馬宗雨，萬其號(hào)，陳文星，布庫，楊錦章，杜文亮

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，呼和浩特市，010010； 2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特市，010018； 3. 星光農(nóng)機(jī)股份有限公司，浙江湖州，313017)

0 引言

羊草具有高產(chǎn)、高營(yíng)養(yǎng)和高飼用價(jià)值，是中國(guó)東北西部和內(nèi)蒙古東部天然草場(chǎng)上的重要牧草之一[1]。羊草種子的收獲因其形狀復(fù)雜、損失大、凈度低、機(jī)收困難等問題一直困擾羊草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。目前，我國(guó)羊草種子的收獲基本以利用谷物聯(lián)合收獲裝置進(jìn)行收獲，以及梳脫等分段收獲為主，收獲效果不理想[3-4]，尤其是羊草種子脫出物的清選，因全喂入聯(lián)合收獲機(jī)的清選部件不適合收獲羊草種子，導(dǎo)致了含雜率高、損失率大的問題，通過實(shí)際田間試驗(yàn)，測(cè)得羊草種子全喂入聯(lián)合收獲機(jī)的損失率為20.8%，含雜率為33.47%。全喂入聯(lián)合收獲是當(dāng)下主流的收獲方法[5]，風(fēng)篩清選是聯(lián)合收獲機(jī)普遍采用的一種清選方式，但大多是針對(duì)谷物、玉米、水稻等作物[6-8]，對(duì)羊草等禾本科牧草種子的清選研究較少。羊草種子產(chǎn)量低，種草比小，種子間易粘連[9]，種子成熟后莖葉含水率高等因素加劇了羊草種子的清選困難程度。另外，羊草種子收獲期短，為了不誤農(nóng)時(shí)，全喂入聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)參數(shù)選擇較單一，沒能調(diào)節(jié)出一組收獲羊草種子的較優(yōu)參數(shù)組合。因此，結(jié)合羊草種子自身物理特性，與先進(jìn)清選技術(shù)[8, 10-12]，設(shè)計(jì)搭建羊草種子風(fēng)篩清選裝置進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，可為研發(fā)羊草等禾本科牧草種子全喂入聯(lián)合收獲機(jī)提供參考。

1 清選裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

風(fēng)篩式羊草種子清選裝置主要包括自動(dòng)喂料裝置、分離清選裝置、接料裝置、傳動(dòng)裝置、變頻控制系統(tǒng)等，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

(a) 主視圖

(b) 仰視圖圖1 羊草種子風(fēng)篩清選裝置結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of Leymus chinensis seed air-and-screen cleaning device1.接料裝置 2.篩箱 3.振動(dòng)篩 4.振動(dòng)篩控制電動(dòng)機(jī) 5.喂料控制電動(dòng)機(jī) 6.料斗 7.風(fēng)篩清選裝置上架 8.風(fēng)機(jī) 9.風(fēng)機(jī)控制電動(dòng)機(jī) 10.風(fēng)篩清選裝置下架 11.變頻控制系統(tǒng) 12.上篩 13.下篩

為了與田間收獲用的聯(lián)合收獲機(jī)盡可能保持一致，風(fēng)篩清選裝置的篩箱與田間的全喂入聯(lián)合收獲機(jī)的篩箱型號(hào)、尺寸一致；其中，振動(dòng)篩振動(dòng)頻率、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、喂料裝置轉(zhuǎn)動(dòng)頻率均由變頻器各自控制調(diào)節(jié)；上篩與下篩的篩片均可以拆卸，以便更換不同形式與尺寸的篩片；接料裝置中設(shè)置了55個(gè)小型的接料盒，每個(gè)接料盒都可以單獨(dú)取出，以便分析篩下物的分布規(guī)律。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

結(jié)合羊草種子脫出物清選作業(yè)工藝流程與工作過程，風(fēng)篩清選裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 羊草種子脫出物風(fēng)篩清選裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of the Leymuschinensis seed extract air-and-screen

1.3 清選工藝與工作原理

設(shè)計(jì)的風(fēng)篩清選裝置獲得清潔羊草種子的工藝流程如圖2所示。

圖2 羊草種子脫出物清選作業(yè)工藝流程圖Fig. 2 Process flow chart of the extraction of Leymus chinensis seeds

首先，通過喂入量變頻控制器控制料斗內(nèi)羊草種子脫出物的喂入量，隨后羊草種子脫出物落到振動(dòng)篩的抖動(dòng)板上，通過振動(dòng)篩的變頻控制器控制振動(dòng)頻率使羊草種子脫出物均勻向前輸送。當(dāng)羊草種子脫出物剛接觸到篩面時(shí)，一部分輕雜質(zhì)會(huì)在風(fēng)機(jī)作用下直接被吹出排雜口，而風(fēng)機(jī)也通過風(fēng)機(jī)變頻控制器控制風(fēng)速大小。隨后羊草種子與短莖稈會(huì)通過抖動(dòng)板落到上篩，部分長(zhǎng)莖稈會(huì)從上篩直接排出排雜口，大部分短莖稈與羊草種子會(huì)落到下篩，下篩的篩上物包含大部分短莖稈與部分羊草種子，會(huì)落到復(fù)脫裝置，停機(jī)后會(huì)把復(fù)脫裝置的物料重新放回進(jìn)料斗進(jìn)行循環(huán)清選，下篩的篩下物包含一小部分短莖稈與大部分羊草種子，會(huì)落入到接料裝置被收集，在振動(dòng)篩篩分過程中，風(fēng)機(jī)會(huì)持續(xù)把一些輕雜質(zhì)、種子麩皮、懸浮速度較小的短莖稈、雜草籽等吹出排雜口，完成清選過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 清選裝置

清選裝置主要由振動(dòng)篩、風(fēng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、控制裝置等組成，其中振動(dòng)篩又由抖動(dòng)板、篩框、上篩、下篩、尾篩等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

(a) 主視圖

(b) 俯視圖圖3 清選裝置結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Cleaning device structure diagram1.風(fēng)機(jī) 2.皮帶 3.風(fēng)機(jī)電機(jī) 4.振動(dòng)篩電機(jī) 5.鏈條 6.復(fù)脫位置 7.振動(dòng)篩鏈輪 8.篩箱 9.振動(dòng)篩凸輪 10.下篩 11.上篩 12.抖動(dòng)板 13.尾篩

振動(dòng)篩驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要依靠振動(dòng)篩鏈輪與鏈條外嚙合實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，與鏈輪相連的另一端是偏心裝置，在鏈傳動(dòng)以及偏心輪共同作用下實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且振動(dòng)篩電機(jī)通過變頻器控制可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)采用貫流風(fēng)機(jī)，具有出風(fēng)口氣流沿軸向分布較均勻、壓力系數(shù)和流量系數(shù)較高等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中有較廣闊的應(yīng)用前景[13]。

在氣流和振動(dòng)篩共同作用下，篩面上羊草種子脫出物的運(yùn)動(dòng)不同于純振動(dòng)方式下的運(yùn)動(dòng)，氣流的作用使羊草種子脫出物在篩面上的上滑指數(shù)K1、下滑指數(shù)K2、起跳指數(shù)K3都發(fā)生了變化，從而改變了羊草種子脫出物在篩面上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[14]。假設(shè)篩面的氣流速度與方向不變，忽略羊草種子脫出物間的相互碰撞，羊草種子脫出物各組分的懸浮系數(shù)保持不變，對(duì)單個(gè)脫出物在篩面上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。

1) 羊草種子脫出物相對(duì)于篩面上滑過程。羊草種子脫出物在系統(tǒng)慣性力的作用下產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)羊草種子脫出物所受的系統(tǒng)慣性力向上時(shí)，如圖4所示，脫出物具有相對(duì)于篩面上滑的趨勢(shì)，其運(yùn)動(dòng)微分方程為

(1)

式中：G*——系統(tǒng)慣性力，G*=-ma′=mAω2cosωt，N；

N——正壓力，N；

F——羊草種子脫出物所受摩擦力，N；

φ——羊草種子脫出物與篩面之間滑動(dòng)摩擦角，(°)；

p——羊草種子脫出物所受的氣流作用力，N；

α——篩面傾角，(°)；

δ——振動(dòng)方向與水平面所夾銳角，(°)；

t——時(shí)間，s；

m——羊草種子脫出物的質(zhì)量，kg；

A——曲柄半徑，mm；

ω——曲柄轉(zhuǎn)速，rad/s；

a′——振動(dòng)篩加速度；

β——風(fēng)力方向與水平面的夾角，(°)。

式(1)化簡(jiǎn)得

(2)

式中：vp——懸浮速度，m/s；

ξ——?dú)饬飨鄬?duì)于質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度，m/s。

令

則式(2)化簡(jiǎn)為

(3)

(4)

圖4 羊草種子脫出物相對(duì)于篩面上滑時(shí)的受力分析Fig. 4 Force analysis of Leymus chinensis seed extraction sliding relative to the screen surface

2) 羊草種子脫出物相對(duì)于篩面下滑過程。當(dāng)羊草種子脫出物所受的系統(tǒng)慣性力向下時(shí)，如圖5所示，脫出物具有下滑趨勢(shì)，其運(yùn)動(dòng)微分方程為

(5)

式(5)可化簡(jiǎn)為

(6)

令

即有

(7)

(8)

圖5 羊草種子脫出物相對(duì)于篩面下滑時(shí)的受力分析Fig. 5 Force analysis of Leymus chinensis seed extraction when it slides down relative to the screen surface

3) 羊草種子脫出物相對(duì)于篩面的拋擲過程。當(dāng)羊草種子脫出物所受的系統(tǒng)慣性力向上時(shí)，如圖6所示，系統(tǒng)慣性力沿篩面法線方向的分力與正壓力N方向相同，這時(shí)羊草種子脫出物有向上拋擲的趨勢(shì)。此時(shí)，正壓力

N=mgcosα-G*sin(δ-α)-psin(β-α)

=mgcosα-mAω2cosωtsin(δ-α)-

mkpξ2sin(β-α)

(9)

隨著Aω2的增大，正壓力N減小，當(dāng)Aω2增大到一定數(shù)值時(shí)，使N=0，此時(shí)羊草種子脫出物就被拋離篩面。

當(dāng)N=0時(shí)可得

令

所以，羊草種子脫出物相對(duì)于篩面拋擲時(shí)應(yīng)滿足

(10)

從上面可以看出，影響羊草種子脫出物在篩面上運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的參數(shù)有：風(fēng)向角β，曲柄半徑A，曲柄轉(zhuǎn)速ω，羊草種子脫出物的懸浮系數(shù)kp，氣流相對(duì)于質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度ξ，篩面傾角α及振動(dòng)方向與水平面所夾銳角δ。在此清選裝置中，β=30°，A=10 mm，kp=1.25，ξ=5 m/s，α=3.8°，δ=35°，把各項(xiàng)參數(shù)帶入以上各式得出，K1=-2.96，K2=3.81，K3=-0.79，則下滑指數(shù)大于起跳指數(shù)大于上滑指數(shù)，所以設(shè)計(jì)的清選篩分裝置滿足篩分條件。

圖6 羊草種子脫出物相對(duì)于篩面拋擲時(shí)的受力分析Fig. 6 Force analysis of Leymus chinensis seed extraction when thrown relative to the screen surface

2.2 喂料裝置

喂料裝置主要由料斗、撥料輥、傳動(dòng)裝置、控制裝置組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

由于羊草種子脫出物流動(dòng)性差，所以下料過程主要靠撥料輥的旋轉(zhuǎn)使羊草種子脫出物勻速下落；為了保證傳動(dòng)平穩(wěn)、下料均勻，傳動(dòng)部分采用同步帶傳動(dòng)，同步電機(jī)型號(hào)為YX3-90L-2，由變頻器控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)喂料量的調(diào)節(jié)。喂料裝置安裝位置主要由抖動(dòng)板決定，其安裝示意圖如圖8所示。其中喂料裝置的前后位置安裝于抖動(dòng)板中部靠后，高度h為110 mm，保證脫出物可以落到抖動(dòng)板上，并且與振動(dòng)篩工作過程中不發(fā)生干涉。

(a) 主視圖

(b) 右視圖圖7 喂料裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the structure of the feeding device1.同步電機(jī) 2.同步帶 3.料斗 4.撥料輥軸 5.撥料輥

圖8 喂料裝置安裝示意圖Fig. 8 Schematic diagram of feeding device installation1.料斗 2.抖動(dòng)板

2.3 接料裝置

接料裝置主要放置于清選篩下方，由55個(gè)長(zhǎng)、寬、高分別為78 mm×58 mm×150 mm的長(zhǎng)方體盒子組成，每個(gè)盒子都能單獨(dú)取出，以便分析篩下物的分布規(guī)律。由于風(fēng)篩清選裝置在振動(dòng)篩與風(fēng)機(jī)的作用下，篩面上的羊草種子脫出物不是垂直方向掉落，所以接料裝置應(yīng)放置于距振動(dòng)篩L=845 mm處，高度距離下篩H=50 mm處，如圖9所示。

圖9 接料裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 9 Schematic diagram of the structure of the feeding device1.接料裝置 2.上篩 3.下篩 4.風(fēng)機(jī)

此時(shí)，接料裝置與振動(dòng)篩工作時(shí)不會(huì)發(fā)生干涉且能達(dá)到一個(gè)較好的接料效果。

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用的材料為從田間全喂入聯(lián)合收獲機(jī)抖動(dòng)板收集的脫出物。由于在試驗(yàn)室放置了一段時(shí)間后，含水率與田間收獲試驗(yàn)時(shí)有所不同，為了盡可能與田間收獲時(shí)的含水率一致，在進(jìn)行正式試驗(yàn)之前先對(duì)物料的含水率進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用噴水法[15]進(jìn)行含水率調(diào)節(jié)，噴水的質(zhì)量按式(11)計(jì)算，把噴完水的物料放置在室溫下24 h以上，使含水率均勻。參考NY/T 1235—2006《牧草與草坪草種子清選技術(shù)規(guī)程》[16]進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)分為單因素試驗(yàn)和多因素響應(yīng)面試驗(yàn)兩部分，試驗(yàn)過程中先將物料倒入料斗，在風(fēng)機(jī)與振動(dòng)篩的共同作用下開始清選試驗(yàn)，待清選試驗(yàn)裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，分別在出料口與出雜口接取物料，每次試驗(yàn)重復(fù)3次，最后求取平均值。

(11)

式中：M0——羊草種子脫出物的初始質(zhì)量，g；

M1——所需水的質(zhì)量，g；

W0——羊草種子脫出物的初始含水率，g；

W1——羊草種子脫出物所需的含水率，g。

3.2 試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)

清選效果與風(fēng)篩清選裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)密切相關(guān)，本次試驗(yàn)主要選取對(duì)清選性能影響較大的4個(gè)因素進(jìn)行分析，分別為振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、喂入量以及篩孔尺寸。對(duì)各因素的水平進(jìn)行選取，如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab. 2 Test factor level

羊草種子脫出物清選試驗(yàn)要求清潔的羊草種子從振動(dòng)篩的下篩落下，短莖稈等雜質(zhì)則從排雜口排出，但實(shí)際試驗(yàn)過程中，會(huì)有雜質(zhì)跟隨羊草種子一起落進(jìn)接料裝置，部分種子會(huì)在雜質(zhì)的夾帶下被帶出排雜口。因此，取篩下物的含雜率、排雜口損失率作為本次清選試驗(yàn)的試驗(yàn)指標(biāo)，含雜率與損失率的計(jì)算按照式(12)、式(13)進(jìn)行。

(12)

(13)

式中：Y1——含雜率，%；

Y2——損失率，%；

m0——篩下物總質(zhì)量，g；

m1——篩下物中羊草種子質(zhì)量，g；

m2——排雜口中羊草種子質(zhì)量，g。

3.3 單因素試驗(yàn)

3.3.1 振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)

試驗(yàn)前先調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的變頻器頻率，在振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速范圍250～350 r/min之間選取5個(gè)水平，設(shè)定風(fēng)篩清選裝置的喂入量為0.08 kg/s，上篩篩孔尺寸為6 mm×6 mm，下篩篩孔尺寸為4 mm×4 mm，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為950 r/min進(jìn)行試驗(yàn)，清選性能隨振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速的變化如圖10所示。

圖10 振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速與清選性能的關(guān)系Fig. 10 Relationship between vibrating screen speed and cleaning performance

從圖10中可知，振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速對(duì)清選性能的影響較復(fù)雜，較低或較高的轉(zhuǎn)速都會(huì)影響含雜率，隨著振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速的增大，含雜率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，損失率則一直呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。這表明，振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速增大使得羊草種子脫出物的透篩機(jī)會(huì)也隨之增大，而夾雜在雜質(zhì)中被排出的羊草種子也會(huì)增多。在275 r/min處含雜率最低，此時(shí)達(dá)到了一個(gè)較好的清選效果。

3.3.2 篩孔尺寸單因素試驗(yàn)

選取振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速300 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速950 r/min，喂入量0.08 kg/s，篩孔尺寸選取4組編織篩，分別為：上篩20 mm×4 mm、下篩16 mm×4 mm的長(zhǎng)孔篩，上篩16 mm×6 mm、下篩16 mm×4 mm的長(zhǎng)孔篩，上篩8 mm×8 mm、下篩4 mm×4 mm的方孔篩，上篩6 mm×6 mm、下篩4 mm×4 mm的方孔篩進(jìn)行試驗(yàn)，得到清選性能隨篩孔尺寸變化的關(guān)系如圖11所示。

圖11 篩孔尺寸與清選性能的關(guān)系Fig. 11 Relationship between sieve size and cleaning performance

從圖11中可知，上篩20 mm×4 mm、下篩16 mm×4 mm與上篩6 mm×6 mm、下篩4 mm×4 mm處的含雜率差距較小，上篩6 mm×6 mm、下篩4 mm×4 mm處的損失率大于上篩20 mm×4 mm，下篩16 mm×4 mm 處的損失率，長(zhǎng)孔篩與方孔篩對(duì)含雜率的影響較小，這表明在羊草種子脫出物的清選過程中篩孔長(zhǎng)度方向?qū)s率的變化影響不明顯，主要取決于篩孔寬度方向的尺寸。損失率方面方孔篩大于長(zhǎng)孔篩，這是因?yàn)楹Y孔尺寸變小，羊草種子脫出物的透篩機(jī)會(huì)隨之變小，種子隨著一些雜質(zhì)被帶出排雜口。

3.3.3 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)

選取上篩篩孔尺寸為6 mm×6 mm、下篩篩孔尺寸為4 mm×4 mm，振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速300 r/min，喂入量0.08 kg/s，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍從870～1 100 r/min選取6個(gè)水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)，清選性能隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如圖12所示。

圖12 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與清選性能的關(guān)系Fig. 12 Relationship between fan speed and cleaning performance

從圖12中可以知，含雜率隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大呈下降趨勢(shì)，后逐漸趨于平穩(wěn)，損失率隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大呈增大趨勢(shì)，并且在達(dá)到1 050 r/min后急劇上升，這表明在1 050 r/min之后的風(fēng)速超過了羊草種子脫出物的懸浮速度，致使羊草種子在沒有透篩的情況下被吹出了排雜口。從總體趨勢(shì)來看，在風(fēng)速較小時(shí)部分莖稈、麩皮等輕雜質(zhì)會(huì)被吹出機(jī)外，此時(shí)一些莖稈與大部分種子會(huì)落到接料口，因此含雜率較大，損失率較小。風(fēng)速較大時(shí)，種子與莖稈都會(huì)被吹出，造成含雜率較小，損失率較大現(xiàn)象，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速950～1 050 r/min時(shí)，清選效果較好。

3.3.4 喂入量單因素試驗(yàn)

選取上篩篩孔尺寸6 mm×6 mm、下篩篩孔尺寸4 mm×4 mm，振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速300 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速950 r/min，喂入量在0.07～0.09 kg/s之間選取5個(gè)水平，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，清選性能隨喂入量的變化關(guān)系如圖13所示。

從圖13中可知，含雜率隨著喂入量的增大呈先減小后增大趨勢(shì)，損失率隨著喂入量的增大呈增大趨勢(shì)。這是因?yàn)?，隨著喂入量的增大，篩面上的物料層會(huì)變厚，一些莖稈與種子在未及時(shí)透篩的情況下，隨著物料層向后移動(dòng)，最后在振動(dòng)篩以及風(fēng)機(jī)氣流的作用下被帶出排雜口，因此含雜率會(huì)變小，損失率會(huì)變大，隨著喂入量持續(xù)增大，透篩的莖稈變多，因此含雜率又會(huì)呈增大趨勢(shì)。在喂入量為0.08 kg/s時(shí)含雜率最低，損失率也較小，此時(shí)能達(dá)到一個(gè)較好的清選效果。

圖13 喂入量與清選性能的關(guān)系Fig. 13 Relationship between feeding amount and cleaning performance

4 響應(yīng)面試驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析各試驗(yàn)因素對(duì)清選性能的影響情況，考察各因素之間是否存在交互作用，在單因素基礎(chǔ)上，選取合理的因素水平進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析。

響應(yīng)曲面法(Response Surface Methodology，RSM)，是一種試驗(yàn)條件尋優(yōu)的方法，適宜于解決非線性數(shù)據(jù)處理的相關(guān)問題[17]。響應(yīng)面分析的試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要有：中心組合設(shè)計(jì)(Central Composite，CCD，包括通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)、二次正交組合設(shè)計(jì)等)；BOX設(shè)計(jì)(Box-Behnken設(shè)計(jì))等[18]。本文選取中心組合設(shè)計(jì)進(jìn)行響應(yīng)面分析，根據(jù)試驗(yàn)采集的輸入輸出數(shù)據(jù)，獲得輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的關(guān)系。

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)，在Design-Expert 11中進(jìn)行中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、喂入量作為響應(yīng)面試驗(yàn)的變量，采用含雜率與損失率作為響應(yīng)，篩孔尺寸選取上篩6 mm×6 mm，下篩4 mm×4 mm。為了描述最佳區(qū)域中響應(yīng)面的性質(zhì)，中心復(fù)合設(shè)計(jì)取六個(gè)中心點(diǎn)和每個(gè)因子的五個(gè)水平，并取可旋轉(zhuǎn)α，因此因子水平編碼為(-1.682，-1，0，1，1.682)，試驗(yàn)參數(shù)及相應(yīng)范圍見表3，表4顯示了一個(gè)中心復(fù)合旋轉(zhuǎn)因子設(shè)計(jì)，其中包括20組清選過程建模的編碼條件。

表3 試驗(yàn)參數(shù)及對(duì)應(yīng)的范圍編碼Tab. 3 Test parameters and corresponding range codes

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab. 4 Experimental design and results

由表4可以看出，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)得出的含雜率范圍為21.3%～39.3%，損失率范圍為2.0%～7.0%。借助Design-Expert 11軟件對(duì)含雜率Y1和損失率Y2進(jìn)行回歸模型的方差分析，如表5、表6所示，分別得到Y(jié)1和Y2的二次回歸模型如式(14)、式(15)所示，回歸模型可以用來預(yù)測(cè)每個(gè)因子給定的響應(yīng)，通過比較各因子系數(shù)，可以確定各因子的相對(duì)影響。

Y1=29.03+2.41A-0.349 5B+1.71C-

0.387 5AB-2.39AC-1.46BC-

1.40A2+2.72B2-0.395 4C2

(14)

Y2=4.02+0.076 2A+0.775 5B-

0.397 4C+0.162 5AB+0.912 5AC-

0.087 5BC+0.298 3A2+

0.174 5B2+0.528 1C2

(15)

表5 含雜率方差分析Tab. 5 Impurity analysis of variance

表6 損失率方差分析Tab. 6 Loss rate analysis of variance

由表5可知，試驗(yàn)建立的二次回歸模型的P=0.000 3，表明回歸模型極顯著，多重決定系數(shù)(R2)為0.915 2，說明二次模型不能反映含雜率總變異的0.084 8，當(dāng)F值為11.99時(shí)，表明含雜率回歸模型對(duì)風(fēng)篩清選裝置性能優(yōu)化具有重要意義。其中，模型的一次項(xiàng)A、C對(duì)含雜率影響皆極顯著；二次項(xiàng)A2對(duì)含雜率影響顯著，B2對(duì)含雜率影響極顯著；交互項(xiàng)AC對(duì)含雜率影響極顯著，BC對(duì)含雜率影響顯著。根據(jù)模型各試驗(yàn)因素回歸系數(shù)的大小，可得到各因素對(duì)含雜率的影響主次順序?yàn)椋篈>C>B，即振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速>喂入量>風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

由表6可知，二次回歸模型的P=0.0393，表明回歸模型顯著，多重決定系數(shù)(R2)為0.746 6，說明二次模型不能反映損失率總變異的0.253 4，當(dāng)F值為3.27時(shí)，表明損失率回歸模型對(duì)風(fēng)篩清選裝置性能優(yōu)化具有重要意義。其中，模型的一次項(xiàng)B對(duì)損失率影響極顯著；二次項(xiàng)C2對(duì)損失率影響顯著；交互項(xiàng)AC對(duì)損失率影響顯著，其余各項(xiàng)均不顯著。根據(jù)模型各試驗(yàn)因素回歸系數(shù)的大小，可得到各因素對(duì)損失率的影響主次順序?yàn)椋築>A>C，即風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速>振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速>喂入量。

4.2 交互項(xiàng)響應(yīng)面分析

根據(jù)建立的回歸模型，分別獲得各試驗(yàn)因素之間的響應(yīng)面圖，如圖14～圖19所示。響應(yīng)曲面的形狀與等高線圖的密度可反映出交互因素作用的強(qiáng)弱[19]。

圖14 振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響Fig. 14 Influence of vibrating screen speed and fan speed on impurity content

由圖14可知，當(dāng)振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速在275 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在990 r/min時(shí)含雜率較低，振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響明顯高于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響，由響應(yīng)面形狀可以看出，振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)含雜率有一定影響，但是影響并不顯著，這與方差分析結(jié)果一致。

圖15 振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速與喂入量對(duì)含雜率的影響Fig. 15 Influence of vibrating screen speed and feed rate on impurity content

由圖15可知，當(dāng)振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速在275 r/min，喂入量在0.08 kg/s時(shí)含雜率較低，從響應(yīng)面圖可以看出，振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速與喂入量對(duì)含雜率均有影響，二者的交互作用對(duì)含雜率的影響顯著，與方差分析結(jié)果一致。

圖16 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與喂入量對(duì)含雜率的影響Fig. 16 Influence of fan speed and feed rate on impurity content

由圖16可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在990 r/min，喂入量在0.08 kg/s時(shí)含雜率較低，喂入量對(duì)含雜率的影響大于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響，當(dāng)把喂入量固定在某一個(gè)水平，含雜率隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)。從響應(yīng)面圖可以看出，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與喂入量對(duì)含雜率均有影響，且影響顯著。

由圖17可知，當(dāng)振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速在295 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在950 r/min時(shí)損失率較低，當(dāng)把振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速固定在某一個(gè)水平，損失率隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是在振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速一定時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變大會(huì)逐漸超過羊草種子的懸浮速度，致使羊草種子被吹出排雜口。從曲面圖可以看出，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速對(duì)損失率均有影響，但影響并不顯著，這與方差分析結(jié)果一致。

圖17 振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)損失率的影響Fig. 17 Influence of vibrating screen speed and fan speed on loss rate

圖18 振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速與喂入量對(duì)損失率的影響Fig. 18 Influence of vibrating screen speed and feed rate on loss rate

從圖18可知，當(dāng)振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速在275 r/min，喂入量在0.09 kg/s時(shí)損失率較低，當(dāng)把喂入量固定在一定水平時(shí)，損失率隨振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，這表明振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速并非越高越好。從響應(yīng)面圖可以看出，振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速與喂入量對(duì)損失率均有影響，且影響顯著。

由圖19可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在950 r/min，喂入量在0.086 kg/s時(shí)損失率較低，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)損失率的影響大于喂入量對(duì)損失率的影響，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在某一水平時(shí)，損失率隨喂入量的增大呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)。從響應(yīng)面圖可以看出，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與喂入量對(duì)損失率均有影響，但二者的交互作用對(duì)損失率影響不顯著，與方差分析結(jié)果一致。

圖19 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與喂入量對(duì)損失率的影響Fig. 19 Influence of fan speed and feed volume on loss rate

4.3 較優(yōu)工作參數(shù)確定以及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，為進(jìn)一步減小風(fēng)篩式羊草種子脫出物清選裝置的含雜率與損失率，在各試驗(yàn)因素水平約束下，將含雜率與損失率的最小值作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)確定，如式(16)所示。利用Design-Expert11軟件中的優(yōu)化求解器，對(duì)建立的回歸方程進(jìn)行優(yōu)化求解。其中，損失率的重要程度要大于含雜率，因此在求解器中將損失率的重要程度設(shè)為(+++++)，含雜率的重要程度設(shè)為(++++)，優(yōu)化后得到17組試驗(yàn)方案，選取較優(yōu)一組組合為：振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速275 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速985 r/min，喂入量0.087 kg/s，此時(shí)的含雜率為26.986%，損失率為3.686%。

(16)

為了驗(yàn)證所建立的回歸模型的可靠性，在設(shè)計(jì)搭建的風(fēng)篩清選裝置上，按照以上得出的最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)材料和方法與前文所述一致，試驗(yàn)在3次求平均值后，得出含雜率為27.3%，損失率為3.3%，羊草種子清選效果較好。這與響應(yīng)面優(yōu)化值接近，表明所建立的回歸模型是可靠的。

5 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了羊草種子脫出物料風(fēng)篩清選裝置，并對(duì)裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。確定了清選裝置的關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)行了羊草種子脫出物篩面運(yùn)動(dòng)理論分析，得出下滑指數(shù)K2=3.81>起跳指數(shù)K3=-0.79>上滑指數(shù)K1=-2.96，從理論上分析了清選裝置的可行性；喂料裝置的前后位置安裝于抖動(dòng)板中部靠后，高度為110 mm，保證脫出物可以落到抖動(dòng)板上，并且與振動(dòng)篩工作過程中不發(fā)生干涉；接料裝置放置于距振動(dòng)篩845 mm處，高度距離下篩50 mm處，此時(shí)接料裝置與振動(dòng)篩工作時(shí)不會(huì)發(fā)生干涉且能達(dá)到一個(gè)較好的接料效果。

2) 進(jìn)行了振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速、篩孔尺寸、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及喂入量的單因素試驗(yàn)，得出了清選性能隨各因素變化的規(guī)律，借助響應(yīng)面試驗(yàn)分析，得出對(duì)含雜率影響因素的主次順序?yàn)椋赫駝?dòng)篩轉(zhuǎn)速、喂入量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；對(duì)損失率影響因素的主次順序?yàn)椋猴L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速、喂入量；羊草種子脫出物風(fēng)篩清選裝置較優(yōu)工作參數(shù)為：振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速275 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速985 r/min，喂入量0.087 kg/s，在此參數(shù)組合下試驗(yàn)的含雜率為27.3%，損失率為3.3%。