藜麥脫出物空氣動力學特性測試與分析

海 梅，杜文亮，吳英思，趙子龍

(內蒙古農業大學 機電工程院，呼和浩特 010018)

0 引言

藜麥(Chenopodium quinoa willd)為藜科藜屬草本植物，具有耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿等特性，很適合我國北方種植，目前在我國內蒙古、山西、陜西、浙江、青海和四川等地種植[1-2]，面積達到3 333hm2，產量達到2 025～4 500kg/hm2[3]。據調查，目前收獲藜麥的方式包括人工收獲、分段收獲及聯合收獲等，收獲藜麥的專用聯合收獲機較少，使用其他谷物的聯合收獲機收獲藜麥，清潔效果很不理想，毛糧含雜率高達34%。為此，針對聯合收獲機收獲后含雜率高等問題，對藜麥的空氣動力學特性進行研究分析，在QXS-3.0型清選試驗臺上進行試驗，旨在對后期藜麥聯合收獲機參數優化及改進提供數據支持。

1 藜麥脫出物的懸浮速度測定

1.1 試驗材料

本試驗所使用的藜麥為內蒙古烏蘭察布市涼城縣種植的“蒙藜1號”，千粒質量為2.27～2.35g，含水率為8%，密度為680kg/m3。藜麥脫出物如圖1所示。

1.2 試驗設備

測定藜麥脫出物料懸浮速度主要儀器包括物料懸浮速度實驗臺、BWY-1500/2500型補償式微壓計、L/s-6-800型皮托管、調壓器、連接軟管及臺桌，如圖2所示。

圖1 藜麥脫出物

1.懸浮速度試驗臺 2.皮托管 3.連接軟管 4.補償式微壓計 5.臺桌圖2 物料懸浮速度測定裝置示意圖

1.3 試驗過程

農產品物料懸浮速度測試的原理：在測試設備上構建一個垂直向上的流場，讓物料籽粒在流場中懸浮，此時測得的氣流速度即為籽粒的懸浮速度[4]。

試驗前將各儀器設備正確連接，將藜麥脫出物籽粒各自分組放進物料懸浮速度試驗臺的垂直管道中，使用調壓器調節電壓改變風機轉速控制氣流，在透明垂直管道中觀察物料的籽粒懸浮狀態，于試驗臺圓柱形觀察管某一部位。此時，皮托管測得圓柱形觀察管下端截面的流體動壓，并通過微壓計顯示。記錄此時各參數，經過換算后可以得到懸浮速度。每個樣本試驗3次。轉換其公式得[5]

(1)

式中V—風速(m/s)

k—皮托管系數，本測試使用的皮托管系數為k=1.01；

ΔΡ—通過皮托管的測得的動壓(Pa)；

ρ—流體密度(kg/m3)。

1.4 測試結果

藜麥脫出物懸浮速度如表1所示。

表1 藜麥脫出物懸浮速度

2 試驗

2.1 清選試驗臺結構原理

藜麥收獲期使用某型小麥聯合收獲機進行收獲。由于對藜麥物料的機械性能研究不足，導致聯合收獲機收獲的藜麥脫出物含雜率較高。藜麥屬于莧科類植物，脫粒過程中大部分帶殼藜麥的穎殼脫落輕雜物較多，使用篩選效果不如風選。風選是根據物料的空氣動力學特性不同進行清選，確定氣流風選影響藜麥含雜率的因素，降低藜麥含雜率和損失率。某型小麥聯合收獲機清選室結構與QXS-3.0型清選試驗臺很接近。清選試驗臺的結構屬于雙風機雙層振動篩清選裝置，主要由料斗、抖動版、離心風機、振動篩、接料箱、機架、傳動系統和傳感器等組成。

清選試驗臺工作原理：離心風機工作時，清選室有一定氣流速度的正壓流場，藜麥脫出物料從料斗出，落在抖動板上，抖動板把物料均勻的送向篩面進行清選；篩面底部的接料箱，采用多組小方格箱，用以分析清選后物料分布的規律。

2.2 氣流對物料的受力分析

首先建立坐標系，以物料進入傾斜氣流場為原點，垂直方向為y軸，水平方向為x軸，氣流與水平方向夾角為α，速度為v,物料的速度為u與垂直方向夾角為β，絕對速度為V，如圖3所示。把v看作空氣對物料的牽連速度，則物料相對速度u即為物料的絕對速度V與氣流速度v的向量之差，則

u=V-v

圖3 質點受力分析

氣流對物料的垂直作用力為

(2)

式中F—氣流對質量點的作用力(N)；

VP—漂浮速度(m/s)；

m—物料的質量(kg)；

u—氣流相對于質點的相對速度(m/s)。

質點受到氣流的作用力F和重力G，建立動力學微分方程為[6]

轉換成解析形式微分方程為

根據圖(3)，將v分解到水平和垂直方向可得

同樣ux和uy可以表達為

ux=Vx-vx=Vx+vsinα

uy=Vy-vy=Vy+vcosα

因而得到

(Vy+vsinα)-g

(Vy-vcosα)

分析物料速度u可以分解為

ux=ucos(2π-β)=ucosβ

uy=usin(2π-β)=-usinβ

由上式可知：物料在氣流中運動時與懸浮速vp、氣流速度v、氣流方向角α、物料進入清選室的速度u和方向β有關。

3 單因素試驗與分析

3.1 試驗指標

試驗指標為含雜率R(%)與清選損失率S(%)。

計算公式為

(3)

(4)

式中Wz—出糧口取小樣中雜質質量(g)；

Wi—出糧口取小樣質量(g)；

Ws—清選損失籽粒的質量(g)；

Wj—接樣取內所接籽粒的總質量(g)。

3.2 單因素的選擇

因素表如表2所示。

3.3 結果分析

3.3.1 離心風機轉速對清選性能的影響

根據藜麥脫出物的懸浮速度范圍，采用變頻器對離心風機轉速進行控制，以獲得不同篩面氣流速度。試驗條件：喂入量0.2kg/s,魚鱗篩開口度5mm,魚鱗篩的振動頻率10.6Hz,離心風機傾斜角35°，抖動板抖動次數200/min。

表2 因素表

離心風機轉速與清選效率的關系如圖4所示。由圖4可知：當風機轉速為567r/min左右時，把大部分莖稈和帶殼癟谷、癟谷、穎殼吹走，所以此轉速下的相對含雜率低，損失率小；當風機轉速小于567r/min左右時，小部分帶殼癟谷、莖稈被吹走，相對含雜率高；當離心風機轉速大于567r/min時，風速大于一些藜麥的懸浮速度，此轉速下雖然含雜率低，但損失率也增大了。

圖4 離心風機轉速與清選效率的關系

3.3.2 抖動板抖動次數對清選性能的影響

為調整方便，采用變頻器對抖動板轉速進行控制，把頻率轉換成抖動板的抖動次數；當抖動板抖動次數為157次/min時，物料無法進入清選室，往外移動。試驗條件：喂入量0.2kg/s,魚鱗篩開口度5mm,魚鱗篩的振動頻率10.6Hz,離心風機傾斜角35°，離心風機轉速為497r/min。

抖動板抖動抖動次數與清選效率的關系如圖5所示。由圖5可知：通過不同抖動板的頻率，改變藜麥脫出物料的初始速度。頻率低、初始速度相對較低，此時的含雜率低，損失率較高；隨著抖動板的頻率加大，含雜率提高，損失率也提高；抖動板抖動次數219/min左右時，含雜率和損失率相對低。

圖5 抖動板抖動抖動次數與清選效率的關系

3.3.3 喂入量對清選性能的影響

為調整方便，采用變頻器對模擬給料機轉速進行控制，以獲得不同喂入量。試驗條件：魚鱗篩開口度5mm,魚鱗篩的振動頻率10.6Hz,離心風機傾斜角35，離心風機轉速為497r/min，抖動板抖動次數為200/min。

喂入量與清選效率的關系如圖6所示。由圖6可知：通過改變模擬給料機轉速，得到不同的喂入量。隨著喂入量的提高，含雜率也在提高，但損失率降低。

圖6 喂入量與清選效率的關系

3.3.4 離心風機出風口角度對清選性能的影響

調整離心風機出風口傾斜角，離心風機出風口傾斜角范圍20°～40°。試驗條件：喂入量0.2kg/s,抖動板抖動次數200/min,魚鱗篩開口度5mm,魚鱗篩的振動頻率10.6Hz,離心風機轉速為497r/min。離心風機出風口傾斜角與清選效果的關系如圖7所示。由圖7可知：離心風機出風口傾斜角30°具有較好的清選效果。

圖7 離心風機出風口傾斜角與清選效果的關系

4 結論

1)測定了蒙藜1號藜麥的含水率、千粒質量和密度，利用物料懸浮速度實驗臺測定了藜麥脫出物各組分中帶殼藜麥、藜麥、帶殼癟谷、癟谷、長莖稈、短秸稈和穎殼的懸浮速度范圍。

2)在QXS-3.0清選試驗臺上進行試驗，結果表明：抖動板219次/min時，損失率2.83%，含雜率11.32%；離心風機轉速提高時，含雜率降低，損失率增加；離心風機出風口角度為30°時，含雜率11.74%，損失率0.94%；隨著喂入量的增加，含雜率增大，損失率降低。

3)藜麥脫出混合物料與藜麥的懸浮速度有部分重疊，風選很難分開，需要其他分離方法參與清選。