基于EDEM的洗麥機(jī)工作效率設(shè)計(jì)參數(shù)的正交分析

張凌峰， 張東生， 張力允， 林 靜

(陜西理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西漢中 723000)

基于EDEM的洗麥機(jī)工作效率設(shè)計(jì)參數(shù)的正交分析

張凌峰， 張東生， 張力允， 林 靜

(陜西理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西漢中 723000)

在小麥制粉工藝中，洗麥機(jī)已成為原麥加工中不可或缺的設(shè)備。以濕洗打擦型洗麥機(jī)為對(duì)象，在分析洗麥機(jī)內(nèi)麥粒運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用EDEM軟件對(duì)小麥顆粒在洗麥機(jī)中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，通過正交試驗(yàn)法對(duì)絞龍轉(zhuǎn)速、設(shè)計(jì)螺距和填充率等設(shè)計(jì)參變量進(jìn)行對(duì)比，以獲得顆粒的有效停留時(shí)間和平均接觸力等凈麥參量，為洗麥機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理選擇提供依據(jù)。

洗麥機(jī); EDEM; 正交試驗(yàn)法; 平均接觸力

洗麥過程分為干洗法和濕洗法兩種，其中，濕洗法耗水量大、清洗效果好的特點(diǎn)決定了高效節(jié)能是目前濕洗法亟待解決的核心問題［1］。要求在較低耗水量下保證清洗效果，麥粒在洗麥槽中停留時(shí)間和顆粒速度變化是重要的影響因素。隨著計(jì)算機(jī)三維仿真技術(shù)日益完善，特別是以EDEM為代表的DEM(離散元法)仿真的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了模擬麥粒在洗麥槽中真實(shí)運(yùn)動(dòng)過程的參數(shù)化建模，以比較不同運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)洗麥效果的影響。

1 洗麥機(jī)內(nèi)麥粒運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析

圖1 洗麥機(jī)結(jié)構(gòu)圖

臥式洗麥機(jī)的主體結(jié)構(gòu)由洗麥槽和甩干桶構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先，麥粒在洗麥槽內(nèi)部安裝的絞龍的推動(dòng)作用下，依次完成預(yù)洗、擦洗和沖洗過程。其間，麥粒在絞龍葉片滑擦和麥粒間自身摩擦作用下，充分擦洗掉表面污垢和麥毛，后經(jīng)沖洗，獲得凈麥粒。

打擦甩干筒主要由打板、篩筒和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成，其32塊打板以螺旋狀分布于主軸上，且打板懸臂端與主軸軸向面呈15°角，以實(shí)現(xiàn)麥粒在篩桶內(nèi)水平方向運(yùn)動(dòng)。又根據(jù)下式:

式中mi為顆粒的質(zhì)量(kg)，vi為顆粒破碎極限速度(m/s)，F(xiàn)ps為顆粒破碎力(N)，ts表示其顆粒接觸瞬態(tài)作用時(shí)間(取10-5s)。鑒于我國小麥等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從《制粉師工程手冊(cè)》［2］查得:麥粒的破碎力Fps約為120 N，麥粒平均質(zhì)量約為3×10-5kg，得麥粒破碎的極限速度vi約為40 m/s。則實(shí)際工況下，Φ400型篩筒的計(jì)算轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在640～1 194 r/min。

2 麥粒運(yùn)動(dòng)的仿真分析

2.1 建立洗麥機(jī)的三維模型

洗麥機(jī)的洗麥槽和打擦甩干筒均是在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，通過帶輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)絞龍和打板軸的工作轉(zhuǎn)動(dòng)。其全部質(zhì)量通過分布于軸肩處的軸承傳遞于機(jī)架。為使仿真更易于實(shí)現(xiàn)，所建立的三維模型忽略傳動(dòng)和支承部件，即將洗麥機(jī)簡(jiǎn)化為雙筒狀串聯(lián)體結(jié)構(gòu)。

選擇機(jī)械建模廣泛采用的SolidWorks軟件建立三維模型，以最新節(jié)能型打擦洗麥機(jī)FDCXM-40×150×2(I)為研究對(duì)象，簡(jiǎn)化后的洗麥機(jī)三維模型如圖2所示。

2.2 麥粒在洗麥機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的仿真分析

2.2.1 顆粒流仿真分析軟件EDEM簡(jiǎn)介

EDEM是全球首個(gè)運(yùn)用現(xiàn)代化的離散元素法實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程中顆粒系統(tǒng)處理的模擬分析CAE軟件。其創(chuàng)造性的采用了高效的顆粒集合生成技術(shù)Particle FactoryTM，不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)流體分析軟件在顆粒流模擬方面的不足，而且為實(shí)現(xiàn)顆粒與模型、顆粒與顆粒間的接觸力學(xué)仿真提供了可能［3］。

2.2.2 洗麥槽內(nèi)麥粒的運(yùn)動(dòng)仿真分析

工程實(shí)際中，估算非球面物料的臨界速度時(shí)，將不規(guī)則物體通過下式化為當(dāng)量球體進(jìn)行計(jì)算［4］:

式中:a、b、c分別為顆粒平均粒度中的長度、寬度和厚度(mm)，取值為 a=6.2 mm，b=3.2 mm，c=2.9 mm;d為顆粒等效球體的當(dāng)量粒徑(mm)。

該樣機(jī)額定處理量通過(3)式求得:

式中:Q為樣機(jī)額定處理量(t/h);D為螺旋葉片直徑(mm);P為絞龍螺距(mm);n為絞龍?jiān)O(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速(r/min);φ為填充率，φ=25% ～40%;λ為物料單位容積質(zhì)量(t/m3);ε為絞龍傾斜系數(shù)。即可求得額定處理量為10～12 t/h。仿真顆粒數(shù)則根據(jù)洗麥機(jī)額定處理量和填充率進(jìn)行計(jì)算［5］。

仿真分析的物料參數(shù):小麥當(dāng)量粒徑d=3.9 mm，仿真顆粒數(shù)為7 000～9 000粒/s。洗麥槽結(jié)構(gòu)參數(shù):螺旋葉片直徑D=200 mm，絞龍?jiān)O(shè)計(jì)螺距100～180 mm，絞龍?jiān)O(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速200～300 r/min。

模擬的假設(shè)條件:①物料休止角、填充率不隨濕度變化;②不考慮物料的形狀;③不考慮多相流對(duì)物料運(yùn)動(dòng)的影響。

由于研究所涉及的設(shè)計(jì)參量均為連續(xù)值，遍歷試驗(yàn)各因素組合無法實(shí)現(xiàn)。考慮到正交試驗(yàn)在研究多因素水平問題時(shí)高效性的特點(diǎn)，并結(jié)合仿真要求，選擇常用的L9(34)正交表安排試驗(yàn)。其試驗(yàn)因素水平如表1所示。

圖2 簡(jiǎn)化后的洗麥機(jī)三維模型

表1 凈麥率試驗(yàn)因數(shù)水平表

前處理:首先定義麥粒的物理屬性和接觸屬性，然后定義麥粒的幾何參數(shù)，并以.IGS格式導(dǎo)入已建立的三維樣機(jī)模型，最后定義系統(tǒng)的邊界約束，并使用Particle Factory工具定義顆粒工廠;求解，設(shè)定相對(duì)時(shí)間步長20%和接觸網(wǎng)格尺寸2 Rmin。完成仿真設(shè)置，開始仿真。后處理:測(cè)量正交表L9(34)中第1號(hào)試驗(yàn)(A1，B1，C2)因素水平下的顆粒有效停留時(shí)間和平均接觸力，以.csv文件導(dǎo)出數(shù)據(jù)，在MATLAB中得到折線圖，如圖3所示。

圖3 顆粒的有效停留時(shí)間和平均接觸力

其中，圖3(a)反映顆粒的平均角速度隨時(shí)間的變化，區(qū)間(2.1，2.4)和(6.8，7.1)具有明顯大于區(qū)間(2.4，6.8)的角速度，由于麥粒在進(jìn)入和流出洗麥槽時(shí)均為自由落體運(yùn)動(dòng)，故其不屬于有效停留時(shí)間?，F(xiàn)對(duì)區(qū)間(2.4，6.8)進(jìn)行分析，由于有效停留時(shí)間內(nèi)，麥粒在絞龍勻速推動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，故其平均角速度服從正態(tài)分布。通過數(shù)據(jù)處理中粗大誤差分析方法對(duì)其邊界點(diǎn)依次進(jìn)行檢驗(yàn)［6］，得區(qū)間(2.4，6.7)滿足3σ準(zhǔn)則，并得到正態(tài)分布參數(shù)μ=276.75，σ=6.168。即麥粒的有效停留時(shí)間為4.3 s，其間，平均角速度為 276.75 r/min。

圖3(b)則反映顆粒間平均接觸力隨時(shí)間的變化。在區(qū)間(2.1，6.6)通過數(shù)據(jù)處理方法獲得正態(tài)分布參數(shù) μ =0.064 5，σ =0.004 66，即麥粒的平均接觸力為0.064 5 N。

按因數(shù)要求，依次完成以下9組試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 凈麥率試驗(yàn)正交表

3 仿真結(jié)果處理與分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，其中顆粒的有效停留時(shí)間決定凈麥標(biāo)準(zhǔn)。停留時(shí)間越長，絞龍葉片滑擦和麥粒間自身摩擦越充分，經(jīng)沖洗后獲得的凈麥標(biāo)準(zhǔn)越高。但過長的停留時(shí)間將導(dǎo)致生產(chǎn)率降低，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)要求;顆粒的平均接觸力將決定凈麥效率。麥粒在洗麥槽中運(yùn)動(dòng)過程是摩擦力、擠壓力和離心力等聯(lián)合作用的結(jié)果。較大接觸力反映顆粒間具有較大擠壓滑移力。在速度場(chǎng)中，其反映為麥粒本身具有更高的碰撞動(dòng)量。在保證接觸力低于麥粒破碎力Fps的前提下，更高的平均接觸力將使得整體的麥粒流獲得更高的凈麥效率。

結(jié)合表2試驗(yàn)結(jié)果，分析各因素對(duì)顆粒有效停留時(shí)間和平均接觸力的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 凈麥率正交試驗(yàn)結(jié)果分析

4 結(jié)論

(1)根據(jù)仿真模擬試驗(yàn)結(jié)果，選擇糧食加工行業(yè)比較成熟的停留時(shí)間經(jīng)驗(yàn)公式，通過修正系數(shù)加以修正，獲得具有更高精確度的顆粒有效停留時(shí)間，為量化樣機(jī)凈麥率提供參考:

(2)根據(jù)顆粒運(yùn)動(dòng)過程中摩擦力、擠壓力和離心力等聯(lián)合作用的特點(diǎn)，絞龍的高轉(zhuǎn)速大螺距均使顆粒具有較高的動(dòng)能，在摩擦、擠壓力的作用下，伴隨發(fā)生更大的能量交換，從而獲得更高的凈麥效率。低轉(zhuǎn)速和小螺距會(huì)使顆粒具有較長的停留時(shí)間和較大的表面接觸力，其對(duì)麥粒的充分擦洗有顯著作用。

(3)結(jié)合表3結(jié)果的分析，在3種不同因素中，對(duì)于停留時(shí)間影響最為顯著的是絞龍螺距P，其次是絞龍轉(zhuǎn)速n，填充率對(duì)其影響可以忽略;而對(duì)于平均接觸力，絞龍螺距P影響最為顯著。結(jié)合實(shí)際工況要求，絞龍轉(zhuǎn)速 250 r/min、螺距 140 mm、填充率 33% ～40%(A2、B2、C1，2)可以保證平均接觸力大于0.04 N的情況下，有效停留時(shí)間小于3 s。符合生產(chǎn)加工實(shí)際需求。雖然本仿真計(jì)算結(jié)果本身存在誤差，但其試驗(yàn)結(jié)果可以為濕洗法節(jié)能高效處理提供理論和設(shè)計(jì)參考。

式中T為物料有效停留時(shí)間(s)，ε為添加修正系數(shù)，L為洗麥槽長度(mm)，P為絞龍螺距(mm)，n為絞龍轉(zhuǎn)速(rpm)，F(xiàn)為結(jié)構(gòu)阻礙系數(shù)，其值根據(jù)不同的絞龍螺距P取值在1.18～1.5之間。根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果，得到修正系數(shù)ε=0.85，則(4)式修正后的麥粒在洗麥槽內(nèi)有效停留時(shí)間的計(jì)算公式為

［1］李林軒.小麥濕法清理工藝的利與弊［J］.糧食加工，2010(5):34-36.

［2］陳志成.制粉師工程手冊(cè)［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2007:9-6.

［3］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:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010:34-58.

［4］趙曉根.谷物顆粒流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究［D］.呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007:20-22.

［5］徐余偉.螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇和確定［J］.面粉通訊，2008(5):21-24.

［6］錢政，王中宇，劉桂禮.測(cè)試誤差分析與數(shù)據(jù)處理［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008:25-28.

［7］溫紀(jì)平，林江濤，溫欽豪，等.小麥清潔處理技術(shù)探討［J］.糧食與飼料工業(yè)，2010(2):10-11.

［8］卓家壽，趙寧.離散單元法的基本原理、方法及應(yīng)用［J］.海河科技進(jìn)展，1993，13(2):1-11.

［9］胡國明.顆粒系統(tǒng)的離散元素法分析仿真［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2010:34-63.

［責(zé)任編輯:魏 強(qiáng)］

Analysis of EDEM wheat washing machine work efficiency parameters based on orthogonal design

ZHANG Ling-feng， ZHANG Dong-sheng， ZHANG Li-yun， LIN Jing
(School of Mechanical Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，China)

In flour milling technology，wheat washing machines have become indispensable equipment in the processing of raw wheat.This study，wet-friction type wheat washing machine as the object，adopts EDEM analysis of wheat washing machine of grain movement mechanism，and simulates the movement of wheat grains in the wheat washing machine，to obtain the effective residence time and the contact force.Then orthogonal test method is applied to design parameters of dragon speed and pitch，to provide a basis for reasonable selection of design parameters for wheat washing machine.

wheat washing machine; EDEM; the orthogonal test method; the average contact force

TH226

A

1673-2944(2014)05-0011-04

2014-04-29

張凌峰(1989—)，男，河南省焦作市人，陜西理工學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械強(qiáng)度分析與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法;［通信作者］張東生(1960—)，男，陜西省洋縣人，陜西理工學(xué)院教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾滦蜋C(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)。