批次式种子清选机橡胶球清筛装置激振力模拟分析

李永磊，徐泽昕，万里鹏程，赵 虎，陈海军，宋建农

批次式种子清选机橡胶球清筛装置激振力模拟分析

李永磊1，徐泽昕1，万里鹏程1，赵 虎1，陈海军2,3，宋建农1

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 农业农村部规划设计研究院，北京 100125；3. 农业农村部农产品产后处理重点实验室，北京 100125）

橡胶球清筛装置清筛性能对批次式种子清选机作业效率与质量具有重要影响，橡胶球对筛面的激振力是决定清筛性能的关键因素。针对橡胶球随机弹性碰撞清筛过程理论解析困难、橡胶球激振力难以精准获取等问题，该研究介绍了橡胶球清筛装置结构与工作原理，分析了橡胶球弹跳产生条件与激振力作用机制；采用Hertz-Mindlin接触模型建立了筛分装置EDEM-MBD耦合仿真模型，并搭建了橡胶球激振力测定装置，单个橡胶球平均激振力、最大激振力模拟值与实测值相对误差分别小于5%、10%，形成了橡胶球激振力模拟方法；采用四因素三水平Box-Behnken试验模拟了不同工况下清筛装置激振力，建立了平均激振力、最大激振力与振幅、振动频率、筛面倾角、球格球数等参数的数学关系；以筛面卡种数量为指标开展了玉米种子清选清筛性能试验，获得了不同振动频率下筛面卡种数量与清筛装置激振力的对应关系。试验结果表明：振动频率为7.2 Hz时筛面无卡种，清筛装置平均激振力8.87 N、最大激振力18.78 N；批次式玉米种子清选作业各工况清筛装置激振力应满足条件：平均激振力≥9 N、最大激振力≥19 N。研究结果可为橡胶球清筛装置清筛机理研究及其结构参数优化提供研究方法与设计参考。

自动化；模拟；种子清选；清筛装置；橡胶球；激振力

0 引 言

批次式种子清选机是为满足试验小区种子特殊加工要求而研制的专用装备，减少或避免筛孔卡种及筛面种子残留是提高清选质量和作业效率的重要技术措施[1-2]。筛孔堵塞是颗粒物料振动筛分设备常见问题，被堵塞的筛孔无法实现物料有效透筛，从而引起筛分效率下降进而影响筛分效率与作业质量[3-4]。种子清选机等筛分设备通常设置击打式、架刷式、橡胶球式等清筛装置[5]，其中橡胶球清筛装置因清筛过程柔和、故障率低等优点得以广泛应用。

橡胶球清筛装置作为筛分设备的辅助装置并未得到研究人员的足够重视，橡胶球清筛技术多源于生产实践和经验设计。有关学者围绕农业颗粒物料筛分效率提升需求主要从筛分结构设计、运动参数优化等方面开展研究[6-8]，戴飞等[9]设计了双风道风筛式胡麻脱粒物料分离清选装置实现了不同组分脱粒物料的分离清选作业；王升升等[10]设计了由内流式圆筒筛、横流风机等组成的大白菜种子清选装置并优化了工作参数；周涧楠[11]基于风选筛选复式作业原理设计了适用禾谷类种子的清选机械；刘鹏等[12]分析了鱼鳞筛、贝壳筛、网筛、圆孔筛等不同筛片组合的筛分装置对大豆清选的适应性；金诚谦等[13]针对小麦清选损失率、含杂率高等问题优化了喂入量、风门开度、风机转速等主要作业参数。橡胶球清筛装置研究方面，周治国[14]根据煤炭分选需求设计了刚柔耦合弹性筛并分析了聚氨酯击打球对筛面堵孔颗粒的作用机理；常荣[5]研究分析了硅胶橡胶球数量对清筛效果及荞麦分级的影响；李永磊等[2]探索采用变频振动清筛技术提高批次式种子清选机橡胶球清筛装置清筛效果，以期减少或避免筛孔卡种及筛面种子残留。

筛面物料运动是极其复杂的、筛孔堵塞是随机的、橡胶球弹性撞击是无序的，只有各结构与工作参数得以合理匹配才能够提高物料透筛概率和实现最佳清筛效果。前期研究表明：橡胶球对筛面的激振力与筛分物料特性、筛分装置结构参数与运动特性等相关，其能够表征清筛装置清筛性能。橡胶球随机弹性碰撞清筛过程理论解析较为困难、橡胶球激振力难以精准获取等问题制约了橡胶球清筛机理研究及清筛装置优化设计。随着数值模拟技术发展，离散元法在颗粒物料筛分领域得到广泛应用[15-19]，离散元耦合仿真技术为相关研究提供了新方法[20-25]。

本文在前期研究基础上，围绕批次式种子清选机清筛需求，分析橡胶球激振力产生条件与作用机制，建立筛分装置EDEM-MBD耦合仿真模型并搭建橡胶球激振力测定装置，试验模拟了不同工况下橡胶球激振力，获得了不同振动频率下筛面卡种数量与清筛装置激振力的对应关系，提出基于清筛装置激振力数值模拟的清筛性能评估方法，以期为橡胶球清筛装置清筛性能研究与结构参数优化奠定基础。

1 橡胶球清筛装置结构与工作原理

1.1 清筛装置安装与工作条件

清筛装置是批次式种子清选机筛分装置[2]的重要组成部分。筛分装置主要包括上筛框、筛片、清筛装置、筛框支架、驱动装置、倾角调节装置、安装板、安装底板、弹性板、安装底座、出料口等，如图1所示。上筛框、筛片、清筛装置组成的筛分单体（长430 mm，宽250 mm）安装在筛框支架上；筛片安装在上筛框与清筛装置之间；驱动装置由驱动电机、偏心轴、连杆等组成，驱动筛分单体近似往复直线运动完成种子筛分。筛面倾角0°～10°无级调节，振幅5～7 mm，振动频率5.6～7.2 Hz。

1.2 清筛装置总体结构与工作原理

1.球框 2.筛片 3.橡胶球 4.球架

1.Ball frame 2.Sieve 3.Rubber ball 4.Ball rack

图2 清筛装置结构简图

Fig.2 Structure diagram of sieve-cleaning device

清筛装置随筛分单体近似往复直线运动，橡胶球在球格内随机弹性碰撞并不断撞击筛片。筛孔内滞留物料在橡胶球撞击力、筛片受迫振动等效冲击力、重力、惯性力、摩擦力、种子间作用力等复合作用下被弹出筛孔实现清筛。因单粒种子质量较小，橡胶球撞击力和筛片受迫振动等效冲击力为主要作用力。

2 橡胶球弹跳产生条件与激振力作用机制

2.1 清筛装置运动特性

图3 清筛装置运动分析简图

Fig.3 Analysis diagram of sieve-cleaning device motion

2.2 橡胶球弹跳产生条件

图4 橡胶球受力分析简图

Fig.4 Force analysis diagram of rubber ball

采用振动强度（球架最大加速度与重力加速度之比）表征清筛装置振动强弱，如式（6）所示。

由式（5）、（7）可得：

2.3 橡胶球激振力作用机制

种子清选采用概率筛分基本原理，筛面种子应保持足够的活跃度从而实现松散、分层及透筛过程。振动的筛分装置为种子运动提供动能，倾斜的筛面为种子运动提供一定的重力势能，而种子运动过程中碰撞和摩擦则带来能量的损耗。当种子过量堆积或受摩擦阻力影响滞留在筛孔中时，种子和筛片位置相对静止，种子动能下降且无法获得有效外部能量补充，从而产生筛孔卡种堵塞现象。因单粒种子质量较小，其重力及惯性力也相对较小，多数情况下无法克服筛孔摩擦力及筛孔夹持力等外力。通过外部激励为筛孔滞留种子补充能量并提高其动能是实现清筛及提高筛分效率的基本途径。橡胶球激振力的作用表现为：橡胶球对筛孔内种子的直接撞击作用力，筛片受迫振动等效冲击力对种子的间接作用力。

1）橡胶球直接撞击受力分析

当筛孔滞留种子受到橡胶球直接撞击作用时，种子受到自身重力、惯性力、筛孔摩擦力、橡胶球激振力等力的综合作用，如图5所示。堵塞种子脱离筛孔瞬间种子法向合力为0，力学方程如式（9）所示。

注：为筛面种子流动方向；为筛面法向方向；为种子重力，N；为种子重力向分力，N；为种子重力向分力，N；为种子惯性力，N；为惯性力向分力，N；为惯性力向分力，N；为橡胶球 向合力，N；为种子所受激振力，N；为筛孔摩擦力。

由式（9）、式（10）可得：

2）筛片受迫振动等效冲击受力分析

注：为橡胶球作用区域；为橡胶球撞击点；为撞击点变形最大位移；为卡种位置；为等效冲击力，N；为橡胶球激振力，N；为撞击点与卡种位置距离；为简支梁长度的1/2。

综上分析，橡胶球直接撞击作用力及筛片受迫振动等效冲击力均可有效作用于筛孔滞留的种子，为种子提供一定能量从而克服筛孔对种子的束缚产生清筛效果。

3 橡胶球激振力模拟与测定

为准确获取橡胶球激振力，采用Hertz-Mindlin接触模型建立筛分装置EDEM-MBD耦合仿真模型，并搭建橡胶球激振力测定装置，对比激振力模拟值与实测值，以期形成有效的橡胶球激振力模拟方法。

3.1 筛分装置EDEM-MBD耦合仿真模型

3.1.1 筛分装置仿真模型建立

为方便获取橡胶球激振力，以条形钢板（250×40×1 mm）代替筛片，采用INVENTOR软件绘制筛分装置三维结构图，使用RecurDyn软件建立多体动力学模型，从RecurDyn中将球架、球框及钢板导入EDEM软件中建立筛分装置EDEM-MBD仿真模型，在EDEM中使用颗粒工厂建立直径24 mm的橡胶球模型，使用Hertz-Mindlin（no slip）接触模型建立橡胶球与球架、钢板互作关系。筛分装置仿真模型如图7所示。球架及条形钢板本征参数参考文献[26]确定为：泊松比0.28、密度7 890 kg/m3、剪切模量8.2×1010Pa。

3.1.2 橡胶球仿真参数确定

本征参数：

橡胶球密度采用质量体积法测定为1 258 kg/m3，泊松比参考文献[27]取值为0.47，橡胶球硬度采用邵氏硬度计测定为55 HA，剪切模量由式（13）计算为6.09×105Pa。

接触参数：

表1 e1试验数据

表2 e2试验数据

表3 试验数据

表4 仿真试验因素水平编码表

3.1.3 单球模拟仿真及结果分析

采用上文仿真模型，以平均激振力、最大激振力为指标，以振动频率为因素开展单因素五水平模拟仿真试验。振动频率设置为5.6、6、6.4、6.8、7.2 Hz，仿真时间10 s，瑞利时间步长设置为20%，保存间隔为0.002 s，每组试验重复3次。

表5 仿真试验方案设计与结果

表6 仿真试验方差分析表

注：“**”极显著（≤0.01）；“*”显著（0.01<≤0.05）；下同。

Note: “**”highly significant (≤0.01); “*” significant (0.01<≤0.05).

使用EDEM软件后处理功能Result Data命令提取条形钢板受到的力，结果如表7所示。平均激振力、最大激振力均随振动频率增加而增大，且随着碰撞次数增多平均激振力较最大激振力有更高的增大速率，7.2 Hz时单个橡胶球平均激振力约1.912 N、最大激振力约3.159 N。

表7 平均激振力与最大激振力模拟结果

3.2 橡胶球激振力测定试验

3.2.1 试验装置搭建

1）测试原理与方法

橡胶球激振力测定采用应变式测力原理[29]，应变片排布及电桥接法如图12所示。改造批次式种子清选机筛分单体，以条形钢板代替筛片，将贴片后的钢板夹持在上筛框与清筛装置之间，球格内放置1个橡胶球并设置有效工作区域，使用HP-DS8X25动态信号测试分析系统采集数据并处理，如图13所示。

2）传感器标定

表8 标定试验数据表

3.2.2 橡胶球激振力测定

试验装置振动频率设置为5.6、6、6.4、6.8、7.2 Hz，共开展5组试验，每组重复3次；HP-DS8X25动态信号测试分析系统采样频率为500 Hz，应用式（17）将测得的全桥形变量转换为橡胶球激振力，测得橡胶球平均激振力、最大激振力，试验结果如表9所示。

3.2.3 橡胶球激振力测定值与模拟值对比分析

橡胶球激振力测定值与模拟值对比分析结果如表10所示。受钢板形变、橡胶球撞击次数及测量误差等影响，平均激振力模拟值与实测值的相对误差为2.1%～4.6%、最大激振力相对误差为2.4%～8.4%。

试验结果表明，单个橡胶球平均激振力、最大激振力模拟值与实测值平均相对误差分别小于5%、10%，筛分装置EDEM-MBD耦合仿真模型有效，能够满足清筛装置激振力模拟要求。

表9 平均激振力与最大激振力实测结果

表10 实测值与模拟值对比分析

4 橡胶球激振力对清筛性能影响分析

批次式种子清选机主要筛分过程发生在下层筛分单体中，以该筛分单体为研究对象开展激振力模拟与玉米种子清选清筛性能试验。通过激振力模拟建立清筛装置激振力与振幅、振动频率、筛面倾角、球格球数等参数的函数关系；根据清筛性能试验获得不同振动频率条件下筛面卡种数量间接表征清筛装置清筛性能，在此基础得到筛面卡种数量与清筛装置激振力的对应关系。

4.1 清筛装置橡胶球激振力模拟

在前期试验研究基础上并参考文献[2]，以平均激振力、最大激振力为指标，以振幅、振动频率、筛面倾角、球格球数为因素开展四因素三水平Box-Behnken试验，共29组试验，每组重复3次取均值为指标值，试验因素水平及编码如表11所示，试验方案及结果如表12所示。

表11 Box-Behnken试验因素水平编码表

表12 试验方案及结果表

表13 平均激振力方差分析表

表14 最大激振力方差分析表

4.2 玉米种子清选清筛性能试验

4.2.1 试验方案

以筛面卡种数量为指标，以振动频率为试验因素开展了玉米种子清选清筛性能试验。试验于2021年8月在中国农业大学工学院完成，所用批次式种子清选机为作者团队研制，如图15a所示；玉米种子品种稷秾101，容重616 kg/m3，初始净度94%，含水率约9.2%，批次处理量为3 kg；其他仪器设备有电子称、转速计、倾角仪、计时器等。

图15 清筛性能试验

4.2.2 试验结果与分析

试验结果如表15所示。筛分装置正常工作时橡胶球均可对筛面产生有效的撞击，随着振动频率增加，清筛装置平均激振力、最大激振力增大，清筛能力逐渐增强，筛面卡种数量持续减少。当振动频率为7.2 Hz时，筛面无卡种、清筛效果良好，此时清筛装置平均激振力8.87 N、最大激振力18.78 N。据此可以预测，为实现良好的清筛效果，批次式玉米种子清选作业各工况下清筛装置激振力模拟值应满足以下条件：平均激振力≥9 N、最大激振力≥19 N。

表15 卡种数量与激振力的对应关系

由试验结果可看出，橡胶球与筛面短时间接触内产生较高的能量转换，橡胶球-筛面-种子间存在能量传递与耗散，在筛体惯性力、橡胶球激振力、种子料群动态载荷等作用下产生筛面弹性变形，筛面加速度显著增大，从而促进种子料群松散分层与透筛，即便在较低振动频率下也可以完成清选作业，橡胶球激振力可为筛面与种子料群提供动能，在种子清选作业中十分重要，较大的激振力有利于物料透筛，并可防止筛面拥堵，筛面的受迫振动有利于筛分顺利进行。当筛面所受平均激振力大于8.87 N，最大激振力大于18.78 N时可实现玉米种子完全清筛，通过拟合方程可预估不同工作参数下清选装置的清筛性能。

5 结 论

2）建立了筛分装置EDEM-MBD耦合仿真模型，并采用应变式测力原理搭建了橡胶球激振力测定装置，单个橡胶球平均激振力模拟值与实测值的相对误差为2.1%～4.6%、最大激振力相对误差为2.4%～8.4%，能够满足清筛装置激振力模拟要求。

3）开展了清筛装置激振力模拟与玉米种子清选清筛性能试验。建立了清筛装置激振力与振幅、振动频率、筛面倾角、球格球数等参数的函数关系，获得了不同振动频率条件下筛面卡种数量与清筛装置激振力的对应关系，提出了批次式玉米种子清选作业各工况清筛装置激振力要求：平均激振力≥9 N、最大激振力≥19 N。

本研究以玉米种子清选为例建立了优化工作参数、橡胶球激振力、清筛性能（筛面卡种数量）三者间的联系，研究提出的基于清筛装置激振力数值模拟的清筛性能评估方法可用于批次式种子清选机清选小麦、水稻等农作物种子时的清筛性能预测，并为清筛装置清筛机理研究及其结构参数优化提供方法与参考。

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Impulsive force simulation of the rubber ball sieve-cleaning device for batch seed cleaners

Li Yonglei1, Xu Zexin1, Wan Lipengcheng1, Zhao Hu1, Chen Haijun2,3, Song Jiannong1

(1.,,100083,; 2.,,100125,; 3.,,100125,)

A batch seed cleaner is a piece of special equipment to meet the specific processing of plot breeding materials. A rubber ball sieve-cleaning device can usually be used as an accessory for a seed cleaner to keep sieve cleaning and avoid sieve-mesh blocking. The sieve-cleaning performance of rubber ball sieve-cleaning devices has an important influence on the operation efficiency and quality of batch seed cleaners. The impulsive force of the rubber ball on the sieve is the key factor to determining the cleaning performance. In this study, the structural and working principles of rubber ball sieve-cleaning devices were introduced to theoretically analyze the random elastic collision screening of rubber balls for the accurate acquisition of impulsive force. An EDEM-MBD coupling model was built for a batch seed cleaner using Hertz-Mindlin in contact mode. A piece of sieve-developed test equipment was utilized to measure the contact parameters, such as the restitution coefficient and friction coefficient for the contact model. A rubber ball impulsive force measurement device was built to obtain the real force of a single ball, according to strain-force measurement. The average and the maximum impulsive force of a single rubber ball were effectively obtained, with the acceptable relative errors between the simulation and measured value, less than 5 % and 10%, respectively. The Box-Behnken experiments with four-factor and three-level were conducted to simulate the impulsive force of sieve-cleaning devices under different working conditions. The mathematical relationships were established between the average or the maximum impulsive force and parameters, such as the amplitude, vibration frequency, screening inclination angle, and ball number. The impulsive force of the rubber ball sieve-cleaning device under different parameters was easily obtained using regression equations. The maize seeds cleaning test under different vibration frequencies was carried out with the index of blockage number, where the relationship was between the blockage number of sieve and impulsive force of the sieve-cleaning device. The test results show that the sieve-cleaning device presented an excellent performance with no blockage on the sieve, with an average impulsive force of 8.87 N and the maximum impulsive force of 18.78 N, when the vibration frequency was 7.2 Hz. An optimal combination was achieved for the screening performance if the average impulsive force not less than 9 N or the maximum impulsive force not less than 19 N. The finding can provide a strong design reference for the screening mechanism and parameter optimization of rubber ball sieve-cleaning devices.

automation; simulation; seed cleaning; sieve-cleaning device; rubber ball; impulsive force

李永磊，徐泽昕，万里鹏程，等. 批次式种子清选机橡胶球清筛装置激振力模拟分析[J]. 农业工程学报，2021，37(20)：23-33.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.003 http://www.tcsae.org

Li Yonglei, Xu Zexin, Wan Lipengcheng, et al. Impulsive force simulation of the rubber ball sieve-cleaning device for batch seed cleaners[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(20): 23-33. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.003 http://www.tcsae.org

2021-09-02

2021-10-03

国家重点研发计划项目（2017YFD070120503）

李永磊，博士，副教授，研究方向为现代农机装备设计及振动利用技术。Email：liyl0393@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.003

S225.7

A

1002-6819(2021)-20-0023-11