風(fēng)篩式清選裝置理論及試驗(yàn)研究.pdf

1、清選裝置是聯(lián)合收獲機(jī)的重要組成部分，它的性能優(yōu)劣直接影響到整機(jī)的工作性能。農(nóng)業(yè)物料清選過(guò)程是氣固兩相流場(chǎng)、農(nóng)業(yè)物料群自身特性和振動(dòng)篩面的綜合效應(yīng)。開展風(fēng)篩式清選裝置的研究，分析清選室內(nèi)氣流場(chǎng)的分布規(guī)律，探索農(nóng)業(yè)物料在篩面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不僅能為現(xiàn)有清選裝置的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供依據(jù)，還能為尋找新的篩分方法提供啟發(fā)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)研究?jī)r(jià)值。本文在這樣的背景下，結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金和“863”計(jì)劃等項(xiàng)目，綜合運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)、散體動(dòng)力學(xué)和

2、氣固兩相流等理論著重開展了風(fēng)篩式清選裝置理論及試驗(yàn)研究，主要工作包括：
　　 1、對(duì)水稻清選混合物成分進(jìn)行了分析，混合物中的主要成分有籽粒、輕雜余、短莖稈和長(zhǎng)草，在混合物中影響清選性能的主要是短莖稈和輕雜余。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了水稻籽粒的三維幾何尺寸、形狀特征以及密度、摩擦系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)等力學(xué)參數(shù)，建立了三維模型。利用自行研制的DFPF-25型物料懸浮速度測(cè)定裝置，對(duì)清選混合物中的主要成分進(jìn)行了測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果表明帶籽粒的小枝梗的懸浮速度接

3、近于飽滿籽粒的懸浮速度，短莖稈的懸浮速度分布范圍與籽粒的懸浮速度分布范圍存在著重疊部分，采用氣流清選將重疊部分的籽粒和短莖稈分離困難。所得數(shù)據(jù)為后面的數(shù)值模擬和臺(tái)架試驗(yàn)提供了依據(jù)。
　　 2、依據(jù)風(fēng)篩式清選裝置的結(jié)構(gòu)特征建立了全流道三維模型，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的理論與方法，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，基于Reynolds時(shí)均化的連續(xù)方程、Navier-Stokes方程和標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型構(gòu)成封閉方程組，對(duì)不同的風(fēng)機(jī)出風(fēng)口角度、風(fēng)機(jī)出

4、風(fēng)口風(fēng)速和篩面中部與清選室頂部距離三個(gè)參數(shù)進(jìn)行了氣流場(chǎng)數(shù)值模擬，分析了這三個(gè)參數(shù)對(duì)清選室氣流場(chǎng)的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：風(fēng)機(jī)出風(fēng)口角度和篩面中部與清選室頂部距離對(duì)清選室氣流場(chǎng)的影響較大，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速只影響到氣流速度而對(duì)氣流場(chǎng)的分布規(guī)律影響不大，模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果總體趨勢(shì)基本吻合，這表明了利用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬的正確性，可為研究風(fēng)篩式清選裝置清選室內(nèi)的氣流場(chǎng)提供一種新方法。
　　 3、基于離散元法(DEM)建

5、立了籽粒與籽粒、籽粒與壁面之間的接觸碰撞模型，利用顆粒離散元軟件(EDEM)對(duì)物料單顆粒和物料群進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：拋擲指數(shù)是影響顆粒運(yùn)動(dòng)的決定因素，模擬結(jié)果和理論分析具有一致性；在其他條件一定的情況下，隨著振幅和頻率的增加，物料沿篩面后移的速度增加，同時(shí)透篩效率高，但振幅和頻率的增加也會(huì)造成損失的增加；隨著振動(dòng)方向角的增大，在25°到45°范圍內(nèi)，物料沿篩面后移的速度增加，在45°時(shí)達(dá)到最大，超過(guò)45°之后，隨著振動(dòng)方向角的增加，

6、物料沿篩面后移的速度降低，振動(dòng)方向角較小時(shí)，拋擲指數(shù)低，物料不能被拋起，物料分層效果較差，使籽粒的透篩效率低，但隨著振動(dòng)方向角的過(guò)大，拋擲指數(shù)加大，物料與篩面接觸時(shí)間減少，也會(huì)降低透篩效率，在振動(dòng)方向角為35°時(shí)透篩效率最高，清選損失幾乎為零；從模擬效果的綜合分析可以得出：在沒(méi)有風(fēng)力因素的影響下，篩面傾角為4°、振幅為30mm、頻率為5Hz、振動(dòng)方向角為35°時(shí)，清選效果最佳，與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，此時(shí)的拋擲指數(shù)為1.56。
　　

7、 4、應(yīng)用CFD-DEM耦合技術(shù)，采用Hertz-Mindlin接觸模型模擬顆粒間以及顆粒與篩面間的碰撞，選用考慮相間耦合作用的Eulerian模型，描述了風(fēng)篩式清選裝置中顆粒在篩面上的運(yùn)動(dòng)，得出：①由于短莖稈的密度較小，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速角對(duì)其在篩面上的縱向運(yùn)動(dòng)速度影響較大，籽粒密度較大，其所受影響較小；風(fēng)速對(duì)籽粒和短莖稈的垂直速度的影響很?。浑S著風(fēng)速的增加，物料的后移加快，有利于提高風(fēng)篩式清選裝置的處理能力，但是會(huì)增加籽粒損失。②籽粒主

8、要分布在距篩面前端97.5mm～390mm之間，隨著風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速的增加，籽粒在篩下的分布后移，在距篩面前端487.5mm之后籽粒數(shù)量很少，因此，如果物料中雜余較少可以縮短篩面長(zhǎng)度。③通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，因此利用CFD-DEM耦合仿真對(duì)風(fēng)篩式清選裝置進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的，利用數(shù)值仿真可以為風(fēng)篩式清選裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　　 5、以離心風(fēng)機(jī)傾角、離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩振幅和振動(dòng)篩頻率為四個(gè)因素，分別取四個(gè)

9、水平建立正交試驗(yàn)表L16(44)，按照試驗(yàn)表在清選試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行正交試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明：離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)篩振幅及振動(dòng)篩頻率對(duì)清潔率都有極顯著的影響，離心風(fēng)機(jī)傾角對(duì)清潔率有顯著影響；離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)損失率有極顯著的影響，振動(dòng)篩振幅對(duì)損失率有顯著的影響，振動(dòng)篩頻率和離心風(fēng)機(jī)傾角對(duì)損失率的影響不顯著；影響清潔率和損失率的因素主次順序是：離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速＼振動(dòng)篩振幅＼振動(dòng)篩頻率＼離心風(fēng)機(jī)傾角。
　　 6、利用DPS數(shù)據(jù)處理