基于EDEM的攪拌式糧食烘干筒倉攪拌均勻性研究

中圖分類號：S226.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0241-06

Abstract：Aimingattheproblemshighcostlongresearchdevelopmentperiodequipmentstirringeffectevaluation underdiferentdesignmovementparametersstiredgraindryingsilo，inordertindthebestdesignmotionparameters thestirred graindryingsilostiringdevice，basedonthetheoreticalstudytheforce motionasingle grainparticleunder theactionaspiralagitator，themulti-sphereclustermethodwasusedtoestablishamulti-sphereparticlemodelriceparticles onthebasisthemeasuredthreedimensionaldimensionsriceparticles，thesinglefactordiscreteelement simulationanalysisscrewagitatorspeedpitchonmixinguniformitywascarriedoutbyusing thediscreteelement simulationstwareEDEM.Theresultsshowedthatthehigher therotationalspeedthespiralagitator，thebeterthe uniformity，thebetertheuniformitycouldbeimprovedbyincreasing thepitchinacertainrange.Comprehensive analysis shows that when the spiral agitator speed is 30r/min the pitch is 110mm ，the minimum stirring variation coefcient isO.1.Theaccracythesimulationresultswasverified bytheprototypetest.Theresultsshowed thatwhen the screw agitator speed was 30r/min the pitch was 110mm ，thestirringuniformitywas higher， thedrying efficiency was increased by 25% compared with the original parameter combination.

Keywords：rice particles；dry；spiral agitator；mixing uniformity；discrete element method；EDEM stware

0 引言

國糧食作物的 1/4 。據國家統計局數據，2024年我國稻谷產量高達 2. 08×10⁵ kt。剛收獲的稻谷含水率較高，必須通過干燥處理將其水分降低至安全水分以下稻谷是我國主要的糧食作物之一，播種面積占全才能進行儲藏，若干燥不及時或者干燥后水分達不到要求，就會發芽霉變，造成浪費[1]

隨著我國農業機械化水平的提高，各類烘干設備不斷發展，稻谷的干燥方式也呈現出多樣性，包括熱風干燥、低溫真空干燥、紅外輻射干燥等。實際生產中，為滿足成本低廉和大批量烘干處理需求，主要的干燥方式仍是熱風干燥[2。其中，以大型塔式混流糧食烘干機的應用最為廣泛。

目前，對糧食烘干設備的研究主要集中在大型塔式混流糧食烘干機。段二亞3通過Fluent軟件分析了糧食干燥介質的溫度、速度、濕度和糧食干燥的時間對干燥過程的影響，以及糧食干燥機中角狀盒的位置、數量和截面形狀對干燥過程的影響。駱恒光等4基于變徑角狀管，建立了稻谷在干燥段內流動速率比的理論表達。陳正發5采用三維激光掃描技術準確全面地提取稻谷顆粒三維尺寸，通過EDEM軟件分析得出了稻谷在四向通風干燥段內的流動特性。Nattapol等[6]通過試驗對稻谷的熱風干燥特性進行研究，并論述了緩蘇環節的重要作用。Weigler等8通過EDEM軟件并結合高速攝影圖像處理技術，對稻谷顆粒在糧食干燥機中的流速分布情況及其在各個區域的下落及停留時間等進行分析。

攪拌式糧食烘干筒倉中的攪拌裝置可以使上、下層的糧食充分混合，因此攪拌式糧食烘干筒倉能夠解決傳統塔式混流糧食烘干機稻谷流動換向單一、受熱不均和稻谷整體干燥均勻性較差的問題[9]。在糧食攪拌裝置研究方面，張來林等[10設計一種用于處理結霜糧層的翻糧機，并重點研究了使用翻糧機對倉儲糧品質的影響，結果表明，與人工作業相比，該機能改善糧堆通透性、消除結霜層、提高工作效率。靳航嘉等[11]建立了攪拌翻糧機的關鍵參數計算模型，由此計算出適用于不同糧食物料的參數匹配關系。潘愛瓊等[12]針對我國現有翻糧機自動化程度低的問題，設計了一種全自動的履帶式翻糧機，并對絞龍翻糧機構的直徑、螺距進行了計算。綜上，目前對糧食攪拌翻動裝置的研究多停留在理論計算與設計上，缺少對攪拌過程中內部糧食顆粒攪拌均勻性的研究。

基于此，本文以稻谷顆粒三維尺寸為基礎，通過多球叢聚法建立稻谷顆粒的離散元模型，利用EDEM軟件對稻谷顆粒在攪拌式烘干筒倉內的攪拌均勻性進行仿真研究，分析探討螺旋攪拌器的自轉速度和螺距對稻谷顆粒混合程度的影響，以期為后期攪拌式糧食烘干筒倉攪拌裝置的優化設計提供參考，對提高稻谷熱風干燥品質及減少糧食損失具有重要意義。

1攪拌裝置結構與工作原理

攪拌裝置由斜齒輪減速電機、倉頂連接裝置、行走梁、減速電機平衡管、減速電機、大小帶輪、固定板、電機安裝板、螺旋攪拌器、滾輪等組成，如圖1所示。

圖1攪拌裝置結構示意圖

Fig.1Structure diagram mixing device1.斜齒輪減速電機2.倉頂連接裝置3.行走梁4.減速電機平衡管5.減速電機6.帶輪7.穩定臂8.電機安裝板9.螺旋攪拌器10.滾輪

攪拌作業過程中，行走梁由斜齒輪減速電機驅動，在末端滾輪的配合下沿筒倉內壁上的環形軌道行走。減速電機插裝在電機固定板上，兩塊電機固定板除自身夾緊固定在行走梁上外，同時依靠底部的穩定臂安裝在減速電機平衡管上，防止攪拌過程發生位移。螺旋攪拌器在減速電機的帶動下轉動，通過大小帶輪和皮帶改變其轉速。谷堆內部的稻谷通過螺旋葉片向上輸送至谷堆外部進行攪拌，待鼓風干燥階段和緩蘇階段完成后，斜齒輪減速電機斷電，攪拌裝置停止工作。

2 EDEM仿真模型建立

2.1攪拌裝置仿真模型建立

由于實際攪拌裝置中螺旋攪拌器長度較長且計算機算力有限，在有限時間內無法按照實際的螺旋攪拌器長度跟稻谷顆粒裝機量完成模擬，因此，截取螺旋攪拌器部分長度進行模擬。在SolidWorks中建立螺旋攪拌器的簡化三維模型，只保留核心結構。同時，根據所截取螺旋攪拌器的長度和實際外徑的大小建立圓柱形開口容器，螺旋攪拌器處于容器中心位置，保存為igs格式，導人到EDEM軟件中。另將導人的螺旋攪拌器螺桿與葉片通過前處理器中的MergeGeometry功能合并為一個整體，便于材料屬性的設置。

2.2稻谷三維模型建立

顆粒模型與實物的接近程度是影響仿真效果的重要因素之一，在建模時應盡可能逼近實物的形狀與大小。軸向尺寸法是常用的表示農業物料形狀與大小的方法之一，該方法適用于尺寸較小的農業物料，如稻谷等。因此，選擇用軸向尺寸法通過長、寬、厚3個軸向尺寸來表示稻種顆粒的形狀和大小[13]。選用江蘇普遍種植的水稻品種“南粳9108\"作為試驗樣本，隨機選取100粒去芒粒徑均勻的稻谷，利用測量精度為0.02mm 的游標卡尺測量稻谷顆粒的三軸尺寸，尺寸參數如表1所示。

表1稻谷顆粒的三軸尺寸Tab.1Triaxial dimensions rice grains mm

稻谷顆粒可以近似看作橢球體，而EDEM軟件中顆粒模型的基本單位為圓球，故采用多球叢聚法建立稻谷幾何模型，由直徑為 0.65～1.5mm 的7個圓球堆積而成，稻谷顆粒模型如圖2所示[14]。

圖2稻谷顆粒模型 Fig.2Grain model rice

2.3材料接觸模型與物料顆粒參數

材料接觸模型的選擇是進行離散元仿真的關鍵步驟。考慮到剛收獲的稻谷顆粒表面含水量少且顆粒之間沒有明顯的黏結作用和團聚現象，屬于常規的顆粒間接觸作用，所以在螺旋攪拌器對稻谷顆粒攪拌的仿真研究中，稻谷顆粒與稻谷顆粒、稻谷顆粒與螺旋攪拌器幾何體之間的接觸模型均采用Hertz-Mindlin（noslip）力學接觸模型。設置幾何體材料為不銹鋼SU304，與實際幾何體材料一致，查閱相關文獻[15-17]可得，材料本征參數與材料間接觸參數如表2和表3所示。

表2材料本征參數Tab.2Material intrinsic parameter

表3材料間接觸參數 Tab.3 Contactparameters betweenmaterials

3 仿真試驗與分析

3.1 仿真試驗設計

仿真試驗開始前，在SolidWorks中建立一個外徑比圓柱形開口容器內徑略小、內徑比螺桿直徑略大的幾何體，保存為igs格式后導入EDEM軟件中，設置于螺旋攪拌器頂端作為顆粒工廠。顆粒大小服從正態分布，在顆粒工廠中將稻谷顆粒的生成方式設置為動態生成，生成位置隨機。為加快稻谷顆粒生成速度，設置顆粒下落的速度為 -2m/s ；設置顆粒總數為170000個，顆粒生成速率為2575個/s，當所有顆粒生成完畢后螺旋攪拌器開始旋轉。Rayleigh時間步長為 30% ，總仿真時間設置為 160s 。同時，以最小顆粒尺寸的3倍為基礎網格尺寸，對幾何模型整體進行網格劃分，共計1 447200個網格。

3.2 仿真試驗指標

仿真完成后，在EDEM后處理模塊中將稻谷顆粒層下層顆粒標記為黃色，上層顆粒標記為紅色，設置GridBinGroup網格，將仿真區域劃分為 5×5×20 共計500個網格體，剔除個數較少的網格，以保證網格的有效性。通過分析計算稻谷顆粒混合的變異系數來反映稻谷顆粒混合均勻與否。變異系數越小，離散程度越高，稻谷顆粒混合越均勻，其計算如式 （1）～ 式（3）所示。

其中 X+Y （204

式中： X ——黃色稻谷顆粒的總數量；Y 紅色稻谷顆粒的總數量；Z 稻谷顆粒的總數量；x_i （204號 第 i 個網格內黃色稻谷顆粒的數量；y_i 第 i 個網格內紅色稻谷顆粒的數量；z_i 第 i 個網格內稻谷顆粒的總數量；a_i 第 i 個網格中黃色稻谷顆粒所占比例；A- 黃色稻谷顆粒的總數量占稻谷顆粒總數量的比例；ε_i （204號 第i個網格內的混合均勻度；n 統計網格的數量； 混合均勻度的平均值；S 黃色稻谷顆粒的標準差；C （2 變異系數。

3.3攪拌單因素仿真試驗與結果分析

對稻谷顆粒的運動產生關鍵影響作用的因素為螺旋攪拌器的自轉速度與葉片螺距[18]

3.3.1螺旋攪拌器轉速對攪拌均勻性的影響

為研究螺旋攪拌器轉速對攪拌效果的影響，在65mm 螺距下，螺旋攪拌器轉速為 15r/min.30r/min. 45r/min 的攪拌過程進行仿真分析。 70～160 s為螺旋攪拌器的攪拌過程，整個過程持續 90s ，如圖3所示，分別截取不同轉速下， 92.5s，115s，135.5 s和160s時刻稻谷顆粒的分布情況。

圖3不同螺旋攪拌器轉速下稻谷顆粒的分布圖

圖4為螺旋攪拌器轉速為 15r/min.30r/min. 45r/min 時，稻谷顆粒的平均角速度隨時間的變化情況。螺旋攪拌器轉速為 15r/min，30r/min，45r/min 時對應的平均角速度的平均值分別為 、 ，稻谷顆粒的平均角速度以及平均角速度的變化幅度隨螺旋攪拌器轉速的增大而增大。側面說明增大轉速可以使稻谷顆粒的混合作用增強，攪拌均勻性提高，有利于稻谷顆粒干燥均勻，提高烘干品質[19]

圖4不同螺旋攪拌器轉速下稻谷顆粒平均角速度的變化曲線Fig.4Average angular velocity rice grains atdifferent rotational speeds curve change

圖5為螺旋攪拌器轉速為 15Δr/min.30Δr/min 45r/min 時，變異系數隨時間的變化情況。

圖7不同螺距下稻谷顆粒平均角速度的變化曲線Fig. 7Average angular velocity rice grainsunderdifferent pitch curve change

由圖5可以看出，70s時上、下層稻谷顆粒未被攪拌，初始變異系數均為0.91，攪拌開始后，隨著攪拌時間的增加，變異系數先快速下降，且轉速越大，變異系數下降越快，之后下降速率降低。螺旋攪拌器轉速為15r/min，30r/min，45r/min 時，稻谷顆粒的變異系數分別降低至 0.37，0.27，0.11 。主要原因：在攪拌初期對流運動起主要作用，顆粒層的不均勻性快速降低，達到宏觀上的攪拌均勻；后期對流作用降低，擴散和剪切運動起主要作用，與前者相比，后者作用效果較弱，稻谷顆粒只在小范圍內隨機移動[20]。隨著螺旋攪拌器轉速的提高，螺旋攪拌器對稻谷顆粒擾動性增強，顆粒運動更加劇烈，所以螺旋攪拌器轉速越高，攪拌結束時變異系數越低。

3.3.2 螺旋攪拌器螺距對攪拌均勻性的影響

為研究螺旋攪拌器螺距對攪拌效果的影響，在30r/min 轉速下，螺距為 65mm，115mm，155mm 的螺旋攪拌器的攪拌效果進行仿真分析，如圖6所示，截取不同螺距下， 92.5s.115s.135s 和 160s 時刻稻谷顆粒的分布情況。

圖6不同螺距下稻谷顆粒的分布圖

Fig.6Distribution rice particles under different pitch

圖7為螺旋攪拌器螺距為 65mm，110mm 、155mm 時，稻谷顆粒的平均角速度隨時間的變化情況。螺距為 65mm，110mm，155mm 時對應的平均角速度的平均值分別為9.3rad/s、11rad/s、10.7rad/s ，稻谷顆粒的平均角速度在一定的范圍內隨螺旋攪拌器螺距的增大而增大，但是當螺距過大時平均角速度有降低的趨勢。從側面說明螺距過大不利于攪拌均勻性的提高。

圖8為螺旋攪拌器螺距為 65mm，110mm 155mm 時，變異系數隨時間的變化情況。可以看出，70s 時上、下層稻谷顆粒未被攪拌，初始值均為0.91，70s后變異系數先快速下降，之后下降速率降低，最終，螺距為 65mm，110mm，155mm 時稻谷顆粒的變異系數分別降低至 0.27、0.1、0.34 。適當增加螺距，有利于提高攪拌均勻性，但螺距過大時攪拌均勻性降低。主要原因：螺距過大時，由上、下葉片間的顆粒相向運動而產生的湍流區域數量減少，使得顆粒受到的擾動作用降低，因此攪拌效果不佳[21]

綜上，在確保攪拌均勻性的前提下，綜合考慮設備工作時的經濟性等其他因素，最終確定螺旋攪拌器的最佳設計及運動參數：轉速為 30r/min 、螺距為 110mm 。

4樣機試驗與結果分析

由于工況的特殊性，不便對裝機量巨大的稻谷層分為上、下層進行染色，同時也無法直接對筒倉內部設置網格統計攪拌的變異系數，而攪拌均勻性是影響烘干效率的關鍵因素。因此，通過與優化前 15r/min 轉速、 .65mm 螺距的參數組合設置對照組，記錄分析烘干效率，從側面驗證最佳設計及運動參數的正確性。

2023年10月，在漂陽市某農業公司開展樣機試驗，以螺距為 110mm 制造螺旋攪拌器，轉速設定為30r/min ，選用與仿真同品種的“南粳9108”作為試驗樣本。圖9（a）為 110mm 螺距的螺旋攪拌器，圖9（b）為待裝配的攪拌裝置，具體試驗參數設置如表4所示。

圖9攪拌均勻性試驗 Fig.9Mixing uniformity test

表4試驗參數 Tab.4Test parameter

記錄兩次入庫前的稻谷水分，每天取倉內適量的稻谷測量倉內稻谷水分含量的變化，如圖10所示。根據江蘇省糧食和物資儲備局2022年的指導文件，粳稻安全儲藏水分不應高于 15% 。由圖10可知，當螺旋攪拌器轉速為 15r/min 、螺距為 65mm 時，人倉第8天稻谷含水率為 14.97% ，達到儲藏的含水率要求；當螺旋攪拌器轉速為 30r/min 、螺距為 110mm 時，由于攪拌效果更明顯，稻谷層更加疏松，間隙率增大，從而增大熱風與稻谷的接觸面積，在入倉第6天稻谷含水率為 14.81% ，達到儲藏的含水率要求，烘干效率提高 25% 。

綜上，采用最佳設計及運動參數作業后，攪拌均勻性提高，稻谷烘干效率明顯提高，仿真結果真實可靠。

5 結論

在利用多球叢聚法建立稻谷顆粒多球顆粒模型的基礎上，采用離散單元法利用EDEM軟件構建稻谷顆粒攪拌模型。在不同的螺旋攪拌器轉速、螺距條件下，以變異系數為主要評價指標，綜合考慮稻谷顆粒的平均角速度，對稻谷顆粒在攪拌過程中的混合情況進行研究。

1）仿真試驗結果表明，當螺旋攪拌器轉速為30r/min 、螺距為 110mm 時，變異系數為0.1，稻谷顆粒層攪拌均勻性最好，攪拌裝置作業效果最佳。

2）樣機試驗結果表明，當螺旋攪拌器轉速為30r/min 、螺距為 110mm 時，所需要的烘干時間由原來的8天縮短至6天，烘干效率提高 25% ，烘干效率明顯提高，仿真結果與結論真實可靠。

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