农业物料颗粒流在复杂振动形式下的动力学特性研究

Agricultural materials as typical particulate matters need to be clean and separate, and efficient fine screening is very important. The fundamental motion law of the particle flow on screen surface in screening process is the basis of screening theory. So, in order to reveal the effect of motion parameters and process paramers of the vibrating screen on the screening process, kinetics charateristic of irregular wet particle flow on screen surface under complex vibrating mode is researched. Firstly, irregular particle geometry model is established by using supershape surface and 3D scanning methods. And the discrete element method contact model of irregular wet particles is established by using both contact model and liquid bridge force model of irregular particles. Secondly, muti- force field coupling model of irregular wet particles segregation process under vertical circular and elliptical vibrating modes is established. The effect of particle shape and liquid brideg force on the segregation motion behavior of the particles is explored. Finally, using the discrete element and dynamic coupling method, numerical model of screening process under complex vibrating mode is established. Dynamic characteristics of irregular wet particles on the screen surface is clarified through numerical simulation and screening test.

农业物料作为典型的颗粒物质，在种植、收获和加工过程中都不可避免地会涉及颗粒物料的清选、分离等工艺，有效的筛分至关重要。筛分过程中筛面颗粒流的基本运动规律是筛分理论研究的基础，为掌握振动筛的运动参数和工艺参数对筛分过程的影响规律，开展了复杂振动形式下筛面非规则湿颗粒流动力学特性的研究。首先，利用supershape曲面和3D扫描法构造了具有计算精度的非规则颗粒几何模型，基于非规则颗粒的接触模型和液桥力计算模型建立非规则湿颗粒的离散元法接触模型。其次，建立垂直圆振动和椭圆振动形式下非规则湿颗粒分层过程的多场耦合模型，探究颗粒形状和液桥力对颗粒分层行为的影响机理。最后，耦合离散元与动力学方法，建立复杂振动形式下筛分过程数值模型，通过数值模拟与筛分试验阐明非规则湿颗粒在筛面上的动力学特性。

我国是农业大国，占世界耕地面积的7%，水稻、小麦、玉米和大豆是我国最主要的粮食作物。这些农业物料的种植、收获和再加工等过程中都不可避免地会涉及颗粒物料的清选、分离等工艺，而筛分就是其中重要的环节之一。筛分基础理论是研制新型振动筛的基本指导理论，筛分过程中筛面物料颗粒的基本运动规律是筛分理论研究的基础。为掌握振动筛关键运动参数和工艺参数对筛分过程的协同影响规律，需要对筛面非规则颗粒流动力学特性开展研究。本项目以典型农业物料玉米颗粒为研究对象，基于3D扫描法和多球叠加法构建离散元非规则颗粒几何模型，探究了湿颗粒间的液桥形态特征，建立了非规则湿颗粒的液桥力计算模型，提高了数值模拟计算的可靠性；基于线性粘弹性模型，采用适合农作物含湿物料的JKR Cohesion（Hertz-Mindlin with JKR）接触模型，研究了玉米颗粒系统的堆积特性，分析了颗粒形状和含水率对颗粒堆堆积形态的影响；研究了筛面颗粒流动力学特性，建立了非规则潮湿玉米颗粒筛分过程的离散元法数值模型，揭示了颗粒形状和液桥力对筛分过程中颗粒透筛行为的影响机制；研究了多元颗粒系统筛面上的运动规律和透筛过程，分析了振动筛运动学参数和工艺参数对颗粒群动力学特性的协同影响规律。依照获取的筛面最佳工作和结构参数，试制了筛分试验模型机，并开展了有关的试验研究。本项目研究成果能够为农作物的清选筛分基础理论研究提供重要的理论支持，也能够为振动筛的优化设计和最优控制提供依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。