基于EDEM的蕎麥籽粒建模及振動篩分數值模擬*

徐兵，鄭德聰，崔清亮

(山西農業(yè)大學農業(yè)工程學院,山西晉中,030801)

0 引言

蕎麥又名三角麥,它不僅是天然的綠色食品原料,也是一種食藥兼用的雜糧作物[1-3]。隨著人們生活水平的不斷提高,膳食的平衡逐漸得到人們的重視,蕎麥是改善膳食結構的重要口糧品種之一,國家燕麥蕎麥產業(yè)技術體系提出蕎麥加工“大、高、低”發(fā)展目標,蕎麥食品逐漸多樣化,其相關制品的需求迅速增長[4-5]。蕎麥食品加工相關裝備的需求不斷增加,同時也對蕎麥原料預處理相關設備的作業(yè)效率、作業(yè)效果提出了更高的要求。機械化收獲的毛糧往往經過初清、去石、分級后才能進行脫殼獲得蕎麥米,分級作為原料預處理的重要工序,可以將原料中的癟粒及機械脫粒過程中產生的破碎籽粒篩出,此工序的作業(yè)效果直接關系到蕎麥食品的質量[6]。研發(fā)高效的蕎麥篩分設備,對促進蕎麥深加工產業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

侯華銘等[7]利用自制懸浮速度測量裝置測定了蕎麥籽粒及小部分輕雜物的懸浮速度,為蕎麥清選裝備的研究提供了基礎數據。劉闖等[6]為提高蕎麥米與蕎麥的篩分效果,通過試驗研究確定了篩板最佳結構參數,Rong等[8]針對蕎麥脫粒物料在篩分過程中存在的高損失、高含雜問題,設計了不同結構的篩面,并基于離散元法對篩分過程進行了數值模擬,結果表明:在振動參數相同的情況下,非平面凸柱篩面的篩分效果最好。樊榮等通過清選試驗臺試驗并結合遺傳算法優(yōu)化了蕎麥清選裝置的結構和運動參數。張春等為研究蕎麥米與蕎麥的篩分機理,基于EDEM軟件對蕎麥米篩分過程中相關的接觸參數進行了標定。Xu等[9]針對可供蕎麥收獲、加工等機械關鍵部件設計參考的籽粒接觸參數缺乏的現狀,建立了蕎麥籽粒的多球顆粒模型,并對蕎麥與不銹鋼之間的接觸參數進行了標定。Lu等[10]設計了5TG-85型蕎麥脫粒機,該脫粒機采用的風篩式清選裝置在振動頻率為 25.12 rad/s時,清選損失率為 1.96%。黃穎石[11]針對蕎麥機械化收獲清選效果差的問題,設計了一種旋風分離清選試驗臺,并通過試驗確定了最佳工作參數。

目前針對蕎麥混合物料篩分的研究多集中在機械化收獲時脫?；旌衔锪系那暹x分離,或集中在蕎麥脫殼后混合物料的分離,前者是將籽粒從莖、葉、清雜余中分離,后者是將蕎麥米從未脫殼蕎麥中分離,而對于二者之間的環(huán)節(jié)研究相對較少,而同一品種的蕎麥籽粒大小有差異,篩選分級可以大大降低脫殼加工中蕎麥米的破碎率[12]。本研究擬通過手動填充法建立蕎麥籽粒的離散元模型,通過對不同振動頻率下振動篩分過程的數值模擬選擇合適的振動頻率。

1 蕎麥振動篩組成及原理

1.1 蕎麥振動篩總體結構及原理

蕎麥振動篩由機架、電動機、帶傳動系統、曲柄、連桿、吊桿、篩體等部分組成,其整機結構如圖1所示。振動篩由電動機提供動力,篩體通過吊桿懸掛在機架上,作業(yè)時,電動機通過帶傳動系統帶動從動帶輪軸一端的曲柄轉動,曲柄與篩體之間通過連桿連接,曲柄的轉動通過連桿轉化為篩體的往復直線運動,物料在篩面上分散、分層、透篩并不斷往前輸送,實現對物料的篩分。

圖1 蕎麥振動篩整機結構圖

1.2 篩體結構及主要參數

篩孔形狀、篩孔尺寸對篩分質量有重要影響,本設計中篩面為720 mm×270 mm的矩形,厚度為1 mm,篩面材料采用不銹鋼,篩面傾角為3°。篩孔為圓形沖孔篩,篩孔尺寸及分布示意圖如圖2所示。

圖2 篩孔尺寸及分布示意圖

篩體包括單層篩面、前擋料板、側擋料板、篩下物落料板、篩上物出料槽如圖3所示。根據篩體結構及參數建立篩體的三維模型,并將篩體三維模型導出為STEP格式保存。

圖3 篩體結構三維模型

2 蕎麥振動篩分離散元模型構建

2.1 篩分物料離散元建模

經初清、去石后的物料包含飽滿的蕎麥籽粒和一定比例的癟粒及破碎籽粒,在對物料進行離散元建模中,飽滿籽粒采用由球形顆粒填充的大顆粒模型,因癟粒及破碎籽粒形狀、尺寸各異,無法完全按照實際形狀、尺寸建模,為簡化建模過程,癟粒及破碎籽粒在建模中采用同一種小顆粒模型。為使建立的飽滿籽粒模型更接近籽粒的實際形狀,本研究在課題組前期研究[9]提出用兩個高度不同的三棱錐底面對接近似蕎麥籽粒外形的基礎上,同時考慮截面輪廓凸起,應用CAD軟件繪制蕎麥籽粒外形輪廓及截面輪廓并標注其特征尺寸,如圖4所示,上三棱錐高度H均值為4.22 mm,下三棱錐高度h均值為1.31 mm,截面邊長L均值為5.50 mm。

(a) 外形輪廓

(b) 截面輪廓

根據蕎麥籽粒外形輪廓及截面輪廓尺寸在EDEM軟件中用球形顆粒填充,為了減少單個籽粒填充所需球形顆粒的個數,減少仿真計算量,采用不同半徑球形顆粒手動填充的方法,最終建立蕎麥籽粒的17球大顆粒模型,其XOZ視圖、XOY視圖分別如圖5(a)、圖5(b)所示,將籽粒模型作為顆粒模板保存。癟粒及破碎籽粒離散元模型均采用由四個球形顆粒手動填充成的近似三棱錐模型,即小顆粒模型,其三軸幾何平均徑分別為:長3.42 mm、寬3.30 mm、高3.18 mm,如圖5(c)所示。

(a) 大顆粒模型XOZ視圖

(b) 大顆粒模型XOY視圖

(c) 小顆粒模型

2.2 蕎麥振動篩分模型構建

參考文獻[13],在EDEM中建立振動篩分仿真模型,首先將1.2節(jié)中STEP格式的篩體三維模型導入, 然后將2.1節(jié)中所建立的顆粒模板導入,并對模擬所需的材料本征參數及接觸參數進行設置,相關參數通過查閱相關文獻[8-9, 14-15]獲得,如表1所示。

表1 數值模擬試驗參數表Tab. 1 Table of parameters in the numerical simulation test

在篩面上方130 mm處建立尺寸為200 mm×200 mm 的顆粒工廠,并設置 1～2 s生成顆粒,每秒產生2 500個,大小顆粒個數比例為1∶1,設定顆粒Z軸方向初始速度-1 m/s。同時為了便于在試驗后對不同工作參數下篩分效果進行評價,在模型中分別建立篩上物收集箱、篩下物收集箱,蕎麥振動篩分離散元模型如圖6所示。

圖6 蕎麥振動篩分離散元模型

3 蕎麥振動篩分數值模擬試驗

查閱農業(yè)機械設計手冊[16],振動篩曲柄轉速一般為200～350 rad/min,即振動頻率為3.3～5.8 Hz,為確定蕎麥振動篩分的振動頻率,應用EDEM軟件分別對振動篩在振動頻率分別為3.5 Hz、4.5 Hz、5.5 Hz時進行振動篩分數值模擬試驗,三次數值模擬試驗對應的振動篩安裝及振動參數如表2所示。

表2 振動篩安裝及振動參數表Tab. 2 Installation of vibration screen and table of vibration parameters

數值模擬試驗開始前先設置仿真計算參數,仿真計算的設置應考慮數據量及仿真效率[17-18],每次試驗設定模擬時間為15 s,仿真過程中數據保存間隔設為0.25 s。

4 后處理分析

數值模擬試驗完成后,進入EDEM Analyst模塊,對比觀察三種振動頻率下模擬試驗的動態(tài)過程,3次試驗在第5 s、10 s、15 s時,振動篩上籽粒分布如圖7所示。

(a) 3.5 Hz,5 s

(b) 3.5 Hz,10 s

(c) 3.5 Hz,15 s

(d) 4.5 Hz,5 s

(e) 4.5 Hz,10 s

(f) 4.5 Hz,15 s

(g) 5.5 Hz,5 s

(h) 5.5 Hz,10 s

(i) 5.5 Hz,15 s

由圖7可知,隨著振動篩的振動,物料在篩面上、下滑動,使小顆粒有機會落入篩孔,同時下滑幅度大于上滑幅度,使物料往前輸送,根據顆粒在篩面上的分布可知,不同振動頻率下振動篩輸送能力存在差異,根據篩上物收集箱顆粒分布可知,當振動頻率為4.5 Hz、5.5 Hz時,部分小顆粒未篩落而進入篩上物收集箱, 根據篩體外的顆粒分布可知,當振動頻率為5.5 Hz時,會有顆粒從篩體拋出,造成篩分損失。

為對振動篩不同振動頻率下的輸送能力、篩分效果、籽粒損失進行定量分析,應用EDEM Analyst模塊Selection功能,建立四個Grid Bin Group用于統計篩體不同位置的顆粒數,分別為篩面剩余顆粒統計區(qū)域、篩上物收集箱顆粒統計區(qū)域、篩下物收集箱顆粒統計區(qū)域及損失籽粒統計區(qū)域,如圖8所示。

圖8 統計區(qū)域劃分示意圖

為分析振動篩不同振動頻率下的輸送能力導出篩面剩余顆粒統計區(qū)域顆?？倲禂祿?繪制不同頻率下在0～15 s內篩面剩余顆粒數隨時間變化曲線,如圖9所示。

圖9 不同頻率下篩面剩余顆粒數時變曲線

由圖9可知,1～2 s顆粒工廠不斷生成顆粒,篩面上的顆粒數呈遞增趨勢,顆粒落到篩面后,隨著篩體的振動,部分小顆粒透過篩孔下落,大顆粒及部分小顆粒往前輸送,2～6 s篩面上顆粒數無顯著差別,6 s之后隨著振動頻率的增大,篩面上剩余顆粒數減少,表明振動頻率越大,輸送能力越高。

為對不同振動頻率下振動篩篩分性能進行分析,分別統計不同時刻篩上物收集箱內顆?？倲导靶☆w粒數,繪制顆?？倲导靶☆w粒數隨時間的變化曲線,如圖10所示。

(a) 3.5 Hz

(b) 4.5 Hz

(c) 5.5 Hz

根據圖10中不同振動頻率下篩上物收集箱內顆?？倲底兓€同樣可知,隨著振動頻率的增大,振動篩輸送能力增加,但同時,篩上物收集箱內小顆粒數增加。在蕎麥振動篩分過程中,理想效果是將癟粒、破碎籽粒與飽滿籽粒完全分離,但總有部分癟粒、破碎籽粒未完成透篩成為篩上物,本研究將篩上物收集箱內小顆粒數與顆粒總數之比作為振動篩篩分效果的評價指標。

統計不同振動頻率下仿真第15 s時篩上物收集箱內顆粒總數、小顆粒數及籽粒損失個數,并計算第15 s時篩上物收集箱內小顆粒數與顆粒總數之比,結果如表3所示。

表3 不同振動頻率下篩分效果數據Tab. 3 Screening effect at different vibration frequencies

由表3可知,三種振動頻率下,15 s時篩上物收集箱內小顆粒占比分別為0%、0.86%、4.63%,當頻率為3.5 Hz、4.5 Hz時,仿真過程中籽粒損失個數均為0,當頻率為5.5 Hz時,仿真過程中籽粒損失個數為24,損失較大,綜合考慮輸送能力、篩分效果、籽粒損失等指標,當振動頻率為4.5 Hz時,振動篩作業(yè)效果較好。

5 結論

1) 在利用手動填充法建立蕎麥籽粒多球顆粒模型的基礎上,構建了蕎麥籽粒振動篩分模型。

2) 對振動篩在振動頻率分別為3.5 Hz、4.5 Hz、5.5 Hz時的篩分過程進行了數值模擬。結果表明:在篩面傾角為3°、振動方向角為30°、振幅為28 mm的條件下,隨著振動頻率的增大,振動篩輸送能力增加,同時未透篩的小顆粒數增加,當振動頻率為5.5 Hz時,會造成篩分損失,綜合分析,當振動頻率為4.5 Hz時,振動篩作業(yè)效果較好。

3) 本研究中設計的振動篩為單層篩面,將蕎麥籽粒進行二級篩分,實際生產中為減少脫殼加工的破碎率,需要進行多級篩分,本研究可為后續(xù)基于離散單元法優(yōu)選蕎麥多級篩分設備的工作參數提供籽粒模型和方法借鑒。