趙樂然 王 濤

(海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

海南省是中國主要的天然橡膠種植生產(chǎn)基地，橡膠籽作為天然植膠業(yè)副產(chǎn)品，在工業(yè)方面、食用和醫(yī)用方面、飼用方面和能源方面都具有很高的開發(fā)利用價(jià)值[1]。目前，對于橡膠籽深加工的開發(fā)利用尚處于初始研究階段，其中殼仁分離系統(tǒng)是橡膠籽脫殼機(jī)械的關(guān)鍵部件。

目前國內(nèi)的堅(jiān)果脫殼機(jī)械普遍存在破碎率、脫凈率、整仁率低，破損率高的問題，主要是由于缺乏對橡膠籽脫殼過程中物料間及物料與脫殼機(jī)構(gòu)之間力學(xué)特性的研究[2-3]。程鑫鑫[4]設(shè)計(jì)的蓖麻脫殼設(shè)備，將兩錐形滾筒與地面形成一定角度，筒間間隙從進(jìn)料口開始逐漸減小，蓖麻蒴果在重力和滾筒壓條滾搓的雙組合作用下，實(shí)現(xiàn)脫殼；鄭甲紅等[5]對設(shè)計(jì)的核桃脫殼設(shè)備進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，該設(shè)備利用帶有擊打裝置偏心輥與筒壁相配合的形式，核桃進(jìn)入間隙逐漸減小的脫殼區(qū)后，受偏心輥的擊打和擠壓組合作用實(shí)現(xiàn)脫殼；陸榮等[6]設(shè)計(jì)的脫殼裝置由錐滾筒和錐凹板組合構(gòu)成，全封閉結(jié)構(gòu)能較好地改善脫殼作業(yè)條件，提高脫殼率。

離散單元法(DEM)是研究復(fù)雜離散系統(tǒng)動力學(xué)問題的一種新型數(shù)值方法[7]，離散單元法以及EDEM軟件的應(yīng)用，能夠有效模擬研究農(nóng)業(yè)散體物料與脫殼脫粒機(jī)械部件的相互作用過程。郭柄江等[8]采用離散元法研究谷粒和莖稈分離運(yùn)動過程中的狀態(tài)變化；Romuli等[9]運(yùn)用離散元法模擬了蓖麻蒴果脫殼機(jī)構(gòu)內(nèi)物料的運(yùn)動分布，通過對比試驗(yàn)，對脫殼設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；Bo等[10]通過設(shè)定不同對輥間隙、對輥轉(zhuǎn)速及風(fēng)選風(fēng)速，模擬分析得出雙輥擠壓式蓖麻脫殼設(shè)備的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)；Jafari等[11]基于離散元法分析不同參數(shù)對篩分效率和篩面磨損的影響；王京崢等[12]依據(jù)甘藍(lán)物理特性，利用離散單元法研究甘藍(lán)在翻轉(zhuǎn)卸料裝置中不同區(qū)域的運(yùn)動規(guī)律，分析得出甘藍(lán)損傷率與果箱不同參數(shù)變化趨勢。

目前有關(guān)部分農(nóng)業(yè)物料的物理性質(zhì)研究及其生產(chǎn)加工過程中各類機(jī)械設(shè)備與裝置的設(shè)計(jì)均已采用離散元法，而對橡膠籽脫殼機(jī)械的設(shè)計(jì)還處于單一模式階段，并且對橡膠籽脫殼過程及運(yùn)動參數(shù)分析和接觸模型的選擇等方面的研究也較少。研究擬通過設(shè)計(jì)一種組合式橡膠籽脫殼機(jī)，結(jié)合EDEM離散元軟件分析橡膠籽脫殼機(jī)脫殼過程，研究橡膠籽在脫殼裝置中的運(yùn)動規(guī)律，為確定最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化組合提供依據(jù)。

1 脫殼機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

為適應(yīng)多種橡膠籽脫殼要求，提高脫殼效率，設(shè)計(jì)了一種組合式橡膠籽脫殼機(jī)，如圖1所示，其主要包括機(jī)架、預(yù)切割裝置、擠壓脫殼裝置、風(fēng)選箱等部分。預(yù)切割裝置和擠壓脫殼裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，橡膠籽通過進(jìn)料倉進(jìn)入殼仁分離裝置，殼仁分離后的脫出物在重力作用下進(jìn)入清選系統(tǒng)中。

1. 進(jìn)料口 2. 機(jī)架 3. 脫殼倉 4. 風(fēng)選倉 5. 電動機(jī) 6. 風(fēng)機(jī)圖1 組合式脫殼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure diagram of combined shelling machine

1. 進(jìn)料口 2. 凹槽板 3. 鋸齒刀片 4. 刀片安裝軸 5. 脫殼倉 6. 葉片輥筒 7. 輥筒軸 8. 齒輪圖2 預(yù)切割裝置和擠壓脫殼裝置結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Pre-cracking and extrusion unit of the sheller

1.2 工作原理

組合式橡膠籽脫殼機(jī)的脫殼過程：橡膠籽由人工喂入進(jìn)料口后，經(jīng)凹槽板受到高速旋轉(zhuǎn)鋸齒刀片的切割、擠壓、剪切作用，部分橡膠籽殼出現(xiàn)裂紋，部分橡膠籽殼出現(xiàn)破損，在旋轉(zhuǎn)鋸齒刀片的帶動下，具備一定的初速度的橡膠籽沿切線方向撞擊脫殼倉中的撞擊板，達(dá)到預(yù)脫殼效果。受損的橡膠籽沿著撞擊板進(jìn)入擠壓脫殼裝置的葉片間隙中，在轉(zhuǎn)葉片與輥筒的擊打、碰撞、擠壓等作用下實(shí)現(xiàn)二次破殼過程。脫殼后的籽殼與籽仁混合物落入風(fēng)選箱中，在風(fēng)機(jī)的作用下，完成殼仁分離，并分別落入收集箱內(nèi)。

2 仿真模型建立

2.1 橡膠籽顆粒模型

為了建立橡膠籽的3D模型，以采摘自海南省儋州市的橡膠籽為基礎(chǔ)，隨機(jī)選取100顆無損傷顆粒，經(jīng)游標(biāo)卡尺測量其橫徑、縱徑、棱徑、殼厚[13]，得到其平均三軸尺寸為18.68 mm×22.65 mm×17.56 mm，平均殼厚為0.68 mm，橡膠籽實(shí)物如圖3(a)所示。

橡膠籽形狀為橢球體[14]，通過使用高精度的3D掃描儀XCSW-131對橡膠籽進(jìn)行3D掃描，建立精準(zhǔn)的橡膠籽輪廓模型，如圖3(b)所示。

圖3 橡膠籽Figure 3 Rubber seed

由于橡膠籽包含籽殼和籽仁兩個(gè)部分，試驗(yàn)過程中為了便于分析脫殼過程中的碰撞接觸情況，將橡膠籽籽殼和籽仁作為一個(gè)整體進(jìn)行建模，以簡化的橡膠籽模型進(jìn)行仿真分析。

將橡膠籽3D輪廓圖導(dǎo)入離散元軟件EDEM中，采用多球面聚合填充方式[15]進(jìn)行離散元建模，填充的球面越多，與橡膠籽的真實(shí)輪廓越貼合，如圖4(a)所示，但球面數(shù)量越多，分析計(jì)算量也越大，且與較少的球面聚合顆粒分析差異不大，故采用半徑8.1～8.8 mm的3個(gè)基本球體重疊構(gòu)成橡膠籽的離散元模型，如圖4(b)所示。橡膠籽表面光滑、流動性好，其材料屬性可簡化為具有同體性質(zhì)的均勻線彈性材料，采用EDEM模型自動計(jì)算顆粒模型質(zhì)量、體積和轉(zhuǎn)動慣量。

圖4 橡膠籽離散元模型Figure 4 Discrete element models of rubber seed

2.2 仿真參數(shù)設(shè)定

由于橡膠籽顆粒近似橢球形，表面光滑無黏附力，為了便于分析，將橡膠籽顆粒假設(shè)為剛性體，接觸模型選擇Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，顆粒間的碰撞屬于軟球模型[16]，各材料特性參數(shù)及接觸參數(shù)設(shè)置如表1、表2所示。

表1 材料特性參數(shù)Table 1 Material characteristic parameter

表2 接觸參數(shù)Table 2 Interaction properties

2.3 組合式脫殼機(jī)模型

為研究不同輥筒轉(zhuǎn)速、不同擠壓間隙、不同葉片輥筒相位下橡膠籽在脫殼機(jī)破碎過程中的受力過程及變化規(guī)律，得到組合式脫殼機(jī)最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，在建立脫殼機(jī)模型和數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行離散元仿真試驗(yàn)。

為了對橡膠籽脫殼過程進(jìn)行離散元仿真，需簡化脫殼機(jī)模型，去除預(yù)切割裝置和擠壓脫殼裝置與接觸模型不相關(guān)的零部件，只保留脫殼倉、刀片、擠壓板、葉片輥筒等脫殼系統(tǒng)組件，在Solidworks中完成簡化后的脫殼裝置三維模型，并導(dǎo)入EDEM軟件中，仿真模型如圖5所示。

圖5 脫殼機(jī)簡化仿真模型Figure 5 Simplified simulation model of shelling machine

3 橡膠籽脫殼過程仿真與分析

3.1 仿真影響因素

橡膠籽脫殼機(jī)械的脫殼效果與剪切擠壓間隙、葉片輥筒轉(zhuǎn)速、葉片輥筒安裝相位等因素有關(guān)，為使橡膠籽脫殼機(jī)脫殼效果達(dá)到最佳，對葉片輥筒和刀片軸的轉(zhuǎn)速、刀片與擠壓板的間隙、葉片輥筒安裝相位進(jìn)行離散元仿真。

3.2 脫殼機(jī)離散元仿真試驗(yàn)

根據(jù)脫殼輥筒的運(yùn)動特征，將葉片輥筒設(shè)置為線性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，轉(zhuǎn)速為300～600 r/min，鋸齒刀片與凹槽板最小間隙設(shè)置為13～17 mm。為便于單位時(shí)間內(nèi)喂入的橡膠籽能夠充分受到剪切擠壓作用，同時(shí)保證喂入速率滿足脫殼需求，根據(jù)脫殼機(jī)脫殼倉設(shè)計(jì)尺寸及橡膠籽三維尺寸，設(shè)定顆粒喂入量為100個(gè)，顆粒工廠每秒顆粒生成20個(gè)，仿真總時(shí)長為5 s。顆粒產(chǎn)生于進(jìn)料口處，自由落下。設(shè)定計(jì)算時(shí)間間隔為Rayleigh時(shí)間間隔的10%，輸出時(shí)間間隔為0.01 s，仿真網(wǎng)格尺寸設(shè)置為最小顆粒尺寸的2.5倍。

對設(shè)計(jì)的組合式橡膠籽脫殼機(jī)進(jìn)行離散元仿真，脫殼過程如圖6所示。

圖6 橡膠籽脫殼過程仿真Figure 6 Simulation of rubber seed hulling process

根據(jù)橡膠籽力學(xué)特性試驗(yàn)[13]可知：橡膠籽平均剪切破殼力為287～398 N，平均擠壓破殼力為548～715 N。因此，在EDEM軟件后處理中統(tǒng)計(jì)脫殼過程中橡膠籽的最大接觸力F，對橡膠籽的破損情況以接觸力的范圍進(jìn)行判定，如表3所示。

表3 橡膠籽破損情況判定表Table 3 Decision of rubber seed damage

選取脫殼機(jī)的剪切擠壓間隙13 mm、葉片輥筒轉(zhuǎn)速450 r/min、葉片輥筒安裝相位31.5°為因素中心水平點(diǎn)，橡膠籽脫殼率、整仁率為響應(yīng)值。采用Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析[17-18]，各試驗(yàn)因素水平編碼如表4所示。由軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，共對17個(gè)試驗(yàn)組合進(jìn)行離散元仿真分析，如表5所示，運(yùn)用響應(yīng)面分析得到響應(yīng)值與各因素間的數(shù)學(xué)模型。

表4 因素水平編碼表Table 4 Coding of test factors

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 回歸模型建立及檢驗(yàn) 采用Design-Expert 8.0.6軟件對表5中的脫殼率、整仁率分別與各因素進(jìn)行多元回歸擬合[19]，得二次回歸模型為

表5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 5 Experimental design and test results

R1=88.00-4.15A-2.00B+4.65C-0.40AB-6.35AC-3.55BC-13.10A2+0.70B2-6.20C2，

(1)

R2=89.40+5.49A-1.99B+0.60C-0.025AB-1.80AC-2.00BC-0.088A2+0.16B2+2.99C2。

(2)

對模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，其結(jié)果如表6所示。

由表6可知，脫殼率二次回歸模型的P值極顯著(P<0.01)、失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05)，說明所得回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合精度高，該模型能反映出脫殼率與A、B、C之間的關(guān)系，可較好地對優(yōu)化試驗(yàn)中各試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。其中A、C、AC、A2、C2影響極顯著，BC影響顯著，其余均不顯著。回歸方程中，系數(shù)絕對值大小決定該因素對脫殼率的影響大小，可得各影響因素對脫殼率的影響大小順序依次為葉片輥筒轉(zhuǎn)速、剪切擠壓間隙、葉片輥筒安裝相位。

表6 脫殼率方差分析Table 6 Variance analysis of shelling rate

由表7可知，整仁率的二次回歸模型的P值極顯著(P<0.01)、失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05)，說明所得回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合精度高，該模型能反映出脫殼率與A、B、C之間的關(guān)系，可較好地對優(yōu)化試驗(yàn)中各試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。其中A影響極顯著，B、C2影響顯著，其余均不顯著。根據(jù)各因素回歸系數(shù)絕對值的大小，可得各影響因素對整仁率的影響大小順序依次為剪切擠壓間隙、葉片輥筒轉(zhuǎn)速、葉片輥筒安裝相位。

表7 整仁率方差分析Table 7 Variance analysis of whole-kernel rate

3.3.2 模型交互項(xiàng)解析 根據(jù)建立的回歸模型可分別得出各影響因素之間交互作用的響應(yīng)面圖形。

由圖7(a)可知，在葉片輥筒轉(zhuǎn)速固定在某一水平時(shí)，隨著剪切擠壓間隙的增大，橡膠籽脫殼率表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；剪切擠壓間隙對橡膠籽脫殼率的影響明顯高于葉片輥筒轉(zhuǎn)速。由等高線密度與響應(yīng)曲面形狀可看出，兩者交互作用對橡膠籽脫殼率有一定影響但不顯著。

由圖7(b)可知，隨著剪切擠壓間隙與葉片輥筒安裝相位的增大，橡膠籽脫殼率均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。這是因?yàn)榧羟袛D壓間隙與橡膠籽尺寸相當(dāng)時(shí)，橡膠籽受到較為理想的剪切擠壓力而實(shí)現(xiàn)較好的破殼，籽仁能夠較好地從籽殼中脫落，隨著間隙不斷增大，刀片對橡膠籽的有效接觸不斷降低，致使橡膠籽受到的有效剪切擠壓力減小，脫殼率隨之降低。

由圖7(c)可知，隨著葉片輥筒安裝相位的增大，橡膠籽脫殼率表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。主要是因?yàn)槿~片輥筒安裝相位決定了葉片之間擠壓間隙，當(dāng)相位處于低水平時(shí)，對輥葉片間隙較大，橡膠籽落入葉片輥筒內(nèi)的有效擠壓作用較低，隨著葉片輥筒安裝相位的增大，對輥葉片間隙不斷減小，有效擠壓作用增大，橡膠籽脫殼率升高，當(dāng)增大至一定值時(shí)，有效擠壓接觸減少，致使脫殼率降低。

圖7 各因素交互作用對橡膠籽脫殼率影響的響應(yīng)面Figure 7 Response surfaces of all factors’ interaction on shelling rate

由圖8(a)可知，隨著剪切擠壓間隙的增大和葉片輥筒轉(zhuǎn)速的降低，橡膠籽整仁率不斷增大。主要是因?yàn)樵诩羟袛D壓間隙較小，葉片輥筒轉(zhuǎn)速較高的情況下，橡膠籽在刀片和擠壓板的間隙中受到較大的摩擦和剪切擠壓力，導(dǎo)致整仁率較低。由圖8(b)可知，隨著葉片輥筒安裝相位的增加，橡膠籽整仁率呈先減小后增大的趨勢，這是由于當(dāng)葉片輥筒安裝相位處于低水平或高水平時(shí)，葉片之間的擠壓間隙與橡膠籽的外尺寸較為貼合，橡膠籽籽仁不易受損，從而得到較高的整仁率。由圖8(c)可知，葉片輥筒安裝相位在低水平時(shí)，葉片輥筒轉(zhuǎn)速對于橡膠籽整仁率的影響較小，在安裝相位處于高水平時(shí)，橡膠籽整仁率隨葉片輥筒轉(zhuǎn)速的升高而增大。

圖8 各因素交互作用對橡膠籽整仁率影響的響應(yīng)面Figure 8 Response surfaces of all factors’ interaction on whole-kernel rate

3.3.3 最優(yōu)工作參數(shù)確定 為提升組合式橡膠籽脫殼機(jī)作業(yè)性能，根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果，將橡膠籽脫殼率和籽仁整仁率取得最大值作為優(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[20-21]。目標(biāo)函數(shù)：

(3)

利用Design-Expert軟件進(jìn)行優(yōu)化分析，得到最優(yōu)工作參數(shù)組合：剪切擠壓間隙為12.6 mm、葉片輥筒轉(zhuǎn)速為300 r/min、葉片輥筒安裝相位為40.5°。此時(shí)，橡膠籽脫殼率為94.09%，整仁率為96.47%。

4 橡膠籽脫殼機(jī)臺架試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述分析建立的脫殼率及整仁率回歸模型的可靠性，根據(jù)得到的最優(yōu)工作參數(shù)組合，開展組合式橡膠籽脫殼機(jī)構(gòu)臺架試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)與仿真模型一致，其主要技術(shù)參數(shù)如表8所示。試驗(yàn)對象選用采摘自海南省儋州市種植的橡膠籽，橡膠籽樣品為生長狀態(tài)正常的橡膠樹，利用人工方式收集掉落的完整橡膠籽。

表8 樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 8 Main technical parameters of prototype

4.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

橡膠籽脫殼驗(yàn)證試驗(yàn)在自制的樣機(jī)上進(jìn)行，葉片輥筒轉(zhuǎn)速由變頻器調(diào)節(jié)，刀片軸與葉片輥筒通過鏈輪鏈條傳動，鏈條外裝有張緊導(dǎo)軌。刀片與凹槽板的間隙通過墊片厚度調(diào)節(jié)，葉片輥筒相位則由傳動齒輪安裝相位角調(diào)節(jié)。電機(jī)運(yùn)行后由變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，再將橡膠籽以每次20顆的速度喂入脫殼倉，每次試驗(yàn)投喂5次。從風(fēng)選倉出料口收集殼仁混合物，分揀出完整的籽仁、未破碎的橡膠籽。試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5次取結(jié)果的平均值，得到橡膠籽的脫殼率均值為89.67%、整仁率為91.33%。

5 結(jié)論

試驗(yàn)針對自主設(shè)計(jì)的組合式橡膠籽脫殼機(jī)構(gòu)，運(yùn)用離散單元法，在EDEM仿真軟件中建立了脫殼機(jī)構(gòu)模型以及橡膠籽的顆粒模型，分析結(jié)果可清晰體現(xiàn)橡膠籽的運(yùn)動趨勢及受力過程。通過對組合式橡膠籽脫殼機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與橡膠籽脫殼過程進(jìn)行數(shù)值模擬，建立雙目標(biāo)函數(shù)模型對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了組合式橡膠籽脫殼機(jī)的最優(yōu)工作參數(shù)組合。臺架驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果顯示，脫殼率實(shí)測值與仿真值相差4.42%，整仁率相差5.14%，在可接受范圍內(nèi)，進(jìn)一步說明通過優(yōu)化工作參數(shù)可提高橡膠籽的脫殼率和整仁率，優(yōu)化結(jié)果具有較高的可靠性，組合式橡膠籽脫殼機(jī)作業(yè)效果較單一分離方式的脫殼機(jī)有顯著改善，后續(xù)可進(jìn)一步借助離散元仿真軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)切割刀具、擠壓輥筒表面齒形等工作參數(shù)，以此提高仿真結(jié)果的精確性。