巴旦木物料殼仁風選裝置試驗及參數優化

王學農，邊 博，吐魯洪·吐爾迪，張麗

（1. 新疆農業大學機電工程學院，烏魯木齊 830052；2. 新疆農業科學院農業機械化研究所，烏魯木齊 830091）

0 引 言

巴旦木一種起源于中亞山區薔薇科桃屬植物，具有很高的營養價值和藥用價值，是中國新疆喀什地區經濟發展的重要支柱產業之一[1-4]。巴旦木采摘后進行的第一道工序是脫青皮，然后進行破殼和殼仁分離，因此在巴旦木的粗加工產業中，殼仁分離是重要的工序之一。目前市場上農產品物料分離方法有比重法[5]、風選法[6]、磁選法[7]等，而大多數農產品物料分離設備采用的方法是風選法，即利用不同物料成分的空氣動力學特性不同實現分離效果[8-9]。

國內外學者對杏核、蓮子、大白菜種子、大豆等農產品物料的空氣動力學特性及混合物料風選裝置做了大量相關研究。國外學者Shellard等[10]通過試驗測試了小麥物料成分的懸浮速度，發現小麥物料的懸浮速度值和物料的長度等物理參數有關。劉鵬等[11]通過試驗優化了大豆清選裝置作業參數，優化工作參數下清選損失率和含雜率分別下降了0.05%、2.09%。藺建濤[5]利用杏核殼仁物料不同成分的空氣動力學特性差異，分析了杏核殼仁在氣流與振動作用下的運動規律并設計了杏核殼仁分選機。馬秋成等[12]通過蓮子物料空氣動力學特性試驗，獲得了適合蓮子殼仁物料分離的懸浮速度范圍為7.865～11.230 m/s，而且設計研發了蓮子負壓殼仁分離裝置。冷峻等[13]利用有限元軟件對谷物聯合收獲機風選裝置的結構進行仿真，獲得篩面風速分布情況并進行結構優化，清選效果良好。耿令新等[14]通過大白菜種子脫出物懸浮速度試驗，得到白菜籽粒懸浮速度變化范圍為6.68～7.42 m/s，發現大白菜種子物料的懸浮速度隨著其粒徑和含水率的增加而提升，并通過驗證試驗得到較優參數組合。高連興等[15]通過試驗獲得了完好豆粒、豆瓣、未脫凈豆莢等物料懸浮速度，并根據此結果設計了氣力式清選裝置，提高了大豆脫粒機的性能。Murilo等[16]通過破殼后大豆豆莢和豆粒懸浮速度試驗，設計制造了一種大豆風力分離裝置并進行性能試驗。

為研究巴旦木空氣動力學特性，獲得較高清選率，本文在前人研究的基礎上，針對巴旦木不同物料成分的懸浮速度進行研究，確定采用風選法對其殼仁物料進行分離，通過ANSYS軟件對風選裝置核心結構進行流場仿真分析，結合懸浮速度研究結果設計巴旦木殼仁風選裝置，以清選率為指標，風選裝置喂入量、清選風機轉速、篩體振動頻率、波紋篩傾角和離心風機轉速為因素進行巴旦木殼仁風選試驗，通過計算貢獻率以及運用Design Expert 10.0軟件對試驗結果進行響應面分析以得出了5個因素對清選指標的影響規律，根據約束條件求解功能獲得巴旦木殼仁風選裝置優化工作參數組合，擬為后續巴旦木殼仁分離設備研發提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 巴旦木殼仁物料懸浮速度計算

1.1.1 巴旦木物理參數測試

巴旦木品種選擇新疆喀什地區廣泛種植的莎車18號巴旦木，又名鷹嘴巴旦木，收獲后經脫青皮、曬干、破殼處理產生的混合物料可分為大殼、中殼、小殼和仁4部分。如圖1所示，其中大殼即尺寸占整殼大小1/2以上的殼，中殼即尺寸占整殼大小大于1/3～1/2的殼，小殼即尺寸占整殼大小大于1/6～1/3的殼。

農產品物料顆粒的空氣動力學特性與其含水率[17]、密度有關[18]，進行巴旦木物料密度和含水率的測試試驗之前，從破殼后的物料中隨機抽取試驗樣本，按不同物料成分分揀分組。

用排水法測試物料密度，相關測試儀器有電子天平（HZT-1000A，精度為0.01 g，衡之寶電子秤有限公司），量筒、滴管以及量杯等。

測定含水率時使用水分測定儀（PC-16A，上海浦春計量儀器有限公司），為保證所得試驗結果準確，試驗之前需要用小刀片將仁切成薄片，將大殼、中殼砸碎，并檢查物料中是否含有雜質顆粒，試驗結果用干基含水率表示。密度與含水率測試結果如表1所示。

表1 巴旦木物料密度與含水率Table 1 Material density and moisture content of almond

1.1.2 阻力系數分區判別

在流體力學中阻力系數分為：Stokes區、Allen區、Newton區，而這3個區的阻力系數的值各不相同。為了研究巴旦木物料在氣流場中的運動，首先需要通過粒徑法[19]判斷巴旦木物料阻力系數的分區，粒徑法計算因子T公式如下

式中μ為空氣動力黏度，μ=18.1×10-6Pa·s；aρ為空氣密度，aρ=1.29 kg/m3；T為計算因子，mm；sρ為物料密度，kg/m3。

3個分區中對于物料顆粒的粒徑有不同的要求，Stokes區、Allen區、Newton區中適用的物料粒徑依次為：dp≤2.2T、2.2T

1.1.3 巴旦木物料懸浮速度理論計算

利用風選法分離農產品物料時，物料受到的最基本的力是重力和氣流推力，而氣流推力是物料粒子相對于空氣速度的復函數，不同顆粒以及形狀大小不一的同種顆粒受到的氣流推力是不同的，氣流推力表達式如下：

式中RF為氣流推力，N；A為顆粒迎流截面積，m2；C為阻力系數；v為氣流相對粒子的速度，m/s。

農產品物料的空氣動力學特性可通過其懸浮速度數值表示[20-22]，通過理論計算的懸浮速度值可以判斷不同物料成分在氣流中的運動情況，確定是否適合選用風選法進行殼仁分離，并且可以根據不同物料成分懸浮速度變化范圍確定合適的分離氣流速度。因此確定物料顆粒的懸浮速度對于物料殼仁風選裝置的設計研發尤為重要。先對巴旦木殼仁物料的懸浮速度進行計算，Newton區中物料顆粒懸浮速度計算公式[19]如下：

式中vp為物料顆粒的懸浮速度，m/s；S為非球形顆粒的形狀修正系數。

由于巴旦木物料中殼和仁的形狀都是非球形，按不規則球形物體的形狀修正系數S=1.2[19]進行計算。巴旦木的殼和仁呈不規則形狀，尤其殼的個體差異明顯，所以物料粒徑分為不同等級計算。

計算時發現，有極少數大殼呈薄片形狀，這歸因于巴旦木的破殼方式和部分殼獨特的力學特性，不具備進行懸浮速度計算的要求，因此排除這種形似薄片的大殼物料作為研究對象。計算結果表明，各物料懸浮速度從大到小依次是仁、大殼、中殼、小殼，不同物料之間懸浮速度差異明顯，同種殼物料不同等級粒徑的懸浮速度接近，適合選用風選法進行殼仁分離。

1.2 巴旦木物料懸浮速度試驗

試驗前，用電子秤對莎車18號巴旦木的大殼、中殼、小殼和仁進行稱量，獲得足量的試驗樣本物料。將大殼、中殼、小殼和仁4部分的物料進行浸泡、晾置、烘干，調節殼含水率為10.5%，仁含水率為12.5%進行試驗。

物料的懸浮速度是指在垂直氣流場中，物料粒子受到氣流的作用力大于自身重力而保持懸浮狀態時氣流的速度[23]。試驗時把單粒物料放入懸浮速度測試臺觀察管下方喂料口中的阻尼網上，通過調節變頻調速器使得風機轉速加快進而使風速變快，在氣流作用下物料上升并最終懸浮[24]在觀察管的某一區間范圍內，呈動態平衡狀態，測量并記錄此時氣流的速度即為物料粒子的懸浮速度，試驗現場如圖2所示。

懸浮速度計算與試驗結果如表2所示，莎車18號巴旦木殼仁物料中大殼、中殼、小殼、仁的懸浮速度變化范圍分別為9.92～11.03、8.86～9.66、8.27～8.85、13.10～13.96 m/s。殼和仁的懸浮速度變化范圍有較大的區別，因此選用風選法分離巴旦木殼仁會達到比較好的效果，氣流速度變化范圍可控制在8.27～11.03 m/s可以使分離效果達到較佳。另外，巴旦木殼仁物料懸浮速度試驗值小于懸浮速度理論計算值，歸因于巴旦木殼仁物料的外形尺寸特征，物料的外形尺寸各異，選擇球形物體的形狀修正系數進行計算存在誤差。

表2 巴旦木殼仁物料懸浮速度理論計算與試驗結果Table 2 Theoretical calculation and experimental results of suspension velocity of almond shell and kernel material

可以把通過試驗獲得的懸浮速度值代回式4，再計算得到修正后的形狀系數[19]，見表2。結果表明，形狀修正系數從小到大依次為仁、小殼、中殼、大殼。原因是大殼物料的形狀最不接近球形，斷裂面形狀各異，系數最大；而仁物料沒有斷面，表面平整，相對來說最接近球形，所以形狀系數比較小。

2 巴旦木殼仁風選裝置設計與試驗

2.1 殼仁風選裝置設計

根據上述內容中懸浮速度參數研究結果，設計如圖3所示的殼仁風選裝置，該裝置由離心風機（型號4-2X79，功率200 kW，江蘇精彩風機制造有限公司）、閉風器（型號YJD-A，河北九正通明有限公司）、變頻調速器（型號CDI9100，德力西變頻器有限公司）、三相異步電動機（型號YX3-132M-4，功率7.5 kW，額定轉速1 440 r/min，上海寶格電機有限公司）、傳送帶、管道、波紋篩等組成。

工作原理為小傳送帶將殼仁混合物料輸送至振動送料器上，在振動作用下物料達到松散狀態運動至出口，較小的殼和質量較輕的雜余被吸入上方分離箱內，在擋板的作用下殼通過閉風器下端出殼口流出，同時較大的殼以及仁下落到大傳送帶上經喂料口到達波紋篩上，波紋篩與篩體保持相同的振動頻率，由于各物料成分懸浮速度不同且物料受到透過波紋篩孔的氣流作用力、重力以及和波紋篩面之間的摩擦力共同作用，在傾斜波紋篩面上物料開始上下分層，密度較大的仁沉在物料下層和波紋篩面接觸，在摩擦力和重力的作用下沿篩面上端運動到達出仁口，密度較小的殼受氣流作用浮在上層，在氣流和摩擦力的作用下沿波紋篩面下端運動至出殼口。

2.2 單因素試驗

對風選裝置喂入量（A）、清選風機轉速（B）、篩體振動頻率（C）、波紋篩傾角（D）、離心風機轉速（E）進行單因素試驗，研究同一因素不同水平對殼風選裝置工作效果的影響規律。進行各單因素試驗時，該殼仁風選裝置的其他因素均保持不變。

試驗指標選清選率P'(%)、損失率Q(%)[24]，其定義式如下：

式中mk為從出仁口流出的仁質量，kg；tm為從出仁口流出的物料總質量，kg；m ko為從出殼口流出的仁質量，kg；mkt為樣本物料中仁的總質量，kg。

如圖4a所示，當風選裝置喂入量大于6 kg/min時清選率下降，歸因于當喂入量過大時篩面單位時間內需要處理的物料增加，導致物料堆積使清選效果變差；清選風機轉速因素決定了風選氣流的大小，如圖4b所示，當轉速從1 130～1 180 r/min變化時，清選率曲線近似二次曲線規律變化，轉速為1 160 r/min時達到較佳清選率；如圖4c所示，當篩體振動頻率較低時對清選率的影響較大，振動頻率大于47 Hz時清選率曲線趨于平緩，篩體振動頻率對損失率影響較小。如圖4d所示，清選率曲線基本平穩，波紋篩傾角為3.0°時清選率達到較大值；如圖 4e所示，離心風機轉速從1 215 r/min增加到1 275 r/min的過程中，清選率曲線呈上升趨勢，在1 255 r/min時曲線趨于平緩；當離心風機轉速為1 275 r/min時清選指標達到最大值，若離心風機轉速超過此值，將導致損失率增大。各因素下物料的損失率都在可接受的范圍內，因此在正交試驗中不考慮損失率這一指標。

2.3 巴旦木殼仁風選優化試驗

2.3.1 試驗過程

試驗時間為2020年9月25日—2020年9月30日，試驗地點在新疆喀什果業有限公司。

試驗開始前，在閉風器下端出殼口和風選裝置出殼口綁好取樣袋收集試驗樣本用于計算損失率，試驗過程中采用人工定時收集試驗樣本計算清選率，每組試驗重復3次，每次隨機取樣30 s，依次完成巴旦木殼仁物料風選試驗。試驗現場取樣如圖5所示。

2.3.2 試驗數據統計

按照試驗指標計算方法完成巴旦木殼仁物料風選試驗清選率的計算統計。依據《LY/T 1750—2008巴旦木（扁桃）生產技術規程》、巴旦木懸浮速度研究結果以及單因素試驗研究結果，選取清選風機轉速中間值為1 160 r/min、風選裝置喂入量中間值為5 kg/min、篩體振動頻率為47 Hz、波紋篩傾角為3.0°和離心風機轉速為1 250 r/min，為了方便控制和調整，以巴旦木殼仁物料懸浮速度研究結果為基礎，試驗開始之前對清選風機轉速和篩面氣流速度大小進行標定，結果如表3所示。根據5個試驗因素的調控范圍并結合文獻[25]確定5個試驗因素的水平如表4所示。使用Design–Expert 10.0軟件中Box-Behnken功能設計響應面試驗正交表[26]如表5所示。

表3 清選風機轉速與篩面氣流速度標定關系Table 3 Calibration relationship between cleaning fan speed and screen surface air velocity

表4 殼仁風選試驗各因素水平設計Table 4 Levels design of factors of shell and kernel separation test

表5 響應面試驗結果Table 5 Response surface test results

3 殼仁風選裝置工作參數響應面優化分析

3.1 清選率回歸模型建立與顯著性檢驗

根據表5中的數據對清選率指標進行方差分析，結果如表6所示。

表6 清選率二次多項式模型的方差分析Table 6 Variance analysis of quadratic polynomial model of the cleaning rate

清選率回歸方程為

式中A為風選裝置喂入量，B為清選風機轉速，C為篩體振動頻率，D為波紋篩傾角，E為離心風機轉速。

分析表6可知，清選率模型P<0.01，說明清選率回歸模型極顯著，決定系數R2值為0.869 3則說明清選率回歸方程擬合效果較好，回歸模型能反映出86.93%的響應值變化。方差來源中A、B、C、D、E五項中P<0.01，表明對清選率回歸模型影響極顯著，其他項P>0.05，說明對清選率回歸模型影響不顯著[27-30]。

3.2 殼仁風選裝置參數優化

巴旦木殼仁風選要求清選率指標越高越好，5個影響因素均在表4所示的水平范圍內取值，根據清選率最大的約束條件建立巴旦木風選參數組合優化模型如下：

使用Design Expert 10.0軟件中Optimization優化求解功能，在因素水平范圍內求解滿足上述約束條件的最優參數組合為：風選裝置喂入量5 kg/min、清選風機轉速1 161.73 r/min、篩體振動頻率為47.32 Hz、波紋篩傾角3.399°、離心風機轉速1 274.87 r/min，此參數組合下清選率為98.928%。

3.3 殼仁風選優化參數組合與試驗驗證

為保證最優參數組合試驗的可靠性，試驗樣本取自與試驗同品種、同批次破殼的混合物料。根據風選裝置模型仿真分析結果，調節喂料口和出仁口位置。受到設備調節精度限制，優化參數無法調節精度至小數點后1位，因此將最符合優化參數組合的1組參數進行調整，作為本次驗證試驗的優化風選參數組合：風選裝置喂入量5 kg/min、清選風機轉速1 160 r/min、篩體振動頻率為47 Hz、波紋篩傾角3°、離心風機轉速1 275 r/min。其中，為了提高該風選裝置的處理能力，將喂入量調整為6 kg/min，另外離心風機轉速取1 275 r/min，一方面是為了解決喂入量調高帶來的單位時間內物料堆積現象；另一方面，經測驗發現當離心風機取1 275 r/min時，吸口風速在10.55～11.05 m/s范圍以內，達到了懸浮速度試驗得到的分離要求較佳值。進行5次優化參數組合驗證試驗，分別計算每組試驗的清選率，最后求得平均值為99.144%。與3.2節中軟件優化結果進行差值計算，取絕對值，得到清選率相對誤差為0.216%，誤差相對較小。

4 結 論

1）分析計算確定了巴旦木物料阻力分區為Newton區，通過理論計算得到巴旦木殼仁物料各成分懸浮速度變化范圍分別為：大殼為11.975～13.206 m/s；中殼為10.642～11.677 m/s；小殼為9.046～9.952 m/s；仁為15.147～16.196 m/s。

2）使用懸浮速度測試裝置進行巴旦木殼仁物料懸浮速度試驗，得到大殼、中殼、小殼和仁的懸浮速度變化范圍分別為：9.92～11.03、8.86～9.66、8.27～8.85、13.10～13.96 m/s。結果表明，巴旦木殼和仁的懸浮速度存在明顯差異，可采用風選法分離巴旦木殼和仁，風選氣流速度控制在8.27～11.03 m/s范圍內較合適。另外，使用懸浮速度試驗得到的結果對理論計算時選取的形狀系數進行了修正。

3）通過單因素試驗，分析不同因素的不同水平對清選率的影響；使用Design Expert 10.0軟件對正交試驗進行響應面分析，結果表明，篩體振動頻率因素對清選率的影響顯著性最高；結合殼仁風選試驗及運用軟件約束條件優化求解功能得出風選裝置參數組合為：風選裝置喂入量6 kg/min、清選風機轉速1 160 r/min、篩體振動頻率為47 Hz、波紋篩傾角3°、離心風機轉速1 275 r/min。對優化后的參數組合以及裝置進行驗證試驗，得到平均清選率為99.144%。