基于DEM的谷物聯(lián)合收割機(jī)抖動板性能研究

湯慶+吳崇友+伍德林

摘要：抖動板是聯(lián)合收割機(jī)的重要組成部件，目前對抖動板鮮有研究，為了提高聯(lián)合收割機(jī)的收獲性能，降低收獲損失，采用離散元方法對某國產(chǎn)中小型聯(lián)合收割機(jī)抖動板的性能進(jìn)行研究。通過離散元方法針對單隔板抖動板和雙隔板抖動板2種不同形式的抖動板進(jìn)行離散元模擬仿真，得到了2種抖動板的往復(fù)作用對物料的作用過程云圖。通過統(tǒng)計網(wǎng)格統(tǒng)計得到了在X軸方向上10個分區(qū)物料顆粒的數(shù)量數(shù)據(jù)，由此得到統(tǒng)計曲線，由統(tǒng)計曲線發(fā)現(xiàn)雙隔板抖動板物料分布較單隔板抖動板均勻，更加有利于篩分作業(yè)。

關(guān)鍵詞：抖動板；離散元方法；模擬仿真；篩分

中圖分類號：S225.3；TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-1302（2017）01-0208-03

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)機(jī)械化是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。谷物聯(lián)合收獲機(jī)是收獲谷物最重要的機(jī)具，其中的清選裝置是影響收獲指標(biāo)的主要部件，其作用多采用振動篩分理論，外加風(fēng)場作用。對于振動篩分理論國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了長期的研究。

由于物料篩分考察的是物料顆粒復(fù)雜的尺寸分布以及各種操作參數(shù)下固體顆粒組成的粒子運(yùn)動的綜合效應(yīng)，對顆粒系統(tǒng)缺乏先進(jìn)的分析和試驗技術(shù)一直阻礙著該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，過去對篩分性能的研究一直都是靠經(jīng)驗[1]。DEM技術(shù)為顆粒體運(yùn)動研究提供了有力的方法和途徑，最初DEM技術(shù)被Cundall等用在土壤力學(xué)中致密固體模型研究[2]。通過DEM技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用在篩分的研究成為可能，Li等利用離散元法選擇規(guī)則排列的2種粒徑的顆粒流在固定篩面上的篩分行為進(jìn)行了二維模擬[3]。Cleary等對振動篩面上固定數(shù)量顆粒的篩分過程進(jìn)行了三維模擬并分析了顆粒形狀對篩分效率的影響[4]。國內(nèi)，趙躍民等對振動篩面上顆粒群的篩分過程進(jìn)行了二維離散元法模擬，并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗驗證[5-6]。李洪昌等利用EDEM軟件，對振動篩分過程進(jìn)行數(shù)值模擬[7-8]。目前的研究多集中在清選篩的分析方面，對于抖動板性能的研究鮮有報道。本試驗針對抖動板采用離散元法進(jìn)行研究。

1 結(jié)構(gòu)模型

抖動板是一種重要的物料輸送機(jī)構(gòu)，把從凹板柵格漏下的谷粒、斷穗、碎莖稈和穎殼等脫出物連續(xù)地輸送到清選機(jī)構(gòu)[9]。抖動版已被廣泛地應(yīng)用于谷物聯(lián)合收割機(jī)和大中型脫粒機(jī)。

一般的風(fēng)篩式清選裝置主要由清選篩、抖動板、風(fēng)扇和傳動機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

對于中小型的聯(lián)合收割機(jī)來說，抖動板一般與清選篩架固定或鉸接在一起，位于篩架最上層前方，隨篩架一起運(yùn)動。工作時，抖動板作往復(fù)運(yùn)動，谷?；旌衔锊粩嗟赜啥秳影逅屯Y面，通過風(fēng)扇將谷粒混合物吹散，穎殼、細(xì)碎秸草等輕混合物被氣流帶出機(jī)外，吹不走的谷粒、長的碎秸稈和殘穗等留在篩面向后移動，谷粒在移動過程中自篩孔漏下，碎秸稈由篩后排出[10]。抖動板送往篩面的物料要盡可能均勻才有利于振動篩篩分。

本試驗研究的聯(lián)合收割機(jī)滾筒布置方式是前滾筒長度為后滾筒長度的一半，前滾筒脫粒產(chǎn)生的混合物多集中在抖動板的左側(cè)，一般采用縱向隔板來分散混合物。如圖2所示，分別采用單隔板和雙隔板2種抖動板。試驗證明，只要清選混合物呈均勻分散狀跌落篩面，就能達(dá)到滿意的氣流預(yù)清效果，即絕大部分清選物被氣流載體分離出清選室，從而極大地減輕篩面負(fù)荷，確保高質(zhì)量的篩分效率和清選性能。

2 DEM仿真

離散元方法對于農(nóng)作物物料振動篩分的研究已被多位學(xué)者證明是有效的[7-8，11]。本試驗DEM仿真采用離散元軟件EDEM進(jìn)行， 通過在三維建模軟件Proe中建立抖動板的三維數(shù)字模型，采用中間格式導(dǎo)入到EDEM中。

選用油菜為研究材料，為簡便計算只考慮籽粒和短莖稈2種物料，而不考慮其他雜余。油菜籽粒為球形，半徑1 mm；短莖稈長30 mm，直徑5 mm。如圖3所示。物料及抖動板的力學(xué)特性見表1。各材料相互作用參數(shù)見表2。

建立如圖4所示的抖動板數(shù)值仿真模型，在抖動板上方設(shè)置顆粒工廠用以產(chǎn)生籽粒與短莖稈，在其后方設(shè)置有統(tǒng)計顆粒數(shù)量的統(tǒng)計網(wǎng)格，統(tǒng)計網(wǎng)格沿X軸方向分為10個分區(qū)，用以統(tǒng)計抖動板送往篩面的物料沿X軸的分布情況。設(shè)置顆粒工廠產(chǎn)生籽粒的速率是6 000個/s、短莖稈200個/s，模擬時間總長2 s。

3 結(jié)果分析

圖5所示為單隔板抖動板仿真過程，可以發(fā)現(xiàn)，通過隔板將抖動板分成了2個部分，產(chǎn)生的物料落入到這2個部分，由于隔板是斜向放置，物料沿著隔板向右方移動，在統(tǒng)計網(wǎng)格的第四區(qū)位置堆積較多。

圖6所示為雙隔板抖動板仿真過程，可以發(fā)現(xiàn)，通過隔板將抖動板分成了3個部分，將原有單隔板抖動板中右邊部分通過另加了1個隔板又分成2個部分，將原有在第四區(qū)上容易堆積的物料分開。

通過統(tǒng)計網(wǎng)格記錄下每個分區(qū)中落入的籽粒數(shù)和短莖稈數(shù)，通過統(tǒng)計得到如下數(shù)據(jù)，如圖7、圖8所示。由圖7可以看出，在第四區(qū)中籽粒數(shù)量多達(dá)857個，短莖稈數(shù)量也相對較多，分布均勻程度差。

由圖8可以看出，總體曲線形式相對單隔板抖動板平緩，籽粒數(shù)量最多的第六區(qū)有籽粒數(shù)544個，相對圖7中的第四區(qū)減少37%，短莖稈數(shù)量分布也相對均勻。

4 結(jié)論

通過EDEM軟件模擬仿真，可以發(fā)現(xiàn)離散元方法在抖動板研究中的可行性，可以得到定量的分析數(shù)據(jù)。本試驗通過2種抖動板的比較分析，可以看出雙隔板抖動板在物料運(yùn)送的均勻性上有很大優(yōu)勢。

本試驗所得數(shù)據(jù)可以作為振動篩篩分研究的輸入數(shù)據(jù)，是篩分研究的基礎(chǔ)。通過研究分析，可以得到提高抖動板效率是提高清選效率的一個方法。

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