大白菜种子清选装置试验与优化设计

耿令新,杨 芳,王升升,孙成龙,胡金鹏,韩 瑞

(河南科技大学 农业装备工程学院,河南 洛阳 471003)

0 引言

大白菜是老百姓餐桌上的主要蔬菜之一,富含各种维生素,是绿色蔬菜之王。大白菜是十字花科芸薹属蔬菜[1],又称为“结球白菜”“黄芽菜”“窝心白菜”等,是我国的原产和特产蔬菜,全国各地普遍栽培,以华北地区为主要产区,栽培面积和消费量居各类蔬菜之首。在我国北方地区,大白菜还被称作“当家菜”或者“半年菜”,现在已先后被引种到世界各地。在日本,大白菜又被作为“唐人菜”和“山东菜”;在欧美国家地区,人们通常把大白菜叫作“中国甘蓝”[2]。

大白菜是我国种植面积最大的蔬菜作物之一[3]。据有关农业管理部门统计,2010年全国的秋播大白菜面积已经达到了164.94万hm2。随着市场需求的增加和农业种植结构的调整,大白菜的种植面积快速扩大,全国已经形成了5个大白菜集中产区,即东北和黄淮流域秋大白菜主产区、长江上中游秋冬大白菜主产区、云贵高原和黄土高原夏秋大白菜主产区[4]。与大白菜种植面积的扩大和生产区域的集中形成鲜明对比的是:大白菜的生产,特别是大白菜种子的收获,长期以来一直依靠人工作用为主,不仅劳动强度大、劳动条件恶劣,而且作业效率低,所以对大白菜种子的收获实现机械化,具有省力省时、快速高效和大幅降低生产成本的优点[5]。

目前,我国在蔬菜机械化收获的领域几乎空白,特别是对大白菜机械化收获方面的研究更是少之又少[6]。大白菜种子作为我国种子产业的重要组成部分,机械化收获水平低,大部分环节严重依赖人工作业,严重制约了大白菜种子产业的发展。因此,研究用于大白菜种子收获的清选装置,优化设计其结构运动参数,发展大白菜种子机械化收获技术,实现大白菜种子收获的机械化,具有重要的现实意义。

1 总体结构与工作过程

1.1 总体结构

为了方便研究试验因素对清选性能的影响规律,设计了大白菜种子清选装置室内试验台[7],其三维结构图如图1所示。试验台主要由机架、喂料斗、搅龙、圆筒筛、横流风机、接料箱和电机等部分组成,搅龙转速、圆筒筛转速及横流风机转速均可变频电机控制。此外,为了方便观察清选室内物料的运动情况,横流风机清选室的侧面面板采用透明的有机玻璃板[8]。

1.2 工作过程

待清选物由输送带运送至喂料斗,从喂料斗进入的待清选物料首先落到旋转的螺旋搅龙上,物料随着螺旋搅龙的转动做轴向运动,进入圆筒筛。圆筒筛转向与螺旋搅龙转向相反,由于重力作用,籽粒和细小杂物便脱离搅龙落到筛面上,并透过筛孔进入清选室,体积较大的杂物和杂余随着螺旋搅龙从排杂口排出,实现大杂物的分离。透过筛孔的籽粒和细小杂物,经过筛筒外部对称分布的螺旋叶片实现向中部的集中,并均匀落向滑板,进入清选室;位于圆筒筛斜下方的横流风机吸走轻杂物,并排出机外,干净的籽粒滑落到接料箱内,完成清选过程。

1.输送带 2.喂料斗 3.螺旋搅龙 4.圆筒筛 5.横流风机 6.机架 7.电动机 8.接料箱 9.接草箱

2 关键装置的设计

2.1 茎秆分离装置的设计

茎秆分离装置主要包括螺旋输送搅龙、圆筒筛、外螺旋叶片、喂料斗、接料箱等,如图2所示。搅龙和筛筒的转动方向相反,分别由两个调速电机驱动,可实现运动参数的无级调速。圆筒筛的筛孔形状为圆孔。为了实现透筛物料的均匀分布,筛筒外部设计有螺旋叶片。

1.物料输送带 2.带轮 3.支撑滚轮 4.螺旋输送搅龙 5.圆筒筛 6.外螺旋叶片 7.上壳体 8.带座立式轴承 9.喂料斗 10.带轮 11.电机 12.接料箱 13.滑板 14.下壳体

2.2 横流风机的设计

农业机械清选装置常用的风机类型主要有:轴向进风的离心风机、横流风机和轴流风机等3种[9]。横流风机的出风口气流在轴向宽度上的分布比较均匀,改变进风口开度大小可使风量调节范围较大。在清选系统中,一般采用横流风机作为吸气风机。试验表明:由于横流风机拥有着独特的结构与工作原理,其转速、功率消耗与噪声均比离心风机低,清洁率和损失率均优于离心风机[10]。

横流风机主要由叶轮和风机壳体组成,叶轮为多叶式。叶轮主要由前向弧形叶片、法兰、叶轮轴、轴承、带轮等组成,如图3所示。

1.进气口 2.舌部 3.出气口 4.壳体 5.叶片 6.叶轮 7.底壳

3 试验材料与方法

3.1 试验材料

试验大白菜品种为早熟长江5号,取自河南省济源市王屋镇前茶房。试验材料为大白菜种子成熟植株经脱粒装置脱粒后从凹板分离出的脱出物[11],主要包括籽粒、果荚壳、短茎秆和轻杂物。其中,籽粒所占比例为21.6%,短茎秆所占比例为30.4%,果荚壳所占比例为39.8%,轻杂物所占比例为8.2%。

3.2 试验方法

试验前,将籽粒与短茎秆、果荚壳、轻杂物按质量比2:3:4:1均匀混合,调节含水率至25%,均匀铺放在输送带上,通过控制输送带电机频率控制喂入量。试验前对喂入大白菜种子籽粒总质量进行称重,记为m1。试验结束后,对接料箱中的物料进行处理,称重并记录接料箱中物料的总质量m0、接料箱中籽粒的总质量m2。最后,利用公式计算大白菜种子清选装置的性能参数,即

(1)

(2)

式中Yz—含杂率(%);

Ys—清选损失率(%);

m0—接料箱中物料总质量(kg);

m1—喂入大白菜种子籽粒总质量(kg);

m2—接料箱中籽粒总质量(kg)。

4 试验结果与优化

大白菜种子清选装置室内试验分为茎秆分离试验和风选性能试验[12]:前者主要研究搅龙转速、搅龙与圆筒筛间隙、圆筒筛转速对清选装置性能的影响规律,确定茎秆分离装置的最优参数组合;后者研究横流风机转速、下落物料角度、风道高度对清选性能的影响规律,确定风选装置的最优参数组合。

4.1 茎秆分离试验

4.1.1 正交试验

影响茎秆分离装置分离性能的因素主要有圆筒筛转速、搅龙与圆筒筛间隙及搅龙转速。试验以圆筒筛转速A、搅龙与圆筒筛间隙B和螺旋搅龙转速C作为试验因素,按正交表L9(34)进行试验。因素水平编码表如表1所示;选取含杂率和清选损失率为试验指标,试验方案及结果如表2所示。

表1 因素水平编码表

表2 正交试验方案及结果

续表2

对试验结果进行方差分析可知:圆筒筛转速和搅龙转速对含杂率和损失率的影响均显著,搅龙与圆筒筛间隙对含杂率和损失率的影响均不显著。对试验结果进行极差分析得:各试验因素对含杂率Yz的影响主次顺序依次是:搅龙转速C、搅龙与圆筒筛间隙B、圆筒筛转速A,较优参数组合为A1B1C3;各试验因素对损失率Ys的影响主次顺序依次是:搅龙转速C、圆筒筛转速A、搅龙与圆筒筛间隙B,较优参数组合为A3B2C1。

用综合评分法对试验结果进行加权分析。选取含杂率的加权因子为0.4、损失率的加权因子为0.6时,各个试验因素对综合分数影响的主次顺序依次是搅龙转速C、圆筒筛转速A、搅龙与圆筒筛间隙B;较优参数值组合为A3B3C1,即圆筒筛转速50r/min、搅龙与圆筒筛间隙10mm、搅龙转速150r/min。

4.1.2 回归试验

在正交试验的基础上,选取对试验指标影响显著的搅龙转速x1和圆筒筛转速x2作为试验因素进行二次正交旋转回归试验。由于搅龙与圆筒筛间隙对含杂率和损失率的影响均不显著,所以试验中将搅龙与圆筒筛间隙固定为正交试验的较优参数水平10mm,以正交试验中得到的搅龙转速和圆筒筛转速的较优参数水平值作为回归试验中的零水平[13],根据编码公式进行编码可得到回归试验的因素水平编码表,如表3所示。试验方案及结果如表4所示。

表3 回归试验因素编码表

表4 回归试验方案及结果

利用DPS软件对表4中的试验数据进行回归分析,可分别得到搅龙转速、圆筒筛转速与含杂率Yz、清选损失率Ys之间的回归方程为

(3)

(4)

4.1.3 交互因素对清选效果影响规律分析

工作时,搅龙与圆筒筛同时转动,它们之间会产生连带速度。为了更加清楚地研究这两个交互因素对含杂率、清选损失率的影响规律,利用MatLab软件绘制出搅龙转速和圆筒筛转速与试验指标之间的响应曲面,如图4和图5所示。

由图4可知:在搅龙转速各个水平下,含杂率随圆筒筛转速呈先下降后上升的趋势;在圆筒筛转速各个水平下,含杂率随搅龙转速也呈先下降后上升的趋势。这是因为搅龙转速大小决定了物料在圆筒筛内的输送速度,当搅龙速度逐渐增大时,物料中的短茎秆及果荚壳会不断地从排杂口排出机外,籽粒和轻杂物透过筛孔进入气流清选室。当搅龙转速固定在某一水平时,随着圆筒筛转速增大,含杂率呈现出上升趋势。这是由于圆筒筛转速变大,部分体积较大的轻杂物透过筛孔的几率增大,导致含杂率逐渐升高。

图4 搅龙转速和圆筒筛转速对含杂率的影响

由图5可知:在搅龙转速各个水平下,清选损失率随圆筒筛转速呈先下降后上升的趋势;在圆筒筛转速各个水平下,清选损失率随搅龙转速也呈先下降后上升的趋势。这是因为搅龙转速大小决定了物料在圆筒筛内的输送速度,当搅龙速度逐渐增大时,籽粒和轻杂物透过筛孔进入气流清选室;当搅龙速度过大时,籽粒还未来得及透筛,随果荚壳等一起排出机外,造成损失率急剧上升。当搅龙转速固定在某一水平时,随着圆筒筛转速增大,含杂率呈现出先下降后上升趋势。这是由于圆筒筛转速变大,籽粒透过筛孔的几率增大,所以清选损失率减小。当圆筒筛转速过大时,筛分率降低,所以清选损失率增加。

4.2 风选性能试验

风选性能试验是在茎秆分离性能试验基础上进行的,此时茎秆分离装置的结构运动参数均处于最优水平值。影响风选性能试验主要的因素有横流风机转速A、下落物料角度B、风道高度C。本试验以含杂率和清选损失率为清选性能指标,按正交试验表L9(34)进行三因素三水平正交试验,因素水平编码表如表5所示,试验方案及结果如表6所示。

表6 正交试验方案及结果

对风选性能正交试验结果进行极差分析可知:影响含杂率的因素主次顺序依次是横流风机转速A、风道高度C、下落物料角度B,较优参数组合为A3B3C3;影响损失率的因素主次顺序依次是风道高度C、下落物料角度B、横流风机转速A,较优参数组合为A1B2Cl。采取加权综合评分法处理[14],选取含杂率权重0.4,损失率权重0.6,用综合评分法确定综合指标,对试验数据进行加权分析。此时,对综合分数影响最大的因素为横流风机转速,风道高度次之,下落物料角度最小,即A>C>B;最优参数组合为A2B2Cl,即横流风机转速700 r/min、下落物料角度30°、风道高度500 mm。由表6中可以看出:最优参数组合为试验方案中第5组试验,含杂率为1.71%,清选损失率为0.64%。该结果表明清选装置的清选效果良好,满足国家行业标准要求。

5 结论

1)采用内流式圆筒筛分离出大白菜种子脱出物中的短茎秆、果荚壳和横流风机吸走轻杂物是大白菜种子收获清选的有效方法。

2)在试验条件下,茎秆分离装置的较优结构运动参数为:圆筒筛转速为50r/min,搅龙与圆筒筛间隙为10mm,搅龙转速为150r/min。风选装置的较优结构运动参数为:横流风机转速700r/min、下落物料角度30°、风道高度500mm。

3)当茎秆分离装置和风选装置的结构运动参数都在最优水平时,大白菜种子清选装置的含杂率为1.71%,清选损失率为0.64%。该装置清选效果良好,满足国家行业标准要求。