徐兵，鄭德聰，崔清亮

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)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?zhǔn)歉纳粕攀辰Y(jié)構(gòu)的重要口糧品種之一,國(guó)家燕麥?zhǔn)w麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系提出蕎麥加工“大、高、低”發(fā)展目標(biāo),蕎麥?zhǔn)称分饾u多樣化,其相關(guān)制品的需求迅速增長(zhǎng)[4-5]。蕎麥?zhǔn)称芳庸は嚓P(guān)裝備的需求不斷增加,同時(shí)也對(duì)蕎麥原料預(yù)處理相關(guān)設(shè)備的作業(yè)效率、作業(yè)效果提出了更高的要求。機(jī)械化收獲的毛糧往往經(jīng)過初清、去石、分級(jí)后才能進(jìn)行脫殼獲得蕎麥米,分級(jí)作為原料預(yù)處理的重要工序,可以將原料中的癟粒及機(jī)械脫粒過程中產(chǎn)生的破碎籽粒篩出,此工序的作業(yè)效果直接關(guān)系到蕎麥?zhǔn)称返馁|(zhì)量[6]。研發(fā)高效的蕎麥篩分設(shè)備,對(duì)促進(jìn)蕎麥深加工產(chǎn)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(cè)量裝置測(cè)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(chǔ)數(shù)據(jù)。劉闖等[6]為提高蕎麥米與蕎麥的篩分效果,通過試驗(yàn)研究確定了篩板最佳結(jié)構(gòu)參數(shù),Rong等[8]針對(duì)蕎麥脫粒物料在篩分過程中存在的高損失、高含雜問題,設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的篩面,并基于離散元法對(duì)篩分過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明:在振動(dòng)參數(shù)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(yàn)臺(tái)試驗(yàn)并結(jié)合遺傳算法優(yōu)化了蕎麥清選裝置的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。張春等為研究蕎麥米與蕎麥的篩分機(jī)理,基于EDEM軟件對(duì)蕎麥米篩分過程中相關(guān)的接觸參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。Xu等[9]針對(duì)可供蕎麥?zhǔn)斋@、加工等機(jī)械關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)參考的籽粒接觸參數(shù)缺乏的現(xiàn)狀,建立了蕎麥籽粒的多球顆粒模型,并對(duì)蕎麥與不銹鋼之間的接觸參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。Lu等[10]設(shè)計(jì)了5TG-85型蕎麥脫粒機(jī),該脫粒機(jī)采用的風(fēng)篩式清選裝置在振動(dòng)頻率為 25.12 rad/s時(shí),清選損失率為 1.96%。黃穎石[11]針對(duì)蕎麥機(jī)械化收獲清選效果差的問題,設(shè)計(jì)了一種旋風(fēng)分離清選試驗(yàn)臺(tái),并通過試驗(yàn)確定了最佳工作參數(shù)。

目前針對(duì)蕎麥混合物料篩分的研究多集中在機(jī)械化收獲時(shí)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(duì)于二者之間的環(huán)節(jié)研究相對(duì)較少,而同一品種的蕎麥籽粒大小有差異,篩選分級(jí)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(dòng)填充法建立蕎麥籽粒的離散元模型,通過對(duì)不同振動(dòng)頻率下振動(dòng)篩分過程的數(shù)值模擬選擇合適的振動(dòng)頻率。

1 蕎麥振動(dòng)篩組成及原理

1.1 蕎麥振動(dòng)篩總體結(jié)構(gòu)及原理

蕎麥振動(dòng)篩由機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、帶傳動(dòng)系統(tǒng)、曲柄、連桿、吊桿、篩體等部分組成,其整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。振動(dòng)篩由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力,篩體通過吊桿懸掛在機(jī)架上,作業(yè)時(shí),電動(dòng)機(jī)通過帶傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)從動(dòng)帶輪軸一端的曲柄轉(zhuǎn)動(dòng),曲柄與篩體之間通過連桿連接,曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)通過連桿轉(zhuǎn)化為篩體的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),物料在篩面上分散、分層、透篩并不斷往前輸送,實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的篩分。

圖1 蕎麥振動(dòng)篩整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 篩體結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

篩孔形狀、篩孔尺寸對(duì)篩分質(zhì)量有重要影響,本設(shè)計(jì)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(cè)擋料板、篩下物落料板、篩上物出料槽如圖3所示。根據(jù)篩體結(jié)構(gòu)及參數(shù)建立篩體的三維模型,并將篩體三維模型導(dǎo)出為STEP格式保存。

圖3 篩體結(jié)構(gòu)三維模型

2 蕎麥振動(dòng)篩分離散元模型構(gòu)建

2.1 篩分物料離散元建模

經(jīng)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(duì)物料進(jìn)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(shí)際形狀、尺寸建模,為簡(jiǎn)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(shí)際形狀,本研究在課題組前期研究[9]提出用兩個(gè)高度不同的三棱錐底面對(duì)接近似蕎麥籽粒外形的基礎(chǔ)上,同時(shí)考慮截面輪廓凸起,應(yīng)用CAD軟件繪制蕎麥籽粒外形輪廓及截面輪廓并標(biāo)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(zhǎng)L均值為5.50 mm。

(a) 外形輪廓

(b) 截面輪廓

根據(jù)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(gè)籽粒填充所需球形顆粒的個(gè)數(shù),減少仿真計(jì)算量,采用不同半徑球形顆粒手動(dòng)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(gè)球形顆粒手動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)篩分模型構(gòu)建

參考文獻(xiàn)[13],在EDEM中建立振動(dòng)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(dǎo)入, 然后將2.1節(jié)中所建立的顆粒模板導(dǎo)入,并對(duì)模擬所需的材料本征參數(shù)及接觸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,相關(guān)參數(shù)通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[8-9, 14-15]獲得,如表1所示。

表1 數(shù)值模擬試驗(yàn)參數(shù)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(shè)置 1～2 s生成顆粒,每秒產(chǎn)生2 500個(gè),大小顆粒個(gè)數(shù)比例為1∶1,設(shè)定顆粒Z軸方向初始速度-1 m/s。同時(shí)為了便于在試驗(yàn)后對(duì)不同工作參數(shù)下篩分效果進(jìn)行評(píng)價(jià),在模型中分別建立篩上物收集箱、篩下物收集箱,蕎麥振動(dòng)篩分離散元模型如圖6所示。

圖6 蕎麥振動(dòng)篩分離散元模型

3 蕎麥振動(dòng)篩分?jǐn)?shù)值模擬試驗(yàn)

查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[16],振動(dòng)篩曲柄轉(zhuǎn)速一般為200～350 rad/min,即振動(dòng)頻率為3.3～5.8 Hz,為確定蕎麥振動(dòng)篩分的振動(dòng)頻率,應(yīng)用EDEM軟件分別對(duì)振動(dòng)篩在振動(dòng)頻率分別為3.5 Hz、4.5 Hz、5.5 Hz時(shí)進(jìn)行振動(dòng)篩分?jǐn)?shù)值模擬試驗(yàn),三次數(shù)值模擬試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)篩安裝及振動(dòng)參數(shù)如表2所示。

表2 振動(dòng)篩安裝及振動(dòng)參數(shù)表Tab. 2 Installation of vibration screen and table of vibration parameters

數(shù)值模擬試驗(yàn)開始前先設(shè)置仿真計(jì)算參數(shù),仿真計(jì)算的設(shè)置應(yīng)考慮數(shù)據(jù)量及仿真效率[17-18],每次試驗(yàn)設(shè)定模擬時(shí)間為15 s,仿真過程中數(shù)據(jù)保存間隔設(shè)為0.25 s。

4 后處理分析

數(shù)值模擬試驗(yàn)完成后,進(jìn)入EDEM Analyst模塊,對(duì)比觀察三種振動(dòng)頻率下模擬試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過程,3次試驗(yàn)在第5 s、10 s、15 s時(shí),振動(dòng)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(dòng)篩的振動(dòng),物料在篩面上、下滑動(dòng),使小顆粒有機(jī)會(huì)落入篩孔,同時(shí)下滑幅度大于上滑幅度,使物料往前輸送,根據(jù)顆粒在篩面上的分布可知,不同振動(dòng)頻率下振動(dòng)篩輸送能力存在差異,根據(jù)篩上物收集箱顆粒分布可知,當(dāng)振動(dòng)頻率為4.5 Hz、5.5 Hz時(shí),部分小顆粒未篩落而進(jìn)入篩上物收集箱, 根據(jù)篩體外的顆粒分布可知,當(dāng)振動(dòng)頻率為5.5 Hz時(shí),會(huì)有顆粒從篩體拋出,造成篩分損失。

為對(duì)振動(dòng)篩不同振動(dòng)頻率下的輸送能力、篩分效果、籽粒損失進(jìn)行定量分析,應(yīng)用EDEM Analyst模塊Selection功能,建立四個(gè)Grid Bin Group用于統(tǒng)計(jì)篩體不同位置的顆粒數(shù),分別為篩面剩余顆粒統(tǒng)計(jì)區(qū)域、篩上物收集箱顆粒統(tǒng)計(jì)區(qū)域、篩下物收集箱顆粒統(tǒng)計(jì)區(qū)域及損失籽粒統(tǒng)計(jì)區(qū)域,如圖8所示。

圖8 統(tǒng)計(jì)區(qū)域劃分示意圖

為分析振動(dòng)篩不同振動(dòng)頻率下的輸送能力導(dǎo)出篩面剩余顆粒統(tǒng)計(jì)區(qū)域顆?？倲?shù)數(shù)據(jù),繪制不同頻率下在0～15 s內(nèi)篩面剩余顆粒數(shù)隨時(shí)間變化曲線,如圖9所示。

圖9 不同頻率下篩面剩余顆粒數(shù)時(shí)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(shù)呈遞增趨勢(shì),顆粒落到篩面后,隨著篩體的振動(dòng),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(shù)無顯著差別,6 s之后隨著振動(dòng)頻率的增大,篩面上剩余顆粒數(shù)減少,表明振動(dòng)頻率越大,輸送能力越高。

為對(duì)不同振動(dòng)頻率下振動(dòng)篩篩分性能進(jìn)行分析,分別統(tǒng)計(jì)不同時(shí)刻篩上物收集箱內(nèi)顆?？倲?shù)及小顆粒數(shù),繪制顆粒總數(shù)及小顆粒數(shù)隨時(shí)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(jù)圖10中不同振動(dòng)頻率下篩上物收集箱內(nèi)顆粒總數(shù)變化曲線同樣可知,隨著振動(dòng)頻率的增大,振動(dòng)篩輸送能力增加,但同時(shí),篩上物收集箱內(nèi)小顆粒數(shù)增加。在蕎麥振動(dòng)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(nèi)小顆粒數(shù)與顆?？倲?shù)之比作為振動(dòng)篩篩分效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

統(tǒng)計(jì)不同振動(dòng)頻率下仿真第15 s時(shí)篩上物收集箱內(nèi)顆粒總數(shù)、小顆粒數(shù)及籽粒損失個(gè)數(shù),并計(jì)算第15 s時(shí)篩上物收集箱內(nèi)小顆粒數(shù)與顆?？倲?shù)之比,結(jié)果如表3所示。

表3 不同振動(dòng)頻率下篩分效果數(shù)據(jù)Tab. 3 Screening effect at different vibration frequencies

由表3可知,三種振動(dòng)頻率下,15 s時(shí)篩上物收集箱內(nèi)小顆粒占比分別為0%、0.86%、4.63%,當(dāng)頻率為3.5 Hz、4.5 Hz時(shí),仿真過程中籽粒損失個(gè)數(shù)均為0,當(dāng)頻率為5.5 Hz時(shí),仿真過程中籽粒損失個(gè)數(shù)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(biāo),當(dāng)振動(dòng)頻率為4.5 Hz時(shí),振動(dòng)篩作業(yè)效果較好。

5 結(jié)論

1) 在利用手動(dòng)填充法建立蕎麥籽粒多球顆粒模型的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了蕎麥籽粒振動(dòng)篩分模型。

2) 對(duì)振動(dòng)篩在振動(dòng)頻率分別為3.5 Hz、4.5 Hz、5.5 Hz時(shí)的篩分過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明:在篩面傾角為3°、振動(dòng)方向角為30°、振幅為28 mm的條件下,隨著振動(dòng)頻率的增大,振動(dòng)篩輸送能力增加,同時(shí)未透篩的小顆粒數(shù)增加,當(dāng)振動(dòng)頻率為5.5 Hz時(shí),會(huì)造成篩分損失,綜合分析,當(dāng)振動(dòng)頻率為4.5 Hz時(shí),振動(dòng)篩作業(yè)效果較好。

3) 本研究中設(shè)計(jì)的振動(dòng)篩為單層篩面,將蕎麥籽粒進(jìn)行二級(jí)篩分,實(shí)際生產(chǎn)中為減少脫殼加工的破碎率,需要進(jìn)行多級(jí)篩分,本研究可為后續(xù)基于離散單元法優(yōu)選蕎麥多級(jí)篩分設(shè)備的工作參數(shù)提供籽粒模型和方法借鑒。