基于EDEM的變間距式鮮枸杞分級機設計

于 洋,任思敏,魏雅鑫,魏夢迪,胡定賢,陳廷敏

(1.西安科技大學機械工程學院,陜西 西安 710054;2.寧夏鏈杞智匯科技有限公司,寧夏 石嘴山 753400)

枸杞是眾所周知的上等養生滋補中藥材,具有諸多的醫療保健功效,是我國西北地區重要的農業富民特色作物之一[1]。國內果蔬以個頭大小分級銷售的模式導致了不同規格的果實價格相差數倍,枸杞子更是如此,對鮮枸杞進行分級的方法可以將小顆粒枸杞果篩選出來制作原漿飲料類,有效提高小果的經濟效益。成熟枸杞皮薄肉嫩、水分含量高、儲存時間短,所以采摘下來后要盡快投入加工,如果處理不及時,就會導致枸杞腐敗,而且枸杞果實脆弱,容易損傷[2],在處理過程中如果受到撞擊或者磕碰會使枸杞在制干后呈黑色而影響商品性狀[3],因此針對鮮枸杞的分級難度較高,目前關于鮮枸杞分級的設備較少,有關鮮枸杞的無損快速分級技術研究亟待開展。

農業領域目前常用的分級機按照工作原理可以分為5大類,即窩眼式、輥軸式、比重式、風力式、視覺識別式。李明智等[4]設計了一種振動篩網分級裝置,同時利用差速排隊進行計數,兼具扇貝苗分級與排隊計數一體化的需求。吳楠等[5]針對鈣果收獲裝置作業后含雜率高的問題,設計了一種風篩式篩分裝置,在不同風速、振動頻率下做了分析,分級精度為96.3%,適用于小體積硬果殼農作物的分級。呂金慶等[6]以馬鈴薯直徑為標準設計了一種輥式馬鈴薯分級機,通過差動分級裝置改變提升角控制分級范圍,馬鈴薯在兩輥所形成的間隙中旋轉前進。裝置的生產率和分級精度均較高,廣泛應用于薯類作物的分級。童威[7]設計了一種大蒜的質量組合篩選機,采用稱重傳感器完成大蒜的快速稱重,按照質量對大蒜精確組合篩選,分級精度為98%,完成一次篩選的時間約為6 s。馬本學等[8]運用殘差網絡和圖像處理技術對干制哈密大棗進行外觀質量檢測,尺寸檢測的準確率為93.75%。上述研究成果可以滿足目前大部分農作物果實的分級要求,但若應用于鮮枸杞分級暫不能同時滿足傷果率、分級精度、生產率的要求,針對這個問題,本文設計了一種傷果率較低、分級精度和生產率較高的變間距式鮮枸杞分級機,對其工作過程運用EDEM軟件進行仿真模擬,通過對試驗結果的分析和多目標尋優求解確定最佳工作參數,并進行現場分級實驗。

1 裝置結構與工作原理

變間距式鮮枸杞分級機由篩分單元、定向單元、出料單元三部分組成,整體結構如圖1所示。篩分單元由分級皮帶、皮帶導槽、皮帶輪、傳動軸、擋圈、機架、電機等組成。其中,用于分級的皮帶是分級機的關鍵零部件之一,設計其截面形狀似傘形,上半部分為半圓形,與枸杞直接接觸,下半部分為正方形,在皮帶導槽中滑動。分級皮帶材質為硅膠,無芯體,可以自由彎曲驅動[9]。定向單元由兩排毛刷、電機、鏈輪等部分組成,鮮枸杞經過定向單元可以自動擺正,縱徑與分級皮帶運行方向平行。出料單元由兩段帶式輸送機組成,帶式輸送機平穩出料可以降低對枸杞的沖擊。機架前后分別安裝有功率為0.75 kW和1 kW的三相異步電動機,分別為出料單元和篩分單元提供驅動力。

1.用于定向的毛刷;2.定向單元的驅動裝置;3.分級皮帶;4.機架;5.用于大果出料的帶式輸送機;6.用于小果出料的帶式輸送機;7.傳動軸;8.皮帶輪;9.出料單元的驅動電機;10.篩分單元的驅動電機1.Directional brush;2.Drive device for directional unit;3.Grading belt;4.Frame;5.Belt conveyor for large fruits discharge;6.Belt conveyor for small fruits discharge;7.Drive shaft;8.Belt pulley;9.Drive motor for discharge unit;10.Drive motor for screening unit圖1 變間距式鮮枸杞分級機整體結構Fig.1 Structure of variable-spacing type fresh wolfberry grading machine

查閱文獻[10]結合各種類型鮮枸杞的尺寸測量結果,設定分級機的皮帶間隙范圍為5～20 mm。工作時,傳動軸和皮帶輪在鏈傳動裝置帶動下同步運轉,分級皮帶向前傳動,鮮枸杞進入篩分單元之后隨分級皮帶一起向前運動,兩者之間無相對運動,皮帶間隙尺寸由5 mm逐漸擴大到20 mm,枸杞橫徑小于間隙尺寸即可落下,通過出料單元的帶式輸送機落入這一級的下料框中,最終根據鮮枸杞橫徑大小將其分為若干等級。

2 分級過程仿真

評價鮮枸杞分級機工作性能的指標為分級精度和傷果率,設計時力求合格粒度的物料經過分級機能100%從混合原料中分離出來,且具有較大的生產率,但又不希望裝置傷果率高。根據變間距式鮮枸杞分級機的結構特點,主要有4個因素可能影響實際分級效果,即進料量、分級皮帶直徑、運行速度以及篩面長度。利用EDEM軟件對分級過程進行仿真,明確影響分級精度和傷果率的關鍵參數,為裝置樣機的優化設計提供依據。

2.1 等效鮮枸杞模型建立

為準確建立鮮枸杞的三維模型,需要對其物理參數進行測定。2021年7月18日上午在寧夏回族自治區平羅縣枸杞種植基地(38°45′N,106°46′E)隨機采摘100粒成熟鮮枸杞,品種為‘寧杞5號’,利用游標卡尺(型號：Links,量程：0～200 mm,精度0.02 mm)測量其橫徑和縱徑,用高精度電子秤(型號：100G,量程：0～100 g,精度：0.001 g)測量鮮枸杞的質量并間接計算出枸杞的密度,測得100組數據并取其均值,可得到橫徑和縱徑分別為9.35 mm和18.57 mm,單粒質量為0.73 g,密度為689 kg·m-3。

鮮枸杞的外形是不規則體,常規建模方法無法精確還原其真實特征[11]。為準確建立鮮枸杞的三維模型,提高仿真試驗的真實性,運用運動結構的多視角圖像重建(structure from motion coupled with clustering views for multi-view stereo,SFM-CMVS)技術獲取鮮枸杞的模型[12]。圖2a(見271頁)所示為鮮枸杞顆粒,選取縱橫徑均接近平均值的1顆鮮枸杞為對象,用工業相機拍攝128張二維圖片,導入Visual SFM軟件獲取枸杞的稠密點云模型。使用MeshLab點云濾波器工具去除點云文件噪聲點和冗余點并對鮮枸杞輪廓區域進行提取,得到去噪濾波后的點云,如圖2b(見271頁)所示。通過對點云數據進行曲面擬合得到鮮枸杞的實體模型,如圖2c(見271頁)所示,將實體模型導入有限元軟件ANSYS中劃分網格,如圖2d(見271頁)所示,最后將網格導入離散元軟件EDEM前處理的顆粒建模模塊中,利用多個球形單元交疊在一起構成顆粒簇的建模方法[13]得到所需要的鮮枸杞模型,如圖2e(見271頁)所示。實體模型與圖像相似度高,表明本文方法是有效的,通過點云數據繪制的實體較為完整地保留了枸杞的整體特征。

2.2 分級機幾何模型建立

為了提高計算速度,對分級機進行結構簡化,將其簡化為入料輸送帶、滑道、定向毛刷、分級皮帶、出料輸送帶五部分,幾何模型如圖3(見271頁)所示。在入料輸送帶上部設置顆粒工廠,使其根據體積按照正態分布生成五種不同橫徑的枸杞顆粒,分別為6、9、12、15、18 mm。在EDEM軟件中設置枸杞與輸送帶之間的接觸模型為Moving Plan模型,枸杞與枸杞的接觸模型為Liner Spring模型,枸杞與其他部件的接觸模型為Hertz-Mindlin無滑動模型[14],幾何模型與鮮枸杞材料參數和接觸參數[15]如表1所示。

1.分級皮帶;2.定向毛刷;3.滑道;4.顆粒工廠;5.入料輸送帶;6.出料輸送帶;7.五個質量傳感器1.Grading belt;2.Directional brush;3.Slipway;4.Particles factory;5.Infeed conveyor belt;6.Discharge conveyor belt;7.Five masssensors圖3 分級機幾何模型Fig.3 Geometric model of the grading machine

表1 仿真參數Table 1 Simulation parameters

在EDEM軟件Creator模塊中對模型進行運動設置,為每根分級皮帶添加Conveyor Translation運動,對定向毛刷添加Linear Rotation Kinematic運動,使其以30 r·min-1的轉速旋轉。在Simulator模塊中設置瑞利時間步長為20%,每組仿真時間設置為30 s,數據寫出時間步長設置為0.005 s,網格單元尺寸設置為最小顆粒半徑的2倍。

2.3 分級過程仿真

通過預實驗確定各因素取值范圍：進料量Q為0.1～0.35 kg·s-1、分級皮帶直徑d為5～30 mm、運行速度v為0.05～0.45 m·s-1、篩面長度L為1 000～3 500 mm。仿真開始后,混合粒度的鮮枸杞顆粒群從顆粒工廠生成,通過滑道進入篩面后與分級皮帶一起向前傳動,不同粒度的顆粒穿過篩面落入不同級別的質量傳感器監測區間,圖4(見271頁)所示為8.0 s分級情況,不同顏色代表不同粒度的枸杞。

圖4 8.0 s分級情況Fig.4 Grading status at 8.0 s

2.4 單因素仿真試驗分析

鮮枸杞分級的兩個評價指標：分級精度y1、傷果率y2分別定義為[16-17]：

(1)

(2)

式中,N為顆粒工廠生成鮮枸杞總質量(kg);N1為顆粒工廠生成鮮枸杞總數(粒);n1為分級后各級符合規格的鮮枸杞總質量(kg);n2為分級后損傷的鮮枸杞總數(粒)。

仿真結束后,通過EDEM軟件Analyst模塊中的質量傳感器統計各級枸杞應落下量與實際落下量,進而依據式(1)計算出裝置總的分級精度。在Histogram模塊中將X軸設置為Total Force,Y軸設置為Number of Particles,得到全部顆粒的碰撞力分布數據,根據鮮枸杞果實機械損傷評價標準確定4.8 N為鮮枸杞發生輕度損傷的臨界壓力值[18],以此為判定標準根據式(2)計算出各組仿真的傷果率。

圖5a所示為進料量對鮮枸杞分級精度、傷果率的影響規律。由圖可知,隨著進料量的增大,鮮枸杞分級精度呈減小趨勢,傷果率呈增大趨勢。當進料量在0.1～0.25 kg·s-1時,隨著進料量的增大,傷果率呈緩慢上升趨勢,分級精度呈緩慢下降趨勢。當進料量大于0.25 kg·s-1時,鮮枸杞擁堵結堆,傷果率隨進料量的增大呈明顯上升趨勢,同時分級精度隨進料量增大呈明顯下降趨勢。進料量低于0.15 kg·s-1時,分級機生產率較低,綜合考慮,選取枸杞進料量范圍為0.15～0.25 kg·s-1。圖5b所示為分級皮帶直徑對鮮枸杞分級精度、傷果率的影響規律。由圖可知,隨著皮帶直徑增大,鮮枸杞傷果率整體呈減小趨勢,分級精度呈先增大后減小趨勢。當皮帶直徑在5～20 mm時,傷果率隨皮帶直徑的增大呈明顯下降趨勢,分級精度呈明顯上升趨勢。當皮帶直徑大于20 mm時,分級精度呈明顯下降趨勢,因此,選取分級皮帶直徑范圍為15～25 mm。圖5c所示為皮帶運行速度對鮮枸杞分級精度、傷果率的影響規律。由圖可知,隨著運行速度的增大,鮮枸杞分級精度呈先增大后減小的趨勢,傷果率呈先減小后增大的趨勢。當皮帶運行速度在0.2～0.3 m·s-1時,鮮枸杞分級精度和傷果率均達到峰值,因此,選取皮帶運行速度范圍為0.2～0.3 m·s-1。隨著篩面長度的增大,分級精度和損傷率均無明顯變化,如圖5d所示,因此確定進料量、分級皮帶直徑以及運行速度為分級效果的主要影響因素,為了進一步確定最優參數,設計正交旋轉多因素仿真試驗。

圖5 EDEM軟件仿真結果Fig.5 EDEM simulation results

3 多因素正交旋轉仿真試驗

單因素實驗中已經對關鍵參數進行了初步優選,為了進一步確定各參數最優值,利用Design-Expert 10.0.1軟件設計多因素正交旋轉組合試驗。

3.1 試驗的因素選擇

根據初步的仿真分析確定的參數范圍進行三因素三水平正交試驗,試驗因素編碼表如表2所示。

表2 試驗因素編碼Table 2 Coding of test factors

3.2 結果分析

設進料量A、皮帶直徑B、運行速度C、分級精度y1、傷果率y2,試驗方案與結果如表3所示。利用Design-Expert 10.0.1軟件對試驗結果進行方差分析,并進行多元回歸擬合,得到分級精度y1和傷果率y2的回歸方程,最后對模型進行顯著性檢驗[19]。

表3 試驗方案與結果Table 3 Test design and results

3.2.1 方差分析 通過對試驗數據的分析和擬合,分級精度y1回歸模型方差分析如表4所示。y1回歸模型組間差異顯著性檢驗P<0.0001,失擬項P=0.3697,決定系數R2=0.9840,回歸模型顯著,失擬項不顯著,決定系數接近于1,表明y1回歸模型擬合度好。y1回歸模型的精確度為19.326,變異系數0.47%,表明該試驗數據可靠[20-22],可以很好的預測分級精度。由表4可知,對于試驗指標分級精度,A、B、B2影響極顯著,C影響顯著,影響顯著性由大到小為：進料量>皮帶直徑>運行速度。試驗指標和試驗因素存在顯著的二次關系,進料量A、皮帶直徑B、運行速度C三個因素對分級精度y1影響的回歸方程為：

表4 分級精度回歸模型方差分析Table 4 Analysis of variance in regression model of grading accuracy

y1=96.44-0.74A+0.73B+0.44C+0.36AB+0.52AC-0.087BC+0.06A2-4.14B2-0.2C2

(3)

傷果率y2方差分析過程與分級精度y1類似,各因素對傷果率影響顯著性由大到小為：運行速度>皮帶直徑>進料量,進料量A、皮帶直徑B、運行速度C三個因素對傷果率y2影響的回歸方程為：

y2=2.41+0.33A-0.7B+0.18C-0.058AB-0.14AC-0.12BC+0.32A2-0.11B2+0.37C2

(4)

通過方差分析結果可知3個參數均是影響分級精度和傷果率的主要因素。分級機運行速度越快,進料量越大,越易造成擁堵,導致枸杞與毛刷碰撞時的沖擊增大,出現刷傷、擠傷等現象,造成裝置傷果率增加;反之,傷果率將降低,但同時也導致生產率下降。在分級過程中,分級皮帶直徑較小時,皮帶表面積減小,枸杞不易劃入皮帶間隙中,其次鮮枸杞縱徑尺寸約是橫徑的2倍,進一步導致枸杞在篩面上的位置雜亂無章,增加了枸杞與毛刷的接觸概率;分級皮帶直徑較大時,皮帶間隙中兩層甚至多層枸杞重疊,位于上方的枸杞隨著下層枸杞向前運動直接落下到出料輸送帶上,嚴重影響分級精度。

3.2.2 參數優化 為得到最佳的試驗因素水平組合,利用Design-Expert 10.0.1軟件中的優化模塊對回歸模型進行求解,根據鮮枸杞分級機作業的實際工作條件、作業性能要求及上述相關模型分析結果,選擇優化約束條件為：

(5)

通過優化求解,得到鮮枸杞的進料量為0.15 kg·s-1、分級皮帶直徑為21 mm、運行速度為0.22 m·s-1時,鮮枸杞分級機的分級效果最好,分級精度為96.82%,傷果率為2.09%。

4 分級機樣機實驗

4.1 實驗器材

自制變間距式鮮枸杞分級機進行現場實驗,實驗地點為寧夏鏈杞智匯科技有限公司,實驗對象為成熟‘寧杞5號’鮮枸杞,實驗器材包括：變間距式鮮枸杞分級機1臺、游標卡尺若干、秒表1個、電子秤1臺。樣機可根據鮮枸杞橫徑將其分為0～7、7～14、14～20、>20 mm四個等級,樣機如圖6所示。

圖6 變間距式鮮枸杞分級機樣機Fig.6 A variable-spacing type fresh wolfberry grading machine prototype

4.2 實驗方法

實驗之前在枸杞種植基地隨機采摘100 kg鮮枸杞,經清洗、風干、檢查無損傷之后準備實驗。進行實驗前預先調整好各項參數,裝置運行穩定后開始進料,實驗采用連續進料方式,通過變頻器控制入料輸送機的電機轉速來調節鮮枸杞的進料量[23],待鮮枸杞到達篩分單元時開始計時,30 s后關閉電機,實驗過程如圖7a所示。收集分級后的枸杞果實進行人工測量并計算分級精度,測量完畢后將鮮枸杞投入真空干燥機,通過觀察制干后的顏色來判斷損傷程度,進而計算出傷果率,制干過程如圖7b所示。

圖7 實驗及制干過程Fig.7 Test and drying process

4.3 實驗結果

根據所得優化參數組合進行5組重復現場實驗,得到鮮枸杞平均分級精度、傷果率分別為96.37%、2.23%,實驗結果如圖8所示。實驗結果與優化所得結果相比,相對誤差分別為0.45%、0.14%,誤差主要是在現場實驗中鮮枸杞的進料量不能精準把控引起的。

圖8 現場實驗結果Fig.8 Field experimental results

參考行業標準JB/T 12443—2015《滾杠式干果分級機》規定的分級機的混級率≤10%,傷果率≤3%,表明變間距式鮮枸杞分級機的分級效果符合生產要求。

5 結 論

1) 運用EDEM軟件對不同進料量、分級皮帶直徑、運行速度及篩面長度4個因素進行單因素仿真試驗,分析各因素對分級精度和傷果率的影響規律,確定進料量、分級皮帶直徑以及運行速度為分級效果的主要影響因素。以提高枸杞分級精度、降低傷果率為目標,確定各參數優選結果周邊范圍為枸杞進料量0.15～0.25 kg·s-1、分級皮帶直徑15～25 mm、皮帶運行速度0.2～0.3 m·s-1。

2)為了進一步確定最優參數,設計多因素正交旋轉組合試驗,運用Design-Expert 10.0.1軟件進行數據分析和多目標尋優求解,確定最優參數組合為進料量為0.15 kg·s-1、分級皮帶直徑為21 mm、運行速度為0.22 m·s-1時,分級精度為96.82%,傷果率為2.09%。

3) 利用自制的變間距式鮮枸杞分級機進行分級實驗,對比仿真結果和實驗結果,分級機分級精度、傷果率誤差分別為0.45%、0.14%,雖數值上稍有偏差,但在誤差允許范圍內。