基于EDEM_Recurdyn耦合的馬鈴薯干式清土裝置仿真分析*

紀(jì)龍龍，謝煥雄，楊紅光，魏海，顏建春，申海洋

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

馬鈴薯是茄科茄屬一年生草本植物，又名為土豆、洋芋等，是世界重要的糧食作物之一[1-2]。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2018年中國馬鈴薯收獲總產(chǎn)量達(dá)9 032.1萬t，總面積達(dá)4 814 khm2，總產(chǎn)量占世界的24.5%，種植面積占27.4%，總產(chǎn)量和種植面積均居世界第一[3]。

采后清洗是馬鈴薯實(shí)現(xiàn)后續(xù)加工作業(yè)的必要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)作業(yè)效果直接影響馬鈴薯加工產(chǎn)品質(zhì)量[4-6]。近年來，國內(nèi)對(duì)馬鈴薯干式清土除雜設(shè)備的研究主要有王相友等[7]設(shè)計(jì)了一款通過清選彈簧輥和橡膠撥齒輥進(jìn)行清選分級(jí)作業(yè)的馬鈴薯清選機(jī)，通過田間三因素四水平正交試驗(yàn)確定了機(jī)器工作的最優(yōu)參數(shù)；張永志等[8]改進(jìn)尼龍刷輥形狀，并依此設(shè)計(jì)了一種輥式馬鈴薯清選分級(jí)機(jī)，依據(jù)均勻設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)了田間試驗(yàn)確認(rèn)了設(shè)備最佳工作參數(shù)；劉權(quán)磊[9]等研究設(shè)計(jì)了一款可與馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)配套使用的二次清選分離裝置，并按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了大量田間試驗(yàn)對(duì)整機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。如前所述，對(duì)馬鈴薯清土除雜設(shè)備的研制方法多為通過大量場(chǎng)地試驗(yàn)來得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，受季節(jié)影響嚴(yán)重，且耗費(fèi)時(shí)間長、研發(fā)成本大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，各類仿真軟件日漸趨于成熟，有限元和離散元等仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的研發(fā)過程中，有效地縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了研發(fā)成本[10-11]。

本文以馬鈴薯干式清土裝置為研究目標(biāo)，通過SolidWorks2018建立清土裝置簡(jiǎn)化后的三維模型，將模型導(dǎo)入Recurdyn軟件，利用Recurdyn軟件中的柔性化模塊將毛刷輥轉(zhuǎn)化為柔性體并與EDEM軟件耦合建立離散元仿真模型，對(duì)馬鈴薯干式清土裝置的清土過程進(jìn)行數(shù)值模擬。以馬鈴薯干式清土裝置的毛刷輥轉(zhuǎn)速、橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速、喂入量為試驗(yàn)因素，以馬鈴薯在裝置內(nèi)的碰撞次數(shù)和受力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析馬鈴薯輸送的順暢性和馬鈴薯損傷程度的變化。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，馬鈴薯干式清土裝置主要由進(jìn)料口、抖動(dòng)機(jī)構(gòu)、橡膠鏈桿機(jī)構(gòu)、四組錯(cuò)位刷輥機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、變頻電機(jī)、出料口、機(jī)架等組成。

圖1 馬鈴薯干式清土裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理與主要技術(shù)參數(shù)

該清土裝置依靠電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。作業(yè)時(shí)，馬鈴薯經(jīng)輸送機(jī)送到進(jìn)料口，在重力作用下馬鈴薯滑落到橡膠鏈桿機(jī)構(gòu)上，該機(jī)構(gòu)與抖動(dòng)機(jī)構(gòu)配合，將輸送來的馬鈴薯與泥塊、小石塊、根莖實(shí)現(xiàn)分離，泥塊、石塊、根莖等會(huì)從橡膠桿之間的縫隙落到地面，而留在橡膠鏈桿上的馬鈴薯會(huì)被輸送到毛刷輥處。被輸送到毛刷輥處的馬鈴薯在毛刷輥和橡膠鏈桿間滾動(dòng)，馬鈴薯不斷與毛刷輥和橡膠桿摩擦從而將馬鈴薯表面泥土除去。薯土分離后的馬鈴薯由出料口落入后續(xù)水洗設(shè)備中進(jìn)行后續(xù)清洗作業(yè)。該機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 馬鈴薯干式清土裝置主要技術(shù)參數(shù)

2 簡(jiǎn)化模型建立

2.1 整機(jī)簡(jiǎn)化模型建立

馬鈴薯干式清土裝置主要工作部件為抖動(dòng)機(jī)構(gòu)、橡膠鏈桿機(jī)構(gòu)和四組錯(cuò)位刷輥機(jī)構(gòu)，而通過前期預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抖動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)橡膠鏈桿抖動(dòng)對(duì)于去除馬鈴薯表面泥土的作用較小，且此過程不易造成馬鈴薯損傷，因此為了便于仿真計(jì)算，對(duì)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖2所示。簡(jiǎn)化模型保留四組錯(cuò)位刷輥機(jī)構(gòu)、機(jī)架兩側(cè)板及進(jìn)料口，將橡膠鏈桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為皮帶輸送，去掉抖動(dòng)機(jī)構(gòu)和其他機(jī)構(gòu)。

圖2 馬鈴薯干式清土裝置簡(jiǎn)化模型圖

現(xiàn)實(shí)中毛刷輥是柔性體，其在工作過程中與馬鈴薯接觸會(huì)產(chǎn)生較大變形，而在EDEM離散元仿真軟件中建立的模型是剛性體，無法產(chǎn)生變形，不能滿足仿真需求。Recurdyn多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件具有世界領(lǐng)先的柔性體動(dòng)力學(xué)分析模塊，非常適合求解柔性體產(chǎn)生較大變形的問題，將建好的整機(jī)模型導(dǎo)入Recurdyn軟件，利用Recurdyn軟件中Flexible柔性化模塊將模型中的毛刷輥轉(zhuǎn)化為柔性體，再利用Recurdyn軟件中耦合接口將EDEM與Recurdyn耦合建立離散元仿真模型。

2.2 馬鈴薯顆粒模型建立

我國馬鈴薯種類繁多，而不同品種馬鈴薯外形尺寸差異較大，所以在馬鈴薯建模之前對(duì)我國北方廣泛種植的荷蘭15號(hào)馬鈴薯外形尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為馬鈴薯建模提供理論數(shù)據(jù)支持。

馬鈴薯主要有如圖3所示的圓形、橢圓形和不規(guī)則形，為方便測(cè)量，統(tǒng)一采用長、寬、厚來描述馬鈴薯形狀和尺寸，如圖4所示[12-13]。

圓形

(a) 圓形薯塊

為保證實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)性，從購買的馬鈴薯中隨機(jī)選取100個(gè)進(jìn)行長、寬、厚三個(gè)方向尺寸測(cè)量，游標(biāo)卡尺選用上匠數(shù)顯游標(biāo)卡尺，測(cè)量范圍0～200 mm，精度0.03 mm，分辨率0.01 mm。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，游標(biāo)卡尺的兩個(gè)外量抓按照?qǐng)D4所示的長、寬、厚方向與馬鈴薯塊莖相切，最后將每一個(gè)馬鈴薯三軸尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并繪制尺寸分布直方圖。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。從圖5中可以看出長、寬、厚的尺寸分布基本服從正態(tài)分布，其中長度范圍集中在90～120 mm，占統(tǒng)計(jì)數(shù)量76%；寬度范圍集中在55～85 mm，占統(tǒng)計(jì)數(shù)量88%；厚度范圍集中在45～75mm，占統(tǒng)計(jì)數(shù)量88%。如表2所示，長、寬、厚的標(biāo)準(zhǔn)差分別為12.95、9.9、8.86，表明數(shù)值之間的離散程度較大；變異系數(shù)分別為12.39%、13.95%、14.16%，數(shù)值均大于10%，表明馬鈴薯塊莖不同個(gè)體之間的長寬厚數(shù)值差異較大，但還是服從正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，有一定的數(shù)值集中區(qū)域；薯形指數(shù)的平均值為1.49、標(biāo)準(zhǔn)差為0.19，表明數(shù)值之間的離散程度較小，馬鈴薯的形狀接近于橢球形。

(a) 長度尺寸

表2 馬鈴薯塊莖基本特征參數(shù)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果建立荷蘭15號(hào)馬鈴薯顆粒模型，如圖6所示，其長為87 mm，寬為65 mm，厚為60 mm，外形接近橢球形。為真實(shí)的模擬馬鈴薯干式清土裝置的工作過程，顆粒工廠隨機(jī)生成不同大小的馬鈴薯顆粒，其中0.8倍顆粒占20%、1倍顆粒占54%、1.3倍顆粒占24%、1.5倍顆粒占2%。

圖6 馬鈴薯顆粒模型

3 仿真模型參數(shù)確定

仿真過程中馬鈴薯顆粒與簡(jiǎn)化模型不斷發(fā)生力的作用，故仿真所選擇的物理特性參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果有著較大的影響，因此通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[14-15]，確定了仿真參數(shù)設(shè)置，如表3所示。

表3 材料參數(shù)設(shè)置

4 仿真結(jié)果分析

圖7是馬鈴薯干式清土裝置工作過程的仿真模擬，從仿真過程中可以清楚的觀測(cè)到馬鈴薯顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及馬鈴薯顆粒輸送的順暢性，同時(shí)通過EDEM后處理模塊可以測(cè)得不同參數(shù)下馬鈴薯受力大小、碰撞接觸次數(shù)、顆粒瞬時(shí)速度、工作部件受力等數(shù)據(jù)，以此來確定最優(yōu)參數(shù)。

圖7 仿真過程模擬圖

馬鈴薯在清土過程中受到的損傷主要為馬鈴薯表皮的擦傷，損傷主要由馬鈴薯相互之間以及橡膠鏈桿和毛刷輥對(duì)馬鈴薯的碰撞、擠壓、摩擦等造成的。因此了解馬鈴薯干式清土裝置對(duì)馬鈴薯造成損傷的主要影響因素，對(duì)研究馬鈴薯干式清土裝置各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)具有重要意義。下文將從毛刷輥轉(zhuǎn)速、橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速、喂入量三個(gè)方面進(jìn)行仿真試驗(yàn)，明確損傷機(jī)理，確定最優(yōu)參數(shù)。

4.1 毛刷輥轉(zhuǎn)速對(duì)馬鈴薯受力和碰撞的影響

在橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速為25 r/min，喂入量為4 t/h時(shí)，對(duì)第一、三毛刷輥轉(zhuǎn)速分別取30 r/min、40 r/min、50 r/min，第二、四毛刷輥轉(zhuǎn)速分別取42 r/min、56 r/min、70 r/min(第二、四毛刷輥與第一、三毛刷輥轉(zhuǎn)速比為1.4)進(jìn)行仿真模擬。

因?yàn)镋DEM不能從馬鈴薯顆粒表面看出顆粒受損情況，因此只能以顆粒受力和碰撞次數(shù)作為指標(biāo)來評(píng)價(jià)馬鈴薯受損情況[16]。通過EDEM后處理模塊中Setup Selections中的Manual selection選項(xiàng)，隨機(jī)選擇仿真過程中的1個(gè)馬鈴薯顆粒，分析其在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中與毛刷輥、橡膠鏈桿、機(jī)具側(cè)壁和其他馬鈴薯顆粒的碰撞受力(圖8)，同時(shí)通過Setup Selections選項(xiàng)中的Grid Bin Group統(tǒng)計(jì)第一、二毛刷輥之間馬鈴薯顆粒碰撞次數(shù)(圖9)。由于馬鈴薯顆粒在毛刷輥和橡膠鏈桿處的受力情況比較復(fù)雜，因此可以通過受力峰值大小及峰值出現(xiàn)頻率來分析。

如圖8、圖9所示，當(dāng)毛刷輥轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)，馬鈴薯顆粒受力最小，峰值最大約在25 N左右，且峰值出現(xiàn)頻率較少，馬鈴薯顆粒之間的碰撞次數(shù)也比較適中。當(dāng)毛刷輥轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，毛刷輥轉(zhuǎn)速較慢，馬鈴薯在一、二毛刷輥之間出現(xiàn)擁堵，馬鈴薯之間的碰撞擠壓次數(shù)增多，使得馬鈴薯的受力增大，同時(shí)碰撞次數(shù)增多使得顆粒受力變化幅度較大，馬鈴薯容易產(chǎn)生損傷。當(dāng)毛刷輥轉(zhuǎn)速為50 r/min時(shí)，馬鈴薯顆粒在毛刷輥之間輸送較快，不會(huì)出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，馬鈴薯之間的碰撞次數(shù)較少，但是速度增加使得馬鈴薯之間及馬鈴薯與機(jī)架側(cè)壁、毛刷輥、橡膠鏈桿的碰撞力變大，馬鈴薯容易產(chǎn)生損傷。

圖8 毛刷輥轉(zhuǎn)速不同時(shí)馬鈴薯受力變化曲線圖

圖9 毛刷輥轉(zhuǎn)速不同時(shí)馬鈴薯碰撞次數(shù)變化曲線圖

4.2 橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速對(duì)馬鈴薯受力和碰撞的影響

在第一、三毛刷輥轉(zhuǎn)速取40 r/min，第二、四毛刷輥轉(zhuǎn)速取56 r/min，喂入量為4 t/h時(shí)，對(duì)橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速分別取15 r/min、25 r/min、35 r/min進(jìn)行仿真模擬。仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。

從圖10可以看出不同橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速下馬鈴薯顆粒所受力的峰值差異較小，從圖11可以看出橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速慢時(shí)顆粒碰撞次數(shù)要小于轉(zhuǎn)速快時(shí)顆粒碰撞次數(shù)，通過分析可知，橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速越低馬鈴薯就越不容易造成損傷，而橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速較慢時(shí)，為使馬鈴薯在橡膠鏈桿上均勻鋪放而不重疊必須減少喂入量，這會(huì)使得馬鈴薯干式清土裝置工作效率降低，綜合考慮選擇橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速為25 r/min時(shí)作業(yè)效果較好。

圖10 橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速不同時(shí)馬鈴薯受力變化曲線圖

圖11 橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速不同時(shí)馬鈴薯碰撞次數(shù)變化曲線圖

4.3 喂入量對(duì)馬鈴薯受力和碰撞的影響

喂入量對(duì)于馬鈴薯干式清土裝置具有重要意義，低于3 t/h設(shè)備達(dá)不到工作效率要求，高于5 t/h設(shè)備容易造成阻塞，故在第一、三毛刷輥轉(zhuǎn)速取40 r/min，第二、四毛刷輥轉(zhuǎn)速取56 r/min，橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速取25 r/min時(shí)，對(duì)喂入量分別取3 t/h、4 t/h、5 t/h進(jìn)行仿真模擬。仿真結(jié)果如圖12、圖13所示。

從圖12、圖13可知，當(dāng)喂入量為3 t/h時(shí)馬鈴薯顆粒受力和顆粒碰撞次數(shù)均明顯低于4 t/h、5 t/h，且從EDEM可視化窗口可以看出，當(dāng)喂入量為3 t/h時(shí)馬鈴薯顆粒在設(shè)備中具有良好的輸送順暢性，當(dāng)喂入量為5 t/h時(shí)毛刷輥無法及時(shí)輸送馬鈴薯，馬鈴薯在毛刷輥之間就會(huì)造成擁堵，馬鈴薯受力較大，容易造成損傷，因此喂入量為3 t/h作業(yè)效果好。

圖12 喂入量不同時(shí)馬鈴薯受力變化曲線圖

圖13 喂入量不同時(shí)馬鈴薯碰撞次數(shù)變化曲線圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)材料與方法

2019年11月以從市場(chǎng)購買的經(jīng)過倉儲(chǔ)的“荷蘭15號(hào)”馬鈴薯為清洗對(duì)象，馬鈴薯的含水率為80.12%，馬鈴薯表面泥土的含水率為9.23%，在江蘇省泰州市江蘇李工果蔬機(jī)械有限公司試驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)儀器設(shè)備主要有馬鈴薯干式清土裝置、電子天平、卷尺、轉(zhuǎn)速表等，試驗(yàn)過程如圖14所示。

(a) 馬鈴薯干式清土裝置實(shí)物圖

5.2 結(jié)果分析

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，對(duì)毛刷輥轉(zhuǎn)速、橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速、喂入量按照上述仿真水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)驗(yàn)證[17-18]，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，馬鈴薯干式清土裝置在第一、三毛刷輥轉(zhuǎn)速為40 r/min、第二、四毛刷輥轉(zhuǎn)速為56 r/min，橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速為25 r/min，喂入量為3 t/h時(shí)作業(yè)效果較好。

表4 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

6 結(jié)論

1) 對(duì)我國北方廣泛種植的荷蘭15號(hào)馬鈴薯外形尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為馬鈴薯建模提供理論數(shù)據(jù)支持。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)知馬鈴薯長、寬、厚的尺寸分布基本服從正態(tài)分布，其中長度范圍集中在90～120 mm,占統(tǒng)計(jì)數(shù)量76%；寬度范圍集中在55～85 mm，占統(tǒng)計(jì)數(shù)量88%；厚度范圍集中在45～75 mm，占統(tǒng)計(jì)數(shù)量88%；薯形指數(shù)的平均值為1.49、標(biāo)準(zhǔn)差為0.19，表明數(shù)值之間的離散程度較小，馬鈴薯的形狀接近于橢球形。

2) 通過SolidWorks2018建立清土裝置簡(jiǎn)化后的三維模型，將模型導(dǎo)入Recurdyn軟件，利用Recurdyn軟件與EDEM軟件耦合建立離散元仿真模型，對(duì)馬鈴薯干式清土裝置的清土過程進(jìn)行仿真模擬。通過仿真結(jié)果分析得出，馬鈴薯干式清土裝置在第一、三毛刷輥轉(zhuǎn)速為40 r/min，第二、四毛刷輥轉(zhuǎn)速為56 r/min，橡膠鏈桿轉(zhuǎn)速為25 r/min，喂入量為3 t/h時(shí)馬鈴薯輸送流暢性較好，碰撞受力較小。

3) 利用樣機(jī)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，表明利用EDEM對(duì)樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是可行的，該研究可為以后馬鈴薯清洗或清土裝置研究提供一定的參考。