弹球清筛对荞麦分级效率影响的试验研究

常　荣，杜文亮，陈　伟，政东红，刘广硕

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



弹球清筛对荞麦分级效率影响的试验研究

常荣，杜文亮，陈伟，政东红，刘广硕

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：荞麦属于难筛粒，生产加工前对其进行分级时，分级筛堵筛严重。为此，对影响荞麦分级效率的筛体振动频率、喂入量、弹球数量等因素进行了单因素及正交试验研究。试验结果显示：弹球在荞麦分级过程中清筛效果显著；当分级筛框格长度为65mm，且每个框格中放置7个直径为φ30mm的硅胶弹球、筛体振动频率为8.22Hz、喂入量为7.12kg/min时，分级效率较好，达到98.69%

关键词：荞麦；清筛；弹球；分级

0引言

目前，筛分机械已经广泛应用于矿业、颗粒农作物的分级、食品加工、医药和建筑用材等各个领域[1]。在物料筛分过程中产生的堵筛现象，会降低筛分效率。因此，在物料筛分过程中需不断对筛面进行清理。除人工清筛外，主要的清筛方式有击打式、架刷式和弹球式[2]。弹球式清筛方式由于结构简单，对筛面损伤小，能在完全封闭的筛分机中不间断清理筛面的特点，目前已被广泛应用。在荞麦加工生产中，分级是必不可少的工序。由于荞麦属于难筛粒，在分级过程中极易造成筛孔堵塞，严重影响荞麦的分级效率。而在传统的荞麦分级过程中往往采用人工敲击或刮筛的清筛方式，劳动强度大、效率低，长时间的敲击和刮筛，会造成筛板变形及损伤。同时，开放式的筛分机械采用人工清筛时，造成大量的粉尘漂浮，工作环境恶化。故需探索和研究弹球清筛在荞麦分级过程中对分级效率影响的问题。

1试验设备及方案

1.1试验设备

平面回转振动筛：型号TQLM60，动力0.55kW，河北省沧州市北方粮食机械厂。磁通矢量型—通用变频器：型号VARISPEED-616G5，频率调节范围为0～60Hz。电子秤：型号ACS-6，量程6000g,精度0.02g，永康市寰宇衡器有限公司。筛格：长×宽×高1 000mm×600mm×35mm。筛面：筛孔直径为φ4.6mm，筋宽1mm，筛板为冷轧钢板，河北青县裕鑫机械有限公司。托筛：由两层平行的金属丝按90°交叉编织形成的20mm×20mm的正方形筛孔的筛面[3]。试验原料。初清后的甜荞麦，产于内蒙古自治区清水河县；弹球：材料分为橡胶和硅胶两种，直径为φ25、φ28、φ30mm 3种，河南新乡市宏源振动设备有限公司。

1.2试验方案

1.2.1试验指标

筛分物料时，筛面上同一粒径且小于孔径的物料不可能全部通过筛孔而成为筛下物，总有一部分滞留在筛上物中。因此，用筛分效率作为从数量上评定筛分过程的指标，定义[4]为

η= m′/(mw)

式中m—筛分物料总质量；

m′—筛下物料总质量；

w—筛分物料中理论上可筛下物料的质量分数。

荞麦分级过程实际上就是物料的筛分过程，本文中统一将筛分效率称为分级效率。

试验前，随机称取该试验所用的荞麦2 500g，手持筛孔直径为φ4.6mm的筛子水平往复筛分，1min约60次，振幅65～75mm；当筛分1min内落筛的荞麦质量不超过筛上物质量的0.1%时，即达到筛分终点[5]；称取筛下物质量，计算w值；重复试验3次，测得w均值为43.84%。

1.2.2喂入量的标定

标定喂入量时，根据料门的尺寸将其平均分为8个开度，按照料门开口面积由小到大的顺序依次记为1、2、3、4、5、6、7、8。不同料门开度对应的喂入量如图1所示。

图1　料门开度与平面回转振动筛喂入量关系

1.2.3筛体振动幅度

在荞麦的分级过程中，筛体的振动幅度能使筛面上的荞麦产生跳动、滑动或滚动[6]，有利于物料的松散和分层，对荞麦的分级效率有一定的影响[7]。由于该机振动幅度已处于最佳调节范围内，且试验条件有限，故试验时未进行筛体振动幅度对荞麦分级效率影响的试验研究。

1.2.4筛体振动频率单因素试验

试验中所用的平面回转振动筛由电动机驱动，不同的电机转速对应不同的筛体振动频率，可通过调整变频器频率改变电动机转速，达到调节筛体振动频率的目的。

试验时，使用孔径φ4.6mm的圆孔筛，分级筛中不加弹球，固定喂入量4.41kg/min，调节变频器频率改变平面回转振动筛的筛体振动频率。经预试验，振动筛在连续运转10min后工作稳定。因此，试验时，平面回转振动筛连续运转10min后，称取1min的筛上物与筛下物计算分级效率。

1.2.5喂入量单因素试验

试验时，使用孔径φ4.6mm的圆孔筛，分级筛中不加弹球，根据上述试验选择最佳筛体振动频率并固定，逐渐改变平面回转振动筛的喂入量。在每个喂入量下，平面回转振动筛连续运转10min后，称取1min的筛上物与筛下物计算分级效率。

1.2.6弹球对分级效率的影响试验

在分级过程中，弹球在框格中不断跳动，撞击筛面以达到清筛效果。框格长度较大时，由于弹球自身特性及筛体振动频率的影响，弹球不可能撞击到各框格筛面的每一个地方，故将弹球所能撞击到的沿筛框长度方向的最大距离定义为弹球的弹跳距离，如图2所示。

图2　弹球弹跳距离示意图

根据上述两个单因素试验，选择最佳筛体振动频率及适当的喂入量，固定弹球数量为6个，根据分级后筛面的堵筛情况测定不同材料和直径的弹球在分级筛中的弹跳距离，并以此确定分级筛的框格长度。由于筛框结构的限制，将各框格沿筛框长度方向的尺寸定义为框格长度，如图3所示。通过正交试验考察弹球材料、直径及框格长度对分级效率的影响规律。

图3　框格长度示意图

选择最佳筛体振动频率、喂入量、弹球材料与直径及框格长度，改变弹球数量；在不同的弹球数量下，平面回转振动筛连续运转10min后，称取1min的筛上物与筛下物计算分级效率。

1.2.7筛体振动频率、喂入量、弹球数量对分级效率的影响试验

通过正交试验，观察不同筛体振动频率、喂入量、弹球数量之间的组合对分级效率的影响，得出较优组合并进行验证试验。

2试验结果及分析

2.1筛体振动频率对分级效率的影响规律

固定喂入量为4.41kg/min、弹球数量为0时，试验结果如图4所示。

图4　筛体振动频率与分级效率关系

由图4可知：筛体振动频率在6.03～6.87Hz之间时，荞麦与分级筛的相对运动速度较慢，在筛面上滞留时间长，筛面上料层厚，荞麦无法自动分层；且此时由于上层荞麦对下层荞麦的挤压力较大，造成筛孔堵塞严重，此时的分级效率保持在11%左右。筛体振动频率在6.87～8.05Hz之间时，随着振动频率的增大，荞麦与分级筛的相对速度逐渐增大，筛面上料层逐渐变薄，荞麦自动分层良好，筛孔堵塞减少，分级效率迅速增大；当筛体振动频率为7.88Hz时，分级效率达到最大值91.48%；当筛体振动频率超过8.05Hz时，由于荞麦的跳动过于频繁、剧烈，使原本能够透筛的荞麦来不及落筛而直接从上出料口流出，分级效率逐渐下降。

2.2喂入量对分级效率的影响规律

根据图4结果，当固定筛体振动频率为7.88Hz(变频器频率47Hz)、弹球数量为0时，逐渐改变喂入量，试验结果如图5所示。

图5　喂入量与分级效率关系

由图5可知：随着喂入量的增大，筛面上料层迅速加厚，筛孔被快速堵塞，分级效率急剧下降；由于绝大部分筛孔的堵塞，分级效率变化缓慢。

2.3弹球对分级效率的影响规律

2.3.1弹球弹跳距离及框格尺寸的确定

根据图4、图5结果，取筛体振动频率为7.88Hz、喂入量为11.92kg/min、弹球数6个进行试验，完成后根据筛面情况确定各种类型的弹球弹跳距离，试验重复3次取平均值，结果如表1所示。

表1　弹球弹跳距离

由表1可知：直径为φ30、φ28mm的相同材料的弹球弹跳距离相差很小，故在后续试验中只对φ30、φ25mm弹球进行考察。根据弹球弹跳距离的测定结果和筛格的实际尺寸，最终确定框格长度为115、90、65mm 3个水平。

2.3.2弹球材料、直径、框格长度对分级效率的影响规律

为考察框格长度、弹球材料和弹球直径是如何影响分级效率的及各因素之间是否存在交互作用，将正交表L16(215)通过并列法得到正交表L16(4×212)[8],并用拟水平法安排试验方案，因素水平表如表2所示。

表2　因素水平表

试验完成后，通过方差分析，各单因素方差为SA=3.92、SB=24.44、SC=23.75，交互作用列的方差为SAB=1.78、SAC=1.38、SBC=2.56。试验结果显示：弹球材料是主要影响因素，其次是弹球直径，框格长度影响最小，且相互间没有交互作用；较优组合为A3B1C1，即当框格长度为65mm、弹球直径为φ30mm硅胶球时，分级效率较好，为86.5%。因此，将此组合作为后续试验的条件。

2.3.3弹球数量对分级效率的影响规律

取筛体振动频率为7.88Hz，喂入量为11.91kg/min，框格长度为65mm，弹球为直径φ30mm的硅胶球，依次改变框格内弹球数量，试验结果如图6所示。

图6　弹球数量与分级效率关系

试验结果显示：弹球的清筛效果显著，弹球数量从0变为1时，分级效率由6.27%增加至68.92%，之后随着弹球数量的增加，分级效率缓慢增加；当弹球数量超过5个时，由于弹球在框格内的自由活动面积减小，使弹球的滚弹受到限制，从而减弱了弹球对筛板的撞击，因此堵筛略有增加，分级效率开始缓慢降低。

2.4筛体振动频率、喂入量、弹球数量对分级效率的影响

上述试验结果显示：筛体振动频率、喂入量及弹球数量是影响分级效率的重要因素。为选出较优水平组合，选取正交表L25(56)[8]进行正交试验。试验中，框格长度为65mm、弹球为φ30mm的硅胶球，试验因素水平表见表3所示。

表3　因素水平表

试验完成后通过极差分析，各单因素极差为RA=16.09，RB=13.9，RC=88.02。试验结果显示:喂入量是影响分级效率的主要因素，其次是筛体振动频率，弹球数量的影响最小，并且各因素间无交互作用;较优组合为A5B5C2，即筛体振动频率为8.22Hz，喂入量为7.12kg/min、弹球个数为7个时，分级效率较高。

2.5验证试验

以筛体振动频率为8.22Hz、喂入量为7.12kg/min，以及各框格中弹球个数为7、框格长度为65mm、直径为φ30mm的硅胶弹球进行清筛；待平面回转振动筛连续运转10min后，称取1min的筛上物与筛下物，分级效率为98.69%。试验结果显示：该组合下的分级效率与正交试验中最大分级效率99.98%相近，能够作为生产中的较优组合使用。

3结论

1)由弹球数量对荞麦分级效率的影响试验可知：各框格中放置弹球数量最佳(5个)时的分级效率比弹球数量为0时提高了83.4%，弹球的清筛效果显著。

2)采用弹球清筛时，较优参数组合为：框格长度为65mm、直径为φ30mm的硅胶弹球，筛体振动频率为8.22Hz，弹球个数为7，喂入量为7.12kg/min。该试验条件下，分级效率为98.69%。

参考文献：

[1]李永祥，高燕.振动清理筛的研究现状与发展讨论[J].河南科技，2013(9)：101.

[2]王艳丰.清选机清筛装置分析及对架刷式清筛装置的改进[J].现代化农业，2003(11)：38.

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[4]中国食品发酵工业研究院.食品工程全书[M].北京：中国轻工业出版社，2004.

[5]GB/T 2007.7-1987，散装矿产品取样、制样通则粒度测定方法-手工筛分法[S].

[6]汪晓华.茶叶平面圆筛机筛分机理研究[D].杭州：浙江工业大学，2012.

[7]李小东.振动筛筛分中堵孔的研究[D].泉州：华侨大学，2012.

[8]任露泉.试验优化设计与分析[M].北京：高等教育出版社，2003:119-141.

Abstract ID:1003-188X(2016)03-0187-EA

Experiment Study of the Influence of Bouncing Ball Screen Cleaning on Buckwheat’s Grading Efficiency

Chang Rong, Du Wenliang, Chen Wei, Zheng Donghong, Liu Guangshuo

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Buckwheat is near mesh particle. When grading it before production processing, blinding is severe. The experiment study of factors including vibration frequency, feeding rate, and the number of bouncing ball that influence grading efficiency was conducted. The results show that the screening cleaning effect of bouncing ball is remarkable in the grading process.When the length of box is 65mm, the number of bouncing ball is 7 in each box, silica gel bouncing ball is 30mm in diameter,vibration frequency is 8.22Hz and feeding rate is 7.12kg/min, grading efficiency reaches 98.69%.

Key words：buckwheat; screen cleaning; bouncing ball; grading

文章编号：1003-188X(2016)03-0187-04

中图分类号：S375;TS212.3

文献标识码：A

作者简介：常荣(1988-),女，陕西靖边人，硕士研究生，(E-mail) happyrong99@163.com。通讯作者：杜文亮(1957-)，男，内蒙古达拉特旗人，教授，博士生导师，(E-mail)duwl58@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(3126049)

收稿日期：2015-03-06