基于离散元法的BS-1200型宝塔菜收获机锥形滚筒分离效果研究

敬志臣,王建吉,寇元哲,连潇，胡天林

(陇东学院机械工程学院，甘肃 庆阳 745000)

宝塔菜又称甘露子(StachyssieboldiiMiquel)为双子叶植物纲唇形科水苏属多年生草本植物，原名草石蚕，别名地环、地蚕、土人参，原产于中国大陆.宝塔菜肉质脆嫩、风味独特、营养丰富，含有丰富的碳水化合物、蛋白质、B族维生素、胆碱等营养物质，有降低血液浓度，改善血液循环的独特作用.宝塔菜根茎深100～150 mm，周茎250～300 mm，果实最长可达60 mm,最大圆周直径约20 mm,成熟期地上茎杆高300～600 mm[1-3].

离散元素法(discrete element method，DEM)由英国皇家工程院院士、美国工程院院士Peter Cundall于1971年首次提出，离散元素法通过建立固体颗粒系统的参数化模型，进行颗粒行为模拟和分析，为解决众多涉及颗粒、结构、流体、电磁及其耦合等综合复杂问题提供了一个平台，已成为过程分析、设计优化和产品研发的一种强有力的工具.离散元分析方法[9-10]充分考虑离散的研究对象的力学特性，能更准确地模拟颗粒物料的运动行为，离散元法及其仿真软件EDEM在农业工程领域得到了广泛研究与应用，主要在大田耕作、谷物排种、农业物料参数标定、作物收获等方面取得了一系列重要研究进展[11-13].

近年来，吴俊等[4-5]使用运动仿真软件Adams对宝塔菜联合收获机关键部件进行了建模与仿真，并使用离散元法建立土壤的运动模型,比较了果实与土壤在输送器上的输送情况,优化了收获机的设计参数；李金川等[6]设计了基于TRIZ的旋转分离式宝塔菜联合收获机并进行了试验.

本课题组在前期研究的基础上，设计了BS-1200型宝塔菜收获机[7].BS-1200型宝塔菜收获机针对庆阳地区土壤气候条件和宝塔菜种植收获农艺要求，可以实现集翻挖、输送、分离清选、收集等工序一体化作业，完成宝塔菜机械化收获，减轻劳动强度，提高种植效率，提高农民种植积极性和经济效益[8].本研究针对BS-1200型宝塔菜收获机的锥形滚筒分离清选能力，运用离散元法，对锥形滚筒进行分离清选数值模拟，以期为宝塔菜收获机的后续设计与试验提供参考.

1 整机结构设计

1.1 结构设计及技术参数

BS-1200型宝塔菜收获机由三点悬挂装置、拨土轮、起土铲、土壤升运器、地轮、物料仓、锥形滚筒、风机、机架、减速器等组成(图1).工作时该机以拖拉机为动力源，拖拉机后输出轴将动力输入减速器，其动力经减速器后分为左右两路，左路带动链板输送分离装置、风机拨土轮工作；右路带动锥形滚筒工作.

1.三点悬挂；2.拨土轮；3.起土铲；4.土壤升运器；5.地轮；6.物料仓；7.锥形滚筒；8.风机；9.机架；10.减速器.

1.2 工作原理

工作时BS-1200型宝塔菜收获机由拖拉机牵引并提供动力，整机在拖拉机的带动下开始工作，同时挖掘铲开始挖掘土壤，并将宝塔菜全部从土里挖出来，挖掘过程中使土壤松散，再将挖掘的果实和土块混合物送到后面的链板输送装置，输送链装置将土块和宝塔菜的混合物输送至锥形分离滚筒，该混合物进入锥形分离滚筒时会受到来自风机的气流，在气流的作用下重量较小的杂质将会被吹出，而后锥形分离滚筒通过自身的旋转使得土块由栅格落下，宝塔菜果实由锥形分离滚筒后端落入收集装置，最终实现宝塔菜的挖掘、分离和收集.

表1 BS-1200型宝塔菜收获机技术参数

2 锥形滚筒分离效果仿真试验

2.1 模型建立

锥形分离滚筒长1 200 mm，进料端内径850 mm，出料端内径950 mm，内部铺设矩形筛网形成锥行导流面，促使物料有效分选的同时再提供一个轴向推进力.滚筒前端800 mm范围内铺设12 mm×12 mm的矩形筛网，为了实现果和土壤分离，后端400 mm滚筒内壁铺设25 mm×25 mm矩形筛网，以便于宝塔菜顺利落入集料斗收集，还可起到隔离杂草和大土块的作用.锥形滚筒三维模型见图2.

图2 锥形滚筒三维模型

2.2 Hertz-Mindlin无滑动接触模型

Hertz-Mindlin无滑动接触模型对力具有精确、高效计算能力，该模型中引入弹簧、阻尼器、摩擦器来描述颗粒碰撞接触时的形变，可以处理静态及多颗粒的相互作用，该模型也被称为“弹性-阻尼-摩擦”接触力模型(图3).计算时忽略物料-物料和物料-壁面间碰撞而产生的塑性变形，同时忽略其接触滞留时间，接触碰撞属于无粘性接触[14-15].在离散元理论中，固相被看作是离散的单元，其直线运动和旋转运动遵守牛顿第二定律.

Fn为法向力，N；Ft为切向力，N；Kn为法向弹簧刚度，N/m；Kt为切向弹簧刚度，N/m；Cn为法向阻尼系数；Ct为切向阻尼系数；μ为摩擦因数.

2.3 宝塔菜离散元模型

改进宝塔菜实物尺寸，建立宝塔菜离散元颗粒模型，如图4所示.模型建立时参考宝塔菜外形结构，为提高仿真计算效率和减少计算量，尽可能减少颗粒数量，设置宝塔菜圆周直径为20 mm，长为55 mm，整体外形为左右对称结构.

图4 宝塔菜离散元模型

2.4 仿真参数设置

在离散元软件EDEM中设置颗粒接触模型为Hertz-Mindlin无滑动接触模型，重力加速度为9.81 m/s2，新建2种颗粒材料，在此基础上分别建立2种颗粒，其中一种为土壤颗粒，另一种为宝塔菜颗粒.EDEM软件中与颗粒接触的几何体模型可在该软件中直接定义，也可从外界三维建模软件中导入[16].本研究在三维建模软件SolidWorks中建立锥形分离滚筒的三维模型，另存为.x_t格式后导入EDEM，为分离滚筒新建一种金属材料，并为其添加材料属性，最后确定各颗粒与颗粒、颗粒与几何体间的接触参数[11].在锥形滚筒入口处设置一个面作为颗粒工厂，该面为虚拟面，用来生成土壤和宝塔菜颗粒，仿真时土壤和宝塔菜颗粒同时生成，同时在X轴负方向添加颗粒初始速度为1 m/s，宝塔菜生成速率为200个/s，土壤颗粒生成速率为30 000个/s[17].在整个锥形滚筒几何体的下部设置一个实体的面，用来盛接分离后的土壤颗粒，便于结果统计.计算时采用瑞丽时间的20%，共计算2 s，数据保存间隔为0.01 s，所有参数设置完成后开始仿真计算.各物料属性及接触参数见表2.

表2 EDEM中物料属性及接触参数

2.5 仿真结果

仿真结束后在EDEM软件后处理中查看仿真结果，结果表明土壤和宝塔菜分离效果较好，整个过程如图5所示.土壤和宝塔菜的混合物料进入锥形滚筒后在下落阶段由各自物理特性先进行分层，待混合物料接触锥形滚筒时随锥形滚筒的运动而运动，由于各自的物理参数差异，从而在锥形滚筒内产生不同的运动参数.

在后处理面板中随机选择5个宝塔菜颗粒作为标记点，可得到宝塔菜颗粒的三维运动轨迹，通过观察标记点的运动轨迹可以发现其运动规律，也可以观察宝塔菜在锥形滚筒内的运动方式，为后续的研究提供参考.将标记的宝塔菜颗粒坐标信息导出后整理调整，再导入专业绘图软件Origin中，进行三维轨迹图绘制，绘制后的5个标记点三维轨迹图如图5所示[18].由宝塔菜在锥形滚筒中的运动轨迹可以发现宝塔菜先是随锥形滚筒运动一段时间，此时宝塔菜既有水平方向的运动趋势，又有竖直方向的运动趋势，在锥形滚筒运动到某个时刻时宝塔菜达到竖直方向的最大高度，此后宝塔菜开始在锥形滚筒内自由下落，下落后再次接触锥形滚筒，再次随锥形滚筒运动，如此往复运动后直至排出锥形滚筒.

图5 离散元仿真过程

图6 宝塔菜颗粒运动轨迹

同样可以在后处理中导出土壤颗粒和宝塔菜颗粒的角速度、线速度和颗粒数量等参数(图7)，通过对比土壤与宝塔菜的运动参数可直观的判别二者在锥形滚筒内的分离程度.土壤颗粒在接触锥形滚筒时经过短时间的能量传递即可获得较大的角速度，而宝塔菜颗粒由于自身的物理特性影响，难以在短时间内获得较大的角速度，此时土壤和宝塔菜在锥形滚筒内已经产生不同的运动参数，在分离初期已经开始出现初次分离过程(图7-A)).同样在土壤和宝塔菜进入锥形滚筒初期土壤颗粒的线速度远大于宝塔菜颗粒的线速度，二者的差异非常明显，不同于角速度的是土壤颗粒的线速度开始处于增加阶段，后期处于减小阶段，是因为土壤颗粒已经分离出锥形滚筒，不再参与分离过程，而宝塔菜颗粒需要全程参与锥形滚筒的分离过程，所以宝塔菜颗粒的线速度在稳步持续增加(图7-B).

图7 土壤与宝塔菜颗粒运动参数对比

3 锥形滚筒分离清选试验

3.1 试验材料

BS-1200型宝塔菜收获机锥形滚筒验证试验在甘肃庆阳镇原县太平镇进行，试验场地面积为0.6 hm2，该试验场地地势平坦，面积较大，土壤为黄绵土，土壤呈小团状，肥力充足，宝塔菜长势良好.试验地依照宝塔菜种植农艺要求采用撒播的方式进行播种，宝塔菜符合收获农艺要求.土壤含水率满足宝塔菜机械化收获标准要求，可以进行宝塔菜机械化收获试验.

3.2 试验方法

按照GB/T 6562-2008《农业机械试验条件》标准要求，结合宝塔菜种植农艺要求和农户生产实际情况，需测定BS-1200型宝塔菜收获机的含杂率、总损失率、损伤率、挖掘深度、生产率等作业参数.在试验田间划分出不同的3个区域，分别为5 m×1.2 m、10 m×1.2 m、15 m×1.2 m，通过3次不同区域的宝塔菜挖掘试验来测定锥形滚筒的分离效果，试验过程需观察整机运行及田间作业情况，是否出现堵塞、遗漏、动力不足、滚筒转速不匹配等现象，试验完成后依次统计不同试验区域的宝塔菜收获、分离、损失等情况，将统计数据进行分析计算，所有计算结果均取平均值.田间试验如图8所示.

图8 田间试验

3.3 试验结果

在整个BS-1200型宝塔菜收获机锥形滚筒分离效果试验过程中，整机运行平稳，未出现堵塞、遗漏、动力不足、滚筒转速不匹配等现象，试验结果见表3.试验结果显示，锥形滚筒在满负荷工作的情况下分离出的宝塔菜含杂率为2.9%，整个过程总损失率4.6%，损伤率8.4%，挖掘深度160 mm，生产率为0.08 hm2/h.各项试验指标均满足宝塔菜的收获、分离要求，BS-1200型宝塔菜收获机锥形滚筒分离效果满足宝塔菜收获、分离要求，可以作为宝塔菜收获机分离装置使用.

表3 试验结果

4 结论

为提高BS-1200型宝塔菜收获机锥形滚筒分离清选能力，采用离散元法对锥形滚筒进行土壤-宝塔菜分离清选仿真模拟，通过对比分析土壤颗粒与宝塔菜颗粒的不同运动参数，以及宝塔菜颗粒的运动轨迹，得出锥形滚筒分离过程的理论依据，最后进行田间验证试验.

仿真结果表明：该锥形滚筒分离效果良好，土壤颗粒与宝塔菜在整个分离过程中各项运动参数差异较大，保证了分离效果；田间验证试验结果表明：锥形滚筒在满负荷工作的情况下，分离后含杂率为2.9%，总损失率4.6%，损伤率8.4%，挖掘深度160 mm，生产率为0.08 hm2/h.

BS-1200型宝塔菜收获机锥形滚筒分离清选效果好，可以满足宝塔菜的机械化收获与分离，本研究为宝塔菜收获机的设计与试验提供一定的参考.