大白菜種子清選裝置試驗與優化設計

耿令新,楊 芳,王升升,孫成龍,胡金鵬,韓 瑞

(河南科技大學 農業裝備工程學院,河南 洛陽 471003)

0 引言

大白菜是老百姓餐桌上的主要蔬菜之一,富含各種維生素,是綠色蔬菜之王。大白菜是十字花科蕓薹屬蔬菜[1],又稱為“結球白菜”“黃芽菜”“窩心白菜”等,是我國的原產和特產蔬菜,全國各地普遍栽培,以華北地區為主要產區,栽培面積和消費量居各類蔬菜之首。在我國北方地區,大白菜還被稱作“當家菜”或者“半年菜”,現在已先后被引種到世界各地。在日本,大白菜又被作為“唐人菜”和“山東菜”;在歐美國家地區,人們通常把大白菜叫作“中國甘藍”[2]。

大白菜是我國種植面積最大的蔬菜作物之一[3]。據有關農業管理部門統計,2010年全國的秋播大白菜面積已經達到了164.94萬hm2。隨著市場需求的增加和農業種植結構的調整,大白菜的種植面積快速擴大,全國已經形成了5個大白菜集中產區,即東北和黃淮流域秋大白菜主產區、長江上中游秋冬大白菜主產區、云貴高原和黃土高原夏秋大白菜主產區[4]。與大白菜種植面積的擴大和生產區域的集中形成鮮明對比的是:大白菜的生產,特別是大白菜種子的收獲,長期以來一直依靠人工作用為主,不僅勞動強度大、勞動條件惡劣,而且作業效率低,所以對大白菜種子的收獲實現機械化,具有省力省時、快速高效和大幅降低生產成本的優點[5]。

目前,我國在蔬菜機械化收獲的領域幾乎空白,特別是對大白菜機械化收獲方面的研究更是少之又少[6]。大白菜種子作為我國種子產業的重要組成部分,機械化收獲水平低,大部分環節嚴重依賴人工作業,嚴重制約了大白菜種子產業的發展。因此,研究用于大白菜種子收獲的清選裝置,優化設計其結構運動參數,發展大白菜種子機械化收獲技術,實現大白菜種子收獲的機械化,具有重要的現實意義。

1 總體結構與工作過程

1.1 總體結構

為了方便研究試驗因素對清選性能的影響規律,設計了大白菜種子清選裝置室內試驗臺[7],其三維結構圖如圖1所示。試驗臺主要由機架、喂料斗、攪龍、圓筒篩、橫流風機、接料箱和電機等部分組成,攪龍轉速、圓筒篩轉速及橫流風機轉速均可變頻電機控制。此外,為了方便觀察清選室內物料的運動情況,橫流風機清選室的側面面板采用透明的有機玻璃板[8]。

1.2 工作過程

待清選物由輸送帶運送至喂料斗,從喂料斗進入的待清選物料首先落到旋轉的螺旋攪龍上,物料隨著螺旋攪龍的轉動做軸向運動,進入圓筒篩。圓筒篩轉向與螺旋攪龍轉向相反,由于重力作用,籽粒和細小雜物便脫離攪龍落到篩面上,并透過篩孔進入清選室,體積較大的雜物和雜余隨著螺旋攪龍從排雜口排出,實現大雜物的分離。透過篩孔的籽粒和細小雜物,經過篩筒外部對稱分布的螺旋葉片實現向中部的集中,并均勻落向滑板,進入清選室;位于圓筒篩斜下方的橫流風機吸走輕雜物,并排出機外,干凈的籽粒滑落到接料箱內,完成清選過程。

1.輸送帶 2.喂料斗 3.螺旋攪龍 4.圓筒篩 5.橫流風機 6.機架 7.電動機 8.接料箱 9.接草箱

2 關鍵裝置的設計

2.1 莖稈分離裝置的設計

莖稈分離裝置主要包括螺旋輸送攪龍、圓筒篩、外螺旋葉片、喂料斗、接料箱等,如圖2所示。攪龍和篩筒的轉動方向相反,分別由兩個調速電機驅動,可實現運動參數的無級調速。圓筒篩的篩孔形狀為圓孔。為了實現透篩物料的均勻分布,篩筒外部設計有螺旋葉片。

1.物料輸送帶 2.帶輪 3.支撐滾輪 4.螺旋輸送攪龍 5.圓筒篩 6.外螺旋葉片 7.上殼體 8.帶座立式軸承 9.喂料斗 10.帶輪 11.電機 12.接料箱 13.滑板 14.下殼體

2.2 橫流風機的設計

農業機械清選裝置常用的風機類型主要有:軸向進風的離心風機、橫流風機和軸流風機等3種[9]。橫流風機的出風口氣流在軸向寬度上的分布比較均勻,改變進風口開度大小可使風量調節范圍較大。在清選系統中,一般采用橫流風機作為吸氣風機。試驗表明:由于橫流風機擁有著獨特的結構與工作原理,其轉速、功率消耗與噪聲均比離心風機低,清潔率和損失率均優于離心風機[10]。

橫流風機主要由葉輪和風機殼體組成,葉輪為多葉式。葉輪主要由前向弧形葉片、法蘭、葉輪軸、軸承、帶輪等組成,如圖3所示。

1.進氣口 2.舌部 3.出氣口 4.殼體 5.葉片 6.葉輪 7.底殼

3 試驗材料與方法

3.1 試驗材料

試驗大白菜品種為早熟長江5號,取自河南省濟源市王屋鎮前茶房。試驗材料為大白菜種子成熟植株經脫粒裝置脫粒后從凹板分離出的脫出物[11],主要包括籽粒、果莢殼、短莖稈和輕雜物。其中,籽粒所占比例為21.6%,短莖稈所占比例為30.4%,果莢殼所占比例為39.8%,輕雜物所占比例為8.2%。

3.2 試驗方法

試驗前,將籽粒與短莖稈、果莢殼、輕雜物按質量比2:3:4:1均勻混合,調節含水率至25%,均勻鋪放在輸送帶上,通過控制輸送帶電機頻率控制喂入量。試驗前對喂入大白菜種子籽粒總質量進行稱重,記為m1。試驗結束后,對接料箱中的物料進行處理,稱重并記錄接料箱中物料的總質量m0、接料箱中籽粒的總質量m2。最后,利用公式計算大白菜種子清選裝置的性能參數,即

(1)

(2)

式中Yz—含雜率(%);

Ys—清選損失率(%);

m0—接料箱中物料總質量(kg);

m1—喂入大白菜種子籽粒總質量(kg);

m2—接料箱中籽粒總質量(kg)。

4 試驗結果與優化

大白菜種子清選裝置室內試驗分為莖稈分離試驗和風選性能試驗[12]:前者主要研究攪龍轉速、攪龍與圓筒篩間隙、圓筒篩轉速對清選裝置性能的影響規律,確定莖稈分離裝置的最優參數組合;后者研究橫流風機轉速、下落物料角度、風道高度對清選性能的影響規律,確定風選裝置的最優參數組合。

4.1 莖稈分離試驗

4.1.1 正交試驗

影響莖稈分離裝置分離性能的因素主要有圓筒篩轉速、攪龍與圓筒篩間隙及攪龍轉速。試驗以圓筒篩轉速A、攪龍與圓筒篩間隙B和螺旋攪龍轉速C作為試驗因素,按正交表L9(34)進行試驗。因素水平編碼表如表1所示;選取含雜率和清選損失率為試驗指標,試驗方案及結果如表2所示。

表1 因素水平編碼表

表2 正交試驗方案及結果

續表2

對試驗結果進行方差分析可知:圓筒篩轉速和攪龍轉速對含雜率和損失率的影響均顯著,攪龍與圓筒篩間隙對含雜率和損失率的影響均不顯著。對試驗結果進行極差分析得:各試驗因素對含雜率Yz的影響主次順序依次是:攪龍轉速C、攪龍與圓筒篩間隙B、圓筒篩轉速A,較優參數組合為A1B1C3;各試驗因素對損失率Ys的影響主次順序依次是:攪龍轉速C、圓筒篩轉速A、攪龍與圓筒篩間隙B,較優參數組合為A3B2C1。

用綜合評分法對試驗結果進行加權分析。選取含雜率的加權因子為0.4、損失率的加權因子為0.6時,各個試驗因素對綜合分數影響的主次順序依次是攪龍轉速C、圓筒篩轉速A、攪龍與圓筒篩間隙B;較優參數值組合為A3B3C1,即圓筒篩轉速50r/min、攪龍與圓筒篩間隙10mm、攪龍轉速150r/min。

4.1.2 回歸試驗

在正交試驗的基礎上,選取對試驗指標影響顯著的攪龍轉速x1和圓筒篩轉速x2作為試驗因素進行二次正交旋轉回歸試驗。由于攪龍與圓筒篩間隙對含雜率和損失率的影響均不顯著,所以試驗中將攪龍與圓筒篩間隙固定為正交試驗的較優參數水平10mm,以正交試驗中得到的攪龍轉速和圓筒篩轉速的較優參數水平值作為回歸試驗中的零水平[13],根據編碼公式進行編碼可得到回歸試驗的因素水平編碼表,如表3所示。試驗方案及結果如表4所示。

表3 回歸試驗因素編碼表

表4 回歸試驗方案及結果

利用DPS軟件對表4中的試驗數據進行回歸分析,可分別得到攪龍轉速、圓筒篩轉速與含雜率Yz、清選損失率Ys之間的回歸方程為

(3)

(4)

4.1.3 交互因素對清選效果影響規律分析

工作時,攪龍與圓筒篩同時轉動,它們之間會產生連帶速度。為了更加清楚地研究這兩個交互因素對含雜率、清選損失率的影響規律,利用MatLab軟件繪制出攪龍轉速和圓筒篩轉速與試驗指標之間的響應曲面,如圖4和圖5所示。

由圖4可知:在攪龍轉速各個水平下,含雜率隨圓筒篩轉速呈先下降后上升的趨勢;在圓筒篩轉速各個水平下,含雜率隨攪龍轉速也呈先下降后上升的趨勢。這是因為攪龍轉速大小決定了物料在圓筒篩內的輸送速度,當攪龍速度逐漸增大時,物料中的短莖稈及果莢殼會不斷地從排雜口排出機外,籽粒和輕雜物透過篩孔進入氣流清選室。當攪龍轉速固定在某一水平時,隨著圓筒篩轉速增大,含雜率呈現出上升趨勢。這是由于圓筒篩轉速變大,部分體積較大的輕雜物透過篩孔的幾率增大,導致含雜率逐漸升高。

圖4 攪龍轉速和圓筒篩轉速對含雜率的影響

由圖5可知:在攪龍轉速各個水平下,清選損失率隨圓筒篩轉速呈先下降后上升的趨勢;在圓筒篩轉速各個水平下,清選損失率隨攪龍轉速也呈先下降后上升的趨勢。這是因為攪龍轉速大小決定了物料在圓筒篩內的輸送速度,當攪龍速度逐漸增大時,籽粒和輕雜物透過篩孔進入氣流清選室;當攪龍速度過大時,籽粒還未來得及透篩,隨果莢殼等一起排出機外,造成損失率急劇上升。當攪龍轉速固定在某一水平時,隨著圓筒篩轉速增大,含雜率呈現出先下降后上升趨勢。這是由于圓筒篩轉速變大,籽粒透過篩孔的幾率增大,所以清選損失率減小。當圓筒篩轉速過大時,篩分率降低,所以清選損失率增加。

4.2 風選性能試驗

風選性能試驗是在莖稈分離性能試驗基礎上進行的,此時莖稈分離裝置的結構運動參數均處于最優水平值。影響風選性能試驗主要的因素有橫流風機轉速A、下落物料角度B、風道高度C。本試驗以含雜率和清選損失率為清選性能指標,按正交試驗表L9(34)進行三因素三水平正交試驗,因素水平編碼表如表5所示,試驗方案及結果如表6所示。

表6 正交試驗方案及結果

對風選性能正交試驗結果進行極差分析可知:影響含雜率的因素主次順序依次是橫流風機轉速A、風道高度C、下落物料角度B,較優參數組合為A3B3C3;影響損失率的因素主次順序依次是風道高度C、下落物料角度B、橫流風機轉速A,較優參數組合為A1B2Cl。采取加權綜合評分法處理[14],選取含雜率權重0.4,損失率權重0.6,用綜合評分法確定綜合指標,對試驗數據進行加權分析。此時,對綜合分數影響最大的因素為橫流風機轉速,風道高度次之,下落物料角度最小,即A>C>B;最優參數組合為A2B2Cl,即橫流風機轉速700 r/min、下落物料角度30°、風道高度500 mm。由表6中可以看出:最優參數組合為試驗方案中第5組試驗,含雜率為1.71%,清選損失率為0.64%。該結果表明清選裝置的清選效果良好,滿足國家行業標準要求。

5 結論

1)采用內流式圓筒篩分離出大白菜種子脫出物中的短莖稈、果莢殼和橫流風機吸走輕雜物是大白菜種子收獲清選的有效方法。

2)在試驗條件下,莖稈分離裝置的較優結構運動參數為:圓筒篩轉速為50r/min,攪龍與圓筒篩間隙為10mm,攪龍轉速為150r/min。風選裝置的較優結構運動參數為:橫流風機轉速700r/min、下落物料角度30°、風道高度500mm。

3)當莖稈分離裝置和風選裝置的結構運動參數都在最優水平時,大白菜種子清選裝置的含雜率為1.71%,清選損失率為0.64%。該裝置清選效果良好,滿足國家行業標準要求。