藜麦脱出物空气动力学特性测试与分析

海 梅，杜文亮，吴英思，赵子龙

(内蒙古农业大学 机电工程院，呼和浩特 010018)

0 引言

藜麦(Chenopodium quinoa willd)为藜科藜属草本植物，具有耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐盐碱等特性，很适合我国北方种植，目前在我国内蒙古、山西、陕西、浙江、青海和四川等地种植[1-2]，面积达到3 333hm2，产量达到2 025～4 500kg/hm2[3]。据调查，目前收获藜麦的方式包括人工收获、分段收获及联合收获等，收获藜麦的专用联合收获机较少，使用其他谷物的联合收获机收获藜麦，清洁效果很不理想，毛粮含杂率高达34%。为此，针对联合收获机收获后含杂率高等问题，对藜麦的空气动力学特性进行研究分析，在QXS-3.0型清选试验台上进行试验，旨在对后期藜麦联合收获机参数优化及改进提供数据支持。

1 藜麦脱出物的悬浮速度测定

1.1 试验材料

本试验所使用的藜麦为内蒙古乌兰察布市凉城县种植的“蒙藜1号”，千粒质量为2.27～2.35g，含水率为8%，密度为680kg/m3。藜麦脱出物如图1所示。

1.2 试验设备

测定藜麦脱出物料悬浮速度主要仪器包括物料悬浮速度实验台、BWY-1500/2500型补偿式微压计、L/s-6-800型皮托管、调压器、连接软管及台桌，如图2所示。

图1 藜麦脱出物

1.悬浮速度试验台 2.皮托管 3.连接软管 4.补偿式微压计 5.台桌图2 物料悬浮速度测定装置示意图

1.3 试验过程

农产品物料悬浮速度测试的原理：在测试设备上构建一个垂直向上的流场，让物料籽粒在流场中悬浮，此时测得的气流速度即为籽粒的悬浮速度[4]。

试验前将各仪器设备正确连接，将藜麦脱出物籽粒各自分组放进物料悬浮速度试验台的垂直管道中，使用调压器调节电压改变风机转速控制气流，在透明垂直管道中观察物料的籽粒悬浮状态，于试验台圆柱形观察管某一部位。此时，皮托管测得圆柱形观察管下端截面的流体动压，并通过微压计显示。记录此时各参数，经过换算后可以得到悬浮速度。每个样本试验3次。转换其公式得[5]

(1)

式中V—风速(m/s)

k—皮托管系数，本测试使用的皮托管系数为k=1.01；

ΔΡ—通过皮托管的测得的动压(Pa)；

ρ—流体密度(kg/m3)。

1.4 测试结果

藜麦脱出物悬浮速度如表1所示。

表1 藜麦脱出物悬浮速度

2 试验

2.1 清选试验台结构原理

藜麦收获期使用某型小麦联合收获机进行收获。由于对藜麦物料的机械性能研究不足，导致联合收获机收获的藜麦脱出物含杂率较高。藜麦属于苋科类植物，脱粒过程中大部分带壳藜麦的颖壳脱落轻杂物较多，使用筛选效果不如风选。风选是根据物料的空气动力学特性不同进行清选，确定气流风选影响藜麦含杂率的因素，降低藜麦含杂率和损失率。某型小麦联合收获机清选室结构与QXS-3.0型清选试验台很接近。清选试验台的结构属于双风机双层振动筛清选装置，主要由料斗、抖动版、离心风机、振动筛、接料箱、机架、传动系统和传感器等组成。

清选试验台工作原理：离心风机工作时，清选室有一定气流速度的正压流场，藜麦脱出物料从料斗出，落在抖动板上，抖动板把物料均匀的送向筛面进行清选；筛面底部的接料箱，采用多组小方格箱，用以分析清选后物料分布的规律。

2.2 气流对物料的受力分析

首先建立坐标系，以物料进入倾斜气流场为原点，垂直方向为y轴，水平方向为x轴，气流与水平方向夹角为α，速度为v,物料的速度为u与垂直方向夹角为β，绝对速度为V，如图3所示。把v看作空气对物料的牵连速度，则物料相对速度u即为物料的绝对速度V与气流速度v的向量之差，则

u=V-v

图3 质点受力分析

气流对物料的垂直作用力为

(2)

式中F—气流对质量点的作用力(N)；

VP—漂浮速度(m/s)；

m—物料的质量(kg)；

u—气流相对于质点的相对速度(m/s)。

质点受到气流的作用力F和重力G，建立动力学微分方程为[6]

转换成解析形式微分方程为

根据图(3)，将v分解到水平和垂直方向可得

同样ux和uy可以表达为

ux=Vx-vx=Vx+vsinα

uy=Vy-vy=Vy+vcosα

因而得到

(Vy+vsinα)-g

(Vy-vcosα)

分析物料速度u可以分解为

ux=ucos(2π-β)=ucosβ

uy=usin(2π-β)=-usinβ

由上式可知：物料在气流中运动时与悬浮速vp、气流速度v、气流方向角α、物料进入清选室的速度u和方向β有关。

3 单因素试验与分析

3.1 试验指标

试验指标为含杂率R(%)与清选损失率S(%)。

计算公式为

(3)

(4)

式中Wz—出粮口取小样中杂质质量(g)；

Wi—出粮口取小样质量(g)；

Ws—清选损失籽粒的质量(g)；

Wj—接样取内所接籽粒的总质量(g)。

3.2 单因素的选择

因素表如表2所示。

3.3 结果分析

3.3.1 离心风机转速对清选性能的影响

根据藜麦脱出物的悬浮速度范围，采用变频器对离心风机转速进行控制，以获得不同筛面气流速度。试验条件：喂入量0.2kg/s,鱼鳞筛开口度5mm,鱼鳞筛的振动频率10.6Hz,离心风机倾斜角35°，抖动板抖动次数200/min。

表2 因素表

离心风机转速与清选效率的关系如图4所示。由图4可知：当风机转速为567r/min左右时，把大部分茎秆和带壳瘪谷、瘪谷、颖壳吹走，所以此转速下的相对含杂率低，损失率小；当风机转速小于567r/min左右时，小部分带壳瘪谷、茎秆被吹走，相对含杂率高；当离心风机转速大于567r/min时，风速大于一些藜麦的悬浮速度，此转速下虽然含杂率低，但损失率也增大了。

图4 离心风机转速与清选效率的关系

3.3.2 抖动板抖动次数对清选性能的影响

为调整方便，采用变频器对抖动板转速进行控制，把频率转换成抖动板的抖动次数；当抖动板抖动次数为157次/min时，物料无法进入清选室，往外移动。试验条件：喂入量0.2kg/s,鱼鳞筛开口度5mm,鱼鳞筛的振动频率10.6Hz,离心风机倾斜角35°，离心风机转速为497r/min。

抖动板抖动抖动次数与清选效率的关系如图5所示。由图5可知：通过不同抖动板的频率，改变藜麦脱出物料的初始速度。频率低、初始速度相对较低，此时的含杂率低，损失率较高；随着抖动板的频率加大，含杂率提高，损失率也提高；抖动板抖动次数219/min左右时，含杂率和损失率相对低。

图5 抖动板抖动抖动次数与清选效率的关系

3.3.3 喂入量对清选性能的影响

为调整方便，采用变频器对模拟给料机转速进行控制，以获得不同喂入量。试验条件：鱼鳞筛开口度5mm,鱼鳞筛的振动频率10.6Hz,离心风机倾斜角35，离心风机转速为497r/min，抖动板抖动次数为200/min。

喂入量与清选效率的关系如图6所示。由图6可知：通过改变模拟给料机转速，得到不同的喂入量。随着喂入量的提高，含杂率也在提高，但损失率降低。

图6 喂入量与清选效率的关系

3.3.4 离心风机出风口角度对清选性能的影响

调整离心风机出风口倾斜角，离心风机出风口倾斜角范围20°～40°。试验条件：喂入量0.2kg/s,抖动板抖动次数200/min,鱼鳞筛开口度5mm,鱼鳞筛的振动频率10.6Hz,离心风机转速为497r/min。离心风机出风口倾斜角与清选效果的关系如图7所示。由图7可知：离心风机出风口倾斜角30°具有较好的清选效果。

图7 离心风机出风口倾斜角与清选效果的关系

4 结论

1)测定了蒙藜1号藜麦的含水率、千粒质量和密度，利用物料悬浮速度实验台测定了藜麦脱出物各组分中带壳藜麦、藜麦、带壳瘪谷、瘪谷、长茎秆、短秸秆和颖壳的悬浮速度范围。

2)在QXS-3.0清选试验台上进行试验，结果表明：抖动板219次/min时，损失率2.83%，含杂率11.32%；离心风机转速提高时，含杂率降低，损失率增加；离心风机出风口角度为30°时，含杂率11.74%，损失率0.94%；随着喂入量的增加，含杂率增大，损失率降低。

3)藜麦脱出混合物料与藜麦的悬浮速度有部分重叠，风选很难分开，需要其他分离方法参与清选。