基于DEM的谷物聯(lián)合收割機抖動板性能研究

湯慶+吳崇友+伍德林

摘要：抖動板是聯(lián)合收割機的重要組成部件，目前對抖動板鮮有研究，為了提高聯(lián)合收割機的收獲性能，降低收獲損失，采用離散元方法對某國產(chǎn)中小型聯(lián)合收割機抖動板的性能進行研究。通過離散元方法針對單隔板抖動板和雙隔板抖動板2種不同形式的抖動板進行離散元模擬仿真，得到了2種抖動板的往復作用對物料的作用過程云圖。通過統(tǒng)計網(wǎng)格統(tǒng)計得到了在X軸方向上10個分區(qū)物料顆粒的數(shù)量數(shù)據(jù)，由此得到統(tǒng)計曲線，由統(tǒng)計曲線發(fā)現(xiàn)雙隔板抖動板物料分布較單隔板抖動板均勻，更加有利于篩分作業(yè)。

關鍵詞：抖動板；離散元方法；模擬仿真；篩分

中圖分類號：S225.3；TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2017）01-0208-03

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)機械化是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。谷物聯(lián)合收獲機是收獲谷物最重要的機具，其中的清選裝置是影響收獲指標的主要部件，其作用多采用振動篩分理論，外加風場作用。對于振動篩分理論國內(nèi)外學者進行了長期的研究。

由于物料篩分考察的是物料顆粒復雜的尺寸分布以及各種操作參數(shù)下固體顆粒組成的粒子運動的綜合效應，對顆粒系統(tǒng)缺乏先進的分析和試驗技術一直阻礙著該領域的研究進展，過去對篩分性能的研究一直都是靠經(jīng)驗[1]。DEM技術為顆粒體運動研究提供了有力的方法和途徑，最初DEM技術被Cundall等用在土壤力學中致密固體模型研究[2]。通過DEM技術的發(fā)展，應用在篩分的研究成為可能，Li等利用離散元法選擇規(guī)則排列的2種粒徑的顆粒流在固定篩面上的篩分行為進行了二維模擬[3]。Cleary等對振動篩面上固定數(shù)量顆粒的篩分過程進行了三維模擬并分析了顆粒形狀對篩分效率的影響[4]。國內(nèi)，趙躍民等對振動篩面上顆粒群的篩分過程進行了二維離散元法模擬，并進行了相應的試驗驗證[5-6]。李洪昌等利用EDEM軟件，對振動篩分過程進行數(shù)值模擬[7-8]。目前的研究多集中在清選篩的分析方面，對于抖動板性能的研究鮮有報道。本試驗針對抖動板采用離散元法進行研究。

1 結構模型

抖動板是一種重要的物料輸送機構，把從凹板柵格漏下的谷粒、斷穗、碎莖稈和穎殼等脫出物連續(xù)地輸送到清選機構[9]。抖動版已被廣泛地應用于谷物聯(lián)合收割機和大中型脫粒機。

一般的風篩式清選裝置主要由清選篩、抖動板、風扇和傳動機構等組成，如圖1所示。

對于中小型的聯(lián)合收割機來說，抖動板一般與清選篩架固定或鉸接在一起，位于篩架最上層前方，隨篩架一起運動。工作時，抖動板作往復運動，谷?；旌衔锊粩嗟赜啥秳影逅屯Y面，通過風扇將谷?；旌衔锎瞪?，穎殼、細碎秸草等輕混合物被氣流帶出機外，吹不走的谷粒、長的碎秸稈和殘穗等留在篩面向后移動，谷粒在移動過程中自篩孔漏下，碎秸稈由篩后排出[10]。抖動板送往篩面的物料要盡可能均勻才有利于振動篩篩分。

本試驗研究的聯(lián)合收割機滾筒布置方式是前滾筒長度為后滾筒長度的一半，前滾筒脫粒產(chǎn)生的混合物多集中在抖動板的左側，一般采用縱向隔板來分散混合物。如圖2所示，分別采用單隔板和雙隔板2種抖動板。試驗證明，只要清選混合物呈均勻分散狀跌落篩面，就能達到滿意的氣流預清效果，即絕大部分清選物被氣流載體分離出清選室，從而極大地減輕篩面負荷，確保高質(zhì)量的篩分效率和清選性能。

2 DEM仿真

離散元方法對于農(nóng)作物物料振動篩分的研究已被多位學者證明是有效的[7-8，11]。本試驗DEM仿真采用離散元軟件EDEM進行， 通過在三維建模軟件Proe中建立抖動板的三維數(shù)字模型，采用中間格式導入到EDEM中。

選用油菜為研究材料，為簡便計算只考慮籽粒和短莖稈2種物料，而不考慮其他雜余。油菜籽粒為球形，半徑1 mm；短莖稈長30 mm，直徑5 mm。如圖3所示。物料及抖動板的力學特性見表1。各材料相互作用參數(shù)見表2。

建立如圖4所示的抖動板數(shù)值仿真模型，在抖動板上方設置顆粒工廠用以產(chǎn)生籽粒與短莖稈，在其后方設置有統(tǒng)計顆粒數(shù)量的統(tǒng)計網(wǎng)格，統(tǒng)計網(wǎng)格沿X軸方向分為10個分區(qū)，用以統(tǒng)計抖動板送往篩面的物料沿X軸的分布情況。設置顆粒工廠產(chǎn)生籽粒的速率是6 000個/s、短莖稈200個/s，模擬時間總長2 s。

3 結果分析

圖5所示為單隔板抖動板仿真過程，可以發(fā)現(xiàn)，通過隔板將抖動板分成了2個部分，產(chǎn)生的物料落入到這2個部分，由于隔板是斜向放置，物料沿著隔板向右方移動，在統(tǒng)計網(wǎng)格的第四區(qū)位置堆積較多。

圖6所示為雙隔板抖動板仿真過程，可以發(fā)現(xiàn)，通過隔板將抖動板分成了3個部分，將原有單隔板抖動板中右邊部分通過另加了1個隔板又分成2個部分，將原有在第四區(qū)上容易堆積的物料分開。

通過統(tǒng)計網(wǎng)格記錄下每個分區(qū)中落入的籽粒數(shù)和短莖稈數(shù)，通過統(tǒng)計得到如下數(shù)據(jù)，如圖7、圖8所示。由圖7可以看出，在第四區(qū)中籽粒數(shù)量多達857個，短莖稈數(shù)量也相對較多，分布均勻程度差。

由圖8可以看出，總體曲線形式相對單隔板抖動板平緩，籽粒數(shù)量最多的第六區(qū)有籽粒數(shù)544個，相對圖7中的第四區(qū)減少37%，短莖稈數(shù)量分布也相對均勻。

4 結論

通過EDEM軟件模擬仿真，可以發(fā)現(xiàn)離散元方法在抖動板研究中的可行性，可以得到定量的分析數(shù)據(jù)。本試驗通過2種抖動板的比較分析，可以看出雙隔板抖動板在物料運送的均勻性上有很大優(yōu)勢。

本試驗所得數(shù)據(jù)可以作為振動篩篩分研究的輸入數(shù)據(jù)，是篩分研究的基礎。通過研究分析，可以得到提高抖動板效率是提高清選效率的一個方法。

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