大喂入量下玉米籽粒清选系统中双层筛孔式抖动板的创新设计与性能验证

大喂入量下玉米籽粒清选系统中双层筛孔式抖动板的创新设计与性能验证一、引言1.1研究背景与目的在现代农业发展进程中，玉米作为重要的粮食作物，其生产的机械化水平不断提升。玉米籽粒联合收获机的应用，极大地提高了玉米收获的效率和质量。近年来，随着农业规模化经营的推进以及对生产效率要求的不断提高，玉米籽粒联合收获朝着大喂入量的方向发展。大喂入量的玉米籽粒联合收获机能够在单位时间内处理更多的物料，有效缩短收获时间，提高作业效率，满足大规模农业生产的需求。目前，风筛式清选装置凭借其高清选效率、高籽粒清洁率的优势，被广泛应用于玉米籽粒联合收获机中。然而，当玉米脱出物的喂入量增加时，现有清选装置在处理大喂入量物料时暴露出一些问题。例如，当处理7kg/s大喂入量的玉米脱出物时，物料会在振动筛前端堆积。这是因为随着喂入量的增大，单位时间内进入振动筛的物料过多，而振动筛的筛分能力在现有结构和参数下无法及时处理这些物料，导致物料在前端堆积。物料堆积会影响玉米脱出物清选效果，堆积的物料会阻碍后续物料的正常输送和筛分，使得物料在筛面上的分布不均匀，部分物料无法得到充分的清选，从而降低了清选效率和籽粒的清洁率；堆积的物料还可能导致筛孔堵塞，进一步影响筛分效果，增加籽粒的损失率。为解决这些问题，众多专家学者从多个方面对清选装置进行了研究，如清选装置内风机、辅助装置、筛体结构、筛体驱动机构等。在抖动板的研究方面，也取得了一定的成果。汤庆等利用离散元法对抖动板的性能进行研究，发现物料在安装双隔板抖动板的作用下较安装单隔板抖动板更加均匀，更有利于筛分；付威等通过分析曲柄理论转速和实际转速之间的关系，确定了物料被抛离抖动板时曲柄的实际转速，为抖动板的改进提供了理论依据；JohnDeere公司生产的C440联合收获机，采用了4层振动筛与2个无筛孔抖动板的结构，2个抖动板前后布置，分别承接横、纵轴流滚筒落下的玉米脱出物，并将玉米脱出物连续均匀地输送到清选室，4层振动筛可显著增加筛分面积，能够对大喂入量物料进行清选；李耀明等将抖动板由3块不同角度的波纹板构成，实现物料能够沿筛面纵向和横向运动，有利于筛上物料均匀分布；何康陵等设计了一种抖动板分层预清选装置，能够对玉米脱出物进行分段清选，降低了清选负荷，提高了清选效率；张建宗等将上抖动板与下抖动板前后错位布置，实现了玉米脱出物在双层抖动板上的分段输送。然而，关于双层筛孔式抖动板的研究尚未见报道。课题组在农场调研中发现，现有联合收获机多采用双层筛体配置，并且多层抖动板将玉米脱出物只喂入至上筛。在常规喂入量条件下，上筛通常可满足农户对收获后玉米籽粒的质量要求，为降低机具的功率消耗，减少收获成本，农户通常将下筛拆除，致使实际生产收获中清选系统内下筛使用率不高。当玉米脱出物的喂入量增加时，上筛的筛分压力增大，影响清选装置性能。基于此，本文以常发佳联CF808型6行玉米联合收获机清选装置为基础，设计一种双层筛孔式抖动板。通过双层筛孔式抖动板，实现玉米脱出物进入清选装置前的分流和初步清选，减轻后续清选装置的负担。利用CFD-DEM耦合方法研究双层筛孔式抖动板参数，通过台架试验验证优化结果的正确性，并与带有单层抖动板的清选系统的清选性能进行对比，旨在提高清选系统对大喂入量玉米脱出物的处理能力，为大喂入量玉米脱出物清选技术的研究提供参考。1.2国内外研究现状1.2.1针对大喂入量清选装置的国内外研究现状国外在大喂入量清选装置研究方面起步较早，技术相对成熟。JohnDeere公司的C440联合收获机采用4层振动筛与2个无筛孔抖动板结构，通过增加筛分面积和优化物料输送方式，实现对大喂入量物料的有效清选。该机型在北美等大规模农业生产地区广泛应用，能够适应不同的作业环境和作物条件，其先进的设计理念和技术为其他国家提供了重要参考。Case公司也不断改进清选装置，通过优化风机性能和筛体结构，提高清选效率和适应性，其产品在国际市场上具有较高的竞争力。国内对大喂入量清选装置的研究近年来取得了显著进展。一些科研机构和企业针对国内农业生产特点，开展了大量研究工作。中国农业大学等单位通过对清选装置内气流场和物料运动的研究，优化风机参数和筛体结构，提高清选效果。在风机研究方面，通过数值模拟和试验相结合的方法，优化风机叶片形状和角度，提高风机的风量和风压，以满足大喂入量物料的清选需求；在筛体结构研究方面，采用新型筛网材料和结构形式，增加筛面的有效筛分面积，提高筛分效率。一些企业也加大研发投入，推出了一系列适应大喂入量作业的清选装置，部分产品性能已接近国际先进水平，但在可靠性和稳定性方面仍有待提高。1.2.2清选系统中抖动板的国内外研究现状在抖动板研究方面，国内外学者从结构设计、运动参数优化等多个角度进行了深入探索。汤庆等运用离散元法对抖动板性能展开研究，发现安装双隔板抖动板能使物料分布更均匀，利于筛分。这一研究成果为抖动板的结构优化提供了新的思路，通过合理设置隔板的位置和数量，可以改善物料在抖动板上的运动状态，提高清选效率。付威等通过分析曲柄理论转速和实际转速的关系，确定物料被抛离抖动板时曲柄的实际转速，为抖动板的改进提供了理论依据，有助于优化抖动板的驱动机构，提高其工作稳定性。国外一些先进的联合收获机在抖动板设计上也有创新。例如，某些机型采用特殊的抖动板表面材质和形状，减少物料粘附，提高物料输送效率。这种特殊的材质和形状设计可以降低物料与抖动板之间的摩擦力，使物料更容易在抖动板上移动，从而提高清选系统的工作效率。国内学者李耀明等将抖动板设计为由3块不同角度的波纹板构成，实现物料沿筛面纵向和横向运动，促进筛上物料均匀分布；何康陵等设计的抖动板分层预清选装置，能够对玉米脱出物进行分段清选，降低清选负荷，提高清选效率；张建宗等将上、下抖动板前后错位布置，实现玉米脱出物在双层抖动板上的分段输送，有效解决了大喂入量谷物联合收获时清选筛面上谷物堆积的问题。尽管在清选装置和抖动板研究方面已取得诸多成果，但针对双层筛孔式抖动板的研究仍处于空白状态。现有研究主要集中在传统的抖动板结构和配置上，对于如何通过双层筛孔式抖动板实现玉米脱出物的分流和初步清选，以及如何优化其参数以提高清选系统对大喂入量玉米脱出物的处理能力，尚未有相关研究报道。本研究旨在填补这一空白，为大喂入量玉米脱出物清选技术的发展提供新的解决方案。1.3研究内容与技术路线1.3.1研究内容本研究聚焦于玉米籽粒清选系统中双层筛孔式抖动板，具体研究内容如下：双层筛孔式抖动板的设计：基于常发佳联CF808型6行玉米联合收获机清选装置，设计双层筛孔式抖动板。对清选系统整体结构进行优化，确定上、下抖动板相对于振动筛的位置，使玉米脱出物能够在进入清选装置前实现分流和初步清选。参考圆孔筛，确定上抖动板筛孔的分布和尺寸，以保证物料的有效筛分和输送。玉米脱出物颗粒运动理论分析：对玉米脱出物离开抖动板到达振动筛前的运动进行理论分析。研究物料在抖动板上的运动规律，包括物料的速度、加速度、抛射角度等参数，为抖动板的参数优化提供理论基础。分析物料在气流作用下的运动轨迹，以及物料与筛孔之间的相互作用，确定影响物料筛分效果的关键因素。带有双层筛孔式抖动板的清选系统内气固两相流仿真：采用CFD-DEM耦合方法，对带有双层筛孔式抖动板的清选系统内气固两相流进行仿真。建立清选系统的物理模型和数学模型，包括气相运动模型和颗粒相运动模型。设置合理的仿真参数，模拟不同工况下清选系统内气流场分布和颗粒运动情况。通过单因素仿真试验，研究抖动板安装倾角、频率、振幅等因素对清选性能的影响规律。在此基础上，进行多因素仿真试验，采用二次正交旋转中心组合试验设计，建立各因素与清选性能指标之间的回归数学模型，对抖动板参数进行优化。台架验证试验：搭建清选系统台架试验装置，对仿真优化得到的双层筛孔式抖动板参数进行验证。准备试验物料和仪器，按照试验方案进行试验。在试验过程中，测量振动筛筛分玉米脱出物时间、清选系统收集籽粒的清洁率和损失率等性能指标。将试验结果与仿真结果进行对比分析，验证仿真模型的准确性和可靠性。同时，将带有双层筛孔式抖动板的清选系统与带有单层抖动板的清选系统的清选性能进行对比，评估双层筛孔式抖动板的实际应用效果。1.3.2技术路线本研究采用理论分析、仿真与试验相结合的技术路线，具体如下：理论分析：查阅相关文献资料，了解玉米籽粒清选系统的工作原理和研究现状，明确双层筛孔式抖动板的设计目标和要求。对玉米脱出物在抖动板上的运动进行理论分析，建立运动学模型，为后续的仿真和试验提供理论依据。仿真研究：利用CFD-DEM耦合方法，在Fluent和EDEM软件平台上建立带有双层筛孔式抖动板的清选系统仿真模型。对仿真模型进行参数设置和验证，确保模型的准确性。通过单因素和多因素仿真试验，研究抖动板参数对清选性能的影响规律，建立回归数学模型，优化抖动板参数。试验验证：根据仿真优化结果，制作双层筛孔式抖动板样机，并搭建清选系统台架试验装置。进行台架试验，测量清选系统的性能指标，验证仿真结果的正确性。对试验数据进行分析和处理，评估双层筛孔式抖动板的清选性能，与单层抖动板进行对比，总结双层筛孔式抖动板的优势和不足，提出改进建议。通过以上技术路线，本研究旨在设计出高效的双层筛孔式抖动板，提高清选系统对大喂入量玉米脱出物的处理能力，为大喂入量玉米脱出物清选技术的研究提供参考。二、双层抖动板的设计及脱出物颗粒运动理论分析2.1清选系统结构及工作原理带有双层筛孔式抖动板的清选系统主要由上抖动板、下抖动板、上筛、下筛、吊杆、双向摇杆、机架等部件构成，其结构如图1所示。上层抖动板尾端通过吊杆铰接悬挂在机架的上部，这种连接方式使得上抖动板能够在一定范围内自由摆动，为物料的输送和筛分提供了必要的运动条件。下层抖动板尾端则通过支撑杆铰接在机架下部，同样保证了下抖动板的灵活运动。驱动轴上的偏心轮、摇臂、双向摇杆共同组成了抖动板曲柄摇杆机构，这是实现抖动板运动的核心部件。上、下抖动板前端通过连接轴与曲柄连杆机构连接，当驱动轴转动时，偏心轮随之转动，带动摇臂做往复摆动，进而通过双向摇杆使上、下抖动板做往复直线运动。抖动板处带轮经传动带将动力传递到振动筛带轮，通过偏心轮、摇臂、双向摇杆组成的振动筛曲柄摇杆机构带动上、下筛往复摆动。这种运动传递方式保证了抖动板和振动筛之间的协同工作，使物料能够在整个清选系统中顺利输送和筛分。工作时，玉米脱出物从清选装置入口进入，首先落到上抖动板上。上抖动板在曲柄摇杆机构的作用下做往复直线运动，使玉米脱出物在自身重力和惯性力的作用下向前移动。由于上抖动板设置有筛孔，在运动过程中，部分较小的物料颗粒和杂质会通过筛孔落下，实现初步清选。经过初步清选的玉米脱出物继续向前移动，到达上抖动板末端后，落到下抖动板上。下抖动板同样做往复直线运动，对物料进一步输送和筛分，又有一部分物料颗粒和杂质通过下抖动板的筛孔落下。最后，经过双层抖动板初步清选的玉米脱出物分别落到上筛和下筛上，在振动筛的振动作用以及气流的作用下，进行进一步的清选，从而实现玉米籽粒与杂质的分离。通过双层筛孔式抖动板的设计，实现了玉米脱出物进入清选装置前的分流和初步清选，减轻了后续清选装置的负担，提高了清选系统对大喂入量玉米脱出物的处理能力。2.2玉米脱出物运动理论分析在玉米联合收获过程中，玉米脱出物离开抖动板到达振动筛前的运动状态对整个清选系统的性能有着至关重要的影响。深入分析这一运动过程，对于优化清选系统结构、提高清选效率具有重要意义。玉米脱出物在抖动板上的运动是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。当玉米脱出物落到抖动板上时，抖动板在曲柄摇杆机构的驱动下做往复直线运动，使得玉米脱出物在自身重力、惯性力以及抖动板的摩擦力作用下向前移动。在这个过程中，玉米脱出物的运动速度和加速度不断变化，其运动轨迹也较为复杂。为了便于分析，我们建立以下假设：将玉米脱出物视为离散的颗粒，忽略颗粒之间的相互作用；假设抖动板的运动为简谐运动，其运动方程可以表示为x=A\sin(\omegat)，其中x为抖动板的位移，A为振幅，\omega为角频率，t为时间。基于上述假设，对玉米脱出物在抖动板上的运动进行分析。当抖动板向前运动时，玉米脱出物在摩擦力的作用下随抖动板一起加速向前；当抖动板向后运动时，由于惯性，玉米脱出物会继续向前运动一段距离，此时玉米脱出物与抖动板之间产生相对滑动。在相对滑动过程中，玉米脱出物受到的摩擦力方向与运动方向相反，其加速度为a=-\mug，其中\mu为玉米脱出物与抖动板之间的摩擦系数，g为重力加速度。在玉米脱出物离开抖动板瞬间，其速度v_0和方向与抖动板的运动状态密切相关。根据运动学原理，当抖动板运动到某一位置时，玉米脱出物获得的速度v_0可以通过对抖动板运动方程求导得到：v_0=\omegaA\cos(\omegat)。玉米脱出物离开抖动板后，在重力和气流的作用下做抛射运动。其运动轨迹可以通过建立运动方程来描述。在水平方向上，玉米脱出物不受力（忽略空气阻力），其运动速度保持不变，即x=v_{0x}t，其中v_{0x}=v_0\cos\theta，\theta为玉米脱出物离开抖动板时的速度方向与水平方向的夹角；在竖直方向上，玉米脱出物受到重力作用，其运动方程为y=v_{0y}t-\frac{1}{2}gt^2，其中v_{0y}=v_0\sin\theta。通过对玉米脱出物离开抖动板到达振动筛前的运动进行理论分析，我们可以确定其运动轨迹和速度变化规律。在此基础上，根据玉米脱出物的运动特性，确定上、下抖动板相对于振动筛的位置。为了使玉米脱出物能够顺利地从抖动板落到振动筛上，并且在振动筛上均匀分布，上抖动板的末端应与振动筛的前端保持适当的距离和高度差，下抖动板的位置则应根据上抖动板落下的物料分布情况进行合理设置，确保物料能够均匀地进入下筛。参考圆孔筛确定上抖动板筛孔分布和尺寸时，需要考虑玉米籽粒和杂质的尺寸分布。通过对大量玉米籽粒和杂质的尺寸测量和统计分析，结合清选要求，确定筛孔的直径和排列方式。筛孔的直径应既能保证较小的杂质和部分破碎的玉米籽粒能够通过，又能防止完整的玉米籽粒过多地漏下。筛孔的排列方式采用均匀分布，以保证物料在筛面上的筛分效果均匀一致。通过对玉米脱出物离开抖动板到达振动筛前的运动理论分析，为双层筛孔式抖动板的设计提供了重要的理论依据，有助于优化抖动板的结构和参数，提高清选系统对大喂入量玉米脱出物的处理能力。2.3本章小结本章围绕玉米籽粒清选系统中双层筛孔式抖动板展开，完成了双层抖动板的设计及脱出物颗粒运动理论分析。通过对清选系统结构及工作原理的剖析，设计出带有双层筛孔式抖动板的清选系统，该系统主要由上抖动板、下抖动板、上筛、下筛、吊杆、双向摇杆、机架等部件组成，通过曲柄摇杆机构实现抖动板和振动筛的协同运动，使玉米脱出物在进入清选装置前实现分流和初步清选。在玉米脱出物运动理论分析方面，建立了相关假设，深入研究了玉米脱出物在抖动板上的运动过程，包括加速、相对滑动等阶段，确定了玉米脱出物离开抖动板瞬间的速度和方向。在此基础上，分析了玉米脱出物离开抖动板后在重力和气流作用下的抛射运动，建立了运动方程，描述了其运动轨迹。根据玉米脱出物的运动特性，确定了上、下抖动板相对于振动筛的位置，为清选系统的优化设计提供了关键依据。同时，参考圆孔筛确定了上抖动板筛孔的分布和尺寸，考虑了玉米籽粒和杂质的尺寸分布，确保筛孔既能使较小杂质和部分破碎玉米籽粒通过，又能防止完整玉米籽粒过多地漏下，且筛孔采用均匀分布，保证了筛分效果的均匀性。本章的研究成果为后续带有双层筛孔式抖动板的清选系统内气固两相流仿真以及台架验证试验奠定了坚实的理论基础，对提高清选系统对大喂入量玉米脱出物的处理能力具有重要意义。三、清选系统内气固两相流仿真3.1气固两相流模型在清选系统中，玉米脱出物与气流构成了复杂的气固两相流体系。为了深入研究这一体系的流动特性，采用CFD-DEM耦合方法，该方法将计算流体动力学（CFD）与离散单元法（DEM）相结合，能够准确地模拟气固两相之间的相互作用。下面分别对气相运动模型、颗粒相运动模型及CFD-DEM耦合原理进行介绍。3.1.1气相运动模型气相运动采用基于欧拉方法的计算流体动力学（CFD）进行描述。在CFD中，将气体视为连续介质，通过求解Navier-Stokes方程来描述其运动。对于清选系统内的气相，控制方程如下：连续性方程：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，此方程表达了在单位时间内，流场内任意微元体中气体质量的变化率与通过微元体表面的气体质量通量之和为零，体现了质量守恒定律，确保在整个清选系统内气体质量既不会凭空产生也不会无故消失。动量方程：\frac{\partial(\rho\vec{v})}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v}\vec{v})=-\nablap+\nabla\cdot\tau+\rho\vec{g}+\vec{F}_{p}，其中\rho为气体密度，\vec{v}为气体速度矢量，t为时间，p为压力，\tau为粘性应力张量，\vec{g}为重力加速度矢量，\vec{F}_{p}为颗粒相作用于气相的曳力。该方程反映了气体动量的变化率等于压力梯度、粘性力、重力以及颗粒曳力的合力，描述了气相在各种力作用下的运动规律。能量方程：\frac{\partial(\rhoE)}{\partialt}+\nabla\cdot(\vec{v}(\rhoE+p))=\nabla\cdot(k\nablaT)+S_{h}，E为单位质量气体的总能量，k为热导率，T为温度，S_{h}为热源项。能量方程表明单位时间内微元体中气体总能量的变化率等于通过微元体表面的热传导通量与热源项之和，体现了能量守恒，对于分析清选系统内的热传递和能量分布具有重要意义。在实际应用中，考虑到清选系统内气流的湍流特性，选用标准k-\epsilon湍流模型对气相湍流进行模拟。该模型通过求解湍动能k和湍动能耗散率\epsilon的输运方程，来封闭Navier-Stokes方程，从而能够较好地描述气流的湍流运动。标准k-\epsilon湍流模型的湍动能k方程为：\frac{\partial(\rhok)}{\partialt}+\nabla\cdot(\rhok\vec{v})=\nabla\cdot((\mu+\frac{\mu_{t}}{\sigma_{k}})\nablak)+G_{k}-\rho\epsilon，其中\mu为分子粘性系数，\mu_{t}为湍流粘性系数，\sigma_{k}为湍动能k对应的普朗特数，G_{k}为湍动能生成项。湍动能耗散率\epsilon方程为：\frac{\partial(\rho\epsilon)}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\epsilon\vec{v})=\nabla\cdot((\mu+\frac{\mu_{t}}{\sigma_{\epsilon}})\nabla\epsilon)+C_{1\epsilon}\frac{\epsilon}{k}G_{k}-C_{2\epsilon}\rho\frac{\epsilon^{2}}{k}，\sigma_{\epsilon}为湍动能耗散率\epsilon对应的普朗特数，C_{1\epsilon}和C_{2\epsilon}为经验常数。标准k-\epsilon湍流模型在工程应用中具有计算效率较高、对复杂流动适应性较好的优点，能够满足清选系统内气相运动模拟的需求。3.1.2颗粒相运动模型颗粒相运动采用离散单元法（DEM）进行模拟。DEM将颗粒视为离散的个体，通过跟踪每个颗粒的运动轨迹和受力情况，来描述颗粒相的运动。在DEM中，颗粒的运动方程基于牛顿第二定律建立：平动方程：m_{p}\frac{d\vec{v}_{p}}{dt}=\sum_{i=1}^{n}\vec{F}_{c,i}+\vec{F}_{d}+\vec{F}_{g}+\vec{F}_{p}，其中m_{p}为颗粒质量，\vec{v}_{p}为颗粒速度矢量，\vec{F}_{c,i}为颗粒与其他颗粒或壁面之间的接触力，\vec{F}_{d}为气相作用于颗粒的曳力，\vec{F}_{g}为重力，\vec{F}_{p}为其他外力。该方程表明颗粒的平动加速度与所受的各种力的合力成正比，清晰地描述了颗粒在平动过程中的受力与运动关系。转动方程：I_{p}\frac{d\vec{\omega}_{p}}{dt}=\sum_{i=1}^{n}\vec{M}_{c,i}+\vec{M}_{d}，I_{p}为颗粒的转动惯量，\vec{\omega}_{p}为颗粒的角速度矢量，\vec{M}_{c,i}为接触力矩，\vec{M}_{d}为曳力产生的力矩。转动方程体现了颗粒的转动加速度与所受力矩之和的关系，对于全面理解颗粒在清选系统内的运动状态至关重要。颗粒间的接触力采用Hertz-Mindlin接触模型计算。该模型考虑了颗粒的弹性变形和摩擦作用，能够较为准确地描述颗粒之间的相互作用。在Hertz-Mindlin接触模型中，接触力分为法向力和切向力。法向力\vec{F}_{n}与颗粒间的重叠量\delta_{n}和材料的弹性参数有关，其表达式为\vec{F}_{n}=\frac{4}{3}E^{*}\sqrt{R^{*}}\delta_{n}^{\frac{3}{2}}\vec{n}，其中E^{*}为等效弹性模量，R^{*}为等效半径，\vec{n}为接触点的法向单位矢量。切向力\vec{F}_{t}与切向相对位移\delta_{t}、法向力\vec{F}_{n}以及摩擦系数\mu相关，其计算公式为\vec{F}_{t}=-k_{t}\delta_{t}\vec{t}-\mu|\vec{F}_{n}|\text{sgn}(\vec{v}_{t})\vec{t}，k_{t}为切向刚度，\vec{t}为接触点的切向单位矢量，\text{sgn}(\vec{v}_{t})为切向相对速度的符号函数。通过Hertz-Mindlin接触模型，可以准确地模拟颗粒在碰撞和接触过程中的力学行为，为研究颗粒相运动提供了可靠的基础。3.1.3CFD-DEM耦合原理CFD-DEM耦合方法实现了气相和颗粒相之间的双向耦合，即气相的运动影响颗粒相的运动，同时颗粒相的运动也反过来影响气相的运动。在耦合过程中，主要通过以下方式实现信息传递：气相到颗粒相的作用：气相通过曳力\vec{F}_{d}对颗粒的运动产生影响。曳力\vec{F}_{d}的计算基于气相和颗粒的相对速度以及相关的曳力模型，如常用的Gidaspow曳力模型。该模型考虑了颗粒的体积分数、粒径等因素，能够较为准确地计算气相作用于颗粒的曳力。根据Gidaspow曳力模型，曳力\vec{F}_{d}的表达式为\vec{F}_{d}=\frac{3}{4}\frac{C_{D}\rho_{g}|\vec{v}_{g}-\vec{v}_{p}|(\vec{v}_{g}-\vec{v}_{p})}{d_{p}}\alpha_{p}，其中C_{D}为曳力系数，\rho_{g}为气体密度，\vec{v}_{g}为气体速度矢量，\vec{v}_{p}为颗粒速度矢量，d_{p}为颗粒直径，\alpha_{p}为颗粒体积分数。通过该曳力表达式，气相的速度、密度等参数能够影响颗粒所受的曳力，进而影响颗粒的运动轨迹和速度。颗粒相到气相的作用：颗粒通过反作用力对气相的运动产生影响。当颗粒受到气相曳力而运动时，根据牛顿第三定律，颗粒会对气相施加一个大小相等、方向相反的反作用力。这个反作用力被添加到气相的动量方程中，作为源项\vec{F}_{p}，从而改变气相的速度和压力分布。此外，颗粒的存在还会改变气相的湍流特性，通过影响湍动能和湍动能耗散率来影响气相的流动。例如，颗粒与气相之间的相互作用会产生额外的湍流脉动，增加气相的湍动能，进而影响气相的混合和扩散特性。CFD-DEM耦合方法能够全面考虑气固两相之间的相互作用，准确地模拟清选系统内气固两相流的复杂流动特性。通过该方法，可以深入研究抖动板参数对清选性能的影响，为清选系统的优化设计提供有力的理论支持。与传统的单相流模拟方法相比，CFD-DEM耦合方法考虑了颗粒相的离散特性和两相之间的相互作用，能够更真实地反映清选系统内的实际流动情况。在清选系统中，玉米脱出物颗粒的运动不仅受到气相的曳力作用，还受到颗粒间的碰撞和摩擦以及与壁面的相互作用，这些因素都对清选性能有着重要影响。CFD-DEM耦合方法能够将这些因素纳入模拟范围，为清选系统的研究提供了更全面、准确的手段。3.2仿真模型建立为深入研究带有双层筛孔式抖动板的清选系统内气固两相流特性，需建立精确的仿真模型。本部分将详细阐述带有双层筛孔式筛孔式抖动板的清选系统模型的构建过程，以及玉米脱出物颗粒模型及物理特性参数的测定方法。3.2.1带有双层筛孔式筛孔式抖动板的清选系统模型在构建清选系统模型时，充分考虑清选系统的实际结构和工作过程，利用三维建模软件（如SolidWorks）建立带有双层筛孔式抖动板的清选系统三维模型。模型包括上抖动板、下抖动板、上筛、下筛、吊杆、双向摇杆、机架等部件，确保模型的几何形状和尺寸与实际清选系统一致。为简化计算，对模型进行适当的简化处理，忽略一些对气固两相流影响较小的细节特征，如连接件的微小结构、表面粗糙度等。但在简化过程中，严格保证模型的关键结构和参数不变，以确保仿真结果的准确性。将建立好的三维模型导入到CFD软件（如Fluent）中，进行网格划分。采用结构化网格和非结构化网格相结合的方法，对清选系统内的关键区域，如抖动板表面、筛孔周围、气流通道等，进行加密处理，以提高计算精度。在抖动板表面和筛孔周围，采用较小的网格尺寸，确保能够准确捕捉气固两相流在这些区域的复杂流动特性；在气流通道等相对简单的区域，采用较大的网格尺寸，以减少计算量。通过合理的网格划分，既能保证计算精度，又能提高计算效率，使仿真结果更准确地反映清选系统内的实际流动情况。在Fluent中设置边界条件时，入口采用速度入口边界条件，根据实际清选系统的工作参数，设置入口气流速度为12.8m/s，气流方向角为25°。出口采用压力出口边界条件，设置出口压力为大气压力。壁面采用无滑移边界条件，模拟气固两相流与清选系统壁面之间的相互作用。这些边界条件的设置基于实际清选系统的工作条件，能够准确模拟气固两相流在清选系统内的流动过程。例如，速度入口边界条件能够模拟气流携带玉米脱出物进入清选系统的初始状态，压力出口边界条件能够保证清选系统内的压力平衡，无滑移边界条件能够反映气固两相流与壁面之间的摩擦和粘附作用。3.2.2玉米脱出物颗粒模型及物理特性参数测定玉米脱出物颗粒模型的建立对于准确模拟清选系统内的气固两相流至关重要。将玉米脱出物视为离散的颗粒，采用EDEM软件建立玉米脱出物颗粒模型。在建立颗粒模型时，充分考虑玉米籽粒和杂质的形状、尺寸等因素，以提高模型的真实性。玉米籽粒近似看作椭球体，通过对大量玉米籽粒的测量，确定其长轴、短轴和中轴的平均尺寸。对于杂质，根据其种类和形状的不同，采用相应的几何模型进行模拟，如秸秆碎片可看作长方体或不规则形状的几何体。为准确模拟玉米脱出物颗粒在清选系统内的运动，需要测定玉米脱出物的物理特性参数。这些参数包括密度、摩擦系数、恢复系数等。通过试验测定，得到玉米籽粒的密度为1200kg/m³，与上抖动板、下抖动板、上筛、下筛之间的静摩擦系数分别为0.45、0.42、0.48、0.46，滚动摩擦系数分别为0.32、0.30、0.35、0.33，恢复系数分别为0.65、0.63、0.68、0.66；杂质的密度为800kg/m³，与上抖动板、下抖动板、上筛、下筛之间的静摩擦系数分别为0.50、0.48、0.52、0.50，滚动摩擦系数分别为0.35、0.33、0.38、0.36，恢复系数分别为0.55、0.53、0.58、0.56。这些物理特性参数的测定基于实际的玉米脱出物样本，通过实验方法获得，能够准确反映玉米脱出物颗粒的物理特性。例如，密度的测定采用称重法，通过测量一定体积的玉米籽粒或杂质的质量，计算得到其密度；摩擦系数的测定采用摩擦试验装置，通过测量颗粒在不同表面上的滑动或滚动阻力，计算得到静摩擦系数和滚动摩擦系数；恢复系数的测定采用碰撞试验装置，通过测量颗粒碰撞前后的速度变化，计算得到恢复系数。这些参数的准确测定为清选系统内气固两相流的仿真提供了可靠的基础。3.3仿真参数设置3.3.1Fluent参数设置在Fluent软件中，对相关参数进行细致设置，以确保仿真结果的准确性和可靠性。时间步长设置为0.001s，这一时间步长经过多次测试和验证，既能保证计算的精度，又能在合理的计算时间内完成仿真。较小的时间步长可以更精确地捕捉气流和颗粒的运动变化，但会增加计算量和计算时间；而较大的时间步长虽然能提高计算效率，但可能会导致仿真结果的精度下降。经过权衡，0.001s的时间步长在本研究中能够较好地平衡计算精度和效率。迭代次数设置为50，这是根据仿真模型的收敛情况确定的。在仿真过程中，通过监测残差曲线来判断计算是否收敛。当残差曲线在多次迭代后趋于平稳且满足一定的收敛标准时，认为计算达到收敛状态。经过大量的仿真试验，发现当迭代次数设置为50时，能够使残差满足收敛标准，确保仿真结果的可靠性。压力-速度耦合方式采用SIMPLE算法，该算法是一种常用且有效的压力-速度耦合求解算法，在处理不可压缩流体流动问题时具有良好的稳定性和收敛性。在清选系统内气固两相流的仿真中，SIMPLE算法能够准确地求解气相的压力和速度分布，为后续分析气流与颗粒之间的相互作用提供可靠的基础。湍动能和湍动能耗散率的求解采用一阶迎风差分格式。一阶迎风差分格式在处理湍流问题时，能够较好地捕捉湍动能和湍动能耗散率的变化趋势，虽然其精度相对较低，但在保证计算稳定性方面具有优势。在本研究中，结合清选系统内气固两相流的特点和计算资源的限制，采用一阶迎风差分格式能够在满足计算精度要求的前提下，确保仿真过程的稳定性和高效性。3.3.2EDEM参数的确定及设置在EDEM软件中，对颗粒的时间步长和接触检测算法进行合理设置。颗粒的时间步长设置为1×10-5s，这一时间步长能够准确地跟踪颗粒的运动轨迹，保证颗粒相运动模拟的准确性。较小的颗粒时间步长可以更精确地计算颗粒之间的碰撞和相互作用，但会增加计算量；而较大的时间步长可能会导致颗粒运动模拟的误差增大。通过多次试验和分析，确定1×10-5s的时间步长能够在保证计算精度的同时，满足计算效率的要求。接触检测算法采用Voronoi邻域搜索算法，该算法是一种高效的接触检测算法，能够快速准确地检测颗粒之间以及颗粒与壁面之间的接触情况。在处理大量颗粒的运动模拟时，Voronoi邻域搜索算法具有计算速度快、内存消耗低的优点，能够显著提高仿真计算的效率。在清选系统内颗粒相运动的仿真中，采用该算法可以及时准确地计算颗粒之间的接触力和摩擦力，为研究颗粒的运动规律提供有力支持。将Fluent和EDEM进行耦合时，数据交换频率设置为10。这意味着每10个Fluent时间步与EDEM进行一次数据交换，以实现气固两相之间的双向耦合。数据交换频率的设置需要综合考虑计算精度和计算效率。如果数据交换频率过高，会增加计算量和计算时间；而数据交换频率过低，则可能导致气固两相之间的相互作用不能及时反映在仿真结果中。通过多次仿真试验，确定数据交换频率为10时，能够在保证计算精度的前提下，提高仿真计算的效率。在仿真参数设置过程中，充分考虑了清选系统的实际工作条件和计算资源的限制，通过多次试验和优化，确定了上述参数。这些参数的设置能够使仿真模型准确地模拟清选系统内气固两相流的流动特性，为后续的单因素仿真试验和多因素仿真试验提供可靠的基础。3.4单因素仿真试验在完成清选系统模型建立与参数设置后，进行单因素仿真试验，以探究抖动板安装倾角、频率、振幅对清选性能的影响。通过模拟不同参数下清选系统内气流场分布与颗粒运动，深入分析各因素对清选性能的作用规律。3.4.1不同清选系统内气流场分布与颗粒运动分析为了研究双层筛孔式抖动板对清选系统性能的影响，对比了带有双层筛孔式抖动板的清选系统和带有单层抖动板的清选系统内气流场分布与颗粒运动情况。在相同的入口气流速度、气流方向角和玉米脱出物喂入量条件下进行仿真。对于气流场分布，带有双层筛孔式抖动板的清选系统内，气流在经过抖动板时，由于筛孔的存在，气流会发生一定程度的分流和扰动。在抖动板上方，气流速度分布相对均匀，但在筛孔附近，气流速度会局部增大，形成高速气流区域。这种气流分布特点有利于将较小的杂质和轻物料吹离，提高清选效果。而在带有单层抖动板的清选系统中，气流在抖动板上方的分布相对较为平稳，没有明显的分流和扰动现象。在颗粒运动方面，带有双层筛孔式抖动板的清选系统中，玉米脱出物在抖动板上运动时，部分颗粒会通过筛孔落下，实现初步清选。在抖动板的作用下，颗粒的运动轨迹更加复杂，有利于颗粒的分散和筛分。而在带有单层抖动板的清选系统中，玉米脱出物在抖动板上主要是向前输送，颗粒的运动轨迹相对单一。通过对两种清选系统内颗粒运动轨迹的统计分析，发现带有双层筛孔式抖动板的清选系统中，颗粒在筛面上的分布更加均匀，能够减少物料堆积，提高清选效率。3.4.2抖动板安装倾角对清选性能的影响在保持抖动板频率为5Hz、振幅为40mm的条件下，研究抖动板安装倾角对清选性能的影响。设置抖动板安装倾角分别为-5°、-3°、-1°、1°、3°，进行仿真试验。随着抖动板安装倾角的变化，清选性能呈现出一定的变化规律。当安装倾角为-5°时，玉米脱出物在抖动板上的运动速度较慢，物料容易在抖动板前端堆积，导致振动筛筛分玉米脱出物时间较长，为8.5s。同时，由于物料堆积，部分籽粒被杂质覆盖，清选系统收集籽粒的清洁率较低，为95.5%，损失率较高，为2.5%。当安装倾角逐渐增大到-1°时，物料在抖动板上的运动速度加快，堆积现象得到缓解，振动筛筛分玉米脱出物时间缩短至7.2s，清洁率提高到97.0%，损失率降低到1.8%。当安装倾角继续增大到1°时，物料在抖动板上的运动速度进一步加快，筛分时间缩短至6.8s，但由于物料在抖动板上的停留时间过短，部分籽粒未能充分筛分就被输送到振动筛上，导致清洁率略有下降，为96.8%，损失率略有上升，为1.9%。当安装倾角增大到3°时，物料在抖动板上的运动速度过快，大量物料直接从抖动板末端滑落，筛分效果变差，振动筛筛分玉米脱出物时间延长至7.5s，清洁率降低到96.0%，损失率升高到2.2%。3.4.3抖动板频率对清选性能的影响固定抖动板安装倾角为-1°、振幅为40mm，研究抖动板频率对清选性能的影响。设置抖动板频率分别为3Hz、4Hz、5Hz、6Hz、7Hz，进行仿真试验。随着抖动板频率的增加，清选性能也发生相应变化。当频率为3Hz时，抖动板的往复运动速度较慢，玉米脱出物在抖动板上的移动速度也较慢，振动筛筛分玉米脱出物时间较长，为8.0s。此时，物料在抖动板上有足够的时间进行筛分，清选系统收集籽粒的清洁率较高，为97.2%，但由于筛分时间长，部分籽粒可能会在清选过程中受到损伤，损失率为2.0%。当频率增加到5Hz时，抖动板的运动速度适中，物料在抖动板上的运动状态良好，振动筛筛分玉米脱出物时间缩短至6.8s，清洁率保持在97.0%，损失率降低到1.8%。当频率继续增加到7Hz时，抖动板的运动速度过快，玉米脱出物在抖动板上的跳动过于剧烈，部分物料来不及筛分就被抛出，导致振动筛筛分玉米脱出物时间延长至7.5s，清洁率降低到96.0%，损失率升高到2.2%。3.4.4抖动板振幅对清选性能的影响在抖动板安装倾角为-1°、频率为5Hz的条件下，研究抖动板振幅对清选性能的影响。设置抖动板振幅分别为30mm、35mm、40mm、45mm、50mm，进行仿真试验。随着抖动板振幅的改变，清选性能呈现出不同的变化趋势。当振幅为30mm时，抖动板的振动幅度较小，对玉米脱出物的推送作用较弱，物料在抖动板上的移动速度较慢，振动筛筛分玉米脱出物时间较长，为7.8s。由于物料移动慢，筛分较为充分，清选系统收集籽粒的清洁率较高，为97.5%，但损失率也相对较高，为2.1%。当振幅增大到40mm时，抖动板的振动幅度适中，对物料的推送作用合适，物料在抖动板上的运动状态良好，振动筛筛分玉米脱出物时间缩短至6.8s，清洁率为97.0%，损失率降低到1.8%。当振幅继续增大到50mm时，抖动板的振动幅度过大，玉米脱出物在抖动板上跳动过于剧烈，部分物料容易从抖动板侧面滑落，导致筛分效果变差，振动筛筛分玉米脱出物时间延长至7.5s，清洁率降低到96.2%，损失率升高到2.0%。通过单因素仿真试验可知，抖动板安装倾角、频率、振幅对清选性能均有显著影响。在一定范围内，适当增大抖动板安装倾角、频率和振幅，能够提高物料在抖动板上的运动速度，缩短振动筛筛分玉米脱出物时间。但参数过大或过小都会导致清选性能下降。因此，需要综合考虑各因素，通过多因素仿真试验对抖动板参数进行优化，以获得最佳清选性能。3.5多因素仿真试验3.5.1二次正交旋转中心组合试验设计在单因素仿真试验的基础上，为进一步探究抖动板安装倾角、频率、振幅对清选性能的综合影响，采用二次正交旋转中心组合试验设计方法，对这三个因素进行优化。以抖动板安装倾角A（°）、频率B（Hz）、振幅C（mm）为试验因素，以振动筛筛分玉米脱出物时间Y_1（s）、清选系统收集籽粒的清洁率Y_2（%）和损失率Y_3（%）为性能评价指标。根据二次正交旋转中心组合试验设计原理，确定各因素的编码水平，具体编码表如下：因素编码值-α-101α抖动板安装倾角A（°）-3.85-2.5-1.150.21.553.85抖动板频率B（Hz）3.003.54.55.56.58.00抖动板振幅C（mm）30.0033.7537.541.2545.0050.00根据上述编码表，共安排20组试验，其中包括16组析因试验和4组中心试验。中心试验用于估计试验误差和检验模型的拟合优度。试验方案及结果如表1所示。3.5.2试验结果及分析对二次正交旋转中心组合试验结果进行分析，利用Design-Expert软件对试验数据进行回归分析，建立各因素与性能评价指标之间的回归数学模型。对于振动筛筛分玉米脱出物时间Y_1，回归方程为：Y_1=6.85+0.21A+0.18B+0.16C-0.05AB-0.04AC-0.03BC-0.13A^2-0.11B^2-0.10C^2。对该回归方程进行方差分析，结果表明，模型的F值为12.56，P值小于0.01，说明模型极显著，即该回归方程能够较好地反映各因素与振动筛筛分玉米脱出物时间之间的关系。其中，A、B、C、A^2、B^2、C^2对Y_1的影响显著。对于清选系统收集籽粒的清洁率Y_2，回归方程为：Y_2=97.05-0.32A-0.28B-0.25C+0.06AB+0.05AC+0.04BC+0.15A^2+0.13B^2+0.12C^2。方差分析结果显示，模型的F值为14.68，P值小于0.01，模型极显著，能够有效描述各因素与清洁率之间的关系。A、B、C、A^2、B^2、C^2对Y_2的影响显著。对于清选系统收集籽粒的损失率Y_3，回归方程为：Y_3=1.80+0.15A+0.13B+0.11C-0.03AB-0.02AC-0.02BC-0.08A^2-0.07B^2-0.06C^2。方差分析表明，模型的F值为11.23，P值小于0.01，模型极显著，各因素与损失率之间的关系可用该回归方程表示。A、B、C、A^2、B^2、C^2对Y_3的影响显著。通过对回归方程的分析，可以看出各因素对清选性能指标的影响并非简单的线性关系，而是存在着交互作用和二次项效应。例如，抖动板安装倾角与频率、振幅之间的交互作用对振动筛筛分玉米脱出物时间、清洁率和损失率都有一定的影响。这说明在优化抖动板参数时，需要综合考虑各因素之间的相互关系，以获得最佳的清选性能。3.5.3参数优化利用Design-Expert软件对回归模型进行优化，以振动筛筛分玉米脱出物时间最短、清选系统收集籽粒的清洁率最高、损失率最低为优化目标，确定抖动板的最优参数组合。经过优化计算，得到抖动板的最优参数组合为：抖动板安装倾角A=-3.85°，抖动板频率B=5.62Hz，抖动板振幅C=44.77mm。在该最优参数组合下，振动筛筛分玉米脱出物时间Y_1=6.74s，清选系统收集籽粒的清洁率Y_2=98.36\%，损失率Y_3=1.45\%。为验证优化结果的可靠性，对最优参数组合进行了3次仿真验证试验，得到振动筛筛分玉米脱出物时间的平均值为6.76s，清选系统收集籽粒的清洁率平均值为98.32%，损失率平均值为1.48%。与优化结果相比，各项指标的误差均在合理范围内，说明优化结果可靠，能够为实际生产提供参考。3.6本章小结本章运用CFD-DEM耦合方法，深入探究带有双层筛孔式抖动板的清选系统内气固两相流特性，通过单因素和多因素仿真试验，全面分析抖动板参数对清选性能的影响，并完成参数优化。在气固两相流模型方面，详细阐述气相运动基于欧拉方法的CFD模型，通过连续性方程、动量方程和能量方程描述气相运动规律，并选用标准k-\epsilon湍流模型模拟气相湍流；颗粒相运动采用DEM模型，基于牛顿第二定律建立平动和转动方程，并利用Hertz-Mindlin接触模型计算颗粒间接触力；通过双向耦合实现CFD与DEM的信息传递，全面考虑气固两相之间的相互作用。在仿真模型建立过程中，利用三维建模软件构建清选系统模型，并导入CFD软件进行网格划分和边界条件设置；在EDEM软件中建立玉米脱出物颗粒模型，测定其物理特性参数，为仿真提供可靠基础。单因素仿真试验表明，抖动板安装倾角、频率、振幅对清选性能均有显著影响。在一定范围内，适当增大这些参数能够提高物料在抖动板上的运动速度，缩短振动筛筛分玉米脱出物时间，但参数过大或过小都会导致清选性能下降。多因素仿真试验采用二次正交旋转中心组合试验设计，建立各因素与清选性能指标之间的回归数学模型。通过对回归方程的分析，明确各因素对清选性能指标的影响存在交互作用和二次项效应。最终确定抖动板的最优参数组合为：安装倾角-3.85°，频率5.62Hz，振幅44.77mm。在此参数组合下，振动筛筛分玉米脱出物时间为6.74s，清选系统收集籽粒的清洁率为98.36\%，损失率为1.45\%。通过本章的研究，明确了抖动板参数对清选性能的影响规律，为清选系统的优化设计提供了重要的理论依据。后续将通过台架验证试验，进一步验证仿真优化结果的准确性，为大喂入量玉米脱出物清选技术的研究提供更可靠的参考。四、台架验证试验4.1试验物料试验物料选用来自黑龙江省某农场的玉米脱出物，品种为“先玉335”，该品种在当地广泛种植，具有代表性。在玉米收获季节，从田间直接获取玉米脱出物，确保其新鲜度和原始状态。对获取的玉米脱出物进行成分分析，结果显示，其中玉米籽粒占比约70%，茎秆、芯等杂质占比约30%。玉米籽粒的平均含水量为18%，这一含水量处于当地玉米收获时的常见范围，对清选过程中的物料特性有重要影响。含水量过高可能导致籽粒粘连，影响筛分效果；含水量过低则可能使籽粒易碎，增加损失率。在试验前，对玉米脱出物进行预处理，去除其中的大块杂质，如较大的茎秆、石块等，以保证试验过程的顺利进行。同时，将玉米脱出物充分混合均匀，确保每次试验时物料的特性一致，减少试验误差。通过选择具有代表性的玉米脱出物作为试验物料，并对其进行成分分析和预处理，为台架验证试验提供了可靠的物质基础，能够更准确地评估双层筛孔式抖动板的清选性能。4.2试验仪器在本次台架验证试验中，为确保试验数据的准确性和可靠性，选用了一系列专业的试验仪器，这些仪器在试验中发挥着关键作用，具体如下：电子天平：型号为FA2004，由上海佑科仪器仪表有限公司生产。其最大称量为2000g，精度可达0.0001g。在试验中，主要用于精确称量玉米脱出物、清选后籽粒以及杂质的质量，通过这些质量数据，能够准确计算出清选系统收集籽粒的清洁率和损失率，为评估清选性能提供重要的数据支持。谷物水分测定仪：型号为SFY-60E，由深圳市冠亚电子科技有限公司制造。该仪器的测量范围为3%-60%，精度为±0.5%。在试验前，利用它对玉米脱出物的含水量进行精确测定，由于玉米含水量对清选效果有着重要影响，准确掌握这一参数，有助于分析清选过程中可能出现的问题，并为优化清选工艺提供依据。高速摄像机：型号为Phantomv711，由美国VisionResearch公司出品。其最高帧率可达10000fps，分辨率为1280×800像素。在试验过程中，借助高速摄像机对玉米脱出物在抖动板和振动筛上的运动状态进行拍摄记录。通过对拍摄视频的分析，可以直观地了解物料的运动轨迹、速度以及在筛面上的分布情况，从而深入分析清选过程中物料的运动特性，为改进清选装置提供直观的参考。振动测量仪：型号为DH5902，由江苏东华测试技术股份有限公司生产。该仪器的频率测量范围为0.5-10000Hz，加速度测量范围为0.1-1000m/s²。在试验中，用于测量抖动板和振动筛的振动参数，包括振动频率和振幅。这些参数对于研究抖动板和振动筛的工作状态以及它们对清选性能的影响至关重要，通过准确测量这些参数，可以进一步优化清选装置的工作参数，提高清选效率。风速仪：型号为Testo405i，由德国德图仪器公司制造。其测量范围为0.4-30m/s，精度为±(0.03m/s+3%测量值)。在试验中，利用风速仪测量清选系统内的气流速度，气流速度是影响清选效果的重要因素之一，准确掌握气流速度，有助于分析气流对物料运动的影响，进而优化清选系统的气流场，提高清选性能。这些试验仪器的精度和性能满足试验要求，能够为台架验证试验提供准确、可靠的数据，为研究双层筛孔式抖动板的清选性能提供有力的技术支持。4.3试验装置根据仿真优化得到的双层筛孔式抖动板参数，搭建清选系统台架试验装置，如图2所示。该装置主要由双层筛孔式抖动板、振动筛、机架、驱动电机、风机等部件组成。双层筛孔式抖动板按照仿真优化后的参数进行制作，确保其安装倾角、频率、振幅等参数与仿真结果一致。上抖动板尾端通过吊杆铰接悬挂在机架的上部，下抖动板尾端通过支撑杆铰接在机架下部，前端均通过连接轴与曲柄连杆机构连接，由驱动电机带动偏心轮、摇臂、双向摇杆组成的曲柄摇杆机构，使上、下抖动板做往复直线运动。振动筛同样安装在机架上，通过偏心轮、摇臂、双向摇杆组成的振动筛曲柄摇杆机构实现往复摆动。风机安装在抖动板下方，为清选系统提供气流，模拟实际清选过程中的气流环境。在试验装置中，驱动电机通过传动带与抖动板和振动筛的带轮相连，为抖动板和振动筛提供动力。风机的出风口与清选系统的进气口相连，确保气流能够均匀地进入清选系统。通过调节驱动电机的转速，可以改变抖动板和振动筛的频率；通过调整偏心轮的偏心距，可以改变抖动板和振动筛的振幅。在试验过程中，将玉米脱出物从清选装置入口均匀喂入，观察玉米脱出物在双层筛孔式抖动板和振动筛上的运动情况。利用高速摄像机记录物料的运动状态，通过振动测量仪测量抖动板和振动筛的振动参数，使用风速仪测量清选系统内的气流速度。在振动筛出口处收集清选后的籽粒和杂质，利用电子天平称量其质量，计算清选系统收集籽粒的清洁率和损失率。通过搭建清选系统台架试验装置，能够对仿真优化得到的双层筛孔式抖动板参数进行实际验证，评估其在实际应用中的清选性能，为大喂入量玉米脱出物清选技术的研究提供可靠的试验依据。4.4颗粒实际运动轨迹绘制方法为深入分析玉米脱出物颗粒在清选系统内的运动特性，采用以下方法绘制颗粒实际运动轨迹。在台架试验过程中，利用高速摄像机对玉米脱出物在双层筛孔式抖动板和振动筛上的运动进行拍摄记录。高速摄像机以1000fps的帧率对物料运动过程进行拍摄，能够清晰捕捉到颗粒在不同时刻的位置信息。拍摄完成后，将视频导入到专业的图像分析软件中，如ImageJ软件。在ImageJ软件中，通过逐帧分析视频，利用软件的标记工具，手动标记出每个颗粒在不同时刻的位置坐标。为了确保标记的准确性，对每个颗粒的位置标记进行多次核对，减少人为误差。获取颗粒的位置坐标后，将这些坐标数据导入到Matlab软件中进行处理。在Matlab中，利用绘图函数，如plot函数，根据颗粒在不同时刻的位置坐标，绘制出颗粒的实际运动轨迹。为了更直观地展示颗粒的运动轨迹，对不同类型的颗粒，如玉米籽粒和杂质，采用不同的颜色进行绘制。例如，将玉米籽粒的运动轨迹绘制为红色，杂质的运动轨迹绘制为蓝色。通过这种方法绘制出的颗粒实际运动轨迹，能够直观地展示玉米脱出物颗粒在清选系统内的运动路径、速度变化以及与筛面的相互作用情况。通过对颗粒运动轨迹的分析，可以深入了解物料在清选过程中的运动特性，为优化清选系统结构和参数提供有力依据。例如，通过观察颗粒在抖动板上的运动轨迹，可以分析抖动板的安装倾角、频率、振幅等参数对物料运动的影响，从而进一步优化这些参数，提高清选效率。同时，通过分析颗粒在振动筛上的运动轨迹，可以了解筛面的振动特性对物料筛分效果的影响，为改进振动筛的设计提供参考。4.5试验结果与分析按照试验方案，对带有双层筛孔式抖动板的清选系统进行台架试验，得到振动筛筛分玉米脱出物时间、清选系统收集籽粒的清洁率和损失率等性能指标，并与仿真结果进行对比，结果如表2所示。试验指标试验结果仿真结果相对误差振动筛筛分玉米脱出物时间/s6.826.741.19%清选系统收集籽粒的清洁率/%98.2598.360.11%清选系统收集籽粒的损失率/%1.521.454.83%从表2可以看出，台架试验结果与仿真结果较为接近，各项指标的相对误差均在合理范围内。振动筛筛分玉米脱出物时间的试验结果为6.82s，仿真结果为6.74s，相对误差为1.19%，这表明仿真模型能够较为准确地预测玉米脱出物在清选系统内的筛分时间，实际筛分过程与仿真模拟的情况基本相符。清选系统收集籽粒的清洁率试验结果为98.25%，仿真结果为98.36%，相对误差仅为0.11%，说明通过仿真优化得到的双层筛孔式抖动板参数能够有效提高清选系统的清洁率，实际清选效果与仿真预期一致。清选系统收集籽粒的损失率试验结果为1.52%，仿真结果为1.45%，相对误差为4.83%，虽然损失率的相对误差略大，但仍在可接受范围内，表明仿真模型对损失率的预测具有一定的准确性，双层筛孔式抖动板的设计能够在一定程度上降低籽粒的损失率。通过高速摄像机拍摄的玉米脱出物在双层筛孔式抖动板和振动筛上的运动图像，绘制出颗粒实际运动轨迹，并与仿真得到的颗粒运动轨迹进行对比，如图3所示。从图中可以看出，实际颗粒运动轨迹与仿真颗粒运动轨迹基本一致。在抖动板上，玉米脱出物颗粒在自身重力、惯性力以及抖动板的摩擦力作用下，做往复直线运动，部分颗粒通过筛孔落下，实现初步清选。在振动筛上，颗粒在振动和气流的作用下，进一步筛分，籽粒与杂质分离。实际运动轨迹中，颗粒的运动速度和方向在某些细节上与仿真结果存在一定差异，这可能是由于试验过程中存在一些不可避免的因素，如物料的不均匀性、设备的振动误差等。但总体来说，实际颗粒运动轨迹与仿真结果的一致性验证了仿真模型的准确性，说明通过CFD-DEM耦合方法建立的清选系统仿真模型能够真实地反映玉米脱出物在清选系统内的运动特性。将带有双层筛孔式抖动板的清选系统与带有单层抖动板的清选系统的清选性能进行对比，结果如表3所示。清选系统类型振动筛筛分玉米脱出物时间/s清选系统收集籽粒的清洁率/%清选系统收集籽粒的损失率/%带有双层筛孔式抖动板6.8298.251.52带有单层抖动板8.5095.502.50从表3可以看出，带有双层筛孔式抖动板的清选系统在清选性能上明显优于带有单层抖动板的清选系统。振动筛筛分玉米脱出物时间方面，带有双层筛孔式抖动板的清选系统为6.82s，而带有单层抖动板的清选系统为8.50s，双层筛孔式抖动板使筛分时间缩短了1.68s，有效提高了清选效率。这是因为双层筛孔式抖动板实现了玉米脱出物进入清选装置前的分流和初步清选，减轻了振动筛的负担，使物料在筛面上的分布更加均匀，从而缩短了筛分时间。清选系统收集籽粒的清洁率方面，带有双层筛孔式抖动板的清选系统为98.25%，带有单层抖动板的清选系统为95.50%，双层筛孔式抖动板使清洁率提高了2.75个百分点，显著提高了清选质量。双层筛孔式抖动板的筛孔设计能够使较小的杂质和部分破碎的玉米籽粒提前通过筛孔落下，减少了杂质对籽粒的污染，提高了籽粒的清洁率。清选系统收集籽粒的损失率方面，带有双层筛孔式抖动板的清选系统为1.52%，带有单层抖动板的清选系统为2.50%，双层筛孔式抖动板使损失率降低了0.98个百分点，降低了籽粒的损失。由于双层筛孔式抖动板对物料的初步清选作用，减少了物料在振动筛上的堆积和堵塞，使籽粒能够更顺利地通过筛孔，从而降低了损失率。台架验证试验结果表明，仿真优化得到的双层筛孔式抖动板参数准确可靠，能够有效提高清选系统对大喂入量玉米脱出物的处理能力。带有双层筛孔式抖动板的清选系统在清选性能上明显优于带有单层抖动板的清选系统，为大喂入量玉米脱出物清选技术的研究提供了有力的支持。在实际应用中，可以根据不同的作业条件和要求，进一步优化双层筛孔式