青稞作物脱粒物料清选试验

刘 凯，崔清亮，侯华铭，涂 也，张燕青，孙 灯

(山西农业大学工学院，山西 太谷030801)

0 引言

我国青稞种植主要分布在西藏、青海、四川甘孜和阿坝等地区。目前，还没有成熟的专用于青稞作物的联合收获机。采用稻麦联合收获机收获青稞作物，存在芒茎分离不清、清选损失率和含杂率高等问题[1]。国内专门针对青稞收获机械的研究较少，王保爱等[2]设计了一种穗茎分流双层收获割台，实现了青稞机械化茎穗分离收获。有学者采用风筛式清选装置 对振动筛上水稻脱粒物料运动进行CFD-DEM数值模拟，探寻振动筛的最佳运动学参数，以期达到提高籽粒透筛效率并减少清选损失的目的[3-6]。杨洋等[7]和徐立章等[8-9]针对全喂入联合收获机田间试验费时、费工、诸多参数无法调整和数据获取困难等问题，设计了轴流式脱粒-清选室内试验台。宁小波等[10]利用CFD技术，对联合收获机多风道清选装置的气流场分布与风机参数进行了优化。本文主要测试分析青稞作物脱粒物料各组分与清选相关的物料特性和悬浮速度，开展青稞作物脱粒物料清选试验研究，以期为自走式青稞联合收获机清选装置优化设计提供理论和技术支持。

1 物性测量与试验分析

1.1物性测量

青稞物料于2019年10月22日取自甘肃甘南州农业科学研究所青稞生产示范基地，选取甘青4号青稞植株，以及经脱粒和分离长秸秆后待清选的混合物料。随机取25株青稞植株，测得其平均株高87.3 cm，平均麦穗长6.7 cm，麦穗平均粒数为40.6粒，千粒质量49.20 g，草谷比为0.84。随机取1 000 g混合物料，对其中的籽粒、麦芒、颖壳、断穗、短茎秆和碎叶各组分进行分拣、分类，并测量各自相关物料特性参数，为清选装置结构和工作参数的优化提供依据，如表1所示。

表1 各组分相关物性参数

1.2悬浮速度测试

物料悬浮速度是研究物料清选技术及装备的重要基础数据，针对青稞作物经脱粒后的待清选脱出物的特点，根据物料悬浮原理及清选工况特点，依照相关的悬浮速度测量国标要求，利用课题组自制的气吹式农业物料清选悬浮速度测量试验装置，设计并进行了分段(3段)悬浮试验[11-14]。测得青稞作物脱粒物料中籽粒、麦芒和颖壳、断穗、短茎秆、碎叶等各组分的悬浮速度分别为7.07～12.51、1.29～4.08、2.23～6.32、1.82～8.16、1.29～3.65 ms，如表2所示。

2 清选试验

2.1试验原理及装置

青稞作物脱粒物料清选是利用混合物中籽粒、麦芒、颖壳、断穗、短茎秆和碎叶等各组分在形状、尺寸、表面特性和空气动力学特性等方面的差异，对青稞籽粒进行筛分。首先青稞作物脱粒物料由输送带输送至清选室内，在振动筛网上对其进行振动筛分和风力清选，在清选过程中，青稞籽粒穿过筛网落入集粮器中，麦芒、颖壳和碎叶等被清选气流带离清选室，较重的短茎秆、断穗等通过筛面滑落至尾料收集器。至此，实现了青稞籽粒与轻杂物的分离，完成清选过程。

表2 各组分悬浮速度

Tab.2 Suspension speed of each component 单位：ms

表2 各组分悬浮速度

组分第1阶段第2阶段第3阶段总体籽粒7.07～9.128.26～10.649.48～12.517.07～12.51麦芒和颖壳1.29～2.582.23～3.413.41～4.081.29～4.08断穗2.23～3.162.88～3.875.00～6.322.23～6.32短茎秆1.82～3.414.08～5.775.47～8.161.82～8.16碎叶1.18～1.822.23～3.413.16～3.651.18～3.65

本试验采用风筛式清选试验装置，主要由风机、风速风向调节器、籽粒收集器、尾料收集器、振动筛箱体和物料输送器等组成，如图1所示。

2.2单因素试验

2.2.1试验因素水平

清选试验装置的工作参数很大程度上决定着试验清选效果，分别以离心式风机风速和风向、振动筛频率和振幅为试验因素进行单因素试验，寻求合理的清选工作参数水平范围，为正交试验因素水平的选择提供依据。试验因素水平如表3所示。

表3 单因素试验水平

2.2.2试验指标

试验测定各项作业性能指标，试验结果取3次试验测定指标的平均值[15-16]。清选试验指标籽粒清洁率、清选损失率的计算公式为

(1)

(2)

式中I——籽粒清洁率， %

L——清选损失率， %

ma——籽粒收集器内青稞籽粒质量，g

mb——籽粒收集器内青稞物料质量，g

mc——尾料收集器内籽粒质量，g

2.2.3结果分析

为了探究各因素对青稞清选效果的影响，在以离心式风机风速和风向、振动筛频率和振幅为试验因素进行的单因素试验中，统一设置试验条件：喂入量0.5 kgs，上、下两层筛网孔径分别是8 mm×8 mm、7 mm×7 mm[17-18]。单因素清选试验结果如图3所示。

在以风机风速为单因素的清选试验(图2a)中，其他参数设置：风机风向35°、振动筛频率190 rmin、振动筛振幅30 mm。其清选试验结果表明，随着风速的增大，筛面清选气流变大，籽粒清洁率提高，但清选损失率也会相应变大。当风机风速在8.0～8.5 ms时，可获得较好的清选效果。

在以风机风向为变量的单因素清选试验(图2b)中，其他参数设置：风机风速8 ms、振动筛频率190 rmin、振动筛振幅30 mm。其清选试验结果表明，随着风机风向倾角的增大，筛面气流流场发生改变，籽粒清洁率先增高后降低，损失率先减小后增大。当风机风向倾角在30°～35°时，可获得较好的清选效果。

在以振动筛振幅为变量的单因素清选试验(图2c)中，其他参数设置：风机风速8 ms、风机风向35°、振动筛频率190 rmin。其清选试验结果表明，随着振幅的增大，筛面青稞物料运动幅度变大，籽粒清洁率提高，清选损失率变大。当振动筛振幅在25～30 mm时，可获得较好的清选效果。

在以振动筛频率为变量的单因素清选试验(图2d)中，其他参数设置：风机风速8 ms、风机风向35°、振动筛振幅30 mm。其清选试验结果表明，随着振动筛频率的增加，筛面青稞物料运动速度变快，籽粒清洁率提高的同时清选损失率也在增大。在保证低清选损失率的情况下，振动筛频率在190～210 rmin时，可获得较好的清选效果。

2.3正交试验

2.3.1试验设计

以单因素试验的结果为参考，将筛选出优水平的风机风速、风机风向、振动筛振幅和振动筛频率作为试验因素，进行4因素4水平正交试验，正交试验按照标准正交表L16(44)进行[19-20]。因素水平如表4所示，清选试验结果如表5所示。探究影响清选效果的主次因素及最优参数组合。

2.3.2极差分析

通过极差分析，根据极差大小，得出：影响清选装置籽粒清洁率的主次顺序依次为风机风速>风机风向>振动筛频率>振动筛振幅；影响清选装置清选损失率的主次顺序依次为风机风速>振动筛频率>振动筛振幅>风机风向。

表4 正交试验因素水平

2.3.3方差分析

用SAS 9.0软件分析正交试验数据，在不考虑各因素之间交互作用的情况下，检验因素风机风速、风机风向、振动筛振幅、振动筛频率对试验指标清洁率和损失率的影响是否显著，做3次重复试验[21]。

表5 正交试验结果

由表6可知，在清洁率指标方面，风机风速P值﹤0.01，风机风速的改变对清洁率的影响极显著；风机风向P值﹤0.05，风机风向的改变对含杂率有显著影响；振动筛频率0.05

表6 清洁率方差分析

由表7可知，在损失率指标方面，风机风速P值﹤0.01，风机风速的改变对损失率的影响极显著；振动筛频率P值﹤0.05，振动筛频率的改变对含杂率有显著影响；振动筛振幅0.05

表7 损失率方差分析

2.3.4加权分析

在农业生产中，由于需要在保证低损失率的情况下达到最优清洁率。所以进行加权处理，设清选损失率L权重60%，籽粒清洁权重40%为试验综合分数。每个试验的综合分为R=[0.4(1-I)+0.6L]×100，横坐标为因素水平，纵坐标为综合分，各因素对清选效果影响的趋势如图3示。

高清洁率、低失率为理想效果，综合分越低，则清选效果越好，所以取各因素最小值对应的水平，风机风速最优水平为水平3，风机风向最优水平为水平2，振动筛振幅最优水平为2，筛子频率的最优水平为2，因此最优方案为A3B2C2D2，即风速8.5 ms，风机风向35°，振幅30 mm，振动筛频率190 rmin时，相对于其他15组清选参数组合，达到最优的清选效果。

将青稞清选试验装置调整至此参数组合下进行试验，做3次重复试验，清选试验结果取平均值，得到所调参数后的清选结果为其籽粒清洁率为97.32%，损失率为3.73%，经试验验证效果优于其他15组已做试验。

3 结论

(1)本试验测定了甘青4号青稞作物的草谷比、含水率、千粒质量，以及该品种青稞脱粒物料各组分的含水率、三维尺寸。利用气吹式农业物料悬浮速度测量装置，测得青稞作物脱粒物料中籽粒、麦芒和颖壳、断穗、短茎秆、碎叶的悬浮速度分别为7.07～12.51、1.29～4.08、2.23～6.32、1.82～8.16、1.18～3.65 ms。

(2)以离心式风机的风速和风向、振动筛振幅和频率为试验因素进行单因素清选试验，探究其对籽粒清洁率、清选损失率两项试验指标的影响，单因素清选试验的主要目的是发现该因素对清选效果的影响规律和最佳清选范围。试验结果表明，风机风速在8.0～8.5 ms，风机风向在30°～35°，振动筛振幅在30～35 mm，振动筛频率在190～210 rmin时，获得的清选效果较好。

(3)以单因素试验的结果为参考，将筛选出优水平的风机风速、风机风向、振动筛振幅和振动筛频率作为试验因素，进行正交试验，对试验结果加权分析得出风机风速8.5 ms、风向35°、振动筛振幅30 mm、频率190 rmin时获得最优清选效果，此时的籽粒清洁率为97.32%，损失率为3.73%。