種子清選機(jī)電磁變頻激振清篩裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李永磊 徐澤昕 萬里鵬程 馬 翔 宋建農(nóng) 陳海軍

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 北京 100083; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 北京 100125)

0 引言

種子清選機(jī)是用于農(nóng)作物種質(zhì)材料清選除雜的機(jī)械設(shè)備[1]。種子清選機(jī)工作原理為概率透篩原理,清選機(jī)通常做近似往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),單一的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)不利于種子快速穿透篩孔,且當(dāng)工作參數(shù)不匹配、料層厚度不適宜及物料與篩孔尺寸相近難篩分時(shí)容易發(fā)生透篩概率下降、篩孔卡種堵塞等問題,從而影響清選機(jī)篩分效率和清選質(zhì)量[2-4]。在種子清選機(jī)持續(xù)作業(yè)過程中,篩面堵塞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,經(jīng)常需要人工停機(jī)清理篩面,極大地降低了工作效率。為提升篩分效率、減少或避免篩孔卡種、及時(shí)清理篩面滯留種子,通常在清選機(jī)篩分裝置中配套安裝有清篩裝置[5]。清篩裝置的作用主要體現(xiàn)于篩分過程中對(duì)種子料群的有效激勵(lì)及篩分結(jié)束后的篩面清理。清篩裝置的作業(yè)性能直接影響清選機(jī)的清選質(zhì)量及清選效率。

常見的清篩裝置有擊打式、架刷式、橡膠球清篩裝置等。其中,擊打式清篩裝置作業(yè)頻率較低,裝置龐雜需要較大安裝空間[6];架刷式清篩裝置毛刷易損壞,需要嚴(yán)格保證平行度,且無法在清選作業(yè)過程中為篩面物料提供動(dòng)能,兩者的使用受到限制;橡膠球清篩裝置以其穩(wěn)定性高、故障率低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外種子清選機(jī)中。在農(nóng)作物種子生產(chǎn)中,橡膠球清篩裝置等對(duì)篩面的適度外部激勵(lì)是實(shí)現(xiàn)物料高效透篩和種子清選機(jī)正常工作的重要條件,但橡膠球?yàn)殡S機(jī)彈跳,其清篩激振力受篩分種子適用工作參數(shù)影響與制約,且橡膠球清篩技術(shù)多源于生產(chǎn)實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),缺少設(shè)計(jì)依據(jù)[7]。隨著種子加工裝備向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展,橡膠球清篩裝置的清篩效果受到結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)制約,無法滿足現(xiàn)代種子精細(xì)加工及清選要求,橡膠球激振力難以精準(zhǔn)調(diào)控、停機(jī)清理篩面作業(yè)復(fù)雜繁瑣等問題日益突出,迫切需要研發(fā)清篩激勵(lì)精準(zhǔn)可控、篩面自動(dòng)清理的種子清選機(jī)清篩裝置。

綜上所述可知,為提高篩面物料分散度,減少堵孔幾率,研究熱點(diǎn)主要集中在篩片結(jié)構(gòu)創(chuàng)新及振動(dòng)篩工作參數(shù)優(yōu)化上[8-24],而借助外部激振力提高清選機(jī)作業(yè)質(zhì)量的方法并未得到研究學(xué)者的重視。針對(duì)橡膠球清篩裝置激振力難以精準(zhǔn)調(diào)控問題,本文以課題組研制的批次式種子清選機(jī)[1]為依托,擬研制電磁變頻激振清篩裝置,設(shè)計(jì)激振清篩單體與變頻激振控制系統(tǒng);分析振動(dòng)激勵(lì)作用機(jī)制,研究彈簧預(yù)壓縮量與激振頻率對(duì)振動(dòng)激勵(lì)的影響規(guī)律;開展玉米種子清選試驗(yàn)以獲得較優(yōu)的工作參數(shù)。采取分段設(shè)置工作頻率與清篩頻率的方法,實(shí)現(xiàn)清篩裝置激振力的精準(zhǔn)調(diào)控,滿足不同工況下正常篩分與強(qiáng)振清篩的作業(yè)要求。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 電磁變頻激振清篩裝置排布與安裝

以課題組研發(fā)的批次式種子清選機(jī)為依托,驗(yàn)證電磁變頻激振清篩裝置作業(yè)效果[1]。為使篩面各區(qū)域均勻受到激振作用,將6個(gè)激振清篩單體均勻排列于批次式種子清選機(jī)的篩片下方,每?jī)蓚€(gè)激振清篩單體(間距140 mm)安裝于一個(gè)激振裝置安裝板上,并通過側(cè)邊螺釘固定,安裝板間距100 mm,安裝示意圖與樣機(jī)實(shí)物如圖1所示。

圖1 清篩裝置安裝示意圖與樣機(jī)實(shí)物圖

篩分時(shí),各激振清篩單體以工作頻率Pg運(yùn)行,保證篩面上物料松散均勻,種子順利分層透篩;篩分結(jié)束后清篩時(shí),各激振清篩單體改變?yōu)樽罡哳l率運(yùn)行,對(duì)篩片施加高頻激振,實(shí)現(xiàn)對(duì)篩面滯留種子的清理。

1.2 激振清篩單體結(jié)構(gòu)

為滿足激振清篩裝置在有限空間內(nèi)起到良好激振清篩作用的設(shè)計(jì)要求,本裝置體積較小、響應(yīng)頻率較高,總高度僅為55 mm。激振清篩單體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與實(shí)物圖如圖2所示,主要部件包括交流電磁鐵、復(fù)位彈簧、頂柱、導(dǎo)柱等。

圖2 激振清篩單體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與實(shí)物圖

電磁鐵為220 V交流電磁鐵,外殼包括殼體、端蓋,殼體內(nèi)部分為上腔和下腔,電磁鐵安裝在殼體下腔并由端蓋壓緊固定,導(dǎo)柱固定在殼體上腔。頂柱穿過殼體中間孔并沿導(dǎo)柱軸向滑移,鎖緊螺母(數(shù)量為2個(gè))安裝在頂柱上并與壓片、復(fù)位彈簧共同作用使頂柱緊貼殼體下腔端面,頂柱與電磁鐵之間預(yù)留一定間隙。

1.3 工作原理

電磁變頻激振清篩裝置均勻排布置于篩片下,當(dāng)電磁鐵通電時(shí)產(chǎn)生吸力,吸引頂柱滑向電磁鐵,電磁鐵斷電無吸力時(shí)頂柱在復(fù)位彈簧的作用下反彈撞擊篩片,對(duì)篩片施加垂直向上可自主調(diào)控的激振力。通過分段設(shè)置工作頻率與清篩頻率,實(shí)現(xiàn)清篩裝置激振力的精準(zhǔn)調(diào)控:篩分時(shí),各激振清篩單體以對(duì)應(yīng)該類種子的工作頻率運(yùn)行,使篩片受迫振動(dòng)產(chǎn)生微變形和微彈力,為種子粒群補(bǔ)充動(dòng)能并增強(qiáng)種群擾動(dòng),增加透篩概率和減少卡種機(jī)率;篩分結(jié)束后清篩時(shí),各激振清篩單體激振頻率增大為50 Hz(清篩頻率,交流電磁鐵最大磁通變化頻率),使篩片高頻振動(dòng),清理篩面滯留的種子。電磁變頻激振清篩裝置的激振力及工作頻率是影響種子清選質(zhì)量與效率及清篩性能的關(guān)鍵因素。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 激振清篩單體設(shè)計(jì)

2.1.1電磁鐵設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)高頻響應(yīng)的激振動(dòng)作,電磁鐵應(yīng)具有較大的吸力,且響應(yīng)時(shí)間較短。對(duì)比直流電磁鐵及交流電磁鐵,直流電磁鐵通電時(shí)吸力較工作時(shí)小,而交流電磁鐵無明顯區(qū)別[25];直流電磁鐵額定電壓較低,相同線圈匝數(shù)下磁力較弱,故優(yōu)選交流電磁鐵。根據(jù)清篩裝置尺寸要求選用鐵芯截面尺寸為10 mm×15 mm,線圈匝數(shù)8 000,交流電磁鐵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 交流電磁鐵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

當(dāng)交流電磁鐵的鐵芯線圈通入正弦交流電時(shí),鐵芯產(chǎn)生交變磁通。交流電磁鐵線圈端電壓與鐵芯中磁通關(guān)系為

U=4.44pMφm

(1)

式中U——外加電源電壓,V

p——外加勵(lì)磁交流電頻率,Hz

M——鐵芯線圈匝數(shù)

φm——鐵芯中磁通最大值,Wb

U取220 V,p取50 Hz,M取8 000,代入式(1)可得φm=1×10-4Wb。

交流電磁鐵的磁感應(yīng)系數(shù)為周期性變化,其平均吸力為

(2)

(3)

式中Fm——電磁鐵平均吸力,N

S——鐵芯截面積,m2

μ0——空氣磁導(dǎo)率

Bm——磁感應(yīng)強(qiáng)度,T

μ0取4π×10-7,S取1.5×10-4mm2,代入式(2)及式(3)可得Fm=13.4 N,由于此值為不考慮漏磁及線圈發(fā)熱損耗所得,實(shí)際吸力偏小。

2.1.2復(fù)位彈簧設(shè)計(jì)

復(fù)位彈簧的作用是為初始狀態(tài)時(shí)壓縮提供預(yù)壓力,使頂柱與電磁鐵間保持一定間距,在電磁鐵通電后,頂柱下移,斷電后在復(fù)位彈簧的作用下反彈撞擊篩片,故所選復(fù)位彈簧彈性系數(shù)應(yīng)與電磁鐵吸力相匹配。

復(fù)位彈簧彈性系數(shù)為

(4)

式中k——復(fù)位彈簧彈性系數(shù)

G——彈簧材料剪切模量,Pa

d1——彈簧線徑,mm

n——彈簧有效圈數(shù)

D1——彈簧中心直徑,mm

初始狀態(tài)時(shí)彈簧彈力應(yīng)滿足

kx0≥m1g

(5)

式中x0——彈簧預(yù)壓縮量,mm

m1——頂柱與壓片質(zhì)量和,kg

g——重力加速度,m/s2

電磁鐵通電時(shí),若

Fm+m1g>kx0+kx

(6)

式中x——壓片與電磁鐵間距,mm

電磁變頻激振清篩裝置能正常工作,導(dǎo)柱可在電磁鐵吸力作用下向下運(yùn)動(dòng)并壓縮彈簧,且壓片與電磁鐵間距需在電磁鐵吸力作用范圍內(nèi)。

反彈時(shí)由于距離較短,頂柱撞擊篩面的激振力約為

F1=kx0+kx-m1g

(7)

式中F1——頂柱撞擊篩面的激振力,N

根據(jù)電磁鐵吸力選用彈簧尺寸為:d1=1 mm,n=10,D1=10 mm。分析可知彈簧預(yù)壓縮量不應(yīng)過大,壓片與電磁鐵間距不宜過大。其他參數(shù)一定時(shí),激振力隨彈簧預(yù)壓縮量增大而增大,當(dāng)增大到一定值時(shí),電磁鐵吸力不足以吸引頂柱,清篩裝置無法正常工作。由式(7)可知,電磁鐵大小一定、最大吸力一定,激振裝置作業(yè)性能與彈簧彈性系數(shù)、預(yù)壓縮量、壓片與電磁鐵間距密切相關(guān),通過調(diào)節(jié)三者大小即可調(diào)節(jié)激振清篩單體激振力,達(dá)到最佳作業(yè)效果。

2.1.3激振力測(cè)定與調(diào)節(jié)

理論計(jì)算無法精準(zhǔn)獲取清篩裝置激振力,故搭建激振力測(cè)定裝置,使用HP-DS8X25型動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并處理,試驗(yàn)裝置如圖4所示,將拉壓傳感器固定于鋁型材支架上,激振清篩單體固定放置于傳感器下方,受到激振清篩單體撞擊后將變形量輸出至信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)中。

圖4 激振力測(cè)定裝置實(shí)物圖

首先對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)將測(cè)定裝置倒置,在傳感器有效受力區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼加載進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定[26],建立拉壓傳感器受力與應(yīng)變片變形量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,砝碼質(zhì)量分別選取10、20、50、100、200、300、400 g,最終擬合方程為

Fs=0.003+0.025b(R2=1)

(8)

式中Fs——拉壓傳感器受力,N

b——應(yīng)變片變形量,μm

影響激振清篩單體激振力的主要因素為彈簧彈性系數(shù)、預(yù)壓縮量、壓片與電磁鐵間距,前期預(yù)試驗(yàn)表明,水稻、玉米、小麥清選時(shí)所需激振力無明顯差別,故選擇易調(diào)節(jié)的彈簧預(yù)壓縮量為試驗(yàn)因素,測(cè)定不同壓縮量下清篩裝置激振力,方便后續(xù)試驗(yàn)調(diào)節(jié)。由于頂柱螺紋螺距為1 mm,鎖緊螺母每旋轉(zhuǎn)一周下移1 mm,彈簧預(yù)壓縮量增大1 mm。以彈簧預(yù)壓縮量為試驗(yàn)因素,以激振力為試驗(yàn)指標(biāo),開展單因素試驗(yàn),分別測(cè)定不同彈簧預(yù)壓縮量下激振清篩單體的激振力,激振力測(cè)定結(jié)果如表1所示。

表1 激振力測(cè)定結(jié)果

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,與前述理論分析一致,激振力隨預(yù)壓縮量增大而增大,最大激振力為8.0 N。當(dāng)預(yù)壓縮量大于4 mm時(shí),電磁鐵吸力無法吸引頂柱,激振清篩單體無法正常工作。根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn),激振力8.0 N滿足設(shè)計(jì)要求,可有效分散篩面上種子物料。

2.2 變頻激振控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)清選作業(yè)過程中電磁變頻激振清篩裝置工作頻率及清篩頻率的分段自動(dòng)調(diào)節(jié),設(shè)置兩組光電傳感器監(jiān)測(cè)清選過程所處時(shí)段,自動(dòng)調(diào)節(jié)各激振清篩單體的激振頻率。控制系統(tǒng)硬件組成如圖5所示,以STM32(型號(hào)為F407ZGT6)微控制器為處理核心,完成傳感信號(hào)的及時(shí)處理及作業(yè)過程控制。參考文獻(xiàn)[27]中傳感器布置方式,傳感器安裝位置如圖1所示。1號(hào)對(duì)射光電傳感器監(jiān)測(cè)料斗中物料料位,當(dāng)監(jiān)測(cè)到給料裝置內(nèi)物料充滿后,進(jìn)入篩分時(shí)段,延遲4 s,各激振清篩單體以預(yù)設(shè)工作頻率工作,持續(xù)完成種子清選過程;2號(hào)對(duì)射光電傳感器監(jiān)測(cè)下篩面出料處物料料位狀況,當(dāng)監(jiān)測(cè)到物料停止排出后,進(jìn)入清篩時(shí)段,延遲3s,各激振清篩單體以50 Hz(清篩頻率)工作,完成篩面滯留種子的清理[27]。

圖5 控制系統(tǒng)硬件組成圖

交流電磁鐵通、斷電一次即完成一次激振作業(yè),將各激振清篩單體連接繼電器組,通過控制繼電器組的電壓來控制激振清篩單體激振頻率?？刂破髡{(diào)用定時(shí)器TIM9通道1的PWM波,通過調(diào)整比較捕獲寄存器賦值改變PWM波占空比,調(diào)整自動(dòng)重裝載值改變PWM波的頻率,在PE5端口輸出可調(diào)節(jié)電壓值,控制各激振清篩單體工作頻率,實(shí)現(xiàn)工作過程中激振頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)。

PWM波頻率為

(9)

式中Fp——PWM波頻率,Hz

Tc——定時(shí)器時(shí)鐘頻率,Hz

Ar——自動(dòng)重裝載值

Ps——預(yù)分頻系數(shù)

使用TBS1102X 1072C型數(shù)字示波器測(cè)定PWM波實(shí)際頻率時(shí)發(fā)現(xiàn),由于部分計(jì)算誤差,實(shí)際設(shè)置參數(shù)Ps為83 999,Ar取值為8 999時(shí),PWM波頻率為1 Hz,故保證Ps值一定,通過調(diào)節(jié)Ar取值即可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電磁變頻激振清篩裝置激振頻率的調(diào)控。

清選作業(yè)結(jié)束后,將繼電器設(shè)置為連續(xù)通電狀態(tài),此時(shí)交流電磁鐵自身磁力不斷變化產(chǎn)生振動(dòng),且交變頻率為220 V交流電的頻率即50 Hz(清篩頻率),與頂柱振動(dòng)疊加實(shí)現(xiàn)高頻振動(dòng)清理篩面殘留種子。

3 振動(dòng)激勵(lì)作用機(jī)制分析

根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn),各激振清篩單體在對(duì)應(yīng)區(qū)域的激振作用是獨(dú)立的,為簡(jiǎn)化分析,忽略疊加區(qū)域影響,以激振清篩單體為例,分析其對(duì)篩片及種子顆粒的作用機(jī)制。在激振清篩單體頂柱撞擊作用下,篩片將沿圖6中虛線作彈性振動(dòng),篩孔變形后形狀近似為錐形孔,在篩面振動(dòng)過程中始終以激振力作用周期作周期性張縮變化,周期性張縮變化前后篩孔狀態(tài)簡(jiǎn)圖如圖6a～6c所示,種子顆粒落入后狀態(tài)如圖6d、6e所示。

圖6 篩孔周期張縮變化示意圖

設(shè)篩孔尺寸為L(zhǎng),顆粒尺寸為d,0.75L

圖7 篩孔變形周期顆粒受力圖

篩孔對(duì)顆粒的擠壓力為

(10)

式中E——篩面彈性模量,Pa

A——篩孔橫截面積,mm2

顆粒慣性力為

Fa=ma

(11)

式中m——落入篩孔顆粒質(zhì)量,kg

a——落入篩孔顆粒加速度,m/s2

篩孔不變形的情況下顆粒透篩力為

Ft1=Fa-2f=ma-2μFk

(12)

式中Ft1——篩孔不變形時(shí)顆粒透篩力,N

μ——篩孔摩擦因數(shù)

篩孔變形時(shí)彈性轉(zhuǎn)角為

(13)

式中λ——篩孔變形時(shí)彈性轉(zhuǎn)角,(°)

篩孔變形后半周期顆粒透篩力為

Ft2=Fa+2Nsinλ-2f′cosλ=ma+2Nsinλ-2μN(yùn)cosλ

(14)

彈性壓力可近似表達(dá)為

(15)

故N=Fk,此時(shí)Ft2>Ft1,種子顆粒堵孔可能性減小,在篩孔變形后半周期向下透篩幾率增大。

篩孔變形處于前半周期時(shí),當(dāng)頂柱撞擊篩面后,通過激振力F來表示垂直篩面方向的作用效果,堵孔顆粒的受力如圖8所示。

圖8 受激振力后堵孔顆粒受力圖

垂直篩面方向受激振力后顆粒透篩力為

Fc=-ma+2Nsinλ-2μN(yùn)+F

(16)

故當(dāng)篩面受到激振力瞬間,激振力大于其他作用力,使得透篩力Fc迅速增大,與撞擊篩面前的方向相反,垂直篩面向上,增大了堵孔顆粒向上運(yùn)動(dòng)透篩概率。同時(shí),受激振作用后篩面加速度提高,傳遞給顆粒后提高顆粒運(yùn)動(dòng)加速度,有助于分散物料,故篩面加速度可有效表征清篩裝置對(duì)篩面的激振作用。

同時(shí),在篩分過程中,堵孔顆粒也會(huì)受到篩上物料的撞擊,當(dāng)篩孔變形處于后半周期時(shí),堵孔顆粒受力分析如圖9所示。

圖9 受物料撞擊后堵孔顆粒受力圖

垂直篩面方向受物料撞擊后透篩力為

Fw=ma+2Nsinλ-2μN(yùn)+Fz

(17)

式中Fz——篩上物料撞擊力,N

當(dāng)篩上物料撞擊堵孔顆粒時(shí),垂直向下的透篩力增大,故篩孔變形后半周期堵孔顆粒受篩上物料撞擊后向下透篩概率增大,向下彈出。

綜上分析可知,電磁變頻激振清篩裝置激振力有助于增大堵孔顆粒在變形周期內(nèi)向上或向下透篩的概率,提高篩分效率?？煽氐募ふ窳τ欣谔岣吆Y面加速度,促進(jìn)篩面種子松散分層,且篩分結(jié)束后,高頻的激振力將大幅度促進(jìn)篩面殘留種子脫離篩孔,實(shí)現(xiàn)篩面清理。針對(duì)不同種子物料,所需激振力及頻率略有不同,激振力過大、頻率過高將導(dǎo)致篩面種子運(yùn)移速度過快,降低透篩概率,影響實(shí)際篩分效果,需通過種子清選試驗(yàn)進(jìn)一步探明。

4 振動(dòng)激勵(lì)影響因素分析

測(cè)定篩面中心受激振后的加速度幅值,以表征清篩裝置對(duì)篩面的振動(dòng)激勵(lì)作用。通過改變電磁變頻激振清篩裝置彈簧預(yù)壓縮量(激振力)、激振頻率,對(duì)篩面進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試以探究?jī)梢蛩貙?duì)振動(dòng)激勵(lì)影響。

4.1 振動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由批次式種子清選機(jī)、振動(dòng)測(cè)試裝置組成。在篩分裝置運(yùn)行過程中,電磁變頻激振清篩裝置沖擊篩面,促進(jìn)篩面彈性振動(dòng)加速變形,增大篩面加速度,促進(jìn)物料分散、透篩。篩面尺寸為480 mm×250 mm,篩孔尺寸為φ7.5 mm。采用南京賀普科技有限公司生產(chǎn)的HP-ICP型加速度傳感器,數(shù)字信號(hào)經(jīng)HP-GLFDQ型模擬信號(hào)隔離放大器輸出至動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)處理。為探明激振作用下篩面加速度變化,將加速度傳感器布置于篩面中心點(diǎn)處,在作業(yè)過程中通過信號(hào)處理獲取篩面加速度時(shí)域信號(hào)[28],試驗(yàn)裝置如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

4.2 振動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)方法

對(duì)激振頻率進(jìn)行單因素試驗(yàn)時(shí),篩面振動(dòng)頻率為6 Hz,振幅6 mm,激振力調(diào)節(jié)為彈簧預(yù)壓縮2 mm,采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz,激振頻率分別為0.5、1、2、4 Hz;對(duì)彈簧預(yù)壓縮量進(jìn)行單因素試驗(yàn)時(shí),篩面振動(dòng)頻率為6 Hz,振幅6 mm,激振頻率保持1 Hz,采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz,預(yù)壓縮量分別為1、2、3、4 mm。

4.3 振動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)結(jié)果與分析

篩分裝置運(yùn)動(dòng)過程中,篩面自激振動(dòng)加速度變化如圖11所示,在1 s內(nèi)加速度變化周期為6次,與實(shí)際篩面振動(dòng)頻率規(guī)律一致,其加速度幅值僅為1.279 m/s2,無法實(shí)現(xiàn)對(duì)篩面物料的分散擾動(dòng),單純往復(fù)振動(dòng)下物料篩分效率及質(zhì)量較差,容易產(chǎn)生篩面擁堵。

圖11 篩面自激振動(dòng)加速度變化曲線

以激振頻率1 Hz、彈簧預(yù)壓縮量2 mm為例,激振瞬間篩面加速度變化曲線如圖12所示。頂柱撞擊后篩面瞬間發(fā)生形變,瞬時(shí)加速度達(dá)到最大值,并逐漸衰減,在激振裝置作用下篩面自激振動(dòng)不起主要作用,僅體現(xiàn)在加速度衰減過程中曲線波形的微小波動(dòng)。

圖12 激振瞬間篩面加速度變化曲線

激振頻率加速度單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示,當(dāng)彈簧預(yù)壓縮量為2 mm時(shí),加速度幅值隨激振頻率的增大而增大,總體呈現(xiàn)線性趨勢(shì),篩面加速度逐漸提高,物料分散程度增強(qiáng),透篩時(shí)間縮短;彈簧預(yù)壓縮量單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示,當(dāng)激振頻率為1 Hz時(shí),加速度幅值隨彈簧預(yù)壓縮量的增大而增大,總體呈現(xiàn)線性趨勢(shì),篩面加速度逐漸提高。清篩裝置振動(dòng)激勵(lì)作用隨兩因素的增大而增強(qiáng)。

圖13 加速度隨激振頻率變化曲線

圖14 加速度隨彈簧預(yù)壓縮量變化曲線

激振力作用時(shí),篩面加速度可達(dá)篩面自激振動(dòng)的30～40倍,可在激振瞬間充分?jǐn)_動(dòng)分散物料,改變其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),提高篩面受激區(qū)域加速度,并傳遞給種子顆粒,改善其單一的近似直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),提高種子與篩孔接觸概率,增大篩面種子透篩概率,降低卡種幾率,合適的瞬時(shí)加速度有利于篩分效率及篩分質(zhì)量的提升,但針對(duì)不同種子物料,篩面加速度過大會(huì)導(dǎo)致種子運(yùn)動(dòng)速度過快,減少其在篩面運(yùn)動(dòng)時(shí)間,不易與篩孔接觸透篩,降低篩分質(zhì)量,故需要進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)確定適宜不同種子物料的最佳激振參數(shù)。

5 玉米種子清選試驗(yàn)

為探究電磁變頻激振清篩裝置激振力及工作頻率對(duì)種子清選清篩過程的影響,以彈簧預(yù)壓縮量(激振力)、工作頻率為因素,種子凈度、篩分效率、卡種數(shù)量為指標(biāo)進(jìn)行全因素試驗(yàn),以獲得電磁變頻激振清篩裝置針對(duì)玉米種子清選的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)。

5.1 清選試驗(yàn)條件

將電磁變頻激振清篩裝置安裝于批次式種子清選機(jī)篩分裝置的篩片下,前期預(yù)試驗(yàn)表明,激振清篩單體的頂柱頭部與篩片緊密貼合時(shí)作業(yè)效果較好,安裝時(shí)通過調(diào)節(jié)激振裝置安裝板位置使頂柱與篩片緊密貼合,試驗(yàn)裝置如圖15所示。2022年6月在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院試驗(yàn)室開展玉米種子清選試驗(yàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[7]確定針對(duì)玉米種子的適宜工作參數(shù)及篩片選取,采用圓孔篩片組合,上篩φ12 mm、下篩φ7.5 mm。玉米種子品種為稷秾101,千粒質(zhì)量為362 g,初始凈度92%,含水量10.8%。種子清選機(jī)工作參數(shù)為振幅6 mm,振動(dòng)頻率6 Hz,篩面傾角3.5°,給料速度0.06 kg/s。試驗(yàn)前配制9 kg初始凈度為92%的玉米種子,混拌均勻后,每批次取3 kg進(jìn)行試驗(yàn),同一試驗(yàn)條件重復(fù)3批次,取均值為試驗(yàn)結(jié)果。其他儀器設(shè)備有電子秤、轉(zhuǎn)速計(jì)、傾角儀、計(jì)時(shí)器等。

圖15 批次式種子清選機(jī)

5.2 清選試驗(yàn)設(shè)計(jì)

種子清選清篩性能試驗(yàn)以前述清選機(jī)工作參數(shù)完成清選作業(yè),通過調(diào)節(jié)電磁變頻激振清篩裝置的彈簧預(yù)壓縮量來改變激振力,調(diào)節(jié)電磁鐵通斷電頻率改變工作頻率,進(jìn)行二因素四水平全因素試驗(yàn),根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果,確定彈簧預(yù)壓縮量為1～4 mm,工作頻率為0.5～5.0 Hz。試驗(yàn)因素水平表如表2所示[29]。

表2 試驗(yàn)因素水平

清選作業(yè)結(jié)束后,傳感器2檢測(cè)到篩面無種子流動(dòng)時(shí),電磁變頻激振清篩裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率為清篩頻率(50 Hz),完成篩面滯留種子的清理。分別統(tǒng)計(jì)各組參數(shù)下清選作業(yè)后玉米種子的凈度、篩分效率、篩分時(shí)間及卡種數(shù)量,以期優(yōu)選適用玉米種子清選的電磁變頻激振清篩裝置作業(yè)參數(shù),并驗(yàn)證其對(duì)種子清選過程的促進(jìn)效果以及作業(yè)結(jié)束后的篩面清理效果。

5.3 清選試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)種質(zhì)材料清選要求,參考GB/T 5983—2013《種子清選機(jī)試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,確定種子清選試驗(yàn)指標(biāo)為凈度SJ、篩分效率SX、篩分時(shí)間ST、篩面卡種數(shù)量SG。篩分時(shí)間ST為供料開始至清選結(jié)束所用時(shí)間?？ǚN數(shù)量SG為清篩結(jié)束后篩面堵孔種子數(shù)量。

凈度SJ計(jì)算式為

(18)

式中W——合格種子出料口排出的種子質(zhì)量,kg

W1——合格種子中雜質(zhì)質(zhì)量,kg

篩分效率SX計(jì)算式為

(19)

式中Z1——實(shí)際篩出的雜質(zhì)質(zhì)量,kg

Z2——種子物料實(shí)際所含雜質(zhì)總質(zhì)量,kg

5.4 清選試驗(yàn)結(jié)果與分析

以彈簧預(yù)壓縮量、工作頻率為因素,以凈度、篩分效率、篩分時(shí)間、卡種數(shù)量為指標(biāo),開展二因素四水平全因素試驗(yàn)。試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

凈度、篩分效率、篩分時(shí)間方差分析如表4～6所示。對(duì)于凈度,試驗(yàn)因素X1不顯著,X2極顯著,模型極顯著;對(duì)于篩分效率,試驗(yàn)因素X1顯著,X2極顯著,模型極顯著;對(duì)于篩分時(shí)間,試驗(yàn)因素X1和X2極顯著,模型極顯著,針對(duì)3個(gè)指標(biāo),模型均有效。

表4 凈度方差分析

表5 篩分效率方差分析

表6 篩分時(shí)間方差分析

當(dāng)彈簧預(yù)壓縮量為2 mm時(shí),凈度、篩分效率隨工作頻率變化曲線如圖16所示。各組凈度及篩分效率均隨工作頻率的增大先增大后減小,工作頻率過低時(shí)玉米種子無法得到有效分散,篩面加速度不足,降低透篩概率,影響篩分質(zhì)量,清選后期階段篩面少量種子難以快速透篩,延長(zhǎng)批次作業(yè)時(shí)間,影響作業(yè)效率,效果較差;工作頻率達(dá)到3.5 Hz時(shí)作業(yè)效果較好,種子分散程度合適,透篩概率增大,清選作業(yè)效率及質(zhì)量均有所提高;而繼續(xù)增大激振頻率至5 Hz后篩面種子運(yùn)動(dòng)速度過快,與篩孔接觸概率降低,種子過于活躍導(dǎo)致透篩概率下降,清選質(zhì)量降低。綜上可知,3.5 Hz為適宜玉米種子清選作業(yè)的工作頻率。

圖16 彈簧預(yù)壓縮量為2 mm時(shí)凈度和篩分效率隨工作頻率變化曲線

當(dāng)工作頻率為0.5 Hz時(shí),凈度、篩分效率隨預(yù)壓縮量變化曲線如圖17所示。隨著彈簧預(yù)壓縮量的增大,凈度及篩分效率逐漸增大,較低頻率下需要較大激振力才能使種子物料分散透篩;且較大激振力可加快清選后期階段剩余種子透篩,縮短作業(yè)時(shí)間提高清選作業(yè)效率,但由于工作頻率過低,作業(yè)效果不佳。

圖17 工作頻率為0.5 Hz時(shí)凈度和篩分效率隨預(yù)壓縮量變化曲線

當(dāng)工作頻率為3.5 Hz時(shí),凈度、篩分效率隨預(yù)壓縮量變化曲線如圖18所示。隨著彈簧預(yù)壓縮量的增大,激振力增大,篩面瞬時(shí)加速度增大,清選后種子凈度及篩分效率先增大后減小。分析可知,預(yù)壓縮量較小時(shí),激振力較小不利于分散種子物料,需增大激振力以提高清選效果,而激振力過大會(huì)導(dǎo)致種子運(yùn)動(dòng)速度過快,通過篩面用時(shí)過短,降低接觸篩孔幾率,導(dǎo)致清選效果下降。

圖18 工作頻率為3.5 Hz時(shí)凈度和篩分效率隨預(yù)壓縮量變化曲線

分析各組數(shù)據(jù)中篩分時(shí)間變化可知,預(yù)壓縮量1 mm下采用各工作頻率清選作業(yè)后期所需時(shí)間較長(zhǎng),而增大壓縮量至2 mm后,在工作頻率3.5 Hz下作業(yè)時(shí)間并無差別,均可在較短時(shí)間內(nèi)促進(jìn)剩余種子透篩出料。分析各組數(shù)據(jù)卡種數(shù)量變化可知,清選作業(yè)結(jié)束后自動(dòng)調(diào)節(jié)激振清篩裝置頻率至50 Hz(清篩頻率)可有效清理篩面殘留玉米種子,僅在壓縮量為1 mm時(shí)有1～2粒種子殘留,其余工況下均可實(shí)現(xiàn)篩面完全清理。如圖19所示,紅圈內(nèi)篩面堵孔種子在激振清篩裝置清篩頻率強(qiáng)振下彈出篩孔,實(shí)現(xiàn)篩面無種子殘留。故綜合分析預(yù)壓縮量2 mm為適宜玉米種子清選的較優(yōu)設(shè)置。

圖19 清篩過程

綜上所述,針對(duì)玉米種子,預(yù)壓縮量2 mm、工作頻率3.5 Hz、清篩頻率50 Hz時(shí)可達(dá)到較優(yōu)作業(yè)效果,清選后種子凈度99.1%,篩分效率88.6%,篩分時(shí)間70 s;清選結(jié)束后自動(dòng)調(diào)節(jié)激振清篩裝置頻率至清篩頻率,可有效清理篩面滯留種子,卡種數(shù)量為0,作業(yè)效果良好,滿足種子清選機(jī)國(guó)標(biāo)要求。

6 結(jié)論

(1)針對(duì)橡膠球清篩裝置清篩激勵(lì)不可控等問題,設(shè)計(jì)了一種電磁變頻激振清篩裝置,闡述了總體結(jié)構(gòu)與工作原理,設(shè)計(jì)了激振清篩單體與變頻激振控制系統(tǒng),通過分段設(shè)置工作頻率與清篩頻率,實(shí)現(xiàn)了清篩裝置激振力的精準(zhǔn)調(diào)控。

(2)分析了振動(dòng)激勵(lì)作用機(jī)制;以篩面中心加速度為指標(biāo),研究了彈簧預(yù)壓縮量與激振頻率對(duì)振動(dòng)激勵(lì)的影響規(guī)律,結(jié)果表明兩者均與振動(dòng)激勵(lì)正相關(guān),經(jīng)激振作用后篩面加速度提高,有助于提高篩面種子分散程度,促進(jìn)種子清選作業(yè)。

(3)以凈度、篩分效率、篩分時(shí)間、卡種數(shù)量為指標(biāo)開展了16組玉米種子清選試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明彈簧預(yù)壓縮量為2 mm、工作頻率為3.5 Hz、清篩頻率為50 Hz時(shí)清篩裝置具有較好的作業(yè)效果,種子凈度99.1%,篩分效率88.6%,篩分時(shí)間70 s,卡種數(shù)量為0,分段自動(dòng)調(diào)控工作頻率與清篩頻率,實(shí)現(xiàn)了清篩激振力精準(zhǔn)調(diào)控,提高了批次式種子清選機(jī)作業(yè)性能,實(shí)現(xiàn)清選作業(yè)后篩面無種子殘留。