王立軍 李 瑞 于泳濤 沈?qū)毶?劉天華

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.黑龍江農(nóng)墾八五二農(nóng)場， 雙鴨山 155600)

0 引言

玉米聯(lián)合收獲機中清選裝置的性能是影響整機作業(yè)性能的重要因素之一[1]，而振動篩的篩分性能決定了清選裝置清選性能的優(yōu)劣。目前，玉米聯(lián)合收獲機中清選裝置大多采用雙層平行式平面往復(fù)振動篩，這類清選裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于實施，但難以實現(xiàn)脫出物在篩面上的快速均布；當篩面上物料層堆積較厚或被篩物料的含水率較高時，不能有效分層，并易堵塞篩孔，對清選裝置的篩分效果及效率影響較大[2-4]。

為提高振動篩篩分性能，國內(nèi)外學(xué)者在振動篩驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計和振動篩機構(gòu)運動特性分析等方面進行了大量研究[5-17]。

在振動篩驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計方面，覃玉祝等[5]基于曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計了一種單層混沌振動篩；王成軍等[6]采用3-PRRR-R(4R)混聯(lián)結(jié)構(gòu)作為激振主體，設(shè)計了三平移一轉(zhuǎn)動單層振動篩，研究了多個工況下物料顆粒的篩分性能指標以及物料在篩面上的運動規(guī)律；王立軍等[7]設(shè)計了一種三平移兩轉(zhuǎn)動的玉米清選振動篩驅(qū)動機構(gòu)，并確定了該機構(gòu)的最佳工作參數(shù)；李菊等[8]對四自由度振動篩的理想運動形式進行研究，據(jù)此設(shè)計了一種三平移一轉(zhuǎn)動的單層并聯(lián)振動篩，并試驗證明四維振動形式篩分性能最佳；李耀明等[9]根據(jù)3條空間支鏈構(gòu)成的三平移并聯(lián)振動篩，提出了不同支鏈初始相位、振幅等因素對單層振動篩篩分效率影響的主次順序；PAUL等[10]設(shè)計了一種雙層香蕉篩，并對其篩分性能進行研究；MAKINDE等[11]通過對振動篩結(jié)構(gòu)改進，研究了振動篩的優(yōu)化性能；GUNAJI等[12]研究了篩面傾斜角度對振動篩篩分效率的影響；AKBAR等[13]基于DEM分析了不同參數(shù)對篩分效率和篩面磨損的影響。

在振動篩機構(gòu)非簡諧運動特性分析方面，沈惠平等[14]分析了并聯(lián)運動振動篩的篩分運動，獲得篩面運動軌跡為空間復(fù)雜曲線，且篩面各點運動不一致；劉初升等[15]通過對弛張篩篩面動態(tài)特性進行研究，獲得了沿篩面長度方向各點的位移、速度、加速度的計算公式及其分布規(guī)律，表明沿篩面長度方向各點處運動不相同；SONG等[16]基于多自由度動力學(xué)原理提出了一種三自由度混沌振動篩，以提高濕原煤精確篩選，并對篩面運動方程進行推導(dǎo)，利用Matlab編程，模擬獲得篩面實際運動曲線為高次諧波曲線；JIANG等[17]提出了一種雙軸激勵驅(qū)動的單層等厚振動篩，以提高處理大量物料和高水分物料時的篩分效率，并建立了振動篩運動方程，根據(jù)擬合結(jié)果分析篩面運動為非簡諧運動。

現(xiàn)有振動篩研究大多針對單層篩面或平行安裝的雙層篩面，從視篩面運動為簡諧運動(即篩面上任一點的運動均相同，篩面傾角在篩分過程中保持不變)，到確定振動篩篩面實際運動為非簡諧周期運動，已取得了大量的研究成果。本文對曲柄滑塊式振動篩驅(qū)動方式進行改進，設(shè)計一種多自由度玉米清選振動篩驅(qū)動機構(gòu)，并利用矩陣分析法分析篩面實際運動情況。通過臺架試驗對篩體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以期獲得結(jié)構(gòu)合理、性能較優(yōu)的驅(qū)動機構(gòu)。

1 振動篩驅(qū)動機構(gòu)

由于雙層平行式平面往復(fù)振動篩只能實現(xiàn)篩面水平和豎直方向的平動，不易實現(xiàn)玉米脫出物在篩面的快速均布。因此，本文設(shè)計一種多自由度振動篩驅(qū)動機構(gòu)，在平面運動的基礎(chǔ)上增加篩面橫向運動及篩面擺動，以有效加快玉米脫出物的均布及分層，提高清選裝置的篩分性能。

1.1 機構(gòu)設(shè)計

振動篩驅(qū)動機構(gòu)三維圖如圖1所示，其主要由篩架、偏置曲柄滑塊驅(qū)動機構(gòu)、篩面以及球鉸桿組成，驅(qū)動機構(gòu)投影簡圖如圖2所示。上、下篩面分別以一定角度傾斜安裝，曲柄以一定角速度轉(zhuǎn)動，在曲柄的推動下連桿帶動滑塊沿傾斜滑道運動；篩面前、后端分別與滑塊、球鉸桿連接，以實現(xiàn)上篩和下篩沿x、y方向的往復(fù)運動；滑道側(cè)面與篩箱側(cè)板呈一定夾角可以實現(xiàn)篩面沿z方向的往復(fù)運動。由于上、下篩做相對運動，可防止兩篩之間堵塞或篩孔堵塞，利于清選，亦可部分平衡慣性力，減少機器振動[18]，所以本機構(gòu)中上、下滑道采取反向布置方式，上、下滑塊的運動相位差為π。本課題組在前期的研究中發(fā)現(xiàn)在實際篩分過程中篩面運動并非簡諧運動，其傾角也非固定不變的而是呈周期性連續(xù)變化[7,19]，故本機構(gòu)可實現(xiàn)篩面沿x、y、z3個方向的平動以及繞z軸的擺動。

圖1 振動篩驅(qū)動機構(gòu)三維圖Fig.1 Three-dimensional diagram of driving mechanism of vibrating screens1.上篩偏心輪 2.篩架 3.上篩連桿 4.上篩滑道 5.直線軸承 6.上篩 7.球鉸吊桿 8.球鉸支撐桿 9.下篩 10.主軸 11.滑塊 12.下篩滑道 13.下篩連桿 14.下篩偏心輪

圖2 振動篩驅(qū)動機構(gòu)投影簡圖Fig.2 Projection sketches of driving mechanism of vibrating screens

1.2 運動分析

由驅(qū)動機構(gòu)在xOy平面投影簡圖，根據(jù)滑道水平傾角γ繪制局部參考坐標系x′Oy′，如圖2a所示，圖中l(wèi)11、l21、l31、l41、l51、l12、l22、l32、l42、l52為機構(gòu)各桿長度(包含虛擬桿)，θ′1、θ′2分別為曲柄OB、連桿BC與x′軸的夾角。

驅(qū)動機構(gòu)在x′Oy′平面投影運動方程為

l11+l21=s1+e1

(1)

(2)

式中s1——上滑塊位移在xOy面投影長度，mm

e1——驅(qū)動機構(gòu)的偏距投影長度，mm

將式(2)對時間t求一階導(dǎo)數(shù)，得

(3)

s′1=l11cosθ′1ω1+l21cosθ′2ω2

(4)

將式(2)對時間t求二階導(dǎo)數(shù)，得

(5)

(6)

式中ω1——曲柄OB角速度，rad/s

ω2——連桿BC角速度，rad/s

α1——曲柄OB角加速度，rad/s2，當曲柄勻速轉(zhuǎn)動時，α1=0

α2——連桿BC角加速度，rad/s2

(7)

式中θi——機構(gòu)各桿與x軸的夾角，rad

篩面在xOy平面投影運動方程為

l31+l41=l11+l21+l51

(8)

(9)

將式(9)對時間t求一階導(dǎo)數(shù)，由圖2a可知，θ5是篩后機架吊掛點與主軸回轉(zhuǎn)中心連線與x軸的夾角，其為定值，故求導(dǎo)得

(10)

將式(9)對時間t求二階導(dǎo)數(shù)，得

(11)

根據(jù)式(11)可知，振動篩在篩分過程中篩面角加速度α3是變化的，其決定篩面傾角θ3變化的速度，故篩面傾角θ3并非定值而是時刻變化的。桿件長度lij、桿件夾角θi、桿件角速度ωi及桿件角加速度αi對篩面角加速度變化產(chǎn)生影響，從而影響篩面傾角的變化。其中，l31為篩面長度、l51為機架吊掛點與主軸回轉(zhuǎn)中心的連線長度，二者均為定值，在不改變原動件運動參數(shù)的條件下，改變驅(qū)動機構(gòu)桿件長度則直接改變了各桿件與x軸的夾角θi，從而對桿件角速度ωi及桿件角加速度αi產(chǎn)生影響。因此，l11、l21、l41是對篩面傾角變化產(chǎn)生影響的直接因素。由于本驅(qū)動機構(gòu)是對偏置曲柄滑塊機構(gòu)的改進，其滿足偏置曲柄滑塊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系，故l11、l21的變化導(dǎo)致偏距e1的變化，直接反映為篩面安裝間距的不同；l41為篩后吊掛球鉸桿長度，l41的長度直接決定了篩面安裝傾角的大小，因此有必要研究篩面安裝間距及篩面安裝傾角的變化對篩分性能的影響。

根據(jù)投影分析得

vx=s′1cosα

(12)

vy=s′1sinα

(13)

vz=vytanβ=s′1sinαtanβ

(14)

ax=v′x=s″1cosγ

(15)

ay=v′y=s″1sinγ

(16)

az=v′z=s″1sinγtanβ

(17)

(18)

(19)

式中β——滑道側(cè)向傾角，rad

γ——滑道與水平面夾角，rad

vx——滑塊沿x方向的速度分量，m/s

vy——滑塊沿y方向的速度分量，m/s

vz——滑塊沿z方向的速度分量，m/s

ax——滑塊沿x方向運動加速度分量，m/s2

ay——滑塊沿y方向運動加速度分量，m/s2

az——滑塊沿z方向運動加速度分量，m/s2

v——滑塊運動的合速度，即篩面前端鉸接點合速度，m/s

a——滑塊運動的合加速度，即篩面前端鉸接點合加速度，m/s2

根據(jù)式(14)～(17)分析可知，在機構(gòu)xy方向振幅與雙層平行式平面往復(fù)振動篩一致的情況下，本機構(gòu)可通過調(diào)節(jié)滑道側(cè)向傾角β改變篩面橫向振幅，因此有必要研究篩面橫向振幅對篩分性能的影響。

篩面不存在繞x向和y向的旋轉(zhuǎn)，故沿篩面橫向上各點運動一致；篩面存在繞z向的擺動，故沿篩面縱向上各點的運動存在差異。

篩面縱向上一點M在xOy平面投影運動方程為

(20)

式中XM——篩面縱向上任一點M的x坐標值

YM——篩面縱向上任一點M的y坐標值

lM——篩面縱向任一點M與篩面前端鉸接點距離

將式(20)對時間t求一階導(dǎo)數(shù)，得

(21)

式中vXM——篩面縱向上任一點M沿x方向的速度分量，m/s

vYM——篩面縱向上任一點M沿y方向的速度分量，m/s

將式(20)對時間t求二階導(dǎo)數(shù)，得

(22)

篩面縱向上任意點M的運動方程為

vZM=vz

(23)

(24)

aZM=az

(25)

(26)

式中vZM——篩面縱向上任意點M沿z方向的速度分量，m/s

vM——篩面縱向上任意點M的合速度，m/s

aXM——篩面縱向上任意點M沿x方向的加速度分量，m/s2

aYM——篩面縱向上任意點M沿y方向的加速度分量，m/s2

aZM——篩面縱向上任意點M沿z方向的加速度分量，m/s2

aM——篩面縱向上任意點M的合加速度，m/s2

簡諧運動的變化規(guī)律必滿足正余弦曲線運動形式，根據(jù)以上分析，篩面運動并非簡諧運動的簡單疊加，其運動方程并非正余弦方程；此外，本機構(gòu)運動過程中帶動篩面實現(xiàn)往復(fù)式周期運動，所以在該驅(qū)動機構(gòu)帶動下篩面運動為非簡諧周期性運動，且篩面運動狀態(tài)與篩面安裝間距、上篩面安裝傾角、篩面橫向振幅均存在關(guān)系。

1.3 參數(shù)確定

圖3中，假設(shè)曲柄OB長度為l1j，連桿BC長度為l2j,偏距投影為ej，滑塊位移投影為sj。偏置曲柄滑塊機構(gòu)曲柄l1j的尺寸區(qū)間應(yīng)滿足[20]

(27)

式中θ——極位夾角，rad

圖3 偏置曲柄滑塊機構(gòu)原理圖Fig.3 Schematic of offset crank-slider mechanism

在△OC1C2中，根據(jù)三角形余弦定理,有

(28)

將式(28)變形得

(29)

根據(jù)余弦定理，有

(30)

鑒于雙層篩上篩的運動對清選裝置的性能起主要作用，為對比研究雙層不平行振動篩與雙層平行式平面往復(fù)振動篩中上篩的篩分性能，上、下篩面位置以雙層平行式平面往復(fù)振動篩篩面位置為基準。根據(jù)式(29)可知，設(shè)計變量l1j、l2j、ej、sj中有3個為獨立設(shè)計變量[22]。由于s2已確定，取另外兩個變量l12、l22為獨立設(shè)計變量，并以現(xiàn)有機構(gòu)尺寸參數(shù)作為參考，根據(jù)式(29)進行計算，不滿足式(27)則修改尺寸值重復(fù)計算，在滿足式(27)的條件下得到e2。根據(jù)計算結(jié)果對驅(qū)動機構(gòu)進行虛擬樣機裝配，對裝配結(jié)果進行測量，當兩種機構(gòu)下篩位置相同時，最終獲得l12為16.5 mm，l22為250 mm，e2為133 mm。在下篩驅(qū)動機構(gòu)尺寸參數(shù)l12、l22、e2確定后，選擇獨立設(shè)計變量l11、l21，利用相同的方法進行計算、裝配、測量，獲得滿足上篩面安裝間距所對應(yīng)的上篩驅(qū)動機構(gòu)尺寸l11、l21、e1。當l11、l21、e1尺寸確定后，則驅(qū)動機構(gòu)的各桿件長度相應(yīng)確定。

2 單因素試驗

2.1 清選裝置參數(shù)及試驗材料

2.1.1清選裝置參數(shù)

6行玉米籽粒聯(lián)合收獲機清選裝置主要參數(shù)為長度1 850 mm，高度925 mm，篩面長度1 360 mm，上、下篩面安裝傾角均為3.5°，兩篩面前端的安裝間距為300 mm。機器實際作業(yè)時振動篩主軸轉(zhuǎn)速為310 r/min，風(fēng)機入口氣流速度為9.6～16.0 m/s，風(fēng)機入口導(dǎo)風(fēng)板角度可在20°～30°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)[21，23]。由于本裝置中風(fēng)機為反轉(zhuǎn)出風(fēng)，因此風(fēng)機下部為出風(fēng)主體，通過測量得風(fēng)機下殼體角度為25°，為保證風(fēng)機入口導(dǎo)風(fēng)板對氣流速度的影響最小，本文取風(fēng)機入口導(dǎo)風(fēng)板角度為25°。

由于圓孔篩加工方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，清選后籽粒含雜率較低，本文選擇圓孔篩作為清選篩，選用貝殼篩作為尾篩對雜余進行推送。雙層不平行振動篩驅(qū)動機構(gòu)如圖4所示。

圖4 雙層不平行振動篩驅(qū)動機構(gòu)Fig.4 Driving mechanism of double-layer non-parallel vibrating screens

2.1.2試驗材料

玉米脫出物的喂入量為5.05 kg/s(玉米籽粒、玉米莖稈、玉米芯、輕質(zhì)雜余的質(zhì)量分數(shù)分別為73%、17%、9%、1%)，以0 m/s的初速度從上篩前端喂入[21]。

2.1.3試驗因素

由于氣體流速會對清選裝置的篩分性能產(chǎn)生影響，利用CFD-DEM耦合方法對清選裝置內(nèi)氣流場進行仿真，當風(fēng)機入口氣流速度為16.0 m/s時，在不改變風(fēng)機入口位置的條件下，根據(jù)圖5仿真結(jié)果可知，篩面處于不同位置時會對清選裝置內(nèi)氣流場產(chǎn)生影響，進而影響篩分性能。

圖5 篩面不同安裝間距清選裝置內(nèi)氣體速度分布Fig.5 Velocities distribution of airflow in cleaning device with different installation spacings of sieve

鑒于新機構(gòu)要應(yīng)用到樣機中，為確定雙層不平行振動篩中篩面安裝間距、上篩面安裝傾角、篩面橫向振幅對篩分性能的影響，進行試驗研究。單因素試驗中的參數(shù)以現(xiàn)有清選裝置中各參數(shù)為基準，以箱體尺寸為界限，確定因素的其他水平，進而進行單因素試驗研究，并為多因素試驗提供依據(jù)。

2.2 上篩面安裝傾角對篩分性能的影響

根據(jù)新機構(gòu)的理論分析可知，篩分過程中篩面傾角是變化的，篩面各點運動不一致，且篩面安裝傾角的不同會對篩面傾角變化產(chǎn)生影響，因此選取上篩面安裝傾角為因素進行試驗，分析其對篩分性能的影響。

根據(jù)篩箱邊界尺寸確定單因素試驗中篩面最大安裝傾角為5.5°，以雙層平行式平面往復(fù)振動篩中篩面安裝傾角3.5°為基準，確定單因素試驗中篩面最小安裝傾角為1.5°，在[1.5°,5.5°]范圍內(nèi)設(shè)計5個水平(1.5°、2.5°、3.5°、4.5°、5.5°)進行單因素試驗。本文通過改變吊掛球鉸桿l41的長度(172、153、134、115、96 mm)實現(xiàn)上篩面安裝傾角的調(diào)節(jié)。

在篩面安裝間距為300 mm，下篩面安裝傾角為3.5°時，取上篩面安裝傾角為因素進行試驗。試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 上篩面安裝傾角對篩分性能的影響Fig.6 Effect of installation inclination of upper screen on screening performance

由圖6可得，當上篩面安裝傾角由1.5°增大到5.5°時，籽粒損失率由1.90%增至4.31%，籽粒含雜率由3.79%先減小到2.36%后增至3.13%。其主要原因是，隨著上篩面安裝傾角的增大，玉米脫出物在篩面被拋擲的強度不斷增強，其在篩面上的前進速度加快、松散程度增加，且雜余有效透篩面積和篩面傾角的變化幅度均減小，雜余透篩概率降低，使得籽粒含雜率降低，但上篩面安裝傾角的增大導(dǎo)致玉米脫出物在篩面上停留的時間縮短，降低了籽粒透篩的概率，使籽粒損失率增加，當籽粒損失率增大至一定程度后篩下雜余比例增加，使得籽粒含雜率隨之增大。

2.3 篩面安裝間距對篩分性能的影響

篩面不同間距配置方式對篩分作業(yè)過程有重要影響，當篩面安裝傾角在同一水平時，篩面安裝間距的改變影響清選裝置內(nèi)氣流場變化以及篩面與雜余出口間的相對位置，從而對籽粒損失率和含雜率產(chǎn)生影響。目前，篩面間距配置對篩分性能的影響未見報道。

根據(jù)篩箱邊界尺寸確定單因素試驗中篩面最大安裝間距為350 mm，以雙層平行式平面往復(fù)振動篩中篩面安裝間距300 mm為基準，確定單因素試驗中篩面最小安裝間距為250 mm，在[250 mm,350 mm]范圍內(nèi)設(shè)計5個水平進行單因素試驗。當篩面安裝間距的因素水平確定后，根據(jù)驅(qū)動機構(gòu)參數(shù)確定中的分析方法獲得不同篩面安裝間距所對應(yīng)的驅(qū)動機構(gòu)尺寸l11、l21、e1，并據(jù)此對臺架驅(qū)動機構(gòu)進行調(diào)試，通過調(diào)節(jié)吊掛球鉸桿l41長度使上篩面安裝傾角為3.5°，研究篩面不同間距配置對篩分性能的影響，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 不同篩面安裝間距所對應(yīng)的驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of drive mechanism corresponding to different screen mounting distances mm

在篩面安裝傾角為3.5°時，取篩面安裝間距為因素進行試驗，試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 篩面安裝間距對篩分性能的影響Fig.7 Effect of initial installation spacing of screen on screening performance

由圖7可得,當篩面安裝間距由250 mm增大到350 mm時，籽粒損失率呈先減小后增大的趨勢，籽粒含雜率呈先減小后增大的趨勢。其主要原因是，隨著篩面安裝間距的增大，篩面上氣流速度減小，導(dǎo)致篩上脫出物運動的加速度減小，籽粒透篩時間增加、透篩概率增大，損失率降低，篩下籽粒含量相較雜余含量增加，使含雜率降低；當篩面安裝間距繼續(xù)增加，篩面上氣流速度開始增大，篩上脫出物運動的加速度增大，籽粒透篩時間減小、透篩概率降低，損失率增加，篩下雜余含量相較籽粒含量增加，使含雜率增加。

2.4 篩面橫向振幅對篩分性能的影響

上、下滑道沿篩面橫向的反向傾斜布置，實現(xiàn)了篩面沿橫向的反向往復(fù)運動，更有利于玉米脫出物沿篩面均勻分散；但當橫向振幅過大時不僅造成篩分速度的大幅降低，還會降低篩下物料的清潔度[6]。劉曉飛等[24]通過分析不同篩面橫向振幅時小麥籽粒的篩分效率，獲得篩面最佳橫向振幅為2 mm。鑒于不同農(nóng)業(yè)物料間的特殊性和差異性，基于篩箱寬度與篩面寬度的尺寸界限，本文選擇篩面橫向振幅為2～10 mm，在[2 mm,10 mm]范圍內(nèi)設(shè)計5個水平(2、4、6、8、10 mm)進行單因素試驗。通過改變滑道側(cè)向傾角β(2.94°、5.86°、8.75°、11.59°、14.38°)實現(xiàn)篩面橫向振幅的變化。

在篩面安裝傾角為3.5°，篩面安裝間距為300 mm時，取篩面橫向振幅為因素進行試驗。試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 篩面橫向振幅對篩分性能的影響Fig.8 Effect of transverse amplitude of screen on screening performance

由圖8可得，當篩面橫向振幅由2 mm增大到6 mm時，籽粒損失率逐漸降低，籽粒含雜率逐漸降低；當篩面橫向振幅由6 mm增大到10 mm時，籽粒損失率逐漸增大，籽粒含雜率逐漸增大。這是因為，隨著篩面橫向振幅的增大，玉米脫出物沿篩面橫向的位移和運動速度增加使其在篩面快速均布，透篩概率提高，從而使籽粒損失率下降，脫出物分布均勻更有利于氣流場對雜余的推送，使得籽粒含雜率降低；當橫向振幅過大時，玉米脫出物沿篩面橫向的運動速度過快，反而使篩面的篩分性能降低，造成籽粒損失率再次增加及籽粒含雜率的增大。

3 多因素試驗

3.1 二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計

選取篩面安裝間距、上篩面安裝傾角、篩面橫向振幅為試驗因素，以籽粒損失率和籽粒含雜率為試驗評價指標。采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計方案進行試驗，根據(jù)單因素試驗結(jié)果確定試驗因素編碼，如表2所示。

根據(jù)二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計23組試驗，分別收集篩下籽粒與雜余并對其進行稱量，然后據(jù)此計算雙層不平行振動篩清選裝置的籽粒損失率y1和籽粒含雜率y2。試驗方案與結(jié)果如表3所示。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Coding of experimental factors

表3 試驗方案與結(jié)果Tab.3 Test scheme and results

3.2 籽粒損失率回歸模型與響應(yīng)曲面分析

根據(jù)正交旋轉(zhuǎn)組合試驗的結(jié)果，利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行處理，通過對試驗數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果分析得：試驗?zāi)Ｐ惋@著(p<0.01)，其中3個主效應(yīng)及其對應(yīng)的二次項對籽粒損失率影響均顯著，篩面安裝間距和上篩面安裝傾角的交互項x1x2、上篩面安裝傾角和篩面橫向振幅的交互項x2x3均顯著，其余交互項不顯著，獲得籽粒損失率y1的回歸數(shù)學(xué)模型為

(31)

根據(jù)試驗結(jié)果，所得各因素對籽粒損失率影響的響應(yīng)曲面如圖9所示。

圖9 各因素對籽粒損失率影響的響應(yīng)曲面Fig.9 Response surfaces of all factors on loss rate of maize

由圖9a可知，當篩面橫向振幅處于零水平，上篩面安裝傾角處于高水平時，隨篩面安裝間距的增大籽粒損失率先降低后增大且變化幅度比低水平時大。其主要原因是，隨著篩面安裝間距的增加，篩面上氣流速度先減小后增加，篩上脫出物的透篩時間先增加后減??；當氣流速度較小時，籽粒透篩概率增加，損失率降低，當氣流速度較大時，籽粒透篩概率降低，損失率增加。

由圖9b可知，當篩面安裝間距處于零水平，上篩面安裝傾角處于低水平時，隨著篩面橫向振幅的增大，籽粒損失率先降低后增大且籽粒損失率比高水平時低。其主要原因是，篩面沿橫向的往復(fù)運動使玉米脫出物沿篩面的分散更均勻，籽粒透篩速度增加，籽粒損失率降低，但當橫向振幅過大時，篩分速度大幅降低，造成籽粒損失率的升高；上篩面安裝傾角處于高水平時比低水平時籽粒損失率高，這是因為隨著上篩面安裝傾角的增大，篩面垂直運動分量增大，籽粒在篩面上的滑移時間變短，籽粒透篩概率降低，造成籽粒損失率較低水平時高。

3.3 籽粒含雜率回歸模型與響應(yīng)曲面分析

通過對試驗數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果分析得：試驗?zāi)Ｐ惋@著(p<0.01)，其中3個主效應(yīng)及其對應(yīng)的二次項對籽粒含雜率影響均顯著，篩面安裝間距和篩面橫向振幅的交互項x1x3、上篩面安裝傾角和篩面橫向振幅的交互項x2x3均顯著，其余交互項不顯著，獲得籽粒含雜率y2的回歸數(shù)學(xué)模型為

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根據(jù)試驗結(jié)果得各因素對籽粒含雜率影響的響應(yīng)曲面如圖10所示。

圖10 各因素對籽粒含雜率影響的響應(yīng)曲面Fig.10 Response surfaces of all factors on impurity rate of maize

由圖10a可知，當上篩面安裝傾角處于零水平時，隨著篩面安裝間距的增大，籽粒含雜率呈先減小后增大的趨勢，且篩面橫向振幅處于高水平時比篩面安裝間距處于低水平時的籽粒含雜率高，其主要原因是隨著篩面安裝間距的增大，篩面上氣流速度先減小后增加，篩上脫出物的加速度先減小后增加，當氣流速度較小時籽粒透篩概率增加，損失率降低，含雜率降低，當氣流速度較大時籽粒透篩概率降低，損失率增加，篩下雜余含量相較籽粒含量增加，使得含雜率提高；篩面橫向運動有利于脫出物的均勻分散，使得雜余透篩概率降低，籽粒含雜率降低，但篩面橫向振幅處于高水平時，脫出物的橫向運動過快反而不利于篩分，籽粒損失率增大，篩下雜余占比增加，故而篩面橫向振幅處于低水平時含雜率比高水平時低。

由圖10b可知，當篩面安裝間距處于零水平時，在上篩面安裝傾角一定時，隨著篩面橫向振幅的增加，籽粒含雜率呈先減小后升高的變化趨勢。這是因為，隨著篩面橫向振幅的增加，玉米脫出物在篩面分布更均勻，利于氣流場對雜余的推送，使得籽粒含雜率降低；當橫向振幅過大時，玉米脫出物沿篩面的橫向運動速度過快，反而使篩面的篩分性能降低，造成籽粒損失率的增加進而導(dǎo)致籽粒含雜率的增大；且上篩面安裝傾角處于高水平時比低水平時籽粒含雜率低，這是因為雜余有效透篩面積和篩面傾角變化的幅度均比低水平時小，因而雜余透篩概率小，籽粒含雜率低。

3.4 參數(shù)優(yōu)化

為提高振動篩的篩分性能，利用Design-Expert軟件對試驗參數(shù)進行優(yōu)化，限定籽粒損失率與含雜率滿足國家標準要求，建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型為

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優(yōu)化結(jié)果為: 篩面安裝間距292.99 mm，上篩面安裝傾角3.04°，篩面橫向振幅5.55 mm。籽粒損失率為1.57%，籽粒含雜率為1.96%。

3.5 驗證試驗

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果調(diào)整驅(qū)動機構(gòu)桿件尺寸，進行驗證試驗，并與雙層平行式平面往復(fù)圓孔振動篩清選裝置性能進行對比。試驗裝置如圖11所示。取常規(guī)玉米脫出物喂入量為5.05 kg/s，試驗重復(fù)3次，試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

雙層不平行振動篩在最優(yōu)結(jié)構(gòu)條件下，相較于雙層平行式振動篩，其篩面安裝間距減小，清選裝置上篩面上氣流速度降低，使得籽粒在篩面的運動時間增加，籽粒透篩概率增大；上篩面安裝傾角的減小增加了籽粒在篩面上的停留時間，篩面橫向運動實現(xiàn)了籽粒的均勻分散，有效提高了籽粒透篩概率，使得籽粒損失率顯著降低，如表4所示，雙層不平行振動篩較雙層平行式振動篩篩分后籽粒損失率降低了1.59個百分點、籽粒含雜率降低了0.18個百分點，均滿足GB/T 21962—2008《玉米收獲機械技術(shù)條件》要求。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了偏置曲柄滑塊式雙層不平行振動篩驅(qū)動機構(gòu)，基于矩陣法分析獲得篩面運動方程。

圖11 試驗臺架Fig.11 Test devices

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(2)通過多因素試驗獲得振動篩不同結(jié)構(gòu)參數(shù)與篩分性能指標間的回歸數(shù)學(xué)模型，并確定不同因素對貫流風(fēng)篩式玉米清選裝置篩分性能的影響規(guī)律。

(3)通過優(yōu)化分析獲得下篩面安裝傾角為3.5°時，各因素間的最優(yōu)組合：篩面前端安裝間距為292.99 mm，上篩面安裝傾角為3.04°，篩面橫向振幅為5.55 mm。此條件下，雙層不平行振動篩籽粒損失率較雙層平行式平面往復(fù)振動篩平均降低了1.59個百分點。