基于EDEM的小區育種小麥脫粒裝置作業參數仿真研究

李興凱，韓正晟，戴　飛，高愛民，魏麗娟

(甘肅農業大學工學院， 甘肅 蘭州 730070)

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基于EDEM的小區育種小麥脫粒裝置作業參數仿真研究

李興凱，韓正晟，戴飛，高愛民，魏麗娟

(甘肅農業大學工學院， 甘肅 蘭州 730070)

為獲得小區育種小麥脫粒裝置最佳脫輸性能參數，減少籽粒在裝置內的滯留，提高育種試驗數據的可靠性，在不考慮脫粒破碎的情況下，利用離散元軟件EDEM對脫粒裝置內小麥籽粒和短莖稈混合物料的運動過程進行模擬，為優化脫粒裝置工作參數，進一步降低籽粒在脫粒裝置內的殘留率，分析研究了脫粒物料中單個拋出籽粒、拋出莖稈及滯留籽粒的速度、位移隨時間的變化規律，并對脫粒裝置內的物料流進行了仿真試驗。仿真結果表明，當滾筒轉速為1 600 r·min-1，喂入量為0.3 kg·s-1，脫粒間隙為8 mm，裝置內籽粒殘留率最小，并按照該最優組合作業參數對脫粒裝置進行試驗驗證，結果表明，仿真試驗和室內試驗結果基本一致。因此，利用EDEM對脫粒裝置的工作參數進行優化是可行的，為脫粒裝置的研究和改進設計提供參考。

小區育種小麥；脫粒裝置；離散元軟件EDEM；作業參數；仿真試驗

田間育種是人類糧食安全保障的必要手段，同時也是一個耗費巨大勞力和財力的農業系統工程，實現育種機械化可以成百倍地提高育種工作效率、節省投資、縮短育種周期[1]。田間小區收獲是育種試驗獲得正確試驗結果的重要環節。目前我國小區育種收獲仍以人工收割、普通脫粒機脫粒的方式為主，收獲期較長，貽誤農時，間接損失大；育種脫粒機內部清理困難，種子殘留量大，易造成種子混雜，是導致育種試驗數據失真的關鍵問題所在[2-4]。縱軸流錐型滾筒脫粒裝置是4GX-100型小區育種收獲機的核心部件，其主要工作參數直接影響作業機田間育種收獲試驗結果。由于小麥脫粒物料在脫粒滾筒內運動的復雜性和不規律性，其運動過程很難用傳統的方法進行測定，而模擬農業物料及其內部個體籽粒在脫粒滾筒內的運動過程，為研究降低小區育種收獲機脫粒裝置罩殼內脫粒物料滯種率提供參考。

自20世紀90年代開始，離散單元法的不斷應用和EDEM軟件的出現，為模擬研究農業散體物料與農機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，并通過物理實驗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動過程和清種性能，并將仿真結果與試驗結果進行了對比，兩者數值較相近、變化較一致[8]。

本文以小區育種小麥收獲機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部的物料流進行模擬分析，同時對影響育種試驗數據可靠性的主要工作參數進行優化，并對仿真優化結果進行試驗驗證，以期證明采用離散元法分析該脫粒系統的可行性，為小區育種小麥縱軸流錐型滾筒脫粒裝置的研究和優化設計提供新方法。

1　脫粒裝置結構及工作原理

縱軸流錐型滾筒脫粒裝置結構如圖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、光滑下罩殼及揚谷器組成[9]。由于該脫粒裝置結構適用于半喂入式4GX-100型小區育種小麥收獲機，因此，該裝置作業是將成熟、飽滿、易脫粒的小麥穗頭在錐型滾筒喂入導板的作用下快速進入脫粒裝置內部。在錐型脫粒滾筒外部設有與其相配合使用的外罩殼，為增強裝置的脫粒能力，上罩殼安裝有數根螺紋桿；下罩殼內部光滑，便于脫粒物料的輸送及裝置內部的清機。錐型滾筒后端部設有揚谷器，利用揚谷器高速旋轉的風扇葉片將脫粒混合物料從揚升管道拋出。

該脫粒裝置整體結構緊湊，脫粒混合物料在裝置內做旋轉運動的同時又有軸向后輸，脫粒作用柔和、脫粒能力強且罩殼內籽粒殘留率小，應用顆粒流理論對其內部脫粒物料運動過程仿真是一個很好的嘗試。

注： 1.罩殼紋桿； 2.上罩殼； 3.揚升管道； 4.短紋桿-板齒； 5.揚谷器； 6.錐型脫粒滾筒； 7.下罩殼； 8.喂入導板

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構圖

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構模型，保存為.igs格式導入到EDEM軟件中進行仿真設置。為了便于仿真分析，將散體混合物料運動過程中與脫粒裝置接觸無關的部件進行簡化，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有8組短紋桿-板齒，板齒長度為150 mm，揚谷器與脫粒滾筒同軸相連，外罩殼大端設有揚升管道，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，脫粒裝置內的農業混合物料主要表現為籽粒、短莖稈和穎殼，而罩殼內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。小麥籽粒模型根據甘肅省農科院提供的隴春23號建立，隨機選取100顆飽滿、無損傷、無蟲害籽粒，用游標卡尺測定三軸徑尺寸，取其平均值。經測定，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的均勻線彈性材料，其形狀簡化為橢球體[10]。同樣選擇100個短莖稈測量其實際尺寸，并計算平均值，小麥短莖稈圓柱體幾何尺寸：長為22 mm，外徑為3 mm，內徑為2 mm。由于離散元的顆粒模型只能通過一個個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。根據物料的機械特性和實際情況，籽粒、短莖稈和脫粒裝置(鋼)的物理參數如表1所示[11]。

圖3顆粒離散元模型

Fig.3Discrete element model of particals

2.3仿真參數的選擇

接觸模型是離散單元法的重要基礎，其實質就是準靜態下顆粒固體的接觸力學彈塑性分析結果[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運動的接觸模型[13]。根據接觸方式的不同，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量的離散顆粒單元的集合，為了便于分析，在建立模型時將顆粒假設為剛性體，顆粒之間接觸為點接觸，剛性離散顆粒在接觸點處允許發生一定的重疊量，這種接觸方式所表現出的是軟顆粒接觸模型[14]。各材料之間的恢復系數、靜摩擦系數和滾動摩擦系數設置如表2所示[15]。

表1　物料及脫粒裝置的力學特性

表2　相互作用參數

設置好幾何體模型、顆粒模型各項參數后，需定義幾何體的運動特性和顆粒工廠。根據脫粒滾筒的實際運動特征，設定其在仿真過程中為線性旋轉運動(滾筒轉速為1 500 r·min-1)。依照半喂入式4GX-100型小區育種小麥收獲機田間作業時進入錐型脫粒裝置中的小麥籽粒與短莖稈質量比約為100∶5，結合育種小麥籽粒千粒質量與短莖稈質量，設定喂入量為0.4 kg·s-1(即顆粒工廠產生籽粒的速率為7 281 個·s-1、短莖稈為388 個·s-1)[16]，產生顆粒的時間為2 s，仿真總時間為5 s。顆粒產生在滾筒喂入口處，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，如果時間步長選得過大，顆粒有可能穿透幾何模型實體，導致發生計算錯誤；如果時間步長選得過小，又會增加計算機的計算量，導致模擬時間過長，因此選取合適的時間步長很重要[18]。本模型設定計算時間步長為Rayleigh時間步長的10%，輸出時間步長為0.01 s。為了提高計算精度，仿真網格尺寸設置為最小顆粒尺寸的2倍。

3　仿真過程與分析

3.1混合物料運動過程仿真

在仿真計算過程中，離散元軟件EDEM可以隨時顯示小麥籽粒和短莖稈在脫粒裝置內的運動過程和分布情況，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則的圓周螺旋運動，期間不斷與脫粒滾筒、上下罩殼和脫粒板齒等部件發生碰撞，脫粒混合物料錯綜復雜地交織在一起，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谷器的旋轉作用下經揚升管道拋出，但會有極少部分籽粒與莖稈滯留在脫粒裝置內部。在仿真時觀察物料的運動過程，仿真效果與實際試驗效果基本一致。

3.2單個顆粒運動過程分析

EDEM具有強大的后處理能力，可對每個顆粒的任何步長運動以流線型顯示，在仿真動畫中可以清晰地看到每個顆粒的運動軌跡，這無疑對于研究農業物料在錐型脫粒滾筒的運移規律具有重要意義。同時，可以利用選擇組集捕捉顆粒，得到速度、位移隨時間的變化圖，對其進行定量分析，進一步觀察分析脫粒裝置不同作業參數選取后莖稈、籽粒的實際遷移效果，以降低籽粒在脫粒裝置內的殘留。為此，在整個仿真顆粒中，本文選取3個典型顆粒(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的小麥籽粒)研究其速度、位移隨時間的變化，動態跟蹤其運動過程，選取的顆粒編號分別為7210、6352、12631。

編號為7210的拋出籽粒速度、位移與時間的關系曲線如圖5所示。由圖5可以看出，編號為7210的小麥籽粒于0.3 s生成并進入脫粒裝置內，在錐型滾筒高速旋轉作用下，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，此后的一段時間，該籽粒速度上下波動，位移變化明顯，在裝置內做不規則運動；1.35 s后該籽粒速度趨于穩定，位移變化也減緩，說明在該段時間籽粒運動較平穩，在裝置內做圓周螺旋運動并向后軸向輸送；3.3 s籽粒速度又突然劇增為16 m·s-1，達到最大，此時籽粒已不受脫粒裝置的束縛，從揚升管道排出；3.45 s籽粒離開仿真區域，速度、位移均變為零。

圖5拋出籽粒速度、位移與時間的關系

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

編號為6352的拋出莖稈速度、位移與時間的關系曲線如圖6所示。由圖6可以看出，編號為6352的拋出莖稈于0.2 s生成進入脫粒裝置內，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后莖稈速度穩定，位移變化也開始平緩，說明此時莖稈做有規律的運動，在離開脫粒裝置之前速度發生突變，達到最大，于2.7 s飛出仿真區域，此后不再能追蹤到顆粒的運動。對比拋出籽粒與莖稈的速度、位移隨時間的關系變化圖可以看出，兩者變化趨勢基本相似，但在數值上表現的并不一致。由于小麥莖稈比籽粒輕，莖稈在裝置內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。莖稈在裝置內的運動時間只有2.5 s，而籽粒運動時間為3.15 s，便于后續清選系統對脫粒籽粒、碎莖稈的快速分離。

圖6拋出莖稈速度、位移與時間的關系

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

編號為12631的滯留籽粒速度、位移與時間的關系曲線如圖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動，籽粒受到脫粒板齒、罩殼的碰撞，在脫粒裝置內做不規則的圓周螺旋運動，速度上下波動，并向后軸向輸送；滯留籽粒從滾筒小端運動到大端，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仿真結束時，籽粒的速度、位移并沒有變為0，說明該籽粒一直在脫粒裝置內運動，沿著脫粒滾筒來回打轉而產生“渦流”現象，最終沒有從揚升管道排出，而滯留在脫粒裝置內部，這種類型的顆粒會對育種試驗結果產生很大的影響，難以保證小麥育種試驗數據的可靠性。

圖7滯留籽粒速度、位移與時間的關系

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

4　仿真試驗

育種小區收獲與傳統大田收獲不同，收獲時除滿足大田小麥收獲作業要求外，還必須達到籽粒在機器內部無滯留、不混種、便清機的特殊要求，所以對田間育種小區小麥收獲提出了更高的要求。縱軸流錐型滾筒脫粒裝置是小區育種小麥收獲機的核心部件，其內部籽粒的滯留易造成種子的混雜，導致育種試驗數據失真，難以滿足育種小區收獲的要求。為降低種子在裝置內的滯留，提高育種試驗結果的可靠性，參照《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》[19]和《脫粒機試驗方法》[20]，確定罩殼籽粒殘留率為本研究仿真試驗指標。其計算公式為C=m/M×100%(式中：C為罩殼籽粒殘留率；m為罩殼內籽粒殘留的質量；M為喂入物料的總質量)。

仿真試驗過程中，通過改變脫粒間隙(mm)、滾筒轉速(r·min-1)、喂入量(kg·s-1) 3個因素進行仿真試驗，每個因素設計3個水平，其取值根據參考文獻[21]設定。設置的試驗因素水平如表3所示。

表3　試驗因素水平

針對本試驗所確定的因素及水平，選用L9(34)的正交表來安排試驗[22]，根據設計的9個不同水平組合下的試驗，改變離散元模型的參數進行仿真，每次仿真結束后統計殘留在脫粒裝置內的籽粒質量，并通過計算得到仿真試驗的籽粒殘留率。對所得試驗數據進行極差分析，試驗方案與數據極差分析見表4。

表4　正交試驗結果

極差越大，說明該因素的水平改變對試驗指標的影響越大。由表4的試驗結果分析可知，B是影響罩殼內籽粒殘留率的最重要因素，其次為C、A、A×B。為達到小區育種收獲的要求，脫粒裝置內籽粒殘留率越小越好，則裝置作業時各參數的最優組合為：B3C1A1，即當滾筒轉速為1 600 r·min-1，喂入量為0.3 kg·s-1，脫粒間隙為8 mm時，作業效果最好，罩殼內籽粒殘留率最小。

5　試驗驗證

為了驗證仿真試驗優化結果的可行性，在自行設計的小麥育種脫粒分離裝置性能試驗臺上進行室內試驗。試驗時，為保證與仿真試驗設定的喂入物料條件一致，事先將小區育種小麥籽粒與短莖稈質量按照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，滾筒轉速為1 600 r·min-1，脫粒間隙為8 mm，進行多次重復試驗，通過統計籽粒殘留質量計算殘留率的平均值，得到罩殼內部籽粒殘留率為0.046%。經對比，室內試驗與仿真試驗誤差僅為4.16%。由于仿真試驗中為了提高計算速度設置小麥籽粒、莖稈模型尺寸一致，而室內試驗中籽粒、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試驗和仿真試驗存在誤差，但經過試驗對比兩者誤差較小。因此，說明利用EDEM對小區小麥育種收獲機脫粒裝置進行仿真試驗優化性能參數是可行的。

6　結　論

1) 以縱軸流錐型脫粒裝置為研究對象，依據脫粒裝置、小麥籽粒和短莖稈的實物結構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，實現了脫粒混合物料在裝置內的運動過程模擬。

2) 在整個仿真顆粒中，通過選取3個典型顆粒分別模擬出其速度、位移隨時間的變化圖，分析并闡明了單個顆粒在脫粒裝置內的運動過程和變化規律，為觀察分析脫粒裝置不同作業參數選取后莖稈、籽粒的實際遷移效果及進一步降低籽粒在脫粒裝置內的殘留提供研究依據。

3) 在不考慮破碎的情況下，以罩殼內籽粒殘留率為評價指標，對脫粒裝置工作參數進行仿真試驗優化，仿真試驗結果表明：當滾筒轉速為1 600 r·min-1，喂入量為0.3 kg·s-1，脫粒間隙為8 mm時，作業效果最好，符合小區育種收獲要求。

4) 通過試驗驗證可知，仿真試驗與室內試驗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進行仿真優化是可行的。

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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

國家自然科學基金資助項目(51365003)；甘肅省農業科技成果轉化資金計劃資助項目(1305NCNA142)

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

韓正晟(1956—)，男，甘肅慶陽人，教授，博導，主要從事農業機械裝備研究。 E-mail：hanzhengsheng@gsau.edu.cn。

戴飛(1987—)，男，甘肅榆中人，講師，主要從事旱區農業工程技術與裝備研究。 E-mail：daifei@gsau.edu.cn。

S226.1

A