摘要：风筛选是谷物收获清选过程中不可缺少的一道工序，收获后的种粒混合物中含有其他作物种子，夹杂以及破碎粒等，必须进一步加工才能符合要求。我国种子加工设备历经多年发展，风筛选系列产品向每小时处理量更大方向发展，大幅提升了我国种子加工技术水平。与此同时小型种子加工机械由于需求开发不充分，单价不高等原因，依然沿用20世纪90年代的设计。原设计具有振动平衡不合理，筛箱部分需要较高的加工精度，国产替代材料不可靠等问题。本次产品主要改进方向为：第一，完善设备自平衡能力，减小工作中的振动噪音；第二，采用新型耐磨材料夹紧筛面，替代原方案木质筛结构，增加获选率并减少遗撒率；第三，重新设计沙克龙除尘器，优化风道布局。

　　关键词：5XFS-1；风筛清选机；研制

　　5XFS-1型风筛清选机，主要用于实验室环境下的小批量加工，适合清选各类谷物种子、牧草种子、花卉蔬菜及药材种子，以及其他颗粒物。本文介绍了整机的基本结构和工作原理，并重点介绍喂料系统、筛选系统、动力系统、风选系统的参数计算。对小麦种子进行试验，并检测主要技术参数为获选率99%，净度98%，有害杂草籽清除率90%，破损率0.02%，噪声65db。

　　1风筛清选机的基本结构及工作原理

　　风筛式清选机主要由机架、振动喂料系统、筛选系统、动力系统、风选系统及电控系统组成。

　　入料斗及振动给料器固定于机架上。物料进入喂料斗中，通过振动给料器输送到前风道内，喂料斗出口处设置有齿轮齿条带动的开关门机构，用于调节入料流量。物料经过前风道的风选后，初步去除轻杂，其余物料落入筛选系统中进行筛选。筛选系统总计三层筛片，经过筛分系统可把物料分为4级，即大杂、中杂、好料、小杂。筛选后的大杂、中杂、小杂分别通过振动流入到相应的料杯中，只有好料经过后风道风选，最终从正向出口排出所需物料。

　　2进口风筛清选机的不足

　　2.1驱动及传动不稳定，使用时振动较大

　　原因为筛箱通过电工弹簧板固定在机架上，电机带动偏心轮作为动力，驱动筛箱进行往复动作。由于弹簧板作为支撑，需要一定的刚度，且弹簧板需要产生形变用于弥补偏心轮受力，所以弹簧板又需要较软，这就带来了取材特性不可控的麻烦。使用一段时间后，固定弹簧板的螺栓孔不可避免地产生扩孔等问题，导致整机平衡性下降。筛箱重心较高，驱动受力在筛箱后下侧，导致筛箱有较强的倾覆力矩，从而造成振动左右不平衡。输出轴驱动筛箱为单轴形式，使得制造精度要求极高，需要花费很多时间来调节左右方向的动平衡。

　　2.2筛箱木质结构容易变形

　　使用木质结构的原因，整体筛箱仅通过四个弹簧板立在机架上，筛箱重量不得过大。但是木质结构会造成很大的使用困扰，如北方制作的时候湿度较低，木框开筛片沟槽安装顺利，但是发送货物到南方后，木材吸收水汽膨胀，导致几乎无法使用。木质筛框通过螺钉固定驱动连接板，驱动连接板连接驱动输出轴，木质筛框与连接板的寿命约800小时，在此之后会有不可修复的松动。在筛框附近的变形，会造成较多的卡种情况，需要抽出筛片进行清理，既增加了清理工作，又增加了混种风险。此款机型所需木材兼顾硬度，弹性，抗湿性等特性，小规模采购价格高昂。

　　2.3风道结构不合理

　　原设计风道的原理为，风机鼓风自下而上通过后风道，风量进入到集尘器后，从集尘器经过沙克龙，进入到风机入口，如果去掉前风道来看，风机和后风道总体为一个循环，可以稳定运作。但是前风道也有清选要求，方案为在集尘器上顶有天窗用于平衡气压，意图是泄掉后风道的风压，引入前风道为负压，形成清选效果。但是此意图并未实现，经过实验验证，风机入风风量大部分从天窗补入，进而减少了前后风道的通风效果，对清洗品质大打折扣。

　　2.4数字化显示不足

　　原有机型调节振动参数为旋钮形式，前后风道配比调节形式为手动阀门。风筛清选机一般使用于科研单位或者高附加值的蔬菜花卉种子清选，有较频繁的更换品种需求。当更换清选品种时需要及时调节振动频率，风门开合角度，如采用机械形式的旋钮不方便记录数据，并且复位精度不高，会产生前后批次加工质量不同。

　　3 5XFS-1设计参数

　　3.1物料的运动分析

　　物料的运动分析是确定动力系统及筛分系统的重要支撑，本设计采用四连杆机构，筛箱通过4组连杆固定在机架上，近似认为筛箱做直线往复运动。筛箱的摆动方向与水平夹角为α,筛面与水平夹角为ε,谷物与筛面的摩擦角为φ,为曲柄半径为r，曲柄角速度为ω。以筛箱中间位置作为位移的起始，则位移、速度、加速度与时间的关系为

　　X=-rcosωt

　　V==ωrsinωt j==ω2rcosωt

　　物料在筛面中上的滑动条件，质量为m的质点在筛面上，其受力为：

　　惯性力为：U=-mω2rcosωt

　　法向反力：N=m[ω2rcosωtsin(ε+α)+gcosα]摩擦力：F=Ntanφ

　　质点加速度：ma=ucos(ε+α)-mg sina-F可以得到质点在筛面上移动的极限条件为：ω2r/g≥sin(φ+α)/cos(ε+α+φ)

　　随着角速度ω的不断增大，法向反力N不断减少，当ω增至某一临界值，N=0即谷物抛离筛面。

　　物料在筛面上移动的速度，是保证良好分离特性的必要参数，当筛箱摆动方向角α与筛面水平夹角ε,曲柄半径为r，曲柄角速度为ω已定时，其速度与时间的关系为一固定正弦曲线。当筛子的加速度大于物料克服摩擦力的最小加速度，物料进行加速移动，筛子的加速度小于物料克服摩擦力的最小加速度时，物料与筛面相对静止。

　　筛子的运动参数应以最好的分离效果为前提，物料产生滑移是筛面运动参数的下限。然而物料通过速度并不是越高越好，当物料以较高的速度通过冲孔区域，会使其水平速度过大，跳过冲孔区域，造成分离不充分。

　　3.2喂入系统的设计

　　喂入系统决定了物料通过筛面的流量，直接影响筛分的效果。实验中，从零开始提高设备转速，物料分离程度随转速增加，但到达一定转速后，分离物反而减少，这是因为转速过高时，脱出物的运动速度太快，谷物来不及落入在孔内使分离效率下降。良好的喂入系统可以无极控制物料流速。

　　本设计的喂料系统为，物料在料仓内，而后通过一个手动闸门流入振动给料器槽内，通过振动给料器振动喂料到前风道系统中进行风选。振动给料器可以通过电控调节振幅来控制物料流速。手动闸门通过手柄带动齿轮齿条可以做到精准控制闸门开合。两者配合可以做到控制流速，配合达到良好筛分效果。

　　3.3筛箱的设计

　　本设计中，筛箱由4组带轴承连杆连接于机架上，底部与驱动系统连接。主要结构为筛箱左右板、辅助强度板、出料口、夹筛用尼龙导轨、流料趟板、尾部出料口，中间出料口、筛箱摆杆连接座、驱动连接座。

　　振动给料器喂入物料经过前风道进入到筛箱上筛上部，经筛箱振动，进行分级作业。筛面与水平呈3°,便于物料快速通过且不影响分级效果，大杂经过上筛上平面，进入到大杂质口排出。其余物料落入中筛上平面，再经过一次分级，中杂通过侧部的中杂出口排出。其余物料通过下筛，下筛上为好料层，好料通过振动通过前端好料出口，并进入后风选作业，其余小杂通过下筛下层，进入小杂出口，又侧面排出。

　　绿色的尼龙导轨作为夹筛，具有一定弹性形变能力，可以完好地传递振动力，并有一定的补偿效果。传统夹筛一般采用木质面配合或金属面夹具，木质面配合一般受制于空气湿度、阳光风化等因素，使用寿命较短。金属面夹具占据较大空间，夹紧力不足等缺点。尼龙导轨铣削成型，与筛框筛面配合，有较好的夹紧力，且换筛方便。当导轨破损后，仅4颗螺栓固定更换很方便。

　　3.4驱动及配重系统设计

　　驱动是风筛清选机的重要工作组件，是带动筛箱简谐振动的动力源。本设计采用驱动轴中间布置皮带轮传递动力，驱动杆左右对称布置。驱动轴带动偏心套，通过轴承连接的驱动杆，传递振动到筛箱和平衡块。本作采用两组驱动杆驱动筛箱，另外两组驱动平衡块，达到减震的目的。筛箱通过四组带轴承平衡杆悬挂在机架上，配重块通过同样长度的平衡杆，布置在机架平衡台面上，带轴承平衡杆为四连杆结构，采用四连杆位置转变完成弹簧板材料形变的效果。此种结构传递动力更加准确，对于制作要求和材料要求降低，因为其只有一个自由度的运动轨迹，完全杜绝了侧向的振动。电机启动后，筛箱与配重块运动方向呈相位角180°,前后方向的振动也基本平衡。3.5风选系统的设计

　　风选是用于清选干瘪粒的最有效的手段，一般筛分区分不明显的杂质，通过风选可获得良好效果。采用压缩式垂直气流分离模式，通过不同作物间漂浮速度的不同，作为分离依据。查阅农机手册，小麦谷粒漂浮速度为8.05~12.25m/s灰尘不饱满颗粒约为3~5m/s，根据不同作物的漂浮速度来确定实际工作风速，同时设备可通过电动阀门改变工作风速。

　　风选系统的工作原理为，前后风道共同连通到沙克龙除尘器的入风口，沙克龙除尘器出风口连接风机，由风机提供空气动力，同时风机出口连通后风道。系统分别有四处可调节的地方。分别是1后风道调节阀、3前风道调节阀、7下出口风阀、9总调节阀。当全部调节均打开时，此为标准工况，由于前风道较短，风阻较小，流经前风道的风量会比后风道大，此时调节前后两个风量阀门，用于平衡前后风道风量。当清选作物漂浮速度较小时，前后风道再调节也高于作业要求，此时需调节总风量调节阀，关闭一部分使风量减小。

　　本设计的改进点为，增加了下出风口的比例调节阀。下出风口比例调节阀的意义是把大部分风压扩散到地上，使得前后风道整体以负压运作。把之前的风机到后风道为一个循环系统，改变为一个开放式系统，即风机出口直接连通大气，风机入口连通到风选集尘室，再由前后调节阀去分配到前后风道比例。此改动的优势为，整体风道的压力和风速方便计算，控制精准。

　　3.6沙克龙的设计

　　一般工业用沙克龙尺寸较大，为满足实验室设备除尘需求，设计小型沙克龙除尘器。除尘器存在如下几个压力损失点位。首先，短路涡流排气管外壁与筒体内壁之间，由于径向速度与轴向速度的存在，因此形成局部上涡流，夹带着相当数量的粉尘颗粒向中心流动并沿着排气管外表面下降，最后随上升流逃逸出排气管，从而降低除尘效率。其次，外旋气流与局部涡流由于除尘器壁面的不光滑，如突起、焊缝等，可产生与主流方向垂直的涡流。再次，纵向漩涡流纵向旋涡流是以旋风除尘器内、外旋流分界面为中心的器内再循环而形成的纵向流动。最后，底部夹带涡流旋流在锥体底部向上翻转时，也可以产生局部涡流将粉尘颗粒重新卷起，形成二次夹带。

　　依据以上主要压力损失点位，及相关经验公式。确定沙克龙除尘器的主要参数为Dc出风管径为120mm、Do沙克龙直径为300mm、a×b进风口方口管径为60mm×130mm、L垂直段高度为250mm、H总高度为630mm、Dd出杂口直径为163mm。

　　3.7电控系统

　　本设计可以控制的点位有，筛箱振动频率、总风量调节阀、前风道调节阀、后风道调节阀、下出风口调节阀。全部可以调节的位置均有数字显示反馈到控制屏幕。配有前后风道风速仪，可实时读取当前风道的风速，更加科学化地调控风阀。支持保存多个配方储存并命名，支持一键调取配方。

　　4使用效果

　　经过多批次、多种物料实验，本设备达到设计要求。可以达到在使用工况下，机架保持平稳，筛箱运转平顺，无前后及左右方向偏移。振筛走料速度约0.3m/s，筛箱内除筛片孔内，无存籽现象，橡胶球清筛效果满意。整机运转时无向外遗撒物料的情况。前后风道均可达到理论设计要求的12m/s风速，可以按照风阀的比例配比风量，调节总风量调节阀，前后风道风速均下降。运转300小时后，部件无明显损伤，可靠性较好。运转时噪音小于65db，以小麦为标定物，每小时可处理300kg物料，获选率99%，净度98%，有害杂草籽清除率90%，破损率0.02%。设备总功率为2.2kW。

　　5结论

　　新型5X-1型风筛清选机是新一代小型加工设备，清选质量高，易于清理维护，混杂率低，平衡好噪音低，能满足小批量实验或加工生产的需求，可满足各类花卉、果蔬、药材等种子精选。各类指标均满足国标要求。

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