周 楊，秦代林，李奇強，聶均杉，羅惠中，張黎驊

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，四川 雅安 625000）

薏苡作為一種小宗作物，有極高的藥用價值[1-2]，但其加工裝備缺乏，薏苡物料因組分的復(fù)雜性，專用清選裝置較少。脫殼后混合物料分離是薏苡加工過程中的重要步驟，主要作用是高效分離出薏苡、破損薏仁、完整薏仁和雜余。分離薏仁損失率與含雜率是評價薏苡清選裝置的主要指標[3-4]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外薏苡專用清選裝置的研究鮮有，從薏苡復(fù)雜混合物料中分離出薏仁，降低薏苡清選裝置的含雜率和損失率成為薏苡加工過程中亟待解決的問題[5-6]。

施麗莉等利用薏苡物料懸浮速度差異，通過在薏苡脫殼腔下方安裝單一去雜風(fēng)機的方式分離雜質(zhì)[7-8]。王建楠等在薏苡脫殼機中加入兩級振動篩對薏苡二次篩選，提升清選效果[9]。隨農(nóng)業(yè)機械技術(shù)發(fā)展，清選裝置設(shè)計融入新思路。Akbar等利用EDEM軟件對振動篩進行建模，研究不同參數(shù)對振動篩加工效率和篩網(wǎng)磨損的影響[10]。Dong等采用離散元法在顆粒尺度上考查選煤振動篩的傾斜角度和水平方向的振動幅度對通過量的影響，探討提高篩分性能的方法[11]。李洪昌等利用EDEM軟件對振動篩分過程進行數(shù)值模擬，得到透篩率與運動參數(shù)（振幅、頻率、振動方向角）之間關(guān)系[12]。

但國內(nèi)外學(xué)者對薏苡脫出物各組分的不同物料特性與薏苡清選效果的關(guān)系進行針對性研究較少，薏苡清選裝置專用性不強，清選效果欠佳。本文結(jié)合現(xiàn)有問題，設(shè)計薏苡專用振動篩清選裝置，計算振動篩各基本參數(shù)，結(jié)合薏苡物料特性建立離散元模型，利用EDEM軟件對主要影響因素進行仿真試驗，優(yōu)化振動篩清選裝置作業(yè)參數(shù)，以期獲得低損清潔作業(yè)效果。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

薏苡脫殼機清選裝置分為三級（一級風(fēng)選、二級復(fù)選、三級振動篩），振動篩清選為第三級[13]，主要由篩箱和振動裝置兩部分構(gòu)成，如圖1所示。其中篩箱主要由側(cè)板、底板、導(dǎo)流板、篩網(wǎng)以及止推桿構(gòu)成，振動裝置主要由連接板、轉(zhuǎn)軸和振幅調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成，通過螺栓與篩箱連接。振幅調(diào)節(jié)裝置主要由薄壁軸承、凸輪、振幅調(diào)節(jié)板構(gòu)成，可通過調(diào)節(jié)振幅調(diào)節(jié)板的位置改變轉(zhuǎn)軸與凸輪的中心距，實現(xiàn)振幅調(diào)節(jié)。

圖1 振動篩清選裝置Fig.1 Vibrating screen cleaning device

1.2 工作原理

排料裝置將沉料倉中物料排入振動篩內(nèi)，薏苡經(jīng)篩箱導(dǎo)流板均分至篩網(wǎng)內(nèi)，在往復(fù)振動作用下破碎薏仁等小于篩網(wǎng)尺寸的物料，篩選至篩網(wǎng)下，進入薏仁儲料倉。未脫殼薏苡、半脫殼薏苡因幾何尺寸大于篩網(wǎng)尺寸無法被篩選，在振動作用下繼續(xù)運動至篩尾，從復(fù)脫出口進入復(fù)脫倉，最后在復(fù)脫攪龍作用下將物料從復(fù)脫倉提升至料倉，完成清選。

1.3 基本參數(shù)設(shè)計

1.3.1 篩面尺寸

篩面尺寸設(shè)計以防堵和高效為目的，以卸料倉落料寬度為設(shè)計基礎(chǔ)，篩面寬度B與卸料倉落料寬度呈正相關(guān)，篩面長度L計算式：

式中，Qs為卸料裝置薏苡混合物排出量，本薏苡脫殼機排料速度約為71 kg·h-1；qs為薏苡清選篩單位面積可承擔(dān)的物料混合物喂入量，取360 kg·（h·m2）-1；篩面寬度B與卸料口寬度一致為0.32 m，計算得振動篩篩面長度L為0.62 m。

1.3.2 篩網(wǎng)孔徑

篩網(wǎng)孔徑由各項物料占比和尺寸決定。經(jīng)測量薏仁平均三軸尺寸中最大尺寸為5.875 mm，薏苡及未脫殼物料最小尺寸為5.206 mm。為保證薏仁選擇透過性，以薏仁最大尺寸為基準，根據(jù)孔徑計算式：

式中，D1為薏仁平均三軸尺寸中最大尺寸，D2為篩孔孔徑，k為放大系數(shù)，取0.8～1.2，計算得孔徑范圍為5～7 mm。

1.3.3 篩面傾角

建立薏苡顆粒在篩面上運動模型如圖2所示。

圖2 薏苡顆粒上滑時受力分析Fig.2 Stress analysisof coix particles when sliding up

物料上滑時篩面受力為：

式中，x為篩面位移量，N為篩面支撐力（N）；m為物料的質(zhì)量（kg）；g為重力加速度（m·s-2）；α為清選篩面傾角(°)；P為顆粒受到振動系統(tǒng)的慣性力（N）；β為振動方向與水平面夾角（°）；

由式（3）可知，在拋起前需克服薏苡滑動摩擦力，為使物料自然后移提高清選性能，需計算篩面傾角，薏苡臨界滑動摩擦角與摩擦力關(guān)系式為：

式中，F(xiàn)f為滑動摩擦力，N0為非工作狀態(tài)下支撐力。由摩擦試驗得到臨界滑動摩擦角θ為6°。

結(jié)合理論計算，本研究利用EDEM軟件對振動篩篩網(wǎng)孔型、篩孔孔徑、振動頻率和振動幅度等影響因素進行仿真試驗，優(yōu)化振動篩最佳作業(yè)參數(shù)。

2 基于EDEM振動篩關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

2.1 離散元顆粒模型和幾何模型

根據(jù)排料裝置排出物料實際情況，測量各類物料參數(shù)，結(jié)果見表1，基于測量參數(shù)建立顆粒模型如圖3所示，設(shè)定所有顆粒模型尺寸在0.8～1.2倍范圍內(nèi)生成。在EDEM軟件中設(shè)定材料力學(xué)特性如表2所示，各材料之間相互作用參數(shù)如表3所示。每次仿真時間為5 s，通過質(zhì)量監(jiān)視器檢測各物料分布情況，評估篩選質(zhì)量，仿真后處理監(jiān)測器布置情況如圖4所示。

圖4 振動篩模型Fig.4 Vibrating screen model

表2 材料力學(xué)特性Table 2 Mechanical properties of materials

表3 各材料之間系數(shù)參數(shù)Table3 Coefficient parametersbetween materials

圖3 脫出物簡化模型Fig.3 Particle model of the protuberant

表1 薏苡脫出物物料參數(shù)Table 1 Material parametersof coix extract

2.2 單因素仿真試驗

以物料含雜率、損失率和清選效率為試驗指標，篩網(wǎng)孔型、篩網(wǎng)孔徑、振動頻率和振幅為試驗因素[14-15]，參考文中理論計算及文獻中振動篩參數(shù)[16-17]，利用EDEM進行單因素試驗，優(yōu)選出各因素最佳作業(yè)參數(shù)[18-19]，仿真試驗水平設(shè)計如表4所示。

表4 仿真試驗水平設(shè)計Table 4 Simulation test level design

根據(jù)公式（5）～（7）計算篩網(wǎng)含雜率y1、損失率y2和清選效率y3。

式中，mw1為尾篩監(jiān)測器監(jiān)測薏苡總質(zhì)量（g）；mt為尾篩和底篩監(jiān)測器監(jiān)測物料總質(zhì)量（g）；md1為底篩監(jiān)測器監(jiān)測薏苡總質(zhì)量（g）；md為底篩監(jiān)測器監(jiān)測所有物料總質(zhì)量（g）；t為時間（s）。各單因素試驗結(jié)果如圖5所示。

2.2.1 篩網(wǎng)孔型仿真分析

由圖5a可知，篩面孔型對清選作業(yè)質(zhì)量影響較大，在相同作業(yè)條件下，柵欄篩損失率最低，為13.32%，含雜率較高，為7.46%；方孔篩含雜率最低，為1.93%，損失率相對較高，為17.56%；4種篩面均滿足清選速度要求（清選效率≥71.02 kg·h-1），其中方孔篩表現(xiàn)最優(yōu)，在此作業(yè)參數(shù)下，清選效率達84.7 kg·h-1。綜合所有參數(shù)結(jié)果，以損失率與含雜率之和最小、清選效率最高為標準，選擇篩面孔型為方孔。

2.2.2 振動篩振動幅度仿真分析

由圖5b可知，當(dāng)振動幅度由15 mm降至5 mm，籽粒損失率降低，但含雜率提高，其原因是振動幅度減小，薏苡物料在篩箱內(nèi)單次運動距離變短，清選時間變長，物料反復(fù)運動透篩幾率增大導(dǎo)致籽粒含雜率變高。當(dāng)振動幅度≤5 mm時，薏苡物料在篩箱內(nèi)單次運動距離過短，無法及時篩選和向后運動，造成物料累積，清選效率急劇降低，達不到工作標準。當(dāng)振動幅度＞12.5 mm時，物料運動幅度過大，物料在篩面上運動劇烈，薏仁未經(jīng)篩選便被排至篩尾，造成損失率過高，不滿足生產(chǎn)要求。綜上，樣機振幅擬定于5～10 mm可調(diào)，為滿足生產(chǎn)要求，需對清選篩作業(yè)參數(shù)作進一步優(yōu)化。

2.2.3 篩網(wǎng)孔徑仿真分析

由圖5c可知，四種篩網(wǎng)孔徑清選效率保持在76 kg·h-1均滿足清選設(shè)計要求。在相同振幅和頻率條件下，繼續(xù)增大篩孔孔徑，篩網(wǎng)透篩率增加，導(dǎo)致篩面誤選幾率增大，底篩含雜率增加；反之篩孔孔徑減小，薏仁和破碎薏苡透篩幾率變小，導(dǎo)致大量薏仁和碎仁從尾篩隨薏苡排出，損失率增加。為避免實際生產(chǎn)效果差異，篩網(wǎng)孔徑范圍擬定為5～6 mm。

2.2.4 振動篩振動頻率仿真分析

綜合圖5d可知，清選損失率和清選效率均隨振動頻率提高而增加，振動頻率≤10 Hz時底篩含雜率較低，小于5%。振動頻率＜7.5 Hz，清選效率明顯降低，大量物料累積在篩網(wǎng)上，導(dǎo)致清選裝置出現(xiàn)堵塞，無法滿足作業(yè)要求。當(dāng)振動頻率≥10 Hz，物料在篩箱內(nèi)跳動次數(shù)增加，大量碎仁被拋向尾篩，損失率顯著增加。因此，為在實際樣機中優(yōu)化出最佳作業(yè)參數(shù)，振動篩樣機振動頻率擬定于5～10 Hz可調(diào)。

圖5 各試驗因素對作業(yè)質(zhì)量的影響Fig.5 Influence of varioustest factors on operation quality

3 響應(yīng)面仿真試驗

3.1 二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計

依據(jù)單因素試驗結(jié)果，參照種子清選機試驗方法國家標準GB/T5983-2013[20]，以籽粒含雜率、損失率為薏苡清選裝置試驗指標。借助Design-Expert軟件，按照中心組合響應(yīng)曲面設(shè)計（Central composite design，CCD）試驗方案[21-22]，分析回歸模型含雜率Y1、損失率Y2，試驗因素編碼如表5所示。

表5 試驗因素和水平編碼Table 5 Coding of test factors and levels

3.2 振動篩試驗結(jié)果與分析

試驗設(shè)計與結(jié)果、方差分析情況見表6和7。可得出粒含雜率Y1與籽粒損失率Y2回歸方程，并作顯著性檢驗。

表6 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果Table 6 Response surfacetest design and results

表7 含雜率和損失率回歸方程方差分析Table 7 Analysis of variance of regression equation of impurity content and loss rate

3.2.1 含雜率分析

由含雜率方差分析可知，模型顯著性檢驗P值＜0.001、失擬項＞0.05、模型決定系數(shù)分別為R2=0.9966、模型矯正系數(shù)R2adj=0.9921，說明所得回歸數(shù)學(xué)模型與實際結(jié)果擬合精度高。清選裝置篩孔孔徑（A）、振動幅度（B）、振動頻率（C）、A2和C2對含雜率有極顯著影響，存在非線性關(guān)系，B2對含雜率有顯著影響，而交互性AC、BC和AB對含雜率無明顯交互影響，各因素影響振動篩清選裝置含雜率主次為：A、A2、B、B2、C、C2、BC、AC、AB。由多元回歸分析得到含雜率與試驗因素回歸方程為：

各試驗因素作用對含雜率響應(yīng)曲面見圖6，（A）篩孔孔徑、（B）振動幅度和（C）振動頻率3個一次項對薏苡含雜率均有顯著影響，由等高線密度和響應(yīng)曲面形狀可知（A）篩孔孔徑交互曲面變化最快，（B）振動幅度和（C）振動頻率變化相對較緩，因此（A）篩孔孔徑影響最大；（A）篩孔孔徑、（B）振動幅度和（C）振動頻率之間兩兩交互作用對振動篩清選裝置含雜率影響并不明顯，與含雜率方差分析結(jié)果一致。

圖6 含雜率響應(yīng)曲面Fig.6 Impurity rate response surface

3.2.2 損失率分析

由損失率方差分析可知，模型顯著性檢驗P值＜0.001、失擬項＞0.05、模型決定系數(shù)R2=0.9915、模型矯正系數(shù)R2adj=0.9807說明回歸模型與實際結(jié)果擬合精度高，此模型可對含雜率進行分析和預(yù)測。由P值可知，清選裝置篩孔直徑（A）、振動幅度（B）、振動頻率（C）、A2、B2和C2對損失率均有極顯著影響，存在非線性關(guān)系，交互性AB、AC對含雜率有顯著影響，BC對含雜率無明顯交互影響。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)大小，可判斷各影響因素影響振動篩清選裝置損失率主次為：A、A2、B2、C2、B、C、AB、AC、BC。由多元回歸分析得到損失率與試驗因素回歸方程為：

由圖7可知，（A）篩孔孔徑、（B）振動幅度和（C）振動頻率3個一次項對薏苡損失率均有顯著影響，由等高線密度和響應(yīng)曲面形狀可知（A）篩孔孔徑交互曲面變化最快，（B）振動幅度和（C）振動頻率變化相對較緩，因此（A）篩孔孔徑影響最大；（AB）和（AC）交互作用對振動篩清選損失率有一定顯著影響；（BC）交互作用對振動篩清選裝置損失率影響并不明顯，與損失率方差分析結(jié)果一致。

圖7 損失率響應(yīng)曲面Fig.7 Loss rate response surface

3.3 最優(yōu)工作參數(shù)確定

以含雜率和損失率最小，優(yōu)先保證含雜率為優(yōu)化目標，對振動篩清選裝置進行參數(shù)優(yōu)化，并建立Y1、Y2雙目標函數(shù)數(shù)學(xué)模型，將含雜率重要性設(shè)置為5個“+”，損失率次之設(shè)置為3個“+”，3個因素目標設(shè)置在優(yōu)化范圍內(nèi)。

優(yōu)化結(jié)果為：（A）篩孔孔徑為5.46 3 mm、（B）振動幅度為7.626 mm、（C）振動頻率為7.637 Hz時，薏苡含雜率為1.05 4%、損失率為3.783%。將此最優(yōu)參數(shù)圓整后進行樣機驗證試驗。

3.4 樣機驗證試驗

為確保每組清選試驗同一性，試驗選用康萊特薏苡為研究對象，將3 kg薏苡樣品連續(xù)脫殼后經(jīng)二級復(fù)選裝置脫出的薏苡物料混合物為試驗材料，各成分占比如表8所示。

表8 薏苡脫出物各物料成分百分比Table 8 Percentage of each material of coix extract

參數(shù)圓整后進行樣機驗證，試驗結(jié)果為：含雜率為1.297%，損失率為3.562%，與優(yōu)化結(jié)果一致，表明優(yōu)化結(jié)果具有較高可信度，本研究模型可靠。

4 結(jié)論

a.為降低薏苡清選過程中損失率與含雜率，通過分析工作原理，結(jié)合薏苡物料特性，建立顆粒運動模型，并計算參數(shù)，設(shè)計一種薏苡專用清選裝置，可為薏苡清選裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

b.采用EDEM仿真方法，建立離散元仿真模型?；趩我蛩卦囼灲Y(jié)果，開展三因素三水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，得到篩孔孔徑、振動幅度、振動頻率與損失率、含雜率之間數(shù)學(xué)回歸模型。以含雜率和損失率最小，優(yōu)先保證含雜率為優(yōu)化目標，得到最優(yōu)設(shè)計參數(shù)組合為：篩孔孔徑為5.463 mm、振動幅度為7.626 mm、振動頻率為7.637 Hz。

c.根據(jù)優(yōu)化參數(shù)（圓整）進行樣機驗證試驗，含雜率和損失率分別為1.297%、3.562%，均符合國家標準。驗證試驗結(jié)果與優(yōu)化模型預(yù)測值相吻合，優(yōu)化參數(shù)可靠。表明本薏苡清選裝置可對薏苡物料進行有效清選，滿足薏苡清選作業(yè)要求。