戴 飛 趙武云 宋學(xué)鋒 史瑞杰 劉國(guó)春 韋 博

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.甘肅奧凱農(nóng)產(chǎn)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(guó)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(guó)胡麻主產(chǎn)區(qū)之一，種植面積位居全國(guó)七大胡麻產(chǎn)區(qū)之首，2016年胡麻種植面積約占全國(guó)種植總面積的30%。目前，歐美發(fā)達(dá)國(guó)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(jī)械化聯(lián)合收獲，且機(jī)收物料含雜率較低，能夠直接進(jìn)行智能色選(精選)處理，可獲得潔凈度很高的胡麻籽粒。國(guó)外智能色選裝備精度高、價(jià)格昂貴，并不適宜于我國(guó)胡麻產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)用[2-4]?，F(xiàn)階段，我國(guó)胡麻收獲仍然以分段收獲為主，胡麻機(jī)械化聯(lián)合收獲技術(shù)及其裝備還處于試驗(yàn)與開(kāi)發(fā)階段，同時(shí)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(jìn)一步分離清選[5-7]。為此，作者團(tuán)隊(duì)在考慮振動(dòng)有序喂入與氣流高效風(fēng)選相結(jié)合的基礎(chǔ)上，采用氣流分離清選原理，設(shè)計(jì)了胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機(jī)[8]。

本文以研制的胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機(jī)為依托，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步提升作業(yè)機(jī)高凈度、低損失的作業(yè)性能。以該機(jī)相關(guān)的工作參數(shù)作為自變量，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)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(yīng)面分析法確定各因素及其交互作用對(duì)籽粒含雜率、清選損失率的影響，獲取樣機(jī)工作參數(shù)的最優(yōu)控制變量組合，以期達(dá)到對(duì)胡麻脫粒物料最佳分離清選的作業(yè)效果。

1 工作過(guò)程解析與關(guān)鍵參數(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機(jī)主要由振動(dòng)喂料系統(tǒng)、氣流分離清選系統(tǒng)、雜余自動(dòng)排料裝置、振動(dòng)變頻控制箱、脫粒物料不同組分接料盒、機(jī)架、行走輪、集塵筒等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示[8]。樣機(jī)工作時(shí)，將機(jī)脫后的胡麻脫粒物料由喂料斗加入，在振動(dòng)喂料系統(tǒng)的往復(fù)振動(dòng)作用下將脫粒物料均勻輸送至籽粒分離裝置內(nèi)，通過(guò)對(duì)吸雜風(fēng)機(jī)變頻器調(diào)節(jié)、風(fēng)速的不斷調(diào)整使喂入物料呈現(xiàn)出瞬時(shí)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(nèi)。同時(shí)，胡麻脫粒物料中的其余雜質(zhì)(蒴果殼、短莖稈、塵土等)則在吸雜風(fēng)機(jī)的作用下分別通過(guò)雜余自動(dòng)排料裝置與旋風(fēng)分離除塵器排出。

圖1 胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams of separating and cleaning machine for flax threshing material1.機(jī)架 2.振動(dòng)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(fēng)分離除塵器 11.吸塵管道 12.吸雜風(fēng)機(jī) 13.籽粒分離裝置 14.給料盤 15.喂料斗

1.2 工作參數(shù)分析

胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機(jī)工作時(shí)，可針對(duì)胡麻脫粒物料凈度狀況，通過(guò)振動(dòng)變頻控制箱對(duì)電磁激振器振動(dòng)幅度、吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行不同工況調(diào)節(jié)，其中，振動(dòng)喂料系統(tǒng)給料振動(dòng)幅度調(diào)節(jié)范圍為0～30 mm，通過(guò)對(duì)振動(dòng)幅度旋鈕的不斷調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變電磁激振器內(nèi)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(dāng)電磁力瞬時(shí)產(chǎn)生與消失時(shí)，主振彈簧勢(shì)能存儲(chǔ)與能量釋放，使得給料盤沿水平方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機(jī)的吸雜風(fēng)機(jī)采用吸入型通用離心式風(fēng)機(jī)，分離清選系統(tǒng)內(nèi)氣流工作速度應(yīng)不大于胡麻籽粒的最大懸浮速度v0(8.60 m/s)，由文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果可知，氣流分離清選系統(tǒng)中吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為0～1 800 r/min，吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由控制箱內(nèi)對(duì)應(yīng)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，調(diào)節(jié)頻率范圍為0～60 Hz。

振動(dòng)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(diào)節(jié)板控制[9]，通過(guò)調(diào)節(jié)兩側(cè)的滑槽限位，實(shí)現(xiàn)0～10 mm不同厚度層物料的喂入(圖2)。

圖2 物料層厚度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of material layer thickness adjusting mechanism1.調(diào)節(jié)板 2.限位滑槽 3.調(diào)節(jié)限位螺釘 4.給料盤

由上述工作參數(shù)分析可知，當(dāng)胡麻脫粒物料喂入量較小、吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，籽粒含雜率理論上相對(duì)較低，但清選損失率逐漸升高，并且制約了樣機(jī)生產(chǎn)效率；當(dāng)胡麻脫粒物料喂入量較大、吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，能夠抑制對(duì)物料的清選損失，但籽粒含雜率有所上升。因此，對(duì)胡麻脫粒物料進(jìn)行分離清選時(shí)物料喂入量、喂入流動(dòng)性、吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等皆是影響胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機(jī)工作性能(籽粒含雜率和清選損失率)的關(guān)鍵因素[10-12]。

2 單因素參數(shù)仿真試驗(yàn)

為合理確定胡麻脫粒物料分離清選試驗(yàn)中各單因素參數(shù)取值范圍，結(jié)合離散元仿真分析與實(shí)際試驗(yàn)方法，對(duì)樣機(jī)喂料裝置振幅、物料層調(diào)節(jié)厚度和吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)值選取后所對(duì)應(yīng)的作業(yè)效果進(jìn)行探討分析。結(jié)合EDEM軟件數(shù)值模擬不同振幅、不同吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)下胡麻脫粒物料在振動(dòng)喂料系統(tǒng)、籽粒分離裝置作用下的運(yùn)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與籽粒含雜及清選損失之間的關(guān)系，并擇優(yōu)選取適宜參數(shù)值所對(duì)應(yīng)的參數(shù)模型。仿真試驗(yàn)結(jié)束后，將模型調(diào)整到正視視角，采用屏幕量角器Screen Protractor 4.0工具對(duì)物料層厚度進(jìn)行測(cè)量。

2.1 喂料裝置振幅

EDEM中胡麻脫粒物料屬性參數(shù)如表1所示。各材料之間的恢復(fù)系數(shù)設(shè)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(shù)設(shè)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(dòng)摩擦因數(shù)均設(shè)定為0.01。

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

將胡麻脫粒物料分離清選機(jī)的喂入量設(shè)定為0.03 kg/s，依據(jù)胡麻脫粒物料的谷草比，經(jīng)換算物料工廠在喂料口處產(chǎn)生籽粒575個(gè)/s，穎殼1 250個(gè)/s，莖稈1 250個(gè)/s。依據(jù)前期相關(guān)研究，分離清選機(jī)吸雜風(fēng)扇轉(zhuǎn)速選取1 750 r/min，仿真時(shí)間步長(zhǎng)1×10-6s，共仿真3 s。圖3為仿真結(jié)束時(shí)給料盤不同振幅所對(duì)應(yīng)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(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)喂料裝置振幅為2 mm時(shí)，給料盤上物料輸送速度較小，對(duì)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(dòng)喂料系統(tǒng)不能將胡麻脫粒物料及時(shí)輸送至籽粒分離裝置，影響樣機(jī)作業(yè)效率。當(dāng)喂料裝置振幅在5～30 mm時(shí)，胡麻脫粒物料均能夠順著給料盤進(jìn)入籽粒分離裝置(右端)，單位時(shí)間內(nèi)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(diào)節(jié)厚度

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

仿真結(jié)果表明，脫粒物料在盤面呈現(xiàn)出從進(jìn)料口至出料口由多到少的整體變化趨勢(shì)。當(dāng)給料盤振幅較小時(shí)(振幅為2～5 mm)，物料層厚度相對(duì)較小，穩(wěn)定在3.8～5.2 mm。當(dāng)不斷提高給料盤振幅時(shí)，物料層離散度逐步增加且厚度持續(xù)變大，但通過(guò)喂料裝置振幅在30 mm時(shí)的模擬效果看出，給料盤振幅過(guò)高時(shí)會(huì)引起脫粒物料顆粒與壁面接觸碰撞作用過(guò)大產(chǎn)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(jìn)入籽粒分離裝置，物料層厚度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)板在限位滑槽和調(diào)節(jié)限位螺釘?shù)墓餐饔孟卤仨氶_(kāi)啟至4 mm以上。

2.3 吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍結(jié)合CFD-DEM氣固耦合理論方法確定[13-15]。其中，吸雜風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)過(guò)程采用動(dòng)網(wǎng)格模型，在邊界條件下加載“.prof”文件，用來(lái)控制風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)速度(轉(zhuǎn)速與EDEM中設(shè)置相同)。仿真時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-4s。氣相仿真由Fluent完成，選擇空氣為流體介質(zhì)，密度1.2 kg/m3，黏度為1.8×10-5Pa·s。選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。管道壁面為無(wú)滑移壁面，采用基于壓力的SIMPLE算法對(duì)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行耦合求解，動(dòng)量項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，湍流動(dòng)能和湍流耗散率采用一階迎風(fēng)格式，殘差精度為10-3s。耦合計(jì)算中，因?yàn)楣滔囿w積分?jǐn)?shù)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(jī)吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍(0～1 800 r/min)對(duì)仿真模型進(jìn)行設(shè)置，觀察胡麻脫粒物料在氣流分離清選系統(tǒng)中的運(yùn)移規(guī)律，篩選出適宜的吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間。數(shù)值模擬試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于600 r/min時(shí)，籽粒分離裝置內(nèi)部氣流速度過(guò)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(guò)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(shù)優(yōu)化試驗(yàn)中，樣機(jī)喂料裝置振幅需控制在5～30 mm，物料層調(diào)節(jié)厚度保持在4～10 mm范圍內(nèi)，吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在600～1 800 r/min之間變換。

3 分離清選試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)材料

2018年9月，在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)胡麻機(jī)械化作業(yè)示范基地——景泰縣條山農(nóng)場(chǎng)廠院內(nèi)進(jìn)行了胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)性能試驗(yàn)(圖6)。試驗(yàn)材料選用隴亞14號(hào)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(shù)為24.1個(gè)，蒴果平均粒數(shù)為7.2個(gè)，胡麻籽粒平均千粒質(zhì)量為8.1 g，單株產(chǎn)量0.95 g，脫粒物料含水率為11.6%。試驗(yàn)前對(duì)作業(yè)機(jī)進(jìn)行空轉(zhuǎn)運(yùn)行檢查，并對(duì)振動(dòng)喂料裝置振幅(0～30 mm)、吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變頻頻率(0～60 Hz)和物料層厚度調(diào)節(jié)板進(jìn)行調(diào)試。

圖6 作業(yè)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Performance test of separating and cleaning machine for flax threshing material

3.2 試驗(yàn)方法

按照作業(yè)機(jī)預(yù)期實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)功能，結(jié)合GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》中的試驗(yàn)方法進(jìn)行作業(yè)性能試驗(yàn)，待機(jī)器空轉(zhuǎn)運(yùn)行正常后在喂料斗內(nèi)加入胡麻收獲期機(jī)械化脫粒物料。測(cè)定作業(yè)機(jī)籽粒含雜率和清選損失率，同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中觀察振動(dòng)喂料系統(tǒng)、籽粒分離裝置、雜余自動(dòng)排料裝置及氣流清選系統(tǒng)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)情況[17-18]。以3次的測(cè)定平均值為測(cè)試結(jié)果[19-20]。

3.3 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)方案

綜合上述單因素試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果與分析，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[21-22]，以喂料裝置振幅(x1)、物料層調(diào)節(jié)厚度(x2)和吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速(x3)為自變量，籽粒含雜率(Y1)和清選損失率(Y2)為響應(yīng)值，各試驗(yàn)因素編碼如表2所示，分別實(shí)施17組響應(yīng)面分析試驗(yàn)，如表3所示(X1、X2、X3為試驗(yàn)因素編碼值)。應(yīng)用Design-Expert 8.0.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

表2 因素編碼Tab.2 Coding of factors

表3 響應(yīng)面分析結(jié)果Tab.3 Results of response surface analysis

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 回歸模型的建立與檢驗(yàn)

借助Design-Expert 8.0.5軟件對(duì)籽粒含雜率(Y1)和清選損失率(Y2)進(jìn)行回歸模型的方差分析，如表4所示，分別得到Y(jié)1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(xiàng)解析

根據(jù)回歸模型式(1)、(2)分別作出各因素之間關(guān)系的響應(yīng)面圖。響應(yīng)曲面的形狀能夠反映出交互因素作用的強(qiáng)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(dāng)喂料裝置振幅為17.5 mm、物料層調(diào)節(jié)厚度為7 mm時(shí)，籽粒含雜率較低，由等高線密度與響應(yīng)曲面形狀可以看出，喂料裝置振幅和物料層調(diào)節(jié)厚度的交互作用對(duì)作業(yè)機(jī)籽粒含雜率影響并不顯著，與方差分析結(jié)果相同。

圖7 喂料裝置振幅與物料層調(diào)節(jié)厚度對(duì)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(dāng)喂料裝置振幅固定在某一水平，吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由600 r/min遞增至1 800 r/min時(shí)，籽粒含雜率呈現(xiàn)出持續(xù)降低的變化趨勢(shì)。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)作業(yè)機(jī)吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷增大時(shí)，分離清選系統(tǒng)中氣流的吸附強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，對(duì)胡麻脫粒物料中各類雜質(zhì)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)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(dāng)吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在某一水平，物料層調(diào)節(jié)厚度由4 mm遞增至10 mm時(shí)，籽粒含雜率呈現(xiàn)出先減小、后增大的變化趨勢(shì)。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是試驗(yàn)初期胡麻脫粒物料的厚度范圍適宜，吸雜風(fēng)機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的氣流能夠保證分離清選效果。當(dāng)胡麻脫粒物料的厚度不斷增加時(shí)，喂入分離清選系統(tǒng)的物料量逐步上升，使得清選負(fù)荷加重，胡麻籽粒中的雜質(zhì)來(lái)不及由吸雜風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流進(jìn)行充分分離就落入至胡麻籽粒接料盒內(nèi)，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(diào)節(jié)厚度與吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)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(diào)節(jié)厚度與吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)籽粒含雜率影響顯著，與方差分析結(jié)果一致。

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

圖10 喂料裝置振幅與物料層調(diào)節(jié)厚度對(duì)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(dāng)吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在某一水平，喂料裝置振幅由4 mm遞增至10 mm時(shí)，清選損失率呈現(xiàn)出微弱上升的變化趨勢(shì)。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，分離清選系統(tǒng)的氣流速度穩(wěn)定，當(dāng)喂入的胡麻脫粒物料速度不斷增加時(shí)，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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)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(yīng)面形狀可以看出，喂料裝置振幅和吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)清選損失率影響較為顯著。

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

圖12 物料層調(diào)節(jié)厚度與吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)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(diào)節(jié)厚度對(duì)清選損失率的影響大于吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。

4.3 最優(yōu)工作參數(shù)確定與試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，為進(jìn)一步提升胡麻脫粒物料分離清選機(jī)作業(yè)性能，在各試驗(yàn)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(biāo)，建立性能指標(biāo)全因子二次回歸方程，進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化與最優(yōu)工作參數(shù)確定[10,25]。

(3)

其中

應(yīng)用Design-Expert 8.0.5軟件中的優(yōu)化求解器對(duì)回歸方程模型(1)、(2)進(jìn)行該目標(biāo)下的優(yōu)化求解，得到優(yōu)化試驗(yàn)指標(biāo)為籽粒含雜率7.45%、清選損失率1.13%，最優(yōu)工作參數(shù)組合為：喂料裝置振幅16.5 mm、物料層調(diào)節(jié)厚度7.0 mm、吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 775 r/min(即對(duì)應(yīng)的吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變頻頻率為59.2 Hz)。

為了驗(yàn)證模型(1)、(2)的可靠性，應(yīng)用胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機(jī)按照上述最優(yōu)工作參數(shù)進(jìn)行9次作業(yè)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)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(shù)條件下能夠緩解胡麻脫粒物料在機(jī)械化分離清選過(guò)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(yàn)證過(guò)程Fig.13 Validation process of separating and cleaning flax threshing materials1.長(zhǎng)莖稈 2.胡麻蒴果 3.籽粒分離裝置內(nèi)壁 4.物料層厚度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

在試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，通過(guò)籽粒分離裝置觀察窗發(fā)現(xiàn)，胡麻脫粒物料在吸雜風(fēng)機(jī)作用下基本呈現(xiàn)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(shí)大量的輕雜(包括蒴果殼、短莖稈、塵土等)則在吸雜風(fēng)機(jī)的作用下分別通過(guò)雜余自動(dòng)排料裝置與旋風(fēng)分離除塵器排出；但自身質(zhì)量不小于胡麻籽粒的長(zhǎng)莖稈及未充分脫粒的整粒胡麻蒴果也會(huì)隨著胡麻籽粒進(jìn)入籽粒接料盒(圖13b)，這也是引起作業(yè)機(jī)籽粒含雜率較高的主要原因。如若進(jìn)一步加大吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠?qū)⒃摬糠智o稈和較小體積胡麻蒴果吸雜排出，也會(huì)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(nèi)，導(dǎo)致分離清選過(guò)程中清選損失率上升。因此，在后續(xù)胡麻脫粒物料機(jī)械化分離清選試驗(yàn)過(guò)程中嘗試采用氣流風(fēng)選與振動(dòng)篩選相結(jié)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(jié)論

(1)結(jié)合Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用三因素三水平響應(yīng)面分析方法，進(jìn)行胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化可得，對(duì)籽粒含雜率的影響由大到小依次為：吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料裝置振幅、物料層調(diào)節(jié)厚度，對(duì)清選損失率的影響由大到小依次為：吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、物料層調(diào)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(diào)節(jié)厚度、吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的二次多項(xiàng)式回歸模型。以籽粒含雜率和清選損失率最小值為目標(biāo)，優(yōu)化得到作業(yè)機(jī)最佳工作參數(shù)：喂料裝置振幅為16.5 mm、物料層調(diào)節(jié)厚度為7.0 mm、吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 775 r/min(即對(duì)應(yīng)的吸雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變頻頻率為59.2 Hz)。

(3)驗(yàn)證試驗(yàn)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(shù)下作業(yè)機(jī)能夠緩解胡麻脫粒物料在機(jī)械化分離清選過(guò)程中的含雜與損失程度。在后續(xù)胡麻脫粒物料機(jī)械化分離清選試驗(yàn)過(guò)程中可以嘗試采用氣流風(fēng)選與振動(dòng)篩選相結(jié)合的作業(yè)方式。