離散元法大豆聯(lián)合收獲機(jī)振動(dòng)篩篩分過程仿真

謝志勇，朱娟芬

（婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底 417000）

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，聯(lián)合收獲機(jī)已經(jīng)在全國各地大規(guī)模應(yīng)用，其中大豆聯(lián)合收獲機(jī)具有工作效率高和靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。振動(dòng)篩是分離大豆和秸稈的主要部件，其工作狀態(tài)直接關(guān)系到大豆聯(lián)合收獲機(jī)的含雜率和損失率等重要工作指標(biāo)[3]。傳統(tǒng)的振動(dòng)篩設(shè)計(jì)方法多是在圖解分析法的基礎(chǔ)上，將振動(dòng)篩的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)簡化為幾個(gè)簡單的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，因此計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)出近似性和粗略性，設(shè)計(jì)效率也很低[4-5]。文獻(xiàn)[6]中提到了在MSC.ADAMS軟件中建立聯(lián)合收獲機(jī)振動(dòng)篩模型的方法，對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，重點(diǎn)考察了篩面上3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，然后運(yùn)用Fortran語言進(jìn)行編程，對(duì)振動(dòng)篩篩面上單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，優(yōu)化了機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)，但是這種計(jì)算模型沒有進(jìn)任何簡化，計(jì)算復(fù)雜，分析的顆粒量比較少。文獻(xiàn)[7]采用離散元法對(duì)谷物篩分進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，通過分析得出了分篩結(jié)構(gòu)和谷物大小與效率的關(guān)系，可針對(duì)不同作物進(jìn)行優(yōu)化來提高工作效率。所以目前大多都是借助二維離散元法來對(duì)振動(dòng)篩的篩分作業(yè)進(jìn)行分析，是一種既簡潔又直觀經(jīng)濟(jì)的方法，通過分析能夠獲取篩面上物體每時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)情況。利用計(jì)算機(jī)仿真可以克服傳統(tǒng)計(jì)算、設(shè)計(jì)加工、樣機(jī)試驗(yàn)的缺點(diǎn)與不足，通過對(duì)振動(dòng)篩的篩分過程仿真可以得到許多真實(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)[8-10]。為此，提出了利用離散元方法模擬振動(dòng)篩篩分過程的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)篩分作業(yè)過程進(jìn)行模擬，觀察每一時(shí)刻大豆顆粒被篩分情況。

1 曲柄連桿振動(dòng)篩工作原理及組成

1.1 曲柄連桿振動(dòng)篩工作原理及組成

曲柄連桿振動(dòng)篩是大豆聯(lián)合收獲機(jī)的核心部件，它利用振動(dòng)原理和曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大豆顆粒的分級(jí)工作，其主要組成部件為曲柄、連桿、前后吊桿、篩架和篩面，結(jié)構(gòu)原理如圖1示。

圖1 曲柄連桿振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)

1.2 離散元法

大豆的形狀為近似橢球形，但球形率較高，90%的顆粒近似為球形，因此，在進(jìn)行離散元仿真時(shí)可以用圓球來模擬大豆的形狀。在AutoCAD軟件中建模，建立振動(dòng)篩工作原理的二維平面模型。然后將CAD模型的坐標(biāo)數(shù)據(jù)、振動(dòng)篩的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫[11-12]。再用編制的二維離散元法分析軟件讀取前面導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中的信息。最后利用CAD軟件和二維離散元法分析軟件，建立起振動(dòng)篩的邊界模型。曲柄連桿振動(dòng)篩簡化模型如圖2所示。

離散元法首先是把研究對(duì)象看作是由一些具有質(zhì)量的個(gè)體組成，再用合理的彈性連接元件將相鄰的兩個(gè)個(gè)體連接起來，通過計(jì)算相互接觸的個(gè)體之間以及離散個(gè)體與碰撞表面之間的相互作用力、運(yùn)動(dòng)速度、位移和加速度等參數(shù)，這種計(jì)算方法主要用于求解非線性問題[13]。借助牛頓第二定律，能夠解算出每個(gè)個(gè)體的加速度，然后再對(duì)加速度采取在時(shí)間維度上的積分，最終能夠得到每個(gè)個(gè)體的速度與位移。至此，可以間接計(jì)算出所有部件的運(yùn)動(dòng)速度、產(chǎn)生的加速度、旋轉(zhuǎn)角速度、旋轉(zhuǎn)角加速度、線位移和角位移等參數(shù)量。

圖2 曲柄連桿振動(dòng)篩簡化模型

當(dāng)振動(dòng)篩在曲柄作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，考慮作用在篩框上的各力，振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)微分方程式：

式（1）中：M為總成質(zhì)量；Kx、Ky為彈簧在x、y方向剛度；C為阻尼系數(shù)；r為偏心距離；θ為回轉(zhuǎn)角度，θ=ωt，ω為回轉(zhuǎn)角速度，t為時(shí)間。

2 振動(dòng)篩篩分過程仿真與分析

在所建立的力學(xué)模型中，首先設(shè)置大豆與大豆之間的參數(shù)：法向剛度和阻尼系數(shù)分別為35000N/m和0.44Ns/m，切向剛度和阻尼系數(shù)分別為31000N/m和0.39Ns/m；動(dòng)靜摩擦系數(shù)分別為0.19和0.24；彈性模量為147MPa；泊松比為0.39；然后設(shè)置大豆與邊界的參數(shù)：法向剛度和阻尼系數(shù)分別為12100N/m和0.71Ns/m，切向剛度和阻尼系數(shù)分別為72000N/m和0.63Ns/m；動(dòng)靜摩擦系數(shù)分別為0.125和0.167；彈性模量為198000MPa；泊松比為0.205。查閱統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，大豆顆粒半徑在2.75～3.75mm服從正態(tài)分布。

2.1 二維振動(dòng)篩大豆篩分過程仿真

用離散元法模擬篩分過程，可以觀察物料在篩面上的運(yùn)動(dòng)，圖3顯示了應(yīng)用二維離散元法模擬大豆篩分時(shí)，大豆顆粒的速度場和力場，大量的大豆顆粒在重力的作用下自由運(yùn)動(dòng)，大豆顆粒與篩面之間、大豆顆粒之間迅速接觸和互相碰撞。

圖3 大豆顆粒篩分時(shí)的速度場和力場

同時(shí)可以觀察在大豆顆粒透篩瞬間大豆顆粒的速度分布和力分布情況，這都是利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)計(jì)算方法研究振動(dòng)篩的篩分過程無法模擬的。

2.2 大豆顆粒在篩分過程中的狀態(tài)分析

為了分析記錄大豆的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)情況，展示了聯(lián)合收獲機(jī)用曲柄連桿振動(dòng)篩二維條件下大豆篩分作業(yè)過程，模擬了大豆顆粒在篩分過程中物料層形成、篩分和透篩的各階段的狀態(tài)，如圖4～6所示。

圖4 初始階段

圖4所展現(xiàn)的篩分的初始階段，曲柄連桿振動(dòng)篩在剛開始振動(dòng)時(shí)，圖4（a）為大豆顆粒模型開始生成并逐漸落到篩面上的狀態(tài)，此時(shí)由于篩面上的大豆顆粒很少，這種狀態(tài)為少量大豆顆粒透篩狀態(tài)；圖4（b）為顯示在重力的作用下，大豆顆粒下落的速度超過了篩面的透篩能力，因此出現(xiàn)了大豆顆粒逐漸在篩面上堆積的現(xiàn)象。篩面上的大豆比較多，振動(dòng)篩在短時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)為篩分能力不足，振動(dòng)篩篩面上的大豆顆粒為透篩狀態(tài)。

圖5展示了篩分的中期階段，由于振動(dòng)篩的左右運(yùn)動(dòng)，從而出現(xiàn)了大豆顆粒跟隨振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)，圖5（a）為由于慣性作用大豆顆粒出現(xiàn)向左的流動(dòng)狀態(tài)，可以明顯觀察到大豆顆粒之間相互碰撞、大豆與振動(dòng)篩前后擋板的撞擊情況；圖5（b）為由于慣性作用大豆顆粒出現(xiàn)向右的流動(dòng)狀態(tài)，大豆顆粒之間相互碰撞，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)大豆撞擊振動(dòng)篩的前后擋板，大豆的飛濺會(huì)使很多大豆落在擋板上，然后落在篩面上完成篩分過程。

圖5 中期階段

圖6展示了篩分的結(jié)束階段，隨著篩分的持續(xù)進(jìn)行，到了圖6（a）大豆的堆積層已經(jīng)變??；到了圖6（b）透篩的大豆變得稀少，已臨近篩分結(jié)束，由于篩體具有一定的傾角，大豆顆粒流向篩體一側(cè)，大豆顆粒篩分過程結(jié)束。

圖6 結(jié)束階段

3 結(jié)語

以大豆顆粒的二維離散元法為基礎(chǔ)，模擬了大豆整個(gè)篩分作業(yè)過程。通過仿真得到大豆顆粒篩分的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可以直觀看到大豆顆粒之間的相互碰撞情況和大豆的透篩現(xiàn)象，通過模擬過程的回放，可觀察每一時(shí)刻振動(dòng)篩作業(yè)時(shí)大豆顆粒層形成、篩分、透篩的各個(gè)狀態(tài)。這種振動(dòng)篩數(shù)字化設(shè)計(jì)的方法，可以直觀地展現(xiàn)大豆顆粒的篩分狀態(tài)，彌補(bǔ)了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法研究振動(dòng)篩篩分過程的不足，對(duì)振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。