碼輥搓裝置主動輥轉速增加，谷碼受到谷碼輥搓裝置分離空間擠壓搓擦力增加，進而谷碼分離率增加，且谷碼輥搓裝置主動輥轉速增加，對谷子輥搓后物料拋揚分層能力增加，結合風力影響，對輥搓后物料中輕雜物清選效果越好，進而導致籽粒含雜率降低，但由于谷碼輥搓裝置主動輥轉速增加，對物料拋揚作用增加，部分籽粒與圓筒篩篩面產生強烈沖擊力，籽粒未能有效及時通過篩面落至籽粒輸送器，進而導致清選裝置總損失率升高；小圓筒篩轉速增加，對試驗臺尾部作業性能影響顯著，小圓筒篩篩面上輥搓后物料被拋揚次數增加，且與篩面相對滑動增多，進而輥搓后物料與小圓筒篩篩面相對接觸面積減少及接觸頻率增加，進而被篩選次數增加，因此，籽粒含雜率降低；且拋揚初速度增加，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到試驗臺尾部糠槽增多，進而導致清選裝置總損失率升高。
進而通過極差和方差分析，綜合考慮各試驗因素對清選性能指標的影響，確定影響籽粒含雜率的主次因素順序為：中圓筒篩轉速、離心風機轉速、大圓筒篩轉速、離心風機角度、小圓筒篩轉速、谷碼輥搓裝置主動輥轉速、橫流風機轉速；影響清選裝置總損失率的主次因素順序為：中圓筒篩轉速、谷碼輥搓裝置主動輥轉速、大圓筒篩轉速、小圓筒篩轉速、離心風機角度、離心風機轉速、橫流風機轉速。
表2 試驗方案與結果Tab.2 Test schemes and results
由以上分析可知，兩試驗指標的最佳組合不同，且正交試驗籽粒含雜率最優組合均為試驗因素水平的上限組合，正交試驗清選裝置總損失率最優水平絕大多數為試驗因素水平的下限，因此籽粒含雜率與清選裝置總損失率變化規律呈相反趨勢，故利用多指標正交試驗設計中的綜合平衡法對因素進行綜合比較和分析，根據試驗結果，作出兩種指標的趨勢圖(圖11、12)。
對于籽粒含雜率，因素A取A3最好，對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，清選裝置總損失率相差較大，且上升趨勢明顯，從圖12中可以看出，A取A2和A3時，籽粒含雜率相差不大，且下降趨勢不明顯，綜合以上分析，因素A取A2。
對于清選裝置總損失率，因素B取B2最好，對于籽粒含雜率，因素B取B3最好，從圖11中可以看出，B取B2和B3時，清選裝置總損失率相差較大，且上升趨勢明顯，從圖12中可以看出，B取B2和B3時，籽粒含雜率相差不大，且下降趨勢不明顯，綜合以上分析，因素B取B2。
對于清選裝置總損失率，因素C取C1最好，對于籽粒含雜率，因素C取C3最好，從圖11中可以看出，C取C1和C3時，清選裝置總損失率相差較大，且上升趨勢明顯，從圖12中可以看出，C取C1和C3時，籽粒含雜率相差不大，且下降趨勢不明顯，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，因此分別取D1、E1、F1。
表3 清選性能指標方差分析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 個因素的變化曲線Fig.12 Variation curves of grain impurity ratio with seven factors
對于清選裝置總損失率，因素G取G2最好，對于籽粒含雜率，因素G取G3最好，從圖11中可以看出，G取G2和G3時，清選裝置總損失率相差不大，且上升趨勢不明顯，從圖12中可以看出，G取G2和G3時，籽粒含雜率相差較大，且下降趨勢明顯，綜合以上分析，因素G取G3。
從而確定了F1G3E1A2C1D1B2為較優參數組合,即谷碼輥搓裝置主動輥轉速為250 r/min，離心風機角度為3°，小圓筒篩轉速為60 r/min，離心風機轉速為700 r/min，中圓筒篩轉速為60 r/min，大圓筒篩轉速為70 r/min，橫流風機轉速為600 r/min。
3.5 試驗驗證
為了驗證參數匹配的可靠性，且由于較優組合大部分發生在所選參數取值的邊緣處，故采用已優選出的最佳參數組合，進行重復性驗證試驗，試驗結果如表4所示。
表4 驗證試驗結果Tab.4 Verification test results
根據試驗結果，在參數組合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號驗證試驗，保持G3E1A2C1D1B2不變，谷碼輥搓裝置主動輥轉速取200 r/min(最小轉速)，試驗結果籽粒含雜率為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，因此根據清選性能指標的評價原則，判定谷碼輥搓裝置主動輥轉速250 r/min優于200 r/min；由2號驗證試驗，保持F1G3E1A2D1B2不變，中圓筒篩轉速降低至50 r/min(最小轉速)，試驗結果籽粒含雜率為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個百分點，因此判定谷碼輥搓裝置主動輥轉速60 r/min優于50 r/min；由3號驗證試驗，保持F1G3E1A2C1B2不變，大圓筒篩轉速取60 r/min(最小轉速)，試驗結果籽粒含雜率為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，大圓筒篩轉速降低時，其上谷子輥搓后物料不能有效地拋送至清選空間，進而影響籽粒與輕雜物的分離效果。因此綜合考慮之后，判定大圓筒篩轉速70 r/min，優于60 r/min。
綜上，驗證試驗表明，在F1G3E1A2C1D1B2參數組合下，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作業性能參數組合。
為進一步驗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型風機圓筒篩式清選裝置以及國內市場常用的風機振動篩式清選裝置進行對比試驗。其中傳統型風機圓筒篩式清選裝置采用雙風機雙圓筒篩物料外流式；風機振動篩式清選裝置采用風機振動篩及凹板篩結構，初脫后物料透過凹板篩均勻掉落至振動篩前部，離心風機工作氣流將輕雜物吹出機外。兩種清選裝置實物如圖13所示。
圖13 谷子清選裝置實物圖Fig.13 Physical drawings of millet cleaning device
試驗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，取樣時間為8 s的相同條件下進行。并選取各清選裝置最優參數組合，傳統型風機圓筒篩式清選裝置最佳離心風機轉速為1 158 r/min，橫流風機轉速為893 r/min，前、后圓筒篩轉速分別為93、63.5 r/min，以及離心風機最佳傾角為5°；風機振動篩式清選裝置最佳性能參數：離心風機轉速及傾角分別為1 787 r/min、17°，振動篩曲柄轉速及振幅分別為404 r/min、30 mm；同時，在輥搓圓筒篩式谷子清選裝置最優作業性能參數組合下，以籽粒含雜率和清選裝置總損失率作為試驗評價指標，進行三者對比試驗。試驗結果表明，傳統型風機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%，風機振動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于傳統型風機圓筒篩式清選裝置籽粒含雜率降低了0.3個百分點，清選裝置總損失率降低了0.12個百分點；且輥搓圓筒篩式谷子清選裝置籽粒含雜率相對于風機振動篩式清選裝置降低了0.21個百分點，清選裝置總損失率降低了0.1個百分點。對于谷子清選收獲，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勢。因此相對于其它清選裝置，該清選裝置性能更好、更具有實用價值。
4 結論
(1)通過對谷子初脫后物料在清選過程中的力學特性分析，設計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，增強了濕分性能，降低了籽粒含雜率和清選裝置總損失率。其中，谷碼輥搓裝置運用搓擦原理實現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，風機氣流清選較為充分，物料粘結減少，從而在提高篩分效率的同時，降低了清選裝置總損失率和籽粒含雜率。
(2)通過正交試驗確定了影響清選裝置清選性能指標的7個因素主次順序。影響籽粒含雜率的主次因素順序為：中圓筒篩轉速、離心風機轉速、大圓筒篩轉速、離心風機角度、小圓筒篩轉速、谷碼輥搓裝置主動輥轉速、橫流風機轉速；影響清選裝置總損失率的主次因素順序為：中圓筒篩轉速、谷碼輥搓裝置主動輥轉速、大圓筒篩轉速、小圓筒篩轉速、離心風機角度、離心風機轉速、橫流風機轉速。經極差和方差分析確定了最優組合：谷碼輥搓裝置主動輥轉速為250 r/min，離心風機角度為3°，小圓筒篩轉速為60 r/min，離心風機轉速為700 r/min，中圓筒篩轉速為60 r/min，大圓筒篩轉速為70 r/min，橫流風機轉速為600 r/min。
(3)驗證試驗結果表明，這一組合確為最優組合，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%，滿足小型農戶谷子收獲脫粒之后的清選需求，為谷子清選裝置設計提供了參考，但在聯合收獲機上的清選作業效果仍需田間試驗進一步驗證。相對于傳統型風機圓筒篩式以及風機振動篩式清選裝置，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個百分點，總損失率降低了0.1～0.12個百分點，具有籽粒含雜率低、清選裝置總損失率低、實用價值高等特點。
