联合收割机振动筛优化设计新方法研究

据统计，去年我国的粮食产量为1.14万亿斤左右，这个数字每年都在递增，这些粮食大部分都需要经过除杂与分选才能入库，而对粮食进行除杂与分选就要用到筛分机械。振动筛就是目前最常用的筛分机械，所以为了提高筛分效率、降低粮食损失，迫切地需要研究振动筛的筛分过程与筛分机理，以更好地提高振动筛的设计水平。 长期以来，对于振动筛的研究主要采用试验方法与传统的连续介质力学方法，试验方法费时费力，往往得不到理想的结果，而传统的连续介质力学方法是把筛上的物料颗粒看作一个整体来进行研究，得出的结果误差非常大，也不能很好的研究筛分的整个过程。近年来，应用离散元法研究筛分作业过程成为了主流，与连续介质力学方法相比，该方法能够真实地模拟出筛分的整个过程，得出的结果也更接近真实情况。但同时也存在着颗粒模型简化、边界模型简化、力学模型近似、仿真参数不确定等问题，尤其是边界模型的简化使得应用离散元法只能对具有直线运动或圆周运动的振动筛进行仿真分析，对于具有复杂运动的振动筛却无能为力，所以本文提出将多刚体系统动力学和离散元法相耦合来研究振动筛。 离散元法(Discrete Element Method，简称DEM)是由Cundall等人提出来的用于处理散体介质系统的力学行为的数值方法，其基本思想是把散粒群体简化成具有一定形状和质量颗粒的集合，赋予接触颗粒间及颗粒与接触边界间某种接触力学模型和模型中的参数，以考虑散粒之间及散粒与边界间的接触作用和散粒体与边界的不同物理机械性质。 多刚体系统动力学是由经典力学理论发展而来的新动力学分支，其研究的对象是由多个刚体组成的复杂机构，其目的是为了建立适宜于计算机程序求解的运动学和动力学分析模型，并寻求准确、高效与稳定的数值方法。 随着科学技术的不断进步，计算机仿真技术已经越趋成熟，并广泛应用于各个领域。本课题组成功的将离散元法引入到计算机仿真技术中，并自主开发了适用于农业机械部件的离散元法仿真分析软件。该软件集前端设计模块、求解计算模块、后处理模块于一体，应用此软件已成功的对排种器、排肥器、开沟器等农业机械部件进行了仿真分析与优化设计。正是因为有了这些前期的研究成果，才使得将多刚体系统动力学和离散元法相耦合来研究振动筛成为了可能。 本文针对所要研究振动筛的结构和运动形式，采用多刚体系统动力学的笛卡尔方法对振动筛进行了运动学分析。首先建立了坐标系，根据所建立的坐标系推导了不同运动副的约束方程（包括位置约束方程、速度约束方程与加速度约束方程），然后介绍了整个系统约束方程的组集与求解方法，最终建立了振动筛的多刚体系统运动学模型，以上工作对于开发通用程式化好的二维振动筛运动分析软件打下了理论基础。 然后本文测量了所选大豆物料颗粒的三轴尺寸和密度，设计并加工了振动筛试验台，设计了试验方案与步骤，对振动筛的筛分过程进行了台架试验。主要考察了不同的曲柄转速、筛面倾角、筛面长宽比以及后吊杆长度对振动筛的限上率、限下率与筛分效率三个指标的影响情况，并对试验结果进行了分析。 最后本文对振动筛的筛分过程进行了仿真分析，建立了振动筛与大豆颗粒的二维离散元法分析模型、选取合适的力学模型与仿真参数，并采用课题组研制的二维离散元法分析软件，对筛分过程进行了模拟仿真，最后将仿真结果与试验结果进行了对比分析，证明了将多刚体系统动力学和离散元法相耦合研究振动筛筛分过程是可行的，证明了课题组研制的离散元法仿真分析软件的是可用的，以期建立一种振动筛优化设计的新方法。