基于EDEM 的打葉機打輥參數(shù)對打葉質(zhì)量的影響

王俊瑞，黃亞宇

（650093 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué)）

0 引言

煙草產(chǎn)業(yè)是我國重要的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)，為我國提供了大量稅收。打葉工序是煙草加工工藝環(huán)節(jié)中非常重要的一環(huán)，打葉質(zhì)量直接影響后續(xù)的煙葉制絲和卷制工藝質(zhì)量，較好的打輥參數(shù)是提升打葉質(zhì)量的必要保證 。為了提高打葉過程的工藝效率，近年來，眾多學(xué)者對打葉工藝進行了大量研究。王發(fā)勇[1]等人提出了將打葉復(fù)烤片型調(diào)控的焦點從“框欄”轉(zhuǎn)移到“篩分”與“二次處理”的方向，在展望的同時提出了具體研究路線；陳壯宇[2]等人通過對打葉框欄形狀和尺寸組合得出7.62 cm（3.0 英寸）框欄比8.89 cm（3.5 英寸）框欄有助于控制大片率，菱形框欄比六邊形框欄有利于降低碎片率，不相鄰的兩聯(lián)框欄采用不同的形狀或尺寸有助于提高打葉質(zhì)量；閆鐵軍[3]等人采用混合正交試驗和二次規(guī)劃求解的方法，對不同形狀、尺寸的框欄和不同打輥轉(zhuǎn)速下的打葉效果進行研究，初步得出了滿足新版卷煙工藝規(guī)范的打葉機參數(shù)范圍。以上學(xué)者都是從實驗的角度去探究打葉參數(shù)對打葉質(zhì)量的影響，只能看到打葉后的結(jié)果，而無法進一步研究煙葉在打葉機內(nèi)部的運動狀態(tài)和斷裂情況。EDEM 軟件通過柔性化的物理模型可以對農(nóng)作物進行仿真模擬。趙吉坤[4]等人通過EDEM 建立了水稻秸稈的離散元模型并分析了其力學(xué)性能，標定了顆粒模型參數(shù)，驗證了模型的有效性；陳曉光[5]等人在EDEM 中完成了甘蔗收割機的切割土壤仿真，并通過改變收割機的種類、結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)進行了多次仿真，得出了土壤顆粒在被收割機切割作用下的運動行為；向靖鋒[6]等人利用離散元方法對打葉工藝過程進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)打葉破碎效果與實際打葉破碎效果相似。

本文在上述數(shù)值模擬方法基礎(chǔ)上，以單輥打葉機為對象，對打輥參數(shù)進行調(diào)整，在EDEM 中制作煙葉顆粒黏結(jié)模型，采用多組打輥參數(shù)進行仿真，以打后的煙葉顆粒與煙梗顆粒之間bond 鍵斷裂數(shù)量，即去梗率為指標，分析其對打后片型結(jié)構(gòu)的影響，得出最優(yōu)方案，優(yōu)化打輥參數(shù)，為打葉機打輥工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 模型介紹與試驗方案

1.1 打葉機介紹

本文以小型單輥打葉機為研究對象，其三維模型如圖1 所示。打葉機主要由箱體、打輥和框欄組成。工作原理：在進料口投入初烤后的煙葉，通過打輥的高速旋轉(zhuǎn)，使打輥上的動刀與箱體上的定刀部分對煙葉進行打碎和撕碎，打碎后片型結(jié)構(gòu)較小煙葉從框欄開口掉落至箱體下方的收集裝置中。

圖1 打葉機三維模型Fig.1 Three-dimensional model of threshing machine

1.2 試驗方案

本試驗中，試驗指標為仿真打葉后煙葉中煙梗顆粒和煙葉顆粒之間bond 鍵斷裂的個數(shù)與生成鍵個數(shù)的比值，即去梗率，試驗采取典型的4 種打輥轉(zhuǎn)速，3 種輥刀螺旋角。參數(shù)見表1，螺旋角的3 種變化如圖2 所示。

表1 試驗參數(shù)Tab.1 Test parameters

圖2 不同輥刀螺旋角Fig.2 Different roller knife helix angle

打葉機框欄采取統(tǒng)一的8.89 cm（3.5 英寸）正六邊形框欄開口。由于因素和水平數(shù)較少，故本試驗采用全因子試驗設(shè)計方法。

1.3 仿真計算假設(shè)

使用EDEM 顆粒離散元軟件進行仿真計算，考慮到煙葉模型結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，為了簡化模型，在仿真前對其做出如下假設(shè)：（1）假設(shè)材料相同的煙葉密度均勻一致；（2）假設(shè)同片煙葉的厚度相同。通過合理假設(shè)，簡化了仿真試驗?zāi)Ｐ偷臉?gòu)造過程和模型制作步驟。

2 煙葉離散元顆粒模型建立及打葉仿真分析

2.1 煙葉的三維建模

通過拍攝的煙葉圖片，用A4 紙作為比例尺設(shè)置好圖片大小，在SolidWorks 中建立簡化的煙葉三維模型，如圖3 所示。

圖3 簡化煙葉三維模型Fig.3 Simplified three-dimensional model of tobacco leaves

首先將煙葉的三維模型導(dǎo)入EDEM，在其上表面生成一個平面作為顆粒工廠的生成面，然后設(shè)置生成顆粒位置信息，采用fcc（面心立方堆積）的方式，生成方式采用鋪滿平面。將顆粒間隔在x和y方向的間隔設(shè)置為3～4 mm，使得顆粒均勻排列在顆粒工廠平面上進行仿真，顆粒工廠平面會生成均勻間隔的顆粒。由于重力的作用，顆粒模型邊緣以外的顆粒會掉落，剩下的顆粒會形成具有煙葉形狀的顆粒，在后處理界面將最后1 s 數(shù)據(jù)的顆粒坐標提取出來，即可得到正片煙葉的顆粒坐標信息。

為了得到煙梗顆粒的坐標信息，在EDEM 后處理中選用Setup Selection 功能創(chuàng)建一個Manual Selection，然后通過手動選擇顆粒方式選出煙梗顆粒，將單獨導(dǎo)出的煙梗顆粒坐標和完整的煙片顆粒坐標在MATLAB 中做一個重復(fù)坐標替換得到剩下的不帶煙梗的煙葉顆粒坐標，最后將煙葉與煙梗坐標分別命名為Particle1 和Particle2 輸入到顆粒工廠API 文件中，結(jié)合Hertz-Mindlin with bonding 模型，設(shè)置好黏結(jié)參數(shù)和顆粒工廠生成時間，導(dǎo)入EDEM得到的煙葉離散元顆粒黏結(jié)模型結(jié)果如圖4 所示，中間線條較粗部分為煙梗顆粒，其余的為煙葉顆粒。

圖4 煙葉離散元顆粒黏結(jié)模型Fig.4 Discrete element particle bonding model of tobacco leaves

2.2 仿真模型物理參數(shù)設(shè)置

查閱相關(guān)文獻得到煙葉和煙梗顆粒的物理參數(shù)，并設(shè)置仿真模型的初始條件，如表2 所示。

表2 仿真模型物理特性參數(shù)Tab.2 Physical characteristic parameters of simulation model

2.3 仿真結(jié)果分析

在EDEM 中可以觀察煙葉被輥刀造碎的過程。煙葉在掉落到與輥刀接觸時會被打碎，打碎后的煙葉沿著打輥轉(zhuǎn)速的方向運動到定刀位置，通過打輥上的刀輥和箱體上的定刀部位對煙葉進行剪切即二次撕碎，煙葉造碎的過程如圖5 所示。經(jīng)過這2 次造碎的過程，較小的煙片會從框欄開口處落入收集裝置中，較大的煙葉片會落在框欄上，隨著煙葉的堆積，輥刀的旋轉(zhuǎn)會將煙葉帶起再次進行造碎。

圖5 煙葉造碎過程Fig.5 Tobacco crushing process

2.4 試驗結(jié)果分析

使用EDEM 軟件進行仿真分析，設(shè)置好打輥參數(shù)，通過改變打輥的轉(zhuǎn)速和螺旋角度得到12 組仿真結(jié)果，如表3 所示。進料量都相同，煙葉和煙梗顆粒之間bond 鍵生成數(shù)量都為4 002，不同參數(shù)下煙葉和煙梗顆粒之間斷裂鍵的個數(shù)與生成個數(shù)的比值為煙葉煙梗分離效率，即打葉去梗率。

表3 數(shù)值仿真結(jié)果Tab.3 Numerical simulation results

通過仿真結(jié)果可知，在以上方案中，方案2去梗率最高，即當打輥螺旋角為3°，打輥轉(zhuǎn)速為531 r/min 時，煙葉的打葉去梗率最高為79.36%，打葉效果最好，打葉質(zhì)量最高。可以看出，在3 組方案中，當打輥轉(zhuǎn)速在531 r/min 時，打葉去梗率是最高的。螺旋角為3°時，去梗率為79.36%；螺旋角為5°時，去梗率為78.26%；螺旋角為7°時，去梗率為77.86%，都為同組內(nèi)最高。3 組結(jié)果中，保持打輥螺旋角不變的情況下，去梗率都會隨著轉(zhuǎn)速的增加而成一個規(guī)律性變化，即隨著轉(zhuǎn)速增加，去梗率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。此規(guī)律可為打葉機的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)設(shè)計提供參考。

3 結(jié)論

通過離散元仿真軟件EDEM 模擬仿真了煙葉在打葉機中的破碎行為，建立打輥參數(shù)的全因素試驗，對打輥的工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

（1）建立了單輥打葉機三維模型和煙葉顆粒黏結(jié)模型，設(shè)計了以打輥螺旋角、轉(zhuǎn)速為主要因素的全因素試驗；

（2）制作了煙葉顆粒黏結(jié)模型，并模擬了煙葉破碎行為；

（3）仿真試驗結(jié)果表明，當打輥螺旋角為3°、轉(zhuǎn)速為531 r/min 時，煙葉顆粒和煙梗顆粒之間bond 鍵斷裂的數(shù)量最多，即煙葉的去梗率最高為79.36%，打葉效果最好，打葉質(zhì)量最高；

（4）在打輥螺旋角不變的情況下，去梗率會隨打輥轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

以上結(jié)論可對打葉機打輥的工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進提供一些參考。