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(xiàn)標(biāo)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(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，2024年我國稻谷產(chǎn)量高達(dá) 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(jìn)行儲藏，若干燥不及時或者干燥后水分達(dá)不到要求，就會發(fā)芽霉變，造成浪費(fèi)[1]

隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高，各類烘干設(shè)備不斷發(fā)展，稻谷的干燥方式也呈現(xiàn)出多樣性，包括熱風(fēng)干燥、低溫真空干燥、紅外輻射干燥等。實(shí)際生產(chǎn)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(fēng)干燥[2。其中，以大型塔式混流糧食烘干機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。

目前，對糧食烘干設(shè)備的研究主要集中在大型塔式混流糧食烘干機(jī)。段二亞3通過Fluent軟件分析了糧食干燥介質(zhì)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(jī)中角狀盒的位置、數(shù)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(nèi)流動速率比的理論表達(dá)。陳正發(fā)5采用三維激光掃描技術(shù)準(zhǔn)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(fēng)干燥段內(nèi)的流動特性。Nattapol等[6]通過試驗(yàn)對稻谷的熱風(fēng)干燥特性進(jìn)行研究，并論述了緩蘇環(huán)節(jié)的重要作用。Weigler等8通過EDEM軟件并結(jié)合高速攝影圖像處理技術(shù)，對稻谷顆粒在糧食干燥機(jī)中的流速分布情況及其在各個區(qū)域的下落及停留時間等進(jìn)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(tǒng)塔式混流糧食烘干機(jī)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(shè)計一種用于處理結(jié)霜糧層的翻糧機(jī)，并重點(diǎn)研究了使用翻糧機(jī)對倉儲糧品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，與人工作業(yè)相比，該機(jī)能改善糧堆通透性、消除結(jié)霜層、提高工作效率。靳航嘉等[11]建立了攪拌翻糧機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)計算模型，由此計算出適用于不同糧食物料的參數(shù)匹配關(guān)系。潘愛瓊等[12]針對我國現(xiàn)有翻糧機(jī)自動化程度低的問題，設(shè)計了一種全自動的履帶式翻糧機(jī)，并對絞龍翻糧機(jī)構(gòu)的直徑、螺距進(jìn)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(shè)計上，缺少對攪拌過程中內(nèi)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(chǔ)，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(nèi)的攪拌均勻性進(jìn)行仿真研究，分析探討螺旋攪拌器的自轉(zhuǎn)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(yōu)化設(shè)計提供參考，對提高稻谷熱風(fēng)干燥品質(zhì)及減少糧食損失具有重要意義。

1攪拌裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

攪拌裝置由斜齒輪減速電機(jī)、倉頂連接裝置、行走梁、減速電機(jī)平衡管、減速電機(jī)、大小帶輪、固定板、電機(jī)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(jié)構(gòu)示意圖

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

攪拌作業(yè)過程中，行走梁由斜齒輪減速電機(jī)驅(qū)動，在末端滾輪的配合下沿筒倉內(nèi)壁上的環(huán)形軌道行走。減速電機(jī)插裝在電機(jī)固定板上，兩塊電機(jī)固定板除自身夾緊固定在行走梁上外，同時依靠底部的穩(wěn)定臂安裝在減速電機(jī)平衡管上，防止攪拌過程發(fā)生位移。螺旋攪拌器在減速電機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)動，通過大小帶輪和皮帶改變其轉(zhuǎn)速。谷堆內(nèi)部的稻谷通過螺旋葉片向上輸送至谷堆外部進(jìn)行攪拌，待鼓風(fēng)干燥階段和緩蘇階段完成后，斜齒輪減速電機(jī)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(shí)際攪拌裝置中螺旋攪拌器長度較長且計算機(jī)算力有限，在有限時間內(nèi)無法按照實(shí)際的螺旋攪拌器長度跟稻谷顆粒裝機(jī)量完成模擬，因此，截取螺旋攪拌器部分長度進(jìn)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(jié)構(gòu)。同時，根據(jù)所截取螺旋攪拌器的長度和實(shí)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(dǎo)人到EDEM軟件中。另將導(dǎo)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(shè)置。

2.2稻谷三維模型建立

顆粒模型與實(shí)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(yīng)盡可能逼近實(shí)物的形狀與大小。軸向尺寸法是常用的表示農(nóng)業(yè)物料形狀與大小的方法之一，該方法適用于尺寸較小的農(nóng)業(yè)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(yàn)樣本，隨機(jī)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(biāo)卡尺測量稻谷顆粒的三軸尺寸，尺寸參數(shù)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(shù)

材料接觸模型的選擇是進(jìn)行離散元仿真的關(guān)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(jié)作用和團(tuán)聚現(xiàn)象，屬于常規(guī)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(xué)接觸模型。設(shè)置幾何體材料為不銹鋼SU304，與實(shí)際幾何體材料一致，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[15-17]可得，材料本征參數(shù)與材料間接觸參數(shù)如表2和表3所示。

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

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

3 仿真試驗(yàn)與分析

3.1 仿真試驗(yàn)設(shè)計

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

3.2 仿真試驗(yàn)指標(biāo)

仿真完成后，在EDEM后處理模塊中將稻谷顆粒層下層顆粒標(biāo)記為黃色，上層顆粒標(biāo)記為紅色，設(shè)置GridBinGroup網(wǎng)格，將仿真區(qū)域劃分為 5×5×20 共計500個網(wǎng)格體，剔除個數(shù)較少的網(wǎng)格，以保證網(wǎng)格的有效性。通過分析計算稻谷顆粒混合的變異系數(shù)來反映稻谷顆粒混合均勻與否。變異系數(shù)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(shù)量；Y 紅色稻谷顆粒的總數(shù)量；Z 稻谷顆粒的總數(shù)量；x_i （204號 第 i 個網(wǎng)格內(nèi)黃色稻谷顆粒的數(shù)量；y_i 第 i 個網(wǎng)格內(nèi)紅色稻谷顆粒的數(shù)量；z_i 第 i 個網(wǎng)格內(nèi)稻谷顆粒的總數(shù)量；a_i 第 i 個網(wǎng)格中黃色稻谷顆粒所占比例；A- 黃色稻谷顆粒的總數(shù)量占稻谷顆粒總數(shù)量的比例；ε_i （204號 第i個網(wǎng)格內(nèi)的混合均勻度；n 統(tǒng)計網(wǎng)格的數(shù)量； 混合均勻度的平均值；S 黃色稻谷顆粒的標(biāo)準(zhǔn)差；C （2 變異系數(shù)。

3.3攪拌單因素仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

對稻谷顆粒的運(yùn)動產(chǎn)生關(guān)鍵影響作用的因素為螺旋攪拌器的自轉(zhuǎn)速度與葉片螺距[18]

3.3.1螺旋攪拌器轉(zhuǎn)速對攪拌均勻性的影響

為研究螺旋攪拌器轉(zhuǎn)速對攪拌效果的影響，在65mm 螺距下，螺旋攪拌器轉(zhuǎn)速為 15r/min.30r/min. 45r/min 的攪拌過程進(jìn)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(xù) 90s ，如圖3所示，分別截取不同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下稻谷顆粒的分布圖

圖4為螺旋攪拌器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為 15r/min，30r/min，45r/min 時對應(yīng)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(zhuǎn)速的增大而增大。側(cè)面說明增大轉(zhuǎn)速可以使稻谷顆粒的混合作用增強(qiáng)，攪拌均勻性提高，有利于稻谷顆粒干燥均勻，提高烘干品質(zhì)[19]

圖4不同螺旋攪拌器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為 15Δr/min.30Δr/min 45r/min 時，變異系數(shù)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(shù)均為0.91，攪拌開始后，隨著攪拌時間的增加，變異系數(shù)先快速下降，且轉(zhuǎn)速越大，變異系數(shù)下降越快，之后下降速率降低。螺旋攪拌器轉(zhuǎn)速為15r/min，30r/min，45r/min 時，稻谷顆粒的變異系數(shù)分別降低至 0.37，0.27，0.11 。主要原因：在攪拌初期對流運(yùn)動起主要作用，顆粒層的不均勻性快速降低，達(dá)到宏觀上的攪拌均勻；后期對流作用降低，擴(kuò)散和剪切運(yùn)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(nèi)隨機(jī)移動[20]。隨著螺旋攪拌器轉(zhuǎn)速的提高，螺旋攪拌器對稻谷顆粒擾動性增強(qiáng)，顆粒運(yùn)動更加劇烈，所以螺旋攪拌器轉(zhuǎn)速越高，攪拌結(jié)束時變異系數(shù)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(zhuǎn)速下，螺距為 65mm，115mm，155mm 的螺旋攪拌器的攪拌效果進(jìn)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(yīng)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(nèi)隨螺旋攪拌器螺距的增大而增大，但是當(dāng)螺距過大時平均角速度有降低的趨勢。從側(cè)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(shù)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(shù)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(shù)分別降低至 0.27、0.1、0.34 。適當(dāng)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(yùn)動而產(chǎn)生的湍流區(qū)域數(shù)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(shè)備工作時的經(jīng)濟(jì)性等其他因素，最終確定螺旋攪拌器的最佳設(shè)計及運(yùn)動參數(shù)：轉(zhuǎn)速為 30r/min 、螺距為 110mm 。

4樣機(jī)試驗(yàn)與結(jié)果分析

由于工況的特殊性，不便對裝機(jī)量巨大的稻谷層分為上、下層進(jìn)行染色，同時也無法直接對筒倉內(nèi)部設(shè)置網(wǎng)格統(tǒng)計攪拌的變異系數(shù)，而攪拌均勻性是影響烘干效率的關(guān)鍵因素。因此，通過與優(yōu)化前 15r/min 轉(zhuǎn)速、 .65mm 螺距的參數(shù)組合設(shè)置對照組，記錄分析烘干效率，從側(cè)面驗(yàn)證最佳設(shè)計及運(yùn)動參數(shù)的正確性。

2023年10月，在漂陽市某農(nóng)業(yè)公司開展樣機(jī)試驗(yàn)，以螺距為 110mm 制造螺旋攪拌器，轉(zhuǎn)速設(shè)定為30r/min ，選用與仿真同品種的“南粳9108”作為試驗(yàn)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(yàn)參數(shù)設(shè)置如表4所示。

圖9攪拌均勻性試驗(yàn) Fig.9Mixing uniformity test

表4試驗(yàn)參數(shù) Tab.4Test parameter

記錄兩次入庫前的稻谷水分，每天取倉內(nèi)適量的稻谷測量倉內(nèi)稻谷水分含量的變化，如圖10所示。根據(jù)江蘇省糧食和物資儲備局2022年的指導(dǎo)文件，粳稻安全儲藏水分不應(yīng)高于 15% 。由圖10可知，當(dāng)螺旋攪拌器轉(zhuǎn)速為 15r/min 、螺距為 65mm 時，人倉第8天稻谷含水率為 14.97% ，達(dá)到儲藏的含水率要求；當(dāng)螺旋攪拌器轉(zhuǎn)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(fēng)與稻谷的接觸面積，在入倉第6天稻谷含水率為 14.81% ，達(dá)到儲藏的含水率要求，烘干效率提高 25% 。

綜上，采用最佳設(shè)計及運(yùn)動參數(shù)作業(yè)后，攪拌均勻性提高，稻谷烘干效率明顯提高，仿真結(jié)果真實(shí)可靠。

5 結(jié)論

在利用多球叢聚法建立稻谷顆粒多球顆粒模型的基礎(chǔ)上，采用離散單元法利用EDEM軟件構(gòu)建稻谷顆粒攪拌模型。在不同的螺旋攪拌器轉(zhuǎn)速、螺距條件下，以變異系數(shù)為主要評價指標(biāo)，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(jìn)行研究。

1）仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)螺旋攪拌器轉(zhuǎn)速為30r/min 、螺距為 110mm 時，變異系數(shù)為0.1，稻谷顆粒層攪拌均勻性最好，攪拌裝置作業(yè)效果最佳。

2）樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)螺旋攪拌器轉(zhuǎn)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(jié)果與結(jié)論真實(shí)可靠。

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