基于DEM離散元技術的玉米直線振動篩仿真分析

王 秉

(河南交通職業技術學院航運海事系，河南 鄭州 450005)

在糧食物料的篩分工序，振動篩分的過程中，物理顆粒的運動情況非常復雜，實際的試驗不能直接測定及觀察物料顆粒的微觀運動情況，如物料顆粒的運動速度方向、位置等[1]。研究[2]表明在玉米顆粒的振動篩分中，物料顆粒的運動速度及位置對振動篩分的效率有顯著影響。李洪昌等[3]為提高振動篩分的效率，基于離散元法對物料顆粒的振動篩分過程進行仿真分析，提出可通過提高振動的振幅和頻率來提高振動篩分的效率。王中營等[4]為優化振動篩分的最佳參數，基于PFC軟件研究了篩分參數對篩分效果的影響，找到了最佳參數值。劉瑞等[5]為探究玉米顆粒在直線振動篩面的運動情況，基于離散元法對玉米顆粒振動篩分進行分析，表明了不同形狀的篩孔、下落高度和顆粒形狀對篩分效果的影響。基于離散元法的振動篩分已有大量研究，但針對玉米物料的篩分效率分析研究相對較少，玉米顆粒種類繁多，即使同種玉米顆粒，形狀也有較大差別，因此，建立精準的離散元仿真模型才能提高仿真的精確性。

研究針對物料顆粒在直線振動篩面上的運動情況，基于離散單元法，擬采用EDEM軟件對直線振動篩面上物料顆粒的運動情況進行仿真分析，以期為直線振動篩的結構設計和參數優化提供參考。

1 直線振動篩分原理

直線振動篩采用雙激振器驅動，當兩臺激振器做同步、反向旋轉時，其偏心塊所產生的激振力在平行于電機軸線的方向相互抵消，在垂直于電機軸的方向疊為一合力，因此篩機的運動軌跡為一直線。其兩電機軸相對篩面有一傾角，在激振力和物料自重力的合力作用下，物料在篩面上被拋起跳躍式向前作直線運動，從而達到對物料進行篩選和分級的目的。

2 離散元仿真分析

2.1 仿真參數校準

2.1.1 物料實際參數 玉米顆粒采用鄭丹958，含水率10.8%，顆粒密度為1 195 kg/m3，種子類型、長寬高在10 mm×8 mm×6 mm。

2.1.2 仿真校準模型 玉米種子顆粒的形狀較為復雜，根據相關參考文獻[6-8]，采用球形顆粒與雙球形顆粒對玉米顆粒的振動篩分過程進行仿真。為提高改變顆粒形狀尺寸后仿真的精度，以堆積角為響應值，對玉米種子顆粒的離散元仿真參數進行標定。先采用堆積角測定儀器對玉米實際堆積角數值進行測定，測定5次，取其平均值，得到玉米顆粒的堆積角為30.05°。離散元仿真校準試驗采用坍塌試驗對玉米顆粒的堆積角進行測定(圖2)。

圖1 直線振動篩

圖2 仿真坍塌模型圖

2.1.3 校準批處理 在批處理模式下，無需打開EDEM軟件即可進行仿真模擬，但所有的仿真文件需進行預先計算。當一個模擬完成時，EDEM會自動計算下一個文件，通過減少仿真前的設置來提高效率。模擬之前必須設置好各項的參數，仿真一旦開始，在批處理模式下不能就行參數修改，模擬不能在結束前查看或停止，直到仿真結束[9-11]。通過堆積角以批處理的方式對玉米顆粒進行離散元校準后，得到研究所用玉米顆粒各仿真參數的取值如表1所示。

表1 離散元仿真參數表

2.2 仿真模型

利用Solidworks軟件建立直線振動篩的三維模型，另存為step格式，導入EDEM軟件進行仿真。分別建立單球與雙球形玉米顆粒模型，為節省仿真時間，結合相關文獻[12-13]，顆粒仿真采用軟球模型，顆粒生成方式為 Dynamic，仿真步長設為0.01 s，時間為5 s，仿真結束后，通過后處理中Bin Groups等工具進行分析，以單球形顆粒與雙球形顆粒的速度及位置分布情況、不同單球形玉米顆粒下落高度振動篩面的運動平穩性進行分析。仿真模型如圖3所示。

圖3 仿真模型圖

2.3 玉米顆粒形狀對篩分效率的影響

2.3.1 球形顆粒 待仿真結束后，采用上色工具對球形玉米顆粒上色處理，觀察各個時間點振動篩面上玉米的速度及位置分布狀態，對玉米顆粒進行著色處理，如圖4所示。

圓圈框選處為速度較大位置

由圖4可知，單球形顆粒的速度分布相對較大，在達到振動篩分平穩階段，單球形玉米顆粒的速度分布相對穩定，顆粒跳動現象明顯減少。

2.3.2 雙球形簡單組合狀 待仿真結束后，采用上色工具對雙球形玉米顆粒上色處理，觀察各個時間點振動篩面上玉米的速度及位置分布狀態，對玉米顆粒進行著色處理，如圖5所示。

由圖5可知，雙球形玉米顆粒的速度分布相對較小，在達到篩分的穩定階段，雙球形玉米顆粒的位置跳動比較明顯。結合圖4可知，單球形顆粒在振動篩分中運動相對較為平穩，對振動篩的篩分更加有利。單球型顆粒主要對應類球型的玉米顆粒形狀，在類球型玉米顆粒占比較大的情況下，篩分效率會相對較高。

圓圈框選處為速度較大位置

2.4 物料顆粒下落高度對篩分效率的影響

待仿真結束后，采用上色工具對單球形玉米顆粒上色處理，觀察不同高度的單球形玉米顆粒各個時間點振動篩面上的速度及位置分布狀態，對玉米顆粒進行著色處理，如圖6所示。

圓圈框選處為速度較大位置

由圖6可知，針對單球形玉米顆粒的速度分布情況，隨著玉米顆粒下落高度的增加，單球形玉米顆粒的速度分布情況較為散亂，相對速度有所增加，由此可知，過高的下落高度不利于振動篩分的穩定性。針對單球形玉米顆粒的位置分布情況，在高度逐漸增加的同時，單球形玉米顆粒在振動篩面的跳動隨之增加。由此可知，雖然類球型玉米顆粒的振動穩定性相對較好，但過高的下落高度同樣不利于玉米顆粒的穩定，影響篩分的效率。

3 結論

采用SolidWorks軟件建立直線振動篩的三維模型，以物料在篩網面的下落高度、物料顆粒的形狀尺寸為變量，以物料顆粒在篩網面上運動的平穩程度為指標，通過仿真，觀察物料顆粒在曬網面的運動速度及位置分布情況表明，單球形顆粒的速度分布相對較大，在達到振動篩分平穩階段，單球形玉米顆粒的速度分布相對穩定，顆粒跳動現象明顯減少。雙球形玉米顆粒的速度分布相對較小，在達到篩分的穩定階段，雙球形玉米顆粒的位置跳動比較明顯。雙球形玉米顆粒在振動篩面的速度明顯低于單球形玉米顆粒，不同下落高度的單球形玉米顆粒對振動篩分有一定的影響。在對直線型振動篩分設計過程中，不同的高度，不同的顆粒形狀對篩分的效率都有較大的影響。針對不同種類的玉米物料，需要設計試驗選擇最優參數進行優化。下一步可以針對振動篩分的效率指標，對不同形狀、不同高度、不同振動下的篩分參數進行設計優化。