基于離散元法的BS-1200型寶塔菜收獲機錐形滾筒分離效果研究

敬志臣,王建吉,寇元哲,連瀟，胡天林

(隴東學院機械工程學院，甘肅 慶陽 745000)

寶塔菜又稱甘露子(StachyssieboldiiMiquel)為雙子葉植物綱唇形科水蘇屬多年生草本植物，原名草石蠶，別名地環(huán)、地蠶、土人參，原產(chǎn)于中國大陸.寶塔菜肉質(zhì)脆嫩、風味獨特、營養(yǎng)豐富，含有豐富的碳水化合物、蛋白質(zhì)、B族維生素、膽堿等營養(yǎng)物質(zhì)，有降低血液濃度，改善血液循環(huán)的獨特作用.寶塔菜根莖深100～150 mm，周莖250～300 mm，果實最長可達60 mm,最大圓周直徑約20 mm,成熟期地上莖桿高300～600 mm[1-3].

離散元素法(discrete element method，DEM)由英國皇家工程院院士、美國工程院院士Peter Cundall于1971年首次提出，離散元素法通過建立固體顆粒系統(tǒng)的參數(shù)化模型，進行顆粒行為模擬和分析，為解決眾多涉及顆粒、結(jié)構(gòu)、流體、電磁及其耦合等綜合復雜問題提供了一個平臺，已成為過程分析、設(shè)計優(yōu)化和產(chǎn)品研發(fā)的一種強有力的工具.離散元分析方法[9-10]充分考慮離散的研究對象的力學特性，能更準確地模擬顆粒物料的運動行為，離散元法及其仿真軟件EDEM在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域得到了廣泛研究與應(yīng)用，主要在大田耕作、谷物排種、農(nóng)業(yè)物料參數(shù)標定、作物收獲等方面取得了一系列重要研究進展[11-13].

近年來，吳俊等[4-5]使用運動仿真軟件Adams對寶塔菜聯(lián)合收獲機關(guān)鍵部件進行了建模與仿真，并使用離散元法建立土壤的運動模型,比較了果實與土壤在輸送器上的輸送情況,優(yōu)化了收獲機的設(shè)計參數(shù)；李金川等[6]設(shè)計了基于TRIZ的旋轉(zhuǎn)分離式寶塔菜聯(lián)合收獲機并進行了試驗.

本課題組在前期研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了BS-1200型寶塔菜收獲機[7].BS-1200型寶塔菜收獲機針對慶陽地區(qū)土壤氣候條件和寶塔菜種植收獲農(nóng)藝要求，可以實現(xiàn)集翻挖、輸送、分離清選、收集等工序一體化作業(yè)，完成寶塔菜機械化收獲，減輕勞動強度，提高種植效率，提高農(nóng)民種植積極性和經(jīng)濟效益[8].本研究針對BS-1200型寶塔菜收獲機的錐形滾筒分離清選能力，運用離散元法，對錐形滾筒進行分離清選數(shù)值模擬，以期為寶塔菜收獲機的后續(xù)設(shè)計與試驗提供參考.

1 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及技術(shù)參數(shù)

BS-1200型寶塔菜收獲機由三點懸掛裝置、撥土輪、起土鏟、土壤升運器、地輪、物料倉、錐形滾筒、風機、機架、減速器等組成(圖1).工作時該機以拖拉機為動力源，拖拉機后輸出軸將動力輸入減速器，其動力經(jīng)減速器后分為左右兩路，左路帶動鏈板輸送分離裝置、風機撥土輪工作；右路帶動錐形滾筒工作.

1.三點懸掛；2.撥土輪；3.起土鏟；4.土壤升運器；5.地輪；6.物料倉；7.錐形滾筒；8.風機；9.機架；10.減速器.

1.2 工作原理

工作時BS-1200型寶塔菜收獲機由拖拉機牽引并提供動力，整機在拖拉機的帶動下開始工作，同時挖掘鏟開始挖掘土壤，并將寶塔菜全部從土里挖出來，挖掘過程中使土壤松散，再將挖掘的果實和土塊混合物送到后面的鏈板輸送裝置，輸送鏈裝置將土塊和寶塔菜的混合物輸送至錐形分離滾筒，該混合物進入錐形分離滾筒時會受到來自風機的氣流，在氣流的作用下重量較小的雜質(zhì)將會被吹出，而后錐形分離滾筒通過自身的旋轉(zhuǎn)使得土塊由柵格落下，寶塔菜果實由錐形分離滾筒后端落入收集裝置，最終實現(xiàn)寶塔菜的挖掘、分離和收集.

表1 BS-1200型寶塔菜收獲機技術(shù)參數(shù)

2 錐形滾筒分離效果仿真試驗

2.1 模型建立

錐形分離滾筒長1 200 mm，進料端內(nèi)徑850 mm，出料端內(nèi)徑950 mm，內(nèi)部鋪設(shè)矩形篩網(wǎng)形成錐行導流面，促使物料有效分選的同時再提供一個軸向推進力.滾筒前端800 mm范圍內(nèi)鋪設(shè)12 mm×12 mm的矩形篩網(wǎng)，為了實現(xiàn)果和土壤分離，后端400 mm滾筒內(nèi)壁鋪設(shè)25 mm×25 mm矩形篩網(wǎng)，以便于寶塔菜順利落入集料斗收集，還可起到隔離雜草和大土塊的作用.錐形滾筒三維模型見圖2.

圖2 錐形滾筒三維模型

2.2 Hertz-Mindlin無滑動接觸模型

Hertz-Mindlin無滑動接觸模型對力具有精確、高效計算能力，該模型中引入彈簧、阻尼器、摩擦器來描述顆粒碰撞接觸時的形變，可以處理靜態(tài)及多顆粒的相互作用，該模型也被稱為“彈性-阻尼-摩擦”接觸力模型(圖3).計算時忽略物料-物料和物料-壁面間碰撞而產(chǎn)生的塑性變形，同時忽略其接觸滯留時間，接觸碰撞屬于無粘性接觸[14-15].在離散元理論中，固相被看作是離散的單元，其直線運動和旋轉(zhuǎn)運動遵守牛頓第二定律.

Fn為法向力，N；Ft為切向力，N；Kn為法向彈簧剛度，N/m；Kt為切向彈簧剛度，N/m；Cn為法向阻尼系數(shù)；Ct為切向阻尼系數(shù)；μ為摩擦因數(shù).

2.3 寶塔菜離散元模型

改進寶塔菜實物尺寸，建立寶塔菜離散元顆粒模型，如圖4所示.模型建立時參考寶塔菜外形結(jié)構(gòu)，為提高仿真計算效率和減少計算量，盡可能減少顆粒數(shù)量，設(shè)置寶塔菜圓周直徑為20 mm，長為55 mm，整體外形為左右對稱結(jié)構(gòu).

圖4 寶塔菜離散元模型

2.4 仿真參數(shù)設(shè)置

在離散元軟件EDEM中設(shè)置顆粒接觸模型為Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，重力加速度為9.81 m/s2，新建2種顆粒材料，在此基礎(chǔ)上分別建立2種顆粒，其中一種為土壤顆粒，另一種為寶塔菜顆粒.EDEM軟件中與顆粒接觸的幾何體模型可在該軟件中直接定義，也可從外界三維建模軟件中導入[16].本研究在三維建模軟件SolidWorks中建立錐形分離滾筒的三維模型，另存為.x_t格式后導入EDEM，為分離滾筒新建一種金屬材料，并為其添加材料屬性，最后確定各顆粒與顆粒、顆粒與幾何體間的接觸參數(shù)[11].在錐形滾筒入口處設(shè)置一個面作為顆粒工廠，該面為虛擬面，用來生成土壤和寶塔菜顆粒，仿真時土壤和寶塔菜顆粒同時生成，同時在X軸負方向添加顆粒初始速度為1 m/s，寶塔菜生成速率為200個/s，土壤顆粒生成速率為30 000個/s[17].在整個錐形滾筒幾何體的下部設(shè)置一個實體的面，用來盛接分離后的土壤顆粒，便于結(jié)果統(tǒng)計.計算時采用瑞麗時間的20%，共計算2 s，數(shù)據(jù)保存間隔為0.01 s，所有參數(shù)設(shè)置完成后開始仿真計算.各物料屬性及接觸參數(shù)見表2.

表2 EDEM中物料屬性及接觸參數(shù)

2.5 仿真結(jié)果

仿真結(jié)束后在EDEM軟件后處理中查看仿真結(jié)果，結(jié)果表明土壤和寶塔菜分離效果較好，整個過程如圖5所示.土壤和寶塔菜的混合物料進入錐形滾筒后在下落階段由各自物理特性先進行分層，待混合物料接觸錐形滾筒時隨錐形滾筒的運動而運動，由于各自的物理參數(shù)差異，從而在錐形滾筒內(nèi)產(chǎn)生不同的運動參數(shù).

在后處理面板中隨機選擇5個寶塔菜顆粒作為標記點，可得到寶塔菜顆粒的三維運動軌跡，通過觀察標記點的運動軌跡可以發(fā)現(xiàn)其運動規(guī)律，也可以觀察寶塔菜在錐形滾筒內(nèi)的運動方式，為后續(xù)的研究提供參考.將標記的寶塔菜顆粒坐標信息導出后整理調(diào)整，再導入專業(yè)繪圖軟件Origin中，進行三維軌跡圖繪制，繪制后的5個標記點三維軌跡圖如圖5所示[18].由寶塔菜在錐形滾筒中的運動軌跡可以發(fā)現(xiàn)寶塔菜先是隨錐形滾筒運動一段時間，此時寶塔菜既有水平方向的運動趨勢，又有豎直方向的運動趨勢，在錐形滾筒運動到某個時刻時寶塔菜達到豎直方向的最大高度，此后寶塔菜開始在錐形滾筒內(nèi)自由下落，下落后再次接觸錐形滾筒，再次隨錐形滾筒運動，如此往復運動后直至排出錐形滾筒.

圖5 離散元仿真過程

圖6 寶塔菜顆粒運動軌跡

同樣可以在后處理中導出土壤顆粒和寶塔菜顆粒的角速度、線速度和顆粒數(shù)量等參數(shù)(圖7)，通過對比土壤與寶塔菜的運動參數(shù)可直觀的判別二者在錐形滾筒內(nèi)的分離程度.土壤顆粒在接觸錐形滾筒時經(jīng)過短時間的能量傳遞即可獲得較大的角速度，而寶塔菜顆粒由于自身的物理特性影響，難以在短時間內(nèi)獲得較大的角速度，此時土壤和寶塔菜在錐形滾筒內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生不同的運動參數(shù)，在分離初期已經(jīng)開始出現(xiàn)初次分離過程(圖7-A)).同樣在土壤和寶塔菜進入錐形滾筒初期土壤顆粒的線速度遠大于寶塔菜顆粒的線速度，二者的差異非常明顯，不同于角速度的是土壤顆粒的線速度開始處于增加階段，后期處于減小階段，是因為土壤顆粒已經(jīng)分離出錐形滾筒，不再參與分離過程，而寶塔菜顆粒需要全程參與錐形滾筒的分離過程，所以寶塔菜顆粒的線速度在穩(wěn)步持續(xù)增加(圖7-B).

圖7 土壤與寶塔菜顆粒運動參數(shù)對比

3 錐形滾筒分離清選試驗

3.1 試驗材料

BS-1200型寶塔菜收獲機錐形滾筒驗證試驗在甘肅慶陽鎮(zhèn)原縣太平鎮(zhèn)進行，試驗場地面積為0.6 hm2，該試驗場地地勢平坦，面積較大，土壤為黃綿土，土壤呈小團狀，肥力充足，寶塔菜長勢良好.試驗地依照寶塔菜種植農(nóng)藝要求采用撒播的方式進行播種，寶塔菜符合收獲農(nóng)藝要求.土壤含水率滿足寶塔菜機械化收獲標準要求，可以進行寶塔菜機械化收獲試驗.

3.2 試驗方法

按照GB/T 6562-2008《農(nóng)業(yè)機械試驗條件》標準要求，結(jié)合寶塔菜種植農(nóng)藝要求和農(nóng)戶生產(chǎn)實際情況，需測定BS-1200型寶塔菜收獲機的含雜率、總損失率、損傷率、挖掘深度、生產(chǎn)率等作業(yè)參數(shù).在試驗田間劃分出不同的3個區(qū)域，分別為5 m×1.2 m、10 m×1.2 m、15 m×1.2 m，通過3次不同區(qū)域的寶塔菜挖掘試驗來測定錐形滾筒的分離效果，試驗過程需觀察整機運行及田間作業(yè)情況，是否出現(xiàn)堵塞、遺漏、動力不足、滾筒轉(zhuǎn)速不匹配等現(xiàn)象，試驗完成后依次統(tǒng)計不同試驗區(qū)域的寶塔菜收獲、分離、損失等情況，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析計算，所有計算結(jié)果均取平均值.田間試驗如圖8所示.

圖8 田間試驗

3.3 試驗結(jié)果

在整個BS-1200型寶塔菜收獲機錐形滾筒分離效果試驗過程中，整機運行平穩(wěn)，未出現(xiàn)堵塞、遺漏、動力不足、滾筒轉(zhuǎn)速不匹配等現(xiàn)象，試驗結(jié)果見表3.試驗結(jié)果顯示，錐形滾筒在滿負荷工作的情況下分離出的寶塔菜含雜率為2.9%，整個過程總損失率4.6%，損傷率8.4%，挖掘深度160 mm，生產(chǎn)率為0.08 hm2/h.各項試驗指標均滿足寶塔菜的收獲、分離要求，BS-1200型寶塔菜收獲機錐形滾筒分離效果滿足寶塔菜收獲、分離要求，可以作為寶塔菜收獲機分離裝置使用.

表3 試驗結(jié)果

4 結(jié)論

為提高BS-1200型寶塔菜收獲機錐形滾筒分離清選能力，采用離散元法對錐形滾筒進行土壤-寶塔菜分離清選仿真模擬，通過對比分析土壤顆粒與寶塔菜顆粒的不同運動參數(shù)，以及寶塔菜顆粒的運動軌跡，得出錐形滾筒分離過程的理論依據(jù)，最后進行田間驗證試驗.

仿真結(jié)果表明：該錐形滾筒分離效果良好，土壤顆粒與寶塔菜在整個分離過程中各項運動參數(shù)差異較大，保證了分離效果；田間驗證試驗結(jié)果表明：錐形滾筒在滿負荷工作的情況下，分離后含雜率為2.9%，總損失率4.6%，損傷率8.4%，挖掘深度160 mm，生產(chǎn)率為0.08 hm2/h.

BS-1200型寶塔菜收獲機錐形滾筒分離清選效果好，可以滿足寶塔菜的機械化收獲與分離，本研究為寶塔菜收獲機的設(shè)計與試驗提供一定的參考.