慣性氣流式紅棗清選系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

史高昆 李景彬 丁龍朋 坎 雜

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832003；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子 832003)

0 引言

紅棗作為新疆特色優(yōu)勢林果[1-2]，是新疆果農(nóng)重要增收果品。目前，紅棗機(jī)械化收獲方式分為統(tǒng)收和落地紅棗撿拾[3]，其中氣吸式落地紅棗收獲機(jī)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)[4-5]，但作業(yè)過程中會附帶吸拾棗葉、棗吊等雜質(zhì)[6]。如何有效清除機(jī)收紅棗中的雜質(zhì)，提升紅棗收獲品質(zhì)，是氣吸式落地紅棗收獲機(jī)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

目前，解決棗、雜清選問題的主要方法是在清選系統(tǒng)內(nèi)安裝撥輪[7]、導(dǎo)向輪[8]、攔棗柵[9-10]等阻棗裝置，利用棗、雜粒徑差異，在阻擋紅棗的同時允許雜質(zhì)通過，以此實(shí)現(xiàn)棗、雜清選。但是紅棗與阻棗裝置碰撞時易造成紅棗損傷，并且由于部分紅棗與雜質(zhì)粒徑差異不顯著，造成雜質(zhì)被阻擋或者紅棗通過阻棗裝置，產(chǎn)生含雜率高及紅棗損失的問題。利用待選物料各組分力學(xué)特性和流體動力學(xué)特性差異進(jìn)行清選的技術(shù)，在鈣果[11]、水稻[12-13]、紅木種子[14]、玉米面[15]、亞麻籽[16]等物料中已有成熟應(yīng)用，其工作原理是：利用待選物料各組分運(yùn)移過程中由于物料特性不同，產(chǎn)生的路徑軌跡差異，實(shí)現(xiàn)清選作業(yè)，研究表明該技術(shù)可顯著提升清選性能。當(dāng)前，紅棗收獲機(jī)械研究尚處于功能實(shí)現(xiàn)階段，關(guān)于棗、雜清選，尤其是利用棗、雜力學(xué)特性和流體動力學(xué)特性進(jìn)行清選的研究還未見報道。

本文針對氣吸式紅棗收獲機(jī)清選性能有待提高的問題，設(shè)計(jì)一種利用棗、雜慣性和流體特性差異進(jìn)行清選的慣性氣流式紅棗清選系統(tǒng)(簡稱清選系統(tǒng))，對其關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并開展參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

氣吸式紅棗收獲機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由吸拾裝置、波紋軟管、清選系統(tǒng)、離心風(fēng)機(jī)、輸送裝置等組成。作業(yè)時，離心風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在進(jìn)風(fēng)口處形成的負(fù)壓氣流經(jīng)清選系統(tǒng)和波紋軟管傳至吸拾裝置，棗、雜經(jīng)過清選系統(tǒng)分選后，紅棗從排棗閉風(fēng)器排出后由輸送裝置輸送至周轉(zhuǎn)筐，而雜質(zhì)由排雜閉風(fēng)器排出落至地面，完成紅棗撿拾和清選。

圖1 氣吸式紅棗收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of pneumatic type jujube fruit harvester1.吸拾裝置 2.波紋軟管 3.清選系統(tǒng) 4.排棗閉風(fēng)器 5.排雜閉風(fēng)器 6.離心風(fēng)機(jī) 7.輸送裝置 8.周轉(zhuǎn)筐

圖2 清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of cleaning system1.入料口 2.導(dǎo)流面 3.排棗閉風(fēng)器 4.調(diào)節(jié)板 5.排雜閉風(fēng)器 6.濾雜裝置

在此過程中清選系統(tǒng)具有清選棗、雜，分離氣、雜的作用，是氣吸式紅棗收獲機(jī)的關(guān)鍵工作部件。其結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖如圖2、3所示，由入料口、導(dǎo)流面、調(diào)節(jié)板、排棗閉風(fēng)器、排雜閉風(fēng)器、濾雜裝置等組成。調(diào)節(jié)板處于排棗閉風(fēng)器和排雜閉風(fēng)器中間，可根據(jù)作業(yè)需求上下滑動調(diào)節(jié)，與導(dǎo)流面共同作用改變清選系統(tǒng)流體運(yùn)動特性。作業(yè)時排棗閉風(fēng)器和排雜閉風(fēng)器可實(shí)時排出棗、雜，并能夠保持清選系統(tǒng)的氣密性。

圖3 清選系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.3 Physical image of inertia pneumatic type cleaner system

1.2 工作原理

工作時，棗、雜在負(fù)壓氣流作用下進(jìn)入清選系統(tǒng)入料口后，由于導(dǎo)流面與調(diào)節(jié)板共同作用，使得清選系統(tǒng)內(nèi)氣流運(yùn)動軌跡發(fā)生改變，棗、雜在流體動力學(xué)和慣性差異下，棗、雜運(yùn)動軌跡產(chǎn)生分層[17]，紅棗在調(diào)節(jié)板前沉降，經(jīng)排棗閉風(fēng)器排出；而雜質(zhì)則越過調(diào)節(jié)板，被濾雜裝置阻擋后經(jīng)排雜閉風(fēng)器排出清選系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)棗、雜清選工作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

為利于紅棗沉降及提高棗、雜清選效果，清選系統(tǒng)內(nèi)氣流速度應(yīng)大于雜質(zhì)而小于紅棗的懸浮速度，因此可根據(jù)清選系統(tǒng)內(nèi)氣流速度設(shè)計(jì)清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。在清選系統(tǒng)流場內(nèi)，氣體馬赫數(shù)遠(yuǎn)小于0.1，可認(rèn)為空氣是不可壓縮流體[18]。同時，忽略閉風(fēng)器與外界氣流交換、泄漏等情況，由流量守恒定律知單位時間內(nèi)通過任意流斷面的流量相同且與流速成正比[19]，即

(1)

式中uA——流斷面A處流速，m/s

uB——流斷面B處流速，m/s

SA——流斷面A處面積，m2

SB——流斷面B處面積，m2

Q——流量，m3/s

參照文獻(xiàn)[7-10,19-20]及項(xiàng)目組研制的與清選系統(tǒng)配套的氣吸式紅棗收獲機(jī)作業(yè)參數(shù)可知，清選系統(tǒng)入料口的氣流速度為27～45 m/s，經(jīng)測定雜質(zhì)懸浮速度為3.4～5.6 m/s。參照選用的電動履帶底盤尺寸(長×寬為2.00 m×1.20 m)及與清選系統(tǒng)相鄰布置的柴油發(fā)電機(jī)尺寸(長×寬×高為1.78 m×0.55 m×1.25 m)，同時考慮配套的氣吸式紅棗收獲機(jī)布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊，并且結(jié)合式(1)計(jì)算得到清選系統(tǒng)橫截面積(0.3 m2)等因素，共同確定清選系統(tǒng)長、寬、高分別為1.2、0.6、0.5 m。

2.2 導(dǎo)流面曲線方程

對于部分從入料口上部進(jìn)入清選系統(tǒng)且難以沉降的紅棗(相比雜質(zhì)慣性大，形面阻力小，所以更難以沉降)，采用導(dǎo)流面與紅棗非完全偏心彈性碰撞方式改變其運(yùn)動軌跡，使其快速沉降。由動量和沖量定理知，紅棗與導(dǎo)流面碰撞時速度方向變化越小，紅棗所受沖量也越小，越有利于減輕損傷。同時避免紅棗越過調(diào)節(jié)板造成損失，其最小速度變化方向?yàn)榧t棗與導(dǎo)流面碰撞后匯集于調(diào)節(jié)板頂端的軌跡。由此確定導(dǎo)流面形狀為橢圓曲線，同時紅棗受重力作用，因此橢圓曲線與水平方向應(yīng)呈一定傾角。

圖4 導(dǎo)流面橢圓曲線示意圖Fig.4 Schematic of elliptic curve of diversion surface

為便于分析導(dǎo)流面的橢圓曲線方程及傾角，以入料口中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)O(0,0)，平行于入料口方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閥軸，建立坐標(biāo)系Oxy。導(dǎo)流面的橢圓曲線方程示意圖如圖4所示，其中F1(xc0,yc0)和F2(xcf,ycf)為焦點(diǎn)，M(xi,yi)為橢圓曲線方程上任意一點(diǎn)，建立橢圓面曲線方程為

(2)

其中

(3)

聯(lián)立式(2)、(3)，得

(4)

式中a——橢圓曲線方程長半軸長度，m

b——橢圓曲線方程短半軸長度，m

θ——橢圓曲線方程傾角，(°)

其中F1(xc0,yc0)的坐標(biāo)為(0,0)，入料口與調(diào)節(jié)板頂點(diǎn)距離在x軸方向投影長度設(shè)計(jì)值為0.6 m，即xcf=0.6 m，ycf的數(shù)值由公式y(tǒng)cf=0.6tanθ得到。將以上數(shù)值代入式(4)并簡化得導(dǎo)流面方程為

(5)

其中橢圓曲線方程的傾角θ可根據(jù)紅棗在水平和垂直面的行進(jìn)距離Sh、Sv的比值得出。紅棗進(jìn)入清選系統(tǒng)后的運(yùn)動為有初速度且受重力作用的類平拋運(yùn)動。選取單顆紅棗J進(jìn)行計(jì)算。因其與空氣密度差異較大，且與氣流相對速度較小[21-22]，忽略除曳力以外的氣流作用力。建立紅棗J運(yùn)動軌跡切線方向力平衡方程[23]

(6)

式中aJ——紅棗J加速度，m/s2

uJ——紅棗J速度，m/s

mJ——紅棗J質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

t——時間，s

γ——紅棗J運(yùn)動方向與水平方向夾角，(°)

FD——紅棗J所受曳力，N

FD計(jì)算公式為

(7)

其中

(8)

(9)

式中ρa(bǔ)ir——空氣密度，取1.205 kg/m3

uair——?dú)饬魉俣?，m/s

dJ——紅棗J垂直于相對速度方向的投影直徑，m

CD——繞流阻力系數(shù)，由顆粒的雷諾系數(shù)[19]決定

Rep——引入空隙率之后的雷諾數(shù)

ε——孔隙率，%

μair——?dú)怏w動力粘度，取1.48×10-5m2/s[19]

聯(lián)立式(8)、(9)，計(jì)算得雷諾系數(shù)大于103，屬于湍流的范疇，即CD=0.44。代入式(7)并與式(6)聯(lián)立，得

(10)

結(jié)合紅棗J運(yùn)動軌跡方程，可得

(11)

式中u0——紅棗J進(jìn)入清選系統(tǒng)初速度，m/s

前期試驗(yàn)知紅棗以水平方向進(jìn)入清選系統(tǒng)，且最大初速度為6.5 m/s，結(jié)合式(10)、(11)計(jì)算得θ=11.31°，即導(dǎo)流面曲線方程與水平方向的傾角為11.31°。

2.3 濾雜裝置

濾雜裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由滾筒篩、濾雜條刷、清掃條刷、傳動軸組成。滾筒篩固定于傳動軸上，工作時逆時針旋轉(zhuǎn)。濾雜條刷和清掃條刷對稱安裝在通過滾筒篩旋轉(zhuǎn)中心的清選系統(tǒng)內(nèi)壁上。濾雜條刷用于密封滾筒篩與清選系統(tǒng)的間隙，而清掃條刷則與滾筒篩緊密接觸，用于清除吸附于滾筒篩篩面上的雜質(zhì)。

圖5 濾雜裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of filter device1.濾雜條刷 2.滾筒篩 3.傳動軸 4.清掃條刷

結(jié)合清選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸，并且為便于安裝，滾筒篩、濾雜條刷和清掃條刷在水平和垂直方向的配合安裝尺寸應(yīng)略小于清選系統(tǒng)內(nèi)截面尺寸。因此確定滾筒篩直徑為0.43 m，寬度為0.59 m。濾雜條刷和清掃條刷材質(zhì)為尼龍絲，寬度與滾筒篩等寬，高度為3.5 cm。試驗(yàn)中運(yùn)動至滾筒篩處的物料主要包括棗葉、棗吊、塵土和形貌尺寸較小且干癟的殘次紅棗，其中殘次紅棗相比棗葉、棗吊、塵土硬度較大，穿過滾筒篩后經(jīng)過離心風(fēng)機(jī)時對其損傷更嚴(yán)重，因此，以殘次紅棗形貌參數(shù)確定篩孔的尺寸。對50顆殘次紅棗進(jìn)行三軸尺寸參數(shù)測量，測得最小軸長為6.13 mm，同時為便于滾筒篩的加工制造，確定篩孔直徑為6 mm。

3 清選系統(tǒng)氣流運(yùn)動特性仿真分析

采用Fluent 19.0軟件對清選系統(tǒng)內(nèi)流場進(jìn)行仿真分析[24-25]，以探明清選系統(tǒng)內(nèi)氣流運(yùn)動特性，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 清選系統(tǒng)內(nèi)氣流運(yùn)動特性仿真結(jié)果Fig.6 Fluid simulation analysis results of cleaning system

圖6a為氣流速度云圖，可知?dú)饬鬟M(jìn)入清選系統(tǒng)后流速快速降低，有利于紅棗的沉降；沿著導(dǎo)流面形成速度較高的氣流帶，便于攜帶輕質(zhì)雜質(zhì)越過調(diào)節(jié)板。圖6b為氣流速度矢量圖，在導(dǎo)流面和調(diào)節(jié)板共同作用下形成“∞”形旋流，氣流在調(diào)節(jié)板前為順時針旋流，其軌跡方向在Ⅰ區(qū)發(fā)生急劇變化，可有效引導(dǎo)紅棗沉降；氣流在Ⅱ區(qū)出現(xiàn)匯集，利于攜帶雜質(zhì)越過調(diào)節(jié)板頂端；少量被紅棗遮擋并被攜帶至Ⅳ區(qū)的雜質(zhì)，在棗、雜比重差異作用下再次形成分層，紅棗落入排棗閉風(fēng)器，雜質(zhì)則隨著Ⅵ區(qū)旋流進(jìn)入Ⅲ區(qū)實(shí)現(xiàn)二次清選；氣流在調(diào)節(jié)板后側(cè)的Ⅴ區(qū)形成逆時針氣流，有利于雜質(zhì)向排雜閉風(fēng)器處運(yùn)移，使雜質(zhì)快速沉降并排出。流場仿真分析結(jié)果表明清選系統(tǒng)內(nèi)流體運(yùn)動特性符合預(yù)期效果。

4 清選性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

2020年11月22日，在新疆維吾爾自治區(qū)第一師阿拉爾市13團(tuán)矮化密植棗園開展清選系統(tǒng)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)長度為220 m，寬度為50 m。棗樹行距3 m，平均株距為1.5 m；產(chǎn)量為12 500 kg/hm2，品種為新鄭灰棗，含水率為23.09%。

4.2 試驗(yàn)方法

將清選系統(tǒng)集成于項(xiàng)目組研制的氣吸式紅棗收獲機(jī)上。由預(yù)試驗(yàn)知，氣流速度是決定棗、雜喂入量和撿拾效果的關(guān)鍵因素，實(shí)際作業(yè)中，為保證作業(yè)速率、喂入量始終處于最大值，而前進(jìn)速度視撿拾效果而定，故不以喂入量和前進(jìn)速度作為試驗(yàn)因素。因此，確定氣流速度和調(diào)節(jié)板開度為試驗(yàn)因素。氣流速度由變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，參數(shù)范圍在2.1節(jié)確定的27～45 m/s內(nèi)調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)板開度以理論計(jì)算值為零點(diǎn)，向上滑動減小開度記為負(fù)值，向下滑動增加開度記為正值，由預(yù)試驗(yàn)確定在-6～6 cm內(nèi)調(diào)節(jié)。參照DG/T 188—2019《果實(shí)撿拾機(jī)》和Q/XNJ 001—2017《自走氣吸式紅棗撿拾機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)，沿棗樹行間劃分若干長度為30 m試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)時，調(diào)節(jié)氣吸式紅棗收獲機(jī)運(yùn)行參數(shù)達(dá)試驗(yàn)要求后駛?cè)霚y試區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)指標(biāo)選取為含雜率yim、損失率ylo和破損率yda，其中含雜率是收獲的紅棗中包含雜質(zhì)的比例，即雜質(zhì)與收獲紅棗質(zhì)量之比。損失率是排雜閉風(fēng)器排出紅棗與收獲紅棗質(zhì)量的比值。破損率是收獲時機(jī)械造成的破損紅棗占總收獲紅棗質(zhì)量的比值，紅棗表面出現(xiàn)可見的破損及裂紋均記為破損紅棗[26-28]。

4.3 單因素試驗(yàn)

為分析各試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，及選取正交試驗(yàn)因素水平范圍[29-31]，進(jìn)行含雜率、損失率和破損率的單因素試驗(yàn)，并通過Origin 2018軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，繪制試驗(yàn)指標(biāo)隨因素的變化規(guī)律如圖7、8所示。

圖7 試驗(yàn)指標(biāo)隨氣流速度變化曲線Fig.7 Impurity rate,loss rate,and damage rate change rule with airflow velocity

圖8 試驗(yàn)指標(biāo)隨調(diào)節(jié)板開度變化曲線Fig.8 Impurity rate,loss rate,and damage rate changes with open values of baffle

由圖7可知，當(dāng)氣流速度小于35 m/s時，含雜率隨著氣流速度增加逐漸降低；當(dāng)氣流速度超過35 m/s時，含雜率隨著氣流速度增加而快速增長。原因是氣流速度低于35 m/s時，氣流速度增加有利于攜帶雜質(zhì)分離，提高了清選效率；氣流速度大于35 m/s時，隨著氣流速度的增加，吸拾的雜質(zhì)數(shù)量也會增多，以及進(jìn)入清選系統(tǒng)的棗、雜速度隨著氣流速度增加而提高，造成清選時間相對減少，使得含雜率升高。在氣流速度為27～38 m/s時，損失率隨著氣流速度緩慢遞增，當(dāng)氣流速度超過38 m/s時，損失率快速增加，原因是隨著氣流速度繼續(xù)增加時，棗、雜運(yùn)動速度也隨之升高，造成部分比重較小的紅棗越過調(diào)節(jié)板隨雜質(zhì)排出，形成損失。隨著氣流速度增加，破損率逐漸增加，原因是氣流速度增加使得紅棗動能增加，沉降時碰撞沖量增加，造成破損率增加。當(dāng)氣流速度為35 m/s左右時，含雜率具有最小值；當(dāng)氣流速度超過38 m/s時，損失率和破損率急劇增長。由此以氣流速度35 m/s作為中值，最終確定氣流速度為32～38 m/s。

由圖8可知，在調(diào)節(jié)板開度小于1 cm時，含雜率隨著開度增加快速降低，調(diào)節(jié)板開度大于1 cm時含雜率又逐漸增高。原因是開度較小時，隨著開度增加被調(diào)節(jié)板阻擋的雜質(zhì)變少，使得含雜率降低；當(dāng)調(diào)節(jié)板開度繼續(xù)增加，使得調(diào)節(jié)板頂端氣流速度降低，利于二次清選的旋流減弱，造成含雜率升高。損失率隨調(diào)節(jié)板開度的增加先緩慢增加隨后增加趨勢擴(kuò)大，原因是調(diào)節(jié)板開度增加，攜帶紅棗沉降的旋流強(qiáng)度減弱，并且調(diào)節(jié)板開度增加越大，減弱趨勢愈加明顯，造成損失率快速增長。隨著調(diào)節(jié)板開度的增加，破損率緩慢降低，原因是調(diào)節(jié)板開度增加后，其上部流通截面積也增加，使得氣流速度降低，對紅棗作用力減弱，動能降低，因此破損率降低。當(dāng)調(diào)節(jié)板開度為1.5 cm左右時含雜率具有最小值，以此值確定為調(diào)節(jié)板開度區(qū)間中值；隨著調(diào)節(jié)板開度增加，損失率逐漸升高，破損率逐漸降低，其交點(diǎn)出現(xiàn)在調(diào)節(jié)板開度為-1 cm時，最終確定調(diào)節(jié)板開度為-1～4 cm。

4.4 交互因素試驗(yàn)

4.4.1試驗(yàn)方案

為探究試驗(yàn)因素交互作用對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，利用Design-Expert 10.0.3軟件中Central Composite Design模塊[32]進(jìn)行中心復(fù)合試驗(yàn)。因素區(qū)間為單因素試驗(yàn)確定的范圍，試驗(yàn)因素編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Coding of factors

4.4.2試驗(yàn)結(jié)果

采用Central Composite Design試驗(yàn)方法開展二因素五水平中心復(fù)合試驗(yàn)，試驗(yàn)方案和結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)共計(jì)13組，由試驗(yàn)結(jié)果知含雜率為0.67%～4.25%，損失率為0.32%～5.36%，損傷率為0.15%～3.64%。

表2 試驗(yàn)方案和結(jié)果Tab.2 Test scheme and results

4.4.3顯著性檢驗(yàn)與回歸模型

對表2試驗(yàn)數(shù)進(jìn)行分析和多元回歸擬合，建立因素對試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程并對其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[33]。

含雜率方差分析結(jié)果如表3所示，模型P<0.001，極顯著。失擬項(xiàng)P=0.285 8，不顯著，表明不存在影響試驗(yàn)指標(biāo)的未考慮因素。其決定系數(shù)R2為0.988 7，表明該模型可擬合98.87%的試驗(yàn)結(jié)果。其中A、B、AB、A2對含雜率影響極顯著，B2對含雜率影響顯著。各因素對含雜率的回歸模型為

yim=-24.89+1.79A-1.93B+0.038AB-
0.028A2+0.030B2

(12)

損失率方差分析結(jié)果如表4所示，模型P<0.001，極顯著。失擬項(xiàng)P=0.231 9，不顯著，表明不存在影響試驗(yàn)指標(biāo)的未考慮因素。其決定系數(shù)R2為0.985 7，表明該模型可擬合98.57%的試驗(yàn)結(jié)果。

表3 含雜率方差分析Tab.3 Variance analysis of impurity rate

表4 損失率方差分析Tab.4 Variance analysis of lost rate

圖9 因素交互作用對指標(biāo)影響的響應(yīng)面Fig.9 Response surfaces of experimental factors on response indicators

其中B、AB對損失率影響極顯著，A對損失率影響顯著，B2損失率影響較顯著。各因素對損失率的回歸模型為

ylo=-9.21+0.68A-2.30B+0.083AB-
0.011A2+0.027B2

(13)

破損率方差分析結(jié)果如表5所示，模型P<0.001，極顯著。失擬項(xiàng)P=0.136 3，不顯著，表明不存在影響試驗(yàn)指標(biāo)的未考慮因素。其決定系數(shù)R2為0.948 7，表明該模型可擬合94.87%的試驗(yàn)結(jié)果。其中B對破損率影響極顯著，A對破損率影響顯著，AB對破損率影響較顯著。

各因素對破損率的回歸模型為

yda=-16.13+0.87A+1.16B-0.048AB-
0.010A2+0.015B2

(14)

表5 破損率方差分析Tab.5 Variance analysis of damage rate

4.4.4交互作用對清選性能影響的響應(yīng)曲面

為直觀分析試驗(yàn)因素交互作用對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，繪制回歸模型的響應(yīng)曲面圖，如圖9所示。

圖9a為因素交互作用對含雜率的影響規(guī)律，可知調(diào)節(jié)板開度較小時含雜率隨著氣流速度的增加緩慢增加。隨著調(diào)節(jié)板開度增大，含雜率隨氣流速度增加而快速增加；當(dāng)氣流速度小于35 m/s時，含雜率隨著調(diào)節(jié)板開度的增加而緩慢下降，當(dāng)氣流速度大于35 m/s時，含雜率隨著調(diào)節(jié)板開度的增加而逐漸升高。原因是調(diào)節(jié)板開度較小時，隨著氣流速度增加形成的旋流強(qiáng)度也增加，造成清選時間相對減少，使得含雜率隨氣流速度增加緩慢上升。隨著調(diào)節(jié)板開度增大，氣流速度降低攜帶雜質(zhì)能力減弱，造成含雜率快速升高；氣流速度小于35 m/s時，調(diào)節(jié)板開度越大，越過調(diào)節(jié)板的雜質(zhì)就越多，因此含雜率隨之降低；氣流速度大于35 m/s時，含雜率更多受氣流影響，氣流速度越大，旋流強(qiáng)度越高，隨著旋流混入紅棗的雜質(zhì)也增加，造成含雜率上升。

圖9b為因素交互作用對損失率的影響規(guī)律，可知當(dāng)調(diào)節(jié)板開度小于1 cm時，損失率隨氣流速度增加緩慢降低；當(dāng)調(diào)節(jié)板開度大于1 cm時，損失率隨調(diào)節(jié)板開度增加而增加。原因是調(diào)節(jié)板開度小于1 cm時，氣流速度增加形成氣旋流強(qiáng)度升高，攜帶紅棗能力增強(qiáng)，易于紅棗沉降，使得損失率降低；而調(diào)節(jié)板開度大于1 cm時，隨著調(diào)節(jié)板開度增加，紅棗越過調(diào)節(jié)板隨雜質(zhì)排出的概率增大，造成紅棗損失率增加。

圖9c為因素交互作用對破損率的影響規(guī)律，可知當(dāng)調(diào)節(jié)板開度大于2.5 cm時，氣流速度對破損率影響不明顯；當(dāng)調(diào)節(jié)板開度小于2.5 cm時，破損率隨氣流速度的增加逐漸升高，并且交互因素對破損率增加有明顯促進(jìn)作用。原因是調(diào)節(jié)板開度大于2.5 cm時，旋流隨著氣流速度的變化趨勢不明顯，且氣流速度變化區(qū)間較小，對破損率影響有限。當(dāng)調(diào)節(jié)板開度小于2.5 cm時，隨著調(diào)節(jié)板開度減小，氣流速度增加，旋流強(qiáng)度增加明顯，對紅棗作用力也增加，造成沉降過程中碰撞沖量增加，因此破損率也隨之增加。

4.4.5參數(shù)優(yōu)化

為使清選系統(tǒng)工作性能達(dá)到最佳，利用Optimization模塊對回歸模型進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)因素中氣流速度設(shè)置為32～38 m/s，調(diào)節(jié)板開度設(shè)置為-1～4 cm，試驗(yàn)指標(biāo)中含雜率、損失率和破損率目標(biāo)值均選最小值。得到最優(yōu)組合為：氣流速度32.0 m/s，調(diào)節(jié)板開度3.4 cm，此時，含雜率、損失率和破損率分別為1.32%、3.25%和0.57%。

4.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化結(jié)果及清選系統(tǒng)作業(yè)性能，在最優(yōu)參數(shù)組合下開展驗(yàn)證試驗(yàn)，圖10為試驗(yàn)過程及作業(yè)效果。試驗(yàn)共進(jìn)行5次，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果取算術(shù)平均值(表6)。

圖10 試驗(yàn)過程及作業(yè)效果Fig.10 Process and results of field test

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of verification experiment %

結(jié)果表明：含雜率為1.38%，比優(yōu)化值增加了0.06個百分點(diǎn)，相對誤差為4.55%；損失率為3.37%，比優(yōu)化值增加了0.12個百分點(diǎn)，相對誤差為3.69%；破損率為0.60%，比優(yōu)化值增加了0.03個百分點(diǎn)，相對誤差為5.26%。

5 結(jié)論

(1)為提高氣吸式紅棗收獲機(jī)清選系統(tǒng)作業(yè)性能，利用棗、雜慣性和流體力學(xué)特性差異設(shè)計(jì)了一種慣性氣流式紅棗清選系統(tǒng)。

(2)通過單因素試驗(yàn)得到氣流速度區(qū)間為32～38 m/s，調(diào)節(jié)板開度區(qū)間為-1～4 cm。通過響應(yīng)曲面試驗(yàn)確定清選系統(tǒng)最優(yōu)工作參數(shù)組合，當(dāng)氣流速度為32.0 m/s，調(diào)節(jié)板開度為3.4 cm時，含雜率為1.32%、損失率為3.25%、破損率為0.57%。

(3)驗(yàn)證試驗(yàn)得到含雜率、損失率和破損率分別為1.38%、3.37%和0.60%，與優(yōu)化參數(shù)相比分別增加了0.06、0.12、0.03個百分點(diǎn)。