雙風道風篩式胡麻脫粒物料分離清選機設計與試驗

戴 飛 付秋峰 趙武云 史瑞杰 宋學鋒 張仕林

(1.甘肅農業大學機電工程學院， 蘭州 730070； 2.酒泉奧凱種子機械股份有限公司， 酒泉 735000；3.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100)

0 引言

胡麻，即油用型亞麻或油纖兼用型亞麻的俗稱，是中國西北地區和華北地區重要的油料作物，因其具有價值高、用途廣的特點，而被50多個國家種植和應用[1]。甘肅省是我國胡麻主產區之一，2016年胡麻種植面積約占全國種植面積的30%。胡麻種植品種具有較好的抗倒伏、成熟度一致等特性，適合機械化收獲，還可配合化學干燥方法進行機械化聯合收獲，機收效果顯著[2-4]。因此，在農業智能化水平較高的歐美發達國家胡麻機械化收獲模式主要以兩段收獲和聯合收獲為主。目前，我國胡麻主要以分段收獲模式為主，仍舊采用割曬機收割鋪放、傳統稻麥脫粒機脫粒、人工揚場與手動篩分的組合作業方式，其勞動強度大、作業效率低，嚴重制約了我國胡麻產業的持續發展[5]。在上述分段收獲的3個關鍵作業環節中，胡麻機割、機脫相對容易，傳統的稻麥收割機和脫粒機能夠滿足胡麻分段收獲作業需求，但采用一般的谷物分離清選機進行胡麻脫粒物料分離清選作業時，由于脫粒物料各組分質量差異性小且易混雜，極易造成胡麻籽粒的夾帶損失，這也是胡麻分離清選環節仍然較多采用人工揚場與篩分作業的主要原因[3]。因此，有必要對胡麻機械化分段收獲作業中的脫粒物料分離清選機理及配套裝備做進一步研究，以實現胡麻脫粒物料機械化高效分離清選。

目前，常見的谷物分離清選方式有風篩式清選和氣流式清選2種類型[6-9]。近年來，國內相關學者針對油菜、玉米、花生、油茶果、小麥等作物研制了多種分離清選裝備，進行了作業性能試驗研究[9-15]，但對胡麻脫粒物料分離清選作業裝備的研究較少，丁進鋒[16]對亞麻籽脫殼分離系統關鍵技術及其設備進行了研究。本課題組前期通過振動有序喂入與氣流高效風選相結合的方式，研制了氣流式胡麻脫粒物料分離清選機[3]。相關研究表明，在胡麻脫粒物料的氣流分離清選過程中，能夠有效將脫粒物料各組分中差異性較大的蒴果殼、輕雜質與胡麻籽粒分離，但與籽粒懸浮速度差異較小的未脫凈蒴果、短莖稈易混雜，僅通過控制清選氣流速度來調節分離清選效果容易造成胡麻籽粒夾帶損失率變化較大。因此，為進一步提高胡麻脫粒物料分離清選效果與機械化作業水平，在結合已有研究的基礎上，提出“先用氣流清、再用風篩選”的雙重作業模式，設計雙風道風篩式胡麻脫粒物料分離清選機，以期實現對胡麻脫粒物料不同組分的分級式分離清選。

1 整機結構與工作原理

1.1 結構組成

雙風道風篩式胡麻脫粒物料分離清選機主要由振動給料裝置、三級振動篩分裝置、雙風道雜余收集裝置、振動變頻控制系統、脫粒物料不同組分接料盒、傳動裝置和吸雜除塵裝置等組成，其結構如圖1所示。其中，振動給料裝置振幅、三級篩箱振動頻率均由樣機控制箱進行調節；三級振動篩類型自上往下分別為一級豎排長腰型沖孔篩、二級圓孔篩和三級豎排長腰型沖孔篩；雜余收集裝置設有前、后雙風道，可通過前、后風道風量調節手柄來實現對胡麻脫粒物料分離清選效果的調整；除塵裝置與雜余集料室通過吸雜管道相連接。

1.2 分離清選工藝與工作原理

設計的雙風道風篩式胡麻脫粒物料分離清選機獲得成品胡麻籽粒的工藝流程如圖2所示。通過振動變頻控制箱實現對振動給料裝置振動幅度、三級振動篩箱振動頻率的控制調節。振動篩箱的3種不同類型篩片可確保對胡麻脫粒物料進行分級篩選分離，并在雙風道雜余集料室的配合作用下實現將胡麻脫粒物料通過風篩分離清選為成品胡麻籽粒、干癟破損籽粒與蒴果殼、不同長度莖稈雜余，并除去脫粒物料內混雜的灰塵和雜質。

雙風道風篩式胡麻脫粒物料分離清選機進行作業時，通過振動變頻控制箱分別對振動給料裝置振動幅度和三級振動篩箱振動頻率進行設定。在作業機喂料斗內加入胡麻機脫物料，在振動給料裝置的作用下胡麻脫粒物料開始均勻向前輸送，此時在物料即將落入篩箱一級豎排長腰型沖孔篩時，雙風道雜余集料室前置風道將一些漂浮速度明顯小于胡麻籽粒的輕雜物質率先吸出，隨后對胡麻籽粒及脫粒物料中的各類重雜再進行篩分，經過一級豎排長腰型沖孔篩、二級圓孔篩和三級豎排長腰型沖孔篩的分別篩分，以及篩箱往復振動慣性力和篩體中清篩橡膠球的撞擊下，脫粒物料中的絕大部分蒴果、不同長度莖稈、蒴果殼通過各自排料通道被分級排出，而分離的潔凈胡麻籽粒和少量短莖稈被繼續送入雙風道雜余集料室的后置風道內，隨后少量短莖稈在垂直氣流的作用下被吸入雜余集料室，連同之前沉降的輕雜通過避風排雜裝置被有序排出，成品潔凈籽粒則在自重作用下通過胡麻籽粒集料裝置收集，而胡麻脫粒物料中的灰塵雜質則在滯留雙風道雜余集料室的過程中被旋風除塵器通過吸雜管道吸入沉降，由塵雜排料裝置排出。

1.3 主要技術指標

結合胡麻脫粒物料分離清選工藝流程與樣機工作原理，確定雙風道風篩式胡麻脫粒物料分離清選機技術參數如表1所示。

表1 作業機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of operation machine

2 關鍵部件設計與參數確定

2.1 三級振動篩分裝置

2.1.1結構組成

胡麻脫粒物料三級振動篩分裝置采用箱體式結構，其具體組成結構如圖3所示。三級振動篩分裝置驅動主要通過其箱體底部與連桿相連接，連桿與偏心振動裝置連接，在動力裝置與減速器的配合作用下通過帶傳動實現三級振動篩分裝置運動，且帶動各級篩面上胡麻脫粒物料的起伏和翻轉，三級振動篩分裝置通過電動機變頻器控制其振動頻率在2～6 Hz之間。為保障胡麻脫粒物料篩分運動的協同一致性，通常各振動篩傾角均設置為6°。同時，也可采用改變各篩體底部V型支撐架開口角度的方式進行各篩面傾角的調整(各篩面傾角能夠在1°～6°間調節)。

振動篩分裝置的三級篩片及避風排雜裝置均有對應的排雜通道及其罩殼，可將胡麻脫粒物料中的未脫粒蒴果、不同長度莖稈和不同大小蒴果殼進行有序分離，并將混有輕質雜物的胡麻籽粒在籽粒輸送裝置的作用下輸送至胡麻脫粒物料分離清選機后風道進一步氣流清選。

2.1.2胡麻脫粒物料類型

應用課題組自行研制的小型胡麻脫粒機對收割機鋪條收割的隴亞14號胡麻進行脫粒作業[17]，經脫粒機排料口進行脫粒物料采集。隴亞14號胡麻單株平均蒴果數為24.1個，蒴果平均粒數為7.2個，胡麻籽粒平均千粒質量為8.1 g，單株產量0.95 g，測定收獲期胡麻脫粒物料含水率約為11.8%。胡麻脫粒物料(圖4)主要包括4種組分：胡麻籽粒、胡麻蒴果殼、不同長度胡麻莖稈和輕質雜物。同時，當脫粒效果不充分時其物料中會混雜有少量未被脫粒的胡麻蒴果。

取1 000 g胡麻脫粒物料對其不同組分進行稱量。其中，胡麻籽粒質量占物料總質量的比例Y1為36.6%，蒴果占物料總質量的比例Y2為27.8%，短莖稈占物料總質量的比例Y3為25.3%，蒴果殼占總質量的比例Y4為8.9%，其余輕雜質占總質量的比例Y5為1.4%。

2.1.3清選篩結構

依據胡麻脫粒物料分離清選工藝，三級振動篩箱對各組分的分離次序為：一級豎排長腰型沖孔篩分離未脫粒胡麻蒴果和長莖稈，二級圓孔篩分離胡麻較長莖稈和部分蒴果殼，三級豎排長腰型沖孔篩分離碎小的蒴果殼和莖稈。為便于三級清選篩尺寸與功率的計算，按照脫粒物料各組分能夠在三級振動篩箱中完全分離，設定一級篩物料質量為胡麻脫粒物料總質量，二級篩物料質量從脫粒物料總質量中除去未脫粒胡麻蒴果質量，三級篩物料質量從脫粒物料總質量中除去未脫粒胡麻蒴果質量、莖稈質量和蒴果殼質量。

清選篩的尺寸主要由其面積決定，則清選篩的長度為[18]

(1)

其中

(2)

式中L1——一級篩片長度，m

L2——二級篩片長度，m

L3——三級篩片長度，m

Q1——一級篩喂入量，kg/s

Q2——二級篩喂入量，kg/s

Q3——三級篩喂入量，kg/s

δ1——一級篩上秸蒴雜余占胡麻脫粒物料總質量比，取0.634

δ2——二級篩上秸蒴雜余占胡麻脫粒物料總質量比，取0.356

δ3——三級篩上輕雜余占胡麻脫粒物料總質量比，取0.014

k——分離清選裝置特性參數，取0.60

B1——一級篩片寬度，取0.33 m

B2——二級篩片寬度，取0.33 m

B3——三級篩片寬度，取0.33 m

qs1——一級篩單位面積可承擔的胡麻脫粒混合物喂入量，取0.45 kg/(s·m2)[18]

qs2——二級篩單位面積可承擔的胡麻脫粒混合物喂入量，取0.23 kg/(s·m2)[18]

qs3——三級篩單位面積可承擔的胡麻脫粒混合物喂入量，取0.15 kg/(s·m2)[18]

Ps——雙風道風篩式胡麻脫粒物料分離清選機生產率，為120 kg/h

由式(1)、(2)可得，一級篩片長度L1=0.38 m，一級篩喂入量Q1=0.090 kg/s；二級篩片長度L2=0.68 m，二級篩喂入量Q2=0.065 kg/s；三級篩片長度L3=0.68 m，三級篩喂入量Q3=0.034 kg/s。

對胡麻脫粒物料各組分的幾何尺寸進行統計分析，結合三級振動篩分裝置結構，選取的三級振動篩片如圖5a所示，其中一級篩長腰型沖孔尺寸(長×寬)為15 mm×2.5 mm，篩片尺寸(長×寬)為380 mm×330 mm；二級篩圓孔直徑為4 mm，篩片尺寸(長×寬)為680 mm×330 mm；三級篩長腰型沖孔尺寸(長×寬)為10 mm×1.8 mm，篩片尺寸(長×寬)為680 mm×330 mm。由于二級、三級篩篩孔較小，為防止胡麻脫粒物料堵塞篩孔，將這兩類篩片設計為盒體式，盒體內裝有清篩橡膠球，如圖5b所示[19-20]。

2.1.4清選篩功率

清選篩所需總功率為[18]

P=P1+P2+P3

(3)

其中

(4)

式中P——清選篩所需總功率，kW

P1——一級篩片所需總功率，kW

P2——二級篩片所需總功率，kW

P3——三級篩片所需總功率，kW

PP1——一級篩片單位生產率所需功率，取0.55 kW·s/kg[18]

PP2——二級篩片單位生產率所需功率，取0.40 kW·s/kg[18]

PP3——三級篩片單位生產率所需功率，取0.30 kW·s/kg[18]

η——功率系數，取0.90

由式(3)、(4)可得，清選篩所需總功率P=0.072 kW，一級篩片所需總功率P1=0.035 kW，二級篩片所需總功率P2=0.025 kW，三級篩片所需總功率P3=0.012 kW。

2.1.5胡麻脫粒物料篩面運動分析

由于胡麻蒴果不論從形態或質量方面都與其他脫粒物料組分差異較大，為提高不同組分分離清選效率，結合胡麻脫粒物料分離清選作業工藝流程圖(圖2)，未脫粒蒴果應在一級篩面上處于后滑運動狀態，并從一級篩排雜通道排出；蒴果殼和短莖稈、胡麻籽粒分別在二級篩面、三級篩面上處于前滑運動狀態，分別從二級篩排雜通道、三級篩排雜通道排出。胡麻脫粒物料篩面的運動分析分別對未脫粒蒴果在一級篩面運動狀況(圖6a)和胡麻脫粒物料在二級篩面運動狀況(圖6b)進行分析。

由圖6a可得[12,18,20]

(5)

式中F1——未脫粒蒴果所受的慣性力，N

N1——未脫粒蒴果所受的法向力，N

f1——未脫粒蒴果沿篩面滑動所受的摩擦力，N

m1——未脫粒蒴果質量，g

α——三級振動篩設置傾角，取6°

φ——未脫粒蒴果與篩面的摩擦角，取29.2°[3]

ω——三級振動篩分裝置連接曲柄角速度，測得18 rad/s

r——曲柄半徑，取260 mm

t——時間，s

g——重力加速度，m/s2

將各參數值代入式(5)化簡可得

m1ω2rcos(ωt)cos(α+φ)=m1gsin(φ-α)

(6)

(7)

因cos(ωt)≤1，為確保未脫粒蒴果向后滑動分離，則必須有

(8)

式中KH——未脫粒蒴果在一級篩面上處于后滑運動狀態的臨界系數

同理，由圖6b可得

(9)

式中F2——胡麻脫粒物料所受的慣性力，N

N2——胡麻脫粒物料所受的法向力，N

f2——胡麻脫粒物料沿篩面滑動所受的摩擦力，N

m2——胡麻脫粒物料的質量，g

將各參數值代入式(9)化簡可得

(10)

因cos(ωt)≤1，為確保胡麻脫粒物料(不包括胡麻蒴果)向前滑動分離，則必須有

(11)

式中KQ——胡麻脫粒物料在二級篩面上處于前滑運動狀態的臨界系數

依據式(8)和式(11)可得KH=0.482，KQ=0.627，即三級振動篩分裝置曲柄連桿機構滿足設計要求。

胡麻脫粒物料在進行分離篩選的過程中，除滿足未脫粒蒴果在一級篩面后滑，其余胡麻脫粒物料在二、三級篩面前滑條件外，還必須保證不被篩面拋離造成飛濺損失，即

(12)

結合式(5)和式(9)對式(12)進行簡化，可得出胡麻脫粒物料不被篩面拋離的臨界系數KP為

(13)

依據式(13)可得KP=9.52。

由上述分析可知：篩面上胡麻脫粒物料的運動狀況主要取決于篩分裝置曲柄連桿機構運動參數和篩面傾角。要滿足三級振動篩分裝置正常的工作要求，胡麻脫粒物料和各篩面之間必須產生相對運動。其中，未脫粒蒴果在一級篩面上處于后滑運動狀態；胡麻脫粒物料在二、三級篩面上處于前滑運動狀態；同時為增加透篩概率，脫粒物料不能在篩面上被拋起。

因此，三級振動篩分裝置曲柄連桿機構運動參數應滿足條件

(14)

2.2 雙風道雜余集料裝置

2.2.1結構組成

如圖7所示，雙風道胡麻脫粒物料雜余集料裝置主要由前風道、后風道以及前后風道風量調節裝置和避風排雜裝置等組成[21]。其中，前風道、后風道的風量均由風量調節板開啟大小實現調節，風量調節板的伸長與縮放均依靠連接其上的齒條與調節手柄同軸連接的齒輪通過嚙合機構實現。當前風道風量調節手柄順時針轉動時，調節手柄同軸的齒輪驅動風量調節板上的齒條傾斜向上伸出，前風道橫截面(280 mm×80 mm)開口被風量調節板逐步遮擋而減小，前風道風量降低；同理，當前風道風量調節手柄逆時針轉動時，前風道橫截面開口增加，風量增大。由于后風道安裝位置與前風道對稱，因此調節后風道風量大小的調節手柄的正反轉向與前風道相反。

當雙風道雜余集料裝置作業時，前置風道先將胡麻脫粒物料中一些漂浮速度明顯小于胡麻籽粒的輕雜物質首先吸出，以減小后續分離清選功率消耗。當胡麻脫粒物料在三級振動篩分裝置內分離后，潔凈胡麻籽粒和少量短莖稈被送入雙風道雜余集料裝置后風道內，隨后少量短莖稈在垂直氣流的作用下被吸入雜余集料室，連同之前的輕雜通過避風排雜裝置被有序排出，而成品潔凈籽粒則在自重作用下通過胡麻籽粒集料裝置收集。

2.2.2風量調節裝置參數確定

雙風道雜余集料裝置中的風量調節裝置結構組成如圖8所示。其中，前后風道風量調節手柄與齒輪同軸，齒輪與風量調節板上的齒條相嚙合驅動(圖8a)。通過正反轉風量調節手柄能夠實現對前后風道風門的開啟與閉合，完成對前后風道風量調節。依照風量調節裝置設定，兩個風量調節手柄分別轉動180°經歷7個擋位(圖8b)，均能夠實現對前、后風道風量的完全開啟與閉合。

前風道齒輪-齒條風量調節機構作業原理如圖9所示，前風道風量調節板與其表面齒條相連接，其傾角α為45°，調節手柄由位置a1旋轉至位置a2時(圖9a)，風量調節板全部伸出，前風道風量關閉，此時驅動齒輪正好轉動180°。

依據圖9所示幾何關系可得

(15)

式中 Δy——前風道風量調節板最大伸出量，mm

b——前風道橫截面寬度，為80 mm

d——齒輪分度圓直徑，mm

由式(15)計算可得Δy=113 mm，d=72 mm。因此，選取分度圓直徑為72 mm的直齒圓柱齒輪，并選取配套直齒齒條。

2.3 吸雜除塵裝置

2.3.1結構組成

吸雜除塵裝置結構如圖10所示，主要由離心通風機、吸雜管道、風機管道、旋風除塵器和塵雜排料裝置等部件組成。吸雜除塵裝置作業時，在離心通風機和風機管道的配套作用下，通過吸雜管道將雙風道雜余集料裝置內的灰塵雜質吸入，在旋風除塵器內懸浮沉降，并由塵雜排料裝置排出。

其中，吸雜除塵裝置風機管道設計為圓柱型，管道長度l=2.70 m，管道直徑dg=0.21 m；旋風除塵器進料口尺寸為0.16 m×0.12 m，出風口直徑dc為0.21 m，塵雜排料口直徑dp為0.11 m。

2.3.2離心通風機轉速確定

雙風道風篩式胡麻脫粒物料分離清選機的吸雜風機選用吸入型通用離心通風機。分離清選系統內氣流工作速度應不大于胡麻籽粒的最大懸浮速度v0(8.60 m/s)，則離心通風機風壓全壓計算式為

h=hj+hd

(16)

其中

式中h——離心通風機風壓全壓，Pa

hj——靜壓，克服空氣在流動中的阻力，Pa

hd——動壓頭，Pa

ξ——氣流摩擦因數，取0.35[22]

ψ——管道對氣流阻力系數，取0.35[22]

λ——風機進出口對氣流的阻力系數，取0.60[22]

r1——風管水力半徑，取0.038 m[22]

ρ——空氣密度，取1.2 kg/m3[23]

由式(16)計算可得hj=116.9 Pa，hd=4.5 Pa，離心通風機風壓全壓h=121.4 Pa。

離心通風機葉輪外徑Df一般控制在250～400 mm之間，設計中取Df=340 mm；則離心通風機轉速計算式為[21]

(17)

式中n——離心通風機轉速，r/min

ε——計算系數，為0.35～0.40，取0.40[22]

由式(17)計算得出n=2 798 r/min，則設計離心通風機最大轉速為2 800 r/min。

3 性能試驗

3.1 試驗條件與材料

2019年6月，課題組在酒泉奧凱種子機械股份有限公司技術研發中心對雙風道風篩式胡麻脫粒物料分離清選機進行作業性能試驗(圖11)。選用隴亞14號胡麻收獲期脫粒物料(2.1.2節所選取的胡麻脫粒物料)為試驗材料。試驗時通過觀察作業機振動給料裝置、三級振動篩分裝置、雙風道雜余收集裝置和吸雜除塵裝置相關工作狀態，對雙風道雜余集料裝置前后風道風量調節手柄進行轉動，對振動喂料系統電磁激振器振幅(0～30 mm)進行實時調節。

3.2 試驗方案與方法

按照GB/T 5262—2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》規定的試驗方法進行作業性能試驗。待機器調試運行正常后在喂料斗內加入胡麻收獲期脫粒物料(圖11b)，當振動喂料系統電磁激振器振幅控制在14～18 mm，前風道風量調節手柄在2～4擋位，后風道風量調節手柄在4～6擋位，三級振動篩分裝置振動頻率在2～6 Hz之間時，作業機具有較強的脫粒物料分離清選適應性。因此，在此工作參數下測定籽粒清潔率和夾帶損失率[3,24-25]。

其中，籽粒清潔率以胡麻籽粒集料裝置排出的物料為測定對象，取3次隨機抽樣的測定平均值為測試結果。夾帶損失率以胡麻籽粒集料裝置排出的物料及各通道對應4個接料盒內的籽粒為測定對象，取3次隨機抽樣的測定平均值為測試結果。

3.3 試驗結果與分析

由試驗結果分析計算可以得出，雙風道風篩式胡麻脫粒物料分離清選機的籽粒清潔率為97.16%、夾帶總損失率為1.12%，能夠實現對胡麻收獲期脫粒物料的高效分離清選作業。

圖12為胡麻脫粒物料分離清選后在胡麻籽粒集料裝置及各級篩排雜通道對應接料盒內的承接分布。在試驗過程中發現，三級振動篩分裝置、雙風道雜余收集裝置和吸雜除塵裝置工作參數設置相對適宜時，樣機運行狀態穩定，能夠將胡麻脫粒物料不同組分進行分離清選，符合預設的作業工藝流程。同時，在避風排雜裝置中排出的物料內也含有較少長莖稈和胡麻籽粒，這主要是在協同調節雙風道胡麻脫粒物料雜余集料裝置前后風道風量時，雙風道內風量、風速不穩定，導致胡麻籽粒夾帶損失較大，這也是影響雙風道風篩式胡麻脫粒物料分離清選機作業性能的關鍵因素之一，將在后續研究中進一步試驗優化。

4 結論

(1)針對胡麻脫粒物料組分類型，提出“先氣流清、再風篩選”的作業模式，制訂了胡麻脫粒物料分離清選作業工藝流程，對三級振動篩分裝置、雙風道雜余集料裝置及吸雜除塵裝置等關鍵作業部件進行選型與設計，對胡麻脫粒物料三級篩面關鍵工作參數進行分析與計算，設計了雙風道風篩式胡麻脫粒物料分離清選機。

(2)樣機性能試驗表明，當振動喂料系統電磁激振器振幅控制在14～18 mm、前風道風量調節手柄在2～4擋位、后風道風量調節手柄在4～6擋位、三級振動篩分裝置振動頻率在2～6 Hz之間時，該機具有較強的物料適應性；雙風道風篩式胡麻脫粒物料分離清選機作業后籽粒清潔率為97.16%、夾帶總損失率為1.12%，試驗結果滿足設計要求，能夠實現對胡麻收獲期脫粒物料不同組分的分離清選作業。