摘 要

近年来，伴随着农业的发展，粮食采集后的加工过程变得越来越重要，其中水稻作为我国的第一大粮食作物，在水稻采集之后一系列的加工过程中，谷糙分离这一道工序极其关键，谷糙分离的效果，对产品的质量、生产效率以及工厂效益有着直接的影响，因此提高谷糙分离机的筛分效率以及筛分效果是一个十分值得研究的问题。由于影响筛分分离效率的因素较多，传统的分离实验需要消耗大量的时间、人力、资金等资源，因此借助了计算机辅助软件EDEM进行了谷糙分离仿真分析。随着计算机科学技术的高速发展，离散单元法得到了大多数科学家的认可，被广泛应用于岩石力学领域中，同时在谷物采集后的分离工序中的应用也越来越广泛。在本文中，通过借助离散元仿真软件——EDEM对谷糙分离过程进行了仿真研究。首先利用SolidWorks和EDEM建立的谷糙分离的小型筛分模型，进行了谷糙分离仿真研究，确定了糙米等的物理参数及接触参数和进料速度。随后利用建立的大型筛分模型进行了谷糙分离仿真初探，对颗粒运动轨迹及颗粒的运动速度、位置等进行了分析，确定了利用EDEM软件进行谷糙分离仿真的可行性以及可能影响谷糙分离效果的因素。最后研究了振动参数（振幅、振频）和筛板倾角与筛分分离效果的关系，通过对比不同参数下的分离效果，分析了各参数对分离效果的影响，为谷糙分离机的改进设计提供了一定的依据，以获得最佳分离效果为目标，对各参数进行了优选。

关键词：EDEM；离散元法；谷糙分离

Abstract

In recent years, along with the development of agriculture, the processing process after grain collection has become more and more important. Among them, rice is the first food crop in China, and the process of grain separation is a series of processes after rice collection. Extremely critical, the effect of grain separation has a direct impact on product quality, production efficiency and plant efficiency. Therefore, improving the screening efficiency and screening effect of the grain separator is a problem worth studying. Because of the many factors affecting the efficiency of screening separation, the traditional separation experiment needs to consume a lot of time, manpower, capital and other resources. Therefore, the computer aided software EDEM is used to carry out the simulation analysis of the grain separation. With the rapid development of computer science and technology, the discrete element method has been recognized by most scientists and is widely used in the field of rock mechanics. At the same time, it is more and more widely used in the separation process after grain collection. In this paper, the ALDEM discrete element simulation software was used to study the process of grain separation after rice collection. Firstly, using the small sieve model of grain separation and separation established by SolidWorks and EDEM, the grain-rough separation simulation study was carried out to determine the physical parameters, contact parameters and feed rate of brown rice. Then, using the established large-scale screening model, the simulation of grain-rough separation was carried out. The particle trajectory and the velocity and position of the particles were analyzed. The feasibility of using EDEM software to simulate the separation of grain and roughness was determined. The factor of separation effect. Finally, the relationship between vibration parameters (amplitude, vibration frequency) and sieve inclination angle and sieve separation effect is studied. By comparing the separation effects under different parameters, the influence of various parameters on the separation effect is analyzed, which is the improved design of the grain separator. A certain basis is provided to achieve the best separation effect, and the parameters are optimized.

Key Words: EDEM; Discrete Element Method; grain separation

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1本课题的背景及研究意义 1

1.1.1本课题的背景 1

1.1.2研究意义 2

1.1.3环保经济性分析 3

1.2重力谷糙分离机国内外研究现状及其发展趋势 4

1.2.1重力谷糙分离机国内外研究现状 4

1.2.2重力谷糙分离机的发展趋势 4

1.3离散元法的发展概况及应用 5

1.3.1国外发展概况及应用 5

1.3.2国内发展概况及应用 6

1.4主要研究内容 7

1.5本章小结 8

第二章 离散元仿真建模及仿真参数设置 9

2.1重力谷糙分离机的基本原理 9

2.2离散单元法的基本原理及发展状况 9

2.2.1离散单元法的基本原理 9

2.2.2颗粒模型以及接触模型的介绍 10

2.3谷糙分离所需模型的建模 11

2.3.1谷糙分离所需模型的简化建模 11

2.3.2稻谷和糙米的颗粒建模 13

2.4仿真参数的设置 14

2.5本章小结 17

第三章 谷糙分离仿真初探及结果分析 18

3.1谷糙分离仿真初探的运动参数设置 18

3.2仿真结果分析 18

3.2.1颗粒群运动分析 19

3.2.2影响谷糙分离效果的因素分析 20

3.3本章小结 21

第四章 谷糙分离在不同运动参数下的分离效果的研究 22

4.1振动参数对分离效率的研究 22

4.1.1振动频率对分离效果的研究 22

4.1.2振动幅度对分离效果的研究 23

4.2筛角度对分离效果的研究 26

4.3运动参数的优化选择结果 28

4.4本章小结 30

第五章 总结与展望 31

5.1总结 31

5.2展望 31

参考文献 32

致 谢 34

第一章 绪论

1.1本课题的背景及研究意义

1.1.1本课题的背景

我国是水稻大国，水稻作为我国的第一大粮食作物，其在各种粮食作物中平均单产最高，种植面积广阔，约占粮食播种总面积的29%，总产量最多，在粮食生产和消费中长期以来一直处于主导地位^[1]。作为在人民的餐桌上也是最常见的主食之一，水稻在采集后，需要经过多道加工工序，才会被送到家家户户的餐桌上。在水稻采集后的作业工序环节中，谷糙分离是其中最重要的一环，其与大米工厂中所生产出大米的质量以及产量密切相关。

近年来，随着我国农业的科技化，传统的人工谷糙分离方法已渐渐被更加方便快捷的机械分离方法所取代，但是由于我国稻谷的特点，并不是所有谷糙分离设备均适合用在谷糙分离工艺当中。在多种谷糙分离设备中，重力式谷糙分离机最适合我国大米的特点，分离效果也最为理想，其在我国大米加工厂的应用也最为广泛。重力谷糙分离机最早是被日本所发明，目前国内大多数的重力谷糙分离机均为仿制日本的产品，效果相对来说也较为理想，但还存在一些问题，比如筛分效率，分离后的效果等方面的一些问题。

近年来，随着我国人民生活水平的不断提高，人们已经不满足于以往的要求“吃饱”，对饭食有了更高质量的要求，对日常所需也有了越来越高的要求，对主食大米的质量同时也提出了很多不同的要求。因此，提高水稻采后加工工艺水平成为了满足人民对大米需求的主要方法。其中，谷糙分离是水稻采集后最重要的一道工序，因此，谷糙分离效率以及谷糙分离效果成为了影响大米产量以及质量的主要问题之一。

为了提高企业的经济效率及市场竞争力，湖北省某粮食设备制造厂委托我校对双体式重力谷糙分离机进行改良，其实体模型如图1.1所示。同时工厂也邀请我们去往设备制造车间进行了参观调研，收集到了许多关于重力谷糙分离机的资料和数据。

图1.1 双体重力谷糙分离机

1.1.2研究意义

在稻谷与糙米的分离过程当中，由于材料的自身限制，在分离过程中颗粒运动具有随机性，非常复杂，颗粒在谷糙分离筛的反复振动过程中，可以表现出多种不同的运动形式，例如混合运动、对流运动等，同时分离过程还会被水稻的含水量、筛角度以及进料比等因素影响。近些年来，在国内大多数粮食机械设备制造厂中，关于谷糙分离的筛分分离研究一直是一个比较热门的研究方向，并且具有相当大的改进空间。通过对谷糙分离机设备的改进，对于提升企业经济效益以及改进大米加工工艺流程有着很大的作用，具有较大的经济效益。

通过参考调研得来资料显示，分离效果的好与坏是衡量谷糙分离机标准的最重要的因素。随着我国水稻种植面积的扩张以及产量的日益增大，各个大米加工厂需要提高厂内的大米生产速率与生产质量，因此提高谷糙分离机的分离效果是加快大米生产加工速度的一个重要的突破点。经过实地考察，发现影响分离效果的因素主要包括以下三个方面：①筛板角度对分离效果的影响，在不同的筛板角度下，颗粒的受力情况也会有所不同，因此在不同情况下的颗粒的运动轨迹将会发生改变，容易导致出料口处糙米、糙米及稻谷混合物、稻谷三者的比例发生改变，当在出料口处糙米所占比例越大，混合物所占比例越小，谷糙分离机的分离效果也就越好，同时设备能耗也会有所降低；②筛板的振动参数（主要是振动幅度、振动频率）对分离效果的影响，同上，在不同的振动参数下，颗粒将会有不同的运行轨迹^[2]； ③水稻外形、含水量、大小等本身物理性质的影响。重力谷糙分离机是一款利用稻谷和糙米之间的比重、粒度以及表面摩擦系数等方面的差异，通过借助双向倾斜、往复运动的筛板作用来进行谷糙分离的机械设备^[3]。不同性质的水稻将会导致糙米以及稻谷的各自比重、粒度以及表面摩擦系数发生变化，因此在筛板上，糙米和稻谷将会具有不同的运行轨迹。

在谷糙分离的过程中，颗粒的运动轨迹十分复杂，只有通过不断地对谷糙分离过程进行研究观察，才可以对颗粒在分离过程中的运动情况有一个更完整的了解，通过反复的试验，从而探索出谷糙分离机最佳的运动参数，包括筛板的倾斜角度、振动幅度以及振动频率等，从而提高谷糙分离机的分离效果。根据查阅资料显示，我国每年水稻产量可达2.1亿吨，随着人们对于生活水平的要求越来越高，水稻产量大，针对以上两点问题，对谷糙分离工艺提出了更高的要求。通过改善重力谷糙分离机的分离效果，对于提高工厂的经济效益有很大的作用。

1.1.3环保经济性分析

采用传统的物理实验需要耗费大量的时间去制造不同样式的双体重力谷糙分离机以及实验，从环保、经济的角度考虑，通过借助计算机辅助工具进行改善谷糙分离机更为划算。

在计算机技术的高速发展过程中，学者们对于筛分分离的探索研究也慢慢从传统的物理实验转化成为了计算机模拟仿真实验。通过利用计算机这种辅助工具，可以建立出筛板、稻谷、糙米等与实际极其相似的虚拟模型，同时也可以对筛板设置不同的振动参数以及筛板的倾角参数，然后对其进行模拟仿真分析，满足了课题的要求。同时也克服了关于本课题采用传统物理实验所带来了各个缺点，节省了大量的时间及成本。基于以上原因，本课题针对谷糙分离的分离效率及分离效果问题，采用了计算机模拟仿真的方法来研究了谷糙分离过程中的各种问题。

在本文中，主要利用了EDEM软件对谷糙分离过程进行了仿真模拟分析，得到了在不同条件下颗粒的运动情况，不仅节省了时间，还降低了实验成本，同时也为谷糙分离的研究提供了一定的帮助。

1.2重力谷糙分离机国内外研究现状及其发展趋势

1.2.1重力谷糙分离机国内外研究现状

国外重力谷糙分离机研究现状：在19世纪70年代，世界上第一台谷糙分离机在日本问世，随后这种设备被广泛地应用在日本的米厂内，取得了良好的效果。之后，这种设备被推广到了全球，极大地促进了全球农业的发展，被全球范围内的粮食机械设计师及一些专业所熟知。在众多科学家的努力下，在这一领域中对重力谷糙分离机的工作原理进行了深入的研究，并且取得了巨大的成果，了解到了影响谷糙分离机结构和运动参数以及水稻自行性质对分离效果的影响，对设备进行了优化，为大米加工提供了极大的帮助，并且设计出一系列不同工作原理的谷糙分离机，比如重力谷糙分离机、谷糙分离平转筛、巴基机等，为不同的特点的水稻提供了最合适的谷糙分离方式。其中重力谷糙分离机的应用范围最为广泛，在国外关于其的研究技术也最成熟，衍变出了MGCZ型重力谷糙分离机、TGCZ 型重力谷糙分离机等。

国内谷糙分离机研究现状：自1979年改革开放以来，随着我国与国外的交流日益深入，引入了越来越多的多新技术、新设备等。其中，由于我国农业的规模大，发展速度快，国家领导人对于农业的机械自动化比较重视，在上世纪80年代，从国外引进了一系列粮用机械设备，用于科研研究以及粮食采后作业的加工领域中。重力谷糙分离机设备的发展也从那个时候开始起步，大致分为仿制、自行研发以及提高等三个阶段。到目前为止，随着我国农业的加速发展，许多粮机工作者意识到应该对现有设备进行创新以及提高，借此来适应我国的农业状况，来提高粮食采集后的加工效率。目前，重力谷糙分离机在稻谷与糙米的分离加工中仍存在着些不足之处，因此在本文中将对重力谷糙分离机中筛板的运动方案以及筛板的倾角进行优化，以达到最佳的分离效果。

1.2.2重力谷糙分离机的发展趋势

重力谷糙分离机在水稻采集后的作业加工领域当中发挥了很大的作用，是大米加工厂中重要分离设备之一，对提高大米加工厂的加工效率以及产品质量具有重要作用。通过对我国市面上现有的重力谷糙分离机的观察以及与大米加工厂内关于重力谷糙分离机的使用情况的交流，还有通过查阅各类文献，综合上述，重力谷糙分离机的发展方向如下：

（1）重力谷糙分离机的多型号、超大型化。在我国，大米加工厂的规模大小不一，多型化适应了不同规模米厂的需要，超大型化进一步提高了谷糙分离速率，更加符合我国农业发展的需求；

（2）对筛板的运动参数进行优化。筛板上颗粒的运动轨迹对于分离效果有很大的影响，因此寻求筛板的最佳运动参数是很有必要的；

（3）重力谷糙分离机加工工艺的多元化，是否可以将两道工序合并为一道同时在谷糙分离机内进行分离；

（4）对传动装置进行优化，节省能源。

在本文中，将沿着优化筛板的运动形式的研究方向对重力谷糙分离机进行改进。

1.3离散元法的发展概况及应用

1.3.1国外发展概况及应用

在1971年，离散单元法自被美国学者Cundall教授提出以后，其模型和数值算法一直在不断地改进当中，并且又出现了很多新的离散颗粒模型形态（例如椭球颗粒模型和均匀颗粒模型）。

离散单元法的算法简单方便，可靠性高，在离散物质分析方面具有极大的优越性，近年来已经成为一种解决非连续介质问题的十分有效且发展空间巨大的数值模拟方法。1978年，Cundall P.A.教授和Strack O.D.L教授用于研究颗粒介质的力学行为所开发出的二维圆形块体的Ball程序，所得出的模拟结果与Drescher教授等人用光弹技术所得的试验结果非常吻合^[4]，再一次验证了离散单元法的可靠性，并且证明了计算机模拟实验的可能，为研究离散颗粒介质的本构关系开辟了新途径。离散单元法自提出以后，在国外受到了多数科学家的认可与重视，得到了迅速的发展。

1989年至今，在所召开国际散体力学介质会议上的论文集中，对于离散单元法的研究占有一部分比例，此外，在一些著名的国际期刊当中也常有关于离散单元法的文章发表，均说明了离散单元法具有广阔的发展前景和良好的发展趋势。

20世纪70年代，Cundall教授和Strack教授将DEM定义为一个能够描述圆盘和球体组件的机械性能的数值模型，并模拟了颗粒运动^[5]。随后在2007年，H.P. Zhu^[6]等人通过研究提出了通过DEM可以获得颗粒的动态信息，例如单个粒子的轨迹和作用在颗粒上的瞬时力，而这些信息通过物理实验极难或不可能获得，因此，离散元法被越来越多的应用于固体处理和加工中的颗粒力学研究。根据本文的研究方向，下面主要介绍了基于离散元法的与本文研究方向类似的一些应用。

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