基于EDEM的發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)的仿真與試驗(yàn)

劉道奇， 劉 龍， 孫千濤， 錢 凱， 靳曇曇， 王東偉，2， 李秀杰

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院長(zhǎng)垣分院/河南省花生耕種收加工智能設(shè)備工程研究中心，河南長(zhǎng)垣 453400；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266109)

花生是一種商品率很高的經(jīng)濟(jì)作物，既可食用，又可出口創(chuàng)匯，是促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要農(nóng)產(chǎn)品之一。在花生加工和商品化過(guò)程中，花生莢果分級(jí)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過(guò)分級(jí)，可使花生莢果大小、品質(zhì)等基本一致，對(duì)其后續(xù)的貯藏、深加工及提高產(chǎn)品檔次和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。在進(jìn)出口貿(mào)易中，對(duì)花生莢果的質(zhì)量要求較高，同時(shí)隨著花生行業(yè)的發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；矊?duì)分級(jí)質(zhì)量、分級(jí)效率有了更高的要求。人工分級(jí)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且成本很高，分級(jí)精度也難以保證，采用花生莢果分級(jí)設(shè)備可提高生產(chǎn)效率。

目前在收獲過(guò)程中花生莢果中摻雜了很多雜物，以及干癟的小果和失去外殼的花生籽仁，為了提高經(jīng)濟(jì)效益，相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)等需要對(duì)花生莢果進(jìn)行分級(jí)和清選。Blankenship等發(fā)明了一種簡(jiǎn)易的發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)，花生莢果根據(jù)它們?cè)趲舷侣涞奈恢貌煌譃槎嗉?jí)，帶長(zhǎng)、帶速及喂料速度不同，分級(jí)效果也各不相同。Dowell設(shè)計(jì)了一種花生莢果自動(dòng)分級(jí)設(shè)備，該設(shè)備簡(jiǎn)化了分級(jí)方法，可以分級(jí)更大的樣本。國(guó)內(nèi)花生收獲后主要依靠人工和撿拾收獲機(jī)進(jìn)行撿拾摘果，人工摘果和撿拾收獲機(jī)摘果的花生莢果在清選后的清潔度均較高，但花生莢果的尺寸差異較大，為便于花生脫殼或加工生產(chǎn)高質(zhì)量的花生食品，均需要對(duì)花生莢果按尺寸進(jìn)行分級(jí)。目前主要有振動(dòng)式分級(jí)設(shè)備和滾筒式分級(jí)設(shè)備，這2種設(shè)備分級(jí)機(jī)構(gòu)均采用篩孔進(jìn)行分級(jí)。由于花生種植的土壤、含水率和自身特性等多種因素，收獲的同一品種莢果在外部形狀方面整體一致，但在尺寸方面存在較大的差異，莢果表面主要呈網(wǎng)格狀，表現(xiàn)為坑坑洼洼，并且一粒莢果大多存在大小頭，在使用篩孔進(jìn)行分級(jí)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)小頭進(jìn)大頭不出，易造成篩孔堵塞，需要定時(shí)進(jìn)行清理。

為了降低研究成本，相關(guān)研究人員利用現(xiàn)有的EDEM軟件對(duì)設(shè)計(jì)的設(shè)備或裝置進(jìn)行仿真分析，找出最佳參數(shù)，為樣機(jī)加工制作提供參考。劉濤等借助EDEM軟件對(duì)3種型孔結(jié)構(gòu)的窩眼輪式排種器進(jìn)行分析，確定最佳型孔結(jié)構(gòu)和工作轉(zhuǎn)速，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的可行性。薛然利用EDEM軟件對(duì)花生莢果在圓筒篩分機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真研究，分析了花生莢果在分級(jí)過(guò)程中的分布情況。遲明等利用EDEM軟件對(duì)帶式輸送機(jī)輸送骨料的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真與驗(yàn)證分析，表明離散元EDEM軟件輔助研發(fā)設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)的可行性。

本研究以提高花生莢果分級(jí)質(zhì)量和工作效率為目的，研究設(shè)計(jì)了一種發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)，該分級(jí)機(jī)對(duì)花生莢果進(jìn)行5級(jí)分級(jí)，并對(duì)分級(jí)速度參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，提高分級(jí)質(zhì)量的同時(shí)提高工作效率，為花生莢果分級(jí)提供參考依據(jù)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從圖1可以看出，發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)主要由機(jī)架、控制箱、發(fā)散帶、萬(wàn)向輪、輸送帶、出料擋板、上料口、出料口等組成?；ㄉv果分級(jí)時(shí)，分級(jí)過(guò)程共分為3個(gè)階段：上料、分級(jí)和輸送。上料階段：通過(guò)可移動(dòng)式輸送帶將花生莢果均勻輸送至上料口，使花生莢果均勻地鋪放在發(fā)散帶上；分級(jí)階段：發(fā)散帶上的花生莢果依靠二者之間的摩擦力隨發(fā)散帶運(yùn)動(dòng)，發(fā)散帶從上料口至出料口呈發(fā)散狀，花生莢果由于其尺寸的不同向前輸送過(guò)程中靠自重掉落在不同的分級(jí)位置，完成自動(dòng)分級(jí)；輸送階段：分級(jí)后不同尺寸范圍內(nèi)的花生莢果通過(guò)水平輸送帶輸送到出料口，實(shí)現(xiàn)整個(gè)花生莢果分級(jí)功能。

1.2 工作原理

發(fā)散帶的布局及花生莢果運(yùn)動(dòng)示意見圖2，主要包括發(fā)散帶和分級(jí)板。發(fā)散帶的主要作用是為花生莢果的運(yùn)動(dòng)提供摩擦力，使其跟隨發(fā)散帶沿輸送方向運(yùn)動(dòng)；隨著運(yùn)動(dòng)方向發(fā)散帶之間的間隙逐漸變大，不同尺寸的花生莢果被輸送到不同位置掉落。發(fā)散帶下方的分級(jí)板的主要作用是將從發(fā)散帶之間分級(jí)的花生莢果進(jìn)行尺寸范圍分隔。分級(jí)后的花生莢果掉落在水平輸送帶上，由輸送帶運(yùn)送到出料口。

為了提高發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)的工作效率，根據(jù)市場(chǎng)上現(xiàn)有的蔬果發(fā)散帶式分級(jí)機(jī)的結(jié)構(gòu)，該機(jī)器共設(shè)計(jì)有15條發(fā)散帶，形成14個(gè)分級(jí)通道，所有的發(fā)散帶均以最中間的發(fā)散帶為基準(zhǔn)，其余發(fā)散帶對(duì)稱分布。同時(shí)，分級(jí)機(jī)的分級(jí)設(shè)計(jì)為5級(jí)，即5個(gè)出料口。

2 花生莢果物理特性參數(shù)測(cè)量與分析

花生莢果的物理參數(shù)是確定發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要依據(jù)，本研究選擇河南省主要推廣的花生品種豫花37為研究對(duì)象，研究不同品種之間幾何特征(圖3)的差異性，以及分級(jí)質(zhì)量的差異性。

2.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

隨機(jī)選取該品種的花生莢果100個(gè)(花生莢果2020年收獲于河南省長(zhǎng)垣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園)。試驗(yàn)所用儀器設(shè)備主要有MB2水分測(cè)定儀，奧豪斯儀器(常州)有限公司生產(chǎn)；CS-700高速多功能粉碎機(jī)，武義海納電器有限公司生產(chǎn)；數(shù)顯電子游標(biāo)卡尺，桂林量具刃具有限責(zé)任公司生產(chǎn)；電子天平，奧豪斯儀器(常州)有限公司生產(chǎn)等。

2.2 花生莢果物理特性測(cè)量

從表1可以看出，花生莢果的三軸尺寸差異性較大，長(zhǎng)度最大值為51.55 mm、最小值為 27.64 mm，長(zhǎng)度方面的標(biāo)準(zhǔn)差為5.131 1 mm；寬度最大值為19.93 mm、最小值為12.25 mm，寬度方面的標(biāo)準(zhǔn)差為1.977 6 mm；厚度最大值為 17.46 mm、最小值為12.39 mm，長(zhǎng)度方面的標(biāo)準(zhǔn)差為 1.956 2 mm。

表1 豫花37花生莢果的尺寸分析

在花生莢果圓筒篩分過(guò)程中花生莢果的厚度決定其最終的等級(jí)劃分，而在發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)的分級(jí)過(guò)程中主要的影響因素為厚度和寬度，故選取其中50個(gè)花生莢果的尺寸，并對(duì)同一個(gè)花生莢果的寬度和厚度進(jìn)行對(duì)比分析(圖4)。

從圖4可以看出，同一個(gè)花生莢果在寬度和厚度方面的差異較小，并且在尺寸上寬度基本上大于厚度，通過(guò)綜合對(duì)比后選擇以花生莢果的寬度作為發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)的分級(jí)范圍劃分參數(shù)。

2.3 分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)確定

通過(guò)表1、圖4可知，同一個(gè)花生莢果在寬度和厚度方向上的尺寸差異性較小，并且與相關(guān)學(xué)者得到的結(jié)果相似，根據(jù)本批次的花生莢果隨機(jī)取樣的結(jié)果，確定以花生莢果的寬度尺寸作為分級(jí)的參考依據(jù)。

從表1可以看出，寬度最大值為19.93 mm、最小值為12.25 mm，在一定程度上將分級(jí)范圍進(jìn)行適宜的擴(kuò)大，因此將該批花生莢果的厚度范圍設(shè)定為11～21mm，并均等分為5級(jí)，即將上料口一端的2條發(fā)散帶之間的間距參數(shù)設(shè)置為= 11 mm，另一端的間距參數(shù)設(shè)置為= 19 mm。

根據(jù)Blankenship等對(duì)發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)的發(fā)散帶運(yùn)行速度的研究，結(jié)合豫花37花生莢果自身的特性，選取發(fā)散帶工作速度為0.25、0.50、0.75、1.00 m/s，作為豫花37花生莢果分級(jí)過(guò)程中的仿真與實(shí)際試驗(yàn)的基本參數(shù)。

3 花生莢果分級(jí)試驗(yàn)

3.1 離散元模擬試驗(yàn)

3.1.1 離散元中全局變量參數(shù)設(shè)置 在離散元仿真軟件EDEM2.6仿真計(jì)算時(shí)，設(shè)置顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸模型為Hertz-Mindlin和Moving Plane，其中Moving Plane置于Hertz-Mindlin模型之上。設(shè)置發(fā)散帶的材料為橡膠，研究表明，花生莢果與橡膠的泊松比、剪切模量和密度均為定值，同時(shí)可得到花生莢果與莢果之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、最大靜摩擦系數(shù)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)，花生莢果與發(fā)散帶之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、最大靜摩擦系數(shù)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)(表2)。

表2 花生莢果基本參數(shù)

3.1.2 花生莢果與分級(jí)機(jī)模型的建立及參數(shù)設(shè)置 根據(jù)上述測(cè)量的花生莢果長(zhǎng)、寬、厚的平均值，應(yīng)用球面堆積構(gòu)型法，在EDEM2.6中直接建立花生莢果模型。將設(shè)計(jì)的發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)的三維模型作為基礎(chǔ)，通過(guò)Solidworks建立其去除復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維模型，并導(dǎo)入到EDEM2.6中(圖5)。將模型各部分重新命名，并設(shè)置相關(guān)結(jié)構(gòu)的材料屬性。

3.1.3 顆粒工廠的設(shè)置 創(chuàng)建虛擬生成區(qū)域即顆粒工廠，虛擬工廠的大小為發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)的上料口的上部面積大小，其形狀為四邊形。設(shè)置顆粒為動(dòng)態(tài)生成方式，顆粒數(shù)量設(shè)置需綜合考慮幾何模型上料斗的大小及生成速度，本研究中設(shè)定顆粒質(zhì)量為50 kg，生成速度隨分散帶的速度調(diào)整，從表3可以看出，顆粒尺寸大小按照實(shí)際分級(jí)過(guò)程中花生莢果尺寸模型的0.5～1.5倍隨機(jī)分布，參照表1設(shè)置顆粒半徑的標(biāo)準(zhǔn)差(豫花37)。從 0 s 開始，并設(shè)置顆粒下落速度為2 m/s。設(shè)置模擬時(shí)長(zhǎng)為20 s，仿真過(guò)程中，設(shè)置固定時(shí)間步長(zhǎng)為1.305×10。在5級(jí)分級(jí)箱底部設(shè)置質(zhì)量傳感器，分別對(duì)每個(gè)分級(jí)箱內(nèi)花生莢果的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定。

3.1.4 仿真結(jié)果與分析 以豫花37為離散元分級(jí)仿真研究對(duì)象，并以分級(jí)速度為因素，以不同出料口分級(jí)的花生莢果的質(zhì)量為試驗(yàn)指標(biāo)，每組進(jìn)行3次模擬試驗(yàn)取其平均值。從表3可以看出，隨著發(fā)散帶轉(zhuǎn)速的增大，每個(gè)級(jí)別的花生莢果的質(zhì)量均增大。

表3 仿真試驗(yàn)結(jié)果

從圖6可以看出，在不同發(fā)散帶分級(jí)速度下每個(gè)等級(jí)的花生莢果質(zhì)量的百分比所呈現(xiàn)的規(guī)律相似。以0.25 m/s的分級(jí)速度為例，第5級(jí)的花生莢果所占百分比最低；而隨著速度的增大，第5級(jí)花生莢果所占比例也隨之增加。通過(guò)對(duì)4個(gè)不同分級(jí)速度所得花生莢果在不同級(jí)別所占比例進(jìn)行對(duì)比，隨著分級(jí)速度增大，前3個(gè)級(jí)別的花生莢果質(zhì)量所占比例均有所降低，而第5級(jí)的差異性明顯變大，速度越大第5級(jí)的花生莢果所占比例越大，分級(jí)效果越差，而速度為0.75 m/s與 0.50 m/s 分級(jí)后的結(jié)果十分接近，綜合分選效率，故在機(jī)器實(shí)際工作過(guò)程中發(fā)散帶的分級(jí)速度選取0.75 m/s。

3.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

按仿真模型參數(shù)確定了發(fā)散帶速度的最佳參數(shù)為0.75 m/s，2021年3月25日，在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院長(zhǎng)垣分院花生機(jī)械研究室自制的發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)(圖7)，試驗(yàn)選取仿真得到的最佳參數(shù)，花生選用同一批次收獲的豫花37(試驗(yàn)使用100 kg花生莢果)。驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)，對(duì)每級(jí)花生莢果隨機(jī)選取20粒進(jìn)行幾何尺寸測(cè)量，并取每級(jí)花生莢果質(zhì)量的平均值作為百分比的基數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

從表4可以看出，分級(jí)后的花生莢果在長(zhǎng)、寬、厚3個(gè)方向上尺寸均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，花生莢果從1級(jí)到5級(jí)質(zhì)量分布先增大后降低。

表4 花生莢果分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果

將EDEM仿真試驗(yàn)在不同參數(shù)設(shè)置下的試驗(yàn)結(jié)果與同樣設(shè)置下(0.75 m/s)的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從圖8可以看出，仿真試驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果誤差較小。通過(guò)計(jì)算得出，仿真試驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果誤差最大為1.28%。產(chǎn)生誤差的原因可能是由于在仿真過(guò)程中不存在機(jī)器的振動(dòng)，而實(shí)際分級(jí)過(guò)程中由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、發(fā)散帶運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)在一定程度上會(huì)使分級(jí)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，從而對(duì)分級(jí)過(guò)程和結(jié)果造成一定影響。

4 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，仿真試驗(yàn)與驗(yàn)證試驗(yàn)從1級(jí)至5級(jí)花生莢果的分布比均呈現(xiàn)先增大后降低，其中在發(fā)散帶速度為0.75 m/s時(shí)效果分級(jí)最好，且二者之間的差異也最小。仿真試驗(yàn)預(yù)測(cè)值與驗(yàn)證試驗(yàn)相接近，說(shuō)明該模型擬合度較高，EDEM模型的可靠性高，可用于發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)的分級(jí)性能試驗(yàn)的分析與預(yù)測(cè)，該結(jié)果與薛然利用EDEM仿真試驗(yàn)對(duì)花生莢果圓筒篩分過(guò)程中顆粒分布情況結(jié)果相似。結(jié)果表明，該理論模型可以應(yīng)用于花生莢果分級(jí)參數(shù)選取及優(yōu)化。本研究中發(fā)散帶式花生莢果分選機(jī)的分級(jí)效果較好，且不存在篩孔堵塞問(wèn)題，適應(yīng)于小批量生產(chǎn)使用。

本研究設(shè)計(jì)了一種發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)，主要由發(fā)散帶、輸送帶、上料口、機(jī)架、電機(jī)、調(diào)速器等組成。

通過(guò)對(duì)河南省主要推廣的花生品種豫花37的物理特性進(jìn)行測(cè)定，花生莢果的長(zhǎng)、寬、厚的尺寸均值分別為37.86、16.38、15.29 mm，在3個(gè)方向上的標(biāo)準(zhǔn)差分別為5.131 1、1.977 6、1.956 2 mm。發(fā)散帶兩端的間隙分別為11、19mm。

利用EDEM軟件對(duì)設(shè)計(jì)的發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)進(jìn)行仿真研究，得到發(fā)散帶最佳運(yùn)動(dòng)速度為0.75 m/s時(shí)效果分級(jí)最好，且二者之間的差異也最小，此時(shí)仿真試驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果誤差最大為1.28%，該模型擬合度較高，EDEM模型的可靠性高，可用于發(fā)散帶式花生莢果分級(jí)機(jī)的分級(jí)性能試驗(yàn)的分析與預(yù)測(cè)。