农业物料在气固两相流场中多自由度振动筛分理论研究

Multi degree of freedom vibrating screen could significantly improve the screening quality and efficiency for agricultural materials. In this project, the relationship between screen motion form and material dispersion velocity will be studied, which will be used for inverse solution of parameters of drive mechanism.Then the kinematics and dynamics characteristics of the drive mechanism will be analysed. On this basis, a new kind of multi degree of freedom vibrating screen, which will disperse materials rapidly, will be put forward in this project. Based on theries of contact mechanics and collision mechanics, particle motion model and particle motion detection system will be builded. Numerical simulation and experiment methods will be combined to be used to study the movement and screening process of agricultural materials on the multi degree of freedom vibrating screen and the stratification,migration,collision, screening process of these materials on the screen will also be revealed in this project. Air flow will be introduced to participated in the screen process. Gas solid two phase flow cleaning environment will be coupled. Gas solid two phase flow model of the materials that under a common action from airflow and screen will be builded. And the screening mechanism of agricultural materials on multi degree of freedom vibrating screen in gas solid two phase flow environment will be studied in the project. At last, multi degree of freedom air-and-screen cleaning device will be developed and tested. The research results of this project have important scientific research value and significance and can be used to improve the processing ability and screening quality of the vibration sieve for agrucultural materials.

多自由度振动筛能显著提高农业物料颗粒清选的筛分质量和效率。项目通过研究筛面多自由度运动形式与物料分散速度的关系，反解多自由度振动筛主体激振机构的相关参数，分析激振机构的运动学和动力学特性曲线，提出能使物料快速分散的并联/混联多自由度振动筛分机构设计方法；基于接触力学和碰撞力学理论，建立物料颗粒运动模型，构建物料群在多自由度振动筛面上的运动检测系统，通过数值模拟和实验验证相结合的方法，研究农业物料颗粒群在多自由度振动筛上的运动和透筛过程，揭示颗粒群在筛面上的分层、迁移、碰撞和透筛规律；引入风力因素，耦合气固两相流清选环境，建立物料群在气流和多自由度振动筛共同作用下的气固两相流模型，研究农业物料在气固两相流场中多自由度振动筛分机理；研制多自由度风筛式清选装置并进行试验验证。本项目的研究成果对提高振动筛清选农业物料的处理能力和筛分质量具有重要的研究价值和科学意义。

随着农作物品种、生产工艺等条件的不断改善，清选装置正向高效率、高清洁率、低损失率和低功耗等方向发展，而并联振动筛能实现多维振动、利于物料高效筛分，为显著提高农业物料清选质量和效率提供了新的解决途径。项目首先利用EDEM软件建立了两种分散度仿真试验模型，针对XYZ、XZ等九种不同多维振动形式，以小麦为研究对象进行分散度仿真试验研究各运动形式组合对物料分散性的影响，选定XYZ三平移作为并联振动筛的运动形式。然后，基于并联机构拓扑结构学理论，构造了三维并联振动筛主体激振机构的三平移并联机构支路组合方案，优选了混联机构2PRRR-P(2R)作为三维并联振动筛的主体激振机构的最优机型；运用ADAMS软件对三维并联振动筛虚拟样机进行运动学和动力学仿真研究，仿真结果显示所设计的激振机构满足振动筛设计要求。通过EDEM软件仿真研究了初始相位、筛面倾角等因素对三维并联振动筛分性能的影响规律。引入气流因素，通过建立三自由度风筛式多自由度清选筛模型，利用CFD-DEM耦合技术，应用Hertz-Mindlin接触模型模拟颗粒间以及颗粒与筛面间的碰撞，并考虑相间耦合作用的Eulerian模型，对颗粒群在清选模型中筛分过程进行了仿真，研究了不同风速时籽粒、短茎秆的运动速度变化规律，构建了颗粒群在多自由度筛分装置气固两相流场中的振动筛分理论。采用独立的支撑悬挂系统，将振动筛的激振与支撑装置分离，并用基于旋转电机的直线往复驱动模块替代直线电机作为动力源，在振动筛区域引入气流，成功研制出高承载能力的三维并联振动清选试验台样机。以筛分速度和含杂率为清选性能指标，开展了台架试验研究，通过极差法分析正交试验结果，得出各因素对筛分速度、含杂率的影响主次顺序。采用综合平衡法得到的筛分性能最佳的参数组合为：风速为10m/s，风向26°，X振幅8mm，X频率3Hz，Y振幅2mm，Y频率2Hz，Z振幅6mm，Z频率4Hz。在最优参数下，三自由度风筛清选的性能指标为：筛分时间为3.63s，筛分速度为132.18g/s；含杂率为0.497%，研制的三维并联振动筛分清选装置具有清选效率高、清选性能好的优点，到达了预期研究目标。研究结果为深入理解多自由度振动筛筛面上颗粒物料的分散、分层机理、完善多自由度振动筛分理论提供了理论依据，也为提高农业物料的筛分和清选效率、减小筛分和清选设备的体积提供了一种新的思路。