三自由度風篩清選試驗研究

劉曉飛，李耀明，馬 征，唐 忠，周 鎣，徐立章

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013 )

0 引言

農業物料的清選是農業收獲過程中的重要環節，清選裝置正向高效率、高清潔率和低損失率等方向發展[1]。風篩式清選是最常見的清選方式，相關研究[2]表明：氣流和振動篩的合理配合能顯著改善篩分性能。傳統風篩式清選裝置由于振動篩的運動軌跡單一、物料難以在篩面上快速均布，篩分性能的提高受到制約，三維并聯振動篩可實現復雜的篩面運動軌跡，能為物料分級、篩分性能提高提供新的解決手段[3-4]。沈有柏[5]運用ADAMS對物料在氣流和三平移振動篩共同作用下的運動過程進行了仿真分析，指出物料在篩面上能實現上拋斜后移運動。楊曉彬[6]對物料在氣流和三平移加一轉動振動篩共同作用下的透篩過程進行了仿真研究，并分析了各支鏈振幅、頻率等因素變化對篩分性能的影響規律。

本文通過對多維振動篩分試驗臺的改造，搭建三自由度風篩清選裝置，對清選試驗臺進行風速標定，建立適用于三自由度風篩清選的篩分性能評價指標，研究其工作狀態參數對篩分性能的影響，為三自由度風篩清選裝置的設計提供依據。

1 三自由度風篩清選裝置及氣流入口平均風速標定

1.1 三自由度風篩清選裝置基本機構及工作原理

三維并聯振動篩中三平移并聯機構[6]如圖1所示。其中，X向為篩面長度方向，Y向為篩面寬度方向，Z向為篩面法向。該機構由3條相同運動支鏈SOC{-C||R||R-}、篩面和機架組成，每條支鏈由軸線相互平行的圓柱副C及兩個轉動副R組成，3條運動支鏈在空間中兩兩相互垂直，可表示為(C||R||R)⊥(C||R||R)⊥(C||R||R)。圖1所示并聯機構的圓柱副C也可看成一個移動副P和一個轉動副R的復合副，即該并聯機構相當于(P||R||R||R)⊥(P||R||R||R)⊥(P||R||R||R)機構。

三自由度風篩清選試驗臺如圖2所示。三自由度風篩清選試驗臺主要由離心風機、風向調節支架、接料盒、變頻器及多維振動篩分試驗臺等組成。通過三平移并聯機構和串聯的曲柄搖桿機構驅動旋轉平臺可實現篩框在X、Y、Z這3個方向的平移和繞Z向的轉動。試驗臺具體配置參數見參考文獻[7],多維振動篩分試驗臺各支鏈運動參數通過篩分程序控制。

1.離心風機 2.過渡軟管 3.風向調節支架 4.接料盒 5.變頻器 6.多維振動篩分試驗臺圖2 三自由度風篩清選試驗臺

1.2 試驗臺氣流入口平均風速標定

對設計的風源進行風速標定，采用AVM-05型數字風速儀測量對應頻率下的清選試驗臺氣流入口的速度，每組頻率測量3次取平均值。

在出風口中部等間距取4列測點測量風速，測點位置分布如圖3所示。按照測點分布測量風速(見表1)繪制平均風速與對應頻率的散點圖，如圖4所示。

圖3 氣流速度標定測量點分布圖

圖4 平均風速與頻率的關系圖

頻率/Hz測得的風速/m·s-1測點1測點2測點3測點4平均風速/m·s-15013.728.849.2313.1711.24004511.157.237.5312.059.49004010.076.756.4110.218.3600358.745.346.169.197.3575306.984.455.047.225.9225000000

由圖4可以看出：平均風速與頻率近似呈線性關系，運用線性回歸數學模型擬合得到變頻器頻率f與清選裝置入口氣流平均風速V之間的擬合函數關系式為

V=0.2187f

(1)

2 試驗指標及測定方法

2.1 試驗指標的確定

傳統篩分效率指標為實際得到的篩下物質量占入篩原料中小于篩孔的物料質量之比，但該指標難以完全表征并聯振動篩的篩分性能。因此，在分析三自由度風篩清選性能時，本文選取篩分速度和含雜率作為評價指標[8]。

篩分速度ηt是指單位時間內篩分出的篩下物質量，即

(2)

式中ηt—篩分速度；

N1—完全篩分后篩下籽粒質量；

T—篩分時間。

篩分速度反映了篩分效率與篩分時間的關系，ηt越大，篩分速度越快。該指標避免了物料在篩面上劇烈跳動導致物料短時間內大量被拋出篩面造成的完全篩分時間短但有效篩分量小的缺陷。

篩分時間t是指篩上所有小于篩孔直徑的物料全部篩分所用的時間，實際上這是一種理想狀況，在實際篩分時總有一部分物料由于篩孔堵塞、跳動頻繁等無法透過篩面而留在篩面上或者被拋出篩面成為篩分損失。

2.2 試驗指標測定方法

接料盒在篩面長度方向上分為篩分統計區和篩面出口統計區，總長650mm，總寬575mm。篩分統計區統計篩分后的物料，篩面出口統計區統計篩分過后不能透篩而從篩面出口排出的物料。試驗時，首先將接料盒放置在篩面下方，記錄完全篩分所用的時間，人工處理經多維振動篩分落在接料盒上的物料獲得篩分性能評價指標。

3 正交試驗

3.1 試驗物料

試驗以小麥和莖稈的混合物作為篩分試驗物料，小麥品種為濟麥22。據統計，經脫粒裝置分離后的混合物料中小麥籽粒與莖稈質量比約為20：1[9]。選取小麥500g，按照上述質量比配比混合物料，如圖5所示。其中，小麥含水率11.6%～15.2%，莖稈含水率18.3%～23.9%。

圖5 小麥混合物

3.2 試驗方案設計

為研究三維并聯振動篩和氣流共同作用下對篩分性能的影響規律，試驗選取風速、風向、X振幅、X頻率、Y振幅、Y頻率、Z振幅和Z頻率共8個因素，每個因素選取3個水平，各因素水平如表2所示。

表2 正交試驗因素與水平表

采用正交表[10]L27(313)安排試驗。篩面采用單層沖孔篩，篩面尺寸500mm×300mm，篩面傾角3°。根據正交表調整各工作參數的水平進行篩分試驗。

3.3 正交試驗結果及分析

根據正交試驗表可知共有27組試驗，每組試驗重復3次，試驗指標取平均值，試驗結果如表3所示。

表3 三自由度風篩清選性能試驗結果表

續表3

續表3

續表3

1)對篩分速度評價指標進行極差分析。

篩分速度指標極差分析結果如表4所示。由表4可知：對物料篩分速度影響主次順序為E→G→C→A→B→H→D→F。具體為：Y振幅、Z振幅、X振幅、風速、風向、Z頻率、X頻率、Y頻率，即Y振幅對篩分速度影響最大。

表4 篩分速度評價指標極差分析結果

根據表4極差分析結果繪制各因素對篩分速度影響趨勢圖，如圖6所示。由圖6可知：針對篩分速度指標，各試驗因素的最佳組合是A3B2C3D2E1F1G2H2。即風速為10m/s，風向26°，X振幅8mm，X頻率4Hz，Y振幅2mm，Y頻率2Hz，Z振幅6mm，Z頻率4Hz。

圖6 仿真因素對篩分速度的影響

2)對含雜率評價指標進行極差分析。含雜率評價指標極差分析結果如表5所示。各因素對含雜率影響主次順序為A→E→D→B→G→C→H→F。具體為：風速、Y振幅、X頻率、風向、Z振幅、X振幅、Z頻率、Y頻率，即風速對含雜率影響最大。

根據表5極差分析結果繪制各因素對含雜率影響趨勢圖，如圖7所示。由圖7可知：針對含雜率指標，各試驗因素最佳組合為A1B2C2D1E1F3G2H2。即風速為6m/s，風向26°，X振幅6mm，X頻率3Hz，Y振幅2mm，Y頻率4Hz，Z振幅6mm，Z頻率4Hz。

本試驗存在篩分速度和含雜率兩個評價指標，在多指標試驗設計中，影響因素的最佳組合之間可能存在一定矛盾。為兼顧各指標，采用綜合平衡法[10]對正交試驗結果進行分析，確定最優方案：

1)因素A對篩分速度影響排名第4，對含雜率影響排名第1，取A1可獲得較低含雜率，實踐中應優先保證篩分速度。對比圖6和圖7可知，取A3時篩分速度最高，且此時含雜率與A1接近，因此因素A取A3。

2)因素B對于篩分速度和含雜率均取B2時最佳，因此因素B取B2。

3)因素C對篩分速度影響排名第3，取C3時可獲得較高的篩分速度，對含雜量影響排名第6，對該指標影響較小，因此因素C取C3。

4)因素D對篩分速度影響排名第7，對該指標影響較小，對含雜率影響排名第3。對比圖6和圖7可知，雖然取D2時可獲得較高篩分速度，但是此時含雜率也最高，取D1時含雜率最低，并且篩分速度在D1時僅略低于D2，因此因素D取D1。

5)因素E對于篩分速度和含雜率均取E1時最佳，因此因素E取E1。

6)因素F對篩分速度和含雜率影響排名中均為第8位，該因素對試驗結果影響最小，為了保證一定的篩分速度，因素F取F1。

7)因素G對于篩分速度和含雜率均為G2時最佳，因此因素G取G2。

8)因素H對于篩分速度和含雜率均為H2時最佳，因此因素H取H2。

根據以上綜合平衡法的分析結果，得到最優方案為A3B2C3D1E1F1G2H2，即風速為10m/s，風向26°，X振幅8mm，X頻率3Hz，Y振幅2mm，Y頻率2Hz，Z振幅6mm，Z頻率4Hz。

由綜合平衡法進行分析得到的最優方案未出現在正交試驗中，因此在三自由度風篩清選試驗臺上按照最優方案進行驗證，試驗重復3次，結果取平均值，得到篩分時間為3.63s，篩分速度為132.18g/s，含雜率為0.497%。試驗結果證實，按照最優方案進行篩分后清選性能得到提高。從試驗結果中還可以看出：Y向振幅不宜較大，在Y向增加微小的激振能顯著提高振動篩的篩分性能；但Y向的激振過大時不僅造成篩分速度的大幅降低，還會降低篩下物料的清潔度。

4 結論

1)構建了三自由度風篩清選裝置，并對試驗臺氣流入口平均風速進行試驗標定，得到了平均風速與頻率的線性擬合關系式，采用正交實驗得到了各因素對篩分性能的主次影響順序。其中，篩面寬度方向振幅對篩分速度影響最大，風速對含雜率影響最大。

2)利用綜合平衡法分析得到了實現物料最佳透篩效果時各個因素的取值，并進行試驗驗證，試驗臺清選性能得到了顯著提高。

3)篩面寬度方向增加微小的激振能顯著提高振動篩的篩分性能，但激振過大時不僅造成篩分速度的大幅降低，還會降低篩下物料的清潔度。

參考文獻：

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