【摘要】：振動篩是根據顆粒粒徑大小對其進行尺寸分離的重要裝置。農業(yè)生產中常用的振動篩是一種擺桿型的振動篩。該類型振動篩的篩面運動是一種復雜的平面運動。過去往往采用試驗方法來對篩分過程進行研究,這樣既費時費力,又很難得到篩面上顆粒的運動信息。由于對擺桿篩上顆粒流的運動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計與優(yōu)化。本文提出了一個平面多剛體運動學與離散元法的耦合模型,利用該耦合模型對LA-LK型實驗室級擺桿篩上的大豆籽粒的篩分過程進行數值仿真;仿真參數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值與仿真值進行對比,發(fā)現二者吻合得良好,進而驗證了該耦合模型的可行性和準確性。采用二次正交旋轉組合設計對該擺桿篩的運動參數和結構參數進行了優(yōu)化;研究了曲柄長度,篩面傾角,篩孔大小,曲柄轉速和喂入速率對篩分性能的影響;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來對篩分結果進行分析。這些分析有助于我們對擺桿上的顆粒運動及其透篩特性有更好的理解。同時,本文的研究也為復雜運動振動篩的設計與優(yōu)化提供了參考。本文的主要工作與結論如下。(1)對五個品種大豆籽粒自身的物理力學屬性(幾何形狀、三軸尺寸、含水率、顆粒密度、剛度系數、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系數、顆粒與有機玻璃之間的碰撞恢復系數以及顆粒與有機玻璃之間的靜、滾摩擦系數)進行了測量和分析。(2)提出了一種改進的大豆籽粒曲率半徑的求解算法,將其計算結果與文獻中提供的方法的結果進行對比,發(fā)現改進算法的結果能更加真實地反映接觸點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提出了一個在橢球內部填充內切(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。提出了一個多球模型的優(yōu)化算法,對本文所建立的大豆籽粒多球模型進行優(yōu)化,進而得到填充誤差較低的多球模型;2建立了五個品種單個大豆籽粒的顆粒模型和大豆籽粒群體模型。對五個品種大豆籽粒在休止角形成儀中的堆積過程進行了離散元仿真。通過仿真結果與試驗結果的對比,驗證了本文提出的大豆籽粒建模方法的有效性和可行性,并得到了組成球數目較合適的大豆籽粒顆粒模型。(4)對大豆籽粒在LA-LK型實驗室級擺桿篩上的篩分過程進行了試驗研究。研究了篩孔形狀,篩孔配置,篩面長寬比和曲柄轉速對篩分結果的影響,結果如下:1圓孔篩上容易發(fā)生顆粒堆積現象,而相同尺寸下的方孔篩上則不會發(fā)生顆粒堆積現象;2對篩分結束后篩面上籽粒的組分進行了分析,發(fā)現其不隨曲柄轉速的變化而變化。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利用分配曲線對總體篩分性能進行分析,結果表明:分配曲線不隨曲柄轉速的變化而變化,篩面長寬比對分配曲線影響顯著;4對不同尺寸區(qū)間大豆籽粒的透篩率沿篩面長度方向的分布情況進行了研究。結果發(fā)現:對于圓孔篩,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,隨著曲柄轉速的增加,篩下物在篩面首段的透篩率呈下降趨勢,篩下物在篩面第3段的透篩率呈上升趨勢。對于方孔篩來說,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,方孔篩對尺寸區(qū)間為7.30mm~7.60 mm和7.00 mm~7.30 mm的籽粒有很強的透篩性。另外,研究了篩面長寬比對透篩率分布的影響,結果發(fā)現篩面長寬比僅會對篩孔之后位置的透篩率有影響,而不會對篩孔之前位置的透篩率產生影響。(5)提出了一種平面多剛體運動學與離散元法的耦合模型。提出了一個基于CAD模型的平面多剛體運動學建模方法,將該方法與基于CAD模型的邊界建模方法相結合,可實現復雜運動機構的邊界建模。基于剛體坐標變換的思想,推導了隨剛體運動的統(tǒng)計區(qū)內顆粒局部坐標的計算公式,以及球形顆粒與統(tǒng)計區(qū)之間位置關系的判定公式。提出了一種改進的精確算法,用來計算球形顆粒相在長方體內的孔隙率。設計了八個統(tǒng)計量用于篩分仿真結果的定量分析,他們分別為顆粒停留時間、通過質量百分率、分配數、顆粒與壁面之間的碰撞次數、顆粒之間的碰撞次數、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。基于上述工作,研制了一款復雜運動振動篩上顆粒流的仿真分析軟件AgriDEM-MBK。(6)采用AgriDEM-MBK軟件,對LA-LK型實驗室級擺桿篩上的大豆顆粒流及其透篩特性進行了仿真分析,主要結論如下。1利用基于CAD模型的平面多剛體運動學建模方法與基于CAD模型的離散元法邊界建模方法相結合的方法,建立了LA-LK型實驗室級擺桿篩的邊界模型。2通過篩箱上指定點的運動軌跡的試驗結果與仿真結果的對比,發(fā)現二者吻合很好,驗證了本文所建立的平面多剛體運動學模型的準確性。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值與仿真值的對比,發(fā)現二者吻合得良好,驗證了本文提出的平面多剛體運動學與離散元法耦合模型的有效性和準確性。4通過仿真的手段研究了曲柄長度、篩面傾角、篩孔尺寸、曲柄轉速和喂入速率對篩分特性的影響,從中可以得到以下結論: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越明顯。同時,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。曲柄轉速對于分離特性不敏感。5采用二次正交旋轉組合設計對LA-LK型實驗室級擺桿篩中的結構參數和運動參數進行優(yōu)化,得到最優(yōu)的參數組合。
【圖文】：

和篩分性能進行了離散元仿真研究。通驗值與仿真值的對比，發(fā)現二者吻合良究了三個變量（篩面傾角、振動頻率和面分布的影響。研究發(fā)現：篩分性能與顆有關。基于仿真數據，，建立了顆粒-篩面基礎上提出了一個描述篩分性能的數學數學模型能很好地對篩分性能進行預測。狀及其存在問題真分析時，需要建立大豆籽粒的顆粒模下面分別對他們進行介紹。型（如圖 1.1

心男[33]利用 EDEM-FLUENT 耦合的方法對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。研究了排種輪轉速壓對排種性能和種子運動軌跡的影響。將試驗值與仿真值進行了對比，用 EDEM-FLUENT 耦合仿真氣吹式排種器工作過程的有效性。在此基改變進氣速度對排種器性能進行了優(yōu)化。對于球形率不高的大豆籽粒，將其近似成球形顆粒會帶來很大的誤差，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算量大，因此很多學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 并對其在底面凹凸不平的斜槽中的流動過程進行了三維離散元仿真。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S226.5


本文編號：2606405