基于EDEM 的打叶机打辊参数对打叶质量的影响

王俊瑞，黄亚宇

（650093 云南省 昆明市 昆明理工大学）

0 引言

烟草产业是我国重要的经济产业，为我国提供了大量税收。打叶工序是烟草加工工艺环节中非常重要的一环，打叶质量直接影响后续的烟叶制丝和卷制工艺质量，较好的打辊参数是提升打叶质量的必要保证 。为了提高打叶过程的工艺效率，近年来，众多学者对打叶工艺进行了大量研究。王发勇[1]等人提出了将打叶复烤片型调控的焦点从“框栏”转移到“筛分”与“二次处理”的方向，在展望的同时提出了具体研究路线；陈壮宇[2]等人通过对打叶框栏形状和尺寸组合得出7.62 cm（3.0 英寸）框栏比8.89 cm（3.5 英寸）框栏有助于控制大片率，菱形框栏比六边形框栏有利于降低碎片率，不相邻的两联框栏采用不同的形状或尺寸有助于提高打叶质量；闫铁军[3]等人采用混合正交试验和二次规划求解的方法，对不同形状、尺寸的框栏和不同打辊转速下的打叶效果进行研究，初步得出了满足新版卷烟工艺规范的打叶机参数范围。以上学者都是从实验的角度去探究打叶参数对打叶质量的影响，只能看到打叶后的结果，而无法进一步研究烟叶在打叶机内部的运动状态和断裂情况。EDEM 软件通过柔性化的物理模型可以对农作物进行仿真模拟。赵吉坤[4]等人通过EDEM 建立了水稻秸秆的离散元模型并分析了其力学性能，标定了颗粒模型参数，验证了模型的有效性；陈晓光[5]等人在EDEM 中完成了甘蔗收割机的切割土壤仿真，并通过改变收割机的种类、结构和工艺参数进行了多次仿真，得出了土壤颗粒在被收割机切割作用下的运动行为；向靖锋[6]等人利用离散元方法对打叶工艺过程进行数值模拟，发现打叶破碎效果与实际打叶破碎效果相似。

本文在上述数值模拟方法基础上，以单辊打叶机为对象，对打辊参数进行调整，在EDEM 中制作烟叶颗粒黏结模型，采用多组打辊参数进行仿真，以打后的烟叶颗粒与烟梗颗粒之间bond 键断裂数量，即去梗率为指标，分析其对打后片型结构的影响，得出最优方案，优化打辊参数，为打叶机打辊工艺参数和结构优化提供参考。

1 模型介绍与试验方案

1.1 打叶机介绍

本文以小型单辊打叶机为研究对象，其三维模型如图1 所示。打叶机主要由箱体、打辊和框栏组成。工作原理：在进料口投入初烤后的烟叶，通过打辊的高速旋转，使打辊上的动刀与箱体上的定刀部分对烟叶进行打碎和撕碎，打碎后片型结构较小烟叶从框栏开口掉落至箱体下方的收集装置中。

图1 打叶机三维模型Fig.1 Three-dimensional model of threshing machine

1.2 试验方案

本试验中，试验指标为仿真打叶后烟叶中烟梗颗粒和烟叶颗粒之间bond 键断裂的个数与生成键个数的比值，即去梗率，试验采取典型的4 种打辊转速，3 种辊刀螺旋角。参数见表1，螺旋角的3 种变化如图2 所示。

表1 试验参数Tab.1 Test parameters

图2 不同辊刀螺旋角Fig.2 Different roller knife helix angle

打叶机框栏采取统一的8.89 cm（3.5 英寸）正六边形框栏开口。由于因素和水平数较少，故本试验采用全因子试验设计方法。

1.3 仿真计算假设

使用EDEM 颗粒离散元软件进行仿真计算，考虑到烟叶模型结构过于复杂，为了简化模型，在仿真前对其做出如下假设：（1）假设材料相同的烟叶密度均匀一致；（2）假设同片烟叶的厚度相同。通过合理假设，简化了仿真试验模型的构造过程和模型制作步骤。

2 烟叶离散元颗粒模型建立及打叶仿真分析

2.1 烟叶的三维建模

通过拍摄的烟叶图片，用A4 纸作为比例尺设置好图片大小，在SolidWorks 中建立简化的烟叶三维模型，如图3 所示。

图3 简化烟叶三维模型Fig.3 Simplified three-dimensional model of tobacco leaves

首先将烟叶的三维模型导入EDEM，在其上表面生成一个平面作为颗粒工厂的生成面，然后设置生成颗粒位置信息，采用fcc（面心立方堆积）的方式，生成方式采用铺满平面。将颗粒间隔在x和y方向的间隔设置为3～4 mm，使得颗粒均匀排列在颗粒工厂平面上进行仿真，颗粒工厂平面会生成均匀间隔的颗粒。由于重力的作用，颗粒模型边缘以外的颗粒会掉落，剩下的颗粒会形成具有烟叶形状的颗粒，在后处理界面将最后1 s 数据的颗粒坐标提取出来，即可得到正片烟叶的颗粒坐标信息。

为了得到烟梗颗粒的坐标信息，在EDEM 后处理中选用Setup Selection 功能创建一个Manual Selection，然后通过手动选择颗粒方式选出烟梗颗粒，将单独导出的烟梗颗粒坐标和完整的烟片颗粒坐标在MATLAB 中做一个重复坐标替换得到剩下的不带烟梗的烟叶颗粒坐标，最后将烟叶与烟梗坐标分别命名为Particle1 和Particle2 输入到颗粒工厂API 文件中，结合Hertz-Mindlin with bonding 模型，设置好黏结参数和颗粒工厂生成时间，导入EDEM得到的烟叶离散元颗粒黏结模型结果如图4 所示，中间线条较粗部分为烟梗颗粒，其余的为烟叶颗粒。

图4 烟叶离散元颗粒黏结模型Fig.4 Discrete element particle bonding model of tobacco leaves

2.2 仿真模型物理参数设置

查阅相关文献得到烟叶和烟梗颗粒的物理参数，并设置仿真模型的初始条件，如表2 所示。

表2 仿真模型物理特性参数Tab.2 Physical characteristic parameters of simulation model

2.3 仿真结果分析

在EDEM 中可以观察烟叶被辊刀造碎的过程。烟叶在掉落到与辊刀接触时会被打碎，打碎后的烟叶沿着打辊转速的方向运动到定刀位置，通过打辊上的刀辊和箱体上的定刀部位对烟叶进行剪切即二次撕碎，烟叶造碎的过程如图5 所示。经过这2 次造碎的过程，较小的烟片会从框栏开口处落入收集装置中，较大的烟叶片会落在框栏上，随着烟叶的堆积，辊刀的旋转会将烟叶带起再次进行造碎。

图5 烟叶造碎过程Fig.5 Tobacco crushing process

2.4 试验结果分析

使用EDEM 软件进行仿真分析，设置好打辊参数，通过改变打辊的转速和螺旋角度得到12 组仿真结果，如表3 所示。进料量都相同，烟叶和烟梗颗粒之间bond 键生成数量都为4 002，不同参数下烟叶和烟梗颗粒之间断裂键的个数与生成个数的比值为烟叶烟梗分离效率，即打叶去梗率。

表3 数值仿真结果Tab.3 Numerical simulation results

通过仿真结果可知，在以上方案中，方案2去梗率最高，即当打辊螺旋角为3°，打辊转速为531 r/min 时，烟叶的打叶去梗率最高为79.36%，打叶效果最好，打叶质量最高。可以看出，在3 组方案中，当打辊转速在531 r/min 时，打叶去梗率是最高的。螺旋角为3°时，去梗率为79.36%；螺旋角为5°时，去梗率为78.26%；螺旋角为7°时，去梗率为77.86%，都为同组内最高。3 组结果中，保持打辊螺旋角不变的情况下，去梗率都会随着转速的增加而成一个规律性变化，即随着转速增加，去梗率呈现先增大后减小的趋势。此规律可为打叶机的结构和工艺参数设计提供参考。

3 结论

通过离散元仿真软件EDEM 模拟仿真了烟叶在打叶机中的破碎行为，建立打辊参数的全因素试验，对打辊的工艺参数和结构参数进行了优化，得到如下结论：

（1）建立了单辊打叶机三维模型和烟叶颗粒黏结模型，设计了以打辊螺旋角、转速为主要因素的全因素试验；

（2）制作了烟叶颗粒黏结模型，并模拟了烟叶破碎行为；

（3）仿真试验结果表明，当打辊螺旋角为3°、转速为531 r/min 时，烟叶颗粒和烟梗颗粒之间bond 键断裂的数量最多，即烟叶的去梗率最高为79.36%，打叶效果最好，打叶质量最高；

（4）在打辊螺旋角不变的情况下，去梗率会随打辊转速的增加呈现先增加后减小的趋势。

以上结论可对打叶机打辊的工艺参数和结构参数的改进提供一些参考。