楊 星，于克強，王德福

(東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱 150030)

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基于EDEM的轉(zhuǎn)輪式TMR混合機混合性能數(shù)值模擬

楊 星，于克強，王德福

(東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱 150030)

為深入研究全混合日糧混合機的混合性能，采用自行設計的轉(zhuǎn)輪式TMR混合機，基于離散元法應用EDEM軟件，對其混合性能進行數(shù)值模擬及仿真試驗。仿真結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在30～32r/min、充滿系數(shù)在50%～55%、混合葉板角度在16°～20°時得到的偏離系數(shù)較低，混合時間在120s內(nèi)偏離系數(shù)呈下降趨勢。仿真得出混合均勻度較高時各結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)的取值范圍，為該機的設計及參數(shù)優(yōu)化提供參考。

TMR混合機；EDEM；混合性能；數(shù)值模擬

0 引言

目前，我國許多大中型奶牛場已普遍采用全混合日糧(Total mixed ration，TMR)技術(shù)[1]飼喂奶牛，物料的種類及成分對全混合日糧混合機的混合性能影響很大。由于全混合日糧中物料顆粒種類繁多，且粒度及質(zhì)量各不相同，因此可應用離散元法對全混合日糧混合機混合性能進行分析。

離散元法仿真在混合機上的應用較多：馮俊小等[2]采用離散元法研究回轉(zhuǎn)筒內(nèi)秸稈顆粒的運動特性及滾筒內(nèi)物料顆粒混合狀態(tài)；耿凡等[3]采用離散元法直接跟蹤球磨機內(nèi)的每一個物料顆粒，對球磨機中物料顆粒的復雜混合運動進行數(shù)值模擬。但上述研究都是針對粉料顆?；旌?，并且基本上都是針對兩種物料顆粒進行混合。由于全混合日糧成分過多且形狀復雜多樣，致使對其進行離散元模擬仿真工作量及難度都很大，所以很少有人對其進行離散元模擬仿真。

本文以自行設計的轉(zhuǎn)輪式TMR混合機為研究載體，選用玉米秸稈、稻稈、玉米面及食鹽為試驗物料，借助離散元法仿真軟件EDEM對轉(zhuǎn)輪式TMR混合機結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)對其混合性能的影響進行仿真分析，并進行混合性能仿真試驗及混合均勻度模擬檢測對比試驗，所得結(jié)論為相關研究提供參考。

1 相關模型的建立

1.1 轉(zhuǎn)輪式TMR混合機模型

本文根據(jù)研制的轉(zhuǎn)輪式TMR混合機，利用SolidWorks軟件繪制了該機的三維圖，并存為igs文件后導入EDEM軟件中，仿真模型如圖1所示。轉(zhuǎn)輪式TMR混合機的主機體尺寸為1m×0.6 m×1.5 m，有效容積為0.5m3，主要由上機體、轉(zhuǎn)子、下機體和傳動裝置等組成。該機整體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及混合葉板安裝角度見文獻[4]。

圖1 轉(zhuǎn)輪式TMR混合機仿真模型Fig.1 Simulation model of paddle-wheel TMR mixer

1.2 試驗物料顆粒模型

1.2.1 玉米秸稈物料和其他顆粒幾何尺寸和比例

玉米秸稈粉碎后按成分主要分為秸稈皮、穰、皮穰、葉和苞葉，且近似長方體。為了提高仿真速度，秸稈皮、穰、葉及苞葉的外形尺寸按長方體(L×B×H)分析，秸稈皮穰截面是半徑為R、圓心角為θ的扇形，所以秸稈皮穰幾何尺寸按L、R、θ進行分析。對上物進行外形尺寸測量然后取平均值，結(jié)果如表1所示。

本試驗中的玉米面顆粒形狀近似直徑為0.3mm的球形。稻稈用鍘刀鍘切成段后其形狀近似為空心圓柱，其外形平均尺寸：外徑4.5mm、內(nèi)徑4mm、長40mm。食鹽顆粒形狀近似球形，平均直徑為0.5mm。

1.2.2 試驗物料顆粒模型

采用多球面填充的方法來逼近實際的物料形狀，各物料顆粒按表1中的外形尺寸進行填充。試驗物料中各物料顆粒的特性及物料顆粒間的特性如表2和表3所示。

表1 玉米秸稈不同成分不同規(guī)格外形尺寸平均值Table 1 Average dimensions of different straw components in different sizes mm

表2 試驗物料特性Table 2 Material shear modulus and Poisson's ratio

表3 試驗物料摩擦系數(shù)及恢復系數(shù)表Table 3 Material friction coefficient and recovery coefficient

續(xù)表3

1.3 物料顆粒間接觸模型

本研究中物料在混合機內(nèi)混合運動強烈，物料間接觸力復雜，計算強度較大，所以選擇基于Hertz模型的簡化模型即軟球模型處理球形物料顆粒間的碰撞。軟球模型是依據(jù)物料顆粒間法向重疊量和切向位移計算接觸力，不考慮接觸力加載歷史[5]。如圖2所示，除了運動方程中設定的彈簧和阻尼器外，軟球模型還在物料顆粒i、j的法向和切向方向分別設定了耦合器和滑動器。

1.耦合器 2.阻尼器 3.彈簧 4.滑動器圖2 軟球?qū)ξ锪项w粒間接觸力的模型Fig.2 Model of the contact force of soft-sphere to particles

2 相關結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)對混合過程的影響

為深入分析各結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)對其混合過程的影響，在混合室三維空間建立空間坐標系XYZ，設轉(zhuǎn)軸為X軸，將混合室空間按YOZ面分為1、2、3、4象限。

2.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對混合過程的影響

圖3為當充滿系數(shù)為50%、混合葉板角度為16°、混合時間為120s時，不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速所對應的混合室內(nèi)的物料流仿真。

如圖3所示，當n=10r/min時物料都集中在混合室第2、3象限，混合室內(nèi)混合運動強度較弱，不利于混合均勻；當n=30r/min時，混合室中的物料各成分基本上能均布充滿整個混合室，且各區(qū)內(nèi)物料流顏色密度基本一致，說明轉(zhuǎn)速為30r/min時利于物料混合均勻。如圖3(c)所示，物料會有部分被向上拋起，此時混合室內(nèi)粒度及質(zhì)量差異大的物料受到混合葉板的作用明顯不同，使物料易于離析和分級，不利于混合均勻。

(a) n=10r/min (b) n=30r/min (c) n=50r/min圖3 不同轉(zhuǎn)速物料形成的物料流Fig.3 Material stream formed at different speeds

2.2 充滿系數(shù)對混合過程的影響

圖4為當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30r/min、混合葉板角度為16°、混合時間為120s時，充滿系數(shù)取不同值時混合室內(nèi)的物料流。由圖4(a)可知：混合室中各成分物料流分布相對不均，同等條件下混合質(zhì)量相對低。由圖4(b)可知：當充滿系數(shù)達到50%時，混合室內(nèi)運動相對穩(wěn)定，且從各物料的顏色上看混合室中物料流的分布較均勻，利于物料均布。由圖4(c)可知：當充滿系數(shù)為70%時，在2、3象限同種物料轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生聚集，物料間相對運動少，不利于物料中粗料與精料混合均勻。

(a) ρ=30% (b) ρ=50% (c) ρ=70%圖4 不同充滿系數(shù)物料形成的物料流Fig.4 Material stream formed at different fullness coefficient

2.3 混合葉板角度對混合過程的影響

圖5為當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r/min、混合時間為120s、充滿系數(shù)為50%時，從混合機上部俯視得到混合葉板角度對物料軸向混合運動的影響，如圖5所示。從圖5中可看出：混合葉板角度對物料的軸向混合運動有較大影響，且α越大物料的軸向運動越明顯。

(a) 混合葉板角度0° (b) 混合葉板角度10°

(c) 混合葉板角度20° (d) 混合葉板角度30°圖5 混合葉板對物料軸向作用的仿真Fig.5 Simulation of mixing plate axially acting to material

通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、充滿系數(shù)及混合葉板角度對轉(zhuǎn)輪式TMR混合機混合室內(nèi)物料流及物料混合狀態(tài)的分析表明:上述結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)對該機的混合過程影響很大，進而對其混合性能有較大影響。

3 仿真試驗

3.1 混合均勻度評價模型

本文通過網(wǎng)格劃分法來實現(xiàn)對混合均勻度評價模型的建立。把計算區(qū)域分為8×8×4=256個網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格后的模型如圖6所示。對每一個網(wǎng)格分別計算每種物料的數(shù)量占該網(wǎng)格物料總數(shù)量的百分比即實際比例，同時對于每個仿真算例分別計算每種物料總數(shù)量占所有物料總數(shù)量的百分比即全局比例，全局比例可以理解為最佳混合均勻度。用實際比例除以全局比例即得到每一個網(wǎng)格的實際混合均勻度與最佳混合均勻度的百分比，并計算其標準差(稱為偏離系數(shù))[6]。偏離系數(shù)越大，說明混合均勻度越不好；越接近1，說明混合均勻度越好。偏離系數(shù)模型為

(1)

式中n—網(wǎng)格數(shù)量；

xi—物料顆粒i的實際比例；

Xi—物料顆粒i的全局比例。

圖6 劃分網(wǎng)格后的仿真模型Fig.6 Simulation model after meshing

3.2 轉(zhuǎn)輪式TMR混合機混合性能仿真試驗

根據(jù)以上分析，本試驗分別選取轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、混合葉板角度、充滿系數(shù)及混合時間等4個因素進行單因素試驗，每個因素取5個水平。單因素試驗時，其它各因素均取中間水平值，以玉米面的偏離系數(shù)作為評價指標，各因素的取值范圍如表4所示，仿真結(jié)果如表5所示。

表4 試驗因素取值表Table 4 Values of experimental factors during the experiment

各因素對偏離系數(shù)的影響如圖7所示。由圖7(a)～(c)中可以看出：在試驗參數(shù)取值范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、充滿系數(shù)及混合葉板角度取值的增大，偏離系數(shù)均是先下降后上升；且當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在30～32r/min范圍內(nèi)、充滿系數(shù)在50%～55%范圍內(nèi)及混合葉板角度在16°～20°范圍內(nèi)時，對應的偏離系數(shù)均達到最低值。

由圖7(d)中偏離系數(shù)曲線可以看出：偏離系數(shù)隨著混合時間的增大而減小。但根據(jù)實際情況可知：隨著混合時間的增加偏離系數(shù)不會一直減小，當偏離系數(shù)減小到一定范圍后若時間再增加則偏離系數(shù)增大。本試驗結(jié)果可為后續(xù)試驗參數(shù)范圍的確定及參數(shù)優(yōu)化提供參考。

表5 仿真結(jié)果Table 5 Simulation results

(a) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響

(b) 充滿系數(shù)的影響

(c) 混合葉板角度的影響

(d) 混合時間的影響圖7 不同因素下的偏離系數(shù)Fig.7 The deviation coefficient under different factors

3.3 混合均勻度模擬檢測對比試驗

為了檢驗試驗中其他物料顆粒作為示蹤劑檢測混合均勻度的效果，按表4進行試驗設計，將試驗物料中所有種類物料顆粒均作為示蹤劑，進行混合均勻度模擬檢測對比試驗，試驗結(jié)果具體數(shù)值如表5所示。以玉米面的偏離系數(shù)作為試驗中偏離系數(shù)的實際值。由圖7可知：用粒度較小的食鹽作為示蹤劑得到的偏離系數(shù)較??；用粒度較大但質(zhì)量較小的顆粒作為示蹤劑(如秸稈葉、秸稈苞葉、秸稈穰和稻稈)得到的偏離系數(shù)較大，與偏離系數(shù)的實際值相差較大；用粒度和質(zhì)量都大的物料作為示蹤劑(如秸稈皮穰)得到的偏離系數(shù)波動較大，很難真實反映混合均勻度的變化；用粒度適中質(zhì)量稍大的顆粒(如秸稈皮)作為示蹤劑得到的偏離系數(shù)與混合均勻度的真實值有一定的差距，但是基本上能夠反映出偏離系數(shù)隨各因素的變化。以上分析可為轉(zhuǎn)輪式TMR混合機混合均勻度檢測方法的選擇提供參考。

4 結(jié)論

1)通過仿真試驗得出主要影響因素參數(shù)如下：當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速30～32r/min、充滿系數(shù)50%～55%、混合葉板角度16°～20°時偏離系數(shù)較低，混合時間在120s內(nèi)偏離系數(shù)呈下降趨勢,可為轉(zhuǎn)輪式TMR混合機試驗參數(shù)范圍確定及優(yōu)化提供參考。

2)由對比試驗可知：選擇與精料顆粒及質(zhì)量大小接近的物料顆粒作為示蹤劑，得到的結(jié)果更能接近混合均勻度的實際值，可為全混合日糧混合機混合均勻度檢測方法的選擇提供參考。

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[2] 馮俊小，林佳，李十中，等.回轉(zhuǎn)筒內(nèi)秸稈顆粒混合狀態(tài)指標與DEM參數(shù)標定[J].農(nóng)業(yè)機械學報， 2009(5)：625-629.

[3] 耿凡，袁竹林，孟德才，等.球磨機中顆?；旌线\動的數(shù)值模擬[J].熱能動力工程，2009 (5)：625-629.

[4] 于克強，李利橋，何勛，等.轉(zhuǎn)輪式全混合日糧混合機試驗設計與機理分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2015，46(7):109-117.

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[6] 張立棟，朱明亮，李少華，等.回轉(zhuǎn)干餾爐內(nèi)二組元顆?；旌蠙C理及混合度分析[J].化工進展，2011，30(11)：2382-2387.

Numerical Simulation on Mixing Performance of Paddle-wheel Total Mixed Ration Mixer Based on EDEM

Yang Xing, Yu Keqiang, Wang Defu

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

For further research of total mixed diet mixer mixing performance, propeller used TMR mixer, based on the discrete element method applications EDEM software, the mixing performance are numerically simulated and the simulation test.The simulation results show that deviation coefficient is low when the rotor speed in 30 r/min ～ 32 r/min, fill factor in 50 %～ 55%, mixed leaf plate angle in 16 ° ～ 20 °, mixing time deviation coefficient of a downward trend in the 120 s, simulation mixing uniformity is relatively high when the scope of the structure and operation parameters, Provide a reference for the machine structure design and parameter optimization.

TMR mixers; EDEM; mixing performance; numerical simulation

2016-02-06

國家自然科學基金項目(51405076)

楊 星(1990-),男，湖南常德人，碩士研究生，(E-mail) 592841412@qq.com。

王德福(1964-)，男，哈爾濱人，教授， (E-mail)dfwang640203@sohu.com。

S817.12+4

A

1003-188X(2017)03-0218-06