張凌峰， 張東生， 張力允， 林 靜

(陜西理工學院機械工程學院，陜西漢中 723000)

基于EDEM的洗麥機工作效率設計參數的正交分析

張凌峰， 張東生， 張力允， 林 靜

(陜西理工學院機械工程學院，陜西漢中 723000)

在小麥制粉工藝中，洗麥機已成為原麥加工中不可或缺的設備。以濕洗打擦型洗麥機為對象，在分析洗麥機內麥粒運動機理的基礎上，運用EDEM軟件對小麥顆粒在洗麥機中的運動進行模擬，通過正交試驗法對絞龍轉速、設計螺距和填充率等設計參變量進行對比，以獲得顆粒的有效停留時間和平均接觸力等凈麥參量，為洗麥機設計參數的合理選擇提供依據。

洗麥機; EDEM; 正交試驗法; 平均接觸力

洗麥過程分為干洗法和濕洗法兩種，其中，濕洗法耗水量大、清洗效果好的特點決定了高效節(jié)能是目前濕洗法亟待解決的核心問題［1］。要求在較低耗水量下保證清洗效果，麥粒在洗麥槽中停留時間和顆粒速度變化是重要的影響因素。隨著計算機三維仿真技術日益完善，特別是以EDEM為代表的DEM(離散元法)仿真的發(fā)展，實現(xiàn)了模擬麥粒在洗麥槽中真實運動過程的參數化建模，以比較不同運動和結構參數對洗麥效果的影響。

1 洗麥機內麥粒運動機理分析

圖1 洗麥機結構圖

臥式洗麥機的主體結構由洗麥槽和甩干桶構成，其結構如圖1所示。首先，麥粒在洗麥槽內部安裝的絞龍的推動作用下，依次完成預洗、擦洗和沖洗過程。其間，麥粒在絞龍葉片滑擦和麥粒間自身摩擦作用下，充分擦洗掉表面污垢和麥毛，后經沖洗，獲得凈麥粒。

打擦甩干筒主要由打板、篩筒和傳動機構等部分構成，其32塊打板以螺旋狀分布于主軸上，且打板懸臂端與主軸軸向面呈15°角，以實現(xiàn)麥粒在篩桶內水平方向運動。又根據下式:

式中mi為顆粒的質量(kg)，vi為顆粒破碎極限速度(m/s)，F(xiàn)ps為顆粒破碎力(N)，ts表示其顆粒接觸瞬態(tài)作用時間(取10-5s)。鑒于我國小麥等級標準，從《制粉師工程手冊》［2］查得:麥粒的破碎力Fps約為120 N，麥粒平均質量約為3×10-5kg，得麥粒破碎的極限速度vi約為40 m/s。則實際工況下，Φ400型篩筒的計算轉速應控制在640～1 194 r/min。

2 麥粒運動的仿真分析

2.1 建立洗麥機的三維模型

洗麥機的洗麥槽和打擦甩干筒均是在電機驅動下，通過帶輪傳動，實現(xiàn)絞龍和打板軸的工作轉動。其全部質量通過分布于軸肩處的軸承傳遞于機架。為使仿真更易于實現(xiàn)，所建立的三維模型忽略傳動和支承部件，即將洗麥機簡化為雙筒狀串聯(lián)體結構。

選擇機械建模廣泛采用的SolidWorks軟件建立三維模型，以最新節(jié)能型打擦洗麥機FDCXM-40×150×2(I)為研究對象，簡化后的洗麥機三維模型如圖2所示。

2.2 麥粒在洗麥機內運動的仿真分析

2.2.1 顆粒流仿真分析軟件EDEM簡介

EDEM是全球首個運用現(xiàn)代化的離散元素法實現(xiàn)工業(yè)生產過程中顆粒系統(tǒng)處理的模擬分析CAE軟件。其創(chuàng)造性的采用了高效的顆粒集合生成技術Particle FactoryTM，不僅彌補了傳統(tǒng)流體分析軟件在顆粒流模擬方面的不足，而且為實現(xiàn)顆粒與模型、顆粒與顆粒間的接觸力學仿真提供了可能［3］。

2.2.2 洗麥槽內麥粒的運動仿真分析

工程實際中，估算非球面物料的臨界速度時，將不規(guī)則物體通過下式化為當量球體進行計算［4］:

式中:a、b、c分別為顆粒平均粒度中的長度、寬度和厚度(mm)，取值為 a=6.2 mm，b=3.2 mm，c=2.9 mm;d為顆粒等效球體的當量粒徑(mm)。

該樣機額定處理量通過(3)式求得:

式中:Q為樣機額定處理量(t/h);D為螺旋葉片直徑(mm);P為絞龍螺距(mm);n為絞龍設計轉速(r/min);φ為填充率，φ=25% ～40%;λ為物料單位容積質量(t/m3);ε為絞龍傾斜系數。即可求得額定處理量為10～12 t/h。仿真顆粒數則根據洗麥機額定處理量和填充率進行計算［5］。

仿真分析的物料參數:小麥當量粒徑d=3.9 mm，仿真顆粒數為7 000～9 000粒/s。洗麥槽結構參數:螺旋葉片直徑D=200 mm，絞龍設計螺距100～180 mm，絞龍設計轉速200～300 r/min。

模擬的假設條件:①物料休止角、填充率不隨濕度變化;②不考慮物料的形狀;③不考慮多相流對物料運動的影響。

由于研究所涉及的設計參量均為連續(xù)值，遍歷試驗各因素組合無法實現(xiàn)?？紤]到正交試驗在研究多因素水平問題時高效性的特點，并結合仿真要求，選擇常用的L9(34)正交表安排試驗。其試驗因素水平如表1所示。

圖2 簡化后的洗麥機三維模型

表1 凈麥率試驗因數水平表

前處理:首先定義麥粒的物理屬性和接觸屬性，然后定義麥粒的幾何參數，并以.IGS格式導入已建立的三維樣機模型，最后定義系統(tǒng)的邊界約束，并使用Particle Factory工具定義顆粒工廠;求解，設定相對時間步長20%和接觸網格尺寸2 Rmin。完成仿真設置，開始仿真。后處理:測量正交表L9(34)中第1號試驗(A1，B1，C2)因素水平下的顆粒有效停留時間和平均接觸力，以.csv文件導出數據，在MATLAB中得到折線圖，如圖3所示。

圖3 顆粒的有效停留時間和平均接觸力

其中，圖3(a)反映顆粒的平均角速度隨時間的變化，區(qū)間(2.1，2.4)和(6.8，7.1)具有明顯大于區(qū)間(2.4，6.8)的角速度，由于麥粒在進入和流出洗麥槽時均為自由落體運動，故其不屬于有效停留時間?，F(xiàn)對區(qū)間(2.4，6.8)進行分析，由于有效停留時間內，麥粒在絞龍勻速推動下運動，故其平均角速度服從正態(tài)分布。通過數據處理中粗大誤差分析方法對其邊界點依次進行檢驗［6］，得區(qū)間(2.4，6.7)滿足3σ準則，并得到正態(tài)分布參數μ=276.75，σ=6.168。即麥粒的有效停留時間為4.3 s，其間，平均角速度為 276.75 r/min。

圖3(b)則反映顆粒間平均接觸力隨時間的變化。在區(qū)間(2.1，6.6)通過數據處理方法獲得正態(tài)分布參數 μ =0.064 5，σ =0.004 66，即麥粒的平均接觸力為0.064 5 N。

按因數要求，依次完成以下9組試驗，并記錄試驗結果，如表2所示。

表2 凈麥率試驗正交表

3 仿真結果處理與分析

對試驗結果的兩個指標進行分析，其中顆粒的有效停留時間決定凈麥標準。停留時間越長，絞龍葉片滑擦和麥粒間自身摩擦越充分，經沖洗后獲得的凈麥標準越高。但過長的停留時間將導致生產率降低，無法滿足實際生產要求;顆粒的平均接觸力將決定凈麥效率。麥粒在洗麥槽中運動過程是摩擦力、擠壓力和離心力等聯(lián)合作用的結果。較大接觸力反映顆粒間具有較大擠壓滑移力。在速度場中，其反映為麥粒本身具有更高的碰撞動量。在保證接觸力低于麥粒破碎力Fps的前提下，更高的平均接觸力將使得整體的麥粒流獲得更高的凈麥效率。

結合表2試驗結果，分析各因素對顆粒有效停留時間和平均接觸力的影響，結果如表3所示。

表3 凈麥率正交試驗結果分析

4 結論

(1)根據仿真模擬試驗結果，選擇糧食加工行業(yè)比較成熟的停留時間經驗公式，通過修正系數加以修正，獲得具有更高精確度的顆粒有效停留時間，為量化樣機凈麥率提供參考:

(2)根據顆粒運動過程中摩擦力、擠壓力和離心力等聯(lián)合作用的特點，絞龍的高轉速大螺距均使顆粒具有較高的動能，在摩擦、擠壓力的作用下，伴隨發(fā)生更大的能量交換，從而獲得更高的凈麥效率。低轉速和小螺距會使顆粒具有較長的停留時間和較大的表面接觸力，其對麥粒的充分擦洗有顯著作用。

(3)結合表3結果的分析，在3種不同因素中，對于停留時間影響最為顯著的是絞龍螺距P，其次是絞龍轉速n，填充率對其影響可以忽略;而對于平均接觸力，絞龍螺距P影響最為顯著。結合實際工況要求，絞龍轉速 250 r/min、螺距 140 mm、填充率 33% ～40%(A2、B2、C1，2)可以保證平均接觸力大于0.04 N的情況下，有效停留時間小于3 s。符合生產加工實際需求。雖然本仿真計算結果本身存在誤差，但其試驗結果可以為濕洗法節(jié)能高效處理提供理論和設計參考。

式中T為物料有效停留時間(s)，ε為添加修正系數，L為洗麥槽長度(mm)，P為絞龍螺距(mm)，n為絞龍轉速(rpm)，F(xiàn)為結構阻礙系數，其值根據不同的絞龍螺距P取值在1.18～1.5之間。根據表2的試驗結果，得到修正系數ε=0.85，則(4)式修正后的麥粒在洗麥槽內有效停留時間的計算公式為

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［責任編輯:魏 強］

Analysis of EDEM wheat washing machine work efficiency parameters based on orthogonal design

ZHANG Ling-feng， ZHANG Dong-sheng， ZHANG Li-yun， LIN Jing
(School of Mechanical Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，China)

In flour milling technology，wheat washing machines have become indispensable equipment in the processing of raw wheat.This study，wet-friction type wheat washing machine as the object，adopts EDEM analysis of wheat washing machine of grain movement mechanism，and simulates the movement of wheat grains in the wheat washing machine，to obtain the effective residence time and the contact force.Then orthogonal test method is applied to design parameters of dragon speed and pitch，to provide a basis for reasonable selection of design parameters for wheat washing machine.

wheat washing machine; EDEM; the orthogonal test method; the average contact force

TH226

A

1673-2944(2014)05-0011-04

2014-04-29

張凌峰(1989—)，男，河南省焦作市人，陜西理工學院碩士研究生，主要研究方向為機械強度分析與現(xiàn)代設計方法;［通信作者］張東生(1960—)，男，陜西省洋縣人，陜西理工學院教授，碩士研究生導師，主要研究方向為新型機械傳動設計。