李姣姣,賀俊林,徐福龍,王月華
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,山西 晉中030801)
胡麻,即油纖兼用型或油用型亞麻的俗稱,是中國西北和華北地區(qū)主要的油料作物,具有價值高、用途廣等特點,被多個國家種植生產(chǎn)[1]。目前我國的胡麻生產(chǎn)機械化水平不高,清選裝置作為胡麻聯(lián)合收獲機及胡麻分段收獲裝備核心部件之一,其工作性能直接影響胡麻的收獲質(zhì)量[2]。因此,提高胡麻清選裝置的效率,尤為重要。
近年來,隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,計算流體力學(xué)與離散元法已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。熊平原等[3]利用離散元軟件,構(gòu)建了適應(yīng)南方土質(zhì)環(huán)境的旋耕刀-土壤相互作用仿真模型,并對旋耕刀所受工作阻力進行研究。李洪昌等[4-5]運用CFD-DEM耦合方法對風(fēng)篩式清選裝置中物料在篩面運動進行模擬,結(jié)果表明,在一定的范圍風(fēng)機出風(fēng)口風(fēng)速增加會使物料后移速度增加,并通過試驗證明,此方法是可行的。MEKONNEN G G等[6]利用CFD流體軟件研究了不同渦旋壁位置對聯(lián)合收獲機橫流風(fēng)機流場的影響。紀海春[7]利用DEM-CFD耦合方法對氣吸式排種器排種過程進行仿真,得到不同參數(shù)組合下排種器的排種性能指標,并且與試驗得到的規(guī)律誤差較小。以上研究為計算流體力學(xué)與離散元法仿真試驗的可行性提供重要的理論依據(jù)。清選過程中脫粒物料受力復(fù)雜,通過試驗法研究胡麻在清選過程的受力仍存在欠缺,故借助離散單元法對清選過程中胡麻受力及運動狀態(tài)進行研究與分析。
基于胡麻脫出物物理特性的不同,以EDEM-Fluent耦合為手段,模擬胡麻脫粒物料在清選裝置中作業(yè)過程,分析胡麻清選裝置作業(yè)參數(shù)對清選性能的影響規(guī)律,獲得胡麻清選裝置作業(yè)參數(shù)的最佳參數(shù),為胡麻清選裝置參數(shù)選擇和優(yōu)化提供參考。
胡麻風(fēng)篩式清選裝置主要由喂料系統(tǒng)、清選系統(tǒng)、機架和電機等部件組成,樣機結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.喂料口 2.風(fēng)機 3.吊板 4.吊桿 5.機架 6.清選篩 7.支撐桿 8.連桿 9.曲柄圓盤 10.電機圖1 胡麻風(fēng)篩式清選裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of wind screen cleaning device for flax
胡麻清選裝置工作時,物料從喂料口進入到清選室,通過曲柄連桿機構(gòu)帶動清選篩做往復(fù)運動,在風(fēng)機一定氣流的作用下為清選作業(yè)提供合適的氣流場,實現(xiàn)胡麻脫粒物料的分層與分離。由于重力,胡麻籽粒和較大的雜余掉落到振動篩面上,在振動篩的作用下,再次進行清選。經(jīng)過分離和清選的籽粒落入集糧箱,蒴果殼、短莖稈與其他雜余隨氣流和清選篩的作用排出機外。在氣流和清選篩的過度作用下,小部分胡麻籽粒被排出機外,導(dǎo)致胡麻清選損失。
采用Solidworks軟件進行建模,由于受到計算機軟件處理能力限制,清選裝置仿真模型尺寸不宜過大,在保留主要的工作部件基礎(chǔ)上進行合理簡化。胡麻清選裝置簡化模型如圖2所示。
1.進風(fēng)口 2.喂料口 3.清選篩 4.清選室 5.出料口圖2 胡麻清選裝置簡化模型Fig.1 Simplified model of flax cleaning device
清選室尺寸為380 mm×100 mm×210 mm,進風(fēng)口尺寸為70 mm×100 mm,出風(fēng)口尺寸為90 mm×100 mm,篩板尺寸為320 mm×96 mm,清選篩選用方形篩孔,篩孔尺寸為10.0 mm×2.4 mm。
胡麻脫出物主要包含胡麻籽粒、蒴果、蒴果殼和短莖稈。由于蒴果極少,本研究只選取胡麻籽粒、蒴果殼和短莖稈為模擬對象。為保證清選作業(yè)過程的真實模擬,利用Solidworks軟件對胡麻脫粒物料進行實體建模(圖3),并將其導(dǎo)入EDEM軟件,用不等半徑的球體對其進行填充,直至接近于實物,其中胡麻籽粒模型由18個球形顆粒聚合而成,長、寬、厚分別為4.8 mm×2.5 mm×1.0 mm;蒴果殼模型由9個球形顆粒聚合而成,其長、寬、高分別為5.8 mm×5.6 mm×3.2 mm;短莖稈模型由19個球形顆粒聚合而成,其長、寬、高分別為16.1 mm×1.0 mm×1.0 mm。
圖3 胡麻脫粒物料離散元模型Fig.3 Discrete element model of flax threshing material
胡麻脫出物各物理特性參數(shù)及物料之間的接觸系數(shù)如表1~2所示[8-9]。
表1 物料物理特性參數(shù)
表2 材料之間接觸參數(shù)
采用EDEM2.7與FLUENT16.0版本進行耦合。在EDEM中選擇Hertz-Mindlin(no-slip)為顆粒接觸模型。設(shè)定胡麻籽粒生成速率600個/s;蒴果殼生成速率1 050個/s;短莖稈生成速率1 050個/s[10]。設(shè)置清選篩振動頻率6 Hz,振幅9 mm,振動方向角0°,時間步長設(shè)2×10-6s,數(shù)據(jù)記錄時間間隔0.01 s,仿真總時間3 s。
在FLUENT中選擇空氣作為流體,重力設(shè)置在Y軸負方向,選擇標準k-ε湍流模型進行瞬態(tài)計算。設(shè)定一個氣流入口,風(fēng)速設(shè)置為4.5 m/s,氣流傾角為4°,出口設(shè)置為壓力出口。FLUENT求解器的時間步長設(shè)置為EDEM時間步長的50倍,即為1e-04s,步數(shù)為30 000步[11]。耦合計算中,選擇歐拉-拉格朗日耦合模型。
選擇清選過程中風(fēng)機風(fēng)速、氣流傾角、振動頻率和清選篩振動幅度為4個因素,以籽粒含雜率、清選損失率為試驗指標進行單因素試驗,試驗因素水平如表3所示,分析不同工作參數(shù)組合下對清選裝置性能的影響,以獲得最優(yōu)參數(shù)組合[12-13]。
表3 試驗因素與水平
根據(jù)現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)及相關(guān)的參考文獻,選定單因素試驗如下:風(fēng)機風(fēng)速為3.5~5.5 m/s,氣流傾角為0°~8°,清選篩振動頻率為2~10 Hz,清選篩振動幅度為7~15 mm。進行仿真試驗時,選用以下作業(yè)參數(shù)組合:風(fēng)機風(fēng)速為4.5 m/s,氣流傾角為4°,清選篩振動頻率為6 Hz,清選篩振幅為9 mm。每組仿真試驗固定其中3個因素,探究上述4個單因素對清選裝置性能的影響規(guī)律。單因素試驗結(jié)果如圖4所示。
由圖4a分析可知,隨著風(fēng)速的提高,胡麻籽粒含雜率整體呈下降趨勢,清選損失率整體呈上升趨勢。當(dāng)風(fēng)速為3.5~4.5 m/s,籽粒含雜率隨風(fēng)機風(fēng)速增大,下降幅度較大,當(dāng)風(fēng)速為4.5~5.5 m/s,籽粒含雜率隨風(fēng)機風(fēng)速增大,下降幅度較平緩;當(dāng)風(fēng)速為3.5~5.5 m/s,隨風(fēng)機風(fēng)速提升胡麻清選損失率平緩上升。由圖4b分析可知,隨著氣流傾角的提高,胡麻籽粒含雜率呈現(xiàn)先下降再上升趨勢,胡麻清選損失率呈現(xiàn)平緩下降趨勢。由圖4c分析可知,隨著清選篩振動頻率的提高,胡麻籽粒含雜率呈現(xiàn)先平緩下降后平緩上升趨勢,影響不明顯,胡麻清選損失率呈現(xiàn)上升趨勢。由圖4d分析可知,當(dāng)清選篩振幅在7~15 mm,隨清選篩振幅參數(shù)提高,胡麻籽粒含雜率整體呈現(xiàn)下降趨勢,對于胡麻清選損失率,整體呈現(xiàn)勻速上升趨勢。
圖4 單因素試驗結(jié)果Fig.4 Single factor test results
綜上所述,風(fēng)機風(fēng)速4.0~5.0 m/s,氣流傾角2°~4°,清選篩頻率4~8 Hz,清選篩振幅7~11 mm是胡麻清選裝置較優(yōu)的作業(yè)參數(shù),此參數(shù)不僅保證較低的胡麻籽粒含雜率,還得到較低的胡麻清選損失率。
4.2.1試驗設(shè)計
為進一步尋求胡麻清選裝置清選作業(yè)參數(shù)最優(yōu)組合,以風(fēng)機風(fēng)速、氣流傾角、清選篩振動頻率及振幅為試驗因素,用x1、x2、x3和x4表示,以籽粒含雜率、清選損失率為清選性能指標,用y1、y2表示,開展胡麻清選裝置作業(yè)參數(shù)4因素3水平正交試驗,試驗因素水平編碼如表4所示,正交試驗與結(jié)果如表5所示[14]。
表4 試驗因素編碼
表5 正交試驗與結(jié)果
4.2.2回歸模型與分析
應(yīng)用Design-Expert軟件對籽粒含雜率y1與清選損失率y2進行回歸模型方差分析,如表6~7所示,分別獲得y1與y2的二次回歸模型:
y1=3.16-0.20x1-0.14x2-0.91x3-0.16x4
-0.15x1x2-0.11x1x3-0.007 5x1x4-0.048x2x3
-0.15x2x4-0.1x3x4+0.73x12+0.13x22+0.17x32
+0.50x42
(1)
y2=2.82+0.63x1+0.20x2+0.28x3-0.043x4+0.33x1x2-0.090x1x3+0.28x1x4+0.28x2x3
+0.050x2x4-0.065 1x3x4+0.23x12-0.19x22-0.051x32+0.058x42
(2)
由表6可知,胡麻籽粒含雜率y1回歸模型P<0.000 1,表明回歸模型顯著性極高;失擬項P>0.05,失擬項不顯著,說明二次回歸模型擬合效果好。其中在籽粒含雜率回歸模型中一次項x1、x2、x3和x4對籽粒含雜率影響均極顯著;二次項x12、x42對籽粒含雜率影響均極顯著;交互項x1x2、x2x4對籽粒含雜率影響達顯著。根據(jù)回歸模型各因素影響程度的大小,得到各因素影響程度主次順序為x3、x1、x4和x2。
表6 胡麻籽粒含雜率方差分析
表7 清選損失率方差分析
4.2.3最佳參數(shù)選擇
根據(jù)正交試驗結(jié)果和回歸模型可知,胡麻籽粒含雜率最優(yōu)參數(shù)組合為風(fēng)機風(fēng)速4.48 m/s、氣流傾角4.3°、清選篩振動頻率7.6 Hz、清選篩振幅10.1 mm;胡麻清選損失率最優(yōu)參數(shù)組合為風(fēng)機風(fēng)速4.04 m/s、氣流傾角4.9°、清選篩振動頻率5.1 Hz、清選篩振幅10.5 mm。利用Design-Expert軟件進行響應(yīng)面優(yōu)化分析,在綜合考慮清選作業(yè)參數(shù)對清選性能影響的基礎(chǔ)上,得到最佳清選工作參數(shù):風(fēng)機風(fēng)速4.5 m/s、氣流傾角4°、清選篩振動頻率6 Hz、清選篩振幅9 mm。在最佳清選參數(shù)組合下,胡麻籽粒含雜率為2.97%,清選損失率為2.39%。
(1)針對目前胡麻清選過程籽粒含雜率和清選損失率較高的問題,設(shè)計了胡麻風(fēng)篩式清選裝置,完成了該系統(tǒng)的運動分析,為胡麻清選裝置的設(shè)計與優(yōu)化提供參考。
(2)基于EDEM-Fluent耦合,進行了單因素試驗和正交試驗,得到胡麻籽粒含雜率與清選損失率的數(shù)學(xué)回歸模型及最優(yōu)參數(shù)組合,胡麻籽粒含雜率最優(yōu)參數(shù)組合:風(fēng)機風(fēng)速4.48 m/s、氣流傾角4.3°、振動頻率7.6 Hz、振幅10.1 mm;胡麻清選損失率最優(yōu)參數(shù)組合為:風(fēng)機風(fēng)速4.04 m/s、氣流傾角4.9°、振動頻率5.1 Hz、振幅10.5 mm。
(3)利用Design-Expert軟件,對清選裝置作業(yè)參數(shù)進行優(yōu)化,得到最佳清選工作參數(shù):風(fēng)機風(fēng)速4.5 m/s、氣流傾角4°、清選篩振動頻率6 Hz、清選篩振幅9 mm。在最佳清選參數(shù)組合下,胡麻籽粒含雜率為2.97%,清選損失率為2.39%。