基于DEM的谷物联合收割机抖动板性能研究

汤庆+吴崇友+伍德林

摘要：抖动板是联合收割机的重要组成部件，目前对抖动板鲜有研究，为了提高联合收割机的收获性能，降低收获损失，采用离散元方法对某国产中小型联合收割机抖动板的性能进行研究。通过离散元方法针对单隔板抖动板和双隔板抖动板2种不同形式的抖动板进行离散元模拟仿真，得到了2种抖动板的往复作用对物料的作用过程云图。通过统计网格统计得到了在X轴方向上10个分区物料颗粒的数量数据，由此得到统计曲线，由统计曲线发现双隔板抖动板物料分布较单隔板抖动板均匀，更加有利于筛分作业。

关键词：抖动板；离散元方法；模拟仿真；筛分

中图分类号：S225.3；TP391.9 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2017）01-0208-03

中国是一个农业大国，农业机械化是农业发展的必经之路。谷物联合收获机是收获谷物最重要的机具，其中的清选装置是影响收获指标的主要部件，其作用多采用振动筛分理论，外加风场作用。对于振动筛分理论国内外学者进行了长期的研究。

由于物料筛分考察的是物料颗粒复杂的尺寸分布以及各种操作参数下固体颗粒组成的粒子运动的综合效应，对颗粒系统缺乏先进的分析和试验技术一直阻碍着该领域的研究进展，过去对筛分性能的研究一直都是靠经验[1]。DEM技术为颗粒体运动研究提供了有力的方法和途径，最初DEM技术被Cundall等用在土壤力学中致密固体模型研究[2]。通过DEM技术的发展，应用在筛分的研究成为可能，Li等利用离散元法选择规则排列的2种粒径的颗粒流在固定筛面上的筛分行为进行了二维模拟[3]。Cleary等对振动筛面上固定数量颗粒的筛分过程进行了三维模拟并分析了颗粒形状对筛分效率的影响[4]。国内，赵跃民等对振动筛面上颗粒群的筛分过程进行了二维离散元法模拟，并进行了相应的试验验证[5-6]。李洪昌等利用EDEM软件，对振动筛分过程进行数值模拟[7-8]。目前的研究多集中在清选筛的分析方面，对于抖动板性能的研究鲜有报道。本试验针对抖动板采用离散元法进行研究。

1 结构模型

抖动板是一种重要的物料输送机构，把从凹板栅格漏下的谷粒、断穗、碎茎秆和颖壳等脱出物连续地输送到清选机构[9]。抖动版已被广泛地应用于谷物联合收割机和大中型脱粒机。

一般的风筛式清选装置主要由清选筛、抖动板、风扇和传动机构等组成，如图1所示。

对于中小型的联合收割机来说，抖动板一般与清选筛架固定或铰接在一起，位于筛架最上层前方，随筛架一起运动。工作时，抖动板作往复运动，谷粒混合物不断地由抖动板送往筛面，通过风扇将谷粒混合物吹散，颖壳、细碎秸草等轻混合物被气流带出机外，吹不走的谷粒、长的碎秸秆和残穗等留在筛面向后移动，谷粒在移动过程中自筛孔漏下，碎秸秆由筛后排出[10]。抖动板送往筛面的物料要尽可能均匀才有利于振动筛筛分。

本试验研究的联合收割机滚筒布置方式是前滚筒长度为后滚筒长度的一半，前滚筒脱粒产生的混合物多集中在抖动板的左侧，一般采用纵向隔板来分散混合物。如图2所示，分别采用单隔板和双隔板2种抖动板。试验证明，只要清选混合物呈均匀分散状跌落筛面，就能达到满意的气流预清效果，即绝大部分清选物被气流载体分离出清选室，从而极大地减轻筛面负荷，确保高质量的筛分效率和清选性能。

2 DEM仿真

离散元方法对于农作物物料振动筛分的研究已被多位学者证明是有效的[7-8，11]。本試验DEM仿真采用离散元软件EDEM进行， 通过在三维建模软件Proe中建立抖动板的三维数字模型，采用中间格式导入到EDEM中。

选用油菜为研究材料，为简便计算只考虑籽粒和短茎秆2种物料，而不考虑其他杂余。油菜籽粒为球形，半径1 mm；短茎秆长30 mm，直径5 mm。如图3所示。物料及抖动板的力学特性见表1。各材料相互作用参数见表2。

建立如图4所示的抖动板数值仿真模型，在抖动板上方设置颗粒工厂用以产生籽粒与短茎秆，在其后方设置有统计颗粒数量的统计网格，统计网格沿X轴方向分为10个分区，用以统计抖动板送往筛面的物料沿X轴的分布情况。设置颗粒工厂产生籽粒的速率是6 000个/s、短茎秆200个/s，模拟时间总长2 s。

3 结果分析

图5所示为单隔板抖动板仿真过程，可以发现，通过隔板将抖动板分成了2个部分，产生的物料落入到这2个部分，由于隔板是斜向放置，物料沿着隔板向右方移动，在统计网格的第四区位置堆积较多。

图6所示为双隔板抖动板仿真过程，可以发现，通过隔板将抖动板分成了3个部分，将原有单隔板抖动板中右边部分通过另加了1个隔板又分成2个部分，将原有在第四区上容易堆积的物料分开。

通过统计网格记录下每个分区中落入的籽粒数和短茎秆数，通过统计得到如下数据，如图7、图8所示。由图7可以看出，在第四区中籽粒数量多达857个，短茎秆数量也相对较多，分布均匀程度差。

由图8可以看出，总体曲线形式相对单隔板抖动板平缓，籽粒数量最多的第六区有籽粒数544个，相对图7中的第四区减少37%，短茎秆数量分布也相对均匀。

4 结论

通过EDEM软件模拟仿真，可以发现离散元方法在抖动板研究中的可行性，可以得到定量的分析数据。本试验通过2种抖动板的比较分析，可以看出双隔板抖动板在物料运送的均匀性上有很大优势。

本试验所得数据可以作为振动筛筛分研究的输入数据，是筛分研究的基础。通过研究分析，可以得到提高抖动板效率是提高清选效率的一个方法。

参考文献：

[1]Jansen M L，Glastonbury J R. The size separation of particles by screening[J]. Powder Technology，1968，1（6）：334-343.

[2]Cundall P A，Strack O D. A discrete numerical model for granular assemblies，Geotechnique，1979，29（1）：47-65.

[3]Li J，Webb C，Pandiella S S，et al. Discrete particle motion on sieves-a numerical study using the DEM simulation[J]. Powder Technology，2003，133（1/2/3）：190-202.

[4]Cleary P W，Sawley M L. DEM modelling of industrial granular flows：3D case studies and the effect of particle shape on hopper discharge[J] . Applied Mathematical Modelling，2002，26（2）：89-111.

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[11]李 菊，赵德安，沈惠平，等. 基于DEM的谷物三维并联振动筛筛分效果研究[J]. 中国机械工程，2013，24（8）：1018-1022.张立辉，魏立明，李春良. 循环谷物干燥机测控系统的设计[J]. 江苏农业科学，2017，45（1）：211-213.