毛彬彬 陳勁松 張石平 韓服善

摘要：針對(duì)現(xiàn)有紫菜濾雜裝備存在工作效率低、易堵塞等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種無(wú)堵塞濾雜裝備，其中吸濾裝置由組合式濾筒、防異物堵塞的剔除裝置等部分組成。基于拉格朗日方程，對(duì)吸濾裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模和仿真，分析多工況下濾縫寬度和濾筒轉(zhuǎn)速兩個(gè)參數(shù)對(duì)吸濾效率的影響。結(jié)果表明，濾縫寬度為0.6 mm、濾筒轉(zhuǎn)速為200°/s（33 r/min）時(shí)，設(shè)備吸濾效率最高?；诜抡娼Y(jié)果，確定三個(gè)試驗(yàn)因子的取值范圍，以濾雜率和吸濾時(shí)間作為響應(yīng)指標(biāo)，利用Minitab軟件設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)，建立響應(yīng)面回歸模型。優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)濾縫寬度為0.6 mm、濾筒轉(zhuǎn)速為33 r/min、出料口流量為16 m³/h時(shí)，濾雜率為98.44%，吸濾時(shí)間為2.72 min。

關(guān)鍵詞：紫菜；濾雜裝備；剔除裝置；濾筒轉(zhuǎn)速；濾雜率

中圖分類號(hào)：S233.9； TS254.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 06-0128-07

收稿日期：2022年7月22日

修回日期：2022年9月21日

*基金項(xiàng)目：江蘇省蘇北科技專項(xiàng)（SZ—LYG202121）；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新基金（cx（19）3084）

第一作者：毛彬彬，男，1973年生，江蘇無(wú)錫人，碩士，講師；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。E-mail： 1397355489@qq.com

Dynamics simulation and optimal design of filter suction device in a device for filtration from laver

Mao Binbin， Chen Jinsong， Zhang Shiping， Han Fushan

（College of Innovation and Entrepreneurship， Jiangsu Ocean University， Lianyungang， 222005， China）

Abstract： To solve problems of existing devices for sorting foreign materials from laver （Porphyra tenera）， such as the low working efficiency and clogging proneness， a non-clogging equipment for sorting foreign materials was designed. In the equipment， the filter suction device was composed of several parts including a combined filtering cartridge， anti-clogging foreign-material removal device， and so on. Based on the Lagranges equation， dynamic modeling and simulation of suction device were carried out to analyze the effects of slit width and cylinder rotation speed on suction efficiency under multiple working conditions. Results show that the device exhibits the highest efficiency of suction filtration when the width of filtering slots and rotational speed of the filtering cartridge are 0.6 mm and 200°/s（33 r/min）. Based on the simulation results， the range of the three experimental factors was determined， and the removal rates and filtration time were used as the response indexes. The three-factor and three-level experiments were designed by Minitab software， and the three-dimensional model of the response surface was established. The optimization results show that when the width of filtering slots is 0.6 mm， rotational speed of the filtering cartridge is 33 r/min， and flow rate at the discharge is 16 m³/h， the removal rate is 98.44%， and the filtration time is 2.72 min. The results provide reference for the design and optimization of equipment for sorting foreign materials from laver.

Keywords： laver; filter equipment; removal device; rotational speed of the filtering cartridge; removal rate

0 引言

鮮紫菜預(yù)處理中的除雜環(huán)節(jié)至關(guān)重要，直接影響到紫菜成品的最終品質(zhì)^[1-3]。現(xiàn)有的紫菜濾雜裝備利用紫菜在水中絲滑的特性，采用吸濾技術(shù)和半圓弧篦槽式結(jié)構(gòu)，結(jié)合往復(fù)運(yùn)動(dòng)的刀排剔除覆蓋在篦槽上或堵塞在篦槽中的雜物，通過(guò)負(fù)壓泵將紫菜和水的混合物從刀座的篦槽中吸出，而個(gè)體較大的雜物則難以通過(guò)刀座的篦槽，從而實(shí)現(xiàn)紫菜和雜物的分離^[4]，但使用一段時(shí)間后，還會(huì)從篦槽末端開(kāi)始堵塞，所以需要人工定期疏通篦槽和清理雜物，生產(chǎn)效率低，且流量小。

為了克服現(xiàn)有裝備的缺點(diǎn)，本文結(jié)合吸濾技術(shù)，設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)筒式紫菜濾雜裝備。吸濾技術(shù)應(yīng)用于諸多行業(yè)，例如在制糖中，利用無(wú)濾布真空吸濾機(jī)，實(shí)現(xiàn)泥汁和糖水的分離^[5-7]。在紙漿模塑制品的生產(chǎn)中，真空吸濾以濾網(wǎng)及多孔的吸濾模具作為過(guò)濾介質(zhì)，使模具的一側(cè)形成真空，在壓差作用下，懸浮液中的流體通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)，固體顆粒纖維則被介質(zhì)截留，從而實(shí)現(xiàn)固液分離^{[8， 9]}。造紙廠使用白液盤式過(guò)濾機(jī)提高堿回收效率，以濾布和預(yù)掛層作為過(guò)濾介質(zhì)，完成固液分離，同時(shí)實(shí)現(xiàn)白液過(guò)濾和對(duì)分離出來(lái)的白泥進(jìn)行洗滌的雙重功能^{[10， 11]}。本吸濾裝備以濾筒為過(guò)濾介質(zhì)，濾筒軸向圓周面上開(kāi)設(shè)若干條窄的環(huán)槽，保證碎紫菜可以通過(guò)濾筒，而其他雜物則被阻隔在外面，因此可以實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角動(dòng)態(tài)吸濾紫菜，其中的剔盤組可保證吸濾時(shí)的環(huán)槽始終不被雜物堵塞。

本文利用Adams軟件對(duì)紫菜濾雜裝備核心部件吸濾裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模以及數(shù)值模擬仿真，研究在不同濾筒轉(zhuǎn)速和濾縫寬度條件下紫菜運(yùn)動(dòng)速度和位移，并根據(jù)仿真結(jié)果，得到以吸濾效率為指標(biāo)的吸濾裝置的最優(yōu)工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)濾筒轉(zhuǎn)速、濾縫寬度、出料口流量進(jìn)行試驗(yàn)研究，以獲得較高濾雜率和吸濾效率的最優(yōu)工作參數(shù)組合。

1 吸濾裝置結(jié)構(gòu)及原理

1.1 吸濾裝置結(jié)構(gòu)

吸濾裝置主要包括皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、濾筒、剔盤組和原料箱等，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

兩組帶傳動(dòng)分別和兩組剔盤組相連，兩組剔盤組安裝在原料箱內(nèi)，分別布置在濾筒前后兩邊，三者旋轉(zhuǎn)軸線等高。為了簡(jiǎn)化加工工藝，濾筒由若干濾盤拼裝而成，固定在主軸上，相鄰兩濾盤之間裝有墊圈，通過(guò)改變墊圈的厚度調(diào)節(jié)濾縫寬度，濾筒的一個(gè)端面封閉，另一端面和混流泵通過(guò)管道相連通，剔盤與濾筒上的濾縫一一對(duì)應(yīng)，并伸入濾縫一定深度，濾筒內(nèi)腔與出料通道相連通，濾筒上方的箱壁一側(cè)設(shè)有原料入口。

1.2 吸濾裝置的工作原理

紫菜與水的混合物通過(guò)進(jìn)料口進(jìn)入原料箱，在完全浸沒(méi)濾筒和剔盤組后，啟動(dòng)主軸電機(jī)和混流泵，濾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)剔盤組同向轉(zhuǎn)動(dòng)，混流泵通過(guò)吸料通道對(duì)原料箱內(nèi)的紫菜與水的混合物進(jìn)行負(fù)壓抽吸。由于紫菜的絲滑特性，很容易通過(guò)濾縫吸入濾筒，而尼龍線、貝殼、漂浮物、泥沙等個(gè)體較大的異物則難以通過(guò)，滯留在箱體內(nèi)。通過(guò)濾筒和剔盤組的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，剔盤不斷剔除濾筒濾縫中堵塞和濾縫表面覆蓋的雜物，實(shí)現(xiàn)無(wú)堵塞吸濾。

2 吸濾裝置動(dòng)力學(xué)建模仿真及虛擬樣機(jī)

2.1 吸濾裝置的動(dòng)力學(xué)模型

為了分析紫菜吸濾裝置的動(dòng)力學(xué)特性，需要根據(jù)圖2的工作模型構(gòu)建其力學(xué)模型。

簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型如圖3所示。其中，x₀為吸濾裝置的濾筒及剔盤組軸向振動(dòng)位移，m為吸濾裝置整體模型的等效質(zhì)量，m_s為濾筒質(zhì)量，J_s為濾筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J_m為剔盤組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，k_mφ、k_sφ、k_nφ分別為濾筒、剔盤組、紫菜顆粒與濾筒之間的等效扭轉(zhuǎn)剛度，k_m、k_d、k_n分別為吸濾系統(tǒng)中濾筒、剔盤組、紫菜顆粒與濾筒體系統(tǒng)之間的軸向剛度，c_m、c_d、c_n分別為吸濾系統(tǒng)中濾筒、濾筒與紫菜顆粒、剔盤組與紫菜顆粒之間的扭轉(zhuǎn)阻尼，u為紫菜顆粒在濾筒中的軸向振動(dòng)位移，ψ、φ分別為濾筒、剔盤組的扭轉(zhuǎn)角位移，k_dx、c_dx分別表示紫菜濾雜系統(tǒng)中的等效剛度和等效扭轉(zhuǎn)阻尼。

通過(guò)拉格朗日方程建立吸濾裝置多自由度系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程，設(shè)整個(gè)系統(tǒng)的自由度為n，用n個(gè)廣義坐標(biāo)系q₁、q₂、q₃、…、q_n表示系統(tǒng)位置^[12-15]，方程如式（1）所示。

ddt?T?q·_h－?T?q_h+?V?q_h=Q（1）

h=1，2，…，nQ=－?D?q_h+Q′（2）

式中： Q——對(duì)應(yīng)于非有勢(shì)力的廣義力；

Q′——廣義激振力；

D——系統(tǒng)阻尼；

T——系統(tǒng)動(dòng)能；

V——系統(tǒng)勢(shì)能；

q_h——系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)（系統(tǒng)的自由度）。

通過(guò)吸濾裝置系統(tǒng)力學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型，可以得出紫菜吸濾系統(tǒng)的動(dòng)能表達(dá)式為

T=12∫^L₀ρA?u?t²dx+12∫^L₀ρJ_sθ·_o+?φ?t²dx+12mx·₀²+12J_mψ·²（3）

式中： L——濾筒長(zhǎng)度；

ρ——濾筒密度；

A——濾筒橫截面面積；

u——濾筒橫向振動(dòng)位移；

θ₀——濾筒轉(zhuǎn)角，θ₀=ωt；

ω——濾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

紫菜吸濾系統(tǒng)的勢(shì)能表達(dá)式為

V=12∫^L₀EA?u?x²dx+12∫^L₀GJ_s?φ?x²dx+12k_nx₀²+12k_mφψ²（4）

式中： E——材料彈性模量；

G——剪切彈性模量。

D=12c_dx·γ₁·ψ²+12c_nx·₀－γ·θ·₀－γ·φ·－du（γθ₀，t）dt²（5）

式中： γ——濾筒轉(zhuǎn)角與吸濾系統(tǒng)位移變換系數(shù)，γ=γ₁/2π；

γ₁——濾筒轉(zhuǎn)角與軸向位移變換系數(shù)。

將式（3）、式（4）代入拉格朗日方程式（1），得

m_su··+（k_dx+k_n）u－k_nx₀=0

mx··₀－k_nu+k_nx₀=0

J_sφ··+（k_mφ+k_sφ）φ－k_sφψ=0

J_mψ··－k_sφφ+k_nφψ=0（6）

式（6）可以寫成如式（7）所示的矩陣形式。

式中： M——紫菜吸濾系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；

K——紫菜吸濾系統(tǒng)的剛度矩陣。

2.2 吸濾裝置虛擬樣機(jī)

首先將吸濾裝置的三維圖導(dǎo)入到Adams軟件中。因?yàn)樽喜酥杏宣}分且為食品，所以料箱中的零件材料選擇304不銹鋼，比如濾筒和剔盤組等，箱體外的零件選擇碳鋼，比如帶輪等。

其次在仿真前需根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和約束關(guān)系手動(dòng)添加了各種約束副，并且自動(dòng)生成marker點(diǎn)，根據(jù)吸濾裝置的工況，添加完后的約束關(guān)系如表1所示。

然后分析紫菜和濾筒的接觸關(guān)系。因?yàn)轷r紫菜在濾雜前要先打碎，所以將紫菜簡(jiǎn)化成半徑為0.5 mm的微小顆粒以及多個(gè)顆粒相連接的帶狀形式。紫菜顆粒在與濾筒接觸時(shí)，接觸力的計(jì)算模型分解成兩部分：法向力和摩擦力。Adams采用基于Hertz理論的Impact函數(shù)來(lái)計(jì)算法向力^[16]，將紫菜與濾筒的碰撞過(guò)程等效為基于穿透深度的非線性彈簧—阻尼模型，其計(jì)算表達(dá)式為

Adams使用接觸檢測(cè)算法和接觸預(yù)估算法，根據(jù)紫菜顆粒與濾筒的實(shí)際距離判斷物體是否發(fā)生接觸以及接觸位置點(diǎn)，當(dāng)x1時(shí)表示紫菜與濾筒表面發(fā)生接觸，c_max產(chǎn)生法向力，反之物體不接觸。當(dāng)（x₁-x）1-x）>d時(shí)，阻尼系數(shù)為0，并保持不變。

Adams采用Coulomb摩擦來(lái)計(jì)算接觸零件間的摩擦力，其在數(shù)值上等于Impact法向力和摩擦系數(shù)的乘積。當(dāng)紫菜顆粒濾筒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度小于靜摩擦轉(zhuǎn)換速度V時(shí)，二者之間的摩擦系數(shù)取為靜摩擦系數(shù)，而當(dāng)兩接觸物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度大于動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換速度V時(shí)，二者之間的摩擦系數(shù)取為動(dòng)摩擦系數(shù)。一般而言動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)與兩接觸物體的材料屬性及表面粗糙度等因素有關(guān)。

最后設(shè)置初始條件，借助于動(dòng)力學(xué)仿真軟件完成求解計(jì)算，求解時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為1.5 s，仿真步數(shù)為2 000。

3 吸濾裝置仿真結(jié)果分析與參數(shù)優(yōu)化

因?yàn)樗械淖喜祟w粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似，所以從中挑選5個(gè)顆粒進(jìn)行針對(duì)性分析，然后進(jìn)行歸納總結(jié)。影響紫菜吸濾裝置工作效率的主要技術(shù)參數(shù)有3個(gè)，分別是濾縫寬度、濾筒轉(zhuǎn)速和流量，其中流量越大，紫菜顆粒的運(yùn)動(dòng)速度越快，因此僅分析濾縫寬度和濾筒轉(zhuǎn)速對(duì)工作效率的影響，給以上2個(gè)參數(shù)分別設(shè)定3個(gè)不同的數(shù)值，然后進(jìn)行仿真對(duì)比分析，最終得到2個(gè)參數(shù)的最優(yōu)解。

3.1 不同濾筒轉(zhuǎn)速下紫菜顆粒運(yùn)動(dòng)情況分析

邊界條件：濾縫寬度B=1 mm，因?yàn)闉V筒轉(zhuǎn)速過(guò)快或過(guò)慢都會(huì)影響吸濾效率，因此選定轉(zhuǎn)速ω分別為100°/s（16 r/min）、200°/s（33 r/min）、300°/s（50 r/min）進(jìn)行仿真分析。

3.1.1 紫菜顆粒位移分析

濾筒在3個(gè)不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，2號(hào)紫菜顆粒在x、y、z方向上的合成位移曲線如圖4所示。從圖4可知，在紫菜顆粒剛進(jìn)入濾筒時(shí)，濾筒轉(zhuǎn)速對(duì)其位移影響不大，但是1 s以后位移快速增加且分化加劇，濾筒轉(zhuǎn)速為200°/s時(shí)，紫菜顆粒在濾筒和出料管道中的位移最大，其次是300°/s，轉(zhuǎn)速為100°/s時(shí)，紫菜顆粒位移最小。

3.1.2 紫菜顆粒速度分析

2號(hào)紫菜顆粒在x、y、z方向的合成速度曲線分別如圖5所示。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，在紫菜顆粒剛進(jìn)入濾筒時(shí)，濾筒轉(zhuǎn)速對(duì)其速度影響不大，但是1 s以后速度快速增加且分化加劇，濾筒轉(zhuǎn)速為200°/s時(shí)，紫菜顆粒在濾筒和出料管道中的速度最快，其次是300°/s，轉(zhuǎn)速為100°/s時(shí)，紫菜顆粒運(yùn)動(dòng)速度最小。

從紫菜顆粒位移和速度曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，濾筒轉(zhuǎn)速對(duì)紫菜吸濾效率影響很大，濾筒轉(zhuǎn)速為200°/s時(shí)，紫菜顆粒運(yùn)動(dòng)速度最快，裝置工作效率最高，從而說(shuō)明了不是轉(zhuǎn)速越快，其吸濾效率越高，主要是因?yàn)樽喜嗽跒V筒中受到重力、濾筒和剔盤組的離心力以及泵作用在紫菜上的離心力和軸向推力等耦合作用導(dǎo)致的。

3.2 不同濾縫寬度下紫菜顆粒運(yùn)動(dòng)情況分析

邊界條件：濾筒轉(zhuǎn)速ω=200°/s，因?yàn)闉V縫寬度過(guò)大會(huì)影響濾雜率，而過(guò)小會(huì)影響紫菜進(jìn)入濾筒，因此選定濾縫寬度B為0.6 mm、0.8 mm和1 mm。

3.2.1 紫菜顆粒位移分析

在不同的濾縫寬度條件下，紫菜顆粒的合成運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖6所示。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，紫菜顆粒剛進(jìn)入濾筒時(shí)，濾縫寬度對(duì)其位移影響不大，0.7 s以后分化逐步加劇，但是差別并不是很大，且位移急劇增大，濾縫寬度為1 mm時(shí)，紫菜顆粒在濾筒和出料管道中的位移最大，0.6 mm次之，0.8 mm時(shí)的位移最小。

3.2.2 紫菜顆粒速度分析

在不同的濾縫寬度條件下，紫菜顆粒的合成運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，紫菜顆粒剛進(jìn)入濾筒時(shí)，濾縫寬度對(duì)其速度影響差不多，但濾縫寬度為1 mm時(shí)的速度波動(dòng)較大，0.7 s以后有所分化，但是差別并不是很大，且速度急劇增加，濾縫寬度為1 mm時(shí)，紫菜顆粒的平均運(yùn)動(dòng)速度最大，波動(dòng)也最大，其次是0.6 mm，濾縫寬度為0.8 mm時(shí)的紫菜顆粒運(yùn)動(dòng)速度最小。

從紫菜顆粒位移和速度曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，濾縫寬度對(duì)紫菜顆粒在濾筒中的運(yùn)動(dòng)速度有一定影響，但影響并不是很大。綜合考慮紫菜顆粒在吸濾過(guò)程中波動(dòng)的平穩(wěn)性、工作效率以及濾雜率等問(wèn)題，濾筒濾縫寬度應(yīng)選擇0.6 mm。

4 紫菜濾雜裝備試制與驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)樣機(jī)的主要部件參數(shù)如表2所示。

4.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)選在某水產(chǎn)品有限公司紫菜工廠化加工基地進(jìn)行。試驗(yàn)用的紫菜品種為條斑紫菜，摻入雜物品種有水草、尼龍繩和塑料布，將25 kg濾雜后的干條斑紫菜泡在水池中，紫菜和水的比例為1∶25，同時(shí)在水和紫菜中摻入0.5 kg雜物，三種雜物比例各占1/3。樣機(jī)試制現(xiàn)場(chǎng)、樣機(jī)整體和局部實(shí)物圖，如圖8所示。

4.3 試驗(yàn)參數(shù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)

綜合樣機(jī)實(shí)際工作情況和仿真結(jié)果，確定濾縫寬度、濾筒轉(zhuǎn)速、出料口流量為試驗(yàn)研究的主要因素。通過(guò)調(diào)整相鄰兩濾盤間墊片厚度，可改變?yōu)V縫寬度，調(diào)節(jié)范圍為0.6～1 mm；通過(guò)調(diào)整變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速，可改變?yōu)V筒轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)范圍為16～50 r/min；通過(guò)電磁流量計(jì)調(diào)節(jié)出料口流量，范圍為12～18 m³/h。試驗(yàn)采用三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)因素與水平如表3所示。

吸濾試驗(yàn)結(jié)果以濾雜率和吸濾時(shí)間作為重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

濾雜率

Y₁=n₁n₂×100%（9）

式中： n₁——從紫菜中過(guò)濾出的雜物重量；

n₁——摻入紫菜的雜物總重量。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.4.1 試驗(yàn)結(jié)果

以X₁、X₂、X₃分別表示濾縫寬度、濾筒轉(zhuǎn)速、出料口流量的因素編碼值，Y₁、Y₂分別表示濾雜率和吸濾時(shí)間，利用Minitab 21.1軟件，根據(jù)中心復(fù)合試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)三因素三水平分析試驗(yàn)^[17-20]，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表4所示。

表5為回歸模型的方差結(jié)果，從表5可知，對(duì)濾雜率Y₁影響顯著的項(xiàng)為X₁、X₃、X₁²和X₂X₃，影響不顯著的項(xiàng)為X₂、X₂²和X₃²，模型無(wú)失擬現(xiàn)象。對(duì)吸濾時(shí)間Y₂影響顯著的項(xiàng)為X₁、X₂、X₃、X₂²和X₃²，影響不顯著的項(xiàng)為X₁²和X₂X₃，模型無(wú)失擬現(xiàn)象。

濾雜率Y₁和吸濾時(shí)間Y₂對(duì)X₁、X₂、X₃三個(gè)自變量的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型為

4.4.2 響應(yīng)面分析

圖9為各因素兩兩交互作用對(duì)濾雜率的響應(yīng)曲面圖。由圖9（a）可知，當(dāng)濾筒轉(zhuǎn)速變化時(shí)，濾雜率為92%～98%，說(shuō)明濾筒轉(zhuǎn)速對(duì)濾雜率有一定影響，而出料口流量對(duì)濾雜率影響不顯著。由圖9（b）可知，濾雜率隨濾縫寬度增大變化較明顯，而隨出料口流量的變化不明顯，說(shuō)明濾縫寬度是影響濾雜率的重要因素。由圖9（c）可知，當(dāng)濾縫寬度變化時(shí)，濾雜率有明顯變化，而濾筒轉(zhuǎn)速變化時(shí)濾雜率變化不明顯，說(shuō)明濾縫寬度對(duì)濾雜率影響顯著。對(duì)比圖9可知，濾縫寬度對(duì)濾雜率影響最顯著，其次是濾筒轉(zhuǎn)速，最不顯著的是出料口流量。

圖10為各因素兩兩交互作用對(duì)吸濾時(shí)間的響應(yīng)曲面圖。由圖10（a）可知，吸濾時(shí)間隨出料口流量增大而明顯減小，濾縫寬度增大時(shí)，吸濾時(shí)間變化程度則不明顯，說(shuō)明出料口流量是影響吸濾時(shí)間的主要因素。由圖10（b）可知，隨著濾筒轉(zhuǎn)速的增加，吸濾時(shí)間變化不明顯，而吸濾時(shí)間隨出料口流量增大而明顯減小，說(shuō)明出料口流量是影響吸濾時(shí)間的主要因素。由圖10（c）可知，當(dāng)濾縫寬度增大時(shí)，吸濾時(shí)間隨之減小，但變化不明顯，而濾筒轉(zhuǎn)速對(duì)吸濾時(shí)間的影響要比濾縫寬度略大。對(duì)比圖10可知，出料口流量對(duì)吸濾時(shí)間影響最顯著，其次是濾筒轉(zhuǎn)速，最不顯著的是濾縫寬度。

4.4.3 參數(shù)優(yōu)化

使用 Minitab軟件的響應(yīng)優(yōu)化器對(duì)回歸模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明：當(dāng)濾縫寬度X₁=0.65 mm、濾筒轉(zhuǎn)速X₂=33.17 r/min、出料口流量X₃=16.3 m³/h時(shí)，濾雜率為98.36%，吸濾時(shí)間為2.63 min。

4.4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

考慮設(shè)備工作參數(shù)在調(diào)整時(shí)的便利性，將二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型的優(yōu)化結(jié)果取整，濾縫寬度為0.6 mm、濾筒轉(zhuǎn)速為33 r/min、出料口流量為16 m³/h。為了驗(yàn)證優(yōu)化參數(shù)是否準(zhǔn)確，采用上述參數(shù)進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取其平均值作為最后結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明：濾雜率為98.44%，吸濾時(shí)間為2.72 min，濾雜率的相對(duì)誤差為0.08%，吸濾時(shí)間的相對(duì)誤差為3.42%，試驗(yàn)與優(yōu)化結(jié)果基本符合，說(shuō)明優(yōu)化參數(shù)有效可靠。

5 結(jié)論

1） 影響紫菜濾雜裝備工作效率和濾雜率的因素有3個(gè)，分別是濾筒轉(zhuǎn)速、濾縫寬度和泵的流量。利用Adams軟件對(duì)吸濾裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析濾筒轉(zhuǎn)速和濾縫寬度對(duì)吸濾效率的影響，結(jié)果表明，當(dāng)濾筒轉(zhuǎn)速為200°/s、濾縫寬度為0.6 mm時(shí)，紫菜在濾筒和出料管道中的運(yùn)動(dòng)速度最快，設(shè)備吸濾效率最高。

2） 根據(jù)仿真結(jié)果確定樣機(jī)試驗(yàn)因子的取值范圍分別為濾縫寬度0.6～1 mm、濾筒轉(zhuǎn)速16～50 r/min、出料口流量12～18 m³/h。利用Minitab軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案并做樣機(jī)試驗(yàn)，得到濾雜率和吸濾時(shí)間兩個(gè)響應(yīng)結(jié)果。

3） 從方差分析和響應(yīng)面分析的結(jié)果可知：影響濾雜率因素的順序依次為濾縫寬度、濾筒轉(zhuǎn)速和出料口流量。影響吸濾時(shí)間因素的順序依次為出料口流量、濾筒轉(zhuǎn)速和濾縫寬度。采用響應(yīng)面分析法得到吸濾裝置的優(yōu)化參數(shù)組合，即濾縫寬度為0.6 mm、濾筒轉(zhuǎn)速為33 r/min、出料口流量為16 m³/h。裝備在此條件下進(jìn)行試驗(yàn)，平均濾雜率為98.44%，平均吸濾時(shí)間為2.72 min，試驗(yàn)與優(yōu)化結(jié)果基本一致，同時(shí)獲得較高的工作效率和濾雜率。另一方面，仿真結(jié)果與試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果相互印證，說(shuō)明參數(shù)設(shè)計(jì)合理，試驗(yàn)結(jié)果可靠有效。

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