核桃物料空氣動力學(xué)特性與風(fēng)選分離裝置試驗

劉佳，沈曉賀，崔寬波，買合木江·巴吐爾，楊莉玲

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

核桃(JuglansregiaL.)，又稱胡桃、姜桃，是胡桃科植物，與扁桃、腰果、榛子并稱為世界著名的“四大干果”，富含大量的鈣、磷、鐵等營養(yǎng)成分，具備較高的營養(yǎng)和藥用價值，市場前景比較廣闊[1-4].目前，中國核桃種植面積和產(chǎn)量居世界首位，是農(nóng)村發(fā)展的特色經(jīng)濟作物，其中新疆作為我國主要核桃產(chǎn)地，以溫185、扎343以及新新2三大核桃品種為主.但在核桃收獲過程中，由于水肥管理不當(dāng)、過早采收等原因，存在較多的空癟核桃，影響核桃收獲質(zhì)量，影響農(nóng)民增收，因此為提高核桃收獲品質(zhì)，需要將空癟核桃分選出去.目前農(nóng)產(chǎn)品物料分選方式主要有磁選法、電選法、風(fēng)選法等，其中，風(fēng)選法是利用物料之間不同的空氣動力學(xué)特性，實現(xiàn)物料分選[5-8].正常核桃和空癟核桃在空氣動力學(xué)特性上存在顯著差異，采用風(fēng)選方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于操作、分選效果較好等特點，適應(yīng)性較廣.

Shellard等[9]測定脫粒后的小麥莖稈的懸浮速度，得到其懸浮速度與莖稈本身的直徑、長度及面積參數(shù)之間的關(guān)系；Mokhtari Nahal等[10]研究核桃混合物在垂直氣流場中的分選方法，得出了氣流速度對分選效果的影響規(guī)律；馬秋成等[11]研制了一種蓮子負(fù)壓分離裝置，利用蓮仁、蓮殼、碎仁不同的空氣動力學(xué)特性，完成蓮子殼仁分選過程，該裝置的清選效果較好；耿令新等[12]通過測定大白菜種子脫出物的懸浮速度范圍，得到籽粒與清雜物空氣動力學(xué)特性差異較大，于是采用氣流清選方式，完成其分選過程；海梅等[13]測定藜麥脫出物的懸浮速度范圍，并在清選試驗臺進行試驗，得到風(fēng)機轉(zhuǎn)速與含雜率、損失率之間的關(guān)系，為藜麥聯(lián)合收獲機風(fēng)選部件參數(shù)選擇提供依據(jù).

本研究采用理論分析與試驗驗證相結(jié)合的方式，選取新新2核桃作為試驗對象，測定正常核桃與空癟核桃的懸浮速度，并研制一種核桃風(fēng)選分離裝置，確定風(fēng)機選型，然后設(shè)計正交試驗方案，并進行該裝置工作性能驗證試驗，得到其較優(yōu)工作參數(shù)組合，以期為新疆乃至全國核桃分選裝置的研發(fā)提供科學(xué)依據(jù).

1 核桃懸浮速度計算

由于正常核桃與空癟核桃的空氣動力學(xué)特性存在差異，當(dāng)受到氣流作用力時，其所受的合力不一樣致使產(chǎn)生不同的運動軌跡.為實現(xiàn)核桃的分離，需要計算待分離物料的懸浮速度數(shù)值，從而確定合適的分離氣流速度.

通過前期預(yù)試驗得到，溫185核桃的平均棱長為34.43 mm、長徑為37.66 mm、橫徑為38.54 mm、質(zhì)量為15.30 g；新新2核桃的平均棱長為31.05 mm、長徑為36.75 mm、橫徑為33.84 mm、質(zhì)量為11.50 g；扎343核桃的平均棱長為35.08 mm、長徑為43.25 mm、橫徑為36.83 mm、質(zhì)量為13.80 g.根據(jù)核桃的幾何尺寸計算3個核桃品種的球度系數(shù)，其計算公式為：

(1)

式中：λ為球度系數(shù)；d1為核桃物料的棱長，mm；d2為核桃物料的長徑，mm；d3為核桃物料的橫徑，mm；dmax為核桃物料的最大徑長，mm.

根據(jù)公式(1)計算得到溫185、新新2、扎343核桃的球度系數(shù)分別為0.98、0.97、0.88，接近于1，因此可以把核桃看成橢球體進行分析計算.在核桃分選過程中，核桃受到重力、懸浮力及空氣阻力3個作用力，其中空氣阻力可忽略不計，受力分析如圖1所示.

圖1 核桃受力分析圖Figure 1 Walnut stress analysis chart

根據(jù)受力平衡原理，核桃物料受到的作用力計算公式如下：

(2)

化簡公式(2)，得到核桃物料的臨界懸浮速度公式為：

(3)

式中：F為懸浮力，N；k為阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；S為物料的最大截面面積，m2；v為氣流速度，m/s；G為物料重力，N；m為物料質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；a為物料加速度，m/s2；ve為物料的理論懸浮速度，m/s；vl為物料的實際懸浮速度，m/s；c為可靠性系數(shù)，為彌補核桃大小形狀及碰撞等因素造成計算結(jié)果產(chǎn)生的誤差，一般情況為1.8～2，取c為1.8.

綜上所述，與溫185、扎343相比，新新2的尺寸與質(zhì)量最小，因此本試驗對象選定新新2核桃.通過查閱《農(nóng)業(yè)物料學(xué)》資料[14]，取阻力系數(shù)k為0.44，空氣密度ρ為1.20 kg/m3，正常核桃平均質(zhì)量為11.50 g，空癟核桃平均質(zhì)量為7.12 g，代入公式(3)計算，可以得到正常核桃的懸浮速度為28.72 m/s，空癟核桃的懸浮速度為23.26 m/s，因此選取合適的核桃分離氣流速度范圍為23.26～28.72 m/s.

2 核桃風(fēng)選分離裝置設(shè)計與試驗研究

2.1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

為研究正常核桃與空癟核桃分離的工藝參數(shù)，根據(jù)上述計算的核桃懸浮速度結(jié)果，研制一種核桃風(fēng)選分離裝置，如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)見表1.

表1 核桃風(fēng)選分離裝置主要參數(shù)Table 1 Main parameters of walnut air separation device

該裝置主要由離心風(fēng)機、風(fēng)選通道、振動喂料裝置、機架、調(diào)風(fēng)板以及振動電機等部件組成.當(dāng)該裝置工作時，通過振動喂料裝置把待風(fēng)選核桃均勻地單層排列進入風(fēng)選通道，然后靠自身重力下落.與此同時，風(fēng)機工作時，在分選通道內(nèi)產(chǎn)生一定的氣流速度，對下落的核桃產(chǎn)生氣流作用力，氣流作用力可以使質(zhì)量較輕的空癟核桃向上運動，從廢料口排出，而質(zhì)量較大的正常核桃下落到卸風(fēng)板再從出料口排出到收集箱里，從而實現(xiàn)核桃的分離工作.在實際的工作中，可以根據(jù)核桃分選的實際情況來調(diào)節(jié)調(diào)風(fēng)板的角度，控制風(fēng)選管道內(nèi)的風(fēng)力大小，來適應(yīng)不同核桃品種的分選工作.

1：調(diào)風(fēng)板；2：出料口；3：廢料口；4：風(fēng)選通道；5：振動喂料裝置； 6：振動電機；7：機架；8：風(fēng)機.1：Adjusting plate；2：Outlet；3：Waste port；4：Air selection channel；5：Vibrating feeder；6：Vibrating motor；7：Frame；8：Fan.圖2 核桃風(fēng)選分離裝置整體結(jié)構(gòu)Figure 2 Walnut air separation device overall structure

2.2 風(fēng)機選型

風(fēng)機作為核桃風(fēng)選分離裝置的關(guān)鍵部件，直接決定風(fēng)選系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，其中流量和壓力是表示風(fēng)機性能的關(guān)鍵參數(shù)，計算公式如下：

(4)

式中：Q為風(fēng)機流量，m3/h；M為輸料量，kg/h；w為混合比；P為風(fēng)機全壓，Pa；P0為核桃分離氣流所需的臨屆壓力，Pa；α為壓力損失系數(shù)，取3.5.

取M為1 000 kg/h、w為0.5、空癟核桃平均質(zhì)量為7.12 g、懸浮速度為23.26 m/s代入公式(4)得到Q為1 667 m3/h，P為1 386.30 Pa.結(jié)合裝置田間工作環(huán)境情況，選擇風(fēng)機型號為2.5A-CF(A)的多翼型離心通風(fēng)機，功率為2.2 kW，額定工作轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，流量748～2 617 m3/h，全壓為1 296～1 542 Pa.根據(jù)前期裝置設(shè)計與預(yù)試驗表明，要合理選擇風(fēng)機轉(zhuǎn)速，否則嚴(yán)重影響分選效果，因此取風(fēng)機轉(zhuǎn)速范圍為2 400～3 400 r/min.

2.3 試驗研究

2.3.1 試驗方案 2019年10月，試驗材料選用烘干房烘后室內(nèi)存放兩個月的新新2核桃，核桃基本物料特性參數(shù)如表2所示.在新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)葉城縣，選用核桃風(fēng)選分離裝置進行試驗.

表2 物料基本參數(shù)Table 2 Material basic parameters

通過前期預(yù)試驗及參考馬豪[3]的研究成果，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)速(調(diào)節(jié)發(fā)動機油門)、調(diào)風(fēng)板傾角(螺栓調(diào)節(jié))、喂入量(調(diào)節(jié)變頻器改變振動喂料速度)3個因素對核桃分離影響的效果較大.因此，為進一步分析各因素對核桃清選率μ和損失率η的影響，選取風(fēng)機轉(zhuǎn)速f、調(diào)風(fēng)板傾角θ、喂入量w作為試驗因素，則試驗因素設(shè)計水平如表3所示.

表3 試驗因素水平Table 3 Factor level of experiment

2.3.2 試驗指標(biāo)與方法 根據(jù)GB/T5667-2008《農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)試驗方法》和參照GB/T5262-2008《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計試驗[15-16]，該裝置工作前，選取5組大小均勻的核桃試驗樣本，每組200個核桃，其中空癟核桃40個(作記號)，并稱其質(zhì)量，正常核桃分別記為a11、a12、a13、試驗后，將每組收集箱內(nèi)的正常核桃和空癟核桃分別裝袋并稱質(zhì)量，正常核桃分別記為a21、a22、a23、a24、a25，空癟核桃分別記為b21、b22、b23、b24、b25，則核桃清選率和損失率的計算公式如下：

(5)

2.3.3 試驗結(jié)果與分析 為避免試驗誤差對結(jié)果造成影響，故在正交試驗設(shè)計表中添加空白列，參照《試驗設(shè)計與分析》書籍資料[17]，按照L9(34)設(shè)計正交試驗方案，如表4所示，試驗現(xiàn)場如圖3所示.

圖3 試驗現(xiàn)場Figure 3 Test site

由表4可知,核桃清選率范圍為90.78%～98.89%,損失率范圍為1.28%～3.21%.各因素影響試驗指標(biāo)的極差順序為：風(fēng)機轉(zhuǎn)速A>調(diào)風(fēng)板傾角B >喂入量C，較優(yōu)的試驗方案為A2B2C2，即風(fēng)機轉(zhuǎn)速為2 900 r/min、調(diào)風(fēng)板傾角為80°、喂入量為900 kg/h.

表4 正交試驗結(jié)果與極差分析Table 4 Orthogonal test results and range analysis

為了進一步研究各因素對試驗指標(biāo)的顯著性影響效果，采用SPSS 20.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析[18]，分析結(jié)果如表5所示.

表5 方差分析Table 5 Variance analysis

結(jié)果表明，模型的決定系數(shù)分別為0.998、0.996，可以解釋99%以上的評價指標(biāo).通過P值大小可以反映各個因素對試驗指標(biāo)的影響程度，在核桃清選率和損失率模型中，風(fēng)機轉(zhuǎn)速影響極顯著(P<0.01)，調(diào)風(fēng)板傾角影響顯著(P<0.05)，喂入量影響不顯著(P>0.05).

從SPSS軟件得到各個因素對試驗指標(biāo)的影響曲線圖，如圖4所示.根據(jù)圖4-A可知，風(fēng)機轉(zhuǎn)速過高，風(fēng)選管道內(nèi)的氣流速度較大，容易導(dǎo)致正常核桃分選出去，損失率變大；反之，則核桃不易分離，清選率會減小，影響裝置工作性能，因此選擇風(fēng)機轉(zhuǎn)速最優(yōu)水平為2 900 r/min.根據(jù)圖4-B可知，調(diào)風(fēng)板傾斜角過大，氣流作用力較小，影響清選效率，造成能量損失；反之，則核桃受到的氣流作用力較大，核桃損失率變大，造成資源浪費，因此選擇調(diào)風(fēng)板傾角最優(yōu)水平為80°.根據(jù)圖4-C可知，當(dāng)喂入量增加，會有大量核桃堆積，發(fā)生堵塞，分選不徹底，影響清選效率；反之無法滿足一定量的生產(chǎn)率，因此選擇喂入量的較優(yōu)水平為900 kg/h.

圖4 各因素對試驗指標(biāo)的影響曲線圖Figure 4 Effect curve graphs of each factor on test indexes

2.3.4 試驗驗證 綜上所述，確定A2B2C2為核桃風(fēng)選分離裝置的較優(yōu)參數(shù)組合，為驗證較優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合的正交試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，按照上述的試驗方法進行3次重復(fù)性驗證試驗，結(jié)果取均值，試驗結(jié)果如表6所示.

表6結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速為2 900 r/min、調(diào)風(fēng)板傾角為80°、喂入量為900 kg/h，核桃清選率試驗驗證值為98.95%，核桃損失率試驗驗證值為1.24%，滿足核桃分選農(nóng)藝要求，達到國家及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條件.

表6 優(yōu)化值與試驗驗證值Table 6 Optimization and experiment verification results

3 結(jié)論

1) 通過理論計算得到正常核桃與空癟核桃的懸浮速度參數(shù)分別為23.26、28.72 m/s，根據(jù)其研究成果，設(shè)計了一種核桃風(fēng)選分離裝置，并對風(fēng)機進行計算，選擇2.5A-CF(A)的多翼型離心通風(fēng)機，功率為2.2 kW，額定工作轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，流量748～2 617 m3/h，全壓為1 296～1 542 Pa.根據(jù)前期樣機設(shè)計及預(yù)試驗表明，取風(fēng)機轉(zhuǎn)速范圍為2 400～3 400 r/min.

2) 試制核桃風(fēng)選分離裝置，開展正交試驗，以風(fēng)機轉(zhuǎn)速、調(diào)風(fēng)板傾角、喂入量為影響因素，核桃清選率、損失率為試驗指標(biāo)，分析各因素對試驗指標(biāo)的影響程度.結(jié)果表明，風(fēng)機轉(zhuǎn)速對核桃清選率和損失率影響極顯著，調(diào)風(fēng)板傾角影響顯著，喂入量不顯著；較優(yōu)參數(shù)組合：風(fēng)機轉(zhuǎn)速為2 900 r/min、調(diào)風(fēng)板傾角為80°、喂入量為900 kg/h，并進行試驗驗證得知該裝置的清選率為98.95%，損失率為1.24%，符合核桃清選農(nóng)藝要求，該研究結(jié)果為后續(xù)研究核桃分選裝置奠定基礎(chǔ).