巴旦木壳仁物料及空气动力学特性分析
2021-06-07吐鲁洪吐尔迪王学农
边 博，吐鲁洪·吐尔迪，张 丽，王学农
(1.新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐 830091)
0 引 言
【研究意义】巴旦木是干果树种和木本油料树，其仁富含多种营养成分和部分矿物质元素。新疆喀什地区是我国巴旦木的主产区。新疆巴旦木种植从2005年不足3 333.3 hm2，增长至2019年的65 140 hm2，占新疆特色林果栽培总面积的4.4%，预计5～10年内，新疆巴旦木种植面积将达到73 333.3 hm2，巴旦木对于新疆的经济发展有着重要的作用[1-10]。【前人研究进展】蔺建涛等[11]测量和研究杏核破壳后的物料外形尺寸和物理特性，物料摩擦特性和物料比重与悬浮速度之间的相关联系，确定了用风力作用进行壳仁分离的方法。马豪等[12]测定了核桃破壳后的物料成分含量、形态参数和空气动力学特性，找到了影响物料分离的主要因素，确定对核桃的壳仁物料从厚度方向上进行筛分。王维等[13]认为，破壳后的核桃物料在空气动力学特性试验中可扩大壳和仁的临界风速差异以降低壳中的含仁率。马秋成等[14]针对莲子进行了悬浮速度的试验，测定莲子物料的密度和含水率，分析这些因素和悬浮速度之间的关系，提出了莲子合适的分离气流速度变化范围为7.865～11.230 m/s。Mokhtari Nahal[15]对核桃壳仁物料做了悬浮速度测试，在垂直气流场中，物料的外形尺寸和气流速度对分离效果有着显著的影响。Murilo Innocentini[16]采用风选设备对大豆豆荚和豆子进行试验，获取了较好的分离数据和工作参数。【本研究切入点】国内外学者已经在农产品空气动力学特性方面做了大量研究，但是在国内关于巴旦木壳仁物料特性和空气动力学特性却鲜有文献论述。中国新疆种植巴旦木品种多，和国外巴旦木品种相比差异较大，目前就巴旦木物料空气动力学特性的研究以及相关的文献报道甚少。研究巴旦木破壳后的物料特性，进行相关的物料特性测定和空气动力学特性试验。【拟解决的关键问题】研究新疆巴旦木破壳后物料成分的空气动力学特性，测量各物料成分的外形尺寸、密度、摩擦特性等，为巴旦木壳仁风选设备研发与设计提供理论和参数支持。
1 材料与方法
1.1 材 料
1.1.1 巴旦木品种
莎车县种植的莎车3号和莎车18号2个品种，成熟后收获经脱青皮、晾干、破壳处理得到的混合物料主要由壳和仁组成，其中壳可细分为大壳、中壳、小壳3种，大壳即尺寸占整壳大小1/2以上壳，中壳即尺寸占整壳大小1/3～1/2壳，小壳即尺寸占整壳大小1/6～1/3壳。
1.1.2 主要仪器设备
存储型风速风压风量仪：SENG825-2，上海亿欧仪表设备有限公司；水分测定仪：PC-16A，上海浦春计量仪器有限公司；电子天平：HZT-1000A，精度为0.01 g，衡之宝电子秤有限公司；游标卡尺：ARZ-1331，精度为0.02 mm，青岛美吉特精密工具有限公司。
试验前正确连接各实验仪器设备，把单粒物料放入观察管下方喂料口中的阻尼网上，调节变频调速器使风机转速加快，风速变快，物料在垂直气流作用下开始逐渐向上运动，直至所调节的流体速度等于物料的自由沉降速度时，物料会集中悬浮[17]在观察管的某一部位，呈动态平衡状态，记录此时频率，调小风速取出物料，再将频率调至所记录的数值，用风速仪在观察管管壁小孔处测量当前风速即物料悬浮速度[18-19]并记录，每种物料成分测试5次，取平均值。图1
1.风速测试孔；2.喂料口；3.风机；4.变频调速器；5.悬浮速度测试台；6.观察管
1.2 方 法
1.2.1 巴旦木壳仁物料尺寸特征
破壳后巴旦木壳仁物料的外部特征由长度a、宽度b、厚度c 3个尺寸来描述。从各25 kg的2个品种巴旦木壳仁物料中各随机取样5次重复试验，每次从混合物料中随机取样大壳、中壳、小壳和仁各80个，使用精度为0.02 mm的电子式游标卡尺测得其外部特征：长度(a/mm)、宽度(b/mm)和厚度(c/mm)，取平均值。
1.2.2 破壳后巴旦木壳仁物料组成成分
巴旦木壳仁物料中各成分含量占比是设计壳仁分离装置的重要依据之一。从25 kg莎车3号和25 kg莎车18号的壳仁物料中各随机取样5次，每次取样500 g，分别标号①～⑤组，将10个样本物料分为大壳、中壳、小壳和仁，称出其质量，求出巴旦木各个物料成分所占百分比，取其平均值。
1.2.3 破壳后巴旦木壳仁物料密度
巴旦木壳仁物料密度与其空气动力学特性密切相关。从各25 kg的莎车3号和莎车18号壳仁物料中随机取样各5组，每组1 kg，按组分拣得到大壳、中壳、小壳和仁4种物料成分，依次测量每种成分的密度。以莎车3号的5组大壳为例，用天平测量每组质量为200 g，先在量筒中取一定量的水(整数倍为宜)，记录初始读数，再向量筒中加入大壳物料，记录末了读数，其体积差为大壳的体积，计算每组大壳的密度，求其平均值，其他物料的密度依照此法进行。
密度计算公式：
(1)
式中：ρ—物料密度，kg/m3；
V1—初始体积，m3；
V2—加物料后体积，m3；
M—物料重量，kg。
1.2.4 巴旦木壳仁物料各成分摩擦角
摩擦角就是当物体处于滑动的临界状态时，静摩擦力达到最大值，全约束力与法向约束力的夹角最大，j称为摩擦角。运用摩擦角的概念，便可使用简单的方法测定巴旦木壳仁物料的静摩擦因数，以壳仁分离装置中筛面同种材料作为试验斜面，将巴旦木壳仁物料置于斜面上，并逐渐从零起增大斜面的倾斜角度θ，直到物体刚开始下滑为止，筛面倾斜角度θ即为要测定的摩擦角。测定时分别从2种壳仁物料中随机取适量的物料，分拣为大壳、中壳、小壳和仁4种物料成分，对每种物料成分分别进行摩擦角的测定，每种成分测量10次为1组，求平均值，重复5次试验。
1.2.5 巴旦木壳仁物料悬浮速度
1.2.5.1 物料悬浮速度测量原理
巴旦木壳仁物料悬浮速度测试的原理：建立一个垂直的气流速度场，方向向上，加入被测物料粒子之后集中悬浮，使得物料悬浮的气流速度为粒子的悬浮速度[20-21]，物料受力[22]。图2
图2 物料悬浮受力
根据牛顿定律：
P=Kρas(V-V′)2.
(2)
式中：K—阻力系数；
ρa—空气密度(kg/m2)；
V—物料的绝度速度(m/s)；
V′—物料的相对速度(m/s)；
s—物料相对气流速度方向的断面积(m2)。
比较气流对于物料的作用力P和重力mg之间的大小关系，判断巴旦木物料粒子在垂直向上的气流中运动情况。当气流对物料的作用力P小于重力mg时，即P
P=KρsV′2=mg.
(3)
(4)
1.2.5.2 处理
巴旦木壳仁物料是外形尺寸、密度等物料特性存在差异的不规则颗粒的集合[24-25]，无法计算悬浮速度。破壳后物料除相对比较规则的成分外，一些无法估算的物料成分，巴旦木壳仁物料在运动过程中呈随机状态，运用试验来获得悬浮速度值。
试验前，将破壳后的巴旦木壳仁混合物料进行人工筛选，得到大壳、中壳、小壳、仁4种物料成分，将其作为研究对象，以莎车3号为例。图3
图3 巴旦木壳仁物料成分试样
用电子秤对莎车3号的大壳、中壳、小壳和仁进行称重，根据重量的不同分为5组，依次编号为①～⑤，用于巴旦木物料悬浮速度与物料重量的研究。莎车18号用相同的方法处理。
将大壳、中壳、小壳和仁4种成分的物料进行浸泡、晾置、烘干，调节含水率分别为10.5%、11.5%、12.5%、13.5%，仁的含水率调节为12.5%、13.5%、14.5%和15.5%，研究不同的物料成分悬浮速度与含水率的关系。
2 结果与分析
2.1 巴旦木壳仁物料外形尺寸
莎车3号：
b(大壳)=-27.74+1.274a+0.51c，
R2=0.696.
(5)
b(中壳)=51.94-0.634a-1.625c，
R2=0.933.
(6)
b(小壳)=15.14-0.008a+0.066c，
R2=0.055.
(7)
b(仁)=1.3+0.235a+1.024c，
R2=0.279.
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(8)
莎车18号：
b(大壳)=7.16+0.256a+0.294c，
R2=0.22.
(9)
b(中壳)=-5.26+0.971a-0.104c，
R2=0.801.
(10)
b(小壳)=11.4+0.473a-0.562c，
R2=0.201.
(11)
b(仁)=9.73+0.124a-0.006c，
R2=0.071.
(12)
2个品种巴旦木物料中中壳R2>0.8，拟合度较好。在进行巴旦木壳仁物料筛选分离时优先考虑中壳物料分离，达到比较好的分离效果。表1
表1 巴旦木壳仁尺寸
2.2 巴旦木壳仁物料成分占比
研究表明，莎车3号和莎车18号的仁占比分别是29.9%和31.59%，相同量的2种壳仁物料中，莎车18号的仁占比较高。2个品种中大壳占比分别为26.8%和26.58%，中壳占比分别22.11%和22.84，这2种物料含量差异不大。莎车3号小壳占比21.22%，莎车18号小壳占比18.99，相差2.23%，在壳仁分离的过程中前者的分离难度偏大。表2
表2 巴旦木壳仁物料成分
2.3 巴旦木壳仁物料密度
研究表明，莎车3号和莎车18号的中壳和仁2种物料密度差值很小，前者的大壳和仁密度分别为857和1 002 kg/m3，后者相应物料密度为853和 1 000 kg/m3。而大壳和小壳的差值就很明显，莎车3号大壳和小壳密度分别为889和800 kg/m3，莎车18号相应物料密度分别为857和769 kg/m3，相应物料的差值分别为32和31 kg/m3。表3
表3 巴旦木壳仁物料密度
2.4 巴旦木壳仁物料摩擦角
研究表明，莎车18号的大壳、中壳、小壳和仁的最大摩擦角都大于莎车3号相应的物料成分。其中，莎车3号和莎车18号的壳仁物料中大壳最大摩擦角均值分别为26.5°和27.1°，中壳最大摩擦角均值分别为25.3°和25.7°，小壳最大摩擦角均值分比为23.9°和24.2°，仁最大摩擦角均值分别为21.4°和22.4°。随着物料与钢制斜面的接触面积逐渐减小，最大摩擦角也随之减小，而且莎车18号各物料成分最大摩擦角依次减小幅度大于莎车3号。表4
表4 巴旦木壳仁物料摩擦角
2.5 巴旦木壳仁物料悬浮速度
2.5.1 物料悬浮速度与重量的关系
研究表明，质量相近的相同物料其悬浮速度也比较接近，2个巴旦木品种中每种物料成分的5组试验样品悬浮速度变化程度在一定范围以内，数据满足均匀性。在含水率确定的情况下，物料重量对悬浮速度影响明显，莎车3号大壳、中壳、小壳、仁的标准差依次为0.432、0.431、0.105、0.11，变异系数依次为0.048、0.054、0.014、0.008；莎车18号相应物料的标准差依次为0.423、0.283、0.226、0.325，变异系数依次为0.045、0.034、0.029、0.026，标准差数值都小于0.5，离散程度较小。表5，表6
表5 莎车3号物料悬浮速度
表6 莎车18号物料悬浮速度
研究物料重量M与悬浮速度V之间的联系，根据试验数据进行线性回归分析，2个品种物料中物料占比相对较高的中壳和仁悬浮速度变化趋势拟合方程分别如下。
莎车3号：
V(中壳)=6.007+3.725M,R2=0.982.
(13)
V(核仁)=12.895+0.762M,R2=0.967.
(14)
莎车18号：
V(中壳)=7.885+1.548M,R2=0.925.
(15)
V(核仁)=11.331+1.547M,R2=0.971.
(16)
2.5.2 物料悬浮速度与含水率的关系
研究表明，物料重量一定时含水率和悬浮速度呈正比例关系。以莎车3号为例，随着含水率递增大壳的悬浮速度依次为10.01、10.54、11.21和11.67 m/s；中壳悬浮速度依次为8.77、9.18、9.62和10.11 m/s；小壳悬浮速度依次为8.15、8.63、9.09和9.56 m/s；仁悬浮速度依次为13.5、 13.98、14.66和15.17 m/s。图4，表7～9
图4 仁含水率与悬浮速度趋势
表7 仁物料在不同含水率下的悬浮速度
表8 壳物料在不同含水率下的悬浮速度
表9 悬浮速度变化趋势拟合多项式
3 讨 论
空气动力学特性用悬浮速度值表征[26]，在巴旦木壳仁分选装置的设计研发之初，应当对壳仁物料的悬浮速度进行研究。于福锋等[27]通过试验探究红枣在不同含水率下对悬浮速度特性的影响趋势，结果表明，试验数据较为集中，可将平均值作为不同含水率下红枣的悬浮速度。Valizadeh[28-29]在相同的含水量范围内，测得小黑麦种子的终末速度在4.52～5.07 m/s呈多项式关系变化。研究表明，巴旦木物料的壳仁重量和含水率对其悬浮速度值都有一定程度的影响，重量和含水率越高，则相应的物料悬浮速度值也高。此次试验没有运用粒径法进行物料阻力系数分区进而通过悬浮速度理论计算与悬浮速度实际测量值进行对比分析，巴旦木破壳后物料都是不规则形状，其形状修正系数[30]在资料中没有查证到，无法确定形状修正系数。
4 结 论
4.1 莎车3号和莎车18号2个巴旦木品种存在物料特性差异，对2个品种巴旦木破壳后的物料进行外形尺寸、物料成分占比、密度和摩擦角的测定，莎车3号的大壳、中壳、小壳外形尺寸均大于莎车18号，而莎车18号仁的物料占比为31.59%，高于莎车3号。2个品种的大壳和小壳密度分别相差很大，归因于2个巴旦木品种独特的壳力学特性在破壳后产生不同尺寸的壳物料。莎车3号各物料成分摩擦角均值整体小于莎车18号，前者壳物料与钢制斜面的最大静摩擦力小于后者。
4.2 巴旦木壳和仁普遍含水率分别在10.5%和12.5%左右，分离莎车3号物料时气流速度应当控制在8.15～13.5 m/s，莎车18号分离气流速度控制在8.54～13.88 m/s。
4.3 莎车3号大壳、中壳、小壳重量平均值依次为1.36、0.76和0.38 g，对应的悬浮速度平均值依次为9.99、8.84和8.12 m/s。莎车18号大壳、中壳、小壳重量平均值依次为1.78、0.96和0.47 g，对应的悬浮速度平均值依次为10.46、9.23和8.56 m/s。不同壳物料成分所对应的悬浮速度存在明显差异。
