风筛式清选装置设计理论与方法研究

摘要

在农作物生产中，农业物料的清选是一项重要内容。现代联合收割机中常用风筛式平面振动筛进行清选，而风筛式平面振动筛筛分过程是一个极为复杂的随机过程，随着物理实验技术的发展及计算机技术的进步，运用现代设计理论与方法对风筛式清选装置进行系统地分析与研究的成为一个研究热点，因此，本文以稻谷清选为研究对象，开展风筛式清选装置设计理论与方法的研究，主要内容如下。
　　 1、测量了4LZ-1.0型联合收割机排出物的组成，测量结果表明，该机型清选损失率小于1％，但排出物中，谷粒与瘪谷没能有效地分离。对排出物中谷粒、瘪谷及茎秆的三维尺寸、密度、刚度及剪切强度等物性参数进行了测量，同时对三者之间相互作用的物性参数，如恢复系数、摩擦系数等进行了测量。
　　 2、对风筛式清装置进行了总体设计，对其振动筛总成进行了三维设计，运用三维分析软件，对筛面进行了运动学分析，并对筛面上点的运动进行了曲线拟合，分析表明，筛面上的点作周期性运动，运动曲线可用正弦函数表达。同时，运用ADAMS，分析了清选装置主要参数变化对筛面加速度的影响，并对主要参数进行了优化，优化结果表明，曲柄转速及半径对筛面的加速度影响敏感，其中曲柄转速n=360r/min、曲柄半径r=2.5cm时，有利于筛面上谷物的筛分。
　　 3、基于气固两相流体力学理论，分析了谷粒在筛面气流场的受力情况;运用Pro/E软件建立了风筛式清选装置三维几何模型，将其划分为结构化四面体网格，在恒压力边界下，利用CFD软件中的标准k-ε湍流模型和壁面函数法对清选装置内气流场进行了数值模拟。分析结果表明:风扇的外端风速最大，在风道与风扇滚筒的交界处，气流做离心运动，气流沿风扇叶片的切线方向吹出，形成比较流畅的气流场，在鱼鳞筛网处气流的大小方向发生改变，鱼鳞开口处速度聚集，气流从筛孔吹出，向着宜于将杂物吹出的方向流出。由于鱼鳞开口的影响，在筛面上方，离筛面较近处气流速度较大，分析表明，在保证清选效率的情况下，可以缩短清选装置的竖向距离。数值模拟同时表明，气流速度在壁面发生一定的冲击现象，压强存在明显梯度。通过正交实验对筛面气流场进行了优化，优化结果表明，离心风机转速为700r/min，离心风机倾角为25°，鱼鳞筛夹角20°时，有利于降低含杂率及损失率。
　　 4、利用逆向工程理论，对稻谷谷粒、瘪谷、短茎秆进行了三维模型重构。运用三维离散元形状模型理论，采用粘接法，构造了稻谷谷粒、瘪谷及短茎秆的三维离散元模型。该模型与实际模型形状尺寸及密度值误差在5％以内，可成为稻谷收获清选动力学及运动学分析运动的力学基础。
　　 5、对稻谷的脱出混合物在平面振动筛上的清选行为进行了系统的三维离散元数值模拟研究。通过数值模拟，再现了颗粒流在筛面激励下的分层及透筛过程，并分析了颗粒流的运动规律。研究了各振动参数对谷粒及瘪谷在筛面运动的影响，并通过曲线拟合得到其回归方程，探索了颗粒流在筛面上的分层及透筛机理。
　　 6、运用三维离散元分析模拟理论，对平面振动筛的筛分效率进行了系统的研究。引入动态筛分效率的概念，分析了在筛分过程中，筛面的振动频率、振幅及筛面倾角对筛分效率的影响。在此基础上，进行了正交仿真实验，得到了最佳筛分效率时的振动参数，即振动频率5Hz、振幅25mm、倾角为4°。同时建立了筛分效率的多元非线性模型，该模型丰富了颗粒物料的振动筛分理论，为传统筛分机的优化设计和新型筛分装置的研制提供了理论依据。
　　 7、运用实验的方法，对数值模拟进行了验证。运用高速图像处理系统，在实验台上进行了筛分过程的运动示踪，将离散元仿真结果与实验结果进行对比，分析表明，两种情况下，颗粒运动趋势相近;通过对实验时筛下物的统计，得到了筛分效率沿筛面分布规律，筛分效率在筛面上呈正态分布，筛面中前部筛分效率最高，该规律与离散元模拟结果规律基本一致;运用风速仪，对不同风机转速及不同风机倾角下筛面中点及出风口速度进行了测量，并与CFD模拟结果进行对比分析，分析表明，模拟结果与实验结果变化趋势相似，运用CFD进行气流场分析完全可行。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 背景与意义

1．2 风筛式清选装置研究现状

1．2．1 风筛式清选理论研究现状

1．2．2 风筛式清选装置的结构设计研究现状

1．2．3 风筛式清选数值模拟与仿真研究现状

1．2．4 离散单元法及其在筛分研究中的应用现状

1．3 存在的问题及本文研究内容

1．3．1 存在的问题

1．3．2 本文研究内容

第二章 联合收割机脱出物的特性分析

2．1 脱出物的组成分析

2．1．1 脱出物的获得与分类

2．1．2 脱出物组分的测量及分析

2．2 脱出物各组分千粒重及密度的测量

2．2．1 千粒重的测量

2．2．2 密度的测量

2．3 脱出物三轴平均尺寸的测量

2．3．1 测量方法

2．3．2 测量结果

2．4 脱出物剪切模量的测量

2．5 脱出物相互作用恢复系数的测量

2．6 脱出物相互作用静摩擦系数的测量

第三章 风筛式清选装置的设计及结构参数优化

3．1 风筛式清选装置设计

3．1．1 风筛式清选装置总体设计

3．1．2 风筛式清选装置振动筛三维设计

3．2 风筛式清选装置筛面运动分析

3．2．1 筛面运动分析

3．2．2 振动筛运动拟合

3．3 基于ADAMS的清选装置结构参数优化

3．3．1 振动筛在ADAMS中仿真模型的建立

3．3．2 影响因素分析

3．3．3 设计变量的确定

3．4．4 优化目标函数的确定

3．3．5 约束条件的确定

3．3．6 优化结果

第四章 风筛式清选装置气流场分析

4．1 基本方程

4．1．1 基本方程

4．1．2 湍流模型

4．1．3 壁面函数法

4．2 数值计算理论与方法

4．3 气力清选原理及主要参数

4．4 风筛式清选装置气流场数值计算

4．4．1 机构三维几何造型及网格

4．4．2 CFD模拟结果及分析

4．4．3 清选装置气流场的优化

4．4．4 数据分析处理

第五章 基于DEM的风筛式清选装置筛分机理研究

5．1 离散单元法(DEM)基本理论

5．1．1 离散元接触力学模型

5．1．2 离散单元法的颗粒运动方程

5．1．3 离散元法的求解过程

5．2 水稻脱出物颗粒离散元形状模型的建立

5．2．1 谷粒点云的数据测量

5．2．2 点云数据处理

5．2．3 谷粒模型重构

5．2．4 脱出物其它组分的三维重构

5．2．5 水稻脱出物三维离散元形状模型的建立

5．3 筛分过程DEM仿真及颗粒群运动分析

5．3．1 筛分过程DEM模拟及分析

5．3．2 颗粒群的运动分析

5．4 振动参数对颗粒群运动的影响分析

5．4．1 振动参数对颗粒群所受平均冲击力的影响

5．4．2 振动参数对颗粒群平均速度的影响

第六章 基于DEM的风筛式清选装置运动参数优化

6．1 振动筛筛分效率研究

6．1．1 筛分理论

6．1．2 筛分效率及其沿筛面分布规律

6．2 振动参数对筛分效率的影响

6．2．1 实验设计

6．2．2 结果及讨论

6．3 振动筛参数优化

6．3．1 正交实验及结果

6．3．2 实验结果分析

6．3．3 多元非线性模型的建立

第七章 风筛式清选装置实验分析

7．1 清选实验系统

7．1．1 清选实验台

7．1．2 图像采集系统

7．2 谷粒在振动清选时运动示踪

7．2．1 测试方法

7．2．2 结果分析

7．3 谷粒清选筛分实验

7．3．1 实验方案

7．3．2 结果分析

7．4 清选气流场的测试

7．4．1 测实验方案及结果

7．4．2 结果分析

第八章 结论与展望

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

致谢

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