青稞作物脫粒物料清選試驗

劉 凱，崔清亮，侯華銘，涂 也，張燕青，孫 燈

(山西農業大學工學院，山西 太谷030801)

0 引言

我國青稞種植主要分布在西藏、青海、四川甘孜和阿壩等地區。目前，還沒有成熟的專用于青稞作物的聯合收獲機。采用稻麥聯合收獲機收獲青稞作物，存在芒莖分離不清、清選損失率和含雜率高等問題[1]。國內專門針對青稞收獲機械的研究較少，王保愛等[2]設計了一種穗莖分流雙層收獲割臺，實現了青稞機械化莖穗分離收獲。有學者采用風篩式清選裝置 對振動篩上水稻脫粒物料運動進行CFD-DEM數值模擬，探尋振動篩的最佳運動學參數，以期達到提高籽粒透篩效率并減少清選損失的目的[3-6]。楊洋等[7]和徐立章等[8-9]針對全喂入聯合收獲機田間試驗費時、費工、諸多參數無法調整和數據獲取困難等問題，設計了軸流式脫粒-清選室內試驗臺。寧小波等[10]利用CFD技術，對聯合收獲機多風道清選裝置的氣流場分布與風機參數進行了優化。本文主要測試分析青稞作物脫粒物料各組分與清選相關的物料特性和懸浮速度，開展青稞作物脫粒物料清選試驗研究，以期為自走式青稞聯合收獲機清選裝置優化設計提供理論和技術支持。

1 物性測量與試驗分析

1.1物性測量

青稞物料于2019年10月22日取自甘肅甘南州農業科學研究所青稞生產示范基地，選取甘青4號青稞植株，以及經脫粒和分離長秸稈后待清選的混合物料。隨機取25株青稞植株，測得其平均株高87.3 cm，平均麥穗長6.7 cm，麥穗平均粒數為40.6粒，千粒質量49.20 g，草谷比為0.84。隨機取1 000 g混合物料，對其中的籽粒、麥芒、穎殼、斷穗、短莖稈和碎葉各組分進行分揀、分類，并測量各自相關物料特性參數，為清選裝置結構和工作參數的優化提供依據，如表1所示。

表1 各組分相關物性參數

1.2懸浮速度測試

物料懸浮速度是研究物料清選技術及裝備的重要基礎數據，針對青稞作物經脫粒后的待清選脫出物的特點，根據物料懸浮原理及清選工況特點，依照相關的懸浮速度測量國標要求，利用課題組自制的氣吹式農業物料清選懸浮速度測量試驗裝置，設計并進行了分段(3段)懸浮試驗[11-14]。測得青稞作物脫粒物料中籽粒、麥芒和穎殼、斷穗、短莖稈、碎葉等各組分的懸浮速度分別為7.07～12.51、1.29～4.08、2.23～6.32、1.82～8.16、1.29～3.65 ms，如表2所示。

2 清選試驗

2.1試驗原理及裝置

青稞作物脫粒物料清選是利用混合物中籽粒、麥芒、穎殼、斷穗、短莖稈和碎葉等各組分在形狀、尺寸、表面特性和空氣動力學特性等方面的差異，對青稞籽粒進行篩分。首先青稞作物脫粒物料由輸送帶輸送至清選室內，在振動篩網上對其進行振動篩分和風力清選，在清選過程中，青稞籽粒穿過篩網落入集糧器中，麥芒、穎殼和碎葉等被清選氣流帶離清選室，較重的短莖稈、斷穗等通過篩面滑落至尾料收集器。至此，實現了青稞籽粒與輕雜物的分離，完成清選過程。

表2 各組分懸浮速度

Tab.2 Suspension speed of each component 單位：ms

表2 各組分懸浮速度

組分第1階段第2階段第3階段總體籽粒7.07～9.128.26～10.649.48～12.517.07～12.51麥芒和穎殼1.29～2.582.23～3.413.41～4.081.29～4.08斷穗2.23～3.162.88～3.875.00～6.322.23～6.32短莖稈1.82～3.414.08～5.775.47～8.161.82～8.16碎葉1.18～1.822.23～3.413.16～3.651.18～3.65

本試驗采用風篩式清選試驗裝置，主要由風機、風速風向調節器、籽粒收集器、尾料收集器、振動篩箱體和物料輸送器等組成，如圖1所示。

2.2單因素試驗

2.2.1試驗因素水平

清選試驗裝置的工作參數很大程度上決定著試驗清選效果，分別以離心式風機風速和風向、振動篩頻率和振幅為試驗因素進行單因素試驗，尋求合理的清選工作參數水平范圍，為正交試驗因素水平的選擇提供依據。試驗因素水平如表3所示。

表3 單因素試驗水平

2.2.2試驗指標

試驗測定各項作業性能指標，試驗結果取3次試驗測定指標的平均值[15-16]。清選試驗指標籽粒清潔率、清選損失率的計算公式為

(1)

(2)

式中I——籽粒清潔率， %

L——清選損失率， %

ma——籽粒收集器內青稞籽粒質量，g

mb——籽粒收集器內青稞物料質量，g

mc——尾料收集器內籽粒質量，g

2.2.3結果分析

為了探究各因素對青稞清選效果的影響，在以離心式風機風速和風向、振動篩頻率和振幅為試驗因素進行的單因素試驗中，統一設置試驗條件：喂入量0.5 kgs，上、下兩層篩網孔徑分別是8 mm×8 mm、7 mm×7 mm[17-18]。單因素清選試驗結果如圖3所示。

在以風機風速為單因素的清選試驗(圖2a)中，其他參數設置：風機風向35°、振動篩頻率190 rmin、振動篩振幅30 mm。其清選試驗結果表明，隨著風速的增大，篩面清選氣流變大，籽粒清潔率提高，但清選損失率也會相應變大。當風機風速在8.0～8.5 ms時，可獲得較好的清選效果。

在以風機風向為變量的單因素清選試驗(圖2b)中，其他參數設置：風機風速8 ms、振動篩頻率190 rmin、振動篩振幅30 mm。其清選試驗結果表明，隨著風機風向傾角的增大，篩面氣流流場發生改變，籽粒清潔率先增高后降低，損失率先減小后增大。當風機風向傾角在30°～35°時，可獲得較好的清選效果。

在以振動篩振幅為變量的單因素清選試驗(圖2c)中，其他參數設置：風機風速8 ms、風機風向35°、振動篩頻率190 rmin。其清選試驗結果表明，隨著振幅的增大，篩面青稞物料運動幅度變大，籽粒清潔率提高，清選損失率變大。當振動篩振幅在25～30 mm時，可獲得較好的清選效果。

在以振動篩頻率為變量的單因素清選試驗(圖2d)中，其他參數設置：風機風速8 ms、風機風向35°、振動篩振幅30 mm。其清選試驗結果表明，隨著振動篩頻率的增加，篩面青稞物料運動速度變快，籽粒清潔率提高的同時清選損失率也在增大。在保證低清選損失率的情況下，振動篩頻率在190～210 rmin時，可獲得較好的清選效果。

2.3正交試驗

2.3.1試驗設計

以單因素試驗的結果為參考，將篩選出優水平的風機風速、風機風向、振動篩振幅和振動篩頻率作為試驗因素，進行4因素4水平正交試驗，正交試驗按照標準正交表L16(44)進行[19-20]。因素水平如表4所示，清選試驗結果如表5所示。探究影響清選效果的主次因素及最優參數組合。

2.3.2極差分析

通過極差分析，根據極差大小，得出：影響清選裝置籽粒清潔率的主次順序依次為風機風速>風機風向>振動篩頻率>振動篩振幅；影響清選裝置清選損失率的主次順序依次為風機風速>振動篩頻率>振動篩振幅>風機風向。

表4 正交試驗因素水平

2.3.3方差分析

用SAS 9.0軟件分析正交試驗數據，在不考慮各因素之間交互作用的情況下，檢驗因素風機風速、風機風向、振動篩振幅、振動篩頻率對試驗指標清潔率和損失率的影響是否顯著，做3次重復試驗[21]。

表5 正交試驗結果

由表6可知，在清潔率指標方面，風機風速P值﹤0.01，風機風速的改變對清潔率的影響極顯著；風機風向P值﹤0.05，風機風向的改變對含雜率有顯著影響；振動篩頻率0.05

表6 清潔率方差分析

由表7可知，在損失率指標方面，風機風速P值﹤0.01，風機風速的改變對損失率的影響極顯著；振動篩頻率P值﹤0.05，振動篩頻率的改變對含雜率有顯著影響；振動篩振幅0.05

表7 損失率方差分析

2.3.4加權分析

在農業生產中，由于需要在保證低損失率的情況下達到最優清潔率。所以進行加權處理，設清選損失率L權重60%，籽粒清潔權重40%為試驗綜合分數。每個試驗的綜合分為R=[0.4(1-I)+0.6L]×100，橫坐標為因素水平，縱坐標為綜合分，各因素對清選效果影響的趨勢如圖3示。

高清潔率、低失率為理想效果，綜合分越低，則清選效果越好，所以取各因素最小值對應的水平，風機風速最優水平為水平3，風機風向最優水平為水平2，振動篩振幅最優水平為2，篩子頻率的最優水平為2，因此最優方案為A3B2C2D2，即風速8.5 ms，風機風向35°，振幅30 mm，振動篩頻率190 rmin時，相對于其他15組清選參數組合，達到最優的清選效果。

將青稞清選試驗裝置調整至此參數組合下進行試驗，做3次重復試驗，清選試驗結果取平均值，得到所調參數后的清選結果為其籽粒清潔率為97.32%，損失率為3.73%，經試驗驗證效果優于其他15組已做試驗。

3 結論

(1)本試驗測定了甘青4號青稞作物的草谷比、含水率、千粒質量，以及該品種青稞脫粒物料各組分的含水率、三維尺寸。利用氣吹式農業物料懸浮速度測量裝置，測得青稞作物脫粒物料中籽粒、麥芒和穎殼、斷穗、短莖稈、碎葉的懸浮速度分別為7.07～12.51、1.29～4.08、2.23～6.32、1.82～8.16、1.18～3.65 ms。

(2)以離心式風機的風速和風向、振動篩振幅和頻率為試驗因素進行單因素清選試驗，探究其對籽粒清潔率、清選損失率兩項試驗指標的影響，單因素清選試驗的主要目的是發現該因素對清選效果的影響規律和最佳清選范圍。試驗結果表明，風機風速在8.0～8.5 ms，風機風向在30°～35°，振動篩振幅在30～35 mm，振動篩頻率在190～210 rmin時，獲得的清選效果較好。

(3)以單因素試驗的結果為參考，將篩選出優水平的風機風速、風機風向、振動篩振幅和振動篩頻率作為試驗因素，進行正交試驗，對試驗結果加權分析得出風機風速8.5 ms、風向35°、振動篩振幅30 mm、頻率190 rmin時獲得最優清選效果，此時的籽粒清潔率為97.32%，損失率為3.73%。