基于EDEM的洗麦机工作效率设计参数的正交分析

张凌峰， 张东生， 张力允， 林 静

(陕西理工学院机械工程学院，陕西汉中 723000)

基于EDEM的洗麦机工作效率设计参数的正交分析

张凌峰， 张东生， 张力允， 林 静

(陕西理工学院机械工程学院，陕西汉中 723000)

在小麦制粉工艺中，洗麦机已成为原麦加工中不可或缺的设备。以湿洗打擦型洗麦机为对象，在分析洗麦机内麦粒运动机理的基础上，运用EDEM软件对小麦颗粒在洗麦机中的运动进行模拟，通过正交试验法对绞龙转速、设计螺距和填充率等设计参变量进行对比，以获得颗粒的有效停留时间和平均接触力等净麦参量，为洗麦机设计参数的合理选择提供依据。

洗麦机; EDEM; 正交试验法; 平均接触力

洗麦过程分为干洗法和湿洗法两种，其中，湿洗法耗水量大、清洗效果好的特点决定了高效节能是目前湿洗法亟待解决的核心问题［1］。要求在较低耗水量下保证清洗效果，麦粒在洗麦槽中停留时间和颗粒速度变化是重要的影响因素。随着计算机三维仿真技术日益完善，特别是以EDEM为代表的DEM(离散元法)仿真的发展，实现了模拟麦粒在洗麦槽中真实运动过程的参数化建模，以比较不同运动和结构参数对洗麦效果的影响。

1 洗麦机内麦粒运动机理分析

图1 洗麦机结构图

卧式洗麦机的主体结构由洗麦槽和甩干桶构成，其结构如图1所示。首先，麦粒在洗麦槽内部安装的绞龙的推动作用下，依次完成预洗、擦洗和冲洗过程。其间，麦粒在绞龙叶片滑擦和麦粒间自身摩擦作用下，充分擦洗掉表面污垢和麦毛，后经冲洗，获得净麦粒。

打擦甩干筒主要由打板、筛筒和传动机构等部分构成，其32块打板以螺旋状分布于主轴上，且打板悬臂端与主轴轴向面呈15°角，以实现麦粒在筛桶内水平方向运动。又根据下式:

式中mi为颗粒的质量(kg)，vi为颗粒破碎极限速度(m/s)，Fps为颗粒破碎力(N)，ts表示其颗粒接触瞬态作用时间(取10-5s)。鉴于我国小麦等级标准，从《制粉师工程手册》［2］查得:麦粒的破碎力Fps约为120 N，麦粒平均质量约为3×10-5kg，得麦粒破碎的极限速度vi约为40 m/s。则实际工况下，Φ400型筛筒的计算转速应控制在640～1 194 r/min。

2 麦粒运动的仿真分析

2.1 建立洗麦机的三维模型

洗麦机的洗麦槽和打擦甩干筒均是在电机驱动下，通过带轮传动，实现绞龙和打板轴的工作转动。其全部质量通过分布于轴肩处的轴承传递于机架。为使仿真更易于实现，所建立的三维模型忽略传动和支承部件，即将洗麦机简化为双筒状串联体结构。

选择机械建模广泛采用的SolidWorks软件建立三维模型，以最新节能型打擦洗麦机FDCXM-40×150×2(I)为研究对象，简化后的洗麦机三维模型如图2所示。

2.2 麦粒在洗麦机内运动的仿真分析

2.2.1 颗粒流仿真分析软件EDEM简介

EDEM是全球首个运用现代化的离散元素法实现工业生产过程中颗粒系统处理的模拟分析CAE软件。其创造性的采用了高效的颗粒集合生成技术Particle FactoryTM，不仅弥补了传统流体分析软件在颗粒流模拟方面的不足，而且为实现颗粒与模型、颗粒与颗粒间的接触力学仿真提供了可能［3］。

2.2.2 洗麦槽内麦粒的运动仿真分析

工程实际中，估算非球面物料的临界速度时，将不规则物体通过下式化为当量球体进行计算［4］:

式中:a、b、c分别为颗粒平均粒度中的长度、宽度和厚度(mm)，取值为 a=6.2 mm，b=3.2 mm，c=2.9 mm;d为颗粒等效球体的当量粒径(mm)。

该样机额定处理量通过(3)式求得:

式中:Q为样机额定处理量(t/h);D为螺旋叶片直径(mm);P为绞龙螺距(mm);n为绞龙设计转速(r/min);φ为填充率，φ=25% ～40%;λ为物料单位容积质量(t/m3);ε为绞龙倾斜系数。即可求得额定处理量为10～12 t/h。仿真颗粒数则根据洗麦机额定处理量和填充率进行计算［5］。

仿真分析的物料参数:小麦当量粒径d=3.9 mm，仿真颗粒数为7 000～9 000粒/s。洗麦槽结构参数:螺旋叶片直径D=200 mm，绞龙设计螺距100～180 mm，绞龙设计转速200～300 r/min。

模拟的假设条件:①物料休止角、填充率不随湿度变化;②不考虑物料的形状;③不考虑多相流对物料运动的影响。

由于研究所涉及的设计参量均为连续值，遍历试验各因素组合无法实现。考虑到正交试验在研究多因素水平问题时高效性的特点，并结合仿真要求，选择常用的L9(34)正交表安排试验。其试验因素水平如表1所示。

图2 简化后的洗麦机三维模型

表1 净麦率试验因数水平表

前处理:首先定义麦粒的物理属性和接触属性，然后定义麦粒的几何参数，并以.IGS格式导入已建立的三维样机模型，最后定义系统的边界约束，并使用Particle Factory工具定义颗粒工厂;求解，设定相对时间步长20%和接触网格尺寸2 Rmin。完成仿真设置，开始仿真。后处理:测量正交表L9(34)中第1号试验(A1，B1，C2)因素水平下的颗粒有效停留时间和平均接触力，以.csv文件导出数据，在MATLAB中得到折线图，如图3所示。

图3 颗粒的有效停留时间和平均接触力

其中，图3(a)反映颗粒的平均角速度随时间的变化，区间(2.1，2.4)和(6.8，7.1)具有明显大于区间(2.4，6.8)的角速度，由于麦粒在进入和流出洗麦槽时均为自由落体运动，故其不属于有效停留时间。现对区间(2.4，6.8)进行分析，由于有效停留时间内，麦粒在绞龙匀速推动下运动，故其平均角速度服从正态分布。通过数据处理中粗大误差分析方法对其边界点依次进行检验［6］，得区间(2.4，6.7)满足3σ准则，并得到正态分布参数μ=276.75，σ=6.168。即麦粒的有效停留时间为4.3 s，其间，平均角速度为 276.75 r/min。

图3(b)则反映颗粒间平均接触力随时间的变化。在区间(2.1，6.6)通过数据处理方法获得正态分布参数 μ =0.064 5，σ =0.004 66，即麦粒的平均接触力为0.064 5 N。

按因数要求，依次完成以下9组试验，并记录试验结果，如表2所示。

表2 净麦率试验正交表

3 仿真结果处理与分析

对试验结果的两个指标进行分析，其中颗粒的有效停留时间决定净麦标准。停留时间越长，绞龙叶片滑擦和麦粒间自身摩擦越充分，经冲洗后获得的净麦标准越高。但过长的停留时间将导致生产率降低，无法满足实际生产要求;颗粒的平均接触力将决定净麦效率。麦粒在洗麦槽中运动过程是摩擦力、挤压力和离心力等联合作用的结果。较大接触力反映颗粒间具有较大挤压滑移力。在速度场中，其反映为麦粒本身具有更高的碰撞动量。在保证接触力低于麦粒破碎力Fps的前提下，更高的平均接触力将使得整体的麦粒流获得更高的净麦效率。

结合表2试验结果，分析各因素对颗粒有效停留时间和平均接触力的影响，结果如表3所示。

表3 净麦率正交试验结果分析

4 结论

(1)根据仿真模拟试验结果，选择粮食加工行业比较成熟的停留时间经验公式，通过修正系数加以修正，获得具有更高精确度的颗粒有效停留时间，为量化样机净麦率提供参考:

(2)根据颗粒运动过程中摩擦力、挤压力和离心力等联合作用的特点，绞龙的高转速大螺距均使颗粒具有较高的动能，在摩擦、挤压力的作用下，伴随发生更大的能量交换，从而获得更高的净麦效率。低转速和小螺距会使颗粒具有较长的停留时间和较大的表面接触力，其对麦粒的充分擦洗有显著作用。

(3)结合表3结果的分析，在3种不同因素中，对于停留时间影响最为显著的是绞龙螺距P，其次是绞龙转速n，填充率对其影响可以忽略;而对于平均接触力，绞龙螺距P影响最为显著。结合实际工况要求，绞龙转速 250 r/min、螺距 140 mm、填充率 33% ～40%(A2、B2、C1，2)可以保证平均接触力大于0.04 N的情况下，有效停留时间小于3 s。符合生产加工实际需求。虽然本仿真计算结果本身存在误差，但其试验结果可以为湿洗法节能高效处理提供理论和设计参考。

式中T为物料有效停留时间(s)，ε为添加修正系数，L为洗麦槽长度(mm)，P为绞龙螺距(mm)，n为绞龙转速(rpm)，F为结构阻碍系数，其值根据不同的绞龙螺距P取值在1.18～1.5之间。根据表2的试验结果，得到修正系数ε=0.85，则(4)式修正后的麦粒在洗麦槽内有效停留时间的计算公式为

［1］李林轩.小麦湿法清理工艺的利与弊［J］.粮食加工，2010(5):34-36.

［2］陈志成.制粉师工程手册［M］.北京:中国轻工业出版社，2007:9-6.

［3］王国强，郝万军，王继新.离散单元法及其在EDEM上的实践［M］.西安:西北工业大学出版社，2010:34-58.

［4］赵晓根.谷物颗粒流动特性的实验研究［D］.呼和浩特:内蒙古农业大学，2007:20-22.

［5］徐余伟.螺旋输送机设计参数的选择和确定［J］.面粉通讯，2008(5):21-24.

［6］钱政，王中宇，刘桂礼.测试误差分析与数据处理［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008:25-28.

［7］温纪平，林江涛，温钦豪，等.小麦清洁处理技术探讨［J］.粮食与饲料工业，2010(2):10-11.

［8］卓家寿，赵宁.离散单元法的基本原理、方法及应用［J］.海河科技进展，1993，13(2):1-11.

［9］胡国明.颗粒系统的离散元素法分析仿真［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2010:34-63.

［责任编辑:魏 强］

Analysis of EDEM wheat washing machine work efficiency parameters based on orthogonal design

ZHANG Ling-feng， ZHANG Dong-sheng， ZHANG Li-yun， LIN Jing
(School of Mechanical Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，China)

In flour milling technology，wheat washing machines have become indispensable equipment in the processing of raw wheat.This study，wet-friction type wheat washing machine as the object，adopts EDEM analysis of wheat washing machine of grain movement mechanism，and simulates the movement of wheat grains in the wheat washing machine，to obtain the effective residence time and the contact force.Then orthogonal test method is applied to design parameters of dragon speed and pitch，to provide a basis for reasonable selection of design parameters for wheat washing machine.

wheat washing machine; EDEM; the orthogonal test method; the average contact force

TH226

A

1673-2944(2014)05-0011-04

2014-04-29

张凌峰(1989—)，男，河南省焦作市人，陕西理工学院硕士研究生，主要研究方向为机械强度分析与现代设计方法;［通信作者］张东生(1960—)，男，陕西省洋县人，陕西理工学院教授，硕士研究生导师，主要研究方向为新型机械传动设计。