王啟陽，吳文福，朱浩天

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玉米螺旋式清選裝置的設(shè)計與試驗

王啟陽，吳文福※，朱浩天

（吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022）

針對傳統(tǒng)振動篩存在噪音大、篩分效率不高等問題，該文基于螺旋輸送原理設(shè)計出一種玉米螺旋式清選裝置，裝置主要由輸送攪龍、料槽、半圓篩片、減速電機、變頻器等組成。輸送攪龍外徑為100 mm，螺距為100 mm，工作長度為2 000 mm，螺旋軸軸徑為20 mm，6 mm孔徑的篩片開孔率約為40%，16 mm孔徑的篩片開孔率約為35%。以篩分效率和破碎率增加值為試驗指標(biāo)，對含水率為14.5%的玉米分別進行大雜清選試驗和小雜清選試驗。大雜清選試驗結(jié)果顯示，篩分主要在篩片前部分完成，且破碎率隨著輸送攪龍轉(zhuǎn)速的增加而增加。小雜單因素試驗表明，隨著輸送攪龍轉(zhuǎn)速的增大，篩分效率逐漸增加，破碎率增加值逐漸增大；隨著初始填充系數(shù)的增加，篩分效率緩慢降低，破碎率增加值逐漸增大；隨著輸送角度的增大，篩分效率先增加后減小，破碎率增加值逐漸增加。小雜正交試驗結(jié)果表明，3種試驗因素的最優(yōu)組合為初始填充系數(shù)20%，輸送角度0°，輸送攪龍轉(zhuǎn)速500 r/min；顯著性檢驗結(jié)果顯示，輸送攪龍轉(zhuǎn)速對篩分效率和破碎率增加值的影響均顯著（<0.05）；輸送角度對篩分效率和破碎率增加值的影響均不顯著（>0.05）；而初始填充系數(shù)對篩分效率的影響顯著（<0.05），但對破碎率增加值的影響卻不顯著（>0.05）。該裝置工作過程中噪音較小，運行可靠，篩分效率達到98.5%，試驗結(jié)果可為后期研發(fā)螺旋式清選設(shè)備提供參考。

機械化；設(shè)計；優(yōu)化；螺旋；篩分；輸送攪龍；篩分效率；破碎率增加值

0 引 言

篩分就是將顆粒大小不同的散裝混合物料通過單層或多層篩面的篩孔，按其粒度大小分成2種或多種不同粒級產(chǎn)品的分級過程[1]。篩分技術(shù)廣泛應(yīng)用于冶金、建筑、化工、能源、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等行業(yè)[2]。為了滿足各行各業(yè)的需求，相關(guān)領(lǐng)域研究工作者提出了許多篩分方法，如普通篩分法、薄層篩分法[3]、概率篩分法[4-5]、等厚篩分法[6-7]和概率厚層篩分法[8]等，并根據(jù)不同篩分方法的原理開發(fā)出不同的篩分設(shè)備[9]。早在16世紀(jì)末，英國便開始將篩分設(shè)備應(yīng)用于煤炭工業(yè)[10]，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的進步，對篩分機械的需求量和種類需求不斷，在此形勢下篩分技術(shù)和設(shè)備得到迅速發(fā)展[11-14]。掌握篩分機理是研制篩分設(shè)備的關(guān)鍵，為此，眾多研究學(xué)者對篩分過程建立了數(shù)學(xué)模型：Miwa等[15-16]在顆粒透篩概率理論的基礎(chǔ)上提出篩分?jǐn)?shù)學(xué)模型，Bandemer等[17-18]建立了以篩分動力學(xué)方程為基礎(chǔ)的篩分?jǐn)?shù)學(xué)模型，Karra等[19]通過試驗提出各自的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀⒊跎萚20]基于等厚篩分特性和物料透篩規(guī)律，從理論上推導(dǎo)出有利于提高篩分效率的篩面曲線形狀。He等[21]根據(jù)等厚篩分原理，設(shè)計出一種新型的振動篩，從理論上分析其運動特性，該振動篩的可靠性較好。王國欣等[22]從喂入量和含雜率角度對圓筒式短莖稈清理裝置的分離性能進行研究，得出分離規(guī)律，并給出了該裝置的長度確定原則。郝心亮[23]研究了篩面傾角、曲柄半徑、曲柄轉(zhuǎn)速和振動方向角等參數(shù)振動篩對篩上谷物運動和篩下物獲選率的影響，并進行了正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計試驗，建立了相應(yīng)的回歸方程，給出振動篩的最佳工作參數(shù)。

近年來，將計算機仿真應(yīng)用于篩分過程分析越來越為普遍。董海林[24]在軟件仿真的基礎(chǔ)上，研制了大型集中驅(qū)動式弛張篩工業(yè)樣機，該機具有結(jié)構(gòu)簡單、運動平穩(wěn)、低能耗、使用壽命長等特點，能夠為潮濕細粒物料的干法篩分提供可靠的設(shè)備支持。Chen等[25-28][18]采用三維離散元方法模擬篩分過程，并用軟件EDEM仿真了篩分過程，仿真結(jié)果較好與實際篩分過程相吻合，可為篩分設(shè)備及參數(shù)的優(yōu)化提供參考。王春華等[29-30]利用Simulink軟件對振動篩進行仿真，并分析了共振現(xiàn)象，研究結(jié)果可為振動篩的設(shè)計提供理論依據(jù)。張鋒等[31]利用軟件ADAMS對雙軸橢圓振動篩的虛擬樣機模型的運動軌跡進行了仿真，探討了橢圓振動篩入口、質(zhì)心以及出口處運動軌跡的影響因素，為橢圓振動篩的合理設(shè)計和使用提供了參考依據(jù)。

本文針對傳統(tǒng)篩分機械在篩分過程中存在噪音大、篩分效率不高等問題，基于螺旋輸送原理設(shè)計出一種玉米螺旋式清選裝置，使玉米在輸送的過程中實現(xiàn)清選。

1 試驗裝置整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

玉米螺旋式清選裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要由輸送攪龍、料槽、半圓篩片、減速電機、變頻器等組成，半圓篩片安裝于料槽下方，與輸送攪龍同軸安裝，并且可以自由拆卸更換。減速電機通過鏈輪機構(gòu)帶動輸送攪龍旋轉(zhuǎn)。料槽與試驗裝置支架之間裝有角度調(diào)節(jié)桿，角度調(diào)節(jié)桿可以調(diào)節(jié)裝置輸送角度。

1.加料斗 2.進料斗 3.輸送攪龍 4.支架 5.接料斗1 6.半圓篩片7.接料斗2 8.出料口 9.減速電機 10.料槽

1.2 工作原理

試驗裝置運用螺旋輸送原理，其工作過程：含雜物料顆粒由進料斗進入后，在輸送攪龍推動下向前移動。含雜物料顆粒在半圓分離篩的作用下被分為兩部分：一部分為篩上物，此部分物料粒度大于篩孔尺寸不能透過篩孔而留在篩面上，并且由輸送攪龍推送至料槽末端的排料口，并排除機外；另一部分為篩下物，此部分物料粒度小于篩孔尺寸透過篩孔，自然下落至篩下接料斗中，完成分離工作。

2 關(guān)鍵部件的參數(shù)設(shè)計

2.1 輸送攪龍

輸送攪龍主要參數(shù)包括螺旋葉片直徑、螺距、螺旋軸直徑等。螺旋葉片直徑是螺旋輸送的重要參數(shù)，直接影響試驗裝置的輸送量和結(jié)構(gòu)尺寸。螺距決定著螺旋升角的大小以及在一定填充系數(shù)下物料運行的滑移面，在設(shè)計時需要兼顧螺旋面與物料的摩擦關(guān)系以及速度各分量間的適當(dāng)分布，實際生產(chǎn)中，螺旋葉片的直徑一般制成標(biāo)準(zhǔn)系列，本研究取為100 mm。螺旋軸起著帶動螺旋葉片轉(zhuǎn)動的作用，在工作過程中承受扭矩和彎矩，也是輸送攪龍的一個重要參數(shù)，本研究取為20 mm。本文試驗裝置輸送攪龍主要參數(shù)設(shè)計如表1。

表1 輸送攪龍主要技術(shù)參數(shù)

2.2 螺旋軸轉(zhuǎn)速

輸送攪龍的轉(zhuǎn)速存在一個臨界轉(zhuǎn)速n，超過臨界轉(zhuǎn)速后，輸送攪龍便會起到攪拌和軸向推進2種作用。這種情況一旦發(fā)生，會導(dǎo)致輸送效率降低，而且會增大動力消耗，但是對于本試驗而言，這種情況會改善物料顆粒在料槽內(nèi)的流動性，對清理效果起到促進作用。對攪龍葉面上物料進行受力分析，當(dāng)螺旋葉片外徑處的物料顆粒不產(chǎn)生垂直于輸送方向的徑向運動時，它所受慣性離心力的最大值與自身重力間存在以下關(guān)系

即

考慮不同輸送物料顆粒的特性，則

即

式中0為料槽內(nèi)物料質(zhì)量，kg；n為臨界轉(zhuǎn)速，r/min；K為物料綜合系數(shù)；為螺旋葉片半徑，m；為螺旋葉片直徑，m；為重力加速度，m/s2。

式中A為物料綜合特性系數(shù)。試驗裝置螺旋葉片直徑為0.1 m，且試驗對象為玉米，取A為65，代入式（5）得：n=205 r/min。

2.3 半圓篩片設(shè)計

篩面是清理篩的主要工作部件，篩面性能的好壞不但影響清選能力和篩分效率，還影響到工作效率和生產(chǎn)成本。對篩面的基本要求是：有足夠的強度，最大的有效面積，耐腐蝕，耐磨損，有最大的開孔率，篩孔不易堵塞，在物料運動時與篩孔相遇的機會較多，也就是篩面工作可靠，篩分效率高、處理能力大和使用壽命長。篩面的種類有很多，比較常見的有板狀篩面、棒條篩面、編織篩面、波浪篩面等。

本試驗裝置設(shè)計2種半圓板狀篩面：內(nèi)徑均為130 mm，篩孔形狀為圓孔，孔徑分別6和16 mm，工作長度為960和1 000 mm。篩孔排列方式分別為：6 mm孔徑的孔按照等邊三角形排列，16 mm孔徑的孔按照正方形排列，如圖2所示。

篩面的有效面積系數(shù)，即開孔率為篩孔總面積與篩面面積的比值，用表示。開孔率越大，顆粒在每次與篩面接觸時，透過篩孔的機會就越多，從而可以提高單位面職的清選能力和篩分效率。6 mm孔徑的篩片開孔率約為40%。16 mm孔徑的篩片開孔率約為35%。

圖2 半圓篩片結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 驅(qū)動電機的選取

試驗裝置在工作時，功率主要消耗在3個方面，分別為：克服物料對料槽壁面、篩片內(nèi)表面以及螺旋葉片的摩擦阻力；克服軸承內(nèi)的摩擦阻力；用于攪拌與破碎物料、物料的傾斜提升以及其他附加阻力。為簡化計算，將試驗裝置總消耗功率時看成物料運行需要功率1以及傾斜提升的附加功率22個部分，則有以下經(jīng)驗公式

式中總為軸驅(qū)動功率，kW；為輸送距離，m，本文最大輸送距離為2 m；為物料運行阻力系數(shù)，本文取1.2；為傾斜角度，(°)，本文最大輸送角度為10°；為電機儲備系數(shù)，本文取1.4；為傳動總效率，本文取0.8；為電機功率，kW。

將各參數(shù)值分別帶入式（8）、（9）中得=0.04 kW，本試驗裝置選擇電機型號為GH22-400W，滿足要求。

2.5 清選能力

清選能力是清理設(shè)備的一個重要工藝指標(biāo)，本研究用流量法計算螺旋清理試驗裝置的清選能力，即輸送攪龍的輸送量，計算公式為

式中為清選能力，t/h；A為料槽物料層橫截面積，m2；為物料初始填充系數(shù)，%；為螺旋軸軸徑，m；為物料單位容積質(zhì)量，t/m3；為物料在料槽內(nèi)的軸向移動速度，=/60，為螺距，m；為輸送攪龍轉(zhuǎn)速，r/min；為傾斜輸送系數(shù)。將各參數(shù)帶入式（10）中，得到清選能力計算公式

本試驗裝置所選減速電機最大輸出轉(zhuǎn)速為577 r/min，最大物料初始填充系數(shù)為40%，最大傾斜系數(shù)為1，將各數(shù)值帶入式（12）中，得到最大理論清選能力為6.8 t/h。

3 清選效果試驗

3.1 試驗條件

2018年1月8日至1月13日在吉林大學(xué)南嶺校區(qū)東門設(shè)計室進行，分為大雜清選試驗和小雜清選試驗。試驗裝置實物圖如圖3所示。試驗玉米為吉林省九臺區(qū)2017年秋季新收獲的玉米，品種為吉農(nóng)大889，籽粒黃色，馬齒型，經(jīng)過脫粒并除雜，經(jīng)過干燥機干燥后按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1353-2009《玉米》對玉米相關(guān)特性進行檢測，測得干燥后玉米平均含水率為14.5%，容重為650 g/L，平均粒長為12.83 mm，含雜率0.3%，破碎率為1.1%。

圖3 試驗裝置實物圖

實際生產(chǎn)中，玉米粒中大型雜質(zhì)主要為玉米芯、玉米秸稈以及果穗；玉米粒中小型雜質(zhì)主要為細小輕雜、玉米碎粒和土粒，而細小輕雜通過風(fēng)選清理，細小玉米碎?？赡苡绊懫扑槁试黾又抵笜?biāo)，因此試驗時未考慮細小玉米碎粒。試驗樣品按照GB/T 5494-2008《糧油檢驗糧食、油料的雜質(zhì)、不完善粒檢驗》和GB 1353-2009《玉米》中的方法進行配制，分別得到大型雜質(zhì)比率為2%和小型雜質(zhì)比率為5%的試驗樣品。其中，大型雜質(zhì)分別為沿軸向分開的玉米芯、玉米秸稈以及果穗，玉米芯為四分之一圓柱體，長度為26.0 mm，半徑為12.8 mm；玉米秸稈為圓柱體，長度為29.0 mm，半徑為6.9 mm；玉米果穗為圓柱體，長度為30.0 mm，半徑為28.3 mm。小型雜質(zhì)選取黏土顆粒，顆粒大小為能通過3 mm篩孔的谷物選篩。試驗選用的變頻器型號為臺達變頻器VFD022CB23A-20，最大輸出頻率為60 Hz。

3.2 試驗方法

根據(jù)螺旋輸送機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，試驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，主要有3個因素可能影響清選效果，分別為初始填充系數(shù)、輸送攪龍轉(zhuǎn)速、輸送角度。為研究試驗裝置的清選效果，本文分別進行大型雜質(zhì)清選和小型雜質(zhì)清選試驗。試驗指標(biāo)選取破碎率增加值和篩分效率。破碎率增加值指進料口物料的破碎率與出料口物料的破碎率的差值，用Δ表示。篩分效率是指通過篩分實際得到的篩下產(chǎn)物的質(zhì)量占入篩物料中所含的粒度小于篩孔尺寸的那部分物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用表示。兩者計算公式分別為

式中為篩下物料質(zhì)量，kg；1為篩分前玉米破碎率，%；2為篩分后玉米破碎率，%；為入篩物料的質(zhì)量，kg；1，2分別為入篩物料、篩上物中粒度小于篩孔尺寸的那部分物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)入篩物料中粒度小于篩孔尺寸的那部分物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

3.3 大型雜質(zhì)清選試驗

前期研究結(jié)果表明，玉米粒通過大篩孔較為容易，初始填充系數(shù)、輸送角度對清選效果影響不大，因此大型雜質(zhì)清選試驗只進行輸送攪龍轉(zhuǎn)速單因素試驗。輸送攪龍轉(zhuǎn)速過小會影響清選能力，輸送攪龍轉(zhuǎn)速過大，裝置振動非常嚴(yán)重，因此取輸送攪龍轉(zhuǎn)速范圍為300～500 r/min。

試驗增加一個單位長度篩分效率指標(biāo)，單位長度篩分效率是指沿著輸送攪龍軸線方向，每120 mm長度的篩分效率，用E表示，則累計篩分效率E計算公式為

式中為輸送攪龍軸線方向每120 mm長度的一個單元，=1，2，3…，8。

試驗選取物料輸送角度為0°，即水平輸送，入料端初始填充系數(shù)為40%，工作長度為960 mm。每次稱取30 kg玉米樣品，進行3次重復(fù)試驗，結(jié)果取平均值。圖4為不同輸送攪龍轉(zhuǎn)速篩下長度方向累計篩分效率。

圖4 不同輸送攪龍轉(zhuǎn)速篩下長度方向累計篩分效率

由圖4可知，隨著輸送攪龍轉(zhuǎn)速的增加，篩下相同位置處的累計篩分效率會降低，篩分時間會增加，這是因為輸送攪龍轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速后，輸送攪龍對料槽里的玉米攪拌作用會增強，導(dǎo)致玉米粒被拋起而增加分離時間。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，沿著輸送攪龍軸線方向，累計篩分效率隨著距離篩分起點長度的增加而增加，但增加速度由快急劇變慢。因此本試驗裝置籽粒分離主要發(fā)生在篩片前部分，后部分主要作用是分離秸稈、玉米芯等大型雜質(zhì)夾帶的玉米粒。

圖5為輸送攪龍轉(zhuǎn)速對破碎率增加值的影響。由圖5可知，玉米破碎率隨著輸送攪龍轉(zhuǎn)速的增加而增加，這是因為轉(zhuǎn)速的增加會增加玉米粒與輸送攪龍葉片之間的撞擊，另一個原因是輸送攪龍徑向振動作用增強，從而加劇料槽內(nèi)玉米粒與料槽壁面、篩片內(nèi)表面以及螺旋葉片的撞擊和摩擦。

圖5 輸送攪龍轉(zhuǎn)速對破碎率增加值的影響

綜上可知，試驗裝置的輸送攪龍的轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)合理選取，轉(zhuǎn)速較快雖然能提高清選能力，但是會導(dǎo)致破碎率增加，而且還需要增加篩面長度。因此，大雜清選的最佳輸送攪龍轉(zhuǎn)速為400 r/min。

3.4 小型雜質(zhì)清選試驗

3.4.1 單因素試驗

為確定正交試驗的各因素水平范圍，首先對輸送角度、輸送攪龍轉(zhuǎn)速、初始填充系數(shù)3個因素進行了不同水平的單因素試驗。每次試驗稱取30 kg玉米樣品，每組試驗重復(fù)3次，試驗所用篩片工作長度為2 000 mm。

1）輸送攪龍轉(zhuǎn)速對清選效果的影響

變頻器最大輸出頻率為60 Hz，對應(yīng)的最大輸送攪龍轉(zhuǎn)速為600 r/min，而試驗裝置的臨界轉(zhuǎn)速為205 r/min，考慮轉(zhuǎn)速過大導(dǎo)致裝置振動較為嚴(yán)重，因此取輸送攪龍轉(zhuǎn)速為200～500 r/min，初始填充系數(shù)為30%，輸送角度為0°。

注：初始填充系數(shù)為30%，輸送角度為0°。

輸送攪龍轉(zhuǎn)速對清選效果的影響曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著輸送攪龍轉(zhuǎn)速的增大，篩分效率逐漸增加，最高為99.0%。破碎率增加值隨著輸送攪龍轉(zhuǎn)速的增大而增大，轉(zhuǎn)速在200～400 r/min時，破碎率增加值較小，超過400 r/min后破碎率增加值增大顯著，最大為0.4%。

2）初始填充系數(shù)對清選效果的影響

螺旋輸送機構(gòu)填充系數(shù)一般不超過50%，因此取初始填充系數(shù)為10%～50%，輸送攪龍轉(zhuǎn)速為300 r/min，輸送角度為0°。

初始填充系數(shù)對清選效果的影響曲線如圖7所示。從圖中可以看出，隨著初始填充系數(shù)的增加，篩分效率緩慢降低，當(dāng)初始填充系數(shù)超過40%時，篩分效率降低趨勢顯著，最高為92.3%。破碎率增加值隨著初始填充系數(shù)的增加而逐漸增大，但趨勢比較平緩，最大為0.2%。

注：輸送攪龍轉(zhuǎn)速為300 r·min-1，輸送角度為0°。

3）輸送角度對清選效果的影響

輸送角度對于試驗裝置的清選能力和功率消耗都有影響。試驗取輸送角度為?20°～20°，輸送攪龍轉(zhuǎn)速為300 r/min，初始填充系數(shù)為30%。

輸送角度對清選效果的影響曲線如圖8所示。從圖中可以看出，隨著輸送角度的增大，篩分效率先增加后減小，輸送角度為0°時篩分最高，篩分效率最高為89.3%。破碎率增加值隨輸送角度的增加而增加，最大為0.3%。

注：輸送攪龍轉(zhuǎn)速為300 r·min-1，初始填充系數(shù)為30%。

3.4.2 正交試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取輸送角度、輸送攪龍轉(zhuǎn)速、初始填充系數(shù)為考查因素，進行正交試驗。采用L9（34）正交表，每組試驗使用30 kg玉米樣品，重復(fù)2次，試驗結(jié)果取平均值。試驗因素水平如表2所示。篩分效率和破碎率增加值試驗設(shè)計及結(jié)果如表3所示。

表2 正交試驗因素水平

注：“-”表示物料傾斜向下輸送。

Note: “-” represent tilt down conveying.

表3 正交試驗設(shè)計和結(jié)果

經(jīng)計算得到9次試驗的平均篩分效率為94.2%。由表3的極差分析可知，3個試驗因素影響2個試驗指標(biāo)的主次順序均為：輸送攪龍轉(zhuǎn)速，初始填充系數(shù)，輸送角度。但是篩分效率指標(biāo)的最優(yōu)組合為123，破碎率增加值指標(biāo)的最優(yōu)組合為221，2個試驗指標(biāo)下的3個因素的最優(yōu)組合并不相同。因此借助綜合評分法中的直接加權(quán)法[32]來確定3個試驗因素的最優(yōu)組合，綜合評分計算公式為

式中c為第項指標(biāo)的縮減系數(shù)；τ為第項試驗指標(biāo)的權(quán)值；(y)為第項指標(biāo)的第組試驗的指標(biāo)值。

試驗中篩分效率值越大越好，而破碎率增加值越小越好，為了保證綜合評分結(jié)果的一致性，取篩上未通過率代替原指標(biāo)篩分效率進行計算。由于試驗裝置以清選雜質(zhì)為主，其次考查其破碎率增加值，故分別給予兩個指標(biāo)的權(quán)值為7和3。為了使2項指標(biāo)具有大致相同的數(shù)量級，篩分效率和破碎率增值的數(shù)量級分別取0.1和1。得到綜合評分公式為

由式（17）可知綜合評分值越小越好，綜合評分結(jié)果如表4所示。

表4 綜合評分結(jié)果

通過表4的綜合評分結(jié)果極差分析可知，主次因素為>>，最優(yōu)組合為123，即初始填充系數(shù)為20%，輸送角度為0o，輸送攪龍轉(zhuǎn)速為500 r/min，在最優(yōu)組合下，理論清選能力為2.9 t/h。選取最優(yōu)組合123增加3組驗證試驗，得出平均篩分效率為98.5%，平均破碎率增加值為0.4%。

為了探究初始填充系數(shù)、輸送角度、輸送攪龍轉(zhuǎn)速3個因素對篩分效率和破碎率增加值的影響是否顯著，使用SPSS22.0（IBM公司）對正交試驗的結(jié)果進行顯著性檢驗，結(jié)果如表5所示。

表5 試驗因素對試驗指標(biāo)的顯著性檢驗

根據(jù)表5方差分析的結(jié)果可知，輸送攪龍轉(zhuǎn)速對篩分效率和破碎率增加值的影響均顯著（<0.05）；輸送角度對篩分效率和破碎率增加值的影響均不顯著（>0.05）；而初始填充系數(shù)對篩分效率的影響顯著（<0.05），但對破碎率增加值的影響卻不顯著（>0.05）。

4 結(jié)論與討論

1）本研究基于螺旋輸送原理，設(shè)計了一種螺旋式清選試驗裝置，確定該裝置的輸送攪龍外徑為100 mm，螺距為100 mm，工作長度為2 000 mm，螺旋軸軸徑為20 mm。通過計算得出試驗裝置各工作參數(shù)值，6 mm孔徑的篩片開孔率約為40%，16 mm孔徑的篩片開孔率約為35%，輸送攪龍臨界轉(zhuǎn)速為205 r/min，試驗裝置最大理論清選能力為6.8 t/h。

2）大雜試驗結(jié)果顯示，篩分主要發(fā)生在篩片的前部分完成，后部分主要作用是分離秸稈、玉米芯等大型雜質(zhì)夾帶的玉米粒；玉米破碎率隨著輸送攪龍轉(zhuǎn)速的增加而增加。小雜單因素試驗表明，隨著輸送攪龍轉(zhuǎn)速的增大，篩分效率逐漸增加，破碎率增加值逐漸增大；隨著初始填充系數(shù)的增加，篩分效率緩慢降低，破碎率增加值逐漸增大；隨著輸送角度的增大，篩分效率先增加后減小，破碎率增加值逐漸增加。小雜正交試驗結(jié)果表明，3種試驗因素的最優(yōu)組合為初始填充系數(shù)為20%，輸送角度為0°，輸送攪龍轉(zhuǎn)速為500 r/min；顯著性檢驗結(jié)果顯示，輸送攪龍轉(zhuǎn)速對篩分效率和破碎率增加值的影響均顯著；輸送角度對篩分效率和破碎率增加值的影響均不顯著；而初始填充系數(shù)對篩分效率的影響顯著，但對破碎率增加值的影響卻不顯著。試驗結(jié)果還表明，螺旋式清選試驗裝置的小雜篩分效率達到98.5%。試驗結(jié)果可為后期研發(fā)螺旋式清選設(shè)備提供參考。

試驗中造成玉米破碎率增加的對象尚不明確，考慮其為篩片和輸送攪龍共同作用所致，本文將二者看作一個整體。下一階段還需考慮在不同篩片與輸送攪龍的組合情況下對篩分效率和玉米破碎率的影響，進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。

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Design and test of screw cleaning mechanism for corn

Wang Qiyang, Wu Wenfu※, Zhu Haotian

(,130022,)

Screening is the most important part of post-harvest processing of grain, and it is mainly vibration screening. Traditional methods of vibration screening have many problems, such as large noise and low screening efficiency. The aim of this article was to solve the problem mentioned above in the traditional screening process, and the screw cleaning mechanism was designed based on the principle of screw conveying. The device was mainly composed of conveying auger, inlet charge hopper, frame, collection box, semicircular screen, discharge port, gear motor, variable-frequency drive, and so on. In terms of mechanism parameters, the inner diameter of semicircular screen was 130 mm, the external diameter of the conveying auger was 100 mm, the screw pitch was 100 mm, the working length was 2 000 mm, and the diameter of screw shaft was 20 mm. There were 2 types of semicircular screens, the first one was 6 mm circular aperture with the open porosity of about 40%, and the other one was 16 mm circular aperture with the open porosity of about 35%. The critical screw rotational speed was 205 r/min, and the maximum theoretical cleaning ability of the device was 6.8 t/h. In order to determine the screening effect of the device, the screening efficiency and the breakage rate increment were used as the test indices in this study, and the corn with 14% moisture was adopted in the test, which included the separation test of big-sized impurities and the separation test of small-sized impurities. In terms of separation test of big-sized impurities, it was a single-factor test. Appropriately sized corn cobs and stalks were selected as big impurities. Test samples were prepared according to the relevant standards, and corn samples were obtained, of which big-sized impurities content was 2%. The conveying inclination was 0°, the initial filling factor was 40%, the working length was 960 mm, and 30 kg corn samples were tested each time. The results of the separation test of big-sized impurities showed that screening separation occurred mainly at the front portion of the screen, and the main function of the latter portion of the screen was to separate corn entrained by corn cobs and stalks; and the breakage rate increased with the increase of the screw rotational speed. Although lower screw rotational speed reduced cleaning ability, it could protect corn from break, and higher screw rotational speed might increase the working length of the screen surface. For the separation test of small-sized impurities, the clay granules which had passed through 3 mm circular aperture grain sieve were selected as small-sized impurities and the test samples were also prepared according to the relevant standards; corn samples were obtained, of which small-sized impurities content was 5%, and 30 kg corn samples were tested each time. The single-factor test showed that screening efficiency and breakage rate increment increased with the increase of the conveying auger speed; with the increase of the initial filling factor, screening efficiency decreased slowly, but breaking rate increment increased gradually; screening efficiency increased initially and decreased afterwards as the conveying inclination increased, and breaking rate increment increased gradually. The orthogonal test selected conveying inclination (-10°, 0°, 10°), screw rotational speed (150, 200, 250 r/min) and initial filling factor (20%, 30%, 40%) as the test factors, and 9 groups of experiments were conducted. The orthogonal test results showed the optimal test levels of the 3 experimental factors: Initial filling factor was 20%, conveying inclination was 0°, and screw rotational speed was 500 r/min. The ANOVA (analysis of variance) results showed that initial filling factor had significant (<0.05) influence on screening efficiency, but it didn’t have significant (>0.05) influence on breakage rate increment; screw rotational speed had significant (<0.05) influence on both screening efficiency and breakage rate increment; but conveying inclination didn’t have significant (>0.05) influence on either screening efficiency or breakage rate increment. The device had low noise and reliable operation in working process, and screening efficiency of the device reached 98.5%. This study can provide reference for the design of the screw cleaning equipment in the future.

mechanization;design; optimization; screw; screening; conveying auger; screening efficiency; breakage rate increment

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.002

S226.5

A

1002-6819(2018)-20-0012-08

2018-05-10

2018-07-30

糧食收儲保質(zhì)降耗關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備開發(fā)（2016YFD0401001）

王啟陽，博士生，主要從事糧食產(chǎn)后機械化研究。Email：wangqy8187@163.com

吳文福，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為農(nóng)業(yè)機械測試與控制技術(shù)、農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)。Email：wwfzlb@126.com

王啟陽，吳文福，朱浩天. 玉米螺旋式清選裝置的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(20)：12－19. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.002 http://www.tcsae.org

Wang Qiyang, Wu Wenfu, Zhu Haotian. Design and test of screw cleaning mechanism for corn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 12－19. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.002 http://www.tcsae.org