◎ 高杨杨，罗 栋，陈 艺，孙慧男

（郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450001）

谷物清理筛是一种广泛应用于清除谷物中的大、中、小杂质的筛分机械，其主要利用电机驱动使筛面产生往复运动，具有结构简单，环境污染小，噪声小，能耗低，清理效果好等优点，配备风选或磁选设备，还可清除物料中轻杂、灰尘以及具有磁性的杂质[1-2]。近年来，随着离散单元法（Discrete Element Method，简称DEM）的发展，采用DEM研究物料筛分逐渐成为热点，Cleary等[3]建立定量球形颗粒模型，对其在振动筛面上的筛分行为进行了二维模拟，研究了颗粒形状对筛分效率的影响。JAFARI[4]等对振动筛在不同操作条件的筛分效率与筛面磨损率进行了研究，发现振频、筛面倾角及振动方向角等对试验结果有较大影响。王中营等[5]采用三维离散元软件PFC 3D研究了筛分参数对筛分效果的影响规律，建立了工艺参数与筛分效率的关系曲线，为深入分析单因素影响筛分效率理论模型或多因素共同影响筛分效率理论模型提供数据支撑。李洪昌[6]采用流体力学和颗粒离散元耦合的方法模拟风筛式清选装置中物料在筛面上的运动，结果表明，在一定范围内风机出风口风速增加，物料后移速度增加，有助于提高振动筛的处理能力，但也会增加籽粒的损失。

本文以往复振动清理筛为研究对象，通过简化清理筛模型，确定仿真所需的模拟参数，采用建模软件建立清理筛三维模型，导入离散元分析软件EDEM对清理筛进行动态特性分析。在研究清理筛工艺参数对筛分效率的影响时，由于试验次数多，试验时间长，需要对试验方案进行优化设计，故采用Design-Expert 11软件中的Box-Benhnken中心组合法，以清理筛筛分效率为响应值，对振幅、振动频率、振动方向角等影响因素进行三因素三水平的优化试验设计，为优化清理筛工艺参数提供理论依据。

1 模型的建立与简化

1.1 清理筛模型

清理筛的工作过程是通过筛分将与粮食体积大小不同的杂质分离出去，但由于清理筛的性能参数及物料特性，难以实现杂质的完全去除，要提高筛分效率，需要从各个方面优化振动筛[7]，影响清理筛筛分效率的主要因素有物料的特性、振动筛的结构形式、工艺参数、筛网结构和有效筛分面积等。当振动筛的结构形式、尺寸和物料特性确定时，需要从改变工艺参数入手[8]。基于本文研究内容，为提高仿真效率，将清理筛简化为单层筛面进行试验，创建三维模型如图1所示，清理筛模拟参数设置为在一定范围内可调，振幅3～5 mm，振动方向角20～40°，频率12～18 Hz。谷物清理筛大多采用冲孔筛，具有筛孔分布明确、筛面易加工的特点，因此本文选择冲孔筛板，筛板长度2 990 mm，宽度202 mm，总面积0.604 m2，孔型为长圆形，孔长22 mm，孔宽2 mm，开孔率33.94%，如图2所示。

图1 清理筛仿真模型简图

图2 清理筛筛孔示意图

1.2 谷物与杂质模型

产后小麦中含有较多的杂质，本次虚拟试验中，筛分去除对象为体积小于小麦籽粒且能够穿过筛孔的杂质，理论上小于筛孔的杂质应该能够全部通过筛孔，但由于某些原因，有部分杂质仍然夹杂在筛上物中，造成杂质去除率下降。根据实际筛下物杂质的物理特性，本研究中采用单颗粒小球填充方法建立杂质仿真模型，杂质直径为1 mm，小麦模型采用椭球型，长轴6.25 mm，短轴3.5 mm，如图3所示，小麦中杂质含量为2%。

图3 杂质、小麦模型图

2 清理筛筛分效率离散元仿真

2.1 离散元仿真参数的选择

本文采用EDEM2018对清理筛分过程进行仿真模拟，接触模型设定为Hertz-Mindlin无滑动接触模型，颗粒工厂高度为550 mm，物料下落初速度1 m·s-1，粮食籽粒生成速率为5 kg·s-1，杂质生成速率为0.1 kg·s-1，颗粒生成时间10 s，仿真总时长50 s，时间步长为瑞利时间步长的20%。材料力学特性参数见表1，材料间接触参数见表2。选取其中一组试验不同时刻的模拟过程如图4所示。

图4 筛分过程示意图

表1 材料属性表

表2 材料接触参数表

2.2 仿真结果分析

依据优化后的试验设计方案，共进行14组模拟试验，将离散元分析软件EDEM模拟分析的数据导出，结果见表3。

表3 仿真试验结果表

由试验数据可知，14组试验中筛分效率最小为60.78%，即振幅为5 mm，振动频率为12 Hz，振动方向角为30°，此组合是试验方案中振幅最大，频率最小的组合，可知清理筛振动高幅低频时，筛分效率低下，杂质与小麦不能形成很好的分离。试验结果中筛分效率最大为92.99%，即清理筛振幅为4 mm，振动频率为12 Hz，振动方向角为20°，可以发现，筛分效率最大与最小的振动频率均为12 Hz，所以振幅和振动方向角的交互效应对清理筛的筛分效率影响较大，由图5可知，交互项AC对筛分效率的影响随振动方向角的增加先下降后上升，随振幅的增大逐渐减小，说明在研究清理筛筛分效率时，振幅和振动方向角可以作为一个整体进行优化设计。

图5 振幅和振动方向角交互作用对筛分效率的影响图

3 结论

本文在EDM离散元法基础上对清理筛工艺参数和筛分效率的关系进行了研究与论述。①清理筛振幅、振动频率和振动方向角对筛分效率的影响较为显著，3因素的不同组合下，筛分效率相差较大，振幅4 mm，振动频率12 Hz，振动方向角20°时筛分效率最好，为92.99%。②从试验结果可以看出，振幅和振动方向角的交互效应对清理筛的筛分效率影响较大，在研究清理筛筛分效率时，振幅和振动方向角可以作为一个整体进行优化设计，为多个因素共同影响筛分效率提供理论依据和数据支持。③通过EDEM离散元仿真模拟和Design-Expert试验优化设计，能够有效缩短清理筛产品研发周期，提高试验研究效率，为优化和改进振动清理筛工艺参数提供理论支撑。