伍 毅

（廣州商學院 信息技術與工程學院，廣州 510320）

回轉清理篩是由多層做回轉運動的篩面所組成，物料在篩選過程中，篩面運動使物料顆粒間產生相互碰撞，物料顆粒與篩面間產生摩擦，各種運動較為復雜。為探求篩體運動參數(shù)對篩分性能的影響，作者先借助離散元仿真軟件Solidworks 建立回轉清理篩三維實體模型，然后通過多因素、多指標正交試驗設計并運用EDEM 軟件對篩選過程中篩面上物料流運動情況進行數(shù)值仿真模擬，并利用矩陣分析的方法進行優(yōu)化，借此為回轉清理篩運動參數(shù)優(yōu)化設計提供一些理論依據(jù)。本文著重介紹基于矩陣分析法的回轉清理篩運動參數(shù)仿真優(yōu)化。

1 仿真試驗方案設計

1.1 仿真參數(shù)的選擇

篩分效率是衡量清理篩的重要指標，而影響回轉清理篩篩分效率的因素很多，如篩面長度、寬度、篩面傾角、篩體回轉直徑、回轉頻率和谷物顆粒及雜質含量等，都會影響回轉清理篩的篩分效率和工作效果。因此，正確選擇回轉清理篩的運行參數(shù)是其優(yōu)化設計中十分重要的內容，故從提高篩分效率角度選擇篩面回轉半徑、篩面傾角、回轉頻率及含雜率等4 個主要參數(shù)作為控制變量進行模擬和優(yōu)化。

1.2 評價指標的確定

篩分效率是衡量回轉清理篩工作效果的重要指標。它是指篩分時實際得到的篩下物料的重量與入篩物料內所含可過篩物料的重量之比,反映了篩選工作效果。另一方面，物料在篩面上的平均推進速度決定了篩選的工作效率，推進速度快，物料處理量就大，回轉清理篩的產量就高。在篩選過程中，我們既追求好的工作效果，又希望得到高的工作效率。因此，選擇篩分效率和物料推進速度作為衡量并獲取最佳的篩選運動參數(shù)的兩個評價指標。

1.3 多因素、多指標正交試驗設計

采用正交試驗設計方法，選擇篩面回轉半徑A、篩面傾斜角度B、篩面回轉頻率C 及含雜率D 等4因素3 水平，進行多因素、多指標仿真實驗，其因素和水平及仿真模擬試驗數(shù)據(jù)如表1、表2 所示。

表1 因素水平設計

表2 正交試驗設計仿真數(shù)值模擬結果

1.4 仿真結果的極差分析

根據(jù)正交試驗分析的方法得到極差分析結果如表3 所示。

表3 仿真數(shù)值模擬結果極差分析

由極差分析可知，從單指標評價的角度來看，影響物料推進速度快慢的因素主次順序為：因素A(回轉半徑)＞因素C(回轉頻率)＞因素B(篩面傾角)＞因素D(含雜率)，并且隨著回轉半徑、回轉頻率、篩面傾角的增大，物料推進速度呈增大的變化趨勢；而隨著含雜率的增加，物料推進速度則為先增大、后減小的變化趨勢。因此，當需要提高物料推進速度時，可采用先增大回轉半徑，其次增大回轉頻率，最后增大篩面傾角的方法實現(xiàn)。針對物料推進速度來說，最優(yōu)運動參數(shù)組合為A3B3C3D2，即回轉半徑、回轉頻率、篩面傾角均取高水平，而含雜率取中間水平。影響篩分效率大小變化程度的因素主次順序為：因素D(含雜率)＞因素A(回轉半徑)＞因素C(回轉頻率)＞因素B(篩面傾角)，其中含雜率對篩分效率的影響程度最大，篩分效率隨著含雜率的增大而增大的變化趨勢，當含雜率達到4%時，篩分效率最高。當含雜率超過4%后，就會減少雜質接觸篩孔過篩的機會，從而降低篩分效率。其次回轉半徑對篩分效率也有較大的影響，當篩體的回轉半徑偏小時，物料相對于篩面的運動幅度偏小，篩理路線變短，導致物料不能迅速的在篩面上散開，難以更好的分層，減少雜質接觸篩孔的機會，從而降低篩分效率；當篩體的回轉半徑偏大時，則使物料相對于篩面的運動幅度偏大，導致推進速度過快，從而使應過篩的雜質顆粒不能接觸篩面而不能過篩，降低篩分效率。對于篩分效率來說，最優(yōu)運動參數(shù)組合為A1B1C1D2，即回轉半徑、回轉頻率、篩面傾角均取低水平，而含雜率取中間水平。

2 多指標優(yōu)化矩陣分析

由于影響物料推進速度和篩分效率的兩個評價指標的最優(yōu)方案的結果不一致，而這些指標之間既相互依存又相互制約的關系，改變回轉清理篩中任何一個運行參數(shù)，都會導致兩個指標中的某個指標評價發(fā)生變化。于是，在單指標分析的基礎上，引入矩陣分析法對兩指標進行綜合選優(yōu)，并解決回轉清理篩運動參數(shù)優(yōu)化配置問題。

2.1 矩陣模型的建立

2.1.1構建指標、因素和水平層次結構

根據(jù)正交試驗的仿真數(shù)據(jù)構建由指標、因素與水平構成的三層遞階層次結構模型，如圖1 所示。

圖1 指標、因素和水平層次結構

2.1.2構造層次分析評價矩陣

設多因素、多指標正交試驗涉及到l 個因素，且每個因素取m 個水平，令j 表示第i 個因素取水平j時所得試驗結果的算術平均值，且當試驗評價指標要求是越高越好時，令aij=kij；當試驗評價指標要求是越低越好時，令aij=1/kij，其中i=1、2、…、l，j=1、2、…、m。由此構建指標層評價矩陣，如式（2-1）。

由此可得影響試驗評價指標的權重矩陣，如式（2-4）

根據(jù)權重矩陣可計算出不同因素不同水平對評價指標影響的權重，并借助于權重分析得出最優(yōu)的評價指標和各因素主次順序[1-7]（數(shù)據(jù)計算見2.2）。

2.2 仿真結果的矩陣優(yōu)化分析

根據(jù)矩陣分析模型，就第一個指標物料推進速度而言，由于評價指標要求越大越好，采用矩陣分析法優(yōu)化，其權重矩陣W1計算過程如下：

由于第二個指標篩分效率，其評價指標也是越大越好，同理可計算W2為：

綜合起來，多指標的總權重矩陣就是物料推進速度和篩分效率兩評價指標的權重矩陣平均值，即：

由式（2-12）通過比較可知，因素A (回轉半徑)在三個不同水平下對評價指標物料推進速度、篩分效率的綜合影響總權重分別為A1=0.1146、A2=0.1358、A3=0.1704，且A3的總權重最大；同理可知，因素B (篩面傾角)中B3=0.031 的權重最大，因素C(回轉頻率)中C3=0.0926 的總權重最大，因素D (含雜率)中D2=0.0834 的總權重最大。因此，依據(jù)總權重確定的回轉清理篩運動參數(shù)的最佳組合方案選擇為A3B3C3D2，即：回轉半徑25 mm，傾斜角度8°，回轉頻率7 Hz，含雜率4%。且各運動參數(shù)對評價指標影響的主次順序為ACDB，即：回轉半徑＞回轉頻率＞含雜率＞篩面傾角。

3 結論

（1）回轉清理篩工藝效果的評價往往涉及到多個指標，要求在正交試驗設計中確保所有指標均能達到最好的效果幾乎是不可能的。因此，為解決多指標的評價問題,一般是先將多指標的正交試驗設計問題轉化為單指標試驗問題,并在單指標統(tǒng)計分析的基礎上,根據(jù)各指標在整個試驗中的重要性，衡量試驗結果的優(yōu)劣,并借助于矩陣分析的方法從定量的角度進行綜合選優(yōu)。所以本文所采取的方法是對解決糧食機械設備工作過程中多因素、多指標正交試驗設計的優(yōu)化問題的一種新嘗試，此方法計算簡單,分析過程嚴謹,所得結果具有很強的說服力,不失為糧食機械設備工作參數(shù)優(yōu)化配置的一種非常有效的方法，具有一定的實際工程應用價值。

（2）在利用EDEM 等軟件進行數(shù)值仿真模擬的基礎上，采用多因素、多指標正交試驗設計和矩陣分析法得到的回轉清理篩運行參數(shù)的仿真數(shù)值模擬的優(yōu)化配置結論：回轉半徑、傾斜角度、回轉頻率等運行參數(shù)在實際應用中可選擇以高水平為設計依據(jù)，而含雜率既不能過高，也不能過低，保持適度的中間水平即可。

（3）利用矩陣法仿真分析得出的最優(yōu)運動參數(shù)為：回轉半徑25 mm，傾斜角度8°，回轉頻率7 Hz。各運動參數(shù)對評價指標影響的主次順序為ACDB，即：回轉半徑＞回轉頻率＞含雜率＞篩面傾角。