王學(xué)農(nóng)，邊 博，吐魯洪·吐爾迪，張麗

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)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(qū)薔薇科桃屬植物，具有很高的營養(yǎng)價值和藥用價值，是中國新疆喀什地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一[1-4]。巴旦木采摘后進(jìn)行的第一道工序是脫青皮，然后進(jìn)行破殼和殼仁分離，因此在巴旦木的粗加工產(chǎn)業(yè)中，殼仁分離是重要的工序之一。目前市場上農(nóng)產(chǎn)品物料分離方法有比重法[5]、風(fēng)選法[6]、磁選法[7]等，而大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品物料分離設(shè)備采用的方法是風(fēng)選法，即利用不同物料成分的空氣動力學(xué)特性不同實(shí)現(xiàn)分離效果[8-9]。

國內(nèi)外學(xué)者對杏核、蓮子、大白菜種子、大豆等農(nóng)產(chǎn)品物料的空氣動力學(xué)特性及混合物料風(fēng)選裝置做了大量相關(guān)研究。國外學(xué)者Shellard等[10]通過試驗(yàn)測試了小麥物料成分的懸浮速度，發(fā)現(xiàn)小麥物料的懸浮速度值和物料的長度等物理參數(shù)有關(guān)。劉鵬等[11]通過試驗(yàn)優(yōu)化了大豆清選裝置作業(yè)參數(shù)，優(yōu)化工作參數(shù)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(xué)特性差異，分析了杏核殼仁在氣流與振動作用下的運(yùn)動規(guī)律并設(shè)計了杏核殼仁分選機(jī)。馬秋成等[12]通過蓮子物料空氣動力學(xué)特性試驗(yàn)，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(shè)計研發(fā)了蓮子負(fù)壓殼仁分離裝置。冷峻等[13]利用有限元軟件對谷物聯(lián)合收獲機(jī)風(fēng)選裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，獲得篩面風(fēng)速分布情況并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)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(yàn)，得到白菜籽粒懸浮速度變化范圍為6.68～7.42 m/s，發(fā)現(xiàn)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(yàn)證試驗(yàn)得到較優(yōu)參數(shù)組合。高連興等[15]通過試驗(yàn)獲得了完好豆粒、豆瓣、未脫凈豆莢等物料懸浮速度，并根據(jù)此結(jié)果設(shè)計了氣力式清選裝置，提高了大豆脫粒機(jī)的性能。Murilo等[16]通過破殼后大豆豆莢和豆粒懸浮速度試驗(yàn)，設(shè)計制造了一種大豆風(fēng)力分離裝置并進(jìn)行性能試驗(yàn)。

為研究巴旦木空氣動力學(xué)特性，獲得較高清選率，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對巴旦木不同物料成分的懸浮速度進(jìn)行研究，確定采用風(fēng)選法對其殼仁物料進(jìn)行分離，通過ANSYS軟件對風(fēng)選裝置核心結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場仿真分析，結(jié)合懸浮速度研究結(jié)果設(shè)計巴旦木殼仁風(fēng)選裝置，以清選率為指標(biāo)，風(fēng)選裝置喂入量、清選風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、篩體振動頻率、波紋篩傾角和離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為因素進(jìn)行巴旦木殼仁風(fēng)選試驗(yàn)，通過計算貢獻(xiàn)率以及運(yùn)用Design Expert 10.0軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析以得出了5個因素對清選指標(biāo)的影響規(guī)律，根據(jù)約束條件求解功能獲得巴旦木殼仁風(fēng)選裝置優(yōu)化工作參數(shù)組合，擬為后續(xù)巴旦木殼仁分離設(shè)備研發(fā)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(shù)測試

巴旦木品種選擇新疆喀什地區(qū)廣泛種植的莎車18號巴旦木，又名鷹嘴巴旦木，收獲后經(jīng)脫青皮、曬干、破殼處理產(chǎn)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(nóng)產(chǎn)品物料顆粒的空氣動力學(xué)特性與其含水率[17]、密度有關(guān)[18]，進(jìn)行巴旦木物料密度和含水率的測試試驗(yàn)之前，從破殼后的物料中隨機(jī)抽取試驗(yàn)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(guān)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(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，試驗(yàn)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(zhì)顆粒，試驗(yàn)結(jié)果用干基含水率表示。密度與含水率測試結(jié)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(shù)分區(qū)判別

在流體力學(xué)中阻力系數(shù)分為：Stokes區(qū)、Allen區(qū)、Newton區(qū)，而這3個區(qū)的阻力系數(shù)的值各不相同。為了研究巴旦木物料在氣流場中的運(yùn)動，首先需要通過粒徑法[19]判斷巴旦木物料阻力系數(shù)的分區(qū)，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(qū)中對于物料顆粒的粒徑有不同的要求，Stokes區(qū)、Allen區(qū)、Newton區(qū)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(fēng)選法分離農(nóng)產(chǎn)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(fù)函數(shù)，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(dá)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(shù)；v為氣流相對粒子的速度，m/s。

農(nóng)產(chǎn)品物料的空氣動力學(xué)特性可通過其懸浮速度數(shù)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(yùn)動情況，確定是否適合選用風(fēng)選法進(jìn)行殼仁分離，并且可以根據(jù)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(fēng)選裝置的設(shè)計研發(fā)尤為重要。先對巴旦木殼仁物料的懸浮速度進(jìn)行計算，Newton區(qū)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(shù)。

由于巴旦木物料中殼和仁的形狀都是非球形，按不規(guī)則球形物體的形狀修正系數(shù)S=1.2[19]進(jìn)行計算。巴旦木的殼和仁呈不規(guī)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(fā)現(xiàn)，有極少數(shù)大殼呈薄片形狀，這歸因于巴旦木的破殼方式和部分殼獨(dú)特的力學(xué)特性，不具備進(jìn)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(jié)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(fēng)選法進(jìn)行殼仁分離。

1.2 巴旦木物料懸浮速度試驗(yàn)

試驗(yàn)前，用電子秤對莎車18號巴旦木的大殼、中殼、小殼和仁進(jìn)行稱量，獲得足量的試驗(yàn)樣本物料。將大殼、中殼、小殼和仁4部分的物料進(jìn)行浸泡、晾置、烘干，調(diào)節(jié)殼含水率為10.5%，仁含水率為12.5%進(jìn)行試驗(yàn)。

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(tài)時氣流的速度[23]。試驗(yàn)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(wǎng)上，通過調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器使得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速加快進(jìn)而使風(fēng)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(qū)間范圍內(nèi)，呈動態(tài)平衡狀態(tài)，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(yàn)現(xiàn)場如圖2所示。

懸浮速度計算與試驗(yàn)結(jié)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(qū)別，因此選用風(fēng)選法分離巴旦木殼仁會達(dá)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(dá)到較佳。另外，巴旦木殼仁物料懸浮速度試驗(yàn)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(shù)進(jìn)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(yàn)結(jié)果Table 2 Theoretical calculation and experimental results of suspension velocity of almond shell and kernel material

可以把通過試驗(yàn)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(shù)[19]，見表2。結(jié)果表明，形狀修正系數(shù)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(shù)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(shù)比較小。

2 巴旦木殼仁風(fēng)選裝置設(shè)計與試驗(yàn)

2.1 殼仁風(fēng)選裝置設(shè)計

根據(jù)上述內(nèi)容中懸浮速度參數(shù)研究結(jié)果，設(shè)計如圖3所示的殼仁風(fēng)選裝置，該裝置由離心風(fēng)機(jī)（型號4-2X79，功率200 kW，江蘇精彩風(fēng)機(jī)制造有限公司）、閉風(fēng)器（型號YJD-A，河北九正通明有限公司）、變頻調(diào)速器（型號CDI9100，德力西變頻器有限公司）、三相異步電動機(jī)（型號YX3-132M-4，功率7.5 kW，額定轉(zhuǎn)速1 440 r/min，上海寶格電機(jī)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(dá)到松散狀態(tài)運(yùn)動至出口，較小的殼和質(zhì)量較輕的雜余被吸入上方分離箱內(nèi)，在擋板的作用下殼通過閉風(fēng)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(jīng)喂料口到達(dá)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(yùn)動到達(dá)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(yùn)動至出殼口。

2.2 單因素試驗(yàn)

對風(fēng)選裝置喂入量（A）、清選風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（B）、篩體振動頻率（C）、波紋篩傾角（D）、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（E）進(jìn)行單因素試驗(yàn)，研究同一因素不同水平對殼風(fēng)選裝置工作效果的影響規(guī)律。進(jìn)行各單因素試驗(yàn)時，該殼仁風(fēng)選裝置的其他因素均保持不變。

試驗(yàn)指標(biāo)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(zhì)量，kg；tm為從出仁口流出的物料總質(zhì)量，kg；m ko為從出殼口流出的仁質(zhì)量，kg；mkt為樣本物料中仁的總質(zhì)量，kg。

如圖4a所示，當(dāng)風(fēng)選裝置喂入量大于6 kg/min時清選率下降，歸因于當(dāng)喂入量過大時篩面單位時間內(nèi)需要處理的物料增加，導(dǎo)致物料堆積使清選效果變差；清選風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速因素決定了風(fēng)選氣流的大小，如圖4b所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 130～1 180 r/min變化時，清選率曲線近似二次曲線規(guī)律變化，轉(zhuǎn)速為1 160 r/min時達(dá)到較佳清選率；如圖4c所示，當(dāng)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(wěn)，波紋篩傾角為3.0°時清選率達(dá)到較大值；如圖 4e所示，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)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(dāng)離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 275 r/min時清選指標(biāo)達(dá)到最大值，若離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過此值，將導(dǎo)致?lián)p失率增大。各因素下物料的損失率都在可接受的范圍內(nèi)，因此在正交試驗(yàn)中不考慮損失率這一指標(biāo)。

2.3 巴旦木殼仁風(fēng)選優(yōu)化試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)時間為2020年9月25日—2020年9月30日，試驗(yàn)地點(diǎn)在新疆喀什果業(yè)有限公司。

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

2.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

按照試驗(yàn)指標(biāo)計算方法完成巴旦木殼仁物料風(fēng)選試驗(yàn)清選率的計算統(tǒng)計。依據(jù)《LY/T 1750—2008巴旦木（扁桃）生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》、巴旦木懸浮速度研究結(jié)果以及單因素試驗(yàn)研究結(jié)果，選取清選風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速中間值為1 160 r/min、風(fēng)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 250 r/min，為了方便控制和調(diào)整，以巴旦木殼仁物料懸浮速度研究結(jié)果為基礎(chǔ)，試驗(yàn)開始之前對清選風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和篩面氣流速度大小進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果如表3所示。根據(jù)5個試驗(yàn)因素的調(diào)控范圍并結(jié)合文獻(xiàn)[25]確定5個試驗(yàn)因素的水平如表4所示。使用Design–Expert 10.0軟件中Box-Behnken功能設(shè)計響應(yīng)面試驗(yàn)正交表[26]如表5所示。

表3 清選風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與篩面氣流速度標(biāo)定關(guān)系Table 3 Calibration relationship between cleaning fan speed and screen surface air velocity

表4 殼仁風(fēng)選試驗(yàn)各因素水平設(shè)計Table 4 Levels design of factors of shell and kernel separation test

表5 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Response surface test results

3 殼仁風(fēng)選裝置工作參數(shù)響應(yīng)面優(yōu)化分析

3.1 清選率回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)對清選率指標(biāo)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表6所示。

表6 清選率二次多項(xiàng)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(fēng)選裝置喂入量，B為清選風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，C為篩體振動頻率，D為波紋篩傾角，E為離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)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(shù)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(yīng)值變化。方差來源中A、B、C、D、E五項(xiàng)中P<0.01，表明對清選率回歸模型影響極顯著，其他項(xiàng)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(fēng)選裝置參數(shù)優(yōu)化

巴旦木殼仁風(fēng)選要求清選率指標(biāo)越高越好，5個影響因素均在表4所示的水平范圍內(nèi)取值，根據(jù)清選率最大的約束條件建立巴旦木風(fēng)選參數(shù)組合優(yōu)化模型如下：

使用Design Expert 10.0軟件中Optimization優(yōu)化求解功能，在因素水平范圍內(nèi)求解滿足上述約束條件的最優(yōu)參數(shù)組合為：風(fēng)選裝置喂入量5 kg/min、清選風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 274.87 r/min，此參數(shù)組合下清選率為98.928%。

3.3 殼仁風(fēng)選優(yōu)化參數(shù)組合與試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證最優(yōu)參數(shù)組合試驗(yàn)的可靠性，試驗(yàn)樣本取自與試驗(yàn)同品種、同批次破殼的混合物料。根據(jù)風(fēng)選裝置模型仿真分析結(jié)果，調(diào)節(jié)喂料口和出仁口位置。受到設(shè)備調(diào)節(jié)精度限制，優(yōu)化參數(shù)無法調(diào)節(jié)精度至小數(shù)點(diǎn)后1位，因此將最符合優(yōu)化參數(shù)組合的1組參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，作為本次驗(yàn)證試驗(yàn)的優(yōu)化風(fēng)選參數(shù)組合：風(fēng)選裝置喂入量5 kg/min、清選風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 160 r/min、篩體振動頻率為47 Hz、波紋篩傾角3°、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 275 r/min。其中，為了提高該風(fēng)選裝置的處理能力，將喂入量調(diào)整為6 kg/min，另外離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速取1 275 r/min，一方面是為了解決喂入量調(diào)高帶來的單位時間內(nèi)物料堆積現(xiàn)象；另一方面，經(jīng)測驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)離心風(fēng)機(jī)取1 275 r/min時，吸口風(fēng)速在10.55～11.05 m/s范圍以內(nèi)，達(dá)到了懸浮速度試驗(yàn)得到的分離要求較佳值。進(jìn)行5次優(yōu)化參數(shù)組合驗(yàn)證試驗(yàn)，分別計算每組試驗(yàn)的清選率，最后求得平均值為99.144%。與3.2節(jié)中軟件優(yōu)化結(jié)果進(jìn)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(jié) 論

1）分析計算確定了巴旦木物料阻力分區(qū)為Newton區(qū)，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(jìn)行巴旦木殼仁物料懸浮速度試驗(yàn)，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(jié)果表明，巴旦木殼和仁的懸浮速度存在明顯差異，可采用風(fēng)選法分離巴旦木殼和仁，風(fēng)選氣流速度控制在8.27～11.03 m/s范圍內(nèi)較合適。另外，使用懸浮速度試驗(yàn)得到的結(jié)果對理論計算時選取的形狀系數(shù)進(jìn)行了修正。

3）通過單因素試驗(yàn)，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(yàn)進(jìn)行響應(yīng)面分析，結(jié)果表明，篩體振動頻率因素對清選率的影響顯著性最高；結(jié)合殼仁風(fēng)選試驗(yàn)及運(yùn)用軟件約束條件優(yōu)化求解功能得出風(fēng)選裝置參數(shù)組合為：風(fēng)選裝置喂入量6 kg/min、清選風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 160 r/min、篩體振動頻率為47 Hz、波紋篩傾角3°、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 275 r/min。對優(yōu)化后的參數(shù)組合以及裝置進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到平均清選率為99.144%。