玉米清選組合孔篩體設(shè)計與試驗

王立軍 馮 鑫 鄭招輝 于泳濤 劉天華 馬 楊

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

現(xiàn)有谷物聯(lián)合收獲機應(yīng)在常規(guī)喂入量下使用，超過此范圍，單位谷物體積占有空間減小，影響各部件功能的正常發(fā)揮，清選損失將迅速增加[1]，無法滿足農(nóng)業(yè)作物種植面積不斷擴大的需求[2]。清選裝置作為聯(lián)合收獲機關(guān)鍵部件之一，是處理谷物的最后一道工序，其性能直接影響籽粒損失率和清潔率等多項指標[3]。

研究者針對篩孔的尺寸、類型、排布和優(yōu)化配置等方面進行了大量研究。焦紅光等[4]對篩孔孔徑與篩面傾角的優(yōu)化配置進行研究，揭示篩孔孔徑與篩面傾角對篩分分離粒度的交互效應(yīng)；鐘挺等[5]針對稻麥聯(lián)合收獲進行脫粒清選部件試驗，探究了凹板篩篩孔大小與其他清選作業(yè)參數(shù)對脫粒與篩分效果的影響；王立軍等[6]通過仿真試驗探究貝殼篩篩孔排布與形狀對風(fēng)篩式清選裝置的篩分效果影響，并對其進行優(yōu)化，得到最優(yōu)貝殼篩篩孔尺寸與排布最佳參數(shù)組合；江海深等[7]通過DEM仿真研究在不同篩面長度下，圓孔篩與方孔篩對煤炭直線振動篩篩分效率的影響；LI等[8]基于DEM離散元軟件對大豆和芥末種子混合物振動篩分過程，進行了二維仿真試驗，探究在不同喂入量下，物料的透篩效率和篩面長度與篩面物料運動規(guī)律的關(guān)系，以及篩面物料層的厚度對篩分效率的影響；焦紅光等[9]通過試驗探究了概率篩篩孔直徑對煤用篩分機篩分效率的影響；CLEARY等[10]采用離散元法模擬了工業(yè)雙層香蕉篩作業(yè)過程，探索粒子間能量傳遞與吸收對篩面篩分效率的影響。FERNANDEZ等[11]利用SPH單向耦合DEM模擬高速、高分散的顆粒流通過雙層香蕉的流動特性。目前，國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中于單一的篩孔類型對篩分效果的影響，對于不同篩孔組合孔篩體結(jié)構(gòu)鮮有報道。

本文基于傳統(tǒng)平面往復(fù)振動篩，通過理論分析判定籽粒在貝殼篩上運動狀態(tài)，建立籽粒在貝殼篩孔斜面透篩模型，得到籽粒透篩概率。設(shè)計等距圓孔均布于貝殼篩孔四周，得到貝殼-圓孔組合孔篩體。為探究組合孔篩體對高喂入量脫出物的篩分能力，利用CFD-DEM耦合方法[12-14]，在玉米脫出物不同喂入量下對組合孔篩、圓孔篩和貝殼篩清選效果進行對比。通過臺架試驗驗證組合孔篩篩分性能，并與課題組前期研究的階梯篩清選效果進行對比。

1 理論分析

1.1 籽粒在貝殼篩上部受力分析

振動篩以簡諧方式進行篩分作業(yè)，籽粒加速度方向角隨著篩面加速度改變而改變，將籽粒所受慣性力分為4個象限進行分析[15]。以籽粒慣性力在第3象限時為例，籽粒與篩體接觸點O為坐標原點，沿籽粒所受支持力和摩擦力反方向建立坐標軸x、y，垂直于平面Oxy建立坐標軸z，并對籽粒進行受力分析，如圖1所示。

圖1 籽粒在貝殼篩上部受力分析Fig.1 Stress analysis of maize in upper part of shellfish sieve

由力平衡方程得

(1)

其中

G=mg

(2)

G0=ma0

(3)

P=kmu2

(4)

Ff=Ntanδ

(5)

式中N——籽粒所受篩面支持力，N

P——籽粒所受風(fēng)力，N

G——籽粒所受重力，N

G0——籽粒所受慣性力，N

a0——籽粒加速度，m/s2

Ff——籽粒所受摩擦力，N

Fy——籽粒沿y軸正方向的合力，N

m——籽粒質(zhì)量，kg

θ——重力在xy平面上投影夾角，(°)

β——重力在yz平面上投影夾角，(°)

α——風(fēng)力在xy平面上投影夾角，(°)

τ——風(fēng)力在yz平面上投影夾角，(°)

ζ——慣性力在xy平面上投影夾角，(°)

ε——慣性力在yz平面上投影夾角，(°)

δ——籽粒與篩面摩擦角，取24.4°

u——風(fēng)速，m/s

k——籽粒漂浮系數(shù)，m-1

整理公式(1)～(5)得

(6)

式中η——籽粒拋起系數(shù)

當η<0時籽粒被篩面拋起，η>0則沿篩面滑動。當η>0時，F(xiàn)y>0籽粒沿篩面向后滑動；Fy<0時，籽粒沿篩面向前滑動。在篩分過程中由于氣流場速度與篩面加速度的不斷變化導(dǎo)致η的正負變化，因此在篩面加速度為第3象限時，籽粒具有被貝殼篩上部拋出或滑動兩種狀態(tài)。同理由其余3個象限內(nèi)籽粒所受慣性力的情況可得，由于其貝殼篩孔上部特殊的外形，在貝殼篩上不同位置會使籽粒呈不同角度滑動或拋起狀態(tài)，表明貝殼篩外形會使籽粒向其四周發(fā)散。

1.2 籽粒在貝殼篩孔斜面處受力分析

由于篩面加速度方向不同，籽粒慣性力分為4個象限進行受力分析，如圖2所示。

圖2 篩面加速度在不同象限時籽粒在篩孔斜面處受力分析Fig.2 Stress situation of maize on slope of sieve hole under different quadrants of acceleration of screen surface

以篩面加速度在第1象限為例，對籽粒的受力情況進行分析。以籽粒與篩面接觸位置為坐標原點o，沿貝殼篩孔斜面方向為坐標x軸，垂直于貝殼篩孔處斜面方向為坐標y軸，根據(jù)籽粒受力平衡得出

(7)

式中A——篩面振幅，m

ψ1——風(fēng)力與篩孔斜面夾角，(°)

ψ2——篩孔斜面與水平方向夾角，(°)

ψ3——篩子加速度方向角，(°)

t——篩面運動時間，s

ω——篩面振動角速度，rad/s

F——籽粒沿篩孔斜面所受合力，N

整理公式(7)得

(8)

式中a1——籽粒沿篩孔斜面加速度，m/s2

a2——篩孔斜面加速度，m/s2

當N≤0時籽粒被篩面拋起；當N>0時籽粒沿篩孔斜面滑動，其中F>0籽粒向篩后滑動，F(xiàn)<0籽粒向篩前滑動，F(xiàn)=0時籽粒相對篩面靜止。在入口氣流速度為12.8 m/s、氣流方向角為30°時，通過CFD-DEM耦合仿真提取貝殼篩孔斜面處氣流速度為5.51～14.17 m/s，氣流傾角為14.8°～20.2°，本文取17.5°進行研究。以6行玉米聯(lián)合收獲機田間作業(yè)狀態(tài)為參考，篩體振動頻率范圍為4.45～5.85 Hz，選取其中心值5.15 Hz為基準值進行研究，計算得到篩子振動角速度為32.36 rad/s，實測貝殼篩孔斜面與水平方向夾角為14.5°，搖桿擺動極限位置連線與水平方向夾角為43.5°，曲柄(即篩面振幅)半徑為0.019 1 m；確定玉米籽粒漂浮系數(shù)為0.063 m-1[16]，選取德美亞一號玉米籽粒為研究對象，隨機稱取1 000粒，重復(fù)5次取平均值，得到單玉米籽粒質(zhì)量為0.49 g，各參數(shù)如表1所示。

表1 篩面運動和籽粒物理特性參數(shù)Tab.1 Parameters of motion of screen and physical characteristics of grains

將各個參數(shù)代入公式(8)中，篩上籽粒被篩分時依次經(jīng)過篩面加速度的第4、1、2、3象限，考察篩面運動一個周期內(nèi)籽粒在貝殼篩孔中受力情況，運用Matlab軟件進行數(shù)值模擬，得到篩面運動時間t、氣流速度u和籽粒所受支持力之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 篩面加速度在不同象限時籽粒所受支持力Fig.3 Support of maize under different quadrants of acceleration of screen surface

由圖3分析可知，氣流速度對籽粒所受支持力影響不明顯，籽粒在篩孔斜面處是否拋起主要受篩面運動狀態(tài)影響。提取篩面加速度不同象限中籽粒未被篩面拋起(即N>0)時篩面運動時間，將其代入公式(8)中，得到篩面運動時間t、氣流速度u和籽粒沿篩孔斜面所受合力之間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 篩面加速度在不同象限時籽粒沿篩孔斜面受力分析Fig.4 Stress analysis of maize along slope of sieve hole under different quadrants of screen surface acceleration

如圖4可知，篩面加速度在4個不同象限時，籽粒沿斜面合力F>0或F<0，籽粒具有沿篩孔斜面上滑和下滑兩種運動狀態(tài)。

結(jié)合篩面運動確定籽粒滑動透篩條件，以篩面加速度在第1象限為例，篩面沿第1象限方向加速運動，篩孔斜面處籽粒上滑時，將籽粒與篩面加速度對比，若籽粒加速度小于篩面加速度，單位時間內(nèi)籽粒相對于篩面向篩孔處運動即為透篩，反之則未透篩，同理得到篩面加速度不同象限滑動籽粒透篩判定條件，如表2所示。

將氣流速度范圍、篩面加速度不同象限籽?；瑒訒r的篩分時間和表1中參數(shù)代入公式(8)中，運用Matlab軟件處理得到篩面運動時間t和氣流速度u分別與籽粒沿篩孔斜面方向加速度a1和篩孔斜面加速度a2的關(guān)系，如圖5所示。

表2 滑動籽粒透篩概率Tab.2 Probability of maize sieving

依據(jù)滑動籽粒判定條件，運用Matlab軟件獲得籽?；瑒油负Y的曲面面積，并計算籽粒滑動透篩時曲面面積占籽粒滑動總曲面面積百分比，得到篩面加速度在不同象限時籽?；瑒油负Y概率，如表2所示。

1.3 篩孔排布設(shè)計

根據(jù)上述理論分析，雖然貝殼篩對脫出物具有較高運移能力[17]，但籽粒透篩率較低，尤其當玉米脫出物喂入量較高時，單一的貝殼篩會造成籽粒損失增加。鑒于圓孔篩對籽粒具有較高透篩性能，為使籽粒低損失、篩分高效率，同時保證籽粒一定的清潔率，在貝殼篩孔四周設(shè)置圓孔，構(gòu)成貝殼-圓孔組合孔篩體。

圖5 篩面加速度不同象限時籽粒和篩孔斜面的加速度分析Fig.5 Analysis of accelerations of maize and screen hole under different quadrants of acceleration of screen surface

進行篩孔間距對玉米脫出物水平方向平均速度影響的單因素試驗，結(jié)果如圖6所示，保證貝殼篩對篩上脫出物一定的運移速度，以使貝殼篩孔橫、縱間距最大化，確定組合孔篩中貝殼篩篩孔橫、縱向距離分別為54 mm和96 mm。

設(shè)相鄰貝殼篩孔間面積為S1，圓孔面積為S2，相鄰貝殼篩孔間可容納圓孔數(shù)目為n，其關(guān)系為n=5，并沿貝殼篩四周均布，根據(jù)現(xiàn)有6行玉米聯(lián)合收獲機內(nèi)清選裝置尺寸要求，設(shè)定組合孔篩長度和寬度分別為1 360 mm和1 100 mm，組合孔篩具體尺寸參數(shù)如圖7所示。

(9)

整理式(9)得

(10)

設(shè)計圓孔半徑為7.5 mm，通過二維軟件測得貝殼篩孔間面積為S1=1 840 mm2，為使籽粒達到最大透篩幾率，相鄰貝殼篩孔之間設(shè)計最多圓孔，并考慮篩孔間尺寸不干涉，綜合分析得到每組圓孔數(shù)量

圖6 篩孔間距對玉米脫出物水平方向平均速度的影響Fig.6 Effect of sieve pitch on horizontal average velocity of maize mixture

圖7 組合篩篩孔尺寸參數(shù)Fig.7 Parameters of sieve size distribution

2 仿真

2.1 清選裝置仿真模型

以6行玉米聯(lián)合收獲機清選裝置為參考進行三維建模，其入風(fēng)口高度和出風(fēng)口高度分別為350 mm和412 mm；清選裝置長度為1 634 mm，高度為918 mm；篩面長度為1 360 mm，篩面安裝傾角為3.5°，篩面前后端與入風(fēng)口和出風(fēng)口距離分別為176 mm和96 mm，考慮到計算機處理能力，篩面寬度選取180 mm。選取貝殼篩篩孔長度、高度、橫縱間距分別為21.68、10.86、30、55.04 mm，圓孔篩直徑和橫、縱間距分別為15、17.5、30 mm[7]，如圖8所示。

圖8 清選裝置三維模型Fig.8 Geometric model of cleaning device1.進風(fēng)口 2.抖動板 3.篩體 4.尾篩 5.出風(fēng)口 6.圓孔篩 7.貝殼篩 8.組合孔篩

2.2 玉米脫出物顆粒模型

以德美亞一號玉米為參考，通過Pro/E三維軟件對玉米脫出物中各成分進行三維建模，將模型導(dǎo)入EDEM軟件中，以各脫出物三維模型輪廓為填充邊界，確定每個小球直徑和坐標，完成小球填充，其模型如圖9所示。

圖9 脫出物各成分三維模型圖Fig.9 Models of each component of maize

將各個成分按照比例進行設(shè)定，如表3所示[18]。

表3 玉米脫出物各成分百分比Tab.3 Percentage parameters of maize mixture

2.3 參數(shù)設(shè)置

2.3.1顆粒相參數(shù)

對各個材料力學(xué)特性和物料間接觸屬性進行設(shè)定，參數(shù)分別如表4和表5所示[19]。

表4 材料力學(xué)特性參數(shù)Tab.4 Parameters of mechanical properties of materials

EDEM軟件中接觸模型設(shè)置Hertz-Mindlin無滑動模型。設(shè)定清選裝置振動頻率為5.15 Hz，振幅為19.1 mm。為保證選取參數(shù)與玉米聯(lián)合收獲機實際作業(yè)時的一致性，設(shè)定清選裝置入口氣流速度為12.8 m/s，氣流傾角為30°。EDEM軟件中時間步長為Rayleigh時間步長的20%，F(xiàn)luent時間步長為EDEM軟件設(shè)置的時間步長100倍。

2.3.2顆粒工廠設(shè)置

在仿真模型中抖動板處設(shè)置顆粒工廠，依據(jù)玉米脫出物類型所占百分比，設(shè)定喂入量為5 kg/s，設(shè)置顆粒工廠中錐形、球形、矩形玉米顆粒數(shù)分別為1 376、199、239；28、36、44、52 mm圓柱莖稈數(shù)分別為246、283、340、134；根據(jù)玉米芯破碎程度分為四分之一圓柱、二分之一圓柱、整體圓柱體，顆粒數(shù)分別為326、230、236，喂入量2～6 kg/s時依據(jù)喂入量為5 kg/s時各類脫出物顆粒按比例進行設(shè)定。設(shè)定各類脫出物1 s內(nèi)均勻生成，通過仿真試驗確定玉米籽粒從抖動板下落時豎直方向速度很小(小于0.1 m/s)，可忽略，水平速度為0.1～0.7 m/s，因此設(shè)定喂入時物料初速度為0.1～0.7 m/s內(nèi)的隨機值。

表5 材料間接觸屬性參數(shù)Tab.5 Parameters of interaction properties of materials

2.4 試驗設(shè)計

在玉米脫出物喂入量為2～6 kg/s、氣流速度為12.8 m/s、氣流方向角30°、振動頻率為5.15 Hz的條件下，探究3種類型篩孔篩分后籽粒清潔率、損失率和篩分效率并進行比較分析。

3 結(jié)果分析

3.1 玉米脫出物篩分過程

在玉米脫出物喂入量為5 kg/s、篩分時間為2 s時，不同篩型的篩分狀態(tài)如圖10所示，圖中玉米秸稈為紅色，玉米芯為藍色，玉米籽粒為綠色。

由圖10可見，在仿真時間為2 s時，圓孔篩上剩余籽粒較少，篩上和篩下雜余較多，圓孔利于玉米脫出物透篩，但推送雜余能力較弱；貝殼篩上剩余籽粒較多，篩分籽粒能力較弱，清選裝置內(nèi)剩余雜余較少，貝殼篩孔推送雜余能力較強致使雜余透篩幾率變小；組合孔篩上剩余籽粒和篩分后雜余均較少，證明組合孔篩既保留了圓孔篩對籽粒較高透篩率，同時也具有貝殼篩對雜余較強的推送能力，相比于單一圓孔篩和貝殼篩的篩分性能有所提高。

圖10 不同篩型脫出物篩分狀態(tài)Fig.10 Sieving status of maize mixture for different sieve types

3.2 不同篩型對脫出物速度的影響

在篩分過程中設(shè)置1 s時顆粒生成結(jié)束，根據(jù)仿真情況確定在1.2 s時，玉米脫出物在篩上開始穩(wěn)定篩分，在1.7 s后大部分雜余從清選裝置排出，因此提取篩分過程1.2～1.7 s內(nèi)，在玉米脫出物喂入量為5 kg/s下，篩上玉米脫出物水平方向平均速度，如圖11所示。

圖11 脫出物水平方向平均速度隨時間變化曲線Fig.11 Regular pattern of horizontal velocity of maize mixture change with time

在1.2～1.57 s內(nèi)，玉米脫出物在貝殼篩上水平速度大于其在圓孔篩上的水平速度，這是因為在此時間內(nèi)，玉米脫出物剛開始篩分堆積較多，貝殼篩對其推移能力較強，脫出物在水平方向平均速度較大；在1.57～1.7 s內(nèi)，玉米脫出在圓孔篩上水平速度大于其在貝殼篩上的水平速度，這是因為在此時間內(nèi)，由于脫出物物料特性不同，大部分雜余與籽粒沿水平方向分層，雜余堆積程度減弱，相比于貝殼篩，圓孔篩對氣流場的阻擋作用較弱，氣流場對脫出物運移能力變強，因此玉米脫出物在圓孔篩上水平速度逐漸大于其在貝殼篩上的水平速度。在1.2～1.7 s內(nèi)，玉米脫出物在組合孔篩上水平方向速度均大于其在圓孔篩和貝殼篩篩上水平速度，組合孔篩體既具有貝殼篩的推送能力，并保證了篩上氣流場的流暢度，表明其對脫出物運移能力強，利于脫出物在篩上水平分層，從而縮短了篩分時間，提高了篩分性能。

3.3 不同篩型對篩下脫出物分布的影響

在玉米脫出物喂入量為5 kg/s的條件下，對不同類型篩孔篩分后篩下籽粒分布進行統(tǒng)計分析，將篩下入風(fēng)口至出風(fēng)口水平方向依次等距離分為前、中和后3部分，分別比對應(yīng)編號1、2、3，統(tǒng)計篩分后籽粒在3部分所占篩下總籽粒百分比，其結(jié)果如圖12所示。

圖12 篩下籽粒分布百分比Fig.12 Distribution of maize under sieve

分析圖12可知，3組篩型的主要透篩區(qū)域集中于前、中兩部分。組合孔篩在篩下前、中兩部分籽?？偡植枷啾扔趫A孔篩和貝殼篩籽粒分布多出4.98個百分點和44.94個百分點，說明組合孔篩籽粒透篩能力高于單一圓孔篩和貝殼篩；組合孔篩后部篩下籽粒分布較少，表明組合孔篩具有對較高喂入量的篩分能力。

3.4 不同篩型對篩分時間的影響

不同喂入量下3種不同篩型的篩分時間如圖13所示。3種不同篩型的篩分時間隨著喂入量增加而增加，在不同喂入量的工況下，組合孔篩篩分時間均小于圓孔篩和貝殼篩，在喂入量為5 kg/s和6 kg/s情況下，組合孔篩篩分時間分別為5.34、5.50 s，相比圓孔篩和貝殼篩分別縮短1.82、0.59 s和1.94、0.61 s，由此可知組合孔篩對喂入量的篩分能力較強，對于喂入量較高(現(xiàn)6行玉米聯(lián)合收獲機正常作業(yè)狀態(tài)下玉米脫出物喂入量為5 kg/s)的情況下能夠穩(wěn)定作業(yè)。

圖13 不同篩型的篩分時間Fig.13 Sieving time for different sieve types

圖14 不同篩型籽粒清潔率和損失率Fig.14 Cleaning rate and loss rate of maize for different sieve types

3.5 不同篩型對清潔率和損失率的影響

對仿真結(jié)果處理，得到3種不同篩孔類型篩分后籽粒清潔率和損失率隨不同喂入量影響規(guī)律，如圖14所示。3種篩型作業(yè)后籽粒清潔率和損失率隨著喂入量的增加分別呈下降和上升趨勢，其中組合孔篩在不同喂入量的工況下籽粒損失率均低于2%，清潔率均高于97%，在喂入量為5、6 kg/s情況下，其籽粒損失率分別為0.97%、1.15%，相比于圓孔篩和貝殼篩分別減少了4.79個百分點、7.85個百分點和5.79個百分點、7.84個百分點，在喂入量為6 kg/s時，組合孔篩籽粒清潔率為97.53%。

4 性能試驗

為驗證組合孔篩篩分性能，對東北農(nóng)業(yè)大學(xué)原有貫流式風(fēng)篩清選裝置試驗臺架進行改裝，分別通過風(fēng)機變頻器、氣流方向角調(diào)節(jié)板和振動篩驅(qū)動變頻器，將氣流速度、氣流方向角、篩面振動頻率和篩面傾角分別設(shè)定為12.8 m/s、30°、5.15 Hz和3.5°。為盡量減小試驗誤差，每次試驗在5 s內(nèi)喂入25 kg和30 kg玉米脫出物，以保證喂入量為5 kg/s和6 kg/s，如圖15所示。

圖15 試驗裝置Fig.15 Experiment device1.試驗臺架 2.組合孔篩 3.尾篩

試驗參照GB/T 8097—2008《收獲機械 聯(lián)合收割機試驗方法》，為探究喂入量為5 kg/s和6 kg/s時，組合孔篩和階梯篩篩分后籽粒清潔率、損失率和篩分時間，每組試驗重復(fù)5次取平均值，其結(jié)果如表6所示[20]。試驗與仿真結(jié)果相對誤差為1.96%～17.82%，證明了仿真結(jié)果的準確性。

在喂入量為6 kg/s時，得到組合孔篩篩分后籽粒損失率、清潔率和篩分時間分別為1.09%、95.94%和6.48 s。相比于階梯篩，組合孔篩籽粒損失率降低5.60個百分點，篩分時間縮短0.93 s，清選裝置性能獲得進一步提高。

表6 臺架試驗結(jié)果Tab.6 Results of experimental data

5 結(jié)論

(1)通過籽粒受力分析，證明篩分作業(yè)中貝殼篩會對籽粒產(chǎn)生分散效果，建立籽粒在貝殼篩孔處的透篩模型，確定篩分時篩孔處籽粒透篩概率。

(2)通過貝殼篩孔對脫出物推送速度單因素試驗確定了貝殼篩孔分布，鑒于圓孔具有較高籽粒透篩概率，故沿貝殼篩四周均布，設(shè)計出貝殼-圓孔組合式篩體。

(3)通過CFD-DEM耦合方法，對不同喂入量下3種篩型的篩分性能進行對比仿真試驗，通過對比分析得出，組合孔篩可增加籽粒透篩概率，并保證較高的運移脫出物能力，相比于單一的圓孔篩和貝殼篩，其篩分性能得到增強。

(4)通過臺架試驗，驗證了仿真結(jié)果的準確性。在喂入量為6 kg/s下進行組合孔篩臺架試驗，結(jié)果表明，組合孔篩篩分后籽粒損失率、清潔率和篩分時間分別為1.09%、95.94%和6.48 s。