基質(zhì)塊壓模裝置優(yōu)化設計與仿真試驗分析

高國華，杜以康

(北京工業(yè)大學 機械工程及應用電子技術學院，北京 100124)

0 引言

傳統(tǒng)花卉、蔬菜及其他作物的幼苗培養(yǎng)過程是將營養(yǎng)土基質(zhì)放入穴盤中，然后把幼苗插入土基質(zhì)中，讓其生長；新的種植方法是直接將種子或幼苗插入土基質(zhì)塊中培養(yǎng)[1]。育苗基質(zhì)塊在制作原料上選取泥炭土、蛭石、珍珠巖、沙子，以及添加的成型固化劑、高吸水樹脂和微量營養(yǎng)元素，按照最佳配比，最后再經(jīng)過壓制使其成型?；|(zhì)塊囊括了營養(yǎng)、基質(zhì)和容器等多項功能于一身，僅需要1塊基質(zhì)塊就可以實現(xiàn)質(zhì)材、抗病、營養(yǎng)、容器、滅菌這五大種功能[2]?；|(zhì)塊育苗有利于立體化溫室種植機械化操作。我國人均耕種面積只有世界人均耕種面積的40%，立體化溫室種植節(jié)約種植空間，是解決我國人口增加、資源不足的有效方法，具有重要意義[3-5]。土基質(zhì)塊栽培更適用于大規(guī)模生產(chǎn)，更適應我國現(xiàn)在的國情。國外的基質(zhì)塊壓模機整條生產(chǎn)線機構復雜，生產(chǎn)成本高，難以引入國內(nèi)。國內(nèi)研發(fā)還處于初步階段，目前制作基質(zhì)塊的設備還不成熟，存在一些問題。壓制基質(zhì)塊脫模后會出現(xiàn)土基質(zhì)成塊效果不佳，如土塊塌陷、土塊散落、機構與基質(zhì)塊發(fā)生粘滯等現(xiàn)象，影響花卉、蔬菜幼苗的生長。因此，質(zhì)量良好的基質(zhì)塊才能更好地發(fā)揮其在農(nóng)業(yè)種植中的優(yōu)勢。國內(nèi)外對土基質(zhì)塊壓模的研究比較少，對基質(zhì)塊的成型過程沒有進行深入的分析。

本文對壓模裝置進行創(chuàng)新優(yōu)化設計，為提高壓模成功率及工作效率，分析壓制基質(zhì)塊的工藝過程，利用試驗與EDEM軟件仿真相結合的方法進行壓制基質(zhì)塊的工作參數(shù)分析。離散元軟件EDEM是以離散單元法為基礎的，顆粒離散元法(DEM)是由 Cundall 教授 于1971年為解決巖石力學問題而提出的一種不連續(xù)數(shù)值模擬方法[6-7]。通過仿真機構與土基質(zhì)顆粒的動態(tài)行為，進而改進壓模裝置的設計與制造，對基質(zhì)塊壓模裝置研究有一定指導作用。

1 基質(zhì)塊壓模裝置分析及優(yōu)化設計

1.1 基質(zhì)塊成型分析

針對制作基質(zhì)塊存在的一些問題，如土塊塌陷、土塊散落、機構與基質(zhì)塊發(fā)生粘滯等破損現(xiàn)象(見圖1)，結合制作基質(zhì)塊的工藝流程，依據(jù)土力學原理，分析土基質(zhì)與機構之間的作用關系，對制作基質(zhì)塊存在的問題進行總結，進一步改進壓模、脫模方式，為提出方案創(chuàng)新設計做準備。

1.2 基質(zhì)塊壓模裝置創(chuàng)新優(yōu)化設計

通過分析制作基質(zhì)塊的工藝流程，找出失敗原因并提出改進及優(yōu)化目標，得到可行性強的壓模機構改進設計方案，以及能夠滿足壓制基質(zhì)塊成功率和效率要求的壓模機構工作參數(shù)組合，以提高壓模機構的實用性。通過創(chuàng)新方法優(yōu)化設計壓模裝置試驗臺，并進行SolidWorks建模。本試驗平臺由4個部分組成，分別為下壓部件、模具部件、基質(zhì)塊托盤及支架。其中，下壓部分主要由電機、絲桿滑臺、提升板、平板、壓軸、方板及壓孔圓臺組成；基質(zhì)塊模具部分主要由模具盤及支撐組成；基質(zhì)塊托盤部分主要由托盤組成，托盤是試驗的壓制面板。在壓制基質(zhì)塊過程中，先往模具盤中填充土基質(zhì)，然后下壓部件進行下壓土基質(zhì)。下壓部件的電機轉(zhuǎn)動使直線滑臺帶動方板、壓孔塊向下壓制土基質(zhì)進行壓制基質(zhì)塊，同時壓孔塊在基質(zhì)塊上壓出空穴，下壓部件保持靜止；模具盤在電機和直線滑臺的帶動下進行向上運動脫模，脫模完成后，下壓部件向上運動，完成壓制基質(zhì)塊。壓模裝置試驗臺關鍵部件如圖2所示。本試驗臺通過下壓部件、模具部件及托盤之間的有效配合，進行下壓、脫模及提升完成壓制基質(zhì)塊的工藝流程，可以有效地防止基質(zhì)塊被模具盤粘連破壞。

圖1 基質(zhì)塊破損現(xiàn)象

1.下壓部件 2.模具部 3.托盤

2 EDEM軟件接觸力學模型的建立與選擇

土壤顆粒行為的研究是一個復雜的課題，傳統(tǒng)的離散元力學模型很難描述粘性土基質(zhì)或者粘濕土基質(zhì)的顆粒力學行為。接觸力學模型的建立是進行土基質(zhì)顆粒數(shù)值模擬的基礎，也是EDEM軟件的核心部分[8-11]。

通過制作土基質(zhì)塊的工藝可知：土基質(zhì)為軟粘土類型，除了考慮顆粒之間存在粘性，還要考慮彈性變形及塑性變形。為了準確描述土基質(zhì)顆粒之間的物理參數(shù)，本文選擇內(nèi)聚力彈塑性模型(ECM)作為壓制土基質(zhì)塊的顆粒接觸模型。愛丁堡大學為解決粘性顆粒的接觸問題提出該顆粒模型，該模型是一個多功能非線性模型，結合滯后、凝聚力和范德瓦爾斯型力的接觸力學方程，得出顆粒間的彈塑性變形會伴隨帶來粘聚力[12-15]。

ECM顆粒模型可通過EDEM的API編寫完成，可以在TXT文檔中修改參數(shù)，在EDEM前處理器模塊調(diào)入使用。ECM的參數(shù)調(diào)整文檔主要包括6個參數(shù)：分離力常量f0(N)、接觸表面內(nèi)聚能常量(J/m2)、塑性接觸率、剛度指數(shù)n、粘性能量值X及切向剛度系數(shù)ktm。

3 EDEM建模與仿真分析壓制基質(zhì)塊

3.1 基質(zhì)塊成型分析

1)選擇顆粒模型。在物理特性Physics 選項塊中，選擇顆粒與顆粒之間的接觸模型為ECM模型，并進行添加。

2)EDEM仿真顆粒參數(shù)。根據(jù)土力學實驗，測定土基質(zhì)的仿真顆粒參數(shù)，如表1所示。

表1 仿真顆粒參數(shù)

根據(jù)仿真顆粒參數(shù)，進一步編寫ECM_Parameters文檔中顆粒的物理參數(shù)，確定ECM模型的參數(shù)。

3)設置壓制基質(zhì)塊的的幾何模型。本文選用專業(yè)的三維繪圖軟件SolidWorks建模，繪制仿真所需的邊界模型。該邊界模型主要由下壓件、模具及托盤組成。將下壓件、模具及托盤進行裝配，保存為IGS格式，運用EDEM軟件中的Geometry模塊將幾何體導入到在 EDEM 中，結構如圖3所示。在Geometry模塊中進行壓制216mm3基質(zhì)塊，選取對基質(zhì)塊成型影響較大的工藝參數(shù)進行仿真，如下壓速度、基質(zhì)填充量。

1.下壓件 2.模具 3.托盤

4)設置顆粒工廠參數(shù)。通過在EDEM軟件中設置顆粒填充數(shù)量16 000個、顆粒直徑尺寸1～3mm,進行仿真壓制基質(zhì)塊。觀察基質(zhì)塊成型質(zhì)量表明，基質(zhì)塊成型良好。最后，運用EDEM軟件后處理模塊進行數(shù)據(jù)分析。

Rayleigh 時間步長的計算公式為

其中，R為粒子半徑(m)；ρ為仿真粒子密度(kg/m3)；G為剪切模量(MPa)；μ為泊松比。EDEM軟件能夠自動運算出 Rayleigh 時間步長本，文中選用×20%作為固定時間步長。設置仿真時間為 1.5s，同時設置仿真網(wǎng)格單元，網(wǎng)格尺寸為 2R[16-19]。

3.2 仿真過程分析

3.2.1 下壓速度對基質(zhì)塊質(zhì)量的影響

在設定其他參數(shù)一定的情況下，通過調(diào)研及試驗分析表明，壓模機下壓速度在0.04～0.08mm/s較為合適。因此，選取下壓速度為0.04、0.06、0.08m/s進行仿真。在下壓速度為0.04m/s的條件下，設置仿真時間為4.47s，顆粒生成如如圖4所示，仿真結束壓制出的基質(zhì)塊如圖5所示。

通過仿真結果可知：壓制的基質(zhì)塊質(zhì)量良好，完整度高。在EDEM軟件后處理模塊中，為了統(tǒng)計顆粒總表面接觸量，設置x軸為時間、y軸為顆粒總表面接觸量，得出下壓件下壓速度為0.04m/s時的總表面接觸量與時間的關系圖。從y軸可以看出顆?？偙砻娼佑|量為73 146個，如圖6所示。

圖4 顆粒生成

圖5 仿真結果

圖6 0.04m/s時總的顆粒表面接觸量

利用上述仿真方法，通過調(diào)整下壓件的下壓速度，分別對速度為0.06、0.08m/s時進行仿真分析，根據(jù)3次仿真結果可得下壓速度與顆?？偙砻娼佑|量的關系。由圖7中可以看出：下壓速度為0.04m/s時，基質(zhì)塊內(nèi)聚力最大，抗剪強度高；隨著下壓件下壓速度的提高，顆?？偙砻娼佑|量減少，基質(zhì)塊內(nèi)部粘聚力降低。主要原因是：隨著下壓件下壓速度的增大，基質(zhì)顆粒間的水分、氣體排出時間縮短，水分、氣體未及時排出。

圖7 速度——總的顆粒表面接觸量

3.2.2 基質(zhì)填充量對基質(zhì)塊外形的影響

在EDEM軟件顆粒工廠中增加生成顆粒的數(shù)量，由16 000個調(diào)整為18 000個，速度為0.04、0.06、0.08m/s，進行仿真壓制基質(zhì)塊。由此可以看出：填充基質(zhì)過多基質(zhì)塊底部均出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，在脫模過程中基質(zhì)塊底部最先脫模釋放，與實際試驗效果一致，如圖8所示。

圖8 基質(zhì)塊底部回彈

4 試驗分析

4.1 試驗平臺與試驗方法

北京工業(yè)大學機械創(chuàng)新設計實驗室自主研制了基質(zhì)塊壓模裝置試驗平臺，如圖9所示。該試驗臺主要包括壓模構件及電氣控制兩部分。該試驗平臺可以自由調(diào)整下壓件的下壓速度，可以在模具中改變土基質(zhì)的填充質(zhì)量。該試驗平臺壓制的基質(zhì)塊完整度高，無破損現(xiàn)象，為試驗分析壓制基質(zhì)塊的成型效果提供了良好的平臺。

圖9 基質(zhì)塊壓模裝置試驗平臺

試驗平臺采用電機額定轉(zhuǎn)速3 000r/min，最低轉(zhuǎn)速 1r/min，滿足壓制基質(zhì)塊的速度要求。運用PLC控制伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機帶動直線滑臺移動，進而實現(xiàn)下壓件壓制基質(zhì)塊，直線導軌滑臺有效行程為300mm。該控制系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性和高精準性。

本文采用土力學試驗中的直剪試驗，對試驗平臺壓制的土基質(zhì)塊進行直剪試驗分析。直接剪切試驗是測定土壤抗剪強度的一種通用方法，結合試驗臺，采用在單一垂直載荷下對不同條件下壓制的土基質(zhì)塊進行。采用施加水平剪力的方法，比較不同壓制條件下基質(zhì)塊的抗破壞能力。該方法可以方便、快捷地得出試驗結果。本試驗使用的是ZJ 型應變控制式直剪儀，如圖10所示。

圖10 直剪儀示意圖

用基質(zhì)塊壓模裝置試驗平臺壓制基質(zhì)塊，用環(huán)刀切基質(zhì)塊切出試驗所需的圓形土樣，將土樣放入直剪儀進行試驗，如圖11所示。

圖11 直剪試驗

本試驗選取的育苗土基質(zhì)由北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司提供。根據(jù)壓制基質(zhì)塊的工藝，研究基質(zhì)塊成型的機理，對影響基質(zhì)塊成型因素進行了分析，并通過篩選試驗確定影響基質(zhì)塊成型質(zhì)量的關鍵因素為含水率、下壓速度、填充基質(zhì)量。

1)含水率。參考育苗要求及試驗分析，制作基質(zhì)塊的土基質(zhì)含水率范圍為20%～30%，確定3個水平為20%、25%、30%。

2)下壓速度。通過調(diào)研實驗分析，壓模機下壓速度在0.04～0.08mm/s較為合適，選取速度0.04、0.06、0.08m/s作為下壓速度的3個水平。

3)填充基質(zhì)量。本試驗壓制的土基質(zhì)塊體積為216cm3，根據(jù)選取的土基質(zhì)參數(shù)計算得出所需土基質(zhì)質(zhì)量為130g。由于土基質(zhì)松散，根據(jù)調(diào)研分析填充基質(zhì)量應為計算值的1.2倍左右，因此選取填充基質(zhì)量的3個水平為130、140、150g。

采用三因素三水平正交試驗設計，以填土量、含水率、下壓速度三因素作為正交試驗的3因素，如表2所示。將土基質(zhì)塊抗剪強度設為評價指標。該試驗分析具有3個因素，每個因素分別有3個水平，采用三因素三水平試驗表L9(34)。

表2 因素水平表

4.2 試驗結果與分析

三因素三水平正交試驗結果如表3所示。對試驗結果進行極差分析，繪制極差分析表(見表4)，并做極差分析圖，如圖12所示。

表3 正交試驗結果

表4 極差分析表

圖12 極差分析圖

由表4和圖12可知：對基質(zhì)塊抗剪強度影響最大的是因素A(含水率)，影響程度依次為A>C>B。由圖12可知：土基質(zhì)含水率越高，基質(zhì)塊抗剪強度越小。這是由于含水過多，土基質(zhì)粘聚力降低。下壓速度越快，基質(zhì)塊抗剪強度越小。這是因為隨著下壓件下壓速度的增大，基質(zhì)顆粒間的水分、氣體排出時間縮短，水分、氣體未及時排出，使基質(zhì)塊粘聚力降低，與仿真結果吻合。基質(zhì)塊的抗剪強度隨著基質(zhì)填充的增多，先減小后增大，填充量取最大值時基質(zhì)塊抗剪強度最大。由圖12可得最佳參數(shù)為：土基質(zhì)含水率20%，填土量150g，下壓速度0.04m/s。

5 結論

1) EDEM軟件仿真分析壓制基質(zhì)塊與試驗臺壓制的基質(zhì)塊效果基本吻合。下壓速度為0.04m/s時，基質(zhì)塊抗剪強度最大?；|(zhì)填充量過多時，基質(zhì)塊底部出現(xiàn)回彈，驗證了EDEM軟件仿真分析的可行性。

2) 對基質(zhì)塊壓模機壓模過程進行了分析，設計了基質(zhì)塊壓模裝置試驗平臺。針對含水率、下壓速度、填土量3個關鍵因素設計了三因素三水平正交試驗，對數(shù)據(jù)進行極差分析，確定各因素對基質(zhì)塊抗剪強度的影程度依次為含水率>填土量>下壓速度，最佳參數(shù)為土基質(zhì)含水率20%、填土量150g、下壓速度0.04m/s。

3) 通過對基質(zhì)塊壓模機構優(yōu)化設計，采用仿真和試驗結合的方法，均能得到質(zhì)量良好的基質(zhì)塊，驗證了基質(zhì)塊壓模裝置優(yōu)化設計的可靠性。