气吸式巴旦木壳仁风选装置试验与优化分析

张 丽，边 博，吐鲁洪·吐尔迪，王学农

(1.新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐 830091；2.新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】新疆是我国巴旦木主产区，2019年巴旦木种植面积达到65 140 hm2[1-7]。随着产量增加，巴旦木初加工设备市场的需求也随之增加，初加工包括脱青皮、破壳和壳仁分离，其中壳仁分离是最后且比较重要的一道工序，目前国内市场上专门针对巴旦木壳仁分离的装置鲜见，但核桃、杏核等坚果的壳仁分离设备却有不少。坚果壳仁分离的方法有风选法、筛选法、盐水比重法等，该装置采用气吸式原理，利用巴旦木壳和仁2种物料的悬浮速度差异进行壳仁分离。风选法也是目前农产品壳仁物料分离装置使用较多的一种方法，优点是不会对巴旦木仁造成严重的损伤而影响其市场价值，成本也相对较低，但也存在着一些缺点，例如清选效率即仁中含壳率较低，损失率相对较高，如果加工数额较大会造成不小的损失。研发一种巴旦木壳仁分离设备可应市场之需。【前人研究进展】蔺建涛等[8]利用杏核壳仁物料比重以及悬浮速度不同设计了一种杏核壳仁风选装置，通过正交试验确定了较优的工作参数。朱占江等[9]针对核桃破壳取仁效率低的难题研制了壳仁分离与分级一体的核桃风选机。高连兴等[10]通过研究大豆豆荚与豆子等物料的空气动力学特性研制了大豆清选装置和旋风式杂余分离装置，进行性能试验得到含杂率和损失率分别为0.7%和0.31%。吐鲁洪·吐尔迪等[11]利用巴旦木壳仁物料空气动力学特性差异并采用比重风选法，设计了巴旦木壳仁分离装置，通过试验分析影响壳仁分离的主要因素。【本研究切入点】目前市场上巴旦木壳仁分离设备鲜见。研究气吸式巴旦木壳仁风选装置及优化。【拟解决的关键问题】运用有限元软件Fluent18.0，对风腔三维模型进行流体仿真，风腔内部形成局部湍流现象，调节风腔过渡口相对位置适当提高清选效率。运用数据分析软件Design Expert对风选试验数据分析和计算。研究各因素对损失率影响顺序为喂入量、振动频率和风机转速。并以破壳后的巴旦木物料为原料，验证该装置的清选率和损失率指标，为巴旦木壳仁风选设备的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 装置

气吸式巴旦木壳仁风选装置主要由离心风机、电机(型号4-72，功率5.5kW，生产厂家：上海森芙利机电有限公司)、振动筛、闭风器、输送带、风腔等组成。图1

注：1.风机出口; 2.离心风机; 3.电动机; 4.机架; 5.输送带; 6.风量调节轴; 7.分离箱; 8.闭风器; 9.振动筛; 10.出仁口; 11.振动弹簧

1.1.2 巴旦木

材料为莎车18号巴旦木，收获后的巴旦木进行含水率调节，使其含水率普遍一致，并使用同一台巴旦木破壳装置进行破壳处理。

1.2 方 法

1.2.1 流体相控制方程

负压风腔内部的气流不可压缩且属于湍流运动，颗粒相体积分数可忽略不计，气流体积分数接近1，流体连续性方程以及动量守恒方程[12]。

▽u=0.

(1)

(2)

式中：u——流体速度，m/s；

ρ——流体密度，kg/m3；

t——气流通过时间，s；

P——气流压强，Pa；

η——气流动力粘度；

g——重力加速度，m/s2；

S——动量汇。

由于Saffman升力以及Basset力的数量级远小于曳力，因此，对前者忽略不计，为了实现气固两相耦合，可对动量汇S[13]进行计算。

(3)

其中：

Fd,i=0.5CDρA|u-up|(u-up).

(4)

(5)

(6)

式中：Fd,i——第i颗粒所受气流阻力，N；

△V——网格单元体积，m3；

CD——曳力系数；

A——颗粒投影面积，m2；

up——颗粒速度，m/s；

Re——雷诺数；

dp——颗粒直径，mm。

1.2.2 风腔建模与仿真

使用Solidworks对气吸式巴旦木壳仁风选装置进行三维建模，将风腔模型另存为.x_t文件并导入Ansys软件中进行网格划分，装置三维模型和风腔网格划分。其中网格划分结果中节点数为4 694个，单元数为20 534个。图2，图3

将划分好的网格模型导入Fluent 18.0中进行仿真。设置湍流模型为k-e[14-15]，定义材料属性为air，添加约束边界(wall)、入口(inlet)、出口(outlet)，并设置入口流体速度为12.5 m/s，出口类型为outflow，初始化模型并设置迭代步数为1 400进行计算求解，得到风腔内部风速分布云图和风速矢量图。图4，图5

图2 气吸式巴旦木壳仁风选装置Fig.2 Graphic model of air suction type separation device for almonds kernel

图3 三维模型网格划分示意Fig.3 3D model meshing diagram

图4 风腔内部风速分布云Fig.4 Wind speed distribution inside the cavity

图5 风腔内部风速分布矢量Fig.5 Vector diagram of wind speed distribution in air chamber

1.2.3 优化

将巴旦木壳仁混合物料称重，分别为4、5、6 kg各3组，试验时分别在出壳口和出仁口进行物料最终样本的收集，每组试验人工计时每15s收集1次，收集3组求取平均值。

试验指标选择清选率P(%)、损失率Q(%)[16]，定义式如下：

(7)

(8)

式中：mk—出仁口物料中仁质量(kg)；

mt—出仁口物料总质量(kg)；

mko—出壳口中仁质量(kg)；

mKt—样本物料中仁的总质量(kg)。

选择喂入量(A)、风机转速(B)、振动频率(C)3个参数作为试验因素，结合《风筛式种子清选机质量评价技术规范》与文献[11]。表1

表1 风选试验各因素水平设计Table 1 Level design of each factor in air sorting test

2 结果与分析

2.1 清选率回归模型建立与显著性检验

清选率模型回归方程：

P=93.72-0.56A+0.24B-0.13C+0.10AB-0.055AC+0.38BC-0.056A2-0.52B2-0.053C2.

(9)

式中：P—清选率(%)；

A—喂入量(kg/min)；

B—风机转速(r/min)；

C—振动频率(Hz)。

研究表明，清选率模型P小于0.05，可知清选率回归模型显著；R2=0.886 6，喂入量因素P值小于0.05，在该置信区间内有99%的区域清选率回归模型影响显著。表2，表3

损失率模型回归方程如下式：

Q=5.46+1.08A-0.17B+0.20C.

(10)

式中：Q—清选率(%)；

A—喂入量(kg/min)；

B—风机转速(r/min)；

C—振动频率(Hz)。

清选率模型P小于0.000 1，可知损失率回归模型极显著；R2=0.886 7，则损失率回归模型拟合效果良好，反映了模型88.67%响应数据变化。喂入量因素P值小于0.000 1，则在该置信区间内有99%的区域损失率回归模型影响显著。表4

表2 响应面数据Table 2 Statistical Table of response surface test data

表3 清选率方差Table 3 Analysis of variance of selection rate

表4 损失率方差分析Table 4 Analysis of variance of loss rate

2.2 各因素对清选率的贡献率

根据贡献率可判断各个因素对回归模型的影响程度，贡献率计算公式如下：

(11)

(12)

式中：△j—贡献率(%)；

δ—考核值；

F—方差分析表中F值；

δj—一次项贡献率(%)；

δjj—二次项贡献率(%)；

δij—交互贡献率(%)。

研究表明，各因素对损失率影响顺序为喂入量、振动频率和风机转速。各因素贡献率从大到小排序依次是：喂入量、风机转速、振动频率。表5

表5 各因素对清选率的贡献率Table 5 Contribution rate of each factor to selection rate

2.3 各因素对清选率的响应效应

研究表明，喂入量为4 kg/min时的清选率大于喂入量为6 kg/min时的清选率，在此过程中离心风机转速越大则清选率越高，风机转速为2 300 r/min时清选率达到最大值；振动频率和喂入量对清选率指标影响显著，振动频率由50 Hz增加到56 Hz过程中，喂入量越大清选率越低，变化趋势基本呈直线；风机转速和振动频率对清选率的影响显示，风机转速从2 250 r/min逐渐增大到2 300 r/min的过程中，振动频率越大清选率越高，较大的振动频率使单位时间内物料受到的振动次数增加，物料之间的离散程度更大并且壳物料更容易被气流吸走，清选率随之上升。图6

2.4 优化与试验

使用软件中的优化求解功能[21]对该风选装置工作参数进行优化，得到清选率最高的参数组合喂入量4.04 kg/min、风机转速2 309.35 r/min、振动频率52.96 Hz。最优参数组合是喂入量4 kg/min、风机转速2 300 r/min、振动频率53 Hz。求得清选率平均值为95.68%，损失率2.85%。表6

表6 风选装置最佳参数组合验证Table 6 Verification test results of optimum parameter combination of air separation device

3 讨 论

清选率回归模型拟合效果良好，可反映88.66%响应数据变化[17-20]。

4 结 论

4.1采用气吸式原理的巴旦木壳仁风选装置，可对巴旦木破壳后的壳仁混合物料进行有效分离。

4.2流体经过风腔时会产生局部湍流现象，不利于物料分离，调节风腔过渡口的距离可适当提高分离效率。

4.3各因素对损失率影响顺序为喂入量、振动频率和风机转速；经过分析与计算，各因素对清选率的贡献率从大到小排序依次是：喂入量、风机转速、振动频率。

4.4该装置的最优工作参数为喂入量4 kg/min、风机转速2 300 r/min、振动频率53 Hz，最佳工作参数下平均清选率为95.68%、损失率为2.85%。