先揉切后分離風(fēng)篩組合式花生膜秧分離裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊 猛 張延化 張 沖 顧峰瑋 于昭洋 胡志超

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014)

0 引言

花生秧作為畜牧飼料具有營(yíng)養(yǎng)豐富、質(zhì)地松軟、價(jià)格低廉等特點(diǎn)[1-2]。中國(guó)部分花生主產(chǎn)區(qū)常采用覆膜種植方式，覆膜種植具有保溫、保墑等功能，可顯著提高花生產(chǎn)量[3]。目前，中國(guó)花生覆膜種植面積已超過(guò)233萬(wàn)hm2[4]。覆膜種植花生收獲后的花生秧會(huì)纏帶殘膜，如果直接粉碎作為畜牧飼料使用，動(dòng)物(尤其是反芻動(dòng)物)攝入后會(huì)產(chǎn)生各種消化系統(tǒng)病癥，甚至危及牲畜生命。因此，含殘膜花生秧需要通過(guò)人工或機(jī)械手段清除殘膜，以提高其利用價(jià)值。

在花生機(jī)械化收獲作業(yè)過(guò)程中，由于輸送、摘果等作業(yè)部件的擠壓和揉搓，殘膜與秧蔓之間纏繞緊實(shí)、打結(jié)成團(tuán)，人工操作很難將殘膜直接從花生秧上摘除干凈?；ㄉ砣嗲谐C(jī)是一種兼具揉切、除膜功能的花生秧飼料化加工設(shè)備，能夠?qū)ㄉ砑皻埬みM(jìn)行揉切作業(yè)，并將殘膜從揉切后的混合物料中分離出來(lái)，從而滿足花生秧飼料化加工的要求。膜秧分離作業(yè)是含殘膜花生秧飼料化加工的重要組成部分，其作業(yè)質(zhì)量將直接影響花生秧揉切除膜機(jī)的作業(yè)性能。農(nóng)產(chǎn)品物料清選分離方法包括風(fēng)選法、電選法和磁選法等，其中風(fēng)選法在多種農(nóng)產(chǎn)品物料清選分離設(shè)備中被廣泛應(yīng)用[5-6]。膜秧分離作業(yè)與物料清選作業(yè)原理相類似，國(guó)內(nèi)外對(duì)含殘膜花生秧膜秧分離的研究相對(duì)較少，在設(shè)計(jì)時(shí)可參考借鑒農(nóng)作物收獲機(jī)械和產(chǎn)后加工設(shè)備清選裝置等相關(guān)研究成果[7-17]。含殘膜花生秧經(jīng)揉切除膜機(jī)揉切后，其物料成分復(fù)雜、外形尺寸多樣、物理狀態(tài)多變、物理屬性差異較大，使膜秧分離作業(yè)難度較高?，F(xiàn)有機(jī)型存在除膜率低、秧料損失率高等問(wèn)題(其中除膜率不足85%，損失率超過(guò)12%)。因此，研究花生膜秧分離特性、優(yōu)化膜秧分離裝置、提高膜秧分離率、降低損失率是當(dāng)前花生秧揉切除膜機(jī)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

本文結(jié)合花生秧揉切后物料的尺寸特征和懸浮特性設(shè)計(jì)一種風(fēng)篩組合式膜秧分離裝置，并以花生秧揉切除膜機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行膜秧分離特性試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化，研究膜秧分離裝置結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)除膜率和損失率的影響規(guī)律，尋求較優(yōu)參數(shù)組合，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，為花生秧揉切除膜機(jī)膜秧分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與作業(yè)原理

花生秧揉切除膜機(jī)一次可完成喂料、揉切、膜秧分離、復(fù)碎和秧料輸送收集等功能，動(dòng)力輸出由電機(jī)提供。作業(yè)時(shí)，含殘膜花生秧從機(jī)具前端喂入裝置均勻喂入，經(jīng)推料軸輸送至揉切裝置進(jìn)行揉切作業(yè)。經(jīng)揉切后殘膜與秧料的混合物料向下落至膜秧分離裝置的雙層振動(dòng)篩上，并在其作用下進(jìn)行分級(jí)、清土、除膜并向后輸送。未切碎的秧料從上層編織篩尾部側(cè)邊出口輸送至復(fù)碎裝置，經(jīng)復(fù)碎裝置輸送至前端喂入裝置進(jìn)行二次揉切，切碎的秧料從下層沖孔篩上向后輸送至物料提升輸送裝置，在上層篩后上方以及物料提升輸送裝置與沖孔篩間布置有離心風(fēng)機(jī)，用于分離從篩上輸送的混合物料中夾雜的殘膜，潔凈的秧料由物料提升輸送裝置向后輸送至出料口進(jìn)行裝袋。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of machine1.喂入裝置 2.復(fù)碎裝置 3.揉切裝置 4.上層篩離心風(fēng)機(jī) 5.下層篩離心風(fēng)機(jī) 6.物料提升輸送裝置 7.出料口 8.行走輪 9.雙層振動(dòng)篩 10.機(jī)架 11.電機(jī)

2 物料特性試驗(yàn)與關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 揉切物料懸浮速度測(cè)定

含殘膜花生秧經(jīng)揉切后物料中殘膜與秧料在懸浮速度上的差異，是設(shè)計(jì)花生秧揉切除膜機(jī)膜秧分離裝置離心風(fēng)機(jī)的重要依據(jù)。因此在離心風(fēng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)之前有必要進(jìn)行揉切后物料懸浮速度的測(cè)定。

試驗(yàn)用花生秧為花生覆膜種植主產(chǎn)區(qū)的主栽品種“魯花11”、“四粒紅”和“花育22”，所覆地膜規(guī)格為常用的厚度0.008 mm的標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯塑料膜。摘果后的花生秧自然晾曬至含水率20%以下，以保證揉切除膜后在儲(chǔ)存與運(yùn)輸過(guò)程中不產(chǎn)生霉變。參考油菜、谷子等[18-20]農(nóng)作物聯(lián)合收獲機(jī)收獲時(shí)脫出物懸浮特性的研究方法以及懸浮速度測(cè)定方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[21]。從花生秧揉切除膜機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)取揉切后的混合物料進(jìn)行尺寸特征分析并對(duì)物料分撿，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：在揉切后的混合物料中，長(zhǎng)度小于30 mm的物料質(zhì)量占比90%以上，這類物料作為畜牧飼料適口性較好，去除殘膜后可以直接裝袋；長(zhǎng)度超過(guò)30 mm的物料，需進(jìn)入復(fù)碎裝置進(jìn)行二次揉切處理。對(duì)混合物料分撿得到粗莖稈(徑向尺寸大于3 mm的段狀花生秧莖稈)、細(xì)莖稈(徑向尺寸小于3 mm的段狀花生秧莖稈)、根、果柄、葉和粉碎后的殘膜等物料，分別進(jìn)行懸浮速度測(cè)定試驗(yàn)。懸浮速度測(cè)定試驗(yàn)使用DFPF-25型物料懸浮速度試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)設(shè)備、方法及計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[6，20]，3種試驗(yàn)花生秧揉切后各物料成分懸浮速度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 花生秧揉切后各物料成分懸浮速度Tab.1 Suspension velocity of shredded materials of peanut seedlings m/s

由表1可見，同一品種花生秧不同物料間懸浮速度存在明顯差異，而不同品種花生秧揉切后的同種物料懸浮速度基本一致；經(jīng)揉切粉碎后的殘膜懸浮速度除略小于花生葉以外，與其他物料懸浮速度差異顯著。殘膜與花生秧物料間懸浮速度差異顯著，有利于花生秧揉切除膜機(jī)將殘膜從揉切后的物料中分離出來(lái)。說(shuō)明本設(shè)計(jì)采用風(fēng)篩組合式分離原理進(jìn)行含殘膜花生秧膜秧分離的方案可行。

2.2 結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)設(shè)計(jì)

為保證加工后的花生秧在滿足牲畜適口性的同時(shí)使花生秧揉切除膜機(jī)達(dá)到較好的膜秧分離效果，所設(shè)計(jì)的膜秧分離裝置采用一前一后、一上一下的兩級(jí)離心風(fēng)機(jī)與雙層振動(dòng)篩組合進(jìn)行膜秧分離作業(yè)，該組合可根據(jù)篩上物料的尺寸特征以及懸浮特性，確定膜秧分離裝置較優(yōu)作業(yè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)物料與殘膜的“分級(jí)雙吸”。如圖2所示，膜秧分離裝置主要由離心風(fēng)機(jī)、雙層振動(dòng)篩以及其他零部件組成，動(dòng)力由電機(jī)帶動(dòng)帶輪提供。作為花生秧揉切除膜機(jī)的核心工作部件，其工作原理是：機(jī)具作業(yè)時(shí)，經(jīng)揉切裝置揉切后的膜秧混合物料落至膜秧分離裝置雙層振動(dòng)篩上層編織篩前端，在編織篩的振動(dòng)作用下進(jìn)行分級(jí)并向后輸送，混合物料中尺寸超過(guò)編織篩篩孔尺寸的物料在上層編織篩上繼續(xù)向后輸送至后端，編織篩后端上方布置有離心風(fēng)機(jī)，當(dāng)編織篩上物料輸送至離心風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口下方時(shí)，殘膜在離心風(fēng)機(jī)葉片高速旋轉(zhuǎn)形成的氣流作用下被吸走并吹出，上層篩尾部是復(fù)碎進(jìn)料口，分離出殘膜的上層物料由復(fù)碎進(jìn)料口進(jìn)入復(fù)碎裝置；混合物料中尺寸較小的物料在上層編織篩的分級(jí)作用下落至下層沖孔篩進(jìn)行清土并向后輸送，下層沖孔篩與物料提升輸送裝置之間也布置有離心風(fēng)機(jī)，對(duì)輸送至吸風(fēng)口處的下層混合物料進(jìn)行除膜作業(yè)，分離出殘膜的潔凈秧料由物料提升輸送裝置輸送至出料口裝袋。

圖2 膜秧分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of residual film-seedling separating device1.曲柄連桿機(jī)構(gòu) 2.振動(dòng)篩 3.下層篩風(fēng)機(jī) 4.搖稈 5.上層篩風(fēng)機(jī)

2.2.1離心風(fēng)機(jī)主要參數(shù)設(shè)計(jì)

揉切后的殘膜與花生秧物料間懸浮速度的差異是離心風(fēng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)[22]。離心風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口處氣流速度應(yīng)大于殘膜的懸浮速度且小于篩上花生秧物料的懸浮速度。通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)研究分析振動(dòng)篩上物料分布情況得到：當(dāng)膜秧混合物料在雙層振動(dòng)篩的振動(dòng)作用下分級(jí)并向后輸送至離心風(fēng)機(jī)下方時(shí)，上層編織篩上的物料幾乎全部是長(zhǎng)度超過(guò)30 mm的花生秧粗莖稈和待分離的殘膜，而下層沖孔篩上的物料則是滿足牲畜適口性的花生秧揉切后的混合物料。因此，上層篩風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口處風(fēng)速應(yīng)小于粗莖稈懸浮速度最小值，為1.03～3.67 m/s，下層篩風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口處風(fēng)速應(yīng)小于花生葉懸浮速度最小值，為1.03～1.08 m/s，但考慮到進(jìn)食含殘膜花生秧飼料對(duì)牲畜的危害高于作業(yè)過(guò)程中損失部分花生秧造成的經(jīng)濟(jì)損失，在設(shè)計(jì)時(shí)為將殘膜除去，應(yīng)適當(dāng)提高下層篩風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口處風(fēng)速，因此本設(shè)計(jì)中將下層篩風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口處風(fēng)速范圍定為1.03～2.79 m/s。離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，上層篩風(fēng)機(jī)與下層篩風(fēng)機(jī)除轉(zhuǎn)速不同外，結(jié)構(gòu)參數(shù)基本一致，此處以上層篩風(fēng)機(jī)為例。

圖3 離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structural diagram of centrifugal fans1.吸風(fēng)道 2.出風(fēng)口 3.內(nèi)側(cè)進(jìn)風(fēng)口 4.風(fēng)機(jī)葉輪 5.吸風(fēng)口調(diào)節(jié)套 6.吸風(fēng)口高度調(diào)節(jié)旋鈕 7.吸風(fēng)口

風(fēng)機(jī)采用徑向直葉片通用型離心風(fēng)機(jī)，葉輪外徑D一般為250～400 mm[14]，取D=400 mm。風(fēng)機(jī)出風(fēng)口理論風(fēng)速計(jì)算公式為

v=avc

(1)

式中v——風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速，m/s

a——速度增大系數(shù)，范圍為1.9～3.9，取1.9[22]

vc——吸風(fēng)口風(fēng)速，m/s

離心風(fēng)機(jī)全壓[23]計(jì)算式為

pq=pi+pb

(2)

(3)

(4)

式中pq——風(fēng)機(jī)全壓，Pa

pi——風(fēng)機(jī)靜壓，Pa

pb——風(fēng)機(jī)動(dòng)壓，Pa

ξ——?dú)饬髂Σ烈驍?shù)，取0.35[22]

l——吸風(fēng)道長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)值0.5 m

ρ——空氣密度，取1.293 kg/m3

r0——水力半徑，取0.038 m[22]

g——重力加速度，取9.8 m/s2

ψ——管道對(duì)氣流阻力系數(shù)，取0.35[22]

λ——風(fēng)機(jī)進(jìn)出口對(duì)氣流阻力系數(shù)，取0.6[22]

代入數(shù)據(jù)得：上層篩風(fēng)機(jī)全壓pq1為1.66～20.98 Pa，下層篩風(fēng)機(jī)全壓pq2為1.66～12.13 Pa。

離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n為

(5)

式中ε——計(jì)算系數(shù)，為0.35～0.4，取0.4[14]

將離心風(fēng)機(jī)全壓數(shù)據(jù)代入式(5)中，圓整后得上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍n1為268～952 r/min，下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍n2為268～724 r/min。樣機(jī)試驗(yàn)表明，當(dāng)上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于700 r/min，下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于500 r/min時(shí)，設(shè)備損失率雖然較低，但除膜率會(huì)驟降至80%以下，不能滿足生產(chǎn)需要； 而當(dāng)上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于900 r/min，下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于700 r/min時(shí)，設(shè)備除膜率雖能滿足要求，但損失率會(huì)增加至10%以上，綜合考慮設(shè)備除膜率與損失率作業(yè)指標(biāo)，結(jié)合樣機(jī)試驗(yàn)，最終確定上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為700～900 r/min可調(diào)，下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速500～700 r/min可調(diào)。吸風(fēng)口距篩面高度為150～350 mm可調(diào)。

2.2.2雙層振動(dòng)篩主要參數(shù)設(shè)計(jì)

樣機(jī)試驗(yàn)表明：花生秧經(jīng)揉切裝置一次揉切后物料尺寸不能完全滿足花生秧飼料化加工的要求，部分花生秧未經(jīng)充分揉切即掉落至振動(dòng)篩上。針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙層振動(dòng)輸送裝置，采用雙層振動(dòng)篩來(lái)完成揉切后物料的分級(jí)、清土、除膜與輸送。經(jīng)上層編織篩分級(jí)，充分揉切后的秧料、殘膜以及塵土落至下層沖孔篩進(jìn)行清土、輸送與除膜，未經(jīng)充分揉切的秧料、殘膜在上層編織篩的振動(dòng)作用下進(jìn)行除膜并向后輸送至復(fù)碎裝置。在上層編織篩后端上部以及下層沖孔篩尾部布置有離心風(fēng)機(jī)，經(jīng)揉切裝置切碎的殘膜在離心風(fēng)機(jī)作用下被吸走并吹出。根據(jù)花生秧經(jīng)揉切后物料的尺寸特征，雙層振動(dòng)篩上層采用篩孔邊長(zhǎng)為20 mm的編織篩，長(zhǎng)×寬為1 680 mm×930 mm，下層設(shè)計(jì)成篩孔孔徑2 mm的沖孔篩，長(zhǎng)×寬為1 960 mm×930 mm，篩孔采用六角形配置法[24]，前部有孔、后部無(wú)孔，如圖4所示，其中上層篩與下層篩間距離為330 mm。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上參考文獻(xiàn)[22],確定振動(dòng)篩振幅為60 mm,即振動(dòng)篩驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中曲柄半徑為30 mm。振動(dòng)篩振動(dòng)運(yùn)動(dòng)分析如圖5所示。

圖4 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structural diagram of vibrating sieve1.曲柄連桿機(jī)構(gòu) 2.篩體 3.搖桿 4.上層編織篩 5.下層沖孔篩

圖5 篩上物料受力分析Fig.5 Mechanical analysis of forces acting upon material particle on sieve

不考慮加工與安裝誤差，篩體的運(yùn)動(dòng)可看作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)[24-25]。設(shè)OA方向?yàn)楹Y體運(yùn)動(dòng)正方向，沿篩面向上為物料沿篩面相對(duì)運(yùn)動(dòng)正方向，則篩體的運(yùn)動(dòng)可表示為

x=-rcos(ωt)

(6)

(7)

(8)

式中x——篩體位移，m

vs——篩體速度，m/s

as——篩體加速度，m/s2

r——曲柄半徑，設(shè)計(jì)值0.03 m

ω——曲柄角速度，rad/s

t——時(shí)間，s

(9)

其中

I=mrω2cos(ωt)

(10)

F=Ntanφ

(11)

式中I——物料所受慣性力，N

xAB——物料沿篩體滑動(dòng)位移，m

G——重力，N

F——摩擦力，N

N——物料所受篩面法向反力，N

α——篩面傾角，設(shè)計(jì)值2°

θ——篩體振動(dòng)方向角，設(shè)計(jì)值5.5°

φ——摩擦角，取31.8°[22]

(12)

(13)

同理可得曲柄位于Ⅰ、Ⅳ象限內(nèi)時(shí)物料向下滑動(dòng)的曲柄極限轉(zhuǎn)速為

(14)

結(jié)合上述分析，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(13)、(14)中得，物料向上滑動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)速n3>146.36 r/min，向下滑動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)速n4>127.45 r/min。在樣機(jī)試制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速小于150 r/min時(shí)，篩上物料不能順暢地輸送至物料提升輸送裝置，導(dǎo)致花生秧物料擁堵，設(shè)備已無(wú)法正常作業(yè)；當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速大于270 r/min時(shí)，整機(jī)抖動(dòng)幅度過(guò)大，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)會(huì)損壞設(shè)備零部件，也無(wú)法正常作業(yè)。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，最終確定曲柄轉(zhuǎn)速180～240 r/min可調(diào)，即振動(dòng)篩振動(dòng)頻率3～4 Hz可調(diào)。

經(jīng)過(guò)樣機(jī)初步試驗(yàn)以及前期物料懸浮特性試驗(yàn)基礎(chǔ)，測(cè)得揉切后物料中殘膜與花生秧間懸浮速度差異明顯，此外，根據(jù)殘膜質(zhì)量輕、易飄浮等特性，揉切后物料在膜秧分離裝置振動(dòng)篩上運(yùn)動(dòng)時(shí)殘膜會(huì)被離心風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口處氣流吸走并吹出，達(dá)到殘膜與花生秧物料的分離效果。要得到膜秧分離的較優(yōu)效果，需要后續(xù)試驗(yàn)研究膜秧分離裝置各因素的影響關(guān)系以及因素間的交互作用，確定作業(yè)參數(shù)較優(yōu)配比。

3 膜秧分離特性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

膜秧分離特性試驗(yàn)在山東臨沭東泰機(jī)械有限公司進(jìn)行，以取自東泰機(jī)械有限公司試驗(yàn)田覆膜種植的“花育22”花生收獲后自然晾曬的花生秧為試驗(yàn)材料，花生秧含水率14%～16%，含膜率0.8%～1.2%(測(cè)量方法：每次測(cè)量隨機(jī)取5 kg試驗(yàn)材料，人工摘除秧上纏繞的殘膜進(jìn)行稱量并計(jì)算樣品中殘膜所占比例)。試驗(yàn)花生秧按照設(shè)備設(shè)計(jì)值以0.5 kg/s的喂入量由人工均勻喂入。試驗(yàn)主要設(shè)備與儀器包括：花生秧揉切除膜機(jī)、電子秤、DGF30/7-IA型電熱鼓風(fēng)干燥箱、FA1004型電子天平、DT-2236型數(shù)顯轉(zhuǎn)數(shù)表、密封袋等。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Test site

3.2 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

在花生秧揉切除膜機(jī)作業(yè)過(guò)程中，有很多影響設(shè)備作業(yè)性能的因素，基于前期設(shè)計(jì)與單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)，確定上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)篩頻率對(duì)機(jī)具作業(yè)性能影響顯著。因此選取上述3個(gè)作業(yè)參數(shù)作為試驗(yàn)因素，以除膜率和損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，開展花生秧揉切除膜機(jī)膜秧分離特性試驗(yàn)?？紤]到參數(shù)變化范圍較大，開展試驗(yàn)時(shí)需要準(zhǔn)確、有效調(diào)整各作業(yè)參數(shù)水平。在花生秧揉切除膜機(jī)的試驗(yàn)中，通過(guò)變頻電機(jī)控制上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；通過(guò)改變下層篩風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪直徑來(lái)調(diào)節(jié)下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；通過(guò)改變曲柄驅(qū)動(dòng)帶輪的直徑來(lái)改變曲柄的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變振動(dòng)篩頻率。除膜率計(jì)算公式為

(15)

式中R——除膜率，%

M0——每次試驗(yàn)喂入的含殘膜花生秧的總質(zhì)量，kg

M1——每次試驗(yàn)喂入含殘膜花生秧中殘膜的質(zhì)量，kg

M2——作業(yè)后從出料口取樣質(zhì)量，kg

M3——作業(yè)后所取樣品中未除凈的殘膜質(zhì)量，kg

損失率計(jì)算公式為

(16)

式中L——損失率，%

Ma——每次試驗(yàn)喂入的含殘膜花生秧中花生秧的總質(zhì)量，kg

Mb——每次作業(yè)后從出料口處收集已除膜花生秧的質(zhì)量(未除凈殘膜的質(zhì)量忽略不計(jì))，kg

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

根據(jù)Design-Expert 8.0.6軟件中的Box-Behnken三因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，開展花生秧揉切除膜機(jī)膜秧分離特性試驗(yàn)研究。結(jié)合前述分析與設(shè)計(jì)結(jié)果，以除膜率R和損失率L為響應(yīng)值，對(duì)上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩頻率開展三因素三水平試驗(yàn)研究。各試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Codes of test factors

正交試驗(yàn)方案包括17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中包括12個(gè)分析因子和5個(gè)零點(diǎn)估計(jì)誤差。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果如表3所示(X1、X2、X3為上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩頻率的編碼值)。

3.4 回歸模型與顯著性分析

根據(jù)表3中的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析[26-29]，建立除膜率R、損失率L對(duì)上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩頻率3個(gè)自變量的二次多項(xiàng)式回歸模型

(17)

(18)

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Tab.3 Test design scheme and results

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。由表4可知，除膜率和損失率的回歸模型顯著性水平P均小于0.01，可知兩模型均極顯著。失擬項(xiàng)顯著性水平P均大于0.05(分別為0.585 4和0.119 6)，表明除膜率和損失率回歸模型擬合度均較高，擬合效果較好。模型決定系數(shù)R2均大于0.97(分別為0.973 8和0.973 0)，說(shuō)明上述兩模型可以解釋97%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)。所以花生秧揉切除膜機(jī)膜秧分離裝置的作業(yè)參數(shù)可以用此模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

對(duì)上述回歸模型進(jìn)行優(yōu)化，剔除回歸模型中的不顯著項(xiàng)，回歸模型優(yōu)化結(jié)果為

(19)

(20)

分析優(yōu)化后的模型，除膜率、損失率模型P<0.000 1，失擬項(xiàng)P值分別為0.619 6和0.101 6，模型決定系數(shù)R2分別為0.962 9和0.950 2，可知優(yōu)化后的回歸模型極顯著且擬合效果較好，模型可靠。

表4 回歸模型方差分析Tab.4 Variance and analysis of regression model

參數(shù)對(duì)回歸模型方程的影響程度可以通過(guò)顯著性水平P評(píng)價(jià)。上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)篩頻率3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)除膜率影響的顯著性順序?yàn)椋合聦雍Y風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩頻率；試驗(yàn)因素對(duì)損失率影響的顯著性順序?yàn)椋合聦雍Y風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩頻率、上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.5 響應(yīng)面分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件的Model Graphs模塊得到3D Surface響應(yīng)面圖如圖7所示，根據(jù)響應(yīng)面圖分析上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)篩頻率因素間交互作用對(duì)除膜率和損失率響應(yīng)值的影響。

圖7 試驗(yàn)因素對(duì)除膜率和損失率影響的響應(yīng)曲面Fig.7 Response surfaces of test factors on residual film removal rate and materials loss rate

圖7a為振動(dòng)篩頻率位于中心水平(3.5 Hz)時(shí)，上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速兩因素交互作用對(duì)除膜率影響的響應(yīng)面圖。由圖可知，在兩因素交互作用影響下，當(dāng)下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增加時(shí)，除膜率逐漸升高且變化幅度較為明顯，而當(dāng)上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增加時(shí)除膜率先升高后降低，并且變化幅度相對(duì)平緩。除膜率的響應(yīng)面曲線沿下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速方向的變化較明顯，這表明振動(dòng)篩頻率位于中心水平時(shí)，下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)除膜率的影響效果比上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響效果顯著。圖7b為上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速位于中心水平(800 r/min)時(shí)，下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與振動(dòng)篩頻率兩因素交互作用對(duì)損失率影響的響應(yīng)面圖。由圖可知，在下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與振動(dòng)篩頻率兩因素交互作用下，當(dāng)振動(dòng)篩頻率逐漸增加時(shí)損失率先降低后升高，并且變化幅度比較平緩，而當(dāng)下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增加時(shí)，損失率逐漸升高且變化幅度比較明顯。損失率的響應(yīng)面曲線沿下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速方向的變化較明顯，這表明上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速位于中心水平時(shí)，下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)損失率的影響效果比振動(dòng)篩頻率的影響效果顯著。

4 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 參數(shù)優(yōu)化

為使花生秧揉切除膜機(jī)膜秧分離作業(yè)效果達(dá)到最佳狀態(tài)，需要花生秧揉切除膜機(jī)的除膜率較高，同時(shí)損失率較低，通過(guò)因素間交互作用對(duì)除膜率和損失率影響的響應(yīng)面圖分析可知：當(dāng)上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏低、下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏高、振動(dòng)篩頻率適中時(shí)可以達(dá)到較高的除膜率；當(dāng)上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速適中、下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏低、振動(dòng)篩頻率偏高時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)較低的損失率?？紤]到各因素及因素間交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)響應(yīng)值的影響效果有所差異，需要對(duì)回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

利用Design-Expert 8.0.6軟件的Optimization模塊對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[30-31]，針對(duì)響應(yīng)值除膜率和損失率進(jìn)行分析，考慮到花生秧揉切除膜機(jī)加工后的花生秧料將直接用作牲畜飼料使用，所以需要優(yōu)先保證除膜率高，其次保證損失率低，此外如果將損失率權(quán)重設(shè)定過(guò)低，將不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。為綜合評(píng)價(jià)花生秧揉切除膜機(jī)膜秧分離作業(yè)性能，本文在進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算時(shí)，給定約束條件，對(duì)兩試驗(yàn)指標(biāo)增加權(quán)重，其中除膜率占60%，損失率占40%，最終得出目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化值。

根據(jù)前述對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)回歸模型的分析結(jié)果以及花生秧揉切除膜機(jī)膜秧分離作業(yè)條件，在Design-Expert 8.0.6軟件Optimization模塊中，對(duì)各試驗(yàn)因素的約束條件進(jìn)行設(shè)定：上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速700～900 r/min，下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速500～700 r/min，振動(dòng)篩頻率3～4 Hz。除膜率R取目標(biāo)函數(shù)的最大值100%，損失率L取目標(biāo)函數(shù)的最小值0。軟件分析得到3個(gè)因素水平的優(yōu)化結(jié)果為：當(dāng)上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為758.06 r/min、下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為668.73 r/min、振動(dòng)篩頻率為4.00 Hz時(shí)，回歸模型曲面響應(yīng)值最大，此時(shí)模型預(yù)測(cè)值除膜率為93.38%，損失率為8.85%。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)結(jié)果可靠性，2019年10月中旬，采用優(yōu)化結(jié)果在東泰機(jī)械有限公司試驗(yàn)田進(jìn)行了5次驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值?？紤]到設(shè)備實(shí)際作業(yè)情況，將優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行圓整，調(diào)整上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為760 r/min，下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為670 r/min，振動(dòng)篩頻率為4 Hz。依照參數(shù)調(diào)整后的方案進(jìn)行膜秧分離驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 模型預(yù)測(cè)值與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.5 Comparison of model prediction and validation test results %

由表5可知，膜秧分離作業(yè)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與回歸模型預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差均小于5%，試驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測(cè)值較為接近，說(shuō)明上述參數(shù)優(yōu)化回歸模型可靠性較高。當(dāng)花生秧揉切除膜機(jī)膜秧分離裝置參考優(yōu)化結(jié)果調(diào)整為上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速760 r/min、下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速670 r/min、振動(dòng)篩頻率4 Hz進(jìn)行作業(yè)時(shí)，花生秧揉切除膜機(jī)除膜率相較于現(xiàn)有機(jī)型的85%以下提高至91.24%，損失率由12%以上降低至8.51%，設(shè)備膜秧分離性能得到提高。設(shè)備作業(yè)效果如圖8所示。

圖8 設(shè)備作業(yè)效果Fig.8 Working effects of equipment

5 結(jié)論

(1)針對(duì)覆膜花生收獲后的花生秧在飼料加工過(guò)程中膜秧分離不徹底、損失率高等問(wèn)題，結(jié)合揉切后各物料成分尺寸特征和懸浮特性，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)篩組合式膜秧分離裝置，確定了膜秧分離裝置主要參數(shù)取值范圍：上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速700～900 r/min，下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速500～700 r/min，振動(dòng)篩頻率3～4 Hz。

(2)各因素對(duì)除膜率影響的顯著性由大到小依次為：下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩頻率；各因素對(duì)損失率影響的顯著性由大到小依次為：下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩頻率、上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。各因素間的交互作用影響結(jié)果為：上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速間的交互作用對(duì)除膜率影響顯著，下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與振動(dòng)篩頻率間的交互作用對(duì)損失率影響顯著，其他因素間交互作用對(duì)除膜率和損失率影響不顯著。

(3)運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行了正交試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果分析，并對(duì)回歸模型進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后膜秧分離裝置較優(yōu)參數(shù)組合為：上層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速760 r/min，下層篩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速670 r/min，振動(dòng)篩頻率4 Hz，此時(shí)，除膜率為91.24%，損失率為8.51%，設(shè)備的膜秧分離性能得到提高。