基于離散元的不同轉速揉碎室內秸稈群運動規律

張 濤，劉 飛，趙滿全，麻 乾，樊 琦，閆 鵬

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

0 引言

隨著畜牧業快速發展，農牧交錯地帶飼草缺乏問題越來越嚴重。中國秸稈總產量超過7億t，可作為牲畜粗飼料的玉米秸稈資源豐富，但目前國內對玉米秸稈的開發利用率較低，大量玉米秸稈被廢棄，甚至焚燒，加工后作為牲畜粗飼料的比例較小，即浪費了資源，還嚴重污染了環境[1-3]。提高農牧交錯帶玉米秸稈飼料化利用率，將更多玉米秸稈加工作為牛、馬、羊等反芻類動物的粗飼料，不但保護了環境，還為中國“節糧型”畜牧業的發展提供了保障，以達到畜牧業“不與人爭糧、不與糧爭地”的目的[4-5]。但干玉米秸稈中粗纖維含量較高，粗蛋白含量較低，適口性較差，需要較好加工方式來提高干玉米秸稈適口性。秸稈揉碎機加工的秸稈成品類似天然草料，可提高玉米秸稈等粗飼料的適口性和利用率[6]。

現階段秸稈揉碎機具有能耗較高、效率較低的缺點，主要能量消耗部件為轉子上的錘片，優化轉子轉速可降低能量消耗。本文基于9R-60揉碎機進行離散元仿真試驗，應用EDEM離散元軟件的自定義編程接口，在顆粒添加固定力條件下，模擬了揉碎機轉子不同轉速的工作過程，分析揉碎室內秸稈顆粒的軸向速度和秸稈顆粒受到的撞擊力。本文旨在得到轉子轉速與轉子輸送性能和破碎性能的關系，以期為降低揉碎機的能量消耗提供依據。

1 試驗機型簡介

1.1 試驗機型

本文模擬的機型為9R-60型秸稈揉碎機，由喂入部件、傳動部件、鍘切部件、轉子、電機架、上機殼及下機殼組成，如圖1所示。該機型主要參數如下：

配套動力/ kW：15

外形尺寸/mm：1 800×1 050×2 100

干物料生產率/t·h-1：2～3

圖1 9R-60型秸稈揉碎機結構圖

1.2 揉碎機工作原理

9R-60型秸稈揉碎機工作時，喂入部件的喂入鏈和喂入輥將整根玉米秸稈勻速送入揉碎室內，轉子以較高速旋轉，轉子上的切刀將喂入的秸稈切割為秸稈段；在拋送葉片產生的氣流吸力作用下秸稈段向出料口運動；經過揉搓室時，轉子上的錘片對秸稈多次沖擊，使秸稈段彎折或劈裂，加工后的秸稈粗飼料由拋送葉片經出料口拋出[7-9]。

2 離散元模擬方案

2.1 離散元方法簡介

離散元方法是一種不連續的數值計算方法。該方法認為系統是由離散的個體組成，個體之間存在接觸與脫離，存在相互接觸力與能量的聯系，這些聯系為微細觀力學，可根據牛頓第二定律及力與位移的關系確定力、加速度、速度及位移之間的關系，是散體力學問題數值求解的較好方法[10]。

EDEM API(Application Programming Interface)是EDEM離散元軟件的自定義程序編程接口，利用API可以通過編寫插件來自定義接觸模型、外部耦合、顆粒工廠和顆粒體力。本文應用EDEM API 自定義了顆粒體力，用顆粒體力代替揉碎室內氣流對秸稈段的吸力[11]。

2.2 模擬方案

應用SolidWorks軟件建立9R-60型秸稈揉碎機三維模型，適當簡化與修改后導入EDEM離散元軟件，根據各部件的運動與后處理分析的不同將模型合并為轉子、殼體和顆粒工廠。揉碎機轉子的試驗轉速為1 600～2 000r/min，所以本文離散元仿真設置轉子的轉速分別為1 400、1 500、1 600、1 700、1 800、1 900、2 000、2 100、2 200r/min，做9次仿真實驗。應用離散元軟件后處理模塊，得到揉搓室內玉米秸稈顆粒群軸向速度及玉米秸稈顆粒群受到的撞擊力[12]。

2.3 物料參數設置

離散元仿真時，設置玉米秸稈顆粒與玉米秸稈顆粒、玉米秸稈顆粒與幾何體的接觸都為Hertz-Mindin(no slip)built in模型；設置玉米秸稈顆粒與喂入板的接觸為Moving Plane built in模型。應用EDEM API編寫顆粒體力插件，玉米秸稈顆粒進入揉碎室內受到10N的固定力，模擬氣流對秸稈的吸力。設置揉碎機所有部件的材料為鋼，顆粒的材料為玉米秸稈。本文設置離散元仿真材料物理參數如表1所示；根據離散元仿真標定結果物料間的接觸參數如表2所示[13-15]。

第1次追肥在春茶開采前50天，每畝茶園用尿素8～10公斤開淺溝5～10厘米施用，或表面撒施+施后淺旋耕(5～8厘米)混勻。第2次追肥在春茶結束重修剪前或6月下旬，每畝用尿素8～10公斤開淺溝5～10厘米施用，或表面撒施+施后淺旋耕(5～8厘米)混勻。

表1 仿真材料參數設置

表2 仿真材料接觸參數設置

2.4 建立玉米秸稈離散元模型

本文主要分析鍘切后秸稈段在轉子不同轉速條件下運動過程，所以玉米秸稈顆粒模型設置為圓柱形狀。根據鍘切后秸稈長度的范圍，設置秸稈顆粒的長度為43mm，半徑為7.5mm。離散元建立的秸稈段模型如圖2所示[16]。

圖2 玉米秸稈段離散元模型

2.5 設置幾何體

為了更加準確仿真轉子轉速對秸稈顆粒運動的影響，刪除了轉子前端的切刀部件；為滿足秸稈顆粒的數量，加大了顆粒工廠，加長了喂入板。設置幾何體材料全部為鋼，建立的顆粒工廠為長方體虛擬幾何體。設置轉子運動形式為定軸轉動，軸心為轉子主軸軸心，9次仿真轉速分別設置為1 400、1 500、1 600、1 700、1 800、1 900、2 000、2 100、2 200r/min。揉碎機離散元仿真模型如圖3所示[17-18]。

圖3 揉碎機離散元仿真模型

2.6 顆粒工廠設置與仿真計算

設置顆粒工廠為靜態生成，生成秸稈顆粒質量為5kg；為了模擬秸稈切段后的狀態，顆粒生成方向為固定，顆粒長軸與喂入板平行且與主軸軸心垂直。

設置仿真時間步長為3×10-5s，Rayleigh時間步長的8.72%；仿真時間為3s，每隔0.01s保存仿真數據。仿真過程：顆粒工廠生成秸稈段顆粒后落到喂入板上，輸送板將顆粒輸送到揉碎室后，顆粒受到顆粒體力作用向出料口運動，經過轉子的錘片區域時，與錘片多次撞擊后到達拋送區域，拋送版將顆粒由出料口拋出，完成仿真[19-21]。

3 仿真結果與分析

3.1 仿真結果

對離散元后處理部分仿真過程分析得到，仿真時間0.8～2s為秸稈顆粒通過揉碎機錘片的時間。所以，分析該時間段秸稈顆粒群的軸向運動速度和秸稈顆粒受到錘片與齒板的累加撞擊力。

以0.01s為間隔，將0.8～2s 時間段劃分為120個時間點，由離散元后處理軟件得到每一個時間點秸稈顆粒群的軸向速度平均值、秸稈顆粒群受到撞擊力的累加值。將所有取樣點顆粒群速度和撞擊力數值導出為CSV格式數據進行再處理與分析。計算得到仿真0.8～2s 時間段內，顆粒群軸向平均速度、最大速度和最小速度；顆粒群受到錘片和齒板撞擊力累加值的平均值、最小值、最大值(分析時，為了排除最小值與最大值的偶然性，將120個數據升序排列，最小5個值的平均值作為分析用最小值；最大5個值的平均值作為分析用最大值)。秸稈顆粒群軸向最小速度、平均速度、最大速度如表3所示；秸稈顆粒群受到累加撞擊力最小值、撞擊力平均值、撞擊力最大值如表4所示[22]。

表3 秸稈顆粒群軸向速度仿真結果

續表3

表4 秸稈顆粒群撞擊力仿真結果

3.2 顆粒群平均速度與轉子轉速曲線擬合

為得到秸稈顆粒群平均速度隨轉子轉速變化的規律，應用Origin軟件計算得到秸稈顆粒群平均速度與轉子轉速擬合曲線如圖4所示。

圖4 秸稈顆粒群平均速度與轉子轉速擬合曲線

由Origin軟件計算得到，秸稈顆粒群平均速度與轉子轉速曲線擬合方程為

y=550.29388-1.31795x+0.00119x2-

4.69629×10-7x3+6.84114×10-11x4

決定系數R2=0.917 55。

由擬合曲線得到，揉碎機轉子轉速在1 500～1 900r/min時，秸稈顆粒群平均速度較大；轉子轉速大于2 000r/min時，秸稈顆粒群平均速度較小；轉子轉速為2 100r/min時，秸稈顆粒群平均速度最小。

3.3 顆粒群最小速度、最大速度仿真結果分析

根據秸稈顆粒群軸向速度仿真結果，應用Origin軟件得到秸稈顆粒群最小速度、最大速度的點線圖如圖5所示。

圖5 秸稈顆粒群最大速度、最小速度點線圖

由秸稈顆粒群最大速度點線圖得到：轉子轉速由1 400r/min增加到1 900r/min時，秸稈顆粒群最大速度基本線性增加；轉子轉速大于2 100r/min時，秸稈顆粒群最大速度較小。轉子轉速為1 900r/min時，秸稈顆粒群最大速度最大；轉子轉速為2 100r/min時，秸稈顆粒群最大速度最小。轉子轉速小于2 100r/min時，秸稈顆粒群最大速度較大；轉子轉速為2 000r/min時，秸稈顆粒群最大速度最小。

3.4 顆粒群碰撞力平均值仿真結果分析

根據秸稈顆粒群受到碰撞力離散元仿真結果，應用Origin軟件計算得到顆粒群碰撞力平均值線性擬合如圖6所示。

圖6 秸稈顆粒群碰撞力平均值與轉子轉速線性擬合圖

由Origin軟件計算得到秸稈顆粒群碰撞力平均值與轉子轉速線性擬合方程為

y=-0.17072+0.10545x

決定系數R2=0.88364

由擬合直線得到：隨揉碎機轉子轉速的增加，秸稈顆粒群碰撞力平均值基本線性增加。

3.5 顆粒群碰撞力最值仿真結果分析

根據秸稈顆粒群碰撞力仿真結果，應用Origin軟件得到碰撞力最小值、最大值的點線圖如圖7所示。

圖7 秸稈顆粒群碰撞力最大值、最小值的點線圖

由秸稈顆粒群碰撞力最大值點線圖得到：隨轉子速度增加，碰撞力最大值基本線性增加，碰撞力最小值基本保持不變。

綜上，揉碎機轉子轉速為1 400r/min時，秸稈顆粒群通過錘片區域的速度較慢，且碰撞力較小；揉碎機轉子轉速在1 500～1 800r/min時，秸稈顆粒群通過錘片區域的速度較快，碰撞力介于中間值；揉碎機轉子轉速大于1 900r/min時，秸稈顆粒群通過錘片區域的速度較快，且碰撞力較大。

秸稈顆粒群運動速度影響揉碎機生產率；對秸稈顆粒群碰撞力累加值影響秸稈揉碎質量。所以，由離散元仿真結果分析得出，揉碎機轉子轉速大于1 900r/min時，揉碎機工作性能較好。

4 結論

1)秸稈顆粒群軸向速度平均值與轉子轉速呈4次曲線變化；轉子轉速為2 100r/min時，秸稈顆粒群平均速度最小。

2)秸稈顆粒群碰撞力平均值隨轉子轉速的增加基本線性增加。

3)揉碎機轉子轉速大于1 900r/min時，揉碎機工作性能較好。