基于EDEM-RecurDyn耦合的玉米剝皮裝置仿真分析與試驗*

王善博，阿力木·買買提吐爾遜，，黃強斌，師邀兵，李謙緒，杜志高

(1.新疆農業大學機電工程學院,烏魯木齊市,830052;2.新疆新研牧神科技有限公司,烏魯木齊市,830013)

0 引言

玉米是我國重要糧食作物之一,2022年國內玉米總產量為2.77×1012t,相較2021年增長1.7%,這表明我國玉米種植業仍有發展潛力[1]。剝皮是玉米收獲過程中的重要環節,收獲的玉米若不及時剝皮,籽粒就會因無法及時干燥而霉變,導致產量受損[2]。現階段,我國玉米機械化收獲以果穗收獲為主[3],市面上的玉米果穗收獲機能一次性完成玉米的摘穗、剝皮與裝箱工作,剝皮裝置是此類玉米收獲機的重要部件,它的性能影響著所收玉米的品質。

由于玉米適收期短,研究工作總是受時間限制,近些年來國內采用ANSYS或EDEM軟件在結構強度、振動模態、物料流等方面對玉米剝皮機進行了相當多的仿真試驗[4],田鈺瑄等利用EDEM軟件進行仿真試驗,得出了導板間夾角、螺紋滾軸轉速、螺紋間距的最優參數;李海山通過ANSYS靜力學仿真,將膠輥更換為鐵輥,通過在鐵棍上鑲嵌橡膠的剝皮塊代替膠輥,在保證玉米籽粒破損率較低的同時也滿足剝皮輥變形小的要求;王新年等利用虛擬樣機優化了剝皮機體積,使其更加靈活。但因玉米剝皮機的壓送輪為柔性材質,在實際工作與玉米果穗接觸時,會發生很大的變形,ANSYS和EDEM軟件都很難對它建立柔性化模型。

針對以上問題,本文以牧神4YZB-4D型自走式玉米收獲機所配套的玉米剝皮裝置為研究對象,分析剝皮機剝皮原理,使用RecurDyn軟件對剝皮機壓送器進行柔性化處理,并與EDEM軟件進行耦合,建立離散元仿真模型。以玉米剝皮機壓送器和剝皮輥轉速為試驗因素,以玉米果穗受力和繞自身軸向的轉動速度為指標,對剝皮機進行仿真分析,并通過臺架試驗驗證仿真的可信性。

1 玉米剝皮裝置結構與工作原理

1.1 整機結構

如圖1所示,玉米剝皮裝置由橡膠輥、鑄鐵橡膠組合輥、間隙調節裝置、壓送器、分配裝置、機架、喂料口、護壁等組成。其中壓送器由壓送輪和壓送器軸組成,壓送輪采用交錯布置,可提高與玉米果穗的接觸面積。

圖1 玉米剝皮裝置結構圖

常用的剝皮輥材料有鑄鐵和橡膠兩種。剝皮裝置有鑄鐵輥—鑄鐵輥,鑄鐵輥—橡膠輥,鑄鐵輥—鑄鐵橡膠組合輥,橡膠輥—鑄鐵橡膠組合輥等搭配方式[5]。如圖2所示,玉米剝皮機剝皮裝置采用橡膠輥—鑄鐵橡膠組合輥的搭配方式,兩剝皮輥表面紋路差異使得它們對果穗摩擦力的大小不同,從而使果穗能夠在前進過程中繞自身軸線旋轉,達到提高剝凈率的目的。剝皮輥上方設置有可拆卸蓋板,用于調節剝皮輥工作長度,蓋住蓋板時,剝皮輥工作區域為全膠段,用于作業含水率較高的玉米果穗。

圖2 橡膠輥—鑄鐵橡膠組合輥搭配示意圖

1.2 工作原理

玉米剝皮裝置工作時,果穗從喂料口進入剝皮裝置,分配裝置分配果穗,同時壓送器在玉米進給方向上繞自身轉軸旋轉,撥動玉米果穗,橡膠輥、鑄鐵與橡膠組合輥相向轉動,抓取剝落玉米苞葉[6]。如圖3所示,剝皮輥工作表面與果穗苞葉間的摩擦力為T1和T2,計算如式(1)～式(3)所示。

圖3 苞葉剝除原理圖

T1=f1N1

(1)

T2=f2N2

(2)

N1=N2=Qsinθ

(3)

式中:Q——果穗自身重力與壓送器對果穗所產生力的合力,N;

N1、N2——合力Q所引發的支持力,N;

f1、f2——兩剝皮輥工作面與苞葉摩擦系數;

θ——果穗自身重力與支持力的夾角,(°)。

隨著剝皮輥繼續旋轉,剝開的苞葉被向下扯斷,苞葉被扯斷時滿足式(4)。

Th>Pmax

(4)

式中:Th——兩輥對果穗苞葉切向摩擦力合力,N;

Pmax——苞葉與穗柄之間最大連接力,N。

如圖4所示,壓送器采用的星輪式結構,運送果穗的同時還可以防止果穗在剝皮過程中跳躍,增加果穗與剝皮輥之間的摩擦力,轉動的同時可以輔助剝皮輥撕開苞葉,從而起到提高剝凈率的作用[7]。

圖4 壓送輪結構及工作示意圖

2 仿真試驗與分析

2.1 剝皮裝置簡化模型建立

玉米剝皮裝置的主要工作部件為壓送器和剝皮機構,剝皮機有10組剝皮輥、5組壓送器,每組壓送器由21或22個壓送輪構成。結構參數及裝配參數如表1所示。

表1 剝皮裝置結構參數及裝配參數

仿真開始前在SolidWorks建立簡化模型,為減輕計算壓力,仿真模型在保證外形尺寸和零部件相對位置不變的基礎上,省略了分配裝置,每組壓送器保留1或2個壓送輪,同時只保留1組剝皮輥,設定剝皮輥上方有蓋板的工作模式,簡化后的仿真模型儲成IGS格式文件導入至EDEM軟件中,如圖5所示。將仿真模型中的壓送輪導入RecurDyn軟件中,為它添加轉動副,定義轉速、位置和材料屬性等信息,使用Flexible模塊將壓送輪改變成柔性體,打開RecurDyn中與EDEM軟件耦合的接口,生成WALL格式文件,在EDEM中選擇“Import Geometry from RecurDyn”將WALL文件導入到EDEM軟件中。

圖5 玉米剝皮裝置仿真模型

2.2 玉米果穗離散元模型建立

為了準確地建立玉米離散元模型,取品種為美豫22號的玉米果穗100個,測量穗長和徑向尺寸并進行統計,得到果穗尺寸的正態分布如圖6所示。

(a) 穗長統計

根據正態分布圖可知,玉米果穗平均平均穗長為202.7 mm,徑向尺寸為52.1 mm,徑向尺寸服從分布的標準差σ為2.4。根據平均徑向尺寸和穗長建立果穗三維模型,并導入EDEM軟件中,利用多球面法填充,建立玉米果穗顆粒模型如圖7所示。在EDEM軟件中設置玉米果穗模型粒徑半徑分布服從正態分布,標準差σ為2.4。

圖7 玉米果穗顆粒模型

2.3 材料屬性及接觸參數確定

查閱相關文獻[6-7]得知,玉米果穗、結構鋼與橡膠的材料屬性如表2所示,接觸參數如表3所示。

表2 材料屬性參數

表3 接觸參數

2.4 仿真試驗設計

剝皮裝置實際工作時果穗喂入速度為5 t/h[8],由于仿真簡化后只有一組剝皮裝置,因此仿真喂入速度取500 kg/h。對果穗添加沿-X和-Y方向的初始速度,-X方向速度等于玉米收獲機第一次升運器拋出玉米果穗的水平速度,大小設置為50 mm/s;-Y方向速度大小可根據式(5)、式(6)算出。

(5)

vy=gt

(6)

式中:h——剝皮裝置頂部與仿真中顆粒工廠間豎直距離,mm;

g——重力加速度,取9.8 m/s2;

t——果穗由仿真中顆粒工廠落到剝皮裝置頂部所用時間,s;

vy——-Y方向速度大小。

得出-Y方向速度大小vy等于45 mm/s。

設置仿真總時長為5 s,以剝皮輥、壓送輪轉速為試驗因素,根據剝皮裝置實際的轉速調節范圍設定三種仿真工作參數,如表4所示。

表4 仿真工作參數

仿真開始前,在RecurDyn的“Analysis”中勾選“Display Animation”,可使RecurDyn協同觀察到仿真過程中的情況,如圖8所示。

(a) EDEM仿真情況

2.5 仿真試驗評價標準及結果分析

2.5.1 仿真試驗評價標準

實際作業中,果穗落籽率及籽粒破損率與果穗受力情況有著直接關系,果穗受力越大或受力波動性越強,果穗越容易發生落籽,籽粒越容易破損[9-10]。而果穗剝凈率與果穗平均受力也有關,果穗受力越大,剝凈率可能就越高。此外,果穗剝凈率還與其繞自身軸線的轉速有關,果穗轉速越快,即果穗各個面與剝皮輥接觸的機會就越大時,剝凈率可能就越高[11-12]。仿真結束后,在每種工況里隨機選擇仿真過程中的一枚玉米果穗,在EDEM的Analyst模塊完成后處理,將結果導入EXCEL中進行統計。

2.5.2 果穗受力過程分析

以時間為橫坐標,果穗在剝皮裝置中所受力大小為縱坐標進行統計,如圖9所示。結果表明,就總體而言,當果穗剛進入剝皮裝置時,受到7.9 N左右的沖擊載荷,隨后受到5 N左右的平穩摩擦力向后滑動,之后在壓送輪撥動下,果穗向前進給,當運動到剝皮輥時,果穗受力增大。果穗在壓送輪作用下,受力大小呈周期性變化:當壓送輪葉片壓到果穗時,果穗受力增加,并當其運動到壓送輪正下方時,果穗受力達到峰值。此外,果穗在單個壓送輪作用時要比一對壓送輪作用時所受的力稍大。

圖9 不同工況下玉米果穗受力曲線圖

就不同工況而言,剝皮輥與壓送輪轉速越快,果穗所受到的力就越大,且波動性越強,在實際中果穗落籽率和籽粒破損率可能就越高[13-14]。在除去仿真剛開始果穗僅滑動時受力以及工況一啃穗時刻的果穗受力后,工況一、工況二、工況三中果穗的平均受力分別為14.34 N、15.65 N、18.08 N,仿真過程中果穗受力的方差分別為8.55、7.80、8.59。其中,工況三由于剝皮輥和壓送輪轉速最快,果穗受作用頻率最大,從而導致果穗所受力的波動頻數最多。工況一中玉米果穗總體受力最平穩,但在2.2 s左右出現了剝皮輥啃穗現象如圖10所示,果穗受力急劇增加到了60 N左右,多次重復仿真,均出現此類現象。工況二中的玉米果穗,受力較平穩,且沒有出現啃穗現象。綜上可知,工況一與工況三的工作參數不合理,而工況二的工作參數設置較合理。

圖10 工況一中果穗出現啃穗現象

2.5.3 果穗轉動速度分析

以時間為橫坐標,果穗轉速為縱坐標進行統計分析,如圖11所示。結果表明,剛開始進入剝皮裝置沒有剝皮輥作用時,果穗轉速很小或轉速為零,隨后果穗運動到剝皮輥,剝皮輥轉速越高,果穗繞自身軸線的轉速就越快。當壓送器對果穗有作用力時,果穗旋轉受阻,轉速減小。工況一、工況二、工況三中果穗平均轉速分別為57.59 r/min、58.86 r/min、61.92 r/min,其中工況三中的果穗轉速最快,對應剝皮裝置實際工作中的果穗剝凈率可能最高。

圖11 不同工況下玉米果穗轉速曲線圖

3 臺架試驗

3.1 試驗裝置

采用西安電機廠Y160L-6型三相異步電動機作為動力輸入裝置,額定功率11 kW,額定轉速970 r/min,使用變頻器對電動機轉速進行調節,剝皮機下方配有籽粒篩選裝置,便于統計掉落籽粒數。

3.2 臺架試驗方法

用變頻器調節三相異步電動機轉速,按仿真工況參數進行臺架試驗,每種工況重復3次試驗,每次試驗按5 t/h喂入速度均勻投放10枚玉米果穗,以果穗落籽率、剝凈率以及籽粒破損率為試驗指標。

3.3 臺架試驗結果分析

剝凈率、落籽率、籽粒破損率依次按式(7)～式(9)計算[15]。

(7)

(8)

(9)

式中:BY——剝凈率,%;

Yj——剝下苞葉數,個;

Yg——果穗上未被剝下苞葉數,個;

SL——落籽率,%;

WL——落下籽粒質量,kg;

WZ——籽粒總質量,kg;

ZS——籽粒破損率,%;

WS——破損籽粒質量,kg。

臺架試驗結果如表5所示,果穗剝凈率隨剝皮輥和壓送輪轉速增加而增大,工況一、工況二、工況三平均剝凈率分別為82.30%、90.22%、94.17%。其中工況三剝凈率最高,但落籽率和籽粒破損率也最高,平均落籽率和平均籽粒破損率分別為1.97%和1.77%;工況一中剝凈率最低,但落籽率與籽粒破損率卻很高,平均落籽率和平均籽粒破損率分別為1.41%和1.47%。在實際試驗中,由于工況一壓送器轉速較慢,果穗跳動未能被及時壓制而發生了跳躍,導致了落籽率與籽粒破損率高的情況;工況二中果穗有著較高剝凈率的同時,落籽率和籽粒破損率最低,平均落籽率和平均籽粒破損率分別為0.97%和1.07%,綜上所述,工況二作業效果最好。

表5 臺架試驗結果

4 仿真可信性分析

將仿真結果與臺架試驗結果匯總如表6所示。

表6 仿真結果與臺架試驗結果比較分析

仿真中果穗平均受力及果穗平均轉速越大,對應實際試驗中的果穗剝凈率就越高,在工況三中,仿真中果穗平均受力最大,為18.08 N,果穗平均轉速最高,為61.92 r/min,實際試驗中平均剝凈率最高為94.17%;仿真中受力方差越大,對應實際試驗中果穗落籽率、籽粒破損率就越高,在工況二中,果穗受力方差最小,為7.8,實際試驗中的平均落籽率和平均籽粒破損率最低,分別為0.97%和1.07%。以上分析表明實際試驗結果與仿真結果相吻合,證明仿真具有一定可信性。

5 結論

1) 在分析玉米果穗剝皮裝置工作原理基礎上,使用RecurDyn軟件與EDEM軟件建立柔性化壓送輪的玉米剝皮裝置仿真模型,通過離散元仿真試驗得知,當剝皮輥轉速為480 r/min,壓送輪轉速為96 r/min,喂入速度為500 kg/h時,果穗平均受力為15.65 N,受力方差為7.8,果穗平均轉速為58.86 r/min,果穗有較大受力和較快轉速的同時,受力方差較小。

2) 進行臺架試驗驗證了仿真可信性,當剝皮輥轉速為480 r/min,壓送輪轉速為96 r/min,喂入速度為500 kg/h時,果穗平均剝凈率為90.22%,平均落籽率為0.97%,平均籽粒破損率為1.07%,有著較高剝凈率的同時,落籽率和籽粒破損率最低,試驗結果和仿真結果相吻合。此研究表明利用EDEM-RecurDyn耦合建立玉米剝皮裝置離散仿真模型,可為此后玉米剝皮裝置試驗工作提供前期指導,節省試驗成本,減輕勞動負擔。