基于离散元法的扇贝肉壳分离直线振动筛仿真与试验*

陈书法，牛晏瑞，芦新春，杨进，董志国，冯博

(1. 江苏海洋大学机械工程学院,江苏连云港,222005; 2. 江苏海洋大学海洋工程学院,江苏连云港,222005; 3. 江苏海洋大学海洋科学与水产学院,江苏连云港,222005)

0 引言

扇贝是我国沿海地区最重要的海产品养殖品种之一,其肉质肥美,具有丰富的营养成分,受到人们的欢迎[1-2]。扇贝加工的重要环节是将扇贝蒸煮后进行剥壳、取肉,目前我国普遍的脱壳方式依旧是采取人工作业的形式,生产成本高且效率低,缺少大规模的肉壳分离设备[3]。

振动筛是一种重要的筛分装置,它能够通过筛面上的筛孔将散状颗粒混合物按照大小进行分级,以满足后续的作业要求[4-5]。由于扇贝肉在加工的过程中对肉的完整性要求较高,而直线振动筛既可以通过激振力将蒸煮后的扇贝肉和壳轻易分离又可以保证肉质的完整性[6-7]。但扇贝在筛面上的运动状态复杂多变,为了研究筛分过程中物料颗粒的运动状态和透筛规律,需要借助离散单元法对每个独立的单元的筛分过程进行模拟分析。李永祥等[8]基于离散元对粮食振动清理筛的筛分过程进行仿真模拟,分析得出了筛分效果较好的振动筛工艺参数。王秉[9]基于离散单元法分析了玉米颗粒在直线振动筛上的运动情况,优化了振动筛的结构。Zhao等[10]分析了物料颗粒在筛面上的分布情况对筛分效率的影响,研究了颗粒与筛面间的碰撞行为。Feng等[11]分析了不规则颗粒的透筛过程,发现了当颗粒的质心在与筛面接触点偏左方向时透筛效果更好。Peng等[12]模拟了湿颗粒的筛分过程,得出振动筛较优的结构参数。

上述研究充分说明了离散单元法可以很好地用来优化振动筛的工作参数,提高筛分效率[13]。但是上述研究中没有应用此方法对贝类海产品相关的筛分装置进行优化设计和分析,关于直线振动筛不同工作参数下对扇贝肉壳分离效果的影响研究较少。

本研究基于离散元法模拟了扇贝颗粒在直线振动筛不同工艺参数下的运动过程和透筛行为,分析振动筛各因素对扇贝肉和扇贝壳两种不同颗粒透筛的影响,优化扇贝肉壳分离直线振动筛的工作参数,从而提高扇贝加工的生产效率,为以后贝类肉壳分离装置的结构设计和工作参数选取提供一定的参考。

1 直线振动筛总体设计与工作原理

1.1 总体设计

扇贝肉壳分离直线振动筛的整体结构如图1所示,主要由筛箱、筛面、振动电机、减振弹簧等部分组成。该直线振动筛采用阶梯式向下略微倾斜的筛面,配合振动电机产生的激振力可以有效减少物料在筛面上的堆积,使其分布更加均匀,具有良好的筛分性能[14]。根据扇贝肉壳分离所需要的处理量要求,本研究所设计的直线振动筛采用4个尺寸为2 000 mm×800 mm的可拆卸更换的筛面,筛面上的筛孔为直径φ=40 mm的圆形孔,开孔率为68.2%。

图1 直线振动筛整体结构

1.2 工作原理

扇贝在经过蒸煮工序后由输送带运送至振动筛的入料口进入筛箱,入料口与筛面之间倾斜角度为120°左右,同时筛面与水平面之间倾角α=5°～9°。直线振动筛采用两台振动电机,在转子轴上各安装一组可调偏心块,当安装在筛体上的两台振动电机做同步、反向运转时,其偏心块所产生的激振力在平行于电机轴线方向相互抵消,在垂直于电机轴方向的力相加产生合力通过传振体传递到整个筛箱上使物料在筛面上作直线运动,两台振动电机相对筛面有一倾角,从而使筛面上的物料受其激振力在筛网上向前进行跳跃运动。通过试验验证,蒸煮后的扇贝肉和壳之间的粘附力很小,在激振力和肉壳自重力的合力作用下扇贝在筛网上被抛起跳跃式向前运动,能够轻易达到肉壳分离的效果,分离后由于扇贝肉的尺寸较小会通过筛孔掉落至下方传送带上进入下一个清洗环节,而尺寸较大的扇贝壳则会停留在筛面上一直向前跳动至出料口处被过滤掉[15-17]。

2 离散元模型及仿真参数

本研究采用离散元软件EDEM对简化的直线振动筛模型在不同工作参数下进行扇贝肉壳分离的筛分过程进行仿真,在仿真试验开始之前分别对扇贝肉和壳进行颗粒建模,然后创建直线振动筛的简化模型和颗粒工厂,最后设置合适的离散元接触模型和仿真参数[18]。

2.1 颗粒建模

本研究选取连云港市赣榆区宋庄镇渔民普遍养殖的栉孔扇贝作为研究对象,在养殖塘里刚捕捞上来的鲜活扇贝里随机挑选200个,采用精度为0.01 mm的游标卡尺分别对扇贝的肉和壳的长度、宽度、厚度进行测量,得出扇贝肉的平均几何尺寸为34.5 mm×30.2 mm×15.2 mm,扇贝壳的平均几何尺寸为65.8 mm×60.3 mm×20.4 mm。EDEM软件建模是通过球形颗粒堆叠拟合而成的,按照试验测得的平均尺寸建立扇贝的肉和壳的离散元颗粒模型如图2所示。

(a) 扇贝肉颗粒模型

(b) 扇贝壳颗粒模型

2.2 筛分模型和颗粒工厂创建

将Creo软件建立好的直线振动筛三维模型进行合理的简化,只保留其筛箱和筛面,按照1∶1尺寸大小导入到EDEM软件中,仿真过程如图3所示。

图3 振动筛三维离散元模型

在仿真进行之前还需建立一个虚拟的颗粒工厂生成扇贝下落到振动筛上进行模拟筛分过程,然后设置颗粒工厂为动态生成的方式,生成扇贝颗粒的速率为200个/s,大小为平均尺寸的0.75～1.35倍之间随机生成,最后设置模拟的时长为30 s,数据保存时间步长为0.1 s,网格尺寸为3Rmin(Rmin代表最小颗粒半径)。

2.3 接触模型与仿真参数设置

在模拟颗粒在筛面上的运动规律时,颗粒和颗粒之间必然会发生接触与碰撞,从而产生力的作用,又因振动筛上的扇贝肉颗粒群和扇贝壳颗粒群与筛面之间无黏附作用,且不涉及电、热作用的影响,所以选择Hertz-Mindlin(no slip)接触模型,其基础模型原理如图4所示,该模型是EDEM中默认使用的接触模型,在这个模型中,法向力和切向力都有阻尼分量,其中阻尼系数与恢复系数有关。切向摩擦力遵循库仑摩擦定律,滚动摩擦力以独立于接触的方向性恒定扭矩模型实现。

图4 Hertz-Mindlin颗粒接触模型简图

在进行仿真计算之前需对相关的参数进行设置,包括扇贝肉和扇贝壳颗粒的物理参数和各材料之间的接触参数。扇贝肉和壳的力学参数包含泊松比、密度和剪切模量,各材料之间的接触参数为碰撞恢复系数、动摩擦系数和静摩擦系数,通过查阅相关资料与文献可得相关参数如表1和表2所示。

表1 材料物理参数Tab. 1 Material physical parameters

表2 各材料之间的接触参数Tab. 2 Contact parameters between materials

3 仿真分析

3.1 直线振动筛筛分物料性能指标

扇贝物料颗粒的透筛数量、筛分效率和肉中带壳比率是振动筛作业效果评价的综合性能指标,其中筛分效率尤为重要,当振动筛的筛分效率较高时,能够节省大量的工作时间和能耗。

筛分效率和肉中带壳比率分别按式(1)和式(2)进行计算。

(1)

(2)

式中:ηi——筛分效率;

Nf——实际透筛的扇贝肉数量;

Nt——理论应透筛的扇贝肉数量;

ηk——肉中带壳比率;

Nk——筛下物中扇贝壳颗粒的数量。

3.2 仿真试验中基准工艺参数选择

影响物料颗粒透筛效率的因素很多,在本次研究中,物料颗粒为栉孔扇贝,其生理参数已经确定,所以本研究从筛分设备的工艺参数上进行优化以提高其筛分效率。直线振动筛的主要工艺参数有振动频率、振幅、筛面倾角和振动方向角,通过查阅相关资料并对振动筛参数的计算,确定在仿真研究中直线振动筛的工艺参数可调范围如表3所示。

表3 直线振动筛工艺参数Tab. 3 Technological parameters of linear vibrating screen

为研究以上工艺参数对扇贝肉壳混合物料筛分过程的影响,利用离散元仿真软件开展单因素影响筛分性能的研究,以振动频率为12 Hz、振幅为5 mm、筛面倾角为8°、振动方向角为45°为基准参数,每次模拟试验只改变单个参数,分析单因素参数对筛分效率和扇贝肉颗粒透筛数量的影响规律。

3.3 直线振动筛工艺参数对筛分效果影响分析

利用EDEM软件对以上各工艺参数进行模拟获得每个参数对筛分效率以及扇贝肉透筛数量的影响后,可以将软件模拟分析的数据导出,然后进行汇总编辑,绘制成曲线图可以更直观地对结果进行分析,最后得到较优的工艺参数。

3.3.1 振动频率对筛分效果影响

为研究直线振动筛的振动频率对筛分效果的影响,在仿真试验中,分别取振动筛的振动频率为8 Hz、10 Hz、12 Hz、14 Hz、16 Hz,其余参数均为基准参数保持不变,共进行5次针对振动频率的筛分性能仿真试验,计算出扇贝肉颗粒透筛数量、筛分效率、扇贝壳颗粒透筛数量和肉中带壳比率并绘制曲线图,如图5所示。

(a) 对扇贝肉颗粒透筛数量的影响

(b) 对筛分效率的影响

(c) 对扇贝壳颗粒透筛数量的影响

(d) 对肉中带壳比率的影响

本次仿真试验共向直线振动筛均匀放料扇贝肉壳颗粒各5 000颗,由图5(a)和图5(c)可以看出,扇贝肉和壳颗粒的透筛数量随着时间的变化呈增长的趋势,从生产需求上来看,扇贝肉透筛的数量越多生产效率则越高,而扇贝壳透筛的数量则是越少越符合生产要求,因此可以看出当振动筛的振动频率为12 Hz是筛分的效果最好,但是当振动频率为8 Hz时扇贝壳的透筛数量异常的多,究其原因,振动频率太低导致振动筛的入料口的物料颗粒产生堆积,底部的扇贝壳受到上面堆积的物料挤压作用从筛孔通过,当振动频率增大后,筛面上物料的松散度明显提高,筛分效果明显好转。图5(b)是根据不同振动频率工况下扇贝肉颗粒透筛的总数计算得出的筛分效率,图5(d)是根据不同振动频率工况下透筛的扇贝壳颗粒总数和扇贝肉颗粒总数计算得出的肉中带壳比率,由图5(b)和图5(d)可以更加直观地看出当振动频率为12 Hz时振动筛的筛分效果最好,筛分效率达到97%,而当频率为8 Hz时筛分效果最差。

3.3.2 振动振幅对筛分效果影响

在筛分作业进行时,物料颗粒通过与筛面碰撞获得不断运动的能量,所以振幅的大小直接影响颗粒和筛网之间的碰撞强度进而影响颗粒透筛的情况[19]。为了研究直线振动筛振幅对扇贝颗粒筛分效果的影响,在仿真试验中保持其他筛分工艺参数为基准参数,只改变振幅大小分别为3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm,共进行5次振幅仿真,计算结果如图6所示。

由图6可以看出,随着筛分作业的进行,扇贝肉和扇贝壳的透筛数量随着时间的变化呈递增的趋势,当振幅为4 mm时,最终扇贝肉透筛数量最多且筛分效率最高,效率达到了98.1%,同时扇贝壳透筛数量最少肉中带壳比率也最低。较小的振幅筛分效果逐渐下降,而过大的振幅扇贝壳的透筛数量明显增大,分析其原因可知:振幅小时,振动筛的抛射强度不大,较大的物料颗粒容易堵孔,物料在振动筛上不容易分散开,产生堆积,扇贝肉被扇贝壳裹挟运动至出料口造成损失。振幅过大时,扇贝壳颗粒与筛面间的接触力较大,当扇贝壳跳动至筛孔时比较容易透筛,所以筛下物肉中带壳的比率急剧增大。

3.3.3 筛面倾角对筛分效果影响

筛面倾角是直线振动筛的重要工艺参数,主要影响物料颗粒沿着筛面长度方向上的重力分量。为研究直线振动筛的筛面倾角对扇贝物料颗粒筛分效果的影响,在进行仿真试验之前依然设置振动频率12 Hz、振幅5 mm、振动方向角45°为基本参数不变,取筛面倾角分别为4°、6°、8°、10°、12°各做一组仿真模拟,计算结果如图7所示。

根据图7(a)和图7(b)可以看出,随着筛分作业的进行,扇贝肉颗粒透筛的数量和筛分效率先随着筛面倾角的增大而增加,当筛面倾角为6°时,筛分效率最高,达到98.5%,随后筛面倾角越大筛分效率逐渐下降。

(a) 对扇贝肉颗粒透筛数量的影响

(b) 对筛分效率的影响

(c) 对扇贝壳颗粒透筛数量的影响

(d) 对肉中带壳比率的影响

通过分析其筛分过程可知:筛面倾角过小时,随着进料端物料不断增加,物料在筛面上停留的时间较长且抛掷指数低,造成物料在扇面上产生堆积,上层的扇贝肉颗粒不能与筛面直接接触,被下面的扇贝壳颗粒裹挟运动至出料口进入扇贝壳废料箱内。所以适当的增大筛面倾角可以使物料颗粒沿着筛面长度方向的重力分量与抛掷指数增大,有利于扇贝肉颗粒的透筛,可以有效地提高生产效率。但是当筛面倾角过大时,物料沿着筛面向下滑动的速度急剧增大,这样会导致扇贝肉快速划过筛孔至出料口造成物料大量浪费,筛分效率降低。

(a) 对扇贝肉颗粒透筛数量的影响

(b) 对筛分效率的影响

(c) 对扇贝壳颗粒透筛数量的影响

(d) 对肉中带壳比率的影响

通过图7(c)和图7(d)可以看出,扇贝壳颗粒透筛数量和肉中带壳比率也随着筛面倾角增大而减少和降低,原因与上述相同,倾角越大扇贝壳向下运动的速度越快越不容易通过筛孔,只有少数的尺寸较小的扇贝壳会通过筛孔进入到扇贝肉物中。但是要以扇贝肉的透筛数量和筛分效率为主要考虑参数,且当筛面倾角为6°时,扇贝壳透筛的数量并不是很多,肉中带壳的比率仅为1.2%左右。

3.3.4 振动方向角对筛分效果影响

振动方向角也叫抛射角,是筛箱的振动方向与筛面之间的夹角,是影响筛面上物料颗粒跳跃的重要参数。合理的振动方向角可以使筛面上的物料分布地更加均匀,有利于物料的透筛从而提高筛分效率。为研究直线振动筛的振动方向角对扇贝筛分效果的影响,在仿真试验中,依然设置其余工艺参数为基准参数,振动方向角分别取15°、30°、45°、60°、75°,共进行5次仿真模拟,计算结果如图8所示。

由图8(a)和图8(b)可知,扇贝肉透筛数量和筛分效率随着振动方向角的增大呈先递增再递减的趋势,当振动方向角在30°时筛分效果较好,筛分效率为98.7%。分析认为:当振动方向角较小时,筛面上的物料颗粒受到沿着筛面方向的力较大,而受筛面法向力较小,物料颗粒的抛掷效果不理想导致筛分效果差。适当地增加振动方向角,筛面上的物料颗粒受到法向力变大,抛掷的效果变好,物料颗粒在筛面上运动活跃度增大,筛分效果明显变好。但是当振动方向角过大时,物料颗粒在筛面上受到的法向力过大,跳跃的高度过大,导致物料颗粒与筛面不能够充分接触,筛分效率降低。

由图8(c)和图8(d)可以看出,当振动方向角过低或者过高时,扇贝壳透筛的数量明显较多,肉中带壳的比率明显较高,当振动方向角为30°～45°时,扇贝壳透筛的数量较少,出现这种情况的原因是:当振动方向角过小时,物料在筛面上的抛掷效果和分散情况较差,下层的扇贝壳受到挤压从而透筛的数量较多,而振动方向角过大时,扇贝壳跳跃高度较高,受到筛面的法向力较大,当扇贝壳颗粒恰好落至筛孔出容易透筛,因此振动方向角过大或者过小时扇贝壳的透筛数量会增多。

综上所述,扇贝物料在筛面上的运动状态和筛分效果分别受直线振动筛的振动频率、幅度、筛面倾角和振动方向角的影响。通过EDEM仿真试验可得,当直线振动筛的振动频率为12 Hz、振幅为4 mm、筛面倾角为6°、振动方向角为30°时,更有利于扇贝肉颗粒运动及透筛,筛分性能相对较优。

(a) 对扇贝肉颗粒透筛数量的影响

(b) 对筛分效率的影响

(c) 对扇贝壳颗粒透筛数量的影响

(d) 对肉中带壳比率的影响

4 扇贝筛分台架试验

4.1 材料与方法

为验证EDEM离散元仿真的可靠性,在连云港市赣榆区某烘干厂进行样机试验,试验材料选取完成蒸煮作业后的开壳栉孔扇贝为研究对象。按照离散元仿真所得的工艺参数调整样机的振动频率为12 Hz、振幅为4 mm、筛面倾角为6°、振动方向角为30°。将筛分效率与肉中带壳比率作为试验指标,待设备启动工况稳定后,向振动筛入料口均匀投放一定数量的开壳扇贝,筛分作业完成后,将设备关停,记录筛下物料中扇贝肉和扇贝壳的数量,计算其与投放扇贝数量的比值即为筛分效率和含杂率。试验共进行3次,取其结果的平均值与仿真结果作对比。

筛分试验所用到的设备与辅料主要包括:直线振动筛试制样机、电子秤、烧杯、塑封袋等。

4.2 台架试验结果与分析

本试验共进行3组,每组随机选取鲜活扇贝2 000颗(约68 kg)放入蒸煮箱内开壳后直接由输送带运送至振动筛入料口进行筛分,待筛分作业完成后统计筛下透筛的扇贝和碎壳的数量。经过多次计数与统计,3组试验透筛的扇贝肉数量分别为1 951颗、1 966颗、1 987 颗,扇贝壳及碎贝的数量分别为59颗、38颗、35颗。根据筛分试验所记录的数据计算出筛分效率和肉中带壳比率,取其平均值与仿真模拟的结果对比如表4所示。

表4 试验结果对比Tab. 4 Comparison of test results

由表4可知,在筛分效率上,仿真结果与试验结果误差较小,根据现场观察可知造成这部分误差的原因是有少数扇贝为死贝,蒸煮后没有完全开壳,另外有个别扇贝通过闭壳肌粘附在贝壳上无法分离。而肉中带壳比率误差相对较高,现场研究发现,筛下物中的贝壳主要为碎贝,在筛分过程中有少数较脆弱的贝壳在筛面上被振碎,通过筛孔下落到筛下物中。试验结果与仿真结果误差小于2%,总体效果非常接近,进一步验证了本文所设计直线振动筛模型的可靠性,也表明了离散元法建模与仿真是研究颗粒物料分离的有效方法。

5 结论

1) 设计了一款针对贝类海产品肉壳分离的直线振动筛,采用振动电机为筛箱提供激振力,物料在筛面上获得向前跳跃运动的力从而完成筛分的过程。

2) 运用EDEM软件建立了物料颗粒和振动筛模型并对直线振动筛的各项工艺参数进行离散元仿真分析,根据仿真结果绘制了工艺参数和筛分效率等关系曲线,结果表明:直线振动筛的振动频率、振幅、筛面倾角和振动方向角对扇贝肉和壳筛分效率的影响都是随其增大呈先增大后减小的趋势,当振动频率为12 Hz,振幅为4 mm,筛面倾角为6°,振动方向角为30°时,筛分效果相对较好。

3) 采用试制样机进行了验证试验,台架试验结果显示,该直线振动筛的筛分效率和筛下肉中带壳比率分别为98.40%和2.24%。试验结果与仿真结果非常接近,证明本文利用离散元法得出的贝类肉壳分离直线振动筛最优工艺参数是可靠的,为以后针对贝类海产品肉壳分离装置的设计提供了依据与参考。