彭強(qiáng)吉 李成松 康建明 史高昆 張 恒

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院， 石河子 832003； 2.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院， 濟(jì)南 250100；3.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院， 重慶 400715)

0 引言

地膜覆蓋栽培技術(shù)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但也造成了農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重污染[1-3]。2020年中央一號(hào)文件明確提出，發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)，加強(qiáng)農(nóng)膜污染治理，推進(jìn)生態(tài)環(huán)境建設(shè)[4]。針對(duì)殘膜回收問(wèn)題，國(guó)內(nèi)院校及相關(guān)企業(yè)研制了彈齒式[5]、網(wǎng)鏈?zhǔn)絒6]、摟膜式[7]、耙齒式[8]、隨動(dòng)式[9]、滾筒式[10]、集條式[11]等農(nóng)田殘膜回收機(jī)械，殘膜機(jī)械化回收已取得初步成效。但是機(jī)械化回收的殘膜破損嚴(yán)重，殘膜中混合著大量秸稈、土壤等雜質(zhì)，難以利用，目前以堆放、掩埋和焚燒形式處理為主。殘膜屬于聚乙烯材料，可加工塑料顆粒。我國(guó)每年進(jìn)口廢舊塑料200萬(wàn)t以上，均用來(lái)加工塑料顆粒[12]。大量的殘膜因含雜率高而被焚燒，造成農(nóng)田二次污染與資源浪費(fèi)?；厥蘸髿埬ずY分技術(shù)與裝備是保證殘膜機(jī)械回收與再利用的重要環(huán)節(jié)，是解決農(nóng)田殘膜污染和實(shí)現(xiàn)殘膜再利用的關(guān)鍵。

殘膜與土壤、棉稈的篩分屬于農(nóng)業(yè)物料的清選范疇，但又與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)物料(水稻、玉米)的清選不盡相同，殘膜、土壤、棉稈3種物料相互粘連，形態(tài)各異，與傳統(tǒng)篩分對(duì)象的機(jī)械物理特性和空氣動(dòng)力學(xué)特性有極大的差別。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)膜雜混合物分離性能進(jìn)行了深入研究，文獻(xiàn)[13-17]對(duì)廢舊地膜與雜質(zhì)風(fēng)選裝置、土壤殘膜分離平臺(tái)、機(jī)采籽棉殘膜分離裝置、廢舊塑料無(wú)水清潔裝置、塑料分選試驗(yàn)臺(tái)等分離設(shè)備進(jìn)行了理論仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，得出了一些有益的結(jié)論。但前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于氣流分布不均勻與雜質(zhì)通過(guò)性差，存在篩分性能波動(dòng)大的問(wèn)題。

本文以現(xiàn)有氣力式圓筒篩膜雜分離機(jī)為基礎(chǔ)，以棉田機(jī)收膜雜混合物為試驗(yàn)材料，通過(guò)增設(shè)運(yùn)移裝置、重置圓筒篩篩孔排布與大小，改進(jìn)氣力式圓筒篩膜雜分離機(jī)結(jié)構(gòu)。通過(guò)試驗(yàn)分析各因素對(duì)分離性能的影響，采用回歸分析和響應(yīng)面分析，對(duì)改進(jìn)后膜雜分離機(jī)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到最佳工作參數(shù)，為進(jìn)一步提高膜雜分離性能提供技術(shù)和理論基礎(chǔ)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的氣力式圓筒篩膜雜分離機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、進(jìn)風(fēng)管、伸縮架、加料口、密封罩、集膜箱、圓筒篩、運(yùn)移裝置、機(jī)架、觸屏顯示器、控制系統(tǒng)、異步電動(dòng)機(jī)等組成。其中，增設(shè)的運(yùn)移裝置主要由傳動(dòng)軸、U型護(hù)板、螺旋輸送器葉片、端部固定板、電機(jī)、電機(jī)固定板、軸承等組成。圓筒篩內(nèi)壁固定連接有螺旋葉片。

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，控制器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)氣流大小調(diào)節(jié)，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)圓筒篩轉(zhuǎn)速。預(yù)處理后的膜雜混合物通過(guò)加料口喂入分離機(jī)，在圓筒篩轉(zhuǎn)動(dòng)與氣流吹送復(fù)合作用下，膜雜混合物處于打散爆瀉狀態(tài)，隨著內(nèi)螺旋葉片向后運(yùn)移。在此過(guò)程中，膜雜混合物在氣流場(chǎng)、翻轉(zhuǎn)離心力場(chǎng)及重力場(chǎng)的作用下逐漸出現(xiàn)分層沉降，密度較小、懸浮速度低的殘膜被吹向圓筒篩末端的集膜箱；密度大、懸浮速度高的碎土塊、棉稈等雜質(zhì)由圓筒篩篩孔慣性甩出。為保證運(yùn)移過(guò)程中雜質(zhì)被順利甩出，圓筒篩篩孔沿篩分方向由大到小排布；篩孔分離出的雜質(zhì)經(jīng)運(yùn)移裝置運(yùn)移到前端出料口，運(yùn)移裝置與密封罩構(gòu)成的空間保證氣流分布均勻。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 物料特性測(cè)定

以機(jī)械回收后的膜雜混合物為試驗(yàn)材料，人工分撿出混合物料中各種成分，依據(jù)市場(chǎng)上現(xiàn)有剪切式破碎機(jī)破碎物料的尺寸為30～60 mm，人工剪切混合物尺寸取30～50 mm作為試驗(yàn)材料。選用PS-20型懸浮速度測(cè)定試驗(yàn)臺(tái)(佳木斯天盛機(jī)械科技開(kāi)發(fā)有限公司)進(jìn)行懸浮速度測(cè)定，分別對(duì)殘膜、棉稈、土塊及顆粒多次重復(fù)測(cè)試，得出殘膜、棉稈與根茬、土塊的懸浮速度范圍分別為1.8～3.2 m/s、5.9～10.2 m/s、 8.9～12.8 m/s，懸浮速度變化范圍存在明顯差異，殘膜懸浮速度與棉稈、土塊顆粒的懸浮速度不重疊，為膜雜混合物篩分提供了理論基礎(chǔ)。

2.2 膜雜混合物動(dòng)力學(xué)特性分析

由于膜雜混合物的懸浮速度在空氣介質(zhì)中受力沉降差異大，膜雜混合物被拋入分離機(jī)后，部分懸浮速度小的殘膜被直接吹向集膜箱，完成分離收集。懸浮速度大的棉稈、顆粒及黏連的膜雜混合物落入圓筒進(jìn)行分離，在篩分運(yùn)動(dòng)中，均受風(fēng)力、重力的作用。

對(duì)膜雜混合物篩分過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，建立坐標(biāo)，以混合物位于空間中任一點(diǎn)為原點(diǎn)，垂直方向?yàn)閥軸，水平方向?yàn)閤軸，氣流與水平方向夾角為α，速度為v1；膜雜混合物的速度為v2，與垂直方向夾角為β，絕對(duì)速度為v，將混合物簡(jiǎn)化成質(zhì)量為m的點(diǎn)，v1為空氣對(duì)混合物的牽連速度，則混合物相對(duì)速度v2即為混合物的絕對(duì)速度v與氣流速度v1的向量差，如圖2所示。

圖2 混合物運(yùn)動(dòng)分析Fig.2 Mixture movement analysis

v2=v-v1

(1)

氣流對(duì)混合物的垂直作用力為

(2)

式中F——?dú)饬鲗?duì)質(zhì)量點(diǎn)的作用力，N

K——物料飄浮系數(shù)

vp——懸浮速度，m/s

氣流對(duì)混合物的作用力為

(3)

混合物受氣流作用力F1和重力G影響，對(duì)其受力建立動(dòng)力學(xué)微分方程

(4)

將式(4)轉(zhuǎn)換成解析形式微分方程

(5)

根據(jù)圖2所示，將v1分解為水平和垂直方向速度

(6)

同樣v2x和v2y可以表達(dá)為

(7)

式中vx——v的x軸分量

vy——v的y軸分量

由式(5)～(7)得

(8)

式中a1——x方向混合物加速度

a2——y方向混合物加速度

混合物速度v2分解為

(9)

由式(8)、(9)可知，混合物在氣流中運(yùn)動(dòng)時(shí)與懸浮速度vp、氣流方向角α、氣流速度v1、混合物速度v2和方向角β有關(guān)。

2.3 運(yùn)移裝置設(shè)計(jì)

圓筒篩外罩可防止分離出的棉稈、土壤顆粒飛揚(yáng)，便于收集，也可保證氣流沿一個(gè)方向吹送，降低風(fēng)量損失，是分離機(jī)的關(guān)鍵部件?，F(xiàn)有氣力式圓筒篩膜雜分離機(jī)底部預(yù)留雜質(zhì)出口，部分氣流變向和風(fēng)量損失，造成氣流均勻性差，影響膜雜混合物分離效果。

針對(duì)上述問(wèn)題，在外罩下部增設(shè)運(yùn)移裝置，完成雜質(zhì)運(yùn)移，并與外罩配合減少由雜質(zhì)出口造成的風(fēng)量損失，保證氣流均勻性。運(yùn)移裝置主要由傳動(dòng)軸、U型護(hù)板、螺旋輸送器葉片、端部固定板、電機(jī)、電機(jī)固定板、軸承等組成，其中螺旋輸送器由傳動(dòng)軸和螺旋葉片組成，如圖3所示。運(yùn)移裝置通過(guò)螺栓與密封罩連接，利用U型護(hù)板與密封罩配合形成密閉空間。工作時(shí)，圓筒篩中慣性甩出的雜質(zhì)落入運(yùn)移裝置后，經(jīng)螺旋輸送器推送到端部出口。

圖3 運(yùn)移裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic of migration device1.傳動(dòng)軸 2.U型護(hù)板 3.螺旋輸送器葉片 4.端部固定板 5.電機(jī) 6.電機(jī)固定板 7.軸承

圖4 雜質(zhì)受力分析圖Fig.4 Force analysis diagram of impurities

對(duì)螺旋輸送器葉片上任一點(diǎn)O處的雜質(zhì)進(jìn)行受力分析，得出當(dāng)軸向推送力大于軸向阻力時(shí)可以保證雜質(zhì)被順利推送到雜質(zhì)出口(軸向推送)，如圖4所示。螺旋輸送器葉片與雜質(zhì)間存在摩擦力F2，螺旋輸送器葉片對(duì)雜質(zhì)的法向推力為F3，即

F2cosθ>F3sinθ

(10)

F3=F2tanζ

(11)

式中θ——螺旋葉片的螺旋升角，(°)

ζ——雜質(zhì)與螺旋葉片摩擦角，取25°

由式(10)、(11)可得雜質(zhì)沿螺旋葉片順利輸送的條件為：θ<90°-ζ=65°，選取螺旋葉片的螺旋升角θ為40°。

圖4中，L為螺旋輸送器螺距、D為螺旋輸送器葉片直徑、d為傳動(dòng)軸直徑。為防止雜質(zhì)對(duì)螺旋葉片的纏繞，螺旋輸送器的螺旋葉片螺距L應(yīng)大于雜質(zhì)的平均長(zhǎng)度。在工作過(guò)程中，螺旋輸送器軸帶動(dòng)螺旋輸送器葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，承受扭矩和彎矩[18]，需按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行校核計(jì)算，軸的計(jì)算應(yīng)力為

(12)

式中M——螺旋輸送器軸承受的彎矩，N·mm

W——螺旋輸送器軸的抗彎截面系數(shù)，mm3

T——螺旋輸送器軸承受的扭矩，N·mm

[σ-1]——螺旋輸送器軸許用彎曲應(yīng)力，MPa

分離后的雜質(zhì)落入運(yùn)移裝置，經(jīng)螺旋輸送器推出，推送量直接影響推送效果，螺旋輸送器推送量Q計(jì)算公式為

(13)

式中λ——推送雜質(zhì)的單位容積重量，N/mm3

ε——螺旋輸送器推送系數(shù)，水平推送取1

Ф——推送雜質(zhì)時(shí)的填充系數(shù)，取0.3～0.5

R——螺旋葉片外半徑，mm

r——螺旋輸送器軸半徑，mm

n——螺旋轉(zhuǎn)速，r/min

由公式(13)可知，推送量Q與λ、ε、Ф、R、r、n相關(guān)，當(dāng)各系數(shù)確定后，實(shí)際工作中可根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)節(jié)螺旋轉(zhuǎn)速n，以防堵塞。

2.4 圓筒篩設(shè)計(jì)

2.4.1原理分析

篩孔是圓筒篩的關(guān)鍵參數(shù)，篩孔大小直接影響篩分效果。篩孔大，便于落料，但易將裹挾土塊或棉稈的殘膜篩掉，篩分效果差；篩孔小利于運(yùn)移過(guò)程振散裹挾于殘膜中的土塊顆?；蛎薅?，提高分離效果，但易堵塞，大的秸稈、土塊顆粒被運(yùn)移到末端，需專門(mén)出料口，增加了設(shè)備的復(fù)雜性。

應(yīng)用TRIZ理論解決沖突，篩孔的大小屬于物理矛盾沖突，通過(guò)TRIZ理論提供的條件分離原理來(lái)解決當(dāng)前物理矛盾沖突[19]。條件分離通常是將矛盾雙方在不同條件下分離，膜雜混合物在篩分過(guò)程中隨著篩分運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，短小棉稈與土塊顆粒被逐步篩掉，剩下較大的棉稈與土塊，按條件分離原則將篩孔大小按篩分方向逐漸增大，雜質(zhì)可依序流出，未增加整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，通過(guò)篩孔孔徑遞增方式實(shí)現(xiàn)混合物料在運(yùn)移過(guò)程中逐步篩分。

2.4.2參數(shù)確定

改進(jìn)后的圓筒篩采用最廣泛的交錯(cuò)式等三角形排布，篩孔形狀仍采用圓孔[20]。依據(jù)現(xiàn)有破碎機(jī)破碎物料尺寸范圍在30～50 mm，確定篩孔直徑為30、40、50 mm，沿篩分方向排布，基于膜雜混合物采樣分類測(cè)量比重，所占比例分別取60%、30%、10%。為保證篩分效果，結(jié)合篩孔大小，每列與每行相鄰篩孔中心距S取70 mm。圓筒篩采用厚度4 mm鋼板折彎成型，篩孔采用激光切割成型，圓筒篩展開(kāi)如圖5所示，三維結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 圓筒篩展開(kāi)圖Fig.5 Expanded diagram of cylinder sieve

圖6 圓筒篩三維結(jié)構(gòu)圖Fig.6 3D structure of cylindrical screen

2.5 氣流空間均勻性試驗(yàn)

根據(jù)分離機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理，選擇圓筒篩和外罩及運(yùn)移裝置構(gòu)成的氣流室作為分析對(duì)象建立三維模型，依據(jù)數(shù)值分析建模簡(jiǎn)化原則對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，進(jìn)風(fēng)管封口位于氣流室左側(cè)，出風(fēng)口位于氣流室右側(cè)，采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為1 939 410個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量Skewness為0.35，模型網(wǎng)格如圖7所示。

圖7 模型網(wǎng)格Fig.7 Model mesh

利用Fluent 軟件對(duì)氣流室內(nèi)氣流進(jìn)行模擬分析，選擇氣流室中間橫截面作為分析對(duì)象，其速度云圖如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后空間氣流速度云圖Fig.8 Cloud picture of air velocity in improved space

氣流從左側(cè)進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入氣流室，在氣流室引導(dǎo)作用下沿篩分方向從右側(cè)吹出。氣流室氣體流動(dòng)均勻性系數(shù)用氣流室截面的速度均勻性系數(shù)γ表示[21]。計(jì)算公式為

(14)

式中n1——截面單元數(shù)，個(gè)

vlacal——截面各單元平均速度，m/s

vmean——截面平均速度，m/s

通過(guò)Fluent后處理軟件計(jì)算得出氣流室截面的速度均勻性系數(shù)γ為0.720 1。

由圖8可知，氣流室采用橫向進(jìn)風(fēng)，氣流速度在入口處最大，沿篩分方向均勻衰減，氣流速度變化均勻，速度差較小，速度均勻性系數(shù)為0.720 1，驗(yàn)證了氣流室內(nèi)氣流流動(dòng)的均勻性。

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2019年11月，田間棉稈經(jīng)組合式棉花秸稈拔稈揉碎打捆機(jī)回收，采用1FMJT-200型彈齒鏈耙式耕層殘膜回收機(jī)對(duì)棉花地里的廢舊農(nóng)膜進(jìn)行回收，將回收的膜雜混合物打包帶回。

膜雜混合物纏繞嚴(yán)重，為降低分離難度，對(duì)膜雜混合物進(jìn)行破碎處理。剪切式破碎機(jī)對(duì)混合物破碎處理后，人工取樣分撿，并利用統(tǒng)計(jì)軟件minitab統(tǒng)計(jì)分析，混合物中殘膜約占22%(未清洗)，多為長(zhǎng)條狀或片狀，面積在10～60 cm2之間；棉稈、根茬等約占40%；土塊及砂石顆粒等約占38%，含水率小于等于19%。分離整機(jī)性能試驗(yàn)在山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院試制工廠進(jìn)行，如圖9所示。

圖9 分離機(jī)性能試驗(yàn)Fig.9 Performance test of separator

試驗(yàn)設(shè)備：手持熱敏式風(fēng)速儀(測(cè)量范圍：0～30 m/s，風(fēng)速測(cè)量誤差：±1%)、三量數(shù)顯傾斜角儀(測(cè)量范圍：0°～90°，產(chǎn)品精度：±0.2°，工作溫度0～40℃)、電子秤(測(cè)量精度：10 g)、UT372型高精度非接觸式轉(zhuǎn)速儀(測(cè)量范圍：0～99 999 r/min，測(cè)量精度0.04%)。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

分別以膜中含雜率、雜中含膜率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，每次試驗(yàn)結(jié)束后將集膜箱中的殘膜和雜質(zhì)出口篩的雜質(zhì)收集稱量。評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算式為

(15)

式中Y1——膜中含雜率，%

m1——集膜箱內(nèi)物料的總質(zhì)量，g

m2——集膜箱物料中殘膜質(zhì)量，g

(16)

式中Y2——雜中含膜率，%

m3——出料口排出的物料總質(zhì)量，g

m4——出料口排出物料中殘膜質(zhì)量，g

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)式(8)和式(9)以及綜合權(quán)衡膜雜分離作業(yè)實(shí)際生產(chǎn)要求，將膜中含雜率Y1、雜中含膜率Y2作為響應(yīng)值，采用Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理對(duì)圓筒篩轉(zhuǎn)速、進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速、氣流角度進(jìn)行試驗(yàn)研究。其中，圓筒轉(zhuǎn)速依據(jù)轉(zhuǎn)速儀顯示的數(shù)值利用變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整，進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速依據(jù)風(fēng)速儀顯示的數(shù)值通過(guò)變頻器對(duì)離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整；氣流角度通過(guò)入風(fēng)管口處的伸縮架配合數(shù)顯角度儀進(jìn)行調(diào)整。

利用Design-Expert 10.0.3軟件進(jìn)行三因素三水平組合試驗(yàn)[22]，并對(duì)影響膜中含雜率、雜中含膜率的主要參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化。依據(jù)混合物懸浮速度范圍與前期試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[23]，分別選取圓筒篩轉(zhuǎn)速16～32 r/min、進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速4～8 m/s、氣流角度0°～10°，試驗(yàn)因素編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Test factor code

3.4 模型建立與顯著性檢驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示(X1、X2、X3為因素編碼值)，對(duì)膜中含雜率、雜中含膜率，采用Design-Expert 10.0.3軟件進(jìn)行回歸擬合分析[24]。建立膜中含雜率Y1、雜中含膜率Y2的回歸方程，對(duì)影響試驗(yàn)指標(biāo)的3個(gè)因素進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)與分析，最終獲得顯著試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，模型顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab.2 Test design and response results

由表3可知，膜中含雜率、雜中含膜率的響應(yīng)面模型P1和P2均小于0.000 1，表明回歸模型極顯著；失擬項(xiàng)分別為0.717 1和0.409 9，均大于0.05，即失擬不顯著，說(shuō)明模型所擬合的二次回歸方程與實(shí)際試驗(yàn)相符合，能夠反映膜中含雜率Y1和雜中含膜率Y2與X1、X2、X3之間的關(guān)系，回歸模型能夠?qū)Ψ蛛x整機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

表3 模型顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Significance test of model

膜中含雜率的回歸方程為

(17)

雜中含膜率的回歸方程為

(18)

通過(guò)分析各因素P值可知，各因素對(duì)膜中含雜率的影響由大到小順序?yàn)椋哼M(jìn)風(fēng)管風(fēng)速、圓筒篩轉(zhuǎn)速、氣流角度；各因素對(duì)雜中含膜率的影響由大到小順序?yàn)椋簣A筒篩轉(zhuǎn)速、進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速、氣流角度。

3.5 各因素對(duì)指標(biāo)的影響效應(yīng)分析

為更加直觀地分析圓筒篩轉(zhuǎn)速、進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速、氣流角度對(duì)膜中含雜率和雜中含膜率的影響，根據(jù)二次回歸模型做出試驗(yàn)指標(biāo)與各因素之間關(guān)系的響應(yīng)面圖，通過(guò)響應(yīng)曲面的形狀反映出交互因素作用的影響效應(yīng)[25]，如圖10所示。

圖10 各因素對(duì)膜雜分離性能影響的響應(yīng)曲面Fig.10 Influence of various factors on membrane impurity separation performance

由圖10a可知，兩因素對(duì)膜中含雜率影響權(quán)重有差異，進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速對(duì)膜中含雜率影響明顯大于圓筒篩轉(zhuǎn)速，與方差分析結(jié)果一致。當(dāng)圓筒篩轉(zhuǎn)速固定在某一水平，進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速由4 m/s遞增至8 m/s時(shí)，膜中含雜率呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢(shì)。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是風(fēng)速較低時(shí)，一部分殘膜碎片被吹向集膜箱，少量細(xì)棉稈混在其中，占比相對(duì)較高，使膜中含雜率相對(duì)較高；當(dāng)風(fēng)速增加到6 m/s左右時(shí)，膜雜混合物中殘膜被順利地吹向集膜箱，分離效果最佳，但隨著風(fēng)速的增加部分混合物還沒(méi)有被圓筒篩打散就被吹送到集膜箱，其中混雜有部分棉稈和土壤小顆粒，導(dǎo)致膜中含雜率較高。當(dāng)進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速固定，隨著圓筒篩轉(zhuǎn)速的提高膜中含雜率呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢(shì)，主要原因是隨著圓筒篩轉(zhuǎn)速的增加，混合物被不停拋起翻轉(zhuǎn)直至被打散，當(dāng)轉(zhuǎn)速在20 r/min時(shí)效果最佳；隨著翻轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，打散后的殘膜與棉稈在翻轉(zhuǎn)力的作用下出現(xiàn)二次纏繞現(xiàn)象，造成膜中含雜率有所增加。

由圖10b響應(yīng)曲面形狀及其等高線密度可知，圓筒篩轉(zhuǎn)速與氣流角度的交互作用對(duì)膜中含雜率影響并不顯著，其中圓筒篩轉(zhuǎn)速對(duì)膜中含雜率影響略大于氣流角度的影響，與方差分析的結(jié)果相同。

由圖10c 響應(yīng)曲面形狀變化趨勢(shì)可知，進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速與氣流角度的交互作用對(duì)膜中含雜率影響不顯著。其中氣流角度對(duì)膜中含雜率略有變化，進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速對(duì)膜中含雜率的影響呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，與方差分析的結(jié)果相同。

由圖10d 可知，進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速與圓筒篩轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)雜中含膜率影響權(quán)重有所差異，圓筒篩轉(zhuǎn)速對(duì)雜中含膜率的影響明顯大于進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速。當(dāng)圓筒篩轉(zhuǎn)速固定一水平時(shí)，進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速的增大使雜中含膜率略有變化；但是當(dāng)進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速一定時(shí)，隨著圓筒篩轉(zhuǎn)速的增加雜中含膜率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)圓筒篩轉(zhuǎn)速增加到24 r/min之前，圓筒篩轉(zhuǎn)速增加使膜雜混合物充分的打散，殘膜分離效果好，殘膜能夠很好地被吹送到集膜箱，雜中含膜率低；但隨著圓筒篩轉(zhuǎn)速超過(guò)24 r/min后，混合物在圓筒篩內(nèi)翻轉(zhuǎn)次數(shù)過(guò)多，部分殘膜與棉稈產(chǎn)生二次纏繞，造成雜中含膜率上升。

由圖10e響應(yīng)曲面形狀可知，圓筒篩轉(zhuǎn)速與氣流角度的交互作用對(duì)雜中含膜率影響顯著。隨著氣流角度的增加，雜中含膜率呈現(xiàn)不斷增加變化趨勢(shì)，主要原因是殘膜在氣流中的懸浮速度小，隨著氣流吹送角度的增加殘膜在吹送過(guò)程中易與翻轉(zhuǎn)的棉稈發(fā)生二次纏繞，造成雜中含膜率上升。但是當(dāng)氣流角度固定一水平時(shí)，隨著圓筒篩轉(zhuǎn)速的增加，雜中含膜率呈現(xiàn)先快速降低后增加的趨勢(shì)；圓筒篩轉(zhuǎn)速逐漸增大時(shí)，混合物在圓筒篩翻轉(zhuǎn)力作用下能夠較好的分離，殘膜能夠被及時(shí)吹送到集膜箱；當(dāng)圓筒篩轉(zhuǎn)速由24 r/min進(jìn)一步增大時(shí)，翻轉(zhuǎn)離心力增加導(dǎo)致部分混合物未能及時(shí)分離便因慣性甩出，導(dǎo)致雜中含膜率上升。由響應(yīng)曲面形狀可知，圓筒篩轉(zhuǎn)速對(duì)雜中含膜率的影響大于氣流角度的影響，與方差分析結(jié)果相同。

由圖10f 響應(yīng)曲面形狀可知，進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速與氣流角度的交互作用對(duì)雜中含膜率的影響不顯著，與方差分析結(jié)果相同。兩因素對(duì)膜中含雜率影響相對(duì)較小，曲面響應(yīng)面變化緩慢。當(dāng)進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速固定時(shí)，由于殘膜懸浮速度與棉稈及土壤顆粒的差異，雜中含膜率略有增加；當(dāng)氣流角度固定一水平時(shí)，隨著風(fēng)速的增大雜中含膜率呈現(xiàn)緩慢下降后緩慢上升的趨勢(shì)，原因是風(fēng)速達(dá)到6 m/s前殘膜被順利吹送到集膜箱，但是風(fēng)速過(guò)大殘膜在雜質(zhì)中的比例相對(duì)降低，進(jìn)而導(dǎo)致雜中含膜率較低。

3.6 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)膜中含雜率和雜中含膜率的分離作業(yè)要求，應(yīng)用Design-Expert 10.0.3軟件的優(yōu)化模塊對(duì)篩分過(guò)程中的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[26]。得到分離機(jī)最優(yōu)作業(yè)參數(shù)：圓筒篩轉(zhuǎn)速23.8 r/min，進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速5.9 m/s，氣流角度2.7°，在此參數(shù)條件下膜中含雜率為10.60%，雜中含膜率為0.133%。

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果可行性，按照最優(yōu)工作參數(shù)在山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院試制工廠進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。為方便參數(shù)調(diào)整，設(shè)定圓筒篩轉(zhuǎn)速24 r/min，進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速6 m/s，氣流角度3°，試驗(yàn)進(jìn)行3次取平均值，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，驗(yàn)證試驗(yàn)的膜中含雜率平均值為10.54%，較優(yōu)化前的膜中含雜率(10.1%～15.2%)有明顯下降；雜中含膜率平均值為0.132%，較優(yōu)化前的雜中含膜率(0.10%～0.35%)有所下降，且與預(yù)測(cè)值的誤差小于3%，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)值很接近，驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性。

表4 優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)值比較Tab.4 Comparison of optimization results with actual values

4 結(jié)論

(1)以現(xiàn)有氣力式圓筒篩膜雜分離機(jī)為基礎(chǔ)，增設(shè)運(yùn)移裝置，以保持空間內(nèi)氣流分布的均勻性，改進(jìn)圓筒篩篩孔排布與大小，以改善雜質(zhì)通過(guò)性，提高了氣力式圓筒篩膜雜分離機(jī)篩分性能穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)圓筒篩內(nèi)膜雜混合物的運(yùn)動(dòng)分析，確定了影響膜中含雜率和雜中含膜率的相關(guān)試驗(yàn)因素。

(2)根據(jù)Box-Benhnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用三因素三水平響應(yīng)面分析方法，對(duì)改進(jìn)后氣力式圓筒篩膜雜分離機(jī)進(jìn)行膜雜分離性能試驗(yàn)。通過(guò)響應(yīng)曲面分析，得到影響膜中含雜率的因素由大到小依次為：進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速、圓筒篩轉(zhuǎn)速、氣流角度；影響雜中含膜率的因素由大到小依次為: 圓筒篩轉(zhuǎn)速、進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速、氣流角度。

(3)分別建立了膜中含雜率、雜中含膜率與進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速、圓筒篩轉(zhuǎn)速、氣流角度的二次多項(xiàng)式回歸模型，通過(guò)優(yōu)化求解，得到改進(jìn)后氣力式圓筒篩膜雜分離機(jī)最佳作業(yè)參數(shù)為：圓筒篩轉(zhuǎn)速為23.8 r/min，進(jìn)風(fēng)管風(fēng)速為5.9 m/s，氣流角度為2.7°。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在該參數(shù)組合條件下，膜中含雜率均值為10.54%，雜中含膜率均值為0.132%。膜中含雜率、雜中含膜率均較優(yōu)化前明顯降低，整機(jī)分離穩(wěn)定性明顯提高。