基于離散元的不同轉(zhuǎn)速揉碎室內(nèi)秸稈群運(yùn)動規(guī)律

張 濤，劉 飛，趙滿全，麻 乾，樊 琦，閆 鵬

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

隨著畜牧業(yè)快速發(fā)展，農(nóng)牧交錯地帶飼草缺乏問題越來越嚴(yán)重。中國秸稈總產(chǎn)量超過7億t，可作為牲畜粗飼料的玉米秸稈資源豐富，但目前國內(nèi)對玉米秸稈的開發(fā)利用率較低，大量玉米秸稈被廢棄，甚至焚燒，加工后作為牲畜粗飼料的比例較小，即浪費(fèi)了資源，還嚴(yán)重污染了環(huán)境[1-3]。提高農(nóng)牧交錯帶玉米秸稈飼料化利用率，將更多玉米秸稈加工作為牛、馬、羊等反芻類動物的粗飼料，不但保護(hù)了環(huán)境，還為中國“節(jié)糧型”畜牧業(yè)的發(fā)展提供了保障，以達(dá)到畜牧業(yè)“不與人爭糧、不與糧爭地”的目的[4-5]。但干玉米秸稈中粗纖維含量較高，粗蛋白含量較低，適口性較差，需要較好加工方式來提高干玉米秸稈適口性。秸稈揉碎機(jī)加工的秸稈成品類似天然草料，可提高玉米秸稈等粗飼料的適口性和利用率[6]。

現(xiàn)階段秸稈揉碎機(jī)具有能耗較高、效率較低的缺點(diǎn)，主要能量消耗部件為轉(zhuǎn)子上的錘片，優(yōu)化轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可降低能量消耗。本文基于9R-60揉碎機(jī)進(jìn)行離散元仿真試驗(yàn)，應(yīng)用EDEM離散元軟件的自定義編程接口，在顆粒添加固定力條件下，模擬了揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速的工作過程，分析揉碎室內(nèi)秸稈顆粒的軸向速度和秸稈顆粒受到的撞擊力。本文旨在得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子輸送性能和破碎性能的關(guān)系，以期為降低揉碎機(jī)的能量消耗提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)機(jī)型簡介

1.1 試驗(yàn)機(jī)型

本文模擬的機(jī)型為9R-60型秸稈揉碎機(jī)，由喂入部件、傳動部件、鍘切部件、轉(zhuǎn)子、電機(jī)架、上機(jī)殼及下機(jī)殼組成，如圖1所示。該機(jī)型主要參數(shù)如下：

配套動力/ kW：15

外形尺寸/mm：1 800×1 050×2 100

干物料生產(chǎn)率/t·h-1：2～3

圖1 9R-60型秸稈揉碎機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 揉碎機(jī)工作原理

9R-60型秸稈揉碎機(jī)工作時，喂入部件的喂入鏈和喂入輥將整根玉米秸稈勻速送入揉碎室內(nèi)，轉(zhuǎn)子以較高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的切刀將喂入的秸稈切割為秸稈段；在拋送葉片產(chǎn)生的氣流吸力作用下秸稈段向出料口運(yùn)動；經(jīng)過揉搓室時，轉(zhuǎn)子上的錘片對秸稈多次沖擊，使秸稈段彎折或劈裂，加工后的秸稈粗飼料由拋送葉片經(jīng)出料口拋出[7-9]。

2 離散元模擬方案

2.1 離散元方法簡介

離散元方法是一種不連續(xù)的數(shù)值計算方法。該方法認(rèn)為系統(tǒng)是由離散的個體組成，個體之間存在接觸與脫離，存在相互接觸力與能量的聯(lián)系，這些聯(lián)系為微細(xì)觀力學(xué)，可根據(jù)牛頓第二定律及力與位移的關(guān)系確定力、加速度、速度及位移之間的關(guān)系，是散體力學(xué)問題數(shù)值求解的較好方法[10]。

EDEM API(Application Programming Interface)是EDEM離散元軟件的自定義程序編程接口，利用API可以通過編寫插件來自定義接觸模型、外部耦合、顆粒工廠和顆粒體力。本文應(yīng)用EDEM API 自定義了顆粒體力，用顆粒體力代替揉碎室內(nèi)氣流對秸稈段的吸力[11]。

2.2 模擬方案

應(yīng)用SolidWorks軟件建立9R-60型秸稈揉碎機(jī)三維模型，適當(dāng)簡化與修改后導(dǎo)入EDEM離散元軟件，根據(jù)各部件的運(yùn)動與后處理分析的不同將模型合并為轉(zhuǎn)子、殼體和顆粒工廠。揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 600～2 000r/min，所以本文離散元仿真設(shè)置轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速分別為1 400、1 500、1 600、1 700、1 800、1 900、2 000、2 100、2 200r/min，做9次仿真實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用離散元軟件后處理模塊，得到揉搓室內(nèi)玉米秸稈顆粒群軸向速度及玉米秸稈顆粒群受到的撞擊力[12]。

2.3 物料參數(shù)設(shè)置

離散元仿真時，設(shè)置玉米秸稈顆粒與玉米秸稈顆粒、玉米秸稈顆粒與幾何體的接觸都為Hertz-Mindin(no slip)built in模型；設(shè)置玉米秸稈顆粒與喂入板的接觸為Moving Plane built in模型。應(yīng)用EDEM API編寫顆粒體力插件，玉米秸稈顆粒進(jìn)入揉碎室內(nèi)受到10N的固定力，模擬氣流對秸稈的吸力。設(shè)置揉碎機(jī)所有部件的材料為鋼，顆粒的材料為玉米秸稈。本文設(shè)置離散元仿真材料物理參數(shù)如表1所示；根據(jù)離散元仿真標(biāo)定結(jié)果物料間的接觸參數(shù)如表2所示[13-15]。

第1次追肥在春茶開采前50天，每畝茶園用尿素8～10公斤開淺溝5～10厘米施用，或表面撒施+施后淺旋耕(5～8厘米)混勻。第2次追肥在春茶結(jié)束重修剪前或6月下旬，每畝用尿素8～10公斤開淺溝5～10厘米施用，或表面撒施+施后淺旋耕(5～8厘米)混勻。

表1 仿真材料參數(shù)設(shè)置

表2 仿真材料接觸參數(shù)設(shè)置

2.4 建立玉米秸稈離散元模型

本文主要分析鍘切后秸稈段在轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)動過程，所以玉米秸稈顆粒模型設(shè)置為圓柱形狀。根據(jù)鍘切后秸稈長度的范圍，設(shè)置秸稈顆粒的長度為43mm，半徑為7.5mm。離散元建立的秸稈段模型如圖2所示[16]。

圖2 玉米秸稈段離散元模型

2.5 設(shè)置幾何體

為了更加準(zhǔn)確仿真轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對秸稈顆粒運(yùn)動的影響，刪除了轉(zhuǎn)子前端的切刀部件；為滿足秸稈顆粒的數(shù)量，加大了顆粒工廠，加長了喂入板。設(shè)置幾何體材料全部為鋼，建立的顆粒工廠為長方體虛擬幾何體。設(shè)置轉(zhuǎn)子運(yùn)動形式為定軸轉(zhuǎn)動，軸心為轉(zhuǎn)子主軸軸心，9次仿真轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1 400、1 500、1 600、1 700、1 800、1 900、2 000、2 100、2 200r/min。揉碎機(jī)離散元仿真模型如圖3所示[17-18]。

圖3 揉碎機(jī)離散元仿真模型

2.6 顆粒工廠設(shè)置與仿真計算

設(shè)置顆粒工廠為靜態(tài)生成，生成秸稈顆粒質(zhì)量為5kg；為了模擬秸稈切段后的狀態(tài)，顆粒生成方向?yàn)楣潭?，顆粒長軸與喂入板平行且與主軸軸心垂直。

設(shè)置仿真時間步長為3×10-5s，Rayleigh時間步長的8.72%；仿真時間為3s，每隔0.01s保存仿真數(shù)據(jù)。仿真過程：顆粒工廠生成秸稈段顆粒后落到喂入板上，輸送板將顆粒輸送到揉碎室后，顆粒受到顆粒體力作用向出料口運(yùn)動，經(jīng)過轉(zhuǎn)子的錘片區(qū)域時，與錘片多次撞擊后到達(dá)拋送區(qū)域，拋送版將顆粒由出料口拋出，完成仿真[19-21]。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真結(jié)果

對離散元后處理部分仿真過程分析得到，仿真時間0.8～2s為秸稈顆粒通過揉碎機(jī)錘片的時間。所以，分析該時間段秸稈顆粒群的軸向運(yùn)動速度和秸稈顆粒受到錘片與齒板的累加撞擊力。

以0.01s為間隔，將0.8～2s 時間段劃分為120個時間點(diǎn)，由離散元后處理軟件得到每一個時間點(diǎn)秸稈顆粒群的軸向速度平均值、秸稈顆粒群受到撞擊力的累加值。將所有取樣點(diǎn)顆粒群速度和撞擊力數(shù)值導(dǎo)出為CSV格式數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理與分析。計算得到仿真0.8～2s 時間段內(nèi)，顆粒群軸向平均速度、最大速度和最小速度；顆粒群受到錘片和齒板撞擊力累加值的平均值、最小值、最大值(分析時，為了排除最小值與最大值的偶然性，將120個數(shù)據(jù)升序排列，最小5個值的平均值作為分析用最小值；最大5個值的平均值作為分析用最大值)。秸稈顆粒群軸向最小速度、平均速度、最大速度如表3所示；秸稈顆粒群受到累加撞擊力最小值、撞擊力平均值、撞擊力最大值如表4所示[22]。

表3 秸稈顆粒群軸向速度仿真結(jié)果

續(xù)表3

表4 秸稈顆粒群撞擊力仿真結(jié)果

3.2 顆粒群平均速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速曲線擬合

為得到秸稈顆粒群平均速度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，應(yīng)用Origin軟件計算得到秸稈顆粒群平均速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擬合曲線如圖4所示。

圖4 秸稈顆粒群平均速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擬合曲線

由Origin軟件計算得到，秸稈顆粒群平均速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速曲線擬合方程為

y=550.29388-1.31795x+0.00119x2-

4.69629×10-7x3+6.84114×10-11x4

決定系數(shù)R2=0.917 55。

由擬合曲線得到，揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在1 500～1 900r/min時，秸稈顆粒群平均速度較大；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于2 000r/min時，秸稈顆粒群平均速度較?。晦D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 100r/min時，秸稈顆粒群平均速度最小。

3.3 顆粒群最小速度、最大速度仿真結(jié)果分析

根據(jù)秸稈顆粒群軸向速度仿真結(jié)果，應(yīng)用Origin軟件得到秸稈顆粒群最小速度、最大速度的點(diǎn)線圖如圖5所示。

圖5 秸稈顆粒群最大速度、最小速度點(diǎn)線圖

由秸稈顆粒群最大速度點(diǎn)線圖得到：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由1 400r/min增加到1 900r/min時，秸稈顆粒群最大速度基本線性增加；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于2 100r/min時，秸稈顆粒群最大速度較小。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 900r/min時，秸稈顆粒群最大速度最大；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 100r/min時，秸稈顆粒群最大速度最小。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于2 100r/min時，秸稈顆粒群最大速度較大；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 000r/min時，秸稈顆粒群最大速度最小。

3.4 顆粒群碰撞力平均值仿真結(jié)果分析

根據(jù)秸稈顆粒群受到碰撞力離散元仿真結(jié)果，應(yīng)用Origin軟件計算得到顆粒群碰撞力平均值線性擬合如圖6所示。

圖6 秸稈顆粒群碰撞力平均值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速線性擬合圖

由Origin軟件計算得到秸稈顆粒群碰撞力平均值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速線性擬合方程為

y=-0.17072+0.10545x

決定系數(shù)R2=0.88364

由擬合直線得到：隨揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，秸稈顆粒群碰撞力平均值基本線性增加。

3.5 顆粒群碰撞力最值仿真結(jié)果分析

根據(jù)秸稈顆粒群碰撞力仿真結(jié)果，應(yīng)用Origin軟件得到碰撞力最小值、最大值的點(diǎn)線圖如圖7所示。

圖7 秸稈顆粒群碰撞力最大值、最小值的點(diǎn)線圖

由秸稈顆粒群碰撞力最大值點(diǎn)線圖得到：隨轉(zhuǎn)子速度增加，碰撞力最大值基本線性增加，碰撞力最小值基本保持不變。

綜上，揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 400r/min時，秸稈顆粒群通過錘片區(qū)域的速度較慢，且碰撞力較小；揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在1 500～1 800r/min時，秸稈顆粒群通過錘片區(qū)域的速度較快，碰撞力介于中間值；揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于1 900r/min時，秸稈顆粒群通過錘片區(qū)域的速度較快，且碰撞力較大。

秸稈顆粒群運(yùn)動速度影響揉碎機(jī)生產(chǎn)率；對秸稈顆粒群碰撞力累加值影響秸稈揉碎質(zhì)量。所以，由離散元仿真結(jié)果分析得出，揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于1 900r/min時，揉碎機(jī)工作性能較好。

4 結(jié)論

1)秸稈顆粒群軸向速度平均值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速呈4次曲線變化；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 100r/min時，秸稈顆粒群平均速度最小。

2)秸稈顆粒群碰撞力平均值隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加基本線性增加。

3)揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于1 900r/min時，揉碎機(jī)工作性能較好。