基于edem的谷物分离模拟与试验研究
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本文基于 ＥＤＥＭ 对 簸 箕 中 谷 粒 与 茎 秆 的 运 动 行 为模拟，分析运动过程中的颗粒分布状 态 变化，记录谷 粒体积浓度变化，讨 论 振 动 参 数 对 分 离 效 果 的 影 响 并 给出最佳 振 动 参 数 的 选 取 方 法，并 且 进 行 试 验 验 证。 所做研究可为谷物分离设备与工艺优化提供一定的理 论参考。
郭柄江，马学东，赵磊，于海川
（辽 宁 科 技 大 学 机 械 工 程 与 自 动 化 学 院 ，辽 宁 鞍 山 ，１１４０５１）
摘要：为代替手工作业，降低劳动强度，以簸箕为原型设计一款水平振动的谷物分离装置，采 用 离 散 元 软 件 ＥＤＥＭ 对 谷 物 分离过程进行模拟 ，并且运用响应面方法得到最佳振动参数，最后进行试验验证。仿真和试验结果表明：所设 计 的 谷 物 分 离装置可以较好地实现谷粒与茎秆的分离 ，所得谷粒体积浓度为９９．９０％。 对 振 动 参 数 的 讨 论 得 出，在 二 维 响 应 面 上，谷 粒体积浓度为 １的两条等高线所夹区域内任选一点，横纵坐 标 所 对 应 的 频 率 和 振 幅 作 为 振 动 参 数，即 可 实 现 谷 粒 与 茎 秆 的完全分 离 。 当 振 动 频 率 为 ５ Ｈｚ时，振 幅 应 在 １７．５～２２．５ ｍｍ 范 围 内 选 取；振 动 频 率 为 ６ Ｈｚ时，振 幅 可 在 １２．５～ ２０ｍｍ 范围内选取。所做研究可为谷物分离设备与工艺优化提供一定的理论参考。 关 键 词 ：谷 物 分 离 ；离 散 单 元 法 ；振 动 参 数 ；谷 粒 体 积 浓 度 ；响 应 面 中图分类号：Ｓ２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５－５５５３ （２０１９）１２－０１００－０６
１ 模 型 建ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ立
１．１ 几 何 模 型 设计如图１所示的谷物分离装置，其特 征 在 于：电
动机和滑轨通过螺栓紧固在底座上；簸箕、簸 箕架和 滑 块通过螺栓连接成一个整体；曲柄、连 杆 和 滑块组 成 曲 柄 滑 块 机 构 ，滑 块 可 以 沿 着 滑 道 运 动 。
电机轴轴心与簸箕架和连杆连接轴轴心在同一高
离散单元法（ＤＥＭ）最早由美国学者 Ｃｕｎｄａｌｌ教授 提出，是研究复 杂 离 散 系 统 动 力 学 问 题 的 一 种 新 型 数 值方法，ＥＤＥＭ 是模拟离 散 系 统 动 态 行 为 的 离 散 元 软 件 。 ［６］ 粮食收获后 的 谷 粒、茎 秆 和 石 子 等 混 合 物 就 是 一 个 复 杂 离 散 系 统 ，因 此 ，越 来 越 多 的 工 程 师 与 学 者 运 用 ＥＤＥＭ 来模拟农业颗粒的运动状态 。 ［７－９］
Ｍａ等 运 ［１０］ 用 ＥＤＥＭ 软 件 模 拟 了 谷 粒 与 茎 秆 在 变 振 幅 筛 中 的 分 离 ，主 要 从 机 理 、参 数 优 化 和 粒 子 运 动
等方面进 行 了 研 究。 李 磊 总 ［１１］ 结 了 离 散 元 法 在 农 业 工程中的应用现状，对离散元法的局限 性 进行了描 述， 并 对 其 在 农 业 工 程 中 的 应 用 做 出 展 望。Ｌｅｎａｅｒｔｓ 等 对 ［１２］ 离 散 单 元 法 进 行 了 改 进，使 其 更 适 用 于 联 合 收 割机中最关键的 工 序 之 一 麦 秆 分 离 的 仿 真，并 用 试 验 证明了离散单元法的有效性。
０ 引 言
谷物分离是农 业 生 产 中 的 重 要 操 作 过 程，在 谷 物 收获 后，需 要 将 不 成 熟 的、霉 变 的 种 子 以 及 混 杂 的 茎 秆、石 子 从 谷 粒 中 分 离 出 来，谷 物 分 离 机 就 是 用 于 清 杂、精选和分级的粮食加 工 机 械 。 ［１－３］ 大 型 谷 物 联 合 收 割机一般都搭载 谷 物 分 离 装 置，此 类 装 置 适 合 室 外 收 割 时 配 套 使 用 ，已 经 得 到 系 统 的 发 展 ，而 涉 及 到 小 型 室 内谷物分离装置时，仍有 较 大 的 研 究 空 间 。 ［４－５］ 簸 箕 是 一 种 常 见 的 分 离 装 置 ，长 时 间 人 工 操 作 劳 动 强 度 较 大 ， 本研究以簸箕为 原 型，设 计 了 一 款 水 平 振 动 谷 物 分 离 装 置 ，旨 在 提 高 工 作 效 率 ，降 低 劳 动 强 度 。
第 ４０ 卷 第 １２ 期 ２０１９ 年 １２ 月
中国农机化学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ
ＤＯＩ：１０．１３７３３／ｊ．ｊｃａｍ．ｉｓｓｎ．２０９５－５５５３．２０１９．１２．１８
Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ． ２０１９
基于 ＥＤＥＭ 的谷物分离模拟与试验研究＊
收 稿 日 期 ：２０１９ 年 ５ 月 １４ 日 修 回 日 期 ：２０１９ 年 ７ 月 １１ 日 ＊ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （５１７７５２５８）；辽 宁 省 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 （２０１７０５４０４５８）；精 密 与 特 种 加 工 教 育 部 重 点 实 验 室 基 金 （Ｂ２０１７０３） 第 一 作 者 ：郭 柄 江 ，男 ，１９９４ 年 生 ，山 西 忻 州 人 ，硕 士 研 究 生 ；研 究 方 向 为 农 业 颗 粒 物 质 动 力 学 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｏｂｉｎｇｊｉａｎｇ０６１２＠１６３．ｃｏｍ 通 讯 作 者 ：马 学 东 ，男 ，１９６５ 年 生 ，内 蒙 古 赤 峰 人 ，博 士 ，教 授 ；研 究 方 向 为 颗 粒 物 质 动 力 学 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｄｏｎｇ９１２＠１２６．ｃｏｍ
郭柄江，马学 东，赵 磊，于 海 川．基 于 ＥＤＥＭ 的 谷 物 分 离 模 拟 与 试 验 研 究 ［Ｊ］．中 国 农 机 化 学 报，２０１９，４０（１２）： １００－１０５ Ｇｕｏ Ｂｉｎｇｊｉａｎｇ，Ｍａ Ｘｕｅｄｏｎｇ，Ｚｈａｏ Ｌｅｉ，Ｙｕ Ｈａｉｃｈｕａｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｇｒａｉｎ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＥＤＥＭ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２０１９，４０（１２）：１００－１０５
郭柄江，马学东，赵磊，于海川
（辽 宁 科 技 大 学 机 械 工 程 与 自 动 化 学 院 ，辽 宁 鞍 山 ，１１４０５１）
摘要：为代替手工作业，降低劳动强度，以簸箕为原型设计一款水平振动的谷物分离装置，采 用 离 散 元 软 件 ＥＤＥＭ 对 谷 物 分离过程进行模拟 ，并且运用响应面方法得到最佳振动参数，最后进行试验验证。仿真和试验结果表明：所设 计 的 谷 物 分 离装置可以较好地实现谷粒与茎秆的分离 ，所得谷粒体积浓度为９９．９０％。 对 振 动 参 数 的 讨 论 得 出，在 二 维 响 应 面 上，谷 粒体积浓度为 １的两条等高线所夹区域内任选一点，横纵坐 标 所 对 应 的 频 率 和 振 幅 作 为 振 动 参 数，即 可 实 现 谷 粒 与 茎 秆 的完全分 离 。 当 振 动 频 率 为 ５ Ｈｚ时，振 幅 应 在 １７．５～２２．５ ｍｍ 范 围 内 选 取；振 动 频 率 为 ６ Ｈｚ时，振 幅 可 在 １２．５～ ２０ｍｍ 范围内选取。所做研究可为谷物分离设备与工艺优化提供一定的理论参考。 关 键 词 ：谷 物 分 离 ；离 散 单 元 法 ；振 动 参 数 ；谷 粒 体 积 浓 度 ；响 应 面 中图分类号：Ｓ２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５－５５５３ （２０１９）１２－０１００－０６
１ 模 型 建ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ立
１．１ 几 何 模 型 设计如图１所示的谷物分离装置，其特 征 在 于：电
动机和滑轨通过螺栓紧固在底座上；簸箕、簸 箕架和 滑 块通过螺栓连接成一个整体；曲柄、连 杆 和 滑块组 成 曲 柄 滑 块 机 构 ，滑 块 可 以 沿 着 滑 道 运 动 。
电机轴轴心与簸箕架和连杆连接轴轴心在同一高
离散单元法（ＤＥＭ）最早由美国学者 Ｃｕｎｄａｌｌ教授 提出，是研究复 杂 离 散 系 统 动 力 学 问 题 的 一 种 新 型 数 值方法，ＥＤＥＭ 是模拟离 散 系 统 动 态 行 为 的 离 散 元 软 件 。 ［６］ 粮食收获后 的 谷 粒、茎 秆 和 石 子 等 混 合 物 就 是 一 个 复 杂 离 散 系 统 ，因 此 ，越 来 越 多 的 工 程 师 与 学 者 运 用 ＥＤＥＭ 来模拟农业颗粒的运动状态 。 ［７－９］
Ｍａ等 运 ［１０］ 用 ＥＤＥＭ 软 件 模 拟 了 谷 粒 与 茎 秆 在 变 振 幅 筛 中 的 分 离 ，主 要 从 机 理 、参 数 优 化 和 粒 子 运 动
等方面进 行 了 研 究。 李 磊 总 ［１１］ 结 了 离 散 元 法 在 农 业 工程中的应用现状，对离散元法的局限 性 进行了描 述， 并 对 其 在 农 业 工 程 中 的 应 用 做 出 展 望。Ｌｅｎａｅｒｔｓ 等 对 ［１２］ 离 散 单 元 法 进 行 了 改 进，使 其 更 适 用 于 联 合 收 割机中最关键的 工 序 之 一 麦 秆 分 离 的 仿 真，并 用 试 验 证明了离散单元法的有效性。
０ 引 言
谷物分离是农 业 生 产 中 的 重 要 操 作 过 程，在 谷 物 收获 后，需 要 将 不 成 熟 的、霉 变 的 种 子 以 及 混 杂 的 茎 秆、石 子 从 谷 粒 中 分 离 出 来，谷 物 分 离 机 就 是 用 于 清 杂、精选和分级的粮食加 工 机 械 。 ［１－３］ 大 型 谷 物 联 合 收 割机一般都搭载 谷 物 分 离 装 置，此 类 装 置 适 合 室 外 收 割 时 配 套 使 用 ，已 经 得 到 系 统 的 发 展 ，而 涉 及 到 小 型 室 内谷物分离装置时，仍有 较 大 的 研 究 空 间 。 ［４－５］ 簸 箕 是 一 种 常 见 的 分 离 装 置 ，长 时 间 人 工 操 作 劳 动 强 度 较 大 ， 本研究以簸箕为 原 型，设 计 了 一 款 水 平 振 动 谷 物 分 离 装 置 ，旨 在 提 高 工 作 效 率 ，降 低 劳 动 强 度 。
第 ４０ 卷 第 １２ 期 ２０１９ 年 １２ 月
中国农机化学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ
ＤＯＩ：１０．１３７３３／ｊ．ｊｃａｍ．ｉｓｓｎ．２０９５－５５５３．２０１９．１２．１８
Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ． ２０１９
基于 ＥＤＥＭ 的谷物分离模拟与试验研究＊
收 稿 日 期 ：２０１９ 年 ５ 月 １４ 日 修 回 日 期 ：２０１９ 年 ７ 月 １１ 日 ＊ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （５１７７５２５８）；辽 宁 省 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 （２０１７０５４０４５８）；精 密 与 特 种 加 工 教 育 部 重 点 实 验 室 基 金 （Ｂ２０１７０３） 第 一 作 者 ：郭 柄 江 ，男 ，１９９４ 年 生 ，山 西 忻 州 人 ，硕 士 研 究 生 ；研 究 方 向 为 农 业 颗 粒 物 质 动 力 学 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｏｂｉｎｇｊｉａｎｇ０６１２＠１６３．ｃｏｍ 通 讯 作 者 ：马 学 东 ，男 ，１９６５ 年 生 ，内 蒙 古 赤 峰 人 ，博 士 ，教 授 ；研 究 方 向 为 颗 粒 物 质 动 力 学 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｄｏｎｇ９１２＠１２６．ｃｏｍ
郭柄江，马学 东，赵 磊，于 海 川．基 于 ＥＤＥＭ 的 谷 物 分 离 模 拟 与 试 验 研 究 ［Ｊ］．中 国 农 机 化 学 报，２０１９，４０（１２）： １００－１０５ Ｇｕｏ Ｂｉｎｇｊｉａｎｇ，Ｍａ Ｘｕｅｄｏｎｇ，Ｚｈａｏ Ｌｅｉ，Ｙｕ Ｈａｉｃｈｕａｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｇｒａｉｎ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＥＤＥＭ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２０１９，４０（１２）：１００－１０５