核桃物料空气动力学特性与风选分离装置试验

刘佳，沈晓贺，崔宽波，买合木江·巴吐尔，杨莉玲

(新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

核桃(JuglansregiaL.)，又称胡桃、姜桃，是胡桃科植物，与扁桃、腰果、榛子并称为世界著名的“四大干果”，富含大量的钙、磷、铁等营养成分，具备较高的营养和药用价值，市场前景比较广阔[1-4].目前，中国核桃种植面积和产量居世界首位，是农村发展的特色经济作物，其中新疆作为我国主要核桃产地，以温185、扎343以及新新2三大核桃品种为主.但在核桃收获过程中，由于水肥管理不当、过早采收等原因，存在较多的空瘪核桃，影响核桃收获质量，影响农民增收，因此为提高核桃收获品质，需要将空瘪核桃分选出去.目前农产品物料分选方式主要有磁选法、电选法、风选法等，其中，风选法是利用物料之间不同的空气动力学特性，实现物料分选[5-8].正常核桃和空瘪核桃在空气动力学特性上存在显著差异，采用风选方式，具有结构简单、便于操作、分选效果较好等特点，适应性较广.

Shellard等[9]测定脱粒后的小麦茎秆的悬浮速度，得到其悬浮速度与茎秆本身的直径、长度及面积参数之间的关系；Mokhtari Nahal等[10]研究核桃混合物在垂直气流场中的分选方法，得出了气流速度对分选效果的影响规律；马秋成等[11]研制了一种莲子负压分离装置，利用莲仁、莲壳、碎仁不同的空气动力学特性，完成莲子壳仁分选过程，该装置的清选效果较好；耿令新等[12]通过测定大白菜种子脱出物的悬浮速度范围，得到籽粒与清杂物空气动力学特性差异较大，于是采用气流清选方式，完成其分选过程；海梅等[13]测定藜麦脱出物的悬浮速度范围，并在清选试验台进行试验，得到风机转速与含杂率、损失率之间的关系，为藜麦联合收获机风选部件参数选择提供依据.

本研究采用理论分析与试验验证相结合的方式，选取新新2核桃作为试验对象，测定正常核桃与空瘪核桃的悬浮速度，并研制一种核桃风选分离装置，确定风机选型，然后设计正交试验方案，并进行该装置工作性能验证试验，得到其较优工作参数组合，以期为新疆乃至全国核桃分选装置的研发提供科学依据.

1 核桃悬浮速度计算

由于正常核桃与空瘪核桃的空气动力学特性存在差异，当受到气流作用力时，其所受的合力不一样致使产生不同的运动轨迹.为实现核桃的分离，需要计算待分离物料的悬浮速度数值，从而确定合适的分离气流速度.

通过前期预试验得到，温185核桃的平均棱长为34.43 mm、长径为37.66 mm、横径为38.54 mm、质量为15.30 g；新新2核桃的平均棱长为31.05 mm、长径为36.75 mm、横径为33.84 mm、质量为11.50 g；扎343核桃的平均棱长为35.08 mm、长径为43.25 mm、横径为36.83 mm、质量为13.80 g.根据核桃的几何尺寸计算3个核桃品种的球度系数，其计算公式为：

(1)

式中：λ为球度系数；d1为核桃物料的棱长，mm；d2为核桃物料的长径，mm；d3为核桃物料的横径，mm；dmax为核桃物料的最大径长，mm.

根据公式(1)计算得到温185、新新2、扎343核桃的球度系数分别为0.98、0.97、0.88，接近于1，因此可以把核桃看成椭球体进行分析计算.在核桃分选过程中，核桃受到重力、悬浮力及空气阻力3个作用力，其中空气阻力可忽略不计，受力分析如图1所示.

图1 核桃受力分析图Figure 1 Walnut stress analysis chart

根据受力平衡原理，核桃物料受到的作用力计算公式如下：

(2)

化简公式(2)，得到核桃物料的临界悬浮速度公式为：

(3)

式中：F为悬浮力，N；k为阻力系数；ρ为空气密度，kg/m3；S为物料的最大截面面积，m2；v为气流速度，m/s；G为物料重力，N；m为物料质量，kg；g为重力加速度，m/s2；a为物料加速度，m/s2；ve为物料的理论悬浮速度，m/s；vl为物料的实际悬浮速度，m/s；c为可靠性系数，为弥补核桃大小形状及碰撞等因素造成计算结果产生的误差，一般情况为1.8～2，取c为1.8.

综上所述，与温185、扎343相比，新新2的尺寸与质量最小，因此本试验对象选定新新2核桃.通过查阅《农业物料学》资料[14]，取阻力系数k为0.44，空气密度ρ为1.20 kg/m3，正常核桃平均质量为11.50 g，空瘪核桃平均质量为7.12 g，代入公式(3)计算，可以得到正常核桃的悬浮速度为28.72 m/s，空瘪核桃的悬浮速度为23.26 m/s，因此选取合适的核桃分离气流速度范围为23.26～28.72 m/s.

2 核桃风选分离装置设计与试验研究

2.1 整体结构与工作原理

为研究正常核桃与空瘪核桃分离的工艺参数，根据上述计算的核桃悬浮速度结果，研制一种核桃风选分离装置，如图2所示，主要技术参数见表1.

表1 核桃风选分离装置主要参数Table 1 Main parameters of walnut air separation device

该装置主要由离心风机、风选通道、振动喂料装置、机架、调风板以及振动电机等部件组成.当该装置工作时，通过振动喂料装置把待风选核桃均匀地单层排列进入风选通道，然后靠自身重力下落.与此同时，风机工作时，在分选通道内产生一定的气流速度，对下落的核桃产生气流作用力，气流作用力可以使质量较轻的空瘪核桃向上运动，从废料口排出，而质量较大的正常核桃下落到卸风板再从出料口排出到收集箱里，从而实现核桃的分离工作.在实际的工作中，可以根据核桃分选的实际情况来调节调风板的角度，控制风选管道内的风力大小，来适应不同核桃品种的分选工作.

1：调风板；2：出料口；3：废料口；4：风选通道；5：振动喂料装置； 6：振动电机；7：机架；8：风机.1：Adjusting plate；2：Outlet；3：Waste port；4：Air selection channel；5：Vibrating feeder；6：Vibrating motor；7：Frame；8：Fan.图2 核桃风选分离装置整体结构Figure 2 Walnut air separation device overall structure

2.2 风机选型

风机作为核桃风选分离装置的关键部件，直接决定风选系统性能的优劣，其中流量和压力是表示风机性能的关键参数，计算公式如下：

(4)

式中：Q为风机流量，m3/h；M为输料量，kg/h；w为混合比；P为风机全压，Pa；P0为核桃分离气流所需的临届压力，Pa；α为压力损失系数，取3.5.

取M为1 000 kg/h、w为0.5、空瘪核桃平均质量为7.12 g、悬浮速度为23.26 m/s代入公式(4)得到Q为1 667 m3/h，P为1 386.30 Pa.结合装置田间工作环境情况，选择风机型号为2.5A-CF(A)的多翼型离心通风机，功率为2.2 kW，额定工作转速为2 900 r/min，流量748～2 617 m3/h，全压为1 296～1 542 Pa.根据前期装置设计与预试验表明，要合理选择风机转速，否则严重影响分选效果，因此取风机转速范围为2 400～3 400 r/min.

2.3 试验研究

2.3.1 试验方案 2019年10月，试验材料选用烘干房烘后室内存放两个月的新新2核桃，核桃基本物料特性参数如表2所示.在新疆维吾尔自治区喀什地区叶城县，选用核桃风选分离装置进行试验.

表2 物料基本参数Table 2 Material basic parameters

通过前期预试验及参考马豪[3]的研究成果，发现风机转速(调节发动机油门)、调风板倾角(螺栓调节)、喂入量(调节变频器改变振动喂料速度)3个因素对核桃分离影响的效果较大.因此，为进一步分析各因素对核桃清选率μ和损失率η的影响，选取风机转速f、调风板倾角θ、喂入量w作为试验因素，则试验因素设计水平如表3所示.

表3 试验因素水平Table 3 Factor level of experiment

2.3.2 试验指标与方法 根据GB/T5667-2008《农业机械生产试验方法》和参照GB/T5262-2008《农业机械试验条件测定方法的一般规定》标准设计试验[15-16]，该装置工作前，选取5组大小均匀的核桃试验样本，每组200个核桃，其中空瘪核桃40个(作记号)，并称其质量，正常核桃分别记为a11、a12、a13、试验后，将每组收集箱内的正常核桃和空瘪核桃分别装袋并称质量，正常核桃分别记为a21、a22、a23、a24、a25，空瘪核桃分别记为b21、b22、b23、b24、b25，则核桃清选率和损失率的计算公式如下：

(5)

2.3.3 试验结果与分析 为避免试验误差对结果造成影响，故在正交试验设计表中添加空白列，参照《试验设计与分析》书籍资料[17]，按照L9(34)设计正交试验方案，如表4所示，试验现场如图3所示.

图3 试验现场Figure 3 Test site

由表4可知,核桃清选率范围为90.78%～98.89%,损失率范围为1.28%～3.21%.各因素影响试验指标的极差顺序为：风机转速A>调风板倾角B >喂入量C，较优的试验方案为A2B2C2，即风机转速为2 900 r/min、调风板倾角为80°、喂入量为900 kg/h.

表4 正交试验结果与极差分析Table 4 Orthogonal test results and range analysis

为了进一步研究各因素对试验指标的显著性影响效果，采用SPSS 20.0软件对试验数据进行方差分析[18]，分析结果如表5所示.

表5 方差分析Table 5 Variance analysis

结果表明，模型的决定系数分别为0.998、0.996，可以解释99%以上的评价指标.通过P值大小可以反映各个因素对试验指标的影响程度，在核桃清选率和损失率模型中，风机转速影响极显著(P<0.01)，调风板倾角影响显著(P<0.05)，喂入量影响不显著(P>0.05).

从SPSS软件得到各个因素对试验指标的影响曲线图，如图4所示.根据图4-A可知，风机转速过高，风选管道内的气流速度较大，容易导致正常核桃分选出去，损失率变大；反之，则核桃不易分离，清选率会减小，影响装置工作性能，因此选择风机转速最优水平为2 900 r/min.根据图4-B可知，调风板倾斜角过大，气流作用力较小，影响清选效率，造成能量损失；反之，则核桃受到的气流作用力较大，核桃损失率变大，造成资源浪费，因此选择调风板倾角最优水平为80°.根据图4-C可知，当喂入量增加，会有大量核桃堆积，发生堵塞，分选不彻底，影响清选效率；反之无法满足一定量的生产率，因此选择喂入量的较优水平为900 kg/h.

图4 各因素对试验指标的影响曲线图Figure 4 Effect curve graphs of each factor on test indexes

2.3.4 试验验证 综上所述，确定A2B2C2为核桃风选分离装置的较优参数组合，为验证较优作业参数组合的正交试验结果的准确性，按照上述的试验方法进行3次重复性验证试验，结果取均值，试验结果如表6所示.

表6结果表明，当风机转速为2 900 r/min、调风板倾角为80°、喂入量为900 kg/h，核桃清选率试验验证值为98.95%，核桃损失率试验验证值为1.24%，满足核桃分选农艺要求，达到国家及相关标准条件.

表6 优化值与试验验证值Table 6 Optimization and experiment verification results

3 结论

1) 通过理论计算得到正常核桃与空瘪核桃的悬浮速度参数分别为23.26、28.72 m/s，根据其研究成果，设计了一种核桃风选分离装置，并对风机进行计算，选择2.5A-CF(A)的多翼型离心通风机，功率为2.2 kW，额定工作转速为2 900 r/min，流量748～2 617 m3/h，全压为1 296～1 542 Pa.根据前期样机设计及预试验表明，取风机转速范围为2 400～3 400 r/min.

2) 试制核桃风选分离装置，开展正交试验，以风机转速、调风板倾角、喂入量为影响因素，核桃清选率、损失率为试验指标，分析各因素对试验指标的影响程度.结果表明，风机转速对核桃清选率和损失率影响极显著，调风板倾角影响显著，喂入量不显著；较优参数组合：风机转速为2 900 r/min、调风板倾角为80°、喂入量为900 kg/h，并进行试验验证得知该装置的清选率为98.95%，损失率为1.24%，符合核桃清选农艺要求，该研究结果为后续研究核桃分选装置奠定基础.