萬星宇 武安陽 廖慶喜 馬國慶 李運(yùn)通 廖宜濤

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 武漢 430070; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430070)

0 引言

藜蒿是一種可食用草本植物,口感脆爽,富含多類營養(yǎng)成分,具有極高的食用和藥用價(jià)值,目前已廣泛種植于東北、華北、華中、云南等地[1-4]。藜蒿可食部為地上鮮嫩莖稈及頂部少量嫩葉,售前一般需脫去中部和底部掌狀葉片,即脫葉處理,可提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值4～5倍[5]。然而,藜蒿莖稈鮮嫩易折、葉片多且易相互纏繞,脫葉難度大,仍以人工脫葉為主,單人作業(yè)脫葉效率僅9 kg/h,效率低、成本高,而現(xiàn)有莖葉分離裝置主要針對玉米、甘蔗等作物,藜蒿機(jī)械化脫葉裝備仍然匱乏,已成為制約藜蒿產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。

常見作物的待脫葉片可分為軸向葉片和徑向葉片,軸向葉片生長方向與主莖方向基本一致,一般位于主莖頂部,徑向葉片主要位于莖稈中下部,環(huán)繞主莖生長,現(xiàn)有莖葉分離裝備作業(yè)形式包括機(jī)械式、氣力式和氣力機(jī)械組合式3種。對于機(jī)械式莖葉分離裝備,針對徑向葉片分離主要依靠彈齒、刀片、尼龍刷等脫葉元件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動施加沖擊、梳刷、搓擦等作用[6-10],迫使葉片和主莖連接處斷裂,作業(yè)效率較高,應(yīng)用于藜蒿脫葉時(shí)會過度揉搓擠壓莖稈,導(dǎo)致莖稈折斷和汁水溢出,影響藜蒿質(zhì)量,故不適宜于鮮嫩易折藜蒿莖稈的脫葉處理,多用于玉米、甘蔗等不易受損的作物;針對軸向葉片的分離,多采用拉拽、切割等方式,如曾功俊等[11]研制的胡蘿卜纓果拉拽分離裝置和TANG等[12]開發(fā)的螳螂前肢脛骨仿生切割刀具,主要施加軸向力,對莖稈損傷較小,但不適用于藜蒿相互纏繞的徑向葉片的分離。對于氣力式莖葉分離裝備,主要利用作物不同組織懸浮速度的差異進(jìn)行物料分離[13-15],應(yīng)用場景多為脫葉完成后的葉片、莖稈分離,如高揚(yáng)等[13]通過熱氣流、旋轉(zhuǎn)滾筒和旋風(fēng)分離器的共同作用,實(shí)現(xiàn)了苜蓿莖葉的干燥分離,多運(yùn)用CFD模擬并優(yōu)化內(nèi)部氣流場[14]。對于氣力機(jī)械組合式莖葉分離裝置,普遍采用搓擦和梳刷的機(jī)械式分離方式,并配合氣力清選進(jìn)行莖葉分離,在甘蔗收獲領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛,如凱斯A8000型甘蔗收獲機(jī)[16]、約翰迪爾CH570型甘蔗收獲機(jī)、中聯(lián)重科AS60型甘蔗收獲機(jī)等,核心脫葉處理仍以機(jī)械式為主。

針對藜蒿莖稈鮮嫩易損傷、去除徑向葉片為主的特點(diǎn),需盡量通過軸向力實(shí)現(xiàn)莖葉分離以滿足藜蒿高效低損脫葉需求。本文在統(tǒng)計(jì)分析藜蒿植株特性的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一種氣力機(jī)械組合式藜蒿脫葉機(jī),通過吸葉滾筒氣力吸附引導(dǎo)徑向葉片、脫葉輥軸向拉拽脫葉實(shí)現(xiàn)藜蒿莖葉的有效分離[17-18],開展吸葉滾筒、脫葉輥、喂入裝置等關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)分析,基于CFD模擬吸葉滾筒內(nèi)部氣流場狀態(tài),開展二次回歸正交試驗(yàn)以得到最佳參數(shù)組合,為藜蒿脫葉機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化提供參考。

1 藜蒿植株特性及脫葉技術(shù)

以湖北省孝感市三清藜蒿種植合作社的大葉青藜蒿為研究對象,其植株形態(tài)如圖1所示,隨機(jī)選取收獲期藜蒿進(jìn)行葉片統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明:藜蒿葉片呈掌狀,頂部嫩葉數(shù)為3～5片/株,待脫葉葉片數(shù)為7～14片/株,平均面積為25.06 cm2;莖稈和葉片的平均長度分別為414 mm和121.2 mm,莖稈直徑為3.95～6.81 mm,莖稈投影面積小于葉片,易出現(xiàn)葉片與莖稈相互纏繞的現(xiàn)象。

圖1 藜蒿形態(tài)和莖葉拉拽測試Fig.1 Morphology and leaf pulling test of Artemisia selengensis

圖1測試了葉片含水率、莖稈彎曲特性等,結(jié)果如表1所示,藜蒿莖稈和葉片含水率均在91%以上,莖稈彎曲應(yīng)力僅為11.36 MPa,脫葉時(shí)受法向力極易發(fā)生斷折,影響藜蒿質(zhì)量,宜使用軸向力實(shí)現(xiàn)莖葉分離。

表1 藜蒿主要物理特性參數(shù)Tab.1 Main physical characteristics parameters of Artemisia selengensis

利用瑞格爾RGM-3005型萬能材料試驗(yàn)機(jī)(采用X001T型傳感器,最大載荷1 kN,載荷測試精度0.01 N)對藜蒿3個(gè)方向的莖葉抗拉力進(jìn)行測定,其中順向拉拽為拉扯葉片的方向與藜蒿莖稈生長方向相同的拉拽葉片方式,逆向拉拽為拉扯葉片的方向與藜蒿莖稈生長方向相反的拉拽葉片方式。結(jié)果表明,莖葉順向抗拉力均值為10.9 N,垂直抗拉力均值為3.23 N,逆向抗拉力均值為1.51 N,藜蒿莖葉連接處的逆向抗拉力遠(yuǎn)小于順向和垂直抗拉力,故采用軸向力實(shí)現(xiàn)藜蒿拉拽脫葉時(shí),應(yīng)采取逆向拉拽方式,減少莖葉分離過程中對藜蒿莖稈造成的損傷;拉拽過程中,部分葉片在非連接點(diǎn)處斷裂,即斷葉現(xiàn)象,造成破損葉片殘留,影響藜蒿品相。

藜蒿脫葉主要技術(shù)難點(diǎn)包括:①莖葉初步分離。因藜蒿葉片數(shù)量多,分布不均勻,葉片面積較大易纏繞莖稈,且莖稈易損傷,需采用不對莖稈直接施加作用力的莖葉初步分離方式。②逆向拉拽脫葉而不斷葉。使用軸向力逆向拉拽葉片,在脫盡葉片、減少莖稈損傷的同時(shí)減少葉片斷裂,保證藜蒿品相。

2 整機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作過程

2.1 基本結(jié)構(gòu)

針對藜蒿脫葉莖葉初步分離、逆向拉拽脫葉的技術(shù)需求,提出采用吸葉滾筒氣力吸附引導(dǎo)葉片、脫葉輥軸向拉拽脫葉的工藝方案,設(shè)計(jì)了一種氣力機(jī)械組合式藜蒿脫葉機(jī),其結(jié)構(gòu)如圖2所示,關(guān)鍵部件包括夾持喂入裝置、吸葉滾筒、脫葉輥、離心風(fēng)機(jī)、電控系統(tǒng)等,主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。吸葉滾筒、脫葉輥、喂入護(hù)板共同構(gòu)成了脫葉區(qū);夾持喂入裝置略高于吸葉滾筒,通過兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,輔助葉片分離;為提高吸附效果,吸葉滾筒負(fù)壓室選擇115°的包絡(luò)式滾筒結(jié)構(gòu)。

表2 藜蒿脫葉機(jī)基本參數(shù)Tab.2 Basic parameter of leaves removing machine for Artemisia selengensis

圖2 氣力機(jī)械組合式藜蒿脫葉機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of pneumatic-mechanical combined leaves removing machine for Artemisia selengensis1.步進(jìn)電機(jī) 2.殘葉收集箱 3.脫葉輥 4.吸葉滾筒 5.夾持喂入裝置 6.電控系統(tǒng) 7.機(jī)架 8.離心風(fēng)機(jī)

2.2 工作過程

夾持喂入裝置設(shè)置兩組電機(jī)分別控制夾持喂入裝置的往復(fù)運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,脫葉前,將若干藜蒿頂部放置于夾持喂入裝置,隨后啟動夾持喂入裝置,將藜蒿推送進(jìn)入脫葉區(qū),單面脫葉完成后夾持裝置回到初始位置并旋轉(zhuǎn)120°,隨后進(jìn)入下一個(gè)脫葉行程,通過夾持裝置的3次往復(fù)運(yùn)動和2次轉(zhuǎn)動確保徑向交錯(cuò)葉片的完全脫葉;同時(shí),脫葉輥、吸葉滾筒對象轉(zhuǎn)動,離心風(fēng)機(jī)啟動后在吸葉滾筒內(nèi)形成負(fù)壓氣流,透過吸葉滾筒吸孔,在表面形成穩(wěn)定負(fù)壓吸附區(qū)。

在單個(gè)脫葉行程中,脫葉裝置脫葉區(qū)工作過程可分為葉片捕捉、負(fù)壓吸附、拉拽分離、殘葉清理4個(gè)階段,如圖3所示。在葉片捕捉階段,進(jìn)入脫葉區(qū)的葉片在吸葉滾筒轉(zhuǎn)動作用下與莖稈初步分離;在負(fù)壓吸附階段,初步分離后的葉片進(jìn)入吸葉滾筒負(fù)壓吸附區(qū),在力氣作用下緊貼于滾筒表面;在拉拽分離階段,吸附后的葉片跟隨吸葉滾筒轉(zhuǎn)動至脫葉輥處,吸葉滾筒和脫葉輥對葉片形成一個(gè)夾持力,二者對輥對葉片產(chǎn)生拉拽力,從而實(shí)現(xiàn)對藜蒿莖葉的拉拽分離;分離后的殘葉隨著吸葉滾筒繼續(xù)轉(zhuǎn)動,至無負(fù)壓區(qū)域后與吸葉滾筒分離,分離后的殘葉下落至殘葉收集箱,完成殘葉清理階段。

圖3 單個(gè)脫葉行程工作過程示意圖Fig.3 Schematic of working process of single leaves removing stroke1.吸葉滾筒 2.喂入護(hù)板 3.脫葉輥 4.夾持喂入裝置 Ⅰ.葉片捕捉階段 Ⅱ.負(fù)壓吸附階段 Ⅲ.拉拽分離階段 Ⅳ.殘葉清理階段

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

3.1 吸葉滾筒設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

吸葉滾筒是藜蒿脫葉機(jī)的核心,其結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要包括帶吸孔筒體、氣室端蓋、芯軸、氣室分隔裝置等。帶吸孔筒體通過軸承與氣室端蓋和芯軸連接,可以獨(dú)立轉(zhuǎn)動,其內(nèi)部由氣室分隔裝置劃分為負(fù)壓室和無壓室,負(fù)壓由與氣室端蓋相連的離心風(fēng)機(jī)提供,無壓室氣壓為標(biāo)準(zhǔn)氣壓。吸葉滾筒關(guān)鍵參數(shù)主要包括筒體直徑、吸孔數(shù)量、吸孔尺寸和分布以及氣室內(nèi)腔結(jié)構(gòu)等。

圖4 吸葉滾筒結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural drawing of leaves suction drum1.氣室端蓋 2.軸承 3.筒體 4.芯軸 5.吸孔 6.氣室分隔裝置 7.鏈輪

3.1.1筒體直徑與吸附有效長度

筒體回轉(zhuǎn)過程中應(yīng)保證吸附的藜蒿葉片可在脫葉輥配合下完成拉拽脫葉,在葉片完全吸附且緊貼于筒體表面的臨界條件下,筒體外圓1/4弧長應(yīng)小于最小葉片長度,即

(1)

式中D——筒體外徑,mm

lmin——藜蒿最小葉片長度,取105 mm

計(jì)算得D<133.7 mm,為增大負(fù)壓吸附區(qū)域面積,筒體外徑取大值,取整后為133 mm。

筒體吸附有效長度,即吸孔排列寬度,影響吸葉滾筒作業(yè)效率和氣壓分布均勻性,吸附有效長度越長則負(fù)壓區(qū)的作用面積越大,單次作業(yè)量提高,但吸附有效長度增加則吸孔數(shù)量增多,在離心風(fēng)機(jī)作業(yè)性能不變的情況下會降低負(fù)壓室的氣壓,且影響吸葉滾筒軸向吸孔氣壓分布的均勻性。綜合夾持喂入情況選定筒體吸附有效長度270 mm,可同時(shí)吸附3片藜蒿葉片。

3.1.2基于CFD的吸孔孔型對比

開展直孔、錐孔和槽孔3種孔型的對比分析,基于CFD模擬不同吸孔內(nèi)的氣流速度與壓力分布[19-22]。為避免其他因素干擾,設(shè)置3種吸孔截面積相等,均為12.56 mm2,如圖5所示。

圖5 3種吸孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of three kinds of hole

為提升運(yùn)算速度,去除吸葉滾筒次要細(xì)節(jié)特征,基于Fluent劃分吸葉滾筒網(wǎng)格并采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型構(gòu)建仿真模型,建立吸孔內(nèi)側(cè)和外側(cè)監(jiān)測點(diǎn),設(shè)置氣室端蓋入口為氣流速度入口,根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置入口靜壓-1 300 Pa、入口速度-20 m/s,仿真結(jié)束后提取監(jiān)測點(diǎn)氣壓和氣流速度,如圖6所示。

圖6 吸葉滾筒氣流場分布(以直孔為例)Fig.6 Air field distribution of leaves suction drum (taking straight hole as an example)

不同吸孔下筒體的內(nèi)外部風(fēng)壓、風(fēng)速及其分布均勻性如表3所示。由表3可知,不同吸孔的筒體內(nèi)、外壓力和筒體外風(fēng)速的平均值差異不大,槽孔的軸向風(fēng)壓略大于直孔和錐形孔,直孔的外風(fēng)速略高于錐孔和槽孔,直孔的周向內(nèi)外風(fēng)壓略高于錐孔和槽孔;在分布均勻性方面,直孔的周向穩(wěn)定性分布最佳,直孔和槽孔的軸向外部風(fēng)壓和軸向外部風(fēng)速穩(wěn)定性分布最佳。綜合分析3種吸孔的內(nèi)外部氣壓和外部風(fēng)速分布,直孔綜合情況較優(yōu),故選擇直孔作為吸葉滾筒的吸孔。

表3 吸孔形狀對筒體內(nèi)外壓力和外部風(fēng)速的影響Tab.3 Influence of hole shape on air speed and pressure inside and outside cylinder

3.1.3吸孔尺寸和數(shù)量對吸孔吸附力的影響

吸附力是獲得最佳吸葉滾筒脫葉效果的關(guān)鍵,可由滾筒吸孔外表面壓強(qiáng)、吸孔表面積等計(jì)算得到,但在實(shí)際試驗(yàn)過程中,吸葉滾筒的旋轉(zhuǎn)和藜蒿葉片吸附、脫離對吸孔外表面壓強(qiáng)等影響較大,難以直接通過儀器設(shè)備測試得到吸附力,因此基于CFD探索不同吸孔孔型、孔深、數(shù)量等對吸附力的影響。

當(dāng)吸葉滾筒直徑、氣室分布、氣流入口流量壓力不變時(shí),藜蒿脫葉過程中吸葉滾筒吸孔對葉片的吸附效果與單孔吸附力和吸孔流量有關(guān)。在明確采用直孔吸孔以保證吸葉滾筒內(nèi)外風(fēng)速壓力穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,選擇對葉片吸附力影響較大的吸孔直徑、吸孔深度、吸孔數(shù)量等為影響因素,提取吸葉滾筒內(nèi)部氣壓和外部氣流速度,分別計(jì)算單孔吸附力和吸孔流量,計(jì)算式為

(2)

式中Fi——吸孔吸附力,N

Q——吸孔流量,m3/h

d——吸孔直徑,mm

p——筒體內(nèi)部氣壓,Pa

v——筒體吸孔外部氣流速度,m/s

通過仿真分析可提取筒體內(nèi)部氣壓及外部氣流速度,配合吸孔尺寸即可計(jì)算得到吸孔吸附力及吸孔流量。

為獲得孔型尺寸及數(shù)量的最佳參數(shù)組合,以吸葉滾筒的吸孔直徑、吸孔深度和吸孔數(shù)量為試驗(yàn)因素,以單孔吸附力和吸孔流量為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行三因素三水平仿真正交試驗(yàn),其試驗(yàn)因素水平如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)因素水平Tab.4 Orthogonal test factors and levels

為了消除單孔吸附力和吸孔流量之間不同量綱的影響,采用最大-最小標(biāo)準(zhǔn)化的歸一化方法對單孔吸附力和吸孔流量進(jìn)行隸屬值轉(zhuǎn)換。為了獲得較為理想的試驗(yàn)參數(shù)組合,對單孔吸附力和吸孔流量附加權(quán)重,由于二者都較為重要,因此設(shè)置單孔吸附力和吸孔流量的權(quán)重均為0.5,計(jì)算式為

(3)

式中s′——指標(biāo)隸屬值si——指標(biāo)值

s1——單孔吸附力隸屬值

s2——吸孔流量隸屬值

N——指標(biāo)最值W——綜合分?jǐn)?shù)

以綜合分?jǐn)?shù)作為總指標(biāo)進(jìn)行極差分析,其結(jié)果如表5所示,可以得知各個(gè)因素對綜合指標(biāo)的影響由大到小為C、B、A,優(yōu)選方案為吸孔直徑4 mm,吸孔深度4 mm,有效吸孔個(gè)數(shù)121個(gè)。以該優(yōu)選方案進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證,求得吸孔的氣流流量為4.16×10-4m3/s,單孔吸附力為1.468×10-2N,綜合分?jǐn)?shù)為0.90,該分?jǐn)?shù)優(yōu)于表中結(jié)果;藜蒿莖稈平均質(zhì)量為16.75 g、平均直徑僅為4.41 mm,自身所受重力大于型孔吸附力,藜蒿莖稈受吸孔吸附力影響較小。

表5 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test scheme and results

3.2 脫葉輥設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

脫葉輥、吸葉滾筒組成對輥,與喂入護(hù)板配合實(shí)現(xiàn)對藜蒿莖葉拉拽分離。脫葉輥外側(cè)覆蓋HRA50的橡膠,表面設(shè)置凸起結(jié)構(gòu)以減小脫離后葉片對脫葉輥的黏附性。根據(jù)藜蒿葉片長度,為減少對輥差速轉(zhuǎn)動造成的葉片的揉搓和葉片纏繞現(xiàn)象,膠輥直徑選擇為60 mm。

預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明,脫葉輥與吸葉滾筒的相對高度對脫葉效果影響顯著,脫葉輥較高時(shí),喂入過程中藜蒿莖稈易進(jìn)入對輥區(qū)域,造成損傷,因此應(yīng)當(dāng)確定脫葉輥的合理安裝位置。假設(shè)藜蒿莖稈質(zhì)地均勻,因藜蒿脫葉后莖稈只受自身重力作用,在夾持喂入裝置固定下,可將其簡化為受均勻載荷的懸臂梁[23-24],如圖7所示。

圖7 脫葉輥高度分析圖Fig.7 Height analysis diagram of leaves pulling roller1.吸葉滾筒 2.脫葉輥 3.喂入護(hù)板 4.葉片 5.莖稈 6.夾持喂入裝置

根據(jù)懸臂梁的均勻載荷撓曲線方程可計(jì)算藜蒿莖稈下降量,計(jì)算式為

(4)

式中w——藜蒿彎曲時(shí)的撓度,mm

q——藜蒿重力均布載荷,N/mm

x——計(jì)算點(diǎn)與固定端的距離,mm

E——藜蒿莖稈彈性模量,MPa

I——藜蒿莖稈慣性矩,mm4

l——藜蒿莖稈懸臂總長度,mm

由藜蒿物料特性測試結(jié)果可知,單株藜蒿平均質(zhì)量為13.4 g,藜蒿脫葉段平均長度為314 mm,假定藜蒿莖稈上下等粗,取保留葉處與根端的平均直徑為4.41 mm,同時(shí)忽略頂部留葉片的質(zhì)量,計(jì)算藜蒿莖稈的重力均布載荷約為0.42 N/m,在重力作用下藜蒿向下彎曲,根據(jù)式(4)可計(jì)算出藜蒿底端到達(dá)脫葉輥上端最大下降位移為9.38 mm。

在吸葉滾筒頂端的藜蒿莖稈存在傾斜角θ,故而藜蒿莖稈的下降位移除了因藜蒿重力作用的撓度變形值外,還應(yīng)當(dāng)加上該傾角產(chǎn)生的下降量,莖稈總體下降量應(yīng)小于喂入護(hù)板頂部與吸葉滾筒頂端相對高度Δh,即滿足

(5)

式中h——脫葉輥相對安裝高度,mm

h1——夾持喂入裝置距吸葉滾筒頂端距離,mm

h2——藜蒿莖稈根端因傾斜角度產(chǎn)生的下落距離,mm

Δh——喂入護(hù)板頂部與吸葉滾筒頂端的相對高度,mm

L1——吸葉滾筒頂端至喂入護(hù)板頂端的水平距離,mm

L2——吸葉滾筒頂端與夾持喂入裝置之間的藜蒿段長度,mm

r1——吸葉滾筒外圓半徑,取66.5 mm

r2——脫葉輥外圓半徑,取30 mm

θ——藜蒿莖稈傾斜角,(°)

σ——喂入護(hù)板厚度,取1.5 mm

綜合式(4)、(5)計(jì)算得脫葉輥相對安裝高度h≤49 mm。若相對高度過高,則藜蒿莖稈更易進(jìn)入對輥區(qū)域,造成莖稈損傷;若相對高度過低,則藜蒿脫葉過程更易形成順向拉拽,造成莖稈折斷。預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)脫葉輥相對高度為30 mm時(shí),可在保證脫葉效率的基礎(chǔ)上,有效降低藜蒿莖稈的斷折概率,故取脫葉輥相對安裝高度為30 mm。

因藜蒿特性復(fù)雜、植株各異,吸葉滾筒轉(zhuǎn)速、脫葉輥轉(zhuǎn)速、喂入速度等運(yùn)行參數(shù)難以通過理論分析確定準(zhǔn)確取值,擬采取實(shí)際試驗(yàn)探尋氣力機(jī)械組合式藜蒿脫葉機(jī)最佳參數(shù)組合。

4 藜蒿脫葉機(jī)性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與方法

選取湖北省孝感市三清藜蒿合作社的現(xiàn)采藜蒿,選取長勢良好且莖稈無損傷的藜蒿植株,試驗(yàn)前將藜蒿木質(zhì)化部分切除,保留藜蒿莖稈約300 mm,與市場售賣藜蒿長度基本一致。依托氣力機(jī)械組合式藜蒿脫葉機(jī)(圖8),以吸葉滾筒轉(zhuǎn)速、脫葉輥轉(zhuǎn)速、喂入速度為因素,以影響藜蒿品質(zhì)的脫葉率和斷葉率為評價(jià)指標(biāo),開展單因素試驗(yàn)確定脫葉性能較優(yōu)的因素水平范圍,在此基礎(chǔ)上開展回歸正交試驗(yàn),明確最佳參數(shù)組合并驗(yàn)證。

圖8 氣力機(jī)械組合式藜蒿脫葉機(jī)實(shí)物圖Fig.8 Real product of pneumatic-mechanical combined leaves removing machine for Artemisia selengensis1.殘葉收集箱 2.機(jī)架 3.脫葉輥 4.喂入護(hù)板 5.吸葉滾筒 6.夾持喂入裝置 7..電控系統(tǒng) 8.離心風(fēng)機(jī)

試驗(yàn)前復(fù)位夾持喂入裝置,隨機(jī)選取5株藜蒿放置于樹脂固定槽上,使用前后2根柔性帶纏繞藜蒿莖部,確保頂部葉片在固定槽內(nèi)順向固定,通過調(diào)整柔性帶張緊力來調(diào)節(jié)對藜蒿的夾持力度,確保吸葉滾筒所施加的拉拽力小于藜蒿莖葉與夾持喂入裝置間的最大摩擦力,避免夾持裝置對藜蒿頂部莖葉的損傷。記錄待脫葉葉片數(shù)量N1,通過電控系統(tǒng)設(shè)定吸葉滾筒轉(zhuǎn)速、脫葉輥轉(zhuǎn)速、喂入速度、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等,使用ZC1000-1F型智能壓力風(fēng)量儀(上海億歐儀表設(shè)備有限公司,壓力測量范圍:±2 000 Pa)檢測氣室風(fēng)壓;調(diào)試后啟動設(shè)備,待脫葉完成后,取出藜蒿,統(tǒng)計(jì)應(yīng)脫葉片剩余數(shù)量N2及斷葉后殘留葉柄數(shù)量N3;每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值,脫葉率與斷葉率計(jì)算公式為

(6)

(7)

式中Y1——脫葉率,%Y2——斷葉率,%

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1吸葉滾筒轉(zhuǎn)速對脫葉性能的影響

設(shè)置吸葉滾筒轉(zhuǎn)速為10～120 r/min,將其平均分成12個(gè)梯度進(jìn)行試驗(yàn),控制負(fù)壓室風(fēng)壓-960 Pa,脫葉輥轉(zhuǎn)速30 r/min,喂入速度40 mm/s,喂入高度35 mm,脫葉輥相對高度30 mm,吸葉滾筒轉(zhuǎn)速對脫葉性能的影響如圖9所示。

圖9 吸葉滾筒轉(zhuǎn)速與脫葉性能關(guān)系曲線Fig.9 Curves of relationship between leaves suction roller speed and leaves removing performance

由圖9可知,吸葉滾筒轉(zhuǎn)速為60～80 r/min時(shí),脫葉率基本穩(wěn)定在90%以上,斷葉率均低于20%。其原因是喂入速度一定時(shí),吸葉滾筒轉(zhuǎn)速越快,藜蒿葉片更易形成逆向拉拽,所受莖葉連接力最小,葉片更容易去除,斷葉率也有所下降,但吸葉滾筒轉(zhuǎn)速過高時(shí),葉片受到吸葉滾筒帶動過快,藜蒿葉片姿態(tài)調(diào)整時(shí)間不足,葉柄容易斷裂。因此吸葉滾筒轉(zhuǎn)速較優(yōu)范圍為60～80 r/min。

4.2.2脫葉輥轉(zhuǎn)速對脫葉性能的影響

設(shè)置脫葉輥轉(zhuǎn)速為10～120 r/min,均分為12個(gè)梯度,控制負(fù)壓室氣壓為-960 Pa,吸葉滾筒轉(zhuǎn)速70 r/min,喂入速度為40 mm/s,喂入高度35 mm,脫葉輥相對高度30 mm,脫葉輥轉(zhuǎn)速對脫葉性能的影響如圖10所示。

圖10 脫葉輥轉(zhuǎn)速與脫葉性能關(guān)系曲線Fig.10 Curves of relationship between leaves pulling roller speed and leaves removing performance

由圖10可知,脫葉輥轉(zhuǎn)速為50～80 r/min時(shí),隨脫葉輥轉(zhuǎn)速增大,藜蒿脫葉率呈先上升后趨近穩(wěn)定,斷葉率呈先下降后上升的趨勢。其原因是脫葉輥用于拉拽藜蒿葉片,當(dāng)拉拽較慢時(shí),藜蒿葉片難以形成有效拉拽條件,導(dǎo)致斷裂率較高;當(dāng)脫葉輥轉(zhuǎn)速較快時(shí),葉片拉拽較為猛烈,斷葉率增大。綜合考慮脫葉輥較優(yōu)轉(zhuǎn)速為50～80 r/min。

4.2.3喂入速度對脫葉性能的影響

設(shè)置藜蒿喂入速度為10～80 mm/s,將其平均分為8個(gè)梯度,設(shè)置負(fù)壓室氣壓為-960 Pa,吸葉滾筒轉(zhuǎn)速為70 r/min,脫葉輥轉(zhuǎn)速為30 r/min,喂入高度為35 mm,脫葉輥相對高度30 mm,喂入速度對脫葉性能的影響如圖11所示。

圖11 喂入速度與脫葉性能關(guān)系曲線Fig.11 Curves of relationship between feeding rate and leaves removing performance

由圖11可知,隨喂入速度的不斷增大,藜蒿脫葉率呈逐步下降趨勢,當(dāng)喂入速度大于60 mm/s時(shí),藜蒿脫葉率迅速降低;斷葉率隨喂入速度增大呈先上升后穩(wěn)定的趨勢。原因在于喂入速度較低時(shí),藜蒿葉片總呈逆向拉拽的趨勢,隨喂入速度增加,藜蒿葉片拉拽方向由逆向拉拽變?yōu)榇怪被蝽樝蚶?藜蒿斷葉率上升?？紤]到作業(yè)效率,喂入速度較優(yōu)取值范圍為30～60 mm/s。

4.2.4回歸正交試驗(yàn)

為探究試驗(yàn)因素對評價(jià)指標(biāo)的影響顯著性和各因素間交互作用對評價(jià)指標(biāo)的影響,得到最優(yōu)的參數(shù)組合,開展三因素三水平Box-Behnken試驗(yàn),試驗(yàn)因素水平及試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Box-Behnken test results

運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件Design-Expert 12對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得脫葉率和斷葉率的二次回歸模型為

(8)

對二次回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn),結(jié)果如表7所示。由表7可知,脫葉率和斷葉率的響應(yīng)面模型P<0.01,失擬不顯著,表明該回歸模型與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)規(guī)律相近,可用來預(yù)測脫葉裝置的最佳參數(shù)。

表7 試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab.7 Test result variance analysis

雙因素交互作用對脫葉率的影響如圖12所示。由圖12a可知,當(dāng)喂入速度不變時(shí),脫葉率均隨吸葉滾筒轉(zhuǎn)速和脫葉輥轉(zhuǎn)速的增加呈先減小后增加的趨勢;由圖12b可知,當(dāng)脫葉輥轉(zhuǎn)速不變時(shí),響應(yīng)面曲線沿喂入速度方向變化得更快,即喂入速度對脫葉率影響更為顯著;由圖12c可知,當(dāng)吸葉滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí),響應(yīng)面曲線沿脫葉輥轉(zhuǎn)速方向變化得更快,即脫葉輥轉(zhuǎn)速對脫葉率影響更為顯著。

圖12 交互作用對脫葉率影響的響應(yīng)面Fig.12 Response surface diagrams of effects of interaction on leaves removal rate

雙因素交互作用對斷葉率的影響如圖13所示。由圖13a可知,當(dāng)喂入速度不變時(shí),隨脫葉輥轉(zhuǎn)速的增加,斷葉率上升,響應(yīng)面曲線沿脫葉滾轉(zhuǎn)速方向變化得更快,脫葉輥轉(zhuǎn)速對斷葉率影響更為顯著;由圖13b 可知,當(dāng)脫葉輥轉(zhuǎn)速一定時(shí),斷葉率隨喂入速度增加呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定的趨勢,喂入速度對斷葉率影響更加顯著;由圖13c可知,當(dāng)吸葉滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí),脫葉輥轉(zhuǎn)速越小,斷葉率上升趨勢越明顯。

圖13 交互作用對斷葉率影響的響應(yīng)面Fig.13 Response surface diagrams of effect of interaction on leaves breaking rate

5 最佳參數(shù)組合及試驗(yàn)驗(yàn)證

為提高脫葉機(jī)脫葉率、降低斷葉率,利用Design-Expert軟件求解最優(yōu)參數(shù)組合;以吸葉滾筒轉(zhuǎn)速、脫葉輥轉(zhuǎn)速和喂入速度為試驗(yàn)因素,以最大脫葉率和最小斷葉率為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),建立目標(biāo)函數(shù)和邊界約束函數(shù)為

(9)

使用Design-Expert的BBD模塊優(yōu)化后得出最優(yōu)參數(shù)組合為吸葉滾筒轉(zhuǎn)速77.3 r/min、脫葉輥轉(zhuǎn)速65.2 r/min和喂入速度39.8 mm/s,在最佳參數(shù)組合條件下,脫葉率與斷葉率預(yù)測值分別為95.12%和11.13%。

為驗(yàn)證優(yōu)化參數(shù)的可行性,綜合控制精度選取最優(yōu)參數(shù)組合為:吸葉滾筒轉(zhuǎn)速77 r/min、脫葉輥轉(zhuǎn)速65 r/min和喂入速度40 mm/s,開展驗(yàn)證試驗(yàn),如圖14所示。試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值,結(jié)果表明在最佳參數(shù)組合條件下脫葉率為94.32%,斷葉率為12.93%,其結(jié)果與預(yù)測值基本吻合,單輥?zhàn)鳂I(yè)效率可達(dá)12.3 kg/h,滿足藜蒿脫葉要求。

圖14 藜蒿脫葉效果Fig.14 Leaves removing performance of machine for Artemisia selengensis

6 結(jié)論

(1)針對藜蒿機(jī)械化脫葉裝備匱乏等問題,基于分離吸附、拉拽脫葉的原理,設(shè)計(jì)了一種氣力機(jī)械組合式藜蒿脫葉機(jī),可實(shí)現(xiàn)吸葉滾筒氣力吸附引導(dǎo)、脫葉輥機(jī)械拉拽脫葉。

(2)結(jié)合藜蒿植株特性及莖葉抗拉力分析,設(shè)計(jì)了吸葉滾筒、脫葉輥等關(guān)鍵部件,基于CFD開展了吸葉滾筒氣流場數(shù)值分析,確定了吸葉滾筒筒體直徑為133 mm、有效吸附長度為270 mm、吸孔直徑為4 mm、深度為4 mm、有效孔個(gè)數(shù)為121個(gè),構(gòu)建了脫葉輥和吸葉滾筒作業(yè)的藜蒿懸臂梁模型,確定了脫葉輥相對高度為30 mm。

(3)開展了氣力機(jī)械組合式藜蒿脫葉機(jī)單因素試驗(yàn)及回歸正交試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,最佳參數(shù)組合為吸葉滾筒轉(zhuǎn)速77 r/min、脫葉輥轉(zhuǎn)速65 r/min和喂入速度為40 mm/s,最佳參數(shù)組合下,藜蒿脫葉機(jī)的脫葉率和斷葉率分別為94.32%和12.93%,單輥?zhàn)鳂I(yè)效率可達(dá)12.3 kg/h,滿足藜蒿脫葉技術(shù)要求。