戴 飛 趙武云 付秋峰 宋學(xué)鋒 史瑞杰 李彥偉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.酒泉奧凱種子機(jī)械股份有限公司， 酒泉 735000)

0 引言

胡麻，即油用亞麻的俗稱，是中國西北地區(qū)和華北地區(qū)重要的油料作物之一[1-2]。目前，我國胡麻機(jī)械化收獲主要以分段收獲為主，胡麻聯(lián)合收獲仍處于試驗(yàn)研究階段。胡麻脫粒物料分離清選是其收獲過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，分離清選裝置是胡麻聯(lián)合收獲機(jī)的重要組成部分，直接影響胡麻收獲質(zhì)量和后續(xù)精深加工[3]。胡麻脫粒物料各組分混雜差異較小，采用傳統(tǒng)谷物分離清選機(jī)作業(yè)時(shí)，胡麻籽粒不能被有效分離，易隨短秸稈、蒴果殼等一同被氣流吹出。因此，提高胡麻脫粒物料分離清選機(jī)的作業(yè)性能是減少胡麻籽粒清選損失、提高清選質(zhì)量的重要措施。為此，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者研制了胡麻脫粒物料分離清選機(jī)[3]、5TF-45型胡麻脫粒清選機(jī)[4]、亞麻籽脫殼分離設(shè)備和雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)等裝備，取得了一定研究進(jìn)展[5-6]。其中，雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)根據(jù)胡麻脫粒物料組分尺寸及其空氣動(dòng)力學(xué)特性差異，采用不同類型三級(jí)振動(dòng)篩分和雙風(fēng)道氣力組合分離清選原理，有效改善了胡麻籽粒分離清選的潔凈效果。

相關(guān)學(xué)者結(jié)合不同類型的試驗(yàn)方案進(jìn)行了樣機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)和工作參數(shù)優(yōu)化研究。師清翔等[7]進(jìn)行了雙揚(yáng)谷器旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)的試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化，高連興等[8]進(jìn)行了大豆脫粒機(jī)氣力清選循環(huán)裝置研制與性能試驗(yàn)，張敏等[9]對(duì)風(fēng)篩選式油菜聯(lián)合收割機(jī)清選機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究與優(yōu)化。上述研究進(jìn)一步提升和完善了相關(guān)樣機(jī)作業(yè)性能。本研究通過單因素試驗(yàn)選取影響雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)作業(yè)性能的工作參數(shù)，對(duì)于不同因素水平組合條件下的籽粒含雜率和清選損失率，采用響應(yīng)曲面分析法確定各試驗(yàn)因素及其交互作用對(duì)籽粒含雜率、清選損失率的影響，獲取樣機(jī)工作參數(shù)的最優(yōu)控制變量組合，以期提升對(duì)胡麻脫粒物料分離清選的效果。

1 工作過程解析與關(guān)鍵參數(shù)選取

1.1 結(jié)構(gòu)組成及作業(yè)過程

如圖1所示，雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)主要由振動(dòng)喂料系統(tǒng)、三級(jí)振動(dòng)篩分裝置、雙風(fēng)道雜余集料裝置、吸雜除塵裝置、振動(dòng)變頻控制箱、傳動(dòng)系統(tǒng)、脫粒物料不同組分接料盒、行走輪和機(jī)架等部件組成。樣機(jī)工作時(shí)，將機(jī)脫后的胡麻脫粒物料由喂料斗加入，在振動(dòng)喂料系統(tǒng)的間歇振動(dòng)作用下脫粒物料被均勻輸送至三級(jí)振動(dòng)篩分裝置，通過調(diào)節(jié)三級(jí)振動(dòng)篩振動(dòng)頻率與篩面傾角，對(duì)胡麻脫粒物料不同組分進(jìn)行篩分，使得脫粒物料中的部分未脫粒蒴果、不同長(zhǎng)度莖稈、蒴果殼通過各自排料通道被分級(jí)排出。同時(shí)，可通過調(diào)整雙風(fēng)道雜余集料裝置前后風(fēng)道風(fēng)量，首先由前風(fēng)道對(duì)一些懸浮速度明顯小于胡麻籽粒的輕雜物質(zhì)率先吸出，然后再由后風(fēng)道對(duì)三級(jí)豎排長(zhǎng)腰型沖孔篩分離的潔凈胡麻籽粒和少量短莖稈進(jìn)行氣流清選，喂入物料在后風(fēng)道內(nèi)呈現(xiàn)出瞬時(shí)懸浮狀態(tài)，飽滿的胡麻籽粒受自身重力作用落入胡麻籽粒接料盒內(nèi)。同時(shí)，胡麻脫粒物料中的剩余雜質(zhì)則在吸雜除塵裝置的作用下通過塵雜排料裝置排出。

1.2 工作參數(shù)分析

如圖2所示，雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)工作時(shí)，可針對(duì)胡麻脫粒物料不同凈度工況，通過振動(dòng)變頻控制箱對(duì)電磁激振器振動(dòng)幅度、三級(jí)振動(dòng)篩分裝置振動(dòng)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)；同時(shí)根據(jù)分離清選效果對(duì)三級(jí)振動(dòng)篩分裝置篩面傾角和雙風(fēng)道雜余集料裝置前后風(fēng)道風(fēng)量進(jìn)行改進(jìn)。其中，給料振動(dòng)幅度調(diào)節(jié)范圍為0～30 mm，篩箱振動(dòng)調(diào)節(jié)頻率范圍為0～6 Hz，通過改變各篩體底部V型支撐架開口角度的方式進(jìn)行各篩面傾角的調(diào)整，篩分裝置三級(jí)篩面傾角調(diào)節(jié)范圍為1°～6°，兩個(gè)風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄分別水平轉(zhuǎn)動(dòng)180°，可經(jīng)歷7個(gè)擋位，均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)前、后風(fēng)道風(fēng)量的完全開啟與閉合。

由雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)相關(guān)工作參數(shù)調(diào)節(jié)裝置可以看出，給料振幅直接關(guān)系到胡麻脫粒物料的喂入松散狀況；而篩箱的振動(dòng)頻率與篩面傾角均是決定三級(jí)振動(dòng)篩分裝置作業(yè)工況的關(guān)鍵因素；同時(shí)，雙風(fēng)道雜余集料裝置工作性能取決于前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位和后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位的協(xié)同設(shè)置。因此，上述試驗(yàn)因素皆是影響樣機(jī)作業(yè)性能(籽粒含雜率、清選損失率)的主要因素，需要進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)研究與優(yōu)化選取[3,10-12]。

2 單因素試驗(yàn)分析

為合理選取胡麻脫粒物料分離清選性能試驗(yàn)中關(guān)鍵單因素參數(shù)及其取值范圍，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)方法與離散元仿真分析，對(duì)樣機(jī)給料振幅、三級(jí)篩面傾角、篩箱振動(dòng)頻率、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位和后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位進(jìn)行單因素試驗(yàn)，探討各試驗(yàn)因素對(duì)胡麻籽粒含雜率、清選損失率的影響規(guī)律，確定對(duì)樣機(jī)作業(yè)性能結(jié)果有顯著影響的各試驗(yàn)因素取值范圍。

2.1 給料振幅

當(dāng)篩箱振動(dòng)頻率為3 Hz，篩分裝置三級(jí)篩面傾角為6°，前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄在擋位2，后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄在擋位4，給料振幅在5～30 mm不斷遞增時(shí)(圖3)，作業(yè)機(jī)籽粒含雜率、清選損失率變化趨勢(shì)如圖3d所示。

試驗(yàn)研究表明，當(dāng)給料振幅為16.5 mm時(shí)，胡麻脫粒物料均能夠順著給料盤進(jìn)入三級(jí)振動(dòng)篩分裝置，單位時(shí)間內(nèi)輸送的物料量穩(wěn)定均勻，且隨著給料盤振幅的增加脫粒物料分層效果與離散程度不斷提升。隨著給料振幅在5～30 mm范圍內(nèi)不斷增加，作業(yè)機(jī)籽粒含雜率(由2.23%變化為2.56%)、清選損失率(由0.58%變化為0.70%)均呈遞增趨勢(shì)，但變化程度相對(duì)不大，僅分別增加了0.33個(gè)百分點(diǎn)和0.12個(gè)百分點(diǎn)。故此參數(shù)不作為影響作業(yè)機(jī)籽粒含雜率和清選損失率因素進(jìn)行研究。

2.2 三級(jí)篩面傾角

當(dāng)篩箱振動(dòng)頻率為3 Hz，給料振幅為16.5 mm，前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄在擋位2，后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄在擋位4，篩分裝置三級(jí)篩面傾角為1°～6°不斷遞增時(shí)，作業(yè)機(jī)籽粒含雜率、清選損失率變化曲線如圖4所示。

隨著篩分裝置三級(jí)篩面傾角在1°～6°不斷增加，作業(yè)機(jī)籽粒含雜率(由2.28%遞增為2.46%)、清選損失率(由0.59%遞增為0.69%)基本呈遞增趨勢(shì)，但變化程度相對(duì)不明顯，僅分別增加了0.18個(gè)百分點(diǎn)和0.10個(gè)百分點(diǎn)，表明篩分裝置三級(jí)篩面傾角對(duì)樣機(jī)作業(yè)性能影響不顯著，因此該參數(shù)不作為影響作業(yè)機(jī)籽粒含雜率和清選損失率因素進(jìn)行研究。相關(guān)試驗(yàn)表明，當(dāng)振動(dòng)篩分裝置三級(jí)篩面傾角大于4°時(shí)，胡麻脫粒物料在篩面的運(yùn)動(dòng)效果較好。

2.3 篩箱振動(dòng)頻率

結(jié)合EDEM軟件數(shù)值模擬不同篩箱振動(dòng)頻率(1～8 Hz)下胡麻脫粒物料在三級(jí)振動(dòng)篩分裝置上的運(yùn)移狀態(tài)與遷移規(guī)律，觀察物料層在各篩面上的形態(tài)分布，分析篩箱振動(dòng)頻率與籽粒含雜和清選損失之間的關(guān)系，并擇優(yōu)選取適宜參數(shù)值所對(duì)應(yīng)的參數(shù)模型。EDEM中胡麻脫粒物料屬性參數(shù)及其設(shè)定方法見文獻(xiàn)[13-16]。

將胡麻脫粒物料分離清選機(jī)的喂入量設(shè)定為0.035 kg/s，依據(jù)胡麻脫粒物料的谷草比，經(jīng)換算物料工廠在位于雙風(fēng)道雜余集料裝置前風(fēng)道入口端面80 mm處，分別生成胡麻蒴果500個(gè)/s、籽粒1 500個(gè)/s、短莖稈2 000個(gè)/s、蒴果殼2 000個(gè)/s和輕質(zhì)雜物500個(gè)/s。不同振篩及篩箱在作業(yè)中保持相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將仿真中具有相同運(yùn)動(dòng)方式的幾何體進(jìn)行合并，設(shè)置給料振幅為16.5 mm，篩箱振動(dòng)頻率每間隔1 Hz進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定范圍為1～6 Hz。為保證振篩傾角與實(shí)際相一致，振動(dòng)方向與水平面呈6°夾角，仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1.25×10-6s，每組仿真進(jìn)行9 s，共進(jìn)行9組仿真試驗(yàn)。

仿真分析計(jì)算中，將Fluent中穩(wěn)定計(jì)算得到的流場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成體積力加載到EDEM中，該方法可計(jì)算的兩相間作用力具有局限性，但相間數(shù)據(jù)交換完全在EDEM中完成，可有效提高仿真計(jì)算速度。在體積力單向耦合計(jì)算中，首先在Fluent中計(jì)算得到作業(yè)過程中避風(fēng)排雜裝置與旋風(fēng)除塵器的穩(wěn)定流場(chǎng)數(shù)據(jù)，將計(jì)算得到的穩(wěn)定流場(chǎng)中X、Y、Z3個(gè)方向的速度分量以CGNS數(shù)據(jù)格式保存，然后在Particle Body Force中加載CFielQuery體積力插件，在Field Data Manager中以場(chǎng)數(shù)據(jù)的形式加載CGNS數(shù)據(jù)。流場(chǎng)對(duì)顆粒相曳力及浮力作用通過CFielQuery.dll體積力插件計(jì)算得到，在Fluent中計(jì)算時(shí)，選擇空氣為流體介質(zhì)，密度設(shè)置為1.2 kg/m3，黏度為1.8×10-5Pa·s，入口邊界風(fēng)速為1.60 m/s，出口邊界風(fēng)速為4.40 m/s。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。管道壁面為無滑移壁面，采用基于壓力的SIMPLE算法對(duì)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行耦合求解，動(dòng)量項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，湍流動(dòng)能和湍流耗散率采用一階迎風(fēng)格式，殘差精度為10-3s。建立的胡麻脫粒物料氣固耦合分離清選仿真模型如圖5所示。

依照樣機(jī)篩箱振動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)范圍(1～8 Hz)對(duì)仿真模型進(jìn)行設(shè)置，觀察胡麻脫粒物料在三級(jí)振動(dòng)篩分裝置中各篩面的運(yùn)移規(guī)律，篩選出適宜的篩箱振動(dòng)頻率區(qū)間。在數(shù)值模擬試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)篩箱振動(dòng)頻率在2～6 Hz時(shí)，三級(jí)振動(dòng)篩分裝置中各篩面上胡麻脫粒物料分布均勻、透篩效果理想(圖6)，胡麻脫粒物料氣固耦合分離清選作業(yè)性能相對(duì)穩(wěn)定。

2.4 前風(fēng)道、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位

當(dāng)篩分裝置三級(jí)篩面傾角為6°，篩箱振動(dòng)頻率為3 Hz，給料振幅為16.5 mm時(shí)，雙風(fēng)道雜余集料裝置前、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄擋位在0～6協(xié)同調(diào)節(jié)時(shí)，作業(yè)機(jī)籽粒含雜率、清選損失率變化曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，當(dāng)前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄處在2～4擋，作業(yè)機(jī)籽粒含雜率與清選損失率分別為2.21%～2.85%和2.01%～2.67%；當(dāng)后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄處在4～6擋時(shí)，作業(yè)機(jī)籽粒含雜率與清選損失率分別為1.96%～2.45%和2.32%～2.88%。兩擋下籽粒含雜率與清選損失率相對(duì)差異不大，具有較好工作性能。因此，結(jié)合胡麻脫粒物料氣固耦合分離清選仿真模型，對(duì)其前風(fēng)道、后風(fēng)道風(fēng)量進(jìn)行上述擋位的對(duì)應(yīng)模擬仿真，獲得雙風(fēng)道雜余集料裝置、旋風(fēng)除塵器風(fēng)量的速度矢量分布如圖8所示[17]。

因此，在后續(xù)雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)中，選取試驗(yàn)因素為樣機(jī)篩箱振動(dòng)頻率(2～6 Hz)、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位(2～4)和后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位(4～6)。

3 作業(yè)性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與方法

2019年8月，在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)胡麻機(jī)械化作業(yè)示范基地——甘肅華瑞農(nóng)業(yè)股份有限公司進(jìn)行了雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)現(xiàn)場(chǎng)操作演示與作業(yè)性能試驗(yàn)(如圖9所示)。試驗(yàn)材料選用隴亞14號(hào)胡麻收獲期脫粒物料，單株平均蒴果數(shù)為24.1個(gè)，蒴果平均粒數(shù)為7.2個(gè)，胡麻籽粒平均千粒質(zhì)量為8.1 g，單株產(chǎn)量0.95 g，脫粒物料含水率為11.8%[6]。試驗(yàn)前對(duì)作業(yè)機(jī)進(jìn)行空轉(zhuǎn)運(yùn)行檢查，其中振動(dòng)喂料系統(tǒng)給料振幅設(shè)定為16.5 mm，三級(jí)振動(dòng)篩分裝置篩面傾角為6°，篩箱振動(dòng)頻率在2～6 Hz之間，雙風(fēng)道雜余集料裝置前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為2～4，后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為4～6。

待作業(yè)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后在喂料斗內(nèi)加入胡麻收獲期機(jī)械化脫粒物料。通過不斷調(diào)節(jié)篩箱振動(dòng)頻率、前風(fēng)道風(fēng)量和后風(fēng)道風(fēng)量進(jìn)行不同試驗(yàn)方案組合，測(cè)定作業(yè)機(jī)籽粒含雜率和清選損失率，同時(shí)在試驗(yàn)過程中觀察振動(dòng)喂料系統(tǒng)、三級(jí)振動(dòng)篩分裝置、雙風(fēng)道雜余集料裝置和吸雜除塵裝置的工作運(yùn)轉(zhuǎn)情況。以3次的測(cè)定平均值為測(cè)試結(jié)果，胡麻脫粒物料分離清選籽粒含雜率和清選損失率計(jì)算公式為[18-19]

(1)

(2)

式中Y1——籽粒含雜率，%

Y2——清選損失率，%

G1——胡麻籽粒接料盒內(nèi)籽粒質(zhì)量，g

GZ1——胡麻籽粒接料盒內(nèi)物料質(zhì)量，g

G2—— 4個(gè)接料盒內(nèi)的籽粒質(zhì)量，g

3.2 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)方案

綜合單因素試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果與分析，采用三因素三水平Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[20]，以篩箱振動(dòng)頻率x1、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位x2和后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位x3為自變量，籽粒含雜率Y1和清選損失率Y2為響應(yīng)值，各試驗(yàn)因素編碼如表1所示，分別實(shí)施17組響應(yīng)面分析試驗(yàn)(如表2所示，X1、X2、X3為因素編碼值)。應(yīng)用Design-Expert 8.0.6.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

表1 試驗(yàn)因素編碼

表2 響應(yīng)面分析結(jié)果

3.3 性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1回歸模型建立及檢驗(yàn)

借助Design-Expert 8.0.6.1軟件對(duì)籽粒含雜率Y1和清選損失率Y2進(jìn)行回歸模型的方差分析，如表3所示，分別得到Y(jié)1和Y2二次回歸模型為

表3 回歸方程方差分析

(3)

(4)

3.3.2模型交互項(xiàng)解析

根據(jù)建立的回歸模型分別獲得各因素之間交互作用影響的響應(yīng)面圖。

由圖10可以看出，當(dāng)篩箱振動(dòng)頻率為2 Hz、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為2時(shí)，籽粒含雜率較低，由等高線密度與響應(yīng)曲面形狀可看出，篩箱振動(dòng)頻率與前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位的交互作用對(duì)作業(yè)機(jī)籽粒含雜率有一定影響但是并不顯著，與方差分析結(jié)果相同。

由圖11可看出，當(dāng)篩箱振動(dòng)頻率為2 Hz、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為2時(shí)，籽粒含雜率較低，篩箱振動(dòng)頻率對(duì)籽粒含雜率的影響明顯高于后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位，但兩交互因素形成的響應(yīng)曲面呈圓形，表明篩箱振動(dòng)頻率與后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位對(duì)作業(yè)機(jī)籽粒含雜率的交互作用不顯著。

由圖12可以看出，當(dāng)后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位固定在某一水平，前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位由2到4時(shí)，前風(fēng)道風(fēng)量增大，籽粒含雜率呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是試驗(yàn)初期前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)到2擋時(shí)，一些飄浮速度明顯小于胡麻籽粒的輕雜物質(zhì)率先通過雙風(fēng)道雜余集料室前置風(fēng)道吸出，有效降低了剩余胡麻脫粒物料后續(xù)分離清選負(fù)荷，籽粒含雜率較低(小于0.50%)。當(dāng)離心通風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，吸雜管道內(nèi)的氣流速度與風(fēng)量恒定，若前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位由2向4不斷增加時(shí)，則前風(fēng)道風(fēng)量逐步加大，后風(fēng)道風(fēng)量不斷下降，致使雙風(fēng)道雜余集料室流場(chǎng)分布紊亂，胡麻脫粒物料中的雜質(zhì)進(jìn)入避風(fēng)排雜裝置的通過性較差，后風(fēng)道吸雜能力弱化，增加了籽粒含雜量，致使籽粒含雜率逐漸增大(在1.50%～2.00%之間)。因此，前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位與后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位的交互作用對(duì)籽粒含雜率影響非常顯著，與方差分析結(jié)果一致。

由圖13可知，當(dāng)篩箱振動(dòng)頻率為6 Hz、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為4時(shí)，作業(yè)機(jī)清選損失率最大。由等高線密度及響應(yīng)面形狀可以看出，篩箱振動(dòng)頻率與前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位的交互作用對(duì)清選損失率影響不顯著，與方差分析結(jié)果相同。

由圖14可知，當(dāng)后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位固定在某一水平，篩箱振動(dòng)頻率由2 Hz遞增至6 Hz時(shí)，清選損失率呈現(xiàn)逐步上升的變化趨勢(shì)，在7.0%～8.0%之間。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位一定時(shí)，后風(fēng)道分離清選系統(tǒng)的氣流速度與流量恒定，當(dāng)篩箱振動(dòng)頻率不斷增加時(shí)，進(jìn)入后風(fēng)道分離清選系統(tǒng)的胡麻脫粒物料逐漸增多，使得破碎干癟的胡麻籽粒被吸入到雜余集料室的數(shù)量與概率均增大。由響應(yīng)面形狀可以看出，篩箱振動(dòng)頻率與后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位的交互作用對(duì)清選損失率影響極顯著。

由圖15可以看出，當(dāng)前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位固定在某一水平，后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位由4向6轉(zhuǎn)變時(shí)，清選損失率呈現(xiàn)出先減小、后增大的變化趨勢(shì)。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是當(dāng)離心通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，吸雜管道的風(fēng)量保持穩(wěn)定，當(dāng)后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位向6擋調(diào)節(jié)時(shí)，后風(fēng)道風(fēng)量逐步加大，而前風(fēng)道風(fēng)量對(duì)應(yīng)降低，使得大部分干癟籽粒、未脫凈蒴果不隨輕質(zhì)雜物被吸入雙風(fēng)道雜余集料室內(nèi)，使得清選損失率有所下降。但隨著后風(fēng)道風(fēng)量進(jìn)一步增加，提升了由三級(jí)豎排長(zhǎng)腰型沖孔篩分離的潔凈胡麻籽粒和短莖稈進(jìn)入后風(fēng)道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度，超過了碎小胡麻籽粒的懸浮速度而被吸入雙風(fēng)道雜余集料室內(nèi)，使得清選損失率由3.9%上升至5.8%。由偏回歸分析與等高線密度可得，前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位與后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位的交互作用對(duì)清選損失率影響較為顯著。

3.3.3最優(yōu)工作參數(shù)確定與試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，為進(jìn)一步提升雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)作業(yè)性能，在各試驗(yàn)因素水平約束條件下，將籽粒含雜率和清選損失率取得最小值作為優(yōu)化指標(biāo)，建立性能指標(biāo)全因子二次回歸方程，進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化與最優(yōu)工作參數(shù)確定。

(5)

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6.1軟件中的優(yōu)化求解器對(duì)回歸方程模型(3)、(4)進(jìn)行該目標(biāo)下的優(yōu)化求解。其中，籽粒含雜率的重要度為++++，清選損失率的重要度為+++++，得到優(yōu)化試驗(yàn)指標(biāo)為籽粒含雜率0.76%、清選損失率2.58%，最優(yōu)工作參數(shù)組合：篩箱振動(dòng)頻率為2 Hz、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為2、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為4.5。

為了驗(yàn)證所建立回歸模型(3)、(4)的可靠性，應(yīng)用雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)按照上述最優(yōu)工作參數(shù)進(jìn)行9次作業(yè)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)材料和方法與2.1、2.2節(jié)相同，如圖16所示。9次試驗(yàn)下胡麻脫粒物料的籽粒含雜率均值為0.98%、清選損失率均值為2.66%，表明在優(yōu)化工作參數(shù)條件下能夠降低胡麻脫粒物料在機(jī)械化分離清選過程中的含雜與損失，較單一氣流分離清選方式作業(yè)效果有顯著改善，因此建立的回歸模型是可靠的。

在試驗(yàn)驗(yàn)證過程中通過物料觀察窗發(fā)現(xiàn)，由三級(jí)篩分離后的潔凈胡麻籽粒和極少量短莖稈在雙風(fēng)道雜余集料裝置后風(fēng)道吸雜氣流作用下基本呈現(xiàn)出懸浮狀(圖16a)，隨后胡麻籽粒在重力作用下落入胡麻籽粒接料盒。通過對(duì)一級(jí)篩、二級(jí)篩、三級(jí)篩及避風(fēng)裝置排雜狀況(圖16b～16e)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)的三級(jí)振動(dòng)篩分裝置和雙風(fēng)道雜余集料裝置均滿足作業(yè)要求。當(dāng)篩箱振動(dòng)頻率過高時(shí)會(huì)引起胡麻脫粒物料在篩面上彈跳，使得胡麻脫粒物料在三級(jí)振動(dòng)篩分裝置中的透篩分離不充分，這是引起籽粒含雜率升高的關(guān)鍵因素；同時(shí)，雙風(fēng)道雜余集料裝置前、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位不匹配時(shí)，引起避風(fēng)排雜裝置中輸出物料夾帶胡麻籽粒較多，這是使清選損失率增大的又一重要原因。因此，后續(xù)研究中需要結(jié)合氣固耦合理論對(duì)雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)關(guān)鍵部件優(yōu)化參數(shù)下的作業(yè)流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究。

4 結(jié)論

(1)對(duì)雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)的作業(yè)原理進(jìn)行解析，基于實(shí)際試驗(yàn)方法與離散元仿真分析，對(duì)樣機(jī)主要工作參數(shù)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，探討各試驗(yàn)因素對(duì)胡麻籽粒含雜率、清選損失率的影響規(guī)律，確定對(duì)樣機(jī)作業(yè)性能有影響的相關(guān)試驗(yàn)因素與取值范圍。

(2)按照Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用三因素三水平響應(yīng)曲面分析方法，進(jìn)行雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果表明，影響籽粒含雜率與清選損失率的因素主次順序由大到小均為篩箱振動(dòng)頻率、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位。

(3)建立了籽粒含雜率、清選損失率與篩箱振動(dòng)頻率、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位的二次多項(xiàng)式回歸模型。以籽粒含雜率和清選損失率最小為目標(biāo)，優(yōu)化得到作業(yè)機(jī)最佳工作參數(shù)：篩箱振動(dòng)頻率為2 Hz、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為2、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為4.5。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，籽粒含雜率均值為0.98%、清選損失率均值為2.66%，說明通過優(yōu)化工作參數(shù)可降低胡麻脫粒物料在機(jī)械化分離清選過程中的含雜與損失，其作業(yè)效果較單一氣流分離清選方式有顯著改善。