基于EDEM的發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)的仿真與試驗

劉道奇， 劉 龍， 孫千濤， 錢 凱， 靳曇曇， 王東偉，2， 李秀杰

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院長垣分院/河南省花生耕種收加工智能設(shè)備工程研究中心，河南長垣 453400；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266109)

花生是一種商品率很高的經(jīng)濟(jì)作物，既可食用，又可出口創(chuàng)匯，是促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要農(nóng)產(chǎn)品之一。在花生加工和商品化過程中，花生莢果分級是一個重要環(huán)節(jié)，通過分級，可使花生莢果大小、品質(zhì)等基本一致，對其后續(xù)的貯藏、深加工及提高產(chǎn)品檔次和市場競爭力具有重要意義。在進(jìn)出口貿(mào)易中，對花生莢果的質(zhì)量要求較高，同時隨著花生行業(yè)的發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化也對分級質(zhì)量、分級效率有了更高的要求。人工分級效率低、勞動強(qiáng)度大，且成本很高，分級精度也難以保證，采用花生莢果分級設(shè)備可提高生產(chǎn)效率。

目前在收獲過程中花生莢果中摻雜了很多雜物，以及干癟的小果和失去外殼的花生籽仁，為了提高經(jīng)濟(jì)效益，相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)等需要對花生莢果進(jìn)行分級和清選。Blankenship等發(fā)明了一種簡易的發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)，花生莢果根據(jù)它們在帶上下落的位置不同分為多級，帶長、帶速及喂料速度不同，分級效果也各不相同。Dowell設(shè)計了一種花生莢果自動分級設(shè)備，該設(shè)備簡化了分級方法，可以分級更大的樣本。國內(nèi)花生收獲后主要依靠人工和撿拾收獲機(jī)進(jìn)行撿拾摘果，人工摘果和撿拾收獲機(jī)摘果的花生莢果在清選后的清潔度均較高，但花生莢果的尺寸差異較大，為便于花生脫殼或加工生產(chǎn)高質(zhì)量的花生食品，均需要對花生莢果按尺寸進(jìn)行分級。目前主要有振動式分級設(shè)備和滾筒式分級設(shè)備，這2種設(shè)備分級機(jī)構(gòu)均采用篩孔進(jìn)行分級。由于花生種植的土壤、含水率和自身特性等多種因素，收獲的同一品種莢果在外部形狀方面整體一致，但在尺寸方面存在較大的差異，莢果表面主要呈網(wǎng)格狀，表現(xiàn)為坑坑洼洼，并且一粒莢果大多存在大小頭，在使用篩孔進(jìn)行分級的過程中會出現(xiàn)小頭進(jìn)大頭不出，易造成篩孔堵塞，需要定時進(jìn)行清理。

為了降低研究成本，相關(guān)研究人員利用現(xiàn)有的EDEM軟件對設(shè)計的設(shè)備或裝置進(jìn)行仿真分析，找出最佳參數(shù)，為樣機(jī)加工制作提供參考。劉濤等借助EDEM軟件對3種型孔結(jié)構(gòu)的窩眼輪式排種器進(jìn)行分析，確定最佳型孔結(jié)構(gòu)和工作轉(zhuǎn)速，并通過試驗驗證了仿真的可行性。薛然利用EDEM軟件對花生莢果在圓筒篩分機(jī)的運(yùn)動過程進(jìn)行仿真研究，分析了花生莢果在分級過程中的分布情況。遲明等利用EDEM軟件對帶式輸送機(jī)輸送骨料的運(yùn)動過程進(jìn)行仿真與驗證分析，表明離散元EDEM軟件輔助研發(fā)設(shè)計帶式輸送機(jī)的可行性。

本研究以提高花生莢果分級質(zhì)量和工作效率為目的，研究設(shè)計了一種發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)，該分級機(jī)對花生莢果進(jìn)行5級分級，并對分級速度參數(shù)進(jìn)行試驗，提高分級質(zhì)量的同時提高工作效率，為花生莢果分級提供參考依據(jù)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

從圖1可以看出，發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)主要由機(jī)架、控制箱、發(fā)散帶、萬向輪、輸送帶、出料擋板、上料口、出料口等組成。花生莢果分級時，分級過程共分為3個階段：上料、分級和輸送。上料階段：通過可移動式輸送帶將花生莢果均勻輸送至上料口，使花生莢果均勻地鋪放在發(fā)散帶上；分級階段：發(fā)散帶上的花生莢果依靠二者之間的摩擦力隨發(fā)散帶運(yùn)動，發(fā)散帶從上料口至出料口呈發(fā)散狀，花生莢果由于其尺寸的不同向前輸送過程中靠自重掉落在不同的分級位置，完成自動分級；輸送階段：分級后不同尺寸范圍內(nèi)的花生莢果通過水平輸送帶輸送到出料口，實現(xiàn)整個花生莢果分級功能。

1.2 工作原理

發(fā)散帶的布局及花生莢果運(yùn)動示意見圖2，主要包括發(fā)散帶和分級板。發(fā)散帶的主要作用是為花生莢果的運(yùn)動提供摩擦力，使其跟隨發(fā)散帶沿輸送方向運(yùn)動；隨著運(yùn)動方向發(fā)散帶之間的間隙逐漸變大，不同尺寸的花生莢果被輸送到不同位置掉落。發(fā)散帶下方的分級板的主要作用是將從發(fā)散帶之間分級的花生莢果進(jìn)行尺寸范圍分隔。分級后的花生莢果掉落在水平輸送帶上，由輸送帶運(yùn)送到出料口。

為了提高發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)的工作效率，根據(jù)市場上現(xiàn)有的蔬果發(fā)散帶式分級機(jī)的結(jié)構(gòu)，該機(jī)器共設(shè)計有15條發(fā)散帶，形成14個分級通道，所有的發(fā)散帶均以最中間的發(fā)散帶為基準(zhǔn)，其余發(fā)散帶對稱分布。同時，分級機(jī)的分級設(shè)計為5級，即5個出料口。

2 花生莢果物理特性參數(shù)測量與分析

花生莢果的物理參數(shù)是確定發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要依據(jù)，本研究選擇河南省主要推廣的花生品種豫花37為研究對象，研究不同品種之間幾何特征(圖3)的差異性，以及分級質(zhì)量的差異性。

2.1 試驗材料與儀器設(shè)備

隨機(jī)選取該品種的花生莢果100個(花生莢果2020年收獲于河南省長垣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園)。試驗所用儀器設(shè)備主要有MB2水分測定儀，奧豪斯儀器(常州)有限公司生產(chǎn)；CS-700高速多功能粉碎機(jī)，武義海納電器有限公司生產(chǎn)；數(shù)顯電子游標(biāo)卡尺，桂林量具刃具有限責(zé)任公司生產(chǎn)；電子天平，奧豪斯儀器(常州)有限公司生產(chǎn)等。

2.2 花生莢果物理特性測量

從表1可以看出，花生莢果的三軸尺寸差異性較大，長度最大值為51.55 mm、最小值為 27.64 mm，長度方面的標(biāo)準(zhǔn)差為5.131 1 mm；寬度最大值為19.93 mm、最小值為12.25 mm，寬度方面的標(biāo)準(zhǔn)差為1.977 6 mm；厚度最大值為 17.46 mm、最小值為12.39 mm，長度方面的標(biāo)準(zhǔn)差為 1.956 2 mm。

表1 豫花37花生莢果的尺寸分析

在花生莢果圓筒篩分過程中花生莢果的厚度決定其最終的等級劃分，而在發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)的分級過程中主要的影響因素為厚度和寬度，故選取其中50個花生莢果的尺寸，并對同一個花生莢果的寬度和厚度進(jìn)行對比分析(圖4)。

從圖4可以看出，同一個花生莢果在寬度和厚度方面的差異較小，并且在尺寸上寬度基本上大于厚度，通過綜合對比后選擇以花生莢果的寬度作為發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)的分級范圍劃分參數(shù)。

2.3 分級機(jī)結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)確定

通過表1、圖4可知，同一個花生莢果在寬度和厚度方向上的尺寸差異性較小，并且與相關(guān)學(xué)者得到的結(jié)果相似，根據(jù)本批次的花生莢果隨機(jī)取樣的結(jié)果，確定以花生莢果的寬度尺寸作為分級的參考依據(jù)。

從表1可以看出，寬度最大值為19.93 mm、最小值為12.25 mm，在一定程度上將分級范圍進(jìn)行適宜的擴(kuò)大，因此將該批花生莢果的厚度范圍設(shè)定為11～21mm，并均等分為5級，即將上料口一端的2條發(fā)散帶之間的間距參數(shù)設(shè)置為= 11 mm，另一端的間距參數(shù)設(shè)置為= 19 mm。

根據(jù)Blankenship等對發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)的發(fā)散帶運(yùn)行速度的研究，結(jié)合豫花37花生莢果自身的特性，選取發(fā)散帶工作速度為0.25、0.50、0.75、1.00 m/s，作為豫花37花生莢果分級過程中的仿真與實際試驗的基本參數(shù)。

3 花生莢果分級試驗

3.1 離散元模擬試驗

3.1.1 離散元中全局變量參數(shù)設(shè)置 在離散元仿真軟件EDEM2.6仿真計算時，設(shè)置顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸模型為Hertz-Mindlin和Moving Plane，其中Moving Plane置于Hertz-Mindlin模型之上。設(shè)置發(fā)散帶的材料為橡膠，研究表明，花生莢果與橡膠的泊松比、剪切模量和密度均為定值，同時可得到花生莢果與莢果之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、最大靜摩擦系數(shù)和滾動摩擦系數(shù)，花生莢果與發(fā)散帶之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、最大靜摩擦系數(shù)和滾動摩擦系數(shù)(表2)。

表2 花生莢果基本參數(shù)

3.1.2 花生莢果與分級機(jī)模型的建立及參數(shù)設(shè)置 根據(jù)上述測量的花生莢果長、寬、厚的平均值，應(yīng)用球面堆積構(gòu)型法，在EDEM2.6中直接建立花生莢果模型。將設(shè)計的發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)的三維模型作為基礎(chǔ)，通過Solidworks建立其去除復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維模型，并導(dǎo)入到EDEM2.6中(圖5)。將模型各部分重新命名，并設(shè)置相關(guān)結(jié)構(gòu)的材料屬性。

3.1.3 顆粒工廠的設(shè)置 創(chuàng)建虛擬生成區(qū)域即顆粒工廠，虛擬工廠的大小為發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)的上料口的上部面積大小，其形狀為四邊形。設(shè)置顆粒為動態(tài)生成方式，顆粒數(shù)量設(shè)置需綜合考慮幾何模型上料斗的大小及生成速度，本研究中設(shè)定顆粒質(zhì)量為50 kg，生成速度隨分散帶的速度調(diào)整，從表3可以看出，顆粒尺寸大小按照實際分級過程中花生莢果尺寸模型的0.5～1.5倍隨機(jī)分布，參照表1設(shè)置顆粒半徑的標(biāo)準(zhǔn)差(豫花37)。從 0 s 開始，并設(shè)置顆粒下落速度為2 m/s。設(shè)置模擬時長為20 s，仿真過程中，設(shè)置固定時間步長為1.305×10。在5級分級箱底部設(shè)置質(zhì)量傳感器，分別對每個分級箱內(nèi)花生莢果的質(zhì)量進(jìn)行測定。

3.1.4 仿真結(jié)果與分析 以豫花37為離散元分級仿真研究對象，并以分級速度為因素，以不同出料口分級的花生莢果的質(zhì)量為試驗指標(biāo)，每組進(jìn)行3次模擬試驗取其平均值。從表3可以看出，隨著發(fā)散帶轉(zhuǎn)速的增大，每個級別的花生莢果的質(zhì)量均增大。

表3 仿真試驗結(jié)果

從圖6可以看出，在不同發(fā)散帶分級速度下每個等級的花生莢果質(zhì)量的百分比所呈現(xiàn)的規(guī)律相似。以0.25 m/s的分級速度為例，第5級的花生莢果所占百分比最低；而隨著速度的增大，第5級花生莢果所占比例也隨之增加。通過對4個不同分級速度所得花生莢果在不同級別所占比例進(jìn)行對比，隨著分級速度增大，前3個級別的花生莢果質(zhì)量所占比例均有所降低，而第5級的差異性明顯變大，速度越大第5級的花生莢果所占比例越大，分級效果越差，而速度為0.75 m/s與 0.50 m/s 分級后的結(jié)果十分接近，綜合分選效率，故在機(jī)器實際工作過程中發(fā)散帶的分級速度選取0.75 m/s。

3.2 驗證試驗

按仿真模型參數(shù)確定了發(fā)散帶速度的最佳參數(shù)為0.75 m/s，2021年3月25日，在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院長垣分院花生機(jī)械研究室自制的發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)上進(jìn)行試驗(圖7)，試驗選取仿真得到的最佳參數(shù)，花生選用同一批次收獲的豫花37(試驗使用100 kg花生莢果)。驗證試驗進(jìn)行3次重復(fù)，對每級花生莢果隨機(jī)選取20粒進(jìn)行幾何尺寸測量，并取每級花生莢果質(zhì)量的平均值作為百分比的基數(shù)進(jìn)行計算。

從表4可以看出，分級后的花生莢果在長、寬、厚3個方向上尺寸均呈現(xiàn)遞增趨勢，花生莢果從1級到5級質(zhì)量分布先增大后降低。

表4 花生莢果分級試驗結(jié)果

將EDEM仿真試驗在不同參數(shù)設(shè)置下的試驗結(jié)果與同樣設(shè)置下(0.75 m/s)的驗證試驗結(jié)果進(jìn)行對比。從圖8可以看出，仿真試驗結(jié)果與驗證試驗結(jié)果誤差較小。通過計算得出，仿真試驗結(jié)果與驗證試驗結(jié)果誤差最大為1.28%。產(chǎn)生誤差的原因可能是由于在仿真過程中不存在機(jī)器的振動，而實際分級過程中由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動、發(fā)散帶運(yùn)動的振動在一定程度上會使分級機(jī)產(chǎn)生振動，從而對分級過程和結(jié)果造成一定影響。

4 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，仿真試驗與驗證試驗從1級至5級花生莢果的分布比均呈現(xiàn)先增大后降低，其中在發(fā)散帶速度為0.75 m/s時效果分級最好，且二者之間的差異也最小。仿真試驗預(yù)測值與驗證試驗相接近，說明該模型擬合度較高，EDEM模型的可靠性高，可用于發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)的分級性能試驗的分析與預(yù)測，該結(jié)果與薛然利用EDEM仿真試驗對花生莢果圓筒篩分過程中顆粒分布情況結(jié)果相似。結(jié)果表明，該理論模型可以應(yīng)用于花生莢果分級參數(shù)選取及優(yōu)化。本研究中發(fā)散帶式花生莢果分選機(jī)的分級效果較好，且不存在篩孔堵塞問題，適應(yīng)于小批量生產(chǎn)使用。

本研究設(shè)計了一種發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)，主要由發(fā)散帶、輸送帶、上料口、機(jī)架、電機(jī)、調(diào)速器等組成。

通過對河南省主要推廣的花生品種豫花37的物理特性進(jìn)行測定，花生莢果的長、寬、厚的尺寸均值分別為37.86、16.38、15.29 mm，在3個方向上的標(biāo)準(zhǔn)差分別為5.131 1、1.977 6、1.956 2 mm。發(fā)散帶兩端的間隙分別為11、19mm。

利用EDEM軟件對設(shè)計的發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)進(jìn)行仿真研究，得到發(fā)散帶最佳運(yùn)動速度為0.75 m/s時效果分級最好，且二者之間的差異也最小，此時仿真試驗結(jié)果與驗證試驗結(jié)果誤差最大為1.28%，該模型擬合度較高，EDEM模型的可靠性高，可用于發(fā)散帶式花生莢果分級機(jī)的分級性能試驗的分析與預(yù)測。