基于離散元法的扇貝肉殼分離直線振動篩仿真與試驗*

陳書法，牛晏瑞，蘆新春，楊進，董志國，馮博

(1. 江蘇海洋大學機械工程學院,江蘇連云港,222005; 2. 江蘇海洋大學海洋工程學院,江蘇連云港,222005; 3. 江蘇海洋大學海洋科學與水產學院,江蘇連云港,222005)

0 引言

扇貝是我國沿海地區最重要的海產品養殖品種之一,其肉質肥美,具有豐富的營養成分,受到人們的歡迎[1-2]。扇貝加工的重要環節是將扇貝蒸煮后進行剝殼、取肉,目前我國普遍的脫殼方式依舊是采取人工作業的形式,生產成本高且效率低,缺少大規模的肉殼分離設備[3]。

振動篩是一種重要的篩分裝置,它能夠通過篩面上的篩孔將散狀顆?；旌衔锇凑沾笮∵M行分級,以滿足后續的作業要求[4-5]。由于扇貝肉在加工的過程中對肉的完整性要求較高,而直線振動篩既可以通過激振力將蒸煮后的扇貝肉和殼輕易分離又可以保證肉質的完整性[6-7]。但扇貝在篩面上的運動狀態復雜多變,為了研究篩分過程中物料顆粒的運動狀態和透篩規律,需要借助離散單元法對每個獨立的單元的篩分過程進行模擬分析。李永祥等[8]基于離散元對糧食振動清理篩的篩分過程進行仿真模擬,分析得出了篩分效果較好的振動篩工藝參數。王秉[9]基于離散單元法分析了玉米顆粒在直線振動篩上的運動情況,優化了振動篩的結構。Zhao等[10]分析了物料顆粒在篩面上的分布情況對篩分效率的影響,研究了顆粒與篩面間的碰撞行為。Feng等[11]分析了不規則顆粒的透篩過程,發現了當顆粒的質心在與篩面接觸點偏左方向時透篩效果更好。Peng等[12]模擬了濕顆粒的篩分過程,得出振動篩較優的結構參數。

上述研究充分說明了離散單元法可以很好地用來優化振動篩的工作參數,提高篩分效率[13]。但是上述研究中沒有應用此方法對貝類海產品相關的篩分裝置進行優化設計和分析,關于直線振動篩不同工作參數下對扇貝肉殼分離效果的影響研究較少。

本研究基于離散元法模擬了扇貝顆粒在直線振動篩不同工藝參數下的運動過程和透篩行為,分析振動篩各因素對扇貝肉和扇貝殼兩種不同顆粒透篩的影響,優化扇貝肉殼分離直線振動篩的工作參數,從而提高扇貝加工的生產效率,為以后貝類肉殼分離裝置的結構設計和工作參數選取提供一定的參考。

1 直線振動篩總體設計與工作原理

1.1 總體設計

扇貝肉殼分離直線振動篩的整體結構如圖1所示,主要由篩箱、篩面、振動電機、減振彈簧等部分組成。該直線振動篩采用階梯式向下略微傾斜的篩面,配合振動電機產生的激振力可以有效減少物料在篩面上的堆積,使其分布更加均勻,具有良好的篩分性能[14]。根據扇貝肉殼分離所需要的處理量要求,本研究所設計的直線振動篩采用4個尺寸為2 000 mm×800 mm的可拆卸更換的篩面,篩面上的篩孔為直徑φ=40 mm的圓形孔,開孔率為68.2%。

圖1 直線振動篩整體結構

1.2 工作原理

扇貝在經過蒸煮工序后由輸送帶運送至振動篩的入料口進入篩箱,入料口與篩面之間傾斜角度為120°左右,同時篩面與水平面之間傾角α=5°～9°。直線振動篩采用兩臺振動電機,在轉子軸上各安裝一組可調偏心塊,當安裝在篩體上的兩臺振動電機做同步、反向運轉時,其偏心塊所產生的激振力在平行于電機軸線方向相互抵消,在垂直于電機軸方向的力相加產生合力通過傳振體傳遞到整個篩箱上使物料在篩面上作直線運動,兩臺振動電機相對篩面有一傾角,從而使篩面上的物料受其激振力在篩網上向前進行跳躍運動。通過試驗驗證,蒸煮后的扇貝肉和殼之間的粘附力很小,在激振力和肉殼自重力的合力作用下扇貝在篩網上被拋起跳躍式向前運動,能夠輕易達到肉殼分離的效果,分離后由于扇貝肉的尺寸較小會通過篩孔掉落至下方傳送帶上進入下一個清洗環節,而尺寸較大的扇貝殼則會停留在篩面上一直向前跳動至出料口處被過濾掉[15-17]。

2 離散元模型及仿真參數

本研究采用離散元軟件EDEM對簡化的直線振動篩模型在不同工作參數下進行扇貝肉殼分離的篩分過程進行仿真,在仿真試驗開始之前分別對扇貝肉和殼進行顆粒建模,然后創建直線振動篩的簡化模型和顆粒工廠,最后設置合適的離散元接觸模型和仿真參數[18]。

2.1 顆粒建模

本研究選取連云港市贛榆區宋莊鎮漁民普遍養殖的櫛孔扇貝作為研究對象,在養殖塘里剛捕撈上來的鮮活扇貝里隨機挑選200個,采用精度為0.01 mm的游標卡尺分別對扇貝的肉和殼的長度、寬度、厚度進行測量,得出扇貝肉的平均幾何尺寸為34.5 mm×30.2 mm×15.2 mm,扇貝殼的平均幾何尺寸為65.8 mm×60.3 mm×20.4 mm。EDEM軟件建模是通過球形顆粒堆疊擬合而成的,按照試驗測得的平均尺寸建立扇貝的肉和殼的離散元顆粒模型如圖2所示。

(a) 扇貝肉顆粒模型

(b) 扇貝殼顆粒模型

2.2 篩分模型和顆粒工廠創建

將Creo軟件建立好的直線振動篩三維模型進行合理的簡化,只保留其篩箱和篩面,按照1∶1尺寸大小導入到EDEM軟件中,仿真過程如圖3所示。

圖3 振動篩三維離散元模型

在仿真進行之前還需建立一個虛擬的顆粒工廠生成扇貝下落到振動篩上進行模擬篩分過程,然后設置顆粒工廠為動態生成的方式,生成扇貝顆粒的速率為200個/s,大小為平均尺寸的0.75～1.35倍之間隨機生成,最后設置模擬的時長為30 s,數據保存時間步長為0.1 s,網格尺寸為3Rmin(Rmin代表最小顆粒半徑)。

2.3 接觸模型與仿真參數設置

在模擬顆粒在篩面上的運動規律時,顆粒和顆粒之間必然會發生接觸與碰撞,從而產生力的作用,又因振動篩上的扇貝肉顆粒群和扇貝殼顆粒群與篩面之間無黏附作用,且不涉及電、熱作用的影響,所以選擇Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型,其基礎模型原理如圖4所示,該模型是EDEM中默認使用的接觸模型,在這個模型中,法向力和切向力都有阻尼分量,其中阻尼系數與恢復系數有關。切向摩擦力遵循庫侖摩擦定律,滾動摩擦力以獨立于接觸的方向性恒定扭矩模型實現。

圖4 Hertz-Mindlin顆粒接觸模型簡圖

在進行仿真計算之前需對相關的參數進行設置,包括扇貝肉和扇貝殼顆粒的物理參數和各材料之間的接觸參數。扇貝肉和殼的力學參數包含泊松比、密度和剪切模量,各材料之間的接觸參數為碰撞恢復系數、動摩擦系數和靜摩擦系數,通過查閱相關資料與文獻可得相關參數如表1和表2所示。

表1 材料物理參數Tab. 1 Material physical parameters

表2 各材料之間的接觸參數Tab. 2 Contact parameters between materials

3 仿真分析

3.1 直線振動篩篩分物料性能指標

扇貝物料顆粒的透篩數量、篩分效率和肉中帶殼比率是振動篩作業效果評價的綜合性能指標,其中篩分效率尤為重要,當振動篩的篩分效率較高時,能夠節省大量的工作時間和能耗。

篩分效率和肉中帶殼比率分別按式(1)和式(2)進行計算。

(1)

(2)

式中:ηi——篩分效率;

Nf——實際透篩的扇貝肉數量;

Nt——理論應透篩的扇貝肉數量;

ηk——肉中帶殼比率;

Nk——篩下物中扇貝殼顆粒的數量。

3.2 仿真試驗中基準工藝參數選擇

影響物料顆粒透篩效率的因素很多,在本次研究中,物料顆粒為櫛孔扇貝,其生理參數已經確定,所以本研究從篩分設備的工藝參數上進行優化以提高其篩分效率。直線振動篩的主要工藝參數有振動頻率、振幅、篩面傾角和振動方向角,通過查閱相關資料并對振動篩參數的計算,確定在仿真研究中直線振動篩的工藝參數可調范圍如表3所示。

表3 直線振動篩工藝參數Tab. 3 Technological parameters of linear vibrating screen

為研究以上工藝參數對扇貝肉殼混合物料篩分過程的影響,利用離散元仿真軟件開展單因素影響篩分性能的研究,以振動頻率為12 Hz、振幅為5 mm、篩面傾角為8°、振動方向角為45°為基準參數,每次模擬試驗只改變單個參數,分析單因素參數對篩分效率和扇貝肉顆粒透篩數量的影響規律。

3.3 直線振動篩工藝參數對篩分效果影響分析

利用EDEM軟件對以上各工藝參數進行模擬獲得每個參數對篩分效率以及扇貝肉透篩數量的影響后,可以將軟件模擬分析的數據導出,然后進行匯總編輯,繪制成曲線圖可以更直觀地對結果進行分析,最后得到較優的工藝參數。

3.3.1 振動頻率對篩分效果影響

為研究直線振動篩的振動頻率對篩分效果的影響,在仿真試驗中,分別取振動篩的振動頻率為8 Hz、10 Hz、12 Hz、14 Hz、16 Hz,其余參數均為基準參數保持不變,共進行5次針對振動頻率的篩分性能仿真試驗,計算出扇貝肉顆粒透篩數量、篩分效率、扇貝殼顆粒透篩數量和肉中帶殼比率并繪制曲線圖,如圖5所示。

(a) 對扇貝肉顆粒透篩數量的影響

(b) 對篩分效率的影響

(c) 對扇貝殼顆粒透篩數量的影響

(d) 對肉中帶殼比率的影響

本次仿真試驗共向直線振動篩均勻放料扇貝肉殼顆粒各5 000顆,由圖5(a)和圖5(c)可以看出,扇貝肉和殼顆粒的透篩數量隨著時間的變化呈增長的趨勢,從生產需求上來看,扇貝肉透篩的數量越多生產效率則越高,而扇貝殼透篩的數量則是越少越符合生產要求,因此可以看出當振動篩的振動頻率為12 Hz是篩分的效果最好,但是當振動頻率為8 Hz時扇貝殼的透篩數量異常的多,究其原因,振動頻率太低導致振動篩的入料口的物料顆粒產生堆積,底部的扇貝殼受到上面堆積的物料擠壓作用從篩孔通過,當振動頻率增大后,篩面上物料的松散度明顯提高,篩分效果明顯好轉。圖5(b)是根據不同振動頻率工況下扇貝肉顆粒透篩的總數計算得出的篩分效率,圖5(d)是根據不同振動頻率工況下透篩的扇貝殼顆?？倲岛蜕蓉惾忸w?？倲涤嬎愕贸龅娜庵袔け嚷?由圖5(b)和圖5(d)可以更加直觀地看出當振動頻率為12 Hz時振動篩的篩分效果最好,篩分效率達到97%,而當頻率為8 Hz時篩分效果最差。

3.3.2 振動振幅對篩分效果影響

在篩分作業進行時,物料顆粒通過與篩面碰撞獲得不斷運動的能量,所以振幅的大小直接影響顆粒和篩網之間的碰撞強度進而影響顆粒透篩的情況[19]。為了研究直線振動篩振幅對扇貝顆粒篩分效果的影響,在仿真試驗中保持其他篩分工藝參數為基準參數,只改變振幅大小分別為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm,共進行5次振幅仿真,計算結果如圖6所示。

由圖6可以看出,隨著篩分作業的進行,扇貝肉和扇貝殼的透篩數量隨著時間的變化呈遞增的趨勢,當振幅為4 mm時,最終扇貝肉透篩數量最多且篩分效率最高,效率達到了98.1%,同時扇貝殼透篩數量最少肉中帶殼比率也最低。較小的振幅篩分效果逐漸下降,而過大的振幅扇貝殼的透篩數量明顯增大,分析其原因可知:振幅小時,振動篩的拋射強度不大,較大的物料顆粒容易堵孔,物料在振動篩上不容易分散開,產生堆積,扇貝肉被扇貝殼裹挾運動至出料口造成損失。振幅過大時,扇貝殼顆粒與篩面間的接觸力較大,當扇貝殼跳動至篩孔時比較容易透篩,所以篩下物肉中帶殼的比率急劇增大。

3.3.3 篩面傾角對篩分效果影響

篩面傾角是直線振動篩的重要工藝參數,主要影響物料顆粒沿著篩面長度方向上的重力分量。為研究直線振動篩的篩面傾角對扇貝物料顆粒篩分效果的影響,在進行仿真試驗之前依然設置振動頻率12 Hz、振幅5 mm、振動方向角45°為基本參數不變,取篩面傾角分別為4°、6°、8°、10°、12°各做一組仿真模擬,計算結果如圖7所示。

根據圖7(a)和圖7(b)可以看出,隨著篩分作業的進行,扇貝肉顆粒透篩的數量和篩分效率先隨著篩面傾角的增大而增加,當篩面傾角為6°時,篩分效率最高,達到98.5%,隨后篩面傾角越大篩分效率逐漸下降。

(a) 對扇貝肉顆粒透篩數量的影響

(b) 對篩分效率的影響

(c) 對扇貝殼顆粒透篩數量的影響

(d) 對肉中帶殼比率的影響

通過分析其篩分過程可知:篩面傾角過小時,隨著進料端物料不斷增加,物料在篩面上停留的時間較長且拋擲指數低,造成物料在扇面上產生堆積,上層的扇貝肉顆粒不能與篩面直接接觸,被下面的扇貝殼顆粒裹挾運動至出料口進入扇貝殼廢料箱內。所以適當的增大篩面傾角可以使物料顆粒沿著篩面長度方向的重力分量與拋擲指數增大,有利于扇貝肉顆粒的透篩,可以有效地提高生產效率。但是當篩面傾角過大時,物料沿著篩面向下滑動的速度急劇增大,這樣會導致扇貝肉快速劃過篩孔至出料口造成物料大量浪費,篩分效率降低。

(a) 對扇貝肉顆粒透篩數量的影響

(b) 對篩分效率的影響

(c) 對扇貝殼顆粒透篩數量的影響

(d) 對肉中帶殼比率的影響

通過圖7(c)和圖7(d)可以看出,扇貝殼顆粒透篩數量和肉中帶殼比率也隨著篩面傾角增大而減少和降低,原因與上述相同,傾角越大扇貝殼向下運動的速度越快越不容易通過篩孔,只有少數的尺寸較小的扇貝殼會通過篩孔進入到扇貝肉物中。但是要以扇貝肉的透篩數量和篩分效率為主要考慮參數,且當篩面傾角為6°時,扇貝殼透篩的數量并不是很多,肉中帶殼的比率僅為1.2%左右。

3.3.4 振動方向角對篩分效果影響

振動方向角也叫拋射角,是篩箱的振動方向與篩面之間的夾角,是影響篩面上物料顆粒跳躍的重要參數。合理的振動方向角可以使篩面上的物料分布地更加均勻,有利于物料的透篩從而提高篩分效率。為研究直線振動篩的振動方向角對扇貝篩分效果的影響,在仿真試驗中,依然設置其余工藝參數為基準參數,振動方向角分別取15°、30°、45°、60°、75°,共進行5次仿真模擬,計算結果如圖8所示。

由圖8(a)和圖8(b)可知,扇貝肉透篩數量和篩分效率隨著振動方向角的增大呈先遞增再遞減的趨勢,當振動方向角在30°時篩分效果較好,篩分效率為98.7%。分析認為:當振動方向角較小時,篩面上的物料顆粒受到沿著篩面方向的力較大,而受篩面法向力較小,物料顆粒的拋擲效果不理想導致篩分效果差。適當地增加振動方向角,篩面上的物料顆粒受到法向力變大,拋擲的效果變好,物料顆粒在篩面上運動活躍度增大,篩分效果明顯變好。但是當振動方向角過大時,物料顆粒在篩面上受到的法向力過大,跳躍的高度過大,導致物料顆粒與篩面不能夠充分接觸,篩分效率降低。

由圖8(c)和圖8(d)可以看出,當振動方向角過低或者過高時,扇貝殼透篩的數量明顯較多,肉中帶殼的比率明顯較高,當振動方向角為30°～45°時,扇貝殼透篩的數量較少,出現這種情況的原因是:當振動方向角過小時,物料在篩面上的拋擲效果和分散情況較差,下層的扇貝殼受到擠壓從而透篩的數量較多,而振動方向角過大時,扇貝殼跳躍高度較高,受到篩面的法向力較大,當扇貝殼顆粒恰好落至篩孔出容易透篩,因此振動方向角過大或者過小時扇貝殼的透篩數量會增多。

綜上所述,扇貝物料在篩面上的運動狀態和篩分效果分別受直線振動篩的振動頻率、幅度、篩面傾角和振動方向角的影響。通過EDEM仿真試驗可得,當直線振動篩的振動頻率為12 Hz、振幅為4 mm、篩面傾角為6°、振動方向角為30°時,更有利于扇貝肉顆粒運動及透篩,篩分性能相對較優。

(a) 對扇貝肉顆粒透篩數量的影響

(b) 對篩分效率的影響

(c) 對扇貝殼顆粒透篩數量的影響

(d) 對肉中帶殼比率的影響

4 扇貝篩分臺架試驗

4.1 材料與方法

為驗證EDEM離散元仿真的可靠性,在連云港市贛榆區某烘干廠進行樣機試驗,試驗材料選取完成蒸煮作業后的開殼櫛孔扇貝為研究對象。按照離散元仿真所得的工藝參數調整樣機的振動頻率為12 Hz、振幅為4 mm、篩面傾角為6°、振動方向角為30°。將篩分效率與肉中帶殼比率作為試驗指標,待設備啟動工況穩定后,向振動篩入料口均勻投放一定數量的開殼扇貝,篩分作業完成后,將設備關停,記錄篩下物料中扇貝肉和扇貝殼的數量,計算其與投放扇貝數量的比值即為篩分效率和含雜率。試驗共進行3次,取其結果的平均值與仿真結果作對比。

篩分試驗所用到的設備與輔料主要包括:直線振動篩試制樣機、電子秤、燒杯、塑封袋等。

4.2 臺架試驗結果與分析

本試驗共進行3組,每組隨機選取鮮活扇貝2 000顆(約68 kg)放入蒸煮箱內開殼后直接由輸送帶運送至振動篩入料口進行篩分,待篩分作業完成后統計篩下透篩的扇貝和碎殼的數量。經過多次計數與統計,3組試驗透篩的扇貝肉數量分別為1 951顆、1 966顆、1 987 顆,扇貝殼及碎貝的數量分別為59顆、38顆、35顆。根據篩分試驗所記錄的數據計算出篩分效率和肉中帶殼比率,取其平均值與仿真模擬的結果對比如表4所示。

表4 試驗結果對比Tab. 4 Comparison of test results

由表4可知,在篩分效率上,仿真結果與試驗結果誤差較小,根據現場觀察可知造成這部分誤差的原因是有少數扇貝為死貝,蒸煮后沒有完全開殼,另外有個別扇貝通過閉殼肌粘附在貝殼上無法分離。而肉中帶殼比率誤差相對較高,現場研究發現,篩下物中的貝殼主要為碎貝,在篩分過程中有少數較脆弱的貝殼在篩面上被振碎,通過篩孔下落到篩下物中。試驗結果與仿真結果誤差小于2%,總體效果非常接近,進一步驗證了本文所設計直線振動篩模型的可靠性,也表明了離散元法建模與仿真是研究顆粒物料分離的有效方法。

5 結論

1) 設計了一款針對貝類海產品肉殼分離的直線振動篩,采用振動電機為篩箱提供激振力,物料在篩面上獲得向前跳躍運動的力從而完成篩分的過程。

2) 運用EDEM軟件建立了物料顆粒和振動篩模型并對直線振動篩的各項工藝參數進行離散元仿真分析,根據仿真結果繪制了工藝參數和篩分效率等關系曲線,結果表明:直線振動篩的振動頻率、振幅、篩面傾角和振動方向角對扇貝肉和殼篩分效率的影響都是隨其增大呈先增大后減小的趨勢,當振動頻率為12 Hz,振幅為4 mm,篩面傾角為6°,振動方向角為30°時,篩分效果相對較好。

3) 采用試制樣機進行了驗證試驗,臺架試驗結果顯示,該直線振動篩的篩分效率和篩下肉中帶殼比率分別為98.40%和2.24%。試驗結果與仿真結果非常接近,證明本文利用離散元法得出的貝類肉殼分離直線振動篩最優工藝參數是可靠的,為以后針對貝類海產品肉殼分離裝置的設計提供了依據與參考。