馬鈴薯清選機氣力懸浮薯石分離裝置設計與試驗

耿端陽 蘇國粱,2 魏忠彩,2 譚德蕾 李學強 劉 洋,2

(1.山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255091；2.山東省馬鈴薯生產裝備智能化工程技術研究中心，德州 253600；3.山東希成農業機械科技有限公司，德州 253600)

0 引言

在我國北方馬鈴薯主產區，田間散布有大小不一、形狀各異的石塊，這給聯合收獲后的馬鈴薯清選和分選帶來了諸多問題。在馬鈴薯機械化收獲過程中，僅依靠桿條式分離篩難以達到理想的薯石分離效果[1-2]。在馬鈴薯清選階段，聯合收獲后的物料需輔以人工進行分選，其勞動強度大、耗時較長，難以實現人工分選與機械化收獲的協同配合[3-4]。同時，馬鈴薯混雜石塊還會影響收獲機關鍵部件的工作可靠性。

馬鈴薯清選機是對聯合收獲機收獲后的薯石混合物進行清選、分離的設備[5-6]，其結構形式多為輥式和網篩式結構，主要根據馬鈴薯的外形尺寸進行清選分離[7-8]。呂金慶等[9]設計了差動式馬鈴薯分級機，采用改變固定輥和浮動輥間隙的方式實現了馬鈴薯分級，并確定了分級效果最優的工作參數。宋言明等[10]設計了滾刷式馬鈴薯聯合收獲機，通過毛刷清刷馬鈴薯表層，實現土雜與馬鈴薯的分離。國外對馬鈴薯清選機研究較早，但主要集中在馬鈴薯與硬雜物及秧蔓的分離方面[11-17]，如MISENER等[18]對刷篩組合式、電子分離式和沖擊輥式薯雜分離裝置進行了研究，分析、優化了3種裝置的作業參數。德國GRIMME公司開發了智能馬鈴薯清選機，該機可實現土石圖像識別、定向去雜、機械分選、清洗、輸送和包裝等功能[19]，但與國內農藝需求貼合度較低，難以適應我國北方地區馬鈴薯“防凍搶收入庫”的生產實際需求。

針對多石工況下馬鈴薯清選過程中的石塊剔除問題，本文設計一種馬鈴薯氣力懸浮薯石分離裝置，確定馬鈴薯氣力懸浮和振動分層分離相結合的薯石分離裝置的具體結構，以期提高馬鈴薯的選出率和清選潔凈率，并提高清選效率。

1 結構與工作原理

1.1 基本結構

氣力懸浮薯石分離裝置結構如圖1a所示，主要包括離心風機、氣流管道、喂料裝置、排雜裝置、振動篩、連桿和落料口開閉裝置。其實物如圖1b所示。

氣力懸浮薯石分離裝置的振動裝置結構如圖2所示，主要包括偏心輪、連桿、擋料板、振動篩、側連接板和支臂。落料口通過調整擋料板實現落料口開閉：系統工作時開啟，利于石塊的順利排出；非工作時關閉，避免懸浮區殘留馬鈴薯落入排雜裝置造成浪費。

1.2 工作原理及參數

氣力懸浮薯石分離裝置作業時，開啟離心風機的電機，為薯石分離提供特定速度的氣流，喂料裝置的輸送帶向振動篩輸送薯石混合物，振動篩在偏心輪驅動下往復擺動，馬鈴薯和石塊在重力作用下落在振動篩面；隨著振動篩擺動，馬鈴薯被拋離篩面并借助氣流作用以懸浮狀態送至出料端，而石塊在重力和振動篩的振動作用下滑落至排雜裝置，達到薯石分離的目的。氣力懸浮薯石分離裝置主要參數如表1所示。

表1 氣力懸浮薯石分離裝置參數

2 關鍵部件參數設計

氣力懸浮薯石分離裝置采用氣力與振動相結合的方式實現薯石的懸浮分離，其空氣動力學特性對參數選擇和分離效果有較大的影響。

2.1 薯石空氣動力學特性

氣力懸浮薯石分離是利用薯石密度差異借助振動篩作用實現薯石分層分布，利用馬鈴薯與石塊懸浮速度差異，借助高速氣流作用實現馬鈴薯的懸浮、輸送，達到薯塊與石塊分離的目的。薯石分離過程的運動分析如圖3所示，圖中vp、ve分別為馬鈴薯和石塊在氣力和振動篩的作用下的運動速度。

當薯石混合物均勻落在振動篩篩面后，隨著振動篩的抖動，由于薯石密度差異出現分層趨勢；進一步在氣流作用下，由于馬鈴薯懸浮速度小于石塊的懸浮速度，處于上層的馬鈴薯借助氣流作用脫離篩面，并在氣流作用下以懸浮狀態向出料口運動，且馬鈴薯氣流速度小于石塊懸浮速度，處于下層的石塊則在抖動過程逐漸向排雜裝置運動，最終通過排雜裝置排出。根據氣固兩相流分離理論，氣流推力為[20]

(1)

式中Ft——氣流推力，N

C——物料阻力系數

A——物料迎風面積，m2

ρs——物料密度，kg/m3

vs——氣流速度，m/s

氣流場分為3個區域：粘性摩擦阻力區、過渡區和牛頓區。不同的區域對應不同的懸浮速度計算公式，為確定計算馬鈴薯和石塊所使用的懸浮速度公式，需首先確定馬鈴薯和石塊阻力系數C所屬的區域。一般通過比較物料粒徑尺寸和計算因子T之間關系的方式，即粒徑法[20]來間接確定阻力系數C所屬的區域，計算因子公式為

(2)

式中T——計算因子，mm

μ——空氣動力粘度，按20℃取1.81×10-5Pa·s

ρa——空氣密度，1.2 kg/m3

實測馬鈴薯密度為1 171～1 199 kg/m3，取平均值1 185 kg/m3，其計算因子Ta為6.13×10-2mm。實測石塊密度2 400～2 800 kg/m3，取平均值2 600 kg/m3，其計算因子Tb為4.72×10-2mm。

由流體力學可知[20]，適用于各流場區域粒徑與計算因子T的關系分別為：

粘性摩擦阻力區

dp≤2.2T

(3)

過渡區

2.2T

(4)

牛頓區

20.4T

(5)

式中dp——物料粒徑，mm

根據北方常見馬鈴薯的塊莖尺寸[21]，以確保所有馬鈴薯均可達到懸浮狀態為目的，此處取馬鈴薯的平均當量粒徑dpa=45 mm。由于收獲機輸送分離篩的尺寸限制[22]，收獲后的石塊尺寸大于等于35 mm。為保證所有石塊不脫離振動篩篩面，取石塊最小粒徑dpb=35 mm，顯然馬鈴薯及石塊的阻力系數均處于牛頓區，其懸浮速度公式為[20]

(6)

式中vp——物料懸浮速度，m/s

S——物料修正系數

由于馬鈴薯和石塊的阻力系數處于牛頓區，阻力系數為常數，即C=0.44[20]。

馬鈴薯形狀差別較大，一般呈不規則橢球形，采用不規則橢圓體的形狀修正系數代替，Sa=1.1[20]。則計算得馬鈴薯懸浮速度vpa=34.40 m/s。石塊形狀非常復雜，但多為不規則的棱形體或類球形體，為簡化分析，采用不規則球體的形狀修正系數代替，Sb=1.2[20]，計算得懸浮速度vpb=43.32 m/s。

由上述分析可知，馬鈴薯最大懸浮速度小于石塊最小懸浮速度，滿足氣力分離的基本要求。由此確定了系統氣流速度即馬鈴薯和石塊的落料口的氣流速度，取出料口最大氣流速度為35 m/s。離心風機具有風力集中、轉速上限高和可精確調節轉速的優勢[23]，更適合該裝置頻繁的氣流速度調節，其全壓[20]為

pqa=psa+pda

(7)

(8)

式中pqa——離心風機全壓，Pa

psa——離心風機出口處靜壓，Pa

pda——離心風機出口處動壓，Pa

psf——離心風機靜壓，Pa

ε——管道固有阻力系數

va——氣流速度，m/s

根據伯努利方程得出的氣流速度-風壓關系，離心風機的動壓為

(9)

氣流速度與風量換算關系為

qa=3 600vaZ

(10)

式中qa——離心風機風量，m3/h

Z——氣流管道截面積，m2

風機出口氣流速度va為35 m/s，代入式(9)可得pda=735 Pa；根據氣流管道形狀和結構，管道固有阻力系數為ε=1.25[22]，代入式(8)得psa=918.75 Pa；將psa和pda代入式(7)得風機全壓pqa=1 653.75 Pa。與風機連接的氣流管道長度為1 000 mm，其截面為657 mm×575 mm的矩形，則管道截面積Z=0.378 m2，將Z與va代入式(10)，計算得離心風機風量qa=47 628 m3/h。選取4-72 NO.8A型右旋0°的離心風機(德州億沃特風機有限公司)，并匹配15 kW可變頻調速的三相異步電動機。根據一般變頻器的選用需求，變頻器的功率應稍大于電機功率，選用功率為18 kW的變頻器。

2.2 振動裝置設計

振動裝置是薯石懸浮分離機的核心部件，其結構如圖4所示。考慮薯石懸浮分離技術是借用薯石懸浮速度差異實現馬鈴薯懸浮、石塊不離篩面的原理進行分離，所以為了確保馬鈴薯的懸浮效果，減小懸浮過程石塊等對其造成的影響，設計了振動裝置使薯石混合物自動分層，即密度較小的馬鈴薯處于上層，而密度較大的石塊處于下層；且在石塊遮擋篩孔作用下會使氣流速度增大，更有利于馬鈴薯的懸浮輸送。

振動裝置的整體結構為曲柄連桿帶動平行四連桿往復運動的形式，曲柄連桿裝置的曲柄長度和曲柄轉速會影響振動篩的振幅、頻率和振動篩運動的加速度。借鑒谷物收獲機中清選裝置結構參數的確定方法[24]，結合薯石混雜物的具體情況，選取偏心輪偏心距即曲柄半徑R=15 mm，擺動桿長度即連桿長度L1=540 mm，并取支臂間距L2=200 mm，支臂L3=150 mm。

振動篩對馬鈴薯與石塊分層以及往復運動具有很大的影響，其外形尺寸盡量與風機風道寬度接近；篩孔結構選取結構簡單的矩形孔，其尺寸和排列方式如圖5所示。

根據與風機連接的氣流管道的截面尺寸和結構設計需求，確定振動篩的尺寸為490 mm×470 mm，并在篩面上開有15 mm×9 mm的矩形孔。

3 薯石分離過程及運動特性分析

3.1 薯石分離過程分析

薯石混合物進入薯石分離腔后，并不會瞬間完成分離，而是首先落于振動篩之上，在氣流的懸浮作用和振動篩的振動組合作用之下，最終馬鈴薯沿水平方向朝向出料端運動，石塊在振動篩的振動作用下沿振動篩的方向落入排雜裝置。薯石分離過程的4個關鍵狀態如圖6所示。

薯石分離過程可分為：薯石輸送、薯石觸篩、薯石分層和薯石分離。分析可知，馬鈴薯和石塊的混合物在薯石輸送和薯石觸篩的瞬間其狀態均為無序排列；薯石混合物接觸分離篩后，在振動篩的振動作用下，馬鈴薯和石塊完成分層，即呈現出“馬鈴薯在上，石塊在下”的狀態；馬鈴薯和石塊分層后，馬鈴薯被拋離篩面并在氣力作用下達到懸浮狀態并向出料口方向輸送，石塊不會達到懸浮狀態，并在振動篩的振動下，沿篩面向排雜裝置方向滑動，并最終落入排雜裝置，完成薯石分離。

3.2 薯石分離運動特性分析

薯石混合物進入薯石分離腔后，薯石混合物到達振動篩并完成分層，借助振動篩振動和氣力的共同作用，馬鈴薯被拋離篩面、達到懸浮狀態并朝出料口方向運動，石塊沿振動篩方向朝向排雜裝置滑動，最終落入排雜裝置。物料在接觸振動篩的瞬間受力分析如圖7所示。薯石混合物被拋離振動篩的瞬間，其受到的力為物料自身的重力mg、氣力fq、慣性力u、篩面的法向反力FN和摩擦力f，因曲柄長度遠小于連桿長度，加之篩面是由4根等長同相位支臂組成的平行四桿機構支撐，所以篩面運動規律完全相同，即可看作篩面沿OB方向做往復直線運動。以OB方向為x軸，與OB垂直的方向為y軸建立直角坐標系。則篩面上任意一點的加速度a可表示為

a=Rω2cos(ωt)

(11)

式中ω——曲柄角速度，rad/s

薯石混合物和篩面一起運動，當ωt在0～π/2和3π/2～2π區間(1、4象限)時(圖7a)，加速度a為正，慣性力u為負，薯石混合物有沿篩面向后滑動的趨勢。當ωt在π/2～3π/2區間(2、3象限)時(圖7b)，加速度a為負，慣性力u為正，薯石混合物有沿篩面向后滑動的趨勢。

對于石塊，理想的運動狀態是其沿傾斜篩面向后滑落直至落入排雜裝置，且在運動過程中不能被拋離篩面。

當加速度為正(圖7a)時，石塊可以沿篩面向后滑動的條件為

megsin(β-φ)+meRω2cos(ωt)cos(γ-β+φ)-

(12)

式中me——石塊質量，kg

β——篩面傾角(振動篩與水平方向夾角)，(°)

γ——擺動桿與水平方向夾角，(°)

α——氣流運動方向與水平方向夾角，(°)

φ——石塊與篩面摩擦角，(°)

石塊不被拋離篩面的條件為

megcosβ<0

(13)

當加速度為負(圖7b)時，石塊可以沿篩面向后滑動的條件為

megsin(β+φ)-meRω2cos(ωt)cos(γ-β-φ)-

(14)

石塊不被拋離篩面的條件為FN>0，即

megcosβ<0

(15)

對于馬鈴薯，理想的運動狀態是其接觸篩面后被拋離篩面并達到懸浮狀態向前輸送至出料口。物料拋離篩面的臨界條件為FN=0，則當加速度為正時(圖7a)，馬鈴薯被拋離篩面的條件為

mpgcosβ≥0

(16)

式中mp——馬鈴薯質量，kg

當加速度為負時(圖7b)，馬鈴薯被拋離篩面的條件為

mpgcosβ≥0

(17)

為最大程度保證馬鈴薯的清選效果，應盡量減少清選過程中與薯土分離腔中部件機械接觸的時間和次數，以防輸送過程中與篩面石塊的撞傷。當馬鈴薯懸浮輸送最低點與擺動篩往復運動的最高點無運動干涉，馬鈴薯才不會出現因運動干涉而造成損傷，薯篩碰撞分析如圖8所示，其中，W1為馬鈴薯拋離篩面前的初始位置，W2為馬鈴薯懸浮輸送的最低位置，h為馬鈴薯由W1位置懸浮至W2位置的距離，即馬鈴薯的懸浮高度。根據氣固兩相流壓力損失理論，將馬鈴薯提升h需要克服摩擦壓力損失和提升阻力損失[20]，即

Δps=Δpf+Δpc

(18)

(19)

(20)

式中 Δps——提升馬鈴薯的壓力損失，Pa

Δpf——摩擦壓力損失，Pa

Δpc——提升阻力損失，Pa

λa——氣體摩擦因數

D——管道直徑，m

n——薯石混合物中薯石質量比

根據式(1)和式(9)，氣流將馬鈴薯提升高度h后的氣流推力損失ΔFt為

(21)

分析可知，氣流推力Ft在豎直方向分力Ftsinα不僅要使馬鈴薯達到懸浮狀態，且要使其升至距離篩面高度h處進行懸浮輸送的條件是：Ftsinα不小于馬鈴薯的重力和氣動推力損失之和，故Ftsinα需增大至可以彌補提升馬鈴薯至高度h處的損失，表達式為

(22)

式(22)即為馬鈴薯達到懸浮狀態并不與振動篩產生二次跌落碰撞的條件。

根據薯石分離工況和分層分離設計需求，取連桿與水平方向夾角γ=18°，為保證馬鈴薯既可以達到豎直方向上的懸浮效果，又可以在水平輸送過程中不產生擁堵和淤積，需確定氣力與水平方向夾角α的取值，根據前期的單因素試驗并結合實際經驗，此處取氣力與水平方向夾角α=53°。結合前述分析，薯石分離主要受氣流速度vs、曲柄角速度ω和篩面傾角β的影響。

4 試驗設計與結果分析

4.1 試驗設備及試驗條件

采用自制的氣力懸浮薯石分離試驗臺進行試驗。其他主要儀器有：轉速儀(廣州市速為電子科技有限公司)，電子秤(廣州市威衡電子有限公司)，數字式氣流速度表(希瑪儀表有限公司)和卷尺。試驗在山東希成農業機械科技有限公司進行，試驗現場如圖9所示。

4.2 試驗參數和評價指標

根據馬鈴薯清選工藝以及作業損失限制要求，該裝置適用的作業工況是聯合收獲后的待加工的淀粉薯清選，故破皮率不作為評價指標[25-26]，此處定義馬鈴薯清選的主要評價指標有：馬鈴薯選出率Y1和清選潔凈率Y2，計算式為

(23)

式中Q1——清選后物料中馬鈴薯質量，kg

Q2——清選前馬鈴薯總質量，kg

(24)

式中U1——清選后物料中石塊質量，kg

U2——清選前石塊總質量，kg

4.3 試驗方法

對薯石清選分離試驗用的馬鈴薯和石塊密度采用排水法進行測定，結果分別為1 185、2 600 kg/m3。

為驗證氣流速度vs、篩面傾角β和曲柄角速度ω對氣力懸浮薯石分離過程中馬鈴薯選出率和清選潔凈率的影響規律，獲取較優參數組合，采用三因素三水平正交試驗方案，在前期單因素試驗的基礎上，分別開展不同氣流速度(15～35 m/s)、篩面傾角(14°～22°)和曲柄角速度(10～30 rad/s)下的馬鈴薯清選機氣力懸浮薯石分離試驗。試驗中喂料速度60 t/h，取石薯質量比為0.1。

通過對試驗結果進行分析，得出各個因素對試驗結果影響的顯著性，最終得到各因素較優的水平組合。試驗因素水平如表2所示。

表2 試驗因素水平

4.4 試驗結果及分析

正交試驗方案及結果如表3所示，A、B、C為因素水平值。對正交試驗的結果進行方差與極差分析，結果如表4、5所示。

表3 正交試驗方案與結果

表4 極差分析結果

由方差分析結果可知，該試驗中馬鈴薯選出率和清選潔凈率兩模型的顯著性均為極顯著，試驗結果可靠。氣流速度對馬鈴薯選出率和清選潔凈率均有顯著影響；篩面傾角對馬鈴薯選出率有顯著影響，對清選潔凈率有極顯著影響；曲柄角速度對馬鈴薯選出率無顯著影響，對清選潔凈率有顯著影響。

根據極差分析結果，馬鈴薯選出率對應的較優因素水平組合為A3B1C3，清選潔凈率對應的較優因素水平組合為A1B3C3。

當氣流速度為15、25、35 m/s時，馬鈴薯選出率分別為63.88%、73.10%和90.02%，即選出率隨氣流速度的增大而增大，較優因素水平為A3；這是因為在氣流速度增大時，馬鈴薯會達到更好的懸浮效果，從而增大了馬鈴薯選出率。清選潔凈率分別為90.90%、88.93%和71.32%，即清選清潔率隨氣流速度的增大而減小，較優因素水平為A1；當氣流速度增大時，石塊受到的氣力增大，石塊便會有向前滑動和拋離篩面的可能，當氣流速度增大到一定數值，石塊向前滑動或拋離篩面，清選潔凈率降低。但在實際生產中，馬鈴薯選出率為首要評價指標，這是由于過多的馬鈴薯和石塊一同流向石塊輸出方向，損失率升高并增加后續處理負擔[4]，且由表4分析可知氣流速度并不是影響清選潔凈率的主要因素，因此此處選取A3作為較優因素水平。

當篩面傾角為14°、18°和22°時，馬鈴薯選出率分別為87.55%、83.68%和55.77%，即選出率隨篩面傾角的增大而減小，較優因素水平為B1；清選潔凈率分別為71.09%、80.07%和100%，隨篩面傾角的增大而增大，較優因素水平為B3。當篩面傾角增大時，無論是對于馬鈴薯還是石塊，其重力沿篩面方向的分力均會增大，故馬鈴薯和石塊沿篩面向后滑動的趨勢增加，當篩面傾角增大到一定數值時，馬鈴薯和石塊沿篩面向后滑動，導致馬鈴薯選出率降低，而清選潔凈率增大。由表5分析可知，篩面傾角對兩個指標均有顯著影響且對兩個指標的影響趨勢相反，且馬鈴薯選出率的較優因素水平為B1，清選潔凈率的較優因素水平B3，因此選取B2作為較優因素水平。

表5 方差分析結果

當曲柄角速度為10、20、30 rad/s時，馬鈴薯選出率分別為74.93%、75.85%和76.22%，即選出率隨曲柄角速度的變化無較明顯變化，與極差和方差分析結果相符，較優因素水平為C3；清選潔凈率分別為77.57%、78.06%和95.53%，隨曲柄角速度的增大而增大，較優因素水平為C3。根據式(11)分析可知，當曲柄角速度增大時，石塊沿篩面向后滑動的趨勢增加，且石塊更加不會被拋離篩面，從而清選潔凈率增大，因此選取C3作為較優因素水平。

因此，馬鈴薯清選機氣力懸浮薯石分離裝置的較優因素組合為A3B2C3，即氣流速度為35 m/s，篩面傾角為18°，曲柄角速度為30 rad/s。

4.5 驗證試驗

驗證試驗的試驗條件和測試方法與正交試驗完全相同，按照較優因素組合A3B2C3進行試驗，重復3次試驗取平均值，驗證結果如表6所示，經過試驗得出馬鈴薯選出率均值為96.71%，清選潔凈率均值為98.34%，證明了較優組合選取的合理性，也滿足了馬鈴薯清選的作業要求。

表6 驗證試驗結果

5 結論

(1)研究了基于氣力懸浮、振動分層的薯石分層分離和基于懸浮輸送的氣力懸浮薯石分離機理，基于氣力懸浮薯石分離技術，設計了馬鈴薯清選機氣力懸浮薯石分離裝置，并探究不同參數調整條件下的薯石分離清選特性。

(2)進行了氣力懸浮薯石分離正交試驗，對試驗結果進行了極差和方差分析，并進行了驗證試驗。結果表明：當氣流速度為35 m/s、篩面傾角為18°、曲柄角速度為30 rad/s時，馬鈴薯選出率均值為96.71%，清選潔凈率均值為98.34%。該裝置滿足薯石清選作業的要求，各指標符合相關國家標準要求。