【摘要】：振動(dòng)篩是根據(jù)顆粒粒徑大小對(duì)其進(jìn)行尺寸分離的重要裝置。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的振動(dòng)篩是一種擺桿型的振動(dòng)篩。該類型振動(dòng)篩的篩面運(yùn)動(dòng)是一種復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。過去往往采用試驗(yàn)方法來對(duì)篩分過程進(jìn)行研究,這樣既費(fèi)時(shí)費(fèi)力,又很難得到篩面上顆粒的運(yùn)動(dòng)信息。由于對(duì)擺桿篩上顆粒流的運(yùn)動(dòng)過程及其透篩特性缺乏很好的理解,因此極大地制約了擺桿篩的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。本文提出了一個(gè)平面多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)與離散元法的耦合模型,利用該耦合模型對(duì)LA-LK型實(shí)驗(yàn)室級(jí)擺桿篩上的大豆籽粒的篩分過程進(jìn)行數(shù)值仿真;仿真參數(shù)主要基于大豆籽粒自身的材料屬性及其與其他材料之間的相互作用屬性確定的;將不同尺寸區(qū)間顆粒的透篩率沿篩面長度方向分布的試驗(yàn)值與仿真值進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)二者吻合得良好,進(jìn)而驗(yàn)證了該耦合模型的可行性和準(zhǔn)確性。采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)對(duì)該擺桿篩的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化;研究了曲柄長度,篩面傾角,篩孔大小,曲柄轉(zhuǎn)速和喂入速率對(duì)篩分性能的影響;利用顆粒流體積,顆粒流沿篩面長度方向的平均速度和顆粒之間的碰撞次數(shù)來對(duì)篩分結(jié)果進(jìn)行分析。這些分析有助于我們對(duì)擺桿上的顆粒運(yùn)動(dòng)及其透篩特性有更好的理解。同時(shí),本文的研究也為復(fù)雜運(yùn)動(dòng)振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參考。本文的主要工作與結(jié)論如下。(1)對(duì)五個(gè)品種大豆籽粒自身的物理力學(xué)屬性(幾何形狀、三軸尺寸、含水率、顆粒密度、剛度系數(shù)、彈性模量)及其與其他材料之間的相互作用屬性(顆粒之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、顆粒與有機(jī)玻璃之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)以及顆粒與有機(jī)玻璃之間的靜、滾摩擦系數(shù))進(jìn)行了測(cè)量和分析。(2)提出了一種改進(jìn)的大豆籽粒曲率半徑的求解算法,將其計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中提供的方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)算法的結(jié)果能更加真實(shí)地反映接觸點(diǎn)處大豆籽粒的曲率半徑。(3)提出了一種大豆籽粒的建模方法。1提出了一個(gè)在橢球內(nèi)部填充內(nèi)切(組成)球的算法�；诙嗲蚰Ｐ偷乃枷�,建立了大豆籽粒的顆粒模型。定義了填充誤差的概念。提出了一個(gè)多球模型的優(yōu)化算法,對(duì)本文所建立的大豆籽粒多球模型進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)而得到填充誤差較低的多球模型;2建立了五個(gè)品種單個(gè)大豆籽粒的顆粒模型和大豆籽粒群體模型。對(duì)五個(gè)品種大豆籽粒在休止角形成儀中的堆積過程進(jìn)行了離散元仿真。通過仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了本文提出的大豆籽粒建模方法的有效性和可行性,并得到了組成球數(shù)目較合適的大豆籽粒顆粒模型。(4)對(duì)大豆籽粒在LA-LK型實(shí)驗(yàn)室級(jí)擺桿篩上的篩分過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究了篩孔形狀,篩孔配置,篩面長寬比和曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)篩分結(jié)果的影響,結(jié)果如下:1圓孔篩上容易發(fā)生顆粒堆積現(xiàn)象,而相同尺寸下的方孔篩上則不會(huì)發(fā)生顆粒堆積現(xiàn)象;2對(duì)篩分結(jié)束后篩面上籽粒的組分進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)其不隨曲柄轉(zhuǎn)速的變化而變化。尺寸區(qū)間為6.85 mm~7.00 mm和7.00 mm~7.30 mm的顆粒為難篩顆粒;3利用分配曲線對(duì)總體篩分性能進(jìn)行分析,結(jié)果表明:分配曲線不隨曲柄轉(zhuǎn)速的變化而變化,篩面長寬比對(duì)分配曲線影響顯著;4對(duì)不同尺寸區(qū)間大豆籽粒的透篩率沿篩面長度方向的分布情況進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn):對(duì)于圓孔篩,在篩面前兩段,隨著篩下物粒徑的減小,其透篩率隨之升高。另外,隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增加,篩下物在篩面首段的透篩率呈下降趨勢(shì),篩下物在篩面第3段的透篩率呈上升趨勢(shì)。對(duì)于方孔篩來說,其透篩率沿篩面的分布情況與圓孔篩相同,不同的是篩下物的籽粒組分,方孔篩對(duì)尺寸區(qū)間為7.30mm~7.60 mm和7.00 mm~7.30 mm的籽粒有很強(qiáng)的透篩性。另外,研究了篩面長寬比對(duì)透篩率分布的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)篩面長寬比僅會(huì)對(duì)篩孔之后位置的透篩率有影響,而不會(huì)對(duì)篩孔之前位置的透篩率產(chǎn)生影響。(5)提出了一種平面多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)與離散元法的耦合模型。提出了一個(gè)基于CAD模型的平面多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法,將該方法與基于CAD模型的邊界建模方法相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的邊界建模�；趧傮w坐標(biāo)變換的思想,推導(dǎo)了隨剛體運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)顆粒局部坐標(biāo)的計(jì)算公式,以及球形顆粒與統(tǒng)計(jì)區(qū)之間位置關(guān)系的判定公式。提出了一種改進(jìn)的精確算法,用來計(jì)算球形顆粒相在長方體內(nèi)的孔隙率。設(shè)計(jì)了八個(gè)統(tǒng)計(jì)量用于篩分仿真結(jié)果的定量分析,他們分別為顆粒停留時(shí)間、通過質(zhì)量百分率、分配數(shù)、顆粒與壁面之間的碰撞次數(shù)、顆粒之間的碰撞次數(shù)、顆粒流體積、顆粒流沿給定方向的平均速度和顆粒流孔隙率�；谏鲜龉ぷ�,研制了一款復(fù)雜運(yùn)動(dòng)振動(dòng)篩上顆粒流的仿真分析軟件AgriDEM-MBK。(6)采用AgriDEM-MBK軟件,對(duì)LA-LK型實(shí)驗(yàn)室級(jí)擺桿篩上的大豆顆粒流及其透篩特性進(jìn)行了仿真分析,主要結(jié)論如下。1利用基于CAD模型的平面多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法與基于CAD模型的離散元法邊界建模方法相結(jié)合的方法,建立了LA-LK型實(shí)驗(yàn)室級(jí)擺桿篩的邊界模型。2通過篩箱上指定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)二者吻合很好,驗(yàn)證了本文所建立的平面多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。3通過篩面上顆粒流和篩下物中不同尺寸區(qū)間籽粒的透篩率沿篩面長度方向分布的試驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)二者吻合得良好,驗(yàn)證了本文提出的平面多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)與離散元法耦合模型的有效性和準(zhǔn)確性。4通過仿真的手段研究了曲柄長度、篩面傾角、篩孔尺寸、曲柄轉(zhuǎn)速和喂入速率對(duì)篩分特性的影響,從中可以得到以下結(jié)論:a.隨著喂入速率的增加、篩面傾角的減小以及篩孔尺寸的減少,顆粒在篩面首段的堆積效應(yīng)越明顯。同時(shí),喂入速率的增加和篩面傾角的減小有助于篩面首段透篩率的增加;b.隨著曲柄長度的降低和曲柄轉(zhuǎn)速的升高,篩面第2段的顆粒流體積隨之增加;c.隨著喂入速率的增加、曲柄長度的降低以及篩面傾角的降低,分配曲線越來越平緩,這一方面有助于小于篩孔尺寸顆粒的透篩,但另一方面也阻礙了大于篩孔尺寸顆粒的流出。篩孔尺寸的增加有利于分離特性的提升。曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)于分離特性不敏感。5采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)對(duì)LA-LK型實(shí)驗(yàn)室級(jí)擺桿篩中的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到最優(yōu)的參數(shù)組合。
【圖文】：

和篩分性能進(jìn)行了離散元仿真研究。通驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者吻合良究了三個(gè)變量（篩面傾角、振動(dòng)頻率和面分布的影響。研究發(fā)現(xiàn)：篩分性能與顆有關(guān)�；诜抡鏀�(shù)據(jù)，，建立了顆粒-篩面基礎(chǔ)上提出了一個(gè)描述篩分性能的數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)模型能很好地對(duì)篩分性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。狀及其存在問題真分析時(shí)，需要建立大豆籽粒的顆粒模下面分別對(duì)他們進(jìn)行介紹。型（如圖 1.1

心男[33]利用 EDEM-FLUENT 耦合的方法對(duì)氣吹式大豆排種器的工作過仿真分析。采用球形顆粒建立大豆種子的幾何模型。研究了排種輪轉(zhuǎn)速壓對(duì)排種性能和種子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響。將試驗(yàn)值與仿真值進(jìn)行了對(duì)比，用 EDEM-FLUENT 耦合仿真氣吹式排種器工作過程的有效性。在此基改變進(jìn)氣速度對(duì)排種器性能進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)于球形率不高的大豆籽粒，將其近似成球形顆粒會(huì)帶來很大的誤差，要考慮采用其他方法來建立大豆籽粒的顆粒模型。3 多球組合顆粒模型由于大豆籽粒的外形可以近似成橢球，而橢球顆粒之間的接觸判斷算求解計(jì)算量大，因此很多學(xué)者采用組合球顆粒的方式[71]來建立大豆籽模型。Vu-Quoc 等[34]利用四球組合的方式建立了大豆籽粒的顆粒模型，如圖 并對(duì)其在底面凹凸不平的斜槽中的流動(dòng)過程進(jìn)行了三維離散元仿真。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S226.5


本文編號(hào)：2606405