基于EDEM的小區(qū)育種小麥脫粒裝置作業(yè)參數(shù)仿真研究

李興凱，韓正晟，戴　飛，高愛民，魏麗娟

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

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基于EDEM的小區(qū)育種小麥脫粒裝置作業(yè)參數(shù)仿真研究

李興凱，韓正晟，戴飛，高愛民，魏麗娟

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

為獲得小區(qū)育種小麥脫粒裝置最佳脫輸性能參數(shù)，減少籽粒在裝置內(nèi)的滯留，提高育種試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，在不考慮脫粒破碎的情況下，利用離散元軟件EDEM對脫粒裝置內(nèi)小麥籽粒和短莖稈混合物料的運(yùn)動過程進(jìn)行模擬，為優(yōu)化脫粒裝置工作參數(shù)，進(jìn)一步降低籽粒在脫粒裝置內(nèi)的殘留率，分析研究了脫粒物料中單個(gè)拋出籽粒、拋出莖稈及滯留籽粒的速度、位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，并對脫粒裝置內(nèi)的物料流進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1，喂入量為0.3 kg·s-1，脫粒間隙為8 mm，裝置內(nèi)籽粒殘留率最小，并按照該最優(yōu)組合作業(yè)參數(shù)對脫粒裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，仿真試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。因此，利用EDEM對脫粒裝置的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是可行的，為脫粒裝置的研究和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

小區(qū)育種小麥；脫粒裝置；離散元軟件EDEM；作業(yè)參數(shù)；仿真試驗(yàn)

田間育種是人類糧食安全保障的必要手段，同時(shí)也是一個(gè)耗費(fèi)巨大勞力和財(cái)力的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程，實(shí)現(xiàn)育種機(jī)械化可以成百倍地提高育種工作效率、節(jié)省投資、縮短育種周期[1]。田間小區(qū)收獲是育種試驗(yàn)獲得正確試驗(yàn)結(jié)果的重要環(huán)節(jié)。目前我國小區(qū)育種收獲仍以人工收割、普通脫粒機(jī)脫粒的方式為主，收獲期較長，貽誤農(nóng)時(shí)，間接損失大；育種脫粒機(jī)內(nèi)部清理困難，種子殘留量大，易造成種子混雜，是導(dǎo)致育種試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真的關(guān)鍵問題所在[2-4]。縱軸流錐型滾筒脫粒裝置是4GX-100型小區(qū)育種收獲機(jī)的核心部件，其主要工作參數(shù)直接影響作業(yè)機(jī)田間育種收獲試驗(yàn)結(jié)果。由于小麥脫粒物料在脫粒滾筒內(nèi)運(yùn)動的復(fù)雜性和不規(guī)律性，其運(yùn)動過程很難用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行測定，而模擬農(nóng)業(yè)物料及其內(nèi)部個(gè)體籽粒在脫粒滾筒內(nèi)的運(yùn)動過程，為研究降低小區(qū)育種收獲機(jī)脫粒裝置罩殼內(nèi)脫粒物料滯種率提供參考。

自20世紀(jì)90年代開始，離散單元法的不斷應(yīng)用和EDEM軟件的出現(xiàn)，為模擬研究農(nóng)業(yè)散體物料與農(nóng)機(jī)工作部件的相互作用及散體物料流動問題的研究提供了新的手段[5]。Sakaguchi等建立了糙米和稻谷的離散元模型，采用離散元法對物料的振動分離過程進(jìn)行仿真研究[6]；俞良群等利用離散單元法研究了筒倉裝卸料過程中的力場和速度場，并通過物理實(shí)驗(yàn)測試了卸料過程中倉筒所受的法向力以及物料流動方式，證明了離散單元法用于筒倉物料研究的可行性[7]；于建群等以組合內(nèi)窩孔精密排種器為研究對象，利用離散單元法分析排種器的運(yùn)動過程和清種性能，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，兩者數(shù)值較相近、變化較一致[8]。

本文以小區(qū)育種小麥?zhǔn)斋@機(jī)的脫粒裝置為研究對象，在不考慮破碎的情況下，利用離散單元法對脫粒裝置內(nèi)部的物料流進(jìn)行模擬分析，同時(shí)對影響育種試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性的主要工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對仿真優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以期證明采用離散元法分析該脫粒系統(tǒng)的可行性，為小區(qū)育種小麥縱軸流錐型滾筒脫粒裝置的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新方法。

1　脫粒裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

縱軸流錐型滾筒脫粒裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由錐型脫粒滾筒、短紋桿-板齒脫粒元件、帶有紋桿的上罩殼、光滑下罩殼及揚(yáng)谷器組成[9]。由于該脫粒裝置結(jié)構(gòu)適用于半喂入式4GX-100型小區(qū)育種小麥?zhǔn)斋@機(jī)，因此，該裝置作業(yè)是將成熟、飽滿、易脫粒的小麥穗頭在錐型滾筒喂入導(dǎo)板的作用下快速進(jìn)入脫粒裝置內(nèi)部。在錐型脫粒滾筒外部設(shè)有與其相配合使用的外罩殼，為增強(qiáng)裝置的脫粒能力，上罩殼安裝有數(shù)根螺紋桿；下罩殼內(nèi)部光滑，便于脫粒物料的輸送及裝置內(nèi)部的清機(jī)。錐型滾筒后端部設(shè)有揚(yáng)谷器，利用揚(yáng)谷器高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉片將脫?；旌衔锪蠌膿P(yáng)升管道拋出。

該脫粒裝置整體結(jié)構(gòu)緊湊，脫?；旌衔锪显谘b置內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的同時(shí)又有軸向后輸，脫粒作用柔和、脫粒能力強(qiáng)且罩殼內(nèi)籽粒殘留率小，應(yīng)用顆粒流理論對其內(nèi)部脫粒物料運(yùn)動過程仿真是一個(gè)很好的嘗試。

注： 1.罩殼紋桿； 2.上罩殼； 3.揚(yáng)升管道； 4.短紋桿-板齒； 5.揚(yáng)谷器； 6.錐型脫粒滾筒； 7.下罩殼； 8.喂入導(dǎo)板

Note: 1. Cover rasp bar; 2. Top cover; 3. Lift pipeline; 4. Short rasp bar-tooth; 5. Winnower; 6. Conical threshing cylinder; 7. Under cover; 8. Feeding guide plate

圖1縱軸流錐型滾筒脫粒裝置結(jié)構(gòu)圖

Fig.1Structure of the longitudinal axial conical cylinder of the threshing device

2　脫粒裝置及物料流離散元模型

2.1脫粒裝置模型

利用SolidWorks軟件建立脫粒裝置的三維結(jié)構(gòu)模型，保存為.igs格式導(dǎo)入到EDEM軟件中進(jìn)行仿真設(shè)置。為了便于仿真分析，將散體混合物料運(yùn)動過程中與脫粒裝置接觸無關(guān)的部件進(jìn)行簡化，簡化后脫粒裝置的三維模型如圖2所示。其中錐型滾筒小端面直徑為220 mm、大端面直徑為300 mm、長度為210 mm、滾筒錐角為13°，滾筒圓周面上均布設(shè)有8組短紋桿-板齒，板齒長度為150 mm，揚(yáng)谷器與脫粒滾筒同軸相連，外罩殼大端設(shè)有揚(yáng)升管道，管道口尺寸為160 mm×100 mm。

注：1.脫粒滾筒； 2.下罩殼； 3.上罩殼； 4.揚(yáng)谷器

Note: 1. Threshing cylinder; 2. Under cover; 3. Top cover; 4. Winnower

圖2脫粒裝置三維模型

Fig.23-D model of the threshing device

2.2顆粒模型

在不考慮小麥穗頭破碎過程的情況下，脫粒裝置內(nèi)的農(nóng)業(yè)混合物料主要表現(xiàn)為籽粒、短莖稈和穎殼，而罩殼內(nèi)部的滯留主要以小麥育種籽粒與短莖稈為主，且為便于模擬和提高計(jì)算效率，顆粒模型的建立僅考慮小麥籽粒和短莖稈，而不考慮其它雜余。小麥籽粒模型根據(jù)甘肅省農(nóng)科院提供的隴春23號建立，隨機(jī)選取100顆飽滿、無損傷、無蟲害籽粒，用游標(biāo)卡尺測定三軸徑尺寸，取其平均值。經(jīng)測定，小麥籽粒平均幾何尺寸：長為7.52 mm、寬為3.54 mm、高為3.48 mm。

小麥籽粒表面光滑、流動性好，故可將小麥籽粒簡化為具有同體性質(zhì)的均勻線彈性材料，其形狀簡化為橢球體[10]。同樣選擇100個(gè)短莖稈測量其實(shí)際尺寸，并計(jì)算平均值，小麥短莖稈圓柱體幾何尺寸：長為22 mm，外徑為3 mm，內(nèi)徑為2 mm。由于離散元的顆粒模型只能通過一個(gè)個(gè)球顆粒聚合的方法生成，建立如圖3所示的顆粒離散元模型。根據(jù)物料的機(jī)械特性和實(shí)際情況，籽粒、短莖稈和脫粒裝置(鋼)的物理參數(shù)如表1所示[11]。

圖3顆粒離散元模型

Fig.3Discrete element model of particals

2.3仿真參數(shù)的選擇

接觸模型是離散單元法的重要基礎(chǔ)，其實(shí)質(zhì)就是準(zhǔn)靜態(tài)下顆粒固體的接觸力學(xué)彈塑性分析結(jié)果[12]。對于不同的仿真對象，須選擇不同的接觸模型。由于脫粒混合物料的主要成分小麥籽粒近似橢球形，顆粒表面沒有粘附力，所以選擇Hertz-Mindlin無滑動接觸模型作為物料在脫粒裝置內(nèi)運(yùn)動的接觸模型[13]。根據(jù)接觸方式的不同，在離散元中有硬接觸顆粒和軟接觸顆粒兩種。離散單元法是把離散體看做具有一定形狀和質(zhì)量的離散顆粒單元的集合，為了便于分析，在建立模型時(shí)將顆粒假設(shè)為剛性體，顆粒之間接觸為點(diǎn)接觸，剛性離散顆粒在接觸點(diǎn)處允許發(fā)生一定的重疊量，這種接觸方式所表現(xiàn)出的是軟顆粒接觸模型[14]。各材料之間的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和滾動摩擦系數(shù)設(shè)置如表2所示[15]。

表1　物料及脫粒裝置的力學(xué)特性

表2　相互作用參數(shù)

設(shè)置好幾何體模型、顆粒模型各項(xiàng)參數(shù)后，需定義幾何體的運(yùn)動特性和顆粒工廠。根據(jù)脫粒滾筒的實(shí)際運(yùn)動特征，設(shè)定其在仿真過程中為線性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(滾筒轉(zhuǎn)速為1 500 r·min-1)。依照半喂入式4GX-100型小區(qū)育種小麥?zhǔn)斋@機(jī)田間作業(yè)時(shí)進(jìn)入錐型脫粒裝置中的小麥籽粒與短莖稈質(zhì)量比約為100∶5，結(jié)合育種小麥籽粒千粒質(zhì)量與短莖稈質(zhì)量，設(shè)定喂入量為0.4 kg·s-1(即顆粒工廠產(chǎn)生籽粒的速率為7 281 個(gè)·s-1、短莖稈為388 個(gè)·s-1)[16]，產(chǎn)生顆粒的時(shí)間為2 s，仿真總時(shí)間為5 s。顆粒產(chǎn)生在滾筒喂入口處，相對于滾筒軸線的喂入速度為2.5 m·s-1[17]。在仿真過程中，如果時(shí)間步長選得過大，顆粒有可能穿透幾何模型實(shí)體，導(dǎo)致發(fā)生計(jì)算錯(cuò)誤；如果時(shí)間步長選得過小，又會增加計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，導(dǎo)致模擬時(shí)間過長，因此選取合適的時(shí)間步長很重要[18]。本模型設(shè)定計(jì)算時(shí)間步長為Rayleigh時(shí)間步長的10%，輸出時(shí)間步長為0.01 s。為了提高計(jì)算精度，仿真網(wǎng)格尺寸設(shè)置為最小顆粒尺寸的2倍。

3　仿真過程與分析

3.1混合物料運(yùn)動過程仿真

在仿真計(jì)算過程中，離散元軟件EDEM可以隨時(shí)顯示小麥籽粒和短莖稈在脫粒裝置內(nèi)的運(yùn)動過程和分布情況，仿真效果如圖4所示(其中，橢球形顆粒為小麥籽粒，長圓柱顆粒為小麥短莖稈)。

圖4仿真效果

Fig.4Result of simulation

由圖4結(jié)合仿真效果可以看出，在不考慮破碎的情況下，小麥籽粒和莖稈以一定的初速度進(jìn)入縱軸流錐型滾筒脫粒裝置后，在脫粒滾筒和罩殼的作用下做不規(guī)則的圓周螺旋運(yùn)動，期間不斷與脫粒滾筒、上下罩殼和脫粒板齒等部件發(fā)生碰撞，脫?；旌衔锪襄e(cuò)綜復(fù)雜地交織在一起，并在錐型滾筒的帶動下向后軸向輸送，最終大部分物料在后置揚(yáng)谷器的旋轉(zhuǎn)作用下經(jīng)揚(yáng)升管道拋出，但會有極少部分籽粒與莖稈滯留在脫粒裝置內(nèi)部。在仿真時(shí)觀察物料的運(yùn)動過程，仿真效果與實(shí)際試驗(yàn)效果基本一致。

3.2單個(gè)顆粒運(yùn)動過程分析

EDEM具有強(qiáng)大的后處理能力，可對每個(gè)顆粒的任何步長運(yùn)動以流線型顯示，在仿真動畫中可以清晰地看到每個(gè)顆粒的運(yùn)動軌跡，這無疑對于研究農(nóng)業(yè)物料在錐型脫粒滾筒的運(yùn)移規(guī)律具有重要意義。同時(shí)，可以利用選擇組集捕捉顆粒，得到速度、位移隨時(shí)間的變化圖，對其進(jìn)行定量分析，進(jìn)一步觀察分析脫粒裝置不同作業(yè)參數(shù)選取后莖稈、籽粒的實(shí)際遷移效果，以降低籽粒在脫粒裝置內(nèi)的殘留。為此，在整個(gè)仿真顆粒中，本文選取3個(gè)典型顆粒(其中一顆為拋出籽粒，一顆為拋出莖稈，另外一顆為滯留在罩殼內(nèi)的小麥籽粒)研究其速度、位移隨時(shí)間的變化，動態(tài)跟蹤其運(yùn)動過程，選取的顆粒編號分別為7210、6352、12631。

編號為7210的拋出籽粒速度、位移與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可以看出，編號為7210的小麥籽粒于0.3 s生成并進(jìn)入脫粒裝置內(nèi)，在錐型滾筒高速旋轉(zhuǎn)作用下，籽粒速度迅速增加到12.8 m·s-1，隨后與脫粒裝置下罩殼發(fā)生相對滑動與摩擦，籽粒需要克服重力和罩殼的摩擦力，速度降為5.4 m·s-1，此后的一段時(shí)間，該籽粒速度上下波動，位移變化明顯，在裝置內(nèi)做不規(guī)則運(yùn)動；1.35 s后該籽粒速度趨于穩(wěn)定，位移變化也減緩，說明在該段時(shí)間籽粒運(yùn)動較平穩(wěn)，在裝置內(nèi)做圓周螺旋運(yùn)動并向后軸向輸送；3.3 s籽粒速度又突然劇增為16 m·s-1，達(dá)到最大，此時(shí)籽粒已不受脫粒裝置的束縛，從揚(yáng)升管道排出；3.45 s籽粒離開仿真區(qū)域，速度、位移均變?yōu)榱恪?/p>

圖5拋出籽粒速度、位移與時(shí)間的關(guān)系

Fig.5Relationships between velocity, displacement and time of thrown grain

編號為6352的拋出莖稈速度、位移與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可以看出，編號為6352的拋出莖稈于0.2 s生成進(jìn)入脫粒裝置內(nèi)，剛開始在籽粒及脫粒裝置的碰撞下，速度上下起伏，波動較大，1.1 s后莖稈速度穩(wěn)定，位移變化也開始平緩，說明此時(shí)莖稈做有規(guī)律的運(yùn)動，在離開脫粒裝置之前速度發(fā)生突變，達(dá)到最大，于2.7 s飛出仿真區(qū)域，此后不再能追蹤到顆粒的運(yùn)動。對比拋出籽粒與莖稈的速度、位移隨時(shí)間的關(guān)系變化圖可以看出，兩者變化趨勢基本相似，但在數(shù)值上表現(xiàn)的并不一致。由于小麥莖稈比籽粒輕，莖稈在裝置內(nèi)的整體速度較籽粒大，螺旋軸向輸送較快，容易從脫粒裝置拋出。莖稈在裝置內(nèi)的運(yùn)動時(shí)間只有2.5 s，而籽粒運(yùn)動時(shí)間為3.15 s，便于后續(xù)清選系統(tǒng)對脫粒籽粒、碎莖稈的快速分離。

圖6拋出莖稈速度、位移與時(shí)間的關(guān)系

Fig.6Relationships between velocity, displacement and time of thrown stem

編號為12631的滯留籽粒速度、位移與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可以看出，滯留籽粒于0.6 s生成，隨著錐型脫粒滾筒的轉(zhuǎn)動，籽粒受到脫粒板齒、罩殼的碰撞，在脫粒裝置內(nèi)做不規(guī)則的圓周螺旋運(yùn)動，速度上下波動，并向后軸向輸送；滯留籽粒從滾筒小端運(yùn)動到大端，速度變得越來越大，位移也隨著錐型滾筒直徑的變化而變大。在5 s仿真結(jié)束時(shí)，籽粒的速度、位移并沒有變?yōu)?，說明該籽粒一直在脫粒裝置內(nèi)運(yùn)動，沿著脫粒滾筒來回打轉(zhuǎn)而產(chǎn)生“渦流”現(xiàn)象，最終沒有從揚(yáng)升管道排出，而滯留在脫粒裝置內(nèi)部，這種類型的顆粒會對育種試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，難以保證小麥育種試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

圖7滯留籽粒速度、位移與時(shí)間的關(guān)系

Fig.7Relationships between velocity, displacement and time of stranded grain

4　仿真試驗(yàn)

育種小區(qū)收獲與傳統(tǒng)大田收獲不同，收獲時(shí)除滿足大田小麥?zhǔn)斋@作業(yè)要求外，還必須達(dá)到籽粒在機(jī)器內(nèi)部無滯留、不混種、便清機(jī)的特殊要求，所以對田間育種小區(qū)小麥?zhǔn)斋@提出了更高的要求?？v軸流錐型滾筒脫粒裝置是小區(qū)育種小麥?zhǔn)斋@機(jī)的核心部件，其內(nèi)部籽粒的滯留易造成種子的混雜，導(dǎo)致育種試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真，難以滿足育種小區(qū)收獲的要求。為降低種子在裝置內(nèi)的滯留，提高育種試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測定方法的一般規(guī)定》[19]和《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》[20]，確定罩殼籽粒殘留率為本研究仿真試驗(yàn)指標(biāo)。其計(jì)算公式為C=m/M×100%(式中：C為罩殼籽粒殘留率；m為罩殼內(nèi)籽粒殘留的質(zhì)量；M為喂入物料的總質(zhì)量)。

仿真試驗(yàn)過程中，通過改變脫粒間隙(mm)、滾筒轉(zhuǎn)速(r·min-1)、喂入量(kg·s-1) 3個(gè)因素進(jìn)行仿真試驗(yàn)，每個(gè)因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平，其取值根據(jù)參考文獻(xiàn)[21]設(shè)定。設(shè)置的試驗(yàn)因素水平如表3所示。

表3　試驗(yàn)因素水平

針對本試驗(yàn)所確定的因素及水平，選用L9(34)的正交表來安排試驗(yàn)[22]，根據(jù)設(shè)計(jì)的9個(gè)不同水平組合下的試驗(yàn)，改變離散元模型的參數(shù)進(jìn)行仿真，每次仿真結(jié)束后統(tǒng)計(jì)殘留在脫粒裝置內(nèi)的籽粒質(zhì)量，并通過計(jì)算得到仿真試驗(yàn)的籽粒殘留率。對所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，試驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)極差分析見表4。

表4　正交試驗(yàn)結(jié)果

極差越大，說明該因素的水平改變對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。由表4的試驗(yàn)結(jié)果分析可知，B是影響罩殼內(nèi)籽粒殘留率的最重要因素，其次為C、A、A×B。為達(dá)到小區(qū)育種收獲的要求，脫粒裝置內(nèi)籽粒殘留率越小越好，則裝置作業(yè)時(shí)各參數(shù)的最優(yōu)組合為：B3C1A1，即當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1，喂入量為0.3 kg·s-1，脫粒間隙為8 mm時(shí)，作業(yè)效果最好，罩殼內(nèi)籽粒殘留率最小。

5　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果的可行性，在自行設(shè)計(jì)的小麥育種脫粒分離裝置性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，為保證與仿真試驗(yàn)設(shè)定的喂入物料條件一致，事先將小區(qū)育種小麥籽粒與短莖稈質(zhì)量按照100∶5均勻混合，并均勻喂入至錐型脫粒裝置，其中：喂入量為0.3 kg·s-1，滾筒轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1，脫粒間隙為8 mm，進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，通過統(tǒng)計(jì)籽粒殘留質(zhì)量計(jì)算殘留率的平均值，得到罩殼內(nèi)部籽粒殘留率為0.046%。經(jīng)對比，室內(nèi)試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)誤差僅為4.16%。由于仿真試驗(yàn)中為了提高計(jì)算速度設(shè)置小麥籽粒、莖稈模型尺寸一致，而室內(nèi)試驗(yàn)中籽粒、莖稈尺寸雖精心挑選，但形狀誤差仍不能避免，另外離散元軟件EDEM通過球形表面填充的方法建立顆粒模型，與原物料模型并不能完全一致，這樣必然會造成室內(nèi)試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)存在誤差，但經(jīng)過試驗(yàn)對比兩者誤差較小。因此，說明利用EDEM對小區(qū)小麥育種收獲機(jī)脫粒裝置進(jìn)行仿真試驗(yàn)優(yōu)化性能參數(shù)是可行的。

6　結(jié)　論

1) 以縱軸流錐型脫粒裝置為研究對象，依據(jù)脫粒裝置、小麥籽粒和短莖稈的實(shí)物結(jié)構(gòu)和材料特性建立仿真模型，基于離散元法建立各材料間的接觸碰撞模型，實(shí)現(xiàn)了脫粒混合物料在裝置內(nèi)的運(yùn)動過程模擬。

2) 在整個(gè)仿真顆粒中，通過選取3個(gè)典型顆粒分別模擬出其速度、位移隨時(shí)間的變化圖，分析并闡明了單個(gè)顆粒在脫粒裝置內(nèi)的運(yùn)動過程和變化規(guī)律，為觀察分析脫粒裝置不同作業(yè)參數(shù)選取后莖稈、籽粒的實(shí)際遷移效果及進(jìn)一步降低籽粒在脫粒裝置內(nèi)的殘留提供研究依據(jù)。

3) 在不考慮破碎的情況下，以罩殼內(nèi)籽粒殘留率為評價(jià)指標(biāo)，對脫粒裝置工作參數(shù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)優(yōu)化，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1，喂入量為0.3 kg·s-1，脫粒間隙為8 mm時(shí)，作業(yè)效果最好，符合小區(qū)育種收獲要求。

4) 通過試驗(yàn)驗(yàn)證可知，仿真試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)的罩殼籽粒殘留率誤差為4.16%(<5%)，說明利用離散單元軟件EDEM對縱軸流脫粒裝置的工作參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化是可行的。

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Simulation research on working parameters of threshing device on plot-bred wheat based on EDEM

LI Xing-kai, HAN Zheng-sheng, DAI Fei, GAO Ai-min ,WEI Li-juan

(CollegeofEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

In order to obtain the best threshing performance parameters of threshing device on plot-bred wheat, to reduce the grain retention in the device and to improve the reliability of breeding test data, the movement process of wheat grain and short stem mixed material was carried out using EDEM software by ignoring the broken threshing. Also, to optimize working parameters of the threshing device, and to further reduce the residual rate of grain in the threshing device closely, chronical variation regulation of velocity and displacement of single thrown grain, thrown stem and stranded grain were analysed. Meanwhile, the simulation test of material flow in the threshing device was carried out. The simulation results showed that when the drum speed was 1 600 r·min-1, the feeding quantity was 0.3 kg·s-1, and the threshing clearance was 8 mm, and the residual rate reached the minimum. In addition, verification by employing the optimal combination of the operational parameters for the threshing device indicated that the the simulation test and indoor test results were basically consistent. Therefore, the working parameters optimization for the threshing device using EDEM was feasible. It also provided a new method for the research and improved design of threshing device.

plot-bred wheat; threshing device; discrete element software EDEM; working parameters; simulation test

1000-7601(2016)04-0292-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.44

2015-10-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51365003)；甘肅省農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金計(jì)劃資助項(xiàng)目(1305NCNA142)

李興凱(1992—)，男，甘肅白銀人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備研究。 E-mail:1298164456@qq.com。

韓正晟(1956—)，男，甘肅慶陽人，教授，博導(dǎo)，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研究。 E-mail：hanzhengsheng@gsau.edu.cn。

戴飛(1987—)，男，甘肅榆中人，講師，主要從事旱區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備研究。 E-mail：daifei@gsau.edu.cn。

S226.1

A