藜麥混合物清選效果的試驗與分析

蘇日嘎拉圖,杜文亮,馬一銘,康立菲,陳 震

(內蒙古農業大學 機電工程學院,呼和浩特 010018)

0 引言

藜麥 (Chenopodium quinoa)又稱南美藜、藜谷、奎奴亞藜等,屬于藜科藜屬雙子葉植物,無限花序,主梢和側枝都結籽,自花授粉。谷物聯合收獲機收獲后的藜麥混合物主要由藜麥、帶殼藜麥、癟藜麥、長莖稈、短莖稈、穎殼和輕雜組成,其中帶殼藜麥由穎殼和藜麥籽粒組成。

藜麥的原產地為安第斯山區,大約有5 000～7 000多年的食用和種植歷史。我國于1987年由西藏農牧學院和西藏農科院開始引種試驗研究[1-3],1988年內蒙古農牧學院引進藜麥試種,近幾年才開始大面積的藜麥種植。

我國對藜麥加工方面的研究剛剛起步,在藜麥的收獲、清選等機械化作業方面,國內的研究報道較少[4]。藜麥產后沒有專用的清選設備,藜麥收獲后的初加工工藝還處于探索改進階段。隨著種植面積的擴大,藜麥收獲初步實現了機械化,但谷物聯合收獲機收獲藜麥時,從糧倉卸下的藜麥含雜多,給后期的初加工帶來很大困難。目前有的地方用人工,以傳統方式去除其中的大雜,再借用其他谷物清選機械清選。現有的清選設備清選效果不理想,生產率低,清選后的藜麥仍然含雜較多,清選過程中籽粒損失又多,嚴重制約了藜麥后續的進一步加工。為此,以內蒙古新選育品種“蒙藜2號”為試驗品種,進行藜麥混合物中大雜的清選試驗,旨在為后期改進與優化清選設備或研制藜麥專用清選機械提供基礎數據。

1 藜麥混合物的特性

藜麥混合物的清理特性主要包括混合物的組成成分比例、物理性狀、空氣動力學特性等,通過試驗測定得出與清選有關的藜麥混合物特性[5],具體清理特性參數如表1所示。

由表1可知:通過對藜麥與癟藜麥外形尺寸的測量,直徑方向差值為0.20mm,厚度方面差值為0.31mm,僅從籽粒尺寸角度對藜麥進行清選,難度較大。帶殼藜麥、癟藜麥、莖稈和輕雜的滑動摩擦因數均比藜麥的滑動摩擦因數大,這將影響清選篩分過程中雜質的排出。此外,由于藜麥與帶殼藜麥的懸浮速度有交集,故利用空氣動力學特性差異進行清選,難以實現藜麥與帶殼藜麥的分離。通過占比測定,原料中的雜質占比高達35.38%。由此可見,常規的清選工藝很難實現藜麥與雜質的分離。

2 物料在往復式振動篩上的運動分析

對于曲柄連桿機構傳動的往復振動篩,其運動規律為直線往復簡諧振動,振動體沿振動方向的位移、速度、加速度分別表示為[6]

X=rsinωt

(1)

u=ωrcosωt

(2)

a=-ω2rsinωt

(3)

式中r—曲柄半徑(mm);

ω—角速度(rad/s);

t—時間(s)。

表1 藜谷混合物的特性表Table 1 Characteristics table of Quinoa Mixture

研究藜麥混合物沿振動面的相對運動,取單顆粒藜麥為研究對象,分析其在振動面上的受力及運動狀態。設振動面傾角為α,振動方向角為β,物料與振動面的靜摩擦角為φ。建立動坐標Oxy固接于振動面上,x軸沿振動面方向向左為正,y軸垂直于振動面方向,向上為正。單位質量的藜麥籽粒的受力有:顆粒自身重力G=mg,振動面給顆粒的支撐反力FN,振動面給顆粒的摩擦力F=FNtanφ,系統慣性力FP=mω2rsinωt。

1)藜麥顆粒沿振動篩面相對下滑的運動分析如圖1所示。要使藜麥顆粒相對于振動面下滑,必須滿足條件,即

FΡcosβ+mgsinα>F

FΝ+FΡsinβ=mgcosα

FΡcosα+mgsinα>(mgcosα-FΡsinβ)FΝtanφ

圖1 藜麥顆粒沿振動篩面相對下滑的運動分析

將FP=mω2rsinωt代入上式,得

ω2rsinωtcos(β-α)>gsin(φ-α)

(4)

式(4)即為藜麥顆粒能相對振動面下滑的條件。

2)藜麥顆粒沿振動篩面相對上滑的運動分析如圖2所示,要使藜麥顆粒相對于振動面上滑,必須滿足

FΡcosβ-mgsinα>F

圖2 藜麥顆粒沿振動篩面相對上滑的運動分析

若藜麥顆粒相對于振動面無跳動,則

FΝ=mgcosα+FΡsinβ

即

FΡcosα-mgsinα>FΝtanφ

將FN及FP的表達式代入得

為保證上式有意義,對cos(β+α)取絕對值代入,并取|sinωt|max=1代入上式,得

(5)

式(5)即為藜麥顆粒能相對振動面上滑的條件。

3)振動篩已知參數:振動轉速n= 500r/min,曲柄半徑r= 10 mm,篩面傾角α=3.8°,物料與篩面間的靜摩擦角φ= 18.9°,振動方向角β= 15°。將給定條件代入上述運動分析,則

滿足下滑的條件為

同時也滿足上滑條件,即

由此說明,藜麥在運動過程中呈現出下行狀態,藜麥顆粒的運動狀態受篩面傾角、振動方向角、振動轉速等參數的影響,從而進一步影響物料在篩面上的分布和振動篩篩分效果。

3 藜麥混合物篩理試驗

3.1 試驗物料

試驗所采用的物料為內蒙古烏蘭察布察右中旗藜麥種植專業合作社種植的“蒙藜2號”品種。

3.2 試驗裝置

試驗裝置為QXS-3.0清選試驗臺(哈爾濱博納科技有限公司研制),主要參數為:離心風機轉速600～1 000min,曲柄轉速200～400r/min,曲柄半徑10、20、30mm等;上層篩是魚鱗篩,下層篩是編織篩,篩孔尺寸為4、6、8、10、12目,替換了原試驗臺用的沖孔篩。其中,離心風機轉速、振動篩曲柄轉速通過變頻器進行調節[7]。清選試驗臺結構如圖3所示。

3.3 試驗方法

試驗按照GB/T5983-2013《種子清選機試驗方法》進行[8]。

3.4 試驗指標

本試驗指標為清潔率Q(%)與清選損失率S(%),計算公式為

(6)

(7)

式中m0—篩下物總質量(g);

m1—篩下物中藜麥籽粒質量(g);

m0—出雜口中藜麥籽粒質量(g)。

1.進料斗 2.氣流室 3.上振動篩 4.下振動篩 5.接料箱 6.離心風機 7.曲柄傳動機構 8.階梯抖動板 9.變頻電動機 10.控制臺

4 試驗與結果分析

4.1 試驗因素的選擇

選取對清選性能影響較大的編織篩篩孔尺寸、振動篩轉速、上振動篩傾角和下振動篩傾角,作為試驗的4個因素。其它主要試驗參數為:喂入量0.2 kg /s,抖動板振動頻率14.2Hz,離心風機轉速550 r/min,篩面寬度977mm,篩面長度1 800 mm,曲柄半徑為10mm,離心風機出風口傾角30°,如表2所示。

表2 試驗因素表

4.2 結果與分析

4.2.1 編織篩篩孔尺寸試驗

為降低試驗中存在的隨機誤差,每個水平重復3次進行試驗,對編織篩篩孔尺寸的5個水平進行單因素試驗,取算術平均值作為試驗值,取振動篩轉速250r/min、上振動篩傾角為3°、下振動篩傾角3.8°作為初選值,改變編織篩篩孔尺寸進行藜麥混合物清選試驗,并處理試驗數據,得到清選性能隨編織篩篩孔尺寸的變化,如圖4所示。

圖4 編織篩篩孔尺寸與清選性能的關系

由圖4可以看出:隨著編織篩篩孔尺寸的減小,清潔率連續增大,損失率整體上呈現增大趨勢;編織篩篩孔尺寸越小,大雜質透篩率減小,但篩面上物料層變厚,同樣減少了藜麥籽粒穿過篩孔的機會,使損失率增大。

4.2.2 振動篩轉速試驗

選取編織篩篩孔尺寸12目、上振動篩傾角為3°、下振動篩傾角3.8°為試驗初選值,每個振動篩轉速重復3次進行試驗,對振動篩轉速5個水平進行單因素試驗,取算術平均值作為試驗值。通過改變振動篩轉速進行藜麥混合物清選試驗,并處理試驗數據,可得到清選性能隨振動篩轉速的變化,如圖5所示。

圖5 振動篩轉速與清選性能的關系

由圖5可以看出:隨著振動轉速的逐漸增大,清潔率有明顯的增大,后有所減小,損失率先增大后減小;轉速越大,藜麥混合物和篩面接觸的機會增加,藜麥籽粒穿過篩孔的概率增大;另外,氣流的作用也得到充分利用,使清潔率增大、損失率減小。

4.2.3 上振動篩傾角試驗

選取編織篩篩孔尺寸12目、振動篩轉速250r/min、下振動篩傾角3.8°為試驗初選值,對上振動篩傾角的4個水平進行單因素試驗,每個水平重復3次,取算術平均值作為試驗值。通過改變上振動篩傾角進行藜麥混合物清選試驗,并處理試驗數據,可得到清選性能隨上振動篩傾角的變化,如圖6所示。

圖6 上振動篩傾角與清選性能的關系

由圖6可以看出:隨著上振動篩傾角的逐漸增大,清潔率和損失率連續減小;上篩傾角越大,篩面上物料堆積,增加了藜麥籽粒和小雜質穿過篩孔的機會,清潔率和損失率都減小。

4.2.4 下振動篩傾角試驗

選取編織篩篩孔尺寸12目、振動篩轉速250r/min、上振動篩傾角3°為試驗初選值,對下振動篩傾角的4個水平進行單因素試驗,每個水平重復3次進行試驗,取算術平均值作為試驗值。通過改變下振動篩傾角進行藜麥混合物清選試驗,處理試驗數據,可得到清選性能隨下振動篩傾角的變化,如圖7所示。

圖7 下振動篩傾角與清選性能的關系

由圖7可以看出:隨著下振動篩傾角的逐漸增大,清潔率先增大后持續減小,損失率連續減小;下篩傾角越大,物料沿篩面的輸送受阻,物料堆積,同樣增加了藜麥籽粒和小雜質穿過篩孔的機會,使清潔率和損失率減小。

4.2.5 對比驗證試驗

對比驗證試驗表如表3所示。

表3 驗證試驗表

由表3可知:編織篩篩孔尺寸為12目、上層振動篩傾角為1°、下層振動篩傾角為2.8°、振動篩轉速為300r/min時,清潔效果最好,清潔率達91.8%;編織篩篩孔尺寸為6目、上層振動篩傾角為4°、下層振動篩傾角為1.8°、振動篩轉速為225r/min時,清潔率最低。

5 結論

1)當含雜較多時,藜麥混合物清選首先采用編織篩是適合的。

2)試驗表明:當編織篩篩孔尺寸為12目、上層振動篩傾角為1°、下層振動篩傾角為2.8°、振動篩轉速為300r/min時,清潔率達91.8%,結果為藜麥混合物的進一步精選打下較好的基礎。