張 艦，劉凡一，陳 軍

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100 )

0 引言

清選裝置作為谷物清選機(jī)和谷物聯(lián)合收割機(jī)的核心工作部件之一，其工作性能的好壞直接影響著設(shè)備的整機(jī)工作性能[1]。目前，清選機(jī)械普遍采用風(fēng)篩式清選裝置，由清選風(fēng)機(jī)和振動(dòng)清選篩兩部分組成。當(dāng)物料進(jìn)入清選裝置后，會(huì)在氣流的風(fēng)選作用和篩面的篩選作用下完成物料的分層和透篩，具有清潔度高、清選損失率小及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在谷物分層清選過(guò)程中，振動(dòng)清選篩作為清選裝置的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于清選裝置的正常﹑穩(wěn)定及高效運(yùn)行有著較大影響。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在散體物料領(lǐng)域，離散元法數(shù)值模擬已成為除理論分析與試驗(yàn)之外的一種重要研究手段。基于此，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開(kāi)展了一系列關(guān)于清選裝置振動(dòng)篩分過(guò)程的仿真模擬研究。Akbar Safari等人[2]對(duì)振動(dòng)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(dòng)方向角等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響。GaryW.Delaney等人[3]利用仿真方法結(jié)合試驗(yàn)方法研究了顆粒模型(球形與非球形)對(duì)于篩分行為的影響，發(fā)現(xiàn)球形顆粒不能正確模擬復(fù)雜粒形情況下的實(shí)際篩分過(guò)程。李洪昌等人[4]利用EDEM軟件對(duì)物料在不同運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)(振幅﹑頻率﹑振動(dòng)方向角)條件下的透篩效率與清選損失率進(jìn)行了模擬研究和分析，并得到了最佳運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)組合。王立軍等人[5]采用CFD-DEM耦合方法，對(duì)玉米收獲機(jī)貝殼篩篩孔長(zhǎng)度、篩孔縱向間距及篩孔高度進(jìn)行優(yōu)化，得到不同試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度并獲得了最佳參數(shù)組合。趙啦啦等人[6-7]模擬了入料粒度和篩面操作條件對(duì)于物料群運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和篩分效率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)難篩顆粒含量為25%、易篩顆粒為10%時(shí)，穩(wěn)定狀態(tài)下的篩分效率減幅變緩。

在現(xiàn)有研究中，有關(guān)專家學(xué)者就物料性質(zhì)(粒度﹑干濕度等)﹑振動(dòng)篩操作條件等因素對(duì)于篩分效果的影響進(jìn)行了較多研究，但關(guān)于篩面結(jié)構(gòu)參數(shù)﹑物料形狀等對(duì)篩分效果的影響研究較少。在實(shí)際工作環(huán)境中，篩面結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變及物料粒形的差異可能會(huì)對(duì)篩分作業(yè)產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而影響透篩效率與篩下物產(chǎn)品質(zhì)量。篩面結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括篩面長(zhǎng)度與寬度﹑篩孔形狀﹑篩孔尺寸、篩面的開(kāi)孔率、篩面的材料等[8]。在這些參數(shù)中，篩面長(zhǎng)度與寬度主要由收割機(jī)內(nèi)部空間決定，篩孔形狀普遍為圓形和方形，而篩孔尺寸的選擇主要由物料特性決定。因此，本文選取篩孔形狀﹑篩面開(kāi)孔率及物料粒形3個(gè)因素進(jìn)行研究。利用EDEM軟件分別模擬物料在開(kāi)孔率不同的圓形和方形沖孔篩面上的篩分過(guò)程及3種典型農(nóng)業(yè)物料粒形混合顆粒群的篩分過(guò)程，得到了這些因素對(duì)于篩分效率的影響，為清選裝置振動(dòng)清選篩的設(shè)計(jì)和研制提供了理論支持和參考依據(jù)。

1 篩分接觸模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 接觸模型

接觸模型用來(lái)描述單元之間的接觸行為，是離散元法模擬的基礎(chǔ)。本文模擬仿真選用EDEM軟件中的Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型。該模型法向力與切向力分量分別依據(jù)Hertz理論(1949)和Mindlin-Deresiwicz理論(1952)確定，并通過(guò)接觸獨(dú)立定向恒轉(zhuǎn)矩模型來(lái)表征滾動(dòng)摩擦因數(shù)，可以準(zhǔn)確地描述碰撞過(guò)程。

1.2 篩分效率

篩分效率是評(píng)價(jià)篩子工作性能的一個(gè)重要指標(biāo)。篩分效率通常定義為篩下產(chǎn)物的質(zhì)量與原物料中所含小于篩孔尺寸的粒級(jí)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。理想狀態(tài)下，當(dāng)粒徑不同的顆?；旌象w進(jìn)入篩面后，比篩孔小的顆粒都能透過(guò)篩孔成為篩下物，大于篩孔的顆粒則都成為篩上物。而實(shí)際的篩分效率不可能達(dá)到理想狀態(tài)，總有一部分篩下物會(huì)留在篩上，形成不完全篩分。所以，篩分效率可以有效反映篩分作業(yè)的完全程度。本文將采用穩(wěn)定狀態(tài)下篩下物中小麥質(zhì)量與入料物料中小麥總質(zhì)量的比值作為清選篩的篩分效率，并利用篩分效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)清選篩篩分效果，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化篩分提供參考。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 清選裝置與篩面模型

清選裝置仿真模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于本文主要是研究篩面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于篩分效果的影響，為提高計(jì)算機(jī)仿真效率，選用單層篩面。清選裝置振動(dòng)篩長(zhǎng)度700mm，寬度為450mm，篩面總面積0.315m2，尾篩長(zhǎng)度250mm，寬度450mm。

圖1 清選裝置仿真模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

谷物聯(lián)合收割機(jī)振動(dòng)清選篩篩面主要有編織篩﹑魚(yú)鱗篩及沖孔篩3種。由于沖孔篩具有篩孔分布明確﹑篩面易加工及篩分精度高等特點(diǎn)，常被用作清選裝置的上篩或下篩，具有較高普及度。因此，本文選擇沖孔篩作為研究對(duì)象，篩孔選擇圓形與方形兩種孔型，并結(jié)合實(shí)際農(nóng)業(yè)物料(此處為小麥)特性及對(duì)比分析的需要，虛擬試驗(yàn)中篩孔尺寸分別設(shè)為直徑10mm、邊長(zhǎng)10mm，篩板上篩孔按菱形排布。振動(dòng)篩篩板模型如圖2所示。

圖2 振動(dòng)篩篩板模型

2.2 脫出物模型構(gòu)建與參數(shù)選擇

麥穗經(jīng)脫粒作業(yè)后排到篩面上的脫出物成分主要包含籽粒﹑短莖稈﹑穎殼及灰塵等。在虛擬試驗(yàn)中，篩分模擬對(duì)象通常只選取其中的小麥籽粒和短莖稈，而不考慮其他成分。根據(jù)實(shí)際脫出物中小麥籽粒與短莖稈物理特性，利用小球顆粒填充方法構(gòu)建脫出物仿真模型。小麥脫出物及其模型如圖3所示。其中，小麥籽粒為橢球形，長(zhǎng)軸6mm，短軸3mm，短莖稈長(zhǎng)度28mm，內(nèi)徑4mm，外徑4.5mm。

圖3 小麥籽粒﹑短莖稈實(shí)體及其模型

本文采用EDEM 2.7對(duì)振動(dòng)篩分過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，材料力學(xué)特性參數(shù)表如表1所示，材料間接觸參數(shù)如表2所示[4,9]。清選篩篩面傾角為4°，振幅40mm，振動(dòng)方向角35°，頻率5Hz，顆粒工廠高度均為250mm，物料下落速度0.1m/s，小麥籽粒產(chǎn)生速率為5 000個(gè)/s，短莖稈為250個(gè)/s，顆粒生成時(shí)間4s，仿真總時(shí)長(zhǎng)13s，時(shí)間步長(zhǎng)為雷利時(shí)間步長(zhǎng)的25%。

表1 材料力學(xué)特性

表2 材料間接觸屬性參數(shù)

2.3 不同開(kāi)孔率下圓孔篩﹑方孔篩的篩分效率

開(kāi)孔率是指開(kāi)孔面積與篩面總面積的比值，又稱有效面積系數(shù)。一般情況下，當(dāng)篩面開(kāi)孔率較小時(shí)，物料會(huì)在篩面形成堆積，影響物料的分層與透篩；隨著開(kāi)孔率增大，物料的透篩能力變強(qiáng)，物料處理能力也越強(qiáng)。但是，在實(shí)際情況中并非開(kāi)孔率越大清選效果就越好，因?yàn)楫?dāng)開(kāi)孔率增大到某一值時(shí)，篩面機(jī)械強(qiáng)度降低，同時(shí)籽粒清潔率也會(huì)變低，進(jìn)而影響振動(dòng)清選篩壽命和篩下物產(chǎn)品質(zhì)量。因此，選擇適當(dāng)?shù)暮Y面開(kāi)孔率對(duì)于篩分作業(yè)非常必要，對(duì)于提高清選效果具有實(shí)際意義。

在研究篩面開(kāi)孔率對(duì)篩分效果的影響時(shí)，虛擬試驗(yàn)中清選振動(dòng)篩篩面開(kāi)孔率共選取30%～70%間的5個(gè)不同開(kāi)孔率，間隔按10%遞增。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到篩分過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的篩分效率，如表3﹑表4所示。根據(jù)表3﹑表4試驗(yàn)結(jié)果繪制不同篩面開(kāi)孔率下的方孔篩﹑圓孔篩的篩分效率曲線，如圖4所示。

表3 不同開(kāi)孔率下方孔篩的篩分效率

Table 3 Screening efficiency of square-aperture screen possessing various opening percentage of screening surface

篩面開(kāi)孔率/%篩分效率/%3094.964097.035098.286098.897099.35

表4 不同開(kāi)孔率下圓孔篩的篩分效率

Table 4 Screening efficiency of round-aperture screen possessing various opening percentage of screening surface

篩面開(kāi)孔率/%篩分效率/%篩面開(kāi)孔率/%篩分效率/%3095.794098.455099.226099.527099.68

圖4 不同開(kāi)孔率下的方孔篩﹑圓孔篩的篩分效率曲線

由圖4可知：隨著篩面開(kāi)孔率的增大，物料在圓孔篩與方孔篩上的篩分效率均逐漸提高。其中，方孔篩的篩分效率在94.96%～99.35%之間，圓孔篩的篩分效率在95.79%～99.68%之間。在相同的篩面開(kāi)孔率下，當(dāng)篩分過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，圓孔篩的篩分效率略高于方孔篩的篩分效率。由圖4可知：當(dāng)篩面開(kāi)孔率在60%以下時(shí)，開(kāi)孔率對(duì)于篩分效率的影響顯著；反之，開(kāi)孔率對(duì)于篩分效率的影響較小。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)篩分時(shí)間達(dá)到6.5s之后，篩面上不再有小麥籽粒殘留，根據(jù)EDEM軟件統(tǒng)計(jì)0～6.5s內(nèi)數(shù)據(jù)，利用MatLab軟件根據(jù)表5﹑表6數(shù)據(jù)繪制不同篩分時(shí)刻方孔篩﹑圓孔篩篩下物中小麥籽粒質(zhì)量分布曲面，如圖5﹑圖6所示。

圖5 方孔篩篩下物中小麥籽粒質(zhì)量變化曲面圖

圖6 圓孔篩篩下物中小麥籽粒質(zhì)量變化曲面圖

由圖5﹑圖6可知：在相同篩面開(kāi)孔率下,方孔篩與圓孔篩篩下物中小麥籽粒質(zhì)量隨時(shí)間變化上升趨勢(shì)呈波浪形，直到篩分過(guò)程結(jié)束。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：在6.5s左右時(shí)，小顆粒完全透過(guò)篩面，物料運(yùn)動(dòng)基本穩(wěn)定。

2.4 復(fù)雜粒形農(nóng)業(yè)物料在圓孔篩﹑方孔篩上的篩分試驗(yàn)與結(jié)果分析

在篩分作業(yè)中，進(jìn)入篩面的物料顆粒形狀多是不規(guī)則的，在不考慮顆粒間粘結(jié)作用前提下，球形和立方體形狀的顆粒比針片狀顆粒更易于篩分。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，小麥﹑玉米﹑大豆作為3種最常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)物料，有著截然不同的粒形。因此，為了研究顆粒粒形對(duì)于篩分效果的影響，選擇這3種典型農(nóng)業(yè)物料粒形作為研究對(duì)象，具有代表性。根據(jù)實(shí)際物料情況構(gòu)建離散元模型，玉米形﹑大豆形顆粒實(shí)體及其仿真模型如圖7所示。其中，玉米形顆粒為馬齒形，高度6mm,厚度3mm；大豆形顆粒為球形，直徑6mm。

圖7 玉米﹑大豆顆粒實(shí)體及其仿真模型

在模擬試驗(yàn)中，3個(gè)顆粒工廠顆粒產(chǎn)生速率均為2 000個(gè)/s，顆粒生成時(shí)間3s，仿真總時(shí)長(zhǎng)10s,模擬篩面開(kāi)孔率為60%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到復(fù)雜粒形物料在圓孔篩﹑方孔篩上達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的篩分效率，如表5所示。

表5 復(fù)雜粒型物料在圓孔篩﹑方孔篩上的篩分效率

Table 5 Screening efficiency of materials with complex particle shape on round-aperture screen and square-aperture screen

粒形類型顆粒數(shù)占比圓孔篩的篩分效率E1/%方孔篩的篩分效率E2/%E1-E2/%小麥形1/399.7798.651.12

續(xù)表5

由表5中的模擬試驗(yàn)結(jié)果可知：圓孔篩上小麥形(橢球形)顆粒的篩分效率高于大豆形(球形)與玉米形(馬齒形)的篩分效率。其中，小麥形顆粒的篩分效率最高為99.77%，玉米形顆粒的篩分效率最低僅為94.65%，大豆形顆粒的篩分效率為98.61，總篩分效率97.69%。相同開(kāi)孔率下，方孔篩上小麥形(橢球形)顆粒的篩分效率同樣高于大豆形(球形)與玉米形(馬齒形)的篩分效率。其中，小麥形顆粒的篩分效率最高為98.65%，玉米形顆粒的篩分效率最低為91.98%，大豆形顆粒的篩分效率為97.94，總篩分效率95.99%。因此，顆粒粒形對(duì)于篩分效果的影響有著很大關(guān)系。

由表5的試驗(yàn)結(jié)果可知：相同形狀的顆粒在圓孔篩上的篩分效率均高于方孔篩上的篩分效率，說(shuō)明這3種粒形顆粒更容易透過(guò)圓孔篩；小麥形顆粒﹑大豆形顆粒﹑玉米形顆粒在兩種篩面上的篩分效率差分別為1.12%﹑0.67%﹑2.67%，總篩分效率差為1.7%。由此可見(jiàn)，篩孔形狀對(duì)于玉米形顆粒的篩分效果影響最大，小麥形顆粒次之，大豆形顆粒最小。

3 結(jié)論

1)篩面開(kāi)孔率對(duì)于篩分效果有著重要影響。當(dāng)篩面開(kāi)孔率相同時(shí)，圓孔篩的篩分效率明顯高于方孔篩的篩分效率。圓孔篩和方孔篩的篩分效率都隨著篩面開(kāi)孔率的增加而逐漸增大，當(dāng)開(kāi)孔率在60%以下時(shí)，篩面開(kāi)孔率對(duì)篩分效率影響顯著，反之影響程度較小。

2)在開(kāi)孔率相同時(shí)，篩下物中小麥籽粒質(zhì)量隨時(shí)間變化上升趨勢(shì)呈波浪形，在6.5s時(shí)小顆粒完全透過(guò)篩面，物料運(yùn)動(dòng)基本穩(wěn)定。

3)當(dāng)小麥形顆粒﹑大豆形顆粒﹑玉米形顆粒的顆粒產(chǎn)生數(shù)目相等時(shí)，在兩種篩面進(jìn)行篩分試驗(yàn)，小麥形顆粒篩分效率最高，大豆形顆粒篩分效率其次，玉米形顆粒篩分效率最低。

4)相同形狀的顆粒在圓孔篩上的篩分效率均高于方孔篩上的篩分效率，說(shuō)明這3種粒形顆粒更容易透過(guò)圓孔篩。另外，篩孔形狀對(duì)于玉米形顆粒的篩分效果影響最大，小麥形顆粒次之，大豆形顆粒最小。