金银花静电除杂装置设计与试验.pdf

2023年8 月第5 4卷第8 期农报业机械学doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2023.08.013金银花静电除杂装置设计与试验王凤花1林玉红赖庆辉王永杰1田保宁1苏苏微（1.昆明理工大学现代农业工程学院，昆明6 5 0 5 0 0；2.云南师范大学能源与环境科学学院，昆明6 5 0 5 0 0）摘要：针对金银花除杂过程中编织袋丝去除效果不佳的问题，本文基于静电分离技术，设计了一种金银花静电除杂装置。通过理论分析，推导了静电场中金银花和编织袋丝产生轨迹分离的临界条件，验证了静电分离技术用于金银花除杂具有一定的可行性。基于单因素试验和COMSOL电场仿真，进一步探究了各影响因素对除杂性能的影响，确定了静电极形状为圆弧形、静电极角度为45。以高压静电发生器的输出电压U、静电极与辊筒的间距L和辊筒转速N为试验因素，开展Box-Behnken试验，分别建立了除杂率和误除率的二次回归方程。采用响应面分析法探明了各试验因素对试验指标的影响规律。通过参数寻优，确定了该装置的最优工作参数为U=11.9kV、N=28r/min以及L=60mm。台架试验结果显示，除杂率和误除率分别为9 4.47%和0.8 9%，满足金银花除杂要求。关键词：金银花；静电除杂；电场；COMSOL中图分类号：S226.5文献标识码：A文章编号：10 0 0-12 9 8（2 0 2 3）0 8-0 143-12OSID:Design and Experiment of Electrostatic Impurity RemovalDevice for HoneysuckleWANG FenghuaLIN YuhongLAI Qinghui?WANGYongjieTIAN BaoningSUWeil(1.College of Modern Agricultural Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China2.School of Energy and Environment Science,Yunnan Normal University,Kunming 650500,China)Abstract:Based on electrostatic separation technology,an electrostatic removal device for honeysucklewas designed to solve the problem of poor removal of woven bag filaments in the removal process.Throughtheoretical analysis,the critical conditions for the trajectory separation of honeysuckle and woven bagfilaments in the electrostatic field were deduced,and the feasibility of electrostatic separation technologyfor honeysuckle impurity removal was verified.Single-factor experiments and COMSOL simulations wereused to investigate the effects of electrostatic electrode shape,output voltage U of the high voltageelectrostatic generator,electrostatic electrode angle,the distance L between the electrode and theroller,and roller speed N on the removal performance.The electrode shape was determined as a circulararc,and the was set to be 45.The quadratic regression equations for the removal rate and the falseremoval rate were established by the Box-Behnken experiment,respectively.Response surface analysiswas used to explore the influence of each experiment factor on the experiment index.The optimumoperating parameters of the device were determined to be U=11.9 kV,N=28 r/min,and L=60 mm.The results of the bench experiment showed that the impurity and false removal rates were 94.47%and0.89%respectively,which met the requirements for removing impurities from honeysuckle.The deviceproposed effectively removed woven bag filaments from honeysuckle and may provide a reference for thedesign of similar herb removal devices.Key words:honeysuckle;electrostatic impurity removal;electric field;COMSOL收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 9 修回日期：2 0 2 3-0 5-2 5基金项目：国家自然科学基金项目（319 6 0 36 6）作者简介：王风花（19 8 0 一），女，副教授，主要从事丘陵山地农业装备研究，E-mail：15 8 8 7 7 17 2 q q.c o m通信作者：苏微（19 7 9 一），女，副教授，主要从事农业机械化生产和管理研究，E-mail：l a i s u b o 16 3.c o mg重力加速度，m/s2023年农144机报业学械0引言近几年金银花的种植面积和产量接连增长。但在金银花的采摘、运输过程中，容易混人梗、叶和编织袋丝等杂质1-3，影响产品的质量和价格。因此，在金银花的初加工过程中，除杂处理是最为关键的环节之一。然而，当前金银花的除杂方式仍以人工为主，存在效率低和成本高的问题,严重制约了金银花产业的发展。解决金银花除杂效率低的问题对于提高金银花市场价值尤为重要。风选技术、光电技术、振筛技术以及静电分离技术是农产品加工过程中常用的除杂技术4-8 。其中风选技术基于农产品与杂质的悬浮速度不同，一般用于清除较轻的杂质9 。而利用光电技术研制的色选机通常适用于大小相近、颜色差异大的农产品，如枸杞、大米和花椒等10-12 。振筛技术根据农产品与杂质外形尺寸的差异，通过更换不同间隙的筛网进行除杂分级13。以上技术对于金银花中梗、叶的除杂具有一定分离效果，但对于编织袋丝这类形状细长、与金银花质量差异不明显的杂质，除杂效果不明显。静电分离技术是利用静电吸附原理进行混合物分离的一类技术14,能将介电性能不同的混合物分离，不受形状、颜色等物料特性干扰。静电分离技术早期多用于分离工业领域中金属与非金属材料【15 目前静电分离技术也逐步进入农业领域16 。郭淑霞等17 研制了高压静电籽棉残膜分离装置，实现了残膜与籽棉的分离。JAFARI等18 将静电分离技术应用于分离麦粒和秸秆，通过仿真预测了麦粒与秸秆的分离轨迹，仿真结果与样机试验结果吻合较好。杨永发等19 在制茶过程中，通过控制茶叶与茶梗的含水量实现静电分离。综上所述，静电分离技术在解决质量相近、形状相似的物质难以分离的问题上相比于其他除杂技术更具优势。静电分离技术为金银花除杂问题提供了一种解决思路。为解决当前金银花中的编织袋丝去除效果不佳的难题，本文依据静电分离技术，设计一种金银花静电除杂装置并进行除杂试验。对金银花和编织袋丝的分离过程进行理论分析，基于COMSOL仿真和单因素试验确定除杂装置主要结构参数。对影响除杂性能的3个关键因素开展Box-Behnken试验，进行参数优化，确定最优工作参数。1除杂装置工作原理与设计1.1除杂机理理论分析为验证静电分离技术对金银花除杂的可行性，以常见的辊式静电分离结构为例，对金银花和编织袋丝进行受力分析。为方便研究，根据已有关于静电分离的文献2 0 ，做出以下假设：金银花与编织袋丝等效为球体颗粒。物料之间不存在干扰。受到的镜像力恒定，不随位置的改变产生耗散。忽略吸附时摩擦阻力的影响。如图1所示，作用在颗粒上的力包括镜像力F，、重力F。离心力F以及空气阻力F。10F编织袋丝Fd金银花FdFFAFFFFFdFFdVF杂质收集室金银花收集室图1受力分析示意图Fig.1Diagram of force analysis物料的电荷量Q与电场强度E成正比2 1,即38,Q=4T808,+2E(1)式中8o真空介电常数，F/m8,物料介电常数,F/m物料的等效半径,m镜像力F,将电场中的物料吸附于辊筒表面，与Q的平方成比例，即QF,=4T8(2r.）2(2)F，为物料所受重力，有F.=mg(3)式中m物料质量,kg物料随着辊筒转动时受到的离心力F。为2Tn2F。=m60R(4)式中一筒转速，r/minR辊筒半径,m物料所受到的空气阻力F。为Fa=2pC.A,1(5)式中A物料投影面积，mP物料速度,m/sCa阻力系数第8 期145王凤花等：金银花静电除杂装置设计与试验P空气密度，kg/m其中空气阻力经计算，约为10-7 N,相比于其他力可以忽略。金银花发生脱离的位置通常在辊筒右侧，按照金银花充电情况的不同，可分为两种脱离情况。第1种情况：金银花由于充电不足，受到向心方向的镜像力不足以克服重力、离心力和向前的惯性；此时金银花在辊筒右上侧脱落。第2 种情况：金银花充电充分，受到镜像力较大，因此被吸附在辊筒表面，并随着辊筒转动，到达辊筒右下侧区域；在辊筒右下侧区域时，随着辊筒的转动，重力的影响不断加大；当金银花受到的镜像力小于重力和离心力的合力时，金银花脱离辊筒表面。由于第1种脱离情况对除杂效果影响较小，因此着重分析第2 种情况，如图2 所示，可以看出，当金银花到达辊筒底部时，重力在竖直方向的分量达到最大，而镜像力和离心力的大小是不变的。因此该位置为金银花的临界脱离点，此时金银花的临界脱离条件可表示为F,F+F。(6)将各力的表达式代人式（6），可得Q2Tn2R(7)4ms.(2r.)mg+m(600金银花图2 金银花受力示意图Fig.2Schematic of force of honeysuckle如图3所示，在除杂过程中，编织袋丝被镜像力吸附在辊筒表面，随着辊筒转动，最终被辊筒左侧的毛刷刷下。在此过程中，当编织袋丝位于辊筒底部时最容易脱离辊筒，因此该点为编织袋丝的脱落临界点。为满足编织袋丝全程不脱离辊筒，需满足条件F,F.+F(8)C由此可得辊筒临界脱离转速n应满足的条件为30Qg(9)T480（2 r）2mR编织袋丝受到的镜像力与获得的最大荷电量有关。为了确保荷电量达到最大，应满足足够的充电编织袋丝图3编织袋丝受力示意图Fig.3Schematic of force of woven bag filament时间，即满足辊筒转速不高于临界充电转速n2。n 计算式为2 2 3keq(10)式中K离子迁移率，m/（V s-空间电荷密度，C/me-电晕荷电区域的宽度，m综上所述，静电分离技术可用于金银花与编织袋丝的分离，但对于电场强度和辊筒转速，需满足相应的条件。在分离过程中，应保持辊筒转速不高于临界脱离转速和临界充电转速，以确保编织袋丝顺利去除。同时电场强度的增大可以提高编织袋丝的分离效果，但也不能过大，避免金银花越过临界脱离点，造成误除。为进一步验证静电分离技术用于金银花除杂的可行性，在特定参数下对位于临界脱离点即辊筒底部的金银花和编织袋丝进行受力计算与对比。计算所用的参数如表1所示，计算结果为：编织袋丝受到的镜像力、重力、离心力分别为3.8 5 10-5、2.9 6 10=5、3.0 2 10-N；金银花受到的镜像力、重力、离心力分别为1.19 10-4、1.9 9 10-4、2.0 310-5 N。表1计算参数Tab.1Calculation parameters参数数值真空介电常数/(Fm-l)8.8510 12金银花介电常数/（Fm-1）4.5编织袋丝介电常数/(Fm-1）6.5金银花密度/（gcm-3)0.8编织袋丝密度/（gcm-3）1.1金银花平均质量/2.03 10-2编织袋丝平均质量/g3.02 10 3金银花所获电荷量/C8.06 10-10编织袋丝所获电荷量/C2.36 10 10电场强度/(kVm-1)285辊筒半径/mm125辊筒转速/(rmin=)272023年农报机146学械业在编织袋丝的运动过程中，镜像力占主导作用，使得编织袋丝吸附在辊筒表面。在金银花的运动过程中，重力与离心力的合力占主导作用，使得金银花脱离辊筒。编织袋丝与金银花之间存在明显的受力差异，验证了静电分离技术用于去除金银花中的编织袋丝具有一定的可行性。1.2工作原理金银花静电除杂装置工作原理如图4所示。上料机构将混有编织袋丝的金银花传输到输送带上，使得物料能够均匀、持续地进入辊筒表面。金银花中的编织袋丝经电晕电极充电，进入静电极产生的电场中，从而受到了镜像力，黏附在辊筒表面。随着辊筒旋转，编织袋丝被毛刷刷落，落入左侧的杂质收集室。而金银花受到重力和离心力较大，克服镜像力后直接落人右侧的金银花收集室。23456辊筒转速8辊简半径OOO00OO89图4金银花静电除杂装置原理图Fig.4Schematic of electrostatic impurity removal device1.上料机构2.输送带3.金银花4.编织袋丝5.电晕电极6.静电极7.毛刷8.杂质收集室9.金银花收集室1.3整机结构设计图5 为金银花静电除杂装置结构示意图和实物图，金银花静电除杂装置主要包括上料机构、输送带、毛刷、辊筒、电晕电极、静电极、凹槽板、蝶形螺母、大带轮、传动带、小带轮、电机、电机支架、收集室和高压静电发生器1.4关键部件设计1.4.1辊筒设计辊筒是静电除杂装置设计的关键，其结构参数对除杂性能有重要影响。通过查阅文献2 3-2 5 ，静电除杂装置的筒直径选取范围通常为15 0 300mm，增大辊筒直径，有利于使编织袋丝充分带电，从而提高除杂性能，但会增大所需要的电压值。综合考虑，设计辊筒直径为2 5 0 mm。辊筒采用不锈钢材质，辊筒空心且表面光滑有利于将编织袋丝吸附，辊筒长2 40 mm，厚度2 mm，两侧轴径为2 6 mm。1.4.2电晕电极设计电晕电极由直径为0.2 5 mm的铜线组成。为了确保辊筒表面的物料均能通过电晕电极带电，其123456789101112131415(a）结构示意图2345678910111315(b)实物图图5金银花静电除杂装置Fig.5Honeysuckle electrostatic impurity removal device1.上料机构2.输送带3.毛刷4.辊筒5.电晕电极6.静电极7.凹槽板8.蝶形螺母9.大带轮10.传动带11.收集室12.小带轮13.电机14.电机支架15.高压静电发生器长度需大于辊筒的长度，因此电晕电极的长度取250mm。电晕电极位于静电极前端，使得物料提前带电。依据文献2 6 2 8，电晕电极与静电极的距离选取范围通常为10 40 mm，距离大有利于物料充电，但同时容易引起火花放电，造成静电发生器损坏。综合考虑，电晕电极与静电极的距离选取为20 mm。1.4.3静电极设计静电极与高压静电发生器相连接，为除杂过程提供了稳定的电场区域。不同静电极形状会影响电场分布情况【2 9-30 ，因此本文选用3种静电极，截面形状分别为圆弧形、长方形和圆形，尺寸参数如图6所示。为了确保辊筒处于电场区域中，其长度需大于辊筒的长度，因此静电极的长度取2 5 0 mm。250250250圆弧形静电极长方形静电极圆形静电极图6静电极尺寸参数示意图Fig.6Schematic of electrostatic electrode size parameters2仿真与试验设计2.1仿真条件设置电场是影响镜像力的关键因素，因此可通过仿真分析电极结构以及电压对电场的影响，进而分析对除杂效果的影响。本文基于COMSOL软件对静147王凤花等：金银花静电除杂装置设计与试验第8 期电除杂装置进行仿真，探究影响静电除杂装置电场的关键因素，确定最佳结构参数，为后续试验提供有力的理论支持。为了简化模型，降低仿真的复杂程度，做以下假设：空气的介电常数恒定且不受电场的影响。忽略带电的编织袋丝与金银花对整个装置的电场分布影响。忽略空气湿度、温度等外部环境对电场的影响。图7 a显示了简化后的静电除杂装置二维模型。二维模型由电晕电极、静电极以及辊筒组成。U为高压静电发生器的输出电压，L为静电极与辊筒的间距，为静电极角度。通过改变以上参数进行仿真。在仿真过程中，辊筒的直径为2 5 0 mm，电晕电极的直径为0.2 5 mm。采用非结构化网格，最大单元尺寸设置为31.8 mm，最小单元尺寸设置为0.18mm，最大单元生长率设置为1.3，曲率因子设置为0.3，狭窄区域分辨率设置为1。模型的网格划分如图7 b。长方形表示仿真边界，边长分别为6 0 0、500mm。选用AC/DC物理场的静电模块进行场强分析,求解问题选为稳态。研究区域的电场强度为E=-VV(11)一式中V一电势,VU3(a)仿真模型(b)网格划分图图7用于仿真的几何模型和网格Fig.7Geometric model and meshes forelectricfield simulation1.辊筒2.电晕电极3.静电极静电除杂装置的有效电场区域如图8 所示。图中黄色区域即为实现分离编织袋丝与金银花的有效电场区域。为了更加直观地观察辊筒表面的电场强度，定义辊筒表面任一点与辊筒中心的连线与水平线的夹角为9,0 的取值范围为0 9 0 2.2单因素样机试验设计为合理选取影响除杂性能的关键因素及其取值范围,以静电极形状、高压静电发生器的输出电压U、辊筒转速N、辊筒与静电极的间距L、静电极角度为试验因素，除杂率、误除率为试验指标，对金银花静电除杂装置样机开展单因素试验。本试验采用金银花3号品种作为试验对象，该品种外观近似棒状，长2 0 30 mm，平均直径2.5 mm，平均质量约为2.0310-g。所使用的编织袋丝长30 40 mm，平906003000图：有效电场区域示意图Fig.8Diagram of effective electric field areas均质量约为3.0 2 10-3g。本试验选取的物料如图9 所示。(a)金银花(b)编织袋丝图9 金银花与编织袋丝Fig.9Honeysuckles and woven bag filament试验环境温度为2 0，环境相对湿度为40%。通过调研，在每10 0 g的金银花中加入编织袋丝1.5g，混合均匀后的混合物在金银花静电除杂装置上进行分离试验，测定除杂率以及误除率。每组试验重复3次，取3次试验的平均值作为试验结果。单因素试验的参数水平如表2 所示。表2单因素试验水平Tab.2Singlefactor experimentfactors levels因素水平电压/转速/间距/角度/形状kv(rmin-)mm()1圆弧形6950252长方形101860353圆形14277045418368055522459065除杂率H以及误除率W计算式为msmHg100%(12)msW100%(13)mmm式中m金银花收集室中的编织袋丝质量，8g编织袋丝总质量，81482023年农报机业学械m金银花总质量，8mm杂质收集室中金银花质量，%n2.3Box-Behnken样机试验设计为寻找使得静电除杂装置具有最佳工作性能的因素组合，基于仿真与单因素试验的结果，采用Box-Behnken试验法，以高压静电发生器的输出电压A、辊筒与静电极的间距B以及辊筒转速C为试验因素，除杂率Y、误除率Y,为响应值，各试验因素编码如表3所示，试验方案与结果如表4所示。表3试验因素编码Tab.3Coding of experiment factors因素编码电压A/kV间距B/mm转速C/(rmin-l)-110501801260271147036表4试验方案与结果Tab.4Experiment design and results因素序号Y/%Y2/%A/kVB/mmC/(rmin-)114702789.81.82212602796.00.84312602794.50.90412703679.20.35514601891.12.70610702771.20.15712501890.72.20812503690.21.4512602795.00.871010603672.00.301114502798.03.101212701883.71.151310502785.21.201410601878.50.901514603687.61.851612602795.60.931712602794.00.893结果与分析3.1样机吸附试验为探究金银花和编织袋丝被吸附的参数条件，以输出电压U为试验因素，吸附率为试验指标,开展单种物料的吸附试验。选择静电极与辊筒的间距L作为对照变量，取值分别为5 0 mm和7 0 mm。其余参数选择为：N=27r/min、=45、静电极形状为圆弧形。每组选取2 0 根金银花或编织袋丝进行试验，重复试验3次。当被吸附的金银花或编织袋丝到达辊筒左部，则视为吸附成功，计入吸附率的计算。试验结果如图10 所示。100ro-L=50mm-L=70 mm80%/率期604020068101214电压/kV(a）编织袋丝60o-L=50 mm-L=70mm40%率圳20工工01618202224电压/kV(b）金银花图10吸附试验结果Fig.10Adsorption test results如图10 a所示，当L为5 0、7 0 mm，编织袋丝刚好被吸附起的临界电压分别为10、14kV。由图10 b可知，当U 2 0 k V以及L=70mm、U 2 4k V时的金银花吸附试验，金银花的临界吸附电压需在后续研究中进一步探究。3.2仿真与单因素样机试验3.2.1静电极形状当电压为14kV，转速为2 7 r/min，间距为60mm，静电极角度为45,静电极形状分别为圆弧形、长方形、圆形时，仿真与试验结果分别如图11、12所示。图11a显示了静电极下的电场分布情况，圆形静电极产生的电场区域的范围以及强度最小，圆弧形静电极产生的电场区域的范围以及强度最大。图11b显示了辊筒表面的电场强度，3种静电极下的电场强度均呈先增大后减小的趋势。电晕电极比静电极更加靠近辊筒，因此电场峰值均出现在=55附近，即接近电晕电极的位置。圆弧形电极因其外凸的弧形结构，比长方形和圆形电极更加贴合辊筒表面，所产生的电场分布更均匀，电场强度也更大。因此在圆弧形静电极下编织袋丝受到的镜像力更大，有利于编织袋丝的去除。149王凤花等：金银花静电除杂装置设计与试验第8 期电场强度/(kVm-)0100200300400500600700圆弧形静电极长方形静电极圆形静电极(a）电场分布330一一圆弧形静电极一长方形静电极一一圆形静电极264(.A)/1981326603060900/()(b）电场强度分布曲线图11不同静电极形状下仿真结果Fig.11Simulation results with different electrostaticelectrode shapes100除杂率误除率1.2800.9%/率米湖60%/率塑0.6400.32000圆弧形长方形圆形静电极形状图12不同静电极形状下试验结果Fig.12Experimental results with different electrostaticelectrode shapes图12 显示了不同静电极形状下的除杂率和误除率。由图可知，当静电极为圆弧形时,除杂率为95.6%，误除率为1.0 5%；当静电极为长方形时，除杂率为8 4%，误除率为0.9 8%；当静电极为圆形时，除杂率为6 0%，误除率为0.6 5%。试验结果表明，圆弧形静电极与其他两种静电极相比，除杂性能更佳，因此后续试验中静电极确定为圆弧形。3.2.2电压当转速为2 7 r/min，间距为6 0 mm，静电极角度为45，电压分别为6、10、14、18、2 2 kV时，仿真与试验结果分别如图13、14所示。图13a显示了电场分布的情况，随着电压的增大，电场区域的范围以及强度均逐渐增大。图13b为辊筒表面的电场强度分布，由图可知，随着电压的增大，辊筒表面的电场强度逐渐增大。电场区域的范围越大以及电场强度越大越有利于辊筒表面的编织袋丝和金银花的镜像力增大。但当电压过小时，镜像力不足以吸附编织袋丝，导致除杂效果不佳；当电压过大时，部分较轻的金银花也被吸附。因此在实际应用中，不可以无限提高电压。电场强度/(kVm-)01002003004005006007006kV14kV22kV(a）电场分布5006kV10kV14kV40018kV(r.A)/甲22kV30020010003060900/()(b）电场强度分布曲线图13不同电压下仿真结果Fig.13Simulation results with different voltages100-除杂率3.2一-一误除率工902.4%率801.6700.860士0610141822电压/kV图14不同电压下试验结果Fig.14Experimental results with different voltages图14显示了不同电压下的除杂率和误除率。由图可知，当电压小于10 kV时，随着电压的增大，除杂率显著增大，误除率缓慢增加。电压越大，编织袋丝与金银花受到的镜像力越大，除杂率越高，同时误除率也缓慢增加。当电压大于14kV时，除杂率逐渐趋于稳定，误除率显著增加。此时编织袋丝达到了充电临界值，继续增大电压，最大荷电量也不会2023年农150报机业学械发生明显变化，因此镜像力的变化趋于稳定。而金银花在电压14 18 kV的变化过程中，逐渐达到充电临界值，受到的镜像力显著增加，导致了误除率的激增。综上，在一定程度内，通过增加电压，可以有效提高除杂性能。而电压超出一定范围后,增加电压，误除率会显著提高。因此需要选择合理的电压参数,来考虑电压对除杂率和误除率的影响。根据仿真与试验结果，确定后续试验的电压取值范围为1014kV。3.2.3间距当电压为14kV,转速为2 7 r/min，静电极角度为45，间距分别为5 0、6 0、7 0、8 0、9 0 mm时，仿真与试验的结果分别如图15、16 所示。图15 a显示了电场分布的情况,随着间距的增大，电场区域的范围逐渐增大，但强度逐渐减小。图15 b为辊筒表面的电场强度分布。由图可知，在各间距下辊筒表面的电场强度均呈现中间大两边小的趋势分布，且随着间距的减小，电场强度逐渐增大。当间距为5 0 mm时，电场强度显著增大。当电晕电极与辊筒的间距过小，会使得电极间的电场等势面密度过大，从而导致该区域的电场强度剧增。仿真结果表明，间距减小会造成电场区域的范围缩小，但所产生的电场区域仍在有效除杂范围内，并且电场强度显著增强。电场强度/(kVm-）010020030040050060070050mm70mm90mm（a）不同间距的电场分布40550mmo60mm-70 mm324-80mmo-90mm2431628103060900/()（b）电场强度分布曲线图15不同间距下仿真结果Fig.15Simulation results with different spacings图16 为不同间距下的除杂率以及误除率。由图可知，随着间距的减小，除杂率呈逐渐增大的趋势。当间距大于6 0 mm时，随着间距的增大，误除率逐渐降低。当间距为5 0 mm时，误除率剧增，这是因为此时产生的镜像力达到将金银花吸附于辊筒表面的临界值。此外在试验过程中发现，当间距取值小于5 0 mm时，出现了火花放电现象，不利于除杂。因此根据仿真与试验结果，确定后续试验间距取值范围为5 0 7 0 mm。100F7.2.0-0-除杂率工-误除率工901.6%/率米湖%率潮1.280工0.870+0.4605060708090间距/mm图16不同间距下的试验结果Fig.16Experimental results with different spacings3.2.4静电极角度当电压为14kV，转速为2 7 r/min，间距为60mm，静电极角度分别为2 5 35、45 5 5、6 5 时，仿真与试验的结果分别如图17、18 所示。图17 a显示了电场分布的情况，随着静电极角度的增大，有效电场区域内的电场范围以及强度先增大后减小。图17 b为筒表面的电场强度。当静电极角度=65，电场强度率先达到峰值，随后进入下降趋势。当静电极角度=25，电场强度呈上升趋势，相比于其他的角度最晚到达峰值。电极角度决定了电场强度的分布，这影响到编织袋丝的充电质量，当过大或过小时，编织袋丝在强电场区域中停留的时间较短，荷电量未能达到最大值，因此受到的镜像力较小。静电极在选择静电极角度时，应使得有效电场区域内的平均电场强度尽可能大。图18 为不同静电极角度下的除杂率以及误除率。由图可知,随着静电极角度的增大，除杂率呈现先增大后减小的趋势，误除率呈现逐渐减小的趋势。=45时，除杂率达到峰值。这说明该角度下有效电场区域内的平均电场强度达到了最大，编织袋丝充电充足，产生了更大的镜像力，因此实现更好的编织袋丝分离效果。而当45或45时，平均电场强度不同程度的减小，导致了除杂率的降低。此外，由于金银花的分离点主要集中于辊筒右侧中部，越大，意味着金银花在分离点前未能充分充电，金银花受到的镜像力较小，导致误除率降低。综上所述，为满足最优的除杂效果，在后续试验中选择静电151王凤花等：金银花静电除杂装置设计与试验第8 期电场强度/(kVm-)0100200300400500600700=25=450=65(a)电场分布360-0-25-35-455528865(r-U.A)/2161447203060900/()(b）电场强度分布曲线图17不同静电极角度下仿真结果Fig.17Simulation results with different electrostaticelectrode angles100-0-除杂率3.2-误除率952.490%率潮1.6850.88002535455565静电极角度（）图18不同静电极角度下试验结果Fig.18Experimental results with different electrostaticelectrode angles极角度为45 3.2.5辊筒转速当电压为14kV,间距为6 0 mm，静电极角度为45,转速分别为9、18、2 7、36、45 r/min时，试验的结果如图19 所示。随着转速的提高，除杂率和误除率呈下降趋势。由前文的理论分析可知，编织袋丝要达到最好的分离效果，应使得转速不高于临界脱离转速和临界充电转速。当转速大于2 7 r/min时，除杂率由平稳趋势转为下降趋势。说明该转速附近出现了临界脱离转速和临界充电转速，当越过临界转速，编织袋丝受到的镜像力将减小，而离心力增大，因此除杂率急剧下降。对于金银花，转速的提高有利于减小充电时间，提高离心力，因此误除率降低。为进一步确定辊筒的最佳工作转速，选择后续试验的转速范围为18 36 r/min。一除杂率2.8100一一误除率H902.1豆%/率潮801.4700.760918273645转速/(rmin-)图19不同转速下试验结果Fig.19Experimental results with different roller speeds综上所述，静电极形状、静电极角度、间距以及电压都会影响到有效电场区域内电场强度的分布和大小，进而影响到除杂装置的除杂率和误除率。而辊筒转速直接影响到镜像力和离心力，导致除杂率和误除率发生变化3.3Box-Behnken样机试验为进一步分析各因素以及因素间交互作用对试验指标的影响，本文应用Design-Expert软件对试验数据进行多元回归拟合，显著性检验结果如表5所示。由表5 可知，除杂率Y,和误除率Y,的二次回归模型均达到极显著水平（P0.05）。R分别为0.9 9 17、0.9 9 8 5,表明模型精度较高，回归方程与数据拟合较好。因此，可用该模型对除杂性能指标进行预测。在回归模型Y中，回归项A、B、C、A、B、C对Y影响极显著（P 0.0 1）,回归项AB对Y,影响显著（P0.05），AC、BC 对Y,影响不显著。在回归模型Y,中,回归项A、B、C、A、B、C对Y,影响极显著（P0.01）,A B、AC对Y,影响显著（P0.05）,BC对Y,影响不显著。影响除杂率的主次因素顺序为：高压静电发生器的输出电压、辊筒与静电极的间距、辊筒转速；影响误除率的主次因素顺序为：高压静电发生器的输出电压、辊筒与静电极的间距、辊筒转速。将表5 中回归模型不显著项剔除，保证模型极显著、失拟项不显著，重新拟合得到试验指标Y、Y,的预测数学模型分别为Y,=-242.315+37.235A+1.8195B+4.065C+0.072 5AB 1.577 5A-0.026 6B?-0.079 136C2(14)Y,=22.741 75-1.795 75A-0.340 40B-0.090 5C-2.87510-3AB-3.4722210-3AC+0.10394A+2.657 5 10-3 B+1.675 93 10-3 c2(15)1522023年农报机业学械表5响应面试验方差分析Tab.5Variance analysis of response surface model除杂率误除率方差来源平方和自由度FP平方和自由度FP回归模型1096.39992.510.0001*10.859531.940.0001*A444.021337.180.0001*5.9912640.240.000 1*B202.001153.400.0001*2.5111106.590.0001*C28.13121.360.002 4*1.131496.220.0001*AB8.4116.390.039 4*0.01315.830.0464*AC2.2511.710.232.50.01616.890.034 1*BC4.0013.040.12490.000610.280.615 8A2167.651127.310.000 1*0.731321.010.000 1*B229.79122.620.002 1*0.301131.160.000 1*C2173.001131.380.0001*0.078134.220.000 6*残差9.2270.0167失拟项6.6133.380.13510.01133.350.1368纯误差2.6140.004 54总离差1 105.601610.8716注：*表示影响显著（0.0 1 P0.05），*表示影响极显著（P0.01)。图