巴旦木殼仁物料及空氣動力學特性分析

邊 博，吐魯洪·吐爾迪，張 麗，王學農(nóng)

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】巴旦木是干果樹種和木本油料樹，其仁富含多種營養(yǎng)成分和部分礦物質(zhì)元素。新疆喀什地區(qū)是我國巴旦木的主產(chǎn)區(qū)。新疆巴旦木種植從2005年不足3 333.3 hm2，增長至2019年的65 140 hm2，占新疆特色林果栽培總面積的4.4%，預(yù)計5～10年內(nèi)，新疆巴旦木種植面積將達到73 333.3 hm2，巴旦木對于新疆的經(jīng)濟發(fā)展有著重要的作用[1-10]?！厩叭搜芯窟M展】藺建濤等[11]測量和研究杏核破殼后的物料外形尺寸和物理特性，物料摩擦特性和物料比重與懸浮速度之間的相關(guān)聯(lián)系，確定了用風力作用進行殼仁分離的方法。馬豪等[12]測定了核桃破殼后的物料成分含量、形態(tài)參數(shù)和空氣動力學特性，找到了影響物料分離的主要因素，確定對核桃的殼仁物料從厚度方向上進行篩分。王維等[13]認為，破殼后的核桃物料在空氣動力學特性試驗中可擴大殼和仁的臨界風速差異以降低殼中的含仁率。馬秋成等[14]針對蓮子進行了懸浮速度的試驗，測定蓮子物料的密度和含水率，分析這些因素和懸浮速度之間的關(guān)系，提出了蓮子合適的分離氣流速度變化范圍為7.865～11.230 m/s。Mokhtari Nahal[15]對核桃殼仁物料做了懸浮速度測試，在垂直氣流場中，物料的外形尺寸和氣流速度對分離效果有著顯著的影響。Murilo Innocentini[16]采用風選設(shè)備對大豆豆莢和豆子進行試驗，獲取了較好的分離數(shù)據(jù)和工作參數(shù)?！颈狙芯壳腥朦c】國內(nèi)外學者已經(jīng)在農(nóng)產(chǎn)品空氣動力學特性方面做了大量研究，但是在國內(nèi)關(guān)于巴旦木殼仁物料特性和空氣動力學特性卻鮮有文獻論述。中國新疆種植巴旦木品種多，和國外巴旦木品種相比差異較大，目前就巴旦木物料空氣動力學特性的研究以及相關(guān)的文獻報道甚少。研究巴旦木破殼后的物料特性，進行相關(guān)的物料特性測定和空氣動力學特性試驗?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究新疆巴旦木破殼后物料成分的空氣動力學特性，測量各物料成分的外形尺寸、密度、摩擦特性等，為巴旦木殼仁風選設(shè)備研發(fā)與設(shè)計提供理論和參數(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 巴旦木品種

莎車縣種植的莎車3號和莎車18號2個品種，成熟后收獲經(jīng)脫青皮、晾干、破殼處理得到的混合物料主要由殼和仁組成，其中殼可細分為大殼、中殼、小殼3種，大殼即尺寸占整殼大小1/2以上殼，中殼即尺寸占整殼大小1/3～1/2殼，小殼即尺寸占整殼大小1/6～1/3殼。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

存儲型風速風壓風量儀：SENG825-2，上海億歐儀表設(shè)備有限公司；水分測定儀：PC-16A，上海浦春計量儀器有限公司；電子天平：HZT-1000A，精度為0.01 g，衡之寶電子秤有限公司；游標卡尺：ARZ-1331，精度為0.02 mm，青島美吉特精密工具有限公司。

試驗前正確連接各實驗儀器設(shè)備，把單粒物料放入觀察管下方喂料口中的阻尼網(wǎng)上，調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器使風機轉(zhuǎn)速加快，風速變快，物料在垂直氣流作用下開始逐漸向上運動，直至所調(diào)節(jié)的流體速度等于物料的自由沉降速度時，物料會集中懸浮[17]在觀察管的某一部位，呈動態(tài)平衡狀態(tài)，記錄此時頻率，調(diào)小風速取出物料，再將頻率調(diào)至所記錄的數(shù)值，用風速儀在觀察管管壁小孔處測量當前風速即物料懸浮速度[18-19]并記錄，每種物料成分測試5次，取平均值。圖1

1.風速測試孔；2.喂料口；3.風機；4.變頻調(diào)速器；5.懸浮速度測試臺；6.觀察管

1.2 方 法

1.2.1 巴旦木殼仁物料尺寸特征

破殼后巴旦木殼仁物料的外部特征由長度a、寬度b、厚度c 3個尺寸來描述。從各25 kg的2個品種巴旦木殼仁物料中各隨機取樣5次重復(fù)試驗，每次從混合物料中隨機取樣大殼、中殼、小殼和仁各80個，使用精度為0.02 mm的電子式游標卡尺測得其外部特征：長度(a/mm)、寬度(b/mm)和厚度(c/mm)，取平均值。

1.2.2 破殼后巴旦木殼仁物料組成成分

巴旦木殼仁物料中各成分含量占比是設(shè)計殼仁分離裝置的重要依據(jù)之一。從25 kg莎車3號和25 kg莎車18號的殼仁物料中各隨機取樣5次，每次取樣500 g，分別標號①～⑤組，將10個樣本物料分為大殼、中殼、小殼和仁，稱出其質(zhì)量，求出巴旦木各個物料成分所占百分比，取其平均值。

1.2.3 破殼后巴旦木殼仁物料密度

巴旦木殼仁物料密度與其空氣動力學特性密切相關(guān)。從各25 kg的莎車3號和莎車18號殼仁物料中隨機取樣各5組，每組1 kg，按組分揀得到大殼、中殼、小殼和仁4種物料成分，依次測量每種成分的密度。以莎車3號的5組大殼為例，用天平測量每組質(zhì)量為200 g，先在量筒中取一定量的水(整數(shù)倍為宜)，記錄初始讀數(shù)，再向量筒中加入大殼物料，記錄末了讀數(shù)，其體積差為大殼的體積，計算每組大殼的密度，求其平均值，其他物料的密度依照此法進行。

密度計算公式：

(1)

式中：ρ—物料密度，kg/m3；

V1—初始體積，m3；

V2—加物料后體積，m3；

M—物料重量，kg。

1.2.4 巴旦木殼仁物料各成分摩擦角

摩擦角就是當物體處于滑動的臨界狀態(tài)時，靜摩擦力達到最大值，全約束力與法向約束力的夾角最大，j稱為摩擦角。運用摩擦角的概念，便可使用簡單的方法測定巴旦木殼仁物料的靜摩擦因數(shù)，以殼仁分離裝置中篩面同種材料作為試驗斜面，將巴旦木殼仁物料置于斜面上，并逐漸從零起增大斜面的傾斜角度θ，直到物體剛開始下滑為止，篩面傾斜角度θ即為要測定的摩擦角。測定時分別從2種殼仁物料中隨機取適量的物料，分揀為大殼、中殼、小殼和仁4種物料成分，對每種物料成分分別進行摩擦角的測定，每種成分測量10次為1組，求平均值，重復(fù)5次試驗。

1.2.5 巴旦木殼仁物料懸浮速度

1.2.5.1 物料懸浮速度測量原理

巴旦木殼仁物料懸浮速度測試的原理：建立一個垂直的氣流速度場，方向向上，加入被測物料粒子之后集中懸浮，使得物料懸浮的氣流速度為粒子的懸浮速度[20-21]，物料受力[22]。圖2

圖2 物料懸浮受力

根據(jù)牛頓定律：

P=Kρas(V-V′)2.

(2)

式中：K—阻力系數(shù)；

ρa—空氣密度(kg/m2)；

V—物料的絕度速度(m/s)；

V′—物料的相對速度(m/s)；

s—物料相對氣流速度方向的斷面積(m2)。

比較氣流對于物料的作用力P和重力mg之間的大小關(guān)系，判斷巴旦木物料粒子在垂直向上的氣流中運動情況。當氣流對物料的作用力P小于重力mg時，即Pmg時物料粒子會上升；當氣流對物料的作用力P等于重力mg時，即P=mg時物料粒子會懸浮在氣流中[23]，即

P=KρsV′2=mg.

(3)

(4)

1.2.5.2 處理

巴旦木殼仁物料是外形尺寸、密度等物料特性存在差異的不規(guī)則顆粒的集合[24-25]，無法計算懸浮速度。破殼后物料除相對比較規(guī)則的成分外，一些無法估算的物料成分，巴旦木殼仁物料在運動過程中呈隨機狀態(tài)，運用試驗來獲得懸浮速度值。

試驗前，將破殼后的巴旦木殼仁混合物料進行人工篩選，得到大殼、中殼、小殼、仁4種物料成分，將其作為研究對象，以莎車3號為例。圖3

圖3 巴旦木殼仁物料成分試樣

用電子秤對莎車3號的大殼、中殼、小殼和仁進行稱重，根據(jù)重量的不同分為5組，依次編號為①～⑤，用于巴旦木物料懸浮速度與物料重量的研究。莎車18號用相同的方法處理。

將大殼、中殼、小殼和仁4種成分的物料進行浸泡、晾置、烘干，調(diào)節(jié)含水率分別為10.5%、11.5%、12.5%、13.5%，仁的含水率調(diào)節(jié)為12.5%、13.5%、14.5%和15.5%，研究不同的物料成分懸浮速度與含水率的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 巴旦木殼仁物料外形尺寸

莎車3號：

b(大殼)=-27.74+1.274a+0.51c，

R2=0.696.

(5)

b(中殼)=51.94-0.634a-1.625c，

R2=0.933.

(6)

b(小殼)=15.14-0.008a+0.066c，

R2=0.055.

(7)

b(仁)=1.3+0.235a+1.024c，

R2=0.279.

當下，隨著互聯(lián)網(wǎng)5.0時代的到來，家電行業(yè)正在飛速的發(fā)展。各種款式多樣、功能豐富的新產(chǎn)品層出不窮，導購策略也是紛繁蕪雜。雖然消費者們擁有了更多家電產(chǎn)品的選擇空間，但在無形中的選購難度也在大大增加。由此，“嘉電”評測項目應(yīng)運而生。

(8)

莎車18號：

b(大殼)=7.16+0.256a+0.294c，

R2=0.22.

(9)

b(中殼)=-5.26+0.971a-0.104c，

R2=0.801.

(10)

b(小殼)=11.4+0.473a-0.562c，

R2=0.201.

(11)

b(仁)=9.73+0.124a-0.006c，

R2=0.071.

(12)

2個品種巴旦木物料中中殼R2>0.8，擬合度較好。在進行巴旦木殼仁物料篩選分離時優(yōu)先考慮中殼物料分離，達到比較好的分離效果。表1

表1 巴旦木殼仁尺寸

2.2 巴旦木殼仁物料成分占比

研究表明，莎車3號和莎車18號的仁占比分別是29.9%和31.59%，相同量的2種殼仁物料中，莎車18號的仁占比較高。2個品種中大殼占比分別為26.8%和26.58%，中殼占比分別22.11%和22.84，這2種物料含量差異不大。莎車3號小殼占比21.22%，莎車18號小殼占比18.99，相差2.23%，在殼仁分離的過程中前者的分離難度偏大。表2

表2 巴旦木殼仁物料成分

2.3 巴旦木殼仁物料密度

研究表明，莎車3號和莎車18號的中殼和仁2種物料密度差值很小，前者的大殼和仁密度分別為857和1 002 kg/m3，后者相應(yīng)物料密度為853和 1 000 kg/m3。而大殼和小殼的差值就很明顯，莎車3號大殼和小殼密度分別為889和800 kg/m3，莎車18號相應(yīng)物料密度分別為857和769 kg/m3，相應(yīng)物料的差值分別為32和31 kg/m3。表3

表3 巴旦木殼仁物料密度

2.4 巴旦木殼仁物料摩擦角

研究表明，莎車18號的大殼、中殼、小殼和仁的最大摩擦角都大于莎車3號相應(yīng)的物料成分。其中，莎車3號和莎車18號的殼仁物料中大殼最大摩擦角均值分別為26.5°和27.1°，中殼最大摩擦角均值分別為25.3°和25.7°，小殼最大摩擦角均值分比為23.9°和24.2°，仁最大摩擦角均值分別為21.4°和22.4°。隨著物料與鋼制斜面的接觸面積逐漸減小，最大摩擦角也隨之減小，而且莎車18號各物料成分最大摩擦角依次減小幅度大于莎車3號。表4

表4 巴旦木殼仁物料摩擦角

2.5 巴旦木殼仁物料懸浮速度

2.5.1 物料懸浮速度與重量的關(guān)系

研究表明，質(zhì)量相近的相同物料其懸浮速度也比較接近，2個巴旦木品種中每種物料成分的5組試驗樣品懸浮速度變化程度在一定范圍以內(nèi)，數(shù)據(jù)滿足均勻性。在含水率確定的情況下，物料重量對懸浮速度影響明顯，莎車3號大殼、中殼、小殼、仁的標準差依次為0.432、0.431、0.105、0.11，變異系數(shù)依次為0.048、0.054、0.014、0.008；莎車18號相應(yīng)物料的標準差依次為0.423、0.283、0.226、0.325，變異系數(shù)依次為0.045、0.034、0.029、0.026，標準差數(shù)值都小于0.5，離散程度較小。表5，表6

表5 莎車3號物料懸浮速度

表6 莎車18號物料懸浮速度

研究物料重量M與懸浮速度V之間的聯(lián)系，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，2個品種物料中物料占比相對較高的中殼和仁懸浮速度變化趨勢擬合方程分別如下。

莎車3號：

V(中殼)=6.007+3.725M,R2=0.982.

(13)

V(核仁)=12.895+0.762M,R2=0.967.

(14)

莎車18號：

V(中殼)=7.885+1.548M,R2=0.925.

(15)

V(核仁)=11.331+1.547M,R2=0.971.

(16)

2.5.2 物料懸浮速度與含水率的關(guān)系

研究表明，物料重量一定時含水率和懸浮速度呈正比例關(guān)系。以莎車3號為例，隨著含水率遞增大殼的懸浮速度依次為10.01、10.54、11.21和11.67 m/s；中殼懸浮速度依次為8.77、9.18、9.62和10.11 m/s；小殼懸浮速度依次為8.15、8.63、9.09和9.56 m/s；仁懸浮速度依次為13.5、 13.98、14.66和15.17 m/s。圖4，表7～9

圖4 仁含水率與懸浮速度趨勢

表7 仁物料在不同含水率下的懸浮速度

表8 殼物料在不同含水率下的懸浮速度

表9 懸浮速度變化趨勢擬合多項式

3 討 論

空氣動力學特性用懸浮速度值表征[26]，在巴旦木殼仁分選裝置的設(shè)計研發(fā)之初，應(yīng)當對殼仁物料的懸浮速度進行研究。于福鋒等[27]通過試驗探究紅棗在不同含水率下對懸浮速度特性的影響趨勢，結(jié)果表明，試驗數(shù)據(jù)較為集中，可將平均值作為不同含水率下紅棗的懸浮速度。Valizadeh[28-29]在相同的含水量范圍內(nèi)，測得小黑麥種子的終末速度在4.52～5.07 m/s呈多項式關(guān)系變化。研究表明，巴旦木物料的殼仁重量和含水率對其懸浮速度值都有一定程度的影響，重量和含水率越高，則相應(yīng)的物料懸浮速度值也高。此次試驗沒有運用粒徑法進行物料阻力系數(shù)分區(qū)進而通過懸浮速度理論計算與懸浮速度實際測量值進行對比分析，巴旦木破殼后物料都是不規(guī)則形狀，其形狀修正系數(shù)[30]在資料中沒有查證到，無法確定形狀修正系數(shù)。

4 結(jié) 論

4.1 莎車3號和莎車18號2個巴旦木品種存在物料特性差異，對2個品種巴旦木破殼后的物料進行外形尺寸、物料成分占比、密度和摩擦角的測定，莎車3號的大殼、中殼、小殼外形尺寸均大于莎車18號，而莎車18號仁的物料占比為31.59%，高于莎車3號。2個品種的大殼和小殼密度分別相差很大，歸因于2個巴旦木品種獨特的殼力學特性在破殼后產(chǎn)生不同尺寸的殼物料。莎車3號各物料成分摩擦角均值整體小于莎車18號，前者殼物料與鋼制斜面的最大靜摩擦力小于后者。

4.2 巴旦木殼和仁普遍含水率分別在10.5%和12.5%左右，分離莎車3號物料時氣流速度應(yīng)當控制在8.15～13.5 m/s，莎車18號分離氣流速度控制在8.54～13.88 m/s。

4.3 莎車3號大殼、中殼、小殼重量平均值依次為1.36、0.76和0.38 g，對應(yīng)的懸浮速度平均值依次為9.99、8.84和8.12 m/s。莎車18號大殼、中殼、小殼重量平均值依次為1.78、0.96和0.47 g，對應(yīng)的懸浮速度平均值依次為10.46、9.23和8.56 m/s。不同殼物料成分所對應(yīng)的懸浮速度存在明顯差異。