窝眼滚筒筛内白米筛分特性研究

发布时间：2020-10-09 16:09

　　整碎米的高效筛分是稻谷加工过程中的重要环节,整精米价格是碎米的二到三倍之多,精确筛分整碎米可以丰富大米产品结构,满足各层消费者需求,提高米厂经济效益。然而,窝眼滚筒筛的设计与研究大多依赖于筛分试验与经验,筛分效率仍有待提高。因此,以明晰筛分过程中米粒的运动规律及筛分特性为基础,提出一种窝眼滚筒筛的优化设计方法具有重要的工程意义和科学价值。本研究以对窝眼滚筒筛的筛分过程分析为切入点,首先建立窝眼滚筒筛离散元法分析模型,应用数值模拟的手段,探明窝眼滚筒转速率及含碎率对混合区域内整碎米的运动影响规律;其次探究转速率与窝眼排布数量对筛分区域内米粒运动特性以及脱离角分布差异的影响,进而提出一种窝眼滚筒筛优化设计方法;最后通过试验研究窝眼滚筒筛各参数包括转速率、含碎率、集料槽倾角对筛分效率及损失率的影响规律,并对参数进行优化,获得最佳参数组合,进而验证本文提出的设计方法的可靠性。研究的主要结论:(1)探明窝眼滚筒筛混合区域内米粒的运动特性及对筛分性能的影响规律。随窝眼滚筒筛转速率的增加,滚筒混合区域沿中心弦方向,相邻层米粒的速度差异变大,米粒间更易产生相对运动,使得完整米粒与破碎米粒在混合区内均匀分布,有利于提高破碎米粒进入滚筒窝眼的概率。含碎率对混合作用影响较小,通过改变含碎率不能改善破碎米粒分布在混合区域中心,而完整米粒分布在外层这一不利于筛分的现象。(2)提出一种窝眼滚筒筛优化设计方法。通过海林格距离评判米粒脱离角分布差异,量化筛分能力;应用Alphashape算法搜寻完整米粒的轨迹边界,确定集料槽的最佳倾角。随窝眼滚筒转速率的增加,完整米粒与破碎米粒的脱离角均增大,脱离角分布范围变宽。海林格距离呈现先增大后减小的趋势,最大值在转速率为55%时取得,即对应着最佳筛分转速率。随着窝眼排布数量的增加,完整米粒与破碎米粒的脱离角均减小。海林格距离呈现先增大后保持不变的趋势,最大值出现在排布数量为72时,且进一步增加排布数量,海林格距离不会增加,即筛分效率不再增加。(3)明晰各因素对筛分性能的影响规律,得到筛分效率最高、损失率最低时,窝眼滚筒筛最佳参数组合。各参数对窝眼滚筒筛的筛分效率影响顺序为:窝眼滚筒转速率、集料槽倾角、含碎率。除含碎率,滚筒转速率与集料槽倾角的交互项对筛分效率影响不显著外,其余各因素皆显著影响筛分效率;各参数对损失率的影响顺序为:集料槽倾角、窝眼滚筒转速率、含碎率。除含碎率,滚筒转速率与含碎率的交互项对损失率影响不显著外,其余各因素皆显著影响损失率。
【学位单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S226
【部分图文】：

照片,尺寸测量,米粒,步骤

点选、添加几何体网格框选、外部导入几何体框选等方式，对关注的颗粒进行选择；可以按运动颗粒所具有的属性如速度、体积、角速度、势能、停留时间、转矩等对颗粒进行区分显示。软件内部还内置量角器、尺子等测量工具方便科研人员使用。另外，通过照片或视频的形式可以将仿真过程保存并导出。自离散单元法被提出以来，经过长时间的发展，已在粮仓卸料、矿石破碎、食品加工、农业工程等领域取得长足进步，在理论和应用研究方面取得了长足的进步，成为研究与探索与散粒体相关的科学问题的重要手段之一。目前，离散元法与基于连续性假设的数值方法包括有限元、边界元等的耦合求解方法已成为数值模拟研究的热点问题。总之，离散元法是一种经实践证明且具有广泛应用前景的数值模拟方法[68]。2.2 米粒离散元模型针对散体农业物料进行建模的过程中，研究人员通常应用 CT 断层扫描技术、数字图像处理等技术对颗粒的几何结构进行精确测量与构建[69-71]。在离散元仿真建模时，其中球形状态接触具有易于检测，计算机内存消耗少，计算时间短、效率高等特点，因此被广泛应用。同时由于农业散粒体物料间差异性大、外形轮廓复杂,多为不规则形状，采用单一规则球形颗粒模型无法真实反映物料间的相互作用。因此，目前通常采用圆颗粒聚合体的方法进行建模[72,73]，以达到逼近物料的实际外形的目的。

米粒,三维模型,接触模型,模型

图 2-2 米粒模型: (a)仿真三维模型,(b)试验米粒Fig.2-2 Model of rice: (a) Multi-sphere model of rice particles used in DEM simulation, (b)Photographs of rice with various length2.3 筛分过程离散元接触力学模型仿真过程中常用的离散元接触模型包括 Hertz-Mindlin、Hertz-Mindlin with JKHertz-Mindlin with heat conduction 等[78]，不同的接触模型适用于不同研究领域。由于碾后米含水率低，通常低于 15%(wb)，米粒间的液桥力及黏附力等可以忽略不计[79]，因此，本将仿真米粒视为非粘性体，在综合考虑计算精度和仿真速度的前提条件下，选择 Hertz-Min无滑动接触模型作为米粒间的接触模型，如图 2-3 所示。在该力学接触模型中，米粒 i 分别受自身重力 mig 和米粒间法向碰撞接触力 Fn、法向尼 Fnd、切向碰撞力 Ft、切向阻尼 Ftd。由以上可得出任意米粒 i 的平动运动方程如下：+ +++inj1dttdinniimdtdm ( FFFF)vg (同时,米粒在切向力矩 Tt和滚动摩擦力矩 Tr的作用下,每个米粒的转动运动方程如下 +intriidtd(T T)ωI (

接触模型,米粒

图 2-3 Hertz-Mindlin 接触模型Fig.2-3 Contact model of Hertz-Mindlin学模型采用弹簧-阻尼模型使米粒的受力同时具有弹性和非弹性接触的方向上，米粒所受法向合力等于法向接触力 Fn与法向阻尼力 Fnd之和，relnndntotalnnFFFE RSmv*22**3lnπln65-234++ E*为米粒的等效杨氏模量；R*为米粒的等效半径；为米粒的法向形变复系数；Sn为米粒的法向刚度；m*为米粒的等效质量；vnrel为米粒的法方向上，米粒在窝眼滚筒筛内的碰撞造成的切向相对运动使米粒具有切切向接触面上米粒会产生切向形变。为了模拟籽粒在切向方向的塑性形的方式来消耗切向运动产生的能量。米粒所受切向合力等于切向接触力。由于库伦摩擦力的限制，米粒的切向合力可由下式计算： ++ ++ ccFFFFFFFvFFFFdctdttreltttdtttotalμSSmsnt*22t,,lnπln652

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