玉米粒群批量整列系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

權(quán)龍哲 奚德君 王建宇 陳 詞 王洪飛

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030)

玉米粒群批量整列系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

權(quán)龍哲 奚德君 王建宇 陳 詞 王洪飛

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030)

為提高玉米分選機(jī)械化水平，針對(duì)傳統(tǒng)玉米分選機(jī)器存在籽粒難以實(shí)現(xiàn)批量整列的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種能夠高效批量整列的機(jī)械裝置。闡述了該批量整列裝置主要結(jié)構(gòu)、工作原理和相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù);對(duì)該裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析振幅差異式電磁振動(dòng)系統(tǒng)和批量整列軌道的性能特點(diǎn);對(duì)該裝置的批量整列性能進(jìn)行EDEM虛擬仿真試驗(yàn)，以軌道弧形區(qū)域圓心角、楔形擋板夾角、軌道寬度為試驗(yàn)因素，批量整列性能為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行虛擬正交試驗(yàn)，分析相關(guān)因素對(duì)批量整列性能參數(shù)的影響，獲得合理參數(shù)組合為:軌道寬度為15.4 mm，弧形區(qū)域圓心角為45°，楔形擋板夾角為110°。臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明:電磁振動(dòng)系統(tǒng)振幅為1.5mm，頻率為52 Hz，振動(dòng)方向角為28°，安裝傾角為0°，附加質(zhì)量為0.3 kg，一側(cè)板彈簧調(diào)至87°，另一側(cè)板彈簧調(diào)至35°，安裝配重片處軌道振幅為1mm時(shí)，批量整列合格指數(shù)為83.1%，粘連卡止指數(shù)為10.4%，滯后指數(shù)為6.5%，批量整列性能良好，批量整列系統(tǒng)性能滿足玉米籽粒分選器性能要求。

玉米籽粒;分選;批量整列;TRIZ理論;EDEM

引言

玉米籽粒分選是玉米生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化分選并不斷提高其機(jī)械化水平是實(shí)現(xiàn)玉米精種、高產(chǎn)的必經(jīng)之路。玉米籽粒批量整列機(jī)械系統(tǒng)的性能直接影響玉米分選效率，設(shè)計(jì)高效、可靠的玉米籽粒批量整列機(jī)械系統(tǒng)有利于提高玉米產(chǎn)量。

采用視覺(jué)技術(shù)對(duì)玉米籽粒進(jìn)行分選取得了長(zhǎng)足進(jìn)步［1－2］，劉長(zhǎng)青等［3］研究了玉米種粒動(dòng)態(tài)檢測(cè)算法，對(duì)玉米籽粒進(jìn)行重復(fù)種粒判斷、種粒合格性檢測(cè)和胚芽朝向判斷;張俊雄等［4］研究了一種玉米單倍體種子胚部特征提取及動(dòng)態(tài)識(shí)別方法，采用一種基于B通道平均像素值的胚部特征提取方法;王僑等［5］以玉米種穗為對(duì)象，研究適合定向播種的玉米種穗圖像精選方法。上述視覺(jué)選別系統(tǒng)均需要依賴(lài)高效、可靠的批量整列機(jī)械平臺(tái)，才能有效地完成玉米籽粒的分選，相關(guān)研究人員針對(duì)提高玉米分選機(jī)械化問(wèn)題已進(jìn)行了廣泛研究［6－9］。米雙山等［10］針對(duì)前人建立的雙繞線圈滾筒電磁場(chǎng)模型的不足之處，建立了介電式種子分選機(jī)電磁場(chǎng);宋鵬等［11］設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)玉米籽粒品質(zhì)檢測(cè)分級(jí)系統(tǒng);王應(yīng)彪等［12］根據(jù)振動(dòng)送料原理，提出了一種實(shí)現(xiàn)玉米籽粒定向排列輸送的方法;趙學(xué)觀等［13］設(shè)計(jì)了玉米籽粒吸附擺放機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)定向播種的方法之一。其中應(yīng)用TRIZ理論解決機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)問(wèn)題已經(jīng)較為普遍［14－18］。

由上述相關(guān)研究可知，大多數(shù)研究人員針對(duì)玉米籽粒的品質(zhì)檢測(cè)及分選算法進(jìn)行研究，部分學(xué)者對(duì)玉米分選機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中，缺少玉米籽粒批量整列的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此本文擬采用TRIZ創(chuàng)新理論，對(duì)玉米籽粒批量整列機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以振動(dòng)場(chǎng)中的籽粒為研究對(duì)象，建立其動(dòng)力學(xué)模型，解析最佳玉米籽粒批量整列系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，運(yùn)用離散元軟件EDEM與臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證批量整列性能。

1 振幅差異式電磁振動(dòng)系統(tǒng)模式分析

基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的玉米籽粒自動(dòng)選別功能是實(shí)現(xiàn)玉米籽粒批量整列的前提，該整列系統(tǒng)的有效工作需依靠可靠的能源動(dòng)力系統(tǒng)，因此，首先構(gòu)建振幅差異式電磁振動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行動(dòng)力模式分析，應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論輔助創(chuàng)建具有相應(yīng)功能的技術(shù)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化［19－24］。

1.1 基于TRIZ理論的動(dòng)力系統(tǒng)分析

玉米籽粒批量整列過(guò)程的本質(zhì)是將喂料口處堆疊的玉米粒群整列成單行、單層和有一定間隔的籽粒流的過(guò)程，為智能識(shí)別系統(tǒng)甄選優(yōu)質(zhì)籽粒打下良好基礎(chǔ)，輸送過(guò)程應(yīng)穩(wěn)定快速地整列更多的籽粒，同時(shí)損耗較少的能源動(dòng)力。對(duì)于玉米籽粒而言，采用振動(dòng)力場(chǎng)作用方式實(shí)施整列輸送是一種比較理想的方法，通過(guò)電磁振動(dòng)式軌道輸送玉米籽粒，有利于消除玉米籽粒之間堆疊、側(cè)滑等問(wèn)題。該方案較易實(shí)現(xiàn)玉米籽粒單行、單層、有間隔流動(dòng)的效果且消耗較少的能源動(dòng)力。因此采用電磁振動(dòng)式軌道系統(tǒng)對(duì)玉米粒群進(jìn)行批量整列，實(shí)現(xiàn)玉米籽粒背景不動(dòng)而籽粒流動(dòng)的效果。

通過(guò)上述模型的分析，搭建電磁振動(dòng)式軌道系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作過(guò)程中，應(yīng)將喂料口處堆積的玉米粒群快速振動(dòng)整列開(kāi)來(lái)，又應(yīng)將玉米籽粒平穩(wěn)、快速地輸送至機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)處，這就要求同一電磁振動(dòng)系統(tǒng)作用下，且在同一軌道兩端，產(chǎn)生不同的振幅來(lái)實(shí)現(xiàn)玉米籽粒的兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即振幅差異式電磁振動(dòng)輸送系統(tǒng)。同一物理參數(shù)(振幅)，由于系統(tǒng)性能的要求不同，使得該參數(shù)的優(yōu)化方向出現(xiàn)了矛盾，此問(wèn)題屬幾何類(lèi)物理參數(shù)沖突。運(yùn)用空間分離原理對(duì)前端軌道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將分別處于軌道前后端互為平行的板彈簧進(jìn)行“分離”，即調(diào)整處于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)下的板彈簧傾斜角度，完成降低此處振幅的要求，如圖1中紅色圓圈所示，為進(jìn)一步有效降低視覺(jué)系統(tǒng)下方輸送軌道的振幅，通過(guò)安裝配重片來(lái)抵消軌道前端垂直方向的力，使軌道前端籽粒能夠平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，如圖1中藍(lán)色圓圈所示。

圖1 運(yùn)用空間分離原理改進(jìn)后的電磁振動(dòng)系統(tǒng)Fig．1 Improved electromagnetic vibration system based on space separation principle

1.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

經(jīng)上述功能分析可知，該振動(dòng)輸送軌道兩端上的玉米籽粒至少有2種運(yùn)動(dòng)狀態(tài):喂料口處的籽粒實(shí)現(xiàn)拋擲運(yùn)動(dòng)，視覺(jué)系統(tǒng)處的籽粒實(shí)現(xiàn)正向滑行運(yùn)動(dòng)，構(gòu)建電磁振動(dòng)平臺(tái)中籽粒的力學(xué)模型［25］，如圖2所示，對(duì)籽粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)理論分析，進(jìn)而確定系統(tǒng)的最佳參數(shù)組合、兩端板彈簧的安裝傾角及配重質(zhì)量。

通過(guò)玉米籽粒在振動(dòng)場(chǎng)中的力學(xué)模型分析，籽粒隨振動(dòng)輸送軌道一同運(yùn)動(dòng)的階段，籽粒的位移、速度及加速度與軌道是一致的，所以軌道對(duì)籽粒作用的正壓力N為

圖2 電磁振動(dòng)系統(tǒng)中玉米籽粒的力學(xué)模型Fig．2 Mechanicalmodel of corn seed in electromagnetic vibration system

式中 α——安裝傾角，(°)

β——振動(dòng)方向角，(°)

t——運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

m——玉米籽粒質(zhì)量，kg

ω——軌道振動(dòng)的角頻率，rad/s

A——振動(dòng)幅度，mm

籽粒產(chǎn)生拋擲運(yùn)動(dòng)的條件是籽粒受到的正壓力為零，且在開(kāi)始出現(xiàn)拋擲運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)相對(duì)加速度為零，由式(1)得

式中

φd——拋始角，即拋擲運(yùn)動(dòng)開(kāi)始的瞬時(shí)相位角，(°)

K——機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)度

D——拋擲指數(shù)

當(dāng)拋擲指數(shù)D＞1時(shí)，式(4)的φd有解，籽粒可出現(xiàn)拋擲運(yùn)動(dòng);當(dāng)D＜1時(shí)，φd無(wú)解，籽粒不能出現(xiàn)拋擲運(yùn)動(dòng)。為使籽粒出現(xiàn)拋擲運(yùn)動(dòng)，拋擲指數(shù)D不得小于1。在籽粒與軌道保持接觸的情況下，籽粒與軌道之間的摩擦力FO為

式中 μ——籽粒與工作平面間的摩擦因數(shù)籽粒在軌道y方向的運(yùn)動(dòng)方程為

φ——籽粒正向滑行的瞬時(shí)相位角，(°)

G——籽粒重力，N

式(9)表示了產(chǎn)生正向滑行的條件與軌道振幅的關(guān)系。

式中 A+——臨界振幅，mm μ0——摩擦角

大于該臨界振幅時(shí)籽粒產(chǎn)生滑行，而小于該數(shù)值時(shí)不可能產(chǎn)生滑行。該系統(tǒng)廣義上類(lèi)似于電磁振動(dòng)輸送機(jī)，振動(dòng)輸送機(jī)槽體的安裝傾角通常為0°［25］，且本文對(duì)籽粒的平穩(wěn)輸送和批量整列進(jìn)行研究，安裝傾角不易過(guò)大，因此本研究選取安裝傾角為0°;當(dāng)頻率比取0.95時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的工作點(diǎn)位于亞共振區(qū)，其振動(dòng)效果最好［26］，因此，激振頻率取52 Hz;玉米籽粒與橡膠板的摩擦因數(shù)μ為0.65時(shí)，摩擦角δ0為33.21°，取反向滑行指數(shù)d1≈1，正向滑行指數(shù)d2為2～3，振動(dòng)方向角的計(jì)算公式為［25］

式中c為常數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到振動(dòng)方向角β≈28°。已知安裝傾角及振動(dòng)方向角，代入式(10)計(jì)算得出臨界振幅為1mm。在同一電磁振動(dòng)系統(tǒng)的條件下，改變軌道兩端的振幅，籽粒就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方式。引入調(diào)諧值Z，增大調(diào)諧值，可減小該端系統(tǒng)的振幅，又知減小系統(tǒng)固有頻率可增大調(diào)諧值。振動(dòng)的固有頻率與初始條件無(wú)關(guān)，而僅與系統(tǒng)的固有特性有關(guān)(如質(zhì)量、形狀、材質(zhì)等)，在滿足技術(shù)要求的情況下，分析得出以下幾種方案:附加質(zhì)量法、改變尺寸法和降低硬度法，采用這3種方案搭建系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 輸送平臺(tái)的調(diào)試Fig．3 Commissioning of transport platform

1.3 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

通過(guò)電磁振動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)模型的分析，獲得了玉米籽粒正向滑行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的臨界條件，在此臨界條件下，容易解決振幅差異式電磁振動(dòng)系統(tǒng)中振幅的優(yōu)化方向的矛盾性，對(duì)改進(jìn)后的振幅差異式電磁振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，得到電磁振動(dòng)系統(tǒng)最佳參數(shù)組合:振幅為1.5 mm，頻率為52 Hz，振動(dòng)方向角為28°，安裝傾角為0°。通過(guò)希瑪AS63A型數(shù)字測(cè)振儀(株洲市測(cè)繪儀器儀表公司，其位移測(cè)量范圍為0.001～1.999 mm)、SDVC31型數(shù)字調(diào)頻振動(dòng)送料控制器(深圳市世科達(dá)機(jī)電有限公司，輸出頻率范圍為40.0～400.0 Hz)等儀器對(duì)批量整列軌道實(shí)時(shí)檢測(cè)，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)，結(jié)果表明:系統(tǒng)處于最佳參數(shù)組合條件下，一側(cè)板彈簧調(diào)至87°，另一側(cè)板彈簧調(diào)制35°、配重片質(zhì)量加至0.3 kg時(shí)，經(jīng)測(cè)定，安裝配重端軌道的振幅為1mm，此時(shí)籽粒產(chǎn)生正向滑行運(yùn)動(dòng)，振幅差異式電磁振動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，如圖3所示。

2 批量整列輸送軌道設(shè)計(jì)

玉米粒群批量整列系統(tǒng)是一個(gè)多功能、復(fù)合型系統(tǒng)，可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)功能單元受到同一物理參數(shù)控制和影響的情況，即發(fā)生矛盾沖突［27－29］。因此文中擬借助“沖突解決原理”化解分選系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的物理矛盾和技術(shù)沖突，輔助完成系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.1 基于TRIZ理論的軌道設(shè)計(jì)

若玉米粒群批量整列系統(tǒng)采用直線式軌道，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，籽粒易發(fā)生擁堵、粘連、重疊等現(xiàn)象。將上述矛盾沖突問(wèn)題歸納為:改善的參數(shù)為物質(zhì)的數(shù)量(籽粒有一定間隔的流動(dòng))，惡化的參數(shù)為裝置復(fù)雜性，在矛盾沖突矩陣中截取適合于本問(wèn)題的子矩陣，如表1所示。

表1 輸送軌道的矛盾沖突矩陣1Tab．1 Con flictmatrix 1 of conveying track

對(duì)表1中發(fā)明原理進(jìn)行分析篩選，可利用的發(fā)明原則有:13(逆向運(yùn)作法)，將批量整列軌道入口設(shè)計(jì)成楔形軌道分流器，如圖4所示，即一個(gè)進(jìn)料口為兩個(gè)輸送軌道提供籽粒，較好地實(shí)現(xiàn)籽粒間有間隔流動(dòng)的功能，預(yù)防剔除裝置執(zhí)行失誤等問(wèn)題。

通過(guò)楔形分流器的作用，大部分籽粒完成了有一定間隔進(jìn)入單軌道，但仍存在并排、重疊的籽粒，若解決此問(wèn)題，需增大軌道激振力或振幅，但其必然消耗大量的能源動(dòng)力，將上述矛盾沖突問(wèn)題歸納為:力與能量損失之間的技術(shù)矛盾，其改善的參數(shù)為力，惡化的參數(shù)為能量損失，由矛盾矩陣表查得適合于本問(wèn)題的子矩陣如表2所示。

圖4 楔形軌道分流器示意圖Fig．4 Schematic diagram ofwedge track shunt

表2 輸送軌道的矛盾沖突矩陣2Tab．2 Conflictmatrix 2 of conveying track

經(jīng)過(guò)全面分析本文采用發(fā)明原理14(曲線、曲面化法)，將原有的直線軌道進(jìn)行曲線化，設(shè)計(jì)成有一段或者多段弧形區(qū)域的軌道，如圖5所示，兩粘連籽粒經(jīng)過(guò)弧形區(qū)域后，產(chǎn)生不同加速度，完成分離。

圖5 弧形區(qū)域整體軌道示意圖Fig．5 Sketchmap ofwhole track in arc region

2.2 粒間分離基本原理及方法

圖6 楔形軌道分流器中籽粒受力分析Fig．6 Force analysis of grain wedge track by shunt

在振幅差異式電磁振動(dòng)系統(tǒng)下，同一軌道上的籽粒發(fā)生滑行、拋擲2種運(yùn)動(dòng)，籽粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)粘連，這樣機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)難以判別，針對(duì)此問(wèn)題，通過(guò)楔形軌道分流器及“S型”曲線輸送軌道對(duì)玉米籽粒整列，完成粒間分離，實(shí)現(xiàn)籽粒有一定間隔的流動(dòng)。因此構(gòu)建楔形軌道分流器及“S型”曲線輸送軌道的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)理論建模及EDEM軟件虛擬仿真確定楔形軌道分流器及“S型”曲線輸送軌道的具體結(jié)構(gòu)尺寸，有效地完成粒間分離功能。如圖6所示，楔形軌道分流器可將一列籽粒分流成兩列，部分實(shí)現(xiàn)了粒群有一定間隔的流動(dòng)，為后續(xù)“S”型軌道進(jìn)一步完成粘連籽粒的分離做準(zhǔn)備。圖中1、2、3、4為玉米籽粒;J為擋板尖點(diǎn);L為楔形擋板長(zhǎng)度，mm;n為軌道寬度，mm;Fj為擋板尖點(diǎn)對(duì)籽粒的作用力，N;Fm為籽粒與籽粒間作用力，N;Mm為Fj質(zhì)心偏移產(chǎn)生的力矩，N·m;v為籽粒運(yùn)動(dòng)速度，mm/s。

由圖6可以看出，當(dāng)左側(cè)或右側(cè)分流軌道中紅色矩形框內(nèi)有多個(gè)籽粒堆積時(shí)，這些籽粒的運(yùn)動(dòng)會(huì)減慢或暫時(shí)停滯，處于楔形軌道分流器入口的籽粒3以正常的速度前進(jìn)，將會(huì)受到籽粒2對(duì)其產(chǎn)生的作用力Fm及力矩Mm，同時(shí)受到尖點(diǎn)J的支持力Fj，其合力作用使得籽粒3運(yùn)動(dòng)到另一軌道，從而實(shí)現(xiàn)粒間分離。為保證玉米粒群批量整列系統(tǒng)的正常輸送速度，楔形軌道分流器紅色矩形框內(nèi)籽粒的緩慢運(yùn)動(dòng)或暫時(shí)停滯運(yùn)動(dòng)的時(shí)間應(yīng)盡量小，紅色矩形框的面積制約著籽粒前行速度及粒間分離效果，因此，需確定合理的楔形擋板長(zhǎng)度L(紅色矩形框邊長(zhǎng))、楔形擋板尖點(diǎn)J位置、軌道寬度n及楔形擋板夾角δ。如圖7所示。

圖7 楔形軌道分流器設(shè)計(jì)參數(shù)確定方案Fig．7 Design schemes for design parameters ofwedge track shunt

由圖7a、7b可知，楔形擋板尖點(diǎn)J相對(duì)分流器入口的距離a大于或小于玉米籽粒長(zhǎng)軸長(zhǎng)度時(shí)，這兩種a值均以不同形式的反作用影響著籽粒的分離效果，進(jìn)而阻礙籽粒分流。如圖7c所示，當(dāng)距離a等于籽粒長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，降低了籽粒A與待進(jìn)入分流器的籽粒、分流器入口壁間的干涉，籽粒理論上會(huì)被逐一分流到另一側(cè)軌道，使得楔形分流器快速、有序、可靠的整列和分流籽粒，已知籽粒外形尺寸(長(zhǎng)、寬、厚)分別在［7.8 mm，12.0 mm］、［6.0 mm，8.2mm］、［4.0mm，4.3mm］區(qū)間內(nèi)，本文選取a值為12mm;由上述分流基本原理可知，紅色矩形框是以楔形擋板長(zhǎng)度為邊長(zhǎng)的正方形框，在紅色矩形框內(nèi)堆積的籽粒個(gè)數(shù)既影響著分流的效果，又影響著籽粒輸送的速度和效率，當(dāng)紅色矩形框中有2個(gè)籽粒時(shí)，既滿足了產(chǎn)生堆積所需的最少籽粒數(shù)，又達(dá)到了對(duì)籽粒輸送速度和效率的最小影響率，由于玉米籽粒形狀不規(guī)則，矩形框中包含2個(gè)籽粒時(shí)，其面積約為籽粒上表面或下表面的2.5倍，已知籽粒的平均表面積約為98.4 mm2，紅色矩形框的面積為246.1mm2，因此，楔形擋板的長(zhǎng)度L為15.7mm，圓整為16mm;由圖7d可知，楔形擋板夾角δ為110°時(shí)，紅色矩形框與分流器邊界有且只有一個(gè)交點(diǎn)，此時(shí)分流器入口空間為紅色三角形區(qū)域，如圖7e所示，楔形擋板夾角為180°時(shí)，籽粒向前輸送過(guò)程中會(huì)與楔形擋板發(fā)生碰撞，嚴(yán)重影響籽粒批量整列速度與效率，擋板夾角小于110°時(shí)，分流器入口空間增大為綠色梯形區(qū)域，籽粒不易產(chǎn)生堆積和短暫停滯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而分流器難以完成分流的功能，因此，楔形擋板夾角的合理化參數(shù)范圍為:110°≤δ＜180°。

軌道中玉米粒群運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，多籽粒運(yùn)動(dòng)形式可簡(jiǎn)化為2個(gè)籽粒之間的相互作用形式，且“S型”曲線輸送軌道功能是將籽粒兩兩分離開(kāi)來(lái)，因此，本研究以相互粘連的2個(gè)籽粒為研究對(duì)象，針對(duì)4種作用形式分別進(jìn)行受力分析，如圖8所示。圖中O1為曲線軌道左側(cè)壁圓心;O2為曲線軌道右側(cè)壁圓心;R為曲線軌道半徑，mm;θ為曲線軌道圓心角，(°); FA、Ffa分別為籽粒A受到的作用力和摩擦力，N;MA為籽粒A受到的力矩，;FB、Ffb分別為籽粒B受到的作用力和摩擦力，N;MB為籽粒B受到的力矩，。

圖8 “S型”曲線軌道中籽粒受力分析Fig．8 Force analyses of grain in“S”curve track

2個(gè)粘連籽粒處于相同振動(dòng)輸送環(huán)境中，受到的作用力不盡相同，為探究籽粒在“S”型曲線軌道中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變情況，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)籽粒均在脫離曲線軌道時(shí)發(fā)生粒間分離現(xiàn)象。擬作固定弦長(zhǎng)S，圓心角為θ，半徑為R的圓弧單軌道，籽粒碰撞軌道瞬間受到軌道對(duì)其作用的支持力F和摩擦力Ff，將其平移后作用在籽粒質(zhì)心處，產(chǎn)生附加力偶M。相互粘連的籽粒進(jìn)入曲線軌道時(shí)，具有相同速度和加速度，籽粒在軌道中未實(shí)現(xiàn)粒間分離，仍以粘連的狀態(tài)前行。如圖8所示，當(dāng)籽粒以4種姿態(tài)脫離軌道時(shí)，在前面的籽粒B脫離軌道后發(fā)生的路程為直線，仍在軌道中的籽粒A發(fā)生的路程為弧線，在相同時(shí)間、速度的條件下，籽粒B運(yùn)動(dòng)位移大于籽粒A位移，2個(gè)粘連籽粒完成了粒間分離。因此，在楔形軌道分流器與“S型”曲線軌道共同作用下，籽粒能夠完成粒間分離且有一定間隔的流動(dòng)。

由“S型”曲線軌道的粒間分離基本原理可知，曲線軌道作用的是使2個(gè)籽粒完成粒間分離，因此，選取曲線的弦長(zhǎng)S為1個(gè)籽粒長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的2倍，且1個(gè)籽粒長(zhǎng)軸的最大值為12 mm，確定弦長(zhǎng) S為24mm，因此，改變曲線圓心角θ，半徑R也隨之改變，圓心角的范圍為0°～180°，選取其中具有力學(xué)分類(lèi)特性的45°、90°、135°、180°圓心角，采用EDEM軟件對(duì)這4個(gè)不同圓心角的“S型”曲線軌道進(jìn)行虛擬仿真預(yù)試驗(yàn)，確定圓心角θ合理的參數(shù)范圍。

3 基于EDEM虛擬仿真的玉米籽粒批量整列系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)上述批量整列系統(tǒng)基本原理的分析，該系統(tǒng)能夠完成粒間分離功能，為進(jìn)一步確定系統(tǒng)具體參數(shù)，采用EDEM虛擬仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

3.1 幾何模型建立

通過(guò)上述批量整列軌道基本原理及方法的分析，楔形擋板夾角范圍為110°～140°，曲線軌道圓心角分別為45°、90°、135°、180°;根據(jù)籽粒外形尺寸，選取軌道寬度范圍為12.32～18.48mm。

為便于仿真模擬及計(jì)算，將與玉米籽粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接觸無(wú)關(guān)的部件去除，應(yīng)用三維制圖軟件Pro/E對(duì)批量整列輸送軌道進(jìn)行實(shí)體建模，將上述合理范圍內(nèi)的不同尺寸軌道設(shè)計(jì)在同一輸送平臺(tái)，對(duì)照試驗(yàn)便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以．igs格式導(dǎo)入EDEM軟件中，運(yùn)用C語(yǔ)言對(duì)彈性函數(shù)進(jìn)行編譯，通過(guò)EDEM軟件的應(yīng)用編程接口(Application programming interface，API)完成彈力加載［30－32］，使得輸送軌道橡膠板與底部鋼板更加貼合。根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)置軌道底部材料和楔形軌道分流器及曲線形軌道材料為普通橡膠板，其泊松比為0.47，剪切模量為3.5×106Pa，密度為1 500 kg/m3，底部鋼板的泊松比為0.3，剪切模量為7×1010Pa，密度為7 800 kg/m3。

3.2 玉米籽粒離散模型的建立

本文選取大馬齒型和半馬齒型玉米籽粒為研究對(duì)象，通過(guò)人工分級(jí)清選處理，選取優(yōu)質(zhì)的籽粒，隨機(jī)抽取各品種1 000顆籽粒進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果為:籽粒外形尺寸(長(zhǎng)、寬、厚)分別在［7.8 mm，12.0mm］、［6.0 mm，8.2 mm］、［4.0 mm，4.3 mm］區(qū)間內(nèi)。在EDEM軟件中通過(guò)多球面組合的方式進(jìn)行填充，模擬籽粒狀態(tài)如圖9所示。設(shè)置籽粒模型的泊松比為0.4，剪切模量為1.37×108Pa，密度為1 154 kg/m3。

3.3 虛擬仿真與分析

運(yùn)用EDEM軟件進(jìn)行玉米籽粒批量整列系統(tǒng)性能虛擬試驗(yàn)，分析輸送過(guò)程中不同的軌道對(duì)粒間分離效果不同的主要原因，研究楔形分流器擋板夾角、曲線軌道的圓心角、軌道寬度對(duì)粒間分離性能的影響，為其關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。首先，以45°、90°、135°、180°圓心角的曲線軌道分別進(jìn)行仿真預(yù)試驗(yàn)，結(jié)果如圖10所示，圓心角為90°、135°、180°的曲線軌道籽粒粘連滯后現(xiàn)象較嚴(yán)重，根據(jù)仿真結(jié)果確定合理圓心角為45°，因此，選取30°、45°、60°3個(gè)水平進(jìn)行批量整列性能虛擬試驗(yàn)。

圖9 玉米籽粒EDEM模型Fig．9 Maize grain EDEM model

圖10 EDEM虛擬仿真預(yù)試驗(yàn)結(jié)果Fig．10 Preliminary test result of EDEM virtual simulation

根據(jù)實(shí)際工況下的系統(tǒng)參數(shù)組合，設(shè)置EDEM軟件相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，本研究選取三因素三水平的正交虛擬仿真試驗(yàn)，設(shè)置相同9組顆粒工廠，確保每個(gè)軌道有相同數(shù)量的玉米籽粒，在楔形分流器末端和“S型”軌道弧形區(qū)域前端、末端設(shè)置網(wǎng)格單元體，以便對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

在仿真過(guò)程中，籽粒出現(xiàn)有一定間隔的快速流動(dòng)、粘連、滯后3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖11a表示籽粒經(jīng)過(guò)軌道批量整列后形成有一定間隔的籽粒流;圖11b表示籽粒粘連狀態(tài)，寬為12.32 mm的軌道出現(xiàn)籽粒粘連現(xiàn)象較嚴(yán)重，因軌道寬度較小;圖11c表示籽粒滯后狀態(tài)，圓心角為60°的軌道出現(xiàn)籽粒滯后現(xiàn)象較多，由于弧形軌道彎曲弧度過(guò)大，路程變大，即相同時(shí)間部分籽粒的運(yùn)動(dòng)位移落后于另一部分籽粒。

圖11 EDEM虛擬仿真試驗(yàn)結(jié)果Fig．11 Test results of EDEM virtual simulation

粘連指數(shù)D和滯后指數(shù)M為輔助分析指標(biāo)，其計(jì)算公式為

式中 N——理論籽粒數(shù)

n1——粘連籽粒數(shù)

n2——運(yùn)動(dòng)位移滯后籽粒數(shù)

以合格指數(shù)s為虛擬試驗(yàn)指標(biāo)，其計(jì)算公式為

式中 n0——未出現(xiàn)粘連卡止、滯后現(xiàn)象的籽粒數(shù)

應(yīng)用EDEM軟件進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平如表3所示。在評(píng)價(jià)作業(yè)性能時(shí)，還應(yīng)衡量圖像識(shí)別區(qū)域作業(yè)速度要求，運(yùn)用Excel軟件對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，虛擬試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。A、B、C為因素水平值。

表3 試驗(yàn)因素水平Tab．3 Test factors and levels

表4 虛擬正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab．4 Scheme and results of virtual orthogonal test

正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果見(jiàn)表5，以合格指數(shù)s為虛擬試驗(yàn)指標(biāo)，作為確定最優(yōu)參數(shù)組合的依據(jù);為進(jìn)一步評(píng)估粒間分離效果及粒群流動(dòng)的順暢性，分析粒群整列失效成因，引入粘連卡止指數(shù)和滯后指數(shù)為輔助評(píng)估參數(shù)。對(duì)于合格指數(shù)，各因素影響強(qiáng)度從大到小依次為A、B、C，當(dāng)A取水平2時(shí)，合格指數(shù)最大，合格指數(shù)隨著弧形軌道圓心角度數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì);相同圓心角時(shí)，中軌道對(duì)籽粒的輸送合格指數(shù)最高，窄軌道對(duì)籽粒的輸送合格指數(shù)最低;當(dāng)B取水平1時(shí)，合格指數(shù)最大，粘連指數(shù)隨圓心角度數(shù)增加而增加，在相同圓心角時(shí)，對(duì)窄軌道粘連卡止指數(shù)最高，滯后指數(shù)隨圓心角的增加而增加，寬軌道與窄軌道滯后指數(shù)接近;當(dāng)C取水平2時(shí)，即當(dāng)工況為A2B1C2時(shí)，合格指數(shù)最大。

4 批量整列系統(tǒng)性能試驗(yàn)

采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)玉米粒群批量整列系統(tǒng)進(jìn)行三維建模、虛擬運(yùn)動(dòng)仿真，經(jīng)檢驗(yàn)無(wú)結(jié)構(gòu)干涉及運(yùn)動(dòng)失真的情況，將上述系統(tǒng)的三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)化成工程圖，利用加工中心對(duì)機(jī)具進(jìn)行機(jī)械制造，將系統(tǒng)設(shè)置成連續(xù)可調(diào)參數(shù)，實(shí)施了批量整列性能測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示。試驗(yàn)地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電研究中心，系統(tǒng)各部分運(yùn)轉(zhuǎn)良好，為系統(tǒng)的后續(xù)相關(guān)研究提供參考。試驗(yàn)相關(guān)測(cè)試儀器有?，擜S63A型數(shù)字測(cè)振儀(株洲市測(cè)繪儀器儀表公司，其位移測(cè)量范圍為0.001～1.999mm)、SDVC31型數(shù)字調(diào)頻振動(dòng)送料控制器(深圳市世科達(dá)機(jī)電有限公司，輸出頻率范圍為40.0～400.0 Hz)等，通過(guò)高速攝像圖像采集處理裝置(Phantom V5.1，Vision Research Inc．，美國(guó))進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)定各項(xiàng)批量整列性能指標(biāo)的目的。在試驗(yàn)前，設(shè)定電磁振動(dòng)系統(tǒng)為虛擬仿真試驗(yàn)后得到的最優(yōu)參數(shù)組合:振幅為1.5 mm，頻率為52 Hz，振動(dòng)方向角為28°，安裝傾角為0°，附加質(zhì)量為0.3 kg，一側(cè)板彈簧調(diào)至87°，另一側(cè)板彈簧調(diào)制35°，“S型”曲線軌道弧度區(qū)域圓心角為45°，楔形擋板夾角為110°，軌道寬度為15.40mm，可根據(jù)試驗(yàn)時(shí)玉米籽粒的數(shù)量選取曲線軌道的段數(shù)。

表5 虛擬正交試驗(yàn)方差分析Tab．5 ANOVA of virtual orthogonal test

圖12 玉米粒群批量整列試驗(yàn)平臺(tái)Fig．12 Test platform for batch transportation ofmaize grain

本研究對(duì)象選擇區(qū)域代表性顯著、種植面積大、具備定向種植條件的半馬齒或者大馬齒型玉米品種作為研究對(duì)象，即中科11號(hào)、東單80號(hào)、鄭丹958號(hào)3個(gè)品種，此外各樣本均隨機(jī)選擇玉米種穗中部飽滿、整齊的5 000顆優(yōu)質(zhì)籽粒，隨機(jī)將5 000顆籽粒分成5組，每組1 000顆籽粒。通過(guò)高速攝像系統(tǒng)記錄玉米籽粒在電磁振動(dòng)軌道上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從15組試驗(yàn)中隨機(jī)抽取3組試驗(yàn)圖像，如圖13所示。

圖13 玉米粒群整列的高速攝影圖像Fig．13 High speed photography images ofmaize grain batch transportation

如圖13所示，中科11號(hào)、東單80號(hào)、鄭丹958號(hào)3個(gè)品種籽粒在批量整列試驗(yàn)臺(tái)上均平穩(wěn)快速地向前輸送，且大部分籽粒實(shí)現(xiàn)了有一定間隔的快速流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了籽粒的批量整列，為后續(xù)分選系統(tǒng)性能試驗(yàn)提供基礎(chǔ)。臺(tái)架試驗(yàn)中粒群批量整列平均合格指數(shù)為83.1%，粘連指數(shù)為10.4%，滯后指數(shù)為6.5%，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真的合格指數(shù)最大誤差為5.3%，產(chǎn)生誤差的原因可能為臺(tái)架試驗(yàn)中籽粒形狀尺寸存在差異等，但誤差在可接受的范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

(1)采用振幅差異式電磁振動(dòng)系統(tǒng)、楔形軌道分流器和“S型”曲線軌道，為批量整列過(guò)程的流暢、可靠、高效動(dòng)作提供了保障。

(2)構(gòu)建振幅差異式振動(dòng)系統(tǒng)中籽粒的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得到籽粒正向滑行的臨界條件，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，得到系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)組合:電磁振動(dòng)源的振幅為1.5mm，頻率為52Hz，振動(dòng)方向角為28°，安裝傾角為0°，經(jīng)測(cè)定，安裝配重端軌道的振幅為1mm，建立楔形分流器及“S型”曲線輸送軌道中籽粒的動(dòng)力學(xué)模型，分析了籽粒批量整列的基本原理。

(3)進(jìn)行EDEM虛擬仿真試驗(yàn)，研究了楔形軌道分流器及“S型”曲線軌道不同結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)粘連和滯后問(wèn)題影響的主要原因，分析了楔形擋板、軌道弧形區(qū)域圓心角及軌道寬度對(duì)批量整列性能的影響，仿真結(jié)果表明:系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為軌道寬度為15.40mm，弧形區(qū)域圓心角為45°，楔形擋板夾角為110°。

(4)借助Pro/E技術(shù)完成了玉米籽粒批量整列系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的研制，搭建了具有參數(shù)可調(diào)功能試驗(yàn)臺(tái)，臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該參數(shù)組合下批量整列性能可以滿足玉米籽粒分選機(jī)評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求，其批量整列籽粒的合格指數(shù)高達(dá)83.1%。

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Parameters Optim ization and Experiment of Batch Transportation for Maize Grain

QUAN Longzhe XIDejun WANG Jianyu CHEN Ci WANG Hongfei
(College of Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China)

In order to improve themechanization level of corn sorting，a kind ofmechanical device with high efficiency and batch transportation ofmaize grain was designed to solve the problem that traditional corn sortingmachine of grain was difficult to realize the batch transportation．Themain structure，working principle and related structure parameters of the batch transportation device were described．Structural design of key components of the device，analysis of performance characteristics of amplitude difference type electromagnetic vibration system and batch transportation track were introduced．EDEM virtual simulation testwas done on the device performance of the batch transportation，track arc central angle，wedge baffle angle and track width were taken as experiment factors，and batch column performance indicators were selected as test index of the virtual orthogonal experiment．The influence of related factors on the performance of the batch transportation was analyzed，and reasonable parameter combination was obtained as:the track width of15.4mm，track arc central angle of45°and wedge baffle angle of 110°．The bench testwas carried out，the bench test results showed that the electromagnetic vibration amplitude was 1.5mm，frequency was52 Hz，the vibration direction angle was 28°，the installation angle was 0°，the added masswas 0.3 kg，one side of plate spring was adjusted to 87°，the other side of plate spring was adjusted to 35°，the amplitude of the track with added mass was 1 mm，the batch transportation qualified index was 83.1%，adhesion and retention index was10.4%，hysteresis index was6.5%．The batch transportation performance was good，which met the performance requirements of corn seed separator，and the research provided a theoretical and technical reference for the research and design of corn sorting device．

maize grain;sorting;batch transportation;TRIZ theory;EDEM

S24

A

1000-1298(2017)07-0059-10

2017-04-24

2017-05-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405078)、中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M561318)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20132325120007)和東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)骨干項(xiàng)目(518020)

權(quán)龍哲(1980—)，男，副教授，博士，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備研究，E-mail:quanlongzhe@163．com

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．008