戴 飛 趙武云 付秋峰 宋學(xué)鋒 史瑞杰 李彥偉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.酒泉奧凱種子機械股份有限公司， 酒泉 735000)

0 引言

胡麻，即油用亞麻的俗稱，是中國西北地區(qū)和華北地區(qū)重要的油料作物之一[1-2]。目前，我國胡麻機械化收獲主要以分段收獲為主，胡麻聯(lián)合收獲仍處于試驗研究階段。胡麻脫粒物料分離清選是其收獲過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，分離清選裝置是胡麻聯(lián)合收獲機的重要組成部分，直接影響胡麻收獲質(zhì)量和后續(xù)精深加工[3]。胡麻脫粒物料各組分混雜差異較小，采用傳統(tǒng)谷物分離清選機作業(yè)時，胡麻籽粒不能被有效分離，易隨短秸稈、蒴果殼等一同被氣流吹出。因此，提高胡麻脫粒物料分離清選機的作業(yè)性能是減少胡麻籽粒清選損失、提高清選質(zhì)量的重要措施。為此，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者研制了胡麻脫粒物料分離清選機[3]、5TF-45型胡麻脫粒清選機[4]、亞麻籽脫殼分離設(shè)備和雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機等裝備，取得了一定研究進展[5-6]。其中，雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機根據(jù)胡麻脫粒物料組分尺寸及其空氣動力學(xué)特性差異，采用不同類型三級振動篩分和雙風(fēng)道氣力組合分離清選原理，有效改善了胡麻籽粒分離清選的潔凈效果。

相關(guān)學(xué)者結(jié)合不同類型的試驗方案進行了樣機作業(yè)性能試驗和工作參數(shù)優(yōu)化研究。師清翔等[7]進行了雙揚谷器旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)的試驗與參數(shù)優(yōu)化，高連興等[8]進行了大豆脫粒機氣力清選循環(huán)裝置研制與性能試驗，張敏等[9]對風(fēng)篩選式油菜聯(lián)合收割機清選機構(gòu)參數(shù)進行了試驗研究與優(yōu)化。上述研究進一步提升和完善了相關(guān)樣機作業(yè)性能。本研究通過單因素試驗選取影響雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機作業(yè)性能的工作參數(shù)，對于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)曲面分析法確定各試驗因素及其交互作用對籽粒含雜率、清選損失率的影響，獲取樣機工作參數(shù)的最優(yōu)控制變量組合，以期提升對胡麻脫粒物料分離清選的效果。

1 工作過程解析與關(guān)鍵參數(shù)選取

1.1 結(jié)構(gòu)組成及作業(yè)過程

如圖1所示，雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機主要由振動喂料系統(tǒng)、三級振動篩分裝置、雙風(fēng)道雜余集料裝置、吸雜除塵裝置、振動變頻控制箱、傳動系統(tǒng)、脫粒物料不同組分接料盒、行走輪和機架等部件組成。樣機工作時，將機脫后的胡麻脫粒物料由喂料斗加入，在振動喂料系統(tǒng)的間歇振動作用下脫粒物料被均勻輸送至三級振動篩分裝置，通過調(diào)節(jié)三級振動篩振動頻率與篩面傾角，對胡麻脫粒物料不同組分進行篩分，使得脫粒物料中的部分未脫粒蒴果、不同長度莖稈、蒴果殼通過各自排料通道被分級排出。同時，可通過調(diào)整雙風(fēng)道雜余集料裝置前后風(fēng)道風(fēng)量，首先由前風(fēng)道對一些懸浮速度明顯小于胡麻籽粒的輕雜物質(zhì)率先吸出，然后再由后風(fēng)道對三級豎排長腰型沖孔篩分離的潔凈胡麻籽粒和少量短莖稈進行氣流清選，喂入物料在后風(fēng)道內(nèi)呈現(xiàn)出瞬時懸浮狀態(tài)，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，胡麻脫粒物料中的剩余雜質(zhì)則在吸雜除塵裝置的作用下通過塵雜排料裝置排出。

1.2 工作參數(shù)分析

如圖2所示，雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機工作時，可針對胡麻脫粒物料不同凈度工況，通過振動變頻控制箱對電磁激振器振動幅度、三級振動篩分裝置振動頻率進行調(diào)節(jié)；同時根據(jù)分離清選效果對三級振動篩分裝置篩面傾角和雙風(fēng)道雜余集料裝置前后風(fēng)道風(fēng)量進行改進。其中，給料振動幅度調(diào)節(jié)范圍為0～30 mm，篩箱振動調(diào)節(jié)頻率范圍為0～6 Hz，通過改變各篩體底部V型支撐架開口角度的方式進行各篩面傾角的調(diào)整，篩分裝置三級篩面傾角調(diào)節(jié)范圍為1°～6°，兩個風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄分別水平轉(zhuǎn)動180°，可經(jīng)歷7個擋位，均能夠?qū)崿F(xiàn)對前、后風(fēng)道風(fēng)量的完全開啟與閉合。

由雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機相關(guān)工作參數(shù)調(diào)節(jié)裝置可以看出，給料振幅直接關(guān)系到胡麻脫粒物料的喂入松散狀況；而篩箱的振動頻率與篩面傾角均是決定三級振動篩分裝置作業(yè)工況的關(guān)鍵因素；同時，雙風(fēng)道雜余集料裝置工作性能取決于前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位和后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位的協(xié)同設(shè)置。因此，上述試驗因素皆是影響樣機作業(yè)性能(籽粒含雜率、清選損失率)的主要因素，需要進行進一步試驗研究與優(yōu)化選取[3,10-12]。

2 單因素試驗分析

為合理選取胡麻脫粒物料分離清選性能試驗中關(guān)鍵單因素參數(shù)及其取值范圍，結(jié)合實際試驗方法與離散元仿真分析，對樣機給料振幅、三級篩面傾角、篩箱振動頻率、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位和后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位進行單因素試驗，探討各試驗因素對胡麻籽粒含雜率、清選損失率的影響規(guī)律，確定對樣機作業(yè)性能結(jié)果有顯著影響的各試驗因素取值范圍。

2.1 給料振幅

當(dāng)篩箱振動頻率為3 Hz，篩分裝置三級篩面傾角為6°，前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄在擋位2，后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄在擋位4，給料振幅在5～30 mm不斷遞增時(圖3)，作業(yè)機籽粒含雜率、清選損失率變化趨勢如圖3d所示。

試驗研究表明，當(dāng)給料振幅為16.5 mm時，胡麻脫粒物料均能夠順著給料盤進入三級振動篩分裝置，單位時間內(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。隨著給料振幅在5～30 mm范圍內(nèi)不斷增加，作業(yè)機籽粒含雜率(由2.23%變化為2.56%)、清選損失率(由0.58%變化為0.70%)均呈遞增趨勢，但變化程度相對不大，僅分別增加了0.33個百分點和0.12個百分點。故此參數(shù)不作為影響作業(yè)機籽粒含雜率和清選損失率因素進行研究。

2.2 三級篩面傾角

當(dāng)篩箱振動頻率為3 Hz，給料振幅為16.5 mm，前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄在擋位2，后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄在擋位4，篩分裝置三級篩面傾角為1°～6°不斷遞增時，作業(yè)機籽粒含雜率、清選損失率變化曲線如圖4所示。

隨著篩分裝置三級篩面傾角在1°～6°不斷增加，作業(yè)機籽粒含雜率(由2.28%遞增為2.46%)、清選損失率(由0.59%遞增為0.69%)基本呈遞增趨勢，但變化程度相對不明顯，僅分別增加了0.18個百分點和0.10個百分點，表明篩分裝置三級篩面傾角對樣機作業(yè)性能影響不顯著，因此該參數(shù)不作為影響作業(yè)機籽粒含雜率和清選損失率因素進行研究。相關(guān)試驗表明，當(dāng)振動篩分裝置三級篩面傾角大于4°時，胡麻脫粒物料在篩面的運動效果較好。

2.3 篩箱振動頻率

結(jié)合EDEM軟件數(shù)值模擬不同篩箱振動頻率(1～8 Hz)下胡麻脫粒物料在三級振動篩分裝置上的運移狀態(tài)與遷移規(guī)律，觀察物料層在各篩面上的形態(tài)分布，分析篩箱振動頻率與籽粒含雜和清選損失之間的關(guān)系，并擇優(yōu)選取適宜參數(shù)值所對應(yīng)的參數(shù)模型。EDEM中胡麻脫粒物料屬性參數(shù)及其設(shè)定方法見文獻[13-16]。

將胡麻脫粒物料分離清選機的喂入量設(shè)定為0.035 kg/s，依據(jù)胡麻脫粒物料的谷草比，經(jīng)換算物料工廠在位于雙風(fēng)道雜余集料裝置前風(fēng)道入口端面80 mm處，分別生成胡麻蒴果500個/s、籽粒1 500個/s、短莖稈2 000個/s、蒴果殼2 000個/s和輕質(zhì)雜物500個/s。不同振篩及篩箱在作業(yè)中保持相同的運動狀態(tài)，將仿真中具有相同運動方式的幾何體進行合并，設(shè)置給料振幅為16.5 mm，篩箱振動頻率每間隔1 Hz進行設(shè)定，設(shè)定范圍為1～6 Hz。為保證振篩傾角與實際相一致，振動方向與水平面呈6°夾角，仿真時間步長設(shè)置為1.25×10-6s，每組仿真進行9 s，共進行9組仿真試驗。

仿真分析計算中，將Fluent中穩(wěn)定計算得到的流場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成體積力加載到EDEM中，該方法可計算的兩相間作用力具有局限性，但相間數(shù)據(jù)交換完全在EDEM中完成，可有效提高仿真計算速度。在體積力單向耦合計算中，首先在Fluent中計算得到作業(yè)過程中避風(fēng)排雜裝置與旋風(fēng)除塵器的穩(wěn)定流場數(shù)據(jù)，將計算得到的穩(wěn)定流場中X、Y、Z3個方向的速度分量以CGNS數(shù)據(jù)格式保存，然后在Particle Body Force中加載CFielQuery體積力插件，在Field Data Manager中以場數(shù)據(jù)的形式加載CGNS數(shù)據(jù)。流場對顆粒相曳力及浮力作用通過CFielQuery.dll體積力插件計算得到，在Fluent中計算時，選擇空氣為流體介質(zhì)，密度設(shè)置為1.2 kg/m3，黏度為1.8×10-5Pa·s，入口邊界風(fēng)速為1.60 m/s，出口邊界風(fēng)速為4.40 m/s。湍流模型選擇標(biāo)準k-ε進行瞬態(tài)計算。管道壁面為無滑移壁面，采用基于壓力的SIMPLE算法對速度場和壓力場進行耦合求解，動量項采用二階迎風(fēng)格式，湍流動能和湍流耗散率采用一階迎風(fēng)格式，殘差精度為10-3s。建立的胡麻脫粒物料氣固耦合分離清選仿真模型如圖5所示。

依照樣機篩箱振動頻率的調(diào)節(jié)范圍(1～8 Hz)對仿真模型進行設(shè)置，觀察胡麻脫粒物料在三級振動篩分裝置中各篩面的運移規(guī)律，篩選出適宜的篩箱振動頻率區(qū)間。在數(shù)值模擬試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)篩箱振動頻率在2～6 Hz時，三級振動篩分裝置中各篩面上胡麻脫粒物料分布均勻、透篩效果理想(圖6)，胡麻脫粒物料氣固耦合分離清選作業(yè)性能相對穩(wěn)定。

2.4 前風(fēng)道、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位

當(dāng)篩分裝置三級篩面傾角為6°，篩箱振動頻率為3 Hz，給料振幅為16.5 mm時，雙風(fēng)道雜余集料裝置前、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄擋位在0～6協(xié)同調(diào)節(jié)時，作業(yè)機籽粒含雜率、清選損失率變化曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，當(dāng)前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄處在2～4擋，作業(yè)機籽粒含雜率與清選損失率分別為2.21%～2.85%和2.01%～2.67%；當(dāng)后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄處在4～6擋時，作業(yè)機籽粒含雜率與清選損失率分別為1.96%～2.45%和2.32%～2.88%。兩擋下籽粒含雜率與清選損失率相對差異不大，具有較好工作性能。因此，結(jié)合胡麻脫粒物料氣固耦合分離清選仿真模型，對其前風(fēng)道、后風(fēng)道風(fēng)量進行上述擋位的對應(yīng)模擬仿真，獲得雙風(fēng)道雜余集料裝置、旋風(fēng)除塵器風(fēng)量的速度矢量分布如圖8所示[17]。

因此，在后續(xù)雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機參數(shù)優(yōu)化試驗中，選取試驗因素為樣機篩箱振動頻率(2～6 Hz)、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位(2～4)和后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位(4～6)。

3 作業(yè)性能試驗

3.1 試驗材料與方法

2019年8月，在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)胡麻機械化作業(yè)示范基地——甘肅華瑞農(nóng)業(yè)股份有限公司進行了雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機現(xiàn)場操作演示與作業(yè)性能試驗(如圖9所示)。試驗材料選用隴亞14號胡麻收獲期脫粒物料，單株平均蒴果數(shù)為24.1個，蒴果平均粒數(shù)為7.2個，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11.8%[6]。試驗前對作業(yè)機進行空轉(zhuǎn)運行檢查，其中振動喂料系統(tǒng)給料振幅設(shè)定為16.5 mm，三級振動篩分裝置篩面傾角為6°，篩箱振動頻率在2～6 Hz之間，雙風(fēng)道雜余集料裝置前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為2～4，后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為4～6。

待作業(yè)機運行穩(wěn)定后在喂料斗內(nèi)加入胡麻收獲期機械化脫粒物料。通過不斷調(diào)節(jié)篩箱振動頻率、前風(fēng)道風(fēng)量和后風(fēng)道風(fēng)量進行不同試驗方案組合，測定作業(yè)機籽粒含雜率和清選損失率，同時在試驗過程中觀察振動喂料系統(tǒng)、三級振動篩分裝置、雙風(fēng)道雜余集料裝置和吸雜除塵裝置的工作運轉(zhuǎn)情況。以3次的測定平均值為測試結(jié)果，胡麻脫粒物料分離清選籽粒含雜率和清選損失率計算公式為[18-19]

(1)

(2)

式中Y1——籽粒含雜率，%

Y2——清選損失率，%

G1——胡麻籽粒接料盒內(nèi)籽粒質(zhì)量，g

GZ1——胡麻籽粒接料盒內(nèi)物料質(zhì)量，g

G2—— 4個接料盒內(nèi)的籽粒質(zhì)量，g

3.2 響應(yīng)曲面法試驗方案

綜合單因素試驗的試驗結(jié)果與分析，采用三因素三水平Box-Behnken試驗設(shè)計原理[20]，以篩箱振動頻率x1、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位x2和后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位x3為自變量，籽粒含雜率Y1和清選損失率Y2為響應(yīng)值，各試驗因素編碼如表1所示，分別實施17組響應(yīng)面分析試驗(如表2所示，X1、X2、X3為因素編碼值)。應(yīng)用Design-Expert 8.0.6.1軟件進行數(shù)據(jù)處理分析。

表1 試驗因素編碼

表2 響應(yīng)面分析結(jié)果

3.3 性能試驗結(jié)果與分析

3.3.1回歸模型建立及檢驗

借助Design-Expert 8.0.6.1軟件對籽粒含雜率Y1和清選損失率Y2進行回歸模型的方差分析，如表3所示，分別得到Y(jié)1和Y2二次回歸模型為

表3 回歸方程方差分析

(3)

(4)

3.3.2模型交互項解析

根據(jù)建立的回歸模型分別獲得各因素之間交互作用影響的響應(yīng)面圖。

由圖10可以看出，當(dāng)篩箱振動頻率為2 Hz、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為2時，籽粒含雜率較低，由等高線密度與響應(yīng)曲面形狀可看出，篩箱振動頻率與前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位的交互作用對作業(yè)機籽粒含雜率有一定影響但是并不顯著，與方差分析結(jié)果相同。

由圖11可看出，當(dāng)篩箱振動頻率為2 Hz、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為2時，籽粒含雜率較低，篩箱振動頻率對籽粒含雜率的影響明顯高于后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位，但兩交互因素形成的響應(yīng)曲面呈圓形，表明篩箱振動頻率與后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位對作業(yè)機籽粒含雜率的交互作用不顯著。

由圖12可以看出，當(dāng)后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位固定在某一水平，前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位由2到4時，前風(fēng)道風(fēng)量增大，籽粒含雜率呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是試驗初期前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)到2擋時，一些飄浮速度明顯小于胡麻籽粒的輕雜物質(zhì)率先通過雙風(fēng)道雜余集料室前置風(fēng)道吸出，有效降低了剩余胡麻脫粒物料后續(xù)分離清選負荷，籽粒含雜率較低(小于0.50%)。當(dāng)離心通風(fēng)機穩(wěn)定工作時，吸雜管道內(nèi)的氣流速度與風(fēng)量恒定，若前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位由2向4不斷增加時，則前風(fēng)道風(fēng)量逐步加大，后風(fēng)道風(fēng)量不斷下降，致使雙風(fēng)道雜余集料室流場分布紊亂，胡麻脫粒物料中的雜質(zhì)進入避風(fēng)排雜裝置的通過性較差，后風(fēng)道吸雜能力弱化，增加了籽粒含雜量，致使籽粒含雜率逐漸增大(在1.50%～2.00%之間)。因此，前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位與后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位的交互作用對籽粒含雜率影響非常顯著，與方差分析結(jié)果一致。

由圖13可知，當(dāng)篩箱振動頻率為6 Hz、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為4時，作業(yè)機清選損失率最大。由等高線密度及響應(yīng)面形狀可以看出，篩箱振動頻率與前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位的交互作用對清選損失率影響不顯著，與方差分析結(jié)果相同。

由圖14可知，當(dāng)后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位固定在某一水平，篩箱振動頻率由2 Hz遞增至6 Hz時，清選損失率呈現(xiàn)逐步上升的變化趨勢，在7.0%～8.0%之間。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位一定時，后風(fēng)道分離清選系統(tǒng)的氣流速度與流量恒定，當(dāng)篩箱振動頻率不斷增加時，進入后風(fēng)道分離清選系統(tǒng)的胡麻脫粒物料逐漸增多，使得破碎干癟的胡麻籽粒被吸入到雜余集料室的數(shù)量與概率均增大。由響應(yīng)面形狀可以看出，篩箱振動頻率與后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位的交互作用對清選損失率影響極顯著。

由圖15可以看出，當(dāng)前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位固定在某一水平，后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位由4向6轉(zhuǎn)變時，清選損失率呈現(xiàn)出先減小、后增大的變化趨勢。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是當(dāng)離心通風(fēng)機轉(zhuǎn)速恒定時，吸雜管道的風(fēng)量保持穩(wěn)定，當(dāng)后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位向6擋調(diào)節(jié)時，后風(fēng)道風(fēng)量逐步加大，而前風(fēng)道風(fēng)量對應(yīng)降低，使得大部分干癟籽粒、未脫凈蒴果不隨輕質(zhì)雜物被吸入雙風(fēng)道雜余集料室內(nèi)，使得清選損失率有所下降。但隨著后風(fēng)道風(fēng)量進一步增加，提升了由三級豎排長腰型沖孔篩分離的潔凈胡麻籽粒和短莖稈進入后風(fēng)道內(nèi)的運動速度，超過了碎小胡麻籽粒的懸浮速度而被吸入雙風(fēng)道雜余集料室內(nèi)，使得清選損失率由3.9%上升至5.8%。由偏回歸分析與等高線密度可得，前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位與后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位的交互作用對清選損失率影響較為顯著。

3.3.3最優(yōu)工作參數(shù)確定與試驗驗證

依據(jù)上述試驗結(jié)果分析，為進一步提升雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機作業(yè)性能，在各試驗因素水平約束條件下，將籽粒含雜率和清選損失率取得最小值作為優(yōu)化指標(biāo)，建立性能指標(biāo)全因子二次回歸方程，進行目標(biāo)優(yōu)化與最優(yōu)工作參數(shù)確定。

(5)

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6.1軟件中的優(yōu)化求解器對回歸方程模型(3)、(4)進行該目標(biāo)下的優(yōu)化求解。其中，籽粒含雜率的重要度為++++，清選損失率的重要度為+++++，得到優(yōu)化試驗指標(biāo)為籽粒含雜率0.76%、清選損失率2.58%，最優(yōu)工作參數(shù)組合：篩箱振動頻率為2 Hz、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為2、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為4.5。

為了驗證所建立回歸模型(3)、(4)的可靠性，應(yīng)用雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機按照上述最優(yōu)工作參數(shù)進行9次作業(yè)性能試驗，試驗材料和方法與2.1、2.2節(jié)相同，如圖16所示。9次試驗下胡麻脫粒物料的籽粒含雜率均值為0.98%、清選損失率均值為2.66%，表明在優(yōu)化工作參數(shù)條件下能夠降低胡麻脫粒物料在機械化分離清選過程中的含雜與損失，較單一氣流分離清選方式作業(yè)效果有顯著改善，因此建立的回歸模型是可靠的。

在試驗驗證過程中通過物料觀察窗發(fā)現(xiàn)，由三級篩分離后的潔凈胡麻籽粒和極少量短莖稈在雙風(fēng)道雜余集料裝置后風(fēng)道吸雜氣流作用下基本呈現(xiàn)出懸浮狀(圖16a)，隨后胡麻籽粒在重力作用下落入胡麻籽粒接料盒。通過對一級篩、二級篩、三級篩及避風(fēng)裝置排雜狀況(圖16b～16e)進行分析，設(shè)計的三級振動篩分裝置和雙風(fēng)道雜余集料裝置均滿足作業(yè)要求。當(dāng)篩箱振動頻率過高時會引起胡麻脫粒物料在篩面上彈跳，使得胡麻脫粒物料在三級振動篩分裝置中的透篩分離不充分，這是引起籽粒含雜率升高的關(guān)鍵因素；同時，雙風(fēng)道雜余集料裝置前、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位不匹配時，引起避風(fēng)排雜裝置中輸出物料夾帶胡麻籽粒較多，這是使清選損失率增大的又一重要原因。因此，后續(xù)研究中需要結(jié)合氣固耦合理論對雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機關(guān)鍵部件優(yōu)化參數(shù)下的作業(yè)流場進行模擬研究。

4 結(jié)論

(1)對雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機的作業(yè)原理進行解析，基于實際試驗方法與離散元仿真分析，對樣機主要工作參數(shù)進行單因素試驗，探討各試驗因素對胡麻籽粒含雜率、清選損失率的影響規(guī)律，確定對樣機作業(yè)性能有影響的相關(guān)試驗因素與取值范圍。

(2)按照Box-Behnken試驗設(shè)計原理，采用三因素三水平響應(yīng)曲面分析方法，進行雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機工作參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果表明，影響籽粒含雜率與清選損失率的因素主次順序由大到小均為篩箱振動頻率、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位。

(3)建立了籽粒含雜率、清選損失率與篩箱振動頻率、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位的二次多項式回歸模型。以籽粒含雜率和清選損失率最小為目標(biāo)，優(yōu)化得到作業(yè)機最佳工作參數(shù)：篩箱振動頻率為2 Hz、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為2、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)擋位為4.5。驗證試驗表明，籽粒含雜率均值為0.98%、清選損失率均值為2.66%，說明通過優(yōu)化工作參數(shù)可降低胡麻脫粒物料在機械化分離清選過程中的含雜與損失，其作業(yè)效果較單一氣流分離清選方式有顯著改善。