慣性氣流式紅棗清選系統設計與試驗

史高昆 李景彬 丁龍朋 坎 雜

(1.石河子大學機械電氣工程學院，石河子 832003；2.現代農業機械兵團重點實驗室，石河子 832003)

0 引言

紅棗作為新疆特色優勢林果[1-2]，是新疆果農重要增收果品。目前，紅棗機械化收獲方式分為統收和落地紅棗撿拾[3]，其中氣吸式落地紅棗收獲機是當前研究熱點[4-5]，但作業過程中會附帶吸拾棗葉、棗吊等雜質[6]。如何有效清除機收紅棗中的雜質，提升紅棗收獲品質，是氣吸式落地紅棗收獲機推廣應用的關鍵。

目前，解決棗、雜清選問題的主要方法是在清選系統內安裝撥輪[7]、導向輪[8]、攔棗柵[9-10]等阻棗裝置，利用棗、雜粒徑差異，在阻擋紅棗的同時允許雜質通過，以此實現棗、雜清選。但是紅棗與阻棗裝置碰撞時易造成紅棗損傷，并且由于部分紅棗與雜質粒徑差異不顯著，造成雜質被阻擋或者紅棗通過阻棗裝置，產生含雜率高及紅棗損失的問題。利用待選物料各組分力學特性和流體動力學特性差異進行清選的技術，在鈣果[11]、水稻[12-13]、紅木種子[14]、玉米面[15]、亞麻籽[16]等物料中已有成熟應用，其工作原理是：利用待選物料各組分運移過程中由于物料特性不同，產生的路徑軌跡差異，實現清選作業，研究表明該技術可顯著提升清選性能。當前，紅棗收獲機械研究尚處于功能實現階段，關于棗、雜清選，尤其是利用棗、雜力學特性和流體動力學特性進行清選的研究還未見報道。

本文針對氣吸式紅棗收獲機清選性能有待提高的問題，設計一種利用棗、雜慣性和流體特性差異進行清選的慣性氣流式紅棗清選系統(簡稱清選系統)，對其關鍵部件進行設計，并開展參數優化及試驗驗證。

1 清選系統結構與工作原理

1.1 整體結構

氣吸式紅棗收獲機結構如圖1所示，主要由吸拾裝置、波紋軟管、清選系統、離心風機、輸送裝置等組成。作業時，離心風機運轉在進風口處形成的負壓氣流經清選系統和波紋軟管傳至吸拾裝置，棗、雜經過清選系統分選后，紅棗從排棗閉風器排出后由輸送裝置輸送至周轉筐，而雜質由排雜閉風器排出落至地面，完成紅棗撿拾和清選。

圖1 氣吸式紅棗收獲機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of pneumatic type jujube fruit harvester1.吸拾裝置 2.波紋軟管 3.清選系統 4.排棗閉風器 5.排雜閉風器 6.離心風機 7.輸送裝置 8.周轉筐

圖2 清選系統結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of cleaning system1.入料口 2.導流面 3.排棗閉風器 4.調節板 5.排雜閉風器 6.濾雜裝置

在此過程中清選系統具有清選棗、雜，分離氣、雜的作用，是氣吸式紅棗收獲機的關鍵工作部件。其結構示意圖和實物圖如圖2、3所示，由入料口、導流面、調節板、排棗閉風器、排雜閉風器、濾雜裝置等組成。調節板處于排棗閉風器和排雜閉風器中間，可根據作業需求上下滑動調節，與導流面共同作用改變清選系統流體運動特性。作業時排棗閉風器和排雜閉風器可實時排出棗、雜，并能夠保持清選系統的氣密性。

圖3 清選系統實物圖Fig.3 Physical image of inertia pneumatic type cleaner system

1.2 工作原理

工作時，棗、雜在負壓氣流作用下進入清選系統入料口后，由于導流面與調節板共同作用，使得清選系統內氣流運動軌跡發生改變，棗、雜在流體動力學和慣性差異下，棗、雜運動軌跡產生分層[17]，紅棗在調節板前沉降，經排棗閉風器排出；而雜質則越過調節板，被濾雜裝置阻擋后經排雜閉風器排出清選系統，實現棗、雜清選工作。

2 關鍵部件設計

2.1 清選系統結構參數

為利于紅棗沉降及提高棗、雜清選效果，清選系統內氣流速度應大于雜質而小于紅棗的懸浮速度，因此可根據清選系統內氣流速度設計清選系統結構參數。在清選系統流場內，氣體馬赫數遠小于0.1，可認為空氣是不可壓縮流體[18]。同時，忽略閉風器與外界氣流交換、泄漏等情況，由流量守恒定律知單位時間內通過任意流斷面的流量相同且與流速成正比[19]，即

(1)

式中uA——流斷面A處流速，m/s

uB——流斷面B處流速，m/s

SA——流斷面A處面積，m2

SB——流斷面B處面積，m2

Q——流量，m3/s

參照文獻[7-10,19-20]及項目組研制的與清選系統配套的氣吸式紅棗收獲機作業參數可知，清選系統入料口的氣流速度為27～45 m/s，經測定雜質懸浮速度為3.4～5.6 m/s。參照選用的電動履帶底盤尺寸(長×寬為2.00 m×1.20 m)及與清選系統相鄰布置的柴油發電機尺寸(長×寬×高為1.78 m×0.55 m×1.25 m)，同時考慮配套的氣吸式紅棗收獲機布局合理、結構緊湊，并且結合式(1)計算得到清選系統橫截面積(0.3 m2)等因素，共同確定清選系統長、寬、高分別為1.2、0.6、0.5 m。

2.2 導流面曲線方程

對于部分從入料口上部進入清選系統且難以沉降的紅棗(相比雜質慣性大，形面阻力小，所以更難以沉降)，采用導流面與紅棗非完全偏心彈性碰撞方式改變其運動軌跡，使其快速沉降。由動量和沖量定理知，紅棗與導流面碰撞時速度方向變化越小，紅棗所受沖量也越小，越有利于減輕損傷。同時避免紅棗越過調節板造成損失，其最小速度變化方向為紅棗與導流面碰撞后匯集于調節板頂端的軌跡。由此確定導流面形狀為橢圓曲線，同時紅棗受重力作用，因此橢圓曲線與水平方向應呈一定傾角。

圖4 導流面橢圓曲線示意圖Fig.4 Schematic of elliptic curve of diversion surface

為便于分析導流面的橢圓曲線方程及傾角，以入料口中心位置為坐標原點O(0,0)，平行于入料口方向為x軸，垂直方向為y軸，建立坐標系Oxy。導流面的橢圓曲線方程示意圖如圖4所示，其中F1(xc0,yc0)和F2(xcf,ycf)為焦點，M(xi,yi)為橢圓曲線方程上任意一點，建立橢圓面曲線方程為

(2)

其中

(3)

聯立式(2)、(3)，得

(4)

式中a——橢圓曲線方程長半軸長度，m

b——橢圓曲線方程短半軸長度，m

θ——橢圓曲線方程傾角，(°)

其中F1(xc0,yc0)的坐標為(0,0)，入料口與調節板頂點距離在x軸方向投影長度設計值為0.6 m，即xcf=0.6 m，ycf的數值由公式ycf=0.6tanθ得到。將以上數值代入式(4)并簡化得導流面方程為

(5)

其中橢圓曲線方程的傾角θ可根據紅棗在水平和垂直面的行進距離Sh、Sv的比值得出。紅棗進入清選系統后的運動為有初速度且受重力作用的類平拋運動。選取單顆紅棗J進行計算。因其與空氣密度差異較大，且與氣流相對速度較小[21-22]，忽略除曳力以外的氣流作用力。建立紅棗J運動軌跡切線方向力平衡方程[23]

(6)

式中aJ——紅棗J加速度，m/s2

uJ——紅棗J速度，m/s

mJ——紅棗J質量，kg

g——重力加速度，m/s2

t——時間，s

γ——紅棗J運動方向與水平方向夾角，(°)

FD——紅棗J所受曳力，N

FD計算公式為

(7)

其中

(8)

(9)

式中ρair——空氣密度，取1.205 kg/m3

uair——氣流速度，m/s

dJ——紅棗J垂直于相對速度方向的投影直徑，m

CD——繞流阻力系數，由顆粒的雷諾系數[19]決定

Rep——引入空隙率之后的雷諾數

ε——孔隙率，%

μair——氣體動力粘度，取1.48×10-5m2/s[19]

聯立式(8)、(9)，計算得雷諾系數大于103，屬于湍流的范疇，即CD=0.44。代入式(7)并與式(6)聯立，得

(10)

結合紅棗J運動軌跡方程，可得

(11)

式中u0——紅棗J進入清選系統初速度，m/s

前期試驗知紅棗以水平方向進入清選系統，且最大初速度為6.5 m/s，結合式(10)、(11)計算得θ=11.31°，即導流面曲線方程與水平方向的傾角為11.31°。

2.3 濾雜裝置

濾雜裝置結構如圖5所示，主要由滾筒篩、濾雜條刷、清掃條刷、傳動軸組成。滾筒篩固定于傳動軸上，工作時逆時針旋轉。濾雜條刷和清掃條刷對稱安裝在通過滾筒篩旋轉中心的清選系統內壁上。濾雜條刷用于密封滾筒篩與清選系統的間隙，而清掃條刷則與滾筒篩緊密接觸，用于清除吸附于滾筒篩篩面上的雜質。

圖5 濾雜裝置結構示意圖Fig.5 Schematic of filter device1.濾雜條刷 2.滾筒篩 3.傳動軸 4.清掃條刷

結合清選系統結構尺寸，并且為便于安裝，滾筒篩、濾雜條刷和清掃條刷在水平和垂直方向的配合安裝尺寸應略小于清選系統內截面尺寸。因此確定滾筒篩直徑為0.43 m，寬度為0.59 m。濾雜條刷和清掃條刷材質為尼龍絲，寬度與滾筒篩等寬，高度為3.5 cm。試驗中運動至滾筒篩處的物料主要包括棗葉、棗吊、塵土和形貌尺寸較小且干癟的殘次紅棗，其中殘次紅棗相比棗葉、棗吊、塵土硬度較大，穿過滾筒篩后經過離心風機時對其損傷更嚴重，因此，以殘次紅棗形貌參數確定篩孔的尺寸。對50顆殘次紅棗進行三軸尺寸參數測量，測得最小軸長為6.13 mm，同時為便于滾筒篩的加工制造，確定篩孔直徑為6 mm。

3 清選系統氣流運動特性仿真分析

采用Fluent 19.0軟件對清選系統內流場進行仿真分析[24-25]，以探明清選系統內氣流運動特性，仿真結果如圖6所示。

圖6 清選系統內氣流運動特性仿真結果Fig.6 Fluid simulation analysis results of cleaning system

圖6a為氣流速度云圖，可知氣流進入清選系統后流速快速降低，有利于紅棗的沉降；沿著導流面形成速度較高的氣流帶，便于攜帶輕質雜質越過調節板。圖6b為氣流速度矢量圖，在導流面和調節板共同作用下形成“∞”形旋流，氣流在調節板前為順時針旋流，其軌跡方向在Ⅰ區發生急劇變化，可有效引導紅棗沉降；氣流在Ⅱ區出現匯集，利于攜帶雜質越過調節板頂端；少量被紅棗遮擋并被攜帶至Ⅳ區的雜質，在棗、雜比重差異作用下再次形成分層，紅棗落入排棗閉風器，雜質則隨著Ⅵ區旋流進入Ⅲ區實現二次清選；氣流在調節板后側的Ⅴ區形成逆時針氣流，有利于雜質向排雜閉風器處運移，使雜質快速沉降并排出。流場仿真分析結果表明清選系統內流體運動特性符合預期效果。

4 清選性能試驗

4.1 試驗條件

2020年11月22日，在新疆維吾爾自治區第一師阿拉爾市13團矮化密植棗園開展清選系統性能試驗，試驗區長度為220 m，寬度為50 m。棗樹行距3 m，平均株距為1.5 m；產量為12 500 kg/hm2，品種為新鄭灰棗，含水率為23.09%。

4.2 試驗方法

將清選系統集成于項目組研制的氣吸式紅棗收獲機上。由預試驗知，氣流速度是決定棗、雜喂入量和撿拾效果的關鍵因素，實際作業中，為保證作業速率、喂入量始終處于最大值，而前進速度視撿拾效果而定，故不以喂入量和前進速度作為試驗因素。因此，確定氣流速度和調節板開度為試驗因素。氣流速度由變頻器控制風機轉速進行調節，參數范圍在2.1節確定的27～45 m/s內調節；調節板開度以理論計算值為零點，向上滑動減小開度記為負值，向下滑動增加開度記為正值，由預試驗確定在-6～6 cm內調節。參照DG/T 188—2019《果實撿拾機》和Q/XNJ 001—2017《自走氣吸式紅棗撿拾機》標準，沿棗樹行間劃分若干長度為30 m試驗區，試驗時，調節氣吸式紅棗收獲機運行參數達試驗要求后駛入測試區進行試驗。試驗指標選取為含雜率yim、損失率ylo和破損率yda，其中含雜率是收獲的紅棗中包含雜質的比例，即雜質與收獲紅棗質量之比。損失率是排雜閉風器排出紅棗與收獲紅棗質量的比值。破損率是收獲時機械造成的破損紅棗占總收獲紅棗質量的比值，紅棗表面出現可見的破損及裂紋均記為破損紅棗[26-28]。

4.3 單因素試驗

為分析各試驗因素對試驗指標的影響規律，及選取正交試驗因素水平范圍[29-31]，進行含雜率、損失率和破損率的單因素試驗，并通過Origin 2018軟件對數據進行多項式擬合，繪制試驗指標隨因素的變化規律如圖7、8所示。

圖7 試驗指標隨氣流速度變化曲線Fig.7 Impurity rate,loss rate,and damage rate change rule with airflow velocity

圖8 試驗指標隨調節板開度變化曲線Fig.8 Impurity rate,loss rate,and damage rate changes with open values of baffle

由圖7可知，當氣流速度小于35 m/s時，含雜率隨著氣流速度增加逐漸降低；當氣流速度超過35 m/s時，含雜率隨著氣流速度增加而快速增長。原因是氣流速度低于35 m/s時，氣流速度增加有利于攜帶雜質分離，提高了清選效率；氣流速度大于35 m/s時，隨著氣流速度的增加，吸拾的雜質數量也會增多，以及進入清選系統的棗、雜速度隨著氣流速度增加而提高，造成清選時間相對減少，使得含雜率升高。在氣流速度為27～38 m/s時，損失率隨著氣流速度緩慢遞增，當氣流速度超過38 m/s時，損失率快速增加，原因是隨著氣流速度繼續增加時，棗、雜運動速度也隨之升高，造成部分比重較小的紅棗越過調節板隨雜質排出，形成損失。隨著氣流速度增加，破損率逐漸增加，原因是氣流速度增加使得紅棗動能增加，沉降時碰撞沖量增加，造成破損率增加。當氣流速度為35 m/s左右時，含雜率具有最小值；當氣流速度超過38 m/s時，損失率和破損率急劇增長。由此以氣流速度35 m/s作為中值，最終確定氣流速度為32～38 m/s。

由圖8可知，在調節板開度小于1 cm時，含雜率隨著開度增加快速降低，調節板開度大于1 cm時含雜率又逐漸增高。原因是開度較小時，隨著開度增加被調節板阻擋的雜質變少，使得含雜率降低；當調節板開度繼續增加，使得調節板頂端氣流速度降低，利于二次清選的旋流減弱，造成含雜率升高。損失率隨調節板開度的增加先緩慢增加隨后增加趨勢擴大，原因是調節板開度增加，攜帶紅棗沉降的旋流強度減弱，并且調節板開度增加越大，減弱趨勢愈加明顯，造成損失率快速增長。隨著調節板開度的增加，破損率緩慢降低，原因是調節板開度增加后，其上部流通截面積也增加，使得氣流速度降低，對紅棗作用力減弱，動能降低，因此破損率降低。當調節板開度為1.5 cm左右時含雜率具有最小值，以此值確定為調節板開度區間中值；隨著調節板開度增加，損失率逐漸升高，破損率逐漸降低，其交點出現在調節板開度為-1 cm時，最終確定調節板開度為-1～4 cm。

4.4 交互因素試驗

4.4.1試驗方案

為探究試驗因素交互作用對試驗指標的影響規律，利用Design-Expert 10.0.3軟件中Central Composite Design模塊[32]進行中心復合試驗。因素區間為單因素試驗確定的范圍，試驗因素編碼如表1所示。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Coding of factors

4.4.2試驗結果

采用Central Composite Design試驗方法開展二因素五水平中心復合試驗，試驗方案和結果如表2所示。試驗共計13組，由試驗結果知含雜率為0.67%～4.25%，損失率為0.32%～5.36%，損傷率為0.15%～3.64%。

表2 試驗方案和結果Tab.2 Test scheme and results

4.4.3顯著性檢驗與回歸模型

對表2試驗數進行分析和多元回歸擬合，建立因素對試驗指標的回歸方程并對其進行顯著性檢驗[33]。

含雜率方差分析結果如表3所示，模型P<0.001，極顯著。失擬項P=0.285 8，不顯著，表明不存在影響試驗指標的未考慮因素。其決定系數R2為0.988 7，表明該模型可擬合98.87%的試驗結果。其中A、B、AB、A2對含雜率影響極顯著，B2對含雜率影響顯著。各因素對含雜率的回歸模型為

yim=-24.89+1.79A-1.93B+0.038AB-
0.028A2+0.030B2

(12)

損失率方差分析結果如表4所示，模型P<0.001，極顯著。失擬項P=0.231 9，不顯著，表明不存在影響試驗指標的未考慮因素。其決定系數R2為0.985 7，表明該模型可擬合98.57%的試驗結果。

表3 含雜率方差分析Tab.3 Variance analysis of impurity rate

表4 損失率方差分析Tab.4 Variance analysis of lost rate

圖9 因素交互作用對指標影響的響應面Fig.9 Response surfaces of experimental factors on response indicators

其中B、AB對損失率影響極顯著，A對損失率影響顯著，B2損失率影響較顯著。各因素對損失率的回歸模型為

ylo=-9.21+0.68A-2.30B+0.083AB-
0.011A2+0.027B2

(13)

破損率方差分析結果如表5所示，模型P<0.001，極顯著。失擬項P=0.136 3，不顯著，表明不存在影響試驗指標的未考慮因素。其決定系數R2為0.948 7，表明該模型可擬合94.87%的試驗結果。其中B對破損率影響極顯著，A對破損率影響顯著，AB對破損率影響較顯著。

各因素對破損率的回歸模型為

yda=-16.13+0.87A+1.16B-0.048AB-
0.010A2+0.015B2

(14)

表5 破損率方差分析Tab.5 Variance analysis of damage rate

4.4.4交互作用對清選性能影響的響應曲面

為直觀分析試驗因素交互作用對試驗指標的影響規律，繪制回歸模型的響應曲面圖，如圖9所示。

圖9a為因素交互作用對含雜率的影響規律，可知調節板開度較小時含雜率隨著氣流速度的增加緩慢增加。隨著調節板開度增大，含雜率隨氣流速度增加而快速增加；當氣流速度小于35 m/s時，含雜率隨著調節板開度的增加而緩慢下降，當氣流速度大于35 m/s時，含雜率隨著調節板開度的增加而逐漸升高。原因是調節板開度較小時，隨著氣流速度增加形成的旋流強度也增加，造成清選時間相對減少，使得含雜率隨氣流速度增加緩慢上升。隨著調節板開度增大，氣流速度降低攜帶雜質能力減弱，造成含雜率快速升高；氣流速度小于35 m/s時，調節板開度越大，越過調節板的雜質就越多，因此含雜率隨之降低；氣流速度大于35 m/s時，含雜率更多受氣流影響，氣流速度越大，旋流強度越高，隨著旋流混入紅棗的雜質也增加，造成含雜率上升。

圖9b為因素交互作用對損失率的影響規律，可知當調節板開度小于1 cm時，損失率隨氣流速度增加緩慢降低；當調節板開度大于1 cm時，損失率隨調節板開度增加而增加。原因是調節板開度小于1 cm時，氣流速度增加形成氣旋流強度升高，攜帶紅棗能力增強，易于紅棗沉降，使得損失率降低；而調節板開度大于1 cm時，隨著調節板開度增加，紅棗越過調節板隨雜質排出的概率增大，造成紅棗損失率增加。

圖9c為因素交互作用對破損率的影響規律，可知當調節板開度大于2.5 cm時，氣流速度對破損率影響不明顯；當調節板開度小于2.5 cm時，破損率隨氣流速度的增加逐漸升高，并且交互因素對破損率增加有明顯促進作用。原因是調節板開度大于2.5 cm時，旋流隨著氣流速度的變化趨勢不明顯，且氣流速度變化區間較小，對破損率影響有限。當調節板開度小于2.5 cm時，隨著調節板開度減小，氣流速度增加，旋流強度增加明顯，對紅棗作用力也增加，造成沉降過程中碰撞沖量增加，因此破損率也隨之增加。

4.4.5參數優化

為使清選系統工作性能達到最佳，利用Optimization模塊對回歸模型進行優化，試驗因素中氣流速度設置為32～38 m/s，調節板開度設置為-1～4 cm，試驗指標中含雜率、損失率和破損率目標值均選最小值。得到最優組合為：氣流速度32.0 m/s，調節板開度3.4 cm，此時，含雜率、損失率和破損率分別為1.32%、3.25%和0.57%。

4.5 驗證試驗

為驗證參數優化結果及清選系統作業性能，在最優參數組合下開展驗證試驗，圖10為試驗過程及作業效果。試驗共進行5次，驗證試驗結果取算術平均值(表6)。

圖10 試驗過程及作業效果Fig.10 Process and results of field test

表6 驗證試驗結果Tab.6 Results of verification experiment %

結果表明：含雜率為1.38%，比優化值增加了0.06個百分點，相對誤差為4.55%；損失率為3.37%，比優化值增加了0.12個百分點，相對誤差為3.69%；破損率為0.60%，比優化值增加了0.03個百分點，相對誤差為5.26%。

5 結論

(1)為提高氣吸式紅棗收獲機清選系統作業性能，利用棗、雜慣性和流體力學特性差異設計了一種慣性氣流式紅棗清選系統。

(2)通過單因素試驗得到氣流速度區間為32～38 m/s，調節板開度區間為-1～4 cm。通過響應曲面試驗確定清選系統最優工作參數組合，當氣流速度為32.0 m/s，調節板開度為3.4 cm時，含雜率為1.32%、損失率為3.25%、破損率為0.57%。

(3)驗證試驗得到含雜率、損失率和破損率分別為1.38%、3.37%和0.60%，與優化參數相比分別增加了0.06、0.12、0.03個百分點。