小型谷物清选机的设计与试验

孙继君

(黑龙江省农业机械工程科学研究院,哈尔滨 150081)

随着国家政策调整、农业生产模式转变及农业机械水平的不断提升,我国农业生产模式发生了较大的变化。随着农业生产集约化、标准化的不断发展,以及人民对农业生产要求的逐渐提升,农业生产更加注重谷物品质。提高谷物清选效率为后续谷物运输、存储、销售和种子制备提供良好的基础条件,因此,优化谷物清选机装置对于提高农业生产效率具有重要意义[1-2]。

谷物清选是农业生产的重要环节之一,谷物收获后会存在草籽、秸秆残茬、泥沙及不饱满谷粒等,经过谷物清选后可以获得质量较高且颗粒饱满的谷物,对于提高谷物存储、销售和播种质量有一定的促进作用[3]。

谷物清选机分为常规清选方式和电分离方式两种。常规谷物清选方法主要是基于谷物集合尺寸和空气动力学特性进行清选,主要包括风筛法、比重法和窝眼清选法等;电分离法主要是利用谷物的生物学特性,如种子发芽率和种子活力等,进行谷物清选,目前主要应用于水稻、菜籽和油料等种子的清选[4]。

目前,市面上常见的谷物清选机包括风筛式、比重式、窝眼式和复式清选装置4种类型。风筛式谷物清选机使用不同尺寸和规格的筛片对不同谷物进行清选,同时可以利用悬浮速度去除草籽和秸秆残茬等杂质,具有设备结构简单、振动幅度较大、工作稳定性较高、通用性较强的特点,适用于小麦、大麦、玉米、水稻和豆类等作物;比重式谷物清选机工作原理是谷物在空气压力作用下由于质量不同产生分层,进而达到谷物清选的目的,具有设备结构简单,生产效率较高,净度较高的特点,适用于小麦、玉米、水稻等作物;窝眼式谷物清选机工作原理是在进行谷物清选时,谷物在窝眼中做高速旋转运动,利用谷物与其他杂质运行轨迹的不同实现谷物清选,具有设备结构简单、清选效率较高、高能低耗、易于日常维护的特点,适用于小麦、燕麦和豆类等作物;复式谷物清选机在进行清选作业时,首先利用吸风道截面积的差异分离杂质,然后再进行窝眼清选,实现进一步清选,具有可靠性较高,谷物清选效果好,适用范围较广的特点,通用性较高,能够适用于不同谷物的清选。

2.1 研究进展

谷物清选装置研究起步较早,发展较快。目前,国外谷物清选装置具有智能化水平高、制作工艺精良和运行稳定等应用优势。谷物清选装置主要包括机械式和液压调解式两种,操作灵活并且易于控制。目前国外谷物清选技术主要向光电技术发展,可以根据谷物表面不同的色泽进行清选,或者基于高压静电技术,根据谷物极化带电等特性进行谷物清选。我国对谷物清选机的研究始于20世纪50年代,最初是从苏联和匈牙利等国家进行设备引进,并开展相关研究。20世纪90年代后,我国逐渐开始了各种类型的谷物清选机的研发[5]。

2.2 存在问题

通过对国内外文献调研和研究进展可知,目前谷物清选机存在清选性能不稳定、通用性较差等问题,我国在谷物清选机自主研发过程中存在加工工艺落后,整体装备质量不高等问题,导致在种子清选机使用过程中振动幅度大且技术水平低。谷物清选机生产企业较多,部分企业生产的谷物清选机多为国外仿制产品,缺乏相关理论研究和技术积累,自主研发的产品处于低水平重复状态,影响了我国谷物清选机的提高与发展。

3.1 整体结构

本研究提出一种小型谷物清选机的设计方案,主要包括进料斗、机架、清选风机、振动筛版、传动装置等组成。采用电驱动方式,谷物首先进入前方的振动筛板进行风选,质量较轻的杂质被清选风机吹出,然后谷物进入后方的振动筛板进行二次清选,主要工作流程如图1所示。

图1 种子清选机工作流程示意图

3.2 进料斗的参数设计

进料斗主要包括前板、后板和分流板等关键部件。为了保证谷物清选机能够稳定和连续的工作,应保证谷物能够连续不断地进入振动筛版,并且均匀地分布在筛板中,因此,进料斗的参数设计对于保证清选稳定性具有重要意义。本研究进料斗口的宽度为350 mm,长度为705 mm。

3.3 偏心轮的参数设计

谷物清选机主要是通过偏心齿轮实现持续往复运动,偏心轮的转速决定了谷物清选频率f,计算公式如式(1)所示

f=n/60

(1)

式中n—偏心轮转速,r·min-1。

扇形偏心块的面积A和偏心距r0计算公式如式(2)和式(3)所示

(2)

(3)

式中R1,R2—齿轮半径,mm;

θ1—扇形大圆弧半中心角,(°);

θ2—扇形小圆弧中心角,(°)。

3.4 清选风机的参数设计

1)清选机气流Q的设计如式(4)所示

Q=q0/(u·ρ)

(4)

式中q0—进入清粮室的谷粒混合物质量,

kg·s-1,取q0=0.28 kg·s-1;

u—重量浓度比,一般取0.8左右;

ρ—空气密度,kg·m-3,取ρ=1.2 kg·m-3。

2)压力P计算公式如式(5)所示

P=Px+Pd

(5)

式中Pd—气流出口动压,Pa。

3.5 振动筛的参数设计

振动筛板主要由上、中、下三层分离筛组成,可以保证较高的谷物清选效果。每层分离筛由两块筛板组成。目前,市面上振动分离筛种类较多,主要包括平面筛、圆筒筛和圆锥筛。本研究以水稻和小麦颗粒的外形为参考,对筛板筛网结构进行优化,筛板结构尺寸为长度190 cm,宽度150 cm,厚度为2 mm,两个筛板之间的距离为40 mm。

4.1 试验方法

谷物清选作业时,在喂料口取样,重复3次,每次取料重量>1 kg;在排料口接取谷物,重复3次,每次取料重量>1 kg;在杂余口接取杂质,重复3次,每次取料重量>1 kg。

4.2 测定指标与方法

1)纯工作小时生产率

Ec=Wq/Tc

(7)

式中Ec—纯工作小时生产率,t·h-1;

Wq—测定时间内喂入谷物的重量,t;

Tc—测定时间,h。

2)单位功率生产率

Ed=Wq/Q

(8)

式中Ed—单位功率生产率,t·(kW·h)-1;

Q—测定时间耗电量,kW·h。

3)单位筛片面积生产率

Es=Ec/S

(9)

式中Es—单位筛片面积生产率,t·(m2·h)-1;

S—清选机筛片总面积,m2。

4)清选每吨谷物消耗风量

Ef=G/Ec

(10)

式中Ef—清选每吨谷物消耗风量,M3·t-1;

G—清选机风机每小时风量,M3·h-1。

5)获选率

a=W·μ/(Wq·μq)

(11)

式中a—获选率,%;

W—主排出口排出的清选后谷物重量,t;

μ—清选后谷物净度,%;

μq—清选前谷物净度,%。

6)除杂率

(12)

式中β—除杂率,%;

vq—清选前谷物含杂率,%;

v—清选后谷物含杂率,%;

4.3 结果与分析

在上述条件下,基于本研究自主设计的小型谷物清选机进行试验,选取谷物生产率、净度、功率等作为评价指标,结果如表1所示。

表1 小型谷物清选机性能指标

本文介绍了一种小型谷物清选机的设计和试验。该清选机主要由送料装置、清选部件、除尘部件和电气控制系统组成。试验结果表明,该清选机具有较高的清选效率和良好的除尘效果,可以有效去除谷物中的杂质和灰尘,保证谷物的质量和安全性。

虽然本文设计的小型谷物清选机已经具有较高的清选效率和除尘效果,但仍然存在一些问题需要进一步改进。例如,可以通过优化清选部件的结构和加强送料装置的稳定性来提高清选机的清选效率和工作稳定性。此外,可以采用先进的传感器技术和智能控制算法来实现清选机的自动化控制和优化运行。总之,未来的研究可以进一步完善小型谷物清选机的设计和性能,以满足市场需求和谷物加工的实际需求。

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