蘇國粱 耿端陽 劉洋

1、山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 2、山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心

引言

馬鈴薯糧菜兼用，營養(yǎng)價(jià)值豐富，我國目前的馬鈴薯種植面積已居世界首位[1]。不同地區(qū)的馬鈴薯對清選有著不同的需求，為滿足相應(yīng)的需求，多位學(xué)者[2-5]進(jìn)行了相關(guān)的馬鈴薯清選設(shè)備的研究，但均沒有針對馬鈴薯和石塊分離的相關(guān)研究。因此本研究將對馬鈴薯與石塊如何在氣力和振動(dòng)篩的作用下完成分離進(jìn)行研究，并借助DEM-CFD耦合來對馬鈴薯和石塊分離的過程進(jìn)行模擬仿真。

1 仿真模型的建立

1.1 EDEM三維模型的建立

利用SolidWorks2018軟件建立氣力懸浮薯石分離裝置的三維圖，如圖1所示。

圖1 仿真三維圖

1.2 FLUENT網(wǎng)格劃分

建立三維模型后，機(jī)架便成為輸送氣流的唯一部件，在FLUENT中對機(jī)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 仿真網(wǎng)格圖

2 仿真試驗(yàn)及分析

在進(jìn)行了仿真參數(shù)的設(shè)置后，結(jié)合谷物收獲機(jī)清選裝置[7]，綜合分析后，確定以曲柄長度R、連桿傾角γ、氣流方向角α做為仿真試驗(yàn)的因素。

2.1 仿真試驗(yàn)指標(biāo)

馬鈴薯清選的主要評價(jià)指標(biāo)有：馬鈴薯選出率Y1和清選潔凈率Y2。其中

式中Q1—清選后物料中馬鈴薯質(zhì)量，kg；

Q2—清選前馬鈴薯總質(zhì)量，kg。

式中U1—清選后物料中的石塊質(zhì)量，kg；

U2—清選前石塊總質(zhì)量，kg。

2.2 單因素仿真試驗(yàn)

2.2.1 曲柄長度對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律仿真試驗(yàn)

取曲柄長度分別為11mm、13mm、15mm、17mm、19mm和21mm，取連桿傾角為20°，取氣流方向角為58°。仿真試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果記錄如表1所示。

表1 曲柄長度仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

根據(jù)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格分析可知：馬鈴薯選出率隨曲柄長度的增大而減小，當(dāng)曲柄長度增大時(shí)，馬鈴薯拋離篩面的趨勢會(huì)隨之減小。清選潔凈率隨曲柄長度的增大而增大，當(dāng)曲柄長度增大時(shí)，石塊不被拋離篩面的趨勢也會(huì)增加。

2.2.2 連桿傾角對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律仿真試驗(yàn)

取連桿傾角分別為12°、14°、16°、18°、20°和22°，取曲柄長度為15mm，取氣流方向角為58°。仿真試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果記錄如表2所示。

表2 連桿傾角仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

根據(jù)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格分析可知：馬鈴薯選出率隨連桿傾角的增大先減小后增大，當(dāng)連桿傾角增大時(shí)，馬鈴薯的懸浮效果先變差再變好。清選潔凈率隨連桿傾角的增大先增大后減小，清選潔凈率也隨之提高；連桿傾角增大的后段，石塊向著越來越容易拋離篩面的趨勢變化，此時(shí)石塊容易拋離篩面，清選潔凈率降低。綜合以上分析，取連桿傾角14°和18°作為較優(yōu)參數(shù)進(jìn)行后續(xù)的仿真驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.2.3 氣流方向角對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律仿真試驗(yàn)

取氣流方向角分別為43°、48°、53°、58°、63°和68°，取曲柄長度為15mm，取連桿傾角為20°。仿真試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果記錄如表3所示。

表3 氣流方向角仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

根據(jù)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格分析可知：馬鈴薯選出率和清選潔凈率隨氣流方向角的增大均為先增大后減小。分析可知，當(dāng)氣流方向角較小時(shí)，氣力沿豎直方向的分力較小，馬鈴薯選出率較低且清選潔凈率較低。隨著氣流方向角的逐漸增大，氣力沿豎直方向的分力逐漸增大，導(dǎo)致清選潔凈率降低且馬鈴薯選出率降低。綜合上述分析，取氣流方向角為53°作為較優(yōu)參數(shù)進(jìn)行后續(xù)的仿真驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.3 仿真驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)前述仿真試驗(yàn)中對試驗(yàn)因素參數(shù)的選取，分別取曲柄長度15mm，連桿傾角18°和氣流方向角53°，進(jìn)行仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)仿真時(shí)間設(shè)定為20s，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 仿真驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)參數(shù)分別取曲柄長度15mm、連桿傾角18°和氣流方向角53°時(shí)，馬鈴薯選出率和清選潔凈率分別為91.33%和92.45%。

3 結(jié)論

為解決我國馬鈴薯清選過程中的薯石分離問題，設(shè)計(jì)了馬鈴薯氣力懸浮薯石分離裝置，并借助EDEM和FLUENT的耦合原理進(jìn)行了仿真試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)曲柄長度為15mm、連桿傾角為18°、氣流方向角為53°時(shí)，馬鈴薯選出率為97.23%，清選潔凈率為95.48%，符合清選作業(yè)的要求。