棉箱壓實攪龍機構對籽棉壓縮作用仿真及分析

孔凡婷，石 磊，張玉同，陳長林，孫勇飛，謝 慶，黃銘森

(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

?

棉箱壓實攪龍機構對籽棉壓縮作用仿真及分析

孔凡婷，石 磊，張玉同，陳長林，孫勇飛，謝 慶，黃銘森

(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

建立棉箱壓實攪龍機構的離散元仿真模型，仿真其在棉箱實際工作情況，并對壓實攪龍機構工作過程中籽棉的壓縮過程進行仿真分析，為棉箱壓實攪龍的結構設計提供指導。仿真結果表明：籽棉顆粒數量增加時，壓實攪龍推送作用對籽棉產生的圧縮力、籽棉顆粒間的擠壓力、附著力、纏繞力均隨著籽棉數目的增加而增大；當籽棉數量不再增加時，處于推送階段籽棉間作用力較小，總壓縮力趨于平緩；推送階段結束后，籽棉數量沒有增加，但在壓實攪龍的推送下，籽棉于棉箱前端堆積相互擠壓，籽棉顆粒間的壓縮力顯著增加，故籽棉的總壓縮力快速增加。變徑壓實攪龍機構由于攪龍直徑前大后小，堆積在棉箱尾部的籽棉由小徑攪龍以穩定的輸送量向前推送，前段大徑攪龍將大量的籽棉推送壓縮。變徑攪龍階段性推送，壓實效果良好，其仿真模型可為其結構參數的設計提供理論參考。

籽棉壓縮；攪龍；EDEM仿真

0 引言

棉花是我國重要的經濟作物之一，據統計2014年全國棉花的種植面積達到4 219.1khm2(6 328.6萬畝)[1]。棉花收獲時，人工采摘勞動繁重，工作效率低，因而機械收獲得到了廣泛的發展。河南、山東等地作業面積適合小型機械收獲[2-4]，但由于小型棉花采摘機械棉箱容積小，作業時卸棉次數多，加重了運輸工作量，限制了采棉效率的提高。另外，經過篩選除雜后的棉花由風機吹入棉箱尾端籽棉于棉箱尾端堆積，使棉箱利用不充分。在棉箱內應用變徑壓實攪龍機構不僅可以減少籽棉堆積形成的物料流動死區，又可實現籽棉壓實，提高棉箱利用率。自20世紀90年代以來，EDEM對顆粒流與機構之間的仿真廣泛應用于散粒物料與農業機械相互作用及散粒農業物料的流動領域。Van Liedekerke 等提出使用離散單元法建立從顆粒流出容器到分別落于水平和傾斜旋轉圓盤上的模型；Suzuki M 等建立了稻谷和糙米的振動分離二維離散元模型； Boac J M等利用離散單元法對谷物收獲后處理進行建模與仿真[5-7]。國內學者利用EDEM軟件進行了收割機谷物攪龍輸送效率的仿真研究，各類排種器工作過程、振動種盤中水稻種群運動規律研究及對肥料調配裝置關鍵部件參數優化等均進行了仿真及分析[8-15]，但基于EDEM軟件對籽棉與其收獲機械，特別是壓實攪龍機構對籽棉的壓縮作用未見報道。本文在籽棉均勻喂入的條件下建立了壓實攪龍下物料流動的三維分析模型，利用EDEM軟件對其進行了數值仿真模擬與分析，所得結果將為棉箱壓實攪龍的結構設計提供指導。

1 EDEM軟件

EDEM是世界上第一款基于離散元技術的通用CAE軟件，通過模擬散狀物料加工處理過程中顆粒體系的行為特征，協助設計人員對各類散料處理設備進行設計、測試和優化[16]，可用于復雜生產機械的設計、優化，模擬分析散料顆粒的處理和制造過程[17]。用戶可以利用EDEM建立固體顆粒的參數化模型，或導入真實顆粒的CAD模型，賦予其機械、材料和其他的物理屬性來建立顆粒模型進行分析。EDEM能夠結合現有的其他CAE工具來模擬顆粒與流體、顆粒與結構的相互作用，并且在模擬過程中把生成的數據儲存到相應的數據庫中。EDEM為后處理過程提供了數據分析工具和顆粒流的三維可視化工具，用戶可以查看、繪制任何變量的圖形。

由于本次的研究對象為籽棉顆粒，其在棉箱壓實攪龍的實際中的運動行為和力學行為都比較復雜，運用EDEM 軟件可獲得顆粒受力、運動軌跡及顆粒間相互作用等試驗比較難測得的信息，為攪龍壓實機構的設計及參數優化提供參考。

2 離散元仿真模型

2.1 攪龍壓實機構工作原理

棉箱攪龍壓實機構三維圖如圖1所示。其由兩段不同螺徑、不同螺距的攪龍及刮板組合而成，在棉箱中達到將堆積的籽棉均勻、壓縮以增大棉箱儲存量的目的。

圖1 壓實攪龍機構三維圖

攪龍壓實機構工作原理為：在采棉機工作過程中，風機將采摘清選后的籽棉吹入棉箱，由于受到自身重力及風機吹送的影響，籽棉會落入棉箱后部，隨著采摘量的增多，籽棉于棉箱后部堆積，此時攪龍開始旋轉工作。旋轉時，籽棉受到螺旋葉片的推力的作用沿螺旋面滑動，進而實現籽棉沿螺旋軸方向輸送。籽棉隨著攪龍壓實機構的旋轉不斷被向前推進，籽棉推送至棉箱頭部后速度逐漸減低直至停止，使得先進入攪龍內的籽棉向前行進的速度慢慢地降下來，而后進入攪龍的籽棉以相對比較快的速度相繼而來，形成了籽棉在攪龍內的相互擠壓。另一方面，定體積的棉箱隨著籽棉量逐漸的增加，造成了空間體積的逐漸縮小，從棉箱進料端到棉箱尾端攪龍內的空間體積逐漸縮小，因此越到后面，籽棉在攪龍內前進越困難；但是攪龍葉片的推進作用卻一直連續著，籽棉仍然在連續地進入棉箱，前阻后推地使籽棉受到壓縮。

2.2 攪龍壓實機構模型

采用 EDEM 2. 3 軟件進行棉箱攪龍壓實機構作用下籽棉壓縮的建模仿真。為便于仿真分析，減小仿真顆粒數目，僅對攪龍壓實機構對籽棉的壓縮作用進行模擬仿真，故將棉箱尺寸縮小，并將籽棉運動過程中與接觸無關的部件簡化。攪龍壓實機構模型在 Pro /E 中建立后導入到EDEM，如圖 2所示。在 EDEM 軟件中，可以對攪龍的轉動速度加以定義，當攪龍小于100r/min時，攪龍對物料產生弱剪切[18]。為減少機構作用對棉纖維的剪切力而造成的磨損，機構攪龍壓實機構轉速選擇為60r/min勻速圓周運動。

因主要分析壓實攪龍機構對籽棉的作用，為減少籽棉顆粒總數及于棉箱間碰撞的計算量將棉箱尺寸縮小并簡化，簡化后的棉箱尺寸設2 000mm×400mm×400mm，在EDEM中以box模型建立外部棉箱。

圖2 EDEM中的壓實攪龍機構模型

2.3 籽棉模型

EDEM中的基本元素—球用來仿真籽棉顆粒。為了平衡計算機的計算能力和仿真時間，本研究采用的籽棉顆粒大小為30mm，在棉箱內部分兩個部分共生成7 000個籽棉顆粒。顆粒工廠分兩部分生成：第1部分顆粒工廠在前2s內生成為籽棉落入棉箱，較為均勻地鋪于棉箱底部，但距壓實攪龍機構有一定距離；第2部分顆粒工廠在5s中持續產生籽棉，籽棉在風機的吹送作用下堆積與棉箱尾部，與壓實攪龍機構開始接觸。

2.4 接觸模型

籽棉近似球形，由于籽棉棉纖維天然的扭曲使得棉纖維間相互勾拉、纏繞，因此籽棉與棉箱、壓實攪龍間及籽棉與籽棉間發生相對運動時就會產生較大的拉力及摩擦力[19]。為模擬顆粒間的纏繞力，選擇Hertz-Mindlin無滑動接觸模型及Linear Cohesion線性黏附接觸模型來模擬籽棉顆粒間的相互作用，選擇Hertz-Mindlin無滑動接觸模型模擬籽棉與壓實攪龍之間的接觸模型。籽棉與籽棉及籽棉與壓實攪龍、棉箱的恢復系數、靜摩擦因數、動摩擦因數分別為0.05、0.55、0.15、0.1、0.45、0.2。本文為減少計算機的計算量，忽略極少量的雜質，采用瑞利波法確定時間步長為1.6 × 10-4s。

3 仿真結果及分析

3.1 仿真結果

對試驗結果顆粒的圧縮力進行分析，顆粒所受到的壓縮力將決定籽棉密度，即同等體積的棉箱的載重量。籽棉在棉箱中在壓實攪龍的作用下進行的運動過程是摩擦力、擠壓力和離心力等聯合作用的結果，較大的壓縮力反映顆粒間具有較大擠壓滑移力。在保證接觸力低于籽棉纖維破壞力的前提下[20]，更高的平均接觸力將使得整體的籽棉顆粒流獲得更高的密度，即采棉機更大的容載量。不同時間的籽棉壓縮仿真如圖3所示。

圖3 不同時間的籽棉壓縮仿真圖

由圖3可知：壓實攪龍對堆積于棉箱的籽棉推送作用明顯。仿真進行3s時，仿真圖如圖3(a)所示，此時籽棉顆粒于棉箱底部均勻散落，棉箱尾部有部分籽棉堆積。仿真進行7s時，如圖3(b)所示，籽棉顆粒仍繼續產生，在棉箱尾部堆積現象嚴重，棉箱頭部僅由大徑攪龍推送部分箱底部籽棉形成堆積。仿真進行11s時，如圖3(c)所示，此時籽棉顆粒已停止產生，堆積于棉箱尾部的籽棉在壓實攪龍的作用下向前推移，棉箱尾部的籽棉堆積量減少，棉箱頭部的籽棉堆積量顯著增加。仿真進行15s時，如圖3(d)所示，棉箱尾部籽棉量與箱中部基本持平，籽棉在壓實攪龍的作用下于棉箱頭部堆積，此時籽棉承受壓實攪龍推送作用及籽棉顆粒間的擠壓作用。變徑壓實攪龍機構由于攪龍直徑前大后小，對于堆積在棉箱尾部的籽棉由小徑攪龍以穩定的輸送量向前推送，前段大徑攪龍，將大量的籽棉推送壓縮，變徑攪龍階段性推送，壓實效果良好。

3.2 仿真分析

在后處理器中選擇顏色標識，并將屬性著色設定為以顆粒所受的壓縮力大小不同進行著色，得出籽棉顆粒所受圧縮力的著色圖如圖4所示。

圖4 籽棉壓縮力著色圖

在整個壓縮推送階段過程中，可根據圖中仿真得出的壓縮力均值對各部分進行分析。在圖4中可以觀察到：3s時的圧縮力著色圖如圖4(a)所示，由籽棉顆粒于受到攪龍壓實尾部的刮板作用，棉箱尾部部分籽棉圧縮力較大，棉箱頭部圧縮力較小。7s時的圧縮力著色圖如圖4(b)所示，隨著籽棉顆粒數量增加，在棉箱尾部堆積的籽棉受到籽棉間圧縮力及刮板共同作用圧縮力顯著增加，棉箱頭部籽棉僅與攪龍大徑接觸處圧縮力較大。11s時的圧縮力著色圖如圖4(c)所示，此時籽棉顆粒不再增加處于推送階段，棉箱中與壓實攪龍接觸處的籽棉圧縮力較大，且棉箱頭部的籽棉承受攪龍推送及后部籽棉推擠作用圧縮力增加。15s時的圧縮力著色圖如圖4(d)所示，棉箱頭部的籽棉承受壓實攪龍籽棉顆粒間的共同壓縮，籽棉圧縮力顯著增加。

在后處理器中選擇線形圖，并將x軸設定為仿真時間，y軸設定為顆粒總量所受的圧縮力，得出總壓縮力和時間的關系如圖 5所示。

圖5 籽棉總壓縮力線性圖

由圖5可以看出：在前6s籽棉顆粒的總壓縮力勻速增加，在6～12s間趨于平緩，12s后總壓縮力快速增加。主要原因是：在前6s，籽棉顆粒數量仍在增加，除了壓實攪龍的尾端的刮板推刮作用對籽棉產生的圧縮力外，籽棉顆粒間的擠壓力、附著力、纏繞力也隨著籽棉數量的增加而增大；在6～12s間，總壓縮力主要包括壓實攪龍對籽棉的推送壓縮力及籽棉移動間的纏繞力，由于籽棉數目不再增加，總壓縮力趨于平緩，此時處于推送階段；12s后，雖籽棉數量沒有增加，但在壓實攪龍的推送下，籽棉于棉箱前端堆積相互擠壓，籽棉顆粒間的壓縮力顯著增加，故籽棉的總壓縮力快速增加。

4 結論

1)由仿真結果可知：仿真開始時，隨著籽棉顆粒數量增加，除了壓實攪龍的尾端的刮板推刮作用對籽棉產生的圧縮力外，籽棉顆粒間的擠壓力、附著力、纏繞力也隨著籽棉數目的增加而增大；當籽棉數量不再增加時，此時處于推送階段，總壓縮力趨于平緩；推送階段結束后，籽棉數量沒有增加，但在壓實攪龍的推送下，籽棉于棉箱前端堆積相互擠壓，籽棉顆粒間的壓縮力顯著增加，故籽棉的總壓縮力快速增加。

2)變徑壓實攪龍機構由于攪龍直徑前大后小，對于堆積在棉箱尾部的籽棉由后端小徑攪龍以穩定的輸送量向前推送，前端大徑攪龍將大量的籽棉推送壓縮。結果表明：變徑攪龍階段性推送、壓實效果良好，壓實攪龍機構的仿真模型可為其結構參數的設計提供理論參考。

[1] 中國農業年鑒編輯委員會.中國農業機械化年鑒[M].北京：中國農業科學技術出版社, 2014.

[2] 周海燕,孫玉峰,楊炳南,等.我國棉花收獲機械應用現狀及展望[J]. 農業工程,2015,5(3):16-18.

[3] 陳永毅. 我國棉花收獲機械化的回顧與展望[J]. 農業機械, 2000(7):14-15.

[4] 樊建榮.采棉機的研究現狀和發展趨勢[J].機械研究與應用,2011(1):1-4.

[5] Liedekerke P V, Tijskens E, Dintwa E, et al. DEM simulations of the particle flow on a centrifugal fertilizer spreader[J]. Powder Technology, 2009, 190(3):348-360.

[6] Suzuki M, Sakaguchi E, Kawakami S, et al. Discrete Element Simulation of Shaking Separation of Paddy and Brown Rice : Effectiveness of Elliptical Element model[J]. Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery, 2002, 64：94-100.

[7] Boac J M, Ambrose R P K, Casada M E, et al. Applications of discrete element method in modeling of grain postharvest operations[J].Food Engineering Reviews, 2014, 6(4):128-149.

[8] 楊洋, 程亞民, 王志剛,等. 用EDEM對收割機谷物攪龍輸送效率的仿真研究[J].農家顧問,2015(6):151-152.

[9] 劉濤,何瑞銀,陸靜,等.基于EDEM的窩眼輪式油菜排種器排種性能仿真與試驗[J].華南農業大學學報, 2016,37(3)：126-132.

[10] 廖慶喜,張朋玲,廖宜濤,等.基于EDEM的離心式排種器排種性能數值模擬[J].農業機械學報, 2014, 45(2):109-114.

[11] 史嵩, 張東興,楊麗,等. 基于EDEM軟件的氣壓組合孔式排種器充種性能模擬與驗證[J].農業工程學報, 2015(3):62-69.

[12] 馮常建, 畢陽, 胡文威,等.基于EDEM數值模擬的沙棘脫果滾筒篩仿真試驗[J].林業機械與木工設備, 2016, 44(6)：34-37.

[13] 頓國強,陳海濤,馮夷寧,等.基于EDEM軟件的肥料調配裝置關鍵部件參數優化與試驗[J].農業工程學報, 2016, 34(7)：36-42.

[14] 陳進,周韓,趙湛,等.基于EDEM的振動種盤中水稻種群運動規律研究[J].農業機械學報,2011,42(10):79-83.

[15] 張宇,李成華,紀玉杰,等.鏟式玉米播種機清種過程的離散元仿真分析[J].沈陽理工大學學報,2015,4(1):1-4.

[16] 海基科技.基于離散元技術的EDEM軟件詳解[J].Cad/cam與制造業信息化,2012(5):36-40.

[17] 中國農業機械化科學研究院.農業機械設計手冊[M].北京:中國農業科技出版社,2007.

[18] 佚名. 顆粒力學模擬軟件——EDEM[C]//中國顆粒學會2006年年會暨海峽兩岸顆粒技術研討會論文集.北京：中國顆粒學會，2006.

[19] 魏娟, 高世江, 夏強. 棉花加工與除雜[J].中國棉花加工, 2006(3):25-29.

[20] Privas E, Gawrysiak G, Lapeyre M E, et al. Influence of cotton variety on compression and destructuration abilities under elevated pressure[J].Cellulose,2013, 20(3):1013-1022.

Simulation and Analysis on Compression Effect of Screw Conveyor in the Hopper on Seed Cotton

Kong Fanting, Shi Lei, Zhang Yutong ,Chen Changlin, Sun Yongfei , Xie Qing, Huang Mingsen

(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture ,Nanjing 210014,China)

A discrete element simulation model is established with EDEM for compaction screw conveyor in the hopper. And simulation analysis on compression process of seed cotton during Working Process of compaction screw conveyor which provides guidance for structure design of compaction screw conveyor. Simulation results show that the compaction force of seed cotton produced by push function of compaction screw conveyor, and seed cotton compressions, adhesion, twisting force between particles are increased with the increase of the number of seed cotton. While the number of seed cotton no longer increases, seed cotton inter-atomic forces, smaller total compression force leveling off during the push stage. After the push stage, although seed cotton quantity does not increase, but under compaction stir the push of the compaction screw conveyor, seed cotton accumulation and extrusion in the front of hopper, the compression force of seed cotton increased significantly, so the total compression force of seed cotton rapidly increasing. Variable diameter compaction stir dragon institutions due to beat the dragon former after the small diameter, the accumulation in cotton seed cotton at the end of the box by the trail stirring dragons to stabilize the throughput of push forward, the front big diameter stirring the dragon will be a lot of seed cotton push compression, variable diameter compaction screw conveyor shows good effect on periodically push and compaction.

seed cotton compression； compaction screw conveyor； EDEM simulation

2016-08-24

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B02)；中國農業科學院創新工程-莖稈類收獲機械(2016-2020)

孔凡婷(1989-)，女，哈爾濱人，助理研究員，(E-mail)kongfanting1989@163.com。

S225.9+1;S220.3

A

1003-188X(2017)10-0077-05