大豆脱粒机清选效果试验研究

大豆脱粒机清选效果试验研究

0分离装置的研究清选是谷物收获和联合收获的重要因素之一，它对收获效率、清选损失和产品多样性都有了很大的影响。大豆脱粒与其他谷物脱粒有很大不同,需要使豆粒从破裂的豆荚中脱出,因而脱净率、清选含杂率等性能容易受品种特性、含水率和喂入量等因素影响。根据2010-2011年国家现代大豆产业技术体系铁岭综合试验站调研发现,大豆机械脱粒作业时脱粒清选损失率约1.5%~1.8%,以未脱净豆荚损失为主;未脱净豆荚容易随碎秸秆、荚壳一同被气流吹出。由此可见,如何使未脱净豆荚分离并回收、进行二次循环脱粒,是减少大豆脱粒损失、提高清选质量的重要措施。在比较现有清选方式与系统构成基础上,针对振动筛与气流组合清选方式,本文进行了气吸式大豆脱粒清选、旋风式杂余分离的大豆脱粒清选与循环系统研究。关于谷物等农业物料的空气动力特性、风筛上气流场及其清选装置和旋风分离装置等研究,前人已经进行了大量深入研究,如吴守一等用频闪摄影测定阻力参数的方法研究了农业物料的空气动力特性;李革等研究了倾斜气流清选装置中物料的动力学特性、轨迹和分离研究;赵学笃等研究了谷物脱出物无筛气流清选问题;盖玲等进行了谷物扬场机分离过程物料的空间运动学和动力学分析;Gorial等研究了谷物与秸秆物料的的空气动力特性;李耀明、李洪昌等对风筛式清选装置上物料运动规律、气流场等进行了深入研究;成芳等进行了风筛式清选装置主要参数的试验研究;刘师多等对小麦联合收获机旋风分离清选系统进行了深入研究[11,12,13,14,15,16];高连兴等进行了花生脱壳机脱出物的漂浮系数、双滚筒气力循环式花生脱壳机等系统研究。然而,针对大豆脱粒杂余、特别未脱净豆荚的空气动力特性及其循环装置的研究目前尚未见有文献报道。本文拟通过PS-20型物料漂浮速度试验台,测取大豆脱粒机脱出物不同成分(完好豆粒、瘪粒、豆瓣、未脱净豆荚、粹秸秆、荚壳)漂浮速度;根据漂浮速度试验结果,在现有大豆脱粒机风筛清选系统基础上,研制气力式清选装置和旋风式杂余分离、循环装置并进行大豆脱粒清选的性能试验。研究结果以期为优化大豆脱粒机气力清选系统、提高大豆脱粒机性能提供参考。1流量选择循环装置的结构和原理1.1未脱净豆荚的分离纯化大豆脱粒机的气力清选循环装置主要由上振动筛、下振动筛、负压风机、上筛吸风口、下筛吸风口、风量调节板、风筒和旋风分离器等组成,如图1所示。气力清选循环装置是将脱粒机凹板筛分离出的大豆碎秸秆、未脱净豆荚、荚壳等吸出,靠气力输送到旋风分离器进行二次清选,分离出未脱净豆荚与部分短硬茎秆再进入脱粒装置进行循环脱粒。其工作过程:透过凹版筛的脱出物首先在上振动筛9作用下,大部分豆粒和较小杂余落到下振动筛10上,瘪粒、豆瓣和机械杂质透过下筛面并进入杂料箱或直接漏到地面;未脱净豆荚和短硬茎秆等较大的杂余留在上振动筛9上,随筛子振动向出料口运动;当上、下筛物料分别经过对应的上筛吸风口8和下筛吸风口7的下方时被风机吸出,通过风筒3输送到旋风分离器2;由于漂浮速度差异,碎秸秆和荚壳等被旋风分离器分离出来并通过排杂口1排出,而未脱净豆荚和部分短硬茎秆被分离出来并通过回收口11直接进入脱粒装置、进行二次脱粒。1.2旋向脱粒脱粒旋风分离器如图2a所示,其利用气流旋转变向和速度变化进行分离的。其工作原理如图2b所示,大豆脱粒杂余混合物随气流经风筒和旋风分离器入口4沿切向进入分离器筒体,由于筒体内部空间较大、筒体下部内壁焊有旋向向下的导流片(图2c),致使切向进入筒体空间的气流速度降低、含有杂余的气流在受导流片作用而产生强烈旋转,因而密度较大、空气阻力较小的未脱净豆荚和短硬茎秆沿筒体呈螺旋形(线形Ⅰ)向下运动,在离心力作用下被甩向器壁,并在重力作用下沿筒壁下落,经过回收口进入脱粒装置进行二次脱粒;密度较小的碎秸秆和荚壳等由于漂浮速度较小,在随气流沿筒体呈螺旋形向下流动的同时则向筒体中心负压区收缩、流动,然后向上形成二次涡流(线形Ⅱ)经顶部的排杂口排出。2重力筛选和选定循环装置的主要参数的确定2.1大豆脱屑术的随机性试验试验主要获得大豆脱粒杂余(粗碎秸秆、未脱净豆荚)漂浮速度并将其与其他成分进行对比,为确定气吸式清选装置主要参数提供依据。2.1.1样本选取与含水率试验大豆选用辽豆15,取自辽宁省康平县大豆脱粒作业现场。随机提取大豆脱出物并进行分类和编号,每组2kg共取10组,并分别编号。脱出物包括:完好豆粒、瘪豆粒和豆瓣、未脱净豆荚、短硬茎秆、碎秸秆与荚壳,其中气力清选后的大豆杂余如图3所示。试验样本同一时段提取,每组样本含水率相同,其中豆粒含水率平均为8.6%,瘪粒含水率平均为6.6%。茎秆含水率平均5.4%,荚壳含水率平均4.5%。2.1.2环形试验结果大豆脱出物漂浮速度试验在沈阳农业大学工程基础实验室进行,主要设备有黑龙江农业仪器设备厂生产的PS-20型物料漂浮速度试验台(图4a)、长沙仪器仪表厂生产的YHW红外线干燥仪和BL310型电子天平、毕托管等。在漂浮速度试验台的透明锥形观察管(图4b)中,3个毕托管测头沿半径方向分布,在锥形观察管上方设有叶片,通过调节叶片开度角可以改变内部气流压力,记录压力计在不同叶片开度角下显示的气流动压。通过可视区观察物料上下浮动的中心位置,记录其对应刻度值h。由于锥形观察管断面直径不等,设毕托管测点处锥管小端直径f0,则刻度值h处的断面直径φi需要换算,根据封闭管路各断面流量相等(认为低压下空气不可压缩的介质),即f02v0=φi2vi,由图4b可以计算锥形管断面i处的直径为式中,φi为刻度值h处的断面直径,m;vi为断面直径为φi处气流的速度,m/s;θ为锥角(该锥形管θ值为4°),(°);φ0为刻度值0处的断面直径,m;h为物料浮动中心位置刻度值。试验重复10次以减小误差,根据测出的3点动压求其平均值,最后求出锥形观察管小端气流流速。PS-20型物料漂浮速度试验台标定的速度换算公式为式中,v0为测点气流理论速度,m/s;K为速度修正系数。2.1.3漂浮速度和直径大豆脱粒机脱出物中包含有完好大豆、瘪粒、豆瓣、脱粒杂余(粗碎秸秆、未脱净豆荚)和碎秸秆和荚壳等,试验获得各成分漂浮速度见表1。分析大豆脱出物主要成分漂浮速度并比较其差异发现,完好大豆粒因籽粒饱满、圆润且密度大、迎风面积小,因而空气阻力小、使其悬浮起来需要较大漂浮速度即9.18~11.61m/s;瘪粒和大豆瓣因外形圆度、光滑度和均齐度较低,在试验锥形管中上下浮动剧烈、浮动区间都要大,平均漂浮速度为6.14~7.74m/s;未脱净豆夹虽然外形较大导致迎风面积大、形状不均齐,但因荚壳中含有豆粒,漂浮速度3.81~5.48m/s;短硬茎秆和碎秸秆与荚壳因外形不规则、密度小,其漂浮速度分别为2.53~4.04和1.95~3.75m/s。由此可见,大豆脱出物籽粒部分的漂浮速度显著高于其他部分漂浮速度,利用气流速度差异较容易实现籽粒与未脱净豆荚、短硬茎秆、碎茎和秆荚壳的分离;而未脱净豆荚、短硬茎秆、碎秸秆与荚壳漂浮速度之间有重叠,难以直接利用气流速度差异进行分离。2.2筛选脱粒后的气流速度大豆脱粒机气力清选循环装置成功与否的关键在于吸风口将筛面上的杂余可靠吸入,但不能吸入豆粒;旋风分离器将未脱净豆荚(含部分短硬茎秆)可靠地分离并进入脱粒装置循环脱粒。根据上述要求和表1大豆脱粒杂余漂浮速度试验结果,参照农业物料旋风分离器设计理论与方法[3,9,11,21,22,23,24],确定上筛和下筛吸风口气流速度为6.14~9.18m/s,气流速度可通过吸风口侧面的风量调节板或吸风口高度进行一定范围的调节。在现有5TD-280型大豆脱粒机组合式清选系统结构基础上,确定上筛和下筛吸风口气流速度、吸风口及其距筛面高度,旋风分离器筒体及其内部导叶片结构、入口高度、排杂口与回收口直径等主要参数如表2所示。3u3000风机转速与振动筛频率,清除大豆含杂率,提高吸口外风率为检验气力清选循环装置原理与性能,根据上述总体方案与主要参数,研制了气力清选循环装置的样机,并将其安装在5TD-280型大豆脱粒机上(图5),依据脱粒机试验方法(GB/T5982-2005)进行了的性能试验。脱粒机上筛与下筛平行且前倾角为3º,频率相等但运动方向相反,振动方向角为15º,振幅为50mm;脱粒对象为辽豆15,籽粒含水率约为13%。通过风量调节板控制吸风口气流速度在7.5~8.5m/s范围内,改变风机转速与振动筛频率,以大豆清选损失率(清选过程中随着大豆秸秆、碎秸秆等分离物分离出的豆粒占脱粒后大豆的比率)和秸秆含杂率(清选后的大豆中碎秸秆和未脱净豆荚所占比率)为试验指标,考察气力清选循环装置工作性能,试验结果见表3。结果表明,配备气力清选循环装置的大豆脱粒机,在试验条件下清选损失率为0.30%~0.91%,秸秆含杂率为0.70%~0.80%;在吸风口处气流速度不变情况下,风机转速从457r/min增大到526r/min、振动筛频率从240Hz增大到276Hz时,清选损失率变化较大,即从0.91%下降到0.32%,而大豆秸秆含杂率变化不大,即从0.8%下降到0.7%;风机转速和振动筛频率再进一步增大时,清选损失率和秸秆含杂率均变化不大。观察并分析试验结果认为,虽然风量调节板控制吸风口气流速度基本未发生变化,但是随着风机转速提高、风机流量增大,通过旋风分离器的气流速度增大、分离能力有所增强;同时振动筛振动频率的相应提高,大豆脱出物料层变得更加松散,有利于吸风口吸起未脱净豆荚和短硬茎秆等杂余,因而大豆清选损失率和含杂率均有所下降。但是,当风机转速和振动频率增大一定程度后,不仅清选效果基本不再变化,而且有少量豆粒、特别瘪豆粒随着未脱净豆荚和短硬茎秆被吸出后送到旋风分离器,经分离器分离后二次进入脱离装置,造成大豆破碎率的增加。4防止企业数量下的质量试验设计1)通过漂浮速度试验,获得了典型品种大豆完好籽粒、瘪粒与豆瓣、未脱净豆荚、短硬茎秆和碎秸秆与荚壳的漂浮速度分别为9.18~11.61、6.14~7.74、3.81~5.48、2.53~4