氣吸式巴旦木殼仁風選裝置試驗與優化分析

張 麗，邊 博，吐魯洪·吐爾迪，王學農

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

0 引 言

【研究意義】新疆是我國巴旦木主產區，2019年巴旦木種植面積達到65 140 hm2[1-7]。隨著產量增加，巴旦木初加工設備市場的需求也隨之增加，初加工包括脫青皮、破殼和殼仁分離，其中殼仁分離是最后且比較重要的一道工序，目前國內市場上專門針對巴旦木殼仁分離的裝置鮮見，但核桃、杏核等堅果的殼仁分離設備卻有不少。堅果殼仁分離的方法有風選法、篩選法、鹽水比重法等，該裝置采用氣吸式原理，利用巴旦木殼和仁2種物料的懸浮速度差異進行殼仁分離。風選法也是目前農產品殼仁物料分離裝置使用較多的一種方法，優點是不會對巴旦木仁造成嚴重的損傷而影響其市場價值，成本也相對較低，但也存在著一些缺點，例如清選效率即仁中含殼率較低，損失率相對較高，如果加工數額較大會造成不小的損失。研發一種巴旦木殼仁分離設備可應市場之需。【前人研究進展】藺建濤等[8]利用杏核殼仁物料比重以及懸浮速度不同設計了一種杏核殼仁風選裝置，通過正交試驗確定了較優的工作參數。朱占江等[9]針對核桃破殼取仁效率低的難題研制了殼仁分離與分級一體的核桃風選機。高連興等[10]通過研究大豆豆莢與豆子等物料的空氣動力學特性研制了大豆清選裝置和旋風式雜余分離裝置，進行性能試驗得到含雜率和損失率分別為0.7%和0.31%。吐魯洪·吐爾迪等[11]利用巴旦木殼仁物料空氣動力學特性差異并采用比重風選法，設計了巴旦木殼仁分離裝置，通過試驗分析影響殼仁分離的主要因素。【本研究切入點】目前市場上巴旦木殼仁分離設備鮮見。研究氣吸式巴旦木殼仁風選裝置及優化?！緮M解決的關鍵問題】運用有限元軟件Fluent18.0，對風腔三維模型進行流體仿真，風腔內部形成局部湍流現象，調節風腔過渡口相對位置適當提高清選效率。運用數據分析軟件Design Expert對風選試驗數據分析和計算。研究各因素對損失率影響順序為喂入量、振動頻率和風機轉速。并以破殼后的巴旦木物料為原料，驗證該裝置的清選率和損失率指標，為巴旦木殼仁風選設備的研發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 裝置

氣吸式巴旦木殼仁風選裝置主要由離心風機、電機(型號4-72，功率5.5kW，生產廠家：上海森芙利機電有限公司)、振動篩、閉風器、輸送帶、風腔等組成。圖1

注：1.風機出口; 2.離心風機; 3.電動機; 4.機架; 5.輸送帶; 6.風量調節軸; 7.分離箱; 8.閉風器; 9.振動篩; 10.出仁口; 11.振動彈簧

1.1.2 巴旦木

材料為莎車18號巴旦木，收獲后的巴旦木進行含水率調節，使其含水率普遍一致，并使用同一臺巴旦木破殼裝置進行破殼處理。

1.2 方 法

1.2.1 流體相控制方程

負壓風腔內部的氣流不可壓縮且屬于湍流運動，顆粒相體積分數可忽略不計，氣流體積分數接近1，流體連續性方程以及動量守恒方程[12]。

▽u=0.

(1)

(2)

式中：u——流體速度，m/s；

ρ——流體密度，kg/m3；

t——氣流通過時間，s；

P——氣流壓強，Pa；

η——氣流動力粘度；

g——重力加速度，m/s2；

S——動量匯。

由于Saffman升力以及Basset力的數量級遠小于曳力，因此，對前者忽略不計，為了實現氣固兩相耦合，可對動量匯S[13]進行計算。

(3)

其中：

Fd,i=0.5CDρA|u-up|(u-up).

(4)

(5)

(6)

式中：Fd,i——第i顆粒所受氣流阻力，N；

△V——網格單元體積，m3；

CD——曳力系數；

A——顆粒投影面積，m2；

up——顆粒速度，m/s；

Re——雷諾數；

dp——顆粒直徑，mm。

1.2.2 風腔建模與仿真

使用Solidworks對氣吸式巴旦木殼仁風選裝置進行三維建模，將風腔模型另存為.x_t文件并導入Ansys軟件中進行網格劃分，裝置三維模型和風腔網格劃分。其中網格劃分結果中節點數為4 694個，單元數為20 534個。圖2，圖3

將劃分好的網格模型導入Fluent 18.0中進行仿真。設置湍流模型為k-e[14-15]，定義材料屬性為air，添加約束邊界(wall)、入口(inlet)、出口(outlet)，并設置入口流體速度為12.5 m/s，出口類型為outflow，初始化模型并設置迭代步數為1 400進行計算求解，得到風腔內部風速分布云圖和風速矢量圖。圖4，圖5

圖2 氣吸式巴旦木殼仁風選裝置Fig.2 Graphic model of air suction type separation device for almonds kernel

圖3 三維模型網格劃分示意Fig.3 3D model meshing diagram

圖4 風腔內部風速分布云Fig.4 Wind speed distribution inside the cavity

圖5 風腔內部風速分布矢量Fig.5 Vector diagram of wind speed distribution in air chamber

1.2.3 優化

將巴旦木殼仁混合物料稱重，分別為4、5、6 kg各3組，試驗時分別在出殼口和出仁口進行物料最終樣本的收集，每組試驗人工計時每15s收集1次，收集3組求取平均值。

試驗指標選擇清選率P(%)、損失率Q(%)[16]，定義式如下：

(7)

(8)

式中：mk—出仁口物料中仁質量(kg)；

mt—出仁口物料總質量(kg)；

mko—出殼口中仁質量(kg)；

mKt—樣本物料中仁的總質量(kg)。

選擇喂入量(A)、風機轉速(B)、振動頻率(C)3個參數作為試驗因素，結合《風篩式種子清選機質量評價技術規范》與文獻[11]。表1

表1 風選試驗各因素水平設計Table 1 Level design of each factor in air sorting test

2 結果與分析

2.1 清選率回歸模型建立與顯著性檢驗

清選率模型回歸方程：

P=93.72-0.56A+0.24B-0.13C+0.10AB-0.055AC+0.38BC-0.056A2-0.52B2-0.053C2.

(9)

式中：P—清選率(%)；

A—喂入量(kg/min)；

B—風機轉速(r/min)；

C—振動頻率(Hz)。

研究表明，清選率模型P小于0.05，可知清選率回歸模型顯著；R2=0.886 6，喂入量因素P值小于0.05，在該置信區間內有99%的區域清選率回歸模型影響顯著。表2，表3

損失率模型回歸方程如下式：

Q=5.46+1.08A-0.17B+0.20C.

(10)

式中：Q—清選率(%)；

A—喂入量(kg/min)；

B—風機轉速(r/min)；

C—振動頻率(Hz)。

清選率模型P小于0.000 1，可知損失率回歸模型極顯著；R2=0.886 7，則損失率回歸模型擬合效果良好，反映了模型88.67%響應數據變化。喂入量因素P值小于0.000 1，則在該置信區間內有99%的區域損失率回歸模型影響顯著。表4

表2 響應面數據Table 2 Statistical Table of response surface test data

表3 清選率方差Table 3 Analysis of variance of selection rate

表4 損失率方差分析Table 4 Analysis of variance of loss rate

2.2 各因素對清選率的貢獻率

根據貢獻率可判斷各個因素對回歸模型的影響程度，貢獻率計算公式如下：

(11)

(12)

式中：△j—貢獻率(%)；

δ—考核值；

F—方差分析表中F值；

δj—一次項貢獻率(%)；

δjj—二次項貢獻率(%)；

δij—交互貢獻率(%)。

研究表明，各因素對損失率影響順序為喂入量、振動頻率和風機轉速。各因素貢獻率從大到小排序依次是：喂入量、風機轉速、振動頻率。表5

表5 各因素對清選率的貢獻率Table 5 Contribution rate of each factor to selection rate

2.3 各因素對清選率的響應效應

研究表明，喂入量為4 kg/min時的清選率大于喂入量為6 kg/min時的清選率，在此過程中離心風機轉速越大則清選率越高，風機轉速為2 300 r/min時清選率達到最大值；振動頻率和喂入量對清選率指標影響顯著，振動頻率由50 Hz增加到56 Hz過程中，喂入量越大清選率越低，變化趨勢基本呈直線；風機轉速和振動頻率對清選率的影響顯示，風機轉速從2 250 r/min逐漸增大到2 300 r/min的過程中，振動頻率越大清選率越高，較大的振動頻率使單位時間內物料受到的振動次數增加，物料之間的離散程度更大并且殼物料更容易被氣流吸走，清選率隨之上升。圖6

2.4 優化與試驗

使用軟件中的優化求解功能[21]對該風選裝置工作參數進行優化，得到清選率最高的參數組合喂入量4.04 kg/min、風機轉速2 309.35 r/min、振動頻率52.96 Hz。最優參數組合是喂入量4 kg/min、風機轉速2 300 r/min、振動頻率53 Hz。求得清選率平均值為95.68%，損失率2.85%。表6

表6 風選裝置最佳參數組合驗證Table 6 Verification test results of optimum parameter combination of air separation device

3 討 論

清選率回歸模型擬合效果良好，可反映88.66%響應數據變化[17-20]。

4 結 論

4.1采用氣吸式原理的巴旦木殼仁風選裝置，可對巴旦木破殼后的殼仁混合物料進行有效分離。

4.2流體經過風腔時會產生局部湍流現象，不利于物料分離，調節風腔過渡口的距離可適當提高分離效率。

4.3各因素對損失率影響順序為喂入量、振動頻率和風機轉速；經過分析與計算，各因素對清選率的貢獻率從大到小排序依次是：喂入量、風機轉速、振動頻率。

4.4該裝置的最優工作參數為喂入量4 kg/min、風機轉速2 300 r/min、振動頻率53 Hz，最佳工作參數下平均清選率為95.68%、損失率為2.85%。