大白菜種子脫出物空氣動力學特性試驗研究

耿令新,楊 芳,王升升,韓 瑞,胡金鵬

(河南科技大學 農業裝備工程學院,河南 洛陽 471003)

0 引言

我國的大白菜常年種植面積約263萬hm2,產量約11 281萬t,均居世界首位[1]。然而,目前我國還沒有專門的大白菜種子收獲機,針對大白菜種子聯合收獲清選裝置的研究更是一片空白。大白菜種子的收獲主要依靠人力來解決,勞動強度大,作業成本高,效率低[2]。大白菜種子作為我國種子產業的重要組成部分,機械化收獲水平很低,大部分環節嚴重依賴人工作業,嚴重制約了大白菜種子產業的發展[3]。近年來,隨著國民經濟的快速發展,農村青壯年勞動力大量向城市轉移,農業勞動力缺乏,農村人口老齡化加劇[4],用工成本越來越高,實現種子機械化采收的需求越來越明顯[5]。對大白菜種子實行機械化采收,具有省工、省時、快速、高效及大幅降低生產成本的優勢[6],因此開發適用于大白菜種子聯合收獲的機械迫在眉睫。

目前,聯合收獲機上普遍采用風篩式清選裝置,是根據谷物與雜余的空氣動力學特性差異來和幾何特性差異來實現分離[7]。大白菜種子顆粒小、單粒質量輕且脫粒分離物組份特性復雜,為了設計出適合大白菜種子清選的清選裝置,本文對大白菜種子脫出物的空氣動力學特性進行研究,為后續大白菜種子聯合收獲機的研究奠定基礎。

大白菜種子脫出物是指大白菜成熟植株經脫粒裝置后進入清選裝置的混合物,主要籽粒、短莖稈、果莢殼及輕雜物等。本文研制了一種用于測定農業物料懸浮速度的試驗裝置,對不同幾何形體參數、不同含水率條件下的大白菜種子脫出物各成分進行空氣動力學特性試驗研究,測算出不同脫出物的懸浮速度,根據測定結果分析其對清選裝置工作性能的影響,并在內流式圓筒篩清選裝置試驗臺上進行試驗驗證。

1 物料懸浮速度測量原理

在氣流清選狀態下,物料的空氣動力學特性主要是指其懸浮速度。懸浮速度是指某物料在垂直氣流的作用下,當氣流對物料的作用力等于該物料本身的重力而使物料保持懸浮狀態時氣流的速度[8]。物料懸浮速度受力圖如圖1所示。

圖1 籽粒懸浮受力圖Fig.1 Grain suspension stress diagram

根據牛頓定律可知

P=Kρs(C-V)2

(1)

式中K—阻力系數;

ρ—空氣密度(g/m2);

C—籽粒的絕對速度(m/s);

V—籽粒對氣流的相對速度(m/s);

s—籽粒相對氣流速度方向的斷面積(m2)。

針對氣流對籽粒的作用力P與mg之間的大小關系,可以判斷籽粒在氣流中運動情況:當Pmg時,籽粒上升;當P=mg,籽粒懸浮于氣流中,即

P=KρsV2=mg

(2)

設此時籽粒的懸浮速度為Vf,則

(3)

通過測定該物料懸浮處的氣流速度,即可得到該物料的懸浮速度Vf。

2 物料懸浮速度測定試驗

2.1 試驗裝置

懸浮速度試驗裝置主要由調速電機驅動的風機、風道、風門、錐形管、收斂筒、穩壓筒和支架等組成,如圖2所示。

1.錐形管 2.畢托管測速處 3.投料口 4.穩壓筒 5.支架 6.風機 7.風道 8.風門 9.收斂筒圖2 測試裝置示意圖Fig.2 Sketch of measuring equipment

錐形管是有機玻璃制成的,便于觀察物料被吹起時的穩定高度[9];穩壓筒和收斂筒的作用是產生均勻的穩定氣流。該裝置配套動力5.5kW,電機轉速300～1 000r/min,錐形管小端直徑81mm,錐角5.5,所能測量的懸浮速度不超過20m/s。

2.2 試驗材料及處理

試驗中,大白菜品種為早熟長江5號,取自河南省濟源市王屋鎮前茶房。將完熟的大白菜種子植株在自制的橫軸流式脫粒分離裝置上對其進行脫粒,收集經凹板分離出的大白菜種子脫出物,人工篩選得到脫出物的4種成分(籽粒、果莢殼、短莖稈和輕雜物),將這4種成分作為研究對象。試驗物料如圖3所示。

圖3 大白菜種子脫出物各成分試樣Fig.3 Samples of Chinese cabbage seeds extraction componenets

用種子粒徑測量桶[10]進行測量,得到粒徑為1.0～1.5mm、1.5～2.0mm、2.0～2.5mm的3組籽粒,依次編號為①～③,用于大白菜種子籽粒懸浮速度與其粒徑關系的試驗研究。

將果莢殼按長度分為3組,分別為20～30mm、30～40mm、40～50mm,依次編號①～③,用于果莢殼懸浮速度與其長度關系的試驗研究。

將籽粒、短莖稈、果莢殼、輕雜物4種脫出物進行浸泡、晾置、烘干,調節含水率由低到高依次為9%、15%、25%、35%,用于研究不同脫出物懸浮速度與含水率的關系。

2.3 試驗方法

試驗前,將畢托管與智能壓力風速儀相連,將畢托管插入畢托管測速處,調速電機的轉速調至最小;然后,將物料從投料口放入測試裝置內的阻尼網上,關閉投料口[11];開啟變頻器啟動按鈕和冷風機啟動按鈕,調節風機的轉速使風量逐步增加,直至阻尼網上的物料被完全提升起來,處于比較理想的懸浮狀態;記下智能壓力風速儀上的讀數,即為被測物料的懸浮速度。試驗過程中,畢托管與智能壓力風速儀相連,直接讀出氣流速度。物料漂浮特性測定測定裝置實物圖如圖4所示,智能壓力風速儀如圖5所示。

1.錐形管 2.畢托管測速處 3.投料口 4.穩壓筒 5.支架 6.風門 7.風機 8.控制柜圖4 測試裝置實物圖Fig.4 Physical diagram of measuring equipment

圖5 智能壓力風速儀Fig.5 Intelligent pressure anemometer

3 試驗結果分析

3.1 籽粒懸浮速度與粒徑的關系

飽滿的大白菜種子籽粒球形度較好,可看作球狀[12]。試驗大白菜種子籽粒含水率在9.45%～9.93%之間,接近完熟大白菜種子籽粒的含水率。大白菜種子籽粒的千粒質量為3.36g,粒徑越大,千粒質量越大。從每組籽粒中隨機取5份試樣,每份試樣質量為2g,進行5次懸浮速度試驗,并取均值,試驗數據如表1所示。

表1 不同粒徑范圍大白菜種子籽粒懸浮速度Table 1 Suspension velocities of Chinese cabbage seeds within a range of different particle sizes

不同粒徑范圍籽粒的含水率接近時,密度也十分接近,在0.996～1.066g/cm3之間。由式(3)可知:大白菜種子籽粒懸浮速度大小主要取決于籽粒的質量,籽粒粒徑越大,質量越大,懸浮速度也越大。實際上,籽粒在氣流中會產生復合運動,會使其懸浮速度下降,且迎風面發生改變,但可視為球形的大白菜種子籽粒迎風面積并未改變[13],試驗中籽粒在觀察管內上下擺動的幅度很小。由表1可以看出:大白菜種子籽粒的懸浮速度隨粒徑的增加而升高。

3.2 果莢殼懸浮速度與長度的關系

大白菜種子的果莢殼長短不一,在自制的橫軸流式脫粒分離裝置脫粒元件的打擊、揉搓等作用下,一個完整的果莢殼炸裂成兩片莢殼。從每組果莢殼中隨機取5份試樣,每份試樣質量為10g,含水率在25%～35%之間,接近完熟大白菜種子果莢殼的含水率。進行5次懸浮速度試驗,并取均值,試驗數據如表2所示。由表2可知:當果莢殼的含水率相近時,大白菜種子的果莢殼長度對其懸浮速度沒有顯著影響。

3.3 不同脫出物懸浮速度與含水率的關系

從不同脫出物每組物料中隨機取5份試樣,每份籽粒質量4g,短莖稈質量10g,果莢殼質量5g,輕雜物質量2g,進行5次懸浮速度試驗,取均值為不同脫出物懸浮速度。黃熟期大白菜種子含水率較高,莖稈含水率甚至高達70%[14];完熟期大白菜種子含水率則相對較低,聯合收獲作業通常在大白菜種子完熟期進行。試驗中,籽粒、果莢殼、短莖稈和輕雜物含水率范圍9%～35%。不同含水率條件下大白菜種子脫出物中各成分的懸浮速度如表3所示。

表3 大白菜種子脫出物各成份懸浮速度Table 3 Suspension velocities of Chinese cabbage seeds extractions

由表3可以看出:籽粒懸浮速度在6.68～7.42m/s之間,短莖稈懸浮速度在6.56～7.25m/s之間,果莢殼懸浮速度在4.49～6.05m/s之間,輕雜物懸浮速度在2.51～3.23m/s之間;不同脫出物的懸浮速度均隨含水率增加而升高。輕雜物與籽粒的懸浮速度相差較大,利用氣流清選可有效分離出去;短莖稈與籽粒的懸浮速度雖沒有重疊部分,但差異不大,利用氣流清選可分離出去部分果莢殼;短莖稈與籽粒的懸浮速度較為接近,利用氣流清選難以將其分離出去。由于果莢殼、短莖稈與籽粒外形幾何尺寸差異明顯,可利用圓筒篩實現這二者與籽粒的有效分離。

3.4 清選試驗驗證

清選試驗是在內流式圓筒篩清選試驗裝置上進行的。試驗臺主要由螺旋輸送攪龍、外部安裝有螺旋葉片的圓筒篩、清選風道、橫流風機和傳感器等組成,如圖6所示。試驗時,攪龍轉速150r/min,圓筒篩轉速45r/min,橫流風機轉速600～750r/min,試驗物料的含水率為25%。該裝置先由圓筒篩分離出短莖稈和大部分果莢殼,再由橫流風機分離出輕雜物和剩余部分果莢殼。

1.喂料口 2.內流式圓筒篩 3.橫流風機 4.機架 5.電動機圖6 內流式圓筒篩清選裝置Fig.6 Internal flow cylinder screen cleaning device

試驗結果如表4所示。

表4 各轉速下的風速范圍及大白菜種子的清潔率和損失率Table 4 Wind speed and cleaning rate and loss rate of Chinese cabbage seeds at different speeds

當橫流風機轉速700r/min、風道內氣流速度為7.12m/s時,大部分雜余被吸走,只有極少數小籽粒被吸走,此轉速下的清潔率相對最高,損失率最小;當橫流風機轉速小于700r/min、風道內氣流速度低于雜余的懸浮速度時,雜余沒有被全部吹走,清潔率相對較低;當橫流風機轉速大于700r/min、風道內氣流速度高于籽粒懸浮速度的最大值時,部分籽粒被橫流風機吸走,造成損失率增加。

4 結論

1) 含水率接近時,大白菜種子籽粒的懸浮速度隨粒徑的增加而升高;果莢殼長度對懸浮速度的影響不顯著;脫出物的含水率越高,懸浮速度越大。

2) 大白菜種子脫出物中各成分含水率范圍在9%～35%時,籽粒懸浮速度在6.68～7.42m/s之間,短莖稈懸浮速度在6.56～7.25m/s之間,果莢殼懸浮速度在4.49～6.05m/s之間,輕雜物懸浮速度在2.51～3.23m/s之間。

3) 在內流式圓筒篩清選試驗裝置上進行了驗證,結果表明:橫流風機轉速為700r/min(即風道內氣流速度為7.12m/s)時清選效果最好,清潔率為97.91%,損失率為0.42%。