基于EDEM薏苡振動(dòng)篩清選裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

周 楊，秦代林，李奇強(qiáng)，聶均杉，羅惠中，張黎驊

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，四川 雅安 625000）

薏苡作為一種小宗作物，有極高的藥用價(jià)值[1-2]，但其加工裝備缺乏，薏苡物料因組分的復(fù)雜性，專用清選裝置較少。脫殼后混合物料分離是薏苡加工過(guò)程中的重要步驟，主要作用是高效分離出薏苡、破損薏仁、完整薏仁和雜余。分離薏仁損失率與含雜率是評(píng)價(jià)薏苡清選裝置的主要指標(biāo)[3-4]?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外薏苡專用清選裝置的研究鮮有，從薏苡復(fù)雜混合物料中分離出薏仁，降低薏苡清選裝置的含雜率和損失率成為薏苡加工過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題[5-6]。

施麗莉等利用薏苡物料懸浮速度差異，通過(guò)在薏苡脫殼腔下方安裝單一去雜風(fēng)機(jī)的方式分離雜質(zhì)[7-8]。王建楠等在薏苡脫殼機(jī)中加入兩級(jí)振動(dòng)篩對(duì)薏苡二次篩選，提升清選效果[9]。隨農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)發(fā)展，清選裝置設(shè)計(jì)融入新思路。Akbar等利用EDEM軟件對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行建模，研究不同參數(shù)對(duì)振動(dòng)篩加工效率和篩網(wǎng)磨損的影響[10]。Dong等采用離散元法在顆粒尺度上考查選煤振動(dòng)篩的傾斜角度和水平方向的振動(dòng)幅度對(duì)通過(guò)量的影響，探討提高篩分性能的方法[11]。李洪昌等利用EDEM軟件對(duì)振動(dòng)篩分過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到透篩率與運(yùn)動(dòng)參數(shù)（振幅、頻率、振動(dòng)方向角）之間關(guān)系[12]。

但國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)薏苡脫出物各組分的不同物料特性與薏苡清選效果的關(guān)系進(jìn)行針對(duì)性研究較少，薏苡清選裝置專用性不強(qiáng)，清選效果欠佳。本文結(jié)合現(xiàn)有問(wèn)題，設(shè)計(jì)薏苡專用振動(dòng)篩清選裝置，計(jì)算振動(dòng)篩各基本參數(shù)，結(jié)合薏苡物料特性建立離散元模型，利用EDEM軟件對(duì)主要影響因素進(jìn)行仿真試驗(yàn)，優(yōu)化振動(dòng)篩清選裝置作業(yè)參數(shù)，以期獲得低損清潔作業(yè)效果。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

薏苡脫殼機(jī)清選裝置分為三級(jí)（一級(jí)風(fēng)選、二級(jí)復(fù)選、三級(jí)振動(dòng)篩），振動(dòng)篩清選為第三級(jí)[13]，主要由篩箱和振動(dòng)裝置兩部分構(gòu)成，如圖1所示。其中篩箱主要由側(cè)板、底板、導(dǎo)流板、篩網(wǎng)以及止推桿構(gòu)成，振動(dòng)裝置主要由連接板、轉(zhuǎn)軸和振幅調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成，通過(guò)螺栓與篩箱連接。振幅調(diào)節(jié)裝置主要由薄壁軸承、凸輪、振幅調(diào)節(jié)板構(gòu)成，可通過(guò)調(diào)節(jié)振幅調(diào)節(jié)板的位置改變轉(zhuǎn)軸與凸輪的中心距，實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)節(jié)。

圖1 振動(dòng)篩清選裝置Fig.1 Vibrating screen cleaning device

1.2 工作原理

排料裝置將沉料倉(cāng)中物料排入振動(dòng)篩內(nèi)，薏苡經(jīng)篩箱導(dǎo)流板均分至篩網(wǎng)內(nèi)，在往復(fù)振動(dòng)作用下破碎薏仁等小于篩網(wǎng)尺寸的物料，篩選至篩網(wǎng)下，進(jìn)入薏仁儲(chǔ)料倉(cāng)。未脫殼薏苡、半脫殼薏苡因幾何尺寸大于篩網(wǎng)尺寸無(wú)法被篩選，在振動(dòng)作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至篩尾，從復(fù)脫出口進(jìn)入復(fù)脫倉(cāng)，最后在復(fù)脫攪龍作用下將物料從復(fù)脫倉(cāng)提升至料倉(cāng)，完成清選。

1.3 基本參數(shù)設(shè)計(jì)

1.3.1 篩面尺寸

篩面尺寸設(shè)計(jì)以防堵和高效為目的，以卸料倉(cāng)落料寬度為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，篩面寬度B與卸料倉(cāng)落料寬度呈正相關(guān)，篩面長(zhǎng)度L計(jì)算式：

式中，Qs為卸料裝置薏苡混合物排出量，本薏苡脫殼機(jī)排料速度約為71 kg·h-1；qs為薏苡清選篩單位面積可承擔(dān)的物料混合物喂入量，取360 kg·（h·m2）-1；篩面寬度B與卸料口寬度一致為0.32 m，計(jì)算得振動(dòng)篩篩面長(zhǎng)度L為0.62 m。

1.3.2 篩網(wǎng)孔徑

篩網(wǎng)孔徑由各項(xiàng)物料占比和尺寸決定。經(jīng)測(cè)量薏仁平均三軸尺寸中最大尺寸為5.875 mm，薏苡及未脫殼物料最小尺寸為5.206 mm。為保證薏仁選擇透過(guò)性，以薏仁最大尺寸為基準(zhǔn)，根據(jù)孔徑計(jì)算式：

式中，D1為薏仁平均三軸尺寸中最大尺寸，D2為篩孔孔徑，k為放大系數(shù)，取0.8～1.2，計(jì)算得孔徑范圍為5～7 mm。

1.3.3 篩面傾角

建立薏苡顆粒在篩面上運(yùn)動(dòng)模型如圖2所示。

圖2 薏苡顆粒上滑時(shí)受力分析Fig.2 Stress analysisof coix particles when sliding up

物料上滑時(shí)篩面受力為：

式中，x為篩面位移量，N為篩面支撐力（N）；m為物料的質(zhì)量（kg）；g為重力加速度（m·s-2）；α為清選篩面傾角(°)；P為顆粒受到振動(dòng)系統(tǒng)的慣性力（N）；β為振動(dòng)方向與水平面夾角（°）；

由式（3）可知，在拋起前需克服薏苡滑動(dòng)摩擦力，為使物料自然后移提高清選性能，需計(jì)算篩面傾角，薏苡臨界滑動(dòng)摩擦角與摩擦力關(guān)系式為：

式中，F(xiàn)f為滑動(dòng)摩擦力，N0為非工作狀態(tài)下支撐力。由摩擦試驗(yàn)得到臨界滑動(dòng)摩擦角θ為6°。

結(jié)合理論計(jì)算，本研究利用EDEM軟件對(duì)振動(dòng)篩篩網(wǎng)孔型、篩孔孔徑、振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度等影響因素進(jìn)行仿真試驗(yàn)，優(yōu)化振動(dòng)篩最佳作業(yè)參數(shù)。

2 基于EDEM振動(dòng)篩關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

2.1 離散元顆粒模型和幾何模型

根據(jù)排料裝置排出物料實(shí)際情況，測(cè)量各類物料參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1，基于測(cè)量參數(shù)建立顆粒模型如圖3所示，設(shè)定所有顆粒模型尺寸在0.8～1.2倍范圍內(nèi)生成。在EDEM軟件中設(shè)定材料力學(xué)特性如表2所示，各材料之間相互作用參數(shù)如表3所示。每次仿真時(shí)間為5 s，通過(guò)質(zhì)量監(jiān)視器檢測(cè)各物料分布情況，評(píng)估篩選質(zhì)量，仿真后處理監(jiān)測(cè)器布置情況如圖4所示。

圖4 振動(dòng)篩模型Fig.4 Vibrating screen model

表2 材料力學(xué)特性Table 2 Mechanical properties of materials

表3 各材料之間系數(shù)參數(shù)Table3 Coefficient parametersbetween materials

圖3 脫出物簡(jiǎn)化模型Fig.3 Particle model of the protuberant

表1 薏苡脫出物物料參數(shù)Table 1 Material parametersof coix extract

2.2 單因素仿真試驗(yàn)

以物料含雜率、損失率和清選效率為試驗(yàn)指標(biāo)，篩網(wǎng)孔型、篩網(wǎng)孔徑、振動(dòng)頻率和振幅為試驗(yàn)因素[14-15]，參考文中理論計(jì)算及文獻(xiàn)中振動(dòng)篩參數(shù)[16-17]，利用EDEM進(jìn)行單因素試驗(yàn)，優(yōu)選出各因素最佳作業(yè)參數(shù)[18-19]，仿真試驗(yàn)水平設(shè)計(jì)如表4所示。

表4 仿真試驗(yàn)水平設(shè)計(jì)Table 4 Simulation test level design

根據(jù)公式（5）～（7）計(jì)算篩網(wǎng)含雜率y1、損失率y2和清選效率y3。

式中，mw1為尾篩監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)薏苡總質(zhì)量（g）；mt為尾篩和底篩監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)物料總質(zhì)量（g）；md1為底篩監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)薏苡總質(zhì)量（g）；md為底篩監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)所有物料總質(zhì)量（g）；t為時(shí)間（s）。各單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

2.2.1 篩網(wǎng)孔型仿真分析

由圖5a可知，篩面孔型對(duì)清選作業(yè)質(zhì)量影響較大，在相同作業(yè)條件下，柵欄篩損失率最低，為13.32%，含雜率較高，為7.46%；方孔篩含雜率最低，為1.93%，損失率相對(duì)較高，為17.56%；4種篩面均滿足清選速度要求（清選效率≥71.02 kg·h-1），其中方孔篩表現(xiàn)最優(yōu)，在此作業(yè)參數(shù)下，清選效率達(dá)84.7 kg·h-1。綜合所有參數(shù)結(jié)果，以損失率與含雜率之和最小、清選效率最高為標(biāo)準(zhǔn)，選擇篩面孔型為方孔。

2.2.2 振動(dòng)篩振動(dòng)幅度仿真分析

由圖5b可知，當(dāng)振動(dòng)幅度由15 mm降至5 mm，籽粒損失率降低，但含雜率提高，其原因是振動(dòng)幅度減小，薏苡物料在篩箱內(nèi)單次運(yùn)動(dòng)距離變短，清選時(shí)間變長(zhǎng)，物料反復(fù)運(yùn)動(dòng)透篩幾率增大導(dǎo)致籽粒含雜率變高。當(dāng)振動(dòng)幅度≤5 mm時(shí)，薏苡物料在篩箱內(nèi)單次運(yùn)動(dòng)距離過(guò)短，無(wú)法及時(shí)篩選和向后運(yùn)動(dòng)，造成物料累積，清選效率急劇降低，達(dá)不到工作標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)振動(dòng)幅度＞12.5 mm時(shí)，物料運(yùn)動(dòng)幅度過(guò)大，物料在篩面上運(yùn)動(dòng)劇烈，薏仁未經(jīng)篩選便被排至篩尾，造成損失率過(guò)高，不滿足生產(chǎn)要求。綜上，樣機(jī)振幅擬定于5～10 mm可調(diào)，為滿足生產(chǎn)要求，需對(duì)清選篩作業(yè)參數(shù)作進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2.3 篩網(wǎng)孔徑仿真分析

由圖5c可知，四種篩網(wǎng)孔徑清選效率保持在76 kg·h-1均滿足清選設(shè)計(jì)要求。在相同振幅和頻率條件下，繼續(xù)增大篩孔孔徑，篩網(wǎng)透篩率增加，導(dǎo)致篩面誤選幾率增大，底篩含雜率增加；反之篩孔孔徑減小，薏仁和破碎薏苡透篩幾率變小，導(dǎo)致大量薏仁和碎仁從尾篩隨薏苡排出，損失率增加。為避免實(shí)際生產(chǎn)效果差異，篩網(wǎng)孔徑范圍擬定為5～6 mm。

2.2.4 振動(dòng)篩振動(dòng)頻率仿真分析

綜合圖5d可知，清選損失率和清選效率均隨振動(dòng)頻率提高而增加，振動(dòng)頻率≤10 Hz時(shí)底篩含雜率較低，小于5%。振動(dòng)頻率＜7.5 Hz，清選效率明顯降低，大量物料累積在篩網(wǎng)上，導(dǎo)致清選裝置出現(xiàn)堵塞，無(wú)法滿足作業(yè)要求。當(dāng)振動(dòng)頻率≥10 Hz，物料在篩箱內(nèi)跳動(dòng)次數(shù)增加，大量碎仁被拋向尾篩，損失率顯著增加。因此，為在實(shí)際樣機(jī)中優(yōu)化出最佳作業(yè)參數(shù)，振動(dòng)篩樣機(jī)振動(dòng)頻率擬定于5～10 Hz可調(diào)。

圖5 各試驗(yàn)因素對(duì)作業(yè)質(zhì)量的影響Fig.5 Influence of varioustest factors on operation quality

3 響應(yīng)面仿真試驗(yàn)

3.1 二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，參照種子清選機(jī)試驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5983-2013[20]，以籽粒含雜率、損失率為薏苡清選裝置試驗(yàn)指標(biāo)。借助Design-Expert軟件，按照中心組合響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)（Central composite design，CCD）試驗(yàn)方案[21-22]，分析回歸模型含雜率Y1、損失率Y2，試驗(yàn)因素編碼如表5所示。

表5 試驗(yàn)因素和水平編碼Table 5 Coding of test factors and levels

3.2 振動(dòng)篩試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果、方差分析情況見(jiàn)表6和7?？傻贸隽：s率Y1與籽粒損失率Y2回歸方程，并作顯著性檢驗(yàn)。

表6 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 6 Response surfacetest design and results

表7 含雜率和損失率回歸方程方差分析Table 7 Analysis of variance of regression equation of impurity content and loss rate

3.2.1 含雜率分析

由含雜率方差分析可知，模型顯著性檢驗(yàn)P值＜0.001、失擬項(xiàng)＞0.05、模型決定系數(shù)分別為R2=0.9966、模型矯正系數(shù)R2adj=0.9921，說(shuō)明所得回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合精度高。清選裝置篩孔孔徑（A）、振動(dòng)幅度（B）、振動(dòng)頻率（C）、A2和C2對(duì)含雜率有極顯著影響，存在非線性關(guān)系，B2對(duì)含雜率有顯著影響，而交互性AC、BC和AB對(duì)含雜率無(wú)明顯交互影響，各因素影響振動(dòng)篩清選裝置含雜率主次為：A、A2、B、B2、C、C2、BC、AC、AB。由多元回歸分析得到含雜率與試驗(yàn)因素回歸方程為：

各試驗(yàn)因素作用對(duì)含雜率響應(yīng)曲面見(jiàn)圖6，（A）篩孔孔徑、（B）振動(dòng)幅度和（C）振動(dòng)頻率3個(gè)一次項(xiàng)對(duì)薏苡含雜率均有顯著影響，由等高線密度和響應(yīng)曲面形狀可知（A）篩孔孔徑交互曲面變化最快，（B）振動(dòng)幅度和（C）振動(dòng)頻率變化相對(duì)較緩，因此（A）篩孔孔徑影響最大；（A）篩孔孔徑、（B）振動(dòng)幅度和（C）振動(dòng)頻率之間兩兩交互作用對(duì)振動(dòng)篩清選裝置含雜率影響并不明顯，與含雜率方差分析結(jié)果一致。

圖6 含雜率響應(yīng)曲面Fig.6 Impurity rate response surface

3.2.2 損失率分析

由損失率方差分析可知，模型顯著性檢驗(yàn)P值＜0.001、失擬項(xiàng)＞0.05、模型決定系數(shù)R2=0.9915、模型矯正系數(shù)R2adj=0.9807說(shuō)明回歸模型與實(shí)際結(jié)果擬合精度高，此模型可對(duì)含雜率進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。由P值可知，清選裝置篩孔直徑（A）、振動(dòng)幅度（B）、振動(dòng)頻率（C）、A2、B2和C2對(duì)損失率均有極顯著影響，存在非線性關(guān)系，交互性AB、AC對(duì)含雜率有顯著影響，BC對(duì)含雜率無(wú)明顯交互影響。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)大小，可判斷各影響因素影響振動(dòng)篩清選裝置損失率主次為：A、A2、B2、C2、B、C、AB、AC、BC。由多元回歸分析得到損失率與試驗(yàn)因素回歸方程為：

由圖7可知，（A）篩孔孔徑、（B）振動(dòng)幅度和（C）振動(dòng)頻率3個(gè)一次項(xiàng)對(duì)薏苡損失率均有顯著影響，由等高線密度和響應(yīng)曲面形狀可知（A）篩孔孔徑交互曲面變化最快，（B）振動(dòng)幅度和（C）振動(dòng)頻率變化相對(duì)較緩，因此（A）篩孔孔徑影響最大；（AB）和（AC）交互作用對(duì)振動(dòng)篩清選損失率有一定顯著影響；（BC）交互作用對(duì)振動(dòng)篩清選裝置損失率影響并不明顯，與損失率方差分析結(jié)果一致。

圖7 損失率響應(yīng)曲面Fig.7 Loss rate response surface

3.3 最優(yōu)工作參數(shù)確定

以含雜率和損失率最小，優(yōu)先保證含雜率為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)振動(dòng)篩清選裝置進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并建立Y1、Y2雙目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型，將含雜率重要性設(shè)置為5個(gè)“+”，損失率次之設(shè)置為3個(gè)“+”，3個(gè)因素目標(biāo)設(shè)置在優(yōu)化范圍內(nèi)。

優(yōu)化結(jié)果為：（A）篩孔孔徑為5.46 3 mm、（B）振動(dòng)幅度為7.626 mm、（C）振動(dòng)頻率為7.637 Hz時(shí)，薏苡含雜率為1.05 4%、損失率為3.783%。將此最優(yōu)參數(shù)圓整后進(jìn)行樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.4 樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)

為確保每組清選試驗(yàn)同一性，試驗(yàn)選用康萊特薏苡為研究對(duì)象，將3 kg薏苡樣品連續(xù)脫殼后經(jīng)二級(jí)復(fù)選裝置脫出的薏苡物料混合物為試驗(yàn)材料，各成分占比如表8所示。

表8 薏苡脫出物各物料成分百分比Table 8 Percentage of each material of coix extract

參數(shù)圓整后進(jìn)行樣機(jī)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果為：含雜率為1.297%，損失率為3.562%，與優(yōu)化結(jié)果一致，表明優(yōu)化結(jié)果具有較高可信度，本研究模型可靠。

4 結(jié)論

a.為降低薏苡清選過(guò)程中損失率與含雜率，通過(guò)分析工作原理，結(jié)合薏苡物料特性，建立顆粒運(yùn)動(dòng)模型，并計(jì)算參數(shù)，設(shè)計(jì)一種薏苡專用清選裝置，可為薏苡清選裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

b.采用EDEM仿真方法，建立離散元仿真模型?；趩我蛩卦囼?yàn)結(jié)果，開(kāi)展三因素三水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，得到篩孔孔徑、振動(dòng)幅度、振動(dòng)頻率與損失率、含雜率之間數(shù)學(xué)回歸模型。以含雜率和損失率最小，優(yōu)先保證含雜率為優(yōu)化目標(biāo)，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)組合為：篩孔孔徑為5.463 mm、振動(dòng)幅度為7.626 mm、振動(dòng)頻率為7.637 Hz。

c.根據(jù)優(yōu)化參數(shù)（圓整）進(jìn)行樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)，含雜率和損失率分別為1.297%、3.562%，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化模型預(yù)測(cè)值相吻合，優(yōu)化參數(shù)可靠。表明本薏苡清選裝置可對(duì)薏苡物料進(jìn)行有效清選，滿足薏苡清選作業(yè)要求。