基于离散元法的玉米秸秆揉丝机工作过程研究

发布时间：2020-08-21 15:37

【摘要】：9FH-40型秸秆揉丝机工作过程可分为秸秆揉丝与排料两个部分。秸秆揉丝和排料在秸秆加工生产中占有重要的地位,由于其作业过程复杂,人们在数值模拟研究中尚不深入。离散元法(Discrete Element Method,DEM)的发展为研究散体物料力学特性提供了理论基础,同时其与多体动力学(Multi-Body Dynamics,MBD)、计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的成功耦合拓宽了离散元法的应用领域。本文基于DEM、MBD及CFD理论,以玉米秸秆为加工物料,通过数值模拟,分别研究了玉米秸秆揉丝破碎过程、丝状物料排料过程,为9FH-40型秸秆揉丝机做可视化动态研究及设备结构改进提供一定理论参考。本文所做工作主要有:(1)在SolidWorks中绘制了9FH-40型秸秆揉丝机三维模型,并基于DEM建立玉米秸秆双峰分布模型。对宁单19号收获期玉米秸秆(直径25 mm,长度50 mm,含水率87.8%)进行了不同加载速度的压缩、剪切力学特性试验,得到径向压缩最大破裂临界载荷为160 N,最小压缩破裂临界载荷为70 N;轴向压缩最大破裂临界载荷为2 260 N,最小破裂临界载荷为1 240N。剪切试验中,加载速度对最大临界剪切力影响较小;剪切初期,同一种加载速度下剪切力与位移变化成近似线性关系。参考试验结果及相关学者研究,对玉米秸秆BPM(Bonded Particle Model)粘结参数进行了校核,最终选取的粘结参数分别为9.60×10~6 N/m(法向刚度系数)、6.80×10~6 N/m(切向刚度系数)、8.72 MPa(临界法向应力)、7.50 MPa(临界切向应力),此参数的BPM模型能较为真实的反映玉米秸秆破碎物理特性。(2)阐述了多体动力学软件RecurDyn(MBD)与离散元软件EDEM(DEM)耦合原理及实现过程,对4个双峰分布玉米秸秆模型进行了MBD-DEM耦合破碎仿真。秸秆模型内粘结键数量变化可分为急剧减少、稳定减少、不再变化3个阶段。破碎后物料以短型、标准、长型、未完全破碎4种形状存在。从RecurDyn中提取了锤片受力变化过程数据,转速为1 500、2 000、2 500、3 000 r/min时,锤片与玉米秸秆最大碰撞力分别为553.98、627.54、598.96、593.08 N,最大碰撞力不会受转速影响,但平均碰撞作用力会随着转速的提高而增大。(3)借助CFD-DEM耦合理论,采用RNG K-ε湍流模型及Euler-Lagrange耦合算法对揉丝机不同主轴转速下排料装置内物料运动过程、内流道气流速度分布、气流对物料的耦合力分布进行了数值模拟,并对风扇主轴转速3 000 r/min时物料运动过程进行分区域研究。结果表明:在额定转速3 200 r/min内,随着转速的提高,排料数量不断增加,排料性能相应提高。不同区域内物料平均速度形成梯度分布,由大到小依次为物料出口区域(10.00 m/s)、风扇转动区域(6.00 m/s)、物料入口区域(0.87 m/s);物料入口区域耦合力受风扇转速影响很小,基本维持在2.5×10~(-4) N(存在较小波动);风扇转动区域内气流平均速度为30 m/s(峰值50 m/s),湍流强度最高,物料进入该区域后被加速,速度可达10 m/s。风扇径向边缘气流速度可达40 m/s,对物料耦合力作用最强。该区域内气流速度及物料所受耦合力随着转速的提高而不断增加,且波动加剧。湍流强度增加导致场内产生更多的旋涡,同时气流能量损失加剧;物料在出口区域会有少量团聚现象发生,同一转速下该区域的耦合力有较大波动,但受不同转速影响较小。模拟结束时,物料在入口区域内数量最多并发生少量堆积,在出口区域未见回流现象发生。(4)对9FH-40型秸秆揉丝机结构改进提出了建议:揉丝破碎过程中应提高锤片在销轴上的空间覆盖率,优化筛孔大小及位置分布,减少未完全破碎物料从筛孔中遗漏。排料过程中应该重点改变物料入口区域壳体结构以提升耦合力,缩短物料从入口区域进入风扇转动区域的时间,避免物料堆积现象发生。风扇转动区域在提高主轴转速的同时,要抑制场内漩涡数量,降低气流能量损失;物料出口区域则要降低耦合力大小波动幅度,改变壳体形状以更好的引导气流运动,使排料过程更加顺畅。
【学位授予单位】：甘肃农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S817.12
【图文】：

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【参考文献】