胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機參數優(yōu)化與試驗

戴 飛 趙武云 宋學鋒 史瑞杰 劉國春 韋 博

(1.甘肅農業(yè)大學機電工程學院， 蘭州 730070； 2.甘肅奧凱農產品干燥裝備工程研究院有限公司， 蘭州 730010)

0 引言

胡麻俗稱油用亞麻，是中國西北地區(qū)和華北地區(qū)重要的油料作物之一[1]。甘肅省是我國胡麻主產區(qū)之一，種植面積位居全國七大胡麻產區(qū)之首，2016年胡麻種植面積約占全國種植總面積的30%。目前，歐美發(fā)達國家胡麻種植主要以纖維-油兼用型品種為主，該類品種總體具有較好的抗倒伏、成熟度一致等特性，適合機械化聯(lián)合收獲，且機收物料含雜率較低，能夠直接進行智能色選(精選)處理，可獲得潔凈度很高的胡麻籽粒。國外智能色選裝備精度高、價格昂貴，并不適宜于我國胡麻產業(yè)的生產應用[2-4]。現階段，我國胡麻收獲仍然以分段收獲為主，胡麻機械化聯(lián)合收獲技術及其裝備還處于試驗與開發(fā)階段，同時為滿足后續(xù)精深加工需求，兩種作業(yè)模式下獲得的胡麻脫粒物料仍需進一步分離清選[5-7]。為此，作者團隊在考慮振動有序喂入與氣流高效風選相結合的基礎上，采用氣流分離清選原理，設計了胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機[8]。

本文以研制的胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機為依托，通過試驗進一步提升作業(yè)機高凈度、低損失的作業(yè)性能。以該機相關的工作參數作為自變量，通過試驗測得不同因素水平組合條件下的籽粒含雜率和清選損失率，采用響應面分析法確定各因素及其交互作用對籽粒含雜率、清選損失率的影響，獲取樣機工作參數的最優(yōu)控制變量組合，以期達到對胡麻脫粒物料最佳分離清選的作業(yè)效果。

1 工作過程解析與關鍵參數分析

1.1 結構及工作過程

胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機主要由振動喂料系統(tǒng)、氣流分離清選系統(tǒng)、雜余自動排料裝置、振動變頻控制箱、脫粒物料不同組分接料盒、機架、行走輪、集塵筒等部件組成，結構如圖1所示[8]。樣機工作時，將機脫后的胡麻脫粒物料由喂料斗加入，在振動喂料系統(tǒng)的往復振動作用下將脫粒物料均勻輸送至籽粒分離裝置內，通過對吸雜風機變頻器調節(jié)、風速的不斷調整使喂入物料呈現出瞬時懸浮狀態(tài)，且飽滿的胡麻籽粒受自身重力作用落入胡麻籽粒接料盒內。同時，胡麻脫粒物料中的其余雜質(蒴果殼、短莖稈、塵土等)則在吸雜風機的作用下分別通過雜余自動排料裝置與旋風分離除塵器排出。

圖1 胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機結構圖Fig.1 Structure diagrams of separating and cleaning machine for flax threshing material1.機架 2.振動變頻控制箱 3.行走輪 4.電磁激振器 5.胡麻籽粒接料盒 6.雜余接料盒 7.雜余排出口 8.沉降料斗 9.集塵筒 10.旋風分離除塵器 11.吸塵管道 12.吸雜風機 13.籽粒分離裝置 14.給料盤 15.喂料斗

1.2 工作參數分析

胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機工作時，可針對胡麻脫粒物料凈度狀況，通過振動變頻控制箱對電磁激振器振動幅度、吸雜風機轉速進行不同工況調節(jié)，其中，振動喂料系統(tǒng)給料振動幅度調節(jié)范圍為0～30 mm，通過對振動幅度旋鈕的不斷調節(jié)，進而改變電磁激振器內部的電流，使其鐵芯和銜鐵之間的脈沖電磁力有所變化，從而有效控制電磁鐵不同的激振頻率。當電磁力瞬時產生與消失時，主振彈簧勢能存儲與能量釋放，使得給料盤沿水平方向往復運動。胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機的吸雜風機采用吸入型通用離心式風機，分離清選系統(tǒng)內氣流工作速度應不大于胡麻籽粒的最大懸浮速度v0(8.60 m/s)，由文獻[8]設計計算結果可知，氣流分離清選系統(tǒng)中吸雜風機轉速調節(jié)范圍為0～1 800 r/min，吸雜風機轉速由控制箱內對應變頻器進行調節(jié)控制，調節(jié)頻率范圍為0～60 Hz。

振動喂料系統(tǒng)喂入的胡麻脫粒物料層厚度可由物料層厚度調節(jié)板控制[9]，通過調節(jié)兩側的滑槽限位，實現0～10 mm不同厚度層物料的喂入(圖2)。

圖2 物料層厚度調節(jié)機構Fig.2 Structure diagram of material layer thickness adjusting mechanism1.調節(jié)板 2.限位滑槽 3.調節(jié)限位螺釘 4.給料盤

由上述工作參數分析可知，當胡麻脫粒物料喂入量較小、吸雜風機轉速較高時，籽粒含雜率理論上相對較低，但清選損失率逐漸升高，并且制約了樣機生產效率；當胡麻脫粒物料喂入量較大、吸雜風機轉速較低時，能夠抑制對物料的清選損失，但籽粒含雜率有所上升。因此，對胡麻脫粒物料進行分離清選時物料喂入量、喂入流動性、吸雜風機轉速等皆是影響胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機工作性能(籽粒含雜率和清選損失率)的關鍵因素[10-12]。

2 單因素參數仿真試驗

為合理確定胡麻脫粒物料分離清選試驗中各單因素參數取值范圍，結合離散元仿真分析與實際試驗方法，對樣機喂料裝置振幅、物料層調節(jié)厚度和吸雜風機轉速參數值選取后所對應的作業(yè)效果進行探討分析。結合EDEM軟件數值模擬不同振幅、不同吸雜風機轉速參數下胡麻脫粒物料在振動喂料系統(tǒng)、籽粒分離裝置作用下的運移狀態(tài)與遷移規(guī)律，觀察物料層在給料盤上的形態(tài)分布，分析風機轉速與籽粒含雜及清選損失之間的關系，并擇優(yōu)選取適宜參數值所對應的參數模型。仿真試驗結束后，將模型調整到正視視角，采用屏幕量角器Screen Protractor 4.0工具對物料層厚度進行測量。

2.1 喂料裝置振幅

EDEM中胡麻脫粒物料屬性參數如表1所示。各材料之間的恢復系數設定：胡麻籽粒與籽粒之間為0.2，籽粒與莖稈之間為0.2，籽粒與穎殼之間為0.2，籽粒與給料盤、分離清選裝置壁面之間為0.5；各脫粒物料之間靜摩擦因數設定：胡麻籽粒與籽粒之間為1，籽粒與莖稈之間為0.8，籽粒與穎殼之間為0.8，籽粒與分離清選裝置壁面之間為0.58；各物料之間動摩擦因數均設定為0.01。

表1 EDEM中胡麻脫粒物料屬性參數Tab.1 Flax threshing material property parameters in EDEM

將胡麻脫粒物料分離清選機的喂入量設定為0.03 kg/s，依據胡麻脫粒物料的谷草比，經換算物料工廠在喂料口處產生籽粒575個/s，穎殼1 250個/s，莖稈1 250個/s。依據前期相關研究，分離清選機吸雜風扇轉速選取1 750 r/min，仿真時間步長1×10-6s，共仿真3 s。圖3為仿真結束時給料盤不同振幅所對應的脫粒物料分布形態(tài)。

圖3 給料盤不同振幅作用下脫粒物料分布形態(tài)Fig.3 Threshing material distribution pattern under different amplitudes of feeding plate

在單因素仿真試驗過程中發(fā)現，當喂料裝置振幅為2 mm時，給料盤上物料輸送速度較小，對脫粒物料分層效果不明顯，大部分物料全部滯留在喂料斗與給料盤連接處(左端)，振動喂料系統(tǒng)不能將胡麻脫粒物料及時輸送至籽粒分離裝置，影響樣機作業(yè)效率。當喂料裝置振幅在5～30 mm時，胡麻脫粒物料均能夠順著給料盤進入籽粒分離裝置(右端)，單位時間內輸送的物料量穩(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。

2.2 物料層調節(jié)厚度

仿真試驗中，料盤振幅設定在2～30 mm喂料時，給料盤左端口物料層的厚度測定基本保持在3.8～9.9 mm。給料盤在不同振幅時表面胡麻脫粒物料運移狀態(tài)如圖4所示。

仿真結果表明，脫粒物料在盤面呈現出從進料口至出料口由多到少的整體變化趨勢。當給料盤振幅較小時(振幅為2～5 mm)，物料層厚度相對較小，穩(wěn)定在3.8～5.2 mm。當不斷提高給料盤振幅時，物料層離散度逐步增加且厚度持續(xù)變大，但通過喂料裝置振幅在30 mm時的模擬效果看出，給料盤振幅過高時會引起脫粒物料顆粒與壁面接觸碰撞作用過大產生飛濺與反彈，引起脫粒物料輸料損失。因此，為確保胡麻脫粒物料作為散體顆粒流能夠順暢進入籽粒分離裝置，物料層厚度調節(jié)機構調節(jié)板在限位滑槽和調節(jié)限位螺釘的共同作用下必須開啟至4 mm以上。

2.3 吸雜風機轉速

吸雜風機轉速范圍結合CFD-DEM氣固耦合理論方法確定[13-15]。其中，吸雜風扇旋轉過程采用動網格模型，在邊界條件下加載“.prof”文件，用來控制風扇旋轉速度(轉速與EDEM中設置相同)。仿真時間步長為1×10-4s。氣相仿真由Fluent完成，選擇空氣為流體介質，密度1.2 kg/m3，黏度為1.8×10-5Pa·s。選擇標準k-ε湍流模型進行瞬態(tài)計算。管道壁面為無滑移壁面，采用基于壓力的SIMPLE算法對速度場和壓力場進行耦合求解，動量項采用二階迎風格式，湍流動能和湍流耗散率采用一階迎風格式，殘差精度為10-3s。耦合計算中，因為固相體積分數小于10%，屬于稀相氣力輸送系統(tǒng)，因此選擇歐拉-拉格朗日耦合模型，胡麻脫粒物料氣固耦合分離清選仿真模型如圖5所示。

圖5 胡麻脫粒物料氣固耦合分離清選仿真模型Fig.5 Gas-solid coupling separation and cleaning simulation model of flax threshing material

依照樣機吸雜風機轉速范圍(0～1 800 r/min)對仿真模型進行設置，觀察胡麻脫粒物料在氣流分離清選系統(tǒng)中的運移規(guī)律，篩選出適宜的吸雜風機轉速區(qū)間。數值模擬試驗過程中發(fā)現，當吸雜風機轉速低于600 r/min時，籽粒分離裝置內部氣流速度過小，大部分胡麻碎莖稈、蒴果殼等不能吸出，胡麻籽粒含雜率過高，致使作業(yè)性能失效[16]。

因此，在后續(xù)胡麻脫粒物料分離清選工作參數優(yōu)化試驗中，樣機喂料裝置振幅需控制在5～30 mm，物料層調節(jié)厚度保持在4～10 mm范圍內，吸雜風機轉速在600～1 800 r/min之間變換。

3 分離清選試驗設計

3.1 試驗材料

2018年9月，在甘肅農業(yè)大學胡麻機械化作業(yè)示范基地——景泰縣條山農場廠院內進行了胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機現場作業(yè)性能試驗(圖6)。試驗材料選用隴亞14號胡麻收獲期脫粒物料(主要為胡麻籽粒、蒴果殼、短莖稈等)，單株平均蒴果數為24.1個，蒴果平均粒數為7.2個，胡麻籽粒平均千粒質量為8.1 g，單株產量0.95 g，脫粒物料含水率為11.6%。試驗前對作業(yè)機進行空轉運行檢查，并對振動喂料裝置振幅(0～30 mm)、吸雜風機轉速變頻頻率(0～60 Hz)和物料層厚度調節(jié)板進行調試。

圖6 作業(yè)機試驗現場Fig.6 Performance test of separating and cleaning machine for flax threshing material

3.2 試驗方法

按照作業(yè)機預期實現的設計功能，結合GB/T 5262—2008《農業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》中的試驗方法進行作業(yè)性能試驗，待機器空轉運行正常后在喂料斗內加入胡麻收獲期機械化脫粒物料。測定作業(yè)機籽粒含雜率和清選損失率，同時在試驗過程中觀察振動喂料系統(tǒng)、籽粒分離裝置、雜余自動排料裝置及氣流清選系統(tǒng)的工作運轉情況[17-18]。以3次的測定平均值為測試結果[19-20]。

3.3 響應曲面法試驗方案

綜合上述單因素試驗的試驗結果與分析，采用Box-Behnken試驗設計原理[21-22]，以喂料裝置振幅(x1)、物料層調節(jié)厚度(x2)和吸雜風機轉速(x3)為自變量，籽粒含雜率(Y1)和清選損失率(Y2)為響應值，各試驗因素編碼如表2所示，分別實施17組響應面分析試驗，如表3所示(X1、X2、X3為試驗因素編碼值)。應用Design-Expert 8.0.5軟件進行數據處理分析。

表2 因素編碼Tab.2 Coding of factors

表3 響應面分析結果Tab.3 Results of response surface analysis

4 試驗結果與分析

4.1 回歸模型的建立與檢驗

借助Design-Expert 8.0.5軟件對籽粒含雜率(Y1)和清選損失率(Y2)進行回歸模型的方差分析，如表4所示，分別得到Y1和Y2二次回歸模型為

表4 回歸方程方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equation

(1)

(2)

4.2 模型交互項解析

根據回歸模型式(1)、(2)分別作出各因素之間關系的響應面圖。響應曲面的形狀能夠反映出交互因素作用的強弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則相反[23-24]。

由圖7可以看出，當喂料裝置振幅為17.5 mm、物料層調節(jié)厚度為7 mm時，籽粒含雜率較低，由等高線密度與響應曲面形狀可以看出，喂料裝置振幅和物料層調節(jié)厚度的交互作用對作業(yè)機籽粒含雜率影響并不顯著，與方差分析結果相同。

圖7 喂料裝置振幅與物料層調節(jié)厚度對籽粒含雜率的影響Fig.7 Impact of feeding amplitude and adjust thickness of material layer on seed impurity rate

由圖8可以看出，當喂料裝置振幅固定在某一水平，吸雜風機轉速由600 r/min遞增至1 800 r/min時，籽粒含雜率呈現出持續(xù)降低的變化趨勢。產生該現象的主要原因是當作業(yè)機吸雜風機轉速不斷增大時，分離清選系統(tǒng)中氣流的吸附強度逐漸增強，對胡麻脫粒物料中各類雜質的分離清選能力有所提升，能夠有效將物料中的蒴果殼、短莖稈排出。

圖8 喂料裝置振幅與吸雜風機轉速對籽粒含雜率的影響Fig.8 Impact of feeding amplitude and rotate speed of impurity suction fan on seed impurity rate

由偏回歸分析與等高線密度可以得出，吸雜風機轉速對籽粒含雜率的影響略大于喂料裝置振幅的影響。

由圖9可以看出，當吸雜風機轉速固定在某一水平，物料層調節(jié)厚度由4 mm遞增至10 mm時，籽粒含雜率呈現出先減小、后增大的變化趨勢。出現該現象的主要原因是試驗初期胡麻脫粒物料的厚度范圍適宜，吸雜風機在恒定轉速下產生的氣流能夠保證分離清選效果。當胡麻脫粒物料的厚度不斷增加時，喂入分離清選系統(tǒng)的物料量逐步上升，使得清選負荷加重，胡麻籽粒中的雜質來不及由吸雜風機產生的氣流進行充分分離就落入至胡麻籽粒接料盒內，增加了籽粒含雜量，致使籽粒含雜率逐漸增大。

圖9 物料層調節(jié)厚度與吸雜風機轉速對籽粒含雜率的影響Fig.9 Impact of adjust thickness of material layer and rotate speed of impurity suction fan on seed impurity rate

物料層調節(jié)厚度與吸雜風機轉速的交互作用對籽粒含雜率影響顯著，與方差分析結果一致。

由圖10可知，當喂料裝置振幅為5 mm、物料層調節(jié)厚度為4 mm時，清選損失率較低，由等高線密度及響應面形狀可以看出，喂料裝置振幅和物料層調節(jié)厚度的交互作用對清選損失率影響不顯著，與方差分析結果相同。

圖10 喂料裝置振幅與物料層調節(jié)厚度對清選損失率的影響Fig.10 Impact of feeding amplitude and adjust thickness of material layer on cleaning loss rate

由圖11可知，當吸雜風機轉速固定在某一水平，喂料裝置振幅由4 mm遞增至10 mm時，清選損失率呈現出微弱上升的變化趨勢。出現該現象的主要原因是當吸雜風機轉速一定時，分離清選系統(tǒng)的氣流速度穩(wěn)定，當喂入的胡麻脫粒物料速度不斷增加時，被吸雜氣流帶入胡麻籽粒至雜余接料盒與集塵桶的概率增大，使得清選損失率略有上升。

圖11 喂料裝置振幅與吸雜風機轉速對清選損失率的影響Fig.11 Impact of feeding amplitude and rotate speed of impurity suction fan on cleaning loss rate

由響應面形狀可以看出，喂料裝置振幅和吸雜風機轉速的交互作用對清選損失率影響較為顯著。

由圖12可以看出，當吸雜風機轉速固定在某一水平，物料層調節(jié)厚度由4 mm遞增至10 mm時，清選損失率呈現出逐漸上升的變化趨勢。出現該現象的原因是當吸雜風機轉速恒定時，輸送至分離清選裝置的風量保持穩(wěn)定，當物料層調節(jié)厚度不斷增大時，增加了諸如形體小、質量輕的胡麻籽粒在物料中的夾雜含量，同時脫粒物料中的部分干癟、破損籽粒也被帶入排雜系統(tǒng)內，致使清選損失率有所上升。

圖12 物料層調節(jié)厚度與吸雜風機轉速對清選損失率的影響Fig.12 Impact of adjust thickness of material layer and rotate speed of impurity suction fan on cleaning loss rate

由偏回歸分析與等高線密度可以得出，物料層調節(jié)厚度對清選損失率的影響大于吸雜風機轉速的影響。

4.3 最優(yōu)工作參數確定與試驗驗證

依據上述試驗結果分析，為進一步提升胡麻脫粒物料分離清選機作業(yè)性能，在各試驗因素水平約束條件下，將籽粒含雜率和清選損失率最小值作為優(yōu)化指標，建立性能指標全因子二次回歸方程，進行目標優(yōu)化與最優(yōu)工作參數確定[10,25]。

(3)

其中

應用Design-Expert 8.0.5軟件中的優(yōu)化求解器對回歸方程模型(1)、(2)進行該目標下的優(yōu)化求解，得到優(yōu)化試驗指標為籽粒含雜率7.45%、清選損失率1.13%，最優(yōu)工作參數組合為：喂料裝置振幅16.5 mm、物料層調節(jié)厚度7.0 mm、吸雜風機轉速1 775 r/min(即對應的吸雜風機轉速變頻頻率為59.2 Hz)。

為了驗證模型(1)、(2)的可靠性，應用胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機按照上述最優(yōu)工作參數進行9次作業(yè)性能試驗，試驗材料和方法與2.1節(jié)和2.2節(jié)相同，如圖13所示。9次試驗下胡麻脫粒物料的籽粒含雜率均值為7.86%、清選損失率均值為1.58%，表明在優(yōu)化工作參數條件下能夠緩解胡麻脫粒物料在機械化分離清選過程中的含雜與損失，因此建立的回歸模型可靠。

圖13 胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)驗證過程Fig.13 Validation process of separating and cleaning flax threshing materials1.長莖稈 2.胡麻蒴果 3.籽粒分離裝置內壁 4.物料層厚度調節(jié)機構

在試驗驗證過程中，通過籽粒分離裝置觀察窗發(fā)現，胡麻脫粒物料在吸雜風機作用下基本呈現懸浮渦流狀(圖13a)，其中胡麻籽粒在重力作用下落入胡麻籽粒接料盒，同時大量的輕雜(包括蒴果殼、短莖稈、塵土等)則在吸雜風機的作用下分別通過雜余自動排料裝置與旋風分離除塵器排出；但自身質量不小于胡麻籽粒的長莖稈及未充分脫粒的整粒胡麻蒴果也會隨著胡麻籽粒進入籽粒接料盒(圖13b)，這也是引起作業(yè)機籽粒含雜率較高的主要原因。如若進一步加大吸雜風機轉速，能夠將該部分莖稈和較小體積胡麻蒴果吸雜排出，也會將部分成品籽粒及干癟、破損籽粒在高速吸附氣流作用下帶入沉降料斗及集塵筒內，導致分離清選過程中清選損失率上升。因此，在后續(xù)胡麻脫粒物料機械化分離清選試驗過程中嘗試采用氣流風選與振動篩選相結合的作業(yè)方式是降低胡麻籽粒含雜率與清選損失率的有效作業(yè)方法。

5 結論

(1)結合Box-Behnken試驗設計原理，采用三因素三水平響應面分析方法，進行胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機工作參數優(yōu)化，通過試驗優(yōu)化可得，對籽粒含雜率的影響由大到小依次為：吸雜風機轉速、喂料裝置振幅、物料層調節(jié)厚度，對清選損失率的影響由大到小依次為：吸雜風機轉速、物料層調節(jié)厚度、喂料裝置振幅。

(2)建立了籽粒含雜率和清選損失率與喂料裝置振幅、物料層調節(jié)厚度、吸雜風機轉速的二次多項式回歸模型。以籽粒含雜率和清選損失率最小值為目標，優(yōu)化得到作業(yè)機最佳工作參數：喂料裝置振幅為16.5 mm、物料層調節(jié)厚度為7.0 mm、吸雜風機轉速為1 775 r/min(即對應的吸雜風機轉速變頻頻率為59.2 Hz)。

(3)驗證試驗表明，籽粒含雜率和清選損失率分別為7.86%、1.58%，表明在最優(yōu)工作參數下作業(yè)機能夠緩解胡麻脫粒物料在機械化分離清選過程中的含雜與損失程度。在后續(xù)胡麻脫粒物料機械化分離清選試驗過程中可以嘗試采用氣流風選與振動篩選相結合的作業(yè)方式。