三自由度風(fēng)篩清選試驗(yàn)研究

劉曉飛，李耀明，馬 征，唐 忠，周 鎣，徐立章

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013 )

0 引言

農(nóng)業(yè)物料的清選是農(nóng)業(yè)收獲過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，清選裝置正向高效率、高清潔率和低損失率等方向發(fā)展[1]。風(fēng)篩式清選是最常見(jiàn)的清選方式，相關(guān)研究[2]表明：氣流和振動(dòng)篩的合理配合能顯著改善篩分性能。傳統(tǒng)風(fēng)篩式清選裝置由于振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)軌跡單一、物料難以在篩面上快速均布，篩分性能的提高受到制約，三維并聯(lián)振動(dòng)篩可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的篩面運(yùn)動(dòng)軌跡，能為物料分級(jí)、篩分性能提高提供新的解決手段[3-4]。沈有柏[5]運(yùn)用ADAMS對(duì)物料在氣流和三平移振動(dòng)篩共同作用下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，指出物料在篩面上能實(shí)現(xiàn)上拋斜后移運(yùn)動(dòng)。楊曉彬[6]對(duì)物料在氣流和三平移加一轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)篩共同作用下的透篩過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，并分析了各支鏈振幅、頻率等因素變化對(duì)篩分性能的影響規(guī)律。

本文通過(guò)對(duì)多維振動(dòng)篩分試驗(yàn)臺(tái)的改造，搭建三自由度風(fēng)篩清選裝置，對(duì)清選試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行風(fēng)速標(biāo)定，建立適用于三自由度風(fēng)篩清選的篩分性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究其工作狀態(tài)參數(shù)對(duì)篩分性能的影響，為三自由度風(fēng)篩清選裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 三自由度風(fēng)篩清選裝置及氣流入口平均風(fēng)速標(biāo)定

1.1 三自由度風(fēng)篩清選裝置基本機(jī)構(gòu)及工作原理

三維并聯(lián)振動(dòng)篩中三平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)[6]如圖1所示。其中，X向?yàn)楹Y面長(zhǎng)度方向，Y向?yàn)楹Y面寬度方向，Z向?yàn)楹Y面法向。該機(jī)構(gòu)由3條相同運(yùn)動(dòng)支鏈SOC{-C||R||R-}、篩面和機(jī)架組成，每條支鏈由軸線相互平行的圓柱副C及兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副R組成，3條運(yùn)動(dòng)支鏈在空間中兩兩相互垂直，可表示為(C||R||R)⊥(C||R||R)⊥(C||R||R)。圖1所示并聯(lián)機(jī)構(gòu)的圓柱副C也可看成一個(gè)移動(dòng)副P和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副R的復(fù)合副，即該并聯(lián)機(jī)構(gòu)相當(dāng)于(P||R||R||R)⊥(P||R||R||R)⊥(P||R||R||R)機(jī)構(gòu)。

三自由度風(fēng)篩清選試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。三自由度風(fēng)篩清選試驗(yàn)臺(tái)主要由離心風(fēng)機(jī)、風(fēng)向調(diào)節(jié)支架、接料盒、變頻器及多維振動(dòng)篩分試驗(yàn)臺(tái)等組成。通過(guò)三平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)篩框在X、Y、Z這3個(gè)方向的平移和繞Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)。試驗(yàn)臺(tái)具體配置參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7],多維振動(dòng)篩分試驗(yàn)臺(tái)各支鏈運(yùn)動(dòng)參數(shù)通過(guò)篩分程序控制。

1.離心風(fēng)機(jī) 2.過(guò)渡軟管 3.風(fēng)向調(diào)節(jié)支架 4.接料盒 5.變頻器 6.多維振動(dòng)篩分試驗(yàn)臺(tái)圖2 三自由度風(fēng)篩清選試驗(yàn)臺(tái)

1.2 試驗(yàn)臺(tái)氣流入口平均風(fēng)速標(biāo)定

對(duì)設(shè)計(jì)的風(fēng)源進(jìn)行風(fēng)速標(biāo)定，采用AVM-05型數(shù)字風(fēng)速儀測(cè)量對(duì)應(yīng)頻率下的清選試驗(yàn)臺(tái)氣流入口的速度，每組頻率測(cè)量3次取平均值。

在出風(fēng)口中部等間距取4列測(cè)點(diǎn)測(cè)量風(fēng)速，測(cè)點(diǎn)位置分布如圖3所示。按照測(cè)點(diǎn)分布測(cè)量風(fēng)速(見(jiàn)表1)繪制平均風(fēng)速與對(duì)應(yīng)頻率的散點(diǎn)圖，如圖4所示。

圖3 氣流速度標(biāo)定測(cè)量點(diǎn)分布圖

圖4 平均風(fēng)速與頻率的關(guān)系圖

頻率/Hz測(cè)得的風(fēng)速/m·s-1測(cè)點(diǎn)1測(cè)點(diǎn)2測(cè)點(diǎn)3測(cè)點(diǎn)4平均風(fēng)速/m·s-15013.728.849.2313.1711.24004511.157.237.5312.059.49004010.076.756.4110.218.3600358.745.346.169.197.3575306.984.455.047.225.9225000000

由圖4可以看出：平均風(fēng)速與頻率近似呈線性關(guān)系，運(yùn)用線性回歸數(shù)學(xué)模型擬合得到變頻器頻率f與清選裝置入口氣流平均風(fēng)速V之間的擬合函數(shù)關(guān)系式為

V=0.2187f

(1)

2 試驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)定方法

2.1 試驗(yàn)指標(biāo)的確定

傳統(tǒng)篩分效率指標(biāo)為實(shí)際得到的篩下物質(zhì)量占入篩原料中小于篩孔的物料質(zhì)量之比，但該指標(biāo)難以完全表征并聯(lián)振動(dòng)篩的篩分性能。因此，在分析三自由度風(fēng)篩清選性能時(shí)，本文選取篩分速度和含雜率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]。

篩分速度ηt是指單位時(shí)間內(nèi)篩分出的篩下物質(zhì)量，即

(2)

式中ηt—篩分速度；

N1—完全篩分后篩下籽粒質(zhì)量；

T—篩分時(shí)間。

篩分速度反映了篩分效率與篩分時(shí)間的關(guān)系，ηt越大，篩分速度越快。該指標(biāo)避免了物料在篩面上劇烈跳動(dòng)導(dǎo)致物料短時(shí)間內(nèi)大量被拋出篩面造成的完全篩分時(shí)間短但有效篩分量小的缺陷。

篩分時(shí)間t是指篩上所有小于篩孔直徑的物料全部篩分所用的時(shí)間，實(shí)際上這是一種理想狀況，在實(shí)際篩分時(shí)總有一部分物料由于篩孔堵塞、跳動(dòng)頻繁等無(wú)法透過(guò)篩面而留在篩面上或者被拋出篩面成為篩分損失。

2.2 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定方法

接料盒在篩面長(zhǎng)度方向上分為篩分統(tǒng)計(jì)區(qū)和篩面出口統(tǒng)計(jì)區(qū)，總長(zhǎng)650mm，總寬575mm。篩分統(tǒng)計(jì)區(qū)統(tǒng)計(jì)篩分后的物料，篩面出口統(tǒng)計(jì)區(qū)統(tǒng)計(jì)篩分過(guò)后不能透篩而從篩面出口排出的物料。試驗(yàn)時(shí)，首先將接料盒放置在篩面下方，記錄完全篩分所用的時(shí)間，人工處理經(jīng)多維振動(dòng)篩分落在接料盒上的物料獲得篩分性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 正交試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)物料

試驗(yàn)以小麥和莖稈的混合物作為篩分試驗(yàn)物料，小麥品種為濟(jì)麥22。據(jù)統(tǒng)計(jì)，經(jīng)脫粒裝置分離后的混合物料中小麥籽粒與莖稈質(zhì)量比約為20：1[9]。選取小麥500g，按照上述質(zhì)量比配比混合物料，如圖5所示。其中，小麥含水率11.6%～15.2%，莖稈含水率18.3%～23.9%。

圖5 小麥混合物

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為研究三維并聯(lián)振動(dòng)篩和氣流共同作用下對(duì)篩分性能的影響規(guī)律，試驗(yàn)選取風(fēng)速、風(fēng)向、X振幅、X頻率、Y振幅、Y頻率、Z振幅和Z頻率共8個(gè)因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，各因素水平如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)因素與水平表

采用正交表[10]L27(313)安排試驗(yàn)。篩面采用單層沖孔篩，篩面尺寸500mm×300mm，篩面傾角3°。根據(jù)正交表調(diào)整各工作參數(shù)的水平進(jìn)行篩分試驗(yàn)。

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)正交試驗(yàn)表可知共有27組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)指標(biāo)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 三自由度風(fēng)篩清選性能試驗(yàn)結(jié)果表

續(xù)表3

續(xù)表3

續(xù)表3

1)對(duì)篩分速度評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行極差分析。

篩分速度指標(biāo)極差分析結(jié)果如表4所示。由表4可知：對(duì)物料篩分速度影響主次順序?yàn)镋→G→C→A→B→H→D→F。具體為：Y振幅、Z振幅、X振幅、風(fēng)速、風(fēng)向、Z頻率、X頻率、Y頻率，即Y振幅對(duì)篩分速度影響最大。

表4 篩分速度評(píng)價(jià)指標(biāo)極差分析結(jié)果

根據(jù)表4極差分析結(jié)果繪制各因素對(duì)篩分速度影響趨勢(shì)圖，如圖6所示。由圖6可知：針對(duì)篩分速度指標(biāo)，各試驗(yàn)因素的最佳組合是A3B2C3D2E1F1G2H2。即風(fēng)速為10m/s，風(fēng)向26°，X振幅8mm，X頻率4Hz，Y振幅2mm，Y頻率2Hz，Z振幅6mm，Z頻率4Hz。

圖6 仿真因素對(duì)篩分速度的影響

2)對(duì)含雜率評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行極差分析。含雜率評(píng)價(jià)指標(biāo)極差分析結(jié)果如表5所示。各因素對(duì)含雜率影響主次順序?yàn)锳→E→D→B→G→C→H→F。具體為：風(fēng)速、Y振幅、X頻率、風(fēng)向、Z振幅、X振幅、Z頻率、Y頻率，即風(fēng)速對(duì)含雜率影響最大。

根據(jù)表5極差分析結(jié)果繪制各因素對(duì)含雜率影響趨勢(shì)圖，如圖7所示。由圖7可知：針對(duì)含雜率指標(biāo)，各試驗(yàn)因素最佳組合為A1B2C2D1E1F3G2H2。即風(fēng)速為6m/s，風(fēng)向26°，X振幅6mm，X頻率3Hz，Y振幅2mm，Y頻率4Hz，Z振幅6mm，Z頻率4Hz。

本試驗(yàn)存在篩分速度和含雜率兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在多指標(biāo)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，影響因素的最佳組合之間可能存在一定矛盾。為兼顧各指標(biāo)，采用綜合平衡法[10]對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定最優(yōu)方案：

1)因素A對(duì)篩分速度影響排名第4，對(duì)含雜率影響排名第1，取A1可獲得較低含雜率，實(shí)踐中應(yīng)優(yōu)先保證篩分速度。對(duì)比圖6和圖7可知，取A3時(shí)篩分速度最高，且此時(shí)含雜率與A1接近，因此因素A取A3。

2)因素B對(duì)于篩分速度和含雜率均取B2時(shí)最佳，因此因素B取B2。

3)因素C對(duì)篩分速度影響排名第3，取C3時(shí)可獲得較高的篩分速度，對(duì)含雜量影響排名第6，對(duì)該指標(biāo)影響較小，因此因素C取C3。

4)因素D對(duì)篩分速度影響排名第7，對(duì)該指標(biāo)影響較小，對(duì)含雜率影響排名第3。對(duì)比圖6和圖7可知，雖然取D2時(shí)可獲得較高篩分速度，但是此時(shí)含雜率也最高，取D1時(shí)含雜率最低，并且篩分速度在D1時(shí)僅略低于D2，因此因素D取D1。

5)因素E對(duì)于篩分速度和含雜率均取E1時(shí)最佳，因此因素E取E1。

6)因素F對(duì)篩分速度和含雜率影響排名中均為第8位，該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最小，為了保證一定的篩分速度，因素F取F1。

7)因素G對(duì)于篩分速度和含雜率均為G2時(shí)最佳，因此因素G取G2。

8)因素H對(duì)于篩分速度和含雜率均為H2時(shí)最佳，因此因素H取H2。

根據(jù)以上綜合平衡法的分析結(jié)果，得到最優(yōu)方案為A3B2C3D1E1F1G2H2，即風(fēng)速為10m/s，風(fēng)向26°，X振幅8mm，X頻率3Hz，Y振幅2mm，Y頻率2Hz，Z振幅6mm，Z頻率4Hz。

由綜合平衡法進(jìn)行分析得到的最優(yōu)方案未出現(xiàn)在正交試驗(yàn)中，因此在三自由度風(fēng)篩清選試驗(yàn)臺(tái)上按照最優(yōu)方案進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，得到篩分時(shí)間為3.63s，篩分速度為132.18g/s，含雜率為0.497%。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，按照最優(yōu)方案進(jìn)行篩分后清選性能得到提高。從試驗(yàn)結(jié)果中還可以看出：Y向振幅不宜較大，在Y向增加微小的激振能顯著提高振動(dòng)篩的篩分性能；但Y向的激振過(guò)大時(shí)不僅造成篩分速度的大幅降低，還會(huì)降低篩下物料的清潔度。

4 結(jié)論

1)構(gòu)建了三自由度風(fēng)篩清選裝置，并對(duì)試驗(yàn)臺(tái)氣流入口平均風(fēng)速進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定，得到了平均風(fēng)速與頻率的線性擬合關(guān)系式，采用正交實(shí)驗(yàn)得到了各因素對(duì)篩分性能的主次影響順序。其中，篩面寬度方向振幅對(duì)篩分速度影響最大，風(fēng)速對(duì)含雜率影響最大。

2)利用綜合平衡法分析得到了實(shí)現(xiàn)物料最佳透篩效果時(shí)各個(gè)因素的取值，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)臺(tái)清選性能得到了顯著提高。

3)篩面寬度方向增加微小的激振能顯著提高振動(dòng)篩的篩分性能，但激振過(guò)大時(shí)不僅造成篩分速度的大幅降低，還會(huì)降低篩下物料的清潔度。

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