基于離散元法的平倉機驅(qū)動輪與玉米顆粒的相互作用研究

田立勇， 李志垚， 于寧

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000)

中國是糧食生產(chǎn)大國，也是糧食進出口大國，糧食儲備關(guān)系到國民安全和社會穩(wěn)定。目前，中國在糧食儲存和運輸過程中存在安全隱患[1]，其中糧食生產(chǎn)后不能夠及時入庫導(dǎo)致的浪費是主要原因，因此，提升糧食倉儲工作效率很有必要。平倉工作是將入倉后起伏較大的糧食表面平整以便于翻倉、投藥等后期管理工作，是糧食倉儲中非常重要的一環(huán)[2]。蔣林等[3]針對中國糧食儲備庫高大平房倉的平倉任務(wù)研究出的可移動式平倉機，在一定程度上能完成糧面平整工作。畢文雅等[4]研發(fā)了針對淺圓倉小型平倉機，比人力平倉費用降低64%。楊耀明[5]研發(fā)的精平機器人，通過兩端行走機構(gòu)帶動可升降式掃平刷將糧倉表面進行細致掃平，效果良好。目前，平倉過程的相關(guān)研究側(cè)重于平整入倉糧面的機構(gòu)，而對于在糧食表面行走機構(gòu)的研究尚不成熟。玉米是中國重要的糧食作物。在實際儲存過程中發(fā)現(xiàn)，大面積玉米糧倉的平倉工作無法僅由人工完成，必須同時使用平倉機，但是玉米表面松散的狀況卻使得普通行走輪難以正常工作。蔣林等[3]研究的平倉機采用履帶式行走機構(gòu)，雖然可以應(yīng)用于在此類松散介質(zhì)表面上，但是仍存在著很多弊端。履帶式行走機構(gòu)總質(zhì)量比較大，不僅增加整機的功耗，還導(dǎo)致機構(gòu)笨重難以操作。此外，履帶式行走機構(gòu)需要較好的密封，否則會對糧食造成污染，且復(fù)雜的嚙合機構(gòu)也會破碎玉米顆粒。楊耀明[5]研究的精平機構(gòu)經(jīng)過試驗效果較好，但是其行走需要預(yù)先在糧面鋪設(shè)木板，增加了工人工作量。針對現(xiàn)有機構(gòu)的問題，本課題組已研究出新型平倉機器，其本體結(jié)構(gòu)主要包括驅(qū)動系統(tǒng)、拋糧機構(gòu)和平糧機構(gòu)，其中驅(qū)動系統(tǒng)采用大輪齒結(jié)構(gòu)的驅(qū)動輪，不僅滿足在糧面行走不受限制的需求，同時結(jié)構(gòu)簡單易于操作。

離散元法是處理非連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法，目前該方法也被廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)工程方面[6]，多用于分析筒倉卸料、顆粒與粉體加工等方面。本研究將應(yīng)用離散元進行數(shù)值模擬驅(qū)動輪在糧面行走的過程。PFC3D是基于離散元法的軟件，可用于模擬復(fù)雜的固體力學(xué)問題和顆粒問題。PFC3D中建立的玉米顆粒與真實玉米在外形、質(zhì)量上都有區(qū)別，仿真參數(shù)設(shè)定的正確與否對仿真分析結(jié)果起著決定性的作用，因此在仿真分析之前需要對模型參數(shù)進行標(biāo)定。王萬章等[6]基于EDEM通過模擬小麥?zhǔn)斋@過程完成了小麥桿的參數(shù)標(biāo)定。王云霞等[7]、王美美等[8]都是以自然堆積角作為標(biāo)定依據(jù)進行標(biāo)定。于慶旭等[9]對三七種子進行了參數(shù)標(biāo)定。堆積試驗的靜止角反映的是糧堆內(nèi)摩擦。內(nèi)摩擦可以用內(nèi)摩擦角和靜止角衡量，內(nèi)摩擦角是用以計算倉儲設(shè)備重要力學(xué)參數(shù)[10]，靜止角試驗進行參數(shù)標(biāo)定也是離散元參數(shù)研究的重要方向[11-13]。直剪試驗通常用于測定介質(zhì)的內(nèi)摩擦角，在土工方面應(yīng)用較多，驅(qū)動輪在糧面的驅(qū)動性能與糧堆的抗剪能力和承壓能力相關(guān)。所以，本研究擬通過PFC伺服方法來實現(xiàn)直剪試驗，進而標(biāo)定玉米顆粒參數(shù)。

本研究以在糧庫玉米堆上具有良好驅(qū)動性能的驅(qū)動輪為研究對象，基于PFC3D離散元軟件利用響應(yīng)面法設(shè)計試驗標(biāo)定玉米顆粒在離散元軟件中的接觸模型和彈性模量等相關(guān)參數(shù)，并建立土槽試驗?zāi)Ｐ?，在相?yīng)的條件下分析驅(qū)動輪的掛鉤牽引力等重要性能指標(biāo)，為設(shè)計在糧食表面行走的機構(gòu)提供理論基礎(chǔ)。

1 驅(qū)動輪與玉米相互作用模型

驅(qū)動輪在糧食表面行走本質(zhì)上是驅(qū)動輪與玉米顆粒之間的相互作用，類似車輛在地面行走時車胎與土壤顆粒之間的相互作用，上述過程主要存在接觸顆粒之間結(jié)構(gòu)尺寸和孔隙率的差別，所以采用驅(qū)動輪與地面相互作用普適力學(xué)模型以及相關(guān)參數(shù)來分析其驅(qū)動性能，該模型如圖1所示[14]。

圖1 驅(qū)動輪與土壤相互作用模型Fig.1 Interaction model between driving wheel and soil

由垂直方向的受力平衡可得：

(1)

由水平方向受力平衡可得：

(2)

驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩：

(3)

(4)

式中：θ為接觸面與垂直面的夾角；σ(θ)為驅(qū)動輪與接觸面相互作用的正應(yīng)力；τ(θ)為車輪在該點相互作用下的切應(yīng)力；W為輪上的載荷；θ1為入土角度；θ2為出土角度；M為驅(qū)動扭矩；ω為轉(zhuǎn)速；v為前進線速度；λ為滑轉(zhuǎn)率；r為驅(qū)動輪半徑；z為沉陷量；DP為掛鉤牽引力，即驅(qū)動力與滾動阻力之差，當(dāng)DP為正值且足夠大，驅(qū)動輪即可利用與DP成比例的儲備功率順利運動。

2 玉米顆粒離散元參數(shù)標(biāo)定方法

2.1 線性接觸模型機理

線性接觸模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示，接觸力可分為線性部分F1和阻尼部分Fd。線性部分提供線彈性、摩擦行為，阻尼部分提供黏性行為。線性力通過具有恒定剛度的線性彈簧產(chǎn)生(ks、kn)。線性彈簧不能滿足張力，通過摩擦系數(shù)μ對剪切力施加庫倫準(zhǔn)則滿足滑移條件，阻尼力由阻尼器產(chǎn)生(βn、βs)，gs表示接觸間隙，不存在拉應(yīng)力Dc。

圖2 線性接觸模型Fig.2 Schematic diagram of linear contact model

2.2 種粒模型建立

常見的玉米顆粒可以分為體積較大的類馬齒形、體積中等的類錐形和類球形3種。隨機在營口中儲糧糧庫中選取試驗所用的玉米顆粒100粒，將玉米顆粒下底大于5 mm視為類馬齒型，小于5 mm視為類錐形，體型較小且類似球體的視為類球型，將玉米顆粒按照上述標(biāo)準(zhǔn)分類并統(tǒng)計尺寸數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。其中，類馬齒形占比57%,類錐形占比34%,類球形占比9%，3種顆粒模型如圖3所示。

表1 玉米顆粒模型參數(shù)Table 1 Statistics of corn kernel model parameters

注：不同顏色表示不同玉米顆粒類型。下同。Note： Different colors indicate different corn kernel types. The same as below.圖3 不同玉米顆粒填充模型Fig.3 Different corn seed filling models

2.3 直剪試驗?zāi)Ｐ?/h3>

參考許啟鏗等[15]直剪試驗研究以及實體剪切盒的尺寸，建立內(nèi)部空間尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的剪切盒，利用PFC3D中內(nèi)嵌的FISH語言生成墻體自動填充上述級配的玉米顆粒，初選線性接觸模型的細觀參數(shù)進行數(shù)值模擬直剪試驗，如圖4所示。

圖4 剪切盒以及玉米顆粒的生成Fig.4 Shear box and the formation of corn granules

2.4 PFC伺服方法

模擬直剪試驗是由6個面共同控制，保證正應(yīng)力恒等于設(shè)定值。上部分墻體通過施加壓應(yīng)力使得剪切過程保持勻速。在剪切過程中保證恒壓必須由PFC3D程序來進行伺服控制，伺服算法如下所示。墻體的法向速度為：

(5)

(6)

(7)

參考唐福元等[16]的方法，用TZY-1型土工合成材料綜合測定儀(南京)測定了不同含水量的玉米顆粒的內(nèi)摩擦角和不同壓力下的剪切應(yīng)力，以直剪試驗正應(yīng)力200 kPa下的內(nèi)摩擦角為目標(biāo)值進行標(biāo)定。試樣在穩(wěn)定壓力下設(shè)定剪切速度為0.06 mm·s-1，剪切位移設(shè)定為20 mm，對整個過程的受力狀態(tài)進行檢測。墻體顆粒要有適當(dāng)?shù)娜哂唷Ｔ谥奔粼囼炛?，墻體還要對玉米顆粒進行施壓，通過FISH語言進行伺服加載，保證試樣圍壓恒定。試驗按照玉米顆粒模型分為3組，分別以不同的顏色標(biāo)識。每組級配采用FISH語言對體積進行調(diào)整，使得該組內(nèi)等效體積在0.9～1.1內(nèi)平均分配。模擬直剪試驗過程如圖5所示。

圖5 數(shù)值直剪試驗過程Fig.5 Process of numerical direct shear experiment

2.5 試驗方案設(shè)計

依據(jù)直剪試驗?zāi)Ｐ瓦M行參數(shù)標(biāo)定。離散元軟件PFC3D內(nèi)置線性接觸模型包含彈性模量等9個待標(biāo)定參數(shù)。由于玉米顆粒復(fù)雜多變，離散元的參數(shù)并不唯一，因此通過查閱文獻設(shè)定仿真參數(shù)[17-19]，如表2所示，初始孔隙率40%。首先通過試驗因子設(shè)計法[8](plackett-burman，PB)篩選線性接觸模型9個參數(shù)中顯著影響因子，以內(nèi)摩擦角為響應(yīng)值，每個參數(shù)設(shè)定高、低2個水平。通過PB試驗可以選取若干個顯著影響因子，同時分析完成的多組試驗結(jié)果，選取內(nèi)摩擦角最接近真實值的參數(shù)作為中心組合設(shè)計試驗的中心點。根據(jù)選取顯著影響因子的中心點進行5水平的中心組合設(shè)計試驗，對試驗結(jié)果進行響應(yīng)面分析，得出模型的多元參數(shù)回歸方程并繪出直觀的三維立體響應(yīng)面圖，根據(jù)所得到的回歸方程預(yù)測出最佳的3個參數(shù)值。采用優(yōu)化后的參數(shù)進行多組模擬直剪試驗并與真實結(jié)果對比，驗證標(biāo)定后的參數(shù)是否有效。

3 參數(shù)標(biāo)定結(jié)果與分析

3.1 PB試驗結(jié)果分析

PB 試驗設(shè)計及結(jié)果如表 3 所示。應(yīng)用Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進行分析如表4所示，依據(jù)t檢驗法(P<0.1)的參數(shù)為顯著影響因子。根據(jù)方差比較得到3個影響效果顯著的因子分別是A彈性模量(P=0.018)、B阻尼系數(shù)(P=0.041)和J玉米顆粒之間摩擦系數(shù)(P=0.089)，其他因子影響并不顯著。

表3 PB試驗設(shè)計及結(jié)果Table 3 PB experiment design and results

表4 PB試驗設(shè)計參數(shù)影響分析Table 4 Influence analysis of PB experimental design parameters

參考相關(guān)資料[16]玉米200 kPa下內(nèi)摩擦角為23.3°。觀察結(jié)果第10組試驗結(jié)果誤差最小，因此取第10組三顯著因子的值作為中心點，取玉米彈性模量為409 MPa、阻尼系數(shù)為0.72、種間摩擦系數(shù)為0.55。后續(xù)試驗中其他非顯著因子也保持第10組PB試驗中的數(shù)據(jù)。

3.2 中心組和設(shè)計試驗結(jié)果及響應(yīng)面分析

依據(jù)PB試驗篩選出的顯著影響因子和第10組的參數(shù)作為中心值設(shè)計一組3因子5水平的中心組和設(shè)計試驗，中心組和試驗參數(shù)設(shè)定安排以及結(jié)果如表5所示。將20組試驗數(shù)據(jù)利用Design-Expert軟件分析該模型的方差，可得到關(guān)鍵參數(shù)來判斷模型擬合的好壞。其中，表6中的F值是用于確定模型中的任何項是否與響應(yīng)(包括區(qū)組和因子項)相關(guān)聯(lián)的檢驗統(tǒng)計量，而失擬檢驗的F值是用于確定模型是否缺少項的檢驗統(tǒng)計量;表6中的P值是用來度量否定原假設(shè)的證據(jù)，如果P值大于顯著性水平，則無法得出模型解釋響應(yīng)中變異的結(jié)論，需要擬合新模型。

表5 中心組合試驗及結(jié)果Table 5 Central combined experiment and results

根據(jù)試驗結(jié)果，進行回歸方程擬合，并手動優(yōu)化[20]，表6為優(yōu)化后的方程分析。在原有二次回歸方程上增加高階項ABC、AB2、A2C之后發(fā)現(xiàn)該模型的P<0.000 1,表示優(yōu)化后模型顯著，方程擬合程度較高，得出關(guān)于內(nèi)摩擦角和3因子之間的回歸方程如下：

φ=23.47+1.27A+0.16B+0.48C-0.28AB-0.22AC-0.36BC-0.86A2-0.20B2-0.49C2+

0.47ABC+0.52A2B+0.62A2C

(8)

表6 優(yōu)化后方差分析Table 6 Analysis of variance after optimization

應(yīng)用Design-Expert軟件繪制響應(yīng)曲面，如圖6所示。結(jié)合方差分析表分析可知，彈性模量與阻尼系數(shù)之間雖然分別對內(nèi)摩擦角由影響作用，但是交互作用不顯著，相對于阻尼系數(shù)，彈性模量的影響更加明顯。阻尼系數(shù)與種間摩擦系數(shù)的效應(yīng)面類似于馬鞍面，表明交互作用顯著，而單一因子影響并不明顯。摩擦系數(shù)和彈性模量效應(yīng)面趨勢表明交互作用并不顯著。

圖6 彈性模量與阻尼系數(shù)、種間摩擦系數(shù)效應(yīng)面圖Fig.6 Elasticity modulus and damping, friction coefficient effect surface

3.3 驗證試驗

參考的內(nèi)摩擦角為23.70°，以參考內(nèi)摩擦角的值為響應(yīng)解通過回歸方程9解出3個顯著影響因子目標(biāo)值：彈性模量為385 MPa、阻尼系數(shù)為0.62、玉米粒間摩擦系數(shù)為0.051。標(biāo)定后仿真值如表7所示。

依據(jù)上述標(biāo)定后的參數(shù)進行梯度正應(yīng)力下的模擬直剪試驗，監(jiān)控剪切過程的切應(yīng)力，驗證參數(shù)標(biāo)定結(jié)果的有效性。根據(jù)表7設(shè)定參數(shù)進行不同法向載荷(50、100、150、200 kPa)的剪切試驗，剪切應(yīng)力位移曲線如圖7所示。隨著正應(yīng)力增加，切應(yīng)力也隨之增加，隨后導(dǎo)出仿真試驗數(shù)據(jù)與真實直剪試驗[16]進行對比。隨著法向載荷的變化，真實直剪試驗和數(shù)值模擬試驗中最大切應(yīng)力結(jié)果誤差不大，均呈現(xiàn)隨著法向載荷增大內(nèi)摩擦角逐漸減小的趨勢，不同正應(yīng)力下的數(shù)值模擬直剪試驗剪切應(yīng)力曲線變化趨勢相似。整體而言，50 kPa法向載荷之下的數(shù)值直剪試驗結(jié)果與真實直剪試驗的內(nèi)摩擦角誤差最大為5.69%，驗證試驗比對結(jié)果充分證明響應(yīng)面法標(biāo)定參數(shù)的可行性，也證明了數(shù)值模擬試驗的正確性。

表7 剪切試驗仿真參數(shù)設(shè)定Table 7 Shear experiment simulation parameter setting

圖7 不同法向載荷下直剪試驗的剪切應(yīng)力Fig.7 Stresses in direct shear experiments under different loads

4 驅(qū)動輪土槽試驗分析

4.1 驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)

根據(jù)張龍[14]和鄒猛[21]的研究結(jié)果，選擇大輪齒驅(qū)動輪作為驅(qū)動輪的結(jié)構(gòu)，如圖8所示。表8是土槽仿真驅(qū)動輪參數(shù)，直徑D、輪齒高H、輪寬E是影響驅(qū)動輪驅(qū)動性能的主要因素。

注：A為大輪齒驅(qū)動輪實物圖；B為大輪齒驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)圖。Note： A is the physical drawing of the big gear driving wheel; B is the structure drawing of driving wheel with large teeth.圖8 車輪結(jié)構(gòu)Fig.8 Wheel model

表8 土槽試驗相關(guān)參數(shù)Table 8 Related parameters of soil tank test

4.2 模擬土槽伺服實現(xiàn)過程

本研究采用Solidworks三維建模導(dǎo)入PFC3D中，土槽尺寸為900 mm×350 mm×300 mm。依照上述標(biāo)定后的玉米顆粒參數(shù)生成玉米顆粒，然后賦予玉米顆粒重力加速度，使其自然下沉至平衡。

模擬試驗分為3步，首先，玉米顆粒生成后自由彈開并在重力下沉降。然后，驅(qū)動輪垂直下降，逐漸與玉米顆粒相互接觸，根據(jù)式(5)—(7)的伺服方式，保證驅(qū)動輪所受的支撐力等于250 N。最后，垂直方向應(yīng)力值達到指定數(shù)值，驅(qū)動輪被賦予指定轉(zhuǎn)速和線速度，模擬試驗正式開始。仿真試驗過程采用人為給定前進速度和轉(zhuǎn)速，前進速度和角速度的關(guān)系如式(4)。模擬土槽試驗的仿真思路是以小車質(zhì)量、前進速度和角速度為條件，監(jiān)控在驅(qū)動輪前進過程中的沉陷量以及掛鉤牽引力。圖9為模擬土槽試驗中某一時刻的接觸圖。

圖9 模擬驅(qū)動系統(tǒng)糧面行走試驗Fig.9 Grain walking test of simulated driving system

4.3 模擬驅(qū)動系統(tǒng)驗結(jié)果分析

參考鄒猛[21]研究結(jié)果，設(shè)定為驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速30 r·min-1，擬定滑轉(zhuǎn)率為40 %，模擬試驗的前進距離為400 mm。試驗過程中通過采集掛鉤牽引力和沉陷量等數(shù)據(jù)。圖10為掛鉤牽引力與前進方向位移曲線，在驅(qū)動輪開始轉(zhuǎn)動后掛鉤牽引力迅速逐漸提高到較高水平，行進大約10 cm后發(fā)生范圍內(nèi)波動。整個過程掛鉤牽引力均值為119.92 N，最大掛鉤牽引力為275.47 N。圖11為沉陷量位移曲線，當(dāng)驅(qū)動輪提升至指定前進速度和角速度之前驅(qū)動輪原地滑轉(zhuǎn)導(dǎo)致沉陷量增加，當(dāng)車輪角速度和前進速度都趨于穩(wěn)定后，此時沉陷量保持在35 mm以上，均值35.91 mm，較為穩(wěn)定。圖12為驅(qū)動輪扭矩位移曲線，整個仿真過程驅(qū)動輪扭矩在10.06～45.81 N·m之間周期波動波動，均值為27.26 N·m。由上可知，驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)具有較好糧面的牽引驅(qū)動性能。

圖10 驅(qū)動系統(tǒng)糧面行走試驗掛鉤牽引力位移曲線Fig.10 Traction displacement curve of the hook in grain walking test of the driving system

圖11 驅(qū)動系統(tǒng)糧面行走試驗沉陷量位移曲線Fig.11 Subsidence displacement curve of grain surface walking test of driving system

圖12 驅(qū)動系統(tǒng)糧面行走試驗驅(qū)動輪扭矩位移曲線Fig.12 Diagram of driving wheel torque and displacement in grain surface walking test of driving system

4.4 模擬土槽試驗與糧庫試驗對比

將平倉機的驅(qū)動系統(tǒng)運輸至糧庫進行現(xiàn)場試驗，如圖13所示。驅(qū)動性能試驗過程設(shè)定驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速30 r·min-1，現(xiàn)場試驗測得平倉機前進速度為0.19 m·s-1，驅(qū)動輪平均沉降量為28.6 mm，通過公式(4)計算可知滑轉(zhuǎn)率約為33.6 %。對比離散元法模擬土槽試驗和糧庫現(xiàn)場試驗的結(jié)果可知，模擬試驗與現(xiàn)場試驗的滑轉(zhuǎn)率誤差16 %，平均沉降量誤差0.20 mm。

圖13 驅(qū)動系統(tǒng)糧面行走試驗Fig.13 Grain walking experiment of driving system

4.5 驅(qū)動輪驅(qū)動性能影響分析

依照現(xiàn)場試驗結(jié)果，在單個驅(qū)動輪負載250 N、滑轉(zhuǎn)率33.6 %的條件下，研究輪直徑、轉(zhuǎn)速、輪齒高度對驅(qū)動輪驅(qū)動性能的影響，按照單一變量試驗原則設(shè)計的試驗結(jié)果如表9所示。驅(qū)動輪的結(jié)構(gòu)對掛鉤牽引力的影響較為明顯，隨著輪齒高度、直徑、轉(zhuǎn)速的增加，掛鉤牽引力也在增加。驅(qū)動輪直徑350 mm的掛鉤牽引力均值比直徑300和250 mm的提高22%和56%，效率提高4%和14%。輪齒高度75 mm的驅(qū)動輪掛鉤牽引力均值比高度65和55 mm的提高23 %和45 %，效率提高10%和13%。對比轉(zhuǎn)速20和25 r·min-1，在轉(zhuǎn)速30 r·min-1的條件下掛鉤牽引力均值提高12%和39%，效率降低了23%和40%。

表9 驅(qū)動性能影響試驗結(jié)果Table 9 Experiment results of effect on driving performance

5 結(jié)論與討論

本研究基于離散元軟件PFC3D對抽樣的玉米顆粒進行了分類建模，相比于王美美等[22]單一顆粒的建模更貼近于實際狀況。在此基礎(chǔ)上，通過PB試驗以及響應(yīng)面法設(shè)計試驗得到以內(nèi)摩擦角為響應(yīng)的回歸方程，并且手動優(yōu)化將模型優(yōu)化至可靠度較高的水平，帶入內(nèi)摩擦角值得到該線性接觸模型下的顯著影響參數(shù)分別是彈性模量為385 MPa、阻尼系數(shù)為0.62、玉米粒間摩擦系數(shù)為0.051；通過驗證試驗證明該模型參數(shù)下的離散元玉米顆粒與真實值參數(shù)相近；同時本課題的標(biāo)定過程是基于玉米顆粒的直剪試驗，剪切過程需要持續(xù)對剪切盒進行伺服施壓，所以玉米顆粒的物理參數(shù)對剪切試驗的影響作用更明顯。

在參數(shù)標(biāo)定的基礎(chǔ)上建立驅(qū)動輪在糧面行走的模型，其中，驅(qū)動輪的建模方式對比張龍[14]采用剛性顆粒簇的生成方式更適用于大輪齒的驅(qū)動輪。利用標(biāo)定后的參數(shù)建立土槽模型，由于1個玉米顆粒簇填充了多個體積不等的球體顆粒，受到平臺計算能力的限制，當(dāng)生成的顆?？倲?shù)超過 100 000，整個仿真的速度會極大降低，所以建立土槽的尺寸不宜過大。當(dāng)土槽尺寸為900 mm×350 mm×300 mm，模擬試驗得到該驅(qū)動輪在玉米堆上具有良好的驅(qū)動性能，其掛鉤牽引力均值119.92 N，沉降量均值35.91 mm，驅(qū)動輪扭矩均值為27.26 N·m，垂直向負載受力平均為248.79 N。由于驅(qū)動輪接觸顆粒較大且形狀不規(guī)則，且驅(qū)動輪齒之間存在間隔，導(dǎo)致應(yīng)力曲線起伏變化較多。糧庫現(xiàn)場試驗驗證與離散元模擬糧面土槽試驗的結(jié)果相近，證明該驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)具有良好驅(qū)動性能，其中模擬試驗和糧庫現(xiàn)場試驗的滑轉(zhuǎn)率誤差16%，推測是由于糧庫內(nèi)糧食堆積時較久孔隙率有所下降導(dǎo)致。模擬試驗的結(jié)果與鄒猛[21]和李健橋等[23]的研究結(jié)果趨勢相近，證明本課題采用的離散元法分析地面力學(xué)方法具有一定的可靠性。影響驅(qū)動性能的因素有很多，包括驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速、驅(qū)動輪寬度等。受糧庫出入口的尺寸等因素的限制，本研究只分析了驅(qū)動輪的直徑、輪齒高度和轉(zhuǎn)速對驅(qū)動性能的影響，根據(jù)試驗結(jié)果可知驅(qū)動輪的結(jié)構(gòu)對掛鉤牽引力的影響較為明顯，輪齒高度、直徑的增加掛鉤牽引力都在增加。從驅(qū)動輪的效率分析，在直徑350 mm、轉(zhuǎn)速30 r·min-1、輪齒高度55 mm時效率最高，隨著驅(qū)動輪直徑、輪齒高度的增大，其效率逐漸降低，為后續(xù)糧面行走機構(gòu)研究提供依據(jù)。