风筛式清选装置筛下物料分布规律研究*

樊荣，崔清亮，卢琦，郑德聪，王嘉伟

(1. 山西农业大学农业工程学院，山西太谷，030801； 2. 中国农业机械化科学研究院，北京市，100083)

0 引言

我国杂粮的种植面积和产量均居于世界第二位，杂粮机械化收获已成为制约杂粮产业发展的重大因素[1]。作为杂粮主产区的山西省近几年一直致力于杂粮全程机械化生产的研究和实践[2-5]。目前，清选损失率高、含杂率高是杂粮机械化收获过程中存在的突出问题。优化振动筛结构和工作参数、设计新型高效清选设备，是提高杂粮清选作业质量的重点，是促进杂粮产业提质增效发展的关键[6]。

清选装置是谷物联合收获机的核心组成部分之一[7-9]，其性能优劣直接影响整机的工作性能[10-11]。风筛式清选装置以其机构简单、清选效率较高受到农机设计工作者及消费者的青睐。但该装置对荞麦脱出混合物的适应性不好，其清选含杂率过高，极不利于荞麦产业发展。因此，急需系统地研究清选过程、研制适应荞麦的清选装置。

在农业生产中，多采用籽粒含杂率对筛下物料的清选质量进行评价，但筛下物料的分布规律可以更直观地反映清选装置的工作性能。衣淑娟[12]、田伟[13]曾在自制的纵轴流风筛式清选装置上进行不同参数下水稻脱出混合物的筛下物料分布试验，该研究对水稻清选装置的设计有一定指导作用。但水稻脱出混合物筛下物料的分布规律不具有普遍性。王传根[14]对清选筛下玉米籽粒的长度和密度分布进行了研究，结果表明筛下纵向区域内玉米籽粒的平均长度、密度呈现不同的变化趋势。Wang等[15]对内外滚筒荞麦脱离装置下脱出物沿滚筒轴向分布进行了分析，研究表明当外滚筒转动时，脱出物料主要聚集在滚筒前端，即清选筛前端负荷较大；当内、外滚筒相向转动时，脱出物中含杂程度较低。

上文中虽提到了部分筛下物料分布的研究，但关于杂粮的相关报道较少，难以为现有杂粮清选装置的结构设计及优化提供相应的依据[11]。本文以荞麦脱出混合物为试验对象，进行不同风机转速、风向角、曲柄直径、曲柄转速条件下清选台架试验，揭示筛下物料分布随清选装置结构参数、运动参数的变化规律，以期为荞麦乃至杂粮清选装置的设计、研发提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 清选装置总体结构

清选装置采用黑龙江农业机械工程科学研究院研制的谷物清选试验台(QXS-3.0)，其主要由离心风机、阶梯状抖动板、料斗、传动机构、筛架、籽粒收集箱、机架、电控系统等部分组成。该试验台部分工作参数和结构参数可按需调整。如：通过更换曲柄间接实现对筛面振幅的调整；通过调整离心风机与机架固结位置可实现风机风向角的调整；筛面振动频率、离心风机转速可通过控制相应的调速电机来实现。筛面下方采用小方格结构的籽粒收集箱，可以进行筛下物料分布规律及清选质量研究。该试验台结构如图1所示。

图1 清选试验台

1.2 试验材料

本试验材料取自山西省太谷区申奉杂粮试验地，品种为红山荞麦。荞麦经纵轴流脱粒装置后得到荞麦脱出混合物。该物料中含有大量籽粒、短茎秆和极少量叶子、灰尘等。清选环节将脱出混合物中除籽粒外的其他物质统称为杂余。对脱出混合物进行物性分析可知：籽粒含水率为14.8%，容重为561 g/L，几何平均直径为4.99 mm；杂余含水率为29.4%，容重为489 g/L。混合物中籽粒、杂余的重量之比约为2.03∶1，按该比例配备试验材料各2 000 g，即荞麦籽粒1 340 g，杂余660 g。

1.3 试验方法

根据清选物料尺寸关系，上、下清选筛面均采用冲孔筛，筛孔分别为8 mm、6 mm。上、下筛面倾角分别为2°、1.5°。试验时，启动清选试验台，设置喂入量为0.5 kg/s，待试验台运行平稳后，将试验物料装入料斗。依次进行不同风机转速(450、500、550、600、650 r/min)、风机风向角(20°、25°、30°、35°、40°)、曲柄长度(20、25、30、35、40 mm)、曲柄转速(450、500、550、600、650 r/min)条件下单因素清选试验。物料经喂料辊进入阶梯状抖动板，阶梯状抖动板将物料均匀地送至振动筛上进行清选。筛选后的谷物(含一定杂质)落到籽粒收集箱(尺寸为2 000 mm×1 200 mm)中。

预试验结果显示约在筛面纵向1 500 mm之后，籽粒收集箱中绝大多数都为杂余，只有极少籽粒，这是由于该试验台存在下筛面过长问题，直接导致了本该排出机外的杂余进入了籽粒收集箱。故在本试验中，纵向方向上只考虑筛面纵向前1 500 mm区域内物料分布。物料分布范围见示意图2。

图2 筛下物料分布范围(籽粒收集箱俯视示意图)

采用固定于籽粒收集箱上方含有编码的布匹收集筛下物料(图3(a))。布匹受物料重力作用下沉一定尺寸，正好用于盛放物料(图3(b))。这样一方面避免了籽粒收集箱笨重，物料不易收集的问题，另一方面，容易实现物料的对号收集分析。试验结束后，对布匹上每格物料进行人工收集、清选、称重。筛下物料含杂率的计算见式(1)。每组试验进行2次，所得数据取平均值后进行统计分析。

H=ma/(ma+mb)×100%

(1)

式中：H——含杂率，%；

ma——筛下籽粒重量，g；

mb——筛下杂余重量，g。

(a) 籽粒收集箱排序编号

按上述试验方法分别进行不同风机转速、风机风向角、曲柄转速、曲柄直径条件下清选筛下物料分布试验。采用Origin9.0绘制的筛下物料三维分布见图4。

(a) 筛下籽粒分布图

2 结果与分析

2.1 不同曲柄直径条件下清选效果

在风机转速550 r/min、风机风向角30°、曲柄转速550 mm时，开展不同曲柄直径条件下清选试验，其筛下物料及含杂率沿筛面横向、纵向分布分别见图5、图6。

2.1.1 筛下物料横向分布

由图5(a)～图5(c)可知，物料主要集中在横向宽度300～900 mm区域内，且在横向中间位置600 mm附近分布最多。

(a) 筛下籽粒重量横向分布

随着曲柄直径的增大，图5(a)、图5(c)中各曲线的峰值逐渐变小。筛下籽粒的横向分布曲线和筛下总物料的相似。曲柄直径为20、25、30、35 mm 时物料总重、籽粒重的峰值分别是40 mm时峰值的1.08倍、1.10倍、1.07倍、1.04倍。这是因为随着曲柄直径的增大，筛面对物料的运输速度增加，物料越来越快地被输出机外，实际发生透筛并进入籽粒收集箱的物料的量在减少，即损失增加。

在图5(b)中，筛下杂余量横向分布曲线近似“人”字形，即中间含杂量较大，两侧较小。这主要是受风机布置影响。该清选装置中风选系统采用2个并联的离心风机(横向方向上存在约150 mm的间隙)，并联风机的中间风力较弱，故间隙的正前方杂余量较大；而两个风机出风口的正前方处风力较强，此处杂余量相对较小。另外，当曲柄直径为20 mm时，杂质含量明显高于其他曲柄直径条件下的。这是因为曲柄直径增大，筛面输送能力增强，物料更容易被输送出机外。

在图5(d)中，横向含杂率曲线近似呈“w”形，在300 mm、900 mm附近有较小的含杂率；在横向中间位置、两边沿处有稍大含杂率。这主要是离心风机的并联安装导致的。当曲柄直径为20 mm时，含杂率在横向宽度上都较大，整体清选质量较差。曲柄直径为30 mm 时，含杂率曲线相对平缓，整个横向宽度上含杂率均低于3.6%，籽粒的含杂率较低，清选效果较优。

2.1.2 筛下物料纵向分布

由图6(a)、图6(c)可发现，籽粒、筛下总物料分布极不均匀，出现1个高峰值，且高峰的位置随着曲柄直径的增大在纵向方向上后移，两者的分布规律相近。这是因为曲柄直径增大，物料在筛面的运动加快，物料在当前位置的透筛几率降低，越来越多的物料被输送至筛体后端进行透筛。

图6(b)中，杂余量在不同曲柄直径条件下的增加趋势相近。在0～1 200 mm区域内，杂余量增加缓慢；在1 200～1 500 mm区域内，风力较弱，一些轻小杂余在该区域发生透筛，导致杂余量猛增。

含杂率变化规律与杂余量变化相近(图6(b)、图6(d))，不同之处为含杂率在100～300 mm位置处有明显波动，这是由于清选筛前端风力微弱，部分刚进入筛面的杂余在重力作用下直接透筛所致。值得注意的是在籽粒收集箱1 200 mm以后，物料含杂率急剧增大，这主要是因为该区域杂余量太大导致的。但该区域籽粒含量很小，可以考虑增加筛面以提高籽粒的清洁率。

(a) 筛下籽粒重量纵向分布

2.2 不同曲柄转速(振动频率)条件下清选效果

在风机转速550 r/min、风机风向角30°、曲柄长度25 mm时，开展不同曲柄转速条件下清选试验，其筛下物料及含杂率沿筛面横向、纵向分布分别见图7、图8。

(a) 筛下籽粒重量横向分布

2.2.1 筛下物料横向分布规律

在横向宽度上，籽粒重和筛下物料总重的分布规律相近，见图7(a)、图7(c)。物料集中分布在横向中间区域内，峰值、较小值分别出现在横向700 mm、100 mm 和1 200 mm位置处。曲柄转速为450、500、550、600 r/min时，筛下物料总重和籽粒重的高峰值分别是650 r/min时高峰值的1.08倍、1.10倍、1.07倍、1.04倍，且随着曲柄转速的增大，两者在横向上的总量减小。

产生该现象的原因是，随着曲柄转速增加，即筛子振动频率增大，物料受到的推送运输作用增强，而透筛物料有所减少，相应的损失则会增大。

不同曲柄转速下，筛下杂余量、含杂率的横向分布规律显著，见图7(b)、图7(d)。在横向宽度500～700 mm 区域内杂余量较多，而在两端100 mm和1 200 mm位置处分布较少。随着曲柄转速的增加，含杂率曲线上的双波谷趋于平缓，含杂率在显著降低。其分布规律与不同曲柄直径条件下的相近，主要是受并联风机的影响。

2.2.2 筛下物料纵向分布规律

由图8(a)、图8(c)可知，籽粒重和筛下物总重沿筛面的纵向分布规律相近。在籽粒收集箱长度方向分布极不均匀，出现1个高峰值，且出现高峰的位置随着曲柄转速的增大同时沿筛面纵向后移。这是因为随着曲柄转速增大，物料在筛面上的运动多样性增加，物料在向后输送的同时透筛率稍有增大，故峰值在后移，但各转速下的峰值差别不大，均约为230 g。

由图8(b)、图8(d)可知，筛下杂余量较大，分布不均，且在纵向1 200 mm 以后区域内，杂余量、筛下物料含杂率激增。这主要是因为该区域风力微弱，不能有效清除杂余，可以考虑在试验台尾端配置贯流风机，扩大对筛尾的风力作用，以降低该区域内物料的含杂率。

(a) 筛下籽粒重量纵向分布 (b) 筛下杂余重量纵向分布

2.3 不同离心风机转速条件下清选效果

在风机风向角30°、曲柄长度25 mm、曲柄转速550 r/min时，开展不同风机转速条件下清选试验，其筛下物料及含杂率沿筛面横向、纵向分布分别见图9、图10。

2.3.1 物料横向分布规律

由图9(a)、图9(c)可知，筛下物料总重、籽粒重两者分布规律相近。各图中的曲线走势基本相同，各曲线清晰可辨，仅在900 mm区域后有较少相交。各曲线在横向宽度700 mm位置附近达到峰值；在筛体横向两端100 mm和1 200 mm位置处出现较小值。随着离心风机转速的增加，筛下物料总重、籽粒重分布曲线的峰值、总值均减少，这是因为风机转速越大，物料受到的风力作用越强，物料被吹出清选室的几率越高，落入籽粒收集箱的物料减少，意味着损失增加。此时，应优先考虑损失率，即应在损失率较小的前提下再考虑含杂率较低、分布较均匀的工作参数。

由图9(b)可知，随着风机转速的增加，各区域上的杂余量、横向上的杂余总量呈减少趋势，曲线越来越平缓，即峰值越来越不明显。这主要是并联风机风力作用的结果。随着风速的增大，杂余被吹散、吹跑，但杂余含量较多处依然是两并联风机间隙的正前方。

因受风机转速及风机布局的影响，含杂率曲线近似呈“w”形分布，见图9(d)。含杂率随风机转速的增大而降低；在籽粒收集箱两端出现较高值；在横向宽度100～1 100 mm区域内，峰值出现在600 mm位置附近，两个波谷分别出现在400 mm、1 100 mm附近。两并联风机的正前方筛下物料含杂率较低，表明在此位置处(两波谷)风力较足，清选质量较高。随着风速的加大，波峰、波谷区别不再明显，含杂率曲线逐渐趋于平缓。整体而言，风速转速较高时的清选效果明显优于风机转速较小时的。

(a) 筛下籽粒重量横向分布

2.3.2 物料纵向分布规律

由图10(a)、图10(c)可知，筛下物料总重、籽粒重沿籽粒收集箱长度方向分布极不均匀，出现1个高峰值，且出现高峰的位置随着风机转速的增大在纵向方向上后移。这是因为随着风机转速的增大，物料受风力作用变大，被动向后输送能力增强，故峰值在后移的同时并减小。另外，筛下各物料的总重也随着风机转速的增大而减小。

(a) 筛下籽粒重量纵向分布

由图10(b)可知，杂余量在不同曲柄转速条件下的增加趋势相近。在纵向长度0～400 mm区域内，杂余量稍有增加；在纵向长度400～1 500 mm区域内，杂余量增幅变大，且在筛尾处达到最大值。随着风机转速的增大，杂余总量、各区域的杂余量是逐渐减小的。在图10(d)中，在100～300 mm区域内含杂率稍有波动，这是由于部分刚进入筛面的小杂余在重力作用下直接透筛所致。在300～1 100 mm区域内，5条曲线近似重合且含杂率很小，说明在该区域内，所取风机转速条件下均可获得较好的清选质量。值得注意的是在籽粒收集箱1 200 mm以后，物料含杂率急剧增大，但各区域的含杂率随风机转速的增大而明显减小，这说明在该区域内，风机转速对清选效果影响显著。若要降低该区域的含杂率，可以考虑扩大风机作用范围。

2.4 不同离心风机风向角条件下清选效果

在风机转速550 r/min、曲柄长度25 mm、曲柄转速550 r/min时，开展不同风机风向角条件下清选试验，其筛下物料及含杂率沿筛面横向、纵向分布分别见图11、图12。

2.4.1 物料横向分布规律

由图11(a)、图11(c)可以看出，筛下籽粒重、筛下物料总重的分布规律基本一致。物料主要集中在筛面中间位置，在700 mm位置附近出现最大值；在筛面横向左右两端处出现较小值。各筛下物料总重、筛下籽粒重分布曲线几乎重合，表明所选范围内离心风机风向角对筛下物料总重、筛下籽粒重横向分布影响不大。

由图11(b)、图11(d)可以看出，杂余量、含杂率曲线上的波峰、波谷分布明显，且随着风机风向角的增大，曲线趋于平缓。风机风向角在20°～40°范围内增大时，筛下含杂量是先降低后增大。这是因为随着风机风向角的增大，间接增大了风力对筛面的作用范围，故杂余量有明显减少，但在风机风向过大时，如40°时，风力作用范围较小，实际作用在筛面上的风力较弱，故杂余量有所增加。图11(d)中，各含杂率曲线由两个波谷三个波峰组成，近似呈“w”形。该现象主要是风机的并联安装所致。随着风机风向角的增大，各曲线上波峰、波谷差距变小，曲线趋于平缓。由图11(d)可知当离心风机出口倾角为35°时含杂率最低，清选效果最好。

(a) 筛下籽粒重量横向分布 (b) 筛下杂余重量横向分布

2.4.2 物料纵向分布规律

由图12(a)、图12(c)可知，筛下物料总重、籽粒重沿筛面纵向分布极不均匀，出现1个高峰值，且峰值的位置随风机风向角的增大而后移、减小。这是因为风机风向角增大，风力的作用位置后移，故物料后移，当前位置的物量减小。

由图12(b)可知，杂余量在不同风机风向角条件下的增加趋势不尽相同。当风向角为25°、30°时，杂余量在200～1 200 mm区域上增加明显。而其他风向角条件下，该区域杂余量增加缓慢。但在1 200～1 500 mm区域内，各风机风向角条件下的杂余量增加迅速，且在筛尾处达到最大值。值得注意的是，当风机风向角为35°时杂余量明显低于其他风向角条件下，说明该风向角条件下，清选质量较好。

(a) 筛下籽粒重量纵向分布

在图12(d)中，各风机风向角下的含杂率变化规律相近。在300～1 100 mm区域内，5条曲线近似重合，说明在该区域内，所取风机风向角条件下均可获得较好的清选质量。值得注意的是在籽粒收集箱1 200 mm 以后区域内，物料含杂率急剧增大，说明该区域内，风机风向角对清选过程影响显著。当风向角为35°时含杂率明显低于其他风向角条件下，说明该条件下清选质量较好。如要降低1 200 mm以后区域的含杂率，可以考虑扩大风机作用范围，如在清选筛的尾部配置合适的贯流风机。

3 结论

1) 不同参数对筛下物料分布的影响程度不尽相同。但总体而言，横向方向上，主要受风机布局影响，在筛体两端、并联风机中间位置的正前方杂余分布较多，含杂率较高，杂余近似呈“人”字形分布，含杂率近似呈“w”字形分布；在纵向方向上，物料主要集中在籽粒收集箱的中间位置，筛体末端杂余量较大，含杂率较高。

2) 沿筛面横向，随着曲柄直径、离心风机转速的增加，筛下籽粒重、杂余重的峰值、总重减少，含杂率降低。沿筛面纵向，筛下籽粒重、杂余重、物料总重的峰值随曲柄直径、风机转速的增大在纵向方向上后移并减小，同时，含杂率降低。当曲柄直径为30 mm时，含杂率曲线相对平缓，整个横向上含杂率均低于3.6%。

3) 离心风机风向角对筛下籽粒重、物料总重的横向分布没有太大影响，但对杂余量、含杂率影响显著。在纵向上，随着风机风向角的增大，籽粒重、物料总重的峰值后移并减小。当风机风向角为35°时，沿筛面横向、纵向的杂余量最小，含杂率也最低，此时，清选质量较高。随曲柄转速的增大，筛下物料总重和籽粒重在横向上的峰值逐渐变小，其纵向上的峰值在增大的同时逐渐后移。当曲柄转速大于600 r/min时，清选筛下籽粒总重明显降低，意味着损失增加。