基于离散元法的曲面式匀料盘试验研究

摘要

糙米加湿调质工艺能够减少碾米过程中碎米的产生、提高整精米率、降低碾米能耗，同时还可以改善碾磨后大米的食用品质，对稻谷加工业具有重要的经济价值。在加湿调质工艺提高糙米含水率的生产实践中，使糙米的含水率趋于均匀是十分必要的，加湿均匀性作为加湿调质工艺的重要指标严重影响物料的后续质量及生产效率。糙米加湿过量或者不足可能会导致碎米率增大，整精米率得不到提高，因此提高糙米调质技术中的加湿均匀性具有重要的经济价值。物料在调质设备中的分布情况直接影响其加湿均匀性，物料分布不均匀是研究人员面临的重要问题。目前糙米调质设备通过增设匀料盘来提高物料的分布均匀性，使得糙米在匀料盘上以相对稳定的料层流动，雾化喷头向盘面上的糙米喷雾，使得雾滴与糙米充分且均匀的接触，从而实现糙米的均匀加湿。但是由于现有匀料盘的结构设计大多依靠经验参数，一般匀料盘的匀料性能较低，从而导致糙米加湿均匀性得不到提高。因此，设计一种适用于糙米加湿调质工艺的匀料盘，对提高糙米加湿均匀性具有重要意义。
　　本研究提出一种适用于糙米调质工艺的曲面式匀料盘，基于圆锥式匀料盘上颗粒的运动规律，匀料盘的曲母线设定为抛物线，既可以减缓糙米的运动加速度、提高在匀料盘上的停留时间，又能够提高物料的分布均匀性。本研究在离散单元法的基础上，分别采用单因素试验和响应面试验设计对曲面式匀料盘的工作性能进行研究，确定匀料盘的最佳工作参数，通过台架试验对仿真试验结果进行验证，主要工作如下:
　　(1)以圆锥式匀料盘上的糙米颗粒为研究对象，对其运动规律进行分析，根据糙米的运动加速度方程和匀料盘设计要求，确定匀料盘的曲母线方程为抛物线形式;
　　(2)基于离散单元法对曲面式匀料盘上颗粒的运动过程进行数值模拟，研究抛物线系数和转速对匀料盘上糙米运动的影响规律;
　　(3)采用单因素试验分析方法，确定曲面式匀料盘转速、曲面形式和导流管的参数范围，并分析其对料层厚度均匀度的影响规律;
　　(4)采用响应面试验设计，研究曲面式匀料盘转速(120-240r/min)、抛物线系数(0.015-0.02)、导流管直径(70-80mm)对料面厚度变异系数的影响规律，确定了曲面式匀料盘的最佳工作参数组合;
　　(5)通过台架试验对离散元仿真结果进行验证。
　　研究的主要结论为:
　　(1)抛物线形式的曲面结构能够降低颗粒的运动加速度，转速能够增加糙米在匀料盘上的运动路程，验证了曲面匀料盘满足设计要求
　　(2)建立了料面厚度均匀度随曲面式匀料盘转速、抛物线系数和导流管变化规律的数学模型;
　　(3)根据响应面优化结果并结合实际生产工艺，确定曲面式匀料盘最佳工艺参数为:匀料盘转速为183r/min，曲面式匀料盘曲母线方程为y=0.02x2，导流管与匀料盘直径比为0.1875;
　　(4)验证试验中，单颗粒验证试验结果与仿真结果相对误差为2.62％，颗粒群验证试验中颗粒分布状态和散落形式与模拟基本吻合，证明仿真优化结果的准确性，同时也说明了曲离散单元法对优化面式匀料盘具有可行性。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究目的和意义

1．2 研究现状

1．2．1 加湿调质技术研究现状

1．2．2 匀料装置研究现状

1．2．3 离散单元法研究现状

1．3 本课题研究的主要内容

1．3．1 曲面式匀料盘的设计及仿真试验

1．3．2 曲面式匀料盘对糙米分布性能的影响规律

1．3．3 曲面式匀料盘工艺与结构参数优化

1．3．4 曲面式匀料盘验证试验

1．4 研究技术路线

2 离散单元法的基础理论

2．1 离散单元法

2．2 离散单元法基本原理

2．2．1 离散模型

2．2．2 基本方程

2．3 颗粒接触理论

2．4 离散单元法的求解过程

2．4．1 颗粒接触

2．4．2 颗粒简化模型

2．4．3 时间步长

2．5 离散单元法软件EDEM

2．5．1 EDEM软件简介

2．5．2 EDEM仿真设置步骤

2．5．3 EDEM在散料机械上的应用

3 匀料盘结构设计与颗粒运动规律仿真试验

3．1 引言

3．2 匀料盘设计要求与原理

3．2．1 匀料盘设计要求

3．2．2 匀料盘设计原理

3．3 曲面式匀料盘对颗粒运动影响的仿真分析

3．3．1 曲面式匀料盘仿真试验方案的确定

3．3．2 离散元模型的建立及参数选择

3．3．3 糙米颗粒工厂

3．4 结果与分析

3．4．1 单颗粒运动轨迹分析

3．4．2 曲面形式对颗粒运动规律的影响分析

3．4．3 匀料盘转速对颗粒运动规律的影响分析

3．5 小结

4 曲面式匀料盘工艺参数对糙米分布的影响

4．1 数值模拟条件

4．2 试验因素与指标

4．3 试验设计与方法

4．3．1 试验设计

4．3．2 试验指标计算方法

4．3．3 试验数据分析方法

4．4 结果与分析

4．4．1 匀料盘转速对物料分布的影响

4．4．2 匀料盘形式对物料分布的影响

4．4．3 导流管直径对物料分布的影响

4．5 小结

5 曲面式匀料盘工作和结构参数优化

5．1 引言

5．2 试验方案

5．3 结果与分析

5．3．1 试验结果

5．3．2 回归模型与方差分析

5．3．3 两因素对料面变异系数的影响

5．4 曲面式匀料盘最佳工艺与结构参数优化

5．5 曲面式匀料盘与圆锥式匀料盘的匀料性能对比分析

5．6 小结

6 验证试验

6．1 引言

6．2 试验设备与材料

6．2．1 验证试验台

6．2．2 图像采集设备

6．2．3 执行机构

6．2．4 试验原料

6．3 试验方法与结果

6．3．1 单颗粒的验证与模拟

6．3．2 颗粒群的验证与模拟

6．4 小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 特色及创新

7．3 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文