不同支鏈初始相位的三維并聯(lián)篩分性能研究

李耀明 劉曉飛 馬 征 唐 忠 徐立章 司增永

(江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鎮(zhèn)江 212013)

不同支鏈初始相位的三維并聯(lián)篩分性能研究

李耀明 劉曉飛 馬 征 唐 忠 徐立章 司增永

(江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鎮(zhèn)江 212013)

并聯(lián)振動(dòng)篩因可實(shí)現(xiàn)多維振動(dòng)、利于物料高效篩分而應(yīng)用前景廣泛，為提高并聯(lián)振動(dòng)篩分性能，首先提出了具有不同初始相位的三維并聯(lián)振動(dòng)篩模型并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，利用EDEM軟件開展了三維并聯(lián)振動(dòng)篩分的初始相位單因素仿真，再通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證分析，并開展了多因素正交試驗(yàn)分析了各因素對(duì)性能指標(biāo)的影響主次順序和較優(yōu)因素組合。研究結(jié)果表明：同等條件的臺(tái)架試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本一致，在其他條件不變時(shí)，篩分籽粒量隨X方向初始相位的增大而先增后降，且X方向初始相位為45°時(shí)含雜量最多；Z方向初始相位為90°時(shí)篩分籽粒量最低，含雜量隨著Z方向初始相位的增大而先增后降；Y方向初始相位在30°和60°時(shí)篩分籽粒量較高，在60°時(shí)含雜量低于其他水平且差異明顯；正交試驗(yàn)得出各因素影響篩分效率的主次順序依次為：X方向振幅、Y方向振幅、Z方向初始相位、X方向初始相位、Y方向初始相位、Z方向振幅，各因素影響含雜率的主次順序依次為：Z方向振幅、Y方向振幅、X方向振幅、X方向初始相位、Z方向初始相位、Y方向初始相位，采用最佳組合參數(shù)后篩分效率提高了62.02%，含雜率降低了53.85%。

三維并聯(lián)篩； 初始相位； 篩分性能； 試驗(yàn)

引言

振動(dòng)篩作為將物料進(jìn)行分級(jí)、分選的重要設(shè)備，應(yīng)用極為廣泛[1]。平面往復(fù)式振動(dòng)篩由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠而成為使用最為廣泛的傳統(tǒng)振動(dòng)篩，但由于運(yùn)動(dòng)軌跡單一，物料在篩面上難以快速均布，且篩分效率不高，在篩分黏潮濕性物料時(shí)還易造成篩孔堵塞等問題。并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度大、承載能力強(qiáng)、保證制造精度后具有定位和運(yùn)動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)，有學(xué)者提出將并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于振動(dòng)篩的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[2-7]。并聯(lián)篩分機(jī)構(gòu)的工作原理不同于傳統(tǒng)往復(fù)式振動(dòng)篩，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的篩分運(yùn)動(dòng)軌跡[8-11]，能為物料分級(jí)、篩分效率提高等提供多樣化的解決思路和技術(shù)手段，使物料充分透篩，減少堵孔概率。王成軍[12]提出了一種3T-1R并聯(lián)振動(dòng)篩分試驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)物料在三維并聯(lián)振動(dòng)篩上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分別進(jìn)行了理論研究、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。沈有柏[13]對(duì)三平移振動(dòng)篩面上物料的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了理論分析，指出物料在篩面上能實(shí)現(xiàn)上拋斜后移運(yùn)動(dòng)，并運(yùn)用ADAMS仿真初步進(jìn)行了籽粒運(yùn)動(dòng)模擬。楊曉彬[14]對(duì)物料在三平移加一轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)篩面的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，并對(duì)物料在篩面上的透篩過程進(jìn)行了仿真研究，分析了各方向振幅頻率等因素變化對(duì)篩分性能的影響規(guī)律。

三維并聯(lián)振動(dòng)篩雖然較傳統(tǒng)振動(dòng)篩能實(shí)現(xiàn)物料在篩面快速均布，但是對(duì)三維并聯(lián)振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)及優(yōu)化仍存在較大的主觀性、經(jīng)驗(yàn)性，此外仍存在各驅(qū)動(dòng)輸入之間振幅、頻率等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)選擇不當(dāng)導(dǎo)致物料在篩面寬度方向分散性過快，使物料積聚于篩面?zhèn)缺谶M(jìn)而影響三維并聯(lián)振動(dòng)篩的篩分效率問題，制約三維并聯(lián)振動(dòng)篩的篩分性能。現(xiàn)有文獻(xiàn)研究大部分是在各自由度驅(qū)動(dòng)支鏈處于相同初始相位的并聯(lián)篩分情況，當(dāng)各自由度驅(qū)動(dòng)支鏈之間存在不同初始相位時(shí)，篩面運(yùn)動(dòng)軌跡也隨之改變，造成物料在篩面上的分散性存在差異，進(jìn)而影響三維并聯(lián)振動(dòng)篩的篩分效率。因此有必要對(duì)三維并聯(lián)振動(dòng)篩在不同初始相位條件下的篩分性能進(jìn)一步研究。

近年來離散單元法(DEM)[15]在農(nóng)業(yè)物料篩分領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用。傳統(tǒng)篩分理論研究對(duì)試驗(yàn)依賴性大，試驗(yàn)成本高，而采用離散單元法可有效克服上述缺點(diǎn)，可以有效模擬和分析不同振動(dòng)參數(shù)和篩面形式下的物料篩分過程，直觀再現(xiàn)顆粒物料在篩分過程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[16-20]，因此該方法成為篩分理論研究的重要手段。

本文運(yùn)用離散元工程應(yīng)用軟件EDEM對(duì)具有不同初始相位的三維并聯(lián)振動(dòng)篩在各支鏈初始相位變化時(shí)農(nóng)業(yè)物料的篩分過程進(jìn)行模擬，獲得農(nóng)業(yè)物料在篩面上的運(yùn)動(dòng)和透篩過程，研究各支鏈初始相位變化時(shí)對(duì)篩分性能的影響規(guī)律并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究各方向振幅、初始相位對(duì)篩分性能的影響趨勢(shì)。

1 三維并聯(lián)振動(dòng)篩面的運(yùn)動(dòng)形式

傳統(tǒng)直線往復(fù)振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)形式近似為沿振動(dòng)方向的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，篩面的位移[21]為

S=Asin(ωt)

(1)

式中S——篩面沿振動(dòng)方向的位移，mmA——篩面沿振動(dòng)方向的振幅，mmω——篩面沿振動(dòng)方向的圓頻率，rad/st——時(shí)間，s

若對(duì)篩面取不同的初始相位，則篩面的位移方程為

S=Asin(ωt+θ)

(2)

式中θ——篩面沿振動(dòng)方向的初始相位，rad

由式(2)可見振幅和初始相位都影響篩面初始位置。

如圖1所示，篩面與水平面的夾角為μ，將位移沿篩面軸向(X方向)和篩面法向(Z方向)進(jìn)行分解，在此基礎(chǔ)上在篩面徑向(Y方向)再增加一維振動(dòng)，分別選取振幅、頻率、初始相位，便構(gòu)成了一個(gè)具有三自由度的三維振動(dòng)篩分裝置，所得篩面位移方程為

(3)

式中Sx——X方向的位移，mmAx——X方向的振幅，mmωx——X方向的振動(dòng)圓頻率，rad/sα——X方向的振動(dòng)初始相位，radSy——Y方向的位移，mmAy——Y方向的振幅，mmωy——Y方向的振動(dòng)圓頻率，rad/sβ——Y方向的振動(dòng)初始相位，radSz——Z方向的位移，mmAz——Z方向的振幅，mmωz——Z方向的振動(dòng)圓頻率，rad/sγ——Z方向的振動(dòng)初始相位，rad

圖1 篩面運(yùn)動(dòng)分析示意圖Fig.1 Analysis diagram of screen surface movement

三維并聯(lián)振動(dòng)篩中三平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)如圖2所示，由3條相同運(yùn)動(dòng)支鏈SOC{-C‖R‖R-}、篩面1和機(jī)架2組成，每條支鏈由軸線相互平行的圓柱副C及2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副R組成。圖2中Ai、Bi、Ci(i=1，2，3)分別表示第1、2、3支鏈的各運(yùn)動(dòng)副中心線與相應(yīng)連桿中心線的交點(diǎn)，同一支鏈上3點(diǎn)在同一平面上，3條運(yùn)動(dòng)支鏈在空間中兩兩相互垂直，可表示為(C‖R‖R)⊥(C‖R‖R)⊥(C‖R‖R)。圖2所示并聯(lián)機(jī)構(gòu)的圓柱副C也可看成移動(dòng)副P和轉(zhuǎn)動(dòng)副R的復(fù)合副，即該并聯(lián)機(jī)構(gòu)相當(dāng)于(P‖R‖R‖R)⊥(P‖R‖R‖R)⊥(P‖R‖R‖R)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的輸入-輸出具有完全解耦性，各驅(qū)動(dòng)支鏈具有獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)輸入和運(yùn)動(dòng)輸出，因此有利于運(yùn)動(dòng)控制[22]。

圖2 三平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of three translational parallel mechanism1.篩面 2.機(jī)架

將式(3)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得到篩面的速度方程

(4)

將式(4)再對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得到篩面的加速度方程

(5)

由于三平移并聯(lián)振動(dòng)篩的篩面是剛體，因此篩面上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程均相同。三維并聯(lián)振動(dòng)篩各支鏈均有獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)輸入和輸出，物料在三維并聯(lián)振動(dòng)篩面上同時(shí)受到X、Y、Z3個(gè)方向的激勵(lì)作用，當(dāng)在各支鏈運(yùn)動(dòng)中引入初始相位因素后，各支鏈的振幅和初始相位將共同影響篩面的初始位置，篩面運(yùn)動(dòng)軌跡將隨之改變，因此本文通過研究振幅和初始相位等因素對(duì)篩分性能的影響規(guī)律，進(jìn)一步揭示具有不同初始相位的三維并聯(lián)振動(dòng)篩分機(jī)理。

2 三維并聯(lián)篩分仿真

2.1 振動(dòng)篩模型

建立的三維振動(dòng)篩分模型如圖3所示。篩面采用圓孔篩，為便于將模擬與后續(xù)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行比較驗(yàn)證，篩面尺寸根據(jù)多維振動(dòng)篩分試驗(yàn)臺(tái)上的篩面實(shí)際尺寸設(shè)置，其中篩孔直徑φ6 mm，篩面尺寸為500 mm×300 mm，篩面傾角為0°，篩箱中心坐標(biāo)為(250，150，0)；顆粒工廠設(shè)為120 mm×120 mm的正方形，顆粒工廠中心坐標(biāo)為(100，150，80)；接料盒的尺寸為600 mm×400 mm，中心坐標(biāo)為(250，150，-50)。為避免振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)過程中顆粒出現(xiàn)側(cè)漏，設(shè)置振動(dòng)篩側(cè)壁比篩面高50 mm。

圖3 三維振動(dòng)篩分模型Fig.3 Three-dimensional vibration sieving model1.顆粒工廠 2.顆粒 3.振動(dòng)篩 4.接料盒

2.2 顆粒模型

聯(lián)合收獲機(jī)小麥脫出物包括籽粒、長(zhǎng)莖稈、短莖稈及輕雜余等。為便于模擬和提高計(jì)算效率，仿真中以籽粒和短莖稈建立顆粒模型，不考慮其他雜余。隨機(jī)選取100個(gè)小麥籽粒和100個(gè)短莖稈，利用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量其實(shí)際尺寸并取平均值，經(jīng)測(cè)定：小麥籽粒近似為橢球形，平均長(zhǎng)軸長(zhǎng)度6.19 mm，平均短軸長(zhǎng)度3.02 mm；短莖稈近似為圓柱形，平均長(zhǎng)22 mm，外徑3 mm，內(nèi)徑2 mm。EDEM中顆粒模型尺寸根據(jù)測(cè)量結(jié)果設(shè)定，由于在EDEM中顆粒模型是通過若干個(gè)小球堆疊而成，所建立的物料模型如圖4所示[23]。

圖4 顆粒三維模型Fig.4 Three-dimensional model of material

依據(jù)文獻(xiàn)[23]設(shè)置的機(jī)械特性和接觸參數(shù)，其中：小麥、短莖稈、篩面(鋼材料)的泊松比分別為0.3、0.4、0.3；小麥、短莖稈、篩面(鋼材料)的剪切模量分別為3.9×106、1×106、7×108；小麥、短莖稈、篩面(鋼材料)密度為1 350、100、7 800 kg/m3。材料之間的接觸參數(shù)恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和滾動(dòng)摩擦因數(shù)如表1所示。

2.3 參數(shù)設(shè)置

仿真中設(shè)置0～1 s動(dòng)態(tài)產(chǎn)生10 000顆小麥顆粒和500個(gè)短莖稈，小麥顆粒產(chǎn)生速率為10 000顆/s，短莖稈產(chǎn)生速率為500個(gè)/s，初速度均垂直向下0.1 m/s。模擬時(shí)間總長(zhǎng)8 s。三維并聯(lián)振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)形式根據(jù)式(3)設(shè)置，振動(dòng)篩1 s后開始振動(dòng)。受限于多維振動(dòng)篩分試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)范圍和結(jié)構(gòu)尺寸，參照文獻(xiàn)[12]設(shè)置X方向、Y方向和Z方向振動(dòng)頻率均為4.5 Hz，X方向和Z方向振幅為6 mm，Y方向振幅為4 mm，X、Y和Z方向的初始相位均設(shè)為0°。

表1 材料的碰撞特性參數(shù)Tab.1 Collision characteristics of materials

圖5 X方向初始相位對(duì)篩分性能影響規(guī)律Fig.5 Influence of initial phase angle on sieving performance in X direction

2.4 仿真方案

為考察三維并聯(lián)振動(dòng)篩各支鏈初始相位變化對(duì)篩分性能的影響規(guī)律，采用單因素試驗(yàn)法:即模擬仿真中以X方向和Z方向振幅為6 mm，Y方向振幅為4 mm，振動(dòng)頻率為4.5 Hz，X、Y和Z方向3個(gè)驅(qū)動(dòng)支鏈的初始相位均為0°為基本型，保持其他條件不變，根據(jù)各支鏈運(yùn)動(dòng)合成特性，仿真中對(duì)X、Y和Z方向支鏈的初始相位分別選取0°、30°、45°、60°和90°進(jìn)行仿真，獲取衡量篩分性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.5 仿真結(jié)果分析

振動(dòng)篩面上物料的篩分過程是連續(xù)的動(dòng)態(tài)過程，EDEM可實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)篩分過程中物料的透篩和分布狀態(tài)，經(jīng)由預(yù)備仿真可知，0～3 s內(nèi)籽粒能全部下落到篩面，3～6 s內(nèi)絕大多數(shù)籽粒能透過篩面完成透篩，因此選取3～6 s這段時(shí)間的篩下籽粒數(shù)描述篩分效果。

(1)X方向初始相位對(duì)篩分性能的影響

X方向初始相位對(duì)篩分性能影響的仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5a可知，在α為30°時(shí)篩分籽粒量在穩(wěn)定篩分時(shí)間段內(nèi)明顯高于其他水平，而在α為90°時(shí)篩分籽粒量最低，這是因?yàn)樵讦翞?0°時(shí)篩面在X方向的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是余弦運(yùn)動(dòng)，篩面在X方向起振時(shí)將會(huì)沿X負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，物料未能在篩面上快速分散導(dǎo)致篩分籽粒量降低。總體上隨著α的增大，三維并聯(lián)振動(dòng)篩的篩分籽粒量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)。

由圖5b可看出，X方向初始相位α對(duì)含雜量有較大影響。篩分結(jié)束時(shí)刻α為30°和45°時(shí)含雜量均高于其他水平，并且α為45°時(shí)含雜量最高，在α為60°和90°時(shí)含雜量相對(duì)較小，低于其他相位水平，但此2個(gè)水平下的篩分籽粒量也較小。

(2)Z方向初始相位對(duì)篩分性能的影響

Z方向初始相位對(duì)篩分性能的影響仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6a可知，在0°、30°和45°時(shí)篩分籽粒量在整個(gè)穩(wěn)定篩分時(shí)間段內(nèi)基本無明顯變化；初始相位為60°時(shí)，在5.6 s之前篩分籽粒量略低于0°、30°和45°，但隨著篩分的進(jìn)行，5.6 s后篩分籽粒量出現(xiàn)了快速上升；而γ為90°時(shí)篩分籽粒量最低，在6 s時(shí)刻僅完成實(shí)際篩分量的77%左右，而其余水平則均能完成實(shí)際篩分量的82%左右。

由圖6b可知，Z方向初始相位γ對(duì)含雜量影響顯著。隨著γ的增大，γ為45°和60°時(shí)含雜量相接近且較高于其他水平。雖然γ為90°時(shí)含雜量低于其他相位水平，但是該水平的篩分籽粒量也遠(yuǎn)低于其他水平。總體上，篩分結(jié)束時(shí)含雜量隨著γ的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

(3)Y方向初始相位對(duì)篩分性能的影響

Y方向初始相位對(duì)篩分性能影響的仿真結(jié)果如圖7所示。由圖7a可知，隨著Y方向初始相位β的增大，在穩(wěn)定篩分時(shí)間段β為30°時(shí)篩分籽粒量較高，5.4 s后β為60°時(shí)篩分籽粒量與β為30°時(shí)基本一致，從圖中還可看出各水平的篩分籽粒量均高于0°。

從圖7b中可看出，Y方向初始相位對(duì)含雜量有非常顯著的影響。篩分結(jié)束時(shí)刻β為30°時(shí)含雜量和0°時(shí)基本一致，β為45°時(shí)含雜量最高，β為60°時(shí)含雜量遠(yuǎn)低于其他水平并且差異較為明顯。

圖6 Z方向初始相位對(duì)篩分性能影響規(guī)律Fig.6 Influence of initial phase angle on sieving performance in Z direction

圖7 Y方向初始相位對(duì)篩分性能影響規(guī)律Fig.7 Influence of initial phase angle on sieving performance in Y direction

3 振動(dòng)篩分臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 對(duì)仿真的驗(yàn)證性試驗(yàn)

為驗(yàn)證仿真的正確性，在研制的多維振動(dòng)篩分試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。如圖8所示，該篩分試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)架、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、三平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)(3P-R‖R‖R)、篩框、控制箱和直線電動(dòng)機(jī)等組成，通過試驗(yàn)臺(tái)本身的三平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)篩框在X、Y、Z3個(gè)方向的平移和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，本文只選取X、Y、Z3個(gè)方向的平移進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)具體配置參數(shù)見文獻(xiàn)[24]。

圖8 多維振動(dòng)篩分試驗(yàn)臺(tái)Fig.8 Multi-dimensional librating screening test bench

試驗(yàn)臺(tái)上篩網(wǎng)為孔徑φ6 mm、厚度1 mm的不銹鋼篩板，篩面傾角為0°。選取小麥籽粒300 g，小麥籽粒和短莖稈按質(zhì)量比100∶5混合，將物料投放到篩面上進(jìn)行篩分后落入接料箱，經(jīng)人工處理獲得篩分性能指標(biāo)。選取X、Z方向振幅為6 mm，Y方向振幅為4 mm，振動(dòng)頻率均為4.5 Hz，編寫運(yùn)動(dòng)篩分程序進(jìn)行試驗(yàn)。輸入篩分程序試驗(yàn)前，首先根據(jù)式(3)理論推導(dǎo)，保持Y、Z直線電動(dòng)機(jī)的初始位置不變，通過多維振動(dòng)篩分試驗(yàn)臺(tái)Jog Ribbon界面或者在Terminal窗口輸入控制程序精確調(diào)整X直線電動(dòng)機(jī)的初始位置到Axsinα，即可實(shí)現(xiàn)X方向初始相位為α而Y、Z方向初始相位為0°。X方向初始相位變化后篩分效果變化規(guī)律明顯，選取該組仿真進(jìn)行驗(yàn)證，將X方向初始相位分別調(diào)整到0°、30°、45°、60°和90°，測(cè)試其在不同初始相位時(shí)的篩分性能指標(biāo)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 X方向不同初始相位下的篩分性能Tab.2 Sieving performance under different X direction initial phases

試驗(yàn)結(jié)果表明，只改變X方向初始相位時(shí)，隨著X方向初始相位的增大，篩下籽粒量總體呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，并且在初始相位為30°時(shí)篩下籽粒量最高，而含雜量在45°時(shí)最高，60°時(shí)最低，對(duì)比圖5和表2可以看出，試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果規(guī)律基本一致。

3.2 多因素正交試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)方案

為研究具有不同初始相位的三維并聯(lián)振動(dòng)篩分性能，驗(yàn)證各因素對(duì)篩分效果的主次影響順序，以篩分效率和含雜率為試驗(yàn)指標(biāo)。由式(2)可知篩面各支鏈具有不同初始相位時(shí)，振幅和初始相位將共同影響篩面初始位置，因此試驗(yàn)選取X方向振幅、X方向初始相位、Y方向振幅、Y方向初始相位、Z方向振幅、Z方向初始相位共6個(gè)因素，每個(gè)因素各取5個(gè)水平，各因素水平如表3所示，采用正交表L25(56)[25]設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。

3.2.2正交試驗(yàn)結(jié)果分析

由正交表可知共有25組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)指標(biāo)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，采用極差法對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)分析。表4中A、B、C、D、E、F分別為各因素水平值。

表3 正交試驗(yàn)因素水平Tab.3 Factors and levels of orthogonal experiment

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.4 Experiment design and results

本試驗(yàn)存在篩分效率和含雜率2個(gè)指標(biāo)，屬于多指標(biāo)試驗(yàn)范疇，因此各指標(biāo)的影響因素最佳組合之間可能會(huì)存在矛盾，采用綜合平衡法[25]確定最優(yōu)方案：

(1)因素A對(duì)篩分效率影響順序排名第1，對(duì)含雜率影響順序排名第3，取A4時(shí)可獲得較低的含雜率，取A5時(shí)可獲得比其他水平明顯提高的篩分效率，生產(chǎn)實(shí)踐中優(yōu)先保證篩分效率，因此因素A取A5。

(2)因素B對(duì)篩分效率和含雜率影響順序均排名第4，取B4時(shí)含雜率最低，取B3時(shí)篩分效率最高且含雜率略高于B4，因此為保證篩分效率因素B取B3。

(3)因素C對(duì)篩分效率和含雜率均取C1最佳，因此因素C取C1。

(4)因素D對(duì)篩分效率影響順序排名第5，對(duì)含雜率影響較小排名第6，取D4時(shí)篩分效率較高，因此因素D取D4。

(5)因素E對(duì)含雜率影響排名第1，對(duì)篩分效率影響較小排名第6，而取E2時(shí)含雜率最低，因此因素E取E2。

(6)因素F對(duì)篩分效率和含雜率均取F3最佳，因此因素F取F3。

根據(jù)綜合平衡法分析得到的最優(yōu)方案為：A5B3C1D4E2F3，具體為：X方向振幅8 mm，X方向初始相位45°，Y方向振幅2 mm，Y方向初始相位60°，Z方向振幅5 mm，Z方向初始相位45°。由于該最優(yōu)方案未出現(xiàn)在正交試驗(yàn)中，因此對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出篩分效率為93.99%，含雜率為0.24%。從試驗(yàn)結(jié)果可看出按照最優(yōu)方案篩分后清選性能均優(yōu)于表4中的篩分結(jié)果，且與基本型振動(dòng)參數(shù)下的篩分結(jié)果相比，篩分效率提高了62.02%，含雜率降低了53.85%。

4 結(jié)論

(1)提出具有不同初始相位的三維并聯(lián)振動(dòng)篩模型，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出各支鏈初始相位不同產(chǎn)生不同的篩面運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而影響篩分效果，為提高并聯(lián)振動(dòng)篩的篩分性能提出了新的解決途徑。

(2)仿真分析了各支鏈初始相位對(duì)篩分效果的影響，得出僅改變X方向初始相位時(shí)，篩分籽粒量隨X方向初始相位的增大而先增后降，初始相位為45°時(shí)含雜量最高；僅改變Z方向初始相位時(shí)，Z方向初始相位在90°時(shí)篩分籽粒量最低，而在45°和60°時(shí)含雜量較多；僅改變Y方向初始相位時(shí)，在30°和60°篩分籽粒量較高，而60°時(shí)含雜量最低并且與其他水平相比差異明顯。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證得出試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，證明利用EDEM進(jìn)行數(shù)值模擬的正確性。

(3)對(duì)各支鏈的振幅、初始相位進(jìn)行正交試驗(yàn)得到各因素影響篩分效率的主次順序依次為：X方向振幅、Y方向振幅、Z方向初始相位、X方向初始相位、Y方向初始相位、Z方向振幅；各因素影響含雜率的主次順序依次為：Z方向振幅、Y方向振幅、X方向振幅、X方向初始相位、Z方向初始相位、Y方向初始相位；利用綜合平衡法得出了篩分性能最佳時(shí)各因素的最佳組合方案為：X方向振幅8 mm，X方向初始相位45°，Y方向振幅2 mm，Y方向初始相位60°，Z方向振幅5 mm，Z方向初始相位45°；對(duì)最佳方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得出采用最佳組合方案后清選性能得到顯著提高，其中篩分效率提高了62.02%，含雜率降低了53.85%。

1 王峰，王皓.篩分機(jī)械[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：15-20.

2 沈惠平，張會(huì)芳，張江濤，等.并聯(lián)運(yùn)動(dòng)振動(dòng)篩的篩分運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其軌跡的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2008，25(12)：20-23. SHEN Huiping, ZHANG Huifang, ZHANG Jiangtao, et al. Research on law of screening movement of parallel moving vibration sieve and its track[J]. Journal of Machine Design, 2008, 25(12): 20-23. (in Chinese)

3 SHEN Huiping, ZHANG Huifang, LI Ju, et al. A novel vibration sieve based on the parallel mechanism[C]∥Proceedings of the Computer-aided Industrial Design and Conceptual Design, CAID&CD, 2009:26-28.

4 沈惠平，張江濤，何寶祥，等.新型并聯(lián)運(yùn)動(dòng)振動(dòng)篩的篩分效率及其試驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28(2)：83-86. SHEN Huiping, ZHANG Jiangtao, HE Baoxiang, et al. Sifter efficiency and experimental study on a new type of vibrating sifter based on PKM[J]. Journal of Machine Design, 2011, 28(2):83-86. (in Chinese)

5 SHEN Huiping, XUE Changyu, ZHANG Jiangtao, et al. A novel PKM-based vibrating sifter and its screening efficiency experimental study[C]∥13th World Congress in Mechanism and Machine Science, 2011:131-136.

6 王成軍，李耀明，馬履中，等.3自由度混聯(lián)振動(dòng)篩設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(增刊)：69-73. WANG Chengjun, LI Yaoming, MA Lüzhong, et al. Design of three degree of freedom hybrid vibration screen[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(Supp.):69-73. (in Chinese)

7 鄧嘉鳴，沈惠平，李菊，等.三維并聯(lián)振動(dòng)篩設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(11):342-346,328. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20131157&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2013.11.057. DENG Jiaming, SHEN Huiping, LI Ju, et al. Design and experiment for three-dimensional parallel kinematics vibration sieve[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(11):342-346,328. (in Chinese)

8 馬履中，林鈺珍，楊文亮，等.基于籽粒運(yùn)動(dòng)的多維振動(dòng)篩分效率分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40(10):62-66. MA Lüzhong, LIN Yuzhen, YANG Wenliang, et al. Efficiency of the dimensional vibration sieve based on the movements of grains[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(10): 62-66. (in Chinese)

9 王成軍，劉瓊，馬履中，等.棉籽顆粒在三自由度混聯(lián)振動(dòng)篩面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(6):49-56. WANG Chengjun, LIU Qiong, MA Lüzhong, et al. Cottonseed particle motion law in 3-DOF hybrid vibration screen surface[J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(6):49-56.(in Chinese)

10 李菊，王增彪，沈惠平，等.凸柱篩面并聯(lián)振動(dòng)篩的谷物篩分試驗(yàn)與分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2016，32(1):150-154. LI Ju, WANG Zengbiao, SHEN Huiping, et al. Experiment and analysis of parallel vibrating sieve with convex column screen surface on grain screening[J]. Machine Design and Research, 2016, 32(1):150-154.(in Chinese)

11 王成軍，章天雨，李龍，等. 潮濕原煤顆粒在三自由度混聯(lián)振動(dòng)篩中篩分效率研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2016，23(3)：264-270. WANG Chengjun, ZHANG Tianyu, LI Long, et al. Study on screening efficiency of moist raw coal particles on 3-DOF hybrid vibrating screen[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2016, 23(3):264-270.(in Chinese)

12 王成軍.典型農(nóng)業(yè)物料在三維并聯(lián)振動(dòng)篩中的篩分理論與試驗(yàn)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2012. WANG Chengjun. Screening theory and experiment of typical agricultural materials on the three-dimensional parallel vibration screen[D]. Zhenjiang:Jiangsu University, 2012. (in Chinese)

13 沈有柏.顆粒物料在三自由度風(fēng)篩式清選裝置虛擬樣機(jī)中的應(yīng)用研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009. SHEN Youbai. Research on the motion of grain in 3-DOF air-and-screen cleaning device virtual prototype[D]. Zhenjiang:Jiangsu University, 2009. (in Chinese)

14 楊曉彬.三維振動(dòng)篩設(shè)計(jì)及透篩過程中顆粒物料運(yùn)動(dòng)仿真[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009. YANG Xiaobin. Design of the three-dimension vibratory screen and material’s motion simulation during screening process[D]. Zhenjiang:Jiangsu University, 2009. (in Chinese)

15 王國強(qiáng)，郝萬軍，王繼新.離散單元法及其在EDEM上的實(shí)踐[M].西安：西安工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

16 ELSKAMP F, KRUGGEL-EMDEN H, HENNIG M, et al. Benchmarking of process models for continuous screening based on discrete element simulations[J]. Minerals Engineering, 2015, 83(3):78-96.

17 AKBAR J,VAHID S N.Employing DEM to study the impact of different parameters on the screening efficiency and mesh wear[J].Powder Technology,2016,297：126-143.

18 李洪昌，李耀明，唐忠，等. 基于EDEM的振動(dòng)篩分?jǐn)?shù)值模擬與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(5)：117-121. LI Hongchang, LI Yaoming, TANG Zhong, et al. Numerical simulation and analysis of vibration screening based on EDEM[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(5): 117-121. (in Chinese)

19 李菊，趙德安，沈惠平，等.基于DEM的谷物三維并聯(lián)振動(dòng)篩篩分效果研究[J].中國機(jī)械工程，2013，24(8)：1018-1022. LI Ju, ZHAO Dean, SHEN Huiping, et al. Research on screening effect of grain three dimensional parallel vibrating screen based on DEM[J]. China Mechanical Engineering, 2013, 24(8):1018-1022.(in Chinese)

20 李菊，曾氫菲，鄧嘉鳴，等.多維并聯(lián)振動(dòng)篩篩分過程解析與篩面運(yùn)動(dòng)形式優(yōu)選[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(11)：399-407. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20161154&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.11.054. LI Ju, ZENG Qingfei, DENG Jiaming, et al. Screening process analysis for multi-dimensional parallel vibrating screen and optimization of screen surface movement[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(11):399-407.(in Chinese)

21 吳守一.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)(下冊(cè))[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

22 謝俊，張曉慶，王成軍.基于三平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)的茶葉篩分試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(10):101-104. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20121018&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2012.10.018. XIE Jun, ZHANG Xiaoqing, WANG Chengjun. Tea sieving based on three translation parallel mechanism[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(10):101-104.(in Chinese)

23 劉凡一，張艦，李博，等.基于堆積試驗(yàn)的小麥離散元參數(shù)分析及標(biāo)定[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(12)：247-253. LIU Fanyi, ZHANG Jian, LI Bo, et al. Calibration of parameters of wheat required in discrete element method simulation based on repose angle of particle heap[J]. Transactions of the CSAE, 2016, 32(12): 247-253. (in Chinese)

24 王成軍，李耀明，馬履中.基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的多維振動(dòng)篩分試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(4)：70-74，112. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20120415&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2012.04.015. WANG Chengjun, LI Yaoming, MA Lüzhong. Design of multi-dimensional vibration screening test beach based on parallel mechanism[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(4):70-74, 112. (in Chinese)

25 吳建福，張潤(rùn)楚.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析及參數(shù)優(yōu)化[M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2003.

InvestigationonThree-dimensionalParallelScreeningPerformanceBasedonInitialPhaseofDifferentBranches

LI Yaoming LIU Xiaofei MA Zheng TANG Zhong XU Lizhang SI Zengyong

(KeyLaboratoryofModernAgriculturalEquipmentandTechnology，MinistryofEducation，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China)

Parallel vibrating screen could be widely used due to multi-dimensional vibration, which was conducive to efficient screening of particle materials. In order to improve the parallel screening performance, firstly, the three-dimensional parallel vibrating screen with different initial phases model was proposed and the kinematics analysis was carried out. The single factor simulation experiment of initial phase was carried out by EDEM software, then, the simulation results were verified by bench test and the multi-factor orthogonal test was carried out to analyze the influence of each factor on the performance index and get a better combination of factors. The results showed that the experimental results were in good agreement with the simulation results under the same conditions. When the other conditions were constant, as the initial phase angle inXdirection was increased, the sieving grain was increased first and then decreased, and the impurity content was higher when the initial phase inXdirection was 45°. When the initial phase of inZdirection was 90°, the sieving grain was the lowest, the impurity content was increased first and then decreased with the increase of initial phase inZdirection. The sieving grain was higher when the initial phase were 30° and 60°, the impurity content in the whole sieving time was lower than other levels at 60° and the difference was obvious. The orthogonal test showed that the primary and secondary order of the factors affecting the screening efficiency wasXamplitude,Yamplitude,Zinitial phase,Xinitial phase,Yinitial phase andZamplitude. The primary and secondary order of the factors affecting the dirt percentage wasZamplitude,Yamplitude,Xamplitude,Xinitial phase,Zinitial phase andYinitial phase. The efficiency of three-dimensional vibration was improved by 62.02% and the inclusion rate was reduced by 53.85% when using the best combination of parameters.

three-dimensional parallel vibration； initial phase angle； screening performance； experiment

S226.5

A

1000-1298(2017)09-0088-08

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.011

2017-02-17

2017-04-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375214、51605196)、江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20160532)和中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2016M591788)

李耀明(1959—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究，E-mail： ymli@ujs.edu.cn