花生捡拾收获机三风系风选系统流场数值模拟与试验

王伯凯 于昭洋 胡志超 曹明珠 张 鹏 王 冰

(1.农业农村部南京农业机械化研究所， 南京 210014； 2.农业农村部现代农业装备重点实验室， 南京 210014)

0 引言

花生是我国重要的油料作物和食品原料[1-4]，对于保障国家油料和食物供给安全具有战略意义。联合国粮农组织(FAO)统计数据显示，2019年中国花生种植面积4.63×106hm2，居世界第2位；产量1.75×107t，居世界第1位。但当前我国大部分花生种植区收获方式仍以半机械化和人工收获为主[5-9]，强度大、效率低，严重制约花生生产，花生捡拾收获装备可对挖掘收获后摊铺田间的花生植株进行高效捡拾收获，经济便捷。但花生捡拾收获过程中风选环节仍然存在风选损失率高、含杂率高等问题，影响收获质量，增加收获成本。

国外学者针对农作物风选进行了大量研究。CLEARY等[10]利用三维离散元法对垂直振动筛的筛分过程进行了研究，并以仿真数据为基础分析了其透筛机理；MEKONNEN等[11]针对水稻联合收获机，应用CFD软件对风机气流开口对作业机清选性能影响效果进行了模拟与试验验证。近年来，国内学者对该方面的研究也较为深入[12]。高连兴等[13]运用振动筛与双风口气吸组合式清选原理，对新型花生摘果机的清选系统进行了性能试验和优化，确定了最佳结构参数和工作参数。王东伟等[14]针对研发的自走式花生联合收获机清选系统进行了理论计算与田间试验，确定了影响清选质量的最优结构参数和工作参数。于昭洋等[15]设计了一种无阻滞的花生清选机构，对解决含杂率高、损失率高问题取得重要进展。但目前针对轴流式花生捡拾收获机，从风选流场数值模拟方面对风选质量进行的研究较少。

针对轴流式花生捡拾收获机收获过程中存在风选损失率高、含杂率高等问题，依据花生荚果混合物中各型颗粒的物理特性和空气流动特性，本文设计一种多风系组配的风选系统，通过对风选系统进行流场数值模拟与试验，实现荚果、长茎秆、短茎秆、土杂的高效高质分离和稳定均匀清选，以期为花生捡拾收获机风选系统的研究提供参考。

1 总体结构与风选系统设计

1.1 各型颗粒的基本特性

荚果混合物成分主要有荚果、长茎秆、短茎秆、土杂等，为合理设计风选系统，随机选取荚果、长茎秆、短茎秆、土杂样本200个，分别测量每个样本主要物理特性参数，其各成分经测量：荚果平均三轴尺寸(长×宽×高)为37.2 mm×10.6 mm×9.8 mm，长茎秆平均尺寸(长×直径)为102.8 mm×3.7 mm，短茎秆平均尺寸(长×直径)为39.8 mm×3.4 mm，土杂平均三轴尺寸(长×宽×高)为3.6 mm×4.3 mm×5.1 mm，各颗粒其它基本物性参数如表1所示。

表1 各型颗粒的基本物理特性参数Tab.1 Basic physical properties of various types of particles

1.2 试验台总体配置方案

针对轴流式花生捡拾收获机的作业原理及结构特点，结合花生荚果混合物中各型颗粒的物理特性和空气流动特性，设计由横流风机、主离心风机、副离心风机有序组配的三风系风选系统，并将其配置于自行研制的轴流式捡拾收获机上，构建自走式田间收获试验台(图1)，该试验台主要由捡拾机构、螺旋输送器、风选系统、提升装置、底盘系统等组成，试验台可进行风选系统结构参数、作业参数的优化试验。

1.3 风选系统结构及工作机理

风选系统结构如图2所示，主要由横流风机、主离心风机、副离心风机、上筛及下筛组成。上筛通过连杆与下筛连接，做往复运动。三风机呈前、中、后斜错位布置，横流风机位于上筛前，宽度略大于上筛前端宽度，主离心风机位于上筛后上方，副离心风机位于下筛后上方，三风机形成三风系清选，其多向气流可以增加果杂的分离程度，能在减小含杂率条件下降低风选损失率，确保花生收获时高效低损清选。

风选系统相关工作参数如表2所示，风选系统工作原理如图3所示，工作时，上筛和下筛做往复运动，三风机在传动机构作用下运转。从摘果装置凹板落下的花生荚果混合物分两路运动：一是长茎秆(长度大于75 mm)受上筛阻挡停留在上筛上，并在横流风机吹送下向后运动，当运动至主离心风机负压吸附范围内时，被吸杂口吸入，从排杂口排出；二是荚果、短茎秆、土杂在主离心风机和下筛的吹抛作用下分散、分层后，短茎秆运动至副离心风机负压吸附范围内时，被吸杂口吸入，从排杂口排出；土杂则在重力作用下穿过下筛孔，落至下方；荚果则继续沿筛体方向运动。此过程中三风系形成的多向气流增加脱出物的分离程度，有利于提升清选效果。

表2 风选系统相关工作参数Tab.2 Relevant working parameters of air separation system

2 关键部件结构设计

2.1 清选筛设计

2.1.1清选筛尺寸确定

该风选系统配置上筛和下筛，其中上筛面积对喂入量影响较大，确定合适的上筛筛面尺寸，对实现清选筛高效顺畅清选作业具有重要意义。上筛筛面尺寸与喂入量满足条件[16]

(1)

式中L1——筛面长度，mm

B1——筛面宽度，mm

Qs——最大喂入量，kg/s

qs——清选筛单位面积可承担的喂入量，取3 kg/(s·m2)

根据荚果混合物实际落料的宽度确定筛面宽度B1为1 000 mm，为实现高效清选，选取最大喂入量6 kg/s，得L1为2 000 mm。上、下筛为上下平行布置，均为板状筛面，根据4种颗粒的基本尺寸确定上筛筛孔为30 mm×70 mm的长孔，下筛筛孔为直径6 mm的圆孔。

2.1.2清选筛工作参数

清选筛的主要工作参数包括振动频率、振幅、振动方向角、筛面倾角，各参数对颗粒在筛面上的跳动状态影响很大，根据清选筛运动机理，各参数满足条件[17]

(2)

式中fz——振动频率，Hz

g——重力加速度，取9.8 m/s2

kz——抛射强度

α1——筛面倾角,(°)

δ1——振动方向角，取45°

A1——筛面振幅，m

kz对筛面物料的透筛有直接影响，平面筛抛射强度一般为2.5～4.0，考虑荚果混合物的物理尺寸、含水率、摩擦力，抛射强度越大，损失率越高，kz设计为2.5；农用平面筛倾角一般在-10°～10°之间[18]，倾角越大，颗粒在筛体的运动时间越短，结合前期试验，两筛面倾角均设为5.6°；A1增大，筛孔堵塞现象将会大大降低，也有利于分层，考虑上下筛与主、副离心风机吸杂口的距离，并参照文献[15]，A1设计为0.008 m，因此，确定fz=10 Hz。

2.2 横流风机设计

横流风机结构如图4所示，主要由蜗舌、风机叶片、带轮、侧板、出风口等组成。其作用是对进入风选系统的荚果混合物以稳定风压吹散，并将长茎秆、短茎秆分别吹向主离心风机和副离心风机的负压吸附范围内，并与荚果分散、脱离。

风选系统配置如图5所示，主要参数包括风机倾角、出风口高度、出风口宽度、叶轮个数及转速。

横流风机出风口倾角与高度决定了出风口吹风面积，也影响了颗粒的分散程度，根据几何关系，两者满足条件[18]

D2=k1L1sinα2

(3)

式中D2——出风口高度，mm

k1——系数，取0.4

α2——出风口倾角，(°)

根据《农业机械设计手册》，出风口倾角α2一般不超过45°，结合整体结构配置，设计α2=40°，则由式(3)可得出风口高度D2=480 mm。

荚果混合物透过上筛进入清选室后，为使其充分吹散、分离，横流风机所需风量满足方程

(4)

式中Q1——所需风量，m3/s

k2——秧杂占比，%

Qt——喂入量，kg/s

μ1——杂质气流的混合浓度比，取0.3

ρ——空气密度，取1.29 kg/m3

透筛混合物中主要杂质是短茎秆和土杂，通过前期试验可得混合物中短茎秆、土杂占比一般为25%，喂入量Qt为2.5 kg/s，因此，所需风量Q1为1.6 m3/s。

荚果混合物中各型颗粒的物理特性和空气流动特性不同，为使荚果、短茎秆、土杂高效高质分离，横流风机出风口气流速度应满足

(5)

式中vh——横流风机出口风速，m/s

B2——横流风机出口宽度，m

λ1——安全系数，取0.9

vj——荚果最小悬浮速度，取9.2 m/s

根据式(4)、(5)确定B2=0.32 m，并根据目前谷物联合收获机横流风机转速一般为1 100～1 200 r/min时，谷粒清洁度可达98%以上，由于花生荚果混合物中各型颗粒的悬浮速度、颗粒质量大于谷物物料，并结合试验测试，将横流风机转速设为1 400～1 600 r/min。

通过以上参数，参考深圳美风机电技术有限公司生产的MFD60型横流风机，设计叶片数为30，叶片直径D1=600 mm，叶轮与壳体的间隙为10 mm。

2.3 主、副离心风机设计

为实现风选系统上、下筛处产生均匀、稳定气流，降低风选损失率和含杂率，依据双层筛结构特点，选择蜗型壳体离心风机。

主、副离心风机的结构如图6所示，由于主、副离心风机的结构和工作原理相似，仅对副离心风机参数进行设计，主要参数包括吸秧高度B、吸杂高度C、副离心风机风压全压hf及副离心风机转速n1。

为保证花生荚果混合物中短茎秆能够由下吸杂口吸入，同时降低风选损失率，根据流体力学理论，应满足条件[19]

(6)

式中hj——静压，Pahd——动压，Pa

ξ——气流摩擦因数，取0.65

vx——吸杂口风速，m/s

l——风道长度，取1.87 m

η——管道对气流阻力系数，取0.35[20]

γ——风机进出口对气流的阻力系数，取0.6[20]

r1——风管水力半径，取0.042 m

λ2——吸杂安全系数，取1.2

λ3——荚果损失安全系数，取0.95

vd——短茎秆最大悬浮速度，取6.8 m/s

由式(4)～(6)计算得出，副离心风机风压全压为112～158 Pa。

副离心风机转速计算式为

(7)

式中D——副离心风机叶轮外径，一般在250～1 000 mm之间，取720 mm

ε——计算系数，取0.40

由式(6)、(7)计算得副离心风机的转速为1 219～1 447 r/min，为提高吸杂效率，同时考虑传动配置、降低功耗，设计副离心风机转速为1 250 r/min。通过查询风机性能曲线和离心风机性能表，选择4-79型离心风机。

由于主、副离心风机两者结构和作业原理基本相同，通过同样的分析过程设计主离心风机转速为1 450 r/min。

3 数值模拟

果杂混合物中的荚果、长茎秆、短茎秆、土杂在风选空间的运动分布状态和相互作用极为复杂，是一个复杂的气体、颗粒两相流动系统，其中有气流对果杂混合物的运动状态的影响，也有果杂混合物对气流场的影响，还有果杂混合物自身交互作用的影响以及果杂混合物与筛面之间的相互碰撞的影响。传统力学计算方法无法实现对复杂颗粒场的准确分析，而Fluent-EDEM耦合分析可对4种颗粒在风选空间运动状态进行仿真分析，确定影响风选质量的参数范围，并准确分析其运动状态，为风选装置的研究提供充分依据。

3.1 风选系统仿真模型

使用Autodesk Inventor对风选系统进行三维建模，导入到ICEM模块中构建网格模型，对清选室、主离心风机和副离心风机流体域采用多面体结构网格划分[21]，并划分边界层和O-Block，网格数为565 479，节点数为96 475，并分别定义风选流体域各入口、出口(图7)。

3.2 颗粒仿真模型

利用EDEM设置相关参数，对荚果、长茎秆、短茎秆、土杂进行颗粒造型(图8)，由于4种颗粒的形状、尺寸、质量多样，为提高运算效率，将4种颗粒视为由尺寸不同的刚性体小球组合而成。各颗粒基本结构参数如表3所示，根据前期试验测定，荚果、长茎秆、短茎秆、土杂间动摩擦因数、静摩擦因数设置如表4所示。

表3 各颗粒基本结构参数Tab.3 Basic structural parameters of each particle

表4 各型颗粒间的动/静摩擦因数Tab.4 Friction coefficient between various types of particles

3.3 耦合试验

3.3.1参数设置

将划分后的网格导入Fluent中进行数值仿真分析，将相同的风选系统网格文件导入Fluent软件中进行流体模拟参数设置，由于风选系统内的流场是湍流流动和复杂边界层流动，湍流模型选RNGk-epsilon，求解算法采用Phase Coupled Simple，耦合步长设为0.01、步数设置为300。空气粘度为 1.79×105Pa·s，湍流强度设为 6%，压力梯度项采用Presto格式，数值求解算法采用非交错网格的Simplec算法，对流项采用Quick格式[22-23]。

将风选系统仿真模型保存为step格式导入EDEM中。在EDEM中采用 Hertz Mindlin (no-slip) 接触模型，风选系统内固体材料均设置为Q235钢。其它参数如表5所示。然后连通Fluent-EDEM耦合接口，启动软件进行耦合模拟。

表5 EDEM 模拟参数Tab.5 EDEM simulation parameters

3.3.2单因素仿真试验

为确定不同参数的范围，进行单因素仿真试验。风选系统的颗粒流量设定为2.5 kg/s，并依据实际作业过程中4种颗粒比例，换算荚果、长茎秆、短茎秆、土杂在颗粒工厂处的生成速率。主、副离心风机转速分别设定1 450、1 250 r/min，并依据前期试验测试结果，吸秧高度B(图5)和吸杂高度C(图5)分别调整至公称高度175、195 mm，横流风机转速设定1 300、1 400、1 500、1 600、1 700 r/min 5个水平进行耦合试验，仿真步长均为1×10-6s，仿真时间均为5 s。

5个水平的分离效果如图9所示，其中黄色表示荚果、绿色表示长茎秆、红色表示短茎秆、黑色表示土杂。仿真试验表明，当横流风机转速A小于1 400 r/min 时，沿筛体方向风速和筛孔吹出的气流速度较小，大部分长茎秆呈团状聚集，分散、分层效果差，部分不能被吹至主离心风机的吸杂范围内，且对透过上筛的果杂混合物的分层、分散和吹送效果也不明显，容易造成筛孔堵塞；当横流风机转速A大于1 600 r/min，由于筛孔吹出的气流速度过大，果杂混合物透筛率降低，造成果杂团状被吹走，荚果损失增大；当横流风机转速A为1 400～1 600 r/min时，果杂混合物分离、分层和迁移效果明显，长茎秆、短茎秆能较稳定地进入吸杂范围，荚果在气流中有规律运动，并能和土杂有效分离，表明前文横流风机转速范围合理。同样，保持横流风机转速和吸杂高度固定进行试验，结果表明，吸秧高度越小，长茎秆进入吸秧口的空间变小，导致部分长茎秆无法顺畅吸入，确定最佳吸秧高度为150～210 mm；同样，保持横流风机转速和吸秧高度固定，吸杂高度越小，气流速度变大，荚果风选损失率上升，吸杂高度越高，气流速度变小，吸杂效果变差，确定最佳吸杂高度为170～230 mm。

3.4 结果与分析

3.4.1气流速度分析

风选系统内不同区域气流速度决定了颗粒的运动状态，为研究方便，选取上筛前半部分上方150、180、210 mm处3个测量面的速度流场进行分析，各测量面t时刻速度流场如图10所示。从图10可以看出，3个测量面均呈现沿y轴(机器直行反方向)方向总体呈波浪式递减的变化趋势，沿x轴速度分布均匀、总体速度区间分布类似的特点，不同在于150 mm测量面处，筛面上方沿y轴200～275 mm段由于位于筛孔边缘处，气流速度较低，为1.0～3.5 m/s；筛面上方沿y轴280～800 mm段为气流主要作用区，气流速度较大，为3.7～5.9 m/s，此区域荚果既可顺利透过上筛，部分短秸秆又可在上筛筛面被吹散；筛面上方沿y轴800～1 000 mm段产生低速区，气流速度有所下降，为1.0～4.2 m/s，原因为受附近高速气流影响部分区域产生涡流；筛面上方180 mm测量面处，“高速区域”面积有所下降，主要区域速度呈现 “高低交替”的波浪式特点，原因为筛孔对气流速度的影响；筛面上方210 mm测量面处，“高速区域”面积进一步下降，主要区域速度呈现 “高低交替”的波浪式特点进一步显著，原因为筛孔对气流速度的影响随距离的增加进一步显现。

4种颗粒平均速度变化如图11所示，长茎秆速度起伏较大，原因为受到上筛的振动和横流风机吹送形成的叠加效应，3.2 s后经主离心风机吹出时，风速达到最大；短茎秆速度变化先起伏后平稳，原因为：0～1.5 s内，受各颗粒物相互碰撞，速度变化不定，1.5 s后受风场作用明显，速度相对平稳，在2.2 s经副离心风机吹出时，风速达到最大；荚果、土杂在2 s前速度相近，表明其可能聚合成团状，2 s后，土杂速度渐趋向0，表明其穿过下筛落至下方，而荚果在风场和下筛的叠加作用下，速度继续呈波浪状变化。

3.4.2颗粒轨迹分析

4种颗粒位移变化曲线如图12所示，0～1 s内，4种颗粒位移变化相近，表明其呈团状；1 s后，长茎秆受上筛阻挡，最先分离出去，2.5 s后排出；1～1.5 s内，短茎秆、荚果及土杂沿筛体方向位移仍相近，表明其未完全分开，1.5 s后短茎秆迅速脱离，3 s后排出，表明其受风场作用明显；2 s后荚果、土杂距离变大明显，2 s后土杂下穿下筛，与荚果分离，4 s后荚果达到最远位置。

图13为随机选择4种颗粒进入清选空间后随时间变化轨迹迁移简图。运动初期，荚果在重力作用下下落，受上筛非孔区撞击后弹跳，后落下时透过上筛孔后落至下筛，然后在下筛和横流风机的振动吹送作用下向前做小波浪状前移运动；长茎秆先落至上筛后，由于尺寸较大无法通过上筛孔，后在上筛和横流风机的振动吹送作用下，往右上方运动，当运动至主离心风机的负压吸附区域，被吸入后经叶片击打抛送排出；短茎秆开始随荚果透过上筛后，在横流风机的吹送作用下运动至副离心风机的负压吸附区域，被吸入后经叶片击打抛送排出；土杂开始随荚果、短茎向前波浪式运动一段距离后，由于其尺寸最小，比重最大，在重力作用下透过下筛，落至下方，完成与荚果、短茎的分离。

风选系统中各颗粒速度、轨迹迁移及位移变化表明，4种颗粒分离相对平顺，分离时间短而彻底，表明仿真所设置的风选系统振动频率和振幅、主离心风机转速、副离心风机转速合理，没有引起分离物料在筛面上的剧烈弹跳和分离不畅、分离不清。待仿真过程结束后对结果进行统计，获得数值模拟后的清选损失率为1.63%，含杂率为1.15%。

3.5 风选系统气流场试验验证

为保证模拟得到的气流速度分布规律具有参考价值，使用TES1340型热线风速仪(分辨率为0.01 m/s)对上筛筛面与主离心风机吸秧口之间的测量面进行气流速度测定。将实测气流速度数据与模拟流场气流速度数据进行对比，验证仿真结果的可靠性。

采用布点法[24]，根据上筛、主离心风机结构参数，以上筛面前端中点为原点，选取荚果运动方向为y轴，荚果运动垂直方向为x轴，与筛面垂直方向为z轴。其中z轴方向150、180、210 mm即分别对应数值模拟中上筛面上方 150、180、210 mm 高度处的3个测量面，其中每个测量面上均匀分布了由x、y轴坐标交错构成的 25个测点，通过整理测点气流速度数据，可以分析各测量面气流的分布规律，3个测量面共计75个测点，如图14所示。

各方向测量点位置为：x轴方向测量点为-400、-200、0、200、400 mm；y轴方向测量点为200、400、600、800、1 000 mm；z轴方向测量点为150、180、210 mm。

通过分析数值模拟结果，筛面上方各测量面气流速度差异较为明显，因此实际测量时横流风机转速为1 600 r/min时，各测量点气流速度如表6所示。

表6 各测量点气流速度

3个测量面总体呈现气流沿y轴对称均匀分布，同时沿y轴方向总体呈波浪式递减的变化趋势。在z=150 mm平面处，y轴方向400～800 mm处存在一气流速度4～6 m/s的高风速区，同时y≥200 mm处气流横向分布均匀，速度沿y轴对称，与图10a的气流速度分布规律一致；z=180 mm测量面处，高风速区的速度有所下降，呈现 “高低交替”的波浪式特点，风速与图10b的气流速度分布规律一致；z=210 mm测量面处，高风速区的速度进一步下降，原因为筛孔对气流速度的影响随距离的增加进一步显现，与图10c的气流速度分布规律一致。

对比数值模拟和气流场试验结果可知，同工作参数下气流速度分布规律一致，可以判断数值模拟真实准确。但气流速度数值略有差异，产生差异的原因在于数值模拟过程是在不考虑气体压缩、气体粘性力以及假设整个流道密闭的条件下完成的，该状态下气流速度衰减比现场试验小[24]。

4 田间试验

由风选系统气流场的数值模拟及验证试验得到了不同测量面气流速度的分布规律，并确定了能够产生理想流场的参数范围。为得到稳定数据，对上筛上方气流速度的分析是在静止状态下进行，具有一定局限性，因此进一步通过田间试验对前期研究进行补充。对比不同因素水平下的清选效果，研究机构动态下的实际清选效果，以得到风选系统的最佳工作参数组合。

4.1 试验条件与指标

4.1.1试验条件

试验于2020年9月在山东省临沭县试验基地进行(图15)。试验花生品种为“山花9号”，单垄双行种植，垄距800 mm，株距275 mm，平均荚果产量0.45 kg/m2。试验前由挖掘机收获后铺放于田间。晾晒3 d后秧蔓含水率为22.67%，荚果含水率为19.82%，果柄含水率为20.25%，带果秧蔓平均长度为40 mm。果蔓总产量均值为10 kg/m2，蔓果比均值为1.2∶1，试验地块面积为15 000 m2(100 m×150 m)，土壤类型为壤土，土壤容重为1.4 g/cm3。

4.1.2试验指标及测试方法

测试方法按国标GB/T 5262—2008进行。测试参照国家标准GB/T 5667—2008《农业机械生产试验方法》、农业行业标准NY/T 502—2016《花生收获机作业质量》和NY/T 2204—2012《花生收获机械质量评价技术规范》，测试内容主要包括风选损失率、含杂率。

4.2 性能试验

4.2.1性能试验设计与方法

在前期单因素试验和理论分析基础上，选取横流风机转速A、吸秧高度B、吸杂高度C作为试验因素。田间试验中，主、副离心风机的转速设定与数值模拟和气流速度测定试验相同，分别为1 450、1 250 r/min。试验以风选损失率Y1、含杂率Y2作为指标，开展三因素三水平正交试验[25]，试验因素与编码见表7。

表7 试验因素与编码Tab.7 Factors and codes of experiment

4.2.2数据分析与处理

试验数据采用Design-Expert软件进行二次多项式回归分析，并利用响应面分析法对各因素相关性和交互效应的影响规律进行分析研究。

4.3 试验结果与分析

为获取较优参数组合，根据Box-Behnken试验原理设计三因素三水平分析试验，共包含17组试验，试验方案与结果如表8所示，X1、X2、X3为编码值。

4.4 回归模型的建立与检验

利用Design-Expert软件对表8中的数据开展多元回归拟合分析，建立Y1、Y2对A、B、C的响应面回归模型，并对回归方程进行方差分析[26]，如表9所示。Y1、Y2对A、B、C的响应面回归模型为

表8 试验设计方案与结果Tab.8 Experiment design scheme and response values

(8)

(9)

由表9可知，风选损失率Y1、含杂率Y2的P值均小于0.05，表明2个模型影响极显著。且决定系数R2分别为0.982 9、0.995 6，表明98%以上的响应值均可以由这2个模型解释。失拟项P值均大于0.05，失拟不显著，因此，该模型可以预测风选系统的工作参数。根据两模型各因素回归系数，可得到各因素对风选损失率的影响由大到小为C、A、B，即吸杂高度、横流风机转速、吸秧高度；各因素对含杂率的影响由大到小为A、C、B，即横流风机转速、吸杂高度、吸秧高度。

4.5 模型交互项解析

根据表9结果，考察横流风机转速A、吸秧高度B及吸杂高度C交互作用对各性能指标的影响，并利用Design-Expert软件绘制响应面图。

表9 回归方程方差分析

4.5.1交互因素对风选损失率的影响分析

交互因素对风选损失率Y1响应曲面如图16所示。图16a表明风选损失率随横流风机转速A的增大先增大后减小，受吸秧高度B影响较小；图16b表明风选损失率随横流风机转速A的增大先增大后减小，同时，增大吸杂高度C明显有助于减小风选损失率；图16c表明增大吸秧高度B和吸杂高度C有助于减小风选损失率。

4.5.2交互因素对含杂率的影响分析

交互因素对含杂率Y2响应曲面如图17所示。图17a表明含杂率随横流风机转速A的增大先迅速减小后迅速增大，随吸秧高度B的增大先减小后缓慢增大，变化程度较小；图17b表明含杂率随横流风机转速A的增大先迅速减小后迅速增大，含杂率随吸杂高度C的增大先迅速减小后迅速增大；图17c表明含杂率随吸秧高度B的增大先减小后增大，含杂率随吸杂高度C的增大先减小后增大。

4.6 风选系统参数优化

依据上述试验结果分析，为进一步提升风选系统作业性能，在各试验因素水平约束条件下，将风选损失率Y1、含杂率Y2最小值作为优化指标，建立性能指标全因子二次回归方程，进行目标优化与最优工作参数确定：

(10)

利用Design-Expert自带约束条件优化求解模块，可求得满足约束条件的最小风选损失率Y1、含杂率Y2的最优参数组合。求解的最优参数组合为：横流风机转速1 507.7 r/min、吸秧高度181.3 mm及吸杂高度210.7 mm，对应的风选损失率为1.45%、含杂率为0.98%。

由于实际工作参数很难调整到理论求解的优化值，选择一组接近优化值的参数进行田间试验验证，参数值为：横流风机转速1 508 r/min、吸秧高度181 mm及吸杂高度211 mm。试验于2020年9月在相同地点采用相同的测试方法进行，风选损失率、含杂率平均值分别为1.52%、1.01%。与花生捡拾收获机单风道风机单层振动筛风选系统常用的一组参数收获同等条件下的花生进行对比，优化的风选损失率、含杂率分别降低了1.42、1.26个百分点，综合性能明显改善。

5 结论

(1)在分析试验台工作原理的基础上，进行了风选系统关键部件的结构设计及理论分析，利用Fluent-EDEM耦合分析实现对4种颗粒在风选空间中的运动状态进行了仿真试验，分析了各颗粒速度、位移及轨迹变化情况，确定了横流风机转速、吸秧高度、吸杂高度对风选质量的影响程度，并确定各因素的参数范围。

(2)基于Box-Behnken的中心组合设计理论，进行风选系统工作参数优化，试验结果表明：风选损失率影响主次顺序为横流风机转速、吸杂高度、吸秧高度；含杂率影响主次顺序为吸杂高度、吸秧高度、横流风机转速，求解的最优参数组合为：横流风机转速1 508 r/min、吸秧高度181 mm及吸杂高度211 mm，对应的风选损失率为1.52%、含杂率为1.01%。比优化前分别降低了1.42、1.26个百分点。