基于DEM的谷物清理篩篩分效率仿真試驗研究

◎ 高楊楊，羅 棟，陳 藝，孫慧男

（鄭州中糧科研設(shè)計院有限公司，河南 鄭州 450001）

谷物清理篩是一種廣泛應(yīng)用于清除谷物中的大、中、小雜質(zhì)的篩分機(jī)械，其主要利用電機(jī)驅(qū)動使篩面產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動，具有結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境污染小，噪聲小，能耗低，清理效果好等優(yōu)點，配備風(fēng)選或磁選設(shè)備，還可清除物料中輕雜、灰塵以及具有磁性的雜質(zhì)[1-2]。近年來，隨著離散單元法（Discrete Element Method，簡稱DEM）的發(fā)展，采用DEM研究物料篩分逐漸成為熱點，Cleary等[3]建立定量球形顆粒模型，對其在振動篩面上的篩分行為進(jìn)行了二維模擬，研究了顆粒形狀對篩分效率的影響。JAFARI[4]等對振動篩在不同操作條件的篩分效率與篩面磨損率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)振頻、篩面傾角及振動方向角等對試驗結(jié)果有較大影響。王中營等[5]采用三維離散元軟件PFC 3D研究了篩分參數(shù)對篩分效果的影響規(guī)律，建立了工藝參數(shù)與篩分效率的關(guān)系曲線，為深入分析單因素影響篩分效率理論模型或多因素共同影響篩分效率理論模型提供數(shù)據(jù)支撐。李洪昌[6]采用流體力學(xué)和顆粒離散元耦合的方法模擬風(fēng)篩式清選裝置中物料在篩面上的運(yùn)動，結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速增加，物料后移速度增加，有助于提高振動篩的處理能力，但也會增加籽粒的損失。

本文以往復(fù)振動清理篩為研究對象，通過簡化清理篩模型，確定仿真所需的模擬參數(shù)，采用建模軟件建立清理篩三維模型，導(dǎo)入離散元分析軟件EDEM對清理篩進(jìn)行動態(tài)特性分析。在研究清理篩工藝參數(shù)對篩分效率的影響時，由于試驗次數(shù)多，試驗時間長，需要對試驗方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，故采用Design-Expert 11軟件中的Box-Benhnken中心組合法，以清理篩篩分效率為響應(yīng)值，對振幅、振動頻率、振動方向角等影響因素進(jìn)行三因素三水平的優(yōu)化試驗設(shè)計，為優(yōu)化清理篩工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

1 模型的建立與簡化

1.1 清理篩模型

清理篩的工作過程是通過篩分將與糧食體積大小不同的雜質(zhì)分離出去，但由于清理篩的性能參數(shù)及物料特性，難以實現(xiàn)雜質(zhì)的完全去除，要提高篩分效率，需要從各個方面優(yōu)化振動篩[7]，影響清理篩篩分效率的主要因素有物料的特性、振動篩的結(jié)構(gòu)形式、工藝參數(shù)、篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)和有效篩分面積等。當(dāng)振動篩的結(jié)構(gòu)形式、尺寸和物料特性確定時，需要從改變工藝參數(shù)入手[8]。基于本文研究內(nèi)容，為提高仿真效率，將清理篩簡化為單層篩面進(jìn)行試驗，創(chuàng)建三維模型如圖1所示，清理篩模擬參數(shù)設(shè)置為在一定范圍內(nèi)可調(diào)，振幅3～5 mm，振動方向角20～40°，頻率12～18 Hz。谷物清理篩大多采用沖孔篩，具有篩孔分布明確、篩面易加工的特點，因此本文選擇沖孔篩板，篩板長度2 990 mm，寬度202 mm，總面積0.604 m2，孔型為長圓形，孔長22 mm，孔寬2 mm，開孔率33.94%，如圖2所示。

圖1 清理篩仿真模型簡圖

圖2 清理篩篩孔示意圖

1.2 谷物與雜質(zhì)模型

產(chǎn)后小麥中含有較多的雜質(zhì)，本次虛擬試驗中，篩分去除對象為體積小于小麥籽粒且能夠穿過篩孔的雜質(zhì)，理論上小于篩孔的雜質(zhì)應(yīng)該能夠全部通過篩孔，但由于某些原因，有部分雜質(zhì)仍然夾雜在篩上物中，造成雜質(zhì)去除率下降。根據(jù)實際篩下物雜質(zhì)的物理特性，本研究中采用單顆粒小球填充方法建立雜質(zhì)仿真模型，雜質(zhì)直徑為1 mm，小麥模型采用橢球型，長軸6.25 mm，短軸3.5 mm，如圖3所示，小麥中雜質(zhì)含量為2%。

圖3 雜質(zhì)、小麥模型圖

2 清理篩篩分效率離散元仿真

2.1 離散元仿真參數(shù)的選擇

本文采用EDEM2018對清理篩分過程進(jìn)行仿真模擬，接觸模型設(shè)定為Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，顆粒工廠高度為550 mm，物料下落初速度1 m·s-1，糧食籽粒生成速率為5 kg·s-1，雜質(zhì)生成速率為0.1 kg·s-1，顆粒生成時間10 s，仿真總時長50 s，時間步長為瑞利時間步長的20%。材料力學(xué)特性參數(shù)見表1，材料間接觸參數(shù)見表2。選取其中一組試驗不同時刻的模擬過程如圖4所示。

圖4 篩分過程示意圖

表1 材料屬性表

表2 材料接觸參數(shù)表

2.2 仿真結(jié)果分析

依據(jù)優(yōu)化后的試驗設(shè)計方案，共進(jìn)行14組模擬試驗，將離散元分析軟件EDEM模擬分析的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，結(jié)果見表3。

表3 仿真試驗結(jié)果表

由試驗數(shù)據(jù)可知，14組試驗中篩分效率最小為60.78%，即振幅為5 mm，振動頻率為12 Hz，振動方向角為30°，此組合是試驗方案中振幅最大，頻率最小的組合，可知清理篩振動高幅低頻時，篩分效率低下，雜質(zhì)與小麥不能形成很好的分離。試驗結(jié)果中篩分效率最大為92.99%，即清理篩振幅為4 mm，振動頻率為12 Hz，振動方向角為20°，可以發(fā)現(xiàn)，篩分效率最大與最小的振動頻率均為12 Hz，所以振幅和振動方向角的交互效應(yīng)對清理篩的篩分效率影響較大，由圖5可知，交互項AC對篩分效率的影響隨振動方向角的增加先下降后上升，隨振幅的增大逐漸減小，說明在研究清理篩篩分效率時，振幅和振動方向角可以作為一個整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖5 振幅和振動方向角交互作用對篩分效率的影響圖

3 結(jié)論

本文在EDM離散元法基礎(chǔ)上對清理篩工藝參數(shù)和篩分效率的關(guān)系進(jìn)行了研究與論述。①清理篩振幅、振動頻率和振動方向角對篩分效率的影響較為顯著，3因素的不同組合下，篩分效率相差較大，振幅4 mm，振動頻率12 Hz，振動方向角20°時篩分效率最好，為92.99%。②從試驗結(jié)果可以看出，振幅和振動方向角的交互效應(yīng)對清理篩的篩分效率影響較大，在研究清理篩篩分效率時，振幅和振動方向角可以作為一個整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為多個因素共同影響篩分效率提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。③通過EDEM離散元仿真模擬和Design-Expert試驗優(yōu)化設(shè)計，能夠有效縮短清理篩產(chǎn)品研發(fā)周期，提高試驗研究效率，為優(yōu)化和改進(jìn)振動清理篩工藝參數(shù)提供理論支撐。