馬鈴薯清選機(jī)氣力懸浮薯石分離裝置設(shè)計與試驗

耿端陽 蘇國粱,2 魏忠彩,2 譚德蕾 李學(xué)強(qiáng) 劉 洋,2

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255091；2.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心，德州 253600；3.山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司，德州 253600)

0 引言

在我國北方馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)，田間散布有大小不一、形狀各異的石塊，這給聯(lián)合收獲后的馬鈴薯清選和分選帶來了諸多問題。在馬鈴薯機(jī)械化收獲過程中，僅依靠桿條式分離篩難以達(dá)到理想的薯石分離效果[1-2]。在馬鈴薯清選階段，聯(lián)合收獲后的物料需輔以人工進(jìn)行分選，其勞動強(qiáng)度大、耗時較長，難以實現(xiàn)人工分選與機(jī)械化收獲的協(xié)同配合[3-4]。同時，馬鈴薯混雜石塊還會影響收獲機(jī)關(guān)鍵部件的工作可靠性。

馬鈴薯清選機(jī)是對聯(lián)合收獲機(jī)收獲后的薯石混合物進(jìn)行清選、分離的設(shè)備[5-6]，其結(jié)構(gòu)形式多為輥式和網(wǎng)篩式結(jié)構(gòu)，主要根據(jù)馬鈴薯的外形尺寸進(jìn)行清選分離[7-8]。呂金慶等[9]設(shè)計了差動式馬鈴薯分級機(jī)，采用改變固定輥和浮動輥間隙的方式實現(xiàn)了馬鈴薯分級，并確定了分級效果最優(yōu)的工作參數(shù)。宋言明等[10]設(shè)計了滾刷式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，通過毛刷清刷馬鈴薯表層，實現(xiàn)土雜與馬鈴薯的分離。國外對馬鈴薯清選機(jī)研究較早，但主要集中在馬鈴薯與硬雜物及秧蔓的分離方面[11-17]，如MISENER等[18]對刷篩組合式、電子分離式和沖擊輥式薯雜分離裝置進(jìn)行了研究，分析、優(yōu)化了3種裝置的作業(yè)參數(shù)。德國GRIMME公司開發(fā)了智能馬鈴薯清選機(jī)，該機(jī)可實現(xiàn)土石圖像識別、定向去雜、機(jī)械分選、清洗、輸送和包裝等功能[19]，但與國內(nèi)農(nóng)藝需求貼合度較低，難以適應(yīng)我國北方地區(qū)馬鈴薯“防凍搶收入庫”的生產(chǎn)實際需求。

針對多石工況下馬鈴薯清選過程中的石塊剔除問題，本文設(shè)計一種馬鈴薯氣力懸浮薯石分離裝置，確定馬鈴薯氣力懸浮和振動分層分離相結(jié)合的薯石分離裝置的具體結(jié)構(gòu)，以期提高馬鈴薯的選出率和清選潔凈率，并提高清選效率。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

氣力懸浮薯石分離裝置結(jié)構(gòu)如圖1a所示，主要包括離心風(fēng)機(jī)、氣流管道、喂料裝置、排雜裝置、振動篩、連桿和落料口開閉裝置。其實物如圖1b所示。

氣力懸浮薯石分離裝置的振動裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括偏心輪、連桿、擋料板、振動篩、側(cè)連接板和支臂。落料口通過調(diào)整擋料板實現(xiàn)落料口開閉：系統(tǒng)工作時開啟，利于石塊的順利排出；非工作時關(guān)閉，避免懸浮區(qū)殘留馬鈴薯落入排雜裝置造成浪費。

1.2 工作原理及參數(shù)

氣力懸浮薯石分離裝置作業(yè)時，開啟離心風(fēng)機(jī)的電機(jī)，為薯石分離提供特定速度的氣流，喂料裝置的輸送帶向振動篩輸送薯石混合物，振動篩在偏心輪驅(qū)動下往復(fù)擺動，馬鈴薯和石塊在重力作用下落在振動篩面；隨著振動篩擺動，馬鈴薯被拋離篩面并借助氣流作用以懸浮狀態(tài)送至出料端，而石塊在重力和振動篩的振動作用下滑落至排雜裝置，達(dá)到薯石分離的目的。氣力懸浮薯石分離裝置主要參數(shù)如表1所示。

表1 氣力懸浮薯石分離裝置參數(shù)

2 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計

氣力懸浮薯石分離裝置采用氣力與振動相結(jié)合的方式實現(xiàn)薯石的懸浮分離，其空氣動力學(xué)特性對參數(shù)選擇和分離效果有較大的影響。

2.1 薯石空氣動力學(xué)特性

氣力懸浮薯石分離是利用薯石密度差異借助振動篩作用實現(xiàn)薯石分層分布，利用馬鈴薯與石塊懸浮速度差異，借助高速氣流作用實現(xiàn)馬鈴薯的懸浮、輸送，達(dá)到薯塊與石塊分離的目的。薯石分離過程的運動分析如圖3所示，圖中vp、ve分別為馬鈴薯和石塊在氣力和振動篩的作用下的運動速度。

當(dāng)薯石混合物均勻落在振動篩篩面后，隨著振動篩的抖動，由于薯石密度差異出現(xiàn)分層趨勢；進(jìn)一步在氣流作用下，由于馬鈴薯懸浮速度小于石塊的懸浮速度，處于上層的馬鈴薯借助氣流作用脫離篩面，并在氣流作用下以懸浮狀態(tài)向出料口運動，且馬鈴薯氣流速度小于石塊懸浮速度，處于下層的石塊則在抖動過程逐漸向排雜裝置運動，最終通過排雜裝置排出。根據(jù)氣固兩相流分離理論，氣流推力為[20]

(1)

式中Ft——氣流推力，N

C——物料阻力系數(shù)

A——物料迎風(fēng)面積，m2

ρs——物料密度，kg/m3

vs——氣流速度，m/s

氣流場分為3個區(qū)域：粘性摩擦阻力區(qū)、過渡區(qū)和牛頓區(qū)。不同的區(qū)域?qū)?yīng)不同的懸浮速度計算公式，為確定計算馬鈴薯和石塊所使用的懸浮速度公式，需首先確定馬鈴薯和石塊阻力系數(shù)C所屬的區(qū)域。一般通過比較物料粒徑尺寸和計算因子T之間關(guān)系的方式，即粒徑法[20]來間接確定阻力系數(shù)C所屬的區(qū)域，計算因子公式為

(2)

式中T——計算因子，mm

μ——空氣動力粘度，按20℃取1.81×10-5Pa·s

ρa(bǔ)——空氣密度，1.2 kg/m3

實測馬鈴薯密度為1 171～1 199 kg/m3，取平均值1 185 kg/m3，其計算因子Ta為6.13×10-2mm。實測石塊密度2 400～2 800 kg/m3，取平均值2 600 kg/m3，其計算因子Tb為4.72×10-2mm。

由流體力學(xué)可知[20]，適用于各流場區(qū)域粒徑與計算因子T的關(guān)系分別為：

粘性摩擦阻力區(qū)

dp≤2.2T

(3)

過渡區(qū)

2.2T

(4)

牛頓區(qū)

20.4T

(5)

式中dp——物料粒徑，mm

根據(jù)北方常見馬鈴薯的塊莖尺寸[21]，以確保所有馬鈴薯均可達(dá)到懸浮狀態(tài)為目的，此處取馬鈴薯的平均當(dāng)量粒徑dpa=45 mm。由于收獲機(jī)輸送分離篩的尺寸限制[22]，收獲后的石塊尺寸大于等于35 mm。為保證所有石塊不脫離振動篩篩面，取石塊最小粒徑dpb=35 mm，顯然馬鈴薯及石塊的阻力系數(shù)均處于牛頓區(qū)，其懸浮速度公式為[20]

(6)

式中vp——物料懸浮速度，m/s

S——物料修正系數(shù)

由于馬鈴薯和石塊的阻力系數(shù)處于牛頓區(qū)，阻力系數(shù)為常數(shù)，即C=0.44[20]。

馬鈴薯形狀差別較大，一般呈不規(guī)則橢球形，采用不規(guī)則橢圓體的形狀修正系數(shù)代替，Sa=1.1[20]。則計算得馬鈴薯懸浮速度vpa=34.40 m/s。石塊形狀非常復(fù)雜，但多為不規(guī)則的棱形體或類球形體，為簡化分析，采用不規(guī)則球體的形狀修正系數(shù)代替，Sb=1.2[20]，計算得懸浮速度vpb=43.32 m/s。

由上述分析可知，馬鈴薯最大懸浮速度小于石塊最小懸浮速度，滿足氣力分離的基本要求。由此確定了系統(tǒng)氣流速度即馬鈴薯和石塊的落料口的氣流速度，取出料口最大氣流速度為35 m/s。離心風(fēng)機(jī)具有風(fēng)力集中、轉(zhuǎn)速上限高和可精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的優(yōu)勢[23]，更適合該裝置頻繁的氣流速度調(diào)節(jié)，其全壓[20]為

pqa=psa+pda

(7)

(8)

式中pqa——離心風(fēng)機(jī)全壓，Pa

psa——離心風(fēng)機(jī)出口處靜壓，Pa

pda——離心風(fēng)機(jī)出口處動壓，Pa

psf——離心風(fēng)機(jī)靜壓，Pa

ε——管道固有阻力系數(shù)

va——氣流速度，m/s

根據(jù)伯努利方程得出的氣流速度-風(fēng)壓關(guān)系，離心風(fēng)機(jī)的動壓為

(9)

氣流速度與風(fēng)量換算關(guān)系為

qa=3 600vaZ

(10)

式中qa——離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/h

Z——氣流管道截面積，m2

風(fēng)機(jī)出口氣流速度va為35 m/s，代入式(9)可得pda=735 Pa；根據(jù)氣流管道形狀和結(jié)構(gòu)，管道固有阻力系數(shù)為ε=1.25[22]，代入式(8)得psa=918.75 Pa；將psa和pda代入式(7)得風(fēng)機(jī)全壓pqa=1 653.75 Pa。與風(fēng)機(jī)連接的氣流管道長度為1 000 mm，其截面為657 mm×575 mm的矩形，則管道截面積Z=0.378 m2，將Z與va代入式(10)，計算得離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量qa=47 628 m3/h。選取4-72 NO.8A型右旋0°的離心風(fēng)機(jī)(德州億沃特風(fēng)機(jī)有限公司)，并匹配15 kW可變頻調(diào)速的三相異步電動機(jī)。根據(jù)一般變頻器的選用需求，變頻器的功率應(yīng)稍大于電機(jī)功率，選用功率為18 kW的變頻器。

2.2 振動裝置設(shè)計

振動裝置是薯石懸浮分離機(jī)的核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖4所示?？紤]薯石懸浮分離技術(shù)是借用薯石懸浮速度差異實現(xiàn)馬鈴薯懸浮、石塊不離篩面的原理進(jìn)行分離，所以為了確保馬鈴薯的懸浮效果，減小懸浮過程石塊等對其造成的影響，設(shè)計了振動裝置使薯石混合物自動分層，即密度較小的馬鈴薯處于上層，而密度較大的石塊處于下層；且在石塊遮擋篩孔作用下會使氣流速度增大，更有利于馬鈴薯的懸浮輸送。

振動裝置的整體結(jié)構(gòu)為曲柄連桿帶動平行四連桿往復(fù)運動的形式，曲柄連桿裝置的曲柄長度和曲柄轉(zhuǎn)速會影響振動篩的振幅、頻率和振動篩運動的加速度。借鑒谷物收獲機(jī)中清選裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法[24]，結(jié)合薯石混雜物的具體情況，選取偏心輪偏心距即曲柄半徑R=15 mm，擺動桿長度即連桿長度L1=540 mm，并取支臂間距L2=200 mm，支臂L3=150 mm。

振動篩對馬鈴薯與石塊分層以及往復(fù)運動具有很大的影響，其外形尺寸盡量與風(fēng)機(jī)風(fēng)道寬度接近；篩孔結(jié)構(gòu)選取結(jié)構(gòu)簡單的矩形孔，其尺寸和排列方式如圖5所示。

根據(jù)與風(fēng)機(jī)連接的氣流管道的截面尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，確定振動篩的尺寸為490 mm×470 mm，并在篩面上開有15 mm×9 mm的矩形孔。

3 薯石分離過程及運動特性分析

3.1 薯石分離過程分析

薯石混合物進(jìn)入薯石分離腔后，并不會瞬間完成分離，而是首先落于振動篩之上，在氣流的懸浮作用和振動篩的振動組合作用之下，最終馬鈴薯沿水平方向朝向出料端運動，石塊在振動篩的振動作用下沿振動篩的方向落入排雜裝置。薯石分離過程的4個關(guān)鍵狀態(tài)如圖6所示。

薯石分離過程可分為：薯石輸送、薯石觸篩、薯石分層和薯石分離。分析可知，馬鈴薯和石塊的混合物在薯石輸送和薯石觸篩的瞬間其狀態(tài)均為無序排列；薯石混合物接觸分離篩后，在振動篩的振動作用下，馬鈴薯和石塊完成分層，即呈現(xiàn)出“馬鈴薯在上，石塊在下”的狀態(tài)；馬鈴薯和石塊分層后，馬鈴薯被拋離篩面并在氣力作用下達(dá)到懸浮狀態(tài)并向出料口方向輸送，石塊不會達(dá)到懸浮狀態(tài)，并在振動篩的振動下，沿篩面向排雜裝置方向滑動，并最終落入排雜裝置，完成薯石分離。

3.2 薯石分離運動特性分析

薯石混合物進(jìn)入薯石分離腔后，薯石混合物到達(dá)振動篩并完成分層，借助振動篩振動和氣力的共同作用，馬鈴薯被拋離篩面、達(dá)到懸浮狀態(tài)并朝出料口方向運動，石塊沿振動篩方向朝向排雜裝置滑動，最終落入排雜裝置。物料在接觸振動篩的瞬間受力分析如圖7所示。薯石混合物被拋離振動篩的瞬間，其受到的力為物料自身的重力mg、氣力fq、慣性力u、篩面的法向反力FN和摩擦力f，因曲柄長度遠(yuǎn)小于連桿長度，加之篩面是由4根等長同相位支臂組成的平行四桿機(jī)構(gòu)支撐，所以篩面運動規(guī)律完全相同，即可看作篩面沿OB方向做往復(fù)直線運動。以O(shè)B方向為x軸，與OB垂直的方向為y軸建立直角坐標(biāo)系。則篩面上任意一點的加速度a可表示為

a=Rω2cos(ωt)

(11)

式中ω——曲柄角速度，rad/s

薯石混合物和篩面一起運動，當(dāng)ωt在0～π/2和3π/2～2π區(qū)間(1、4象限)時(圖7a)，加速度a為正，慣性力u為負(fù)，薯石混合物有沿篩面向后滑動的趨勢。當(dāng)ωt在π/2～3π/2區(qū)間(2、3象限)時(圖7b)，加速度a為負(fù)，慣性力u為正，薯石混合物有沿篩面向后滑動的趨勢。

對于石塊，理想的運動狀態(tài)是其沿傾斜篩面向后滑落直至落入排雜裝置，且在運動過程中不能被拋離篩面。

當(dāng)加速度為正(圖7a)時，石塊可以沿篩面向后滑動的條件為

megsin(β-φ)+meRω2cos(ωt)cos(γ-β+φ)-

(12)

式中me——石塊質(zhì)量，kg

β——篩面傾角(振動篩與水平方向夾角)，(°)

γ——擺動桿與水平方向夾角，(°)

α——氣流運動方向與水平方向夾角，(°)

φ——石塊與篩面摩擦角，(°)

石塊不被拋離篩面的條件為

megcosβ<0

(13)

當(dāng)加速度為負(fù)(圖7b)時，石塊可以沿篩面向后滑動的條件為

megsin(β+φ)-meRω2cos(ωt)cos(γ-β-φ)-

(14)

石塊不被拋離篩面的條件為FN>0，即

megcosβ<0

(15)

對于馬鈴薯，理想的運動狀態(tài)是其接觸篩面后被拋離篩面并達(dá)到懸浮狀態(tài)向前輸送至出料口。物料拋離篩面的臨界條件為FN=0，則當(dāng)加速度為正時(圖7a)，馬鈴薯被拋離篩面的條件為

mpgcosβ≥0

(16)

式中mp——馬鈴薯質(zhì)量，kg

當(dāng)加速度為負(fù)時(圖7b)，馬鈴薯被拋離篩面的條件為

mpgcosβ≥0

(17)

為最大程度保證馬鈴薯的清選效果，應(yīng)盡量減少清選過程中與薯土分離腔中部件機(jī)械接觸的時間和次數(shù)，以防輸送過程中與篩面石塊的撞傷。當(dāng)馬鈴薯懸浮輸送最低點與擺動篩往復(fù)運動的最高點無運動干涉，馬鈴薯才不會出現(xiàn)因運動干涉而造成損傷，薯篩碰撞分析如圖8所示，其中，W1為馬鈴薯拋離篩面前的初始位置，W2為馬鈴薯懸浮輸送的最低位置，h為馬鈴薯由W1位置懸浮至W2位置的距離，即馬鈴薯的懸浮高度。根據(jù)氣固兩相流壓力損失理論，將馬鈴薯提升h需要克服摩擦壓力損失和提升阻力損失[20]，即

Δps=Δpf+Δpc

(18)

(19)

(20)

式中 Δps——提升馬鈴薯的壓力損失，Pa

Δpf——摩擦壓力損失，Pa

Δpc——提升阻力損失，Pa

λa——氣體摩擦因數(shù)

D——管道直徑，m

n——薯石混合物中薯石質(zhì)量比

根據(jù)式(1)和式(9)，氣流將馬鈴薯提升高度h后的氣流推力損失ΔFt為

(21)

分析可知，氣流推力Ft在豎直方向分力Ftsinα不僅要使馬鈴薯達(dá)到懸浮狀態(tài)，且要使其升至距離篩面高度h處進(jìn)行懸浮輸送的條件是：Ftsinα不小于馬鈴薯的重力和氣動推力損失之和，故Ftsinα需增大至可以彌補(bǔ)提升馬鈴薯至高度h處的損失，表達(dá)式為

(22)

式(22)即為馬鈴薯達(dá)到懸浮狀態(tài)并不與振動篩產(chǎn)生二次跌落碰撞的條件。

根據(jù)薯石分離工況和分層分離設(shè)計需求，取連桿與水平方向夾角γ=18°，為保證馬鈴薯既可以達(dá)到豎直方向上的懸浮效果，又可以在水平輸送過程中不產(chǎn)生擁堵和淤積，需確定氣力與水平方向夾角α的取值，根據(jù)前期的單因素試驗并結(jié)合實際經(jīng)驗，此處取氣力與水平方向夾角α=53°。結(jié)合前述分析，薯石分離主要受氣流速度vs、曲柄角速度ω和篩面傾角β的影響。

4 試驗設(shè)計與結(jié)果分析

4.1 試驗設(shè)備及試驗條件

采用自制的氣力懸浮薯石分離試驗臺進(jìn)行試驗。其他主要儀器有：轉(zhuǎn)速儀(廣州市速為電子科技有限公司)，電子秤(廣州市威衡電子有限公司)，數(shù)字式氣流速度表(希瑪儀表有限公司)和卷尺。試驗在山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司進(jìn)行，試驗現(xiàn)場如圖9所示。

4.2 試驗參數(shù)和評價指標(biāo)

根據(jù)馬鈴薯清選工藝以及作業(yè)損失限制要求，該裝置適用的作業(yè)工況是聯(lián)合收獲后的待加工的淀粉薯清選，故破皮率不作為評價指標(biāo)[25-26]，此處定義馬鈴薯清選的主要評價指標(biāo)有：馬鈴薯選出率Y1和清選潔凈率Y2，計算式為

(23)

式中Q1——清選后物料中馬鈴薯質(zhì)量，kg

Q2——清選前馬鈴薯總質(zhì)量，kg

(24)

式中U1——清選后物料中石塊質(zhì)量，kg

U2——清選前石塊總質(zhì)量，kg

4.3 試驗方法

對薯石清選分離試驗用的馬鈴薯和石塊密度采用排水法進(jìn)行測定，結(jié)果分別為1 185、2 600 kg/m3。

為驗證氣流速度vs、篩面傾角β和曲柄角速度ω對氣力懸浮薯石分離過程中馬鈴薯選出率和清選潔凈率的影響規(guī)律，獲取較優(yōu)參數(shù)組合，采用三因素三水平正交試驗方案，在前期單因素試驗的基礎(chǔ)上，分別開展不同氣流速度(15～35 m/s)、篩面傾角(14°～22°)和曲柄角速度(10～30 rad/s)下的馬鈴薯清選機(jī)氣力懸浮薯石分離試驗。試驗中喂料速度60 t/h，取石薯質(zhì)量比為0.1。

通過對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得出各個因素對試驗結(jié)果影響的顯著性，最終得到各因素較優(yōu)的水平組合。試驗因素水平如表2所示。

表2 試驗因素水平

4.4 試驗結(jié)果及分析

正交試驗方案及結(jié)果如表3所示，A、B、C為因素水平值。對正交試驗的結(jié)果進(jìn)行方差與極差分析，結(jié)果如表4、5所示。

表3 正交試驗方案與結(jié)果

表4 極差分析結(jié)果

由方差分析結(jié)果可知，該試驗中馬鈴薯選出率和清選潔凈率兩模型的顯著性均為極顯著，試驗結(jié)果可靠。氣流速度對馬鈴薯選出率和清選潔凈率均有顯著影響；篩面傾角對馬鈴薯選出率有顯著影響，對清選潔凈率有極顯著影響；曲柄角速度對馬鈴薯選出率無顯著影響，對清選潔凈率有顯著影響。

根據(jù)極差分析結(jié)果，馬鈴薯選出率對應(yīng)的較優(yōu)因素水平組合為A3B1C3，清選潔凈率對應(yīng)的較優(yōu)因素水平組合為A1B3C3。

當(dāng)氣流速度為15、25、35 m/s時，馬鈴薯選出率分別為63.88%、73.10%和90.02%，即選出率隨氣流速度的增大而增大，較優(yōu)因素水平為A3；這是因為在氣流速度增大時，馬鈴薯會達(dá)到更好的懸浮效果，從而增大了馬鈴薯選出率。清選潔凈率分別為90.90%、88.93%和71.32%，即清選清潔率隨氣流速度的增大而減小，較優(yōu)因素水平為A1；當(dāng)氣流速度增大時，石塊受到的氣力增大，石塊便會有向前滑動和拋離篩面的可能，當(dāng)氣流速度增大到一定數(shù)值，石塊向前滑動或拋離篩面，清選潔凈率降低。但在實際生產(chǎn)中，馬鈴薯選出率為首要評價指標(biāo)，這是由于過多的馬鈴薯和石塊一同流向石塊輸出方向，損失率升高并增加后續(xù)處理負(fù)擔(dān)[4]，且由表4分析可知氣流速度并不是影響清選潔凈率的主要因素，因此此處選取A3作為較優(yōu)因素水平。

當(dāng)篩面傾角為14°、18°和22°時，馬鈴薯選出率分別為87.55%、83.68%和55.77%，即選出率隨篩面傾角的增大而減小，較優(yōu)因素水平為B1；清選潔凈率分別為71.09%、80.07%和100%，隨篩面傾角的增大而增大，較優(yōu)因素水平為B3。當(dāng)篩面傾角增大時，無論是對于馬鈴薯還是石塊，其重力沿篩面方向的分力均會增大，故馬鈴薯和石塊沿篩面向后滑動的趨勢增加，當(dāng)篩面傾角增大到一定數(shù)值時，馬鈴薯和石塊沿篩面向后滑動，導(dǎo)致馬鈴薯選出率降低，而清選潔凈率增大。由表5分析可知，篩面傾角對兩個指標(biāo)均有顯著影響且對兩個指標(biāo)的影響趨勢相反，且馬鈴薯選出率的較優(yōu)因素水平為B1，清選潔凈率的較優(yōu)因素水平B3，因此選取B2作為較優(yōu)因素水平。

表5 方差分析結(jié)果

當(dāng)曲柄角速度為10、20、30 rad/s時，馬鈴薯選出率分別為74.93%、75.85%和76.22%，即選出率隨曲柄角速度的變化無較明顯變化，與極差和方差分析結(jié)果相符，較優(yōu)因素水平為C3；清選潔凈率分別為77.57%、78.06%和95.53%，隨曲柄角速度的增大而增大，較優(yōu)因素水平為C3。根據(jù)式(11)分析可知，當(dāng)曲柄角速度增大時，石塊沿篩面向后滑動的趨勢增加，且石塊更加不會被拋離篩面，從而清選潔凈率增大，因此選取C3作為較優(yōu)因素水平。

因此，馬鈴薯清選機(jī)氣力懸浮薯石分離裝置的較優(yōu)因素組合為A3B2C3，即氣流速度為35 m/s，篩面傾角為18°，曲柄角速度為30 rad/s。

4.5 驗證試驗

驗證試驗的試驗條件和測試方法與正交試驗完全相同，按照較優(yōu)因素組合A3B2C3進(jìn)行試驗，重復(fù)3次試驗取平均值，驗證結(jié)果如表6所示，經(jīng)過試驗得出馬鈴薯選出率均值為96.71%，清選潔凈率均值為98.34%，證明了較優(yōu)組合選取的合理性，也滿足了馬鈴薯清選的作業(yè)要求。

表6 驗證試驗結(jié)果

5 結(jié)論

(1)研究了基于氣力懸浮、振動分層的薯石分層分離和基于懸浮輸送的氣力懸浮薯石分離機(jī)理，基于氣力懸浮薯石分離技術(shù)，設(shè)計了馬鈴薯清選機(jī)氣力懸浮薯石分離裝置，并探究不同參數(shù)調(diào)整條件下的薯石分離清選特性。

(2)進(jìn)行了氣力懸浮薯石分離正交試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行了極差和方差分析，并進(jìn)行了驗證試驗。結(jié)果表明：當(dāng)氣流速度為35 m/s、篩面傾角為18°、曲柄角速度為30 rad/s時，馬鈴薯選出率均值為96.71%，清選潔凈率均值為98.34%。該裝置滿足薯石清選作業(yè)的要求，各指標(biāo)符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求。