秸稈收集機(jī)撿拾器仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)*

楊杰，張征，古冬冬，王一言，關(guān)陽，仵峰

(1. 華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院,鄭州市,450046;2. 華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院,鄭州市,450046)

0 引言

玉米是我國(guó)主要糧食作物,2022年我國(guó)玉米種植面積為4.02×107hm2,產(chǎn)量達(dá)2.59×108t,玉米收獲后會(huì)產(chǎn)生大量的秸稈剩余,玉米秸稈有多種利用方式,其自身富含營(yíng)養(yǎng),可作為畜牧業(yè)的飼料來源,可以借助致密成型技術(shù)將其壓縮成塊狀作為取暖材料或進(jìn)行生物質(zhì)發(fā)電[1]。但目前玉米秸稈利用率總量≤30%,剩余大量秸稈只能棄之田間地頭被焚燒或自行腐爛,造成資源的巨大浪費(fèi),究其原因是玉米秸稈產(chǎn)量龐大,沒有較好的設(shè)備能夠?qū)⑵湎到y(tǒng)的回收并運(yùn)輸。

秸稈收集機(jī)作為近些年收集回收農(nóng)作物秸稈的重要機(jī)械[2],其關(guān)鍵部件撿拾器的工作性能直接影響著秸稈的利用效率,而撿拾刀具種類選擇和在刀輥上的排布方式對(duì)秸稈收集效率有重要影響,祝英豪等[3]通過土槽試驗(yàn)對(duì)秸稈收集機(jī)刀具外形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,在不降低秸稈埋覆效果的情況下功耗降低10.05%;劉鵬等[4]通過對(duì)比撿拾器不同轉(zhuǎn)速情況下運(yùn)動(dòng)過程和受力變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在碎稈破碎長(zhǎng)度合格時(shí),增大粉碎刀軸轉(zhuǎn)速不利于拋撒均勻度提升,且作業(yè)功耗上升較大。因此研究?jī)?yōu)化秸稈收集機(jī)撿拾器的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)非常關(guān)鍵。

本研究在4JQH-120秸稈收集機(jī)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了3種適用于該機(jī)型的撿拾器,分別對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析、離散元-多體動(dòng)力學(xué)仿真,對(duì)比分析得到收集質(zhì)量更優(yōu)的撿拾器刀具類型及排布方式。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1所示,秸稈收集機(jī)主要由破傳動(dòng)裝置、懸掛裝置、撿拾裝置、輸送裝置和風(fēng)機(jī)收集裝置等組成。

圖1 秸稈收集機(jī)

1.2 工作原理與主要技術(shù)參數(shù)

秸稈收集機(jī)通過三角懸掛掛靠在拖拉機(jī)后方,依靠拖拉機(jī)后輸出軸提供動(dòng)力。作業(yè)時(shí),平鋪在田間的玉米秸稈經(jīng)撿拾器撿拾并破碎拋送至后方輸送攪龍,經(jīng)輸送攪龍旋轉(zhuǎn)橫向運(yùn)輸將秸稈物料輸送至左側(cè)風(fēng)機(jī)處,然后秸稈物料經(jīng)風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)作用對(duì)其進(jìn)行再次破碎并通過導(dǎo)流道將破碎后的秸稈輸出。一般在出料口有農(nóng)用三輪車或其他裝貨車輛收集破碎后的玉米秸稈。該秸稈收集機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 玉米秸稈收集機(jī)的主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of corn stover collector

2 撿拾器設(shè)計(jì)

2.1 撿拾刀具選擇

目前,市面上常見玉米秸稈撿拾刀主要有錘爪式、“Y”型刀和直型刀三種[5],如圖2所示。其中錘爪式撿拾刀,處于高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的錘爪掃過的橫截面積大,撿拾效果良好,但占用刀輥表面積大,動(dòng)力消耗大,且對(duì)秸稈破碎效果較差;直型撿拾刀,高速旋轉(zhuǎn)時(shí)受風(fēng)阻橫截面積較錘爪大大縮小,動(dòng)力消耗小,秸稈粉碎效果好,但容易損壞;“Y”型撿拾刀,是在直型刀基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),在直型刀原有優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上,撿拾效果方面也有所提升。

(a) 錘爪

(b) 直型刀

(c) “Y”型刀

s

2.2 撿拾刀具布置

本文在前人多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,綜合考慮決定采用以下排布方式進(jìn)行試驗(yàn)分析。全為“Y”型刀的雙螺旋排布,以下簡(jiǎn)稱Y撿拾器;刀具為錘爪和“Y”形刀混裝的雙螺旋排布,以下簡(jiǎn)稱YC撿拾器;刀具為錘爪和“Y”形刀對(duì)稱混裝的螺旋排布,以下簡(jiǎn)稱DC撿拾器。各撿拾器的刀具排布展開圖如圖3所示。

(a) Y撿拾器

(b) YC撿拾器

(c) DC撿拾器

2.3 撿拾器模態(tài)分析

秸稈收集機(jī)在工作過程中,撿拾器高速轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)具發(fā)生震動(dòng)[6],為保證機(jī)具的穩(wěn)定運(yùn)行,基于ANSYS對(duì)各撿拾器進(jìn)行模態(tài)分析,分析刀輥的模態(tài)屬性與震動(dòng)頻率的關(guān)系。

模態(tài)分析設(shè)置取1～10階,提取前6階固有頻率和振型進(jìn)行分析[7],固有頻率結(jié)果如表2所示,振型結(jié)果如圖4～圖6所示。3種撿拾器均在前2階模態(tài)振型中,撿拾器彎曲變形較大,該型號(hào)還田機(jī)撿拾器的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 900～2 300 r/min,得到其對(duì)應(yīng)頻率為31.67～38.33 Hz,與最低階數(shù)的固有頻率(186.09 Hz)相比相差甚遠(yuǎn),不會(huì)導(dǎo)致共振的產(chǎn)生。

表2 三種撿拾器前6階模態(tài)的固有頻率Tab. 2 Natural frequencies of the first 6 modes of the three pickers

(a) 1階陣型

(b) 2階陣型

(c) 3階陣型

(d) 4階陣型

(e) 5階陣型

(f) 6階陣型

(a) 1階陣型

(b) 2階陣型

(c) 3階陣型

(d) 4階陣型

(e) 5階陣型

(f) 6階陣型

(a) 1階陣型

(b) 2階陣型

(c) 3階陣型

(d) 4階陣型

(e) 5階陣型

(f) 6階陣型

3 撿拾器刀具EDEM-RecurDyn耦合仿真分析

RecurDyn具有豐富的約束類型和力的施加形式,非常適合于求解大規(guī)模的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題[8]。EDEM可用于工業(yè)生產(chǎn)中的顆粒處理及其制造設(shè)備的生產(chǎn)過程的仿真和分析,可利用EDEM輕松快速地創(chuàng)建顆粒實(shí)體的參數(shù)化模型,但軟件自身所能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)形式較為簡(jiǎn)單[9]。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜模型仿真時(shí),通常借助Adams、RecurDyn等多體動(dòng)力學(xué)軟件輔助分析[10]。

根據(jù)撿拾器種類、行駛速度和撿拾器轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)正交表如表3所示。

表3 撿拾裝置仿真試驗(yàn)正交設(shè)計(jì)Tab. 3 Orthogonal design of picking device simulation test

3.1 撿拾裝置多體動(dòng)力學(xué)建模

利用SolidWorks分別裝配搭載3種撿拾器的撿拾裝置三維模型,主要包括破碎腔和撿拾器,如圖7所示。將三維模型另存為“.step”格式導(dǎo)入RecurDyn中,對(duì)其添加相關(guān)約束、驅(qū)動(dòng)等如表4所示。

表4 RecurDyn參數(shù)設(shè)置Tab. 4 Parameter setting in RecurDyn

圖7 撿拾裝置三維模型

在添加完所有運(yùn)動(dòng)副之后,對(duì)“破碎腔-大地”移動(dòng)副添加平移驅(qū)動(dòng),對(duì)“刀輥—破碎腔”旋轉(zhuǎn)副添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),然后對(duì)撿拾刀和刀輥之間添加接觸力。最后將所有零部件添加成為wall并導(dǎo)出[11]。

3.2 EDEM參數(shù)設(shè)置

玉米收獲機(jī)切割后的玉米秸稈長(zhǎng)度在0～80 mm之間不等,主要集中在45～60 mm,見表5[12]。

表5 玉米收獲機(jī)切割后的玉米秸稈長(zhǎng)度分布Tab. 5 Corn stover length distribution after cutting by corn harvester

首先設(shè)置秸稈物料和撿拾裝置模型材料屬性,主要包括材料泊松比、密度和彈性模量,如表6所示,各材料間接觸參數(shù)如表7所示[13]。

表6 材料屬性設(shè)置Tab. 6 Material property settings

表7 材料間接觸參數(shù)Tab. 7 Material-to-material contact parameters

采用SolidWorks建立秸稈截面圖形,利用SolidWorks宏命令提取對(duì)應(yīng)坐標(biāo)參數(shù),將坐標(biāo)導(dǎo)入EDEM,采用mate-particle功能將玉米秸稈表皮和髓芯的填充顆粒綁定在一起,為簡(jiǎn)化仿真模型,秸稈長(zhǎng)度設(shè)36 mm、46 mm、56 mm三種長(zhǎng)度段,分別占20%、35%、45%,其中36 mm長(zhǎng)度秸稈由70個(gè)半徑為1 mm 的小球和418個(gè)半徑為2 mm的小球填充而成,46 mm長(zhǎng)度秸稈由91個(gè)半徑為1 mm的小球和528個(gè)半徑為2 mm的小球填充而成,56 mm長(zhǎng)度秸稈由112個(gè)半徑為1 mm 的小球和638個(gè)半徑為2 mm的小球填充而成,生成BPM模型,各小球通過粘結(jié)鍵形成一個(gè)整體,如圖8所示[14]。

(a) 36 mm秸稈

(b) 46 mm秸稈

(c) 56 mm秸稈

在生成各個(gè)長(zhǎng)度段秸稈顆粒模型后,在physics-particle to particle中選擇bonding V2粘結(jié)模型,分別設(shè)置表皮—表皮、表皮—髓芯、髓芯—髓芯之間粘結(jié)參數(shù),各粘結(jié)參數(shù)如表8所示[15]。

表8 顆粒粘結(jié)參數(shù)Tab. 8 Particle bonding parameters

根據(jù)不同行駛速度和撿拾裝置位置分別先建立長(zhǎng)0.6 m、1.2 m和1.8 m的方形幾何體,用來盛放秸稈顆粒模型。顆粒工廠選擇total mass設(shè)置為靜態(tài)生成方式,并分別用上述mate particle秸稈顆粒模型對(duì)其進(jìn)行填充,填充完畢后代表收獲后平鋪在田間地面的秸稈,如圖9所示,在進(jìn)行顆粒靜態(tài)填充結(jié)束后通過EDEM后處理導(dǎo)出顆粒信息。

(a) 顆粒床側(cè)視圖

(b) 顆粒床斜二測(cè)視圖

3.3 EDEM-RecurDyn耦合仿真分析

將靜態(tài)填充導(dǎo)出的顆粒床作為顆粒工廠,同時(shí)將RecurDyn輸出的walls模型導(dǎo)入到EDEM-Geometry,如圖10所示,不需要在EDEM中對(duì)模型添加相關(guān)運(yùn)動(dòng),但要注意的是EDEM模型材料屬性要與RecurDyn中保持一致。根據(jù)三維模型尺寸及運(yùn)動(dòng)情況調(diào)整EDEM求解域?yàn)?x,-2 800 mm,600 mm;y,-350 mm,350 mm;z,-900 mm,750 mm),重力方向?yàn)閅軸負(fù)方向。

(a) 離散元模型側(cè)視圖

(b) 離散元模型俯視圖

求解時(shí)和RecurDyn中對(duì)應(yīng)仿真時(shí)間需一致、步長(zhǎng)應(yīng)為RecurDyn中步長(zhǎng)的整數(shù)倍,將RecurDyn和EDEM的仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為1.5 s,RecurDyn步長(zhǎng)為200,防止仿真過程中發(fā)生顆粒穿透模型,EDEM固定時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1.5×10-6s,為保證更準(zhǔn)確查看各時(shí)刻秸稈被撿拾及破碎狀態(tài),將保存間隔均設(shè)置為0.01 s,單元格大小設(shè)置為5倍半徑,并打開EDEM耦合接口,在RecurDyn中開始計(jì)算。

3.3.1 撿拾器刀輥受力分析

通過EDEM后處理導(dǎo)出各組撿拾過程撿拾器刀輥受力數(shù)據(jù),按照正交試驗(yàn)序號(hào)導(dǎo)入origin進(jìn)行折現(xiàn)繪圖,如圖11所示,攜帶裝有“Y”型刀雙螺旋排布的撿拾器轉(zhuǎn)速為2 300 r/min,行駛速度為0.6 m/s時(shí)受到最大力為2 366.1 N,已知45鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa[16],小于其應(yīng)力極限,故均滿足使用要求。

(a) Y-1 900 r/min-1.8 m/s

(b) Y-2 100 r/min-1.2 m/s

(c) Y-2 300 r/min-0.6 m/s

(d) YC-1 900 r/min-1.8 m/s

(e) YC-2 100 r/min-1.2 m/s

(f) YC-2 300 r/min-0.6 m/s

(g) DC-1 900 r/min-1.8 m/s

(h) DC-2 100 r/min-1.2 m/s

(i) DC-2 300 r/min-0.6 m/s

3.3.2 物料在撿拾破碎腔運(yùn)動(dòng)軌跡

如圖12所示為秸稈撿拾、破碎情況,在EDEM后處理觀察各時(shí)刻秸稈狀態(tài),錘爪對(duì)秸稈撿拾效果較好,“Y”型刀對(duì)秸稈的破碎效果較好,在撿拾器上方腔室內(nèi)壁定刀位置時(shí),撿拾刀與內(nèi)壁定刀將秸稈撕扯并發(fā)生大量破碎。

(a) 秸稈與錘爪接觸時(shí)

(b) 秸稈與Y型刀接觸時(shí)

(c) 在撿拾器上方破碎時(shí)

在EDEM后處理添加manual selections選中兩小段秸稈顆粒監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)軌跡[17],其結(jié)果如圖13所示。

從時(shí)刻1～時(shí)刻8可以看出,該段秸稈破碎不夠徹底且破碎后只有少數(shù)碎屑被拋甩至后方輸送攪龍,大部分被甩至撿拾器與輸送攪龍中間區(qū)域,是因?yàn)樵摱谓斩捲趽焓斑^程中與撿拾刀碰撞次數(shù)過少且沒有經(jīng)過撿拾腔內(nèi)壁定刀部分,沒有發(fā)生大量撕扯,但后續(xù)會(huì)由于撿拾器高速旋轉(zhuǎn)可能會(huì)將其吸入撿拾器工作圓環(huán)區(qū)域重新進(jìn)行撿拾、破碎。

從時(shí)刻9～時(shí)刻16可以看出,該部分秸稈被撿拾后被順利拋甩至后方攪龍且破碎效果非常好,觀察軌跡是因?yàn)樵摱谓斩挶粨焓昂笈c撿拾刀發(fā)生多次接觸且在撿拾腔內(nèi)壁定刀發(fā)生強(qiáng)烈撕扯。

(a) 時(shí)刻1

(b) 時(shí)刻2

(c) 時(shí)刻3

(d) 時(shí)刻4

(f) 時(shí)刻6

(h) 時(shí)刻8

(i) 時(shí)刻9

(j) 時(shí)刻10

(k) 時(shí)刻11

(l) 時(shí)刻12

(m) 時(shí)刻13

(n) 時(shí)刻14

(o) 時(shí)刻15

(p) 時(shí)刻16

3.3.3 撿拾率

在撿拾器與輸送攪龍中間位置建立一個(gè)1×1×1對(duì)應(yīng)方向距離為200 mm×50 mm×150 mm的grid bin group,統(tǒng)計(jì)從撿拾秸稈質(zhì)量[18],與顆?？傎|(zhì)量比值即為撿拾器的撿拾率,如表9所示。

表9 秸稈撿拾率Tab. 9 Straw picking rate

通過仿真數(shù)據(jù)可知,搭載DC撿拾器的秸稈收集機(jī),在行駛速度為1.2 m/s、撿拾器轉(zhuǎn)速為2 100 r/min時(shí)撿拾率最高,達(dá)81.85%。

由撿拾率結(jié)果可以看出,各種工況下秸稈撿拾率均偏低,這是因?yàn)榛贓DEM-RecurDyn聯(lián)合仿真只能模擬分析秸稈物料在撿拾器接觸到時(shí)才能被撿拾,無法模擬破碎腔內(nèi)氣體流場(chǎng)變化,而實(shí)際工作過程中,破碎腔內(nèi)撿拾器高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)在該區(qū)域形成負(fù)壓,即使接觸不到秸稈物料,也會(huì)將附近的秸稈吸入撿拾器并進(jìn)行破碎、拋甩。

4 結(jié)論

1) 本文基于4JQH-120秸稈收集機(jī)設(shè)計(jì)了3種可與之搭配使用的撿拾器,利用ANSYS對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),通過EDEM-RecurDyn進(jìn)行秸稈收集機(jī)撿拾裝置部分的離散元-多體動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真。

2) 通過模態(tài)分析各撿拾器的固有頻率及前6階陣型,確保其都能安全運(yùn)行;通過觀察刀輥受力情況,遠(yuǎn)小于其應(yīng)力極限,表明各撿拾器均能滿足應(yīng)力應(yīng)變要求;通過觀察秸稈物料各時(shí)刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài),可明確秸稈被撿拾、破碎的機(jī)理,為破碎腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù);通過計(jì)算對(duì)比各種撿拾器在不同工況下?lián)焓奥?搭載DC撿拾器,在轉(zhuǎn)速為2 300 r/min、行駛速度為0.6 m/s,秸稈撿拾率最高,達(dá)81.85%。