馬宗雨，萬其號，陳文星，布庫，楊錦章，杜文亮

(1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，呼和浩特市，010010； 2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，呼和浩特市，010018； 3. 星光農(nóng)機股份有限公司，浙江湖州，313017)

0 引言

羊草具有高產(chǎn)、高營養(yǎng)和高飼用價值，是中國東北西部和內(nèi)蒙古東部天然草場上的重要牧草之一[1]。羊草種子的收獲因其形狀復(fù)雜、損失大、凈度低、機收困難等問題一直困擾羊草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。目前，我國羊草種子的收獲基本以利用谷物聯(lián)合收獲裝置進行收獲，以及梳脫等分段收獲為主，收獲效果不理想[3-4]，尤其是羊草種子脫出物的清選，因全喂入聯(lián)合收獲機的清選部件不適合收獲羊草種子，導(dǎo)致了含雜率高、損失率大的問題，通過實際田間試驗，測得羊草種子全喂入聯(lián)合收獲機的損失率為20.8%，含雜率為33.47%。全喂入聯(lián)合收獲是當(dāng)下主流的收獲方法[5]，風(fēng)篩清選是聯(lián)合收獲機普遍采用的一種清選方式，但大多是針對谷物、玉米、水稻等作物[6-8]，對羊草等禾本科牧草種子的清選研究較少。羊草種子產(chǎn)量低，種草比小，種子間易粘連[9]，種子成熟后莖葉含水率高等因素加劇了羊草種子的清選困難程度。另外，羊草種子收獲期短，為了不誤農(nóng)時，全喂入聯(lián)合收獲機的作業(yè)參數(shù)選擇較單一，沒能調(diào)節(jié)出一組收獲羊草種子的較優(yōu)參數(shù)組合。因此，結(jié)合羊草種子自身物理特性，與先進清選技術(shù)[8, 10-12]，設(shè)計搭建羊草種子風(fēng)篩清選裝置進行室內(nèi)試驗，可為研發(fā)羊草等禾本科牧草種子全喂入聯(lián)合收獲機提供參考。

1 清選裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

風(fēng)篩式羊草種子清選裝置主要包括自動喂料裝置、分離清選裝置、接料裝置、傳動裝置、變頻控制系統(tǒng)等，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

(a) 主視圖

(b) 仰視圖圖1 羊草種子風(fēng)篩清選裝置結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of Leymus chinensis seed air-and-screen cleaning device1.接料裝置 2.篩箱 3.振動篩 4.振動篩控制電動機 5.喂料控制電動機 6.料斗 7.風(fēng)篩清選裝置上架 8.風(fēng)機 9.風(fēng)機控制電動機 10.風(fēng)篩清選裝置下架 11.變頻控制系統(tǒng) 12.上篩 13.下篩

為了與田間收獲用的聯(lián)合收獲機盡可能保持一致，風(fēng)篩清選裝置的篩箱與田間的全喂入聯(lián)合收獲機的篩箱型號、尺寸一致；其中，振動篩振動頻率、風(fēng)機轉(zhuǎn)動頻率、喂料裝置轉(zhuǎn)動頻率均由變頻器各自控制調(diào)節(jié)；上篩與下篩的篩片均可以拆卸，以便更換不同形式與尺寸的篩片；接料裝置中設(shè)置了55個小型的接料盒，每個接料盒都可以單獨取出，以便分析篩下物的分布規(guī)律。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

結(jié)合羊草種子脫出物清選作業(yè)工藝流程與工作過程，風(fēng)篩清選裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 羊草種子脫出物風(fēng)篩清選裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of the Leymuschinensis seed extract air-and-screen

1.3 清選工藝與工作原理

設(shè)計的風(fēng)篩清選裝置獲得清潔羊草種子的工藝流程如圖2所示。

圖2 羊草種子脫出物清選作業(yè)工藝流程圖Fig. 2 Process flow chart of the extraction of Leymus chinensis seeds

首先，通過喂入量變頻控制器控制料斗內(nèi)羊草種子脫出物的喂入量，隨后羊草種子脫出物落到振動篩的抖動板上，通過振動篩的變頻控制器控制振動頻率使羊草種子脫出物均勻向前輸送。當(dāng)羊草種子脫出物剛接觸到篩面時，一部分輕雜質(zhì)會在風(fēng)機作用下直接被吹出排雜口，而風(fēng)機也通過風(fēng)機變頻控制器控制風(fēng)速大小。隨后羊草種子與短莖稈會通過抖動板落到上篩，部分長莖稈會從上篩直接排出排雜口，大部分短莖稈與羊草種子會落到下篩，下篩的篩上物包含大部分短莖稈與部分羊草種子，會落到復(fù)脫裝置，停機后會把復(fù)脫裝置的物料重新放回進料斗進行循環(huán)清選，下篩的篩下物包含一小部分短莖稈與大部分羊草種子，會落入到接料裝置被收集，在振動篩篩分過程中，風(fēng)機會持續(xù)把一些輕雜質(zhì)、種子麩皮、懸浮速度較小的短莖稈、雜草籽等吹出排雜口，完成清選過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 清選裝置

清選裝置主要由振動篩、風(fēng)機、傳動裝置、控制裝置等組成，其中振動篩又由抖動板、篩框、上篩、下篩、尾篩等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

(a) 主視圖

(b) 俯視圖圖3 清選裝置結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Cleaning device structure diagram1.風(fēng)機 2.皮帶 3.風(fēng)機電機 4.振動篩電機 5.鏈條 6.復(fù)脫位置 7.振動篩鏈輪 8.篩箱 9.振動篩凸輪 10.下篩 11.上篩 12.抖動板 13.尾篩

振動篩驅(qū)動機構(gòu)主要依靠振動篩鏈輪與鏈條外嚙合實現(xiàn)運動，與鏈輪相連的另一端是偏心裝置，在鏈傳動以及偏心輪共同作用下實現(xiàn)振動篩的往復(fù)運動，且振動篩電機通過變頻器控制可實現(xiàn)振動篩的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。風(fēng)機采用貫流風(fēng)機，具有出風(fēng)口氣流沿軸向分布較均勻、壓力系數(shù)和流量系數(shù)較高等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)機械中有較廣闊的應(yīng)用前景[13]。

在氣流和振動篩共同作用下，篩面上羊草種子脫出物的運動不同于純振動方式下的運動，氣流的作用使羊草種子脫出物在篩面上的上滑指數(shù)K1、下滑指數(shù)K2、起跳指數(shù)K3都發(fā)生了變化，從而改變了羊草種子脫出物在篩面上的運動狀態(tài)[14]。假設(shè)篩面的氣流速度與方向不變，忽略羊草種子脫出物間的相互碰撞，羊草種子脫出物各組分的懸浮系數(shù)保持不變，對單個脫出物在篩面上的運動進行分析。

1) 羊草種子脫出物相對于篩面上滑過程。羊草種子脫出物在系統(tǒng)慣性力的作用下產(chǎn)生相對運動，當(dāng)羊草種子脫出物所受的系統(tǒng)慣性力向上時，如圖4所示，脫出物具有相對于篩面上滑的趨勢，其運動微分方程為

(1)

式中：G*——系統(tǒng)慣性力，G*=-ma′=mAω2cosωt，N；

N——正壓力，N；

F——羊草種子脫出物所受摩擦力，N；

φ——羊草種子脫出物與篩面之間滑動摩擦角，(°)；

p——羊草種子脫出物所受的氣流作用力，N；

α——篩面傾角，(°)；

δ——振動方向與水平面所夾銳角，(°)；

t——時間，s；

m——羊草種子脫出物的質(zhì)量，kg；

A——曲柄半徑，mm；

ω——曲柄轉(zhuǎn)速，rad/s；

a′——振動篩加速度；

β——風(fēng)力方向與水平面的夾角，(°)。

式(1)化簡得

(2)

式中：vp——懸浮速度，m/s；

ξ——氣流相對于質(zhì)點的相對速度，m/s。

令

則式(2)化簡為

(3)

(4)

圖4 羊草種子脫出物相對于篩面上滑時的受力分析Fig. 4 Force analysis of Leymus chinensis seed extraction sliding relative to the screen surface

2) 羊草種子脫出物相對于篩面下滑過程。當(dāng)羊草種子脫出物所受的系統(tǒng)慣性力向下時，如圖5所示，脫出物具有下滑趨勢，其運動微分方程為

(5)

式(5)可化簡為

(6)

令

即有

(7)

(8)

圖5 羊草種子脫出物相對于篩面下滑時的受力分析Fig. 5 Force analysis of Leymus chinensis seed extraction when it slides down relative to the screen surface

3) 羊草種子脫出物相對于篩面的拋擲過程。當(dāng)羊草種子脫出物所受的系統(tǒng)慣性力向上時，如圖6所示，系統(tǒng)慣性力沿篩面法線方向的分力與正壓力N方向相同，這時羊草種子脫出物有向上拋擲的趨勢。此時，正壓力

N=mgcosα-G*sin(δ-α)-psin(β-α)

=mgcosα-mAω2cosωtsin(δ-α)-

mkpξ2sin(β-α)

(9)

隨著Aω2的增大，正壓力N減小，當(dāng)Aω2增大到一定數(shù)值時，使N=0，此時羊草種子脫出物就被拋離篩面。

當(dāng)N=0時可得

令

所以，羊草種子脫出物相對于篩面拋擲時應(yīng)滿足

(10)

從上面可以看出，影響羊草種子脫出物在篩面上運動狀態(tài)的參數(shù)有：風(fēng)向角β，曲柄半徑A，曲柄轉(zhuǎn)速ω，羊草種子脫出物的懸浮系數(shù)kp，氣流相對于質(zhì)點的相對速度ξ，篩面傾角α及振動方向與水平面所夾銳角δ。在此清選裝置中，β=30°，A=10 mm，kp=1.25，ξ=5 m/s，α=3.8°，δ=35°，把各項參數(shù)帶入以上各式得出，K1=-2.96，K2=3.81，K3=-0.79，則下滑指數(shù)大于起跳指數(shù)大于上滑指數(shù)，所以設(shè)計的清選篩分裝置滿足篩分條件。

圖6 羊草種子脫出物相對于篩面拋擲時的受力分析Fig. 6 Force analysis of Leymus chinensis seed extraction when thrown relative to the screen surface

2.2 喂料裝置

喂料裝置主要由料斗、撥料輥、傳動裝置、控制裝置組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

由于羊草種子脫出物流動性差，所以下料過程主要靠撥料輥的旋轉(zhuǎn)使羊草種子脫出物勻速下落；為了保證傳動平穩(wěn)、下料均勻，傳動部分采用同步帶傳動，同步電機型號為YX3-90L-2，由變頻器控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)喂料量的調(diào)節(jié)。喂料裝置安裝位置主要由抖動板決定，其安裝示意圖如圖8所示。其中喂料裝置的前后位置安裝于抖動板中部靠后，高度h為110 mm，保證脫出物可以落到抖動板上，并且與振動篩工作過程中不發(fā)生干涉。

(a) 主視圖

(b) 右視圖圖7 喂料裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the structure of the feeding device1.同步電機 2.同步帶 3.料斗 4.撥料輥軸 5.撥料輥

圖8 喂料裝置安裝示意圖Fig. 8 Schematic diagram of feeding device installation1.料斗 2.抖動板

2.3 接料裝置

接料裝置主要放置于清選篩下方，由55個長、寬、高分別為78 mm×58 mm×150 mm的長方體盒子組成，每個盒子都能單獨取出，以便分析篩下物的分布規(guī)律。由于風(fēng)篩清選裝置在振動篩與風(fēng)機的作用下，篩面上的羊草種子脫出物不是垂直方向掉落，所以接料裝置應(yīng)放置于距振動篩L=845 mm處，高度距離下篩H=50 mm處，如圖9所示。

圖9 接料裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 9 Schematic diagram of the structure of the feeding device1.接料裝置 2.上篩 3.下篩 4.風(fēng)機

此時，接料裝置與振動篩工作時不會發(fā)生干涉且能達到一個較好的接料效果。

3 性能試驗

3.1 試驗材料與試驗方法

試驗所用的材料為從田間全喂入聯(lián)合收獲機抖動板收集的脫出物。由于在試驗室放置了一段時間后，含水率與田間收獲試驗時有所不同，為了盡可能與田間收獲時的含水率一致，在進行正式試驗之前先對物料的含水率進行調(diào)節(jié)，利用噴水法[15]進行含水率調(diào)節(jié)，噴水的質(zhì)量按式(11)計算，把噴完水的物料放置在室溫下24 h以上，使含水率均勻。參考NY/T 1235—2006《牧草與草坪草種子清選技術(shù)規(guī)程》[16]進行試驗，試驗分為單因素試驗和多因素響應(yīng)面試驗兩部分，試驗過程中先將物料倒入料斗，在風(fēng)機與振動篩的共同作用下開始清選試驗，待清選試驗裝置運行穩(wěn)定后，分別在出料口與出雜口接取物料，每次試驗重復(fù)3次，最后求取平均值。

(11)

式中：M0——羊草種子脫出物的初始質(zhì)量，g；

M1——所需水的質(zhì)量，g；

W0——羊草種子脫出物的初始含水率，g；

W1——羊草種子脫出物所需的含水率，g。

3.2 試驗因素與試驗指標(biāo)

清選效果與風(fēng)篩清選裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)密切相關(guān)，本次試驗主要選取對清選性能影響較大的4個因素進行分析，分別為振動篩轉(zhuǎn)速、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、喂入量以及篩孔尺寸。對各因素的水平進行選取，如表2所示。

表2 試驗因素水平Tab. 2 Test factor level

羊草種子脫出物清選試驗要求清潔的羊草種子從振動篩的下篩落下，短莖稈等雜質(zhì)則從排雜口排出，但實際試驗過程中，會有雜質(zhì)跟隨羊草種子一起落進接料裝置，部分種子會在雜質(zhì)的夾帶下被帶出排雜口。因此，取篩下物的含雜率、排雜口損失率作為本次清選試驗的試驗指標(biāo)，含雜率與損失率的計算按照式(12)、式(13)進行。

(12)

(13)

式中：Y1——含雜率，%；

Y2——損失率，%；

m0——篩下物總質(zhì)量，g；

m1——篩下物中羊草種子質(zhì)量，g；

m2——排雜口中羊草種子質(zhì)量，g。

3.3 單因素試驗

3.3.1 振動篩轉(zhuǎn)速單因素試驗

試驗前先調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的變頻器頻率，在振動篩轉(zhuǎn)速范圍250～350 r/min之間選取5個水平，設(shè)定風(fēng)篩清選裝置的喂入量為0.08 kg/s，上篩篩孔尺寸為6 mm×6 mm，下篩篩孔尺寸為4 mm×4 mm，風(fēng)機轉(zhuǎn)速為950 r/min進行試驗，清選性能隨振動篩轉(zhuǎn)速的變化如圖10所示。

圖10 振動篩轉(zhuǎn)速與清選性能的關(guān)系Fig. 10 Relationship between vibrating screen speed and cleaning performance

從圖10中可知，振動篩轉(zhuǎn)速對清選性能的影響較復(fù)雜，較低或較高的轉(zhuǎn)速都會影響含雜率，隨著振動篩轉(zhuǎn)速的增大，含雜率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，損失率則一直呈現(xiàn)增大趨勢。這表明，振動篩轉(zhuǎn)速增大使得羊草種子脫出物的透篩機會也隨之增大，而夾雜在雜質(zhì)中被排出的羊草種子也會增多。在275 r/min處含雜率最低，此時達到了一個較好的清選效果。

3.3.2 篩孔尺寸單因素試驗

選取振動篩轉(zhuǎn)速300 r/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速950 r/min，喂入量0.08 kg/s，篩孔尺寸選取4組編織篩，分別為：上篩20 mm×4 mm、下篩16 mm×4 mm的長孔篩，上篩16 mm×6 mm、下篩16 mm×4 mm的長孔篩，上篩8 mm×8 mm、下篩4 mm×4 mm的方孔篩，上篩6 mm×6 mm、下篩4 mm×4 mm的方孔篩進行試驗，得到清選性能隨篩孔尺寸變化的關(guān)系如圖11所示。

圖11 篩孔尺寸與清選性能的關(guān)系Fig. 11 Relationship between sieve size and cleaning performance

從圖11中可知，上篩20 mm×4 mm、下篩16 mm×4 mm與上篩6 mm×6 mm、下篩4 mm×4 mm處的含雜率差距較小，上篩6 mm×6 mm、下篩4 mm×4 mm處的損失率大于上篩20 mm×4 mm，下篩16 mm×4 mm 處的損失率，長孔篩與方孔篩對含雜率的影響較小，這表明在羊草種子脫出物的清選過程中篩孔長度方向?qū)s率的變化影響不明顯，主要取決于篩孔寬度方向的尺寸。損失率方面方孔篩大于長孔篩，這是因為篩孔尺寸變小，羊草種子脫出物的透篩機會隨之變小，種子隨著一些雜質(zhì)被帶出排雜口。

3.3.3 風(fēng)機轉(zhuǎn)速單因素試驗

選取上篩篩孔尺寸為6 mm×6 mm、下篩篩孔尺寸為4 mm×4 mm，振動篩轉(zhuǎn)速300 r/min，喂入量0.08 kg/s，風(fēng)機轉(zhuǎn)速范圍從870～1 100 r/min選取6個水平進行單因素試驗，清選性能隨風(fēng)機轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如圖12所示。

圖12 風(fēng)機轉(zhuǎn)速與清選性能的關(guān)系Fig. 12 Relationship between fan speed and cleaning performance

從圖12中可以知，含雜率隨風(fēng)機轉(zhuǎn)速的增大呈下降趨勢，后逐漸趨于平穩(wěn)，損失率隨風(fēng)機轉(zhuǎn)速的增大呈增大趨勢，并且在達到1 050 r/min后急劇上升，這表明在1 050 r/min之后的風(fēng)速超過了羊草種子脫出物的懸浮速度，致使羊草種子在沒有透篩的情況下被吹出了排雜口。從總體趨勢來看，在風(fēng)速較小時部分莖稈、麩皮等輕雜質(zhì)會被吹出機外，此時一些莖稈與大部分種子會落到接料口，因此含雜率較大，損失率較小。風(fēng)速較大時，種子與莖稈都會被吹出，造成含雜率較小，損失率較大現(xiàn)象，在風(fēng)機轉(zhuǎn)速950～1 050 r/min時，清選效果較好。

3.3.4 喂入量單因素試驗

選取上篩篩孔尺寸6 mm×6 mm、下篩篩孔尺寸4 mm×4 mm，振動篩轉(zhuǎn)速300 r/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速950 r/min，喂入量在0.07～0.09 kg/s之間選取5個水平，進行單因素試驗，清選性能隨喂入量的變化關(guān)系如圖13所示。

從圖13中可知，含雜率隨著喂入量的增大呈先減小后增大趨勢，損失率隨著喂入量的增大呈增大趨勢。這是因為，隨著喂入量的增大，篩面上的物料層會變厚，一些莖稈與種子在未及時透篩的情況下，隨著物料層向后移動，最后在振動篩以及風(fēng)機氣流的作用下被帶出排雜口，因此含雜率會變小，損失率會變大，隨著喂入量持續(xù)增大，透篩的莖稈變多，因此含雜率又會呈增大趨勢。在喂入量為0.08 kg/s時含雜率最低，損失率也較小，此時能達到一個較好的清選效果。

圖13 喂入量與清選性能的關(guān)系Fig. 13 Relationship between feeding amount and cleaning performance

4 響應(yīng)面試驗

為了進一步分析各試驗因素對清選性能的影響情況，考察各因素之間是否存在交互作用，在單因素基礎(chǔ)上，選取合理的因素水平進行響應(yīng)面試驗設(shè)計與分析。

響應(yīng)曲面法(Response Surface Methodology，RSM)，是一種試驗條件尋優(yōu)的方法，適宜于解決非線性數(shù)據(jù)處理的相關(guān)問題[17]。響應(yīng)面分析的試驗設(shè)計主要有：中心組合設(shè)計(Central Composite，CCD，包括通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計、二次正交組合設(shè)計等)；BOX設(shè)計(Box-Behnken設(shè)計)等[18]。本文選取中心組合設(shè)計進行響應(yīng)面分析，根據(jù)試驗采集的輸入輸出數(shù)據(jù)，獲得輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的關(guān)系。

4.1 試驗設(shè)計與分析

根據(jù)單因素試驗，在Design-Expert 11中進行中心復(fù)合試驗設(shè)計，選取振動篩轉(zhuǎn)速、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、喂入量作為響應(yīng)面試驗的變量，采用含雜率與損失率作為響應(yīng)，篩孔尺寸選取上篩6 mm×6 mm，下篩4 mm×4 mm。為了描述最佳區(qū)域中響應(yīng)面的性質(zhì)，中心復(fù)合設(shè)計取六個中心點和每個因子的五個水平，并取可旋轉(zhuǎn)α，因此因子水平編碼為(-1.682，-1，0，1，1.682)，試驗參數(shù)及相應(yīng)范圍見表3，表4顯示了一個中心復(fù)合旋轉(zhuǎn)因子設(shè)計，其中包括20組清選過程建模的編碼條件。

表3 試驗參數(shù)及對應(yīng)的范圍編碼Tab. 3 Test parameters and corresponding range codes

表4 試驗設(shè)計與結(jié)果Tab. 4 Experimental design and results

由表4可以看出，按照試驗設(shè)計得出的含雜率范圍為21.3%～39.3%，損失率范圍為2.0%～7.0%。借助Design-Expert 11軟件對含雜率Y1和損失率Y2進行回歸模型的方差分析，如表5、表6所示，分別得到Y(jié)1和Y2的二次回歸模型如式(14)、式(15)所示，回歸模型可以用來預(yù)測每個因子給定的響應(yīng)，通過比較各因子系數(shù)，可以確定各因子的相對影響。

Y1=29.03+2.41A-0.349 5B+1.71C-

0.387 5AB-2.39AC-1.46BC-

1.40A2+2.72B2-0.395 4C2

(14)

Y2=4.02+0.076 2A+0.775 5B-

0.397 4C+0.162 5AB+0.912 5AC-

0.087 5BC+0.298 3A2+

0.174 5B2+0.528 1C2

(15)

表5 含雜率方差分析Tab. 5 Impurity analysis of variance

表6 損失率方差分析Tab. 6 Loss rate analysis of variance

由表5可知，試驗建立的二次回歸模型的P=0.000 3，表明回歸模型極顯著，多重決定系數(shù)(R2)為0.915 2，說明二次模型不能反映含雜率總變異的0.084 8，當(dāng)F值為11.99時，表明含雜率回歸模型對風(fēng)篩清選裝置性能優(yōu)化具有重要意義。其中，模型的一次項A、C對含雜率影響皆極顯著；二次項A2對含雜率影響顯著，B2對含雜率影響極顯著；交互項AC對含雜率影響極顯著，BC對含雜率影響顯著。根據(jù)模型各試驗因素回歸系數(shù)的大小，可得到各因素對含雜率的影響主次順序為：A>C>B，即振動篩轉(zhuǎn)速>喂入量>風(fēng)機轉(zhuǎn)速。

由表6可知，二次回歸模型的P=0.0393，表明回歸模型顯著，多重決定系數(shù)(R2)為0.746 6，說明二次模型不能反映損失率總變異的0.253 4，當(dāng)F值為3.27時，表明損失率回歸模型對風(fēng)篩清選裝置性能優(yōu)化具有重要意義。其中，模型的一次項B對損失率影響極顯著；二次項C2對損失率影響顯著；交互項AC對損失率影響顯著，其余各項均不顯著。根據(jù)模型各試驗因素回歸系數(shù)的大小，可得到各因素對損失率的影響主次順序為：B>A>C，即風(fēng)機轉(zhuǎn)速>振動篩轉(zhuǎn)速>喂入量。

4.2 交互項響應(yīng)面分析

根據(jù)建立的回歸模型，分別獲得各試驗因素之間的響應(yīng)面圖，如圖14～圖19所示。響應(yīng)曲面的形狀與等高線圖的密度可反映出交互因素作用的強弱[19]。

圖14 振動篩轉(zhuǎn)速與風(fēng)機轉(zhuǎn)速對含雜率的影響Fig. 14 Influence of vibrating screen speed and fan speed on impurity content

由圖14可知，當(dāng)振動篩轉(zhuǎn)速在275 r/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速在990 r/min時含雜率較低，振動篩轉(zhuǎn)速對含雜率的影響明顯高于風(fēng)機轉(zhuǎn)速對含雜率的影響，由響應(yīng)面形狀可以看出，振動篩轉(zhuǎn)速與風(fēng)機轉(zhuǎn)速的交互作用對含雜率有一定影響，但是影響并不顯著，這與方差分析結(jié)果一致。

圖15 振動篩轉(zhuǎn)速與喂入量對含雜率的影響Fig. 15 Influence of vibrating screen speed and feed rate on impurity content

由圖15可知，當(dāng)振動篩轉(zhuǎn)速在275 r/min，喂入量在0.08 kg/s時含雜率較低，從響應(yīng)面圖可以看出，振動篩轉(zhuǎn)速與喂入量對含雜率均有影響，二者的交互作用對含雜率的影響顯著，與方差分析結(jié)果一致。

圖16 風(fēng)機轉(zhuǎn)速與喂入量對含雜率的影響Fig. 16 Influence of fan speed and feed rate on impurity content

由圖16可知，當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速在990 r/min，喂入量在0.08 kg/s時含雜率較低，喂入量對含雜率的影響大于風(fēng)機轉(zhuǎn)速對含雜率的影響，當(dāng)把喂入量固定在某一個水平，含雜率隨風(fēng)機轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)先減小后增大趨勢。從響應(yīng)面圖可以看出，風(fēng)機轉(zhuǎn)速與喂入量對含雜率均有影響，且影響顯著。

由圖17可知，當(dāng)振動篩轉(zhuǎn)速在295 r/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速在950 r/min時損失率較低，當(dāng)把振動篩轉(zhuǎn)速固定在某一個水平，損失率隨風(fēng)機轉(zhuǎn)速的增大而增大，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是在振動篩轉(zhuǎn)速一定時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速變大會逐漸超過羊草種子的懸浮速度，致使羊草種子被吹出排雜口。從曲面圖可以看出，風(fēng)機轉(zhuǎn)速與振動篩轉(zhuǎn)速對損失率均有影響，但影響并不顯著，這與方差分析結(jié)果一致。

圖17 振動篩轉(zhuǎn)速與風(fēng)機轉(zhuǎn)速對損失率的影響Fig. 17 Influence of vibrating screen speed and fan speed on loss rate

圖18 振動篩轉(zhuǎn)速與喂入量對損失率的影響Fig. 18 Influence of vibrating screen speed and feed rate on loss rate

從圖18可知，當(dāng)振動篩轉(zhuǎn)速在275 r/min，喂入量在0.09 kg/s時損失率較低，當(dāng)把喂入量固定在一定水平時，損失率隨振動篩轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，這表明振動篩轉(zhuǎn)速并非越高越好。從響應(yīng)面圖可以看出，振動篩轉(zhuǎn)速與喂入量對損失率均有影響，且影響顯著。

由圖19可知，當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速在950 r/min，喂入量在0.086 kg/s時損失率較低，風(fēng)機轉(zhuǎn)速對損失率的影響大于喂入量對損失率的影響，將風(fēng)機轉(zhuǎn)速固定在某一水平時，損失率隨喂入量的增大呈現(xiàn)先減小后增大趨勢。從響應(yīng)面圖可以看出，風(fēng)機轉(zhuǎn)速與喂入量對損失率均有影響，但二者的交互作用對損失率影響不顯著，與方差分析結(jié)果一致。

圖19 風(fēng)機轉(zhuǎn)速與喂入量對損失率的影響Fig. 19 Influence of fan speed and feed volume on loss rate

4.3 較優(yōu)工作參數(shù)確定以及試驗驗證

根據(jù)上述試驗結(jié)果分析，為進一步減小風(fēng)篩式羊草種子脫出物清選裝置的含雜率與損失率，在各試驗因素水平約束下，將含雜率與損失率的最小值作為優(yōu)化目標(biāo)進行參數(shù)確定，如式(16)所示。利用Design-Expert11軟件中的優(yōu)化求解器，對建立的回歸方程進行優(yōu)化求解。其中，損失率的重要程度要大于含雜率，因此在求解器中將損失率的重要程度設(shè)為(+++++)，含雜率的重要程度設(shè)為(++++)，優(yōu)化后得到17組試驗方案，選取較優(yōu)一組組合為：振動篩轉(zhuǎn)速275 r/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速985 r/min，喂入量0.087 kg/s，此時的含雜率為26.986%，損失率為3.686%。

(16)

為了驗證所建立的回歸模型的可靠性，在設(shè)計搭建的風(fēng)篩清選裝置上，按照以上得出的最優(yōu)參數(shù)組合進行試驗，試驗材料和方法與前文所述一致，試驗在3次求平均值后，得出含雜率為27.3%，損失率為3.3%，羊草種子清選效果較好。這與響應(yīng)面優(yōu)化值接近，表明所建立的回歸模型是可靠的。

5 結(jié)論

1) 設(shè)計了羊草種子脫出物料風(fēng)篩清選裝置，并對裝置的關(guān)鍵部件進行了設(shè)計優(yōu)化。確定了清選裝置的關(guān)鍵參數(shù)，進行了羊草種子脫出物篩面運動理論分析，得出下滑指數(shù)K2=3.81>起跳指數(shù)K3=-0.79>上滑指數(shù)K1=-2.96，從理論上分析了清選裝置的可行性；喂料裝置的前后位置安裝于抖動板中部靠后，高度為110 mm，保證脫出物可以落到抖動板上，并且與振動篩工作過程中不發(fā)生干涉；接料裝置放置于距振動篩845 mm處，高度距離下篩50 mm處，此時接料裝置與振動篩工作時不會發(fā)生干涉且能達到一個較好的接料效果。

2) 進行了振動篩轉(zhuǎn)速、篩孔尺寸、風(fēng)機轉(zhuǎn)速以及喂入量的單因素試驗，得出了清選性能隨各因素變化的規(guī)律，借助響應(yīng)面試驗分析，得出對含雜率影響因素的主次順序為：振動篩轉(zhuǎn)速、喂入量、風(fēng)機轉(zhuǎn)速；對損失率影響因素的主次順序為：風(fēng)機轉(zhuǎn)速、振動篩轉(zhuǎn)速、喂入量；羊草種子脫出物風(fēng)篩清選裝置較優(yōu)工作參數(shù)為：振動篩轉(zhuǎn)速275 r/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速985 r/min，喂入量0.087 kg/s，在此參數(shù)組合下試驗的含雜率為27.3%，損失率為3.3%。