風篩式清選裝置篩下物料分布規律研究*

樊榮，崔清亮，盧琦，鄭德聰，王嘉偉

(1. 山西農業大學農業工程學院，山西太谷，030801； 2. 中國農業機械化科學研究院，北京市，100083)

0 引言

我國雜糧的種植面積和產量均居于世界第二位，雜糧機械化收獲已成為制約雜糧產業發展的重大因素[1]。作為雜糧主產區的山西省近幾年一直致力于雜糧全程機械化生產的研究和實踐[2-5]。目前，清選損失率高、含雜率高是雜糧機械化收獲過程中存在的突出問題。優化振動篩結構和工作參數、設計新型高效清選設備，是提高雜糧清選作業質量的重點，是促進雜糧產業提質增效發展的關鍵[6]。

清選裝置是谷物聯合收獲機的核心組成部分之一[7-9]，其性能優劣直接影響整機的工作性能[10-11]。風篩式清選裝置以其機構簡單、清選效率較高受到農機設計工作者及消費者的青睞。但該裝置對蕎麥脫出混合物的適應性不好，其清選含雜率過高，極不利于蕎麥產業發展。因此，急需系統地研究清選過程、研制適應蕎麥的清選裝置。

在農業生產中，多采用籽粒含雜率對篩下物料的清選質量進行評價，但篩下物料的分布規律可以更直觀地反映清選裝置的工作性能。衣淑娟[12]、田偉[13]曾在自制的縱軸流風篩式清選裝置上進行不同參數下水稻脫出混合物的篩下物料分布試驗，該研究對水稻清選裝置的設計有一定指導作用。但水稻脫出混合物篩下物料的分布規律不具有普遍性。王傳根[14]對清選篩下玉米籽粒的長度和密度分布進行了研究，結果表明篩下縱向區域內玉米籽粒的平均長度、密度呈現不同的變化趨勢。Wang等[15]對內外滾筒蕎麥脫離裝置下脫出物沿滾筒軸向分布進行了分析，研究表明當外滾筒轉動時，脫出物料主要聚集在滾筒前端，即清選篩前端負荷較大；當內、外滾筒相向轉動時，脫出物中含雜程度較低。

上文中雖提到了部分篩下物料分布的研究，但關于雜糧的相關報道較少，難以為現有雜糧清選裝置的結構設計及優化提供相應的依據[11]。本文以蕎麥脫出混合物為試驗對象，進行不同風機轉速、風向角、曲柄直徑、曲柄轉速條件下清選臺架試驗，揭示篩下物料分布隨清選裝置結構參數、運動參數的變化規律，以期為蕎麥乃至雜糧清選裝置的設計、研發提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 清選裝置總體結構

清選裝置采用黑龍江農業機械工程科學研究院研制的谷物清選試驗臺(QXS-3.0)，其主要由離心風機、階梯狀抖動板、料斗、傳動機構、篩架、籽粒收集箱、機架、電控系統等部分組成。該試驗臺部分工作參數和結構參數可按需調整。如：通過更換曲柄間接實現對篩面振幅的調整；通過調整離心風機與機架固結位置可實現風機風向角的調整；篩面振動頻率、離心風機轉速可通過控制相應的調速電機來實現。篩面下方采用小方格結構的籽粒收集箱，可以進行篩下物料分布規律及清選質量研究。該試驗臺結構如圖1所示。

圖1 清選試驗臺

1.2 試驗材料

本試驗材料取自山西省太谷區申奉雜糧試驗地，品種為紅山蕎麥。蕎麥經縱軸流脫粒裝置后得到蕎麥脫出混合物。該物料中含有大量籽粒、短莖稈和極少量葉子、灰塵等。清選環節將脫出混合物中除籽粒外的其他物質統稱為雜余。對脫出混合物進行物性分析可知：籽粒含水率為14.8%，容重為561 g/L，幾何平均直徑為4.99 mm；雜余含水率為29.4%，容重為489 g/L。混合物中籽粒、雜余的重量之比約為2.03∶1，按該比例配備試驗材料各2 000 g，即蕎麥籽粒1 340 g，雜余660 g。

1.3 試驗方法

根據清選物料尺寸關系，上、下清選篩面均采用沖孔篩，篩孔分別為8 mm、6 mm。上、下篩面傾角分別為2°、1.5°。試驗時，啟動清選試驗臺，設置喂入量為0.5 kg/s，待試驗臺運行平穩后，將試驗物料裝入料斗。依次進行不同風機轉速(450、500、550、600、650 r/min)、風機風向角(20°、25°、30°、35°、40°)、曲柄長度(20、25、30、35、40 mm)、曲柄轉速(450、500、550、600、650 r/min)條件下單因素清選試驗。物料經喂料輥進入階梯狀抖動板，階梯狀抖動板將物料均勻地送至振動篩上進行清選。篩選后的谷物(含一定雜質)落到籽粒收集箱(尺寸為2 000 mm×1 200 mm)中。

預試驗結果顯示約在篩面縱向1 500 mm之后，籽粒收集箱中絕大多數都為雜余，只有極少籽粒，這是由于該試驗臺存在下篩面過長問題，直接導致了本該排出機外的雜余進入了籽粒收集箱。故在本試驗中，縱向方向上只考慮篩面縱向前1 500 mm區域內物料分布。物料分布范圍見示意圖2。

圖2 篩下物料分布范圍(籽粒收集箱俯視示意圖)

采用固定于籽粒收集箱上方含有編碼的布匹收集篩下物料(圖3(a))。布匹受物料重力作用下沉一定尺寸，正好用于盛放物料(圖3(b))。這樣一方面避免了籽粒收集箱笨重，物料不易收集的問題，另一方面，容易實現物料的對號收集分析。試驗結束后，對布匹上每格物料進行人工收集、清選、稱重。篩下物料含雜率的計算見式(1)。每組試驗進行2次，所得數據取平均值后進行統計分析。

H=ma/(ma+mb)×100%

(1)

式中：H——含雜率，%；

ma——篩下籽粒重量，g；

mb——篩下雜余重量，g。

(a) 籽粒收集箱排序編號

按上述試驗方法分別進行不同風機轉速、風機風向角、曲柄轉速、曲柄直徑條件下清選篩下物料分布試驗。采用Origin9.0繪制的篩下物料三維分布見圖4。

(a) 篩下籽粒分布圖

2 結果與分析

2.1 不同曲柄直徑條件下清選效果

在風機轉速550 r/min、風機風向角30°、曲柄轉速550 mm時，開展不同曲柄直徑條件下清選試驗，其篩下物料及含雜率沿篩面橫向、縱向分布分別見圖5、圖6。

2.1.1 篩下物料橫向分布

由圖5(a)～圖5(c)可知，物料主要集中在橫向寬度300～900 mm區域內，且在橫向中間位置600 mm附近分布最多。

(a) 篩下籽粒重量橫向分布

隨著曲柄直徑的增大，圖5(a)、圖5(c)中各曲線的峰值逐漸變小。篩下籽粒的橫向分布曲線和篩下總物料的相似。曲柄直徑為20、25、30、35 mm 時物料總重、籽粒重的峰值分別是40 mm時峰值的1.08倍、1.10倍、1.07倍、1.04倍。這是因為隨著曲柄直徑的增大，篩面對物料的運輸速度增加，物料越來越快地被輸出機外，實際發生透篩并進入籽粒收集箱的物料的量在減少，即損失增加。

在圖5(b)中，篩下雜余量橫向分布曲線近似“人”字形，即中間含雜量較大，兩側較小。這主要是受風機布置影響。該清選裝置中風選系統采用2個并聯的離心風機(橫向方向上存在約150 mm的間隙)，并聯風機的中間風力較弱，故間隙的正前方雜余量較大；而兩個風機出風口的正前方處風力較強，此處雜余量相對較小。另外，當曲柄直徑為20 mm時，雜質含量明顯高于其他曲柄直徑條件下的。這是因為曲柄直徑增大，篩面輸送能力增強，物料更容易被輸送出機外。

在圖5(d)中，橫向含雜率曲線近似呈“w”形，在300 mm、900 mm附近有較小的含雜率；在橫向中間位置、兩邊沿處有稍大含雜率。這主要是離心風機的并聯安裝導致的。當曲柄直徑為20 mm時，含雜率在橫向寬度上都較大，整體清選質量較差。曲柄直徑為30 mm 時，含雜率曲線相對平緩，整個橫向寬度上含雜率均低于3.6%，籽粒的含雜率較低，清選效果較優。

2.1.2 篩下物料縱向分布

由圖6(a)、圖6(c)可發現，籽粒、篩下總物料分布極不均勻，出現1個高峰值，且高峰的位置隨著曲柄直徑的增大在縱向方向上后移，兩者的分布規律相近。這是因為曲柄直徑增大，物料在篩面的運動加快，物料在當前位置的透篩幾率降低，越來越多的物料被輸送至篩體后端進行透篩。

圖6(b)中，雜余量在不同曲柄直徑條件下的增加趨勢相近。在0～1 200 mm區域內，雜余量增加緩慢；在1 200～1 500 mm區域內，風力較弱，一些輕小雜余在該區域發生透篩，導致雜余量猛增。

含雜率變化規律與雜余量變化相近(圖6(b)、圖6(d))，不同之處為含雜率在100～300 mm位置處有明顯波動，這是由于清選篩前端風力微弱，部分剛進入篩面的雜余在重力作用下直接透篩所致。值得注意的是在籽粒收集箱1 200 mm以后，物料含雜率急劇增大，這主要是因為該區域雜余量太大導致的。但該區域籽粒含量很小，可以考慮增加篩面以提高籽粒的清潔率。

(a) 篩下籽粒重量縱向分布

2.2 不同曲柄轉速(振動頻率)條件下清選效果

在風機轉速550 r/min、風機風向角30°、曲柄長度25 mm時，開展不同曲柄轉速條件下清選試驗，其篩下物料及含雜率沿篩面橫向、縱向分布分別見圖7、圖8。

(a) 篩下籽粒重量橫向分布

2.2.1 篩下物料橫向分布規律

在橫向寬度上，籽粒重和篩下物料總重的分布規律相近，見圖7(a)、圖7(c)。物料集中分布在橫向中間區域內，峰值、較小值分別出現在橫向700 mm、100 mm 和1 200 mm位置處。曲柄轉速為450、500、550、600 r/min時，篩下物料總重和籽粒重的高峰值分別是650 r/min時高峰值的1.08倍、1.10倍、1.07倍、1.04倍，且隨著曲柄轉速的增大，兩者在橫向上的總量減小。

產生該現象的原因是，隨著曲柄轉速增加，即篩子振動頻率增大，物料受到的推送運輸作用增強，而透篩物料有所減少，相應的損失則會增大。

不同曲柄轉速下，篩下雜余量、含雜率的橫向分布規律顯著，見圖7(b)、圖7(d)。在橫向寬度500～700 mm 區域內雜余量較多，而在兩端100 mm和1 200 mm位置處分布較少。隨著曲柄轉速的增加，含雜率曲線上的雙波谷趨于平緩，含雜率在顯著降低。其分布規律與不同曲柄直徑條件下的相近，主要是受并聯風機的影響。

2.2.2 篩下物料縱向分布規律

由圖8(a)、圖8(c)可知，籽粒重和篩下物總重沿篩面的縱向分布規律相近。在籽粒收集箱長度方向分布極不均勻，出現1個高峰值，且出現高峰的位置隨著曲柄轉速的增大同時沿篩面縱向后移。這是因為隨著曲柄轉速增大，物料在篩面上的運動多樣性增加，物料在向后輸送的同時透篩率稍有增大，故峰值在后移，但各轉速下的峰值差別不大，均約為230 g。

由圖8(b)、圖8(d)可知，篩下雜余量較大，分布不均，且在縱向1 200 mm 以后區域內，雜余量、篩下物料含雜率激增。這主要是因為該區域風力微弱，不能有效清除雜余，可以考慮在試驗臺尾端配置貫流風機，擴大對篩尾的風力作用，以降低該區域內物料的含雜率。

(a) 篩下籽粒重量縱向分布 (b) 篩下雜余重量縱向分布

2.3 不同離心風機轉速條件下清選效果

在風機風向角30°、曲柄長度25 mm、曲柄轉速550 r/min時，開展不同風機轉速條件下清選試驗，其篩下物料及含雜率沿篩面橫向、縱向分布分別見圖9、圖10。

2.3.1 物料橫向分布規律

由圖9(a)、圖9(c)可知，篩下物料總重、籽粒重兩者分布規律相近。各圖中的曲線走勢基本相同，各曲線清晰可辨，僅在900 mm區域后有較少相交。各曲線在橫向寬度700 mm位置附近達到峰值；在篩體橫向兩端100 mm和1 200 mm位置處出現較小值。隨著離心風機轉速的增加，篩下物料總重、籽粒重分布曲線的峰值、總值均減少，這是因為風機轉速越大，物料受到的風力作用越強，物料被吹出清選室的幾率越高，落入籽粒收集箱的物料減少，意味著損失增加。此時，應優先考慮損失率，即應在損失率較小的前提下再考慮含雜率較低、分布較均勻的工作參數。

由圖9(b)可知，隨著風機轉速的增加，各區域上的雜余量、橫向上的雜余總量呈減少趨勢，曲線越來越平緩，即峰值越來越不明顯。這主要是并聯風機風力作用的結果。隨著風速的增大，雜余被吹散、吹跑，但雜余含量較多處依然是兩并聯風機間隙的正前方。

因受風機轉速及風機布局的影響，含雜率曲線近似呈“w”形分布，見圖9(d)。含雜率隨風機轉速的增大而降低；在籽粒收集箱兩端出現較高值；在橫向寬度100～1 100 mm區域內，峰值出現在600 mm位置附近，兩個波谷分別出現在400 mm、1 100 mm附近。兩并聯風機的正前方篩下物料含雜率較低，表明在此位置處(兩波谷)風力較足，清選質量較高。隨著風速的加大，波峰、波谷區別不再明顯，含雜率曲線逐漸趨于平緩。整體而言，風速轉速較高時的清選效果明顯優于風機轉速較小時的。

(a) 篩下籽粒重量橫向分布

2.3.2 物料縱向分布規律

由圖10(a)、圖10(c)可知，篩下物料總重、籽粒重沿籽粒收集箱長度方向分布極不均勻，出現1個高峰值，且出現高峰的位置隨著風機轉速的增大在縱向方向上后移。這是因為隨著風機轉速的增大，物料受風力作用變大，被動向后輸送能力增強，故峰值在后移的同時并減小。另外，篩下各物料的總重也隨著風機轉速的增大而減小。

(a) 篩下籽粒重量縱向分布

由圖10(b)可知，雜余量在不同曲柄轉速條件下的增加趨勢相近。在縱向長度0～400 mm區域內，雜余量稍有增加；在縱向長度400～1 500 mm區域內，雜余量增幅變大，且在篩尾處達到最大值。隨著風機轉速的增大，雜余總量、各區域的雜余量是逐漸減小的。在圖10(d)中，在100～300 mm區域內含雜率稍有波動，這是由于部分剛進入篩面的小雜余在重力作用下直接透篩所致。在300～1 100 mm區域內，5條曲線近似重合且含雜率很小，說明在該區域內，所取風機轉速條件下均可獲得較好的清選質量。值得注意的是在籽粒收集箱1 200 mm以后，物料含雜率急劇增大，但各區域的含雜率隨風機轉速的增大而明顯減小，這說明在該區域內，風機轉速對清選效果影響顯著。若要降低該區域的含雜率，可以考慮擴大風機作用范圍。

2.4 不同離心風機風向角條件下清選效果

在風機轉速550 r/min、曲柄長度25 mm、曲柄轉速550 r/min時，開展不同風機風向角條件下清選試驗，其篩下物料及含雜率沿篩面橫向、縱向分布分別見圖11、圖12。

2.4.1 物料橫向分布規律

由圖11(a)、圖11(c)可以看出，篩下籽粒重、篩下物料總重的分布規律基本一致。物料主要集中在篩面中間位置，在700 mm位置附近出現最大值；在篩面橫向左右兩端處出現較小值。各篩下物料總重、篩下籽粒重分布曲線幾乎重合，表明所選范圍內離心風機風向角對篩下物料總重、篩下籽粒重橫向分布影響不大。

由圖11(b)、圖11(d)可以看出，雜余量、含雜率曲線上的波峰、波谷分布明顯，且隨著風機風向角的增大，曲線趨于平緩。風機風向角在20°～40°范圍內增大時，篩下含雜量是先降低后增大。這是因為隨著風機風向角的增大，間接增大了風力對篩面的作用范圍，故雜余量有明顯減少，但在風機風向過大時，如40°時，風力作用范圍較小，實際作用在篩面上的風力較弱，故雜余量有所增加。圖11(d)中，各含雜率曲線由兩個波谷三個波峰組成，近似呈“w”形。該現象主要是風機的并聯安裝所致。隨著風機風向角的增大，各曲線上波峰、波谷差距變小，曲線趨于平緩。由圖11(d)可知當離心風機出口傾角為35°時含雜率最低，清選效果最好。

(a) 篩下籽粒重量橫向分布 (b) 篩下雜余重量橫向分布

2.4.2 物料縱向分布規律

由圖12(a)、圖12(c)可知，篩下物料總重、籽粒重沿篩面縱向分布極不均勻，出現1個高峰值，且峰值的位置隨風機風向角的增大而后移、減小。這是因為風機風向角增大，風力的作用位置后移，故物料后移，當前位置的物量減小。

由圖12(b)可知，雜余量在不同風機風向角條件下的增加趨勢不盡相同。當風向角為25°、30°時，雜余量在200～1 200 mm區域上增加明顯。而其他風向角條件下，該區域雜余量增加緩慢。但在1 200～1 500 mm區域內，各風機風向角條件下的雜余量增加迅速，且在篩尾處達到最大值。值得注意的是，當風機風向角為35°時雜余量明顯低于其他風向角條件下，說明該風向角條件下，清選質量較好。

(a) 篩下籽粒重量縱向分布

在圖12(d)中，各風機風向角下的含雜率變化規律相近。在300～1 100 mm區域內，5條曲線近似重合，說明在該區域內，所取風機風向角條件下均可獲得較好的清選質量。值得注意的是在籽粒收集箱1 200 mm 以后區域內，物料含雜率急劇增大，說明該區域內，風機風向角對清選過程影響顯著。當風向角為35°時含雜率明顯低于其他風向角條件下，說明該條件下清選質量較好。如要降低1 200 mm以后區域的含雜率，可以考慮擴大風機作用范圍，如在清選篩的尾部配置合適的貫流風機。

3 結論

1) 不同參數對篩下物料分布的影響程度不盡相同。但總體而言，橫向方向上，主要受風機布局影響，在篩體兩端、并聯風機中間位置的正前方雜余分布較多，含雜率較高，雜余近似呈“人”字形分布，含雜率近似呈“w”字形分布；在縱向方向上，物料主要集中在籽粒收集箱的中間位置，篩體末端雜余量較大，含雜率較高。

2) 沿篩面橫向，隨著曲柄直徑、離心風機轉速的增加，篩下籽粒重、雜余重的峰值、總重減少，含雜率降低。沿篩面縱向，篩下籽粒重、雜余重、物料總重的峰值隨曲柄直徑、風機轉速的增大在縱向方向上后移并減小，同時，含雜率降低。當曲柄直徑為30 mm時，含雜率曲線相對平緩，整個橫向上含雜率均低于3.6%。

3) 離心風機風向角對篩下籽粒重、物料總重的橫向分布沒有太大影響，但對雜余量、含雜率影響顯著。在縱向上，隨著風機風向角的增大，籽粒重、物料總重的峰值后移并減小。當風機風向角為35°時，沿篩面橫向、縱向的雜余量最小，含雜率也最低，此時，清選質量較高。隨曲柄轉速的增大，篩下物料總重和籽粒重在橫向上的峰值逐漸變小，其縱向上的峰值在增大的同時逐漸后移。當曲柄轉速大于600 r/min時，清選篩下籽粒總重明顯降低，意味著損失增加。