平貝母收獲機(jī)振動篩分過程仿真及試驗(yàn)

李三平, 王琦宇, 吳立國*,,2, 胡浩浩, 杜佳寶, 袁龍強(qiáng)

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,哈爾濱 150040,E-mail:bluelii73@163.com;2.國家林業(yè)和草原局 哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所,哈爾濱 150086)

平貝母為百合科貝母屬多年生植物的干燥鱗莖,味苦,性寒,主要效用為化痰止咳、潤肺清熱[1]。平貝母與川貝母在主治功能、性味歸經(jīng)和入藥部位相差不大,并且平貝母產(chǎn)量高、易栽培等優(yōu)點(diǎn)也是資源匱乏的川貝母難以企及的,這為平貝母代替川貝母的可行性提供了主要根據(jù)[2]。

平貝母機(jī)械收獲的重要環(huán)節(jié)之一是平貝母的等級分級。等級分級的主要目的:一是藥材分級后便于對外銷售,二是分級后方便把用于育種的粒徑較小的平貝母篩分出來,有利于平貝母的規(guī)范化生產(chǎn)[3]。品質(zhì)和粒重分析是平貝母篩分的物理機(jī)械特性研究的主要方向[4]。鄭軍以單粒重為第一指標(biāo)對川貝母進(jìn)行等級分級[5], 提出縱橫徑比更適合作為商品藥材的分級指標(biāo)。

課題組依據(jù)振動篩的離散元仿真對振動篩的三個振動參數(shù):振幅、振動頻率以及傾角進(jìn)行交互試驗(yàn),通過3D響應(yīng)面法優(yōu)化振動參數(shù),得出最優(yōu)振動參數(shù)。課題組根據(jù)仿真試驗(yàn)的三維模型重新設(shè)計并找廠家制造振動篩各個零件,組裝好整體設(shè)備做篩分試驗(yàn),以驗(yàn)證最優(yōu)參數(shù)是否合理。

1 平貝母收獲機(jī)篩分機(jī)構(gòu)組成及工作原理

本文針對課題組研制的4QPB-1201型平貝母收獲機(jī)的篩分機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)與仿真分析,其整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 4QPB-1201型平貝母收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)主要由傳動總成、機(jī)架、滾筒篩、末端收集箱、傳送機(jī)構(gòu)、集果箱、旋土機(jī)構(gòu)、挖掘機(jī)構(gòu)、末端振動篩、振動篩、升運(yùn)機(jī)構(gòu)等組成。改進(jìn)后的篩分機(jī)構(gòu)由電機(jī)、滾筒篩、支撐桿、支架、振動篩、連桿、偏心輪、傳送帶以及機(jī)架組成,篩分機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示,為凸顯篩分過程中平貝母的分級效果,篩分機(jī)構(gòu)采用二級篩分,上方為滾筒篩,下方為振動篩構(gòu)成,并且滾筒篩網(wǎng)和振動篩網(wǎng)采用三段不同孔徑的篩網(wǎng)組成,篩孔為正方形孔,孔徑分別為6 mm、18 mm、25 mm。

圖2 新型篩分機(jī)構(gòu)整體布局平面圖

平貝母收獲機(jī)工作時,挖掘裝置的挖掘鏟切入平貝母的硅土內(nèi),在收獲機(jī)向前移動的同時,將平貝母鱗莖和土壤混合物推入提升機(jī)構(gòu)。提升機(jī)構(gòu)將貝土混合物提升到篩分機(jī)構(gòu)的滾筒篩中,在滾筒篩中完成第一次貝土分離,分離出的平貝母和松散土落入振動篩中進(jìn)行第二次篩分。平貝母鱗莖在振動篩的振動下進(jìn)入末端振動篩進(jìn)行第三次篩分,經(jīng)末端振動篩篩分的平貝母鱗莖進(jìn)入末端收集箱,末端收集箱與輸送機(jī)相連。末端收集箱中的平貝母鱗莖通過輸送機(jī)輸送至平貝母收集箱,完成收獲過程[6]。4QPB-1201型平貝母收獲機(jī)篩分機(jī)構(gòu)對平貝母的分級效果、篩分效率與平均運(yùn)輸速度不理想,存在傷貝率較大等問題,故本文對其改進(jìn)設(shè)計使平貝母收獲機(jī)振動機(jī)構(gòu)篩分效果更理想。

2 振動篩篩分試驗(yàn)仿真分析

2.1 振動篩篩分交互試驗(yàn)設(shè)計

在篩分過程中,平貝母的篩分效率與運(yùn)輸速度受到篩面傾角、振幅和以及振動頻率等多因素的影響,因此本文依據(jù)正交試驗(yàn)原理來進(jìn)行振動篩篩分試驗(yàn),其優(yōu)點(diǎn)是:減少試驗(yàn)次數(shù),縮短試驗(yàn)周期,降低試驗(yàn)和生產(chǎn)成本,快速找到因素的最優(yōu)組合[7]。研究各個振動參數(shù)在振動篩篩分過程中對平貝母在振動篩上的運(yùn)動和透篩結(jié)果的影響。相關(guān)試驗(yàn)因素與水平如表1所示,每個振動參數(shù)都有三個不同的水平值,通過三因素三水平的試驗(yàn)方案來進(jìn)行振動篩分試驗(yàn)分析,試驗(yàn)將一共產(chǎn)生17組數(shù)據(jù)。

表1 仿真試驗(yàn)因素與水平

在對不同情況的振動參數(shù)結(jié)果進(jìn)行仿真篩分模擬后,在離散元軟件的后處理分析模塊中對仿真結(jié)果數(shù)據(jù)中平貝母的篩分效率以及平均運(yùn)輸速度進(jìn)行統(tǒng)計。篩分過程中篩分的完成度上用篩分效率表示,煤炭部發(fā)布了總篩分效率公式用來表示篩分設(shè)備的篩分效果[8],如式1所示:

(1)

式中:ηs—總篩分效率,%;λ—篩分顆粒中小于篩孔尺寸的顆粒質(zhì)量含量,%;μ—通過篩網(wǎng)的顆粒中小于篩孔尺寸的顆粒質(zhì)量含量,%;θ—未通過篩網(wǎng)的篩分顆粒中小于篩孔尺寸的顆粒質(zhì)量含量,%。

當(dāng)不考慮通過篩網(wǎng)的顆粒中含有大于篩孔尺寸的顆粒時候,常用量篩分效率來評價篩分效果的好壞[9]。上式經(jīng)過化簡量篩分效率公式如式2所示:

(2)

式中:ηl—量篩分效率,%。

量篩分效率與總篩分效率本質(zhì)相同,當(dāng)通過篩網(wǎng)的顆粒中沒有出現(xiàn)大于篩孔尺寸的顆粒時,即μ為100,此時兩者相等。本文采用EDEM模擬篩分過程,由于通過篩網(wǎng)的平貝母顆粒中沒有大于篩孔尺寸的平貝母顆粒,因此可以使用篩分效率作為評價篩分效果的指標(biāo)[10]。平貝母的平均運(yùn)輸速度通過EDEM后處理模塊中生成,打開Export Results Data面板,選擇輸出文件的格式為Text(.csv),使用查詢標(biāo)簽(Queries)創(chuàng)建新的查詢,選擇有關(guān)單元顆粒下面Velocity為該顆粒要輸出的屬性,使用component為x方向,在所有等級的顆粒查詢?nèi)拷⑼旰髥螕糨敵霭粹o(Export)將顆粒的平均運(yùn)輸速度數(shù)據(jù)輸出到新建的文件夾內(nèi)。

2.2 篩分試驗(yàn)仿真模型的建立

在SolidWorks軟件中繪制振動篩的幾何模型,如圖3所示。設(shè)定幾何模型中心點(diǎn)為原點(diǎn),保存格式為*.IGS,導(dǎo)入到離散元軟件EDEM的Creator模塊中。振動篩的幾何參數(shù)為:篩面長1 540 mm,寬1 000 mm,設(shè)計三段篩網(wǎng)的篩孔為正方形孔,孔徑分別為6 mm、18 mm、25 mm。

圖3 振動篩幾何模型

對平貝母種植基地的土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,將土壤顆粒直徑設(shè)定為4 mm,如圖4所示。為了更接近真實(shí)環(huán)境,使模擬結(jié)果更準(zhǔn)確,土壤顆粒半徑大小使用隨機(jī)正態(tài)分布生成,大小在原直徑的0.8倍到1.2倍之間。

圖4 土壤顆粒仿真模型

通過市場觀察統(tǒng)計,將平貝母分級,粒度小于8 mm的占 28% 左右,篩分出來落入土壤中作育種使用。介于8 mm～20 mm的占38%左右,介于20 mm～30 mm 的占34%左右。由此將滾筒篩分成不同孔徑的三段,將三種不同粒徑的成分分級,分設(shè)三個收集箱置于滾筒下方,分別收集相應(yīng)等級的平貝母。平貝母顆粒形狀簡單,多為橢圓球形,極少數(shù)是特殊的形狀,CLEARYPW以三維角度分析了篩面上一定數(shù)量的平貝母顆粒,發(fā)現(xiàn)了不同形狀的平貝母顆粒對篩分效率的影響也不同[11],故此次仿真以圓形平貝母鱗莖顆粒入手,在EDEM的Particles面板中,生成直徑為6 mm,18 mm,25 mm的球形顆粒為平貝母仿真模型。

2.3 仿真參數(shù)的設(shè)置

仿真參數(shù)有仿真時土壤,平貝母的各個物理參數(shù)、各個材料之間的摩擦系數(shù)以及恢復(fù)系數(shù)、滾筒篩的材料參數(shù)以及相互的摩擦系數(shù)等。主要的仿真參數(shù)都可以在相關(guān)文獻(xiàn)中查到,其余參數(shù)可以參考性質(zhì)相近的材料設(shè)定[12]。軟件仿真的參數(shù)越精確,仿真模擬結(jié)果的真實(shí)性就越高。依照平貝母鱗莖顆粒篩分過程中的接觸特性,采用Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型,用此模型來推導(dǎo)顆粒之間的接觸作用[13]。定義篩網(wǎng)、篩面為鋼材(以Q235為例)。仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

2.4 篩分試驗(yàn)仿真結(jié)果及分析

平貝母以及土壤顆粒模型的建立和相關(guān)仿真參數(shù)的輸入完成后,在EDEM的Geometry面板中添加IGS格式的振動篩三維模型,并且設(shè)置振動篩材料為Q235,設(shè)置振動篩面為實(shí)面,選中振動篩篩面在Dynamics中添加振動篩篩面運(yùn)動方式為Sinusoidal Translation,在EDEM的Geometry面板中建立土壤平貝母混合物的顆粒工廠平面,并設(shè)定顆粒工廠面為虛擬面[14]。設(shè)定該顆粒工廠的形狀為方形薄片,尺寸為100 mm×250 mm。顆粒工廠平面生成的顆粒要從篩面上方的前端下落,保證其全部能落到篩面上運(yùn)動。然后進(jìn)入EDEM的Factories面板設(shè)置顆粒屬性,設(shè)置顆粒工廠使用動態(tài)生成方式來生成平貝母土壤混合物顆粒,顆粒沒有初始速度,所受重力加速度為 9.81 m/s2。最后進(jìn)入EDEM的Simulator模塊,設(shè)置篩分仿真時間步長是 Rayleigh時間步長的15% ,即7. 574 75E-6 s?？偡抡鏁r間設(shè)為10 s,每0.1 s寫入一個結(jié)果,仿真過程如圖5示。

圖5 EDEM仿真過程

交互試驗(yàn)所得17組平貝母篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

表3 振動參數(shù)設(shè)計方案及結(jié)果

根據(jù)表3的篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù),使用逐步回歸分析的計算方法,利用軟件建立目標(biāo)響應(yīng)值和振動篩的振動參數(shù)之間的數(shù)學(xué)擬合表達(dá)式,最后剔除一些非顯著項(xiàng)[15],通過Design-Expert V 8.0軟件得到振動篩篩分效率、平均運(yùn)輸速度與振動頻率、振幅、傾角的二次多項(xiàng)式回歸模型。

Y1=74.11-1.57A+4.17B+3.60C+0.062AB+
0.63AC-0.25BC+1.38A2+0.24B2+0.18C2

(3)

Y2=0.71+0.067A+0.048B+0.043C+0.016AB+
0.016AC+0.008BC-8.375*10-3A2-0.015B2-
9.125*10-3C2

(4)

式中:Y1—篩分效率,%;Y2—平均運(yùn)輸速度,m/s;A—振動頻率,Hz;B—振動振幅,mm;C—傾角, °。

通過軟件生成兩個二次多項(xiàng)式回歸模型的方差分析結(jié)果再進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析,如表4、表5所示。可以看到兩個二次多項(xiàng)式模型的失擬項(xiàng)P值均大于0.05,能夠證明兩個二次多項(xiàng)式模型的失擬性不顯著,且擬合程度高;兩個二次多項(xiàng)式模型的P值均小于0.000 1,說明兩個二次多項(xiàng)式模型高度顯著。由振幅、傾角、振動頻率的P值可知3個振動參數(shù)對振動篩的篩分效率和平均運(yùn)輸速度都有著顯著影響,振動參數(shù)對篩分效率的影響從大到小依次為振幅、傾角、振動頻率。振動參數(shù)對平均運(yùn)輸速度的影響從大到小依次為振動頻率、傾角、振幅。篩分效率二次多項(xiàng)式模型中的P<0.05,平均運(yùn)輸速度二次多項(xiàng)式模型中的P<0.05,說明3個回歸項(xiàng)在二次多項(xiàng)式模型中交互影響顯著;兩個二次多項(xiàng)式模型的決定系數(shù)R2均接近于1,證明該篩分效率與平均運(yùn)輸速度擬合回歸模型具有較高的可靠性。

表4 篩分效率二次多項(xiàng)式模型的方差分析

表5 平均運(yùn)輸速度二次多項(xiàng)式模型的方差分析

3 基于3D響應(yīng)曲面圖的振動篩參數(shù)分析

3D響應(yīng)曲面法是一種可以使用較少的試驗(yàn)組數(shù),建立和現(xiàn)實(shí)接近的復(fù)雜多維空間曲面的試驗(yàn)方法,其利用三維圖形可以更加直接的觀測到各個振動參數(shù)之間相互作用對篩分效率以及平均運(yùn)輸速度的影響程度。

3.1 3D響應(yīng)曲面法異常點(diǎn)診斷

由上文通過回歸系數(shù)顯著性的分析能夠初步地判斷該回歸方程模型擬合程度較好,為更加有說服力,依然對試驗(yàn)方案和每一組數(shù)據(jù)是否存在異常做進(jìn)一步的檢查,通過Design-Expert V 8.0軟件的異常點(diǎn)診斷分析圖以及異常點(diǎn)影響診斷分析圖,可以排除異常點(diǎn),從而對試驗(yàn)方案的可行性加以驗(yàn)證,如圖6以及圖7所示。

圖6 篩分效率數(shù)據(jù)異常點(diǎn)診斷分析

圖7 平均運(yùn)輸速度數(shù)據(jù)異常點(diǎn)診斷分析

標(biāo)準(zhǔn)化殘差預(yù)測圖一般是用于判斷數(shù)據(jù)的可靠性,通常落在(-2,2)區(qū)間以外的試驗(yàn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化殘差的概率≤0.05,若此區(qū)間以外有試驗(yàn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化殘差落,則有95%的概率判斷其為異常試驗(yàn)點(diǎn),以其觀察序號為橫坐標(biāo),不參與回歸線擬合標(biāo)準(zhǔn)化殘差序列圖。在預(yù)測曲線與實(shí)際數(shù)據(jù)對比圖中,試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)據(jù)應(yīng)該均勻的排列在預(yù)測曲線的上下。Box-Cox曲線圖有一個變換特點(diǎn)是其通過引入一個參數(shù),利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)來預(yù)估該參數(shù)從而去確定應(yīng)該使用的數(shù)據(jù),然后變換這些數(shù)據(jù)的形式來滿足線性模型的基本假設(shè),基于此,Box-Cox曲線能夠顯著地改進(jìn)數(shù)據(jù)的方差對稱性、相等性和正態(tài)性[16-17]。由圖6以及圖7可知,標(biāo)準(zhǔn)化殘差圖并沒有試驗(yàn)異常點(diǎn),數(shù)據(jù)基本可靠。

3.2 3D響應(yīng)曲面法交互分析

根據(jù)Design-Expert .V 8.0中的3D surface功能可以分別得到各個振動參數(shù)間相互作用的3D響應(yīng)曲面。如圖8和圖9所示。其中如果等高線形狀表現(xiàn)出馬鞍形狀或者橢圓形狀則表示各個振動參數(shù)之間交互作用顯著,若等高線形狀呈現(xiàn)為圓形則說明交互作用不顯著。

圖8 振動頻率、振幅和傾角對篩分效率的交互影響

圖9 振動頻率、振幅和傾角對平均運(yùn)輸速度的交互影響

圖8(a)和(b)的等高線表現(xiàn)出來為橢圓形,圖8(c)的等高線表現(xiàn)出來為平行線狀,說明振動頻率與振幅、振動頻率與傾角交互作用顯著,而振幅與傾角交互作用不顯著。分析其原因,當(dāng)振動頻率增大時,導(dǎo)致平貝母在篩面上跳動的次數(shù)也隨之增大,所以提高了平貝母與振動篩篩面的接觸次數(shù),繼而引起平貝母透篩概率的增大,與此同時也提高了平貝母在振動篩篩面上的平均運(yùn)輸速度。當(dāng)振動頻率繼續(xù)增加到一定程度時,就導(dǎo)致平貝母獲得的動能過多,因此平貝母顆粒跳躍過分活躍,顆粒振動過于混亂反而導(dǎo)致篩分效率下降。

圖9(a)和(b)的等高線都表現(xiàn)為橢圓形,圖9(c)的等高線表現(xiàn)出來為圓形,說明振動頻率與振幅、振動頻率與傾角交互作用顯著,而振幅與傾角交互作用不顯著。其原因是當(dāng)振幅提高時,振動篩篩面對平貝母的力也隨之提高,平貝母的投擲作用也隨著慢慢增加,因此平貝母在空氣中的停留時間遠(yuǎn)大于振動篩篩面的振動周期,篩分過程中平貝母與振動篩篩面的接觸時間也隨之縮短,從而提高了平貝母的篩分效率和平均運(yùn)輸速度。另一方面,當(dāng)篩面傾角增大時,平貝母沿振動篩篩面方向的重力分量和拋撒強(qiáng)度也隨之增大,振動篩篩面上的平貝母就能更快地流向篩面末端,然而,篩面傾角的增大也使得平貝母顆粒沿篩面方向的移動速度過大,從而減小了篩孔的有效面積,當(dāng)平貝母顆粒在篩面上的移動速度增加時,顆粒的透篩概率減小同時篩分效率也隨之減小。

針對篩分效率與平均運(yùn)輸速度的二次多項(xiàng)式回歸模型,通過Design-Expert .V 8.0中的Optimization功能,以篩分效率取最低值66.52%,平均運(yùn)輸速度最高為條件,求解回歸模型得到振動參數(shù)為振動頻率為20 Hz,振幅為3 mm,傾角為15°,此時篩分效率為74.23%,平均運(yùn)輸速度為0.675 m/s。

4 振動篩實(shí)物篩分試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證離散元仿真試驗(yàn)以及交互試驗(yàn)的結(jié)果是否準(zhǔn)確,課題組根據(jù)仿真試驗(yàn)的三維模型重新設(shè)計并且購買設(shè)備搭建了試驗(yàn)平臺,如圖10、圖11所示。振動篩傳動的動力源本應(yīng)該是曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動,由于試驗(yàn)條件限制,本次振動篩分試驗(yàn)的動力源為往復(fù)電機(jī),通過電機(jī)軸和振動篩本體相連帶動振動篩做往復(fù)運(yùn)動。

圖10 振動篩設(shè)備三維模型

圖11 振動篩設(shè)備實(shí)物圖

利用該設(shè)備進(jìn)行振動篩的篩分試驗(yàn),分別按照交互試驗(yàn)的17組振動參數(shù)進(jìn)行篩分試驗(yàn),每次試驗(yàn)后統(tǒng)計篩分效率,試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 振動篩篩分試驗(yàn)結(jié)果

通過對最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)可以得知,如表6、圖12所示。在振動頻率為20 Hz,振幅為3 mm,傾角為15°的試驗(yàn)條件下,試驗(yàn)篩分效率為72.86%,較仿真中的篩分效率74.23%降低了1.37%,誤差為1.85%,在允許范圍內(nèi)。說明試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯ζ截惸刚駝雍Y的篩分效率有較好的預(yù)測性。由表4可知,影響篩分效率的主要因素是振動篩的振幅,當(dāng)振動篩振幅大于9 mm時,振動篩的篩分效率就不是太理想。

圖12 試驗(yàn)與仿真篩分效率對比

這幾組試驗(yàn)中,在第2組,第4組以及第17組的篩分效率偏低,略低于平貝母收獲機(jī)篩分機(jī)構(gòu)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn),造成篩分效率偏低的因素有三種:一是試驗(yàn)中所用平貝母是收獲后的,它的硬度不如田里地下未收獲的平貝母;二是試驗(yàn)所用的平貝母鱗莖比較干凈,由于平貝母鱗莖表面的附著力低的土壤在運(yùn)輸過程中幾乎全部脫落,剩余的土壤由于水分損失及附著力相對較高,影響篩分效果。實(shí)際田間試驗(yàn),篩分效率會有提升。三是試驗(yàn)中的平貝母是循環(huán)重復(fù)做篩分試驗(yàn)的,重復(fù)試驗(yàn)篩分效率有所下降。實(shí)際篩分效率應(yīng)該更高一點(diǎn)。

5 結(jié)論

對振動篩模型進(jìn)行離散元仿真并且與振動參數(shù)交互試驗(yàn)相結(jié)合,運(yùn)用3D響應(yīng)面法對振動參數(shù)進(jìn)行分析得出最優(yōu)振動參數(shù),最后進(jìn)行振動篩的實(shí)物篩分試驗(yàn)研究,主要結(jié)論如下:

(1) 進(jìn)行了離散元仿真試驗(yàn)并且和交互試驗(yàn)相結(jié)合確定了篩分效率與平均運(yùn)輸速度的回歸方程。

(2) 運(yùn)用3D響應(yīng)面法優(yōu)化振動參數(shù),確定了振動篩的振動參數(shù)的最優(yōu)參數(shù)為振動頻率為20 Hz,振幅為3 mm,傾角為15°。

(3) 設(shè)計了振動篩實(shí)物篩分試驗(yàn),搭建了振動篩篩分試驗(yàn)平臺進(jìn)行了篩分試驗(yàn),驗(yàn)證了最優(yōu)參數(shù)下的試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)果顯示誤差在允許范圍內(nèi)并且分析了誤差原因。