藜麦混合物清选效果的试验与分析

苏日嘎拉图,杜文亮,马一铭,康立菲,陈 震

(内蒙古农业大学 机电工程学院,呼和浩特 010018)

0 引言

藜麦 (Chenopodium quinoa)又称南美藜、藜谷、奎奴亚藜等,属于藜科藜属双子叶植物,无限花序,主梢和侧枝都结籽,自花授粉。谷物联合收获机收获后的藜麦混合物主要由藜麦、带壳藜麦、瘪藜麦、长茎秆、短茎秆、颖壳和轻杂组成,其中带壳藜麦由颖壳和藜麦籽粒组成。

藜麦的原产地为安第斯山区,大约有5 000～7 000多年的食用和种植历史。我国于1987年由西藏农牧学院和西藏农科院开始引种试验研究[1-3],1988年内蒙古农牧学院引进藜麦试种,近几年才开始大面积的藜麦种植。

我国对藜麦加工方面的研究刚刚起步,在藜麦的收获、清选等机械化作业方面,国内的研究报道较少[4]。藜麦产后没有专用的清选设备,藜麦收获后的初加工工艺还处于探索改进阶段。随着种植面积的扩大,藜麦收获初步实现了机械化,但谷物联合收获机收获藜麦时,从粮仓卸下的藜麦含杂多,给后期的初加工带来很大困难。目前有的地方用人工,以传统方式去除其中的大杂,再借用其他谷物清选机械清选。现有的清选设备清选效果不理想,生产率低,清选后的藜麦仍然含杂较多,清选过程中籽粒损失又多,严重制约了藜麦后续的进一步加工。为此,以内蒙古新选育品种“蒙藜2号”为试验品种,进行藜麦混合物中大杂的清选试验,旨在为后期改进与优化清选设备或研制藜麦专用清选机械提供基础数据。

1 藜麦混合物的特性

藜麦混合物的清理特性主要包括混合物的组成成分比例、物理性状、空气动力学特性等,通过试验测定得出与清选有关的藜麦混合物特性[5],具体清理特性参数如表1所示。

由表1可知:通过对藜麦与瘪藜麦外形尺寸的测量,直径方向差值为0.20mm,厚度方面差值为0.31mm,仅从籽粒尺寸角度对藜麦进行清选,难度较大。带壳藜麦、瘪藜麦、茎秆和轻杂的滑动摩擦因数均比藜麦的滑动摩擦因数大,这将影响清选筛分过程中杂质的排出。此外,由于藜麦与带壳藜麦的悬浮速度有交集,故利用空气动力学特性差异进行清选,难以实现藜麦与带壳藜麦的分离。通过占比测定,原料中的杂质占比高达35.38%。由此可见,常规的清选工艺很难实现藜麦与杂质的分离。

2 物料在往复式振动筛上的运动分析

对于曲柄连杆机构传动的往复振动筛,其运动规律为直线往复简谐振动,振动体沿振动方向的位移、速度、加速度分别表示为[6]

X=rsinωt

(1)

u=ωrcosωt

(2)

a=-ω2rsinωt

(3)

式中r—曲柄半径(mm);

ω—角速度(rad/s);

t—时间(s)。

表1 藜谷混合物的特性表Table 1 Characteristics table of Quinoa Mixture

研究藜麦混合物沿振动面的相对运动,取单颗粒藜麦为研究对象,分析其在振动面上的受力及运动状态。设振动面倾角为α,振动方向角为β,物料与振动面的静摩擦角为φ。建立动坐标Oxy固接于振动面上,x轴沿振动面方向向左为正,y轴垂直于振动面方向,向上为正。单位质量的藜麦籽粒的受力有:颗粒自身重力G=mg,振动面给颗粒的支撑反力FN,振动面给颗粒的摩擦力F=FNtanφ,系统惯性力FP=mω2rsinωt。

1)藜麦颗粒沿振动筛面相对下滑的运动分析如图1所示。要使藜麦颗粒相对于振动面下滑,必须满足条件,即

FΡcosβ+mgsinα>F

FΝ+FΡsinβ=mgcosα

FΡcosα+mgsinα>(mgcosα-FΡsinβ)FΝtanφ

图1 藜麦颗粒沿振动筛面相对下滑的运动分析

将FP=mω2rsinωt代入上式,得

ω2rsinωtcos(β-α)>gsin(φ-α)

(4)

式(4)即为藜麦颗粒能相对振动面下滑的条件。

2)藜麦颗粒沿振动筛面相对上滑的运动分析如图2所示,要使藜麦颗粒相对于振动面上滑,必须满足

FΡcosβ-mgsinα>F

图2 藜麦颗粒沿振动筛面相对上滑的运动分析

若藜麦颗粒相对于振动面无跳动,则

FΝ=mgcosα+FΡsinβ

即

FΡcosα-mgsinα>FΝtanφ

将FN及FP的表达式代入得

为保证上式有意义,对cos(β+α)取绝对值代入,并取|sinωt|max=1代入上式,得

(5)

式(5)即为藜麦颗粒能相对振动面上滑的条件。

3)振动筛已知参数:振动转速n= 500r/min,曲柄半径r= 10 mm,筛面倾角α=3.8°,物料与筛面间的静摩擦角φ= 18.9°,振动方向角β= 15°。将给定条件代入上述运动分析,则

满足下滑的条件为

同时也满足上滑条件,即

由此说明,藜麦在运动过程中呈现出下行状态,藜麦颗粒的运动状态受筛面倾角、振动方向角、振动转速等参数的影响,从而进一步影响物料在筛面上的分布和振动筛筛分效果。

3 藜麦混合物筛理试验

3.1 试验物料

试验所采用的物料为内蒙古乌兰察布察右中旗藜麦种植专业合作社种植的“蒙藜2号”品种。

3.2 试验装置

试验装置为QXS-3.0清选试验台(哈尔滨博纳科技有限公司研制),主要参数为:离心风机转速600～1 000min,曲柄转速200～400r/min,曲柄半径10、20、30mm等;上层筛是鱼鳞筛,下层筛是编织筛,筛孔尺寸为4、6、8、10、12目,替换了原试验台用的冲孔筛。其中,离心风机转速、振动筛曲柄转速通过变频器进行调节[7]。清选试验台结构如图3所示。

3.3 试验方法

试验按照GB/T5983-2013《种子清选机试验方法》进行[8]。

3.4 试验指标

本试验指标为清洁率Q(%)与清选损失率S(%),计算公式为

(6)

(7)

式中m0—筛下物总质量(g);

m1—筛下物中藜麦籽粒质量(g);

m0—出杂口中藜麦籽粒质量(g)。

1.进料斗 2.气流室 3.上振动筛 4.下振动筛 5.接料箱 6.离心风机 7.曲柄传动机构 8.阶梯抖动板 9.变频电动机 10.控制台

4 试验与结果分析

4.1 试验因素的选择

选取对清选性能影响较大的编织筛筛孔尺寸、振动筛转速、上振动筛倾角和下振动筛倾角,作为试验的4个因素。其它主要试验参数为:喂入量0.2 kg /s,抖动板振动频率14.2Hz,离心风机转速550 r/min,筛面宽度977mm,筛面长度1 800 mm,曲柄半径为10mm,离心风机出风口倾角30°,如表2所示。

表2 试验因素表

4.2 结果与分析

4.2.1 编织筛筛孔尺寸试验

为降低试验中存在的随机误差,每个水平重复3次进行试验,对编织筛筛孔尺寸的5个水平进行单因素试验,取算术平均值作为试验值,取振动筛转速250r/min、上振动筛倾角为3°、下振动筛倾角3.8°作为初选值,改变编织筛筛孔尺寸进行藜麦混合物清选试验,并处理试验数据,得到清选性能随编织筛筛孔尺寸的变化,如图4所示。

图4 编织筛筛孔尺寸与清选性能的关系

由图4可以看出:随着编织筛筛孔尺寸的减小,清洁率连续增大,损失率整体上呈现增大趋势;编织筛筛孔尺寸越小,大杂质透筛率减小,但筛面上物料层变厚,同样减少了藜麦籽粒穿过筛孔的机会,使损失率增大。

4.2.2 振动筛转速试验

选取编织筛筛孔尺寸12目、上振动筛倾角为3°、下振动筛倾角3.8°为试验初选值,每个振动筛转速重复3次进行试验,对振动筛转速5个水平进行单因素试验,取算术平均值作为试验值。通过改变振动筛转速进行藜麦混合物清选试验,并处理试验数据,可得到清选性能随振动筛转速的变化,如图5所示。

图5 振动筛转速与清选性能的关系

由图5可以看出:随着振动转速的逐渐增大,清洁率有明显的增大,后有所减小,损失率先增大后减小;转速越大,藜麦混合物和筛面接触的机会增加,藜麦籽粒穿过筛孔的概率增大;另外,气流的作用也得到充分利用,使清洁率增大、损失率减小。

4.2.3 上振动筛倾角试验

选取编织筛筛孔尺寸12目、振动筛转速250r/min、下振动筛倾角3.8°为试验初选值,对上振动筛倾角的4个水平进行单因素试验,每个水平重复3次,取算术平均值作为试验值。通过改变上振动筛倾角进行藜麦混合物清选试验,并处理试验数据,可得到清选性能随上振动筛倾角的变化,如图6所示。

图6 上振动筛倾角与清选性能的关系

由图6可以看出:随着上振动筛倾角的逐渐增大,清洁率和损失率连续减小;上筛倾角越大,筛面上物料堆积,增加了藜麦籽粒和小杂质穿过筛孔的机会,清洁率和损失率都减小。

4.2.4 下振动筛倾角试验

选取编织筛筛孔尺寸12目、振动筛转速250r/min、上振动筛倾角3°为试验初选值,对下振动筛倾角的4个水平进行单因素试验,每个水平重复3次进行试验,取算术平均值作为试验值。通过改变下振动筛倾角进行藜麦混合物清选试验,处理试验数据,可得到清选性能随下振动筛倾角的变化,如图7所示。

图7 下振动筛倾角与清选性能的关系

由图7可以看出:随着下振动筛倾角的逐渐增大,清洁率先增大后持续减小,损失率连续减小;下筛倾角越大,物料沿筛面的输送受阻,物料堆积,同样增加了藜麦籽粒和小杂质穿过筛孔的机会,使清洁率和损失率减小。

4.2.5 对比验证试验

对比验证试验表如表3所示。

表3 验证试验表

由表3可知:编织筛筛孔尺寸为12目、上层振动筛倾角为1°、下层振动筛倾角为2.8°、振动筛转速为300r/min时,清洁效果最好,清洁率达91.8%;编织筛筛孔尺寸为6目、上层振动筛倾角为4°、下层振动筛倾角为1.8°、振动筛转速为225r/min时,清洁率最低。

5 结论

1)当含杂较多时,藜麦混合物清选首先采用编织筛是适合的。

2)试验表明:当编织筛筛孔尺寸为12目、上层振动筛倾角为1°、下层振动筛倾角为2.8°、振动筛转速为300r/min时,清洁率达91.8%,结果为藜麦混合物的进一步精选打下较好的基础。